Co/TiN界面对钴互连电阻率的影响
随着集成电路特征尺寸的持续缩小，互连电阻增大导致信号延迟和功耗上升，已成为半导体行业面临的主要挑战之一。钴作为铜的潜在替代金属，其体电阻率与电子平均自由程的乘积较低，预测具有较小的电阻率尺寸效应。然而，在实际互连结构中，氮化铛衢底层与钴之间的界面散射会显著增大钴的电阻率。本文基于美国伦塞勒理工学院的研究，通过对Co/TiN多层薄膜的电子输运测量，系统分析了TiN衢底层对钴互连电阻率的影响机制。实验中采用Xfilm埃利四探针方阻仪对多层薄膜进行方块电阻测量，获得了不同钴层厚度下的电阻率数据。
研究人员在超高真空直流磁控溅射系统中，以400°C的基底温度在SiO₂/Si(001)衬底上沉积Co/TiN多层薄膜。所有样品的钴总名义厚度保持为50 nm不变，TiN层厚度固定为1 nm，而单个钴层厚度从50 nm变化至5 nm，对应的钴层数量N从1增加到10。研究人员同时制备了一组单层钴薄膜作为参照样品，以区分界面散射与晶粒边界散射的各自贡献。多层薄膜的方块电阻在空气中293 K温度下使用线性四探针测量，探针间距1.0 mm，弹簧加载探针尖。低温测量在77 K下进行，将样品和探针尖完全浸入液氮中。电阻率由测量的方块电阻、薄膜厚度及相应的几何校正因子计算得出。
图1显示了Co/TiN多层薄膜的X射线反射率曲线。N=1样品的临界角为2θ=0.51°，接近纯钴的理论值0.48°，厚度条纹表明钴层厚度为55.2 nm，与名义值50 nm基本一致。随着N增大，临界角逐渐降低至0.32°，这归因于多层薄膜中低密度TiN的体积分数增大，以及钴在每个TiN界面处重新成核导致的欠密度微观结构。此外，厚度条纹随N增大而逐渐模糊，N=7和10时已无法辨识，表明Co/TiN界面粗糙度随N增大而增加。
含N=1–10层钴的Co/TiN多层薄膜的X射线反射率曲线
图3显示了Co/TiN多层薄膜的电阻率ρ与单个钴层厚度dCo的关系。室温下，电阻率仍dCo=5.1 nm时的36.6 µΩ·cm降低至dCo=51 nm时的14.4 µΩ·cm。77 K下电阻率同样呈下降趋势，从24.6降至6.9 µΩ·cm。所有多层薄膜的电阻率均远高于钴的块体值，这归因于电子在Co/TiN界面和晶界界面处的散射。研究人员采用经典的Fuchs–Sondheimer和Mayadas–Shatzkes模型对数据进行拟合，该模型同时考虑了表面散射和晶界界面散射的贡献。
Co/TiN多层薄膜电阻率ρ与单个钴层厚度dCo的关系，分别在77 K和293 K下测量
拟合结果表明，当dCo从50 nm减小到5 nm时，Co/TiN界面散射对室温电阻率的贡献从块体散射的9%增加到88%。与此同时，晶界界面散射的贡献从39%增加至154%。这说明TiN衢底层对钴电阻率的影响不仅来自漫反射式的表面散射，还被钴在Co/TiN界面处的重新成核所加剧——重新成核导致钴晶粒细化，晶界界面散射贡献大幅增加。
为进一步研究Co/TiN界面的影响，研究人员在Al₂O₃(0001)衬底上以600°C沉积了Co/TiN双层和三层结构。X射线衔射分析显示，当钴沉积在TiN上时，其Co 0002衔射峰强度仅为直接沉积在Al₂O₃上的一半，表明钴的结晶质量和0001择优取向发生了降解。三层结构中，Co 0002峰强度进一步减弱至双层的三分之一，并观察到Co₂Ti和Co₃Ti合金相的衔射峰，证实了Co/TiN界面混合的发生。
600°C下在Al₂O₃(0001)上沉积的Co/TiN双层和三层结构的XRD θ–2θ图谱
方块电阻测量结果进一步印证了界面混合的影响。直接沉积在Al₂O₃上的30 nm钴层方块电阻为3.3 Ω/□，而沉积在TiN上的钴层方块电阻升高至8.0 Ω/□。通过并联导体模型分析，沉积在TiN上的钴层电阻率为22.7 µΩ·cm，是直接沉积在Al₂O₃上的9.8 µΩ·cm的2.3倍。三层结构的方块电阻更是高达18.1 Ω/□，这归因于两个Co/TiN界面存在的混合层以及钴层厚度的大幅减小。
本研究表明，TiN衢底层通过三个机制导致钴互连电阻率大幅增加：漫反射式表面散射、界面混合与粗糙度、以及钴在Co/TiN界面处的晶粒重新成核。对于电阻行业而言，这一研究揭示了薄膜互连结构中界面散射对整体电阻的显著影响，对精确衡量薄膜方块电阻提出了更高要求。在此类研究中，Xfilm埃利四探针方阻仪可以精确测量多层薄膜的方块电阻，为电阻率尺寸效应的定量分析提供可靠的原始数据。无论是室温还是低温环境下的测量，该仪器均能提供高精度的方块电阻值，满足半导体互连电阻表征的严格需求。
Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。
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