Cu/low-k介质阻挡层异质界面等离子体耦合强化设计及相关性能研究

Cu/low-k介质阻挡层膜系异质界面相容性和可靠性是纳器件互连迫切需要重点突破和解决的难点问题之一。针对目前Cu/low-k介质阻挡层界面调控和强化设计缺乏理性的设计准则，且研究各自孤立，研究结果实践指导性相对较差的现状。本项目在总结纳米薄膜材料强化设计理念和强化机制的基础上，提出界面等离子体耦合强化设计解决方案。从界面成分和结构设计这一最基本的材料研究方法出发，探求和量化界面等离子体耦合强化的主控因数对体系热稳定、电迁移性能、延时击穿寿命、界面结合性能等强化影响的权重及典型服役条件下的失效特征，揭示界面结构/功能的协同作用过程及相关的物理机制。进而确立界面等离子体耦合强化的设计基本准则，初步建立界面结构/功能服役效能评价体系。项目研究的学术思想及研究方法有创新，研究结果具有较强的科学意义及工业应用价值。

Cu/low-k介质阻挡层膜系异质界面相容性和可靠性是纳器件互连迫切需要重点突破和解决的难点问题之一。本项目从界面成分和结构设计这一最基本的材料研究方法出发，采用调控各金属离子的注入实验与TRIM软件模拟相结合的方法获取了单位密度注入金属离子的密度和分布。明确不同匹配体系中合金元素的特性及相互影响规律，并掌握了此类微结构的变化和调控的主控参数和规律。初步建立四点弯曲和纳米划擦法相结合的Cu/CuSiN/SiC:H/SiOC:H多层膜系界面结合性能评价体系。探明Cu/CuSiN/SiC:H/SiOC:H多层膜系界面纳米划擦过程和四点弯曲过程力学响应行为的不同特征及规律，开发了综合采用纳米划擦法和四点弯曲法评定多孔low k介质多层膜的评价新方法和新体系。研究发现纳米划擦Cu/CuSiN/SiC:H/SiOC:H和Cu/SiC:H/SiOC:H两者多层膜系界面力学响应行为都存在临界加载剥落载荷Lcl和临界卸载剥落载荷Lcu，且Lcl和Lcu参数对Cu/CuSiN/SiC:H/SiOC:H多层膜系中等离子体强化处理界面的微结构及组织成份敏感。深入研究和量化界面等离子体耦合强化的主控因数对体系热稳定、电迁移性能、延时击穿寿命等强化影响的权重性及典型服役条件下的失效特征。研究结果表明：Zr(Ge)合金“模板”中的Ge含量与Si/p-SiOC:H/a-CuGeN/Zr(Ge)N/Cu膜系热稳定性密切相关。可调控Ge含量（26-79, at.%左右）获得非晶结构的Zr(Ge)合金膜并作为Cu(Zr)/p-SiOC:H的层间耦合层，通过可控N退火处理形成数纳米尺度厚的a-CuGeN/Zr(Ge)N阻挡层，进一步降低Cu原子在其体内的固溶度和扩散系数，获得优异热稳定性。研究成果揭示了“模板”层与低k介质整合时的界面演化规律和相关控制因素，探讨了合金元素及其“模板”层组织结构、电阻率、热稳定性等性能的协同作用过程与作用机制，进而建立纳米结构“模板”层材料元素优化匹配的基本准则，为进一步的理论模拟研究奠定基础。. 项目研究结果为高性能纳器件互连体系有关阻挡层膜体和膜/基界面设计和评价研究提供基础实验数据和相对统一的理论依据，具有较强的科学意义及工业应用价值。