钨为纳米互连提供了最小电阻路径
发表时间:2017-10-10 09:50 浏览次数:131
随着微芯片变得越来越小,因此其与铜互连的尺寸缩小,导致在纳米级上电阻率的增加也越来越快。解决这个即将到来的技术瓶颈是半导体行业目前的一个主要问题。
通过改变互连材料的晶体取向来降低电阻率大小很有希望解决这个问题。来自伦斯勒理工学院的两位研究人员在外延单晶层钨(W)中进行了电子传输测量,这种物质是一种潜在的解决方案。他们进行了第一性原理模拟,发现了取向依赖效应。并且他们发现电阻率的各向异性效应在具有两个特定取向的晶格结构的层之间是最明显的,即W001)和W110)。这项工作也在本周发表于应用物理学杂志上。
作者郑鹏远指出,2013年和2015年国际半导体技术路线图(ITRS)都呼吁采用新材料取代铜作为互连材料,从而在减小尺寸规模上限制电阻的增加,并尽量减少功耗和信号延迟。
在他们的研究中,郑和共同作者Daniel Gall选择了钨(即钨替换铜),因为它具有不对称费米表面(即其电子能量结构)。这使它成为在小尺度上证明各向异性电阻率效应的良好候选者。Gall说:大的块状材料是完全各向同性的,所以其电阻率在所有方向都是一样的,但是如果我们有薄膜材料,那么电阻率会发生很大的变化。
为了测试出最佳的方向,研究人员在衬底上外延生长了W001)和W110)膜,并分别在77 K(约-196摄氏度),室温或295K下浸入液氮中时对两者进行了电阻率测量。Gall说:001取向和110取向之间的电阻率差异大致为2倍,但是它们在W011)层中发现了更小的电阻率。"
虽然测量的各向异性电阻效应与计算值相一致,但是在薄膜实验中有效的平均自由度(电子可以在散射对边界之前移动的平均距离)远远大于块状钨的理论值。
Gall说:电子穿过对角线上的电线,撞到一个表面,散开,然后在撞到别的东西之前依然会继续行进,这些东西也许是电线的另一边或者是晶格振动。但这种模式针对小型电线看起来是错误的。
实验者认为这可以通过在这些有限的尺度上产生电子的量子力学过程来解释。随着层厚度的减小,电子可以同时接触导线的两侧或经历增加的电子-声子(晶格振动)耦合,而这很可能会影响寻找另一种金属来替代铜互连。
郑先生说:铑,铱,镍的电导率优势可能比预测的小。这样的结果将变得越来越重要,因为量子力学尺度对于互连的需求变得越来越普遍。
    研究团队正在继续探索其他金属的各向异性尺寸效应,与此同时这些金属要具有非球面费米面,如钼。他们发现表面相对于层取向和传输方向的取向至关重要,因为它决定了在这些尺寸减小时电阻率的实际增加。

    来源:材料科技在线    编辑:杨珺婷

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