Electroless deposition of ruthenium for interconnects

With the current reduction of interconnects dimensions, copper is showing its limitations, namely a severe increase of resistivity below a thickness of $10$ nm. Metals in the platinum group present better performances at this dimensions, they are more stable with dielectrics materials and are characterized by better electromigration behaviour. Electroless deposition is already employed during the production of interconnections for the deposition of seed layers, but it can be used to fill structures with small features size. Electroless deposition presents several advantages, such as the possibility to selective deposition and to plate complex and non-conductive substrates. Electroless solutions are simple and cheap. The absence of current lines allows for a continuous deposit also on high aspect ratio structures, contrary of what it is obtained with electrochemical deposition. With this points in mind, this work is focused on the possibility to use ruthenium, deposited with electroless deposition, as a conductor in interconnect structures. The technique selected follows an oxidative-reductive mechanism to allow for a better control over the deposition. The deposition was performed on different substrates to select the best conditions for the metallization. In the first part of the research, the electrochemical behaviour of the single components of the plating bath are analysed. In the second part, resulting deposits are characterized. The results indicate the possibility to obtain layers with high purity, although characterized by internal voids, and comparable values of resistivity with the ones from other deposition techniques.

A causa della riduzione delle dimensioni delle interconnessioni, il rame sta incontrando i suoi limiti applicative, in particolar modo presenta un elevato aumento della resistività sotto i $10$ nm di spessore. I metalli nel platinum group mostrano migliori prestazioni a queste dimensioni, sono più stabili con materiali dielettrici e sono caratterizzati da una miglior resistenza all’elettromigrazione. L’electroless è una tecnica di deposizione già utilizzata durante la produzione di interconnessioni per la deposizione di seed layers, ma può anche essere implementata per depositare il materiale conduttivo in strutture di piccole dimensioni. Presenta diversi vantaggi, come la capacità di deposizione selettiva e la possibilità di depositare su substrati non conduttivi e di forma complessa. Le soluzioni per electroless deposition sono semplici e poco costose. L’assenza di linee di corrente permette di ottenere depositi uniformi anche su strutture caratterizzate da elevato aspect ratio, contrariamente a quanto si può ottenere con la deposizione elettrochimica. Il seguente lavoro è concentrato sulla possibilità di utilizzo di rutenio deposto tramite electroless come conduttore in interconnessioni. Un processo ossidativo-riduttivo è stato utilizzato per avere un maggior controllo sulla deposizione. Diversi substrati sono stati utilizzati per la deposizione in modo da selezionare il migliore per il processo di metallizzazione. Nella prima parte della ricerca si analizza il comportamento elettrochimico dei singoli componenti della soluzione. Nella seconda parte, i depositi vengono caratterizzati. Dai risultati si evince che i film ottenuti presentano elevata purezza, seppur con vuoti all’interno e che sono stati raggiunti valori di resistività simili a quelli ottenuti con altre tecniche di deposizione.