Ruthenium & Alternative BEOL
Sub-15nm Pitch Metallization, Semi-Damascene & Air-Gap Integration
ตลอดเวลากว่า 25 ปี ทองแดง (Cu Dual-Damascene) คือราชาแห่งการเดินสายโลหะในชิป แต่เมื่อขนาดสายสัญญาณ M0/M1 หดเล็กลงสู่ระดับต่ำกว่า 15nm ความต้านทานของทองแดงได้พุ่งสูงขึ้นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลเนื่องจากปรากฏการณ์ควอนตัม Ruthenium (Ru) และ Molybdenum (Mo) จึงถูกนำมาใช้แทนที่เพื่อทะลวงกำแพงฟิสิกส์สู่โหนดระดับแองสตรอม (Angstrom Era)
สกัดชั้นโลหะ Ru/Mo ด้วย Semi-Damascene RIE, สร้าง Air-Gap Cavity, วางโครงข่าย Backside Power Delivery (BSPDN) และวิเคราะห์ Resistance-Capacitance (RC) Scaling ร่วมกับสถาบันวิจัยชั้นนำ (IMEC / TSMC / Intel)
Industry Equipment: Applied Materials Endura Ru PVD/CVD, Lam Research Kiyo Etch, TEL Tactras ALD
Related: Dual-Damascene Process · Backside Power Delivery (BSPDN) · Leading-Edge Nodes (N2/A16/18A) · Layout Inspector Lab
Role: Interconnect Integration Engineer / Thin Film Metallurgist / Advanced BEOL Process Lead
01 วิกฤต Copper Resistivity Wall ที่ความกว้าง < 15 นาโนเมตร
ในระดับก้อนใหญ่ (Bulk) ทองแดงมีสภาพต้านทานต่ำมาก ($\rho_{\text{bulk}} \approx 1.68\ \mu\Omega\cdot\text{cm}$) แต่เมื่อเส้นลวดถูกบีบให้แคบกว่า $15\text{ nm}$ สภาพต้านทานจริงพุ่งสูงขึ้นเกิน $25-40\ \mu\Omega\cdot\text{cm}$ เนื่องจาก:
- ปัญหา Barrier Layer ขโมยพื้นที่: ทองแดงสามารถแพร่ซึมเข้าไปทำลายฉนวน Dielectric ได้ง่าย จึงต้องเคลือบชั้นกั้น TaN/Ta Liner ($\ge 2\text{ nm}$) รอบทิศทาง ในร่องขนาดกว้าง $10\text{ nm}$ ชั้น Liner จะกินพื้นที่หน้าตัดไปมากกว่า 50–60% เหลือเนื้อทองแดงแท้เพียงนิดเดียว
- การกระเจิงของอิเล็กตรอน (Electron Scattering): อิเล็กตรอนชนขอบผิวโลหะและรอยต่อเกรนผลึกอย่างรุนแรง
02 ฟิสิกส์การกระเจิงอิเล็กตรอน: ทฤษฎี FS & MS Models
สภาพต้านทานของเส้นโลหะระดับนาโนเมตรเป็นไปตามทฤษฎีควอนตัม:
หัวใจสำคัญ: สภาพต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามผลคูณ $\rho_0 \times \lambda$ เนื่องจากทองแดงมี $\lambda_{\text{Cu}} \approx 39\text{ nm}$ (ยาวมาก) เมื่อเส้นลวดแคบกว่า $15\text{ nm}$ อิเล็กตรอนจะชนขอบตลอดเวลา ในขณะที่ Ruthenium มี $\lambda_{\text{Ru}} \approx 6.6\text{ nm}$ และ Molybdenum มี $\lambda_{\text{Mo}} \approx 5.5\text{ nm}$ ทำให้ในมิติต่ำกว่า $12\text{ nm}$ รูทีเนียมและโมลิบดีนัมมีความต้านทานรวมที่ ต่ำกว่าทองแดงอย่างมีนัยสำคัญ
03 ตารางเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกายภาพของโลหะ BEOL
| คุณสมบัติทางฟิสิกส์ | Copper (Cu) + TaN | Ruthenium (Ru) | Molybdenum (Mo) | Cobalt (Co) |
|---|---|---|---|---|
| Bulk Resistivity ($\rho_0$) | 1.68 $\mu\Omega\cdot\text{cm}$ | 7.1 $\mu\Omega\cdot\text{cm}$ | 5.3 $\mu\Omega\cdot\text{cm}$ | 6.2 $\mu\Omega\cdot\text{cm}$ |
| Mean Free Path ($\lambda$) | 39.0 nm (สูงมาก) | 6.6 nm (สั้นพิเศษ) | 5.5 nm (สั้นที่สุด) | 11.8 nm |
| ผลคูณ $\rho_0 \times \lambda$ | 6.7 $\times 10^{-15}\ \Omega\cdot\text{m}^2$ | 4.7 $\times 10^{-15}\ \Omega\cdot\text{m}^2$ | 2.9 $\times 10^{-15}\ \Omega\cdot\text{m}^2$ | 7.3 $\times 10^{-15}\ \Omega\cdot\text{m}^2$ |
| ความจำเป็นของ Barrier Liner | ต้องมี TaN/Ta ($\ge 2\text{ nm}$) | Barrierless (ไม่ต้องมี) | Ultra-thin Liner (< 1nm) | Ti/TiN Liner |
| จุดหลอมเหลว (Melting Point) | 1,085 °C | 2,334 °C (ทนความร้อนสูงมาก) | 2,623 °C | 1,495 °C |
| Electromigration Activation ($E_a$) | 0.8 – 1.0 eV | > 2.2 eV (ทน EM สูงกว่า 100เท่า) | > 2.0 eV | 1.5 eV |
04 กระบวนการ Semi-Damascene & Subtractive Direct Etch
เนื่องจาก Ruthenium มีความแข็งแรงทางเคมีสูง จึงไม่สามารถขัดเรียบด้วย CMP แบบดั้งเดิมได้ง่าย สถาบันวิจัย IMEC จึงพัฒนาสถาปัตยกรรม Semi-Damascene Flow:
05 การผสาน Air-Gap Dielectric ($k = 1.0$) เพื่อลด RC Delay
เมื่อเส้นโลหะวางชิดกันที่ Pitch < 18nm ความจุไฟฟ้าคู่ควบ ($C_c$) จะพุ่งสูงจนทำให้ความเร็วตก การเปลี่ยนฉนวน Low-k SiCOH ($k \approx 2.5-2.8$) ให้กลายเป็น Air-Gap (ช่องว่างอากาศ $k \approx 1.0$) ช่วยลด Capacitance ลงได้ถึง 30–40% ซึ่งหักล้างผลของความต้านทานและทำให้ความเร็วของสัญญาณในชิปเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล
06 ความทนทานต่อ Electromigration ในโหนด Sub-2nm
ด้วยพันธะอะตอมที่แข็งแกร่งและจุดหลอมเหลวที่สูงกว่า $2,300^\circ\text{C}$ Ruthenium มีพลังงานกระตุ้น $E_a \approx 2.2\text{ eV}$ ทำให้สามารถรองรับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า $J_{\text{max}} > 10\text{ MA/cm}^2$ ภายใต้อุณหภูมิสูง $125^\circ\text{C}$ ได้อย่างปลอดภัย ขจัดปัญหา Voiding ในสาย Power Rails และ Via Stacks ได้อย่างถาวร
07 แผนการนำไปใช้จริงใน Foundry Roadmap (2026–2030)
- TSMC A16 / A14 Nodes: นำ Ruthenium มาใช้ในส่วนของ Buried Power Rail (BPR), Nano-TSVs ของ SuperPower Backside PDN และพิจารณาใช้ Ru ในชั้น Metal 0/1
- Intel 14A Node: ศึกษาการนำ Molybdenum และ Ruthenium มาใช้ในชั้น Middle-of-Line (MOL) และ Dense Lower BEOL
- IMEC Roadmap: ผลักดัน Semi-Damascene Ru + Air-Gap เป็นมาตรฐานสำหรับ Sub-1nm และ CFET Transistor Generation
08 ปฏิบัติการจำลองบน Layout & 3D Inspector Lab
คุณสามารถสำรวจโครงสร้างหน้าตัด 3D Cross-Section และเปรียบเทียบขนาดพิตช์ของชั้นโลหะได้ในแล็บจำลองของ SemiMatrix:
IC Layout & Multi-Layer GDSII Inspector
สำรวจโครงสร้างสแต็กเลเยอร์โลหะ, ปรับขนาดความกว้างสายไฟ และดูผลกระทบของความต้านทาน Interconnect ในเบราว์เซอร์