日本最尖端半導體技術中心(LSTC)、橫濱國立大學以及電氣通信大成功找出造成次世代半導體導線結構—Ru/AG(Ruthenium/Air Gap;釕/空氣間隙)壽命差異的因素。研究團隊針對製程變異對於絕緣破壞壽命造成的影響進行統計分析,使壽命預測與可靠性評估得以更加精準。未來將以1奈米世代後邏輯半導體為目標,進一步開發更為詳盡的壽命預測模型,並推動統計分析技術在導線設計領域上的應用。
此研究之主題在於絕緣膜在長期使用後發生劣化損壞的現象,即依時性介電層崩潰(Time-dependent Dielectric Breakdown; TDDB)在時間上的變異性問題。研究人員製作了專用的測試結構,將寬度10奈米的極細釕導線平行相對排列,並在平行導線之間設置空氣間隙(Air Gap),其間距則在10至14奈米範圍內進行變化。將此測試結構在100℃高溫環境下施加電壓,測量在經過多少時間(絕緣破壞壽命)之後會發生電流洩漏量急遽增加的情形。
實驗結果顯示,導線間距愈大、位置愈接近晶圓中心,其絕緣破壞壽命愈長。進一步分析後發現,由於製程上的誤差,晶圓中心區域的空氣間隙會略寬,而外圍區域則會較窄。由此可以確認,製程中產生的極小形狀差異,會反映在導線的壽命變化上。但從統計分析的結果來看,對於金屬間距(Metal Pitch)最小的20奈米結構,僅以尺寸差異已無法完全解釋壽命的變異性現象,顯示在製造難度較高的條件下,缺陷可能更容易局部集中。
Ru/AG技術採用電阻在極細尺寸下仍不易增加、且較不易發生電遷移(Electromigration)的釕(Ruthenium)作為導線材料,並以空氣作為導線間絕緣層,藉此抑制不必要的電耦合現象。由於Ru/AG能夠大幅降低訊號延遲,因此被視作1奈米世代後邏輯半導體的重要候選技術之一。