变电场对cutasi互连结构界面扩散定量分析研究(附件)【字数：11624】
摘 要摘 要在集成电路中，关于Cu互连技术的研究一直都是行业关注的热点。自从Cu引线技术发明以来，凭借着其出色的性能，迅速取代Al引线，成为集成电路领域主流的技术。然而，Cu互连技术中Cu的扩散问题一直制约它进一步发展。为了解决这个问题，需要加入阻挡层材料。所以，扩散阻挡层材料的研究就成了Cu引线研究领域中的焦点。目前，大部分研究人员把重点放在了研究阻挡层材料高温失效的机理上，而忽视了外部条件，例如电场，对阻挡层扩散的影响。本文通过磁控溅射技术在Si基片上依次镀上50nm的Ta和300nm的Cu，制成Cu/Ta/Si的互连结构。接着在650℃的条件下，依次改变外加电场的强度（1.6kV/cm-4.0kV/cm）进行退火实验。然后，分别采用X射线衍射分析、四探针测试仪、透射电子显微镜和X射线光电子能谱分析分别对样品的热学性能和电学性能进行定量分析。关键词集成电路；Cu互连技术；扩散阻挡层；变化电场强度
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 互连技术的发展 2
1.3 Cu互连技术的研究现状 3
1.3.1 扩散阻挡层的研究 4
1.3.2 Cu沉淀技术的研究 6
1.4 变电场对阻挡层的影响 7
1.5 实验目的和意义 8
第二章 实验方法 9
2.1实验样品制备 9
2.1.1磁控溅射制备Cu/Ta/Si的互连结构 9
2.1.2不同电场强度下真空退火 11
2.2 实验样品分析 11
2.2.1 X射线衍射分析 11
2.2.2 四探针测方块电阻 12
2.2.3透射电镜分析 13
2.2.4 EDX元素截面线扫描分析 14
2.2.5 X射线光电子能谱分析 14
第三章 变电场对Cu/Ta/Si互连结构界面扩散定量分析研究 15
3.1 XRD微结构分析 15
3.2 四探针电阻分析 16
3.3透射电镜截面微结构分析 17
3.4 EDX元素界面线扫描分析 20
3.5 X射线光电子能谱分析 22
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
36 变电退火对Cu/Ta/Si互连结构界面扩散的影响机理 24
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1引言
纵观人类历史，有关集成电路的创造和应用应该是二十世纪最引以为傲的科技进步。这几十年来，集成电路的应用和发展不但带动了各国的经济发展，社会进步，而且它改变了我们每一个普通人思维模式和生活条件。到今天为止，毫不夸张的说，在现代的生活中，它早已是无处不在、无时不在。它已经发展成为人类现代文明的一个标志，在现代生活中占有举足轻重的地位。
1949年，在大洋彼岸著名的贝尔实验室中Brattain、Bardeen和Shockly三个人正在用两根与锗晶片紧密相连的金属探针来研究锗晶片中电流传导现象时，他们意外的发现了晶体管效应。接着，他们在这个发现的基础上制出了世界上第一个依靠锗点接触晶体管。从此人类迈进了一个属于半导体的新时代[1]。1951年，Shockly正式提出了举世闻名的晶体管理论。1953年，世界上出现第一个锗合金晶体管。1955年，新型的扩散基区锗合金晶体管也问世了。1957年，在反复试验后，利用硅晶片上热生长二氧化硅(Si02)工艺，美国仙童公司制造出了世界上第一只平面上的硅晶体管，引起巨大轰动。从此，Si当之无愧的成为半导体材料的主角[2]。1956年，Shockly等三人被授予了诺贝尔物理奖。在获奖发言，Shockly大胆预言：“对于人类来说，晶体管的发明不单单只是一项简单的技术发明，更是一项前无古人的伟大科学发现”。十年后，世界上出现了第一块真正意义上的集成电路(Integrated Circuit，IC)。在今天看来，这块集成电路十分简陋，它仅仅依靠4个最简单的晶体管和6个电阻器，构成了一个环形振荡器 [3]。但在当时，这块集成电路的问世绝对是有划时代意义的。集成电路的发明为人类打开了一个属于微电子的崭新时代。因此在2000年，IC的发明者Kilby获得了诺贝尔物理学奖。到目前为止，在已颁发的诺贝尔物理学奖中，和半导体相关的达到了惊人的五项。这也从侧面验证了当年Shockly的预言。
在晶体管问世后的几十年间，鉴于其用途广泛，需求不断增大，所以被迅速投入工业生产。早期，美国的晶体管产业生产工业园区主要集中于圣弗朗西斯科周围的“硅谷”和靠近达拉斯的“硅原”。之后，随着计算机工业的兴起和集成电路自身的发展，“硅谷”逐渐成为世界集成电路的大本营，并由此向世界其他国家和地区不断辐射扩张。比如，在上世纪60年代西欧相关产业开始确立；到了70年代，相关产业又转移到了日本；而80年代则又向亚洲四小龙之中的新加坡，韩国和中国台湾转移。直到上世纪90年代为止，集成电路的相关产业已经成为一个高度成熟和高度全球化的产业。我国集成电路相关产业起步较晚，但是发展速度相当快。进入新世纪后，在国家经济发展到新的高度的基础上，我国政府大力扶持集成电路产业，大陆地区的集成电路产业一片欣欣向荣之势，逐渐成为全球最大的集成电路市场和产业基地[4]。目前，集成电路产业还正在向印度、巴西等新兴国家转移。
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图11 1947年至1996年半导体领域的重大发明和引发的新兴产业
最近半个世纪以来，半导体技术相关领域中每一次重大的进步发明，几乎都直接造就了一个全新的产业，形成了覆盖面十分广泛的“泛半导体产业”。如图11展示了从1947年晶体管发明一直到上世纪末蓝光LED发明的50年间半导体相关领域的重大发明和造就的新兴产业。毫无疑问，当今世界，集成电路是半导体领域中重中之重，集成电路的每一次进步都会深深的影响着我们的生活的方方面面。对于国家而言，掌握先进的集成电路技术就意味着在国际竞争中占据了一定的主动权。冷战期间，集成电路开始涉足航天和军事领域。接着到了1969年，美国击败苏联，利用阿波罗11号率先登月成功。到了90年代的海湾战争中，美国利用先进的技术，做到了“芯片打败钢铁”(即用装备高端芯片的巡航导弹打垮了伊拉克的坦克、大炮)[4]。这些都是集成电路应用在航天和军事方面最成功的事例。
1.2 互连技术的发展
自集成电路问世以来，在集成电路的内部，人们一直习惯于采用Al作为连线(简称引线)材料。尽管Al和Cu相比，存在许许多多的不足，比如Cu更耐磨，而且它的导电性也远远超过后者，Al还特别容易发生电迁移现象，但是由于Al的引线工艺更简单，成本更低，更重要的是Si和Al拥有比较高的表面杂质浓度，容易粘接形成良好的欧姆接触，所以Al引线一直沿用至今[2]。
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第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 互连技术的发展 2
1.3 Cu互连技术的研究现状 3
1.3.1 扩散阻挡层的研究 4
1.3.2 Cu沉淀技术的研究 6
1.4 变电场对阻挡层的影响 7
1.5 实验目的和意义 8
第二章 实验方法 9
2.1实验样品制备 9
2.1.1磁控溅射制备Cu/Ta/Si的互连结构 9
2.1.2不同电场强度下真空退火 11
2.2 实验样品分析 11
2.2.1 X射线衍射分析 11
2.2.2 四探针测方块电阻 12
2.2.3透射电镜分析 13
2.2.4 EDX元素截面线扫描分析 14
2.2.5 X射线光电子能谱分析 14
第三章 变电场对Cu/Ta/Si互连结构界面扩散定量分析研究 15
3.1 XRD微结构分析 15
3.2 四探针电阻分析 16
3.3透射电镜截面微结构分析 17
3.4 EDX元素界面线扫描分析 20
3.5 X射线光电子能谱分析 22
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
36 变电退火对Cu/Ta/Si互连结构界面扩散的影响机理 24
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1引言
纵观人类历史，有关集成电路的创造和应用应该是二十世纪最引以为傲的科技进步。这几十年来，集成电路的应用和发展不但带动了各国的经济发展，社会进步，而且它改变了我们每一个普通人思维模式和生活条件。到今天为止，毫不夸张的说，在现代的生活中，它早已是无处不在、无时不在。它已经发展成为人类现代文明的一个标志，在现代生活中占有举足轻重的地位。
1949年，在大洋彼岸著名的贝尔实验室中Brattain、Bardeen和Shockly三个人正在用两根与锗晶片紧密相连的金属探针来研究锗晶片中电流传导现象时，他们意外的发现了晶体管效应。接着，他们在这个发现的基础上制出了世界上第一个依靠锗点接触晶体管。从此人类迈进了一个属于半导体的新时代[1]。1951年，Shockly正式提出了举世闻名的晶体管理论。1953年，世界上出现第一个锗合金晶体管。1955年，新型的扩散基区锗合金晶体管也问世了。1957年，在反复试验后，利用硅晶片上热生长二氧化硅(Si02)工艺，美国仙童公司制造出了世界上第一只平面上的硅晶体管，引起巨大轰动。从此，Si当之无愧的成为半导体材料的主角[2]。1956年，Shockly等三人被授予了诺贝尔物理奖。在获奖发言，Shockly大胆预言：“对于人类来说，晶体管的发明不单单只是一项简单的技术发明，更是一项前无古人的伟大科学发现”。十年后，世界上出现了第一块真正意义上的集成电路(Integrated Circuit，IC)。在今天看来，这块集成电路十分简陋，它仅仅依靠4个最简单的晶体管和6个电阻器，构成了一个环形振荡器 [3]。但在当时，这块集成电路的问世绝对是有划时代意义的。集成电路的发明为人类打开了一个属于微电子的崭新时代。因此在2000年，IC的发明者Kilby获得了诺贝尔物理学奖。到目前为止，在已颁发的诺贝尔物理学奖中，和半导体相关的达到了惊人的五项。这也从侧面验证了当年Shockly的预言。
在晶体管问世后的几十年间，鉴于其用途广泛，需求不断增大，所以被迅速投入工业生产。早期，美国的晶体管产业生产工业园区主要集中于圣弗朗西斯科周围的“硅谷”和靠近达拉斯的“硅原”。之后，随着计算机工业的兴起和集成电路自身的发展，“硅谷”逐渐成为世界集成电路的大本营，并由此向世界其他国家和地区不断辐射扩张。比如，在上世纪60年代西欧相关产业开始确立；到了70年代，相关产业又转移到了日本；而80年代则又向亚洲四小龙之中的新加坡，韩国和中国台湾转移。直到上世纪90年代为止，集成电路的相关产业已经成为一个高度成熟和高度全球化的产业。我国集成电路相关产业起步较晚，但是发展速度相当快。进入新世纪后，在国家经济发展到新的高度的基础上，我国政府大力扶持集成电路产业，大陆地区的集成电路产业一片欣欣向荣之势，逐渐成为全球最大的集成电路市场和产业基地[4]。目前，集成电路产业还正在向印度、巴西等新兴国家转移。
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图11 1947年至1996年半导体领域的重大发明和引发的新兴产业
最近半个世纪以来，半导体技术相关领域中每一次重大的进步发明，几乎都直接造就了一个全新的产业，形成了覆盖面十分广泛的“泛半导体产业”。如图11展示了从1947年晶体管发明一直到上世纪末蓝光LED发明的50年间半导体相关领域的重大发明和造就的新兴产业。毫无疑问，当今世界，集成电路是半导体领域中重中之重，集成电路的每一次进步都会深深的影响着我们的生活的方方面面。对于国家而言，掌握先进的集成电路技术就意味着在国际竞争中占据了一定的主动权。冷战期间，集成电路开始涉足航天和军事领域。接着到了1969年，美国击败苏联，利用阿波罗11号率先登月成功。到了90年代的海湾战争中，美国利用先进的技术，做到了“芯片打败钢铁”(即用装备高端芯片的巡航导弹打垮了伊拉克的坦克、大炮)[4]。这些都是集成电路应用在航天和军事方面最成功的事例。
1.2 互连技术的发展
自集成电路问世以来，在集成电路的内部，人们一直习惯于采用Al作为连线(简称引线)材料。尽管Al和Cu相比，存在许许多多的不足，比如Cu更耐磨，而且它的导电性也远远超过后者，Al还特别容易发生电迁移现象，但是由于Al的引线工艺更简单，成本更低，更重要的是Si和Al拥有比较高的表面杂质浓度，容易粘接形成良好的欧姆接触，所以Al引线一直沿用至今[2]。
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