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O misterioso processo 'Damaxin': como o cobre preenche perfeitamente pequenos canais?
Desde que a IBM e a Motorola usaram cobre pela primeira vez em interconexões de circuitos integrados em 1997, esse processo revolucionário continuou a mudar a face da indústria de semicondutores. Comparado ao alumínio, a condutividade superior do cobre permite que muitos CIs sejam projetados com fios mais finos e reduz significativamente o consumo de energia, melhorando o desempenho geral.
A vantagem do cobre não está apenas na sua condutividade, mas também na sua resistência à eletromigração durante o fluxo de corrente elétrica.
No entanto, o processo de troca do alumínio pelo cobre não é fácil. Isso requer tecnologias e processos de fabricação totalmente novos, incluindo uma revisão completa dos métodos de padronização de metais. Técnicas anteriores, que dependiam de máscaras fotorresistentes e gravação de plasma, não tiveram sucesso em aplicações de cobre. Isso forçou os cientistas a repensar o processo de padronização do metal, desenvolvendo, por fim, um método chamado processo Damasceno.
O processo de artesanato Damasin
No processo de damazina, a camada isolante de óxido de silício subjacente precisa ser cinzelada em ranhuras claras para determinar a localização dos condutores e, então, a camada isolante é revestida com cobre para exceder o volume de preenchimento necessário. Então, por meio da tecnologia de planarização química mecânica (CMP), o cobre que está acima do topo da camada isolante é removido, deixando o cobre que afunda na camada isolante como um condutor delicado e funcional.
Esse processo permitiu que os cientistas preenchessem até dez ou mais camadas de metal em uma estrutura de interconexão multicamadas, demonstrando a resiliência e a escalabilidade do processo Damazine.
O papel do metal bloqueador
A cobertura completa da camada metálica de barreira é fundamental para garantir o uso eficaz do condutor de cobre. A difusão excessiva de cobre pode levar a interações indesejáveis com materiais circundantes, especialmente o risco de o cobre formar armadilhas profundas no silício. Portanto, o metal de barreira deve reduzir as propriedades de difusão do cobre, mantendo um bom contato elétrico. Camadas finas de barreira podem levar à contaminação por contato, enquanto camadas espessas aumentam a resistência geral.
Desafios da eletromigração
Na eletrônica, a eletromigração é o processo pelo qual um condutor metálico muda de forma sob a influência de uma corrente elétrica, o que pode levar à quebra do condutor. Como o cobre supera o alumínio nesse processo, ele pode suportar correntes mais altas através do mesmo tamanho de fio, o que o torna o material condutor de escolha na indústria de semicondutores.
Com o desenvolvimento da tecnologia, a aplicação de materiais de cobre tornou-se cada vez mais madura e se tornou o núcleo da indústria de semicondutores atual.
Desenvolvimento adicional da tecnologia de eletrodeposição superconformal
À medida que as frequências do processador atingiram 3 GHz na década de 2000, o acoplamento RC capacitivo de interconexões se tornou o principal fator limitante de velocidade. Neste momento, a escolha do cobre deve levar em consideração as necessidades de desempenho de baixa impedância e baixa capacitância. O processo de galvanoplastia de cobre é baseado em sua camada de semente anexada, seguida por eletrodeposição superconformal para preencher os minúsculos canais. Os diferentes aditivos contidos neste processo também otimizam o preenchimento de cobre nos canais de acordo.
Super conformidade com o modelo de eletrodeposição
Na eletrodeposição de metais supercondutores, existem principalmente dois modelos para explicar seu mecanismo. O primeiro é o modelo de concentração de adsorvente com curvatura aprimorada, que enfatiza a importância dos aceleradores no canal inferior; o segundo é o modelo de resistência diferencial negativa do tipo S, que defende que o papel dos inibidores é mais significativo. Embora seus argumentos sejam diferentes, ambos enfatizam os principais fatores para melhorar a condutividade elétrica.
Perspectivas futuras
À medida que a demanda por tecnologia de semicondutores continua a crescer, as aplicações do cobre e tecnologias relacionadas também estão evoluindo. Atualmente, os cientistas estão buscando novos materiais e tecnologias de fabricação mais eficientes para substituir o método tradicional de ligação cobre-silício, na tentativa de superar os obstáculos atuais. Então, como a pesquisa nessa área impactará a indústria de semicondutores no futuro?
