鉬作為當(dāng)今半導(dǎo)體制造中常用的各種金屬的替代品，尤其是在前沿節(jié)點(diǎn)上，看起來越來越有希望。

芯片制造商正在一個(gè)接一個(gè)地將先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的金屬?gòu)那鍐紊蟿澋?。雖然釕襯里幾乎可以生產(chǎn)，但這種金屬還沒有準(zhǔn)備好在高度規(guī)模的互連中取代銅。釕非常昂貴，目前的制造工藝也無濟(jì)于事。此外，imec 研究員 Zsolt T?kei 表示，大馬士革方案中“過度沉積和拋光”步驟產(chǎn)生的廢物量也是一個(gè)嚴(yán)重的問題。雖然減材金屬化減少了廢物量，但它需要對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行更重大、更昂貴的改變。

銅并不是唯一跑道較短的金屬。晶體管觸點(diǎn)、內(nèi)存中的字線和類似應(yīng)用通常使用鎢、鈷和其他金屬，而不是銅。盡管如此，它們?nèi)悦媾R許多與銅相同的縮放問題。與銅一樣，鎢也會(huì)隨著特征尺寸的縮小而增加電阻率。它還需要阻隔層以避免介電污染。在 3D NAND 器件中，鎧俠的研究人員報(bào)告說，WF 中的氟殘留物6通常用于鎢沉積的前驅(qū)體可能會(huì)被困在空隙中，最終侵蝕周圍的介電材料。 [?1] 隨著特征的縮小和電流密度的增加，鎢還面臨著電遷移問題。

那么下一步是什么？對(duì)于這些應(yīng)用，鉬似乎是一個(gè)越來越有吸引力的選擇——至少目前是這樣——。根據(jù) T?kei 的說法，相對(duì)于現(xiàn)有材料和釕等替代品，它具有多種優(yōu)勢(shì)。它比鎢具有更好的電阻率，不需要阻擋層，并且與釕相比，它更便宜，并且對(duì)電介質(zhì)的附著力更好。

阻擋更小，電阻
更小鉬作為混合金屬化方案中的無阻擋接觸金屬特別有吸引力，其中預(yù)填充過孔后面是銅大馬士革線。由于過孔或其他垂直特征底部的屏障會(huì)串聯(lián)放置額外的電阻，因此底部阻擋在接觸和過孔電阻中占主導(dǎo)地位。

Lam Research 高級(jí)半導(dǎo)體工藝和集成工程師 TaeYeon Oh 和他的研究人員同事表明，與傳統(tǒng)的銅雙大馬士革設(shè)計(jì)相比，無屏障混合鉬方案可以將整體電阻降低約 56%。他們的工作在最近的 IEEE 互連技術(shù)會(huì)議上進(jìn)行了展示。[2]

圖1：Lam Research的ALTUS工具，它結(jié)合了CVD和ALD來改善先進(jìn)金屬化應(yīng)用中的鉬沉積。資料來源：泛林集團(tuán)

T?kei 說，將鉬與這樣的工藝流程集成可能只需要除了金屬沉積模塊本身之外的幾乎沒有什么改變。鉬比釕更容易氧化，因此更容易被 CMP 去除。

然而，imec 的 Jean-Philippe Soulié 及其同事的一項(xiàng)徹底分析警告說，金屬的體積特性在評(píng)估其在實(shí)際設(shè)備中的性能價(jià)值有限。對(duì)于鉬——與其他納米線一樣——電、熱和電遷移特性都取決于沉積薄膜的晶粒尺寸和晶界結(jié)構(gòu)。反過來，這些取決于前體、工藝參數(shù)、底層電介質(zhì)的表面特性等。[?3]

管理電遷移
界面和晶界是電遷移的主要途徑，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電子散射和電阻率下降。對(duì)于鉬集成，金屬沉積模塊需要能夠處理MoO等固體前體2氯2和 MoCl5.一般來說，固體前體在半導(dǎo)體制造中變得越來越普遍，除了鉬之外，還有鉿、鋁和鎢的氯基前體。然而，相對(duì)于氣體甚至液體前體，固體的熱穩(wěn)定性往往較差，并且材料通量也不太均勻。

Lam Research 的研究人員在工藝工程師 David Mandia 介紹的工作中表示，他們通過循環(huán)沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)了精確的晶粒尺寸控制，根據(jù)需要混合基于熱和等離子體的工藝以達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。他們表明，大晶粒鉬膜對(duì)于成功整合至關(guān)重要。在他們的工作中，小晶粒鉬的電阻率顯示出與鎢相當(dāng)?shù)暮穸纫蕾囆?。相比之下，大晶粒鉬的電阻率對(duì)厚度的依賴性要小得多，在厚度低于約7nm時(shí)優(yōu)于鎢、釕，甚至銅。[?4]

圖2：不同金屬在不同厚度下的電阻率。資料來源：imec

當(dāng)鉬中確實(shí)存在晶界時(shí)，摻雜鈷等元素有助于減少散射，正如韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院研究人員 Yeongjun Lim 和 Mincheol Shin 的一項(xiàng)模擬研究所所顯示的那樣。在低濃度下，由于電荷補(bǔ)償效應(yīng)，電阻率降低。然而，在較高濃度下，電阻率急劇增加。額外的雜質(zhì)態(tài)導(dǎo)致載流子定位，破壞電子傳輸。 [?5]

在背面電源應(yīng)用中，預(yù)測(cè)金屬行為尤其具有挑戰(zhàn)性。背面電源設(shè)計(jì)旨在減小標(biāo)準(zhǔn)電池尺寸。然而，結(jié)果，背面電源網(wǎng)絡(luò)增加了電流密度，從而增加了電遷移的風(fēng)險(xiǎn)。由于類似的原因，它們也容易出現(xiàn)熱點(diǎn)。

雖然背面電源配置中的電遷移和散熱尚未得到徹底分析，但鉬具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)。作為一種難熔金屬，即使在非常高的溫度下，它也具有機(jī)械穩(wěn)定性。與電介質(zhì)的附著力更好，使其不太可能形成空隙。它也是比釕更好的熱導(dǎo)體。由于所有這些原因，鉬可能比釕更成功地抵抗電遷移，盡管這兩種金屬都應(yīng)該給出可接受的結(jié)果。中山大學(xué)研究員蔡琳林解釋說，更好的電遷移電阻可以讓設(shè)計(jì)人員將晶體管封裝得更緊密，從而減少整體器件面積。[6]

雖然還需要更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但早期的鉬整合研究已經(jīng)很有希望。鎧俠小組發(fā)現(xiàn)，鉬相對(duì)于鎢較低的電阻率使他們能夠在保持 RC 恒定的同時(shí)將字線間距降低 7.3%。內(nèi)存空隙間距縮小了 3.7% 以上，位密度總體提高了 16.3%。

T?kei 說，總體而言，鉬非常適合接觸和詞線應(yīng)用。它非常適合現(xiàn)有的集成方案。不過，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，釕可以擴(kuò)展到更小的設(shè)備。