Advanced Diffusion Barriers for Copper Contacts on Silicon

Abstract

IC-piirien metalloinnissa kuparilla (Cu) on perinteiseen alumiiniin verrattuna monia etuja, kuten alhaisempi resistiivisyys ja paremmat elektromigraatio ominaisuudet. Kuparia ei kuitenkaan voi laittaa suoraan kontaktiin piin (Si) kanssa, sillä se reagoi helposti muodostaen kuparisilisidiä, sekä diffundoituu piissä varsin nopeasti. Siksi Cu-Si rajapinnalla on käytettävä lisänä ohutta diffuusiovallia.

Tässä työssä tutkittiin muutamien transitiometalleihin perustuvien diffuusiovallien kontaktiresistanssia vahvasti seostettuun n- ja p-tyypin piihin, sekä Cu/valli/Si kontaktirakenteiden metallurgista stabiiliutta lämpötilan (300, 400 ja 500 C) funktiona. Kontaktiresistanssin todettiin olevan riippumaton sekä vallimateriaalin työfunktiosta että kuumennuslämpötilasta, ja olevan kaikissa tapauksissa (n-Si) lähellä teoreettista arvoa arvioitaessa potentiaalivallin korkeudeksi kaksi kolmannesta kielletyn energiavyön leveydestä. Vaikka kontaktiresistanssi sinänsä ei riippunut kuumennuslämpötilasta, jo 300 C kuumennus paransi kuitenkin kontakteja poistaen niistä aiemmin havaittuja epälineaarisuuksia.

Vallirakenteiden lämpötilakestävyys oli samankaltainen, tosin paikoin hieman huonompi kuin aiemmissa tutkimuksissa. Kuparin resistiivisyyden mittaus paljasti 30 nm paksun kromi (Cr) vallin pettäneen 400 C, ja tantaali (Ta) vallin 500 C kuumennuksen jälkeen, kirjallisuusarvojen ollessa 450 C ja 570 - 600 C. Kuparin resistiivisyydessä ei havaittu muutosta kuumennettaessa 30 nm titaani-wolframi, tai 10 nm titaani-nitridi ja titaani-wolframi-nitridi vallirakenteita viiteensataan asteeseen. Muutamia reaktiopisteitä oli tosin havaittavissa Ta näytteissä 400 C ja TiN näytteissä 500 C kuumennuksen jälkeen. Samalla metodilla tutkittiin myös Cu/valli/SiO_2/Si ja Cu/valli/SiN/Si rakenteiden kestävyyttä. Lisäksi havaittiin piin vahvan boori ja forforiseostuksen vaikuttavan kontaktirakenteen kestävyyteen.

Työssä tutkittiin myös Deep Level Transient Spektroskopian (DLTS) käyttöä kuparin diffuusion toteamiseksi jo sen alkuvaiheessa kontaktin alle seostettujen n+p diodien avulla. Tämä ratkaisu osoittautui kuitenkin toimimattomaksi, sillä fosfori vaikuttaa kontaktirakenteen lämpötilakestävyyteen ja lisää kuparin liukoisuutta piihin niin, että diffundoitunut kupari ei läpäise seostettua kerrosta, eikä sitä siten voida havaita tyhjennysalueella.

TiW ja TiWN osoittautuivat tässä tutkimuksessa parhaiksi diffuusiovalli materiaaleiksi. Erityisesti tulisi huomata, että TiWN valli oli vain 10 nm paksu.