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TiN/Al/TiN trilayer Cu diffusion barrier

TiN/Al/TiN 삼중층 Cu 확산 장벽

스퍼터 증착된 TiN(5 nm)/Al/TiN(5 nm) 다층 스택으로, Cu 금속 배선과 Si 기판 사이에 삽입되어 ULSI 인터커넥트에서 Cu 확산을 차단한다. 얇은 Al층(aluminum-interlayer)은 TiN-thin-film의 주상 결정립계에 포획된 O₂와 반응하여 Al₂O₃를 형성함으로써 Cu의 고속 확산 경로를 봉쇄한다 (see grain-boundary-stuffing). 이 소재의 성능 지표는 diffusion-barrier-failure-temperature이다. 서브타입 material: 마이크로전자 소자의 구성 요소인 구조적/기능적 박막으로, 그 자체의 거동이 연구 대상인 조립 소자가 아님.

소스별 섹션

(a) Datta 2002 — 사전 어닐링 + 최적 Al 두께 2 nm

스택은 Si 위에서 진공 중단 없이 반응성 스퍼터링(TiN, 5 mTorr, 26 nm/min, 125 W) 및 DC 스퍼터링(Al, 7 nm/min, 15 W)으로 순차 제작되었으며, 상부에 100 nm Cu MOCVD가 증착된다. Al 2 nm 중간층과 상부 TiN 사전 어닐링 (300 °C, 30 min, N₂/O₂) 조건에서 파괴 온도는 700 °C(secco 에칭 기준)에 달하며, 단일 TiN 기준의 450 °C 대비 250 °C 향상된다 (see Datta et al., J. Appl. Phys. (2002), Fig. 4–5). TiN 비저항 ~227 μΩ·cm, Cu ~2.5 μΩ·cm (see Datta et al., J. Appl. Phys. (2002), p. 2). 사전 어닐링 없이 1 nm 초과의 미반응 잉여 Al이 존재하면 350 °C에서 조기 파괴가 발생한다 (see Datta et al., J. Appl. Phys. (2002), Fig. 9).

(b) Kim 2002 — 증착 직후 TiN, 최적 Al 두께 1 nm

증착 직후 상태의 TiN(~9 at.% O)을 사용한 동일한 삼중층 개념. 최적 Al 중간층은 1 nm이며, 파괴 온도 >700 °C(파괴 미관측)를 나타내는 반면, 12 nm 단일 TiN은 600 °C에서 파괴된다. Al이 두꺼울수록 성능이 저하되는데(4 nm → 500 °C; 8 nm → 550 °C), 이는 미소비 자유 Al이 Cu의 고속 확산 경로를 열기 때문이다 (see Kim et al., J. Appl. Phys. (2002), Fig. 2; free-Al-accelerated-Cu-diffusion). Si 기판에서의 파괴 생성물은 eta-prime-Cu₃Si이다.

최적 Al 두께에 관한 주석 (상충 아님): Datta 2002는 2 nm를, Kim 2002는 1 nm를 최적값으로 제시한다. 두 결과는 일관성이 있다: 임계 Al 두께는 TiN 내 가용 O₂ 예산에 따라 결정되며 (사전 어닐링된 TiN의 ~23 at.% O는 최대 2 nm Al을 수용하고, 증착 직후 ~9 at.% O는 최적값을 1 nm 부근으로 제한한다). See diffusion-barrier-failure-temperature 및 grain-boundary-stuffing.