Diese Ergebnisse bestätigen experimentell ihr Versprechen, als neue Leiter in fortschrittlichen Semi-Damascene-Interconnect-Integrationsschemata verwendet zu werden, wo sie mit Luftspalten für eine verbesserte Leistung kombiniert werden können.
In dieser Kombination werden jedoch Joulesche Wärmeeffekte immer wichtiger. Dies wurde durch kombinierte experimentelle und Modellierungsarbeiten in einer 12-schichtigen Back-End-of-Line (BEOL)-Struktur vorhergesagt – durch die Implementierung neuer Metalle und Luftspalte.
Die Logik verkleinern Technologie Die Roadmap zu 1 nm und darüber hinaus erfordert die Einführung neuer Leitermaterialien in den kritischsten Schichten des Back-End-of-Line. Von Interesse sind binäre und ternäre intermetallische Verbindungen (z. B. auf Al- oder Ru-Basis) mit geringerem spezifischem Widerstand als herkömmliche elementare Metalle (wie Cu, Co, Mo oder Ru) bei skalierten Abmessungen.
Imec hat experimentell das spezifische Widerstandsverhalten von dünnen Filmen aus Aluminiden untersucht, einschließlich AlNi, Al3Sc, AlCu und Al2Cu. Bei einer Dicke von 20 nm und darüber zeigten alle PVD-abgeschiedenen Filme spezifische Widerstände, die mit Ru oder Mo vergleichbar oder darunter waren.
Der niedrigste spezifische Widerstand von 9.5µΩcm wurde für 28-nm-Schichten aus AlCu und Al2Cu erreicht – ein Wert, der unter dem von Cu liegt. Die Experimente zeigten auch Herausforderungen für die untersuchten Aluminide, wie die Kontrolle der Filmstöchiometrie und Oberflächenoxidation.
Imec beabsichtigt, intermetallische Verbindungen in fortschrittliche Semi-Damascene-Integrationsschemata einzuführen, die das direkte Ätzen eines strukturierbaren Metalls beinhalten, um Leitungen mit höherem Seitenverhältnis zu erzielen. Weitere Verbesserungen der RC-Verzögerung können durch schrittweises Einführen von teilweisen oder vollständigen Luftspalten zwischen den Metallleitungen erzielt werden.
Es wird erwartet, dass das Ersetzen herkömmlicher Low-k-Dielektrika durch elektrisch isolierende Luftspalte die Kapazität bei skalierten Abmessungen reduziert. Luftspalte haben jedoch eine extrem schlechte Wärmeleitfähigkeit, was Bedenken hinsichtlich der Jouleschen Erwärmung unter Betriebsbedingungen aufwirft.
Imec hat diese Herausforderung quantifiziert, indem es Joule-Heizungs-"Kalibrierungs"-Messungen auf lokaler 2-Schicht-Metallverbindungsebene durchführt und die Ergebnisse durch Modellierung auf eine 12-Schicht-BEOL-Struktur projiziert.
Die Studie prognostiziert einen Temperaturanstieg von 20 % mit Luftspalten. Es wurde festgestellt, dass die Dichte der Metallleitungen eine wichtige Rolle spielt: Eine höhere Metalldichte hilft, die Joulesche Erwärmung zu reduzieren.
„Diese Erkenntnisse sind der Schlüssel zur Verbesserung von Semi-Damascene-Metallisierungsschemata als Verbindungsoption für 1 nm und darüber hinaus“, sagt Zsolt Tokei, imec-Stipendiat und Programmdirektor für Nano-Verbindungen bei imec. „Außerdem erweitert imec die Interconnect-Roadmap um weitere Optionen, darunter Hybridmetallisierung und neue Middle-of-Line-Schemata, und löst gleichzeitig kritische Herausforderungen in Bezug auf Prozessintegration und Zuverlässigkeit.“