Для техпроцессов с нормами 3 нм вместо медных проводников понадобятся другие металлы

Судя по всему, со временем переход на техпроцессы с нормами 3 нм — дело уже решённое. Компания Samsung планирует внедрить 3-нм полупроводниковую литографию в 2021 году, а компания TSMC — в 2022-м. На бумаге всё это выглядит хорошо, но на пути к новым «глубинам» полно и оврагов.

Процессор IBM CMOS 7S: 7 слоёв медных соединений с удалённым для наглядности диэлектриком (IBM)

Для конференции IEEE International Interconnect Technology Conference 2018 (IITC 2018) специалисты исследовательского центра Imec подготовили 11 документов, в которых рассматриваются вопросы использования современных технологий и материалов в производстве чипов с нормами 3 нм и ниже. Основная проблема заключается в том, что для создания внутричиповых соединений — проводников и межслойной металлизации — индустрия и дальше желала бы использовать так называемую дамасскую технологию (damascene metallization).

Дамасскую технологию, названную по аналогии с одноимённой средневековой технологией нанесения рельефного узора на металлические изделия, предложила компания IBM. В прошлом году как раз исполнилось 20 лет с момента первого выпуска процессоров IBM с использованием медных соединений вместо алюминиевых. Высокая по сравнению с алюминием проводимость меди на ровном месте позволила увеличить производительность решений на 30 %, чем позже воспользовались все, включая Intel и AMD.

Пример последовательности технологии двойного дамасского процесса (в две линии вместо одной, но суть та же)

Технология IBM заключается в изготовлении траншей в изоляторе с последующим внесением меди и удалением (полировкой) излишков, и так до 5–10 слоёв, в зависимости от потребностей. При этом медь покрывается защитной плёнкой — диффузионным барьером для предотвращения электромиграции, что можно расценить как защиту от «отравления» полупроводниковых структур атомами меди. Технология отработана и хорошо себя показала, но медь для технологических норм от 3 нм и ниже уже не подходит.

Вместо меди Imec предлагает использовать кобальт, рутений или графен. Оба металла и графен имеют меньшее сопротивление, чем медь, но не лишены своих недостатков. В докладе Imec рассматривает надёжность и перспективы новых материалов. Например, соблазнительный вариант использовать кобальт без защитных диффузионных барьеров. При этом разработчики также выяснили, что нитрид тантала в качестве диффузионного барьера может использоваться с техпроцессами ниже 2 нм. Это, кстати, может продлить жизнь медным соединениям, что было бы, возможно, самой экономически оправданной технологией.

Зависимость сопротивления сквозной металлизации от используемого материала и сечения контакта (Imec)

Нет смысла объяснять, что вопросами металлических соединений в чипах интересуются не только в Imec. В программе бельгийцев принимают партнёрское участие компании GlobalFoundries, Huawei, Intel, Micron, Qualcomm, Samsung, SK Hynix, SanDisk/Western Digital, Sony Semiconductor Solutions, TOSHIBA Memory и TSMC, что само за себя говорит о важности этого направления.