Cr掺杂优化Cu/Si薄膜的热稳定性和电阻性能

该研究论文探讨了Cr掺杂对Cu/Si(100)薄膜体系的微观结构和电阻率的影响。作者利用简易合金靶在Si(100)基底上通过磁控溅射技术制备了Cu、Cu-1.19%Cr和Cu-2.18%Cr薄膜，重点关注了Cr含量对Cu薄膜在300至500℃真空退火过程中的变化。 X射线衍射(XRD)结果显示，无论是纯Cu薄膜还是Cr掺杂的Cu(Cr)薄膜，都表现出Cu(111)和Cu(200)的主要衍射峰。然而，Cu(Cr)薄膜显示出更强的(111)织构，这表明Cr掺杂有助于增强薄膜的晶体取向。这可能是因为Cr的加入改变了生长动力学，有利于特定晶面的生长。 原子力显微镜(AFM)分析揭示了不同退火条件下薄膜性质的变化。在500℃下，纯Cu薄膜经历了明显的与硅基底的互扩散，导致薄膜表面致密度降低，平整度下降。相比之下，Cu(Cr)薄膜在相同温度下保持了较高的致密度，这归因于Cr的固溶强化作用，增强了薄膜的热稳定性。 电阻率是衡量材料导电性能的重要指标。Cu(Cr)薄膜的电阻率随温度升高呈现先减小后增大的趋势，这是由于在较低温度下，Cr掺杂可能减少了晶格缺陷，提高了电子迁移率；但随着温度进一步升高，可能由于杂质散射增强，电阻率上升。在400℃和500℃退火30分钟后，Cu(Cr)薄膜的电阻率分别降至2.76μΩ·cm和2.97μΩ·cm，接近纯Cu薄膜的2.55μΩ·cm，这表明Cr掺杂显著改善了Cu/Si体系的电阻率性能。 Cu(Cr)薄膜的电阻率大幅度减小与其晶粒尺寸的增加以及Cr的有效扩散密切相关。这种优化的微观结构和电阻率特性使得Cu(Cr)合金薄膜在高温互连材料领域展现出广阔的应用潜力，特别是在需要耐高温、高稳定性的应用场景中，如电子封装和半导体器件。 这项研究为理解Cr掺杂如何影响Cu/Si薄膜的微观结构及其在高温条件下的性能提供了有价值的信息，为设计和开发高性能的高温互连材料提供了理论基础。