Couches minces à base de nitrure de tantale multicouches pour barrières de diffusion

Multilayer tantalum nitride based thin layers for diffusion barriers

• Auteur / Autrice : Julien Nazon
• Direction : Nicole Fréty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Microstructure (physique)

Pulvérisation cathodique

Nitrures

Mots clés libres

Nitrure de tantale

Pulvérisation cathodique réactive

Microstructure

Diffusion

Résumé

Dans le cadre de la miniaturisation des composants électroniques, le nitrure de tantale apparaît comme un matériau prometteur en tant que barrière de diffusion entre les contacts électriques de cuivre et les substrats à base de silicium. C'est dans ce contexte que se situe cette étude, l'objectif de ce travail étant d'étudier la potentialité de matériaux multicouches en tant que barrières de diffusion. Dans ce cadre, des matériaux à base de tantale et de nitrure de tantale ont été déposés sur des substrats silicium par le procédé de pulvérisation cathodique. La diffusion du cuivre a été étudiée au sein de barrières monocouches, TaN, bicouches, Ta/TaN et TaN/Ta, et tricouches, Ta/TaN/Ta et TaN/Ta/TaN, ces couches barrières, présentant une épaisseur totale de 150 nm. La première étape de ce travail a consisté en l'optimisation des paramètres d'élaboration en relation avec les caractéristiques microstructurales des couches à base de tantale et nitrure de tantale. Dans une seconde étape, la stabilité des matériaux monocouches et multicouches en tant que barrières de diffusion a été étudiée après traitements thermiques des assemblages Si/barrière/Cu sous vide à des températures variant de 500 à 700°C. Enfin, la dernière étape de ce travail a consisté en une étude cinétique de la diffusion

With the increase of the integration density and shrinkage of the interconnection design rules, new metallization scheme using copper has been suggested as a suitable candidate for metallization material in recent years. However, the major problem posed by Cu metallization is its high diffusivity in silicon and dielectrics used in ICs under the high temperatures encountered in device fabrication. That is the reason why the use of tantalum nitride films as diffusion barrier materials has received considerable interest in recent years because of their inherent properties. The aim of this work is to study the efficiency of multilayer tantalum nitride based materials as diffusion barriers. TaN single layer and multilayer barriers were deposited onto silicon substrates by radio-frequency (r. F. ) sputtering. The diffusion of Cu through TaN-based thin layers into Si substrate has been studied. The barrier efficiency of multilayers of 150 nm in thickness has been investigated and is compared with that of TaN single layer. First, the effects of processing parameters on the properties of tantalum nitride thin films deposited by reactive sputtering have been investigated. Then, the thermal stability of TaN-based thin films as diffusion barriers by annealing under vacuum in the temperature range of 500 to 700°C. Last, the efficiency of these TaN-based thin layers against Cu diffusion is determined from in-situ experiments