تقنية الترسيب والحفر لتقليل مقاومة الخطوط المعدنية لأشباه الموصلات

تعتمد مقاومة النحاس على بنيته البلورية، وحجم الفراغ، وحدود الحبوب، وعدم تطابق واجهة المادة، والتي تصبح أكثر أهمية في المقاييس الأصغر. يتم تشكيل الأسلاك النحاسية تقليديًا عن طريق حفر نمط الخندق في ثاني أكسيد السيليكون منخفض الكثافة باستخدام عملية حفر الخندق، ومن ثم ملء الخندق بالنحاس عبر التدفق الدمشقي. ولسوء الحظ، تنتج هذه الطريقة هياكل متعددة البلورات ذات حدود وفراغات حبيبية كبيرة، مما يزيد من مقاومة سلك النحاس. يتم أيضًا استخدام مادة بطانة TaN عالية المقاومة في هذه العملية لمنع انتشار النحاس أثناء عملية التلدين الدمشقية.

يمكن استخدام الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) لترسيب النحاس عند طاقات حركية عالية (بين 10 إلى 100 فولت)، مما يشكل مقاومة منخفضة وهياكل بلورية مفردة كثيفة. عيب PVD هو أن ترسيب PVD له خط رؤية منتشر ولا يمكن ترسيبه إلا بشكل موحد على الأسطح المستوية. ولا يمكن استخدامه لملء الثقوب العميقة أو الخنادق (الشكل 1أ). لتشكيل أشكال سلكية معزولة، يجب ترسيب طبقة موحدة من النحاس على سطح مستوٍ ثم حفرها فعليًا بواسطة الحزم الأيونية. لا يشكل النحاس أي مركبات متطايرة مع غازات متفاعلة، لذلك لا يمكن استخدام عملية الحفر الأيوني التفاعلي. يمكن لأيونات Ar المتسارعة التي تم إنشاؤها أثناء حفر الشعاع الأيوني (IBE) إزالة النحاس إذا كانت زاوية الحادث عالية جدًا. لسوء الحظ، ستكون المناطق القابلة للحفر محدودة بسبب تأثيرات تظليل القناع. يوضح الشكل 1 ب المناطق (باللون الأحمر) حيث لا يمكن حفر المادة عندما يكون القناع متعامدًا مع شعاع الأيونات الواردة. يحدث فشل الحفر هذا إما بسبب التظليل أو انسداد مسار الذرة المقذوفة. عندما يكون القناع موازيًا لمسار الأيون، يمكن حفر جميع المناطق غير المقنعة. وبالتالي، فإن النقش بالشعاع الأيوني يقتصر على نقش الأقنعة ذات الشكل الخطي ذات الأطوال الطويلة بشكل تعسفي.

الشكل 1: (1 أ) ترسيب البخار الفيزيائي (PVD)؛ (1 ب) حفر الشعاع الأيوني (IBE).

خطوات العملية وعملية التصنيع الافتراضية

من أجل فهم تأثير الترسيب والحفر على مقاومة الخط، نقوم الآن بنمذجة عمليات الحفر PVD وIBE باستخدام وظائف الترسيب والحفر المرئية SEMulator3D. تم استنساخ PVD باستخدام عملية ترسيب رؤية انتشار زاوي بمقدار 30 درجة في SEMulator3D، والتي تصمم بدقة الطبيعة العشوائية لذرات النحاس المقذوفة أثناء القصف بأيونات AR. تم استنساخ IBE في النموذج باستخدام حفر الرؤية مع انتشار زاوي بمقدار 2 درجة وإمالة زاوية قطبية بمقدار 60 درجة، لتعكس سلوك الأيونات المتسارعة في الشبكة مع انحراف شعاع منخفض. من المفترض أن يكون لكلا الرقاقتين دوران حر. تم تعديل خطوات العملية الأخرى في عملية التصنيع الافتراضية لاستيعاب قيود IBE وPVD. يعرض الشكل 2 نفس البنية التي تم إنشاؤها باستخدام كل من تعبئة النحاس الدمشقي (الشكل 2 أ) وعملية PVD/IBE (الشكل 2 ب). تم تضمين خطوات عملية إضافية لدمج بعض القيود الخاصة بـ PVD/IBE وإنشاء الشكل المكافئ للهياكل النهائية المرغوبة.

الشكل 2: (2 أ) تصنيع أسلاك النحاس ذات التعبئة الدمشقية؛ (2 ب) تصنيع أسلاك النحاس PVD/IBE.

نوضح بعد ذلك أنه يمكن تصنيع خلية دائرة SRAM مكافئة مقاس 16 نانومتر باستخدام أسلاك PVD/IBE مع الالتزام بهذه القيود. نظرًا لأن جميع الطبقات المعدنية الموجودة فوق الطرف الأوسط للخط مصنوعة من سطح مستوٍ، فإن هذا يجعلها فكرة مرشحة لأسلاك PVD/IBE، على عكس طبولوجيا الترابط المعقدة التي تظهر في جهاز finFET. يعرض الشكل 3 الهيكل المعزول لكل طبقة معدنية، والخطوات اللازمة لإنشاء هيكل finFET ثلاثي الطبقات المعدنية باستخدام PVD/IBE.

الشكل 3: (3 أ) 16 نانومتر FinFET MEOL و3 طبقات معدنية؛ (3 ب) تصنيع الطبقة المعدنية خطوة بخطوة عبر PVD/IBE.

نتائج المقاومة والاستنتاج

نقوم بعد ذلك بقياس المقاومة الكهربائية للأسلاك من الطبقة المعدنية العلوية وصولاً إلى قنوات finFET P وN، لكل من التدفق الدمشقي وترسب البخار الفيزيائي. يوضح الشكل 4 نقطة البداية ونقطة النهاية لقياس المقاومة عند القناتين P وN (جميع المواد العازلة الأخرى شفافة). للتعويض عن مقاومة الواجهة بين بطانة TaN والسلك النحاسي، تمت زيادة مقاومة النحاس باستخدام ثابت الاضمحلال الأسي البالغ 1 نانومتر كدالة لأقرب مسافة إلى واجهة TaN. نظرًا لأنه من غير المتوقع أن يكون ترسب النحاس المملوء الدمشقي متبلورًا بالكامل، فقد تمت زيادة مقاومة النحاس بنسبة 50٪. لا تستخدم عملية النحاس PVD/IBE بطانة TaN، لذلك لم يتم تطبيق وظيفة الاضمحلال الأسي، وتم استخدام المقاومة الجماعية للنحاس في هذا النموذج. جدول المقاومة يقارن بين التدفق الدمشقي وPVD في الشكل 4.

الشكل 4: نقطة البداية ونقطة النهاية لقياس المقاومة عند القناتين P وN.

تشير قيم المقاومة المحسوبة من نموذجنا إلى أنه يمكننا تحقيق انخفاض بنسبة 67% في المقاومة باستخدام طريقة تصنيع IBE/PVD مقارنة بحفر الخندق التقليدي متبوعًا بالترسيب الدمشقي. ويحدث هذا نظرًا لعدم الحاجة إلى بطانة TaN في IBE/PVD، كما أن مقاومة CU أقل أثناء هذه العملية. تشير نتائجنا إلى أنه يمكن تحقيق تحسينات في المقاومة باستخدام IBE/PVD مقارنة بالحشو الدمشقي أثناء تشكيل الخط المعدني، على حساب عملية تصنيع أكثر تعقيدًا.