עתיד טכנולוגיית ה־Back-end-of-line (בראשי תיבות באנגלית: BEOL) בייצור שבבים
יצרני השבבים ממשיכים להציג שיפורים בטכנולוגיית הטרנזיסטורים ב־Front-end-of-line (בראשי תיבות באנגלית FEOL), ונוצר צורך להתאים את טכנולוגיית חיבורי הביניים (Interconnect) ב־BEOL להתקדמות בתהליך הייצור. בשלב ה־BEOL נערמות שכבות מתכת שונות (מקומית, ביניים, גלובלית למחצה וגלובלית) ומחוברות זו לזו באמצעות מבנים אנכיים המלאים במתכות. עם כל דור טכנולוגיה חדש, הופכות צפיפות החיבורים והשהיית האות (בשל הגדלת קבוע הזמן במעגל RC) לאתגר גדול עוד יותר ומאלצות את יצרני השבבים לחפש שיטות וחומרים חדשים לייצור חיבורי הביניים.
בתהליך ייצור 5 ננומטר – תהליך ייצור השבבים העדכני ביותר בשימוש מסחרי – המרחק הקטן ביותר בין חיבורי הביניים בשכבה המקומית הוא 28 ננומטר בלבד! שיקוע נחושת בשיטת Damascene כפולה היא עדיין הנפוצה והאמינה ביותר לייצור חיבורי הביניים. אבל כשהמרחק בין חיבורי הביניים צפוי בקרוב לרדת ל־21 ננומטר ובהמשך אף למרחקים קטנים עוד יותר, יצרני השבבים נוטשים בהדרגה את טכנולוגיות הייצור המסורתיות. imec צופה שבדורות הבאים של תהליכי הייצור ייכנסו לשימוש שיטות אינטגרציה חדשות, ובהן מטליזציית קדח מעבר (Via) היברידי, תהליך שיקוע Damascene למחצה וגובה היברידי עם קדח מעבר אפס.
תמונה 1 – מפות הדרכים של imec לטכנולוגיות FEOL (למעלה) ו־BEOL (למטה).
במקביל, נחקרים מוליכים חלופיים עם גורם איכות (Figure of merit) טוב יותר לשימוש בתהליכי הייצור החדשים. גורם האיכות מוגדר כהתנגדות הכללית של התקן וממוצע הנתיב החופשי של נושאי המטען במתכת. מועמדים מבטיחים לשימושים האלה הם קובלט (Co), רותניום (Ru), טונגסטן (W) וסגסוגות בין־מתכתיות בינאריות כגון AlNi או RuV3.
כמו כן, אחד החומרים המעניינים ביותר כיום הוא הגרפן, שבזכות תכונותיו מצא את דרכו למספר הולך וגדל של יישומים טכנולוגיים עדכניים, ובהם: ביוסנסור, אחסון אנרגיה, מערכות תאים סולאריים, אלקטרוניקה אופטית וטכנולוגיות CMOS.
מדוע דווקא גרפן?
בשנים האחרונות מתמקד המחקר בתחום חיבורי ביניים בגרפן, בשל יכולתו לשמש בתפקידים שונים בטכנולוגיה הזאת. שתיים מהתכונות שהופכות את הגרפן למועמד מעניין הן יכולתו לשמש במחסום חמצון ומחסום דיפוזיה דק מאוד עבור מתכות. כמו כן, בודקים החוקרים את ההתכנות להשתמש בתיילי גרפן מרובדים או בננו-רצועות גרפן כחלופה למוליכים המסורתיים.
העניין שמעורר הגרפן אינו מפתיע. לגרפן ניידות חשמלית גבוהה (עד ל־200,000cm2V-1s-1) וכושר הולכת זרם גבוה (עד ל־108A/cm2). כמו כן, לגרפן מוליכות חום גבוהה והוא עמיד יותר בפני אלקטרומיגרציה (הסחפות אלקטרונים). הגרפן הוא גם חומר דק מאוד ותכונה זאת עוזרת להקטין את עיכוב האות במעגל ה־RC.
תמונה 2 – תכונות הגרפן (ננו־צינורית של פחמן [CNT], שכבה אחת של גרפן (SLG) וכמה שכבות של גרפן (FLG) לעומת חיבורי ביניים מחומרים אחרים הנחקרים כיום: טונגסטן (W), נחושת (Cu) ורותניום (Ru).
למרות התכונות המעניינות האלו, יש לגרפן חסרון בולט אחד: ריכוז נושאי מטען קטן מדי מכדי לשמש כחיבור ביניים. ריכוז נושאי המטען הנמוך מקטין באופן ניכר את מוליכות החשמל של הגרפן, אחת התכונות החשובות ביותר של חיבור ביניים, הנגזרת מהניידות החשמלית וריכוז נושאי המטען בחומר. הפתרון שהודגם הוא שימוש בכמה שכבות של גרפן כדי להגיע לחיבור ביניים עם מוליכות שוות ערך לזאת של נחושת. מספר השכבות מאזן בין תרומתו הכללית של החומר להתנגדות ולקיבול.
למרבה המזל, יש דרכים לשנות את המוליכות של הגרפן. היכולת הזאת עומדת בבסיס המחקר בתחום הננו־רצועות של גרפן, שהן יריעות גרפן שעוצבו לרצועות דקות. גם הזווית שבה מונחות יריעות הגרפן זאת על גבי זאת יכולה לשפר מאוד את מוליכות החשמל. והשיטה האחרונה שבה אפשר להגדיל את מוליכות החשמל של הגרפן היא באמצעות אילוח אלקטרונים או יצירת חורים חשמליים נוספים לשיפור כושר הולכת הזרם. אפשר לבצע את האילוח בכמה שיטות, כשאחת הנפוצות שבהן היא אילוח באמצעות הצמדת שכבת גרפן לשכבת מתכת כמו נחושת או רותניום. המבנים ההיברידיים האלה של גרפן ומתכת משלבים בין התכונות הטובות ביותר של שני החומרים: הריכוז הגבוה של נושאי מטען במתכת והניידות החשמלית הגבוהה של הגרפן.
מאמר זה עוסק בשאלת ההיתכנות של השימוש במבנים היברידיים של מתכת וגרפן ביישומי חיבורי ביניים בתהליך יצור קטן מ־2 ננומטר. נחקרים שני מבנים שונים: מתכת בציפוי גרפן וגרפן בציפוי מתכת. המתכת המשמשת במחקר היא רותניום (Ru), מכיוון שלאחרונה היא התבססה כחלופה המובילה למטליזציה של נחושת. עם זאת, הקונספטים של חיבורי הביניים המוצגים כאן צפויים להתאים גם למתכות נוספות.
רותניום בציפוי גרפן
במחקר זה יצרו חוקרי imec מבנים היברידיים של גרפן/רותניום באמצעות העברת יריעת גרפן מרובדת (שגודלה בשיטת שיקוע אדים כימי; בראשי תיבות באנגלית: CVD) אל יריעת רותניום דקה (לרוב בעובי של 5 נומטר) שגודלה בשיטת שיקוע אדים פיזיקלי (בראשי תיבות באנגלית: PVD). לאחר ההעברה, נמצא כי הגרפן נקשר היטב למשטח הגדול של שכבת הרותניום בשיקוע אדים פיזיקלי (PVD).
מנקודת מבט של יישומי חיבורי ביניים, אילוח הגרפן באמצעות מתכת צפוי להתרחש באזור המגע בין יריעת הגרפן ליריעת הרותניום. כדי להבין את מנגנון האילוח וכיצד לשלוט עליו, נחקרה ביסודיות העברת המטענים בנקודת המגע בין יריעות הרותניום והגרפן. החוקרים מצאו כי התנגדות יריעת הרותניום קטנה בשיעור ממוצע של 15% לאחר העיטוף בגרפן. כמו כן, הבחינו החוקרים גם בירידה באנרגיית הפרמי של אלקטרוני הערכיות בגרפן בשיעור של ~0.5eV לעומת גרפן רגיל, ערך המתאים לריכוז חורים חשמליים של 1.9E13cm-2. ממצא זה מעיד כי ציפוי הרותניום בגרפן הוביל לכך שהגרפן עבר אילוח מסוג P בנקודת המגע בין החומרים.
תרשים 3: מדידת ההתנגדות של יריעת רותניום חשופה (שחור) ויריעת רותניום מצופה בגרפן (באדום) עבור עוביים שונים של יריעת רותניום דקה (תרשים זה הוצג בכינוס IITC 2019).
במחקר נמצא כי ציפוי הרותניום בגרפן יכול לשפר את הביצועים החשמליים של רותניום ביישומי חיבור ביניים. עם זאת, נדרשים נתונים וידע נוספים על מנת לקבוע מהו מנגנון ההולכה בתוך המבנה ההיברידי של מתכת בציפוי גרפן. ייתכן שיריעת הרותניום נותרת המוליך העיקרי, כשהגרפן רק עוזר להקטין את ההתנגדות על ידי שיכוך מנגנוני הפיזור במתכת; או ששני החומרים מתפקדים במקביל כמוליכים, כשלגרפן שבמבנה מוליכות חשמלית גבוהה יותר (לעומת גרפן נקי) כתוצאה מהעברת המטענים. כיום נחקרים מודלים שונים בניסיון להבין טוב יותר את מנגנון ההולכה בתוך המבנה ההיברידי.
בתוך כך חשוב לציין כי עיטוף הרותניום בגרפן הוביל לכך שקווי הרותניום הפכו פחות רגישים לתנודות טמפרטורה. ייתכן שהסיבה לכך היא מוליכות החום הגבוהה של הגרפן שמשמש הלכה למעשה כגוף קירור שמפזר את החום. לממצא זה חשיבות רבה עבור יישומי חיבור ביניים עתידיים מכיוון שפיזור לא מספיק טוב של החום שנוצר בתוך מעגל משולב לסביבה הדיאלקטית עלול לפגוע באמינותם של חיבורי הביניים בתנאי חום.
החוקרים סיכמו כי מבנים היברדיים של מתכת בציפוי גרפן הם פתרון לבעיית השהיית האות במעגל RC. imec צופה שהם יתווספו למפת הדרכים של טכנולוגיית ה־BEOL עבור תהליך ייצור של 1 ננומטר.
כריך של מתכת וגרפן
במבט לתהליכי ייצור מתקדמים עוד יותר, בודקים החוקרים ב־imec את האפשרות לסדר שכבות של גרפן ומתכת לסירוגין על מנת לשפר עוד יותר את מוליכות החשמל. במבנה כזה שבו כל יריעת גרפן נמצאת בין שתי יריעות מתכת נוצר מבנה חדש ושונה שבו יריעת מתכת נמצאת על יריעת גרפן. בדומה למחקר של מבנה מתכת המצופה בגרפן, המגע בין הגרפן למתכת יכול לשנות את תכונות החומר של הגרפן. כמו כן, פיזור המטען בנקודת המגע מאפשר לשנות באופן משמעותי את מבנה רמות האנרגיה של הגרפן.
עם זאת, היכולת ליצור מבנה של גרפן מצופה במתכת נותר אתגר הנדסי מורכב. בדרך כלל בנויה שכבת הגרפן (שהועברה) מסיבים בכיוונים שונים ואקראיים, כשקצוות הסיבים משמשים כפגמים קווים ומרכזי התגרענות עבור שיקוע המתכת על המשטח העליון. מבנה זה מקשה על יצירת שכבת מתכת אחידה שתכסה את כל שטח הגרפן בשיטות שיקוע מסורתיות כמו PVD או ALD. לא זאת אף זאת, ההעברה מובילה לזיהום משטח הגרפן ונדרשת שיטת ניקוי מתאימה שלא תגרום נזק לשכבת הגרפן.
במחקר במעבדה ניקו חוקרי imec את משטח הגרפן בפלזמת מימן (באמצעות פלזמה Ar/H2) ולאחר מכן ציפו אותה במתכת (רותניום) בשיטת נידוף באמצעות קרן אלקטרונים. בשלב הבא בדקו כיצד משפיעים התהליכים האלה על מוליכות החשמל של מבנה הגרפן בציפוי רותניום. נמצא כי החשיפה לפלזמת המימן הובילה לאילוח מסוג N של הגרפן ולעלייה בריכוז נושאי המטען. לרוע המזל, החשיפה לפלזמה גרמה נזק ליריעת גרפן בודדת. שכבות גרפן עבות יותר היו עמידות יותר. בתנאים האלה, נצפה שיפור בשיעור 18% במוליכות החשמל של מבנה גרפן בציפוי רותניום (לאחר טיפול בפלזמה). אלו תוצאות ראשוניות מבטיחות ואפשר לצפות שמיטוב המבנה כימי של פלזמת המימן, התנאים שבהם מתבצע התהליך והגדלת מספר השכבות במבנה המרובד מתכת־גרפן־מתכת, יובילו לשיפורים נוספים.
תרשים 4 – (משמאל) תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) של מספר קטן של שכבות גרפן שנוקו בפלזמה ומצופות ברותניום; (מימין) עקומות תכונות ההעברה של התקני BLG מציגים את השנוי בזרם ובנקודת המטען הנייטרלי (CNPP) עבור גרפן שלא עבר טיפול ושל גרפן שטופל בפלזמה. הקווים המלאים והמקווקווים מייצגים את הגבול העליון והתחתון של עקומות ההעברה, בהתאמה, שהתקבלו מבדיקת 63 התקנים.
עם הפנים אל ייצור תעשייתי…
התוצאות האלו מדגימות את פוטנציאל הביצועים של מבנה היברידי של מתכת/גרפן בחיבורי ביניים עבור תהליכי ייצור מתקדמים. עם זאת, קיימים כמה אתגרים שעליהם צריך להתגבר בדרך לייצור חיבורי ביניים מתקדמים כאלה בפרסות בגודל 300 מ”מ. לדוגמה: בעוד שמחקר זה מתמקד בהעברת שכבת הגרפן, דרך מחוכמת יותר לציפוי מתכת בגרפן תהיה גידול יריעת הגרפן ישירות על תבנית המתכת שאותה רוצים לחקור. גידול גרפן באיכות גבוהה דורש טמפרטורות גבוהות (900°C עד 1000°C) ולכן תהליך זה לא ישים עבור סוגי המתכות המשמשות בחיבורי ביניים. מנגד, שיקוע בטמפרטורות נמוכות יותר מוביל ליריעת גרפן באיכות נמוכה יותר.
במחקר זה נעשה שימוש בשיטה חלופית שבה מועברת שכבת גרפן באיכות גבוהה שגודלה על יריעות פלטינה בתהליך שיקוע אדים כימי (CVD). שיטת ההעברה הזאת יכולה להיות שימושית מאוד בסביבה שבה קיימת מגבלת טמפרטורה. imec הדגימה שיטה לקילוף והעברת גרפן באיכות גבוהה לפרוסות בגודל 300 מ”מ, אבל הצלחתה תלויה מאוד במבנה הטופוגרפי של פני שטח יריעת המתכת. כמו כן, שיטה זאת הופכת את התהליך כולו למורכב וארוך יותר, ולכן מחייבת בקרת אחידות ותהליך קפדנית יותר.
יש צורך במחקר נוסף כדי למצוא דרכים למזעור הפגיעה באיכות הגרפן ולשליטה על כיוון שכבות הגרפן. imec ממשיכה לערוך מחקרים בתחום זה במטרה לפתור את בעיות האינטגרציה האלו וכדי להפוך את המבנים ההיברידים של גרפן לטכנולוגיה מסחרית שאותה יוכלו לשלב יצרני מוליכים למחצה בקווי הייצור שלהם.
סיכום
למבנים היברידיים של גרפן ומתכת יש פוטנציאל גדול עבור טכנולוגיות BEOL לתהליכי ייצור מתקדמים של 1 ננומטר והלאה. במחקר זה נבדקו שני סוגי מבנים: מתכת בציפוי גרפן וסידור של יריעת גרפן בין שתי יריעות מתכת. בשני המקרים, למגע בין הגרפן והמתכת היה תפקיד מרכזי בשיפור ביצועי מוליכות החשמל של חיבור הביניים ההיברידי. אמנם כרגע טכנולוגיית חיבור ביניים על בסיס מתכת בציפוי גרפן היא הבשלה יותר, אבל ייתכן שבעתיד המבנה של שכבת גרפן בין שתי שכבות מתכת יהיה זה שיחליף אותה עבור תהליכי ייצור מתקדמים עוד יותר.
על מחברי המאמר
סוואטי אקרה (Swati Achra) לומדת כיום לתואר PhD בפקולטה להנדסת חומרים של אוניברסיטת לוון וב־imec. היא הצטרפה לצוות ננו־חיבורי הביניים של imec בשנת 2017 ועובדת על פיתוח חיבורי ביניים על בסיס גרפן עבור הדורות הבאים של תהליכי ייצור מתקדמים. בשנת 2017 היא סיימה בהצטיינות (magna cum laude) את לימודיה לתואר M.Sc במסגרת תכנית Erasmus Mundus Masters בתחומי הננו־מדעים וננוטכנולוגיה באוניברסיטת לוון שבבלגיה, ובאוניברסיטת Université Grenoble Alpes שבצרפת. במהלך עבודת התזה שלה היא עבדה במכון Institut Néel, CNRS שבצרפת, שם למדה שיטות להעברה תרמית בגרפן מורחף ובממברנות CNT. היא קיבלה מלגת L’Initiative D’Excellence (IDEX) במסגרת תכנית European Graduate Program. קודם לכן היא עבדה כמתמחת מחקר בצוות החומרים דו־ממדיים ב־imec שעסק בפיתוח שיטות העברה בעזרת חומרים דיאלקטריים עם ספין אלקטרונים של מתכות TMDC דו־ממדיות. בשנת 2015 היא סיימה בהצטיינות תואר B.Tech בהנדסה כימית והנדסת חומרים באוניברסיטת Amrita Vishwa Vidyapeetham שבטאמיל נאדו, הודו.
אינגה הסלברגס (Inge Asselberghs) היא מנהלת תכנית הלוגיקה המחקרית ב־imec. בשנת 1998 היא סיימה את לימודיה לתואר M.Sc בכימיה באוניברסיטת לוון שבעיר לוון שבבלגיה, ובשנת 2003 השלימה את לימודיה לתואר Ph.D בכימיה באותה אוניברסיטה. לאחר השתלמות פוסט־דוקטורנטית באופטיקה לא לינארית, היא הצטרפה ל־imec שבעיר לוון שבבלגיה כחוקרת והייתה מעורבת במחקר לאפיון וייצור התקן המבוסס על חומר דו־ממדי.
זולט טוקיי (Zsolt Tokei) הוא עמית מחקר וראש תכנית ננו־מחברי הביניים ב־imec. הוא הצטרף ל־imec בשנת 1999 ומאז שימש במספר רב של תפקידים טכניים בארגון. תחילה כמהנדס תהליך וחוקר בתחום חיבורי ביניים מנחושת עם ערך K נמוך, ולאחר מכן כראש ענף המתכות. בהמשך הוא הפך למדען ראשי ולמנהל תכנית חיבורי הביניים הננומטריים. יש לו תואר M.S. בפיזיקה (1994) מאוניברסיטת Kossuth שבעיר דברצן שבהונגריה. הוא עשה את התזה שלו באוניברסיטת Kossuth בהונגריה ובאוניברסיטת Aix Marseille-III שבצרפת, וקיבל בשנת 1997 תואר Ph.D בפיזיקה ובהנדסת חומרים. בשנת 1998 הוא התחיל לעבוד כפוסט־דוקטורנט במכון Max-Planck Institute בעיר דיסלדורף שבגרמניה. מאז שהצטרף ל־imec הוא עובד על מציאת פתרונות לאתגרים מגוונים בתחום חיבורי הביניים, ובהם גודל, מטליזציה, תכונות חשמליות, אינטגרציה של ההתקנים, אמינות ואפיון המערכת.
