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神秘的“達瑪辛”工藝：銅是如何完美填充微小通道的？
自從1997年IBM和摩托羅拉首次將銅應用於集成電路的互連技術以來，這一變革性工藝便持續改變著半導體產業的面貌。與鋁相比，銅在導電性能上的優越性，讓許多IC能夠用更細的導線設計，並顯著降低能量消耗，最終提升了整體性能。
銅的優勢不僅在於其電導率，還在於其在電流流動過程中展現的抗電遷移能力。
然而，從鋁轉向銅的過程並非易事。這要求了全新的製造技術及工藝，包括金屬圖案化方法的徹底改革。以往依賴於光阻掩模和等離子蝕刻的技術，在銅的應用中並未成功。這就迫使科學家們對金屬圖案化過程進行了重新思考，最終發展出了一種被稱為“達瑪辛”（Damascene）工藝的方法。
達瑪辛工藝的過程
在達瑪辛工藝中，底層的矽氧化物絕緣層需要被鑿成明顯的溝槽來確定導體的位置，隨後對絕緣層進行厚厚的銅鍍層，以超過所需要的填充量。然後，通過化學機械平坦化（CMP）技術，去除超出絕緣層頂部的銅，留下沉入絕緣層的銅成為精緻且功能性的導體。
此過程允許科學家們在多層互連結構中填充多達十層或更多的金屬層，這顯示了達瑪辛工藝的彈性和可擴展性。
阻擋金屬的角色
要確保銅導體的有效使用，阻擋金屬層的完整包裹至關重要。過度的銅擴散會導致與周圍材料之間的不良相互作用，尤其是銅在矽中形成深層陷阱的風險。因此，阻擋金屬必須在維持良好電接觸的同時減少銅的擴散性質。薄的阻擋層會導致接觸污染，而厚的層則會增加整體電阻。
電遷移的挑戰
在電子元件中，電遷移是指金屬導體在電流影響下形狀變化的過程，這最終可能導致導體斷裂。鑒於銅在這個過程中的性能優於鋁，它能夠支持更高的電流流經相同大小的導線，這使得銅成為半導體業界的首選導體材料。
隨著技術的發展，銅材料的應用越來越成熟，成為當今半導體工業的核心。
超符合電沉積技術的進一步發展
進入2000年代，處理器頻率達到3 GHz的時候，互連的電容性RC耦合成為限制速度的主要因素。此時，銅的選擇正是為了兼顧低阻抗和低電容性能的需求。銅的電鍍過程以其附著的種子層作為基礎，隨後進行超符合電沉積填充微小通道，這一過程中所含的不同助劑也相應地優化了銅在通道的填充。
超符合電沉積模型
在超符合金屬電沉積中，主要存在兩種模型來解釋其機制。第一種是曲率增強吸附劑濃度模型，強調了加速劑在底部通道中的重要性；第二種是S型負微分電阻模型，則主張抑制劑的作用更為顯著。儘管二者的論點有所不同，但都強調了提高導電性能的關鍵因素。
未來的展望
隨著對半導體技術需求的持續增長，銅的應用和相關技術也在不斷演進。現時，科學家們正尋找新的材料與更高效的製造技術來替代傳統的銅-矽結合方法，試圖克服現在遇到的阻礙。因此，這一領域的研究將如何影響未來的半導體產業？
