面向芯片行业的高墒合金氮化物薄膜互连材料

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随着微电子领域对电路密度和RC 延时要求的不断提高,半导体器件和电路的特征尺寸持续缩小,Cu 作为新互连材料,已经代替铝被广泛使用,以此来减少因电容-电阻所产生的延迟问题。与传统的金属互连材料 Al 相比,Cu 具有比 Al 低 40%的电阻率, 高 2 个数量级的抗电迁徙性能,更高的熔点和热传导系数。即采用 Cu 作为互连线材料,可大大提高电路的运算速度与可靠性,因此取代铝成为现今最重要的金属互连线材料。但是 Cu 在 Si 和介质中的扩散速率都比较高。例如在 300~700 ℃区间时,Cu 在 Si 中的扩散速率是 4.7×10−3exp(−0.43kT) cm2/s[1],如果一旦有 Cu 原子进入到 Si 基体中,便会成为深能级受主杂质,从而产生复合中心,使载流子寿命大大减低,最终导致器件性能退化甚至失效,并且 Cu 和介质的粘附性也比较弱。因此,若要使用铜互连技术, 必须要在Cu 和Si 基介质之间加一层薄膜,称为 DBAP(Diffusion Barrier and Adhesion Promoter),简称为阻挡层。 为了抑制Cu 的快速扩散,需要在铜硅之间加入一层有效的扩散阻挡层。在保证扩散阻挡层阻挡性能的前提下,要尽量降低扩散阻挡层的厚度和电阻率。利用直流磁控溅射法在单晶Si 衬底上制备15 nm厚的AlCrTaTiZrMo 氮化物薄膜作为Cu 互连的阻挡层材料。 采用德国Teer公司闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备制备高熵合金薄膜, 实验所用靶材为AlCrTaTiZrMo 六元合金靶,各元素含量接近等摩尔比,纯度均为99.9%。用n 型(100)Si 片作为衬底,在丙酮和无水乙醇中先后对基片进行超声波清洗各10 min,干燥后迅速放入溅射室内。将溅射室抽真空至0.0026Pa,电流为1 A,偏压为100 V,并通入Ar 与N2 的混合气体,V(N2)/(V(Ar)+V(N2))=20%。在不打破真空状态下溅射30 min 沉积150 nm 的Cu 膜,从而获得Cu/HEAN/Si复合结构。 其优势在于具有热稳定性和良好的扩散阻挡性且扩散阻挡层厚度小、电阻率低。该高熵合金扩散阻挡层在微电子领域Cu互连中具有很好的应用前景。(例如:应用于手机集成电路的制作,提升性能,延长寿命。)利用高熵合金薄膜技术制备的密集电路,解决了Cu 在低温(<200 ℃)下极易和Si 反应,生成Cu-Si 化合物,使器件失效的问题。提高了器件的可靠性、稳定性,进而提升了传输效率。