第一章 序論
1.2 研究動機
銅金屬化製程的引入已是目前後段深次微米技術的主流，未來在
元件操作速度及可靠度的考量下，銅金屬連線勢必會漸漸取代鋁，到 最後整個金屬連線及插塞必將完全使用銅為金屬材料[63]，而銅金屬的 快速擴散性質將是在實際應用時所需解決的問題之一，因此有大量的 文獻在阻障層的研究上，以期能找出一個適用的方法。
雖然許多研究已對二元及三元的阻障層薄膜均被廣泛方面探討如 Ta-N 及 Ta-Si-N [48] 薄膜，然而過去的文獻在定義銅/阻障層/矽基材的 結構之退化機制時往往是以材料的觀點，例如用薄膜片電阻值的變 化、電子顯微鏡( SEM )下的型態改變及 X 光薄膜繞射分析( XRD )或二 次離子質譜儀( SIMS )中銅離子濃度的曲線等等方式來說明。但是在實 際應用於 MOS 結構上時，金屬(銅/阻障層)會與矽基材直接接觸的地方 只有汲/源極，也就是二極體接面處，此可以從圖 1.4，MOS 結構圖中 看出。因此作者認為以銅/阻障層/矽基材的結構而言，其在定義退化機 制時，應該以電性量測之接面二極體漏電流變化為依據。也就是當小 部分的銅(可能只有 1﹪)擴散到接面處，雖然其片電阻值並沒有變化，
但元件已因漏電流太大而失效，此時就應定義其結構已經退化。
故本文欲以 Ti-Al 的靶材通入不同的氮流量進行 Ti-Al-N 薄膜的沉 積。待沉積完後的 Ti-Al-N 薄膜再以物理氣相沉積的方式沉積 Cu 於 Ti-Al-N 薄膜上形成 Cu/Ti-Al-N/Si 結構。完成 Cu/Ti-Al-N/Si 結構後分 別進行不同溫度的退火以進行熱穩定性的探討。
表 1.1 應用於後段金屬連線所需材料與製程之要求 最小的電阻與熱阻係數 配合基板的熱膨脹係數 容易沉積於高視窗比圖案 抗應力遷移能力良好
高沉積速率 高熔點
容易蝕刻與平坦化 有較大的晶粒與較小的表面粗糙度 腐蝕與氧化的防止 和其他材料、製程相容
低化學活性 不會污染周圍材料
可生成自我保護層 可靠性良好 良好的附著性
表 1.2 內連線金屬材料的比較 金屬材料
特性 鋁 金 銀 銅 鎢
電阻係數(Resistivity) μ
Ω-cm 2.66 2.35 1.59 1.67 5.65 楊氏係數(Young’s
modulus) x10-11 dyn/cm2 7.06 7.85 8.27 12.98 41.1 熱傳導係數(W/cm) 2.38 3.15 4.25 3.98 1.74 熔點(℃) 660 1064 962 1085 3387 比熱(J/Kg K) 917 132 234 386 138
抗腐蝕性(空氣中) △ ○ X X △
附著性(與 SiO2) △ X X X X 沉積方法
物理沉積(Sputtering) 可
化學沉積(CVD) 可
蝕刻技術
乾蝕刻 可 ？ ？ ？ 可
濕蝕刻 可 可 可 可 可
○優 △佳 X 差
圖 1.1 不同線寬世代之積體電路時間延遲圖。
M1
圖 1.3 銅膜底切之現象 Cu
PR
Si substrate
圖 1.2 (a)顯示進行濺鍍沉積時其階梯覆蓋的問題。(b)加入準直管 的情形。
靶材 準直管
矽基板 (b)
SiO2
沉積金屬層 靶原子移動方向
(a) PVD 薄膜
SiO2
矽基板
圖 1.4 MOS 之部分剖面結構示意圖 M2
Si-substrate
Drain Source
Contact Hole
IMD Plug
Metal1
ILD
Passivation Layer
Metal2
IMD
Barrier Layer Cu
Si substrate
Barrier Layer Cu