コバルトの波は続く

デバイスの機能が縮小するにつれて、Cobalt はますます多くのアプリケーションに容赦なく移行しているようです。 これは、銅の封入や高アスペクト比の充填など、これまでの取り組みで主にタングステンに取って代わられてきました。

さて、コバルトは現在、銅の相互接続という新たなターゲットを視野に入れています。 そうです、由緒正しい銅ですら、約 20 年前にアルミニウムに取って代わりました (IBM の躍進は 1997 年でした。今世紀ですらない!)。 コバルトがすでに浸透している理由のいくつかをもう一度説明しますが、その後、なぜ銅が危険にさらされているのか、そしてどこで危険にさらされているのかを特に詳しく見ていきます。

穀物を溶かす

コバルトの処理方法における大きな違いの 1 つはリフローです。 私たちが見た以前の用途でタングステンを置き換えると、金属充填の品質が向上するという即時の利点があります。 たとえコンフォーマルに堆積したとしても、充填内の継ぎ目や空隙を除去するリフローステップによって元に戻ります。

さらに、薄膜の場合、コバルトの方が抵抗が低くなります。 これは、金属粒子のサイズが大きくなり、電子の移動がよりスムーズになるためです。 粒子が（少なくとも部分的に）大きくなる理由は、リフロー ステップにあります。 これは多かれ少なかれ、(後で説明するように) 結晶粒の成長を可能にする焼きなましです。

それで…そうであれば、タングステンをリフローして同じメリットを得てみてはいかがでしょうか? タングステンは高融点金属であり、融点が 3422 °C と非常に高いためです。 一方、コバルトは 1495 °C* で溶けます。 したがって、コバルトをリフローするのが現実的です。 タングステン…それほど多くはありません。

オプションを積み上げる

今回はインターコネクト用のコバルトについて考えていきます。 Applied Materials (通称「アプライド」) は、タングステン、アルミニウム、銅、コバルトの比較をまとめました。 注目すべきことに、彼らは狭い金属フィーチャと広い金属フィーチャを区別しました。 それで、「なぜ今？何が変わったの？」と静かに疑問を抱いている人たちに向けて。 答えは、機能のサイズが変化したからです。

狭いフィーチャに焦点を当ててみましょう。 高アスペクト比のアプリケーションを実現する「ギャップ」を埋める能力は、サプライズリフローに基づくコバルトで最も優れています。 抵抗もコバルトが最も低く信頼性が高いです。 その信頼性はエレクトロマイグレーション (EM) に大きく関係しています。

EM は、融点が 1085 °C であるため、銅を損傷します。 アルミニウムはさらに悪く、融点は 660 °C です。 そのため、コバルトの融点はタングステンよりもはるかに低く、リフローの観点からは役立ちますが、EM に関しては銅やアルミニウムを上回るのに十分に高いのです。

しかし、抵抗についてはどうでしょうか？ その理由を掘り下げる前に、広範囲にわたる特徴の数字を簡単に見てみましょう。 （アプライド社の狭い範囲と広い範囲の境界は 20 ～ 30 nm です。）ここでは、相互接続で広く使用されている唯一の金属であるアルミニウムと銅のみを比較しています。 抵抗に関して言えば、銅は緑色のボックスになります。 狭い側では、黄色のボックスのみが得られます。 OK、これらのボックスの色は正確には定量的ではありませんが、幅の広い銅線は狭い銅線よりも抵抗が低いと結論付けることができますか?

そうですね、抵抗そのものに注目しているのであれば、これは明らかな「はい」でしょう。幅が広いほど抵抗が小さくなります。 しかし、抵抗率に注目するとどうなるでしょうか? (私たちは一体…) この尺度は次元全体のことを考慮に入れるだろうと思うかもしれません。 ただし、範囲が狭い場合はさらに高くなります。 どうしたの？？

ここで、電子の平均自由行程という低レベルの概念に到達します。 Applied には、フィーチャー幅に対してプロットされた、銅とコバルトの両方のこのメトリックのグラフがあります。 そしてなんと、予想外のことが起こります。より広い特徴では銅が優勢ですが、約 10 nm でクロスオーバーが発生します。 それ以上では、銅が勝ちます (そして、線がさらに太くなると、幅の影響を受けにくくなるように見えます。これはより直感的に聞こえます)。 10nm未満ではコバルトが勝ちます。

リフローによる流れ

コバルト相互接続の流れを右に示します。 おそらく、「アニール」ステップ (リフローが行われる場所) を除いて、よく知られたもののように見えます。 このコバルトプロセスの発表に際し、アプライド社はこのステップを実行する新しいマシン、Producer® Pyra™ Anneal マシンも導入しています。 蒸着は、以前と同様に Endura® ラインで行われます。 平坦化は、Reflexion® LK Prime™ CMP Co マシンで行われます。

Endura ラインではある程度の統合が可能ですが、「充填→アニール→オーバーバーデン→平坦化」フローには FOUP が含まれ、毎回移動します (Endura →Producer → Endura → Reflexion)。

コバルトの表面被覆は新しいものではありませんが、アニール ステップの後に堆積されるため、アニールされないことに気づくかもしれません。 適用により、CVD 充填がフィーチャをわずかに過剰充填しているため、すべてのコバルト充填がアニールされることが確認されました。 表皮には PVD ​​が適用されており、クリーンで純粋なフィルムであると彼らは言います。 そのため、CMP 後に残った表面被覆は、その下にあるアニールされたコバルトとともに良好に機能するはずです。

おそらく、これらの用途でコバルトが優れていることが証明されれば、寸法が縮小し続けるにつれて、コバルトは少しずつスタックの上に移動することになるでしょう。 それが送電網に至るまで引き継がれる日が来るのだろうか？ それは想像するのが難しいです…幅 10 nm 未満の電力線は大ざっぱに聞こえます。 繰り返しになりますが、私よりも賢い人々が以前にそのような明白な予測を立て、それが間違っていたことが証明されました。 したがって、この全体の中でコバルトがどこまで浸透するかを見るのは興味深いでしょう。 誰にもわかりません…あと数年後には、またこのようなちょっとした会話ができるかもしれません。

*出典: アプライド マテリアルズ

すべての画像提供: アプライド マテリアルズ

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