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 mejor conductor que el aluminio , los circuitos integrados que utilizan cobre para sus interconexiones pueden tener interconexiones con dimensiones más estrechas y utilizar menos energía para pasar la electricidad a través de ellas. En conjunto, estos efectos conducen a circuitos integrados con mejor rendimiento. Fueron introducidos por primera vez por IBM , con la ayuda de Motorola , en 1997. [1]
La transición del aluminio al cobre requirió avances significativos 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 deposición superconformal de cobre se conocían desde finales de 1960, su aplicación a escala (sub)micrónica (por ejemplo, en microchips) no comenzó hasta 1988-1995 (ver figura). En el año 2002 se convirtió en una tecnología madura y los esfuerzos de investigación y desarrollo en este campo comenzaron a disminuir.
Aunque se sabe que existe alguna forma de compuesto de cobre volátil desde 1947, [2] y se descubrieron más a medida que avanzaba el siglo, [3] ninguno tenía uso industrial, por lo que el cobre no podía modelarse mediante las técnicas anteriores de enmascaramiento fotorresistente y plasma. grabado que se había utilizado con gran éxito con aluminio. La incapacidad de grabar cobre con plasma exigió un replanteamiento drástico del proceso de modelado del metal y el resultado de este replanteamiento fue un proceso denominado modelado aditivo , también conocido como proceso "damasceno" o "damasceno dual" por analogía con un Técnica tradicional de incrustación de metal. [ cita necesaria ]
En este proceso, la capa aislante de óxido de silicio subyacente está modelada con zanjas abiertas donde debería estar el conductor. Se deposita sobre el aislador una gruesa capa de cobre que sobrellena significativamente las zanjas 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 damasquinos generalmente forman y llenan una sola característica con cobre por etapa damasquinada. Los procesos de damasceno dual generalmente forman y llenan dos elementos con cobre a la vez; por ejemplo, una zanja que recubre una vía puede llenarse con una sola deposición de cobre usando damasceno dual. [ cita necesaria ]
Con capas sucesivas de aislante y cobre, se crea una estructura de interconexión multicapa. El número de capas depende de la función del CI, son posibles 10 o más capas de metal. Sin la capacidad de CMP para eliminar el recubrimiento de cobre de forma plana y uniforme, y sin la capacidad del proceso CMP de detenerse repetidamente en la interfaz cobre-aislante, esta tecnología no sería realizable. [ cita necesaria ]
Una capa metálica de barrera debe rodear completamente todas las interconexiones de cobre, ya que la difusión del cobre hacia 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, una barrera metálica debe limitar la difusividad del cobre lo suficiente como para aislar químicamente el conductor de cobre del silicio que se encuentra debajo, pero tener una alta conductividad eléctrica para mantener un buen contacto electrónico.
El espesor de la película barrera también es muy importante; con una capa demasiado fina, los contactos de cobre envenenan los propios 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, eliminando cualquier beneficio.
La mejora en la conductividad al pasar de los anteriores conductores de aluminio a conductores de cobre fue modesta y no tan buena como se esperaría mediante una simple comparación de las conductividades generales 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 requería una barrera metálica delgada para promover una baja resistencia óhmica al hacer contacto directamente con las capas de silicio o aluminio, no requería barreras metálicas en los lados de las líneas metálicas para aislar el aluminio de los aisladores de óxido de silicio circundantes. Por lo tanto, los científicos están buscando nuevas formas de reducir la difusión del cobre en sustratos de silicio sin utilizar la capa tampón. Un método consiste en utilizar una aleación de cobre y germanio como material de interconexión de modo que ya no se necesite una capa amortiguadora (por ejemplo, nitruro de titanio ). 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 lo atraviesa y que eventualmente conduce a la rotura del conductor, es significativamente mejor en el cobre que en 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 modesto aumento de la conductividad junto con esta mejora de la resistencia a la electromigración resultó muy atractiva. Los beneficios generales derivados de estas mejoras de rendimiento fueron, en última instancia, suficientes para impulsar una inversión a gran escala en tecnologías y métodos de fabricación basados en cobre para dispositivos semiconductores de alto rendimiento, y los procesos basados en cobre siguen siendo lo último en tecnología 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 del transistor 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 de R y C comenzó a fines de la década de 1990, cuando el Al ( aluminio ) fue reemplazado por Cu ( cobre ) para un R más bajo (resistencia), y el SiO2 fue reemplazado por dieléctricos de bajo κ para un C más bajo (capacitancia). 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 sustractivo) en áreas no recubiertas, seguido de la deposición de un dieléctrico. Dado que no se conocía ningún método de grabado espacialmente selectivo del cobre, en su lugar se implementó el grabado (modelado) del dieléctrico. Para la deposición de Cu (es decir, un proceso de fabricación aditiva), el equipo de IBM optó a finales de los años 1990 por la galvanoplastia. Esto inició la “revolución del cobre” en la industria de semiconductores y microchips.
El cobreado comienza recubriendo las paredes de una vía con una capa protectora (Ta, TaN, SiN o SiC), que evita la difusión del Cu en el silicio. Luego, se realiza la deposición física de vapor de una fina capa de semilla de Cu en las paredes de la vía. [6] Esta “capa de semilla” actúa como promotor para el siguiente paso de la 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 por vía da lugar a la formación de un vacío en el interior. Para evitar tales defectos, se requiere un relleno de abajo hacia arriba (o superconformado), como se muestra en la Fig. A.
Las soluciones líquidas para la galvanoplastia de cobre superconformal normalmente comprenden varios aditivos en concentraciones mM: ion cloruro, un supresor (como el 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 de metales superconformados:
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 el fondo 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.
Existe evidencia experimental que respalda cualquiera de los modelos. La opinión conciliadora es que en las primeras etapas del llenado de abajo hacia arriba, 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 una masa lo suficientemente rápida). transporte). El acelerador, que es una molécula más pequeña y de difusión más rápida, llega al fondo de la vía, donde acelera la velocidad de recubrimiento de Cu sin el supresor. Al final del recubrimiento, el acelerador permanece en una alta concentración en la superficie del cobre recubierto, provocando la formación de una protuberancia final.