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這種材料，有望在先進節點取代銅和鎢

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這種材料，有望在先進節點取代銅和鎢

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本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering
鉬非常自然地適用于接觸點和字線應用 ， 能很好地融入現有的集成方案 。

鉬（Molybdenum）正日益顯示出其潛力 ， 有望取代當今半導體制造中常用的多種金屬 ， 尤其是在前沿工藝節點上 。
在先進節點 ， 芯片制造商正逐一淘汰某些金屬 。 盡管釕（ruthenium）襯墊已接近量產準備 ， 但該金屬尚未準備好在高度微縮的互連中取代銅 。 歐洲微電子研究中心（imec）的院士Zsolt T?kei指出 ， 釕的價格非常昂貴 ， 且當前的制造工藝對此并無助益 。 此外 ， 大馬士革工藝中“過度沉積再拋光回蝕”步驟所產生的大量廢料也是一個嚴重問題 。 而雖然減法金屬化能減少廢料量 ， 但它需要對整體工藝進行更重大且成本高昂的變革 。
前景有限的金屬不僅僅僅是銅 。 晶體管接觸點、存儲器中的字線以及類似應用通常使用鎢（tungsten）、鈷（cobalt）和其他金屬 ， 而非銅 。 然而 ， 它們面臨著許多與銅相同的微縮問題 。 與銅一樣 ， 隨著特征尺寸的縮小 ， 鎢的電阻率會不斷增加 。 它還需要一個阻擋層以避免電介質污染 。 在3D NAND器件中 ， 鎧俠的研究人員報告稱 ， 通常用于鎢沉積的六氟化鎢（WF6）前驅體所產生的氟殘留物可能會被困在空洞中 ， 最終侵蝕周圍的電介質材料 。 隨著特征尺寸縮小和電流密度增加 ， 鎢也面臨電遷移問題 。
那么 ， 下一步是什么？對于這些應用 ， 一個日益具有吸引力的選擇——至少目前看來——是鉬 。 T?kei表示 ， 與現有材料及釕等替代品相比 ， 鉬具有多重優勢 。 它的電阻率優于鎢 ， 不需要阻擋層 ， 且與釕相比 ， 它更便宜并對電介質有更好的附著力 。
更少阻擋 ， 更低電阻在混合金屬化方案中 ， 鉬作為一種無阻擋層的接觸金屬尤其具有吸引力 。 在這種方案中 ， 首先進行通孔預填充 ， 然后是銅大馬士革線 。 因為位于通孔或其他垂直特征底部的阻擋層會串聯一個額外的電阻 ， 所以底部阻擋層主導了接觸點和通孔的電阻 。
拉姆研究（Lam Research）的高級半導體工藝與集成工程師TaeYeon Oh及其同事在近期的IEEE互連技術大會上展示 ， 無阻擋層的混合鉬方案與傳統的銅雙大馬士革設計相比 ， 可將總電阻降低約56% 。
T?kei表示 ， 將鉬集成到這樣的工藝流程中 ， 除了金屬沉積模塊本身 ， 可能幾乎不需要其他改動 。 鉬比釕更容易氧化 ， 使其更容易被化學機械拋光（CMP）去除 。
然而 ， imec的Jean-Philippe Soulié及其同事的一項深入分析警告說 ， 金屬的體特性在評估其在實際器件中性能時價值有限 。 對于鉬以及其他納米線而言 ， 電學、熱學和電遷移特性都取決于沉積薄膜的晶粒尺寸和晶界結構 。 而這些又取決于前驅體、工藝參數、底層電介質的表面特性等等 。
管理電遷移界面和晶界是電遷移的主要路徑 ， 同時也會引起電子散射并降低電阻率 。 對于鉬的集成 ， 金屬沉積模塊需要能夠處理像MoO2Cl2和MoCl5這樣的固態前驅體 。 總的來說 ， 固態前驅體在半導體制造中正變得越來越普遍 。 然而 ， 與氣態甚至液態前驅體相比 ， 固態前驅體的熱穩定性通常較差 ， 提供的材料通量也不夠均勻 。
拉姆研究的研究人員表示 ， 他們通過循環沉積技術實現了對晶粒尺寸的精確控制 ， 根據需要混合基于熱和等離子體的工藝以達到預期效果 。 他們的研究表明 ， 大晶粒的鉬薄膜對于成功集成至關重要 。 在他們的實驗中 ， 小晶粒鉬的電阻率對厚度的依賴性與鎢相當 。 相比之下 ， 大晶粒鉬的電阻率對厚度的依賴性要小得多 ， 并且在厚度低于約7納米時優于鎢、釕 ， 甚至銅 。
韓國科學技術院（KAIST）的研究顯示 ， 當鉬中確實存在晶界時 ， 摻雜鈷等元素有助于減少散射 。 然而 ， 在較高濃度下 ， 電阻率會急劇增加 。
在背面供電應用中 ， 預測金屬行為尤其具有挑戰性 。 背面供電網絡會增加電流密度 ， 從而增加電遷移的風險 。 出于類似原因 ， 它們也容易出現熱點 。
盡管背面供電配置中的電遷移和散熱問題尚待深入分析 ， 但鉬具有一些明顯的優勢 。 作為一種難熔金屬 ， 即使在非常高的溫度下 ， 它也具有機械穩定性 。 對電介質更好的附著力使其更不容易形成空洞 。 它也是比釕更好的熱導體 。 中山大學的一位研究員解釋說 ， 更好的電遷移抗性允許設計者更緊密地堆疊晶體管 ， 從而減小整體器件面積 。
盡管還需要更多的實驗結果 ， 但早期的鉬集成研究已相當有前景 。 鎧俠的研究小組發現 ， 相對于鎢 ， 鉬的較低電阻率使他們能夠在保持RC常數不變的情況下 ， 將字線間距減小7.3% 。 存儲孔間距縮小了超過3.7% ， 從而使位密度總體增加了16.3% 。
【這種材料，有望在先進節點取代銅和鎢】總體而言 ， T?kei表示 ， 鉬非常自然地適用于接觸點和字線應用 ， 能很好地融入現有的集成方案 。 不過 ， 從長遠來看 ， 釕可能可以擴展到更小的器件上 。
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