Deze resultaten ondersteunen experimenteel hun belofte om te worden gebruikt als nieuwe geleiders in geavanceerde semi-damascene interconnectieschema's, waar ze kunnen worden gecombineerd met luchtspleten voor verbeterde prestaties.
In deze combinatie worden Joule verwarmingseffecten echter steeds belangrijker. Dit werd voorspeld door gecombineerd experimenteel en modelleringswerk in een 12-laags back-end-of-line (BEOL) -structuur - waarbij nieuwe metalen en luchtspleten werden geïmplementeerd.
De logica verkleinen technologie routekaart naar 1 nm en verder vereist de introductie van nieuwe geleidermaterialen in de meest kritische lagen van de back-end-of-line. Van belang zijn binaire en ternaire intermetallische verbindingen (bijvoorbeeld op basis van Al of Ru) met een lagere soortelijke weerstand dan conventionele elementaire metalen (zoals Cu, Co, Mo of Ru) bij geschaalde afmetingen.
Imec heeft het weerstandsgedrag van dunne films van aluminiden, waaronder AlNi, Al3Sc, AlCu en Al2Cu, experimenteel onderzocht. Bij een dikte van 20 nm en meer vertoonden alle PVD-afgezette films weerstanden vergelijkbaar met of lager dan Ru of Mo.
De laagste soortelijke weerstand van 9.5 µΩcm werd bereikt voor 28nm films van AlCu en Al2Cu – een waarde die lager is dan die van Cu. De experimenten gaven ook uitdagingen aan voor de bestudeerde aluminiden, zoals de controle van de filmstoichiometrie en oppervlakteoxidatie.
Imec overweegt intermetallische verbindingen te introduceren in geavanceerde semi-damascene integratieschema's, die de directe etsing van een patroonbaar metaal inhouden om lijnen met een hogere aspectverhouding te bereiken. Verdere verbeteringen in RC-vertraging kunnen worden verkregen door geleidelijk gedeeltelijke of volledige luchtspleten tussen de metalen lijnen te introduceren.
Het vervangen van conventionele low-k diëlektrica door elektrisch isolerende luchtspleten zal naar verwachting de capaciteit op geschaalde afmetingen verminderen. Maar luchtspleten hebben een extreem slechte thermische geleidbaarheid, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid over Joule-verwarming onder bedrijfsomstandigheden.
Imec heeft deze uitdaging gekwantificeerd door 'kalibratie'-metingen van Joule-verwarming uit te voeren op lokaal 2-laags metalen interconnectieniveau en de resultaten te projecteren op een 12-laags BEOL-structuur door middel van modellering.
De studie voorspelt een temperatuurstijging van 20% met luchtgaten. De dichtheid van de metalen lijnen bleek een belangrijke rol te spelen: een hogere metaaldichtheid bleek te helpen de Joule-verwarming te verminderen.
"Deze inzichten zijn essentieel om semi-damascene metallisatieschema's te verbeteren als een interconnect-optie voor 1nm en verder", zegt Zsolt Tokei, imec-fellow en programmadirecteur van nano-interconnects bij imec. “Bovendien breidt imec de routekaart voor interconnectie uit met andere opties, waaronder hybride metallisatie en nieuwe middle-of-line-schema’s, terwijl het tegelijkertijd kritieke uitdagingen op het gebied van procesintegratie en betrouwbaarheid oplost.”