Manufaktur chip: Tembaga

Pada chip seukuran kuku, puluhan miliar transistor perlu dihubungkan oleh kabel logam seribu kali lebih tipis dari rambut manusia. Pada saat proses mencapai node 130nm, interkoneksi aluminium tradisional tidak lagi cukup - dan pengenalan tembaga (Cu) seperti "revolusi logam" nano, membuat lompatan kualitatif dalam kinerja chip dan efisiensi energi.

 

1. Mengapa tembaga? -Tiga dilema utama interkoneksi aluminium

Aluminium (AL) mendominasi ruang interkoneksi selama 30 tahun sebelum IBM pertama kali memperkenalkan tembaga ke manufaktur chip pada tahun 1997, tetapi era nano mengekspos kelemahan fatalnya:

Ciri	Al	Cu	Keuntungan meningkat
Resistivitas	2,65 μΩ · cm	1,68 μΩ · cm	Berkurang37%
Resistensi terhadap elektromigrasi	Kegagalan Kepadatan Arus<1 MA/cm²	>5 ma/cm²	Peningkatan 5x
Koefisien ekspansi termal	23 ppm/ derajat	17 ppm/ derajat	Kecocokan yang lebih baik untuk substrat silikon

Rute Aluminium: Dalam simpul 130 nm, resistor kawat aluminium menyumbang 70% dari penundaan RC, dan frekuensi chip macet pada 1 GHz; Pada kepadatan saat ini> 10⁶ a/cm², atom aluminium "terpesona" oleh elektron dan kabel pecah.

0040-09094 Kamar 200mm

Ii.Rahasia Interkoneksi Tembaga: Proses Damaskus Ganda

Tembaga tidak dapat diukir secara langsung, dan para insinyur menemukan proses damaskus ganda (dual damascene):

Proses (ambil node 5 nm sebagai contoh):

1. Lapisan dielektrik berlekuk:

Photolithography pada bahan rendah-K, mengetsa alur kawat dan vias);

2. Perlindungan tingkat atom:

deposisi lapisan penghalang 2 nm tantalum (TA) (resistensi difusi tembaga); Deposisi 1 nM ruthenium (RU) lapisan biji (peningkatan adhesi);

3. Pelapisan yang sangat dipenuhi:

Berenergi dalam solusi pelapisan tembaga (aditif CUSO₄ +) untuk pengisian bottom-up;

4. Pemolesan Mekanik Kimia:

Pemolesan dua langkah: Pertama menggiling lapisan tembaga, kemudian memoles lapisan penghalang, undulasi permukaan <0,3 nm.

AKU AKU AKU, Peran sentral tembaga dalam chip

1. "Arteri galvanik" yang saling berhubungan secara global

High-layer thick copper wire (M8-M10 layer): thickness 1-3 μm, transmission clock/power signal (current>10 Ma); Gandum> 1 μm setelah anil pada 1100 derajat.

2. "Nanowires" yang saling berhubungan secara lokal

Kabel tembaga lapisan rendah (lapisan M1-M3): Lebar saluran 10-20 nm, menghubungkan transistor yang berdekatan; Teknologi tembaga yang dienkapsulasi kobalt menghambat elektromigrasi.

0200-27122 6 "Pedestal

3. Tiga dimensi bertumpuk "lift vertikal"

Vias melalui-silikon (TSV): pilar tembaga dengan diameter 5 μm dan kedalaman 100 μm menghubungkan chip atas dan bawah; Desain pencocokan ekspansi termal untuk menghindari retak stres.