구리 인터커넥트

Copper interconnects

반도체 기술에서 구리 인터커넥트는 구리로 만들어진 인터커넥트입니다.실리콘 집적회로(IC)에서는 전파 지연과 전력 소비를 줄이기 위해 사용됩니다.구리는 알루미늄보다 우수한 도체이기 때문에, 구리를 상호 연결로 사용하는 IC는 좁은 치수의 상호 연결을 가질 수 있으며, 전기 통과에 필요한 에너지 소비량이 적습니다.이러한 효과가 결합하면 IC의 성능이 향상됩니다.1997년 [1]IBM이 Motorola의 도움을 받아 처음 도입했습니다.

알루미늄에서 구리로의 전환은 금속을 패턴화하는 근본적으로 다른 방법과 실리콘을 잠재적으로 손상시킬 수 있는 구리 원자로부터 분리하기 위한 장벽 금속 층의 도입 등 제작 기술의 상당한 발전을 필요로 했습니다.

패터닝

1947년부터 [2]휘발성 구리 화합물이 존재한다고 알려져 왔지만 세기가 지나면서 [3]더 많이 발견되었고, 산업용으로 사용되는 것은 하나도 없었기 때문에 구리는 알루미늄과 함께 큰 성공을 거둔 기존의 포토 레지스트 마스킹 및 플라즈마 식각 기술로는 패턴을 만들 수 없었습니다.구리를 플라즈마 식각할 수 없다는 것은 금속 패턴 제작 과정의 과감한 재검토를 요구했고, 이러한 재고의 결과는 금속 상감의 전통적인 기술과 유사하게 "Damascene" 또는 "Dual-Damascene" 공정으로도 알려진 첨가 패턴 제작이라고 불리는 공정이었습니다.

이 공정에서 기초가 되는 산화실리콘 절연층은 도체가 있어야 할 위치에 개방된 트렌치로 패턴화된다.트렌치를 크게 덮어쓰는 두꺼운 구리 코팅이 절연체 위에 퇴적되어 있으며, 화학기계평면화(CMP)를 사용하여 절연체 층의 꼭대기 위로 뻗어나가는 구리(과부하로 알려져 있음)를 제거합니다.절연층의 트렌치 내에 가라앉은 구리는 제거되지 않고 패턴 도체가 된다.다마신 공정은 일반적으로 다마신 단계당 구리로 단일 피쳐를 형성하고 채웁니다.듀얼 다마신 공정은 일반적으로 두 가지 특징을 동시에 구리로 형성하고 채웁니다. 예를 들어, 바이아 위에 있는 트렌치는 듀얼 다마신을 사용하여 단일 구리 증착으로 채울 수 있습니다.

절연체 및 구리 층이 연속되어 다층 인터커넥트 구조가 작성됩니다.층수는 IC의 기능에 따라 다르며, 10개 이상의 금속 층이 가능합니다.CMP가 평면적이고 균일한 방법으로 구리 코팅을 제거할 수 없고 CMP 프로세스가 구리 절연체 인터페이스에서 반복적으로 정지할 수 없다면 이 기술은 실현할 수 없습니다.

배리어 메탈

구리가 주변 물질로 확산되면 구리의 특성이 저하되기 때문에 장벽 금속층은 모든 구리 인터커넥트를 완전히 둘러싸야 합니다.예를 들어, 실리콘은 구리를 도핑하면 깊은 수준의 트랩을 형성합니다.이름에서 알 수 있듯이 배리어 메탈은 구리 도체를 아래 실리콘에서 화학적으로 분리할 수 있도록 구리 확산도를 충분히 제한해야 하며 양호한 전자 접점을 유지하기 위해서는 높은 전기 전도율을 가져야 합니다.

장벽의 두께도 매우 중요합니다. 너무 얇은 층을 사용하면 구리 접점이 연결된 바로 그 장치에 독이 됩니다. 너무 두꺼운 층을 사용하면 두 장벽 금속 필름과 구리 도체의 스택이 알루미늄 인터커넥트보다 총 저항이 커 아무런 이점이 없습니다.

초기 알루미늄 기반 도체에서 구리 기반 도체로 전환되는 과정에서 전도성의 개선은 미미했으며 알루미늄과 구리의 벌크 전도율을 단순 비교했을 때 기대했던 것만큼 좋지 않았습니다.구리 도체의 4면 모두에 장벽 금속을 추가하면 순수, 저저항, 구리로 구성된 도체의 단면적이 크게 감소합니다.알루미늄은 실리콘 또는 알루미늄 층에 직접 접촉할 때 낮은 옴 저항을 촉진하기 위해 얇은 장벽 금속이 필요했지만, 알루미늄을 주변의 실리콘 산화물 절연체로부터 분리하기 위해 금속 라인의 측면에 장벽 금속이 필요하지 않았습니다.따라서 과학자들은 완충층을 사용하지 않고 실리콘 기판에 구리가 확산되는 것을 줄일 수 있는 새로운 방법을 찾고 있다.한 가지 방법은 구리-게르마늄 합금을 상호접속 재료로 사용하여 완충층(예: 질화티타늄)이 더 이상 필요하지 않도록 하는 것입니다.에피택셜 CuGe3 층은 평균 저항률이 [4]6 ± 1μΩ cm이고 작업 기능이 약 4.47 ± 0.02 eV로 제작되어 구리의 좋은 대안으로 인정되었습니다.

일렉트로마이그레이션

금속 도체가 흐르는 전류의 영향을 받아 형상을 바꾸고 결국 도체의 파손으로 이어지는 프로세스인 전기구리에 대한 저항성은 알루미늄에 비해 구리에 훨씬 우수합니다.이러한 전자화 저항의 향상으로 알루미늄에 비해 주어진 크기의 구리 도체를 통해 더 높은 전류가 흐를 수 있습니다.도전성의 완만한 증가와 전기 자극 저항성의 개선의 조합은 매우 매력적인 것으로 판명되었습니다.이러한 성능 향상에 따른 전반적인 이점은 궁극적으로 고성능 반도체 소자의 구리 기반 기술과 제조 방법에 대한 투자를 본격화하기에 충분했으며 구리 기반 프로세스는 오늘날에도 여전히 반도체 산업의 최첨단입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "IBM100 - Copper Interconnects: The Evolution of Microprocessors". Retrieved 17 October 2012.
  2. ^ Kőrösy, F.; Misler, G (1947). "A Volatile Compound of Copper". Nature. 160 (4053): 21. Bibcode:1947Natur.160...21K. doi:10.1038/160021a0. PMID 20250932. S2CID 43410902.
  3. ^ Jeffries, Patrick M.; Wilson, Scott R.; Girolami, Gregory S. (1992). "Synthesis and characterization of volatile monomeric copper(II) fluoroalkoxides". Inorganic Chemistry. 31 (22): 4503. doi:10.1021/ic00048a013.
  4. ^ Wu, Fan; Cai, Wei; Gao, Jia; Loo, Yueh-Lin; Yao, Nan (2016-07-01). "Nanoscale electrical properties of epitaxial Cu3Ge film". Scientific Reports. 6: 28818. Bibcode:2016NatSR...628818W. doi:10.1038/srep28818. ISSN 2045-2322. PMC 4929471. PMID 27363582.