Медные межкомпонентные соединения - Copper interconnects
В полупроводниковой технологии , медные межсоединения являются межсоединениями из меди. Они используются в кремниевых интегральных схемах (ИС) для уменьшения задержек распространения и энергопотребления . Поскольку медь является лучшим проводником, чем алюминий , ИС, использующие медь для своих межсоединений, могут иметь межсоединения с более узкими размерами и использовать меньше энергии для прохождения через них электричества. Вместе эти эффекты приводят к более высокой производительности ИС. Впервые они были представлены IBM при поддержке Motorola в 1997 году.
Переход от алюминия к меди потребовал значительных усовершенствований в технологиях изготовления , включая радикально иные методы формирования рисунка на металле, а также введение барьерных металлических слоев для изоляции кремния от потенциально повреждающих атомов меди.
Узор
Хотя с 1947 года известно о существовании некоторой формы летучего соединения меди, с течением столетия их было обнаружено больше, но ни одно из них не использовалось в промышленности, поэтому на медь нельзя было нанести рисунок с помощью предыдущих методов маскировки фоторезиста и плазменного травления , которые использовались с большой успех с алюминием. Невозможность плазменного травления меди потребовала радикального переосмысления процесса формирования металлического рисунка, и результатом этого переосмысления стал процесс, называемый аддитивным формированием рисунка , также известный как «дамасский» или «двойной-дамасский» процесс по аналогии с традиционная техника инкрустации металлом.
В этом процессе нижележащий изолирующий слой оксида кремния имеет узор с открытыми канавками там, где должен быть проводник. На изолятор наносится толстый слой меди, который значительно заполняет канавки, и используется химико-механическая планаризация (ХМР) для удаления меди (известной как покрывающий слой ), которая выступает над верхней частью изоляционного слоя. Медь, утопленная в канавках изоляционного слоя, не удаляется и становится проводником с рисунком. Дамаскинские отростки обычно образуют и заполняют единый объект медью на каждой дамасской стадии. Двойной Дамаскин процессы , как правило , формируют и заполняют две особенности с медью сразу, например, траншеи , залегающего поверх через оба могут быть заполнены с помощью одного медного осаждения с использованием двойного Дамаскин.
С последовательными слоями изолятора и меди создается многослойная структура межсоединений. Количество слоев зависит от функции ИС, возможно 10 или более металлических слоев. Без способности CMP удалять медное покрытие в плоском и однородном виде, а также без способности процесса CMP останавливаться с повторяемостью на границе раздела медь-изолятор, эта технология была бы невозможна.
Барьерный металл
Барьер металла слой должен полностью окружать всю медь межсоединения, поскольку диффузия меди в окружающих материалов будет ухудшать их свойства. Например, кремний при легировании медью образует ловушки глубокого уровня . Как следует из названия, барьерный металл должен ограничивать диффузионную способность меди в достаточной степени, чтобы химически изолировать медный проводник от кремния, находящегося ниже, но при этом иметь высокую электропроводность , чтобы поддерживать хороший электронный контакт.
Толщина барьерной пленки также очень важна; при слишком тонком слое медные контакты отравляют те самые устройства, к которым они подключаются; со слишком толстым слоем стопка из двух барьерных металлических пленок и медного проводника имеет большее общее сопротивление, чем алюминиевые межсоединения, что исключает какие-либо преимущества.
Улучшение проводимости при переходе от более ранних алюминиевых проводов к проводникам на основе меди было скромным и не таким хорошим, как можно было бы ожидать при простом сравнении объемных проводимостей алюминия и меди. Добавление барьерных металлов на всех четырех сторонах медного проводника значительно уменьшает площадь поперечного сечения проводника, состоящего из чистой меди с низким сопротивлением. Алюминий, хотя и требует наличия тонкого барьерного металла для обеспечения низкого омического сопротивления при непосредственном контакте со слоями кремния или алюминия, не требует наличия барьерных металлов по бокам металлических линий для изоляции алюминия от окружающих изоляторов из оксида кремния. Поэтому ученые ищут новые способы уменьшить диффузию меди в кремниевые подложки без использования буферного слоя. Один из методов заключается в использовании медно-германиевого сплава в качестве материала межсоединения, так что буферный слой (например, нитрид титана ) больше не нужен. Эпитаксиальный слой Cu 3 Ge был изготовлен со средним удельным сопротивлением 6 ± 1 мкОм см и работой выхода ~ 4,47 ± 0,02 эВ соответственно, что делает его хорошей альтернативой меди.
Электромиграция
Сопротивление электромиграции , процесс, при котором металлический проводник меняет форму под действием протекающего по нему электрического тока и который в конечном итоге приводит к разрыву проводника, значительно лучше у меди, чем у алюминия. Это улучшение сопротивления электромиграции позволяет протекать более высоким токам через медный проводник данного размера по сравнению с алюминиевым. Комбинация небольшого увеличения проводимости с улучшением сопротивления электромиграции оказалась очень привлекательной. Общие выгоды, полученные от этих улучшений производительности, в конечном итоге были достаточными для стимулирования полномасштабных инвестиций в технологии на основе меди и методы производства для высокопроизводительных полупроводниковых устройств, а процессы на основе меди по-прежнему являются современным уровнем развития полупроводниковой промышленности.