高熵合金AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7扩散阻挡层的制备与性能研究

目的 验证15 nm厚度AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7的势垒层热稳定性和扩散阻挡性能。方法 采用直流磁控溅射技术在n型Si(111)基片上真空溅射沉积15 nm的AlCrTaTiZrRu(3 nm)/(AlCrTaTiZrRu)N0.7 (12 nm)双层阻挡层,随后在双层AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7薄膜的顶部沉积50 nm厚的Cu膜,最终制得Cu/AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7/Si复合薄膜试样。将样品在真空退火炉中分别进行600~900 ℃高温退火30 min,以模拟最恶劣的应用环境。用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)、四探针电阻测试仪(FPP)以及原子力显微镜(AFM)对试样的表面形貌、物相组成、化学成分、方块电阻和粗糙度进行表征分析。结果 沉积态AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7薄膜呈现非晶结构,与Cu膜和Si衬底的结合良好。在800 ℃退火后,Cu/AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7/Si薄膜系统结构完整,膜层结构界面之间未出现分层现象,表面Cu颗粒团聚现象加剧,Si衬底和Cu膜表面未发现Cu-Si化合物生成,薄膜方阻保持在较低的0.070 ?/sq;900 ℃退火后,薄膜系统未出现层间分离和空洞现象,Cu膜表面形成孤立的大颗粒Cu-Si化合物,薄膜电阻率大幅上升。结论AlCrTaTiZrRu/(AlCrTaTiZrRu)N0.7双层结构在800 ℃退火后仍能有效抑制Cu与Si相互扩散,其非晶结构增强了Cu/HEA/HEAN0.7/Si体系的热稳定性和扩散阻挡性。     

AlCrTaTiZrMo高熵合金氮化物扩散阻挡层的制备与表征

目的 制备15 nm的(AlCrTaTiZrMo)N六元高熵合金氮化物薄膜,并对其扩散阻挡性能进行表征。方法 使用直流磁控溅射设备在单晶硅上沉积(AlCrTaTiZrMo)N高熵合金氮化物薄膜,然后在薄膜上沉积150 nm的Cu,形成Cu/(AlCrTaTiZrMo)N/Si结构。在600 ℃下,对该结构进行不同时间的退火处理,使用X射线衍射仪（XRD）、四探针测试仪（FPP）、原子力显微镜（AFM）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）研究薄膜成分及退火时间对薄膜组织结构、表面形貌、方块电阻的影响,研究其扩散阻挡性。结果 高熵合金氮化物薄膜与基体Si和Cu的结合性较好。沉积态高熵合金氮化物薄膜为非晶结构,表面光滑平整,方块电阻阻值较低。在600 ℃下经1 h退火后,薄膜仍为非晶结构,表面发生粗化。随着退火时间增加,5 h退火后,结构中出现少量纳米晶,大部分仍为非晶,表面粗糙度增加。退火7 h后,结构没有发生变化,仍为非晶包裹纳米晶结构,Cu表面生成部分岛状物,方块电阻阻值仍然较低,且无Cu-Si化合物生成,证明(AlCrTaTiZrMo)N高熵合金氮化物薄膜在长时间退火处理后,仍能保持良好的铜扩散阻挡性。结论 15 nm的(AlCrTaTiZrMo)N高熵合金氮化物薄膜在600 ℃下退火7 h后,其非晶包裹纳米晶的结构能有效阻挡Cu的扩散,表现出了优异的热稳定性与扩散阻挡性。     

不同氮气流量AlCrTaTiZr高熵合金氮化物薄膜扩散阻挡性能研究

目的 提高铜互连扩散阻挡层的失效温度。方法 采用磁控溅射方法制备了不同氮气流量下的Cu/AlCrTaTiZrNx/Si高熵合金薄膜体系,使用真空退火炉对Cu/AlCrTaTiZrNx/Si高熵合金薄膜体系分别进行600、700、800、900 ℃的真空退火,并利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X 射线衍射仪（XRD）以及透射电子显微镜（TEM）等表征手段对薄膜的组织结构、三维形貌等进行表征。结果 不通入氮气时,高熵合金薄膜为非晶状态。随着氮气流量的增加,薄膜的结晶性越来越好,薄膜为FCC结构。随着氮气流量的增加,高熵合金薄膜表面粗糙度呈现下降的趋势,在氮气流量为20%时,高熵合金氮化物薄膜的致密性最好。Cu/AlCrTaTiZrN20/Si薄膜体系的扩散阻挡层结构主要为非晶包裹的纳米晶结构。薄膜在800 ℃退火后,没有Cu-Si化合物存在,薄膜方阻为0.0937Ω/□;在900 ℃退火后,Cu/AlCrTaTiZrN20/Si薄膜体系中Si基体部分出现不规则五边形状的大颗晶粒Cu-Si化合物。结论 AlCrTaTiZrNx高熵合金氮化物薄膜的扩散阻挡性能随着氮气流量的增加,呈现先增加后降低的趋势。在氮气流量为20%时,高熵合金氮化物薄膜的扩散阻挡性能最优,800 ℃高温退火后仍发挥阻挡作用。     

Cr掺杂对Cu/Si(100)薄膜体系的微观结构及电阻率的影响

利用简易合金靶在Si(100)衬底磁控溅射制备Cu、Cu-1.19%Cr和Cu-2.18%Cr薄膜,研究Cr对Cu薄膜在300～500 ℃真空退火前后的结构和电阻率的影响.X射线衍射分析表明Cu及Cu(Cr)薄膜均呈现Cu(111) 和Cu(200)衍射峰,并且Cu(Cr)薄膜一直保持较强的(111)织构.原子力显微分析表明Cu薄膜在500 ℃退火时,薄膜与硅基底发生明显的互扩散,薄膜表面的致密度及平整度下降;而Cu(Cr)薄膜在退火时保持较高的致密度,Cr显著提高Cu/Si薄膜体系的热稳定性.Cu(Cr)薄膜的电阻率随温度升高先减小而后增加,在400 ℃及500 ℃退火30 min后分别达到最小值2.76 Μω.cm和2.97 μΩ.cm,与纯Cu膜相近(2.55 μΩ.cm).Cu(Cr)薄膜退火电阻率的大幅度减小与薄膜晶粒尺寸的增加以及Cr的扩散有关.适量的Cr掺杂和合理的退火工艺使得Cu(Cr)合金薄膜在高温互连材料方面具有很大的应用前景.     

AlCrTaTiZrV高熵合金氮化物扩散阻挡层的制备及其热稳定性

为研究氮气含量的变化对AlCrTaTiZrV高熵合金薄膜性能的影响,检验在最佳氮气含量下厚度为15 nm的(AlCrTaTiZrV)N扩散阻挡层的热稳定性。采用直流磁控溅射设备在N型Si(111)基底上溅射不同氮气含量的高熵合金氮化物;选取最佳氮气含量为制备条件,在硅基底上沉积15 nm厚的AlCrTaTiZrVN₁₀高熵合金氮化物为扩散阻挡层,并在阻挡层顶部沉积50 nm厚度的Cu膜,最终形成Si/AlCrTaTiZrVN₁₀/Cu三层堆叠结构。利用真空退火炉将Si/AlCrTaTiZrVN₁₀/Cu薄膜体系在500 ℃下进行不同时间的退火处理,用以模拟恶劣的工作环境。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)及四探针电阻测试仪(FPP)对试样的表面形貌、粗糙度、物相组成及方块电阻和进行表征。试验结果为:当氮气含量低于10%时,高熵合金氮化物薄膜为非晶结构。当氮气含量为20%时,高熵合金氮化物薄膜呈现FCC结构,并随着氮气含量的增加,薄膜的结晶性得到提高。薄膜表面的粗糙度在氮气含量为10%时最低,R_a仅为0.124 nm。三层堆叠结构500 ℃退火8 h后,Cu表面发生团聚,薄膜的方阻维持在较低的0.070 Ω/□,且并未发现Cu-Si化合物。厚度为15 nm的非晶结构AlCrTaTiZrVN₁₀薄膜在500 ℃退火8 h后,依旧可以抑制Cu的扩散,表现出了优异的热稳定性及扩散阻挡性能。     

Cu互连中Ta-Si-N/Zr阻挡层热稳定性的研究

用射频反应磁控溅射的方法在Si(100)衬底和Cu膜间制备Ta-Si-N(10 nm)/Zr(20 nm)双层结构的扩散阻挡层.Cu/Ta-Si-N/Zr/Si样品在高纯氮气的保护下从600至800℃退火1 h.通过四探针电阻测试仪(FPP)、SEM、XRD和AES研究Cu/Ta-Si-N/Zr/Si系统在退火过程中的热稳定性.结果表明:沉积到Zr膜上的Ta-Si-N表面平坦,为典型的非晶态结构;Cu/Ta-Si-N/Zr/Si样品650℃以上退火后Zr原子扩散到Si中形成的ZrSi2能有效地降低Ta-Si-N与Si之间的接触电阻;Ta-Si-N/Zr阻挡层750℃退火后仍能有效地阻止Cu的扩散.     

Cu互连中Zr嵌入层对ZrN阻挡层热稳定性的影响

在不同的衬底偏压下,用射频反应磁控溅射的方法在Si(100)衬底和Cu膜间制备了ZrN/Zr/ZrN堆栈结构的阻挡层。研究了Zr层的插入对ZrN扩散阻挡性能的影响,结果表明:随着衬底偏压的升高,阻挡层的电阻率降低,ZrN呈(111)择优取向;Zr层的插入使ZrN阻挡层的失效温度至少提高100℃,750℃仍能有效地阻止Cu的扩散,阻挡性能提高的主要原因可能是高温退火时形成的ZrO2阻塞了Cu快速扩散的通道。     

磁控溅射偏压对Zr-Si-N扩散阻挡层组织结构的影响

用反应磁控溅射法在不同偏压下沉积了Zr-Si-N扩散阻挡层.结果表明:Zr-Si-N膜的成分、电阻率和结构均随偏压的改变而不同;随着溅射偏压的增加,Zr-Si-N膜的表面粗糙度值增大;Zr/Si比值也随着偏压的增加而增大;电阻率随偏压的增加显著降低;Zr-Si-N膜的结构为类似Si3N4的氮硅化物非晶相与ZrN组成的复合结构,随着偏压的升高ZrN由非晶转变为纳米晶,而且ZrN晶体相增加.     

热处理对氧化铝陶瓷表面铜膜性能的影响

采用射频磁控溅射方法在Al2O3陶瓷基底上淀积厚度为500 nm的Cu膜,并将其于真空热处理炉中采用30℃/min和5℃/min两个升温速率升温至400℃退火处理2h,研究了退火升温速度对铜膜表面形貌、电阻率及附着力的影响.结果表明:退火热处理使Cu薄膜表面粗糙度增加,铜膜电阻率降低,膜-基结合力增强.且30℃/min快速升温较5℃/min缓慢升温退火热处理,Cu薄膜表面粗糙度低,Cu薄膜表面电阻率低,膜-基结合力差.利用自由电子气理论和扩散理论对退火热处理过程引起的性能变化进行了分析解释.     

VNbMoTaWCo高熵合金氮化物扩散阻挡层的制备及其热稳定性

利用直流磁控溅射镀膜机设置不同氮气流量参数,制备VNbMoTaWCoN_x薄膜,氮气流量为20%时,在洁净的硅基底上沉积厚度约为15 nm的VNbMoTaWCoN₂₀高熵合金氮化物薄膜,并在其上面再溅镀一层厚度约为50 nm的Cu膜,最终形成Cu/VNbMoTaWCoN₂₀/Si 三层复合结构。采用四点探针电阻测试仪(FPP)、X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电镜(SEM)对三层复合结构500 ℃退火前后的方块电阻、物相结构、粗糙度以及表面形貌进行了分析表征,研究了VNbMoTaWCoN₂₀高熵合金氮化物薄膜作为扩散阻挡层的热稳定性。研究结果表明,当氮气流量占比为20%时,VNbMoTaWCo₂₀高熵合金氮化物薄膜为非晶态,且出现了微量纳米晶;此氮气流量占比下制备的薄膜表面平整光滑、致密度最佳、粗糙度数值最小。Cu/VNbMoTaWCoN₂₀/Si三层复合结构进行500 ℃退火8 h后,Cu膜的方块电阻仍然维持在较低的数值,即0.065 Ω/sq,虽然Cu膜发生团聚,但是并未检测到高阻态Cu-Si化合物。VNbMoTaWCoN₂₀高熵合金氮化物薄膜作为扩散阻挡层在500 ℃温度下退火8 h后,表现出了优异的热稳定性。