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Cu-, Co- und Ru-Leiterbahnen: Widerstand, Größeneffekt, Barriere

Für breite Leiterbahnen ist Kupfer mit dem niedrigsten spezifischen Volumenwiderstand das beste Material, und auch heute besteht der Großteil der Verdrahtung aus Kupfer. Werden die Leiterbahnen jedoch schmaler als einige zehn nm, streuen die Elektronen an der Oberfläche und an Korngrenzen, sodass der spezifische Widerstand steigt (Größeneffekt), und die für Kupfer nötige Barriereschicht nimmt einen großen Teil des Querschnitts ein. Kobalt und Ruthenium haben zwar einen mehrfach höheren Volumenwiderstand als Kupfer, aber eine kurze mittlere freie Weglänge der Elektronen; ihr spezifischer Widerstand steigt bei schmalen Bahnen kaum an, und die Barriere kann dünner sein. Deshalb wird ihr Einsatz in den schmalsten Leiterbahnen, Kontakten und Vias vorangetrieben.

MerkmalKupfer (Cu)Kobalt (Co)Ruthenium (Ru)
Spezifischer Volumenwiderstand (Raumtemperatur, typisch)Etwa 1,7 µΩ·cmEtwa 6 µΩ·cmEtwa 7 µΩ·cm
Mittlere freie Weglänge der Elektronen (typisch)Lang, etwa 40 nmKurz, um 10 nm oder darunterKurz, um 10 nm oder darunter
Widerstandsanstieg bei schmalen BahnenGroß. Unter einigen zehn nm nehmen Oberflächen- und Korngrenzenstreuung zu; der Wert kann ein Mehrfaches des Volumenwerts erreichenKleiner als bei KupferKleiner als bei Kupfer
BarriereschichtErforderlich. Einige nm TaN/Ta o. Ä. umschließen Seiten und BodenDünner Liner (z. B. TiN), aber dünner als bei Kupfer möglichDiffundiert kaum in das Dielektrikum; die Barriere kann möglicherweise sehr dünn sein oder entfallen
Schmelzpunkt (Richtwert)Etwa 1085 °CEtwa 1495 °CEtwa 2334 °C
ElektromigrationsbeständigkeitMaßnahmen erforderlich. Verstärkung durch Deckschicht auf der Oberseite oder LinerHöher als bei KupferHoch
Strukturierung und FüllungDamascene-Verfahren. Füllung durch galvanische Abscheidung auf einer Keimschicht. Trockenätzen schwierigFeine Löcher und Gräben lassen sich per CVD oder Galvanik gut füllenAbscheidung per CVD oder ALD. Auch die Strukturierung der Schicht durch Ätzen nach der Abscheidung wird untersucht
Eingesetzte EbenenGroßteil der Verdrahtung von den mittleren bis zu den oberen EbenenFüllung von Kontakten und Vias, einige schmale Leiterbahnen der untersten Ebene, Deckschicht und Liner für KupferleiterbahnenEinführung in die schmalsten Leiterbahnen und Vias in Forschung und Entwicklung. Auch als Liner verwendet
VerfügbarkeitReichlich vorhanden und günstigTeurer als KupferEdelmetall der Platingruppe, knapp und teuer

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Kupfer (Cu)
Leiterbahnen in mittleren und oberen Ebenen mit ausreichender Breite. Hier kommt der Vorteil des niedrigsten Volumenwiderstands voll zum Tragen.
Kobalt (Co)
Stellen mit sehr schmalen Öffnungen wie transistornahe Kontakte und Vias, an denen bei Kupfer Barriere und Keimschicht den effektiven Widerstand erhöhen. Deckschichten und Liner zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Kupferleiterbahnen.
Ruthenium (Ru)
Kandidat für die schmalsten Leiterbahnen und Vias mit Breiten von gut zehn nm oder weniger. Da auch der eingesparte Barriereanteil als Leiter genutzt werden kann, kann der effektive Widerstand bei schmalen Bahnen niedriger als bei Kupfer sein.

Häufige Fragen

Warum werden Kobalt und Ruthenium untersucht, obwohl Kupfer den niedrigsten Volumenwiderstand hat?

Weil bei schmalen Leiterbahnen der effektive Widerstand weniger vom Volumenwiderstand als von der Streuung an Oberflächen und Korngrenzen sowie von der Dicke der Barriereschicht bestimmt wird. Kupfer hat eine lange mittlere freie Weglänge von etwa 40 nm, sodass sein spezifischer Widerstand bei schmalen Bahnen stark ansteigt, und benötigt zudem eine Barriere von einigen nm. Bei Kobalt und Ruthenium steigt der spezifische Widerstand kaum an und die Barriere kann dünner sein, sodass der Widerstand in sehr schmalen Leiterbahnen nahe an dem von Kupfer oder sogar darunter liegen kann.

Was ist der Größeneffekt?

Wenn Breite oder Dicke einer Leiterbahn in die Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Elektronen oder darunter kommen, werden Elektronen leichter an der Oberfläche und an Korngrenzen gestreut, und der spezifische Widerstand steigt über den Volumenwert. In schmalen Leiterbahnen werden auch die Körner kleiner, sodass die Korngrenzenstreuung weiter zunimmt.

Warum brauchen Kupferleiterbahnen eine Barrieremetallschicht?

Weil Kupfer leicht in Dielektrika und Silizium diffundiert; im Silizium verursacht es Leckströme und Degradation der Transistoren, im Dielektrikum verschlechtert es die Isolation zwischen den Leiterbahnen. Daher werden Seiten und Boden mit einem Barrieremetall wie TaN/Ta umschlossen und die Oberseite mit einer dielektrischen Deckschicht abgedeckt.

Werden alle Kupferleiterbahnen durch andere Metalle ersetzt?

Nein. In mittleren und oberen Ebenen mit ausreichender Leiterbahnbreite bleibt Kupfer mit dem niedrigsten Volumenwiderstand im Vorteil. Neue Materialien werden zuerst dort eingeführt, wo die Schwächen von Kupfer am stärksten hervortreten, etwa in transistornahen Kontakten und Vias und in den schmalsten Leiterbahnen.

Verständnis prüfen

Was ist der Hauptgrund dafür, dass der effektive spezifische Widerstand steigt, wenn die Breite von Cu-Leitungen sehr schmal wird?

  1. AWeil die Temperatur der Leitung sinkt
  2. BWeil Oberflächen- und Korngrenzenstreuung der Elektronen zunehmen und auch der Anteil der hochohmigen Barriereschicht größer wird
  3. CWeil Cu zum Halbleiter wird
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Antwort: B. Weil Oberflächen- und Korngrenzenstreuung der Elektronen zunehmen und auch der Anteil der hochohmigen Barriereschicht größer wird

Wird die Leitungsbreite gleich der mittleren freien Weglänge der Elektronen (bei Cu etwa 40 nm) oder kleiner, nimmt die Streuung der Elektronen an Leitungsoberfläche und Korngrenzen zu, und der spezifische Widerstand erreicht ein Mehrfaches des Bulk-Werts. Bei schmalen Leitungen sind auch die Kristallkörner klein, sodass die Korngrenzenstreuung weiter zunimmt. Hinzu kommt, dass der Anteil der Barriereschicht, die eine gewisse Dicke braucht, am Querschnitt größer wird. Daher werden neue Leitungsmaterialien mit kurzer mittlerer freier Weglänge wie Kobalt, Ruthenium und Molybdän erwogen und eingeführt.

Welcher Vorteil von Metallen wie Ruthenium (Ru), die als Material für feine Leitungen anstelle von Cu erwogen werden, ist richtig?

  1. AAuch bei schmalen Leitungen steigt der spezifische Widerstand vergleichsweise wenig, und die Barriereschicht kann dünn (oder überflüssig) werden
  2. BEs ist weitaus billiger als Kupfer
  3. CEs lässt Licht durch und ist daher leicht zu inspizieren
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Antwort: A. Auch bei schmalen Leitungen steigt der spezifische Widerstand vergleichsweise wenig, und die Barriereschicht kann dünn (oder überflüssig) werden

Cu hat in breiten Leitungen einen niedrigen spezifischen Widerstand, doch in extrem schmalen Leitungen mit 10 bis 20 nm Breite nimmt die Streuung an Oberflächen und Korngrenzen zu, und eine Barriereschicht von einigen nm ist nötig, sodass der effektive Widerstand steigt. Ruthenium und Molybdän haben eine kurze mittlere freie Weglänge der Elektronen von einigen nm bis über zehn nm, sodass der Widerstandsanstieg bei Verschmälerung klein ist; zudem diffundieren sie wenig in Isolierschichten, sodass die Barriere dünn oder entbehrlich werden könnte. Vorteilhaft ist auch, dass sie sich durch Ätzen bearbeiten lassen.

Was ist der Hauptzweck einer Barrieremetallschicht aus Ta oder TaN bei Cu-Leitungen?

  1. ADen Leitungswiderstand zu senken
  2. BDie Diffusion von Cu in Isolierschicht und Silizium zu verhindern
  3. CDie Cu-Oberfläche zu oxidieren
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Antwort: B. Die Diffusion von Cu in Isolierschicht und Silizium zu verhindern

Cu diffundiert leicht in Isolierschichten und Silizium; im Silizium erzeugt es tiefe Niveaus, die Leckstrom und Eigenschaftsverschlechterung von Transistoren verursachen, in Isolierschichten verschlechtert es die Isolation zwischen Leitungen. Daher werden Seitenwände und Boden der Cu-Leitung mit einem Barrieremetall wie Ta/TaN (einige nm) umgeben und die Oberseite mit einer dielektrischen Deckschicht abgedeckt, um Diffusion zu verhindern. Das Barrieremetall verbessert außerdem die Haftung an der Isolierschicht und richtet die Kristallorientierung des Cu aus.

  1. Welcher Wert kommt dem spezifischen Widerstand von Kupfer (Cu) bei Raumtemperatur am nächsten? (Bulk-Wert)
  2. Was ist der Hauptzweck einer Deckschicht (Cap Layer) aus Kobalt o. Ä. auf der Oberseite von Cu-Leitungen?
  3. Welche Beschreibung der Elektromigration ist richtig?

Übungsfragen zu Verdrahtungsprozess

Wichtige Begriffe erklärt

Barrieremetall
Dünner Metallfilm um Kupferleitungen, der die Diffusion von Kupfer in die Isolierschicht oder das Silizium verhindert. Z. B. Ta oder TaN.
Elektromigration
Phänomen, bei dem Metallatome der Leiterbahn durch den Stromfluss wandern. Es entstehen Voids und Hillocks, die zu Unterbrechungen oder Kurzschlüssen führen.
Damascene-Verfahren
Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnen: Gräben werden in die Isolierschicht geätzt, mit Metall gefüllt und überschüssiges Metall durch CMP entfernt. Es wird für Cu-Leiterbahnen eingesetzt.
RC-Verzögerung
Signalverzögerung, bestimmt durch das Produkt aus Leitungswiderstand (R) und Kapazität (C). Sie nimmt mit schmaleren Leitbahnen bei fortschreitender Miniaturisierung zu und begrenzt die Leistung.
MOL (Middle of Line)
Teil mit Kontakten und lokalen Leiterbahnen, der den Transistor (FEOL) mit der Mehrlagenverdrahtung (BEOL) verbindet. Mit der Miniaturisierung steigt sein Widerstand, sodass er die Leistung begrenzt.

Verwandte Vergleiche