interconexiones de cobre

Las interconexiones de cobre se utilizan en circuitos integrados para reducir los retardos 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 de dimensiones más reducidas y consumir menos energía para el paso de la electricidad. En conjunto, estos efectos dan como resultado circuitos integrados con un mejor rendimiento. Fueron introducidos por primera vez por IBM , con la colaboración de Motorola , en 1997. ^{[ 1 ]}

La transición del aluminio al cobre requirió avances significativos en las técnicas de fabricación , incluyendo métodos radicalmente diferentes para la estructuración del metal, así como la introducción de capas metálicas de barrera para aislar el silicio de los átomos de cobre potencialmente dañinos.

Si bien los métodos de electrodeposición superconforme de cobre se conocían desde finales de la década de 1960, su aplicación a escala de vías (sub)micrométricas (por ejemplo, en microchips) comenzó recién entre 1988 y 1995 (véase la figura). Para el año 2002, se había convertido 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 se utilizaba industrialmente, por lo que el cobre no podía ser modelado con las técnicas anteriores de enmascaramiento con fotorresina y grabado con plasma que se habían utilizado con gran éxito con el aluminio. La imposibilidad de grabar el cobre con plasma exigió una revisión drástica del proceso de modelado de metales y el resultado de esta revisión fue un proceso conocido como modelado aditivo , también conocido como proceso "damasceno" o "doble damasceno" por analogía con una técnica tradicional de incrustación de metales.

En este proceso, la capa aislante subyacente de óxido de silicio se estructura con surcos abiertos donde debería estar el conductor. Se deposita sobre el aislante una gruesa capa de cobre que sobrepasa significativamente los surcos, y se utiliza la planarización químico-mecánica (CMP) para eliminar el cobre (conocido como sobrecarga ) que se extiende por encima de la capa aislante. El cobre hundido dentro de los surcos de la capa aislante no se elimina y se convierte en el conductor estructurado. Los procesos de damasceno generalmente forman y rellenan una sola característica con cobre por etapa de damasceno. Los procesos de doble damasceno generalmente forman y rellenan dos características con cobre a la vez; por ejemplo, un surco sobre una vía puede rellenarse con una sola deposición de cobre utilizando doble damasceno.

Mediante capas sucesivas de aislante y cobre, se crea una estructura de interconexión multicapa. El número de capas depende de la función del circuito integrado; es posible utilizar 10 o más capas metálicas. Sin la capacidad del pulido químico-mecánico (CMP) para eliminar el recubrimiento de cobre de forma plana y uniforme, y sin la capacidad del proceso de CMP para detenerse de forma repetible en la interfaz cobre-aislante, esta tecnología no sería viable.

Una capa metálica de barrera debe rodear completamente todas las interconexiones de cobre, ya que la difusión de este metal en los materiales circundantes degradaría sus propiedades. Por ejemplo, el silicio forma trampas de nivel profundo al doparse con cobre. Como su nombre indica, una capa metálica de barrera debe limitar la difusividad del cobre lo suficiente como para aislar químicamente el conductor de cobre del silicio subyacente, a la vez que posee una alta conductividad eléctrica para mantener un buen contacto electrónico.

El grosor de la película de barrera también es muy importante; con una capa demasiado delgada, los contactos de cobre contaminan 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 conductores de aluminio a conductores de cobre fue modesta, y no tan buena como cabría esperar de una simple comparación de las conductividades volumétricas 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 compuesta 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 directo con capas de silicio o aluminio, no requiere metales de barrera en los lados de las líneas metálicas 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 utilizar la capa amortiguadora. Un método es utilizar una aleación de cobre-germanio como material de interconexión, de modo que ya no sea necesaria la capa amortiguadora (por ejemplo, nitruro de titanio ). Se ha fabricado una capa epitaxial de Cu _{3 Ge 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 , proceso por el cual un conductor metálico cambia de forma bajo la influencia de una corriente eléctrica que lo atraviesa y que finalmente conduce a su rotura, 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 un tamaño determinado en comparación con el aluminio. La combinación de un modesto aumento de la conductividad junto con esta mejora en la resistencia a la electromigración resultó ser 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 la tecnología de vanguardia en la industria de los semiconductores en la actualidad.

Hacia 2005, la frecuencia del procesador alcanzó los 3 GHz debido a la continua disminución del tamaño de los transistores integrados en el chip durante los años anteriores. En ese momento, 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 finales de la década de 1990, cuando el aluminio (Al ) se sustituyó por cobre (Cu ) para obtener una menor resistencia (R), y el SiO₂ _se sustituyó por dieléctricos de baja constante dieléctrica (low-κ) para obtener una menor capacitancia (C). Se seleccionó el Cu como sustituto del Al porque tiene la menor resistencia electrónica entre los materiales de bajo coste 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 el grabado selectivo de Al (es decir, un proceso de fabricación sustractiva) en las áreas sin recubrimiento, seguido de la deposición de un dieléctrico. Dado que no se conocía ningún método de grabado espacialmente selectivo de cobre, se implementó el grabado (modelado) del dieléctrico. Para la deposición de Cu (es decir, un proceso de fabricación aditiva), el equipo de IBM a finales de la década de 1990 seleccionó la galvanoplastia. Esto dio inicio a la "revolución del cobre" en la industria de los semiconductores y los 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 impide la difusión de Cu en el silicio. Luego, se realiza la deposición física de vapor de una fina capa semilla de Cu en las paredes de la vía. ^{[ 6 ]} Esta "capa semilla" sirve como promotor para el siguiente paso de electrodeposición. Normalmente, debido al transporte de masa más lento del ion Cu ²⁺ , el electrodepósito es más lento 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 llenado superconforme), como se muestra en la Fig. A.

Las soluciones líquidas para el recubrimiento electrolítico superconforme de cobre suelen contener varios aditivos en concentraciones de mM: iones 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 el recubrimiento electrolítico 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 el fondo de la vía, también aumenta la cobertura superficial 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 evidencias experimentales que respaldan ambos modelos. La opinión conciliadora es que, en las primeras etapas del llenado de vías de abajo hacia arriba, la mayor velocidad de deposición de Cu en la parte inferior se debe a la ausencia de moléculas supresoras de PEG en esa zona (su coeficiente de difusión es demasiado bajo para proporcionar un transporte de masa suficientemente rápido). El acelerador, que es una molécula más pequeña y de difusión más rápida, llega a la parte inferior de la vía, donde acelera la velocidad de deposición de Cu sin la presencia del supresor. Al finalizar la deposición, el acelerador permanece en alta concentración en la superficie del cobre depositado, lo que provoca la formación de una protuberancia final.

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