以一種新的三元非晶化合物薄膜作為Cu互連的阻擋層,采用射頻磁控濺射法構架了Cu(120 nm)/Ni-Al-N(10nm)/Si的異質結。利用四探針測試儀、X射線衍射儀和原子力顯微鏡研究了不同溫度下高真空退火樣品的輸運性質、微觀結構與表面形貌。實驗發現非晶Ni-Al-N薄膜經過650℃的高溫處理仍能保持非晶態,各膜層之間沒有明顯的反應和互擴散存在,表明非晶Ni-Al-N具有良好的阻擋效果,可以用作Cu互連的阻擋層材料。另外,相對于Ni-Al擴散阻擋層材料,N的摻入填充了阻擋層的缺陷,降低了Cu膜粗糙度,使薄膜表面更加平整致密,起到了細化晶粒的作用。對Ni-Al-N阻擋層的失效機制的研究表明Ni-Al-N阻擋層的失效機制有別于傳統的Cu-Si互擴散機制,Cu膜內應力導致其顆粒內聚形成大團簇,與阻擋層剝離會導致Cu/Ni-Al-N/Si結構失效。

　　滿足摩爾定律的超大規模集成電路需要實現高密度、高速度、低功耗、低RC 延遲的集成, 要求器件的特征尺寸持續縮小, 如互連線寬度和厚度變小, 層間電介質厚度減小, 進而導致互聯電阻和層間電容增加,RC 延遲也大大增加, 使得傳統的Al 互連材料難以滿足未來集成電路發展的需求[1-2] 。那么, 為了保證電路的高速度、高集成度、低功耗、低RC 延遲以及較小的寄生電容, 導致具有更低電阻的金屬材料 Cu 互連材料的誕生。由于Cu 具有較高的抗電遷移能力, Cu 作為互連材料可以克服傳統Al 互連在大電流沖擊下因為電遷移所導致器件失效現象。另外, Cu 有很好的抗應力遷移能力[ 3- 5], 其導熱系數是Al 的3 倍, 熔點較高, 可承受更大的電流密度等優點, 使它成為新一代的互連候選材料, 但是它在低溫( < 200 ) 下就極易和Si 反應形成Cu, Si化合物, 造成器件失效。解決這一問題的方法是在Cu 與Si 之間引入一層擴散阻擋層來阻止Cu 和Si的反應[6- 8] 。

　　難熔金屬Ti, Ta, W 等由于具有較高的熔點和良好的導電性而成為擴散阻擋層研究最早采用的料[9-10] 。后來發現, 難熔金屬氮化物, 如TiN, TaN,WN 等可以改善其阻擋特性, 這是由于引入N 填充了晶界這一快速擴散通道, 從而限制Cu 的擴散[11- 12] 。本課題組最近研究了Ni􀀁Al 等非晶金屬化合物用作硅基鐵電存儲器集成中的抗氧化阻擋層材料, 發現Ni􀀁Al 薄膜材料在550 􀀂 的高溫氧氣氛中退火后沒有與Si 發生反應[13-14] , 起到了良好的阻擋效果。未來的存儲器件都將采用Cu 互連形式,如果非晶Ni-Al 能夠同時作為Cu 互連線的阻擋層材料, 那么未來的鐵電存儲器集成工藝將大為簡化。由于摻N 有穩定非晶相, 填充阻擋層的缺陷, 降低缺陷密度, 使Cu 膜表面更加平整致密、細化阻擋層晶粒等特點[ 15- 16] , 本文設法在Ni-Al 中引入N 制成Ni-Al-N 三元化合物, 探討Ni-Al-N 作為Cu 互連阻擋材料的可能性。采用射頻磁控濺射法制備了Cu/Ni-Al-N/Si異質結, 研究了不同溫度高真空退火樣品的微觀結構, 表面形貌和輸運性質。

3、結論

　　采用射頻反應磁控濺射的方法在單晶Si 襯底上制備了非晶Ni-Al-N 薄膜作為Cu 互連阻擋層材料, 對其進行不同溫度的真空退火, 對樣品的電阻特性、微結構, 與表面形貌進行了表征, 研究了Ni􀀁Al􀀁N擴散阻擋層的阻擋性能并對阻擋層的失效機制進行了詳細的分析。結果表明, 非晶Ni-Al-N 薄膜具有良好的阻擋特性, 可以用作Cu 互連的阻擋層材料,N 的摻入有效的優化了Cu薄膜, 使Cu膜粗糙度降低, 起到了細化晶粒的作用。阻擋層的失效機制是Cu 膜內應力導致Cu 顆粒內聚形成大團簇, 進而與阻擋層脫附, 導致Cu/Ni-Al-N/ Si 結構失效。