非銅金屬半鑲嵌製程 實現窄間距雙層結構互連

圖一 : imec半鑲嵌製程流程(a)釕蝕刻,生成底部元件層的局部金屬導線(Mx)(b)空隙填充(c)通孔蝕刻(d)通孔填充與生成金屬層之上(Mx+1)的頂部元件層。
圖一 : imec半鑲嵌製程流程(a)釕蝕刻,生成底部元件層的局部金屬導線(Mx)(b)空隙填充(c)通孔蝕刻(d)通孔填充與生成金屬層之上(Mx+1)的頂部元件層。

【作者: imec】

imec展示全球首次實驗示範採用18nm導線間距的雙金屬層半鑲嵌模組,強調窄間距自對準通孔的重要性,同時分析並公開該模組的關鍵性能參數,包含通孔與導線的電阻與可靠度。

銅雙鑲嵌製程在業界長跑20餘載,能夠穩定量產具備高可靠度的晶片內部導線。然而,隨著元件面積持續緊縮,金屬導線間距降至20nm以下,後段製程的電阻與電容(RC)因而大幅增加,加劇了電路傳輸延遲的問題。這就迫使相關產研單位去開發替代的整合方案與金屬材料,優化窄間距金屬導線的性能。

imec約在5年前首次提出半鑲嵌製程的概念,作為替代銅雙鑲嵌製程的可行方案,用於1nm製程及其後續製程節點,整合不同金屬層間的局部導線,實現互連。

不同於雙鑲嵌製程,半鑲嵌整合技術以直接圖形化的方式製造內部金屬導線,這也稱作減法導線製程(subtractive metallization),亦即蝕刻,過程中金屬導線不需經過化學機械研磨(CMP)。負責連接不同導線層的通孔採用單鑲嵌製程製造,隨後以金屬填滿後繼續填充,也就是說持續沉積金屬材料,直到介電層上方生成一層金屬層。該金屬層接著進行微影蝕刻,以製成第二層導線層,形成一條垂直的互連導線。完成金屬導線的圖形後,元件層上的空隙可以用介電材料填充,或是當作局部元件層的(局部)氣隙(airgap)結構。

值得注意的是,在半鑲嵌製程中,通孔與頂部金屬層會同步製造,與傳統的雙鑲嵌製程相同。因此,相較之下,半鑲嵌製程更有效率,具備低成本的競爭優勢(見圖二)。

圖二 : 比較半鑲嵌與雙鑲嵌製程在製造金屬導線間距18nm元件時的成本結構。
圖二 : 比較半鑲嵌與雙鑲嵌製程在製造金屬導線間距18nm元件時的成本結構。

半鑲嵌製程的優勢

在製造窄間距金屬導線時,半鑲嵌製程具備幾項優勢,勝過雙鑲嵌製程。imec研究員暨奈米導線研究計畫主持人Zsolt Tokei表示:「第一,半鑲嵌製程能製造高深寬比的導線結構,同時控制電路的電容,有利於降低整體的RC延遲。第二,可以省去金屬導線的化學機械研磨步驟,實現簡便且低成本的整合方案。第三,半鑲嵌製程需要可圖形化又不需阻障層的金屬材料,例如鎢(W)、鉬(Mo)或釕(Ru)。與銅鑲嵌不同,採用這些金屬材料不需要金屬阻障層,如此一來,金屬導線可以充分利用珍貴的導電區域,在微縮設計中展現優異的通孔電阻值。」

當然,除了這些優勢,半鑲嵌製程在獲得業界採用前,仍有幾項技術挑戰必須解決。其中一站必經之路就是實際演練兩層金屬層之間的導線互連。雖然目前只能透過模擬建模來計算性能參數,imec近期首次展示了雙金屬層半鑲嵌模組的實驗數據。

【欲閱讀更豐富的內容,請參閱CTIMES雜誌 2022 年8 月號第 369 期】

2022.8月(第369期)高功率電源
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