近日,铜互联英特尔在2022 IEEE VLSI 技术和电路研讨会上 ,还无展示了许多涉及其Intel 4(10nm)工艺的法替论文 。其中一点就是铜互联,新的还无intel 4选用了铜互连连接 。早前英特尔原本打算在10nm芯片互连中采用钴(Co)这种新材料,法替但是铜互联众所周知,英特尔在10nm工艺经历了挫败,还无业界认为,法替与钴的铜互联集成问题可能是英特尔10nm延迟问题的部分原因 。过去我们往往只关心晶体管的还无大小,但是法替现在随着芯片微缩逐渐来到极限 ,芯片互连问题已经不能被继续忽略 。铜互联
逻辑芯片的还无制造主要包括三大流程 :前端制程 、中段制程和后段制程 。法替前端制程主要是处理芯片中的有源器件 ,如现在主流的工艺是FinFET;中段制程通常由微型金属结构组成 ,来连接前段和后段制程;芯片互连属于后段制程 ,即为芯片制造的最后阶段,目前的主流技术就是铜互连。其实关于取代铜互连 ,业界有不少新材料探索 ,如石墨烯 、钴 、钌或钼等。那么 ,英特尔此次退钴还铜 ,是否证明铜互连还是无法被替代 ?
伟大的铜互连
在半导体行业的早期 ,电路线是在硅晶片上通过将沟槽蚀刻到二氧化硅层中并用铝金属填充它们来制造的 。但随着线宽的缩小,铝作为导体的缺点变得明显 。
到1997年,IBM率先从铝互连转向铜布线互连。1998年9月1日 ,IBM 宣布出货世界上第一个铜基微处理器。IBM PowerPC 750 最初是采用铝设计的,其工作频率高达300 MHz,采用铜互连之后 ,同一芯片的速度至少能达到400MHz,提高了33% 。
图源:IBM
这个转换不容易,因为铜原子在介电层具有易扩散特性 ,所以首先需要一个绝缘性比二氧化硅更好的介电材料,还要将一层薄的氮化钽(TaN)阻挡层和一层钽衬层涂在沟槽上,以防止铜扩散到电介质中。为了将铜应用到晶圆上,材料科学家必须开发一种新的电沉积技术 ,因为使用铝的蚀刻工艺对铜不起作用。新方法有两个步骤:沉积一层薄薄的铜种子层以确保完全覆盖沟槽壁 ,然后进行更完整的铜电沉积。在这样的努力之下,铜从电路线宽为180nm开始被采用了多年 。