ABC型原子层沉积钌薄膜：后铜互连的低电阻率突破-电子发烧友网

随着半导体互连线宽持续微缩，铜互连的电阻率因电子在表面和晶界的散射而急剧上升，寻找替代互连金属成为行业迫切需求。钌凭借较低的体电阻率（7.1 μΩ·cm）和短的电子平均自由程（6.6 nm），在纳米尺度下受尺寸效应影响较小，被视为最有竞争力的候选材料之一。然而，高温原子层沉积过程中前驱体的热分解问题限制了钌薄膜质量的提升。本文介绍一种新型ABC型ALD工艺，通过引入NH₃作为额外反应气体，在310°C下沉积出低电阻率、大晶粒的钌薄膜，并借助Xfilm埃利四探针方阻仪精确表征薄膜方阻，系统评估工艺改进效果。

ABC型ALD工艺设计与优化

传统的AB型ALD工艺仅使用前驱体和O₂反应物，当前驱体在高温下发生热分解时，有机配体残留会导致薄膜中杂质增多、晶粒细化、电阻率升高。本研究选用[Ru(TMM)(CO)₃]作为钌前驱体，该前驱体在260°C以下稳定，310°C时发生部分热分解。为抑制热分解带来的性能劣化，研究者提出ABC型ALD工艺：在Ru前驱体脉冲和O₂反应物脉冲之后，额外引入NH₃脉冲。实验对比了四种额外反应气体组合（Ru–O₂–NH₃、Ru–NH₃–O₂、Ru–O₂–H₂、Ru–H₂–O₂），结果表明Ru–O₂–NH₃组合效果最优，薄膜电阻率最低（约14.4 μΩ·cm），结晶度也显著优于使用H₂的方案。DFT计算表明，NH₃在Ru表面的解离能基较低，能在较低温度下产生原子H，而H₂在Ru表面的解离能基较高，因此NH₃的净化效果远优于H₂。

AB型与ABC型Ru ALD工艺参数优化对比及薄膜厚度随ALD循环数的变化

杂质、密度与粗糙度的改善

SIMS分析显示，AB型Ru薄膜中C和O杂质总浓度为1.6 at%，而ABC型Ru薄膜降至0.3 at%。NH₃在Ru表面解离吸附产生的原子H能有效去除表面残留的O和C杂质。XRR分析表明，ABC型Ru薄膜密度从11.8 g/cm³提升至12.3 g/cm³，表面粗糙度从2.0 nm降至1.2 nm，接近体相Ru密度（12.45 g/cm³）。经600°C退火后，ABC型Ru薄膜密度进一步提升至12.4 g/cm³，粗糙度降至0.6 nm，表明该工艺制备的薄膜具有优异的热稳定性。

AB型与ABC型Ru ALD薄膜的XRD分析及SIMS元素浓度深度分布

晶粒尺寸的显著增长

/Xfilm

俯视TEM明场像分析表明，AB型Ru薄膜平均晶粒尺寸为11.7 nm，ABC型Ru薄膜则达到24.5 nm，晶粒增长了12.8 nm。值得注意的是，ABC型工艺获得的大晶粒无需额外退火处理，这对后端工艺的热预算控制至关重要。NH₃的引入促进了晶粒生长，减少了晶界数量，从而降低了电子在晶界处的散射。高分辨TEM图像确认两种薄膜均为多晶结构，可观察到Ru(101)面的0.21 nm晶面间距。

AB型与ABC型Ru ALD薄膜的俯视TEM明场像、晶粒尺寸分布统计及高分辨TEM图像

电阻率尺寸效应的定量解析

/Xfilm

利用Fuchs-Sondheimer和Mayadas-Shatzkes模型对电阻率进行定量分解，结果表明晶界散射是电阻率增加的主导因素，表面散射的贡献相对较小。ABC型Ru ALD薄膜中，当厚度超过约15 nm时，体电阻率即成为主导项；而AB型薄膜需到约45 nm才达到同样状态，这归因于ABC型工艺带来的晶粒尺寸增大。在6 nm以下，两种工艺的电阻率均急剧上升，因为薄膜厚度小于Ru的电子平均自由程（6.6 nm），晶界散射概率大幅增加。25 nm厚度下，AB型电阻率为20.1 μΩ·cm，ABC型降至13.4 μΩ·cm，降幅33%。这一结果明确指出，提升晶粒尺寸是降低纳米互连电阻率的核心路径。

AB型与ABC型Ru ALD薄膜电阻率随厚度的变化及FS-MS模型分解

高深宽比结构的保形沉积

在深宽比约30、开口宽度140 nm的沟槽图案化衬底上，ABC型Ru ALD工艺实现了近100%的台阶覆盖。EDS面扫和HAADF-STEM分析证实Ru原子在沟槽顶部、中部和底部均匀分布。尽管前驱体在310°C发生部分热分解，但沉积行为仍保持ALD特征而非CVD模式，这归因于前驱体在基底表面的吸附-反应机制。这一结果表明，ABC型Ru ALD工艺在先进封装领域的高深宽比互连结构中具有良好的应用前景。

本研究提出的ABC型Ru ALD工艺，通过引入NH₃额外反应气体，在310°C高温下实现了低电阻率（13.4 μΩ·cm）、大晶粒（24.5 nm）、低杂质（0.3 at%）的高质量钌薄膜沉积，为后铜互连提供了切实可行的材料方案。FS-MS模型定量分析揭示了晶粒尺寸对电阻率降低的决定性作用，为工艺优化指明了方向。

在整个研究过程中，Xfilm埃利四探针方阻仪为薄膜方阻的精确测量提供了可靠数据支撑，确保了不同工艺条件下电阻率对比的准确性，是互连金属材料研发中不可或缺的表征工具。

Xfilm埃利四探针方阻仪

Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描，获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。