The temperature coefficient of resistance of alternative metals thin films for interconnect applications

The continuous down-scaling of integrated circuits that occurred in the last decades led to some issues regarding the interconnect network: as interconnect line dimensions are expected to reduce below 20 nm in the coming years, the electrical resistivity of the constituent material will drastically increase. This will hamper the integrated circuit performances improvement, which Moore’s law was able to predict so far. Nowadays, the industrial standard material for interconnects is copper and one way to solve the problem of the resistivity increase is to find other materials which could replace Cu in the next-generation interconnects. Alternative metals are being extensively studied that show a less steep resistivity increase when dimensions become very small, and also exhibit a better electromigration resistance. According to the figures of merit used to select the best candidates for copper replacement, transitional metals like Ir, Ru, Co, W and Mo have better properties than Cu and preliminary experimental results are promising. However, the understanding of the reason for the differences between Cu and alternative metals is still far from established. In particular, looking at the electronic transport behaviour at the nano-scale, it is possible to distinguish two mechanisms that are assumed to be jointly responsible for the resistivity increase, specifically grain boundary scattering and surface scattering of electrons. It was demonstrated that it is possible to qualitatively distinguish these mechanisms by looking at the temperature coefficient of resistance, which tells how resistance (and resistivity) changes with temperature. Moreover, the temperature coefficient of resistance of thin films and nanowires can validate the use of the TCR method, applied to estimate the resistivity and the cross-sectional area of a conductor. In this Thesis, the temperature coefficient of resistance was experimentally measured for the mentioned alternative metals on Hall bars structures, which were processed starting from thin films (3-20 nm) using photolithography and then electrically characterized with four-point-probe technique. The results were compared with Cu. To further support the empirical investigation, the temperature coefficient of resistance of alternative metals and of Cu was also computed adopting the Mayadas-Shatzkes model for thin films, which is the most widely used model for the thickness dependence of resistivity. The model is explained in detail and the parameters that enclose the scattering mechanisms are introduced. We find that, in general, grain boundary scattering and surface scattering effects can be separately discussed, and that Cu seems to be more affected by surface scattering, whereas alternative metals resistivity is more influenced by grain boundary scattering. We highlight the assumptions that sustain this evidence and the limits of our predictions. Finally, we give some possible explanations for the cases where the experimental results are not consistent with the model outcomes.

Il continuo ridimensionamento dei circuiti integrati che si è verificato negli ultimi decenni ha portato con sé alcune problematiche relative alla rete di interconnessioni che si trova all’interno dei microchip, e che è necessaria per scambiare segnali elettrici tra gli innumerevoli transistors presenti: si prevede che le dimensioni delle linee di interconnessione scendano al di sotto di 20 nm nei prossimi anni, ed è noto che la resistività elettrica del materiale costituente aumenterà drasticamente. Ciò potrebbe ostacolare il costante miglioramento delle prestazioni dei circuiti integrati, che la legge di Moore è stata in grado di prevedere fino ad oggi. Attualmente, il materiale standard per le interconnessioni è il rame e un modo per risolvere il problema dell’aumento di resistività è quello di trovare materiali alternativi, che possano sostituire il Cu nelle interconnessioni di prossima generazione. Tali metalli, soggetto di studi approfonditi, mostrano un aumento di resistività meno ripido al diminuire delle dimensioni rispetto al Cu, e presentano inoltre una migliore resistenza all’elettromigrazione. Secondo le cifre di merito utilizzate per selezionare i candidati, metalli di transizione come Ir, Ru, Co, W e Mo hanno proprietà migliori del Cu in dimensioni nanometriche e i risultati sperimentali preliminari sono promettenti. Tuttavia, la comprensione delle differenze tra Cu e metalli alternativi, necessaria per effettuare una transizione a livello industriale, è ancora scarsa. In particolare, osservando il comportamento di trasporto elettronico su scala nanometrica, è possibile distinguere due meccanismi che sono congiuntamente ritenuti responsabili dell’aumento di resistività, cioè lo scattering degli elettroni con i bordi dei grani cristallini e lo scattering con le superfici del conduttore. Tuttora tali meccanismi sono poco chiari e il loro effetto sul comportamento elettrico del materiale nanostrutturato rimane un punto di domanda. È stato dimostrato che è possibile distinguere qualitativamente questi meccanismi tramite lo studio del coefficiente di temperatura della resistenza, che indica come la resistenza (e la resistività) del materiale cambia con la temperatura. Inoltre, il coefficiente di temperatura della resistenza di film sottili e nanofili può convalidare l’uso del metodo TCR, applicato per stimare la resistività e l’area della sezione trasversale di un conduttore. In questa Tesi, il coefficiente di temperatura della resistenza è stato misurato sperimentalmente per i metalli alternativi precedentemente citati su strutture ’Hall bars’, che sono state processate a partire da film sottili (dai 3 ai 20 nm) mediante un processo di fotolitografia e sono state poi caratterizzate elettricamente con misure di resistenza a quattro terminali. I risultati sono stati confrontati con il Cu. Per supportare ulteriormente l’indagine sperimentale, il TCR di metalli alternativi e del Cu è stato anche calcolato adottando il modello sviluppato da Mayadas e Shatzkes per film sottili, che è il modello più utilizzato per predire la dipendenza della resistività dalle dimensioni del materiale. Nella Tesi, il modello viene spiegato in dettaglio e vengono introdotti i parametri che racchiudono i meccanismi di scattering. Scopriamo che, in generale, gli effetti di scattering dei bordi grano e di scattering superficiale possono essere separatamente discussi e che il Cu sembra essere maggiormente influenzato dallo scattering superficiale, mentre la resistività dei metalli alternativi è maggiormente influenzata dallo scattering dei bordi grano. Le ipotesi che stanno alla base di queste conclusioni e i limiti delle nostre previsioni sono evidenziati. Infine, diamo alcune possibili spiegazioni per i casi in cui i risultati sperimentali non sono coerenti con i risultati del modello.