Inzicht in interface-interacties in Grafeen-Ruthenium-hybriden voor interconnects van de volgende generatie

De kleinste afmetingen in moderne ICs blijven krimpen met elke technologiegeneratie om een hogere pakkingsdichtheid van transistoren te realizeren. Voor de 5nm technologie wordt voorzien dat de kritische metaalverbindingen een raster zouden hebben van slechts 28nm. Deze afstand is veel kleiner dan de gemiddelde vrije weglengte van elektronen in Cu, wat resulteert in een dramatische en niet-lineaire stijging van de verbindingsweerstand. Daarenboven resulteert het verkleinen van de afmetingen van het metaalraster en de schaling van de dikte van het isolatie-oxide voor een verhoging van de capaciteitsbelasting in de BEOL. Het gevolg is een sterke toename van de RC-vertraging en vermindering van de prestaties bij elke technologie iteratie. Om dit te voorkomen worden verschillende alternatieve materialen en architecturen onderzocht.

Een van de meest veelbelovende alternatieve geleiders is grafeen. Vanwege zijn atomaire dikte, de hoge stroomcapaciteit en de zeer hoge mobiliteit van ladingsdragers, zou grafeen beter moeten presteren dan Cu-verbindingen bij sterk geschaalde afmetingen, tenminste wanneer een groot aantal grafeenlagen met voldoende hoge dopingniveaus gebruikt wordt. Om een hoge dichtheid van ladingsdragers in grafeen te bereiken, werden in de literatuur verschillende doperingsmethoden onderzocht (oppervlaktedoping, intercalatiedoping, vervangende doping, enz.). Deze methodes zijn echter moeilijk te controleren, introduceren vaak omkeerbare/onomkeerbare defecten in het grafeenrooster en zijn meestal niet compatibel met BEOL-integratie.

In dit proefschrift onderzoeken we een praktische materiaal-gebaseerde oplossing voor geavanceerde verbindingen - 'grafeen-metaalhybriden', waarbij ruthenium wordt gebruikt als de metaalfilm. Ru is een uitstekende keuze hiervoor vanwege zijn lage bulkweerstand, kleine gemiddelde vrije weglengte, hoge tolerantie voor elektromigratie en het feit dat Ru kan gebruikt worden zonder barrièremateriaal. Om de eigenschappen van de afwisselende stapeling van Ru en grafeen te optimalizeren, is het essentieel om beide configuraties van de hybride stapel te bestuderen: 'graphene capped Ru' (Ru/graphene) en 'Ru deposited on graphene' (graphene/Ru).

Voor de realizatie van de Ru / grafeen-stack werd een proces ontwikkeld door CVD-gegroeid grafeen over te brengen op een met PVD gesputterde Ru-film. Grafeen / Ru structuren werden gefabriceerd door depositie van dunne Ru filmen door middel van e-beam verdamping op het oppervlak van grafeen dat werd overgebracht op een SiO2-substraat . De grensvlak-interacties tussen grafeen en Ru werden in beide configuraties bestudeerd. In het eerste gedeelte wordt een systematische experimentele studie gepresenteerd voor de kwalitatieve en kwantitieve bepaling van het dopingniveau geinduceerd door het metaal in met grafeen afgedekte Ru-strukturen. Door analyse van de elektronen foto-emissiespectra van de twee verschillende geleiders kan de relatieve bandenverschuiving op het grafeen-Ru-grensvlak gemeten worden. De toename van de dichtheid van ladingsdragers in het grafeen werd bepaald tesamen met de overeenkomstige verschuiving in de positie van het Fermi-niveau. Hieruit kon besloten worden dat grafeen p-gedoteerd is op het Ru-substraat, wat resulteert in een verbetering van ~ 19% in hybride geleidbaarheid in vergelijking met niet-bedekte Ru-strukturen bij kleinere filmdikte. Bij de studie van het effect van het aantal grafeenlagen op de elektrische eigenschappen van de hybride strukturen werd de laagste soortelijke weerstand gevonden voor de Ru (5nm) / FLG-stack, met een weerstand die ~ 26% hoger is dan die van Ru / SLG. Omwille van de 30% kleinere temperatuurcoëfficiënt van de weerstand bij grafeenafdekking, wordt een hogere thermische betrouwbaarheid verwacht voor de hybride structuren in vergelijking met hun metalen tegenhanger.

In het tweede gedeelte werd de oppervlaktebehandeling voor grafeen met een stroomafwaarts plasma-proces geoptimalizeerd om een schoon en stabiel grensvlak in grafeen/Ru-strukturen te bekomen. De metingen van de plasma-geïnduceerde dotering en defectiviteit toonde aan dat zowel SLG als BLG n-gedoteerd worden bij blootstelling aan het plasma, maar de elektrische respons is in beide gevallen verschillend. Hoewel SLG aanzienlijke schade oploopt vanwege de hoge chemische reactiviteit, blijkt de elektrische geleidbaarheid van BLG/Ru na plasmabehandeling met ~18% te verbeteren.

In tegenstelling tot 'met grafeen afgedekte Ru', vinden we dat de hybride soortelijke weerstand in de configuratie 'Ru afgezet op grafeen' hoger is dan de referentie waarde voor Ru. De karakteristieken van de grensvlak-interacties kunnen verschillen wanneer Ru wordt afgezet op grafeen in vergelijking met wanneer grafeen wordt overgedragen op een Ru-substraat. Om dit fenomeen te begrijpen werden de eigenschappen van de dunne verdampte metaalfilm op grafeen bestudeerd. Er werd gevonden dat, hoewel de grensvlak adhesiekracht een stabiel grensvlak impliceert, de degradatie van de weerstand van de strukturen voornamelijk kan worden toegeschreven aan de aanwezigheid van een discontinue, poreuze metaalfilm met verschillende stroompercolatiepaden. De verdampte film vertoont een kleine korrelgrootte en een hoge residuele stress wanneer deze op grafeen wordt afgezet, wat resulteert in grote verstrooiingsverliezen en een lage geleidbaarheid.

Om de rol van grafeen bij het moduleren van de stroomgeleiding in grafeen-Ru hybride systemen beter te begrijpen werden semi-klassieke theoretische weerstandsmodelleringen uitgevoerd. Hiervoor werd een directe zoekmethode toegepast op de volledige numerieke formulering van het Mayadas-Shatzkes-model. Bij het berekenen van de oppervlakte spiegelingsparameter en de reflectiecoëfficiënt aan de korrelgrenzen werd gevonden dat, aangezien het Ru-oppervlak al bijna spiegelend is, de impact van de grafeengerelateerde onderdrukking van de oppervlakteverstrooiing geen significante impact heeft op de hybride soortelijke weerstand. Het parallelle geleidermodel werd berekend, waarbij in rekening gebracht moet worden dat de soortelijke weerstanden van grafeen en Ru elkaar en de eigenschappen aan het grensvlak beinvloeden. De goede correlatie tussen de theoretische en de experimentele waarden van de ladingsdragerdichtheid en de verschuiving in het grafeen Fermi-niveau geassocieerd met de door de metaal-geïnduceerde dotering in grafeen als gevolg van contact met de onderliggende Ru-film valideren het gebruik van het parallelle geleidingsmodel.

Door het uitvoeren van een systematische studie naar het begrijpen van de grensvlak-interacties in grafeen-Ru hybride systemen, biedt dit proefschrift inzichten die een gefundeerde en praktische basis vormen voor het integreren van grafeen-metaalhybriden als geleiders in de volgende generatie verbindingen.