В современной электронике медные пленки решительно предпочтительнее алюминиевых для высокопроизводительных приложений, главным образом из-за их превосходной электропроводности и значительно более высокой устойчивости к электромиграции. Это позволяет создавать более быстрые, энергоэффективные и надежные интегральные схемы (ИС) с более плотной проводкой.
Выбор между медью и алюминием — это не просто выбор лучшего проводника; это фундаментальный инженерный компромисс. Медь обеспечивает превосходные электрические характеристики и долговечность, но за счет значительно более сложных и дорогостоящих производственных процессов по сравнению с установленными, более простыми методами, используемыми для алюминия.
Основные преимущества медных межсоединений
На протяжении десятилетий алюминий был стандартом для металлических слоев проводки (межсоединений), которые соединяют транзисторы на кристалле. Переход на медь, начавшийся в конце 1990-х годов, стал критической точкой перегиба в производстве полупроводников, обусловленной явными требованиями к производительности.
Превосходная электропроводность
Самым известным преимуществом меди является ее более низкое электрическое сопротивление (около 1,7 мкОм·см) по сравнению с алюминием (около 2,7 мкОм·см).
Это более низкое сопротивление напрямую приводит к меньшей задержке сигнала, позволяя электрическим сигналам быстрее проходить по проводке чипа. Оно также снижает резистивные потери мощности (потери I²R), что означает, что меньше энергии тратится на тепло, что приводит к более энергоэффективным и менее нагревающимся устройствам.
Повышенная устойчивость к электромиграции
Электромиграция — это постепенное перемещение атомов металла в проводнике, вызванное «толчком» протекающих электронов. Со временем это может приводить к образованию пустот, вызывающих обрывы цепи, или бугорков, вызывающих короткие замыкания, что в конечном итоге приводит к выходу чипа из строя.
Атомы меди тяжелее и имеют более высокую температуру плавления, что делает их значительно более устойчивыми к электромиграции, чем атомы алюминия. Эта повышенная долговечность необходима для современных схем высокой плотности, где провода невероятно тонки и пропускают высокие плотности тока.
Высшая теплопроводность
Медь также является лучшим теплопроводником, чем алюминий. Она более эффективно рассеивает генерируемое тепло, предотвращая образование локальных горячих точек на кристалле.
Это свойство действует в совокупности с ее более низким электрическим сопротивлением для улучшения общего теплового режима и надежности устройства.
Почему алюминий сохранялся (и до сих пор имеет место)
Если медь превосходит, логичен вопрос, почему алюминий использовался так долго. Ответ кроется не в производительности, а в технологичности.
Простота травления
Традиционный метод формирования проводников на чипе — это «субтрактивный» процесс: наносится сплошной слой металла, затем используется процесс плазменного травления для удаления нежелательного материала.
Алюминий легко реагирует в хлор- или фторсодержащих плазмах с образованием летучих побочных продуктов, что делает его очень легким для травления с высокой точностью. Это сделало производство простым и экономически эффективным.
Самозащитный оксид
Алюминий естественным образом и мгновенно образует тонкий, прочный и непроводящий слой оксида алюминия (Al₂O₃) при воздействии воздуха. Этот «пассивирующий» слой защищает основной металл от коррозии и служит отличной адгезионной поверхностью для изолирующих диэлектрических материалов, наносимых поверх него.
Производственная задача: Укрощение меди
Основным препятствием для внедрения меди было то, что ее чрезвычайно трудно травить с использованием плазмы. Она не образует летучих соединений в обычных условиях травления, поэтому субтрактивный метод, используемый для алюминия, просто не работает.
Решение: процесс Дамаскина
Промышленность решила эту проблему, изобретя совершенно новую «аддитивную» производственную технологию, называемую процессом Дамаскина.
Вместо травления самого металла, канавки и сквозные отверстия (вертикальные соединения) сначала вытравливаются в изолирующем слое диоксида кремния, где предполагается разместить провода.
Нанесение и полировка
Далее наносится тонкий барьерный слой (часто тантал/нитрид тантала) для предотвращения диффузии меди в кремний, что привело бы к отравлению транзисторов. Затем наносится сплошной слой меди по всей пластине, полностью заполняющий канавки.
Наконец, используется процесс, называемый химико-механической полировкой (ХМП), для полировки и удаления излишков меди с поверхности, оставляя металл только «инкрустированным» в заранее определенных канавках. Эта революционная техника стала ключом, открывшим использование меди в ИС.
Понимание компромиссов
Решение использовать медь или алюминий — это яркий пример баланса производительности и сложности, а также стоимости.
| Характеристика | Медь (Cu) | Алюминий (Al) |
|---|---|---|
| Производительность | Выше. Ниже сопротивление и задержка сигнала. | Ниже. Выше сопротивление и потери мощности. |
| Надежность | Выше. Отличная устойчивость к электромиграции. | Ниже. Склонность к отказам из-за электромиграции. |
| Производство | Сложное. Требует Дамаскина/ХМП и барьерных слоев. | Простое. Использует установленное субтрактивное травление. |
| Стоимость материала | Выше. | Ниже. |
Правильный выбор для вашего применения
В конечном итоге, выбор материала полностью диктуется специфическими требованиями приложения.
- Если ваша основная цель — максимальная производительность и плотность (ЦП, ГП, современные однокристальные системы): Медь является обязательным выбором. Ее превосходная проводимость и надежность необходимы для обеспечения скорости и сложности передовых логических устройств.
- Если ваша основная цель — чувствительность к стоимости или специфические применения (некоторые силовые ИС, МЭМС, аналоговые схемы): Алюминий остается вполне жизнеспособным и экономичным вариантом, когда его ограничения по производительности приемлемы, а простота его обработки является большим преимуществом.
- Если ваша основная цель — корпусирование чипов (проволочное соединение): Алюминий по-прежнему активно используется для контактных площадок верхнего слоя, так как его стабильный нативный оксид обеспечивает надежную поверхность для крепления золотых или алюминиевых проводов, соединяющих чип с его корпусом.
Понимание этих фундаментальных компромиссов материалов позволяет выбрать стратегию межсоединений, которая действительно соответствует целям вашего проекта по производительности, стоимости и надежности.
Сводная таблица:
| Характеристика | Медь (Cu) | Алюминий (Al) |
|---|---|---|
| Электропроводность | Выше (1,7 мкОм·см) | Ниже (2,7 мкОм·см) |
| Устойчивость к электромиграции | Отличная | Низкая |
| Теплопроводность | Выше | Ниже |
| Сложность производства | Высокая (Дамаскин/ХМП) | Низкая (Субтрактивное травление) |
| Стоимость | Выше | Ниже |
| Идеальные применения | Высокопроизводительные ИС, ЦП, ГП | Экономически чувствительные ИС, МЭМС, аналоговые схемы |
Оптимизируйте свои электронные приложения с помощью передовых высокотемпературных печей KINTEK! Используя исключительные научно-исследовательские разработки и собственное производство, мы предоставляем различным лабораториям такие продукты, как муфельные, трубчатые, ротационные печи, вакуумные и атмосферные печи, а также системы CVD/PECVD. Наша мощная глубокая индивидуализация гарантирует точное удовлетворение ваших уникальных экспериментальных требований для разработки надежных медных или алюминиевых пленок. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы повысить производительность и эффективность ваших ИС!
Визуальное руководство
Связанные товары
- Слайд PECVD трубчатая печь с жидким газификатором PECVD машина
- Наклонная вращающаяся машина печи трубы PECVD плазмы усиленного химического осаждения
- Ультра вакуумный электрод проходной разъем фланец провод питания для высокоточных приложений
Люди также спрашивают
- Каковы области применения PECVD? Откройте для себя низкотемпературное осаждение тонких пленок
- Что такое плазменно-осажденный нитрид кремния и каковы его свойства? Откройте для себя его роль в эффективности солнечных элементов
- Как осаждается диоксид кремния из тетраэтилортосиликата (ТЭОС) в PECVD? Достижение низкотемпературных высококачественных пленок SiO2
- Чем химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ) отличается от физического осаждения из паровой фазы (ФОПФ)? Ключевые различия в методах нанесения тонких пленок
- Каковы недостатки ХОП по сравнению с ЛЧХОП? Ключевые ограничения для вашей лаборатории
