亚10纳米节点铜互连替代材料：CuAl2金属间化合物薄膜的低电阻与高抗电迁移特性研究

本文聚焦后段制程（BEOL）中铜互连的尺寸效应瓶颈，提出采用CuAl2金属间化合物（IMC）薄膜作为革命性无衬垫/阻挡层材料。研究通过超高真空磁控溅射制备出6 nm厚度下电阻率<24 μΩ·cm的纯相薄膜，其SiO2基底粘附性优异，5 MV/cm时变介质击穿（TDDB）测试中抗电迁移性能较传统纳米晶铜提升6倍，为亚10纳米节点互连架构提供新解决方案。

　　

亮点

CuAl₂金属间化合物薄膜展现出两大突破性优势：

1. 1.

   超薄低电阻：6 nm厚度下实现24 μΩ·cm的基准电阻率，突破铜互连的尺寸效应限制；

2. 2.

   卓越可靠性：在5 MV/cm电场强度下，时变介质击穿（TDDB）寿命达到传统铜互连的6倍，为高电流密度场景提供保障。

材料与方法

采用超高真空（UHV, ~10^-9 mbar）磁控共溅射技术，在热生长SiO₂/Si衬底上沉积100 nm厚CuAl₂薄膜。通过精确控制铜（99.999%）和铝（99.995%）靶材溅射比例，结合250-350℃退火工艺实现纯θ相结晶。

结果

X射线衍射（XRD）显示退火后仅存在CuAl₂特征峰（110）和（112），证实严格化学计量比。350℃退火样品（110）峰强度提升，晶粒尺寸增大至38 nm，电阻率降低18%。原子力显微镜（AFM）显示表面粗糙度<0.5 nm，满足纳米级互连平整度要求。

讨论

高分辨透射电镜（HRTEM）揭示退火后晶格排列高度有序，快速傅里叶变换（FFT）图谱显示单晶衍射斑点。界面能谱（EDS）证实薄膜与SiO₂间形成2-3 nm厚Al_xO_y过渡层，既增强粘附性又充当自形成扩散阻挡层。

结论

本研究通过可兼容集成电路产线的工艺，开发出兼具低电阻率、高抗电迁移性和优异界面特性的CuAl₂薄膜体系，为突破摩尔定律（More Moore）技术路线图中的互连瓶颈提供新材料范式。