【半导体】替代铜互连，新的里程碑

本周，在 2023 年 IEEE 国际互连技术大会 (2023 IEEE IITC) 上，世界领先的纳米电子和数字技术研究与创新中心 imec 提供了第一个实验证据，证明300mm硅晶圆上的薄导体薄膜的电阻率可以低于目前用于互连金属化方案的 Cu 和 Ru 的电阻率。例如，在晶粒尺寸工程后获得的 7.7nm 厚度的 NiAl 二元合金的电阻率低至 11.5µWcm。结果标志着实现线宽低于 10nm 的低电阻互连的里程碑。

为了跟上设备不断缩小的步伐，最先进的逻辑和存储芯片中最关键的互连线的宽度很快接近 10 纳米。在这些小尺寸下，Cu 的电阻率会急剧增加，并且其可靠性会降低。这迫使互连社区确定铜金属化的替代方案。虽然最初的重点是元素金属，但搜索已扩展到二元和三元有序金属间化合物——由 imec 在 2018 年 IITC 会议上发起。

Imec 建立了一种独特的基于从头算的方法来选择和排列最有前途的材料，使用体电阻率和载流子的平均自由程( r 0 x l )的乘积这是主要的价值指标之一。这一理论评估是对 300 毫米晶圆进行进一步实验工作的起点。

imec 纳米互连研究员兼项目总监 Zsolt Tőkei说：“为了更好地理解和模拟所选二元合金在小尺寸下的电阻率行为，我们在 2023 年 IEEE IITC 会议上介绍了有效电阻率，它考虑了成分变化和秩序和混乱的影响。进一步的分析表明，由于薄导体薄膜中固有的小晶粒尺寸，二元合金薄膜的电阻率主要受晶界散射的影响，而无序也会导致较厚的薄膜。”

对于化学计量的 NiAl 的案例研究，在 7.7nm 薄膜上测得的电阻率低至 11.5µWcm，比 Cu 低 23%。这是在后端生产线 (BEOL) 兼容温度下在 Ge 外延层上沉积 50 纳米厚的大晶粒 NiAl 薄膜，然后进行减薄实验后实现的。这些实验保留了较大的晶粒尺寸（45.7nm），因此减少了晶界散射对电阻率的贡献。Zsolt Tőkei：“300 毫米晶圆上低电阻薄导体薄膜的实验存在促使我们继续寻找二元和三元合金。同时，我们研究了合金的成分控制及其与未来可能基于减法蚀刻的金属化方案的集成兼容性。”

在 2023 IEEE IITC 上，imec 有 10 个口头报告解决了互连扩展中的主要挑战。除了两篇关于替代金属探索的论文（包括一篇受邀投稿）外，这些论文还重点介绍了半镶嵌金属化、可靠性、高级互连堆栈的热影响、中线金属化方案等方面的工作。

铜互连后劲不足，谁能继任？

自 1990 年代中期推出以来，铜 (Cu) 一直是用于制造逻辑后端 (BEOL) 应用中的互连线和通孔的主流导体金属。多年来，Cu 在双镶嵌集成方案中的导电性和可靠性一直保持不败，因此在互连应用中无需更换这种冠军金属。

但随着每一代新技术的发展，局部金属层不断缩小，很快，最关键的金属层将只有 10nm 宽甚至更小。不幸的是，在这些小尺寸下，Cu 的电阻率会急剧增加，从而影响电子电路的性能。

更重要的是，Cu 需要一个barrier、一个cap layer和一个liner来确保良好的可靠性。这些额外的层最大限度地减少了向周围电介质的外扩散（因此，电介质击穿的风险）并确保良好的附着力。这些层的厚度（通常具有高电阻率）不能很好地与互连线尺寸成比例。因此，它们占据了金属体积的不断增加的部分，而对电导没有太大贡献。

小尺寸铜导体的令人担忧的行为迫使互连社区开始寻找与新金属化方案相结合的替代金属。最初，焦点集中在纯金属——最简单的导体——他们的数据库已经有据可查。一个有趣的观察结果是，行业标准预计在小尺寸下表现最差，对钴 (Co)、钌 (Ru)、铑 (Rh)、铱 (Ir) 和钼 (Mo) 的预测更好。在较大尺寸下，这些替代导体的电阻率高于铜的电阻率。但是，因为当互连尺寸减小时它们的电阻率增加得更慢，所以它们在更小的尺寸下具有更好的前景。然而，当我们考虑时，其中一些结果并不乐观，

图1.一些元素金属的不同薄膜厚度的电阻率。

超越纯金属：一个新的研究领域

大约五年前，imec 决定将其搜索范围扩大到化合物。最初，我们聚焦在能否找到在电阻和可靠性方面优于铜（和其他纯金属）的小尺寸二元和/或三元有序化合物（金属间化合物）。理想情况下，哪些不需要扩散屏障或粘合衬垫？在 2018 年国际互连技术会议 (IITC 2018) 上宣布的这项开创性研究的第一个结果非常令人鼓舞。从那时起，世界各地的几个研发小组都接受了这个想法，并正在寻找候选合金，今天的重点是二元合金（binaries）。

图2.二元金属间化合物的从头开始筛选。

ρ0：体电阻率，λ：平均电子自由程。

然而，寻找新金属并不容易，需要解决许多挑战。最重要的是，可能的材料组合清单是巨大的，许多小尺寸金属的特性还没有被详细研究过。通常，甚至没有报告详细的散装特性。那么，在我们考虑进行实验之前，最好的缩短列表的方法是什么？我们如何确定我们的选择是可持续的和具有成本效益的？这些合金是否稳定并与真正的金属化方案兼容？

本文介绍了一种基于从头算计算、实验和建模来筛选和排名候选人的精致而独特的方法。接下来，我们讨论潜在的材料并讨论接下来的步骤，即它们在先进金属化方案中的实施。

原子计算缩小了候选合金的数量

超过 5000 种材料组合可以组成导电二元合金，甚至更多可以合成三元合金。因此，需要一些指导来加速开发并提供有意义的向下选择。例如，仅查看（体积）电阻率太窄，因为导体在受限区域可能表现更好。

因此，选择最有前途的材料并对其进行排名的第一步是确定最相关的品质因数，以对铜进行基准测试。imec 互连团队提出了两个品质因数：内聚能以及体电阻率与载流子的平均自由程的乘积。

电阻率 x 平均自由程——预测小尺寸的电阻率增加

对于未来的互连应用，金属的体电阻率和载流子在金属内的平均自由程都应该尽可能低。载流子的平均自由程越小，它们受到在缩放互连中出现的表面或晶界的尺寸相关散射的影响就越小。因此，较小的平均自由路径预示着电阻率对互连线尺寸的依赖性较小。

虽然这两个参数都是关键指标，但为了便于计算，我们使用体电阻率和平均自由程的乘积作为第一次向下选择的品质因数。要成为未来的互连金属，该产品的值应优于 Cu，其体电阻率为 1.7µΩcm，平均自由程为 39nm（室温下）。

cohesive energy——作为内在可靠性的指标

第二个品质因数，cohesive energy,用作评估互连方案中导体可靠性的代理。互连线的可靠性通常受两种现象的影响。首先，导体可能会遭受电迁移，这是指由于例如大充电电流或由于热或应力梯度引起的原子扩散而导致的金属离子漂移。此外，一些金属倾向于扩散到周围的电介质中。如果没有任何屏障，这会导致介电击穿。这两种现象都取决于金属原子与互连材料分离的难易程度，这是金属的内聚能可以捕获的特性。对于 Cu，该值为 ~ 4eV。

两种品质因数都可以从基于对材料电子结构的固态物理描述的原子计算得出，并且这些“从头算”模拟的结果在基准图中可视化。只有那些具有可比或更高内聚能和比 Cu 更低的体积电阻率 x 平均自由程的合金被选择用于进一步（实验）工作。

在继续进行此选择之前，需要考虑其他因素。例如，这些合金对电介质的粘附性如何？这些化合物是否以（热力学）稳定相存在？如果我们需要任何退火步骤来实现这些稳定的有序相，温度是否与 BEOL 处理兼容？合金是否含有任何有毒或稀有化合物？那么材料成本呢？对材料科学的进一步了解使我们能够从获得的候选列表中选择一些材料组合。

进一步评估扩展潜力的实验工作

基于 ab-initio 的子列表是进一步在 300mm 晶圆上进行实验工作以验证理论发现的起点。获得的数据还用于为建模工作提供信息，并更好地了解导体在小尺寸下的行为。

在一系列实验中，研究人员沉积具有不同薄膜厚度的毯式薄膜并测量薄膜的电阻率。在第二个系列中，创建了具有图案化 t 形结构（与互连应用相关）的test vehicles，以研究窄线的扩展潜力。一些材料组合将具有比铜更高的体电阻率。要保留在候选列表中，该值可能不会太高，并且它们的电阻率应该比铜的电阻率增加得慢，交叉点在 10nm 左右（或更高）——铜开始成为问题的尺寸。

这些实验还让我们了解了使用基于 ab-initio 的入围方法获得的准确性。

确定候选者：从二元铝化物到三元 MAX相

从头算模拟显示了各种二元合金的有希望的特性，包括 Al、Cu 和 Ru 基化合物——尽管不是唯一的候选者。今天，世界各地的研究小组正在对这些二元合金的电阻率行为进行实验研究。2019年和2020年，亚洲和美国的研究小组报告了他们的进展。在 IITC 2021 上，imec 报告了使用 300mm 基板（包括 AlNi 和 AlCu）的铝化物薄膜电阻率的进一步结果 [6]。虽然全球范围内的努力也说明了对新导体的需求并且已经取得了明显的进展，但未来仍然存在重大的材料和集成挑战。

图3.一些二元候选的电阻率行为。

我们的团队还考虑了更复杂的三元化合物。然而，对于三元组，可能的组合数量如此之多，以至于即使是从头开始的预筛选也不再可能。大多数三元化合物的性质是未知的，即使它们是金属的。因此，我们必须选择某些已经研究过的材料类别，例如 MAX 相。MAX 相是由早期过渡金属 (M)、A 族元素（A，周期表第 13 或 14 列）和碳或氮 (X) 组成的层状结构。其中一些 MAX 相有望比纯元素做得更好，为进一步研究提供了机会。

图4.多种 MAX 化合物令人感兴趣。

图5.以 Cu 和 Ru 作为参考材料的稳定 MAX 相的品质因数：211 化学计量比（左）和 312 和 413 化学计量比（右）的电阻率可扩展势（ρ0×λ）和内聚能。浅灰色和深灰色区域分别代表 MAX 相相对于 Cu 和 Ru 具有良好特性的区域 [8]。

下一步：金属化模块开发和可持续性评估

具有图案化结构的测试车辆并未完全掌握将合金集成到实际互连模块中的复杂性。因此，在不久的将来，该团队正准备进入下一步：在相关金属化方案中实施最有希望的候选者，并解决与 BEOL 加工相关的挑战。

替代金属旨在作为最重要的（局部）互连层引入。Imec 的 BEOL 路线图预见了他们使用半镶嵌互连模块的实施，该模块涉及直接蚀刻可图案化金属以实现高纵横比线 。请注意，对于上部互连层，Cu 预计仍将是首选金属。

图6.潜在多层方案的示意性横截面，其中二元合金作为导体迹线和难熔纯金属通孔。

在这些半镶嵌模块中实施选定的二元和三元化合物将揭示真正互连集成的挑战。例如，我们确定薄膜化学计量和表面氧化的控制是首先要解决的挑战。随后的实验还应该允许优化金属图案化所需的蚀刻策略。

未来，这些研究活动将随着可持续性评估而扩展。虽然可以在探索阶段的早期评估供应链风险和成本，但评估工艺流程的环境足迹需要更详细地了解不同的工艺步骤。例如，这包括更深入地了解蚀刻新导体所需的化学物质、所需的退火步骤、形成它们所需的副产品等。

结论

大约五年前，imec 发起了为未来互连应用寻找替代二元和三元金属的研究，现已成为全球关注的新研究领域。在本文中，我们描述了一种独特的方法，该方法为向下选择和排列可能的候选人提供指导。该方法从计算两个主要的品质因数开始，并辅以实验和建模工作。使用这种方法，几种二元和三元 (MAX) 合金已显示出良好的性能，为进一步研究提供了机会。

来 源| 半导体行业观察（ID：icbank）编译自imec

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