Кіріспе
Жартылай өткізгіш интегралдық тізбектерде қолданылады. Жартылай өткізгіш технологиясында мыс интерконекстері – мыстан жасалған интерконекстер. Олар кремний интегралдық тізбектерде (ИТ) таралу кешігуін және қуат тұтынуды азайту үшін пайдаланылады. Мыс алюминийге қарағанда жақсы өткізгіш болғандықтан, мыс интерконекстерін пайдаланатын ИТ-лер тар өлшемдерге ие болуы мүмкін және олар арқылы электр тогын өткізу үшін аз энергия жұмсалады. Бұл факторлар бірлесіп, жақсы өнімділікке ие ИТ-лерге әкеледі. Олар алғаш рет 1997 жылы Motorola компаниясының көмегімен IBM компаниясы тарапынан енгізілді. Алюминийден мысқа көшу өндіріс техникасының маңызды дамуын қажет етті, соның ішінде металл өрнектерін жасаудың түбегейлі түрленген әдістері, сондай-ақ кремнийді зиянды мыс атомдарынан оқшаулау үшін кедергілі металл қабаттарының енгізілуі. Суперконформальды мыс электроқою әдістері 1960 жылдардың соңынан бері белгілі болғанымен, олардың (микро)микрондық арналарда қолданылуы (мысалы, микрочиптерде) 1988-1995 жылдары ғана басталды (суретті қараңыз). 2002 жылға қарай бұл технология толыққанды жетілді, ал осы саладағы ғылыми-зерттеу және әзірлеу жұмыстары азайды.
In semiconductor technology, copper interconnects are interconnects made of copper. They are used in silicon integrated circuits (ICs) to reduce propagation delays and power consumption. Since copper is a better conductor than aluminium, ICs using copper for their interconnects can have interconnects with narrower dimensions, and use less energy to pass electricity through them. Together, these effects lead to ICs with better performance. They were first introduced by IBM, with assistance from Motorola, in 1997. The transition from aluminium to copper required significant developments in fabrication techniques, including radically different methods for patterning the metal as well as the introduction of barrier metal layers to isolate the silicon from potentially damaging copper atoms. Although the methods of superconformal copper electrodepostion were known since late 1960, their application at the (sub)micron via scale (e. g. in microchips) started only in 1988 1995 (see figure). By year 2002 it became a mature technology, and research and development efforts in this field started to decline.
Үлгілеу
1947 жылдан бері жездің ұшпалы қосылысының бір түрі белгілі болғанмен, ғасыр өте келе одан да көп түрлері табылды, бірақ олардың ешқайсысы өнеркәсіптік қолданысқа енбеді. Сондықтан, алюминиймен үлкен жетістікпен қолданылған фоторезисттік маскалау және плазмалық кескілеу әдістерімен жезді өңдеу мүмкін болмады. Жезді плазмалық кескілеуге болмауы металл өңдеу процесін түбірден қайта қарастыруды қажет етті. Осы қайта қарастырудың нәтижесінде металл инкрустациясының дәстүрлі әдісіне ұқсас "Дамаск" немесе "қос Дамаск" процесі деп аталатын аддитивтік өңдеу процесі пайда болды. Бұл процесте, астыңғы кремний диоксидінің оқшаулағыш қабаты өткізгіш болуы тиіс жерлерде ашық ойыстармен өңделеді. Ойыстарды едәуір артығымен толтыратын қалың жез қабаты оқшаулағышқа жабылады, содан кейін химиялық-механикалық тегістеу (CMP) арқылы оқшаулағыш қабатының үстінен шығып тұрған жездің артық бөлігі (ауыртпалық) алынып тасталады. Ойыстардың ішінде қалған жез алынып тасталмайды және өңделген өткізгішке айналады. Дамаск процестері әдетте бір Дамаск кезеңінде бір элементті қалыптастырып, жезбен толтырады. Қос Дамаск процестері әдетте бірден екі элементті қалыптастырып, жезбен толтырады, мысалы, ойық үстіндегі тесік екілік Дамаск әдісімен бір жез қабатымен толтырылуы мүмкін. Оқшаулағыш пен жез қабаттарының тізбегі арқылы көп қабатты қосылым құрылымы жасалады. Қабаттардың саны интегралдық схеманың функциясына байланысты, 10 немесе одан да көп металл қабаттары болуы мүмкін. Егер CMP жез қабатын жазық және біркелкі түрде алып тастауға және CMP процесі жез-оқшаулағыш интерфейсінде қайта-қайта тоқтауға қабілетті болмаса, бұл технология іске аспайтын еді.
Металл кедергілері
Барлық мыс байланыстарын тосқауыл металл қабаты толығымен қоршауы тиіс, себебі мыстың айналасындағы материалдарға таралуы олардың қасиеттерін нашарлатады. Мысалы, мыс қосылған кремний терең деңгейдегі тұзақтарды қалыптастырады. Аты айтқандай, тосқауыл металл мыстың таралуын жеткілікті деңгейде шектеуі керек, осылайша мыс өткізгішті төмендегі кремнийден химиялық тұрғыдан оқшаулап, сонымен қатар жақсы электрондық байланысты сақтау үшін жоғары электр өткізгіштігіне ие болуы керек. Тосқауыл пленкасының қалыңдығы да өте маңызды; тым жұқа қабат болса, мыс контактілері оларға қосылатын құрылғыларды уландырады; ал тым қалың қабат болса, екі тосқауыл металл пленкасы мен мыс өткізгіштің жиынтығы алюминий байланыстарына қарағанда жоғары жалпы кедергіге ие болады, бұл кез келген пайданы жояды. Алдыңғы алюминийден мыс негізіндегі өткізгіштерге ауысу кезінде өткізгіштіктің жақсаруы шамалы болды және алюминий мен мыстың көлемдік өткізгіштігін қарапайым салыстырудан күтілгендей жақсы емес еді. Мыс өткізгіштің барлық төрт жағына тосқауыл металдарын қосу таза, төмен кедергілі мыстан жасалған өткізгіштің көлденең қимасының ауданын айтарлықтай азайтады. Алюминийге кремний немесе алюминий қабаттарына тікелей жанасқанда төмен омикалық кедергіге қол жеткізу үшін жұқа тосқауыл металл қажет болса да, алюминийді қоршаған кремний диоксиді изоляторларынан оқшаулау үшін металл сызықтарының бүйірлерінде тосқауыл металл қажет болған жоқ. Сондықтан ғалымдар мыстың кремний субстраттарына таралуын буферлік қабатты қолданбай азайтудың жаңа жолдарын іздеп жатыр. Бір әдіс – мыс-германий қорытпасын байланыстыратын материал ретінде пайдалану, осылайша буферлік қабаттың (мысалы, титан нитриді) қажеттілігі жойлады. Эпитаксиялық Cu3Ge қабаты орташа кедергісі 6 ± 1 μΩ см және жұмыс функциясы тиісінше ~4,47 ± 0,02 eV болатын етіп жасалды, бұл оны мысқа жақсы балама ретінде тануға мүмкіндік береді.
Электромиграция
Электромиграцияға төзімділік, яғни металл өткізгіштің электр тогының әсерінен пішіні өзгеруі және нәтижесінде өткізгіштің жұлынуына алып келетін процесс, мысқа қарағанда алюминийге қарағанда едәуір жоғары. Электромиграцияға төзімділіктің жақсаруы алюминийге қарағанда бірдей өлшемдегі мыс өткізгіш арқылы күштірек ток өтуге мүмкіндік береді. Өткізгіштіктің шамалы артуымен қатар электромиграцияға төзімділіктің жақсаруы өте тартымды болып шықты. Осы көрсеткіштерді жақсартудан алынған жалпы пайдалар, нәтижесінде, жоғары өнімді жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау үшін мыс негізді технологиялар мен өндіріс әдістеріне толыққанды инвестиция жасауға жеткілікті болды, және мыс негізді процестер бүгінгі күні жартылай өткізгіш өнеркәсібі үшін стандартты деңгейде саналады.