本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering

鉬非常自然地適用于接觸點和字線應(yīng)用，能很好地融入現(xiàn)有的集成方案。

鉬（Molybdenum）正日益顯示出其潛力，有望取代當(dāng)今半導(dǎo)體制造中常用的多種金屬，尤其是在前沿工藝節(jié)點上。

在先進節(jié)點，芯片制造商正逐一淘汰某些金屬。盡管釕（ruthenium）襯墊已接近量產(chǎn)準備，但該金屬尚未準備好在高度微縮的互連中取代銅。歐洲微電子研究中心（imec）的院士Zsolt T?kei指出，釕的價格非常昂貴，且當(dāng)前的制造工藝對此并無助益。此外，大馬士革工藝中“過度沉積再拋光回蝕”步驟所產(chǎn)生的大量廢料也是一個嚴重問題。而雖然減法金屬化能減少廢料量，但它需要對整體工藝進行更重大且成本高昂的變革。

前景有限的金屬不僅僅僅是銅。晶體管接觸點、存儲器中的字線以及類似應(yīng)用通常使用鎢（tungsten）、鈷（cobalt）和其他金屬，而非銅。然而，它們面臨著許多與銅相同的微縮問題。與銅一樣，隨著特征尺寸的縮小，鎢的電阻率會不斷增加。它還需要一個阻擋層以避免電介質(zhì)污染。在3D NAND器件中，鎧俠的研究人員報告稱，通常用于鎢沉積的六氟化鎢（WF6）前驅(qū)體所產(chǎn)生的氟殘留物可能會被困在空洞中，最終侵蝕周圍的電介質(zhì)材料。隨著特征尺寸縮小和電流密度增加，鎢也面臨電遷移問題。

那么，下一步是什么？對于這些應(yīng)用，一個日益具有吸引力的選擇——至少目前看來——是鉬。T?kei表示，與現(xiàn)有材料及釕等替代品相比，鉬具有多重優(yōu)勢。它的電阻率優(yōu)于鎢，不需要阻擋層，且與釕相比，它更便宜并對電介質(zhì)有更好的附著力。

更少阻擋，更低電阻

在混合金屬化方案中，鉬作為一種無阻擋層的接觸金屬尤其具有吸引力。在這種方案中，首先進行通孔預(yù)填充，然后是銅大馬士革線。因為位于通孔或其他垂直特征底部的阻擋層會串聯(lián)一個額外的電阻，所以底部阻擋層主導(dǎo)了接觸點和通孔的電阻。

拉姆研究（Lam Research）的高級半導(dǎo)體工藝與集成工程師TaeYeon Oh及其同事在近期的IEEE互連技術(shù)大會上展示，無阻擋層的混合鉬方案與傳統(tǒng)的銅雙大馬士革設(shè)計相比，可將總電阻降低約56%。

T?kei表示，將鉬集成到這樣的工藝流程中，除了金屬沉積模塊本身，可能幾乎不需要其他改動。鉬比釕更容易氧化，使其更容易被化學(xué)機械拋光（CMP）去除。

然而，imec的Jean-Philippe Soulié及其同事的一項深入分析警告說，金屬的體特性在評估其在實際器件中性能時價值有限。對于鉬以及其他納米線而言，電學(xué)、熱學(xué)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)。而這些又取決于前驅(qū)體、工藝參數(shù)、底層電介質(zhì)的表面特性等等。

管理電遷移

界面和晶界是電遷移的主要路徑，同時也會引起電子散射并降低電阻率。對于鉬的集成，金屬沉積模塊需要能夠處理像MoO2Cl2和MoCl5這樣的固態(tài)前驅(qū)體?？偟膩碚f，固態(tài)前驅(qū)體在半導(dǎo)體制造中正變得越來越普遍。然而，與氣態(tài)甚至液態(tài)前驅(qū)體相比，固態(tài)前驅(qū)體的熱穩(wěn)定性通常較差，提供的材料通量也不夠均勻。

拉姆研究的研究人員表示，他們通過循環(huán)沉積技術(shù)實現(xiàn)了對晶粒尺寸的精確控制，根據(jù)需要混合基于熱和等離子體的工藝以達到預(yù)期效果。他們的研究表明，大晶粒的鉬薄膜對于成功集成至關(guān)重要。在他們的實驗中，小晶粒鉬的電阻率對厚度的依賴性與鎢相當(dāng)。相比之下，大晶粒鉬的電阻率對厚度的依賴性要小得多，并且在厚度低于約7納米時優(yōu)于鎢、釕，甚至銅。

韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研究顯示，當(dāng)鉬中確實存在晶界時，摻雜鈷等元素有助于減少散射。然而，在較高濃度下，電阻率會急劇增加。

在背面供電應(yīng)用中，預(yù)測金屬行為尤其具有挑戰(zhàn)性。背面供電網(wǎng)絡(luò)會增加電流密度，從而增加電遷移的風(fēng)險。出于類似原因，它們也容易出現(xiàn)熱點。

盡管背面供電配置中的電遷移和散熱問題尚待深入分析，但鉬具有一些明顯的優(yōu)勢。作為一種難熔金屬，即使在非常高的溫度下，它也具有機械穩(wěn)定性。對電介質(zhì)更好的附著力使其更不容易形成空洞。它也是比釕更好的熱導(dǎo)體。中山大學(xué)的一位研究員解釋說，更好的電遷移抗性允許設(shè)計者更緊密地堆疊晶體管，從而減小整體器件面積。

盡管還需要更多的實驗結(jié)果，但早期的鉬集成研究已相當(dāng)有前景。鎧俠的研究小組發(fā)現(xiàn)，相對于鎢，鉬的較低電阻率使他們能夠在保持RC常數(shù)不變的情況下，將字線間距減小7.3%。存儲孔間距縮小了超過3.7%，從而使位密度總體增加了16.3%。

總體而言，T?kei表示，鉬非常自然地適用于接觸點和字線應(yīng)用，能很好地融入現(xiàn)有的集成方案。不過，從長遠來看，釕可能可以擴展到更小的器件上。

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