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Le mystérieux procédé « Damaxin » : comment le cuivre remplit-il parfaitement les minuscules canaux ?
Depuis qu'IBM et Motorola ont utilisé pour la première fois le cuivre dans les interconnexions de circuits intégrés en 1997, ce processus révolutionnaire n'a cessé de changer le visage de l'industrie des semi-conducteurs. Par rapport à l'aluminium, la conductivité supérieure du cuivre permet de concevoir de nombreux circuits intégrés avec des fils plus fins et réduit considérablement la consommation d'énergie, améliorant ainsi les performances globales.
L’avantage du cuivre réside non seulement dans sa conductivité, mais aussi dans sa résistance à l’électromigration lors du passage du courant électrique.
Cependant, le processus de passage de l’aluminium au cuivre n’est pas facile. Cela nécessite des technologies et des processus de fabrication entièrement nouveaux, y compris une refonte complète des méthodes de modelage des métaux. Les techniques précédentes, qui reposaient sur des masques photorésistants et sur la gravure au plasma, n’ont pas été efficaces pour les applications au cuivre. Cela a forcé les scientifiques à repenser le processus de modelage du métal, développant finalement une méthode appelée le processus Damascène.
Le processus de fabrication du damasin
Dans le processus de damazine, la couche isolante d'oxyde de silicium sous-jacente doit être ciselée dans des rainures claires pour déterminer l'emplacement des conducteurs, puis la couche isolante est épaissement plaquée de cuivre pour dépasser le volume de remplissage requis. Ensuite, grâce à la technologie de planarisation chimico-mécanique (CMP), le cuivre qui se trouve au-dessus de la couche isolante est retiré, laissant le cuivre qui s'enfonce dans la couche isolante comme un conducteur délicat et fonctionnel.
Ce processus a permis aux scientifiques de remplir jusqu'à dix couches métalliques ou plus dans une structure d'interconnexion multicouche, démontrant ainsi la résilience et l'évolutivité du processus Damazine.
Le rôle du métal de blocage
La couverture complète de la couche métallique barrière est essentielle pour garantir une utilisation efficace du conducteur en cuivre. Une diffusion excessive de cuivre peut entraîner des interactions indésirables avec les matériaux environnants, notamment le risque de formation de pièges profonds par le cuivre dans le silicium. Par conséquent, le métal barrière doit réduire les propriétés de diffusion du cuivre tout en maintenant un bon contact électrique. Les couches barrières minces peuvent entraîner une contamination par contact, tandis que les couches épaisses augmentent la résistance globale.
Les défis de l'électromigration
En électronique, l'électromigration est le processus par lequel un conducteur métallique change de forme sous l'influence d'un courant électrique, ce qui peut finalement conduire à la rupture du conducteur. Étant donné que le cuivre surpasse l’aluminium dans ce processus, il peut supporter des courants plus élevés à travers un fil de même taille, ce qui en fait le matériau conducteur de choix dans l’industrie des semi-conducteurs.
Avec le développement de la technologie, l'application des matériaux en cuivre est devenue de plus en plus mature et est devenue le cœur de l'industrie des semi-conducteurs d'aujourd'hui.
Poursuite du développement de la technologie d'électrodéposition super-conforme
Alors que les fréquences des processeurs ont atteint 3 GHz dans les années 2000, le couplage RC capacitif des interconnexions est devenu le principal facteur de limitation de vitesse. À l’heure actuelle, le choix du cuivre doit prendre en compte les besoins de performances à la fois en faible impédance et en faible capacité. Le procédé de galvanoplastie du cuivre repose sur sa couche de germination attachée, suivie d'une électrodéposition super-conforme pour remplir les minuscules canaux. Les différents additifs contenus dans ce procédé optimisent également le remplissage du cuivre dans les canaux en conséquence.
Super conformité au modèle d'électrodéposition
Dans l'électrodéposition de métaux supraconducteurs, il existe principalement deux modèles pour expliquer son mécanisme. Le premier est le modèle de concentration d'adsorbant à courbure améliorée, qui souligne l'importance des accélérateurs dans le canal inférieur ; le second est le modèle de résistance différentielle négative de type S, qui prône que le rôle des inhibiteurs est plus important. Bien que leurs arguments soient différents, tous deux mettent l’accent sur les facteurs clés pour améliorer la conductivité électrique.
Perspectives d'avenir
Alors que la demande en technologie des semi-conducteurs continue de croître, les applications du cuivre et des technologies associées évoluent également. Actuellement, les scientifiques recherchent de nouveaux matériaux et des technologies de fabrication plus efficaces pour remplacer la méthode traditionnelle de liaison cuivre-silicium afin de surmonter les obstacles actuels. Alors, quel sera l’impact de la recherche dans ce domaine sur l’industrie des semi-conducteurs à l’avenir ?
