利用直流磁控溅射技术制备Ta/TaN扩散阻隔薄膜

《Thin Solid Films》：Fabrication of Ta/TaN Diffusion-Barrier Thin Films Using DC Magnetron Sputtering

氮化钛薄膜通过直流磁控溅射结合侧磁铁优化沉积参数，实现了高深宽比结构中的均匀覆盖与致密化，有效抑制铜扩散。研究重点在于侧磁铁对等离子体分布调控，优化了射频偏压（250-450 W）与氮气流量（10-18 sccm）组合，通过XRD、XPS和ToF-SIMS验证了薄膜相结构（β-Ta到立方TaN）与阻隔性能，为先进集成电路后端工艺提供新方法。

　　在当前半导体制造技术不断向更小尺寸发展的情况下，铜（Cu）互连技术已成为后端工艺（BEOL）中不可或缺的一部分。随着制程节点的持续缩小，特别是当互连尺寸低于10 nm时，对互连结构中扩散阻挡层的性能要求变得愈加严格。这些阻挡层通常包括 tantalum（Ta）和 tantalum nitride（TaN）材料，它们的作用是防止铜或铜-锰（Mn，0.5 at.%）合金向周围的介质层扩散，从而确保互连的可靠性和一致的电性能。此外，对于先进的节点，降低线路电阻和提高迁移率抵抗能力也变得至关重要。

在现代互连结构中，常见的堆叠包括 Ta 和 TaN 层。Ta 作为互连材料广泛应用于半导体大规模生产，因为它可以有效减少迁移现象，并提高微小电路线路的可靠性。而 TaN 层则在 Cu 和介质层之间起到扩散阻挡和粘附层的作用。这些层通常通过物理气相沉积（PVD）技术进行沉积，其中直流磁控溅射（DC magnetron sputtering）是最常用的方法之一。然而，随着互连结构的尺寸和厚度不断减小，实现高纵横比（AR）结构中阻挡层的适当覆盖变得愈发困难。高 AR 的通孔或沟槽（AR 高达 3.5，顶部关键尺寸 [CD] 低至 45 nm）对阻挡层的均匀厚度和覆盖提出了更高的要求，以确保互连结构的完整性。

在溅射过程中，施加的射频（RF）偏压是一个关键参数。RF 偏压通过控制离子能量和轰击作用，影响薄膜的密度、粘附性和覆盖性。优化 RF 偏压可以提高沉积 Ta/TaN 层的覆盖度和一致性，使其能够均匀地覆盖高 AR 特征的侧壁和底部，减少空洞和不连续现象。此外，RF 偏压还会影响沉积薄膜的晶体结构和电性能，因此在沉积过程中具有重要作用。

除了 RF 偏压，溅射室内磁场所的空间控制也对沉积特性有显著影响。在本研究中，通过在溅射室的侧壁上战略性地放置侧磁铁，有效地调整了蚀刻与沉积（E/D）比和 Ta/TaN 薄膜的厚度分布。通过修改磁场所分布，可以增强等离子体约束，优化离子通量，从而提高沉积薄膜在高 AR 结构中的均匀性和覆盖度。这种新的方法为提高沉积过程的性能提供了一个额外的自由度，并有助于解决高 AR 通孔和沟槽相关的挑战。

为了进一步优化 Ta/TaN 薄膜的性能，研究还探讨了在溅射过程中调整 RF 偏压功率和氮气（N?）流量对薄膜密度、薄层电阻和电阻率的影响。实验结果为优化 RF 偏压和 N? 流量提供了宝贵的见解，有助于实现先进互连结构中均匀的阻挡层。过去的研究强调了在 Ta 和 TaN 薄膜沉积过程中，相变（如 α-Ta 的形成）的重要性。然而，在本研究中，重点在于优化沉积参数，以提高 Ta/TaN 层在 Cu- Mn/Co/Ta/TaN 堆叠中的性能。

在本研究中，通过使用直流磁控溅射技术，结合侧磁铁的配置，实现了 Ta/TaN 薄膜的高质量沉积。研究结果表明，通过精细控制工艺参数，如磁场所分布、RF 偏压和 N? 流量，可以显著提高 Ta/TaN 层的性能。这些优化措施不仅增强了等离子体约束，还改善了沉积薄膜的均匀性和覆盖度，使其适用于高 AR 结构。

此外，通过 X 射线衍射（XRD）和 X 射线光电子能谱（XPS）分析，研究发现 TaN 薄膜在沉积过程中经历了从金属 β-Ta 向立方 TaN 的转变，形成了具有显著阻挡性能的氮富集相。时间飞行二次离子质谱（ToF–SIMS）的深度分析表明，TaN 层在热应力（345°C，持续 5 分钟）条件下有效抑制了 Cu 的扩散，验证了 TaN 层在 Cu–Mn/Co/Ta/TaN 堆叠中的稳定性。这些发现强调了磁场所控制在溅射系统中的重要性，并为下一代 BEOL 工艺中的扩散阻挡技术提供了有价值的参考。

本研究的成果不仅为提高 Ta/TaN 薄膜在高 AR 互连结构中的性能提供了新的思路，还为实现更可靠、更稳定的互连设计奠定了基础。通过优化沉积参数，可以有效提高薄膜的密度、粘附性和覆盖性，从而增强其作为扩散阻挡层的功能。此外，研究还揭示了磁场所控制对等离子体约束和沉积均匀性的重要影响，这在高精度半导体制造中具有重要意义。

总的来说，本研究通过系统性地调整溅射系统的磁场所分布、RF 偏压和 N? 流量，成功实现了 Ta/TaN 薄膜的高质量沉积。这些优化措施不仅提高了薄膜的性能，还为下一代 BEOL 工艺中的扩散阻挡技术提供了可行的解决方案。随着半导体技术的不断进步，对高 AR 互连结构的性能要求也将持续提高，因此，探索和优化沉积参数对于实现更可靠、更高效的互连设计具有重要意义。