Fabricarea cipurilor: cupru

Pe chipsuri de dimensiunea unghiilor, zeci de miliarde de tranzistoare trebuie să fie conectate prin fire metalice de o mie de ori mai subțiri decât un păr uman. Până când procesul ajunge la nodul de 130 nm, interconectările tradiționale din aluminiu nu mai sunt suficiente - iar introducerea cuprului (Cu) este ca o „revoluție a metalelor” la nano -scală, ceea ce face un salt calitativ în performanța cipului și eficiența energetică.

 

1. De ce cupru? -Cele trei dileme majore ale interconectării aluminiului

Aluminiul (AL) a dominat spațiul de interconectare timp de 30 de ani înainte de a introduce prima dată IBM pentru fabricarea de cupru la cipuri în 1997, dar era Nano și -a expus defectele fatale:

Caracteristică	Al	CU	Avantaj îmbunătățirea
Rezistivitate	2,65 μΩ · cm	1,68 μω · cm	Scădere37%
Rezistența la electromigrare	Densitatea curentului de eșec<1 MA/cm²	>5 ma/cm²	5x îmbunătățire
Coeficient de expansiune termică	23 ppm/ grad	17 ppm/ grad	O potrivire mai bună pentru substraturile de siliciu

Ruta de aluminiu: în nodul de 130 nm, rezistența de sârmă de aluminiu reprezintă 70% din întârzierea RC, iar frecvența cipului este blocată la 1 GHz; La o densitate de curent de> 10⁶ A/cm², atomii de aluminiu sunt „aruncați” de electroni și firele se rup.

0040-09094 Camera 200mm

Ii.Secretul interconectărilor de cupru: procesul dublu Damasc

Cuprul nu a putut fi gravat direct, iar inginerii au inventat procesul dublu Damasc (dual damascene):

Proces (luați ca exemplu nodul de 5 nm):

1.. Strat dielectric care creează:

Fotolitografie pe materialul scăzut K, gravarea canelurilor de sârmă și vias);

2. Protecția la nivel atomic:

depunerea unui strat de barieră de 2 nm (TA) (rezistență la difuzie de cupru); depunerea stratului de semințe de 1 nm de ruteniu (Ru) (aderență îmbunătățită);

3. Placare super-umplută:

Energizat în soluție de placare a cuprului (Cuso₄ + Aditivi) pentru umplerea de jos în sus;

4. Polisare mecanică chimică:

Lustruirea în două etape: mai întâi șlefuirea stratului de cupru, apoi lustruirea stratului de barieră, ondulația de suprafață <0,3 nm.

Iii, Rolul central al cuprului în jetoane

1.. Arterele galvanice interconectate la nivel mondial

High-layer thick copper wire (M8-M10 layer): thickness 1-3 μm, transmission clock/power signal (current>10 Ma); Cereale> 1 μm după recoacere la 1100 grade.

2. „Nanowires” interconectat local

Fire de cupru cu strat scăzut de strat (straturi M1-M3): lățime de linie de 10-20 nm, conectând tranzistoarele adiacente; Tehnologia de cupru încapsulată cu cobalt inhibă electromigrarea.

0200-27122 6 "piedestal

3. „Elevatoare verticale” stivuite

VIA-uri prin-silicon (TSV): stâlpi de cupru cu un diametru de 5 μm și o adâncime de 100 μm conectează cipurile superioare și inferioare; Extinderea termică de potrivire a proiectării pentru a evita fisurarea la stres.