創新性無電鍍沉積超薄鈷基阻障層在銅金屬化之應用

本研究利用一種創新性無電鍍晶種技術，在熱二氧化矽（SiO2）介電層表面均匀吸附生長尺寸超微細（2-4 nm）、不具晶種團聚特徵的金屬催化晶種，用以促進厚度僅~20 nm的低電阻率（~30 µΩ·cm）的無電鍍鈷基（Co-base）阻障層的沉積，並探討二元（Co-B）與三元（Co-W-B）合金的摻雜溶質元素或含量對薄膜本質特性與銅阻障性質的影響。剛沉積的無電鍍Co基阻障層薄膜皆為類非晶質與奈米晶粒共存的結構（而溶質含量越高，其結晶性越差），電阻率高達10000 µΩ·cm。經適當熱處理後，在結晶化、晶粒成長等因素驅使下，電阻率劇降至30-70 µΩ·cm，遠低於傳統的濺鍍氮化物合金（150-1,000 µΩ·cm）阻障層。Si/SiO2 (100 nm) / Co基阻障層(40 nm) / Cu (40 nm)積層試片在高溫（350或450°C / 1 hr）熱處理後，經掃瞄式電子顯微術（SEM）與掠角X光繞射、二次離子質譜術（SIMS）與穿透式電子顯微術（TEM）分析結果一致證實：Co基合金中溶質含量越低的阻障層（如Co95.5B4.5），其熱穩定性較差且自我擴散性較快，因此Co會擴散到達Si晶基材並反應生成Co2Si導致擴散阻障層失效，同時Cu原子產生嚴重的擴散行為，導致表層Cu膜迅速減少；反之，溶質原子含量最高的三元Co90.1W2.9B8.0合金因有最佳的熱化學安定性與結晶困難性，故其對銅的阻障特性明顯地優於Co-B二元合金。