集成电路互连介质阻挡层进展研究

北方工业大学信息学院 王艳蓉 胡颖颖 张 静

随着集成电路尺寸的不断微缩，后段制程（back-end-of-line，BEOL）中介质层材料及其扩散阻挡层的选择制备与集成是逐渐成为制约超大规模集成电路发展的重要因素之一。用以金属Cu及互连介质层间扩散阻挡作用的阻挡层对材料的电阻特性，兼容性和可靠性方面提出严格的要求。本文主要从解决Ru作为Cu扩散阻挡层性能差这个角度出发，重点介绍了将Ru与TaN结合使用作为扩散阻挡层以及向Ru中添加Ta(N)，从而增强Ru作为扩散阻挡层性能这两种方案。在研究Ru/TaN双层和RuTa(N)薄膜作为扩散阻挡层时发现，这两种方案中都有相应的影响因素，以及这些因素对薄膜都产生了影响。

1 研究意义

随着集成电路器件特征尺寸的不断微缩，晶体管密度不断增加，互连层电阻和电容所产生的延迟效应越来越明显，因此目前集成电路金属互连线通常采用铜(Cu)互连线，但Cu互连线也存在着一个关键的问题就是Cu原子会在Si或互连线之间的电介质中快速相互扩散，从而影响器件性能。因此，通常需要扩散阻挡层以避免Cu向器件结构中扩散，影响芯片性能及寿命。

许多难熔金属及其氮化物因为具有出色的热稳定性和良好的导电性被选作Cu互连的扩散阻挡层，例如Ta，TiN和TaN以及Ta/TaN双层等。但这些材料电阻率较高，与电镀的Cu层的粘附性有限。如果不添加蒸发的Cu籽晶层，将很难进行后续Cu电镀。而Ru作为阻挡层时，它可以解决以上问题。然而，Ru的微结构较差，且具有多晶柱状晶粒；与SiO2基介电材料的附着力较差。并且，当Ru层(5nm)非常薄时，在300℃时就会失去阻挡作用。因而善Ru阻挡层性能较好的解决方案是与将其与TaN层结合成为Ru/TaN双层膜。此外还可以向Ru中添加合金元素Ta(N)来改善Ru作为扩散阻挡层的性能。本篇文章将重点介绍Ru/TaN双层和RuTa(N)合金薄膜作为Cu扩散阻挡层的相关研究。

2 Ru/TaN双层扩散阻挡层

Ru/TaN双层结构中，Ru和TaN分别可发挥出不同的作用，并且TaN层对其上生长的Ru层也有也有影响，Xie等人、choi等人和shin等人和wang等人的工作中则探究了TaN厚度对Ru生长的影响，以及N2流速对Ru/TaN双层的影响。

2.1 N2流速对Ru/TaN双层的影响

Wang等选择3和7sccm的氮气流速，分别用于沉积TaN(L)和TaN(H)层。在TaN膜的顶部，淀积约8nm的Ru膜，然后沉积200nm厚的Cu膜以获得Cu/Ru/TaN/Si叠层结构。并比较了Ru/TaN(L)，Ru/TaN(H)的热稳定性，界面稳定性，经比较两个样品退火后的XRD图，以及XPS深度分布图发现Ru/TaN(H)的热稳定性和界面稳定性均比Ru/TaN(L)好。如图1所示，Cu/Ru/TaN(L)/Si结构在退火温度达到650℃时，样品表面就有硅铜化合物的生成，这也说明此时阻挡层已经失效。但Cu/Ru/TaN(H)/Si结构中则一直没有硅铜化合物的生成。图2(c)在650℃退火后，Cu原子的扩散非常严重，以致于Ru/TaN(L)的界面被完全破坏。图2(d)在650℃退火后，Ru/TaN(H)的界面以及N信号也可以清楚地识别出来，表现出更好的界面稳定性。

图1 Cu/Ru/TaN/Si叠层结构的XRD图谱

图2 Ru/TaN阻挡层结构的XPS深度分析图谱：a)沉积后；b)650℃退火后

2.2 TaN厚度对Ru生长的影响

Xie等、choi等和shin等均以P型Si(100)为衬底，PDMAT（五(二甲氨基)钽，(C10H30N5Ta)）或者TBTDET（三(二乙基氨基)叔丁酰亚胺钽，C16H39N4Ta）作为沉积TaN的前驱体，Ru(EtCp)2(双（乙基环戊二烯基)钌，Ru(C2H5C5H4)2)作为沉积Ru的前驱体，PEALD沉积了Ru/TaN双层。而在他们的工作中也发现了一些相似的地方，例如Xie等和Shin等的工作中发现当底层的TaN的厚度小于2nm时，Ru将不能在其上沉积，如图3及图4所示。由图3和图4可知TaN厚度最薄不能小于2nm。

图3 XTEM图：a)Cu(50nm)/TaN(2nm)/Si；b)Cu(50nm)/Ru(3nm)/TaN(5nm)/Si

图4 不同退火温度下Cu/Ru/TaN(3.2nm)/Si叠层结构的高分辨TEM图：a)300℃；b)400℃

然而，Dey等人证明了Ru可以经过PEALD在0.5nm厚的TaN薄膜上生长，同时他们还观察了CVD Ru（3nm）/ALD TaN（xnm）/Si（x=0，0.5，1）薄膜的表面SEM图像（如图5所示）。图5的左列是这项工作中研究的沉积钌膜（3nm）的SEM图像。图5的右列是经过处理的图像，这些图像突出了薄膜中的针孔，其中Ru岛和衬底的可见区域分别用绿色和红色表示。并且Dey等还利用IMAGEJ软件计算了Ru覆盖在底层上面积百分比。

图5 沉积薄膜的SEM图

2.3 Ru/TaN双层与Ru单层的热稳定性

Shin等的工作中也将Ru/TaN双层与Ru单层分别作为Cu扩散层时的热稳定性进行了比较，如图6所示。显见，退火温度在400℃以下时，Cu/Ru叠层的薄层电阻一直在降低，但在500℃却突然增加。退火温度在500℃以下时，Cu/Ru/TaN叠层的薄层电阻一直下降，在600℃也突然增加。薄层电阻的降低是由在退火过程中Cu晶粒的生长和重结晶引起的，而薄层电阻的增加与Cu扩散到底层中有关。

图6 Cu/Ru/Si及Cu/Ru/TaN/Si样品薄层电阻随退火温度变化趋势图

3 RuTa(N)合金薄膜扩散阻挡层

已知Ru的微结构较差，且具有多晶柱状晶粒，纯Ru膜作为阻挡层的效果不好，故Chen等、Volders等、Wojcik等、Whakraborty等以及Torazawa等向Ru或Ru-N中添加了Ta(N)，制备了RuTa和RuTaN薄膜，并研究了它们的相关特性。

RuTa(N)还可以与TaN结合使用，在Yang等的工作中，分别沉积了Ru/TaN、Ru0.9Ta0.1/TaN和Ta/TaN叠层，经研究发现Ru/TaN和Ru0.9Ta0.1/TaN衬里叠层显示出与常规Ta/TaN双层衬里叠层相当的氧化和Cu扩散阻挡性能。Ru/TaN和Ru0.9Ta0.1/TaN衬里叠层相对于Ta/TaN叠层对超薄Cu种子有更好的润湿性并因此提高了间隙填充质量，前两者的抗EM能力比后者更强。

3.1 Ru与Ta(N)的含量比的影响

Chen等分别在Si和SiO2/Si上溅射了15nm的Ru和Ru-Ta薄膜，经研究表明无论这种薄膜沉积在Si上还是SiO2上，Cu/Ru膜的薄层电阻在500℃的退火温度下就开始增加，而Cu/Ru-Ta叠层薄膜的薄膜电阻在700℃的退火温度下才开始增加，同时两个叠层结构在400-700℃退火后的XRD显示Ru膜是多晶结构，而Ru-Ta薄膜在700℃下都是非晶结构，只在700℃时微结晶。另外，电流-电压测量还表明，Cu/Ru-Ta结构的泄漏电流低于Cu/Ru结构。这些证明了Ru-Ta和Ru薄膜在作为扩散阻挡层时，前者的失效温度比后者高200℃，前者的热稳定性比后者好，原因就是Ru-Ta的结晶温度比Ru高，为Cu扩散提供了更少的路径。Chen等向Ru-N膜添加Ta，形成Ru-Ta-N薄膜，研究证明在相同条件下沉积的Ru-N薄膜和Ru-Ta-N薄膜，前者因为其圆柱状晶粒结构加速了的Cu的扩散，所以在600℃就失效了，而添加后破坏了其结晶度，使得沉积的Ru-Ta-N薄膜是非晶结构，从而它对Cu的扩散阻挡作用增强了，并且在900℃时，才会失效。

通过众多研究表明，在Ru中添加Ta(N)确实能够增强Ru作为扩散阻挡层的功能，但添加不同含量的Ta(N)会对RuTa(N)产生不同的影响。

3.2 RuTa(N)薄膜的可调性

相对于多层阻挡层，RuTa(N)薄膜作为阻挡层的一个重要的优点就是它易于进行组分调整。Kumar等为了研究混合相阻挡层的可缩放性，将Ru：Ta比保持恒定在12，研究了2nm厚的PEALD Ru-TaN薄膜的相关特性。如图7所示，没有任何Cu扩散峰，表明厚度小于2nm的混合相阻挡层可以作为Cu扩散的有效阻挡层。

图7 不同退火温度下Ru/Ta比例为12的2nm Ru–TaN的TVS图

但chakraborty等研究发现，3nm的RuTaN膜可以完全覆盖铜粒，并且Cu/阻挡层界面看起来很光滑，没有针孔或分层的迹象。

3.3 RuTa薄膜与RuTa(N)薄膜性能比较

Torazawa等利用带有10at.%Ta Ru-Ta合金靶通过PVD沉积了RuTa薄膜并在Ar和N2中沉积了RuTaN薄膜，通过观察薄膜的XRD图(图8)发现随着N2含量的增加，RuTaN的XRD峰变得越来越弱，且峰的半峰全宽（FWHM）变得更大，这意味着在沉积过程中添加N2会削弱RuTaN膜的结晶度，并且沉积膜的晶体尺寸会变小，表明RuTaN对Cu扩散的阻挡性能要好于RuTa。

图8 RuTa和RuTa(N)的XRD图

另外，Torazawa等还比较了这两中薄膜在退火后对Cu扩散的阻挡作用结果发现RuTa的阻挡性能比RuTaN要好。在图9中，可以看出Cu扩散到RuTaN阻挡层中的深度比RuTa和Ta/TaN深。这就证明了退火后RuTaN作为阻挡层时的阻挡作用比RuTa差。这是因为在240℃时，RuTaN薄膜中的N就会解吸，RuTaN薄膜会由于重结晶而晶体尺寸增大，晶界密度降低，从而使得Cu向RuTaN膜中的扩散增加并且RuTaN的阻挡性能降低。另外，RuTa（N）的MTF比RuTa的MTF短，因此RuTa（N）的EM可靠性性能也不如RuTa。

图9 退火后Cu在RuTa，RuTa(N)和Ta/TaN中的含量SIMS图

本文主要介绍了Ru/TaN双层、RuTa(N)合金薄膜作为Cu扩散阻挡层的相关研究，并列出了一些影响这三种薄膜的因素，以及这些因素所带来的影响。总的来说，Ru/TaN双层、RuTa(N)合金薄膜作为Cu扩散阻挡层还是有很大的研究价值，值得我们继续深入研究。