Медные межсоединения используются в интегральных схемах для уменьшения задержек распространения и энергопотребления . Поскольку медь является лучшим проводником, чем алюминий , микросхемы, использующие медь для своих межсоединений, могут иметь межсоединения с более узкими размерами и использовать меньше энергии для передачи электричества через них. Вместе эти эффекты приводят к микросхемам с более высокой производительностью. Впервые они были представлены IBM при содействии Motorola в 1997 году. [1]
Переход от алюминия к меди потребовал значительных изменений в технологиях изготовления , включая радикально иные методы формирования рисунка металла, а также введение барьерных металлических слоев для изоляции кремния от потенциально опасных атомов меди.
Хотя методы суперконформного электроосаждения меди были известны с конца 1960-х годов, их применение в (суб)микронном масштабе (например, в микрочипах) началось только в 1988-1995 годах (см. рисунок). К 2002 году это стало зрелой технологией, и исследования и разработки в этой области пошли на спад.
Хотя некоторые формы летучих соединений меди были известны с 1947 года [2] , и с течением столетия их было обнаружено больше, [3] ни одна из них не использовалась в промышленности, поэтому медь не могла быть структурирована предыдущими методами фоторезистивной маскировки и плазменного травления , которые с большим успехом применялись с алюминием. Невозможность плазменного травления меди потребовала радикального переосмысления процесса формирования рисунка на металле, и результатом этого переосмысления стал процесс, называемый аддитивным формированием рисунка , также известный как процесс «дамаскин» или «двойной дамаскин» по аналогии с традиционной техникой инкрустации металла. [ необходима цитата ]
В этом процессе нижележащий изолирующий слой оксида кремния шаблонизирован открытыми канавками там, где должен быть проводник. Толстое покрытие меди, которое значительно переполняет канавки, осаждается на изоляторе, и химико-механическая планаризация (ХМП) используется для удаления меди (известной как нанос ), которая выступает над верхней частью изолирующего слоя. Медь, утопленная в канавках изолирующего слоя, не удаляется и становится шаблонизированным проводником. Процессы дамаскина обычно формируют и заполняют одну особенность медью на стадию дамаскина. Процессы двойного дамаскина обычно формируют и заполняют две особенности медью одновременно, например, канавка, покрывающая переходное отверстие, может быть заполнена одним осаждением меди с использованием двойного дамаскина. [ необходима цитата ]
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 планарным и однородным образом и без способности процесса CMP останавливаться повторно на границе медь-изолятор эта технология не была бы реализована. [ необходима цитата ]
Барьерный металлический слой должен полностью окружать все медные соединения, поскольку диффузия меди в окружающие материалы ухудшит их свойства. Например, кремний образует ловушки с глубоким уровнем при легировании медью. Как следует из названия, барьерный металл должен ограничивать диффузию меди в достаточной степени, чтобы химически изолировать медный проводник от кремния под ним, но при этом иметь высокую электропроводность для поддержания хорошего электронного контакта.
Толщина барьерной пленки также весьма важна: при слишком тонком слое медные контакты отравляют сами устройства, к которым они подключаются; при слишком толстом слое стопка из двух барьерных металлических пленок и медного проводника имеет большее общее сопротивление, чем алюминиевые межсоединения, что сводит на нет любые преимущества.
Улучшение проводимости при переходе от более ранних алюминиевых к медным проводникам было скромным и не таким хорошим, как можно было бы ожидать при простом сравнении объемных проводимостей алюминия и меди. Добавление барьерных металлов со всех четырех сторон 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 непосредственном 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. Одним из методов является использование сплава меди и германия в качестве материала межсоединения, так что буферный слой (например, нитрид титана ) больше не нужен. Эпитаксиальный слой Cu3Ge был изготовлен со средним удельным сопротивлением 6 ± 1 мкОм см и работой выхода ~4,47 ± 0,02 эВ соответственно [4] , что позволяет считать его хорошей альтернативой меди.
Устойчивость к электромиграции , процессу, при котором металлический проводник меняет форму под воздействием протекающего через него электрического тока, и который в конечном итоге приводит к разрыву проводника, значительно лучше у меди, чем у алюминия. Это улучшение сопротивления электромиграции позволяет более высоким токам протекать через медный проводник заданного размера по сравнению с алюминием. Сочетание скромного увеличения проводимости вместе с этим улучшением сопротивления электромиграции оказалось весьма привлекательным. Общие преимущества, полученные от этих улучшений производительности, в конечном итоге оказались достаточными для стимулирования полномасштабных инвестиций в технологии на основе меди и методы изготовления для высокопроизводительных полупроводниковых устройств, и процессы на основе меди продолжают оставаться передовым достижением для полупроводниковой промышленности сегодня.
Около 2005 года частота процессора достигла 3 ГГц из-за постоянного уменьшения размера транзистора на кристалле в предыдущие годы. В этот момент емкостная RC-связь межсоединений стала фактором, ограничивающим скорость (частоту). [5]
Процесс снижения как R, так и C начался в конце 1990-х годов, когда Al ( алюминий ) был заменен Cu ( медью ) для более низкого R (сопротивления), а SiO2 был заменен диэлектриками с низким κ для более низкой C (емкости). Cu был выбран в качестве замены Al, потому что он имеет самое низкое электронное сопротивление среди недорогих материалов при комнатной температуре, и потому что Cu показывает более медленную электромиграцию, чем Al. Примечательно, что в случае Al-соединений процесс формирования рисунка включал селективное травление Al (т. е. субтрактивный производственный процесс) на непокрытых участках с последующим осаждением диэлектрика. Поскольку не было известно ни одного метода пространственно-селективного травления меди, вместо этого было реализовано травление (формирование рисунка) диэлектрика. Для осаждения Cu (т. е. аддитивного производственного процесса) команда IBM в конце 1990-х годов выбрала гальванопокрытие. Это положило начало «медной революции» в полупроводниковой/микрочиповой промышленности.
Меднение начинается с покрытия стенок переходного отверстия защитным слоем (Ta, TaN, SiN или SiC), который предотвращает диффузию Cu в кремний. Затем выполняется физическое осаждение из паровой фазы тонкого затравочного слоя Cu на стенки переходного отверстия. [6] Этот «затравочный слой» служит промоутером для следующего этапа электроосаждения. Обычно из-за более медленного массопереноса ионов Cu2+ гальванопокрытие происходит медленнее глубоко внутри переходных отверстий. В таких условиях заполнение переходных отверстий приводит к образованию пустоты внутри. Чтобы избежать таких дефектов, требуется заполнение снизу вверх (или суперконформное заполнение), как показано на рис. А.
Жидкие растворы для суперконформного гальванопокрытия медью обычно содержат несколько добавок в концентрациях мМ: хлорид-ион, подавитель (такой как полиэтиленгликоль ), ускоритель (например, бис(3-сульфопропил)дисульфид) и выравнивающий агент (например, Janus Green B). [7] Были предложены две основные модели для суперконформного гальванопокрытия металлом:
1) Модель концентрации адсорбата, усиленного кривизной (CEAC), предполагает, что по мере увеличения кривизны медного слоя на дне отверстия увеличивается и покрытие поверхности адсорбированным ускорителем, что способствует кинетически ограниченному осаждению Cu в этих областях. Эта модель подчеркивает роль ускорителя.
2) Модель S-образного 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 дна переходного отверстия и преимущественно адсорбируется в верхней части переходного отверстия, где он препятствует осаждению меди.
Существуют экспериментальные данные в поддержку любой из этих моделей. Согласительное мнение заключается в том, что на ранних стадиях заполнения отверстия снизу вверх более высокая скорость осаждения меди на дне обусловлена отсутствием там молекул-супрессоров ПЭГ (их коэффициент диффузии слишком низок, чтобы обеспечить достаточно быстрый массоперенос). Ускоритель, представляющий собой меньшую и более быструю диффундирующую молекулу, достигает дна отверстия, где он ускоряет скорость осаждения меди без подавителя. В конце осаждения ускоритель остается в высокой концентрации на поверхности покрытой меди, вызывая образование окончательного выступа.