铜互连结构的力学性质及基于互连结构制备的阻变存储器研究

论文摘要

金属化是现代IC工艺的一个重要组成部分,目前铜已经取代铝而成为主流互连材料。铜互连纳米多层膜体系的力学特性,如硬度与弹性模量会对器件的可靠性产生重大影响。因此,建立一套能够在纳米尺度表征其力学性能的方法是十分必要的。新型的存储器技术首先要能够集成进入标准的半导体工艺,同时需要具有高存储密度、非破坏性读写、低功耗、耐擦写等优点。阻变式随机存储器（RRAM）由于其简单的结构、优异的性能而受到业界的广泛关注。在现有互连结构上制备的RRAM单元与后端工艺之间兼容度非常高。目前,基于铜/铝金属化制备RRAM单元已取得一定进展,然而,这种两端器件的材料体系需要丰富,器件性质的表征方法有待完善,工作机理尚不明确。本文针对Cu互连结构的力学性质以及基于互连结构制备的阻变存储器进行了研究,主要包括以下四部分内容：一、使用纳米压入技术检测Cu/Ta/SiO2/Si多层膜结构的纳米力学参量（硬度、弹性模量）,并研究了外力作用下体系的形变情况。为了表征纳米压痕下的形变微观区域,采用聚焦离子束加工出压痕截面,同时进行扫描电子、扫描离子显微观察,发现样品衬底发生开裂,多层膜结构出现分层现象。TEM分析表明分层出现在’Ta/SiO2界面,分层的原因主要归结为在应力作用下,多层膜中各种材料的应变、弹性恢复能力不同。二、使用导电原子力显微分析技术（C-AFM）对CuxO阻变材料及器件进行了微区电流分布研究。CuxO薄膜采用等离子体氧化工艺在Cu互连结构表面制备。结果发现开启状态薄膜中形成了导电通道；从电流分布的均匀性出发评估了相应器件的可缩小性；结合Pt/CuxO/Cu存储单元性能测试结果,分析了它的工作机理；对宏观I-V测试中观察到的开启电压浮动、高阻值涨落、无形成过程等现象从微观角度做出解释。三、使用等离子体浸没注入技术（PⅢ）在铜互连结构上制备了氮化铜薄膜,通过调控注入条件优化薄膜质量。对以氮化铜作为中间层的M/CuxN/Cu MIM结构进行电学测试,结果表明该结构具有电阻开关特性。结合器件微区电流分布情况,认为其阻变特性是源于金属性导电细丝的形成／断裂。然后进一步研究了CuxN基RRAM存储单元的开启速度、温度稳定性、疲劳特性、非易失性以及可缩小性等器件性能。最后讨论了电极材料以及制备工艺对于器件电阻开关性质的影响。四、分别使用PⅢ技术和脉冲激光沉积技术在Al互连结构表面制备了A1N薄膜,针对不同工艺对于薄膜物性的影响进行了讨论。通过沉积上电极Cu形成Cu/AIN/Al单元,初步研究了该结构的电学性质,展望了这种A1N基存储单元的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 IC互连结构、材料与可靠性问题
• 1.2 阻变式随机存储器
• 1.2.1 新型非挥发型存储器
• 1.2.2 阻变存储器的材料体系
• 1.2.3 RRAM的工作机制
• 1.2.4 阻变机理
• 1.2.5 电阻开关过程中的导电路径
• 1.2.6 集成前景
• 1.3 本论文的选题意义和研究内容
• 参考文献
• 2/Si多层膜纳米压入与压痕下微观结构的研究'>第二章 Cu/Ta/SiO₂/Si多层膜纳米压入与压痕下微观结构的研究
• 2.1 铜互连体系的可靠性问题与力学特性
• 2.2 纳米压入实验方法
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 样品制备
• 2.3.2 纳米压入实验
• 2.3.3 压痕下微观结构的研究
• 2.4 实验结果及讨论
• 2.4.1 压痕形貌
• 2.4.2 硬度与弹性模量
• 2.4.3 压痕下方的微观结构
• 2.4.4 应用纳米压入方法进行互连结构力学可靠性评估的可行性
• 2.5 小结
• 参考文献
• xO基阻变存储器的C-AFM表征方法研究'>第三章 针对Cu_xO基阻变存储器的C-AFM表征方法研究
• xO基RRAM的研究现状'>3.1 Cu_xO基RRAM的研究现状
• 3.2 导电原子力显微分析技术（C-AFM）
• 3.3 实验过程
• 3.3.1 样品制备
• xO薄膜性质表征与MIM器件宏观电学测试'>3.3.2 Cu_xO薄膜性质表征与MIM器件宏观电学测试
• xO基存储单元的C-AFM表征'>3.3.3 Cu_xO基存储单元的C-AFM表征
• 3.4 实验结果与讨论
• O薄膜及器件性质'>3.4.1 Cux_O薄膜及器件性质
• 3.4.2 C-AFM表征结果
• 3.4.3 使用C-AFM技术作为阻变材料及器件性能评估方法的可行性
• 3.5 小结
• 参考文献
• xN基RRAM的研究'>第四章 使用等离子体浸没注入技术制备Cu_xN基RRAM的研究
• 4.1 氮化铜的研究现状
• 4.2 等离子体浸没注入（PⅢ）技术
• 4.2.1 PⅢ设备简介
• 4.2.2 PⅢ剂量标定方法
• 4.3 实验过程
• 4.3.1 样品制备
• xN薄膜性质表征与MIM器件宏观电学测试'>4.3.2 Cu_xN薄膜性质表征与MIM器件宏观电学测试
• 4.4 实验结果与讨论
• xN薄膜的性质'>4.4.1 Cu_xN薄膜的性质
• xN基RRAM单元的电阻开关特性'>4.4.2 Cu_xN基RRAM单元的电阻开关特性
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 基于Al互连结构制备的Cu/AlN/Al单元研究
• 5.1 AlN概述
• 5.2 脉冲激光沉积技术
• 5.3 AlN薄膜制备过程
• 5.3.1 PⅢ工艺
• 5.3.2 PLD工艺
• 5.4 实验结果和讨论
• 5.4.1 表面形貌
• 5.4.2 X射线衍射（XRD）结构分析
• 5.4.3 X射线光电子能谱（XPS）分析
• 5.4.4 Cu/AlN/Al单元的电学特性
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 博士阶段科研成果
• 致谢