Metal interconnects beyond copper : study and characterization of an acidic bath for electroless deposition of rhodium

Modern technology requires always more performing devices. To improve performance, the research focused on finding materials with low permittivity and low resistivity, so that the RC delay is the lowest possible. First, aluminum was introduced for the interconnect metallization because of its low resistivity and possibility to be vapor deposited. The necessity of scaling down device features brought to aluminum substitution with copper in 1997. Despite the possibility of increasing the integrated circuits speed (decreasing the RC delay), the introduction of copper in the metallization of the conductive lines brought many difficulties, from the physical to the technologic point of view. Nowadays, the further scaling down of devices has made copper to start reaching its technological limit. Therefore, new metallic alternatives are investigated to substitute copper in the interconnects. This is the context where this work can be framed in. Specifically, this project focuses on rhodium, deposited through an electroless deposition, as possible alternative, because of the higher melting temperature with respect to copper, the low bulk resistivity and the stability when in contact with SiO2. The selected substrates are either a blanket platinum substrate or an ECD-Rh layer. The work can be divided in two parts. Firstly, an electrochemical study, as well as a stability study through UV-Vis, was performed on the electrolyte, the metal precursor and the reducing agent. The chosen electrolyte is NH4Cl, because when mixed with the reducing agent, it shows higher stability with respect to a HCl-based solution. The metal precursor is RhCl3 · H2O, because it represents the most common and less expensive Rh precursor. The selected reducing is a complex that doesn’t promote deposition of impurities in the coating. Secondly, different electroless depositions have been performed. Then, the various samples have been extensively studied through AFM, TEM, XPS, RBS techniques and characterized through a sheet resistance measurement. In both cases, it was possible to state that an ELD-Rh layer was obtained and whose thickness was measured through RBS. Results showed deposits with sufficiently low roughness and that the Rh deposit is actually deposited. XPS results, also, show that no impurities are present in the deposit.

La tecnologia moderna richiede dispositivi sempre più performanti. Per ottenere un miglioramento delle performance, la ricerca ha sviluppato un campo di ricerca volto alla ricerca di materiali con bassi valori di permettività e di resistività, di modo che l’RC delay sia il più basso possibile. Originariamente, l’alluminio è stato introdotto per la metallizzazione delle interconnessioni, perché caratterizzato da bassa resistività e dalla possibilità di essere depositato via vapore. La necessità di diminuire le dimensioni dei dispositivi ha portato alla sostituzione dell’alluminio da parte del rame nel 1997. Nonostante l’aumento della velocità dei circuiti integrati (attraverso la riduzione dell’RC delay), l’introduzione del rame nella metallizzazione dei circuiti ha comportato molte problematiche, sia dal punto di vista fisico (elettromigrazione e necessità di una barriera diffusiva) che dal punto di vista tecnologico (processo “Damascene”). Ad oggi, a causa della continua riduzione delle dimensioni dei dispositivi, e quindi delle interconnessioni, il rame sta raggiungendo i suoi limiti tecnologici intrinseci. Nello specifico, vi è un aumento della resistività sotto i 10 nm. Di conseguenza, nuovi metalli, in particolare i metalli del gruppo del platino, sono presi in considerazione come alternative per la metallizzazione delle interconnessioni. Questo rappresenta il contesto in cui questo lavoro può essere inquadrato. Nello specifico, questo lavoro si focalizza sul rodio, depositato tramite deposizione electroless, come possibile alternativa, per la sua elevata temperatura di fusione rispetto al rame (che corrisponde a una maggiore resistenza all’elettromigrazione), la bassa resistività e la stabilità a contatto con il materiale dielettrico (SiO2), di modo che nessuna barriera diffusiva sia necessaria. In questo lavoro, la deposizione electroless su un substrato di platino o di rodio elettrodepositato viene studiata. Il lavoro può essere suddiviso in due sezioni. La prima è volta allo studio elettrochimico, ma anche allo studio della stabilità attraverso la spettroscopia UV-vis dell’elettrolita, del metallo precursore e dell’agente riducente. L’elettrolita scelto è NH4Cl, che è leggermente acido. La scelta deriva da risultati sulla stabilità della soluzione ottenuti tramite spettroscopia UV-vis, che mostra una più elevata stabilità dell’agente riducente in una soluzione a base di NH4Cl rispetto a una a base di HCl. Il metallo precursore è RhCl3 · H2O, che rappresenta il precursore di rodio più comune ed economico. L’agente riducente selezionato, invece, è un complesso estremamente reattivo all’ossigeno. La scelta nasce dalla necessità di eliminare uno dei limiti più evidenti dei comuni agenti riducenti, cioè la possibilità di eliminare inclusioni di impurezze, i.e. atomi di azoto, fosforo o boro, dal deposito. La seconda parte, invece, è volta all’ottenimento di diversi depositi attraverso deposizione electroless sia su un substrato in platino, sia su un substrato sul quale sia stato già depositato un layer elettrodepositato di rodio. I diversi campioni sono stati poi studiati attraverso diverse tecniche di caratterizzazione come AFM, TEM, XPS, RBS e caratterizzati attraverso la misurazione della resistenza di superficie. Comparando i diversi risultati, un layer di rodio ottenuto tramite deposizione electroless è stato ottenuto in entrambi i casi e il cui spessore è stato direttamente misurato tramite RBS. I risultati hanno mostrato che i depositi sono caratterizzati da una sufficientemente bassa rugosità e che essi sono effettivamente depositati e non adsorbiti. I valori di resistività ottenuti per il layer ECD-Rh risultano più alti di quelli tabulati in letteratura, al contrario i valori di sheet resistance ottenuti per il layer ELD-Rh sono inconsistenti e non riproducibili, indicando come un miglioramento delle condizioni del bagno sia necessario. I risultati dell’XPS indicano assenza di inclusioni nel deposito.