隨著集成電路特征尺寸的持續(xù)縮小，互連電阻增大導(dǎo)致信號延遲和功耗上升，已成為半導(dǎo)體行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。鈷作為銅的潛在替代金屬，其體電阻率與電子平均自由程的乘積較低，預(yù)測具有較小的電阻率尺寸效應(yīng)。然而，在實際互連結(jié)構(gòu)中，氮化鐺衢底層與鈷之間的界面散射會顯著增大鈷的電阻率。本文基于美國倫塞勒理工學(xué)院的研究，通過對Co/TiN多層薄膜的電子輸運測量，系統(tǒng)分析了TiN衢底層對鈷互連電阻率的影響機(jī)制。實驗中采用Xfilm埃利四探針方阻儀對多層薄膜進(jìn)行方塊電阻測量，獲得了不同鈷層厚度下的電阻率數(shù)據(jù)。

研究人員在超高真空直流磁控濺射系統(tǒng)中，以400°C的基底溫度在SiO?/Si(001)襯底上沉積Co/TiN多層薄膜。所有樣品的鈷總名義厚度保持為50 nm不變，TiN層厚度固定為1 nm，而單個鈷層厚度從50 nm變化至5 nm，對應(yīng)的鈷層數(shù)量N從1增加到10。研究人員同時制備了一組單層鈷薄膜作為參照樣品，以區(qū)分界面散射與晶粒邊界散射的各自貢獻(xiàn)。多層薄膜的方塊電阻在空氣中293 K溫度下使用線性四探針測量，探針間距1.0 mm，彈簧加載探針尖。低溫測量在77 K下進(jìn)行，將樣品和探針尖完全浸入液氮中。電阻率由測量的方塊電阻、薄膜厚度及相應(yīng)的幾何校正因子計算得出。

圖1顯示了Co/TiN多層薄膜的X射線反射率曲線。N=1樣品的臨界角為2θ=0.51°，接近純鈷的理論值0.48°，厚度條紋表明鈷層厚度為55.2 nm，與名義值50 nm基本一致。隨著N增大，臨界角逐漸降低至0.32°，這歸因于多層薄膜中低密度TiN的體積分?jǐn)?shù)增大，以及鈷在每個TiN界面處重新成核導(dǎo)致的欠密度微觀結(jié)構(gòu)。此外，厚度條紋隨N增大而逐漸模糊，N=7和10時已無法辨識，表明Co/TiN界面粗糙度隨N增大而增加。

含N=1–10層鈷的Co/TiN多層薄膜的X射線反射率曲線

圖3顯示了Co/TiN多層薄膜的電阻率ρ與單個鈷層厚度dCo的關(guān)系。室溫下，電阻率仍dCo=5.1 nm時的36.6 μΩ·cm降低至dCo=51 nm時的14.4 μΩ·cm。77 K下電阻率同樣呈下降趨勢，從24.6降至6.9 μΩ·cm。所有多層薄膜的電阻率均遠(yuǎn)高于鈷的塊體值，這歸因于電子在Co/TiN界面和晶界界面處的散射。研究人員采用經(jīng)典的Fuchs–Sondheimer和Mayadas–Shatzkes模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，該模型同時考慮了表面散射和晶界界面散射的貢獻(xiàn)。

Co/TiN多層薄膜電阻率ρ與單個鈷層厚度dCo的關(guān)系，分別在77 K和293 K下測量

擬合結(jié)果表明，當(dāng)dCo從50 nm減小到5 nm時，Co/TiN界面散射對室溫電阻率的貢獻(xiàn)從塊體散射的9%增加到88%。與此同時，晶界界面散射的貢獻(xiàn)從39%增加至154%。這說明TiN衢底層對鈷電阻率的影響不僅來自漫反射式的表面散射，還被鈷在Co/TiN界面處的重新成核所加劇——重新成核導(dǎo)致鈷晶粒細(xì)化，晶界界面散射貢獻(xiàn)大幅增加。

為進(jìn)一步研究Co/TiN界面的影響，研究人員在Al?O?(0001)襯底上以600°C沉積了Co/TiN雙層和三層結(jié)構(gòu)。X射線銜射分析顯示，當(dāng)鈷沉積在TiN上時，其Co 0002銜射峰強(qiáng)度僅為直接沉積在Al?O?上的一半，表明鈷的結(jié)晶質(zhì)量和0001擇優(yōu)取向發(fā)生了降解。三層結(jié)構(gòu)中，Co 0002峰強(qiáng)度進(jìn)一步減弱至雙層的三分之一，并觀察到Co?Ti和Co?Ti合金相的銜射峰，證實了Co/TiN界面混合的發(fā)生。

600°C下在Al?O?(0001)上沉積的Co/TiN雙層和三層結(jié)構(gòu)的XRD θ–2θ圖譜

方塊電阻測量結(jié)果進(jìn)一步印證了界面混合的影響。直接沉積在Al?O?上的30 nm鈷層方塊電阻為3.3 Ω/□，而沉積在TiN上的鈷層方塊電阻升高至8.0 Ω/□。通過并聯(lián)導(dǎo)體模型分析，沉積在TiN上的鈷層電阻率為22.7 μΩ·cm，是直接沉積在Al?O?上的9.8 μΩ·cm的2.3倍。三層結(jié)構(gòu)的方塊電阻更是高達(dá)18.1 Ω/□，這歸因于兩個Co/TiN界面存在的混合層以及鈷層厚度的大幅減小。

本研究表明，TiN衢底層通過三個機(jī)制導(dǎo)致鈷互連電阻率大幅增加：漫反射式表面散射、界面混合與粗糙度、以及鈷在Co/TiN界面處的晶粒重新成核。對于電阻行業(yè)而言，這一研究揭示了薄膜互連結(jié)構(gòu)中界面散射對整體電阻的顯著影響，對精確衡量薄膜方塊電阻提出了更高要求。在此類研究中，Xfilm埃利四探針方阻儀可以精確測量多層薄膜的方塊電阻，為電阻率尺寸效應(yīng)的定量分析提供可靠的原始數(shù)據(jù)。無論是室溫還是低溫環(huán)境下的測量，該儀器均能提供高精度的方塊電阻值，滿足半導(dǎo)體互連電阻表征的嚴(yán)格需求。

Xfilm埃利四探針方阻儀用于測量薄層電阻（方阻）或電阻率，可以對最大230mm 樣品進(jìn)行快速、自動的掃描， 獲得樣品不同位置的方阻/電阻率分布信息。

超高測量范圍，測量1mΩ~100MΩ

高精密測量，動態(tài)重復(fù)性可達(dá)0.2%

全自動多點掃描，多種預(yù)設(shè)方案亦可自定義調(diào)節(jié)

快速材料表征，可自動執(zhí)行校正因子計算

基于四探針法的Xfilm埃利四探針方阻儀，憑借智能化與高精度的電阻測量優(yōu)勢，可助力評估電阻，推動多領(lǐng)域的材料檢測技術(shù)升級。