En avsetnings- og etsingsteknikk for å senke motstanden til halvledermetalllinjer

Kobbers resistivitet avhenger av dets krystallstruktur, tomromsvolum, korngrenser og materialgrensesnitt, noe som blir mer betydelig i mindre skalaer. Dannelsen av kobbertråder (Cu) gjøres tradisjonelt ved å etse et grøftmønster i lav-k silisiumdioksid ved å bruke en grøfteetseprosess, og deretter fylle grøften med Cu via en damascenstrøm. Dessverre produserer denne metoden multikrystallinske strukturer med betydelige korngrenser og hulrom, noe som øker Cu-trådmotstanden. Et høyresistivt TaN-foringsmateriale brukes også i denne prosessen for å forhindre Cu-diffusjon under damascene-glødingsprosessen.

Fysisk dampavsetning (PVD) kan brukes til å avsette kobber ved høye kinetiske energier (mellom 10 til 100 eV), og danner tette enkeltkrystallstrukturer med lav motstand. En ulempe med PVD er at PVD-avsetning har en siktlinje spredt og kan bare avsettes jevnt på flate overflater. Den kan ikke brukes til å fylle dype hull eller grøfter (figur 1a). For å danne isolerte trådformer, må et jevnt Cu-lag avsettes på en flat overflate og deretter fysisk etses av ionestråler. Cu danner ingen flyktige forbindelser med reaktive gasser, så en reaktiv ionetsingsprosess kan ikke brukes. Akselererte Ar-ioner opprettet under ion beam etch (IBE) kan fjerne Cu hvis innfallsvinkelen er svært høy. Dessverre vil de etsbare områdene være begrenset på grunn av maskeskyggeeffekter. Figur 1b viser områdene (i rødt) hvor materiale ikke kan etses når masken er vinkelrett på den innkommende ionestrålen. Denne etsefeilen oppstår enten på grunn av skyggelegging eller blokkering av banen til det utstøttede atomet. Når masken er parallell med ionbanen, kan alle demaskerte områder etses. Således er ionestråleetsing begrenset til å etse linjeformede masker med vilkårlig lange lengder.

Fig. 1: (1a) Fysisk dampavsetning (PVD); (1b) Ione Beam Etch (IBE).

Prosesstrinn og virtuell fabrikasjonsprosess

For å forstå effekten av avsetning og etsing på linjemotstand, modellerer vi nå PVD- og IBE-etseprosessene ved å bruke SEMulator3D-synlighetsavsetning og etsefunksjoner. PVD ble reprodusert ved hjelp av en 30-graders vinkelsprednings-avsetningsprosess i SEMulator3D, som nøyaktig modellerer den tilfeldige naturen til utstøtte Cu-atomer under bombardement med AR-ioner. IBE ble gjengitt i modellen ved å bruke en synlighetsetse med en 2 graders vinkelspredning og en 60 graders polar vinkeltilt, for å reflektere oppførselen til rutenettakselererte ioner med lavstråledivergens. Begge wafere antas å ha fri rotasjon. Andre prosesstrinn har blitt justert i den virtuelle fabrikasjonsprosessen for å imøtekomme IBE- og PVD-begrensninger. Figur 2 viser den samme strukturen opprettet ved bruk av både en damascene Cu-fylling (figur 2a) og PVD/IBE-prosess (figur 2b). Ytterligere prosesstrinn ble inkludert for å innlemme visse begrensninger av PVD/IBE og skape tilsvarende form for våre ønskede endestrukturer.

Fig. 2: (2a) Damascene fyll Cu-trådfabrikasjon; (2b) PVD/IBE Cu-trådfabrikasjon.

Vi demonstrerer deretter at en tilsvarende 16nm SRAM-kretscelle kan fremstilles med PVD/IBE-ledninger mens man overholder disse begrensningene. Siden alle metalllag over midten av linjen er laget av en flat overflate, gjør dette det til en idékandidat for PVD/IBE-ledninger, i motsetning til de komplekse sammenkoblingstopologiene som sees i en finFET-enhet. Figur 3 viser den isolerte strukturen til hvert metalllag, og de nødvendige trinnene som trengs for å lage en finFET-struktur med tre metalllag ved bruk av PVD/IBE.

Fig. 3: (3a) 16nm FinFET MEOL og 3 metalllag; (3b) Trinnvis metalllagsfabrikasjon via PVD/IBE.

Resistensresultater og konklusjon

Deretter måler vi den elektriske motstanden til ledningene fra det øverste metalllaget og ned til viasene til finFET P- og N-kanalene, for både damascen-strømmen og fysisk dampavsetning. Figur 4 viser startpunktet og sluttpunktet for motstandsmålingen ved P- og N-kanalene (alle andre isolasjonsmaterialer er transparente). For å kompensere for grensesnittmotstanden mellom TaN-foringen og kobbertråden, ble resistiviteten til kobber økt ved å bruke en eksponentiell henfallskonstant på 1 nm som en funksjon av nærmeste avstand til TaN-grensesnittet. Siden en damascenfyll Cu-avsetning ikke forventes å være fullstendig krystallinsk, ble resistiviteten til Cu økt med 50 %. PVD/IBE-kobberprosessen bruker ikke en TaN-foring, så den eksponentielle forfallsfunksjonen ble ikke brukt, og bulk-resistiviteten til kobber ble brukt i denne modellen. En tabell over resistivitet som sammenligner en Damascene-flyt vs. PVD er inkludert i figur 4.

Fig. 4: Startpunkt og sluttpunkt for motstandsmålingen ved P- og N-kanalene.

Motstandsverdiene beregnet fra vår modell sier at vi kan oppnå en 67 % reduksjon i motstand ved å bruke IBE/PVD-fremstillingsmetoden sammenlignet med en konvensjonell grøftetsing etterfulgt av damaskenavsetning. Dette skjer siden ingen TaN-liner er nødvendig i IBE/PVD og det er lavere CU-resistivitet under denne prosessen. Resultatene våre indikerer at resistivitetsforbedringer kan oppnås ved å bruke IBE/PVD sammenlignet med damascenefylling under metalllinjedannelse, på bekostning av en mer kompleks fabrikasjonsprosess.