發(fā)布時(shí)間：2020-11-12 05:25

　　 金屬化是現(xiàn)代IC工藝的一個(gè)重要組成部分,目前銅已經(jīng)取代鋁而成為主流互連材料。銅互連納米多層膜體系的力學(xué)特性,如硬度與彈性模量會(huì)對(duì)器件的可靠性產(chǎn)生重大影響。因此,建立一套能夠在納米尺度表征其力學(xué)性能的方法是十分必要的。 新型的存儲(chǔ)器技術(shù)首先要能夠集成進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝,同時(shí)需要具有高存儲(chǔ)密度、非破壞性讀寫、低功耗、耐擦寫等優(yōu)點(diǎn)。阻變式隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)由于其簡單的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的性能而受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)有互連結(jié)構(gòu)上制備的RRAM單元與后端工藝之間兼容度非常高。目前,基于銅/鋁金屬化制備RRAM單元已取得一定進(jìn)展,然而,這種兩端器件的材料體系需要豐富,器件性質(zhì)的表征方法有待完善,工作機(jī)理尚不明確。 本文針對(duì)Cu互連結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)以及基于互連結(jié)構(gòu)制備的阻變存儲(chǔ)器進(jìn)行了研究,主要包括以下四部分內(nèi)容： 一、使用納米壓入技術(shù)檢測(cè)Cu/Ta/SiO2/Si多層膜結(jié)構(gòu)的納米力學(xué)參量(硬度、彈性模量),并研究了外力作用下體系的形變情況。為了表征納米壓痕下的形變微觀區(qū)域,采用聚焦離子束加工出壓痕截面,同時(shí)進(jìn)行掃描電子、掃描離子顯微觀察,發(fā)現(xiàn)樣品襯底發(fā)生開裂,多層膜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。TEM分析表明分層出現(xiàn)在’Ta/SiO2界面,分層的原因主要?dú)w結(jié)為在應(yīng)力作用下,多層膜中各種材料的應(yīng)變、彈性恢復(fù)能力不同。 二、使用導(dǎo)電原子力顯微分析技術(shù)(C-AFM)對(duì)CuxO阻變材料及器件進(jìn)行了微區(qū)電流分布研究。CuxO薄膜采用等離子體氧化工藝在Cu互連結(jié)構(gòu)表面制備。結(jié)果發(fā)現(xiàn)開啟狀態(tài)薄膜中形成了導(dǎo)電通道；從電流分布的均勻性出發(fā)評(píng)估了相應(yīng)器件的可縮小性；結(jié)合Pt/CuxO/Cu存儲(chǔ)單元性能測(cè)試結(jié)果,分析了它的工作機(jī)理；對(duì)宏觀I-V測(cè)試中觀察到的開啟電壓浮動(dòng)、高阻值漲落、無形成過程等現(xiàn)象從微觀角度做出解釋。 三、使用等離子體浸沒注入技術(shù)(PⅢ)在銅互連結(jié)構(gòu)上制備了氮化銅薄膜,通過調(diào)控注入條件優(yōu)化薄膜質(zhì)量。對(duì)以氮化銅作為中間層的M/CuxN/Cu MIM結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)測(cè)試,結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有電阻開關(guān)特性。結(jié)合器件微區(qū)電流分布情況,認(rèn)為其阻變特性是源于金屬性導(dǎo)電細(xì)絲的形成／斷裂。然后進(jìn)一步研究了CuxN基RRAM存儲(chǔ)單元的開啟速度、溫度穩(wěn)定性、疲勞特性、非易失性以及可縮小性等器件性能。最后討論了電極材料以及制備工藝對(duì)于器件電阻開關(guān)性質(zhì)的影響。 四、分別使用PⅢ技術(shù)和脈沖激光沉積技術(shù)在Al互連結(jié)構(gòu)表面制備了A1N薄膜,針對(duì)不同工藝對(duì)于薄膜物性的影響進(jìn)行了討論。通過沉積上電極Cu形成Cu/AIN/Al單元,初步研究了該結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì),展望了這種A1N基存儲(chǔ)單元的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：TP333;TN405
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 IC互連結(jié)構(gòu)、材料與可靠性問題
    1.2 阻變式隨機(jī)存儲(chǔ)器
        1.2.1 新型非揮發(fā)型存儲(chǔ)器
        1.2.2 阻變存儲(chǔ)器的材料體系
        1.2.3 RRAM的工作機(jī)制
        1.2.4 阻變機(jī)理
        1.2.5 電阻開關(guān)過程中的導(dǎo)電路徑
        1.2.6 集成前景
    1.3 本論文的選題意義和研究內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
2/Si多層膜納米壓入與壓痕下微觀結(jié)構(gòu)的研究'>第二章 Cu/Ta/SiO₂/Si多層膜納米壓入與壓痕下微觀結(jié)構(gòu)的研究
    2.1 銅互連體系的可靠性問題與力學(xué)特性
    2.2 納米壓入實(shí)驗(yàn)方法
    2.3 實(shí)驗(yàn)過程
        2.3.1 樣品制備
        2.3.2 納米壓入實(shí)驗(yàn)
        2.3.3 壓痕下微觀結(jié)構(gòu)的研究
    2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
        2.4.1 壓痕形貌
        2.4.2 硬度與彈性模量
        2.4.3 壓痕下方的微觀結(jié)構(gòu)
        2.4.4 應(yīng)用納米壓入方法進(jìn)行互連結(jié)構(gòu)力學(xué)可靠性評(píng)估的可行性
    2.5 小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
xO基阻變存儲(chǔ)器的C-AFM表征方法研究'>第三章 針對(duì)Cu_xO基阻變存儲(chǔ)器的C-AFM表征方法研究
xO基RRAM的研究現(xiàn)狀'>    3.1 Cu_xO基RRAM的研究現(xiàn)狀
    3.2 導(dǎo)電原子力顯微分析技術(shù)（C-AFM）
    3.3 實(shí)驗(yàn)過程
        3.3.1 樣品制備
xO薄膜性質(zhì)表征與MIM器件宏觀電學(xué)測(cè)試'>        3.3.2 Cu_xO薄膜性質(zhì)表征與MIM器件宏觀電學(xué)測(cè)試
xO基存儲(chǔ)單元的C-AFM表征'>        3.3.3 Cu_xO基存儲(chǔ)單元的C-AFM表征
    3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
O薄膜及器件性質(zhì)'>        3.4.1 Cux_O薄膜及器件性質(zhì)
        3.4.2 C-AFM表征結(jié)果
        3.4.3 使用C-AFM技術(shù)作為阻變材料及器件性能評(píng)估方法的可行性
    3.5 小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
xN基RRAM的研究'>第四章 使用等離子體浸沒注入技術(shù)制備Cu_xN基RRAM的研究
    4.1 氮化銅的研究現(xiàn)狀
    4.2 等離子體浸沒注入（PⅢ）技術(shù)
        4.2.1 PⅢ設(shè)備簡介
        4.2.2 PⅢ劑量標(biāo)定方法
    4.3 實(shí)驗(yàn)過程
        4.3.1 樣品制備
xN薄膜性質(zhì)表征與MIM器件宏觀電學(xué)測(cè)試'>        4.3.2 Cu_xN薄膜性質(zhì)表征與MIM器件宏觀電學(xué)測(cè)試
    4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
xN薄膜的性質(zhì)'>        4.4.1 Cu_xN薄膜的性質(zhì)
xN基RRAM單元的電阻開關(guān)特性'>        4.4.2 Cu_xN基RRAM單元的電阻開關(guān)特性
    4.5 小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第五章 基于Al互連結(jié)構(gòu)制備的Cu/AlN/Al單元研究
    5.1 AlN概述
    5.2 脈沖激光沉積技術(shù)
    5.3 AlN薄膜制備過程
        5.3.1 PⅢ工藝
        5.3.2 PLD工藝
    5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
        5.4.1 表面形貌
        5.4.2 X射線衍射（XRD）結(jié)構(gòu)分析
        5.4.3 X射線光電子能譜（XPS）分析
        5.4.4 Cu/AlN/Al單元的電學(xué)特性
    5.5 小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第六章 總結(jié)與展望
    參考文獻(xiàn)
博士階段科研成果
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2880308