Медные межсоединения в полупроводниковых интегральных схемах.
Copper interconnects
Медные соединения в интегральных схемах: снижение задержек и энергопотребления. Улучшенная проводимость для повышения производительности чипов. Внедрены IBM в 1997.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Используется в полупроводниковых интегральных схемах.
Used in semiconductor integrated circuits
В полупроводниковой технологии медные межсоединения – это соединения, изготовленные из меди. Они применяются в кремниевых интегральных схемах (ИС) для снижения задержек распространения сигнала и энергопотребления. Поскольку медь является лучшим проводником, чем алюминий, ИС с медными межсоединениями могут иметь соединения меньшей ширины и потреблять меньше энергии при прохождении электрического тока. В совокупности эти факторы обеспечивают более высокую производительность ИС. Впервые они были внедрены компанией IBM при участии Motorola в 1997 году. Переход от алюминия к меди потребовал значительных усовершенствований в технологиях производства, включая принципиально новые методы формирования рисунка металла, а также внедрение барьерных металлических слоев для изоляции кремния от потенциально разрушительного воздействия атомов меди. Хотя методы суперконформного электроосаждения меди были известны с конца 1960-х годов, их применение в масштабе (суб)микронных переходных отверстий (например, в микрочипах) началось лишь в 1988–1995 годах (см. рисунок). К 2002 году эта технология достигла зрелости, и объемы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этой области начали сокращаться.
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.
Оформление
Хотя существование той или иной формы летучего соединения меди известно с 1947 года, и в течение столетия были открыты новые соединения, ни одно из них не применялось в промышленности. Поэтому медь нельзя было формировать с помощью прежних методов фоторезистного маскирования и плазменного травления, которые успешно использовались с алюминием. Невозможность плазменного травления меди потребовала кардинального пересмотра процесса формирования металлических рисунков, и результатом этого пересмотра стал аддитивный метод формирования рисунка, также известный как "дамасский" или "двойной дамасский" процесс, по аналогии с традиционной техникой металлической инкрустации. В этом процессе формируются открытые канавки в базовом слое диэлектрика – оксида кремния – в местах, где должен располагаться проводник. На диэлектрик наносится толстый слой меди, который полностью заполняет канавки и выступает над поверхностью, после чего для удаления избыточной меди (так называемого "overburden") используется химико-механическая полировка (CMP). Медь, оставшаяся в канавках диэлектрика, не удаляется и формирует проводящий рисунок. Дамасские процессы обычно формируют и заполняют один элемент медным покрытием за один цикл. Двойные дамасские процессы обычно формируют и заполняют два элемента одновременно, например, канавку, расположенную над переходным отверстием (виа), можно заполнить одним нанесением меди с использованием двойного дамасского процесса. Последовательным нанесением слоев диэлектрика и меди создается многослойная структура межсоединений. Количество слоев зависит от функциональности интегральной схемы, возможно 10 и более металлических слоев. Без возможности CMP удалять медное покрытие плоскостно и равномерно, а также без способности процесса CMP стабильно останавливаться на границе медь-диэлектрик, эта технология была бы невозможна.
Although some form of volatile copper compound has been known to exist since 1947, with more discovered as the century progressed, none were in industrial use, so copper could not be patterned by the previous techniques of photoresist masking and plasma etching that had been used with great success with aluminium. The inability to plasma etch copper called for a drastic rethinking of the metal patterning process and the result of this rethinking was a process referred to as an additive patterning, also known as a "Damascene" or "dual Damascene" process by analogy to a traditional technique of metal inlaying. In this process, the underlying silicon oxide insulating layer is patterned with open trenches where the conductor should be. A thick coating of copper that significantly overfills the trenches is deposited on the insulator, and chemical mechanical planarization (CMP) is used to remove the copper (known as overburden) that extends above the top of the insulating layer. Copper sunken within the trenches of the insulating layer is not removed and becomes the patterned conductor. Damascene processes generally form and fill a single feature with copper per Damascene stage. Dual Damascene processes generally form and fill two features with copper at once, e. g., a trench overlying a via may both be filled with a single copper deposition using dual Damascene. With successive layers of insulator and copper, a multilayer interconnect structure is created. The number of layers depends on the IC's function, 10 or more metal layers are possible. Without the ability of CMP to remove the copper coating in a planar and uniform fashion, and without the ability of the CMP process to stop repeatably at the copper insulator interface, this technology would not be realizable.
Металлозащитные барьеры
Барьерный металлический слой должен полностью окружать все медные соединения, поскольку диффузия меди в окружающие материалы приводит к ухудшению их свойств. Например, кремний образует глубокие ловушки при легировании медью. Как следует из названия, барьерный металл должен достаточно ограничивать диффузию меди, чтобы химически изолировать медный проводник от расположенного ниже кремния, но при этом обладать высокой электропроводностью для обеспечения хорошего электронного контакта. Толщина барьерной пленки также очень важна: при слишком тонком слое медные контакты могут повредить сами устройства, к которым они подключены; при слишком толстом слое суммарное сопротивление стека из двух барьерных металлических пленок и медного проводника превышает сопротивление алюминиевых соединений, что сводит на нет все преимущества. Улучшение проводимости при переходе от алюминиевых проводников к медным было незначительным и не таким существенным, как можно было бы ожидать, исходя из простого сравнения удельной проводимости алюминия и меди. Добавление барьерных металлов со всех четырех сторон медного проводника значительно уменьшает площадь поперечного сечения проводника, состоящего из чистой меди с низким сопротивлением. Алюминий, хотя и требует тонкого барьерного металла для обеспечения низкого омического сопротивления при непосредственном контакте со слоями кремния или алюминия, не требует барьерных металлов по бокам металлических линий для изоляции алюминия от окружающих изоляторов из оксида кремния. Поэтому ученые ищут новые способы снижения диффузии меди в кремниевые подложки без использования буферного слоя. Один из методов – использование сплава медь-германий в качестве материала для соединений, что позволяет отказаться от буферного слоя (например, нитрида титана). Эпитаксиальный слой Cu3Ge был получен со средним удельным сопротивлением 6 ± 1 μОм·см и рабочей функцией ~4,47 ± 0,02 эВ, что делает его хорошей альтернативой меди.
A barrier metal layer must completely surround all copper interconnect, since diffusion of copper into surrounding materials would degrade their properties. For instance, silicon forms deep level traps when doped with copper. As the name implies, a barrier metal must limit copper diffusivity sufficiently to chemically isolate the copper conductor from the silicon below, yet have high electrical conductivity in order to maintain a good electronic contact. The thickness of the barrier film is also quite important; with too thin a layer, the copper contacts poison the very devices that they connect to; with too thick a layer, the stack of two barrier metal films and a copper conductor have a greater total resistance than aluminium interconnects, eliminating any benefit. The improvement in conductivity in going from earlier aluminium to copper based conductors was modest, and not as good as to be expected by a simple comparison of bulk conductivities of aluminium and copper. The addition of barrier metals on all four sides of the copper conductor significantly reduces the cross sectional area of the conductor that is composed of pure, low resistance, copper. Aluminium, while requiring a thin barrier metal to promote low ohmic resistance when making a contact directly to silicon or aluminium layers, did not require barrier metals on the sides of the metal lines to isolate aluminium from the surrounding silicon oxide insulators. Therefore scientists are looking for new ways to reduce the diffusion of copper into silicon substrates without using the buffer layer. One method is to use copper germanium alloy as the interconnect material so that buffer layer (e. g. titanium nitride) is no longer needed. Epitaxial Cu3Ge layer has been fabricated with an average resistivity of 6 ± 1 μΩ cm and work function of ~4.47 ± 0.02 eV respectively, qualifying it as a good alternative to copper.
Электромиграция
Сопротивление электромиграции, процессу, при котором металлический проводник изменяет свою форму под воздействием протекающего через него электрического тока и который в конечном итоге приводит к разрушению проводника, значительно выше у меди, чем у алюминия. Это улучшение устойчивости к электромиграции позволяет пропускать более высокие токи через медный проводник заданного размера по сравнению с алюминиевым. Сочетание умеренного повышения электропроводности с этой улучшенной устойчивостью к электромиграции оказалось весьма привлекательным. Общая выгода от этих улучшений характеристик в конечном итоге оказалась достаточной для масштабных инвестиций в технологии и методы производства на основе меди для высокопроизводительных полупроводниковых приборов, и процессы на основе меди остаются передовыми в полупроводниковой промышленности и сегодня.
Resistance to electromigration, the process by which a metal conductor changes shape under the influence of an electric current flowing through it and which eventually leads to the breaking of the conductor, is significantly better with copper than with aluminium. This improvement in electromigration resistance allows higher currents to flow through a given size copper conductor compared to aluminium. The combination of a modest increase in conductivity along with this improvement in electromigration resistance was to prove highly attractive. The overall benefits derived from these performance improvements were ultimately enough to drive full scale investment in copper based technologies and fabrication methods for high performance semiconductor devices, and copper based processes continue to be the state of the art for the semiconductor industry today.