硅基Cu薄膜與氧化物鐵電電容器集成的研究.pdf

1、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展要求集成電路集成度和存儲器性能不斷提高，而傳統(tǒng)的互連技術(shù)與磁存儲技術(shù)日顯不足。由于其各自的優(yōu)勢，開展Cu互連和非揮發(fā)性鐵電存儲器集成兼容的研究，可以更好地滿足未來超大規(guī)模、高性能集成電路的發(fā)展需要。在常規(guī)非揮發(fā)性鐵電存儲器中，晶體管的漏極通過多晶硅插頭或者Al互連線與鐵電電容器底電極相連，難以滿足日益發(fā)展的超大規(guī)模集成電路小特征尺寸、高集成度高性能的要求。用Cu代替Al作為鐵電存儲器1T-1C電路結(jié)構(gòu)的互連線，可以

2、將半導體Cu互連技術(shù)、鐵電存儲器以及微電子Si工藝結(jié)合起來，實現(xiàn)Cu互連技術(shù)與鐵電薄膜器件的兼容，發(fā)揮每一項新技術(shù)各自的優(yōu)勢，制備出能夠滿足現(xiàn)代社會發(fā)展要求的高性能存儲器件。
　　 應(yīng)用射頻磁控濺射法和溶膠-凝膠(sol-gel)法，以Ni-Al同時作為Cu與SiO2/Si之間的擴散阻擋層和Cu與氧化物電極之間的抗氧化阻擋層材料，分別以SrRuO3(SRO)和La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)作為底電極材料，以Pb(Zr0

3、.4Ti0.6)O3(PZT)或者BiFe0.95Mn0.05O3(BFMO)作為鐵電電容器絕緣層，構(gòu)架了Pt/SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si、Pt/LSCO/PZT/LSCO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si、Pt/SRO/BFMO/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si的含Cu薄膜和鐵電電容器異質(zhì)結(jié)，采用X射線衍射(XRD)、四探針測試儀、原子力顯微鏡(AFM)、透射電

4、鏡(TEM)和鐵電測試儀等分析手段研究了電容器的結(jié)構(gòu)、輸運性質(zhì)、電極質(zhì)量、界面和物理性能以及電容器的溫度穩(wěn)定性和一些關(guān)鍵制備工藝。另外，應(yīng)用反應(yīng)磁控濺射法給二元Ni-Al合金摻入N元素，形成Ni-Al-N阻擋層，構(gòu)架了Cu/Ni-Al-N/SiO2/Si異質(zhì)結(jié)，研究了樣品的輸運性質(zhì)、微結(jié)構(gòu)、表面形貌和失效機制，并計算了樣品的失效激活能。
　　 研究發(fā)現(xiàn)SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu多層異質(zhì)結(jié)在高達75

5、0℃仍然具有較強的Cu衍射峰和比較平整的表面，粗糙度為6.5 nm，顯示出了很好的高溫熱穩(wěn)定性．研究了“室溫長高溫退”和“低溫長高溫退”兩種工藝手段，發(fā)現(xiàn)在制備含Cu多層氧化物薄膜異質(zhì)結(jié)時，低溫長高溫后退火的方式要優(yōu)于常規(guī)的室溫長高溫后退火方式，通過低溫長高溫退工藝可以緩解應(yīng)力、削弱界面粗化和避免高溫生長對阻擋層和Cu薄膜結(jié)構(gòu)的破壞，
　　 對PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的高分辨TEM照片分析

6、研究發(fā)現(xiàn)，用于下層互連線結(jié)構(gòu)的擴散阻擋層是超薄非晶結(jié)構(gòu)，缺乏晶界和其高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性使其能夠在高溫下有效地阻擋Cu與SiO2/Si之間的互擴散。對用于Cu與SRO之間的上層Ni-Al阻擋層進行高分辨TEM研究發(fā)現(xiàn)上層Ni-Al阻擋層存在局部區(qū)域晶化，屬于納米晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸約為5 nm，這一結(jié)構(gòu)利用晶化區(qū)規(guī)則的原子排列來緩解多層界面造成的強大應(yīng)力，以及非晶區(qū)的致密性來填堵晶界，發(fā)揮了非晶區(qū)無序和晶化區(qū)有序各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)了阻擋作用

7、。
　　 研究發(fā)現(xiàn)，SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si、LSCO/PZT/LSCO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si異質(zhì)結(jié)中的鐵電電容器具有良好的鐵電性能，在5V外加電壓下，剩余極化強度(Pr)為～25.1μC/cm2，矯頑電壓(Vc)為～0.83 V，漏電流為～7×10-4 A/cm2，抗疲勞特性及保持特性均良好，表明導電性優(yōu)良的Cu薄膜可以應(yīng)用于制作高密度鐵電存儲器。研究了Pt/

8、SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si中PZT鐵電電容器的環(huán)境溫度對其物性的影響，發(fā)現(xiàn)除了電容器的極化強度、介電常數(shù)，漏電流的大小發(fā)生輕微變化外，物理性能沒有發(fā)生本質(zhì)上的改變，表明在100℃下，環(huán)境溫度的波動不會導致鐵電電容器的失效。我們認為電容器的漏電流、晶格振動、熱激活分別是剩余極化強度、介電常數(shù)、漏電流密度增加的原因。
　　 采用多鐵材料BFMO為鐵電層，制備了SRO/BFMO/SRO/Ni-

9、Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si電容器異質(zhì)結(jié)，實現(xiàn)了新型鐵電材料BFMO薄膜電容器與Cu互連技術(shù)的集成。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高溫處理后，BFMO具有良好的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，Cu薄膜層完整，在～700kV/cm的外加電場下，電滯回線相對比較飽和，剩余極化強度達到～74.3 C/cm2，矯頑場為280kV/cm，良好的鐵電性能表明BFMO薄膜與Cu實現(xiàn)了很好的集成。
　　 對Cu/Ni-Al-N/SiO2/Si異質(zhì)結(jié)研究表明，非晶Ni-A