Fabricación de chips: cobre

En las chips del tamaño de las uñas, las decenas de miles de millones de transistores deben estar conectados con cables de metal miles de veces más delgados que un cabello humano. Para cuando el proceso alcanza el nodo de 130 nm, las interconexiones de aluminio tradicionales ya no son suficientes, y la introducción de cobre (Cu) es como una "revolución de metales" a nanoescala, haciendo un salto cualitativo en el rendimiento de los chips y la eficiencia energética.

 

1. ¿Por qué cobre? --El tres dilemas principales de la interconexión de aluminio

El aluminio (AL) dominó el espacio de interconexión durante 30 años antes de que IBM introdujo por primera vez la fabricación de cobre a los chips en 1997, pero la era nano expuso sus fallas fatales:

Característica	Alabama	Cu	Ventaja mejorando
Resistividad	2.65 μΩ · cm	1.68 μΩ · cm	Disminución37%
Resistencia a la electromigración	Densidad de corriente de falla<1 MA/cm²	>5 mA/cm²	5x Mejora
Coeficiente de expansión térmica	23 ppm/ grado	17 ppm/ grado	Mejor coincidencia para sustratos de silicio

Rout de aluminio: en el nodo de 130 nm, la resistencia de alambre de aluminio representa el 70% del retraso de RC, y la frecuencia de chip se atasca a 1 GHz; A una densidad de corriente de> 10⁶ A/cm², los átomos de aluminio están "impresionados" por los electrones y los cables se rompen.

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II.El secreto de las interconexiones de cobre: el proceso doble de Damasco

El cobre no se pudo grabar directamente, y los ingenieros inventaron el proceso doble de Damasco (dama dual damasceno):

Proceso (tome el nodo de 5 nm como ejemplo):

1. Muesca de capa dieléctrica:

Fotolitografía en material bajo, grabando ranuras de alambre y vias);

2. Protección de nivel atómico:

Deposición de una capa de barrera de 2 nm tantalum (TA) (resistencia a la difusión de cobre); Deposición de la capa de semilla de rutenio (Ru) 1 nM (adhesión mejorada);

3. Chapado súper lleno:

Energizado en solución de revestimiento de cobre (CUSO₄ + Aditivos) para el llenado de abajo hacia arriba;

4. PUDIDO MECÁNICO QUÍMICO:

Pulido de dos pasos: primero moler la capa de cobre, luego pulir la capa de barrera, la ondulación de la superficie <0.3 nm.

III, El papel central del cobre en las papas fritas

1. Globalmente interconectadas "Arterias galvánicas"

High-layer thick copper wire (M8-M10 layer): thickness 1-3 μm, transmission clock/power signal (current>10 mA); El grano> 1 μm después del recocido a 1100 grados.

2. "Nanowires" interconectados localmente

Alambres de cobre de baja capa (capas M1-M3): ancho de línea de 10-20 nm, conectando transistores adyacentes; La tecnología de cobre encapsulada con cobalto inhibe la electromigración.

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3. "Elevadores verticales" apilados tridimensionales

VIA SILICON A TRAVÉS (TSV): pilares de cobre con un diámetro de 5 μm y una profundidad de 100 μm conectan las chips superior e inferior; Diseño de coincidencia de expansión térmica para evitar agrietos por estrés.