Imec zeigt einen Weg zur Halbierung des Leitungswiderstands durch Semi-Damascene mit High-Aspect-Ratio Processing

TEM-Querschnitte von Ru-Bahnen mit 18 nm Metallabstand: (links) AR 3, (rechts) AR 6. Die TEMs zeigen ein nahezu vertikales Profil der Ru-Bahnen und die Skalierbarkeit des aktuellen Schemas zu höheren ARs. / Cross-section TEMs of Ru lines with 18nm metal pitch: (left) AR 3, (right) AR 6. The TEMs demonstrate a nearly vertical profile of the Ru lines and scalability of the current scheme towards higher ARs.

Imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, präsentierte auf der IEEE International Interconnect Technology Conference 2022 (IITC 2022) Technologien zur Verringerung des Metallleitungswiderstands bei engen Metal Pitches, um den Anstieg des Widerstands/Kapazitätsfaktors (RC) zukünftiger Verbindungen durch direkte Metallstrukturierung einzudämmen. Erstmals wird experimentell gezeigt, dass die semi-damaszenische Verarbeitung von Ruthenium (Ru) mit einem hohen Aspektverhältnis (AR=6) zu einer Reduzierung des Widerstands um etwa 40 % führt, ohne dass dabei mehr Fläche benötigt wird. Zusätzliche Simulationen bestätigen die Vorteile auf Schaltungsebene in Kombination mit Luftspalten als Dielektrikum. Eine ergänzende experimentelle Studie zeigt, dass die Zuverlässigkeit von Semi-Damascene mit Airgaps im Vergleich zu Dual-Damascene mit Low-k-Dielektrika vergleichbar ist.

Nach der ersten experimentellen Demonstration eines funktionsfähigen Semi-Damascene-Moduls auf zwei Metallebenen mit einem Metallabstand von 18nm, AR=3, mit vollständig selbstausgerichteten Vias auf der VLSI 2022, schlägt imec vor, dieses Integrationsschema auszudehnen, um den Leitungswiderstand der Ru-Verbindungen weiter zu reduzieren und gleichzeitig die Grundfläche beizubehalten. Dies kann durch eine High-AR-Bearbeitung der Ru-Leitungen unter Verwendung eines hochentwickelten subtraktiven Metall-Ätzprozesses erreicht werden. Zsolt Tokei: "Wir haben bei Ru-Leitungen mit AR=6 im Vergleich zu Leitungen mit herkömmlichem AR=3 eine signifikante Verringerung des Leitungswiderstands um etwa 40% gemessen. Darüber hinaus haben wir die Vorteile auf Schaltungsebene aufgezeigt, die sich aus der Implementierung von Semi-Damascene-Leitungen mit hohem AR-Wert und Airgaps ergeben." In einer Benchmark-Studie hat imec auch gezeigt, dass der semidamascene Flow mit Luftspalt zuverlässig ist und eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren hat. 

"Mit nicht weniger als 10 Vorträgen auf der diesjährigen IITC, die sich mit den wichtigsten Herausforderungen bei der Skalierung von Interconnects befassen, hat imec einen überzeugenden Weg eingeschlagen, um die Interconnect-Roadmap für die kommenden zehn Jahre voranzutreiben", fasst Zsolt Tokei zusammen. "Die Beiträge behandeln Fortschritte bei der Semi-Damascene-Integration als vielversprechendes Konzept für künftige Logikknoten, Speichertechnologien und verdeutlichen die Fortschritte in den Bereichen Middle-of-Line-Metallisierung (MOL), Dielektrika, Erforschung alternativer Metalle und Zuverlässigkeit."