Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Miedziane interkonekty - teraz i na zawsze?

ghost666 17 Lis 2017 22:02 1500 0
  • Miedziane interkonekty - teraz i na zawsze?
    Gdy w połowie lat '90 XX wieku aluminiowe interkonekty w układach scalonych przestały spełniać wymagania coraz szybciej pracujących elementów CMOS w technologii 180 nm, IBM zaproponował miedziane ścieżki do wykonywania tych połączeń. W 1997 roku rozwiązanie to przyjęło się i szybko rozpowszechniło.

    Teraz, 20 lat później, technologia ta nadal mocno trzyma się w przemyśle, aczkolwiek jest wiele technologii, które pretendują do miana następców tego materiału, na przykład grafen. IBM twierdzi jednak nadal, że stworzona przez niego przed dwoma dekadami technologia, po drobnych zmianach, nadal jest wystarczająca dla nowoczesnych układów scalonych.

    Na Międzynarodowym Sympozjum Nanotechnologii, zorganizowanym przez IEEE w Albany w Stanach Zjednoczonych, przedstawiciele IBMa występowali z wykładem pod tytułem "Miedź na zawsze". Więcej detali na temat postępów w zakresie miedzianych interkonektów IBM poda na Międzynarodowej Konferencji Urządzeń Elektronicznych, także zorganizowanym przez IEEE, która odbędzie się w San Francisco.

    "Grafen nie jest jeszcze na tyle dojrzały technologicznie, aby produkować go na masową skalę i co więcej, obecne porównanie parametrów miedzi i grafenu wskazują, że jednorodność tego allotropu węgla jest jeszcze na dużo gorszym poziomie niż w przypadku miedzi" mówił Dan Edelstein z IBMa. "Miedziany interkonekt pokryty cienką warstwą kobaltu oferuje o wiele lepsze rozwiązanie niż inne materiały. Być może dodać można do tego inną warstwę jako podłoże: kobalt, nikiel ruten lub inny metal z grupy platynowców" dodaje Edelstein.

    Wstępne badania IBMa wykazały, że miedź ma o 40% mniejszą rezystancję niż aluminium, co ma ogromną zaletę w przypadku procesorów - czyni je o 15% szybszymi, tylko dzięki zmianie metalu interkonektów. Dodatkowo miedź jest 100 razy bardziej wytrzymała, odporna i niezawodna, jak mówią naukowcy z IBMa. Mimo tego, w latach '90 poprzedniego wieku w przemyśle istniał spory opór przez implementacją nowych, miedzianych interkonektów. Powtarzały się głównie dwa zarzuty, które oba zostały odparte przez IBMa.

    Po pierwsze, wskazywano, że miedź 'zatruwa' krzem - atomy tego pierwiastka dyfundują do krzemu, zmieniając jego własności elektryczne, pogarszając działanie całego układu. Problem ten rozwiązano stosując pokrycie warstwy miedzianej wykonane z tantalu i azotku tantalu, które tworzą warstwę dyfuzyjną wokół miedzianego interkonektu. Dzięki temu czysty metal nie stykał się z krzemowymi elementami.

    Drugim problemem była metoda depozycji. Aluminium nakładane było równo na całą powierzchnię wafla krzemowego pokrytego warstwą dielektryka. W ten sposób metal pokrywał wszystkie pola i przelotki. Następnie cała warstwa była trawiona, aby odkryć miejsca, w których nie miały znajdować się wewnętrzne połączenia. Z uwagi na konieczność pokrywania podłóż azotkiem tantalu, taka metoda w technologi miedzianej nie była możliwa. Aby rozwiązać ten problem IBM zastosował metodę podobną do elektrodepozycji wykorzystywanej przy produkcji płytek drukowanych.





    Tego rodzaju metoda galwaniczna nie była jeszcze nigdy wykorzystywana do wykonywania połączeń elektrycznych w układach scalonych. Wykorzystanie tej techniki było sporym zaskoczeniem dla całego sektora, przynajmniej do momentu w którym IBM ujawnił, że jest konieczne z uwagi na wykorzystanie technologii oddzielania miedzi azotkiem tantalu od elementów CMOS w strukturze.

    Największym wyzwaniem technologicznym był pełen proces metalizacji w głębokich otworach w krzemie. Rozwiązanie tego problemu umożliwiło wykonywanie układów z siedmioma (wtedy) do nawet siedemnastu (obecnie) warstwami metalizacji w typowym, planarnym układzie scalonym.

    Dopiero gdy pokonano te podstawowe problemy technologiczne wykonywania miedzianych interkonektów, zaczęła dziać się "magia".

    "Odkryliśmy magię miedzi. Objawiało się to, że zanieczyszczenia w tym materiale wpływały w paradoksalnie poprawny sposób na jego przewodnictwo i niezawodność" opowiada Edelstein. "Nasze ścieżki wykazywały minimalną elektromigrację, dzięki śladowym ilościom węgla, azotu, siarki, chlory i fosforu w miedzi. Wszystkie te pierwiastki w ilościach na poziomie 10 części na milion znacznie zmieniły własności metalu".

    Za 'recepturę' miedzi, jaka wykorzystywana jest do galwanicznego wykonywania ścieżek w układzie odpowiedzialny był Cyprian Uzoh. Ten chemik nigeryjskiego pochodzenia opracował zestaw dodatków stopowych, które dodane do miedzy sprawiają, że materiał ten ma o wiele lepsze parametry w układzie elektronicznym. W języku Nigeryjskim uzoh znaczy miedź. To na pewno dodało trochę szczęścia chemikowi, który sam komentował, że "odrobina soli i pieprzu w potrawie nikogo nie skrzywdziła"; tutaj wręcz okazała się zbawienna, podobnie jak i w większości potraw w kuchni.

    Jak mówi Edelstein "Uważam, że sukces odkrycia lepszego, łatwiejszego i tańszego materiału do wykonywania interkonektów pomiędzy tranzystorami w technologii CMOS, jakim jest miedź z dodatkami stopowymi, wynika z ogromnego, multidyscyplinarnego doświadczenia, jakie ma firma IBM w zakresie chemii, fizyki i inżynierii materiałów elektronicznych. (...) Ponadto, mamy pewne doświadczenie w wykonywani nie tylko struktur krzemowych, ale i całych chipów, wraz z obudowami, płytek drukowanych etc, co oznacza, że dosyć dobrze znamy się na galwanicznych technikach depozycji miedzi. Dzięki temu doświadczeniu łatwo nam było zoptymalizować ten proces. Wielu naszych konkurentów zleca tego typu procesy poza swoimi fabrykami, więc IBM był w unikalnej pozycji, aby samodzielnie i skutecznie rozwiązać tą zagadkę".

    Miedziane interkonekty - teraz i na zawsze?


    Tak zwany proces podwójnego damascenowania, polega na nałożeniu na układ warstwy izolującej krzemionki (dwutlenek krzemu - SiO2) przy jednoczesnym pozostawieniu miejsca na wprowadzenie pokrytych tantalem miedzianych ścieżek w odpowiednie miejsca układu. Technologia ta opracowana przez multidyscyplinarny zespół IBMa zaprezentowana została po raz pierwszy w 1997 roku w postaci prototypu. Rok później, w 1998 roku, IBM wykorzystał miedziane interkonekty w swoim procesorze PowerPC. Procesor ten, taktowany zegarem o częstotliwości 300 MHz, charakteryzował się dzięki temu o 33% większą wydajnością niż układ poprzedniej generacji z aluminiowymi interkonektami. Tak dobry wynik wprawił cały sektor półprzewodnikowy w prawdziwie osłupienie.

    "Z początku nasza konkurencja powiedziała, że technologia ta wytrzyma jedną generację układów. Okazuje się jednak, że jesteśmy teraz na poziomie dwunastej generacji i wierzymy że ta technologia dla układów CMOS będzie trwała wiecznie. Może tylko zmieni się materiał jakim pokrywa się miedź, na np. kobalt, ruten lub inny metal z grupy platynowców" mówi Edelstein.

    Oprócz Edelsteina i Uzoh nad projektami związanymi z miedzianymi interkonektami pracowali jeszcze Chao-Kun Hu, Frank Kaufman oraz Barbara Luther. Pierwsze wyniki ich prac prezentowane były w 1993 roku na międzynarodowej konferencji poświęconej wielopoziomowym układom VLSI i w publikacji w IBM Journal od Research.

    Źródło: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1332609&

  • Arrow Multisolution Day