Interconexões de cobre - Copper interconnects

Na tecnologia de semicondutores , as interconexões de cobre são interconexões feitas de cobre. Eles são usados ​​em circuitos integrados de silício (ICs) para reduzir atrasos de propagação e consumo de energia . Como o cobre é um condutor melhor do que o alumínio , os CIs que usam cobre para suas interconexões podem ter interconexões com dimensões mais estreitas e usar menos energia para passar eletricidade por eles. Juntos, esses efeitos levam a CIs com melhor desempenho. Eles foram introduzidos pela primeira vez pela IBM , com o auxílio da Motorola , em 1997.

A transição do alumínio para o cobre exigiu desenvolvimentos significativos nas técnicas de fabricação , incluindo métodos radicalmente diferentes para padronizar o metal, bem como a introdução de camadas de metal de barreira para isolar o silício de átomos de cobre potencialmente prejudiciais.

Padronização

Embora se saiba que existe alguma forma de composto de cobre volátil desde 1947, com mais descobertos no decorrer do século, nenhum estava em uso industrial, então o cobre não poderia ser padronizado pelas técnicas anteriores de mascaramento fotorresistente e gravação de plasma que tinham sido usadas com grande sucesso com o alumínio. A incapacidade de gravar o cobre por plasma exigiu uma repensação drástica do processo de padronização do metal e o resultado dessa reformulação foi um processo conhecido como padronização aditiva , também conhecido como processo "Damasceno" ou "Damasceno duplo" por analogia a um técnica tradicional de incrustação de metal.

Neste processo, a camada isolante de óxido de silício subjacente é padronizada com valas abertas onde o condutor deveria estar. Um espesso revestimento de cobre que enche de forma significativa as trincheiras é depositado no isolador e a planarização químico-mecânica (CMP) é usada para remover o cobre (conhecido como sobrecarga ) que se estende acima do topo da camada isolante. O cobre afundado nas trincheiras da camada isolante não é removido e se torna o condutor padronizado. Os processos damascenos geralmente formam e preenchem um único elemento com cobre por estágio damasceno. Os processos de Damasceno duplo geralmente formam e preenchem duas características com cobre ao mesmo tempo, por exemplo, uma trincheira sobre uma via pode ser preenchida com uma única deposição de cobre usando Damasceno duplo.

Com sucessivas camadas de isolante e cobre, uma estrutura de interconexão multicamadas é criada. O número de camadas depende da função do IC, 10 ou mais camadas de metal são possíveis. Sem a capacidade do CMP de remover o revestimento de cobre de maneira plana e uniforme, e sem a capacidade do processo CMP de parar repetidamente na interface cobre-isolador, essa tecnologia não seria realizável.

Barreira de metal

Uma camada de metal de barreira deve envolver completamente toda a interconexão de cobre, uma vez que a difusão do cobre nos materiais circundantes degradaria suas propriedades. Por exemplo, o silício forma armadilhas de nível profundo quando dopado com cobre. Como o nome indica, um metal de barreira deve limitar a difusividade do cobre o suficiente para isolar quimicamente o condutor de cobre do silício abaixo, mas ter alta condutividade elétrica para manter um bom contato eletrônico.

A espessura do filme de barreira também é muito importante; com uma camada muito fina, os contatos de cobre envenenam os próprios dispositivos aos quais se conectam; com uma camada muito espessa, a pilha de dois filmes metálicos de barreira e um condutor de cobre têm uma resistência total maior do que as interconexões de alumínio, eliminando qualquer benefício.

A melhoria na condutividade ao passar dos primeiros condutores à base de alumínio para cobre foi modesta, e não tão boa quanto se poderia esperar por uma simples comparação de condutividades volumosas de alumínio e cobre. A adição de metais de barreira em todos os quatro lados do condutor de cobre reduz significativamente a área da seção transversal do condutor que é composto de cobre puro de baixa resistência. O alumínio, embora requeira uma barreira metálica fina para promover baixa resistência ôhmica ao fazer um contato direto com as camadas de silício ou alumínio, não requer metais barreira nas laterais das linhas de metal para isolar o alumínio dos isoladores de óxido de silício circundantes. Portanto, os cientistas estão procurando novas maneiras de reduzir a difusão do cobre em substratos de silício sem usar a camada tampão. Um método é usar liga de cobre-germânio como material de interconexão, de forma que a camada tampão (por exemplo, nitreto de titânio ) não seja mais necessária. A camada epitaxial de Cu 3 Ge foi fabricada com resistividade média de 6 ± 1 μΩ cm e função de trabalho de ~ 4,47 ± 0,02 eV respectivamente, qualificando-a como uma boa alternativa ao cobre.

Eletromigração

A resistência à eletromigração , o processo pelo qual um condutor de metal muda de forma sob a influência de uma corrente elétrica que flui através dele e que eventualmente leva à quebra do condutor, é significativamente melhor com cobre do que com alumínio. Esta melhoria na resistência à eletromigração permite que correntes mais altas fluam através de um condutor de cobre de determinado tamanho em comparação com o alumínio. A combinação de um aumento modesto na condutividade junto com essa melhoria na resistência à eletromigração provou ser altamente atrativa. Os benefícios gerais derivados dessas melhorias de desempenho foram, em última análise, suficientes para impulsionar o investimento em larga escala em tecnologias e métodos de fabricação baseados em cobre para dispositivos semicondutores de alto desempenho, e os processos baseados em cobre continuam a ser o estado da arte para a indústria de semicondutores hoje.

Veja também

Referências