تکنیک رسوب و اچ برای کاهش مقاومت خطوط فلزی نیمه هادی

مقاومت مس به ساختار کریستالی، حجم فضای خالی، مرزهای دانه و عدم تطابق رابط مواد بستگی دارد که در مقیاس های کوچکتر قابل توجه تر می شود. شکل گیری سیم های مسی (Cu) به طور سنتی با حکاکی یک الگوی ترانشه در دی اکسید سیلیکون کم k با استفاده از فرآیند حکاکی ترانشه و متعاقبا پر کردن ترانشه با مس از طریق جریان دمشق انجام می شود. متأسفانه این روش ساختارهای چند کریستالی با مرز دانه ها و حفره های قابل توجه تولید می کند که مقاومت سیم مس را افزایش می دهد. یک ماده پوششی TaN با مقاومت بالا نیز در این فرآیند برای جلوگیری از انتشار مس در طول فرآیند بازپخت داماسین استفاده می‌شود.

رسوب فیزیکی بخار (PVD) را می توان برای رسوب مس در انرژی های جنبشی بالا (بین 10 تا 100 eV) استفاده کرد که ساختارهای تک بلوری متراکم و مقاومت کم را تشکیل می دهد. یک اشکال PVD این است که رسوب PVD دارای یک خط دید است و فقط می تواند به طور یکنواخت روی سطوح صاف رسوب کند. نمی توان از آن برای پر کردن سوراخ ها یا ترانشه های عمیق استفاده کرد (شکل 1a). برای تشکیل سیم های جدا شده، یک لایه مس یکنواخت باید روی یک سطح صاف قرار گیرد و سپس توسط پرتوهای یونی به صورت فیزیکی حک شود. مس هیچ ترکیب فراری با گازهای واکنشی تشکیل نمی دهد، بنابراین نمی توان از فرآیند اچ یونی واکنش پذیر استفاده کرد. یون‌های Ar تسریع‌شده ایجاد شده در حین اچ پرتو یونی (IBE) می‌توانند مس را حذف کنند اگر زاویه برخورد بسیار زیاد باشد. متأسفانه، به دلیل اثرات سایه ماسک، مناطق قابل اچ محدود خواهد بود. شکل 1b نواحی (قرمز) را نشان می دهد که وقتی ماسک عمود بر پرتو یونی ورودی است، نمی توان مواد را حک کرد. این شکست اچ به دلیل سایه یا مسدود شدن مسیر اتم خارج شده رخ می دهد. هنگامی که ماسک موازی با مسیر یون است، تمام مناطق بدون ماسک را می توان اچ کرد. بنابراین، حکاکی پرتوهای یونی محدود به ماسک‌های خطی شکل با طول‌های دلخواه است.

شکل 1: (1a) رسوب فیزیکی بخار (PVD). (1b) اچ پرتو یونی (IBE).

مراحل فرآیند و فرآیند ساخت مجازی

به منظور درک تأثیر رسوب و اچ بر مقاومت خط، اکنون فرآیندهای اچ PVD و IBE را با استفاده از توابع رسوب دید و اچ SEMulator3D مدل می‌کنیم. PVD با استفاده از فرآیند رسوب دید پراکندگی زاویه ای 30 درجه در SEMulator3D، که به طور دقیق ماهیت تصادفی اتم های مس بیرون را در طی بمباران با یون های AR مدل می کند، بازتولید شد. IBE در مدل با استفاده از اچ دید با گستردگی زاویه‌ای 2 درجه و شیب زاویه قطبی 60 درجه، برای منعکس کردن رفتار یون‌های شتاب‌دار شبکه با واگرایی پرتو کم، در مدل تکثیر شد. فرض بر این است که هر دو ویفر دارای چرخش آزاد هستند. سایر مراحل فرآیند در فرآیند ساخت مجازی برای تطبیق با محدودیت‌های IBE و PVD تنظیم شده‌اند. شکل 2 همان ساختار ایجاد شده را با استفاده از پر کردن Cu damascene (شکل 2a) و فرآیند PVD/IBE (شکل 2b) نشان می دهد. مراحل فرآیند اضافی برای ترکیب محدودیت‌های خاص PVD/IBE و ایجاد شکل معادل برای ساختارهای انتهایی مورد نظر ما گنجانده شد.

شکل 2: (2a) ساخت سیم مس پر دمشقی. (2b) ساخت سیم PVD/IBE Cu.

سپس نشان می‌دهیم که یک سلول مدار SRAM 16 نانومتری معادل را می‌توان با سیم‌های PVD/IBE در حالی که به این محدودیت‌ها پایبند بود، ساخت. از آنجایی که تمام لایه‌های فلزی بالای انتهای میانی خط از یک سطح صاف ساخته می‌شوند، بر خلاف توپولوژی‌های پیچیده‌ای که در یک دستگاه finFET دیده می‌شود، آن را به ایده‌ای برای سیم‌های PVD/IBE تبدیل می‌کند. شکل 3 ساختار جدا شده هر لایه فلزی و مراحل لازم برای ایجاد ساختار finFET سه لایه فلزی با استفاده از PVD/IBE را نشان می دهد.

شکل 3: (3a) 16 نانومتری FinFET MEOL و 3 لایه فلزی. (3b) ساخت لایه فلزی مرحله به مرحله از طریق PVD/IBE.

نتایج مقاومت و نتیجه گیری

سپس مقاومت الکتریکی سیم‌ها را از بالاترین لایه فلزی به سمت کانال‌های finFET P و N اندازه‌گیری می‌کنیم، هم برای جریان دماسنج و هم برای رسوب فیزیکی بخار. شکل 4 نقطه شروع و نقطه پایان اندازه گیری مقاومت در کانال های P و N را نشان می دهد (همه مواد عایق دیگر شفاف هستند). برای جبران مقاومت رابط بین لاینر TaN و سیم مسی، مقاومت مس با استفاده از ثابت فروپاشی نمایی 1 نانومتر به عنوان تابعی از نزدیکترین فاصله به رابط TaN افزایش یافت. از آنجایی که انتظار نمی رود رسوب مس پر دمشق کاملاً کریستالی باشد، مقاومت مس تا 50 درصد افزایش یافت. فرآیند مس PVD/IBE از یک لاینر TaN استفاده نمی‌کند، بنابراین تابع فروپاشی نمایی اعمال نمی‌شود و مقاومت توده‌ای مس در این مدل استفاده می‌شود. جدول مقاومتی که جریان دمشقی را در مقابل PVD مقایسه می کند در شکل 4 آمده است.

شکل 4: نقطه شروع و نقطه پایان اندازه گیری مقاومت در کانال های P و N.

مقادیر مقاومت محاسبه‌شده از مدل ما بیان می‌کند که می‌توانیم با استفاده از روش ساخت IBE/PVD به کاهش ۶۷ درصدی مقاومت در مقایسه با یک سنگر معمولی و به دنبال رسوب دماسن دست یابیم. این اتفاق می افتد زیرا در IBE/PVD نیازی به لاینر TaN نیست و در طول این فرآیند مقاومت CU کمتری وجود دارد. نتایج ما نشان می‌دهد که با استفاده از IBE/PVD می‌توان به بهبود مقاومت در مقایسه با پر کردن دمشق در طول تشکیل خط فلزی، به قیمت فرآیند ساخت پیچیده‌تر، دست یافت.