隨著半導(dǎo)體互連線寬持續(xù)微縮，銅互連的電阻率因電子在表面和晶界的散射而急劇上升，尋找替代互連金屬成為行業(yè)迫切需求。釕憑借較低的體電阻率（7.1 μΩ·cm）和短的電子平均自由程（6.6 nm），在納米尺度下受尺寸效應(yīng)影響較小，被視為最有競爭力的候選材料之一。然而，高溫原子層沉積過程中前驅(qū)體的熱分解問題限制了釕薄膜質(zhì)量的提升。本文介紹一種新型ABC型ALD工藝，通過引入NH?作為額外反應(yīng)氣體，在310°C下沉積出低電阻率、大晶粒的釕薄膜，并借助Xfilm埃利四探針方阻儀精確表征薄膜方阻，系統(tǒng)評(píng)估工藝改進(jìn)效果。

ABC型ALD工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

傳統(tǒng)的AB型ALD工藝僅使用前驅(qū)體和O?反應(yīng)物，當(dāng)前驅(qū)體在高溫下發(fā)生熱分解時(shí)，有機(jī)配體殘留會(huì)導(dǎo)致薄膜中雜質(zhì)增多、晶粒細(xì)化、電阻率升高。本研究選用[Ru(TMM)(CO)?]作為釕前驅(qū)體，該前驅(qū)體在260°C以下穩(wěn)定，310°C時(shí)發(fā)生部分熱分解。為抑制熱分解帶來的性能劣化，研究者提出ABC型ALD工藝：在Ru前驅(qū)體脈沖和O?反應(yīng)物脈沖之后，額外引入NH?脈沖。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了四種額外反應(yīng)氣體組合（Ru–O?–NH?、Ru–NH?–O?、Ru–O?–H?、Ru–H?–O?），結(jié)果表明Ru–O?–NH?組合效果最優(yōu)，薄膜電阻率最低（約14.4 μΩ·cm），結(jié)晶度也顯著優(yōu)于使用H?的方案。DFT計(jì)算表明，NH?在Ru表面的解離能基較低，能在較低溫度下產(chǎn)生原子H，而H?在Ru表面的解離能基較高，因此NH?的凈化效果遠(yuǎn)優(yōu)于H?。

AB型與ABC型Ru ALD工藝參數(shù)優(yōu)化對(duì)比及薄膜厚度隨ALD循環(huán)數(shù)的變化

雜質(zhì)、密度與粗糙度的改善

SIMS分析顯示，AB型Ru薄膜中C和O雜質(zhì)總濃度為1.6 at%，而ABC型Ru薄膜降至0.3 at%。NH?在Ru表面解離吸附產(chǎn)生的原子H能有效去除表面殘留的O和C雜質(zhì)。XRR分析表明，ABC型Ru薄膜密度從11.8 g/cm3提升至12.3 g/cm3，表面粗糙度從2.0 nm降至1.2 nm，接近體相Ru密度（12.45 g/cm3）。經(jīng)600°C退火后，ABC型Ru薄膜密度進(jìn)一步提升至12.4 g/cm3，粗糙度降至0.6 nm，表明該工藝制備的薄膜具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

AB型與ABC型Ru ALD薄膜的XRD分析及SIMS元素濃度深度分布

晶粒尺寸的顯著增長

/Xfilm

俯視TEM明場像分析表明，AB型Ru薄膜平均晶粒尺寸為11.7 nm，ABC型Ru薄膜則達(dá)到24.5 nm，晶粒增長了12.8 nm。值得注意的是，ABC型工藝獲得的大晶粒無需額外退火處理，這對(duì)后端工藝的熱預(yù)算控制至關(guān)重要。NH?的引入促進(jìn)了晶粒生長，減少了晶界數(shù)量，從而降低了電子在晶界處的散射。高分辨TEM圖像確認(rèn)兩種薄膜均為多晶結(jié)構(gòu)，可觀察到Ru(101)面的0.21 nm晶面間距。

AB型與ABC型Ru ALD薄膜的俯視TEM明場像、晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)及高分辨TEM圖像

電阻率尺寸效應(yīng)的定量解析

/Xfilm

利用Fuchs-Sondheimer和Mayadas-Shatzkes模型對(duì)電阻率進(jìn)行定量分解，結(jié)果表明晶界散射是電阻率增加的主導(dǎo)因素，表面散射的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。ABC型Ru ALD薄膜中，當(dāng)厚度超過約15 nm時(shí)，體電阻率即成為主導(dǎo)項(xiàng)；而AB型薄膜需到約45 nm才達(dá)到同樣狀態(tài)，這歸因于ABC型工藝帶來的晶粒尺寸增大。在6 nm以下，兩種工藝的電阻率均急劇上升，因?yàn)楸∧ず穸刃∮赗u的電子平均自由程（6.6 nm），晶界散射概率大幅增加。25 nm厚度下，AB型電阻率為20.1 μΩ·cm，ABC型降至13.4 μΩ·cm，降幅33%。這一結(jié)果明確指出，提升晶粒尺寸是降低納米互連電阻率的核心路徑。

AB型與ABC型Ru ALD薄膜電阻率隨厚度的變化及FS-MS模型分解

高深寬比結(jié)構(gòu)的保形沉積

在深寬比約30、開口寬度140 nm的溝槽圖案化襯底上，ABC型Ru ALD工藝實(shí)現(xiàn)了近100%的臺(tái)階覆蓋。EDS面掃和HAADF-STEM分析證實(shí)Ru原子在溝槽頂部、中部和底部均勻分布。盡管前驅(qū)體在310°C發(fā)生部分熱分解，但沉積行為仍保持ALD特征而非CVD模式，這歸因于前驅(qū)體在基底表面的吸附-反應(yīng)機(jī)制。這一結(jié)果表明，ABC型Ru ALD工藝在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的高深寬比互連結(jié)構(gòu)中具有良好的應(yīng)用前景。

本研究提出的ABC型Ru ALD工藝，通過引入NH?額外反應(yīng)氣體，在310°C高溫下實(shí)現(xiàn)了低電阻率（13.4 μΩ·cm）、大晶粒（24.5 nm）、低雜質(zhì)（0.3 at%）的高質(zhì)量釕薄膜沉積，為后銅互連提供了切實(shí)可行的材料方案。FS-MS模型定量分析揭示了晶粒尺寸對(duì)電阻率降低的決定性作用，為工藝優(yōu)化指明了方向。

在整個(gè)研究過程中，Xfilm埃利四探針方阻儀為薄膜方阻的精確測量提供了可靠數(shù)據(jù)支撐，確保了不同工藝條件下電阻率對(duì)比的準(zhǔn)確性，是互連金屬材料研發(fā)中不可或缺的表征工具。

Xfilm埃利四探針方阻儀

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(duì)最大230mm 樣品進(jìn)行快速、自動(dòng)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(dòng)態(tài)重復(fù)性可達(dá)0.2%

全自動(dòng)多點(diǎn)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(dòng)執(zhí)行校正因子計(jì)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(shì)，可助力評(píng)估電阻，推動(dòng)多領(lǐng)域的材料檢測技術(shù)升級(jí)。