Moを用いたハイブリッドメタライゼーションは、従来の銅デュアルダマシンに代わる有望な代替技術です。
Moハイブリッドメタライゼーションは、ビア／ラインの総抵抗を約55%低減します。
先端半導体ロジックデバイスにおけるバックエンドオブライン（BEOL）の微細化は大きな課題です。BEOLにおける金属配線とビア充填には、従来、導電体として銅（Cu）が使用されてきました。しかし、デバイス寸法の縮小に伴い、Cuの使用は問題となっています。最新のBEOL構造におけるCu金属配線とビアの臨界寸法（CD）が小さいため、抵抗が増加し、デバイス性能に影響を与えています。
この抵抗増加は、Cuの体積が小さい場合のCu抵抗率の増加に起因します。1
Cuデュアルダマシン（DD）プロセスは、信頼性の問題により、特定のバリアメタル厚以下ではスケーリングが制限されます。2
応力誘起ボイド（SIV）も配線抵抗の増加につながる可能性があります。3
ハイブリッドメタライゼーション
ハイブリッドメタライゼーションは、ボトムアップ堆積を用いてバリアレスメタルでビアを事前充填する新しい技術です。バリアレスメタルとは、金属と周囲の誘電体または半導体材料との間に別個の拡散バリア層を必要としない金属配線です。このハイブリッドメタライゼーション技術の後に、従来のCu DDプロセスが続きます。
この技術は、デバイス寸法の縮小によりビア抵抗が急速に増加している底部ビアコンタクト領域に最初に導入することができ、すべてのCu配線とビアを代替バリアレスメタルに置き換えるために使用できます。
我々は、従来のCu DD方式とモリブデン（Mo）を使用したハイブリッドメタライゼーション方式を比較するパスファインディング研究を実施しました。本研究はSEMulator3D®を用いて実施され、最適なビアメタルラインプロファイルのプロセス仕様策定にも使用されました。
ビア/ライン抵抗
図1は、様々なメタルビア方式におけるビア/ライン抵抗のグラフを示しています。この例では、Moハイブリッド方式による総抵抗の削減効果は、従来のCu DDプロセス方式と比較して約55%です。
図1. 様々なメタル/ビア方式におけるM1～M3抵抗（ビア/ライン）。
選択バリア堆積（SBD）技術を導入することで、ビア上部へのバリアメタル堆積を回避することも可能です。SBDを用いることで、総抵抗はさらに15%低減されます（図1の右側のデータ）。ビア抵抗はSBDの有無でほぼ同じです。
図2では、MoビアとSBD技術の両方を用いた場合、抵抗値が低いため、予想通り総電流密度が大幅に高くなっています。
図2. 様々なメタル/ビア方式における電流密度。赤色と緑色の領域は電流密度が高いことを示しています。
V1 Mo および V1/V2 Mo の電流密度は、Cu DD 方式を使用した場合よりもはるかに高くなります。これは、バリアメタルを使用しない場合、追加の電流が流れる可能性があるためです。
メタライゼーションの最適化
従来の Cu DD と Mo のハイブリッド方式を使用して、応力分布を調査しました。Cu DD 方式では、Mo ビア方式を使用した場合よりも、M1 と V1 の間の Z 方向の応力ギャップが大きくなります。これは、ビア V1 とバリアメタル層の間で最も顕著です (図 3[a] の赤色の領域を参照)。
V1 と M1/M2 の間の最大応力ギャップは、Cu の場合により大きくなります。応力誘起ボイドは、応力勾配により、金属/バリア界面または金属/誘電体界面で生成される可能性があります。4 Cu DD を使用して形成されたビアの底部では、Mo ハイブリッド メタライゼーションを使用して形成されたビアよりもボイドが発生する可能性が高くなります。
図 3(a)。 Cu DDとMoハイブリッドメタライゼーションの応力分布。
図3(b). Mo高さの関数としてのビア抵抗と静水圧応力。
M1からM3へのBEOL配線構造において、Moプリフィルプロファイル内の抵抗と機械的応力を解析しました。MoビアとM1間、およびMoビアとM2間の静水圧応力勾配は、Mo高さの増加とともに増加します。M1からM3への総抵抗は、Mo高さの増加とともに減少します。
Mo高さが25 nmを超えると抵抗勾配は飽和し、Cu/バリアメタルとMo間のM1応力勾配はMo高さの増加とともに増加するため、最適なMo高さは、ビア高さまで充填し、抵抗と応力の目標値を満たすために必要な量と考えられます。
ビア応力は、固有応力やプロセス温度などの特性が異なる材料を使用することで制御することもできます。図4(a)は、Moビア応力をMo固有応力の関数として示しています。ビアの静水圧応力は、Moの圧縮固有応力を持つ材料を選択することで低減できます。
図4(b)に示すように、ビアの静水圧応力は温度上昇とともに減少しますが、M2の応力は急速に増加します。応力誘起ボイドは応力勾配が大きい場合に発生する可能性があるため、この例では、温度を約400℃に保ち、ビアとM2の応力値の差を小さくすることが望ましいです。M2の応力は、高温になると引張応力から圧縮応力に変化することもあります。
図4(a) 固有応力を持つビアの静水圧応力。
図4(b) プロセス温度の関数としてのビアの静水圧応力とその分布。
ハイブリッドメタライゼーションを用いた最適なビア金属配線プロファイルを特定するために、SEMulator3Dで400回の実験実行を含む均一モンテカルロシミュレーションを実施しました。線形回帰分析を用いて、このプロファイルを実現するのに役立つ可能性のある4つのパラメータ候補を特定しました。図5(a)に示すように、ビア上部の臨界寸法（CD）と下部のCDが増加すると、ビア応力と総抵抗は減少します。
図5(a)。様々なプロセスパラメータの感度分析と、それらが静水圧応力、M1-M3抵抗、およびM1-M2容量に与える影響。分析対象パラメータには、ビア上部および下部のCD、ビア高さ、およびM2が含まれ、容量については計測目標値を示しています。
逆に、ビア高さが増加すると、ビア応力と総抵抗も増加します。M1とM2間の容量は、ビア高さ（M1とM2間の距離）が減少し、ビアCDが増加すると増加します。したがって、M1とM2間の高誘電率電界におけるリーク電流のため、ビア高さの低減には限界があります。リーク電流は、時間依存絶縁破壊（TDDB）などの本質的な信頼性低下につながる可能性があります。
感度分析を用いて、最適なビアプロファイルを開発しました（図5[b]）。
図5(b)。応力分布を考慮したビアプロファイルの最適化。
結論
本研究では、Moを用いたハイブリッドメタライゼーションのパスファインディングガイダンスを提供する手法を実証しました。仮想製造と仮想実験計画法（DOE）を用いることで、ボイドの発生に寄与する機械的応力とRC寄生効果を最小限に抑える最適なMoビアプロファイルを特定することができました。この手法を用いることで、ハイブリッドメタライゼーションのような新しいプロセススキームを用いたプロセス変更の影響を、ウェーハベースの大規模な実験にかかる時間とコストをかけずに予測することができます。
TY Ohは、Korea Semiverse Solutions R&Dの半導体プロセスおよびインテグレーションエンジニアです。
参考文献
1 Founta Valeria、Witters Thomas、Mertens Sofie、Vanstreels Kris、Meersschaut Johan、Van Marcke Patricia、Korytov Maxim、Franquet Alexis、Wilson Chris、Tokei Zsolt、Van Elshocht Sven、Adelmann Christoph 「インターコネクト用途向け超薄モリブデン膜の特性」、Materialia 2022、第24巻、p. 101511。
2 Z. Tőkei、I. Ciofi、P. Roussel、P. Debacker、P. Raghavan、M.H. van der Veen、N. Jourdan、C.J. Wilson、V. Vega Gonzalez、C. Adelmann、L. Wen、K. Croes、O. Varela Pedreira、K. Moors、M. Krishtab、S. Armini、J. Bömmels。「オンチップ・インターコネクトのトレンド、課題、およびソリューション：RCと信頼性の制御方法」、2016 IEEE Symp. VLSI Technol.、pp. 182–183。
3 ゲイル・マードック、ゾルト・トケイ、サラ・パオリロ、オララ・ヴァレラ・ペドレイラ、クリス・ヴァンストレルズ、クリストファー・J・ウィルソン。 「2nm ノード以降のセミダマシン相互接続」、IEEE IITC 2020、pp.4-6。
4 チャーリー・ジュン・ザイ、H・ウォルター・ヤオ、アミット・P・マラテ、ポール・R・ベッサー、リチャード・C・ブリッシュ。 「Cu/Low-k BEoL のストレスマイグレーションのシミュレーションと実験」、IEEE Trans.デバイスマスター。安心。 2004年、Vol. 4、523-529ページ。
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