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基于稳定固溶体合金团簇模型的无扩散阻挡层Cu-Ni-Mo三元薄膜

张心怡

   随着超大规模集成电路中器件和互连线的尺寸不断减小,如何制备厚度薄且具有良好的阻挡性能及电学性能的扩散阻挡层变得越来越具有挑战性。向Cu膜中直接加入少量合金元素来制备Cu种籽层的无扩散阻挡层结构成为了该领域的重要研究内容。 董闯、张杰等人建立的Cu-Ni基固溶体团簇模型将固溶体结构分解成团簇和连接原子两部分。如果第三组元M,与Ni的混合焓为负,则形成M作为中心原子,Ni原子占据第一壳层的CN12立方八面体团簇(Ni12M1)结构。连接原子指的就是占据团簇外部的原子,通常与团簇原子成弱的混合焓。研究表明,成分上形成这种理想构型,同时符合这种模型的混合焓要求的结构的合金本质上具有非常高的热稳定性。 本文的研究工作以添加一种固溶元素的扩散阻挡效果为基础,试图将上述团簇模型应用到无扩散阻挡层Cu互连薄膜中。采用磁控共溅射法,选择Mo作为第三组元,制备Ni、Mo共掺杂的稀Cu合金薄膜,研究掺杂成分和相应的团簇结构对Cu膜的微结构和性能的影响。通过对比实验,测试了总含量接近的不同团簇对Cu膜的热稳定性的改善情况和对电阻率的影响。证明了(Ni12Mo)团簇这种掺杂方式可以有效抑制退火过程中的Cu-Si互扩散,并且不阻碍Cu的再结晶和晶粒长大,在提高稳定性的同时保持较好的电性能。然后在此基础上,综合考虑实际应用,进一步调整成分,找到最佳的成分配比。 研究结果表明,薄膜(Mo1/13Ni12/13)0.27Cu99.73具备最佳的热稳定性和电性能。热稳定性方面,600℃退火1h以及400℃退火40h后,XRD都没有检测到Cu3Si。电阻率方面,500℃退火1h后,电阻率达到最低,为2.5μΩ-cm;即使在400℃退火40h以后,电阻率仍保持较低水平,为2.8μΩ-cm。团簇模型能够很好的应用于这项研究。……   
[关键词]:无扩散阻档层;Cu膜;稳定固溶体合金团簇结构模型;磁控溅射
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:大连理工大学2010年