Метод осаждения и травления для снижения сопротивления линий полупроводникового металла

Удельное сопротивление меди зависит от ее кристаллической структуры, объема пустот, границ зерен и несоответствия границ раздела материалов, что становится более значительным в меньших масштабах. Формирование медных (Cu) проводов традиционно осуществляется путем травления канавки в диоксиде кремния с низким значением k с использованием процесса травления канавки и последующего заполнения канавки медью через дамасский поток. К сожалению, этот метод создает мультикристаллические структуры со значительными границами зерен и пустотами, что увеличивает сопротивление медной проволоки. В этом процессе также используется материал вкладыша TaN с высоким сопротивлением, чтобы предотвратить диффузию Cu во время процесса отжига дамасской стали.

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) можно использовать для осаждения меди при высоких кинетических энергиях (от 10 до 100 эВ) с образованием плотных монокристаллических структур с низким сопротивлением. Недостатком PVD является то, что осаждение PVD имеет разброс по линии прямой видимости и может быть нанесено равномерно только на плоские поверхности. Его нельзя использовать для заполнения глубоких ям или траншей (рис. 1а). Чтобы сформировать изолированные проволочные формы, однородный слой меди должен быть нанесен на плоскую поверхность, а затем физически вытравлен ионными лучами. Cu не образует летучих соединений с реактивными газами, поэтому нельзя использовать процесс реактивного ионного травления. Ускоренные ионы Ar, образующиеся во время ионно-лучевого травления (IBE), могут удалить Cu, если угол падения очень велик. К сожалению, протравливаемые области будут ограничены из-за эффектов затенения маски. На рис. 1б показаны области (выделены красным), где материал не может быть протравлен, когда маска перпендикулярна входящему ионному пучку. Этот сбой травления происходит либо из-за затенения, либо из-за блокировки пути выброшенного атома. Когда маска параллельна пути иона, все незамаскированные области могут быть протравлены. Таким образом, ионно-лучевое травление ограничивается травлением масок в форме линий произвольной длины.

Рис. 1: (1а) Физическое осаждение из паровой фазы (PVD); (1b) Ионно-лучевое травление (IBE).

Этапы процесса и виртуальный процесс изготовления

Чтобы понять влияние осаждения и травления на сопротивление линии, мы теперь моделируем процессы травления PVD и IBE, используя функции осаждения и травления SEMulator3D. PVD был воспроизведен с использованием процесса осаждения с углом обзора 30 градусов в SEMulator3D, который точно моделирует случайный характер выбрасываемых атомов Cu во время бомбардировки ионами AR. IBE был воспроизведен в модели с использованием травления видимости с угловым разбросом 2 градуса и наклоном полярного угла 60 градусов, чтобы отразить поведение ускоренных сеткой ионов с низкой расходимостью пучка. Предполагается, что обе пластины имеют свободное вращение. Другие этапы процесса были скорректированы в процессе виртуального изготовления с учетом ограничений IBE и PVD. На рис. 2 показана та же структура, созданная с использованием как дамасской меди (рис. 2а), так и процесса PVD/IBE (рис. 2b). Были включены дополнительные технологические этапы, чтобы учесть определенные ограничения PVD/IBE и создать эквивалентную форму для наших желаемых конечных структур.

Рис. 2: (2а) изготовление медной проволоки с дамасским наполнителем; (2b) Изготовление медной проволоки PVD/IBE.

Затем мы демонстрируем, что эквивалентная 16-нм ячейка схемы SRAM может быть изготовлена ​​с проводами PVD/IBE с соблюдением этих ограничений. Поскольку все металлические слои над средним концом линии изготовлены из плоской поверхности, это делает его идеальным кандидатом для проводов PVD / IBE, в отличие от сложных топологий межсоединений, наблюдаемых в устройстве finFET. На рис. 3 показана изолированная структура каждого металлического слоя и необходимые шаги для создания трехслойной структуры finFET с использованием PVD/IBE.

Рис. 3: (3a) 16-нм FinFET MEOL и 3 металлических слоя; (3b) Поэтапное изготовление металлического слоя методом PVD/IBE.

Результаты сопротивления и заключение

Затем мы измеряем электрическое сопротивление проводов от самого верхнего металлического слоя до переходных отверстий каналов finFET P и N как для потока дамаскина, так и для физического осаждения из паровой фазы. На рис. 4 показаны начальная и конечная точки измерения сопротивления на каналах P и N (все остальные изоляционные материалы прозрачны). Чтобы компенсировать сопротивление интерфейса между вкладышем из TaN и медной проволокой, удельное сопротивление меди было увеличено за счет использования экспоненциальной константы затухания 1 нм в зависимости от ближайшего расстояния до интерфейса TaN. Поскольку ожидается, что осаждение Cu в дамасском наполнителе не будет полностью кристаллическим, удельное сопротивление Cu было увеличено на 50%. В медном процессе PVD/IBE не используется вкладыш из TaN, поэтому функция экспоненциального затухания не применялась, и в этой модели использовалось объемное удельное сопротивление меди. Таблица удельных сопротивлений, сравнивающая дамасский поток с PVD, представлена ​​на рисунке 4.

Рис. 4: Начальная и конечная точки измерения сопротивления на каналах P и N.

Значения сопротивления, рассчитанные на основе нашей модели, показывают, что мы можем добиться снижения сопротивления на 67%, используя метод изготовления IBE/PVD по сравнению с обычным траншейным травлением с последующим нанесением дамаскина. Это происходит из-за того, что в IBE/PVD не требуется футеровка из TaN, а удельное сопротивление CU во время этого процесса ниже. Наши результаты показывают, что улучшение удельного сопротивления может быть достигнуто за счет использования IBE/PVD по сравнению с заполнением из дамасской стали во время формирования металлической линии за счет более сложного производственного процесса.