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神秘的な「ダマシン」プロセス: 銅はどのようにして小さな溝を完全に埋めるのでしょうか?
1997 年に IBM と Motorola が初めて集積回路の相互接続に銅を使用して以来、この革新的なプロセスは半導体業界の様相を変え続けています。アルミニウムと比較して、銅は導電性に優れているため、多くの IC をより細いワイヤで設計でき、エネルギー消費を大幅に削減して、最終的に全体的なパフォーマンスが向上します。
銅の利点は、導電性だけでなく、電流が流れる際の電気移動に対する耐性にもあります。
しかし、アルミニウムから銅に切り替えるプロセスは簡単ではありません。これには、金属パターン形成方法の完全な見直しを含む、まったく新しい製造技術とプロセスが必要です。フォトレジストマスクとプラズマエッチングに依存した従来の技術は、銅の用途では成功していませんでした。このため、科学者は金属パターン形成プロセスを再考せざるを得なくなり、最終的にダマシンプロセスと呼ばれる手法が開発されました。
ダマシンクラフトの工程
ダマジンプロセスでは、導体の位置を決定するために、下層の酸化シリコン絶縁層に明確な溝を彫り込む必要があり、その後、絶縁層に必要な充填量を超える厚さの銅メッキが施されます。次に、化学機械平坦化 (CMP) 技術により、絶縁層の上部にある銅が除去され、絶縁層に埋め込まれた銅が繊細で機能的な導体として残ります。
このプロセスにより、科学者は多層相互接続構造に 10 層以上の金属層を埋め込むことができ、ダマジン プロセスの回復力と拡張性を実証しました。
ブロッキングメタルの役割
銅導体を効果的に使用するには、バリアメタル層を完全に覆うことが重要です。銅の拡散が過剰になると、周囲の材料との望ましくない相互作用、特にシリコン内に銅が深いトラップを形成するリスクにつながる可能性があります。したがって、バリアメタルは、良好な電気的接触を維持しながら銅の拡散特性を低減する必要があります。バリア層が薄いと接触汚染につながる可能性があり、厚い層は全体的な抵抗を増加させます。
エレクトロマイグレーションの課題
電子工学において、エレクトロマイグレーションとは、電流の影響を受けて金属導体の形状が変化し、最終的には導体の破損につながるプロセスです。このプロセスでは銅がアルミニウムよりも優れているため、同じサイズのワイヤでより高い電流をサポートでき、半導体業界では導体材料として選ばれています。
技術の発展に伴い、銅材料の応用はますます成熟し、今日の半導体産業の中核となっています。
超コンフォーマル電着技術のさらなる発展
2000 年代にプロセッサ周波数が 3 GHz に達すると、相互接続の容量性 RC 結合が速度を制限する主な要因になりました。このとき、銅の選択は、低インピーダンスと低静電容量の両方の性能のニーズを考慮する必要があります。銅電気めっきプロセスは、付着したシード層をベースに、その後に超コンフォーマル電気めっきを行って小さなチャネルを埋めます。このプロセスに含まれるさまざまな添加剤も、チャネル内の銅の充填を最適化します。
電着モデルへの超適合
超伝導金属電着においては、そのメカニズムを説明するモデルが主に 2 つあります。 1 つ目は、下部チャネルのアクセラレータの重要性を強調する曲率強化吸着剤濃度モデルです。2 つ目は、抑制剤の役割がより重要であると主張する S 型負性微分抵抗モデルです。彼らの主張は異なりますが、どちらも電気伝導性を向上させるための重要な要素を強調しています。
今後の展望
半導体技術の需要が高まり続けるにつれて、銅および関連技術の応用も進化しています。現在、科学者たちは、現在の障害を克服するために、従来の銅とシリコンの接合方法に代わる新しい材料とより効率的な製造技術を模索しています。では、この分野の研究は将来半導体産業にどのような影響を与えるのでしょうか?
