Dunne metaallaag rond koperen bedrading die voorkomt dat koper in de isolatielaag of het silicium diffundeert. Bijvoorbeeld Ta of TaN.
Japanse benaming: バリアメタル
“Barrièremetaal (barrier metal)” komt voor in 4 oefenvragen uit 2 onderwerpen, bijv. Interconnectprocessen, CMP en reiniging.
Vakgebied: Interconnectprocessen
Koper is een uitstekende geleider, maar diffundeert gemakkelijk door siliciumdioxide, low-k-diëlektrica en silicium. In silicium vormt het diepe traps die de junctielekstroom verhogen en transistors degraderen; in het diëlektricum tussen draden tast het de isolatie en de betrouwbaarheid op lange termijn aan. Koperlijnen worden daarom aan de zijkanten en de bodem bekleed met enkele nanometers barrièremetaal, meestal een dubbellaag van tantaalnitride en tantaal (TaN/Ta), en aan de bovenkant afgedekt met een diëlektrische laag. De barrière verbetert ook de hechting van koper aan het diëlektricum en helpt de korreltextuur van het koper te sturen, wat de bestendigheid tegen elektromigratie ten goede komt.
Koper is moeilijk met droogetsen te patroneren, daarom gebruikt koperbedrading de damascene-aanpak. Sleuven en via's worden in het diëlektricum geëtst, het barrièremetaal en een dunne koperen seedlaag worden gedeponeerd, en de openingen worden gevuld door koper te galvaniseren. Chemisch-mechanisch polijsten (CMP) verwijdert daarna het overschot. Omdat koper en barrière verschillende condities vereisen, wordt CMP in fasen opgesplitst: een snelle stap die het bulkkoper verwijdert, een mildere clearingstap voor het koper en een laatste barrièrestap die de barrière en een beetje diëlektricum verwijdert, elk met een eigen slurry.
Barrièremetalen zijn veel resistiever dan koper, en een laag van ongeveer 2–3 nm kan niet veel dunner worden zonder haar blokkerende werking te verliezen. In brede lijnen doet dit er nauwelijks toe, maar in een via van 20 nm neemt de barrière een groot deel van de doorsnede in, zodat er minder ruimte overblijft voor koper. De barrière aan de bodem van de via ligt bovendien direct in serie met het stroompad. Via- en lijnweerstand stijgen daardoor sterk bij schaalverkleining. Antwoorden hierop zijn dunnere, conformere barrières gedeponeerd met atomic layer deposition (ALD), het weghalen van de barrière van de viabodem, en alternatieve metalen die weinig of geen barrière nodig hebben.
Barrièrelagen zijn niet uniek voor koper. In aluminiumbedrading voorkwam een barrière van titaniumnitride (TiN) dat aluminium en silicium in elkaar diffundeerden en door ondiepe juncties heen prikten (spiking). In wolfraamcontacten bekleedt een Ti/TiN-stapel het gat: titanium verlaagt de contactweerstand door met silicium te reageren tot een silicide, en TiN dient als hecht- en beschermlaag tijdens de depositie van wolfraam uit wolfraamhexafluoride. De gemeenschappelijke noemer is een dun refractair metaal of metaalnitride dat twee materialen scheidt die elektrisch contact moeten maken maar niet mogen mengen.
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.
Tantaal en tantaalnitride blokkeren koperdiffusie al bij een dikte van slechts enkele nanometers, hechten goed aan diëlektrica en bieden een goed oppervlak voor de depositie van de koperen seedlaag. In een typische dubbellaag ligt TaN tegen het diëlektricum en Ta tegen het koper.
Koper vormt in silicium diepe traps die de lekstroom verhogen en de transistoreigenschappen degraderen. In interconnectdiëlektrica kan het ook leiden tot lekstroom en doorslag van de isolatie tussen draden.
De barrière is veel resistiever dan koper en kan niet evenredig met de via worden gedund, zodat ze een groter deel van de doorsnede van een kleine via inneemt en aan de viabodem in serie ligt.
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.
Wat is het belangrijkste doel van een barrièremetaal zoals …Bij Cu-bedrading worden achtereenvolgens het dikke Cu buiten de groeven (enkele honderden nm tot 1 µm), daaronder de barrièremetaal van enkele nm (Ta/TaN enz.) en daaronder de isolatiefilm gepolijst.
Welke reden om bij Cu-bedrading-CMP het polijsten gewoonlij…Naarmate het via smaller wordt, neemt de doorsnede af en stijgt de weerstand, en omdat het barrièremetaal met hoge weerstand (dikte 2-3 nm) dat Cu-diffusie voorkomt niet veel dunner kan, neemt de barrière bij een via met een diameter van 20 nm een aanzienlijk deel van de doorsnede in.
Wat is de juiste hoofdreden waarom de weerstand van vias ee…Doordat een dik apart barrièremetaal minder nodig is, kan het aandeel van Cu met lage weerstand in smalle bedrading en vias toenemen; het is een van de technieken waarvan de ontwikkeling door Japanse onderzoeksgroepen werd geleid.
Welke techniek bestaat erin een film van een legering van C…CMP Selectiviteit Slurry Meerlaagse bedrading Via ALD (atomic layer deposition) Seedlaag Air gap Backside power delivery Contact