L'ondata di cobalto continua

Sembra che il cobalto si stia muovendo inesorabilmente verso un numero sempre maggiore di applicazioni man mano che le funzionalità dei dispositivi si riducono. Ha ampiamente sostituito il tungsteno nelle incursioni precedenti: per incapsulare il rame e per riempimenti ad alto rapporto d'aspetto.

Bene, il cobalto ora ha un nuovo obiettivo nel mirino: l’interconnessione in rame. Sì, anche il venerabile rame – che ha sostituito l'alluminio circa 20 anni fa (la svolta di IBM è avvenuta nel 1997 – nemmeno in questo secolo!). Riprenderemo alcuni dei motivi per cui il cobalto si è già fatto strada, ma poi esamineremo con particolare attenzione il motivo per cui – e dove – il rame è a rischio.

Fondere il grano

Una delle grandi differenze nel modo in cui viene gestito il cobalto è la rifusione. Quando si tratta di sostituire il tungsteno nelle applicazioni precedenti che abbiamo visto, ciò ha il vantaggio immediato di migliorare la qualità del riempimento metallico. Anche se si deposita in modo conforme, ciò viene annullato da una fase di riflusso che eliminerà eventuali giunture o vuoti nel riempimento.

Inoltre, quando si tratta di film sottili, il cobalto può avere anche una resistenza inferiore. Questo perché la dimensione dei grani del metallo è maggiore, consentendo un viaggio degli elettroni più fluido. Il motivo dei grani più grandi (almeno in parte) è la fase di rifusione. Si tratta, più o meno, di una ricottura (come vedremo), che permette ai chicchi di crescere.

Quindi... se è così, perché non rifondere il tungsteno e ottenere gli stessi vantaggi? Perché il tungsteno è un metallo refrattario, il che significa che ha un punto di fusione molto elevato – 3422 °C. Il cobalto, invece, fonde a 1495 °C*. Quindi è pratico rifondere il cobalto; tungsteno... non così tanto.

Impilare le opzioni

Questa volta prenderemo in considerazione il cobalto per l'interconnessione. Applied Materials ("Applied" tra gli amici) ha messo insieme un confronto tra tungsteno, alluminio, rame e cobalto. In particolare, hanno fatto una distinzione tra metallo stretto e caratteristiche metalliche larghe. Quindi, per quelli di voi che si chiedono in silenzio: "Perché adesso? Cosa è cambiato?" la risposta è che la dimensione delle funzionalità è cambiata.

Concentriamoci sulle funzionalità ristrette. La capacità di colmare le "lacune" – che ci ha dato l'applicazione ad alto rapporto d'aspetto – è massima con il cobalto basato – sorpresa – sul riflusso. Anche la resistenza è più bassa con il cobalto e l'affidabilità è elevata. Quella questione dell’affidabilità si riferisce in gran parte all’elettromigrazione (EM).

Gli EM danneggiano il rame a causa del suo punto di fusione – 1085 °C. L'alluminio è ancora peggio, con un punto di fusione di 660 °C. Quindi, anche se il punto di fusione del cobalto – ben al di sotto di quello del tungsteno – aiuta dal punto di vista del riflusso, è comunque abbastanza alto da battere rame e alluminio quando si tratta di EM.

Ma che dire della resistenza? Prima di approfondire i motivi, diamo una rapida occhiata ai numeri delle funzionalità estese. (Il confine di Applied tra stretto e largo è 20-30 nm.) Qui confrontano solo alluminio e rame, gli unici metalli ad aver raggiunto un uso diffuso nelle interconnessioni. Quando si tratta di resistenza, il rame ottiene una scatola verde. Sul lato stretto, ha solo una casella gialla. OK, i colori delle scatole non sono esattamente quantitativi, ma possiamo concludere che il rame largo sia meno resistivo del rame stretto?

Ebbene, questo sarebbe un ovvio “Sì” se guardassimo alla resistenza stessa: qualsiasi cosa più ampia è meno resistiva. Ma cosa succede se guardiamo alla resistività? (Che siamo...) Penseresti che questa misura eliminerebbe l'intera faccenda della dimensione. Ma è ancora più alto per le caratteristiche più ristrette. Cosa succede con quello??

Qui arriviamo alla nozione di basso livello del libero cammino medio di un elettrone. Applied presenta un grafico di questa metrica sia per il rame che per il cobalto, tracciato rispetto alla larghezza della caratteristica. Ed ecco, accade qualcosa di inaspettato: mentre il rame domina con caratteristiche più ampie, c'è un crossover a circa 10 nm. Oltre a ciò, vince il rame (e sembra che, con linee ancora più larghe, diventino meno sensibili alla larghezza – il che sembra più intuitivo). Sotto i 10 nm vince il cobalto.

Il flusso con riflusso

Il flusso di interconnessione del cobalto è illustrato a destra. Probabilmente sembra familiare con l'eccezione di quel passaggio di "ricottura" (che è dove avviene il riflusso). Nell'annunciare questo processo al cobalto, Applied presenta anche una nuova macchina che esegue questa fase: la macchina Producer® Pyra™ Anneal. La deposizione avviene, come prima, sulla linea Endura®; la planarizzazione viene eseguita sulla macchina Reflexion® LK Prime™ CMP Co.