含Cu硅基铁电电容器集成过程中Ni-Al阻挡层的研究

摘要

寻找性能良好的阻挡层来抑制Cu的扩散一直是Cu互连技术的关键，因此，研究阻挡层的失效机理对于提高互连可靠性具有重要的意义。采用射频磁控溅射技术构架Cu/Ni-Al/SiO2/Si、Cu/Ni-Al/Si、Cu/Ta/Ni-Al/Si异质结，并进行高真空退火。利用X射线衍射(XRD)、四探针电阻测试仪、原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)对样品微结构、输运性质、表面形貌和界面进行了分析表征。结果表明，在750℃的高温退火后Cu/Ni-Al/SiO2/Si和Cu/Ni-Al/Si异质结内没有明显的反应和互扩散发生，Cu/Ta/Ni-Al/Si在高达800℃退火后仍然没有硅铜化合物出现，退火过程中Ni-Al-直保持非晶状态。超薄的Ni-Al(4.5nm)和Ta(3nm)/Ni-Al(3nm)阻挡层表现出了良好的阻挡效果。
　　 从Fick第二定律和扩散方程入手，通过计算扩散激活能来研究Ni-Al的阻挡性能。Cu在Ni-Al中具有较大的扩散激活能(2.9eV)，表明Ni-Al对Cu的扩散起到了良好的阻挡效果。阻挡层微结构是影响Cu互连阻挡层性能的关键因素，非晶结构没有晶界存在，不能为Cu提供快速扩散路径。
　　 采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法在Cu/Ni-Al/Si异质结基础上集成La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)/Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)/La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)铁电电容器。利用铁电测试仪对其铁电性能进行了研究，结果发现电容器有良好的电滞回线、较高的极化强度（28μC/cm2）、较小的矫顽电压(1.6V)和较小的漏电流密度（10-4A/cm2）。