突破半导体材料难题：等离子体增强原子层沉积制备碳化钇薄膜用于双扩散阻挡

随着半导体器件尺寸缩小，传统沉积方法难以满足需求。研究人员开展等离子体增强原子层沉积（PEALD）制备碳化钇（YCx）薄膜研究，成功制备高质量薄膜，其在 900°C 对 Cu 和 Ru 有良好扩散阻挡性能，为半导体应用提供新材料。

　　在半导体领域，随着技术不断进步，器件尺寸越来越小，3D 特征的纵横比不断增加，这给材料的沉积带来了巨大挑战。传统的物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）方法，就像老旧的粉刷匠工具，难以在复杂结构的顶部、侧面和底部实现均匀的涂层覆盖。同时，过渡金属碳化物（TMCs）虽然在硬度、热稳定性、导电性和化学稳定性等方面比过渡金属氮化物（TMNs）更具优势，但针对这些材料的原子层沉积（ALD）工艺却还处于起步阶段，尤其是碳化钇（YC_x）薄膜，基本处于未被探索的状态。而半导体行业的发展迫切需要性能更优的材料和更先进的工艺，这就促使科研人员开启了对碳化钇薄膜相关研究的探索之旅。

韩国的研究人员承担起了这项重要研究任务。他们通过不断探索和实验，成功开发了一种利用金属有机钇前驱体 Y (EtCp)₂(iPr₂-amd) 和 H₂等离子体的 PEALD 工艺来制备 YC_x薄膜。这一成果意义重大，制备出的高质量薄膜具有高导电性（约 415 μΩ?cm）、高结晶度，在 250°C 下生长速率约为 0.13 nm / 周期，并且在高达 900°C 的温度下，对铜（Cu）和钌（Ru）都能起到有效的双扩散阻挡作用，为先进半导体器件中的互连应用提供了新的材料选择，有望推动半导体行业向更高性能、更小尺寸的方向发展。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上。

研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。首先是等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术，这是制备薄膜的核心手段，利用特定的前驱体和等离子体，通过精确控制反应条件实现薄膜的生长。其次，使用了先进的像差校正电子显微镜、电子衍射和光谱技术，这些技术如同精密的探测器，帮助研究人员深入了解薄膜的晶体结构、元素组成和微观结构等特性。

下面来详细看看研究结果。

1. PEALD-YC_x薄膜的沉积与工艺开发：研究人员使用带有喷头式 ALD 反应器的等离子体增强原子层沉积（PEALD）工艺来沉积 PEALD-YC_x薄膜，采用的前驱体是 Bis (ethylcyclopentadienyl)-diisopropylacetamidinate-yttrium [Y (EtCp)₂(iPr₂-amd)]，反应气体为 H₂等离子体，将反应腔室的基础压力维持在 10 mTorr 以下。
2. 结果与讨论：通过初步研究，在 250°C 和 400 个周期的相同条件下，评估了包括 NH₃、NH₃分子、H₂分子和 H₂等离子体等多种等离子体反应物。发现 H₂ PEALD 和 H₂热 ALD 工艺都能制备出多晶的 YC_x薄膜。经过进一步优化实验过程中的关键参数，如 Y 前驱体和 H₂等离子体的暴露时间等，最终在 250°C 的 ALD 温度窗口（150 - 350°C）内，制备出了高导电性（约 415 μΩ?cm）、高结晶度的 PEALD-Y₂C 薄膜，生长速率约为 0.13 nm / 周期。先进的表征技术证实了薄膜形成了纳米晶菱面体相，C 与 Y 的比例约为 0.46，密度为 4.63 g/cm³ ，在纵横比约为 1.5、底部宽度约为 265 nm 的沟槽结构中具有 95% 的良好台阶覆盖率。经过退火处理的 PEALD-Y₂C 薄膜保持了稳定的热性能和晶体学性能，在高达 900°C 的温度下，对约 40 nm 的 Cu 和 Ru 表现出有效的双扩散阻挡性能。
3. 结论：研究成功开发了制备 YC_x薄膜的 PEALD 工艺，确定了优化的沉积条件，展现了薄膜的自限制生长行为。这是首次关于 PEALD-Y₂C 薄膜的报道，为该领域未来的发展奠定了重要基础。

综上所述，这项研究成功开发了用于制备碳化钇薄膜的 PEALD 工艺，制备出的薄膜具有优异的性能，在半导体器件的互连应用中展现出巨大潜力。不过，目前的研究只是一个开端，未来还需要进一步探索该材料在更多复杂环境下的性能表现，以及如何进一步优化工艺，降低成本，提高生产效率等。相信随着研究的不断深入，碳化钇薄膜将在半导体行业发挥更大的作用，推动整个行业不断向前发展。