Development of electrolessly deposited thin films for application in advanced interconnects : Cu seed-layer and seed-less ternary diffusion barriers

by Alexandra Wirth

Doctoral thesis in Chimie

Under the supervision of Philippe Turek and Paul Rey.


  • Abstract

    Copper is adopted in advanced deep submicron ULSI metallisation applications due to its lower resistivity and better electromigration resistance compared to traditional Al compounds. It is integrated using damascene structures that introduce new challenges related to barrier and seed-layer deposition. Electroless plating methods together with direct Cu ECD on barriers (seed-less barriers) are being pursued as more extendible solutions for seed-layer and effective Cu diffusion barrier layer deposition, regarding the issue of superior conformality and improved thickness control in small feature sizes of the 65 nm and below technology node. In a first part of this work, an electroless Cu seed-layer deposition process on TiN MOCVD barrier layer is developed. Focus of interest is the increase of density and reduction of size of the Pd catalyst islands. The impact of Pd ion concentration and respective bath chemistry composition as well as the influence of different substrate surfaces and their respective pre-treatment is investigated. In a second part, various electrolessly deposited polymetallic alloy coatings, e. G. NiMo-P, incorporating high amounts of refractory metals are investigated as potential seed-less diffusion barriers. The polymetallic alloy thin films serve at the same time as efficient diffusion barrier, adhesion promoter and conductive layer for direct Cu ECD. Implementation of these types of barrier layers is evaluated regarding minimum efficient barrier thickness, microstructural requirements and integration aspects such as thin film resistivity impact when integrated in advanced multilevel Cu interconnect schemes. Highly sensitive electron spin resonance (ESR) characterisation technique is investigated for the detection of unpaired electron defects as possibly resulting from diffusion phenomena through the barriers.

  • Alternative Title

    Developpement des procédés de dépôt par voie chimique-autocatalytique pour des couches minces appliqués aux interconnexions avancés: couche d'accrochage pour le dépôt de cuivre et barrières de diffusion sans couche d'accrochage


  • Abstract

    Le cuivre (Cu) a été choisi comme le métal destiné à remplacer les traditionnels alliages a base d'aluminium utilisés dans les interconnexions avances des circuits intégrés ULSI. Il a été sélectionné en raison de sa plus faible résistivité et de sa meilleure résistance à l'éléctromigration. L'architecture de cuivre est une structure damascène qui pose d'autres défis quant a la barrière et aux couches d'ensemencement. En raison de la constante diminution des motifs caractéristiques des circuits intégrés, des méthodes de dépôt électrochimique sont actuellement évaluées à titre alternatif, par exemples les dépôts electroless pour les couches d'accrochage ou les barrières de diffusion, en combinaison avec des dépôts électrochimiques (ECD) du Cu. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié un procédé d'activation suivi par un dépôt electroless d'une couche d'accrochage de Cu sur des barrières TiN MOCVD. L'influence de la concentration des ions de palladium et la composition de la chimie du bain de dépôt en plus des surfaces de substrats différents et leur pré traitement respectif a été investigué. Dans la seconde partie de ce travail, différentes solutions ont été élaborées pour le dépôt electroless d'alliages polymétalliques par exemple du type NiMo-P, dans le but d'incorporer des concentrations élevées de métaux réfractaires. L'intégration de ces barrières ternaires avec une technologie Cu a été examinée en étudiant les aspects métallurgiques et morphologiques, l'uniformité de couverture, la résistivité et l'efficacité en tant que barrière de diffusion. De plus, la spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) a été utilisée pour détecter soient des charges mobiles, soient des espèces localisées issues de défauts engendrés par des phénomènes de diffusion au travers des barrières à l'interface barrière/ SiO2/ Si.

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Informations

  • Details : 180 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 173-180

Where is this thesis?

  • Library : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Available for PEB
  • Odds : Th.Strbg.Sc.2002;4077
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