Die Kobaltwelle geht weiter

Kobalt scheint unaufhaltsam in immer mehr Anwendungen vorzudringen, da die Gerätefunktionen immer kleiner werden. Bei früheren Versuchen hat es Wolfram weitgehend ersetzt: zum Einkapseln von Kupfer und zum Füllen mit hohem Aspektverhältnis.

Nun hat Kobalt ein neues Ziel im Visier: Kupferverbindungen. Ja, sogar ehrwürdiges Kupfer – das vor etwa 20 Jahren Aluminium ersetzte (IBMs Durchbruch erfolgte 1997 – noch nicht einmal in diesem Jahrhundert!). Wir werden einige der Gründe wiederholen, warum Kobalt bereits auf dem Vormarsch ist, aber dann werden wir uns besonders intensiv mit der Frage befassen, warum – und wo – Kupfer gefährdet ist.

Das Korn schmelzen

Einer der großen Unterschiede im Umgang mit Kobalt ist das Reflow-Löten. Wenn es darum geht, Wolfram in den früheren Anwendungen, die wir gesehen haben, zu ersetzen, hat dies den unmittelbaren Vorteil, dass die Qualität der Metallfüllung verbessert wird. Selbst wenn es konform aufgetragen wird, wird dies durch einen Reflow-Schritt rückgängig gemacht, der alle Nähte oder Hohlräume in der Füllung beseitigt.

Darüber hinaus kann Kobalt bei dünnen Filmen auch einen geringeren Widerstand aufweisen. Das liegt daran, dass die Metallkorngröße größer ist, was für eine gleichmäßigere Elektronenbewegung sorgt. Der Grund für die größeren Körner (zumindest teilweise) ist der Reflow-Schritt. Es handelt sich mehr oder weniger um eine Glühung (wie wir sehen werden), die es den Körnern ermöglicht, zu wachsen.

Wenn das also der Fall ist, warum dann nicht Wolfram aufschmelzen und von den gleichen Vorteilen profitieren? Denn Wolfram ist ein hochschmelzendes Metall und hat daher einen sehr hohen Schmelzpunkt – 3422 °C. Kobalt hingegen schmilzt bei 1495 °C*. Daher ist es praktisch, Kobalt aufzuschmelzen; Wolfram ... nicht so sehr.

Stapeln Sie die Optionen

Dieses Mal werden wir Kobalt für die Verbindung in Betracht ziehen. Applied Materials („Applied“ unter Freunden) hat einen Vergleich von Wolfram, Aluminium, Kupfer und Kobalt zusammengestellt. Insbesondere wurde zwischen schmalen und breiten Metallelementen unterschieden. Für diejenigen unter Ihnen, die sich im Stillen die Frage stellen: „Warum jetzt? Was hat sich geändert?“ Die Antwort ist, dass sich die Strukturgröße geändert hat.

Konzentrieren wir uns auf schmale Funktionen. Die Fähigkeit, „Lücken“ zu füllen – was uns die Anwendung mit hohem Aspektverhältnis bescherte – ist bei Kobalt am höchsten, basierend auf überraschenderweise Reflow. Auch der Widerstand ist bei Kobalt am geringsten und die Zuverlässigkeit hoch. Diese Zuverlässigkeitssache hängt größtenteils mit der Elektromigration (EM) zusammen.

EM schadet Kupfer aufgrund seines Schmelzpunkts – 1085 °C. Noch schlimmer ist Aluminium mit einem Schmelzpunkt von 660 °C. Auch wenn der Schmelzpunkt von Kobalt, der weit unter dem von Wolfram liegt, aus Reflow-Sicht hilfreich ist, ist er immer noch hoch genug, um Kupfer und Aluminium zu schlagen, wenn es um EM geht.

Aber wie sieht es mit dem Widerstand aus? Bevor wir näher auf die Gründe eingehen, werfen wir einen kurzen Blick auf die Zahlen der umfangreichen Funktionen. (Applieds Grenze zwischen schmal und breit beträgt 20–30 nm.) Hier vergleichen sie nur Aluminium und Kupfer – die einzigen Metalle, die in der Verbindungstechnik weitverbreitete Verwendung finden. Wenn es um den Widerstand geht, erhält Kupfer eine grüne Box. Auf der Schmalseite bekommt es nur ein gelbes Kästchen. Okay, diese Kastenfarben sind nicht gerade quantitativ, aber können wir daraus schließen, dass breites Kupfer einen geringeren Widerstand aufweist als schmales Kupfer?

Nun, das wäre ein offensichtliches „Ja“, wenn wir den Widerstand selbst betrachten würden – alles, was weiter reicht, ist weniger widerständig. Aber was ist, wenn wir den Widerstand betrachten? (Was wir sind ...) Man könnte meinen, dass diese Maßnahme die ganze Dimensionssache ausklammern würde. Bei schmaleren Merkmalen ist sie jedoch immer noch höher. Was ist damit??

Hier kommen wir zum einfachen Begriff der mittleren freien Weglänge eines Elektrons. Applied verfügt über ein Diagramm dieser Metrik sowohl für Kupfer als auch für Kobalt, aufgetragen gegen die Merkmalsbreite. Und siehe da, etwas Unerwartetes passiert: Während Kupfer bei breiteren Strukturen dominiert, gibt es bei etwa 10 nm einen Crossover. Darüber hinaus gewinnt Kupfer (und es sieht so aus, als würden die Linien bei noch breiteren Linien weniger empfindlich auf die Breite reagieren – was intuitiver klingt). Unterhalb von 10 nm gewinnt Kobalt.

Der Flow mit Reflow

Der Kobalt-Verbindungsfluss ist rechts dargestellt. Es kommt mir wahrscheinlich bekannt vor, mit Ausnahme des „Anneal“-Schritts (wo das Reflow stattfindet). Mit der Ankündigung dieses Kobaltprozesses stellt Applied auch eine neue Maschine vor, die diesen Schritt durchführt: die Producer® Pyra™ Anneal-Maschine. Die Abscheidung erfolgt wie bisher auf der Endura®-Linie; Die Planarisierung erfolgt auf der Maschine Reflexion® LK Prime™ CMP Co.

Während die Endura-Linie eine gewisse Integration ermöglicht, beinhaltet der Ablauf „Füllen → Glühen → Überlasten → Planarisierung“ jedes Mal FOUPs und Bewegungen (Endura → Produzent → Endura → Reflexion).

Der Abraum ist für Kobalt nichts Neues, aber Sie werden vielleicht bemerken, dass er nach dem Glühschritt abgeschieden wird – so dass er nicht ausgeglüht wird. Applied bestätigte, dass die CVD-Füllung die Merkmale leicht überfüllt, sodass die gesamte Kobaltfüllung ausgeglüht wird. Der Abraum wird mit PVD aufgetragen und man sagt, dass es sich um einen sauberen, reinen Film handelt; Daher sollte der nach dem CMP verbleibende Abraum zusammen mit dem darunter liegenden geglühten Kobalt eine gute Leistung erbringen.

Wenn sich Kobalt in diesen Anwendungen bewährt, wird Kobalt vermutlich nach und nach in der Rangliste aufsteigen, wenn die Abmessungen weiter schrumpfen. Wird es jemals bis zum Stromnetz reichen? Das ist schwer vorstellbar ... Stromleitungen mit einer Breite von weniger als 10 nm klingen lückenhaft. Andererseits haben klügere Leute als ich schon früher solch offensichtliche Vorhersagen gemacht und sich als falsch erwiesen. Es wird also interessant sein zu sehen, wie weit Kobalt in dieser ganzen Sache kommt. Wer weiß ... in ein paar Jahren führen wir vielleicht wieder dieses kleine Gespräch.

*Quelle: Applied Materials

Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung von Applied Materials

Mehr Info:

Kobalt-Produktsuite von Applied Materials