Sản xuất chip: Đồng

Trên chip có kích thước của móng tay, hàng chục tỷ bóng bán dẫn cần được kết nối bằng dây kim loại mỏng hơn gấp ngàn lần so với tóc người. Vào thời điểm quá trình này đến nút 130nm, các kết nối nhôm truyền thống không còn đủ nữa - và việc giới thiệu đồng (Cu) giống như một "cuộc cách mạng kim loại" nano, tạo ra bước nhảy vọt về hiệu suất chip và hiệu quả năng lượng.

 

1. Tại sao đồng? -Ba vấn đề nan giải chính của kết nối nhôm

Nhôm (AL) đã thống trị không gian kết nối trong 30 năm trước khi IBM lần đầu tiên đưa đồng vào sản xuất chip vào năm 1997, nhưng kỷ nguyên Nano đã phơi bày những lỗ hổng chết người của nó:

Đặc tính	al	Cu	Lợi thế cải thiện
Điện trở suất	2,65 μΩ · cm	1,68 μω · cm	Giảm 37%
Đang kháng điện	Mật độ hiện tại thất bại<1 MA/cm²	>5 Ma/cm²	Cải thiện 5X
Hệ số giãn nở nhiệt	23 ppm/ độ	17 ppm/ độ	Kết hợp tốt hơn cho chất nền silicon

Thói quen của nhôm: Trong nút 130nm, điện trở dây nhôm chiếm 70% độ trễ RC và tần số chip bị kẹt ở 1 GHz; Ở mật độ hiện tại> 10⁶ a/cm², các nguyên tử nhôm được "thổi đi" bởi các electron và dây bị vỡ.

0040-09094 Phòng 200mm

Ii.Bí mật của các kết nối đồng: Quá trình Damascus kép

Đồng không thể được khắc trực tiếp và các kỹ sư đã phát minh ra quy trình Damascus kép (damascene kép):

Quy trình (lấy nút 5nm làm ví dụ):

1. Lớp điện môi:

Photolithography trên vật liệu thấp K, khắc các rãnh dây và vias);

2. Bảo vệ cấp nguyên tử:

sự lắng đọng của lớp rào cản 2nm tantalum (TA) (điện trở khuếch tán đồng); sự lắng đọng của lớp hạt Ruthenium (RU) 1nm (Ru) (độ bám dính tăng cường);

3. Mạ siêu đầy:

Được cung cấp năng lượng trong dung dịch mạ đồng (phụ gia Cuso₄ +) để làm đầy từ dưới lên;

4. Đánh bóng cơ học hóa học:

Đánh bóng hai bước: Đầu tiên mài lớp đồng, sau đó đánh bóng lớp rào cản, sự gợn sóng bề mặt <0,3nm.

Iii, Vai trò trung tâm của đồng trong chip

1. "Động mạch điện" được kết nối toàn cầu

High-layer thick copper wire (M8-M10 layer): thickness 1-3 μm, transmission clock/power signal (current>10 mA); Hạt> 1 μm sau khi ủ ở 1100 độ.

2. "Dây nan" được kết nối với nhau cục bộ "

Dây đồng lớp thấp (lớp M1-M3): chiều rộng đường 10-20nm, kết nối bóng bán dẫn liền kề; Công nghệ đồng đóng gói coban ức chế điện giải.

0200-27122 6 "Pedestal

3. "Thang máy thẳng đứng" xếp chồng ba chiều xếp

Voi xuyên Silicon (TSV): Trụ cột đồng có đường kính 5 μm và độ sâu 100 μm kết nối các chip trên và dưới; Thiết kế phù hợp với sự mở rộng nhiệt để tránh nứt căng thẳng.