Imec将在300mm晶圆上制造双金属层的半镶嵌模组?

在2020年国际互连技术大会上，imec首次展示了采用钌金属（Ru），具备电气功能的双金属层级结构（2-metal-level）互连技术。该金属是使用特殊的半镶嵌和气沟（Air Gap）技术生产，具有更好的使用寿命和更佳的物理强度（mechanical strength）。

透过一个12层金属分析，证实了这个半镶嵌技术可带来系统级的优势，包含降低阻容（resistance-capacitance，RC）、功耗和IR-Drop。此外，钌金属也展现了绝佳的潜力，可望作为先进制程的中段（MOL）接触插塞（contact plugs）的替代方案。

目前，替代性的金属化材料（例如钌）和替代性的金属化制程（例如半镶嵌），正被密集的研究中，以前进2纳米或者以下制程技术的前段（BEOL）和中段（MOL ）互联。

在前段设计中，imec提出了一种半镶嵌（semi-damascene）整合技术，作为传统的双重镶嵌（dual-damascene）的替代方案。为了能够完全的发挥这种结构技术的潜力，需要有除了铜（Cu）或钴（Co）以外的其他金属，它们可以被沉积而无扩散阻挡层，且具有高的体电阻率，并可以被图模式的使用，例如：减成蚀刻。

这个结构也可以增加互连的高度，并结合气隙作为电介质，将有望减少阻容（RC）延迟，这是后段制程的主要瓶颈。

Imec首次使用「钌」进行金属化，并在300mm晶圆上制造并特性化了双金属层的半镶嵌模组。在30纳米金属间距线的测试结构显示，有超过80％以上的可重复性（无短路迹象），且使用寿命超过10年。同时钌的气隙结构的物理稳定性可与传统的铜双重镶嵌结构相比。

Imec纳米互连专案总监Zsolt Tokei表示，结果显示，半镶嵌与气隙技术相结合不仅在频率和面积上优于双镶嵌，而且为进一步的性能强化提供了可扩展的途径。气隙技术则显示出将性能提高10％，同时将功耗降低5％以上的潜力。使用高深横比的电线，可将电源线路中的IR下降减少10％，进而提高可靠度。在不久的将来，为半镶嵌模组开发的光罩组（Mask set）将能够进一步改善半镶嵌的整合，并通过实验验证去达成预期的性能改进。

Imec还展示了在先进MOL接触插塞中，使用「钌」替代钴或钨的优势。imec CMOS元件技术总监Naoto Horiguchi指出，无阻绝层的钌，有潜力进一步减小因缩小接触面积而产生的接触电阻。

在一项评测研究中，imec评估了钌和钴，结果表明钌是替代MOL狭窄沟槽中的钴，最有希望的候选方案。在0.3纳米氮化钛（TiN）内衬（无阻挡层）的孔洞，填充钌的电阻的性能，优于在相当的制程中填充钴（有1.5纳米氮化钛阻挡层）。研究还证明，钌作为源极和汲极接触材料，在p-硅锗（SiGe）和n-硅（Si）上的接触电阻率都较低，约为10-9Ωcm-2。
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