Imec將在300mm晶圓上制造雙金屬層的半鑲嵌模組?

在2020年國際互連技術(shù)大會上，imec首次展示了采用釕金屬（Ru），具備電氣功能的雙金屬層級結(jié)構(gòu)（2-metal-level）互連技術(shù)。該金屬是使用特殊的半鑲嵌和氣溝（Air Gap）技術(shù)生產(chǎn)，具有更好的使用壽命和更佳的物理強(qiáng)度（mechanical strength）。

透過一個12層金屬分析，證實(shí)了這個半鑲嵌技術(shù)可帶來系統(tǒng)級的優(yōu)勢，包含降低阻容（resistance-capacitance，RC）、功耗和IR-Drop。此外，釕金屬也展現(xiàn)了絕佳的潛力，可望作為先進(jìn)制程的中段（MOL）接觸插塞（contact plugs）的替代方案。

目前，替代性的金屬化材料（例如釕）和替代性的金屬化制程（例如半鑲嵌），正被密集的研究中，以前進(jìn)2納米或者以下制程技術(shù)的前段（BEOL）和中段（MOL ）互聯(lián)。

在前段設(shè)計(jì)中，imec提出了一種半鑲嵌（semi-damascene）整合技術(shù)，作為傳統(tǒng)的雙重鑲嵌（dual-damascene）的替代方案。為了能夠完全的發(fā)揮這種結(jié)構(gòu)技術(shù)的潛力，需要有除了銅（Cu）或鈷（Co）以外的其他金屬，它們可以被沉積而無擴(kuò)散阻擋層，且具有高的體電阻率，并可以被圖模式的使用，例如：減成蝕刻。

這個結(jié)構(gòu)也可以增加互連的高度，并結(jié)合氣隙作為電介質(zhì)，將有望減少阻容（RC）延遲，這是后段制程的主要瓶頸。

Imec首次使用「釕」進(jìn)行金屬化，并在300mm晶圓上制造并特性化了雙金屬層的半鑲嵌模組。在30納米金屬間距線的測試結(jié)構(gòu)顯示，有超過80％以上的可重復(fù)性（無短路跡象），且使用壽命超過10年。同時釕的氣隙結(jié)構(gòu)的物理穩(wěn)定性可與傳統(tǒng)的銅雙重鑲嵌結(jié)構(gòu)相比。

Imec納米互連專案總監(jiān)Zsolt Tokei表示，結(jié)果顯示，半鑲嵌與氣隙技術(shù)相結(jié)合不僅在頻率和面積上優(yōu)于雙鑲嵌，而且為進(jìn)一步的性能強(qiáng)化提供了可擴(kuò)展的途徑。氣隙技術(shù)則顯示出將性能提高10％，同時將功耗降低5％以上的潛力。使用高深橫比的電線，可將電源線路中的IR下降減少10％，進(jìn)而提高可靠度。在不久的將來，為半鑲嵌模組開發(fā)的光罩組（Mask set）將能夠進(jìn)一步改善半鑲嵌的整合，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證去達(dá)成預(yù)期的性能改進(jìn)。

Imec還展示了在先進(jìn)MOL接觸插塞中，使用「釕」替代鈷或鎢的優(yōu)勢。imec CMOS元件技術(shù)總監(jiān)Naoto Horiguchi指出，無阻絕層的釕，有潛力進(jìn)一步減小因縮小接觸面積而產(chǎn)生的接觸電阻。

在一項(xiàng)評測研究中，imec評估了釕和鈷，結(jié)果表明釕是替代MOL狹窄溝槽中的鈷，最有希望的候選方案。在0.3納米氮化鈦（TiN）內(nèi)襯（無阻擋層）的孔洞，填充釕的電阻的性能，優(yōu)于在相當(dāng)?shù)闹瞥讨刑畛溻挘ㄓ?.5納米氮化鈦?zhàn)钃鯇樱?。研究還證明，釕作為源極和汲極接觸材料，在p-硅鍺（SiGe）和n-硅（Si）上的接觸電阻率都較低，約為10-9Ωcm-2。
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