Beispielsweise wurde für eine binäre NiAl-Legierung mit einer Dicke von 11.5 nm ein spezifischer Widerstand von nur 7.7 µWcm gemessen, der nach Korngrößenanalyse ermittelt wurde. Die Ergebnisse stellen einen Meilenstein auf dem Weg zur Ermöglichung niederohmiger Verbindungen mit Linienbreiten unter 10 nm dar.
Um mit der fortschreitenden Geräteskalierung Schritt zu halten, erreicht die Breite der kritischsten Verbindungsleitungen in modernen Logik- und Speicherchips bald 10 nm. Bei diesen kleinen Abmessungen steigt der spezifische Widerstand von Cu dramatisch an und seine Zuverlässigkeit nimmt ab.
Dies hat die Verbindungsbranche dazu gezwungen, Alternativen zur Cu-Metallisierung zu finden. Während der Schwerpunkt zunächst auf elementaren Metallen lag, wurde die Suche auf binäre und ternäre geordnete intermetallische Verbindungen ausgeweitet – initiiert von imec auf der IITC-Konferenz 2018.
Imec hat eine einzigartige ab-initio-basierte Methode entwickelt, um die vielversprechendsten Materialien auszuwählen und einzustufen. Dabei wird das Produkt aus Volumenwiderstand und mittlerer freier Weglänge der Ladungsträger verwendet (r0 x l) ist eine der wichtigsten Leistungsfiguren.
Diese theoretische Bewertung war der Ausgangspunkt für weitere experimentelle Arbeiten an 300-mm-Wafern. „Um das Widerstandsverhalten der ausgewählten binären Legierungen bei kleinen Abmessungen besser zu verstehen und zu modellieren, haben wir einen effektiven Widerstand eingeführt, der Zusammensetzungsschwankungen und die Auswirkungen von Ordnung und Ordnung berücksichtigt.“ „Unordnung“, sagt Zsolt Tőkei von Imec, „weitere Analysen ergaben, dass der spezifische Widerstand dünner Filme aus binären Legierungen aufgrund der kleinen Korngrößen, die in dünnen Leiterfilmen inhärent vorhanden sind, durch Korngrenzenstreuung dominiert wird, wohingegen bei dickeren Filmen auch Unordnung beiträgt.“
Für die Fallstudie von stöchiometrischem NiAl wurde ein spezifischer Widerstand von nur 11.5 µWcm auf einem 7.7 nm dünnen Film gemessen, was 23 % niedriger als bei Cu ist. Dies wurde erreicht, nachdem ein 50 nm dicker großkörniger NiAl-Film auf einer Ge-Epi-Schicht bei Back-End-of-Line (BEOL)-kompatiblen Temperaturen abgeschieden und anschließend Ausdünnungsexperimente durchgeführt wurden.
Diese Experimente bewahren eine größere Korngröße (45.7 nm) und reduzieren somit den Beitrag der Korngrenzenstreuung zum spezifischen Widerstand.
„Die experimentelle Existenz dünner Leiterfilme mit niedrigem Widerstand auf 300-mm-Wafern motiviert uns, unsere Suche nach binären und ternären Legierungen fortzusetzen“, sagt Tőkei. „Gleichzeitig untersuchen wir die Zusammensetzungskontrolle der Legierungen und ihre Integrationskompatibilität mit der Zukunft.“ Metallisierungsschemata, die wahrscheinlich auf subtraktivem Ätzen basieren werden.“
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