В полупроводниковой технологии медные межсоединения представляют собой межсоединения , изготовленные из меди. Они используются в кремниевых интегральных схемах (ИС) для уменьшения задержек распространения и энергопотребления . Поскольку медь является лучшим проводником, чем алюминий , микросхемы, использующие медь в качестве межсоединений, могут иметь межсоединения более узких размеров и использовать меньше энергии для передачи через них электричества. В совокупности эти эффекты приводят к повышению производительности микросхем. Впервые они были представлены IBM при содействии Motorola в 1997 году. [1]
Переход от алюминия к меди потребовал значительных разработок в технологиях изготовления , включая радикально иные методы нанесения рисунка на металл, а также введение барьерных металлических слоев для изоляции кремния от потенциально повреждающих атомов меди.
Хотя методы суперконформного электроосаждения меди были известны с конца 1960-х годов, их применение в (суб)микронных масштабах (например, в микрочипах) началось только в 1988-1995 годах (см. рисунок). К 2002 году эта технология стала зрелой, и усилия по исследованиям и разработкам в этой области начали приходить в упадок.
Хотя с 1947 года было известно о существовании некоторой формы летучих соединений меди, [2] и в течение столетия были обнаружены новые формы, [3] ни одно из них не использовалось в промышленности, поэтому на медь нельзя было нанести рисунок с помощью предыдущих методов маскировки фоторезистом и плазмы. травление , которое с большим успехом применялось к алюминию. Невозможность плазменного травления меди потребовала радикального переосмысления процесса нанесения рисунка на металл, и результатом этого переосмысления стал процесс, называемый аддитивным рисунком , также известный как «дамасский» или «двойной дамасский» процесс по аналогии с процессом плазменного травления меди. традиционная техника инкрустации металлом. [ нужна цитата ]
В этом процессе на нижележащем изолирующем слое оксида кремния образуются открытые траншеи, где должен находиться проводник. На изолятор наносится толстое медное покрытие, которое значительно заполняет траншеи, а химико-механическая планаризация (ХМП) используется для удаления меди (известной как покрывающая порода ), выступающей над верхним слоем изолирующего слоя. Медь, утопленная в канавках изолирующего слоя, не удаляется и становится узорчатым проводником. Дамасские процессы обычно образуют и заполняют медью одну деталь на каждой стадии Дамаска. Процессы с двойным дамасцем обычно формируют и заполняют медью два элемента одновременно, например, канавка, перекрывающая сквозное отверстие, может быть заполнена одним осаждением меди с использованием двойного дамаска. [ нужна цитата ]
Благодаря последовательным слоям изолятора и меди создается многослойная структура межсоединений. Количество слоев зависит от функции микросхемы, возможно 10 и более металлических слоев. Без возможности CMP плоско и равномерно удалять медное покрытие, а также без возможности повторяемости процесса CMP останавливаться на границе раздела медь-изолятор, эта технология не была бы реализована. [ нужна цитата ]
Слой барьерного металла должен полностью окружать все медные межсоединения, поскольку диффузия меди в окружающие материалы ухудшит их свойства. Например, кремний образует ловушки глубоких уровней при легировании медью. Как следует из названия, барьерный металл должен ограничивать диффузию меди в достаточной степени, чтобы химически изолировать медный проводник от находящегося под ним кремния, но при этом иметь высокую электропроводность , чтобы поддерживать хороший электронный контакт.
Толщина барьерной пленки также весьма важна; при слишком тонком слое медные контакты отравляют те самые устройства, к которым они подключаются; При слишком толстом слое пакет из двух барьерных металлических пленок и медного проводника имеет большее общее сопротивление, чем алюминиевые межсоединения, что исключает любую выгоду.
Улучшение проводимости при переходе от более ранних проводников на основе алюминия к медным было скромным и не таким хорошим, как можно было ожидать при простом сравнении объемной проводимости алюминия и меди. Добавление барьерных металлов на все четыре стороны медного проводника значительно уменьшает площадь поперечного сечения проводника, состоящего из чистой меди с низким сопротивлением. Алюминий, хотя и требует тонкого барьерного металла для обеспечения низкого омического сопротивления при прямом контакте со слоями кремния или алюминия, не требует барьерных металлов по бокам металлических линий для изоляции алюминия от окружающих изоляторов из оксида кремния. Поэтому ученые ищут новые способы уменьшения диффузии меди в кремниевые подложки без использования буферного слоя. Один из методов заключается в использовании медно-германиевого сплава в качестве материала межсоединения, чтобы буферный слой (например, нитрид титана ) больше не требовался. 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.
Сопротивление электромиграции , процессу, при котором металлический проводник меняет форму под воздействием протекающего по нему электрического тока и который в конечном итоге приводит к разрыву проводника, у меди значительно лучше, чем у алюминия. Такое улучшение сопротивления электромиграции позволяет пропускать более высокие токи через медный проводник заданного размера по сравнению с алюминиевым. Сочетание умеренного увеличения проводимости с улучшением сопротивления электромиграции оказалось весьма привлекательным. Общие выгоды, полученные от этих улучшений производительности, в конечном итоге оказались достаточными для полномасштабных инвестиций в медные технологии и методы изготовления высокопроизводительных полупроводниковых устройств, а процессы на основе меди продолжают оставаться современными для полупроводниковой промышленности сегодня.
Примерно в 2005 году частота процессора достигла 3 ГГц из-за постоянного уменьшения размера встроенного транзистора в предыдущие годы. На этом этапе емкостная RC-связь межсоединений стала фактором, ограничивающим скорость (частоту). [5]
Процесс снижения R и C начался в конце 1990-х годов, когда Al ( алюминий ) был заменен на Cu ( медь ) для более низкого R (сопротивление), а SiO2 был заменен диэлектриками с низким κ для более низкого C (емкость). Cu была выбрана в качестве замены Al, поскольку она имеет самое низкое электронное сопротивление среди недорогих материалов при комнатной температуре, а также потому, что Cu демонстрирует более медленную электромиграцию, чем Al. Примечательно, что в случае алюминиевых межсоединений процесс формирования рисунка включает селективное травление алюминия (т.е. процесс субтрактивного производства) на непокрытых участках с последующим осаждением диэлектрика. Поскольку метод пространственно-селективного травления меди не был известен, вместо него было реализовано травление (рисование) диэлектрика. Для осаждения меди (т.е. процесса аддитивного производства) команда IBM в конце 1990-х годов выбрала гальваническое покрытие. Это положило начало «медной революции» в индустрии полупроводников и микрочипов.
Меднение начинается с покрытия стенок переходного отверстия защитным слоем (Ta, TaN, SiN или SiC), который предотвращает диффузию меди в кремний. Затем выполняется физическое осаждение из паровой фазы тонкого затравочного слоя меди на стенках переходных отверстий. [6] Этот «семенной слой» служит промотором для следующего этапа электроосаждения. Обычно из-за более медленного массопереноса ионов Cu2+ гальваника происходит медленнее глубоко внутри переходных отверстий. В таких условиях сквозное заполнение приводит к образованию пустот внутри. Во избежание таких дефектов необходимо заполнение снизу вверх (или суперконформное), как показано на рис. А.
Жидкие растворы для суперконформного гальванопокрытия меди обычно содержат несколько добавок в мМ концентрациях: хлорид-ион, подавитель (например, полиэтиленгликоль ), ускоритель (например, бис(3-сульфопропил)дисульфид) и выравнивающий агент (например, Janus Green B). [7] Были предложены две основные модели суперконформного гальванического покрытия металлов:
1) модель концентрации адсорбата с повышенной кривизной (CEAC) предполагает, что по мере увеличения кривизны медного слоя на дне переходного отверстия увеличивается и покрытие поверхности адсорбированным ускорителем, способствуя кинетически ограниченному осаждению Cu в этих областях. Эта модель подчеркивает роль ускорителя.
2) S-образная модель отрицательного дифференциального сопротивления (S-NDR) вместо этого утверждает, что основной эффект исходит от подавителя, который из-за своей высокой молекулярной массы/медленной диффузии не достигает нижней части переходного отверстия и предпочтительно адсорбируется вверху. переходного отверстия, где он препятствует нанесению медного покрытия.
Существуют экспериментальные доказательства в поддержку любой модели. Примиряющее мнение состоит в том, что на ранних стадиях восходящего наполнения более высокая скорость осаждения меди внизу обусловлена отсутствием там молекул-супрессоров ПЭГ (их коэффициент диффузии слишком низок, чтобы обеспечить достаточно быстрое массирование). транспорт). Ускоритель, представляющий собой более мелкую и быстро диффундирующую молекулу, достигает дна переходного отверстия, где ускоряет скорость нанесения медного покрытия без подавителя. В конце нанесения покрытия ускоритель остается в высокой концентрации на поверхности покрытой меди, вызывая образование окончательного выступа.