En labo, le carbone réduit de 45,4 % la résistance du ruthénium

Le docteur 조융륜, du Centre d’analyse avancée de l’Institut de recherche sur les équipements centraux de l’Institut des sciences et technologies de Gwangju, a examiné au microscope électronique en transmission l’agencement des atomes dans un film mince de ruthénium. Après avoir ajouté une petite quantité de carbone et effectué un traitement thermique, l’équipe de recherche sud-coréano-américaine a constaté que la résistance des interconnexions ultrafines avait diminué de 45,4 % par rapport au ruthénium sans carbone. Les travaux, menés conjointement par Samsung Electronics SAIT et des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, ont été publiés dans la revue scientifique Science.

Le ruthénium est un matériau candidat pour compenser les limites électriques du cuivre lorsque la largeur des interconnexions descend à quelques nanomètres. Le problème vient des joints de grains qui se forment à l’intérieur des films métalliques minces. Lorsque les électrons se dispersent à ces frontières entre petites cristallites, la résistance des interconnexions augmente. Les méthodes existantes de contrôle de l’orientation cristalline exigent un substrat dont la structure cristalline s’accorde bien avec le métal ou des conditions de traitement thermique élevées, ce qui limite leur utilisation dans les procédés réels de fabrication des semi-conducteurs.

L’équipe a utilisé le carbone non pas comme une impureté à éliminer, mais comme un auxiliaire temporaire. L’ajout de 0,48 at% de carbone — environ 5 atomes pour 1000 atomes de ruthénium — a favorisé le plus efficacement la croissance et l’alignement des cristallites pendant le traitement thermique ; une quantité excessive de carbone nuisait au contraire à cet alignement. Des observations réalisées en temps réel au microscope électronique en transmission chauffé ont montré qu’après un traitement à 450 °C, la taille moyenne des cristallites était passée de 13 nm environ à 91,7 nm, tandis que le degré d’orientation cristalline atteignait 99,3 %.

Les résultats électriques ont également confirmé cette évolution. La résistivité d’un film mince de ruthénium de 8 nm d’épaisseur a été mesurée à 11,2 μΩ·cm, soit 29,0 % de moins qu’en l’absence de promoteur au carbone. L’équipe a aussi confirmé une baisse de la résistance dans une structure d’interconnexions ultrafines dont la largeur de ligne était de l’ordre de 2 nm, affirmant avoir atteint les performances électriques requises pour les interconnexions de prochaine génération.

Ce qui change, c’est donc l’éventail des choix de conception pour les interconnexions des puces de prochaine génération. Il devient possible d’aligner les cristaux métalliques même sur un substrat isolant amorphe, et l’équipe a confirmé le potentiel d’une application à des structures complexes de semi-conducteurs en 3D ainsi qu’aux mémoires 3D. Les éléments établis à ce stade restent toutefois les résultats expérimentaux de l’équipe conjointe. Ils ne signifient pas que les performances et le rendement ont été démontrés dans un procédé de production de masse ou sur des produits réels ; la maturité de la technologie reste au stade du laboratoire.