Nederlands
Menu

Cu-, Co- en Ru-interconnect: resistiviteit, size-effect en barrière

Bij brede lijnen is koper, met de laagste bulkresistiviteit, het beste materiaal, en ook nu bestaat het grootste deel van de interconnect uit koper. Maar als de lijnbreedte onder enkele tientallen nm komt, worden elektronen verstrooid aan het lijnoppervlak en aan korrelgrenzen, waardoor de resistiviteit stijgt (size-effect), en neemt de barrièrelaag die koper nodig heeft een groot deel van de doorsnede in. Kobalt en ruthenium hebben een bulkresistiviteit van enkele keren die van koper, maar door de korte vrije weglengte van de elektronen stijgt hun resistiviteit minder bij versmalling en kan de barrièrelaag dunner. Daarom worden ze steeds vaker toegepast in de smalste lijnen, contacten en via's.

KenmerkKoper (Cu)Kobalt (Co)Ruthenium (Ru)
Bulkresistiviteit (kamertemperatuur, typische waarde)Ongeveer 1,7 µΩ·cmOngeveer 6 µΩ·cmOngeveer 7 µΩ·cm
Gemiddelde vrije weglengte van elektronen (typische waarde)Lang, ongeveer 40 nmKort, rond 10 nm of minderKort, rond 10 nm of minder
Toename van de resistiviteit in smalle lijnenGroot. Onder enkele tientallen nm neemt verstrooiing aan oppervlak en korrelgrenzen toe; de resistiviteit kan enkele keren de bulkwaarde wordenKleiner dan bij koperKleiner dan bij koper
BarrièrelaagNodig. Enkele nm TaN/Ta of vergelijkbaar omsluit zijkanten en bodemEen dunne liner (TiN of vergelijkbaar) wordt gebruikt, maar die kan dunner dan bij koperDiffundeert nauwelijks in het diëlektricum; de barrière kan mogelijk zeer dun worden of zelfs vervallen
Smeltpunt (indicatie)Ongeveer 1085 °COngeveer 1495 °COngeveer 2334 °C
Bestendigheid tegen elektromigratieMaatregelen nodig. Versterkt met een caplaag aan de bovenzijde en een linerHoger dan koperHoog
Verwerking en vullenDamascene-proces. Gevuld met elektrolytische plating op een seedlaag. Droog etsen is lastigMet CVD of plating zijn ook smalle gaten en sleuven goed te vullenTe deponeren met CVD of ALD. Ook een aanpak waarbij eerst een laag wordt gedeponeerd en daarna geëtst, wordt onderzocht
Gebruikte lagenHet grootste deel van de interconnect, van de middelste tot de bovenste lagenVullen van contacten en via's, een deel van de smalle lijnen in de onderste laag, cap en liner van koperinterconnectInvoering in de smalste lijnen en via's wordt onderzocht en ontwikkeld. Ook gebruikt als liner
Beschikbaarheid van het materiaalOvervloedig en goedkoopDuurder dan koperEdelmetaal uit de platinagroep; schaars en duur

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Koper (Cu)
Interconnect in de middelste en bovenste lagen met ruime lijnbreedte. Daar komt het voordeel van de laagste bulkresistiviteit volledig tot zijn recht.
Kobalt (Co)
Plaatsen met zeer smalle gaten, zoals contacten en via's dicht bij de transistor, waar koper door de barrière en seedlaag een hogere effectieve weerstand krijgt. Ook als cap en liner om de betrouwbaarheid van koperinterconnect te verhogen.
Ruthenium (Ru)
Kandidaat voor de smalste lijnen en via's met een lijnbreedte van ruim tien nanometer of minder. Omdat ook de ruimte van de weggelaten barrière als geleider kan dienen, kan de effectieve weerstand in smalle lijnen lager worden dan bij koper.

Veelgestelde vragen

Waarom worden kobalt en ruthenium overwogen, terwijl koper de laagste bulkresistiviteit heeft?

Omdat in smalle lijnen de effectieve weerstand niet zozeer door de bulkresistiviteit wordt bepaald, als wel door verstrooiing aan oppervlakken en korrelgrenzen en door de dikte van de barrièrelaag. Koper heeft een lange vrije weglengte van ongeveer 40 nm, zodat de resistiviteit bij versmalling sterk stijgt, en het heeft ook een barrière van enkele nm nodig. Bij kobalt en ruthenium stijgt de resistiviteit minder bij versmalling en kan de barrière dunner, zodat ze in zeer smalle lijnen een weerstand kunnen halen die dicht bij of zelfs onder die van koper ligt.

Wat is het size-effect?

Het verschijnsel dat, wanneer de breedte of dikte van een lijn vergelijkbaar met of kleiner dan de gemiddelde vrije weglengte van de elektronen wordt, elektronen gemakkelijker aan het lijnoppervlak en aan korrelgrenzen worden verstrooid en de resistiviteit boven de bulkwaarde stijgt. In smalle lijnen worden ook de korrels kleiner, waardoor de verstrooiing aan korrelgrenzen verder toeneemt.

Waarom heeft koperinterconnect een barrièremetaal nodig?

Omdat koper gemakkelijk in diëlektrica en silicium diffundeert: in silicium veroorzaakt het lekstroom en degradatie van transistors, en in het diëlektricum verslechtert het de isolatie tussen lijnen. Daarom worden zijkanten en bodem omsloten door een barrièremetaal zoals TaN/Ta en wordt de bovenzijde afgedekt met een diëlektrische caplaag.

Wordt alle koperinterconnect door andere metalen vervangen?

Nee. In de middelste en bovenste lagen met ruime lijnbreedte blijft koper, met de laagste bulkresistiviteit, in het voordeel. Nieuwe materialen worden eerst ingevoerd op plaatsen waar de zwakke punten van koper opvallen, zoals contacten en via's dicht bij de transistor en de smalste lijnen.

Test uw begrip

Wat is de belangrijkste reden waarom de effectieve soortelijke weerstand van Cu-bedrading toeneemt als de breedte zeer smal wordt?

  1. AOmdat de temperatuur van de bedrading daalt
  2. BOmdat oppervlaktestrooiing en korrelgrensstrooiing van elektronen toenemen en het aandeel van de barrièrelaag met hoge weerstand groter wordt
  3. COmdat Cu in een halfgeleider verandert
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Omdat oppervlaktestrooiing en korrelgrensstrooiing van elektronen toenemen en het aandeel van de barrièrelaag met hoge weerstand groter wordt

Wanneer de bedradingsbreedte even smal wordt als of smaller dan de gemiddelde vrije weglengte van elektronen (ongeveer 40 nm in Cu), neemt de strooiing van elektronen aan het oppervlak en aan korrelgrenzen toe en wordt de soortelijke weerstand meerdere malen die van bulk. In smalle bedrading zijn de kristalkorrels ook klein, waardoor de korrelgrensstrooiing verder toeneemt. Bovendien neemt het aandeel van de barrièrelaag, die een bepaalde dikte nodig heeft, in de doorsnede toe. Daarom worden nieuwe bedradingsmaterialen met een korte gemiddelde vrije weglengte, zoals kobalt, ruthenium en molybdeen, onderzocht en ingevoerd.

Wat is een juist voordeel van metalen zoals ruthenium (Ru), die als alternatief voor Cu voor fijne bedrading worden onderzocht?

  1. AOok bij smalle bedrading is de toename van de soortelijke weerstand relatief klein en kan de barrièrelaag mogelijk dunner worden gemaakt (of vervallen)
  2. BHet is veel goedkoper dan koper
  3. CHet laat licht door, zodat inspectie gemakkelijker is
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Ook bij smalle bedrading is de toename van de soortelijke weerstand relatief klein en kan de barrièrelaag mogelijk dunner worden gemaakt (of vervallen)

Cu heeft in dikke bedrading een lage soortelijke weerstand, maar in zeer smalle bedrading met een breedte van 10-20 nm neemt de strooiing aan oppervlak en korrelgrenzen toe en is ook een barrièrelaag van enkele nm nodig, waardoor de effectieve weerstand stijgt. Ruthenium en molybdeen hebben een korte gemiddelde vrije weglengte van elektronen van enkele nm tot ruim 10 nm, dus de soortelijke weerstand stijgt weinig bij verkleining, en door de geringe diffusie in isolatiefilms kan de barrière mogelijk dun worden gemaakt of vervallen. Dat ze met etsen kunnen worden bewerkt, is ook een voordeel.

Wat is het belangrijkste doel van een barrièremetaal zoals Ta of TaN bij Cu-bedrading?

  1. ADe weerstand van de bedrading verlagen
  2. BVoorkomen dat Cu in de isolatiefilm of in silicium diffundeert
  3. CHet oppervlak van Cu oxideren
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Voorkomen dat Cu in de isolatiefilm of in silicium diffundeert

Cu diffundeert gemakkelijk in isolatiefilms en silicium; in silicium vormt het diepe niveaus die lekstroom en verslechtering van de transistoreigenschappen veroorzaken, en in isolatiefilms verslechtert het de isolatie tussen bedradingen. Daarom worden de zijkanten en de bodem van Cu-bedrading omgeven door een barrièremetaal zoals Ta/TaN (enkele nm) en wordt de bovenkant bedekt met een diëlektrische capfilm om diffusie te voorkomen. Het barrièremetaal verbetert ook de hechting aan de isolatiefilm en richt de Cu-kristallen uit.

  1. Welke waarde komt het best overeen met de soortelijke weerstand van koper (Cu) bij kamertemperatuur? (bulkwaarde)
  2. Wat is het belangrijkste doel van een caplaag van onder meer kobalt op de bovenzijde van Cu-bedrading?
  3. Welke uitspraak over elektromigratie is juist?

Oefenvragen over Interconnectprocessen

Belangrijke termen uitgelegd

Barrièremetaal (barrier metal)
Dunne metaallaag rond koperen bedrading die voorkomt dat koper in de isolatielaag of het silicium diffundeert. Bijvoorbeeld Ta of TaN.
Elektromigratie
Verschijnsel waarbij metaalatomen in de bedrading door de stroom worden verplaatst. Er ontstaan voids en hillocks, die onderbrekingen of kortsluitingen veroorzaken.
Damascene-proces
Methode waarbij sleuven in een isolatielaag worden geëtst, met metaal worden gevuld en overtollig metaal met CMP wordt verwijderd om bedrading te vormen. Wordt gebruikt voor Cu-bedrading.
RC-vertraging
Signaalvertraging bepaald door het product van de weerstand (R) en de capaciteit (C) van de verbinding. Wordt groter naarmate de verbindingen door miniaturisatie dunner worden en beperkt de prestaties.
MOL (middle of line)
Deel met contacten en lokale bedrading dat transistors (FEOL) en meerlaagse bedrading (BEOL) verbindt. Door schaalverkleining neemt de weerstand toe, wat de prestaties beperkt.

Verwante vergelijkingen