Кобальтовая волна продолжается

Похоже, что Cobalt неумолимо проникает во все больше и больше приложений по мере того, как возможности устройств сокращаются. В предыдущих набегах он в значительной степени заменял вольфрам: для герметизации меди и для заполнения с высоким соотношением сторон.

Что ж, теперь у кобальта появилась новая цель: медные межсоединения. Да, даже почтенная медь, которая заменила алюминий где-то 20 лет назад (прорыв IBM случился в 1997 году – даже не в этом столетии!). Мы повторим некоторые причины, по которым кобальт уже набирает популярность, но затем мы особенно внимательно рассмотрим, почему – и где – медь находится под угрозой.

Расплавление зерна

Одним из больших различий в обращении с кобальтом является оплавание. Когда дело доходит до замены вольфрама в предыдущих применениях, которые мы видели, это дает непосредственную выгоду в виде улучшения качества металлической начинки. Даже если он нанесен конформно, это можно исправить на этапе оплавления, который устранит любые швы или пустоты в заполнении.

Кроме того, когда речь идет о тонких пленках, кобальт также может иметь более низкое сопротивление. Это потому, что размер зерен металла больше, что обеспечивает более плавное движение электронов. Причиной более крупных зерен (по крайней мере частично) является этап оплавления. В большей или меньшей степени это отжиг (как мы увидим), позволяющий зернам расти.

Итак… если это так, то почему бы не оплавить вольфрам и не получить те же преимущества? Потому что вольфрам — тугоплавкий металл, а это значит, что он имеет очень высокую температуру плавления — 3422 °C. С другой стороны, кобальт плавится при температуре 1495 °C*. Так что оплавление кобальта практично; вольфрам… не очень.

Собираем варианты

На этот раз мы рассмотрим кобальт для межсоединения. Журнал Applied Materials («Прикладной» среди друзей) провел сравнение вольфрама, алюминия, меди и кобальта. Примечательно, что они провели различие между узкими металлическими и широкими металлическими элементами. Итак, для тех из вас, кто молча задает вопрос: «Почему именно сейчас? Что изменилось?» ответ в том, что размер объекта изменился.

Давайте сосредоточимся на узких функциях. Способность заполнять «пробелы» – которая дала нам приложение с высоким соотношением сторон – является самой высокой у кобальта, основанного – к удивлению – оплавления. Сопротивление также самое низкое у кобальта, а надежность высокая. Эта надежность во многом связана с электромиграцией (ЭМ).

ЭМ вредит меди из-за ее температуры плавления – 1085 °С. Алюминий еще хуже: его температура плавления составляет 660 °C. Таким образом, хотя температура плавления кобальта – значительно ниже, чем у вольфрама – помогает с точки зрения оплавления, она все еще достаточно высока, чтобы превзойти медь и алюминий, когда дело доходит до ЭМ.

Но как насчет сопротивления? Прежде чем мы углубимся в причины этого, давайте кратко взглянем на цифры с широкими возможностями. (Прикладная граница между узким и широким составляет 20-30 нм.) Здесь сравнивают только алюминий и медь – единственные металлы, получившие широкое распространение в межсоединении. Когда дело доходит до сопротивления, медь отмечена зеленой рамкой. На узкой стороне находится только желтая коробка. Хорошо, эти цвета коробок не совсем количественные, но можем ли мы сделать вывод, что широкая медь имеет меньшее сопротивление, чем узкая медь?

Что ж, это было бы очевидным «да», если бы мы смотрели на само сопротивление — все, что шире, менее сопротивляется. Но что, если мы рассматриваем удельное сопротивление? (Которыми мы являемся…) Можно подумать, что эта мера устранит всю проблему с измерениями. Но для более узких функций он все равно выше. Что с этим??

Здесь мы подходим к низкоуровневому понятию длины свободного пробега электрона. В Applied есть график этого показателя как для меди, так и для кобальта в зависимости от ширины объекта. И вот, происходит нечто неожиданное: в то время как медь доминирует с более широкими характеристиками, на отметке 10 нм наблюдается пересечение. В остальном медь побеждает (и похоже, что с еще более широкими линиями они становятся менее чувствительными к ширине — что звучит более интуитивно). Ниже 10 нм побеждает кобальт.

Поток с перекомпоновкой

Поток межсоединений кобальта показан справа. Вероятно, это выглядит знакомо, за исключением этапа «отжига» (на котором происходит перекомпоновка). Анонсируя этот процесс получения кобальта, компания Applied также представляет новую машину, выполняющую этот этап: машину для отжига Producer® Pyra™. Нанесение происходит, как и раньше, на линии Endura®; Планаризация выполняется на машине Reflexion® LK Prime™ CMP Co.