非晶Ni-Al-N薄膜用作Cu互连阻挡层的研究

　　以一种新的三元非晶化合物薄膜作为Cu互连的阻挡层,采用射频磁控溅射法构架了Cu(120 nm)/Ni-Al-N(10nm)/Si的异质结。利用四探针测试仪、X射线衍射仪和原子力显微镜研究了不同温度下高真空退火样品的输运性质、微观结构与表面形貌。实验发现非晶Ni-Al-N薄膜经过650℃的高温处理仍能保持非晶态,各膜层之间没有明显的反应和互扩散存在,表明非晶Ni-Al-N具有良好的阻挡效果,可以用作Cu互连的阻挡层材料。另外,相对于Ni-Al扩散阻挡层材料,N的掺入填充了阻挡层的缺陷,降低了Cu膜粗糙度,使薄膜表面更加平整致密,起到了细化晶粒的作用。对Ni-Al-N阻挡层的失效机制的研究表明Ni-Al-N阻挡层的失效机制有别于传统的Cu-Si互扩散机制,Cu膜内应力导致其颗粒内聚形成大团簇,与阻挡层剥离会导致Cu/Ni-Al-N/Si结构失效。

　　满足摩尔定律的超大规模集成电路需要实现高密度、高速度、低功耗、低RC 延迟的集成, 要求器件的特征尺寸持续缩小, 如互连线宽度和厚度变小, 层间电介质厚度减小, 进而导致互联电阻和层间电容增加,RC 延迟也大大增加, 使得传统的Al 互连材料难以满足未来集成电路发展的需求[1-2] 。那么, 为了保证电路的高速度、高集成度、低功耗、低RC 延迟以及较小的寄生电容, 导致具有更低电阻的金属材料 Cu 互连材料的诞生。由于Cu 具有较高的抗电迁移能力, Cu 作为互连材料可以克服传统Al 互连在大电流冲击下因为电迁移所导致器件失效现象。另外, Cu 有很好的抗应力迁移能力[ 3- 5], 其导热系数是Al 的3 倍, 熔点较高, 可承受更大的电流密度等优点, 使它成为新一代的互连候选材料, 但是它在低温( < 200 ) 下就极易和Si 反应形成Cu, Si化合物, 造成器件失效。解决这一问题的方法是在Cu 与Si 之间引入一层扩散阻挡层来阻止Cu 和Si的反应[6- 8] 。

　　难熔金属Ti, Ta, W 等由于具有较高的熔点和良好的导电性而成为扩散阻挡层研究最早采用的料[9-10] 。后来发现, 难熔金属氮化物, 如TiN, TaN,WN 等可以改善其阻挡特性, 这是由于引入N 填充了晶界这一快速扩散通道, 从而限制Cu 的扩散[11- 12] 。本课题组最近研究了Ni􀀁Al 等非晶金属化合物用作硅基铁电存储器集成中的抗氧化阻挡层材料, 发现Ni􀀁Al 薄膜材料在550 􀀂 的高温氧气氛中退火后没有与Si 发生反应[13-14] , 起到了良好的阻挡效果。未来的存储器件都将采用Cu 互连形式,如果非晶Ni-Al 能够同时作为Cu 互连线的阻挡层材料, 那么未来的铁电存储器集成工艺将大为简化。由于掺N 有稳定非晶相, 填充阻挡层的缺陷, 降低缺陷密度, 使Cu 膜表面更加平整致密、细化阻挡层晶粒等特点[ 15- 16] , 本文设法在Ni-Al 中引入N 制成Ni-Al-N 三元化合物, 探讨Ni-Al-N 作为Cu 互连阻挡材料的可能性。采用射频磁控溅射法制备了Cu/Ni-Al-N/Si异质结, 研究了不同温度高真空退火样品的微观结构, 表面形貌和输运性质。

3、结论

　　采用射频反应磁控溅射的方法在单晶Si 衬底上制备了非晶Ni-Al-N 薄膜作为Cu 互连阻挡层材料, 对其进行不同温度的真空退火, 对样品的电阻特性、微结构, 与表面形貌进行了表征, 研究了Ni􀀁Al􀀁N扩散阻挡层的阻挡性能并对阻挡层的失效机制进行了详细的分析。结果表明, 非晶Ni-Al-N 薄膜具有良好的阻挡特性, 可以用作Cu 互连的阻挡层材料,N 的掺入有效的优化了Cu薄膜, 使Cu膜粗糙度降低, 起到了细化晶粒的作用。阻挡层的失效机制是Cu 膜内应力导致Cu 颗粒内聚形成大团簇, 进而与阻挡层脱附, 导致Cu/Ni-Al-N/ Si 结构失效。