Imec展示可實現2奈米製程的先進互連方案的替代金屬技術

透過一個12層金屬分析，證實了這個半鑲嵌技術可帶來系統級的優勢

在2020年國際互連技術大會上，imec首次展示了採用釕金屬(Ru)，具備電氣功能的雙金屬層級結構（2-metal-level）互連技術。該金屬是使用特殊的半鑲嵌和氣溝(Air Gap)技術生產，具有更好的使用壽命和更佳的物理強度（mechanical strength）。

透過一個12層金屬分析，證實了這個半鑲嵌技術可帶來系統級的優勢，包含降低阻容（resistance-capacitance，RC）、功耗和IR-Drop。此外，釕金屬也展現了絕佳的潛力，可望作為先進製程的中段（MOL）接觸插塞（contact plugs）的替代方案。

目前，替代性的金屬化材料（例如釕）和替代性的金屬化製程（例如半鑲嵌），正被密集的研究中，以前進2奈米或者以下製程技術的前段（BEOL）和中段（MOL）互聯。

在前段設計中，imec提出了一種半鑲嵌（semi-damascene）整合技術，作為傳統的雙重鑲嵌（dual-damascene）的替代方案。為了能夠完全的發揮這種結構技術的潛力，需要有除了銅（Cu）或鈷（Co）以外的其他金屬，它們可以被沉積而無擴散阻擋層，且具有高的體電阻率，並可以被圖模式的使用，例如：減成蝕刻。

這個結構也可以增加互連的高度，並結合氣隙作為電介質，將有望減少阻容（RC）延遲，這是後段製程的主要瓶頸。

Imec首次使用「釕」進行金屬化，並在300mm晶圓上製造並特性化了雙金屬層的半鑲嵌模組。在30奈米金屬間距線的測試結構顯示，有超過80％以上的可重複性（無短路跡象），且使用壽命超過10年。同時釕的氣隙結構的物理穩定性可與傳統的銅雙重鑲嵌結構相比。

Imec奈米互連專案總監Zsolt Tokei表示，結果顯示，半鑲嵌與氣隙技術相結合不僅在頻率和面積上優於雙鑲嵌，而且為進一步的性能強化提供了可擴展的途徑。氣隙技術則顯示出將性能提高10％，同時將功耗降低5％以上的潛力。使用高深橫比的電線，可將電源線路中的IR下降減少10％，進而提高可靠度。 在不久的將來，為半鑲嵌模組開發的光罩組（Mask set）將能夠進一步改善半鑲嵌的整合，並通過實驗驗證去達成預期的性能改進。

Imec還展示了在先進MOL接觸插塞中，使用「釕」替代鈷或鎢的優勢。imec CMOS元件技術總監Naoto Horiguchi指出，無阻絕層的釕，有潛力進一步減小因縮小接觸面積而產生的接觸電阻。

在一項評測研究中，imec評估了釕和鈷，結果表明釕是替代MOL狹窄溝槽中的鈷，最有希望的候選方案。在0.3奈米氮化鈦(TiN)內襯（無阻擋層）的孔洞，填充釕的電阻的性能，優於在相當的製程中填充鈷（有1.5奈米氮化鈦阻擋層）。研究還證明，釕作為源極和汲極接觸材料，在p-矽鍺(SiGe)和n-矽(Si)上的接觸電阻率都較低，約為10-9Ωcm-2。