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IBM在IEEE纳米技术研讨会上力挺铜互连工艺,表示铜互连能够伴随摩尔定律走向极限

近期在美国奥尔巴尼市举行的IEEE纳米技术研讨会上,IBM宣传“铜永远”(copper forever)看法,预计将在旧金山的IEEE国际电子设备会议(IEDM)上公布更多细节。


IBM从1997年开始采用铜互连工艺,当时的铝互连工艺对180nm CMOS而言已不够快。目前业界提出许多其他互连方案来取代铜,尤其是石墨烯的呼声较高。但IBM声称,对铜淀积工艺进行略微调整就能伴随CMOS走向物理极限。


铜互连VS铝互连

IBM的研究员丹·埃德尔斯坦(Dan Edelstein)表示:“石墨烯不容易制造,不能均匀流动,阻抗也无法像增强型铜互连一样低。带有薄的钴覆盖的铜比石墨烯的载流能力强,甚至在最小的晶体管尺寸下,铜互连仍可能是最好的解决方案,或许将在底部使用钴、镍、钌或其他铂族贵金属”。


IBM最初的研究表明,铜的电阻比铝低40%,导致处理器速度暴增15%。此外,据IBM介绍,铜更耐用,可靠性更是比铝高100倍。


铜互连发展阻力

但是上个世纪九十年代,铜互连遇到了两大阻力——这两个都是由IBM超越的。


一是当铜直接接触硅是会污染硅。解决方法是通过在周围的扩散阻挡层中将铜包埋在氮化钽和钽中。


二是淀积方法。铝互连的淀积方法是在电介质的顶部沉积均匀淀积层,并向下用通孔来与硅连接。由于铜必须包裹在钽化合物中,所以这种方法不可行。而IBM提出了一种用于印刷电路板(PCB)的电镀方法。这个过程中最复杂的部分是在深沟槽内进行电镀的双金属镶嵌工艺,使得金属层从7层到17层(当时和今天)分别与典型平面芯片上的单层硅晶体管相互连接。铜中的碳、氮、氯和磷这些微量杂质极大提高了铜互连线的可靠性,使电镀铜具有最小的迁移率(高迁移率对铜互连非常危险)。


IBM的专业优势

丹·埃德尔斯坦表示:“在IBM Research化学、电气工程和物理学方面的多学科专业知识支持下,铜互连CMOS晶体管比铝互连更有优势、更便宜和更易实现互连。另外,我们在制作印刷电路板、芯片和封装过程中,发现了用电镀铜取代铝的专业知识。而我们的竞争对手则基本分布于产业链各环节。”


例如,双镶嵌工艺主要在层间加入二氧化硅作为绝缘层,同时将涂覆钽的铜线电镀到芯片沟槽中。这些技术依赖于多学科的专业知识,使IBM能够在1997年生产第一批原型产品,并在1998年生产出第一批PowerPC芯片。与上一代300MHz PowerPC相比,1998年的铜互连版本速度提高了33%。


IBM看好铜互连前景

丹·埃德尔斯坦表示:“起初,我们的竞争对手说,铜互连只能持续一代,但却持续至今。我们相信,对于CMOS来说,它将永远持续下去,只是可能需要在先进节点中引入钴、镍、钌或其他铂族贵金属”。

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