在集成電路中,銅互連工藝需要沉積一層連續(xù)且保形性良好的銅阻擋層。氮化鉭是一種過渡金屬氮化物,由于其硬度高,導(dǎo)電性可控,對金屬元素具有擴散阻擋的作用,在微電子工業(yè)領(lǐng)域中氮化鉭是銅互連技術(shù)中研究最為廣泛的擴散阻擋層材料。隨著集成電路特征尺寸的減小及溝槽深寬比的增加,早期的物理氣相沉積（PVD）工藝難以滿足其未來的制作需求,因此原子層沉積（ALD）技術(shù)對制備超薄氮化鉭阻擋層起著至關(guān)重要的作用。大部分ALD氮化鉭薄膜的工藝優(yōu)化主要集中在控制前驅(qū)體及還原氣體的成分和工藝,以避免生成高阻態(tài)Ta₃N₅。這是由于器件關(guān)鍵尺寸的持續(xù)縮小會導(dǎo)致銅互連體積減小和阻擋層TaN在銅線中所占比例增加,而相比于銅阻擋層材料（TaN電阻率小于0.25 mΩ·cm; Ta₃N₅電阻率約為6Ω·cm）,銅的電阻率（1.67μΩ·cm）極低,因此阻擋層在銅互連中所占比例增加必然導(dǎo)致互連線導(dǎo)電性減弱。同時,互連線導(dǎo)電性不好還會導(dǎo)致器件工作信號傳輸延遲和工作能耗增加,因此,銅阻擋層的厚度應(yīng)盡量薄。此外,這層極薄的銅擴散阻擋層需要被連續(xù)沉積在... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報. 2020,34(19)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

300 ℃下沉積的TaNx薄膜(～30 nm)的電阻率和生長速率隨氨劑量的變化規(guī)律(PDMAT注入時長為6 s)[34]

圖9 熱法原子層沉積和等離子增強原子層沉積的TaN薄膜的XRD圖譜[38]2003年,Na等[40]采用等離子體輔助原子層沉積方法,以PEMAT為前驅(qū)體、NH3/Ar混合氣體等離子體作為還原氣體,成功在SiO2/Si晶圓上制備了氮化鉭(TaN)薄膜,并與傳統(tǒng)熱法原子層沉積制備的薄膜進行了對比(在相同前驅(qū)體的條件下)。研究發(fā)現(xiàn):在襯底溫度為250 ℃時,采用PEALD 制備TaN的生長速度(0.080 nm/周期)略高于熱法ALD制備TaN(0.075 nm/周期)。采用PEALD法沉積的TaN膜密度高達11.0 g/cm3,遠高于熱法ALD沉積的膜密度(8.3 g/cm3)。熱法ALD沉積的TaN的N/Ta原子比為44∶37,薄膜中約含有8%～10%的碳和11%(原子分數(shù))的氧雜質(zhì)。而PEALD 沉積的TaN層的N/Ta原子比則為47∶44,其碳氧含量分別下降到3%和4%。采用兩種方法沉積的薄膜晶體均為無定形結(jié)構(gòu)。另外,將薄膜在氮氣環(huán)境下熱退火30 min后,發(fā)現(xiàn)通過PEALD 制備的TaN薄膜比熱法ALD制備的薄膜熱穩(wěn)定性更好。測試10 nm厚的TaN薄膜作為Cu擴散屏障的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)PEALD沉積的TaN薄膜抗Cu擴散性能明顯優(yōu)于熱型ALD,且在800 ℃下對Cu都具有較好的阻隔性能。

表1 原子層沉積氮化鉭薄膜的性能[19]Table 1 Properties of the ALD tantalum nitride film[19] 晶相 顏色 厚度nm 氮原子分數(shù)/% 室溫電阻率μΩ·cm 立方相 褐灰 190 56 1 190 斜方正交相 亮橘紅 150 63 41 170隨后,赫爾辛基大學(xué)的Ritala和Leskel等[20-24]對過渡金屬氮化物薄膜的原子層沉積工藝及性能改善進行了研究。他們首先成功利用原子層沉積工藝制備了氮化鈦(TiN)薄膜[19,21-23]和氮化鈮[19,23-24]薄膜,并對沉積工藝和薄膜特性進行了分析。研究發(fā)現(xiàn),在反應(yīng)過程中加入金屬鋅(380 ℃鋅蒸氣),可以大幅改善薄膜的電阻率,這主要是因為金屬鋅不僅具有強的還原性及有效的除氯作用,還會影響材料結(jié)構(gòu)等[23]。之后,Ritala等[20]的研究發(fā)現(xiàn),金屬鋅對原子層沉積氮化鉭薄膜的改性作用比對氮化鈦或氮化鈮更加明顯。當(dāng)氨氣作為還原劑時無法使五價Ta完全還原為三價Ta,最終會得到富氮態(tài)Ta3N5。在反應(yīng)溫度較低(200 ℃)時,薄膜雜質(zhì)含量很高,只有在溫度較高(450～500 ℃)時雜質(zhì)含量最低。當(dāng)沉積溫度低于400 ℃時,薄膜為無定形結(jié)構(gòu);當(dāng)沉積溫度高于400 ℃時,薄膜為多晶結(jié)構(gòu)。薄膜的電阻率與其結(jié)晶程度有關(guān),多晶Ta3N5薄膜的電阻率(～0.5 Ω·cm)明顯低于無定形Ta3N5薄膜(～200 Ω·cm)。當(dāng)以金屬鋅作為附加還原劑時,則可得到TaN薄膜。但因鋅的蒸氣壓較低,所以僅在反應(yīng)溫度高于400 ℃時才能成膜,且形成的TaN薄膜為多晶立方相。薄膜電阻率和反應(yīng)溫度的關(guān)系不大。當(dāng)反應(yīng)溫度升高時,薄膜的雜質(zhì)含量會降低;當(dāng)溫度達到實驗中的最高溫度500 ℃時,雜質(zhì)氯元素的原子分數(shù)僅為0.1%。但需要注意的是,所有氮化鉭薄膜樣品中均可以檢測到氧元素,其原子分數(shù)約為3%,且與金屬鋅沒有關(guān)系,可見沉積的薄膜在空氣中極易氧化,不利于其工業(yè)應(yīng)用。


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