銅配線

集積回路では、銅配線が伝播遅延と消費電力の削減に使用されています。銅はアルミニウムよりも優れた導体であるため、配線に銅を使用したICは 配線寸法を狭くでき、電気を流すのに必要なエネルギーが少なくて済みます。これらの効果により、ICの性能が向上します。 1997年にIBMがモトローラの支援を受けて初めて導入しました。 ^[1]

アルミニウムから銅への移行には、金属をパターン化する根本的に異なる方法や、潜在的に損傷を与える銅原子からシリコンを隔離するためのバリア金属層の導入など、製造技術の大幅な進歩が必要でした。

スーパーコンフォーマル銅電着法は 1960 年代後半から知られていましたが、(サブ)ミクロン ビア スケール (マイクロチップなど) での応用は 1988 年から 1995 年にかけて始まりました (図を参照)。2002 年までにこの技術は成熟し、この分野の研究開発の取り組みは衰退し始めました。

1947年以来、何らかの形の揮発性銅化合物が存在することが知られていましたが^[2]、世紀が進むにつれてさらに多くの化合物が発見されましたが^[3]、いずれも工業的に使用されていなかったため、アルミニウムで非常に成功していたフォトレジストマスキングとプラズマエッチングの以前の技術では銅をパターン化できませんでした。銅をプラズマエッチングできないため、金属パターン化プロセスの抜本的な再考が必要となり、この再考の結果、従来の金属インレイ技術に倣って「ダマシン」または「デュアルダマシン」プロセスとしても知られる、アディティブパターニングと呼ばれるプロセスが生まれました。^[要出典]

このプロセスでは、下層のシリコン酸化物絶縁層に、導体を配置すべき場所に開いた溝がパターン化される。溝を大幅に超える厚い銅コーティングが絶縁体上に堆積され、化学機械平坦化(CMP) を使用して、絶縁層の上部より上に伸びている銅 (オーバーバーデンと呼ばれる) が除去される。絶縁層の溝内に沈んだ銅は除去されず、パターン化された導体になる。ダマシン プロセスでは、通常、ダマシン ステージごとに 1 つのフィーチャを銅で形成して充填する。デュアル ダマシン プロセスでは、通常、一度に 2 つのフィーチャを銅で形成して充填する。たとえば、デュアル ダマシンを使用すると、ビアの上にある溝を 1 回の銅堆積で埋めることができる。^{[引用が必要]}

絶縁体と銅の連続層により、多層相互接続構造が作成されます。層の数は IC の機能によって異なり、10 層以上の金属層も可能です。CMP が銅コーティングを平面かつ均一に除去する能力と、CMP プロセスが銅と絶縁体の界面で繰り返し停止する能力がなければ、この技術は実現できません。^{[引用が必要]}

バリアメタル層は、銅が周囲の材料に拡散すると特性が劣化するため、すべての銅配線を完全に囲む必要があります。たとえば、シリコンは銅でドープされると深層トラップを形成します。名前が示すように、バリア メタルは銅の拡散を十分に制限して銅導体をその下のシリコンから化学的に分離する必要がありますが、同時に良好な電子接触を維持するために 高い電気伝導性も備えている必要があります。

バリアフィルムの厚さも非常に重要です。層が薄すぎると、銅接点が接続先のデバイス自体を損傷してしまいます。層が厚すぎると、2 つのバリア金属フィルムと銅導体のスタックの総抵抗がアルミニウム相互接続よりも大きくなり、利点が失われます。

初期のアルミニウムから銅ベースの導体への移行による導電性の向上はわずかで、アルミニウムと銅のバルク導電性の単純な比較から期待されるほど良好ではありませんでした。銅導体の 4 つの側面すべてにバリア メタルを追加すると、純粋で低抵抗の銅で構成される導体の断面積が大幅に減少します。アルミニウムは、シリコンまたはアルミニウム層に直接接触するときに低いオーム抵抗を促進するために薄いバリア メタルを必要としますが、アルミニウムを周囲の酸化シリコン絶縁体から分離するために金属線の側面にバリア メタルは必要ありませんでした。そのため、科学者はバッファ層を使用せずにシリコン基板への銅の拡散を減らす新しい方法を模索しています。1 つの方法は、相互接続材料として銅ゲルマニウム合金を使用することです。これにより、バッファ層 (例:窒化チタン) は不要になります。エピタキシャルCu ₃ Ge層​​は、平均抵抗率が6 ± 1 μΩ cm、仕事関数が約4.47 ± 0.02 eVで製造されており、^[4]銅の優れた代替品として適しています。

エレクトロマイグレーション（金属導体が電流の影響を受けて形状を変え、最終的には導体の破損につながるプロセス）に対する耐性は、アルミニウムよりも銅の方が大幅に優れています。エレクトロマイグレーション耐性の向上により、一定サイズの銅導体ではアルミニウムよりも高い電流を流すことができます。導電性の適度な向上とエレクトロマイグレーション耐性の向上の組み合わせは、非常に魅力的であることが証明されました。これらのパフォーマンス向上から得られる全体的なメリットは、最終的には高性能半導体デバイス用の銅ベースの技術と製造方法への本格的な投資を促すのに十分であり、銅ベースのプロセスは今日でも半導体業界の最先端技術であり続けています。

2005年頃、オンチップトランジスタのサイズが継続的に縮小したため、プロセッサ周波数は3GHzに達しました。この時点で、相互接続の容量性RC結合が速度（周波数）の制限要因となりました。^[5]

R と C の両方を低減するプロセスは、R (抵抗) を下げるためにAl (アルミニウム) を Cu (銅)に置き換え、C (静電容量) を下げるために SiO2 をlow-κ 誘電体に置き換えた 1990 年代後半に始まりました。Cu は、低コストの材料の中で室温で最も低い電子抵抗を持ち、Al よりもエレクトロマイグレーションが遅いため、Al の代替として選択されました。注目すべきは、Al 相互接続の場合、パターン化プロセスには、コーティングされていない領域での選択的な Al エッチング (つまり、サブトラクティブ製造プロセス) と、それに続く誘電体の堆積が含まれます。銅の空間選択エッチングの方法が知られていなかったため、代わりに誘電体のエッチング (パターン化) が実装されました。Cu 堆積 (つまり、付加製造プロセス) については、1990 年代後半に IBM チームが電気メッキを選択しました。

銅めっきは、ビアの壁を保護層（Ta、TaN、SiN、またはSiC）でコーティングすることから始まります。これにより、シリコンへのCuの拡散が防止されます。次に、ビアの壁に薄いシードCu層の物理蒸着が行われます。 ^[6]この「シード層」は、次の電気めっきステップのプロモーターとして機能します。通常、Cu2+イオンの質量輸送が遅いため、ビアの奥深くでは電気めっきが遅くなります。このような状況では、ビア充填により内部にボイドが形成されます。このような欠陥を回避するには、図Aに示すように、ボトムアップ充填（またはスーパーコンフォーマル）充填が必要です。

スーパーコンフォーマル銅電気めっき用の液体溶液は、通常、塩化物イオン、抑制剤（ポリエチレングリコールなど）、促進剤（ビス（3-スルホプロピル）ジスルフィドなど）、レベリング剤（ヤヌスグリーンBなど）など、mM濃度のいくつかの添加剤で構成されています。^[7] スーパーコンフォーマル金属電気めっきには、主に2つのモデルが提案されています。

1) 曲率増強吸着質濃度 (CEAC) モデルは、ビア底部の銅層の曲率が増加すると、吸着されたアクセラレータの表面被覆率も増加し、これらの領域での速度論的に制限された Cu 堆積が促進されることを示唆しています。このモデルは、アクセラレータの役割を強調しています。

2) S 字型負性微分抵抗 (S-NDR) モデルでは、主な効果は抑制剤から生じると主張しています。抑制剤は分子量が高く拡散が遅いため、ビアの底部に到達せず、ビアの上部に優先的に吸着し、そこで Cu メッキを阻害します。

どちらのモデルも、実験的証拠によって裏付けられています。結論としては、ボトムアップ ビア充填の初期段階では、底部での Cu メッキ速度が速いのは、そこに PEG サプレッサー分子がないため (拡散係数が低すぎて、十分な速さの物質輸送ができない) である、というものです。より小さく、より速く拡散する分子であるアクセラレータは、ビアの底部に到達し、そこでサプレッサーなしで Cu メッキ速度を加速します。メッキの最後には、アクセラレータはメッキされた銅の表面に高濃度で残り、最終的なバンプの形成を引き起こします。

• インターコネクトにおけるカーボンナノチューブ