เทคนิคการสะสมและการกัดกรดเพื่อลดความต้านทานของเส้นโลหะเซมิคอนดักเตอร์

ความต้านทานของทองแดงขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึก ปริมาตรโมฆะ ขอบเขตของเกรน และส่วนต่อประสานของวัสดุที่ไม่ตรงกัน ซึ่งจะมีความสำคัญมากขึ้นในสเกลที่เล็กลง การก่อตัวของลวดทองแดง (Cu) แบบดั้งเดิมทำได้โดยการสลักลวดลายร่องลึกก้นสมุทรในซิลิคอนไดออกไซด์ที่มีค่า k ต่ำโดยใช้กระบวนการกัดร่องลึก และต่อมาเติม Cu ด้วยการไหลดามัสซีน น่าเสียดายที่วิธีนี้สร้างโครงสร้างผลึกหลายชั้นที่มีขอบเขตและช่องว่างของเกรนอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานของลวด Cu วัสดุซับ TaN ที่มีความต้านทานสูงยังถูกนำมาใช้ในกระบวนการนี้เพื่อป้องกันการแพร่กระจายของ Cu ในระหว่างกระบวนการหลอมดามาซีน

การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) สามารถใช้ในการสะสมทองแดงด้วยพลังงานจลน์สูง (ระหว่าง 10 ถึง 100 eV) ทำให้เกิดความต้านทานต่ำ โครงสร้างผลึกเดี่ยวหนาแน่น ข้อเสียเปรียบของ PVD ก็คือการสะสมของ PVD มีแนวการมองเห็นและสามารถสะสมบนพื้นผิวเรียบได้อย่างสม่ำเสมอเท่านั้น ไม่สามารถใช้อุดหลุมลึกหรือร่องลึกได้ (รูปที่ 1a) ในการสร้างรูปร่างลวดที่แยกได้นั้น ชั้น Cu สม่ำเสมอจะต้องถูกวางบนพื้นผิวเรียบ จากนั้นจึงกัดด้วยลำแสงไอออน Cu ไม่มีสารประกอบระเหยที่มีก๊าซที่เกิดปฏิกิริยา ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้กระบวนการกัดกรดปฏิกิริยาได้ ไอออน Ar เร่งที่สร้างขึ้นระหว่างการกัดลำแสงไอออน (IBE) สามารถกำจัด Cu ออกได้หากมุมตกกระทบสูงมาก ขออภัย พื้นที่ที่แกะสลักได้จะถูกจำกัดเนื่องจากเอฟเฟกต์เงาของหน้ากาก รูปที่ 1b แสดงบริเวณ (สีแดง) ซึ่งไม่สามารถแกะสลักวัสดุได้เมื่อหน้ากากตั้งฉากกับลำแสงไอออนที่เข้ามา ความล้มเหลวในการกัดนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการแชโดว์หรือการอุดตันของเส้นทางของอะตอมที่ถูกดีดออกมา เมื่อมาส์กขนานกับเส้นทางของไอออน บริเวณที่ไม่ถูกมาส์กทั้งหมดสามารถแกะสลักได้ ดังนั้นการแกะสลักลำแสงไอออนจึงจำกัดอยู่เพียงการแกะสลักมาสก์รูปทรงเส้นที่มีความยาวตามใจชอบ

รูปที่ 1: (1a) การสะสมไอทางกายภาพ (PVD); (1b) ไอออนบีมกัด (IBE)

ขั้นตอนกระบวนการและกระบวนการผลิตเสมือนจริง

เพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบของการสะสมและการกัดต่อความต้านทานของเส้น ตอนนี้เราสร้างแบบจำลองกระบวนการกัด PVD และ IBE โดยใช้ฟังก์ชันการสะสมและการกัดการมองเห็น SEMulator3D PVD ได้รับการทำซ้ำโดยใช้กระบวนการสะสมที่มองเห็นการแพร่กระจายเชิงมุม 30 องศาใน SEMulator3D ซึ่งจำลองลักษณะสุ่มของอะตอม Cu ที่ถูกดีดออกมาอย่างแม่นยำในระหว่างการระดมยิงด้วยไอออน AR IBE ได้รับการทำซ้ำในแบบจำลองโดยใช้การกัดการมองเห็นด้วยการแพร่กระจายเชิงมุม 2 องศาและการเอียงมุมเชิงขั้ว 60 องศา เพื่อสะท้อนพฤติกรรมของไอออนเร่งกริดที่มีความแตกต่างของลำแสงต่ำ เวเฟอร์ทั้งสองจะถือว่ามีการหมุนอย่างอิสระ ขั้นตอนกระบวนการอื่นๆ ได้รับการปรับเปลี่ยนในกระบวนการผลิตเสมือนจริงเพื่อรองรับข้อจำกัดของ IBE และ PVD รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างเดียวกันที่สร้างขึ้นโดยใช้ทั้งการเติม damascene Cu (รูปที่ 2a) และกระบวนการ PVD/IBE (รูปที่ 2b) ขั้นตอนกระบวนการเพิ่มเติมถูกรวมไว้เพื่อรวมข้อจำกัดบางประการของ PVD/IBE และสร้างรูปร่างที่เทียบเท่าสำหรับโครงสร้างส่วนปลายที่เราต้องการ

รูปที่ 2: (2a) Damascene เติมลวด Cu; (2b) การผลิตลวด PVD/IBE Cu

จากนั้นเราจะแสดงให้เห็นว่าสามารถประดิษฐ์เซลล์วงจร SRAM ขนาด 16 นาโนเมตรที่เทียบเท่ากันด้วยสายไฟ PVD/IBE ในขณะที่ปฏิบัติตามข้อจำกัดเหล่านี้ เนื่องจากชั้นโลหะทั้งหมดที่อยู่เหนือปลายตรงกลางของเส้นถูกสร้างขึ้นจากพื้นผิวเรียบ จึงทำให้เป็นตัวเลือกแนวคิดสำหรับสายไฟ PVD/IBE ซึ่งแตกต่างจากโทโพโลยีการเชื่อมต่อระหว่างกันที่ซับซ้อนที่เห็นในอุปกรณ์ finFET รูปที่ 3 แสดงโครงสร้างแบบแยกส่วนของแต่ละชั้นโลหะ และขั้นตอนที่จำเป็นในการสร้างโครงสร้าง finFET ชั้นโลหะสามชั้นโดยใช้ PVD/IBE

รูปที่ 3: (3a) FinFET MEOL ขนาด 16 นาโนเมตร และชั้นโลหะ 3 ชั้น (3b) การสร้างชั้นโลหะทีละขั้นตอนผ่าน PVD/IBE

ผลการต่อต้านและข้อสรุป

จากนั้น เราจะวัดความต้านทานไฟฟ้าของสายไฟจากชั้นโลหะบนสุดไปจนถึงจุดผ่านของช่อง finFET P และ N สำหรับทั้งการไหลดามัสกัสและการสะสมไอทางกายภาพ รูปที่ 4 แสดงจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการวัดความต้านทานที่ช่อง P และ N (วัสดุฉนวนอื่นๆ ทั้งหมดมีความโปร่งใส) เพื่อชดเชยความต้านทานส่วนต่อประสานระหว่างซับ TaN และลวดทองแดง ความต้านทานของทองแดงจึงเพิ่มขึ้นโดยใช้ค่าคงที่การสลายตัวแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลที่ 1 นาโนเมตรเป็นฟังก์ชันของระยะห่างที่ใกล้ที่สุดกับส่วนต่อประสาน TaN เนื่องจากการทับถม Cu ของ damascene ไม่คาดว่าจะกลายเป็นผลึกอย่างสมบูรณ์ ความต้านทานของ Cu จึงเพิ่มขึ้น 50% กระบวนการทองแดง PVD/IBE ไม่ได้ใช้ซับ TaN ดังนั้นจึงไม่มีการใช้ฟังก์ชันการสลายตัวแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล และใช้ความต้านทานรวมของทองแดงในแบบจำลองนี้ ตารางความต้านทานเปรียบเทียบการไหล Damascene กับ PVD รวมอยู่ในรูปที่ 4

รูปที่ 4: จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการวัดความต้านทานที่ช่อง P และ N

ค่าความต้านทานที่คำนวณจากแบบจำลองของเราระบุว่าเราสามารถบรรลุความต้านทานลดลง 67% โดยใช้วิธีการผลิต IBE/PVD เมื่อเปรียบเทียบกับการสลักร่องลึกแบบธรรมดาตามด้วยการสะสมของดามัสกัส สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ไลเนอร์ TaN ใน IBE/PVD และมีความต้านทาน CU ต่ำกว่าในระหว่างกระบวนการนี้ ผลลัพธ์ของเราระบุว่าการปรับปรุงความต้านทานสามารถทำได้โดยใช้ IBE/PVD เมื่อเปรียบเทียบกับการเติม damascene ในระหว่างการสร้างเส้นโลหะ โดยมีต้นทุนของกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนมากขึ้น