面向下一代新型互连导体材料的硅化物纳米线研究

To solve the problem of size effect of copper line, i.e, the increase of effective electrical resistivity with the decrease of linewidth, we propose to investigate the silicide nanowire as novel conductor material in the next generation novel interconnect system. In this project, we want to utilize the IC-compatible methods, such as Electron beam lithography and block –copolymer direct self-assembly to make size-controllable Si nanowire and then form the silicide nanowire through solid phase reaction. In the mean time, we will prepare embedded silicide nanowire in the oxide layer similar to that of embedded copper line in the damascene structure. There are few reports regarding to phase formation, size effect, thermal stability and reliability of the embedded silicide nanowire. Through systematic investigation, we will demonstrate the silicide phase formation, reaction kinetics and microstructure evolution at low temperature in the nanoscale trench surrounded by oxide sidewall. We will investigate the resistivity size effect of the silicide nanowire and clarify its electronic transport mechanism. We will investigate the thermal stability and electrical reliability of the silicide nanowire as interconnect and make comparison to the copper interconnect with the same linewidth. Aimed at the next generation interconnect, the progress of this project will provide important theoretical bases and practical value for the silicide nanowire material properties and provide insight and a practical solution to the next generation interconnect technology.

针对现有铜互连出现的电阻率随线条尺寸减小而急剧增大的现象，本项目提出研究硅化物纳米线作为下一代新型互连的导体材料。项目提出用和集成电路工艺相兼容的方法，例如电子束光刻、嵌段共聚物直接自组装等方法制备尺寸可控的硅纳米线，通过固相反应形成硅化物纳米线，同时制备镶嵌在绝缘介质沟槽中的、和铜互连结构相似的硅化物纳米线互连线条。镶嵌结构的硅化物纳米线的尺寸效应、物相反应、稳定性和可靠性尚未有报道。通过系统研究，本项目拟揭示低温下镶嵌工艺制备的硅化物纳米线的物相形成规律、反应动力学、微观晶体结构变化，掌握硅化物纳米线的电阻率尺寸效应，揭示硅化物纳米线的电学输运机理。系统研究纳米线作为互连应用的热稳定性和电学可靠性，并和相同尺寸的铜互连进行电学性能比较。本项目的研究成果将为低温硅化物纳米线的材料和结构特性研究提供重要的理论依据，对硅化物纳米线作为下一代互连提供一个可行的解决方案。

针对现有铜互连出现的电阻率随线条尺寸减小而急剧增大的现象，本项目提出研究硅化物纳米线作为下一代新型互连的导体材料。项目用和现有大规模集成电路工艺相兼容的方法，用电子束光刻、反应离子刻蚀和固相反应的方法在SOI衬底上制备了制备尺寸可控的硅纳米线，通过固相反应形成线宽从15纳米到150纳米硅化物纳米线，并制备了互连线结构。也利用导向自组装的方法制备了尺寸在9纳米的硅纳米线。研究了不同线宽的硅化物纳米线的电阻率，当控制起始淀积金属Ni的厚度，得到了电阻率在10-20微欧⸱厘米的硅化物纳米线。研究了金属Ni厚度和纳米线物相、电阻率之间的关系。TEM结果表明，采用合适的工艺后，可以在SOI衬底上制备全硅化的NiSi纳米线。研究了硅化物纳米线生长动力学，在我们的体系中，硅化物纳米线的生长遵循扩散控制的平方生长规律，测量纳米线的生长速度、生长激活能(1.66eV)。研究了硅化物纳米线在通大电流密度(15MA/cm2)下的电学可靠性，出现了线条中间熔断两端膨胀和团聚的现象，在5100秒后电阻急剧增大。进一步研究了从低温到高温退火后的热稳定性，纳米线在低温退火后(400-500C)能够保持稳定性，但是经过600C退火后就出现了线宽增加、边缘粗糙度增加的现象，当纳米线线宽越小，其稳定性越差。实验发现，当表面覆盖5纳米的原子层淀积Al2O3层后，稳定性得到明显提升，对于宽度大于47纳米的纳米线，即使经过900C退火也没有出现明显的不稳定性。TEM结果发现，虽然本样品在500C退火后是全硅化的NiSi，在高温退火后，生成NiSi2，伴随着单晶Si的生成。本项目的研究成果将为低温硅化物纳米线的材料和结构特性研究提供重要的理论依据，对硅化物纳米线作为下一代互连提供一个可行的解决方案。