什么样的 TiN 结出什么样的 W？

发布时间：2026-04-05来源：半导体盒

不同的 TiN 衬底，会得到什么样的 CVD-W 呢？研究发现，CVD-W 薄膜的生长取向与 TiN 底层的微观结构呈强相关性；CVD-W 的晶粒尺寸随底层 TiN 晶粒尺寸的增大而增大，其电阻率则随底层 TiN 晶粒尺寸的增大而降低。

与其他难熔金属相比，化学气相沉积钨（CVD-W）具备优异的抗电迁移性能，在高深宽比接触孔与通孔结构中也能实现良好的台阶覆盖，因此已被广泛应用于超大规模集成电路（VLSI）的多层金属化工艺中。但为了改善钨（W）与二氧化硅（SiO2）之间的粘附性能，必须引入一层金属粘合层。

化学气相沉积（CVD）钨沉积工艺（来源：AMAT）

衬里阻挡层通常由氮化钛（TiN）制成，它能很好地附着在通孔侧壁上，防止分层和空洞等缺陷。由于钨不会自然生长在氮化钛表面，因此在钨本体填充前需沉积一层钨成核层。氮化钛衬里和钨成核层就像一个模具，为钨触点界定了空间（见图2）。尽管该模具占据了通孔的大部分空间，但由于其电阻远高于本体钨，它几乎不具备电子传导能力。

氮化钛（TiN）是超大规模集成电路制造工艺中极具实用价值的扩散阻挡层，同时也能满足改善 CVD-W 与 SiO2 绝缘层之间粘附性能的核心需求。为了提升传统物理气相沉积（PVD）制备的 TiN 在亚微米接触孔填充中的台阶覆盖能力，业界已开发出多种沉积工艺，例如准直物理气相沉积、化学气相沉积（CVD）制备 TiN 等。现有研究表明，TiN 薄膜的晶体取向由沉积工艺与薄膜厚度共同决定；而 TiN 粘附层的初始生长状态，会对后续沉积的 CVD-W 的微观结构与电学性能产生显著影响。针对具有不同择优生长取向的 TiN 粘附层，Properties of CVD-W Overgrowth on PVD and MOCVD TiN Layers 这篇文章系统探究了其上生长的 CVD-W 薄膜的微观结构与电学性能，并报道了相关研究结果。

研究发现，传统物理气相沉积（PVD）制备的 TiN 薄膜，其择优生长取向随薄膜厚度发生规律性变化：对于超薄 TiN 样品，[001] 晶向的择优生长源于该晶面在所有晶面中具有最低的表面能；随着薄膜厚度增加，应变能成为主导因素，促使 TiN 转为 [111] 晶向择优生长。

对于准直 PVD 工艺制备的 TiN，仅观测到 [001] 晶向的择优生长，且该取向不随膜厚发生改变。研究认为，准直 PVD 沉积过程中的高功率工艺使 TiN 形成了大晶粒结构，进而抑制了其择优取向随膜厚的转变。

对于沉积态金属有机化学气相沉积（MOCVD）TiN 薄膜，由于样品中存在较高的碳污染，其晶体结构呈非晶态。采用间歇式原位等离子体处理可显著降低薄膜中的碳污染，经等离子体处理后的 MOCVD TiN 薄膜呈现 [001] 晶向择优生长；这一现象源于等离子体处理释放了薄膜内的应力，使表面能成为主导薄膜生长的核心因素。

A：不同 TiN 的 XRD 光谱，(a) 100 nm, (b) 50 nm, (c) 10 nm；B：不同 TiN 的 XRD 光谱，(a) 传统 PVD, (b) 准直 PVD, (c) 等离子体处理的 MOCVD。

研究发现，CVD-W 薄膜的生长取向与底层 TiN 的微观结构呈强相关性。在 (111) 晶向 TiN 与非晶态 TiN 上生长的 CVD-W，其择优生长取向为 (110) 晶面 ——(110) 晶面是体心立方（bcc）结构钨的最密排晶面，在上述 TiN 基底上具有最低的界面能。与之相反，在准直 PVD 或等离子体处理 MOCVD 工艺制备的 (100) 晶向 TiN 上，CVD-W 呈现 (100) 晶面择优生长；(100) 晶面钨与 (100) 晶面 TiN 之间的低晶格失配，显然是 (100) 晶向钨在 (100) 晶向 TiN 基底上定向生长的主导因素。