Материалы для межсоединений интегральных схем с проектными нормами менее 5 нм

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

По мере масштабирования интегральных схем на нижних уровнях системы металлизации возникает проблема — сопротивление медных дорожек быстро растет с уменьшением размеров. Это связано с увеличением вклада рассеяния электронов на поверхности и на границах зерен. Кроме того, для медных линий требуются барьерные слои фиксированной толщины, необходимые для предотвращения диффузии меди в low-k диэлектрик. Когда сечение дорожек уменьшается, вклад барьерных слоев в сопротивление дорожки оказывается слишком высоким. К тому же, при ширине дорожки менее 10 нм устойчивость меди к электромиграции оказывается недостаточна. Поэтому необходимо искать альтернативные материалы на замену меди, которые будут обеспечивать высокую устойчивость к электромиграции и низкое сопротивлением дорожек. Наиболее перспективными кандидатами являются Ru, Mo, Rh, Ir. Достоинства и недостатки этих материалов рассмотрены в данной работе.

Об авторах

А. Е. Рогожин

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: glaz@ftian.ru
Россия, Москва

О. Г. Глаз

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН; Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Автор, ответственный за переписку.
Email: glaz@ftian.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Seehra M., Bristow A. (ed.). Noble and Precious Metals: Properties, Nanoscale Effects and Applications. BoD — Books on Demand, 2018.
  2. Wen L., Yamashita F., Tang B., Croes K., Tahara S., Shimoda K., Tökei Z. IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC) // IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC). 2015. С. 173.
  3. Wu F., Levitin G., Hess D.W. Low-temperature etching of Cu by hydrogen-based plasmas // ACS Applied Materials & Interfaces. 2010. Т. 2. № 8. С. 2175–2179.
  4. Kapur P., McVittie J.P., Saraswat K.C. Technology and reliability constrained future copper interconnects. I. Resistance modeling // IEEE Transactions on Electron Devices. 2002. Т. 49. № 4. С. 590–597.
  5. Gall D. The search for the most conductive metal for narrow interconnect lines // Journal of Applied Physics. 2020. Т. 127. № 5.
  6. Yeoh A., Madhavan A., Kybert N., Anand S., Shin J., Asoro M. IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC) // IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC). 2018. С. 144.
  7. Bekiaris N., Mont F.W., Zhang X., Wang W., Kelly J.J., Standaert T.E., Quon R., Ryan E.T. IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC) // IEEE. 2017. Т. 2017. С. 1–3.
  8. Hegde G., Bowen R.C., Simka H. IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC) // IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC). 2018. С. 163.
  9. Kamineni V., Raymond M., Siddiqui S., Mont F., Tsai S., Niu C., L’Herron B. IEEE International Interconnect Technology Conference/Advanced Metallization Conference (IITC, AMC) // IEEE International Interconnect Technology Conference IITC. IEEE, 2016. С. 105.
  10. Wen L., Cui Y., Kuwahara Y., Mori K., Yamashita H. Atomic layer deposition of ruthenium with TiN interface for sub-10 nm advanced interconnects beyond copper // ACS applied materials & interfaces. 2016. Т. 8. № 39. С. 26119–26125.
  11. Fan S.S.C., Chen J.H.C., Kamineni V.K., Zhang X., Raymond M., Labelle C. IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC) // IEEE. 2017. Т. 2017. С. 1–3.
  12. Nogami T., Patlolla R., Kelly J., Briggs B., Huang H., Demarest J., Paruchuri V. Cobalt/copper composite interconnects for line resistance reduction in both fine and wide lines // 2017 IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC). IEEE, 2017. С. 1–3.
  13. West A.C. Theory of filling of high‐aspect ratio trenches and vias in presence of additives // Journal of the Electrochemical Society. 2000. Т. 147. № 1. С. 227.
  14. Andricacos P.C., Uzoh C., Dukovic J.О., Horkans J., Deligianni H. // IBM J. Res. Develop. 1998. Т. 42. С. 567.
  15. Broadbent E.K., McInerney E.J., Gochberg L.A., Jackson R.L. Experimental and analytical study of seed layer resistance for copper damascene electroplating // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 1999. Т. 17. № 6. С. 2584–2595.
  16. Wolf S. Process technology // Silicon Processing for the VLSI Era. 1986. Т. 1. С. 532.
  17. Maex K., Baklanov M.R., Shamiryan D., Lacopi F., Brongersma S.H., Yanovitskaya Z.S. Low dielectric constant materials for microelectronics // Journal of Applied Physics. 2003. Т. 93. № 11. С. 8793–8841.
  18. Cheng Y.L., Wang Y.L., Liu C.W., Wu Y.L., Lo K.Y., Liu C.P., Lan J.K. Characterization and reliability of low dielectric constant fluorosilicate glass and silicon rich oxide process for deep sub-micron device application // Thin Solid Films. 2001. Т. 398. С. 533–538.
  19. Penny C., Gates S., Peethala B., Lee J., Priyadarshini D., Nguyen S., Huang E. Reliable airgap BEOL technology in advanced 48 nm pitch copper/ULK interconnects for substantial power and performance benefits // 2017 IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC). IEEE, 2017. С. 1–4.
  20. Choi D., Liu X., Schelling P.K., Coffey K.R., Barmak K. Failure of semiclassical models to describe resistivity of nanometric, polycrystalline tungsten films // Journal of Applied Physics. 2014. Т. 115. № 10.
  21. Munoz R.C., Arenas C. Size effects and charge transport in metals: Quantum theory of the resistivity of nanometric metallic structures arising from electron scattering by grain boundaries and by rough surfaces // Applied Physics Reviews. 2017. Т. 4. № 1.
  22. Zhou T., Gall D. Resistivity scaling due to electron surface scattering in thin metal layers // Physical Review B. 2018. Т. 97. № 16. С. 165406.
  23. Fuchs K. The conductivity of thin metallic films according to the electron theory of metals // Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. Cambridge University Press. 1938. Т. 34. № 1. С. 100–108.
  24. Sondheimer E.H. The mean free path of electrons in metals // Advances in physics. 2001. Т. 50. № 6. С. 499–537.
  25. Zheng P.Y., Deng R.P., Gall D. Ni doping on Cu surfaces: Reduced copper resistivity // Applied Physics Letters. 2014. Т. 105. № 13.
  26. Purswani J.M., Gall D. Surface morphological evolution during annealing of epitaxial Cu (001) layers // Journal of Applied Physics. 2008. Т. 104. № 4.
  27. Chawla J.S., Gall D. Specular electron scattering at single-crystal Cu (001) surfaces // Applied Physics Letters. 2009. Т. 94. № 25.
  28. Milosevic E., Gall D. Copper interconnects: Surface state engineering to facilitate specular electron scattering // IEEE Transactions on Electron Devices. 2019. Т. 66. № 6. С. 2692–2698.
  29. Орлов А.А., Резванов А.А., Гвоздев В.А., Орлов Г.А., Серегин Д.С., Кузнецов П.И., Блумберг Т., Веселов А.А., Сузуки Т., Морозов Е.Н., Воротилов К.А. Диэлектрический барьер в субтрактивном процессе формирования системы медной металлизации // Микроэлектроника. 2022. Т. 51. № 6. С. 478–487.
  30. Chawla J.S., Zahid F., Guo H., Gall D. Effect of O2 adsorption on electron scattering at Cu (001) surfaces // Applied Physics Letters. 2010. Т. 97. № 13.
  31. Plombon J.J., Andideh E., Dubin V.M., Maiz J. Influence of phonon, geometry, impurity, and grain size on copper line resistivity // Applied physics letters. 2006. Т. 89. № 11.
  32. Barmak K., Darbal A., Ganesh K.J., Ferreira P.J., Rickman J.M., Sun T., Coffey K.R. Surface and grain boundary scattering in nanometric Cu thin films: A quantitative analysis including twin boundaries // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2014. Т. 32. № 6.
  33. Chawla J.S., Gstrein F., O’Brien K.P., Clarke J.S., Gall D. Electron scattering at surfaces and grain boundaries in Cu thin films and wires // Physical Review B. 2011. Т. 84. № 23. С. 235423.
  34. Sun T., Yao B., Warren A.P., Barmak K., Toney M.F., Peale R.E., Coffey K.R. Surface and grain-boundary scattering in nanometric Cu films // Physical Review B. 2010. Т. 81. № 15. С. 155454.
  35. Lim J.W., Mimura K., Isshiki M. Thickness dependence of resistivity for Cu films deposited by ion beam deposition // Applied Surface Science. 2003. Т. 217. № 1–4. С. 95–99.
  36. Kim T.H., Zhang X.G., Nicholson D.M., Evans B.M., Kulkarni N.S., Radhakrishnan B., Li A.P. Large discrete resistance jump at grain boundary in copper nanowire // Nano letters. 2010. Т. 10. № 8. С. 3096–3100.
  37. Lanzillo N.A. Ab Initio evaluation of electron transport properties of Pt, Rh, Ir, and Pd nanowires for advanced interconnect applications // Journal of Applied Physics. 2017. Т. 121. № 17.
  38. Махвиладзе Т.М., Сарычев М.Е. Влияние точечных дефектов на возникновение электромиграции в проводнике с примесью // Микроэлектроника. 2021. Т. 50. № 5. С. 376–383.
  39. Махвиладзе Т.М., Сарычев М.Е. Влияние точечных дефектов на скорость электромиграции по границе соединенных материалов // Микроэлектроника. 2020. Т. 49. № 6. С. 450–458.
  40. Cheng Y.-L., Lee S. Y., Chiu C., Wu K. Back stress model on electromigration lifetime prediction in short length copper interconnects // 2008 IEEE International Reliability Physics Symposium. IEEE, 2008. С. 685–686.
  41. Валиев К.А., Гольдштейн Р.В., Житников Ю.В., Махвиладзе Т.М., Сарычев М.Е. Теория и моделирование нано- и микропроцессов разрушения тонкопленочных проводников и долговечность металлизации интегральных схем. Часть I. Общая теория переноса вакансий, генерации механических напряжений и зарождения микрополостей при электромиграции. Деградация и разрушение многоуровневой металлизации // Микроэлектроника. 2009. Т. 38. № 6. С. 404–427.
  42. Lloyd J.R. Black’s law revisited — Nucleation and growth in electromigration failure // Microelectronics Reliability. 2007. Т. 47. № 9–11. С. 1468–1472.
  43. Gall D. Electron mean free path in elemental metals // Journal of applied physics. 2016. Т. 119. № 8.
  44. Dutta S., Sankaran K., Moors K., Pourtois G., Van Elshocht S., Bömmels J., Adelmann C. Thickness dependence of the resistivity of platinum-group metal thin films // Journal of Applied Physics. 2017. Т. 122. № 2.
  45. Van der Veen M.H., Jourdan M.H., Gonzalez V.V., Wilson C.J., Heylen N., Pedreira O.V., Tokei Z. 2016 IEEE International Interconnect Technology Conference/Advanced Metallization Conference, 2016.
  46. Dutta S., Moors K., Vandemaele M., Adelmann C. IEEE Electron Device Lett. 39, 268 (2018).
  47. Dutta S., Moors K., Vandemaele M., Adelmann C. Finite size effects in highly scaled ruthenium interconnects // IEEE Electron Device Letters. 2018. Т. 39. № 2. С. 268–271.
  48. Motoyama K. EM performance improvements for Cu interconnects with Ru-based liner and Co cap in advanced nodes // 2021 IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC). IEEE, 2021. С. 1–3.
  49. Sell B., An S., Armstrong J., Bahr D., Bains B., Bambery R., Young N. Intel 4 CMOS technology featuring advanced FinFET transistors optimized for high density and high-performance computing // 2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits). IEEE, 2022. С. 282–283.
  50. Griggio F., Palmer J., Pan F., Toledo N., Schmitz A., Tsameret I. Reliability of dual-damascene local interconnects featuring cobalt on 10 nm logic technology // 2018 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS). IEEE, 2018. С. 6E. 3–1–6E. 3–5.
  51. Shalyt E., Palvov M., Yan X., Lin D. Process metrology of cobalt damascene interconnects // 2016 IEEE International Interconnect Technology Conference/Advanced Metallization Conference (IITC/AMC). IEEE, 2016. С. 186–188.
  52. Yeoh A., Madhavan A., Kybert N., Anand S., Shin J., Asoro M. Interconnect stack using self-aligned quad and double patterning for 10 nm high volume manufacturing // 2018 IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC). IEEE, 2018. С. 144–147.
  53. Decoster S., Camerotto E., Murdoch G., Kundu S., Le Q.T., Tőkei Z., Lazzarino F. Patterning challenges for direct metal etch of ruthenium and molybdenum at 32 nm metal pitch and below // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2022. Т. 40. № 3.
  54. Founta V., Witters T., Mertens S., Vanstreels K., Meersschaut J., Van Marcke P. Molybdenum as an Alternative Metal: Thin Film Propertie. 2019.
  55. Hsu C.C., Coburn J.W., Graves D.B. Etching of ruthenium coatings in O2-and Cl2-containing plasmas // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2006. Т. 24. № 1. С. 1–8.
  56. Tan S. Atomic layer etch-Advancing its application with a new regime // 6th International Atomic Layer Etching Workshop (ALE, Bellevue). 2019.
  57. Lanzillo N.A., Edelstein D.C. Reliability and resistance projections for rhodium and iridium interconnects from first-principles // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2022. Т. 40. № 5.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Процесс TFVL

Скачать (354KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Процесс VFTL

Скачать (316KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Пересечение двух дорожек

Скачать (141KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от пористости

Скачать (89KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Поверхностное рассеяние электронов (а) может быть упругим и диффузным. Для преобладания упругого рассеяния требуется (б) атомарно гладкая поверхность и диэлектрический затравочный слой с низкой плотностью локализованных состояний (в)

Скачать (422KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Коэффициент отражения электрона от границы (а), граница зерен с совпадающими узлами решеток (б), с пространственным зарядом (в) и с компенсацией пространственного заряда (г)

Скачать (422KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Удельное сопротивление ρ поликристаллических дорожек с квадратным сечением в зависимости от их ширины d

Скачать (208KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сопротивление дорожек с соотношением сторон сечения 2 : 1 от их ширины с затравочным слоем (2 нм) и без

Скачать (234KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Температура плавления и соответствующее произведение ρ0λ для различных металлов

Скачать (160KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024