TiN/M/TiN 다층 Cu 확산 장벽 (M = Zr/Cr/Ru)

p형 Si(100) 위에 스퍼터링된 [TiN(5 nm)/M(2 nm)/TiN(5 nm)] 적층 구조로, TiN-Al-TiN-diffusion-barrier (M = Al인 경우)의 금속 중간층을 일반화한 구조이다. 여기서 중간층 금속 M = Zr, Cr, 또는 Ru는 TiN 주상 결정립계로 확산되어 산화물(ZrO₂/Cr₂O₃/RuO₂)을 형성함으로써 Cu의 고속 확산 경로를 차단한다(grain-boundary-stuffing). 총 장벽 두께는 ~10 nm이며, TiN과 중간층 사이의 진공 파괴 없이 반응성 스퍼터링으로 제조된다.

파괴 온도 (diffusion-barrier-failure-temperature): M = Zr → 800 °C; M = Cr → 700 °C; M = Ru → 650 °C; 기준 TiN (10 nm) → 600 °C (see Kim et al., J. Vac. Sci. Technol. B (2003), Table II). 장벽 성능 순위 Zr > Cr > Ru는 산화물 생성 자유에너지의 열역학적 순서 ΔG(ZrO₂) < ΔG(Cr₂O₃) < ΔG(RuO₂)와 일치한다 (see Kim et al., J. Vac. Sci. Technol. B (2003), Fig. 9). HRTEM+EDS 분석 결과: Zr은 750 °C에서 TiN 결정립계 전반에 걸쳐 넓게 퍼지는 반면, Ru는 650 °C에서도 원래의 중간층 위치에 국한되어 존재한다 (Figs. 6c, 8d). 파괴 생성물은 eta-prime-Cu₃Si이다.