שיטה ייחודית לחקר מתכות חלופיות לבניית מחברי ביניים בעידן האנגסטרום.
- לפני כחמש שנים, התחילו החוקרים ב־imec לחקור סגסוגות בינאריות ושלישוניות כתחליף לנחושת בתהליכי הייצור של מחברי ביניים בעתיד, וכך יצרו תחום מחקר חדש לגמרי.
- אחת מאבני היסוד של תהליך החיפוש הוא סינון חומרים לא מתאימים, ולכן פיתחו החוקרים ב־imec שיטה מיוחדת לדירוג החומרים כך שיישארו רק עם מועמדים מבטיחים.
- במאמר זה, נתאר את השיטה המוצעת, נעבור על התוצאות הראשוניות ונביט אל העתיד.
האם זהו סוף עידן הנחושת?
מאז אמצע שנות התשעים, נחושת היא המלכה הבלתי מעורערת בתחום ייצור מחברי ביניים וקדחי מעבר בטכנולוגיית BEOL. מאז ועד היום, לא נמצא חומר אמין או בעל מוליכות טובה יותר מנחושת, בייצור בשיטת שיקוע Damascene כפולה ולכן לא עלה הצורך להחליפה.
אולם, המשך מזעור השכבות בכל דור חדש של מוליכים למחצה יוביל בסופו של דבר לכך שרוחבן של השכבות המקומיות לא יעלה על 10 ננומטר. לרוע המזל, בממדים הזעירים האלה ההתנגדות של הנחושת גדלה באופן משמעותי ופוגעת בביצועי השבבים.
כמו כן, נחושת זקוקה לשכבת מעטפת, שכבת מחסום ולמכסה, כדי לשמור על אמינותה. השכבות הנוספות האלו מפחיתות את נדידת המטענים החוצה אל החומר הדיאלקטרי שמקיף את הנחושת (ובשל כך גם את הסיכון לפריצת הבידוד) ומבטיחות היצמדות טובה. עוביין של השכבות האלו (שלהן בדרך כלל התנגדות גבוהה) מקשה על המשך מזעור מחברי הביניים. הן תופסות יותר מדי מקום מבלי לתרום תרומה משמעותית למוליכות.
הדאגה בשל התנהגותה של הנחושת עם המשך המזעור חייבה את קהילת פיתוח מחברי הביניים להתחיל לחפש מתכות חלופיות ושיטות מטליזציה חדשות. בתחילה, התמקד החיפוש במתכות טהורות, מכיוון שהן המוליכים הפשוטים ביותר ותוכנותיהן ידועות ומתועדות היטב. נתון מעניין הוא שבעוד שנחושת צפויה להציג את הביצועים הגרועים ביותר בגדלים זעירים, כשמתכות כמו קובלט (Co), רותניום (Ru), רודיום (Rh), אירידיום (Ir) ומוליבדן (Mo) צפויות להציג ביצועים טובים יותר [1], דווקא בשבבים גדולים יותר, ההתנגדות של המתכות החלופיות האלו גבוהה יותר מזאת של נחושת. מכיוון שהתנגדותן גדלה לאט יותר מזאת של נחושת ככל שגודל הרכיב קטן, הן מועמדות מבטיחות יותר לשמש ברכיבים זעירים. עם זאת, התנגדות היא לא השיקול היחיד וחלק מהמתכות הטהורות נפסלו בשל שיקולים כמו מחירן או ההשפעה השלילית של כרייתן על הסביבה.
תמונה 1 – ההתנגדות של מתכות שונות כפונקציה של עובי השכבה.
סגסוגות כמוליך: תחום מחקר חדש
לפני כחמש שנים, החליטה imec להרחיב את המחקר ממתכות טהורות לסגסוגות. המטרה הייתה לענות על השאלה האם אפשר למצוא סגסוגת בינאריות ו/או שלישוניות (תרכובות בין מתכתיות) שלהן התנגדות ואמינות טובות יותר מאלו של נחושת ומתכות טהורות נוספות בגדלים זעירים? והאם השימוש בהן מבטל את הצורך בשכבת מעטפת ומחסום למניעת נדידת מטענים? התוצאות הראשוניות של המחקר פורץ הדרך הזה, שפורסמו בשנת 2018 בכינוס הבינלאומי International Interconnect Technology Conference (או בקיצור IITC 2018) היו מעודדת מאוד [2]. מאז, קבוצות מחקר ופיתוח בכל רחבי העולם אימצו את הרעיון והחלו לחקור סגסוגות חלופיות, כשכיום עיקר תשומת הלב נתונה לסגסוגות בינאריות [3, 4, 5].
תמונה 2 :מיון הסגסוגות הבין מתכתיות הבינאריות שנבדקו.
ρ0 :התנגדות סגולית, λ :הנתיב החופשי של נושאי המטען במתכת.
קרדיט: IMEC
אולם, חיפוש המתכות החדשות אינה משימה פשוטה כלל ועיקר. אחד האתגרים הגדולים של המחקר הוא המספר הגדול של שילובים אפשריים בין חומרים והעדר מידע מספיק על תכונותיהן של מתכות רבות בגדלים זעירים. בדרך כלל, אין אפילו מידע על התכונות הפיזיקליות של התרכובות האלו. לפני שנוכל להתחיל בניסויים, קודם כל עלינו לענות על השאלה איך אפשר לקצר את הרשימה הזאת? איך נדע שהחומרים שבחרנו לא פוגעים בסביבה ושעלותם לא תמנע אימוץ מסחרי נרחב? והאם הסגסוגות האלו יציבות ומתאימות לשיטות המטליזציה המשמשות בייצור?
מאמר זה מציג שיטה ייחודית ומהימנה לדירוג הסגסוגות השונות וקיצור הרשימה על בסיס חישובים תיאורטיים, ניסויים ומודלים ממוחשבים ברמת האטום. לאחר מכן, נתייחס לפוטנציאל של החומרים ונדון במה צפוי בעתיד, או במילים אחרות: כיצד לשלבם בשיטות המטליזציה המשמשות בייצור.
חישובים ברמת האטומים מצמצמים את מספר הסגסוגות המועמדות
קיימים יותר מ־5,000 שילובי חומרים שמהם אפשר ליצור סגסוגות בינאריות מוליכות, ומספר שילובים גדול עוד יותר ליצירת סגסוגות שלישוניות. לכן, השלב הראשון הוא לבנות שיטה מהימנה לצמצום הרשימה כדי למקד את תהליך הפיתוח ולזרזו. כך לדוגמה, לא מספיק לבחון רק את ההתנגדות (הסגולית) של הסגסוגת, מכיוון שהיא עשויה להשתפר דווקא בגדלים זעירים.
יש צורך להגדיר את תכונות המפתח של החומר שאותן צריך להשוות לאלו של נחושת כדי לקבוע את מידת התאמתו. צוות מחברי הביניים של imec הציע שתי תכונות: אנרגיית הקשירות וערך הכפלת ההתנגדות הסגולית בממוצע הנתיב החופשי של נושאי המטען במתכת.
התנגדות x ממוצע הנתיב החופשי כסמן לחיזוי הגדלת ההתנגדות בגדלים זעירים
החומר שממנו יהיו עשויים מחברי הביניים בעתיד יהיה בעל התנגדות סגולית וערך ממוצע הנתיב החופשי של נושאי המטען במתכת נמוכים ככל האפשר. ככל שממוצע הנתיב החופשי של נושאי המטען במתכת קטן יותר, כך נושאי המטען יהיו פחות רגישים לפיזור תלוי גודל, בשל תופעת גבולות המשטח או הגרגר שמתרחשת במחברי ביניים זעירים. במילים אחרות: ממוצע נתיב חופשי קטן יותר של נושאי המטען במתכת פירושו שינויים קטנים יותר בהתנגדות בשל גודל מחבר הביניים.
כדי להקל על החישוב, אנחנו משתמשים בערך הכפלת ההתנגדות הסגולית בממוצע הנתיב החופשי של נושאי המטען במתכת כמדד הראשון כדי לבצע את הסינון הראשון. כדי להיחשב כמתכת מתאימה לשימוש במחברי הביניים של העתיד, הערך הזה צריך להיות טוב יותר מזה של נחושת שלה התנגדות סגולית של 17 מיקרו־אוהם ס”מ וממוצע נתיב חופשי של נושאי המטען במתכת של 39 ננומטר (בטמפרטורת החדר).
אנרגיית הקשירות כסמן אמינות
התכונה השנייה, אנרגיית הקשירות, משמשת להערכת אמינות המוליך במחבר הביניים. בדרך כלל, מושפעת אמינות מחבר הביניים משתי תופעות. הראשונה: המוליכים עלולים לסבול מהיסחפות נושאי מטען בשל זרם גבוה או דיפוזיה של אטומים בשל הפרשי חום או עומס. כמו כן, בחלק מהמתכות נוטים האטומים לעבור בדיפוזיה לחומר הדיאלקטרי שמסביב. ללא מחסום, נדידת האטומים עלולה להוביל לפריצת הבידוד. ההשפעה שיש לשתי התופעות האלו תלויה בקלות שבה מתנתקים אטומי המתכת מהחומר שממנו עשוי מחבר הביניים, וזה בדיוק מה שתכונת אנרגיית הקשירות יכולה לחזות. עבור נחושת, ערך אנרגיית הקשירות הוא ~4eV.
אפשר לחשב את הערכים האלה ברמת האטום על סמך התכונות הפיזיות של המוצק ותצורה האלקטרונית של החומר, ולבנות מהם גרף. רק הסגסוגות שאנרגיית הקשירות שלהן שוות ערך או טובה יותר מזאת של נחושת ושערך הכפלת ההתנגדות הסגולית בממוצע נתיב נושאי המטען נמוך מזה של נחושת, ממשיכות לשלב הבא.
אבל לא די בכך, ולפני שממשיכים לשלב הבא נלקחים בחשבון מאפיינים נוספים, ובהם כמה טוב נצמדות הסגסוגות האלו לחומר הדיאלקטרי? האם הסגסוגות האלו קיימות כפאזה יציבה (תרמודינמית)? והאם יש צורך בשלבי ליבון כדי להגיע לפאזות היציבות האלו, והאם הטמפרטורות מתאימות לתהליך BEOL? האם הסגסוגות מכילות חומרים רעילים או נדירים? ומהי עלות החומר? שימוש בידע בהנדסת חומרים מאפשר לנו לפסול שילובים נוספים ולהמשיך לצמצם את רשימת הסגסוגות המועמדות.
יש צורך במחקר נוסף כדי לאמוד את פוטנציאל המזעור
רשימת החומרים הקצרה על בסיס החישובים התיאורטיים היא נקודת הפתיחה להמשך המחקר על פרוסות בקוטר 300 מ”מ במטרה לאמת את הממצאים התיאורטיים. תוצאות הניסויים ישמשו גם כבסיס למודלים ממוחשבים במטרה להבין טוב יותר כיצד מתנהגים המוליכים בגדלים זעירים.
בסדרת ניסויים אחת, שיקעו החוקרים שכבות דקות בעובי משתנה ומדדו את ההתנגדות. בסדרת ניסויים אחרת, מיוצרים דגמי מחקר עם מבנים מעוצבים בצורת T המתאימים לשמש במחברי ביניים כדי לבדוק את פוטנציאל המזעור בפסים צרים. לחלק משילובי החומרים תהיה התנגדות סגולית גדולה יותר מנחושת. כדי להישאר ברשימה, אסור שהערך הזה יהיה גבוה מדי וההתנגדות צריכה לגדול בשיעור נמוך יותר מזה של נחושת, עם נקודות הצטלבות באזור ה־10 ננומטר (או גבוה יותר) – הגודל שבו השימוש בנחושת מתחיל להיות בעייתי.
הניסויים האלה מעניקים לנו גם מושג לגבי מידת הדיוק של החישובים התיאורטיים המשמשים לצמצום הרשימה.
זיהוי מועמדים: מסגסוגות בינאריות על בסיס אלומיניום ועד פאזות מאקס שלישוניות
ההדמיות הממוחשבות הדגימו תכונות מבטיחות בסגסוגות בינאריות שונות, ובהן סגסוגות על בסיס אלומיניום, נחושת ורותניום. בימים אלה, קבוצות מחקר בכל רחבי העולם חוקרות את התנהגות ההתנגדות של הסגסוגות הבינאריות האלו. בשנים 2019 ו־2020, קבוצות חוקרים מאסיה ומארה”ב דיווחו על התקדמות המחקרים [3, 4, 5]. בכינוס IITC 2021, הציגה imec ממצאים נוספים על התנגדותן של שכבות דקות של סגסוגות על בסיס אלומיניום על גבי פרוסה בקוטר 300 מ”מ, ובהן אלומיניום־ניקל (AlNi) ואלומיניום־נחושת (AlCu) [6]. העיסוק העולמי במחקר ממחיש את הצורך במציאת מוליכים חדשים, ולמרות שהושגה התקדמות יפה, עדיין נותרו אתגרים רבים בתחום החומרים ושיטות הייצור, שאותם צריך לפתור.
תמונה 3 – התנהגות ההתנגדות של חלק מהסגסוגות הבינאריות המבטיחות.
הצוות שלנו לא הסתפק בזה והחליט לחקור גם סגסוגות שלישוניות ומורכבות יותר. אולם, מספר השילובים האפשריים של סגסוגות שלישוניות כל כך גדול, עד שאי אפשר להשתמש בחישובים תיאורטיים כדי לצמצם את הרשימה לפני תחילת הניסויים. התכונות של רוב הסגסוגות השלישוניות לא ידועות, גם כשהן על בסיס מתכת. לכן, עלינו לבחור קבוצות חומרים שכבר נחקרו, כמו למשל פאזות מאקס. פאזות מאקס הן מבנים מרובדים המורכבים ממתכת מעבר מוקדמת (M), יסוד מקבוצה A (עמודות 13 או 14 בטבלה המחזורית) ופחמן או חנקן (X). הביצועים של חלק מפאזות מאקס האלו צפויים להיות טובים יותר מאלה של יסודות טהורים, אבל יש צורך במחקרים נוספים כדי לאמת זאת. [7, 8].
תמונה 4 – מספר תרכובות מבטיחות על בסיס פאזות מאקס.
תמונה 5 – מאפייני פאזות מאקס יציבות לעומת נחושת (Cu), רותניום (Ru): פוטנציאל ההתנגדות למזעור (ρ0×λ) ואנרגיית הקשירות עבור סטוכיומטריית 211 (שמאל) וסטוכיומטריות 312 ו־413 (ימין). השטחים בצבעים אפור בהיר ואפור כהה מייצגים את האזורים שבהם פאזות מאקס צפויים להציג תכונות עדיפות על אלו של נחושת ורותניום, בהתאמה [8].
השלבים הבאים: פיתוח שיטות מטליזציה והערכת קיימות
דגמי המחקר עם המבנים המתאימים לא מאפשרים לבדוק את מורכבות תהליך ייצור חיבורי הביניים מהסגסוגות האלו. מסיבה זאת, בעתיד הקרוב יתמקד הצוות בהכנות למעבר אל השלב הבא: שימוש בסגסוגות המבטיחות ביותר בשיטות מטליזציה מתאימות והתייחסות לאתגרים שמציגה טכנולוגיית BEOL.
השימוש במתכות החלופיות יעשה בשכבות מחבר הביניים החיוניות (מקומיות) ביותר. על פי מפת הדרכים של טכנולוגיית BEOL, צופה imec כי מחברי הביניים ייוצרו בתהליך שיקוע Damascene למחצה, הכולל איכול של המתכת, כדי להשיג יחס צירים גבוה בפסים [9]. נחושת צפויה להמשיך ולשמש בשכבות העליונות של מחבר הביניים.
תמונה 6 – חתך רוחב של מבנה מרובד אפשרי המורכב מסגסוגת בינארית כמוליך בפסים והמתכת הרפרקטורית בקדחי המעבר.
שימוש בסגסוגות בינאריות ושלישוניות בשיטת שיקוע Damascene למחצה יחשוף את היקף האתגרים העומדים בדרך לייצור מסחרי. לדוגמה: זיהינו את השליטה על סטוכיומטריית השכבה וחמצון שטח הפנים כאתגרים הראשונים שאותם צריך לפתור. המחקרים הבאים צריכים לעסוק גם בשאלת מיטוב אסטרטגיית האיכול המשמש לעיצוב המתכת.
בעתיד, יתרחבו המחקרים ויעסקו גם בהערכת הקיימות. בעוד שקל יחסית להעריך את העלויות והסיכונים בשרשרת האספקה כבר בשלבים המוקדמים של המחקר, כדי להעריך את ההשפעה על הסביבה נדרש ידע מקיף יותר על שלבי התהליך. בין היתר, עלינו להבין טוב יותר את הכימיה הנחוצה לאיכול המוליכים החדשים, שלבי הליבון ותוצרי הלוואי של תהליך ייצור המוליכים החדשים.
סיכום
החיפוש אחרי סגסוגות בינאריות ושלישוניות על בסיס מתכת כתחליף לנחושת במחברי הביניים, שבו החלה imec לפני כחמש שנים, יצר מאז עניין רב בקרב קהילת המחקר הבינלאומית. במאמר זה תיארנו כיצד אפשר לצמצם את רשימת השילובים האפשריים ליצירת סגסוגות חדשות על בסיס תכונותיהן. השיטה מבוססת על חישוב ערכן של שתי תכונות שאותן הגדרנו כסמנים המעידים על התאמת החומר לשימוש המיועד, וכן על מחקרים נוספים ומודלים ממוחשבים. בעזרת השיטה הזאת, זיהינו כמה סגסוגות בינאריות ושלישוניות (מאקס) עם תכונות מבטיחות שישמשו כבסיס להמשך המחקר.
