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原子层技术制备铜薄膜为何需要等离子体辅助

  • 分类:业界动态
  • 作者:等离子清洗机-CRF plasma等离子设备-等离子表面处理机厂家-诚峰智造
  • 来源:
  • 发布时间:2021-06-11
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【概要描述】        随着集成电路中的晶体管尺寸逐渐减小单位面积内集成电路中的晶体管数量急剧增加以及芯片中互连线的长度与层数不断增加导致其互连延迟增大为了降低互连延迟如何选取合适的互连材料及其制备技术是半导体领域需要解决的问题。现如今以铜互连取代传统的铝互连成为互连工艺的主流。相比于金属铝铜具有较低的电阻较好的抗电迁移特性能够提供更大载流能力。目前铜互连制备采用的是大马士革工艺川,该工艺的步骤之一 是在已制备好的沟槽或通孔内先沉积一层铜扩散阻挡层该层用来阻止后续的金属铜与单晶硅基底的反应和扩散然后在扩散阻挡层上沉积一层导电的铜籽晶层,用作电镀工艺的导电层来确保铜电镀顺利进行。         传统的铜籽晶层沉积工艺主要有物理气相沉积( PVD)然而随着集成电路特征尺寸不断缩小利用PVD技术难以在高深宽比的沟槽中沉积保形性好、均匀-致的铜籽晶层,随着微电子器件的小型化原子层沉积( ALD)技术得以迅速发展该技术对具有较高深宽比的沟槽及复杂三维结构表面具有良好的台阶覆盖性更重要的是基于前驱体表面自限制化学吸附反应,ALD可通过控制周期数来精确控制薄膜厚度。而在ALD工艺中所沉积物质前驱体与反应前驱体交替进入反应腔。         其间用惰性气体将未反应的前驱体吹扫干净确保反应气体为交替自限制沉积方式。近年来多名研究者利用ALD技术沉积了铜薄膜。所使用的铜薄膜前驱体多为卤化铜、β二酮类、脒基铜类沉积温度一般在200C以上6-9。而高的沉积温度使得基底表面的铜粒子自由能增加而易发生团聚形成大晶粒造成不连续铜薄膜的沉积进而导致薄膜电阻的增大。为获得连续且具有较低电阻率的铜薄膜须通过增加铜晶粒的生长时间以促进晶粒间接触并最终连通。由此可见热原子层铜薄膜沉积的主要问题之一是 ,为了沉积连续的铜薄膜其厚度需要具有一阈值限制了沉积铜籽晶层向更薄厚度更宽使用范围的发展。研究报导铜籽晶层的理想沉积温度要低于150°C以便在几纳米厚度的尺度上形成均匀连续的铜薄膜0-1。         为了实现铜薄膜的低温沉积除了使用还原性更强的二乙基锌、三甲基铝以替代氢与铜前驱体反应外(该反应体系尽管可以降低沉积温度,但是容易引入锌、铝等杂质导致铜薄膜性能降低) 更为常用的方法是在热ALD的基础上引入等离子体技术以降低沉积温度。Moon 等131以Cu( dmamb) 2作为铜前驱体,使用氢气等离子体技术,在100 ~180C沉积范围内制备了铜薄膜。其沉积速率为0.065nm/eycle,薄膜中碳、氧杂质含量约为5%。Coyle等|41使用等离子体增强ALD技术采用新型含氮杂环卡宾铜前驱体(copper( 1) NHCs) 沉积铜薄膜在前驱体温度为90C且沉积温度为225C时可得到较低电阻率的铜薄膜。         尽管上述研究在不同程度上实现了铜薄膜的低温沉积但是碳、氧等杂质含量都较高。利用等离子体增强,一方面是因为等离子体的引入降低了沉积温度而沉积温度的降低会使得与基底表面键合的铜前驱体数目增加;另一方面 等离子体作用于基底表面很可能增加了基底表面的活性位点同样增加铜前驱体的吸附量两种因素的共同作用使得与氢等离子反应的铜前驱体数目增加导致薄膜沉积速率的增大。对于铜薄膜沉积工艺的研究中薄膜的初期成核过程具有重要意义放入腔室内的基底表面- -般具有羟基或氢终端反应活性位点而基底表面铜前驱体的饱和化学吸附量与表面反应活性位点的含量及密度密切相关。随着沉积周期数的增加基底表面的粗糙度缓慢增大说明在实验初期有沉积发生在基底表面且在最初生长阶段没有出现生长延迟现象但是,10 周期以内的沉积并没有得到连续的铜薄膜。在薄膜生长初始阶段铜薄膜在基底表面为岛状生长模式沉积,但是由于铜原子的团聚粒径被较低的沉积温度所限制,随着基底表面铜颗粒数不断增加其相互连接并最终形成连续的铜薄膜。

原子层技术制备铜薄膜为何需要等离子体辅助

【概要描述】        随着集成电路中的晶体管尺寸逐渐减小单位面积内集成电路中的晶体管数量急剧增加以及芯片中互连线的长度与层数不断增加导致其互连延迟增大为了降低互连延迟如何选取合适的互连材料及其制备技术是半导体领域需要解决的问题。现如今以铜互连取代传统的铝互连成为互连工艺的主流。相比于金属铝铜具有较低的电阻较好的抗电迁移特性能够提供更大载流能力。目前铜互连制备采用的是大马士革工艺川,该工艺的步骤之一 是在已制备好的沟槽或通孔内先沉积一层铜扩散阻挡层该层用来阻止后续的金属铜与单晶硅基底的反应和扩散然后在扩散阻挡层上沉积一层导电的铜籽晶层,用作电镀工艺的导电层来确保铜电镀顺利进行。



        传统的铜籽晶层沉积工艺主要有物理气相沉积( PVD)然而随着集成电路特征尺寸不断缩小利用PVD技术难以在高深宽比的沟槽中沉积保形性好、均匀-致的铜籽晶层,随着微电子器件的小型化原子层沉积( ALD)技术得以迅速发展该技术对具有较高深宽比的沟槽及复杂三维结构表面具有良好的台阶覆盖性更重要的是基于前驱体表面自限制化学吸附反应,ALD可通过控制周期数来精确控制薄膜厚度。而在ALD工艺中所沉积物质前驱体与反应前驱体交替进入反应腔。

        其间用惰性气体将未反应的前驱体吹扫干净确保反应气体为交替自限制沉积方式。近年来多名研究者利用ALD技术沉积了铜薄膜。所使用的铜薄膜前驱体多为卤化铜、β二酮类、脒基铜类沉积温度一般在200C以上6-9。而高的沉积温度使得基底表面的铜粒子自由能增加而易发生团聚形成大晶粒造成不连续铜薄膜的沉积进而导致薄膜电阻的增大。为获得连续且具有较低电阻率的铜薄膜须通过增加铜晶粒的生长时间以促进晶粒间接触并最终连通。由此可见热原子层铜薄膜沉积的主要问题之一是 ,为了沉积连续的铜薄膜其厚度需要具有一阈值限制了沉积铜籽晶层向更薄厚度更宽使用范围的发展。研究报导铜籽晶层的理想沉积温度要低于150°C以便在几纳米厚度的尺度上形成均匀连续的铜薄膜0-1。

        为了实现铜薄膜的低温沉积除了使用还原性更强的二乙基锌、三甲基铝以替代氢与铜前驱体反应外(该反应体系尽管可以降低沉积温度,但是容易引入锌、铝等杂质导致铜薄膜性能降低) 更为常用的方法是在热ALD的基础上引入等离子体技术以降低沉积温度。Moon 等131以Cu( dmamb) 2作为铜前驱体,使用氢气等离子体技术,在100 ~180C沉积范围内制备了铜薄膜。其沉积速率为0.065nm/eycle,薄膜中碳、氧杂质含量约为5%。Coyle等|41使用等离子体增强ALD技术采用新型含氮杂环卡宾铜前驱体(copper( 1) NHCs) 沉积铜薄膜在前驱体温度为90C且沉积温度为225C时可得到较低电阻率的铜薄膜。

        尽管上述研究在不同程度上实现了铜薄膜的低温沉积但是碳、氧等杂质含量都较高。利用等离子体增强,一方面是因为等离子体的引入降低了沉积温度而沉积温度的降低会使得与基底表面键合的铜前驱体数目增加;另一方面 等离子体作用于基底表面很可能增加了基底表面的活性位点同样增加铜前驱体的吸附量两种因素的共同作用使得与氢等离子反应的铜前驱体数目增加导致薄膜沉积速率的增大。对于铜薄膜沉积工艺的研究中薄膜的初期成核过程具有重要意义放入腔室内的基底表面- -般具有羟基或氢终端反应活性位点而基底表面铜前驱体的饱和化学吸附量与表面反应活性位点的含量及密度密切相关。随着沉积周期数的增加基底表面的粗糙度缓慢增大说明在实验初期有沉积发生在基底表面且在最初生长阶段没有出现生长延迟现象但是,10 周期以内的沉积并没有得到连续的铜薄膜。在薄膜生长初始阶段铜薄膜在基底表面为岛状生长模式沉积,但是由于铜原子的团聚粒径被较低的沉积温度所限制,随着基底表面铜颗粒数不断增加其相互连接并最终形成连续的铜薄膜。

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  • 发布时间:2021-06-11 16:23
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        随着集成电路中的晶体管尺寸逐渐减小单位面积内集成电路中的晶体管数量急剧增加以及芯片中互连线的长度与层数不断增加导致其互连延迟增大为了降低互连延迟如何选取合适的互连材料及其制备技术是半导体领域需要解决的问题。现如今以铜互连取代传统的铝互连成为互连工艺的主流。相比于金属铝铜具有较低的电阻较好的抗电迁移特性能够提供更大载流能力。目前铜互连制备采用的是大马士革工艺川,该工艺的步骤之一 是在已制备好的沟槽或通孔内先沉积一层铜扩散阻挡层该层用来阻止后续的金属铜与单晶硅基底的反应和扩散然后在扩散阻挡层上沉积一层导电的铜籽晶层,用作电镀工艺的导电层来确保铜电镀顺利进行。

等离子体

        传统的铜籽晶层沉积工艺主要有物理气相沉积( PVD)然而随着集成电路特征尺寸不断缩小利用PVD技术难以在高深宽比的沟槽中沉积保形性好、均匀-致的铜籽晶层,随着微电子器件的小型化原子层沉积( ALD)技术得以迅速发展该技术对具有较高深宽比的沟槽及复杂三维结构表面具有良好的台阶覆盖性更重要的是基于前驱体表面自限制化学吸附反应,ALD可通过控制周期数来精确控制薄膜厚度。而在ALD工艺中所沉积物质前驱体与反应前驱体交替进入反应腔。

        其间用惰性气体将未反应的前驱体吹扫干净确保反应气体为交替自限制沉积方式。近年来多名研究者利用ALD技术沉积了铜薄膜。所使用的铜薄膜前驱体多为卤化铜、β二酮类、脒基铜类沉积温度一般在200C以上6-9。而高的沉积温度使得基底表面的铜粒子自由能增加而易发生团聚形成大晶粒造成不连续铜薄膜的沉积进而导致薄膜电阻的增大。为获得连续且具有较低电阻率的铜薄膜须通过增加铜晶粒的生长时间以促进晶粒间接触并最终连通。由此可见热原子层铜薄膜沉积的主要问题之一是 ,为了沉积连续的铜薄膜其厚度需要具有一阈值限制了沉积铜籽晶层向更薄厚度更宽使用范围的发展。研究报导铜籽晶层的理想沉积温度要低于150°C以便在几纳米厚度的尺度上形成均匀连续的铜薄膜0-1。

        为了实现铜薄膜的低温沉积除了使用还原性更强的二乙基锌、三甲基铝以替代氢与铜前驱体反应外(该反应体系尽管可以降低沉积温度,但是容易引入锌、铝等杂质导致铜薄膜性能降低) 更为常用的方法是在热ALD的基础上引入等离子体技术以降低沉积温度。Moon 等131以Cu( dmamb) 2作为铜前驱体,使用氢气等离子体技术,在100 ~180C沉积范围内制备了铜薄膜。其沉积速率为0.065nm/eycle,薄膜中碳、氧杂质含量约为5%。Coyle等|41使用等离子体增强ALD技术采用新型含氮杂环卡宾铜前驱体(copper( 1) NHCs) 沉积铜薄膜在前驱体温度为90C且沉积温度为225C时可得到较低电阻率的铜薄膜。

        尽管上述研究在不同程度上实现了铜薄膜的低温沉积但是碳、氧等杂质含量都较高。利用等离子体增强,一方面是因为等离子体的引入降低了沉积温度而沉积温度的降低会使得与基底表面键合的铜前驱体数目增加;另一方面 等离子体作用于基底表面很可能增加了基底表面的活性位点同样增加铜前驱体的吸附量两种因素的共同作用使得与氢等离子反应的铜前驱体数目增加导致薄膜沉积速率的增大。对于铜薄膜沉积工艺的研究中薄膜的初期成核过程具有重要意义放入腔室内的基底表面- -般具有羟基或氢终端反应活性位点而基底表面铜前驱体的饱和化学吸附量与表面反应活性位点的含量及密度密切相关。随着沉积周期数的增加基底表面的粗糙度缓慢增大说明在实验初期有沉积发生在基底表面且在最初生长阶段没有出现生长延迟现象但是,10 周期以内的沉积并没有得到连续的铜薄膜。在薄膜生长初始阶段铜薄膜在基底表面为岛状生长模式沉积,但是由于铜原子的团聚粒径被较低的沉积温度所限制,随着基底表面铜颗粒数不断增加其相互连接并最终形成连续的铜薄膜。

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