Alternative Verbindungsmaterialien gesucht IC-Fertigung im Ångström-Bereich: Ende der Kupfer-Ära?

Kupfer ist seit fast 30 Jahren das Material der Wahl für die Metallisierungsschichten in integrierten Schaltkreisen – noch. Denn mit der eingeläuteten Ångström-Ära wird Cu zum Bremsfaktor. Elektrische Leiter mit besseren Eigenschaften sind gesucht. Das Imec ist seit gut fünf Jahren binären oder ternären Legierungen auf der Spur.

Seit seiner Einführung Mitte der 1990er Jahre ist Kupfer (Cu) das gängige Metall für Interconnect-Anwendungen in hochintegrierten Logikschaltungen in der Halbleiterfertigung, also für Verbindungsleitungen und Durchkontaktierungen in den Back-End-of-Line-Bereichen (BEOL) der Siliziumchips. Über all die Jahre hinweg blieben die Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit von Cu in Dual-Damascene-Integrationsschemata unübertroffen, so dass es keinen Grund gab, dieses Referenzmetall in den Interconnect-Anwendungen zu ersetzen.

Doch mit jeder neuen Technologiegeneration schrumpfen die lokalen Metallisierungsebenen weiter. Schon bald werden die besonders kritischen Schichten nur noch 10 nm oder noch dünner sein. Bei diesen winzigen Dimensionen steigt der spezifische Widerstand von Cu drastisch an, was sich negativ auf die Performance elektronischer Schaltungen auswirkt.

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Das Ende der Kupfer-Ära?

Darüber hinaus benötigt Cu eine Barriere, einen Liner und eine Deckschicht, um eine gute Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Diese zusätzlichen Schichten minimieren die Diffusion in das umgebende Dielektrikum – und damit das Risiko eines dielektrischen Durchbruchs – und gewährleisten eine gute Adhäsion. Die Dicke dieser Schichten, die in der Regel einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen, lässt sich nicht optimal an die Dimensionen der Verbindungsleitungen anpassen. Infolgedessen nehmen sie einen immer größeren Teil des Metallvolumens ein, ohne viel zur Leitfähigkeit beizutragen.

Das problematische Verhalten von Cu-Leitern bei extrem kleinen Abmessungen zwang die Interconnect-Gemeinschaft dazu, nach alternativen Metallen in Kombination mit neuen Metallisierungsschemata zu suchen. Anfänglich lag das Hauptaugenmerk auf reinen Metallen – den einfachsten aller möglichen Leitern – zu denen eine gut dokumentierte Datenbasis vorliegt.

Eine interessante Beobachtung ist, dass dem Industriestandard Cu bei kleinen Abmessungen das schlechteste Verhalten vorhergesagt wird, während die Prognosen etwa für Kobalt (Co), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Iridium (Ir) und Molybdän (Mo) besser ausfallen [1]. Bei größeren Abmessungen ist der spezifische Widerstand dieser alternativen Leiter höher als der von Cu. Doch da ihr spezifischer Widerstand langsamer ansteigt, wenn die Abmessungen der Verbindungen verringert werden, bieten sie bei kleineren Abmessungen potenziell Vorteile. Einige dieser Stoffe schneiden leider nicht so gut ab, wenn man z. B. die Rohstoffpreise und die Umweltauswirkungen berücksichtigt.

Der Blick jenseits der reinen Metalle: ein neues Forschungsgebiet

Vor etwa fünf Jahren beschloss Imec, seine Suche auf Compound-Materialien auszuweiten – also aus unterschiedlichen Elementen zusammengesetzte Verbindungen. Gesucht waren binär und/oder ternär geordnete Verbindungen, sogenannte Intermetalle, die bei kleinen Dimensionen in Bezug auf Widerstand und Zuverlässigkeit besser abschneiden als Cu und andere reine Metalle? Und die im Idealfall weder eine Diffusionsbarriere noch eine Adhäsionsschicht benötigen? Die ersten Ergebnisse dieser richtungsweisenden Forschung, die auf der International Interconnect Technology Conference 2018 (IITC 2018) bekannt gegeben wurden, waren sehr ermutigend [2]. Seitdem haben mehrere Forschungs- und Entwicklungsgruppen weltweit die Idee aufgegriffen und suchen nach Legierungskandidaten. Heute liegt der Fokus auf Binärmetallen [3, 4, 5].

Die Suche nach neuen Metallen und Legierungen ist jedoch nicht einfach. Es gibt zahlreiche Herausforderungen zu meistern. Zunächst einmal ist die Liste der möglichen Materialkombinationen enorm, und die Eigenschaften vieler Metalle bei kleinen Dimensionen im Nanometerbereich und darunter sind nicht im Detail untersucht worden. Oftmals wurden nicht einmal detaillierte Masseeigenschaften angegeben. Wie lässt sich also die Liste am besten kürzen, bevor man an Experimente denken kann? Wie kann man sicherstellen, dass die gewählte Legierung nachhaltig und kostengünstig ist? Und sind diese Legierungen beständig und mit praktischen Metallisierungsverfahren kompatibel?

Atomistische Kalkulationen grenzen die Zahl der in Frage kommenden Legierungen ein

Weit über 5.000 Materialkombinationen können leitfähige binäre Legierungen bilden und noch mehr können ternäre Legierungen ergeben. Daher ist eine gewisse Orientierung erforderlich, um die Entwicklung zu beschleunigen und eine sinnvolle Vorauswahl zu treffen. So ist es beispielsweise zu einseitig, nur den spezifischen Widerstand zu betrachten, da sich die Leiter in bestimmten Bereichen besser verhalten könnten.

Daher besteht der erste Schritt bei der Auswahl und Einstufung der vielversprechendsten Materialien darin, die wichtigsten Leistungskennzahlen zu ermitteln, um sie mit Cu zu vergleichen. Das Imec interconnect-Team schlägt zwei Leistungskennzahlen vor: die Kohäsionsenergie und das Produkt aus dem spezifischen Widerstand und der mittleren freien Weglänge der Ladungsträger.

Vorhersage des Widerstandsanstiegs bei kleinen Abmessungen

Für künftige Verbindungsanwendungen sollten sowohl der spezifische Widerstand des Metalls als auch die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger innerhalb des Metalls so gering wie möglich sein. Je kleiner die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger ist, desto weniger unterliegen sie der größenabhängigen Streuung an Oberflächen oder Korngrenzen, die bei skalierten Verbindungen auftreten. Daher prognostiziert ein kleinerer mittlerer freier Weg eine geringere Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von den Abmessungen der Verbindungsleitungen.

Obwohl beide Parameter Schlüsselindikatoren sind, verwenden wir der Einfachheit halber das Produkt aus dem spezifischen Widerstand und der mittleren freien Weglänge als Leistungskennzahl für eine erste Vorauswahl. Um sich als zukünftiges Verbindungsmetall zu qualifizieren, sollte der Wert dieses Produkts besser sein als der von Cu, das einen spezifischen Widerstand von 1,7 µΩcm und eine mittlere freie Weglänge von 39 nm bei Raumtemperatur aufweist.

Kohäsionsenergie: Indikator für intrinsische Zuverlässigkeit

Die zweite Kennzahl, die Kohäsionsenergie, dient als Näherungswert für die Bewertung der Zuverlässigkeit des Leiters in Verbindungssystemen. Die Zuverlässigkeit von Verbindungsleitungen wird in der Regel durch zwei Phänomene beeinträchtigt. Erstens können Leiter unter Elektromigration leiden, d. h. unter der Drift von Metallionen, die z. B. durch große Ladungsströme oder die Diffusion von Atomen aufgrund von Hitze oder Spannungsgradienten verursacht wird. Außerdem neigen einige der Metalle dazu, in die umgebenden Dielektrika zu diffundieren. Ohne eine Barriere kann dies zu einem dielektrischen Durchbruch führen. Beide Phänomene hängen davon ab, wie leicht sich die Metallatome aus dem Verbindungsmaterial lösen, eine Eigenschaft, die durch die Kohäsionsenergie des Metalls erfasst werden kann. Für Cu liegt dieser Wert bei ungefähr 4 eV.

Beide Kennzahlen lassen sich aus atomistischen Berechnungen ableiten, die auf einer festkörperphysikalischen Beschreibung der elektronischen Strukturen des Materials beruhen, und die Ergebnisse dieser "ab-initio"-Simulationen werden in einem Benchmarking-Diagramm visualisiert. Nur die Legierungen mit vergleichbarer oder höherer Kohäsionsenergie und geringerem spezifischen Widerstand x mittlerer freier Weglänge als Cu werden für weitere (experimentelle) Arbeiten ausgewählt.

Bevor wir mit dieser Auswahl fortfahren, kommen andere Überlegungen ins Spiel. Wie gut haften diese Legierungen zum Beispiel am Dielektrikum? Gibt es diese Verbindungen in (thermodynamisch) stabilen Phasen? Und wenn wir Glühschritte benötigen, um diese stabilen geordneten Phasen zu ermöglichen, sind die Temperaturen mit der BEOL-Verarbeitung vereinbar? Enthalten die Legierungen irgendwelche giftigen oder seltenen Verbindungen? Und wie sieht es mit den Materialkosten aus? Weitere Einblicke in die Werkstoffkunde ermöglichen es uns, aus der Liste der Kandidaten einige Werkstoffkombinationen auszuwählen.

Experimentelle Untersuchungen zur weiteren Bewertung des Skalierungspotenzials

Die ab-initio-basierte Teil-Liste ist der Ansatzpunkt für weitere experimentelle Arbeiten auf 300-mm-Wafern, um die theoretischen Ergebnisse zu überprüfen. Die gewonnenen Daten werden auch für die Modellierung verwendet, um das Verhalten der Leiter bei kleinen Abmessungen besser zu verstehen.

In einer Versuchsreihe scheiden die Forscher flächendeckend dünne Schichten mit unterschiedlichen Schichtdicken ab und messen den spezifischen Widerstand der Schichten. In einer zweiten Serie werden Versuchsträger mit gemusterten t-förmigen Strukturen – die für Verbindungsanwendungen relevant sind – hergestellt, um das Skalierungspotenzial in schmalen Leiterbahnen zu untersuchen. Einige der Materialkombinationen werden einen höheren spezifischen Widerstand als Cu haben. Um in der Kandidatenliste zu bleiben, darf dieser Wert nicht zu hoch sein, und ihr spezifischer Widerstand sollte langsamer ansteigen als der von Cu, mit Überschneidungspunkten um 10 nm (oder höher) – die Dimension, bei der Cu beginnt, problematisch zu werden. Diese Experimente geben uns auch eine Vorstellung von der Genauigkeit, die mit der ab-initio-basierten Methode für die Vorauswahl erreicht wird.

Ermittlung der Kandidaten: von binären Aluminiden zu ternären MAX-Phasen

Die ab-initio-Simulationen haben vielversprechende Eigenschaften für verschiedene binäre Legierungen gezeigt, darunter Verbindungen auf Al-, Cu- und Ru-Basis – die allerdings nicht die einzigen Kandidaten sind. Derzeit wird das Widerstandsverhalten dieser binären Legierungen von Forschergruppen weltweit experimentell untersucht. In den Jahren 2019 und 2020 berichteten asiatische und amerikanische Forschergruppen über ihre Fortschritte [3, 4, 5]. Auf der IITC 2021 präsentierte Imec weitere Ergebnisse zum spezifischen Widerstand von dünnen Aluminidschichten auf 300-mm-Substraten, darunter AlNi und AlCu [6]. Auch wenn die weltweiten Bemühungen den Bedarf an neuen Materialien verdeutlichen und deutliche Fortschritte erzielt wurden, gibt es noch erhebliche Herausforderungen in Bezug auf Material und Integration.

Das Imec-Team hat auch komplexere ternäre Verbindungen in Betracht gezogen. Bei ternären Verbindungen ist die Zahl der möglichen Kombinationen jedoch so groß, dass selbst ein ab-initio-Vorab-Screening nicht mehr möglich ist. Die Eigenschaften der meisten ternären Verbindungen sind unbekannt, selbst wenn sie metallisch sind. Daher müssen wir bestimmte Materialklassen auswählen, die bereits erforscht sind, z. B. die MAX-Phasen. MAX-Phasen sind Schichtstrukturen, die aus einem frühen Übergangsmetall (M), einem Element der A-Gruppe (A, Spalten 13 oder 14 des Periodensystems) und Kohlenstoff oder Stickstoff (X) bestehen. Es wird erwartet, dass einige dieser MAX-Phasen besser abschneiden als die reinen Elemente, was eine Chance für weitere Forschungen bietet. [7, 8].

Die nächsten Schritte: Entwicklung von Metallisierungsmodulen und Bewertung der Nachhaltigkeit

Die Versuchsträger mit gemusterten Strukturen können die Komplexität der Integration der Legierungen in reale Verbindungsmodule nicht vollständig erfassen. Für die nahe Zukunft bereitet sich das Team daher auf den nächsten Schritt vor: die Implementierung der vielversprechendsten Kandidaten in relevante Metallisierungsschemata und die Bewältigung der Herausforderungen im Zusammenhang mit dem BEOL-Prozess.

Die alternativen Metalle sollen in den kritischsten (lokalen) Verbindungsschichten als weiterführende Option eingeführt werden. Die BEOL-Roadmap von Imec sieht ihre Implementierung unter Verwendung eines Semi-Damascene-Verbindungsmoduls vor, bei dem ein strukturierbares Metall direkt geätzt wird, um Leitungen mit hohem aspect ratio zu erreichen. [9]. Es wird erwartet, dass für die oberen Verbindungsschichten weiterhin Cu das Metall der Wahl sein wird.

Die Implementierung der ausgewählten binären und ternären Verbindungen in diese Semi-Damascene-Module wird die Probleme einer echten Interconnect-Integration aufzeigen. So haben wir beispielsweise die Kontrolle der Schichtstöchiometrie und der Oberflächenoxidation als erste Herausforderungen identifiziert, die es zu bewältigen gilt. Anschließende Experimente sollten es auch ermöglichen, die für die Metallstrukturierung erforderlichen Ätzstrategien zu optimieren.

In der Zukunft werden diese Forschungsaktivitäten durch Bewertungen der Nachhaltigkeit erweitert. Während die Risiken und Kosten der Lieferkette bereits in der Explorationsphase bewertet werden können, erfordert die Bewertung des ökologischen Fußabdrucks der Prozessabläufe detailliertere Kenntnisse über die verschiedenen Prozessschritte. Dazu gehören beispielsweise mehr Erkenntnisse über die zum Ätzen der neuen Leiter benötigten Chemikalien, die erforderlichen Annealing-Schritte, die für ihre Bildung benötigten Nebenprodukte usw.

Fazit

Die Suche nach alternativen binären und ternären Metallen für künftige Verbindungsanwendungen, die vor etwa fünf Jahren von Imec initiiert wurde, hat sich zu einem neuen Forschungsgebiet mit weltweitem Interesse entwickelt. In diesem Artikel haben wir eine einzigartige Methode beschrieben, die eine Anleitung für die Auswahl und Einstufung der möglichen Kandidaten bietet. Die Methode beginnt mit der Berechnung von zwei Hauptkennzahlen und wird durch experimentelle und modellhafte Arbeiten ergänzt. Anhand dieser Methode haben mehrere binäre und ternäre (MAX-)Legierungen vielversprechende Eigenschaften gezeigt, die Gelegenheit für weiterführende Forschung bieten. (me)

Weiterführende Literatur

[1] ‘Molybdenum as an alternative metal: thin film properties’, V. Founta et al., IITC 2019;

[2] ‘Alternative metals: from ab initio screening to calibrated narrow line models’, C. Adelmann et al., IITC 2018;

[3] ‘The search for the most conductive metal for narrow interconnect lines’, (invited perspectives article; also: Editor's pick: "Featured Article")’ D. Gall, J. Appl. Phys. 127, 050901 (2020);

[4] ‘Materials for interconnects’, D. Gall et al., MRS Bulletin, October 2021;

[5] ‘Intermetallic compounds for interconnect metal beyond 3 nm technology node’, J. Koike, IITC 2019;

[6] ‘Imec introduces intermetallics and airgaps in advanced interconnect metallization schemes’, Imec press release 2021;

[7] ‘Metallic ceramics for low resistivity interconnects: an ab initio insight’, K. Sankaran et al., IITC 2018;

[8] ‘Ab initio screening of metallic MAX ceramics for advanced interconnect applications’, K. Sankaran et al., Phys. Rev. Materials 5, 056002 – Published 24 May 2021;

[9] ‘Logic technology scaling options for 2nm and beyond’, Imec reading room 2021.

* Geoffrey Pourtois ist Imec-Fellow

* Christoph Adelmann ist wissenschaftlicher Direktor am Imec

* Zsolt Tőkei ist Imec-Fellow und Programmdirektor für Nano-Verbindungen

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