En la tecnología de semiconductores , las interconexiones de cobre son interconexiones hechas de cobre. Se utilizan en circuitos integrados (CI) de silicio para reducir los retrasos de propagación y el consumo de energía . Dado que el cobre es un mejor conductor que el aluminio , los CI que utilizan cobre para sus interconexiones pueden tener interconexiones con dimensiones más estrechas y utilizar menos energía para pasar electricidad a través de ellas. En conjunto, estos efectos dan lugar a CI con un mejor rendimiento. Fueron introducidos por primera vez por IBM , con la ayuda de Motorola , en 1997. [1]
La transición del aluminio al cobre requirió importantes avances en las técnicas de fabricación , incluidos métodos radicalmente diferentes para modelar el metal, así como la introducción de capas metálicas de barrera para aislar el silicio de los átomos de cobre potencialmente dañinos.
Aunque los métodos de electrodeposición superconforme de cobre se conocían desde finales de 1960, su aplicación a escala submicrónica (por ejemplo, en microchips) comenzó recién entre 1988 y 1995 (véase la figura). En 2002 se convirtió en una tecnología madura y los esfuerzos de investigación y desarrollo en este campo comenzaron a declinar.
Aunque se sabe que existe algún tipo de compuesto volátil de cobre desde 1947 [2] y se descubrieron más a medida que avanzaba el siglo, [3] ninguno se utilizaba industrialmente, por lo que no se podía crear patrones en el cobre con las técnicas anteriores de enmascaramiento de fotorresistencia y grabado de plasma que se habían utilizado con gran éxito con el aluminio. La incapacidad de grabar con plasma el cobre exigió un replanteamiento drástico del proceso de creación de patrones de metal y el resultado de este replanteamiento fue un proceso conocido como creación de patrones aditivos , también conocido como proceso "damasceno" o "doble damasceno" por analogía con una técnica tradicional de incrustación de metal. [ cita requerida ]
En este proceso, la capa aislante de óxido de silicio subyacente se modela con zanjas abiertas donde debería estar el conductor. Se deposita una capa gruesa de cobre que llena significativamente las zanjas sobre el aislante, y se utiliza la planarización químico-mecánica (CMP) para eliminar el cobre (conocido como sobrecarga ) que se extiende por encima de la parte superior de la capa aislante. El cobre hundido dentro de las zanjas de la capa aislante no se elimina y se convierte en el conductor modelado. Los procesos de damasquinado generalmente forman y rellenan una única característica con cobre por etapa de damasquinado. Los procesos de doble damasquinado generalmente forman y rellenan dos características con cobre a la vez, por ejemplo, una zanja que recubre una vía puede rellenarse con una única deposición de cobre utilizando doble damasquinado. [ cita requerida ]
Con capas sucesivas de aislante y cobre, se crea una estructura de interconexión multicapa. La cantidad de capas depende de la función del CI; son posibles 10 o más capas de metal. Sin la capacidad del CMP de eliminar el revestimiento de cobre de manera plana y uniforme, y sin la capacidad del proceso CMP de detenerse repetidamente en la interfaz cobre-aislante, esta tecnología no sería factible. [ cita requerida ]
Una capa de metal de barrera debe rodear por completo todas las interconexiones de cobre, ya que la difusión del cobre en los materiales circundantes degradaría sus propiedades. Por ejemplo, el silicio forma trampas de nivel profundo cuando se dopa con cobre. Como su nombre lo indica, un metal de barrera debe limitar la difusividad del cobre lo suficiente como para aislar químicamente el conductor de cobre del silicio que se encuentra debajo, pero debe tener una alta conductividad eléctrica para mantener un buen contacto electrónico.
El espesor de la película de barrera también es muy importante: con una capa demasiado fina, los contactos de cobre envenenan los dispositivos a los que se conectan; con una capa demasiado gruesa, la pila de dos películas metálicas de barrera y un conductor de cobre tienen una resistencia total mayor que las interconexiones de aluminio, lo que elimina cualquier beneficio.
La mejora en la conductividad al pasar de los conductores de aluminio a los de cobre fue modesta y no tan buena como se esperaba a partir de una simple comparación de las conductividades en masa del aluminio y el cobre. La adición de metales de barrera en los cuatro lados del conductor de cobre reduce significativamente el área de la sección transversal del conductor que está compuesto de cobre puro de baja resistencia. El aluminio, si bien requiere un metal de barrera delgado para promover una baja resistencia óhmica al hacer contacto directamente con capas de silicio o aluminio, no requirió metales de barrera en los lados de las líneas de metal para aislar el aluminio de los aislantes de óxido de silicio circundantes. Por lo tanto, los científicos están buscando nuevas formas de reducir la difusión del cobre en los sustratos de silicio sin usar la capa intermedia. Un método es usar aleación de cobre y germanio como material de interconexión para que la capa intermedia (por ejemplo, nitruro de titanio ) ya no sea necesaria. La capa epitaxial de Cu 3 Ge se ha fabricado con una resistividad promedio de 6 ± 1 μΩ cm y una función de trabajo de ~4,47 ± 0,02 eV respectivamente, [4] lo que la califica como una buena alternativa al cobre.
La resistencia a la electromigración , el proceso por el cual un conductor metálico cambia de forma bajo la influencia de una corriente eléctrica que fluye a través de él y que finalmente conduce a la rotura del conductor, es significativamente mejor con el cobre que con el aluminio. Esta mejora en la resistencia a la electromigración permite que fluyan corrientes más altas a través de un conductor de cobre de tamaño determinado en comparación con el aluminio. La combinación de un aumento modesto en la conductividad junto con esta mejora en la resistencia a la electromigración resultó muy atractiva. Los beneficios generales derivados de estas mejoras de rendimiento fueron finalmente suficientes para impulsar la inversión a gran escala en tecnologías basadas en cobre y métodos de fabricación para dispositivos semiconductores de alto rendimiento, y los procesos basados en cobre siguen siendo el estado del arte para la industria de semiconductores en la actualidad.
Alrededor de 2005, la frecuencia del procesador alcanzó los 3 GHz debido a la continua disminución del tamaño de los transistores en el chip en los años anteriores. En este punto, el acoplamiento RC capacitivo de las interconexiones se convirtió en el factor limitante de la velocidad (frecuencia). [5]
El proceso de reducción tanto de R como de C comenzó a fines de la década de 1990, cuando se reemplazó el Al ( aluminio ) por Cu ( cobre ) para una R (resistencia) más baja, y el SiO2 se reemplazó por dieléctricos de bajo κ para una C (capacitancia) más baja. Se seleccionó Cu como reemplazo del Al, porque tiene la resistencia electrónica más baja entre los materiales de bajo costo a temperatura ambiente, y porque el Cu muestra una electromigración más lenta que el Al. Cabe destacar que, en el caso de las interconexiones de Al, el proceso de modelado implica un grabado selectivo de Al (es decir, un proceso de fabricación sustractiva) en áreas sin recubrimiento, seguido de la deposición de un dieléctrico. Dado que no se conocía ningún método de grabado espacialmente selectivo del cobre, se implementó en su lugar el grabado (modelado) del dieléctrico. Para la deposición de Cu (es decir, un proceso de fabricación aditiva), el equipo de IBM a fines de la década de 1990 seleccionó la galvanoplastia. Esto inició la "revolución del cobre" en la industria de semiconductores / microchips.
El recubrimiento de cobre comienza con el recubrimiento de las paredes de una vía con una capa protectora (Ta, TaN, SiN o SiC), que evita la difusión de Cu en el silicio. Luego, se realiza la deposición física en fase de vapor de una fina capa de Cu en las paredes de la vía. [6] Esta “capa de semilla” sirve como promotor para el siguiente paso de electrodeposición. Normalmente, debido al transporte de masa más lento del ion Cu2+, la galvanoplastia es más lenta en el interior de las vías. En tales condiciones, el llenado de la vía da como resultado la formación de un vacío en el interior. Para evitar tales defectos, se requiere un llenado de abajo hacia arriba (o superconforme), como se muestra en la Figura A.
Las soluciones líquidas para la galvanoplastia superconforme de cobre comprenden típicamente varios aditivos en concentraciones mM: ion cloruro, un supresor (como polietilenglicol ), un acelerador (por ejemplo, bis(3-sulfopropil)disulfuro) y un agente nivelador (por ejemplo, Janus Green B). [7] Se han propuesto dos modelos principales para la galvanoplastia superconforme de metales:
1) El modelo de concentración de adsorbato mejorada por curvatura (CEAC) sugiere que, a medida que aumenta la curvatura de la capa de cobre en la parte inferior de la vía, también aumenta la cobertura de la superficie del acelerador adsorbido, lo que facilita la deposición de Cu cinéticamente limitada en estas áreas. Este modelo enfatiza el papel del acelerador.
2) El modelo de resistencia diferencial negativa en forma de S (S-NDR) afirma, en cambio, que el efecto principal proviene del supresor, que debido a su alto peso molecular/difusión lenta no llega al fondo de la vía y se adsorbe preferentemente en la parte superior de la vía, donde inhibe el recubrimiento de Cu.
Existen pruebas experimentales que respaldan ambos modelos. La opinión conciliatoria es que en las primeras etapas del llenado de la vía ascendente, la mayor tasa de recubrimiento de Cu en la parte inferior se debe a la falta de moléculas supresoras de PEG allí (su coeficiente de difusión es demasiado bajo para proporcionar un transporte de masa lo suficientemente rápido). El acelerador, que es una molécula más pequeña y de difusión más rápida, llega al fondo de la vía, donde acelera la tasa de recubrimiento de Cu sin el supresor. Al final del recubrimiento, el acelerador permanece en una alta concentración en la superficie del cobre recubierto, lo que provoca la formación de una protuberancia final.