用于大规模互连的纳米级Co-Pt金属间化合物的微观结构与电阻率

《Materials Characterization》：Microstructure and resistivity of nanoscale Co-Pt intermetallic compounds for scaled interconnects

Co-Pt纳米线及其中间相（Co1Pt3、Co1Pt1、Co3Pt1）通过三电极电沉积和退火制备，发现130nm Co3Pt1纳米线电阻率达35.04 μΩ·cm，优于铜。硅涂层可有效抑制元素扩散。

　　

Ji Sung Moon|Eunsoo Oh|Young Jun Jang|Eunjin Jeong|Jun Hwan Moon|Yanghee Kim|Young Keun Kim

韩国大学材料科学与工程系，首尔02841，大韩民国

摘要

随着集成电路复杂性的增加，现有的基于铜（Cu）的互连金属化技术已无法承受寄生电阻-电容（RC）信号延迟的问题。因此，开发具有以下三种特性的纳米级材料至关重要：低电导率、热稳定性以及高无障碍集成潜力。本研究探讨了基于钴（Co）-铂（Pt）的纳米线（NWs），重点关注其金属间化合物（IMCs），包括Co₁Pt₃、Co₁Pt₁和Co₃Pt₁。这些IMCs在热预算限制下表现出良好的化学稳定性。我们采用三电极电沉积法和沉积后退火工艺制备了纳米级的Co-Pt IMCs，并使用四点探针在真空中对其电学性能进行了表征。测得直径分别为30纳米和130纳米的无Pt Co₃Pt₁纳米线的电阻率分别为77.85 μΩ·cm和35.04 μΩ·cm。此外，为了模拟后端工艺（BEOL）中的介质环境，我们在纳米线上涂覆了二氧化硅（SiO₂）。经过450°C下6小时的热处理后，未观察到Co和Pt向二氧化硅中的明显扩散现象。

引言

目前的互连金属化材料铜（Cu）长期以来一直是集成电路中优秀的导电材料[1]、[2]、[3]。然而，铜的电子平均自由路径（EMFP）约为39.9纳米，这限制了其在集成电路中的有效性，尤其是在不断缩小的尺寸尺度下[4]、[5]。先前的研究探索了具有较短EMFP的金属，以降低尺寸效应的影响，从而克服铜的局限性并减少电阻增加[4]。电阻率缩放的优值（FOM）可表示为ρ = ρ₀ × λ / d，其中ρ₀是体电阻率，λ是体电子平均自由路径，d是取决于技术节点的特征长度尺度。在给定尺度下，具有较低ρ₀ × λ值的金属表现出更低的电阻率增长速率[6]。例如，钌（Ru）与传统的铜damascene工艺不兼容，需要采用替代的集成方法[7]、[8]。 最近的研究表明，金属间化合物（IMCs）可以结合单一元素金属的优点，同时减轻它们的缺点[6]、[9]。此外，IMCs具有强化学键和高内聚能，使其成为替代传统势垒材料和导电材料的理想候选者[10]、[11]、[12]。高内聚能对于抑制高电流密度下的电迁移尤为重要。尽管具有高内聚能的金属已被广泛研究作为铜的潜在替代品，但关于电沉积IMCs的电导率的研究仍然有限[13]、[14]、[15]。 我们研究了Co-Pt IMCs作为铜的潜在替代品[16]。在候选金属中，钴（Co）因其较短的散射长度（约11.8纳米）而受到最多关注[17]、[18]、[19]。钴的高电迁移激活能、有效价态和固有扩散性有助于提高抗电迁移性能[20]、[21]、[22]。尽管钴具有吸引力，但由于其易受时间依赖性介质击穿（TDDB）的影响，同样需要扩散势垒[23]、[24]、[25]。为了克服这些限制，我们考虑将钴与铂（Pt）结合使用。铂具有最低的FOM，在更小的间距下具有优势，其高内聚能可以弥补钴需要势垒的缺点[26]、[27]。此外，Co-Pt相图显示了三种不同的IMC相[28]。 为了设计具有低电阻率的纳米级Co-Pt IMCs，我们使用纳米多孔模板辅助电沉积法制备了不同组成和直径的Co-Pt纳米线[29]。通过系统优化Co-Pt纳米线的电沉积条件（参考补充材料中的Pourbaix图，图S1）并施加额外的沉积后退火处理，获得了三种不同的IMC组成：Co₁Pt₃、Co₁Pt₁和Co₃Pt₁。然后，我们使用聚焦离子束（FIB）集成四点探针对每种IMC纳米线的电阻率进行了表征，以确定具有最低电阻率的组成。

Co-Pt纳米线的电沉积

我们使用具有不同纳米孔径的聚碳酸酯膜（Whatman plc.）模板沉积了Co_xPt_1-x纳米线。在电沉积之前，我们通过电子束蒸发在膜的底表面涂覆了一层300纳米厚的银（Ag）层作为工作电极。所有电沉积实验均在室温下进行，使用VersaSTAT 4电位计（AMETEK）和标准的三电极配置。实验中，铂板作为对电极，Ag/AgCl...

微观结构表征

图1(a-e)展示了不同组成的130纳米直径Co-Pt纳米线在沉积状态下的TEM和HR-TEM图像。Co₉₀Pt₁₀（原子百分比）纳米线显示出与纯Co晶体相似的SAED图案。这些结果表明，铂原子以杂质的形式掺入Co晶格中，形成了与纯Co极为相似的相，对其晶体结构的影响最小。这一观察结果与Co-Pt相图中出现的ε-Co相一致...

结论

集成电路的快速缩放暴露了铜的局限性，推动了替代互连金属化材料的探索。我们通过分析FOM（ρ? × λ）筛选了候选金属，并使用Pourbaix图确定了形成Co-Pt IMC的最佳电沉积条件。我们使用CoSO₄和H₂PtCl₆作为金属前驱体，通过模板辅助电沉积法制备了Co_xPt_1-x纳米线。经过450°C下6小时的热处理后，通过XRD确认了IMC的形成...

CRediT作者贡献声明

Ji Sung Moon：撰写初稿、可视化、数据分析、形式化分析、数据管理。 Eunsoo Oh：撰写初稿、可视化、概念构思。 Young Jun Jang：可视化、方法论。 Eunjin Jeong：验证、方法论。 Jun Hwan Moon：验证、方法论。 Yanghee Kim：资源获取、数据分析。 Young Keun Kim：撰写修订稿、监督、资源管理、项目协调、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金会由韩国科学技术信息通信部资助（RS-2024-00347718）。