¿Cómo es el proceso de la línea de conexión de cobre de IBM?

Durante muchos años, los científicos han estado luchando por superar las limitaciones de rendimiento de las líneas de conexión de aluminio dentro de los circuitos integrados. Estas limitaciones incluyen: resistencia eléctrica relativamente alta, vulnerabilidad a la electromigración y poros inducidos por tensión dentro de la aleación. La continua reducción del ancho de las líneas de CI hace que estas limitaciones sean más difíciles de superar. Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que las conexiones de cobre reducen la resistencia eléctrica, pero la dificultad de fabricarlas y el temor de dañar las herramientas utilizadas para fabricar transistores han mantenido el material fuera de la producción general. Hasta que a finales del año pasado, cuando IBM y Motorola anunciaron que habían desarrollado de forma independiente un proceso de fabricación de chips para líneas de conexión de cobre de seis capas, todo cambió. ----El investigador de IBM Dan Edelstein explicó: "Para que este proceso se pueda utilizar en la producción, debemos proporcionar métodos para modelar, depositar y evitar que el cobre se difunda en el silicio". ----El nuevo método de proceso para superar el obstáculo se denomina damasquinado dual (doble Damasco): primero se recubre electrolíticamente el cobre en canales pregrabados en una oblea grande y luego se pule química y mecánicamente. ----IBM recubrió previamente la zanja con un material patentado para controlar la difusión del cobre y luego cubrió el alambre de cobre pulido con una capa de nitruro de silicio. El proceso de Motorola utiliza nitruro de titanio como material de revestimiento del canal, lo que puede evitar la difusión del cobre y ayudar a que el cobre se adhiera al aislante. ----Los resultados de las mediciones muestran que la resistividad de los cables de conexión de cobre es entre un 40 y un 45% menor que la del aluminio de uso común. Una resistividad más baja también ayuda a mejorar otras propiedades. "Se puede reducir el ancho y el grosor de la línea, reduciendo así la capacitancia distribuida", dijo Edelstein. "Las líneas de conexión de cobre hechas con el proceso de IBM son más delgadas que las líneas de aluminio hechas con el proceso correspondiente, y la capacitancia distribuida y. la diafonía del circuito se reduce en consecuencia." " ----El uso de cobre no sólo puede mejorar el rendimiento, aumentar la densidad y reducir los costos, sino que también tiene mayores ventajas en confiabilidad. Tanto IBM como Motorola probaron exhaustivamente los nuevos cables y descubrieron que los cables de cobre resistían la electromigración mucho mejor que los de aluminio. En la práctica, los cables de conexión de aluminio habituales en la actualidad ya contienen pequeños porcentajes de cobre para resistir la electromigración. ----Los científicos de IBM descubrieron que el rendimiento de la electromigración del cobre (deriva de átomos metálicos bajo la acción del voltaje) ha mejorado en dos órdenes de magnitud, y no hay migración de tensión (poros formados en alambres delgados bajo la acción de una tensión de tracción), mientras que en los huecos ordinarios en la línea de unión aumentan significativamente la resistividad. A medida que avanza la tecnología IC, los cables de conexión se encogen y la densidad de corriente aumenta. Son los cables de conexión, no los transistores, los que están relacionados con los problemas de confiabilidad. ----La metalización de cobre de seis capas es parte de la última tecnología de procesamiento CMOS7S de IBM. También incluye transistores con una longitud de canal efectiva de 0,12 μm, un voltaje de funcionamiento de 1,8 V y un nivel de integración de hasta 200 millones de transistores en un solo chip. El proceso de Motorola es muy similar al proceso de IBM. Tiene seis capas de líneas de conexión de cobre fabricadas mediante un proceso de Damasco doble con una longitud de canal efectiva de 0,15 μm. ----La tecnología de cables de conexión de cobre de ambas empresas se está transfiriendo rápidamente a la producción. La tecnología CMOS7S ha estado disponible para los clientes de ASIC desde enero de 1998. El primer producto de Motorola fue SRAM. La compañía anunció que las muestras estarán disponibles en el verano y que la producción comenzará en septiembre. ----Finalmente, los sistemas de interconexión más rápidos combinarán interconexiones de cobre con aislantes de capa intermedia de baja constante dieléctrica para reducir la capacitancia distribuida y la diafonía. Las primeras generaciones de circuitos integrados utilizaban cuarzo pulverizado o nitruro de silicio con una constante dieléctrica cercana a 4. Hoy en día, se están desarrollando materiales aislantes con constantes dieléctricas de hasta 1,5, pero ha sido un desafío desarrollar materiales de bajo dieléctrico que sean mecánica y térmicamente compatibles con los procesos de fabricación de transistores, especialmente la tecnología damasquinada utilizada para fabricar cables de cobre. ----A finales de diciembre del año pasado, investigadores de Texas Instruments (TI) informaron que pudieron integrar Xerogel, un aislante con constante dieléctrica ajustable, en el proceso damasquinado de cobre. Xerogel no es un polímero mágico, sino sílice porosa. Como la constante dieléctrica del aire es 1, cuantos más poros tenga la sílice, menor será la constante dieléctrica. La porosidad también controla las propiedades mecánicas de Xerogel.

----El proceso desarrollado por TI utiliza Xerogel con una porosidad de 75 y una constante dieléctrica de 1,8 entre alambres de cobre adyacentes fabricados con el proceso damasquinado. La resistencia medida del cable de cobre se puede reducir hasta un 30 % y la capacitancia se puede reducir hasta un 14 % en comparación con el cable de aluminio. Estas mejoras en las propiedades eléctricas y su compatibilidad con los procesos damasquinados son un buen augurio para el brillante futuro de Xerogel en las aplicaciones de la industria de circuitos integrados.