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imec:金屬導線技術突破 合金薄膜電阻首度超越銅和釕

比利時微電子研究中心 (imec) 本周在 IEEE 國際內連技術會議展示實驗成果,首次證實導體薄膜的電阻在 12 吋矽晶圓上,可超越目前業界使用的金屬導線材料銅 (Cu) 和釕 (Ru),如厚度為 7.7 奈米的鎳鋁二元合金在經過晶粒工程後,可在線寬 10 奈米以下實現低電阻內連,測得最低電阻為 11.5µWcm,比銅材還低 23%。

imec 指出,為跟上元件微縮的進度,先進邏輯與記憶體晶片的最小線寬很快就會接近 10 奈米,在這種微縮尺寸下,銅材的電阻會急遽升高,可靠度也隨之下滑,迫使內連技術研發人員尋找替代銅材的導線材料。

業界最初的開發重點是金屬元素,後來逐漸延伸到二元及三元有序介金屬,相關研究在 2018 年 IEEE 國際內連技術會議由 imec 先行展開。

imec 透過建立基於第一原理 (ab initio) 計算的獨特方法,揀選最具發展潛能的材料,並以塊材電阻與電荷載子平均自由路徑 (mean free path)(r0 xl) 的乘積為主要的品質因子 (FOM) 來排序分級。

研究員暨奈米導線研究計畫主持人 Zsolt Tőkei 表示,這套基於理論的性能評估是在 12 吋晶圓上進行技術實驗,且為深入了解選定的二元合金材料在小尺寸下的電阻表現,並為其建模,imec 在 2023 年 IEEE 國際內連技術會議上提出一種有效電阻率,考量合金成分變化及有序和無序材料所帶來的影響。

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imec 進一步分析後發現,由於導體薄膜本身的晶粒尺寸小,所以二元合金薄膜的電阻主要受到晶界散射影響,而無序結構也會增加薄膜厚度。

在一項鎳鋁合金 (NiAl) 的化學計量研究中,7.7 奈米的薄膜經過測量後,電阻最低可達 11.5µWcm,比銅材還低了 23%;其做法是在後段製程容許的操作溫度下,在鍺 (Ge) 磊晶層上沉積一層 50 奈米的大粒徑鎳鋁薄膜,然後進行薄化實驗。

這些實驗留用較大的粒徑 (45.7 奈米),能減緩晶界散射對電阻的影響。Zsolt Tőkei 補充,這項實驗展示在 12 吋晶圓上製造導體薄膜可以達到低電阻值,進而推動持續研究中心探索二元及三元合金作為導線材料,同時也研究合金的成分控制,以及未來整合至導線蝕刻製程的相容性。

imec 將在今年 IEEE 國際內連技術會議舉行 10 場講座,探討內連微縮技術的主要挑戰,此次發表論文除了兩篇有關替代金屬材料 (其中一篇為受邀發表),其它內容聚焦先進內連堆疊的半鑲嵌導線製程、可靠度、熱效應,以及中段導線製程等。

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