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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

作　者: 张心怡
导　师: 董闯；李晓娜
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料物理与化学
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
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 40次
引　用: 2次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 扩散阻挡层  8
  1.2 无扩散阻挡层  8-11
  1.3 本课题研究  11-13
2 薄膜的制备方法和分析方法  13-24
  2.1 薄膜的制备方法  13-15
  2.2 磁控溅射原理及设备  15-16
  2.3 薄膜的分析方法  16-24
    2.3.1 电子探针  16-18
    2.3.2 数字式四探针测试仪  18-20
    2.3.3 薄膜X射线衍射仪  20-21
    2.3.4 透射电子显微镜  21-24
3 固溶体无扩散阻挡层Cu合金薄膜  24-34
  3.1 固溶体无扩散阻挡层Cu合金薄膜  24-27
  3.2 固溶体无扩散阻挡层Cu合金薄膜的理论背景——稳定固溶体模型  27-34
    3.2.1 基于稳定固溶体模型的Cu-Ni-M块体合金  27-30
    3.2.2 基于稳定固溶体模型的Cu-Ni-Mo三元合金薄膜的可行性  30-34
4 Cu-Ni-Mo薄膜的电性能和热稳定性分析  34-56
  4.1 Ni、Mo总含量约为1at.%,Ni、Mo含量比例对薄膜性能的影响  34-49
    4.1.1 EPMA分析结果  34-35
    4.1.2 电阻率结果  35-38
    4.1.3 XRD分析结果  38-40
    4.1.4 截面TEM分析结果  40-45
    4.1.5 平面TEM分析结果  45-47
    4.1.6 讨论和结论  47-49
  4.2 不同含量(Ni_(12)Mo)团簇对薄膜性能的影响  49-52
    4.2.1 EPMA分析结果  49-50
    4.2.2 电阻率结果  50-52
  4.3 (Mo_(1/13)Ni_(12/13))_(0.27)Cu_(99.73)薄膜的电性能和热稳定性能分析  52-56
    4.3.1 电阻率结果  52-53
    4.3.2 XRD分析结果  53-54
    4.3.3 TEM分析结果  54-56
结论  56-58
参考文献  58-61
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  61-62
致谢  62-64

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

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