郑州大学《J. Alloys Compd.》| 用于半导体显示器铜金属化的MoNbTi合金阻挡层

随着 AMOLED、Mini-LED、Micro-LED 等高分辨率大尺寸显示技术快速发展，Cu 凭借优异导电与抗电迁移特性成为背板互连核心材料，但 Cu 在 200 ℃低温下就易向 SiO₂半导体层扩散，生成深能级缺陷并引发器件失效；传统 TiN、TaN、Mo 基合金及高熵合金阻挡层分别存在刻蚀难度大、电阻率高、附着力差、成分均匀性难控等缺陷，而 MoNbTi（MNT）三元合金理论上具备细化晶粒、提升附着力与耐蚀性的协同优势，但尚无系统性研究报道。

来自郑州大学等的研究人员采用直流磁控溅射制备 MoNbTi 合金薄膜，系统探究不同退火温度下薄膜微观组织、电学性能、晶格动力学及 Cu 阻挡行为，揭示 Cu、Si 互扩散规律与阻挡层失效机理，为下一代显示 Cu 金属化提供新型阻挡层方案。相关成果于 2026 年 06 月 13 日以 “High performance of MoNbTi alloy barriers for copper metallization of semiconductor display” 为题发表在《Journal of Alloys and Compounds》。

样品制备：选用原子比 Mo/Nb/Ti=3/1/1 合金靶材，在 Si (100) 基底上通过直流磁控溅射沉积 20 nm MNT 薄膜与 50 nm Cu 薄膜；基底依次经丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，再经 2% 体积分数 HF 溶液 30 ℃刻蚀 2 min 去除原生 SiO₂；薄膜沉积本底真空 5×10⁻⁴ Pa，退火在真空管式炉 2×10⁻⁴ Pa 环境下分别 400、500、600、700 ℃保温 10 min，随炉自然冷却，同时保留未退火原始样品作为对照。

图 1.(a) 薄膜堆叠结构示意图与 (b) Si/MNT、Si/MNT/Cu 薄膜的方块电阻。

图 2. 不同退火温度下 (a) Si/MNT 薄膜与 (b) Si/MNT/Cu 薄膜的掠入射 X 射线衍射结果。

图 3. 经室温、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃退火后的 MNT 薄膜扫描电镜显微图；(f1-f4) 原始沉积态 MNT 薄膜的能谱分析结果。

图 4. 经室温、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃退火后的 MNT 薄膜原子力显微镜形貌；(f) 粗糙度汇总结果。

图 5. 经室温、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃退火后的 MNT/Cu 薄膜扫描电镜显微图；(f1-f6) 700 ℃退火后 MNT/Cu 薄膜的能谱分析结果。

图 6.(a-b) 原始沉积态 Si/MNT/Cu 夹层薄膜的透射电镜截面形貌与 (c1-c6) 对应能谱分析结果。

图 7.(a-b) 500 ℃退火后 Si/MNT/Cu 夹层薄膜的透射电镜截面形貌与 (c1-c6) 对应能谱分析结果。

图 8.(a-b) 700 ℃退火后 Si/MNT/Cu 薄膜的透射电镜截面形貌与 (c1-c6) 对应能谱分析结果。

该研究通过磁控溅射制备出 20 nm 厚 MoNbTi 阻挡层，该薄膜在 500 ℃退火条件下微观结构与电学性能保持稳定，600 ℃时出现方块电阻上升、Cu 团聚、Cu₃Si 生成等失效特征，700 ℃时阻挡层完全失去连续性；失效根源为晶界、缺陷处 Cu 与 Si 互扩散以及热应力、Cu 团聚牵引应力、Cu₃Si 体积膨胀应力共同作用；对比 TiN、TaN、MoTi、MoNb 等传统阻挡层，该 MoNbTi 薄膜兼具 600 ℃高失效温度、2.0×10⁻⁴ Ω・cm 低电阻率、优异界面化学稳定性与溅射适配性，综合性能均衡，是半导体显示 Cu 金属化极具潜力的阻挡层候选材料。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.189214