Mikro-/Nanoelektronik

IMEC mit Metallisierungsbausteinen für 2 nm

12. Oktober 2020, 15:04 Uhr | Gerhard Stelzer

Semi-Damaszen-Strukturen ermöglichen Drähte mit hohem Querschnittsverhältnis.

Das flämische Mikroelektronikforschungszentrum Imec hat auf der Konferenz IITC alternative Metalle in fortschrittlichen Verbindungs- und Kontaktierungsschemata vorgestellt, die den Weg zm 2-nm-Technologieknoten ebnen könnten.

Auf der International Interconnect Technology Conference 2020 (IITC) zeigt das im belgischen Leuven ansässige Imec zum ersten Mal elektrisch funktionsfähige Verbindungen auf 2-Metall-Ebenen, die mit Semi-Damascene- und Luftspalttechnologie auf Basis von Ruthenium (Ru) hergestellt wurden und sowohl eine lange Lebensdauer als auch eine gute mechanische Festigkeit aufweisen. Eine ergänzende 12-Metall-Layer-Analyse bestätigt die Vorteile dieses Semi-Damaszene-Verfahrens auf Systemebene in Bezug auf RC, Leistungsaufnahme und IR-Abfall. Ru zeigte sich auch als vielversprechende Alternative für Kontakte in der Middle-of-Line (MOL) bei fortschrittlichen Knoten. Alternative Metallisierungsmaterialien wie Ru und alternative Metallisierungsansätze wie Semi-Damascene werden intensiv erforscht, um die Bereiche Back-End-of-Line (BEOL) und Middle-of-Line in Richtung von 2-nm-Technologieknoten und darüber hinaus skalieren zu können.

Für das BEOL schlägt Imec eine Semi-Damascene-Integration als Alternative zur traditionellen Dual-Damascene-Integration vor. Um das Potenzial der Semi-Damascene-Technik vollständig auszuschöpfen, werden andere Metalle als Kupfer (Cu) oder Kobalt (Co) benötigt, die ohne Diffusionsbarriere abgeschieden werden können, einen hohen spezifischen Durchgangswiderstand haben und z.B. durch subtraktives Ätzen strukturiert werden können. Dies ermöglicht eine größere Interconnect-Höhe, was in Kombination mit Luftspalten als Dielektrikum eine Verringerung der Widerstands-Kapazitäts-Verzögerung (RC Delay) verspricht – ein wesentlicher Engpass für die BEOL-Skalierung.

Ruthenium als Alternative zu Kupfer und Kobalt

Imec hat erstmals ein Semi-Damascene-Modul mit zwei Metallebenen auf 300-mm-Wafern unter Verwendung von Ru für die Metallisierung erstellt und charakterisiert. Bausteine mit 30-nm-Metallpitch-Linien-Teststrukturen zeigten eine mehr als 80-prozentige Reproduzierbarkeit (ohne Anzeichen von Kurzschlüssen) und eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren. Die mechanische Stabilität der Ru-Luftspalt-Strukturen erwies sich als vergleichbar mit traditionellen Cu-Doppel-Damascene-Strukturen. Eine komplementäre 12-Metall-Layer-Analyse zeigte die Vorteile des Semi-Damascene-Ansatzes auf Systemebene in Sub-3nm-Knoten – unter Verwendung einer 64-bit-ARM-CPU als Benchmark-Design.

»Die Ergebnisse zeigen, dass Semi-Damascene in Kombination mit der Airgap-Technologie nicht nur die Dual-Damascene bei Frequenz und Fläche übertrifft, sondern auch einen skalierbaren Pfad für weitere Verbesserungen bietet. Airgap zeigt das Potenzial, die Performance um 10 Prozent zu verbessern und gleichzeitig die Stromaufnahme um mehr als 5 Prozent zu senken. Durch die Verwendung von Leiterstrukturen mit hoher Aspect-Ratio kann der IR-Abfall in den Stromversorgungsschichten um 10 Prozent reduziert und die Zuverlässigkeit verbessert werden. In naher Zukunft wird ein neu entwickelter Maskensatz für das Semi-Damascene-Modul es uns ermöglichen, die Semi-Damascene-Integration weiter zu verbessern und die vorhergesagten Leistungsverbesserungen experimentell zu validieren«, erklärte Zsolt Tokei, Programmdirektor für Nanoverbindungen bei Imec.

Ru verringert Kontaktwiderstand in MOL

Imec zeigte auch die positiven Auswirkungen der Verwendung von Ru als Alternativmetall in fortschrittlichen MOL-Kontakten – als Ersatz für Wolfram (W) oder Kobalt (Co). Naoto Horiguchi, Direktor CMOS-Bauteiltechnologie bei Imec: »Alternative Metalle wie barrierefreies Ru haben das Potenzial, den Kontaktwiderstand, der sich aus der Schrumpfung der Kontaktfläche ergibt, weiter zu verringern. In einer Benchmark-Studie evaluierten Imec-Wissenschaftler sowohl Ru als auch Co. Die Ergebnisse zeigen, dass Ru ein vielversprechender Kandidat für den Ersatz von Co in engen MOL-Gräben ist. Der Widerstand eines mit Ru gefüllten Durchgangs auf einem 0,3-nm-TiN-Liner (ohne Barriere) übertrifft nachweislich den Co-gefüllten äquivalenten Prozess (mit einer 1,5-nm-TaN-Barriere). Ru als Source/Drain-Kontaktmaterial konnte ebenfalls demonstriert werden, mit einem niedrigen spezifischen Kontaktwiderstand in der Größenordnung von 10^-9Ω cm^-2 sowohl auf p-SiGe als auch auf n-Si.