وصلات نحاسية

تُستخدم وصلات النحاس في الدوائر المتكاملة لتقليل زمن التأخير واستهلاك الطاقة . ولأن النحاس موصل أفضل من الألومنيوم ، فإن الدوائر المتكاملة التي تستخدم النحاس في وصلاتها تتميز بأبعاد أصغر، وتستهلك طاقة أقل لنقل الكهرباء. وتؤدي هذه العوامل مجتمعةً إلى دوائر متكاملة ذات أداء أفضل. وقد طُرحت هذه التقنية لأول مرة من قِبل شركة IBM ، بمساعدة من شركة موتورولا ، عام ١٩٩٧. ^{[ ١ ]}

تطلب الانتقال من الألومنيوم إلى النحاس تطورات كبيرة في تقنيات التصنيع ، بما في ذلك طرق مختلفة جذريًا لتشكيل المعدن بالإضافة إلى إدخال طبقات معدنية حاجزية لعزل السيليكون عن ذرات النحاس التي قد تسبب الضرر.

على الرغم من أن طرق الترسيب الكهربائي للنحاس فائق التوافق كانت معروفة منذ أواخر الستينيات، إلا أن تطبيقها على نطاق الثقوب (أو ما دون الميكرون) (كما في الرقائق الإلكترونية) لم يبدأ إلا في الفترة ما بين عامي 1988 و1995 (انظر الشكل). وبحلول عام 2002، أصبحت هذه التقنية ناضجة، وبدأت جهود البحث والتطوير في هذا المجال بالتراجع.

على الرغم من معرفة وجود بعض مركبات النحاس المتطايرة منذ عام 1947، ^{[ 2 ]} واكتشاف المزيد منها مع مرور القرن، ^{[ 3 ]} إلا أنه لم يُستخدم أي منها صناعيًا، لذا لم يكن من الممكن تشكيل النحاس باستخدام تقنيات التغطية الضوئية والحفر بالبلازما التي استُخدمت بنجاح كبير مع الألومنيوم. وقد استدعى عدم إمكانية حفر النحاس بالبلازما إعادة نظر جذرية في عملية تشكيل المعادن، وكانت نتيجة هذه إعادة النظر عملية تُعرف باسم التشكيل الإضافي ، أو ما يُسمى أيضًا بعملية "دمشق" أو "دمشق المزدوج" قياسًا على تقنية التطعيم المعدني التقليدية.

في هذه العملية، تُشكّل طبقة عازلة من أكسيد السيليكون بنمط من الأخاديد المفتوحة حيث ينبغي أن يكون الموصل. ثم تُرسّب طبقة سميكة من النحاس تملأ الأخاديد بشكل كبير على العازل، وتُستخدم عملية التسوية الكيميائية الميكانيكية (CMP) لإزالة النحاس الزائد (المعروف باسم الطبقة العلوية ) الذي يمتد فوق سطح الطبقة العازلة. أما النحاس الموجود داخل أخاديد الطبقة العازلة فلا يُزال، بل يصبح هو الموصل المُشكّل. تُشكّل عمليات دمشق عادةً عنصرًا واحدًا وتملأه بالنحاس في كل مرحلة من مراحل دمشق. بينما تُشكّل عمليات دمشق المزدوجة عادةً عنصرين وتملأهما بالنحاس في آنٍ واحد، على سبيل المثال، يمكن ملء أخدود فوق وصلة بترسيب نحاسي واحد باستخدام عملية دمشق المزدوجة.

تُنشأ بنية توصيل متعددة الطبقات باستخدام طبقات متتالية من العازل والنحاس. يعتمد عدد الطبقات على وظيفة الدائرة المتكاملة، حيث يمكن أن يصل إلى عشر طبقات معدنية أو أكثر. لولا قدرة عملية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) على إزالة طبقة النحاس بشكل مستوٍ ومتجانس، ولولا قدرتها على التوقف بشكل متكرر عند سطح التلامس بين النحاس والعازل، لما أمكن تطبيق هذه التقنية.

يجب أن تُحيط طبقة معدنية عازلة بجميع الوصلات النحاسية بشكل كامل، لأن انتشار النحاس في المواد المحيطة يُؤدي إلى تدهور خصائصها. على سبيل المثال، يُشكّل السيليكون مصائد عميقة عند تطعيمه بالنحاس. وكما يوحي الاسم، يجب أن تُحدّ الطبقة المعدنية العازلة من انتشار النحاس بشكل كافٍ لعزل موصل النحاس كيميائيًا عن السيليكون الموجود أسفله، مع الحفاظ على موصلية كهربائية عالية لضمان اتصال إلكتروني جيد.

كما أن سمك طبقة الحاجز مهم للغاية؛ فمع طبقة رقيقة جدًا، تتسبب نقاط التلامس النحاسية في تسميم الأجهزة التي تتصل بها؛ ومع طبقة سميكة جدًا، فإن مجموعة طبقتين من طبقات الحاجز المعدنية وموصل نحاسي يكون لها مقاومة إجمالية أكبر من وصلات الألومنيوم، مما يلغي أي فائدة.

كان التحسن في الموصلية عند الانتقال من الموصلات المصنوعة من الألومنيوم إلى الموصلات النحاسية متواضعًا، ولم يكن بالمستوى المتوقع عند مقارنة الموصلية الكلية للألومنيوم والنحاس. يؤدي إضافة طبقة عازلة من المعادن على جميع جوانب الموصل النحاسي إلى تقليل مساحة المقطع العرضي للموصل المصنوع من النحاس النقي ذي المقاومة المنخفضة بشكل ملحوظ. بينما يتطلب الألومنيوم طبقة عازلة رقيقة لتعزيز المقاومة الأومية المنخفضة عند التوصيل المباشر بطبقات السيليكون أو الألومنيوم، فإنه لا يحتاج إلى طبقات عازلة على جوانب الخطوط المعدنية لعزل الألومنيوم عن عوازل أكسيد السيليكون المحيطة. لذلك، يبحث العلماء عن طرق جديدة للحد من انتشار النحاس في ركائز السيليكون دون استخدام الطبقة العازلة. إحدى هذه الطرق هي استخدام سبيكة النحاس والجرمانيوم كمادة توصيل، مما يُغني عن استخدام الطبقة العازلة (مثل نتريد التيتانيوم ). تم تصنيع طبقة Cu ₃ Ge المتبلورة بمتوسط ​​مقاومة يبلغ 6 ± 1 μΩ سم ووظيفة عمل تبلغ ~4.47 ± 0.02 إلكترون فولت على التوالي، ^{[ 4 ]} مما يجعلها بديلاً جيدًا للنحاس.

تتميز مقاومة النحاس للهجرة الكهربائية ، وهي العملية التي يتغير فيها شكل الموصل المعدني تحت تأثير التيار الكهربائي المار فيه، مما يؤدي في النهاية إلى انقطاعه، بتحسن ملحوظ مقارنةً بالألومنيوم. يسمح هذا التحسن في مقاومة الهجرة الكهربائية بمرور تيارات أعلى عبر موصل نحاسي ذي حجم معين مقارنةً بالألومنيوم. وقد أثبت الجمع بين الزيادة الطفيفة في الموصلية الكهربائية وهذا التحسن في مقاومة الهجرة الكهربائية جاذبيته الكبيرة. وكانت الفوائد الإجمالية المستمدة من هذه التحسينات في الأداء كافيةً في نهاية المطاف لتحفيز الاستثمار على نطاق واسع في التقنيات وأساليب التصنيع القائمة على النحاس لأجهزة أشباه الموصلات عالية الأداء، ولا تزال عمليات التصنيع القائمة على النحاس تمثل أحدث التقنيات في صناعة أشباه الموصلات حتى اليوم.

في عام 2005 تقريبًا، وصل تردد المعالج إلى 3 جيجاهرتز نتيجةً للانخفاض المستمر في حجم الترانزستورات المدمجة في الرقاقة خلال السنوات السابقة. عند هذه النقطة، أصبح اقتران RC السعوي للوصلات البينية هو العامل المحدد للسرعة (التردد). ^{[ 5 ]}

بدأت عملية تقليل كل من المقاومة (R) والسعة (C) في أواخر التسعينيات، عندما استُبدل الألومنيوم (Al) بالنحاس (Cu ) لخفض المقاومة، واستُبدل ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) بمواد _عازلة منخفضة السماحية (κ) لخفض السعة. وقع الاختيار على النحاس كبديل للألومنيوم نظرًا لانخفاض مقاومته الإلكترونية بين المواد منخفضة التكلفة عند درجة حرارة الغرفة، ولأنه يُظهر هجرة كهربائية أبطأ من الألومنيوم. تجدر الإشارة إلى أنه في حالة وصلات الألومنيوم، كانت عملية التشكيل تتضمن حفرًا انتقائيًا للألومنيوم (أي عملية تصنيع طرحية) في المناطق غير المطلية، يليه ترسيب مادة عازلة. ولعدم وجود طريقة معروفة للحفر الانتقائي المكاني للنحاس، تم تطبيق حفر (تشكيل) المادة العازلة بدلًا من ذلك. أما بالنسبة لترسيب النحاس (أي عملية تصنيع إضافية)، فقد اختار فريق IBM في أواخر التسعينيات الطلاء الكهربائي. وهكذا بدأت "ثورة النحاس" في صناعة أشباه الموصلات/الرقائق الدقيقة.

تبدأ عملية طلاء النحاس بتغطية جدران الوصلة بطبقة واقية (من التنتالوم، أو نيتريد التنتالوم، أو نيتريد السيليكون، أو كربيد السيليكون) لمنع انتشار النحاس داخل السيليكون. بعد ذلك، يتم ترسيب طبقة رقيقة من النحاس على جدران الوصلة باستخدام الترسيب الفيزيائي للبخار . ^{[ 6 ]} تعمل هذه الطبقة كمحفز للخطوة التالية من الترسيب الكهربائي. عادةً، ونظرًا لبطء انتقال أيونات النحاس (Cu²⁺) ^، يكون الطلاء الكهربائي أبطأ في أعماق الوصلات. في ظل هذه الظروف، يؤدي ملء الوصلة إلى تكوّن فراغ داخلي. لتجنب هذه العيوب، يلزم استخدام طريقة الملء من الأسفل إلى الأعلى (أو الملء فائق التوافق)، كما هو موضح في الشكل أ.

تتكون المحاليل السائلة المستخدمة في الطلاء الكهربائي فائق التوافق للنحاس عادةً من عدة إضافات بتراكيز ميلي مولية: أيون الكلوريد، ومثبط (مثل بولي إيثيلين جليكول )، ومسرع (مثل ثنائي كبريتيد ثنائي (3-سلفوبروبيل) )، وعامل تسوية (مثل جانوس جرين ب). ^{[ 7 ]} وقد تم اقتراح نموذجين رئيسيين للطلاء الكهربائي فائق التوافق للمعادن:

1) يشير نموذج تركيز المادة الممتزة المعزز بالانحناء (CEAC) إلى أنه مع ازدياد انحناء طبقة النحاس في قاع الوصلة، تزداد التغطية السطحية للمسرع الممتز، مما يسهل ترسيب النحاس المحدود حركيًا في هذه المناطق. ويؤكد هذا النموذج على دور المسرع.

2) يدعي نموذج المقاومة التفاضلية السالبة على شكل حرف S (S-NDR) بدلاً من ذلك أن التأثير الرئيسي يأتي من الكابت، الذي بسبب وزنه الجزيئي العالي / انتشاره البطيء لا يصل إلى أسفل الوصلة ويمتص بشكل تفضيلي في الجزء العلوي من الوصلة، حيث يمنع طلاء النحاس.

توجد أدلة تجريبية تدعم كلا النموذجين. الرأي التوافقي هو أنه في المراحل المبكرة من عملية ملء الفتحة من الأسفل إلى الأعلى، يعود ارتفاع معدل ترسيب النحاس في الأسفل إلى غياب جزيئات مثبط PEG هناك (معامل انتشارها منخفض جدًا بحيث لا يوفر نقلًا سريعًا للكتلة). يصل المُسرِّع، وهو جزيء أصغر وأسرع انتشارًا، إلى قاع الفتحة، حيث يُسرِّع معدل ترسيب النحاس دون الحاجة إلى المثبط. في نهاية عملية الترسيب، يبقى المُسرِّع بتركيز عالٍ على سطح النحاس المُرسب، مما يؤدي إلى تكوين نتوء نهائي.

• أنابيب الكربون النانوية في الوصلات البينية