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Si/(Ni-Cr 合金)/Cu 扩散偶 950℃时的界面反应
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王炜，李长荣，杜振民，郭翠萍
北京科技大学材料科学与工程学院，北京（100083）
E-mail：wangwei929@126.com
摘 要：在半导体硅片(Si)－扩散阻挡层(Ni-Cr 合金)－金属互连材料(Cu)构成的体系中，Si
和 Ni-Cr 合金之间以及 Ni-Cr 合金和 Cu 之间各构成一对扩散偶。本文通过制备该体系扩散
偶试样，测得 Si/Cr-Ni 界面反应生成相的表观序列为：Si/CrSi/αCr
5
Si
3
/δ/Cr
3
Si/(Ni)/Cr
0.7
Ni
0.3
。
生成的硅化物中未含有高阻相，其中 Cr
3
Si、Cr
5
Si
3
相具有密度低、熔点高、高温硬度高、
高温抗氧化和抗热腐蚀性能优异等特点；Cu/Cr-Ni 界面可通过原子之间的扩散达到两相平衡
关系，Cr-Ni 合金对 Cu 原子向半导体 Si 片的扩散起到了很好的阻挡效果。
关键词：Cu/Cr-Ni/Si；扩散偶；界面反应
中图分类号：TG111.5
1. 引言
随着集成电路集成度的提高，内连材料线宽尺寸不断降低，Al 作为内连材料其性能已
难以满足集成电路的要求。20 世纪 90 年代以来，Cu 由于具有低的电阻率和高的抗电迁移
与抗应力迁移能力，可作为 Al 的替代材料，得到了广泛研究
[1]
。
与 Al 相比，Cu 具有室温下电阻率低、抗电迁移和应力迁移特性好等优点。Cu 的电阻
率为 µΩ·cm ，仅为 Al 的 % ；Cu 在 ℃条件下测得的电应力引起的离子漂移速度分
别为 Au 和 Al 的 和 ,Cu 发生电迁移的电流密度的上限为 5×10
6
A/cm
2
，而 Al 的上限
为 2×10
5
A/cm
2
；Cu 的应力特性也远远好于 Al
[2]
。所以，无论从减少互连延迟的角度，还是
从互连可靠性的角度，Cu 互连的性能都超过 Al 互连。但是，Cu 互连也存在一些问题。首
先，是 Cu 污染问题。对于 Si 半导体，Cu 是间隙杂质，即使在很低的温度下也可以迅速地
在 Si 中扩散，从而影响器件的少数载流子寿命和结的漏电流，使器件的性能变坏，甚至失
效。其次，是当 Cu 淀积到硅片后经 200℃退火 300min 便会形成高阻的铜硅化物，而且 Cu
与 Si 层的粘附性较差。为了解决 Cu 污染和形成高阻铜硅化物及粘附性较差等问题，人们提
出了增加扩散阻挡层的解决方案。
好的阻挡层材料应该有高的熔点，因为扩散性与基质材料的熔点直接相关。大多数研究
集中在各种高熔点的纯金属(如Cr，Ti，Nb，Mo，Ta和W)和化合物(如TiN)作为Cu和Si之间
的扩散阻挡层
[3]
。双金属淀积层是一种有效的扩散阻挡层，可适应日益广泛的浅结器件对薄
膜型欧姆接触的要求
[4]
。这种扩散阻挡层是通过将贵金属A（一般为Pt，Pd和Ni等）和难熔
金属B（一般为W，V和Cr等）的合金淀积在硅衬底上，将沉积后的固溶体薄膜在一定的温
度退火，合金沉淀层便发生相分离，A与Si发生反应形成硅化物，难熔金属B仍留在薄膜的
表面层变成双层结构，对Cu与Si之间的扩散起到双层阻挡的效果。张丽娟、王芳
[5]
等人研制
的Cr-Ni薄膜电阻材料可靠高、高稳定性好，应用在具体电路中，可以得到满意的效果。
本文针对半导体硅片（Si）−扩散阻挡层（Cr-Ni 合金）−金属互连材料（Cu）构成的体
系，制备 Si/Cr-Ni/Cu 扩散偶，在 950℃温度下退火，模拟金属/半导体接触材料承受的高温
作用，对界面反应的新相生成序列进行实验测定和分析研究。
1
本课题得到了高等学校博士学科点专项基金（项目编号：20060008015）与国家自然科学基金（项目编号：
50671009）的资助。
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