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Interconnexions Cu, Co, Ru : résistivité, effet de taille, barrière

Pour les lignes larges, le cuivre, dont la résistivité massique est la plus faible, est le meilleur matériau, et l'essentiel des interconnexions est encore aujourd'hui en cuivre. Mais lorsque la largeur de ligne descend sous quelques dizaines de nm, les électrons sont diffusés par la surface des lignes et par les joints de grains, ce qui fait monter la résistivité (effet de taille), et la couche barrière nécessaire au cuivre occupe une grande partie de la section. Le cobalt et le ruthénium ont une résistivité massique de plusieurs fois celle du cuivre, mais le libre parcours moyen de leurs électrons est court : leur résistivité augmente peu lorsqu'on les amincit, et la barrière peut être plus fine. C'est pourquoi on les introduit dans les lignes les plus fines, les contacts et les vias.

CritèreCuivre (Cu)Cobalt (Co)Ruthénium (Ru)
Résistivité massique (température ambiante, valeur typique)Environ 1,7 µΩ·cmEnviron 6 µΩ·cmEnviron 7 µΩ·cm
Libre parcours moyen des électrons (valeur typique)Long, environ 40 nmCourt, environ 10 nm ou moinsCourt, environ 10 nm ou moins
Hausse de résistivité dans les lignes finesImportante. En dessous de quelques dizaines de nm, la diffusion en surface et aux joints de grains augmente ; la résistivité peut atteindre plusieurs fois la valeur massiquePlus faible que pour le cuivrePlus faible que pour le cuivre
Couche barrièreNécessaire. Quelques nm de TaN/Ta ou similaire entourent les flancs et le fondUn liner mince (TiN, etc.) est utilisé, mais il peut être plus fin que pour le cuivreDiffuse peu dans le diélectrique ; la barrière pourrait être très fine, voire supprimée
Point de fusion (indicatif)Environ 1085 °CEnviron 1495 °CEnviron 2334 °C
Résistance à l'électromigrationDes mesures sont nécessaires. Renforcée par une couche de coiffe sur le dessus et par le linerSupérieure à celle du cuivreÉlevée
Procédé et remplissageProcédé damascène. Remplissage par dépôt électrolytique sur une couche d'amorce. Gravure sèche difficilePar CVD ou dépôt électrolytique, remplit facilement les trous et tranchées étroitsDépôt possible par CVD ou ALD. Une approche consistant à déposer le film puis à le graver est aussi étudiée
Niveaux concernésLa majeure partie des interconnexions, des niveaux intermédiaires aux niveaux supérieursRemplissage des contacts et vias, une partie des lignes fines du niveau le plus bas, coiffe et liner des interconnexions en cuivreIntroduction dans les lignes et vias les plus fins en cours de recherche et de développement. Également utilisé comme liner
Disponibilité du matériauAbondant et bon marchéPlus cher que le cuivreMétal précieux du groupe du platine ; ressources limitées et coût élevé

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Cuivre (Cu)
Interconnexions des niveaux intermédiaires et supérieurs, où la largeur de ligne laisse de la marge. L'avantage de la résistivité massique la plus faible y joue pleinement.
Cobalt (Co)
Endroits aux trous très étroits, comme les contacts et vias proches du transistor, où le cuivre voit sa résistance effective augmenter à cause de la barrière et de la couche d'amorce. Également comme coiffe et liner pour améliorer la fiabilité des interconnexions en cuivre.
Ruthénium (Ru)
Candidat pour les lignes et vias les plus fins, d'une largeur d'un peu plus de dix nanomètres ou moins. L'espace libéré par la suppression de la barrière pouvant servir de conducteur, sa résistance effective dans les lignes fines pourrait devenir inférieure à celle du cuivre.

Questions fréquentes

Pourquoi envisage-t-on le cobalt et le ruthénium alors que le cuivre a la résistivité massique la plus faible ?

Parce que, dans les lignes fines, la résistance effective est déterminée moins par la résistivité massique que par la diffusion aux surfaces et aux joints de grains et par l'épaisseur de la barrière. Le cuivre a un long libre parcours moyen d'environ 40 nm : sa résistivité augmente fortement quand on l'amincit, et il lui faut en plus une barrière de quelques nm. Le cobalt et le ruthénium voient leur résistivité peu augmenter à faible largeur et acceptent une barrière plus fine ; dans les lignes très fines, ils peuvent atteindre une résistance proche de celle du cuivre, voire inférieure.

Qu'est-ce que l'effet de taille ?

C'est le phénomène par lequel, lorsque la largeur ou l'épaisseur d'une ligne devient comparable ou inférieure au libre parcours moyen des électrons, ceux-ci sont plus facilement diffusés par la surface de la ligne et par les joints de grains, et la résistivité dépasse la valeur massique. Dans les lignes fines, les grains sont aussi plus petits, ce qui augmente encore la diffusion aux joints de grains.

Pourquoi les interconnexions en cuivre ont-elles besoin d'un métal barrière ?

Parce que le cuivre diffuse facilement dans les diélectriques et le silicium : dans le silicium, il provoque des fuites et une dégradation des transistors, et dans le diélectrique il détériore l'isolation entre lignes. On entoure donc les flancs et le fond d'un métal barrière comme TaN/Ta et l'on recouvre le dessus d'une couche de coiffe diélectrique.

Toutes les interconnexions en cuivre seront-elles remplacées par d'autres métaux ?

Non. Dans les niveaux intermédiaires et supérieurs, où la largeur de ligne laisse de la marge, le cuivre et sa résistivité massique la plus faible restent avantageux. Les nouveaux matériaux sont introduits d'abord là où les faiblesses du cuivre se font sentir : contacts et vias proches du transistor et lignes les plus fines.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la principale raison pour laquelle la résistivité effective d'une interconnexion en Cu augmente lorsque sa largeur devient très faible ?

  1. AParce que la température de l'interconnexion baisse
  2. BParce que la diffusion des électrons en surface et aux joints de grains augmente, et que la proportion occupée par la couche barrière résistive augmente aussi
  3. CParce que le Cu devient un semi-conducteur
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Réponse : B. Parce que la diffusion des électrons en surface et aux joints de grains augmente, et que la proportion occupée par la couche barrière résistive augmente aussi

Lorsque la largeur de l'interconnexion devient comparable ou inférieure au libre parcours moyen des électrons (environ 40 nm pour le Cu), la diffusion des électrons en surface et aux joints de grains augmente, et la résistivité peut atteindre plusieurs fois la valeur massive. Dans les interconnexions fines, les grains sont aussi plus petits, ce qui accroît encore la diffusion aux joints de grains. De plus, la couche barrière, qui exige une épaisseur minimale, occupe une plus grande part de la section. C'est pourquoi de nouveaux matériaux à libre parcours moyen court, comme le cobalt, le ruthénium ou le molybdène, sont étudiés et introduits.

Quel avantage des métaux comme le ruthénium (Ru), étudiés comme matériaux d'interconnexion fine en remplacement du Cu, est correct ?

  1. AL'augmentation de résistivité reste relativement faible même pour des interconnexions fines, et la couche barrière pourrait être amincie (voire supprimée)
  2. BIl est bien moins cher que le cuivre
  3. CIl laisse passer la lumière, ce qui facilite l'inspection
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Réponse : A. L'augmentation de résistivité reste relativement faible même pour des interconnexions fines, et la couche barrière pourrait être amincie (voire supprimée)

Le Cu a une faible résistivité dans les interconnexions larges, mais dans les interconnexions extrêmement fines de l'ordre de 10 à 20 nm de large, la diffusion en surface et aux joints de grains augmente, et une couche barrière de quelques nm est nécessaire, ce qui accroît la résistance effective. Le ruthénium et le molybdène ont un libre parcours moyen des électrons court, de quelques nm à une dizaine de nm, et leur résistivité augmente peu lorsqu'on les amincit ; ils diffusent aussi peu dans l'isolant, ce qui pourrait permettre d'amincir voire supprimer la barrière. La possibilité de les structurer par gravure est un autre avantage.

Quel est le principal objectif d'une barrière métallique en Ta, TaN, etc. dans les interconnexions en Cu ?

  1. ARéduire la résistance des interconnexions
  2. BEmpêcher la diffusion du Cu dans l'isolant et le silicium
  3. COxyder la surface du Cu
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Réponse : B. Empêcher la diffusion du Cu dans l'isolant et le silicium

Le Cu diffuse facilement dans les isolants et le silicium ; dans le silicium, il crée des niveaux profonds qui provoquent des fuites et une dégradation des caractéristiques des transistors, et dans l'isolant, il dégrade l'isolation entre interconnexions. On entoure donc les flancs et le fond des interconnexions en Cu d'une barrière métallique Ta/TaN (quelques nm) et on recouvre le dessus d'un film de capping diélectrique pour empêcher la diffusion. La barrière métallique améliore aussi l'adhérence à l'isolant et contribue à orienter les cristaux de Cu.

  1. Quelle valeur est la plus proche de la résistivité du cuivre (Cu) à température ambiante ? (valeur massive)
  2. Quel est le principal objectif d'une couche de capping en cobalt, etc. sur la face supérieure des interconnexions en Cu ?
  3. Quelle description de l'électromigration est correcte ?

Questions d'entraînement sur Procédés d'interconnexion

Termes clés expliqués

Barrière métallique
Film métallique mince entourant les interconnexions en cuivre pour empêcher la diffusion du cuivre dans l'isolant ou le silicium. Par exemple Ta ou TaN.
Électromigration
Déplacement des atomes métalliques d'une interconnexion sous l'effet du courant. Il crée des cavités (voids) et des excroissances (hillocks), causes de coupures et de courts-circuits.
Procédé damascène
Méthode de formation des interconnexions consistant à creuser des tranchées dans l'isolant, à les remplir de métal puis à retirer l'excédent par CMP. Utilisée pour les interconnexions Cu.
Retard RC
Retard de signal déterminé par le produit de la résistance (R) et de la capacité (C) des interconnexions. Il augmente à mesure que les lignes s'affinent avec la miniaturisation et limite les performances.
MOL (middle-of-line)
Partie formée des contacts et des interconnexions locales reliant les transistors (FEOL) aux interconnexions multicouches (BEOL). Sa résistance augmente avec la miniaturisation et limite les performances.

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