La ola de cobalto continúa

Cobalt parece estar haciendo un movimiento inexorable hacia más y más aplicaciones a medida que se reducen las características del dispositivo. Ha estado reemplazando en gran medida al tungsteno en incursiones anteriores: para encapsular cobre y para relleno de alta relación de aspecto.

Bueno, cobalt ahora tiene un nuevo objetivo en la mira: la interconexión de cobre. Sí, incluso el venerable cobre, que reemplazó al aluminio hace unos 20 años (el gran avance de IBM fue en 1997, ¡ni siquiera en este siglo!). Retomaremos algunas de las razones por las que el cobalto ya ha hecho incursiones, pero luego analizaremos en particular por qué, y dónde, el cobre está en riesgo.

derretir el grano

Una de las grandes diferencias en cómo se maneja el cobalto es el reflujo. Cuando se trata de reemplazar el tungsteno en las aplicaciones anteriores que vimos, esto tiene el beneficio inmediato de mejorar la calidad del relleno de metal. Incluso si se deposita conforme, eso se deshace mediante un paso de reflujo que eliminará las costuras o vacíos en el relleno.

Además, cuando se trata de películas delgadas, el cobalto también puede tener menor resistencia. Eso se debe a que el tamaño del grano del metal es más grande, lo que hace que el viaje de los electrones sea más suave. La razón de los granos más grandes (al menos en parte) es ese paso de reflujo. Es, más o menos, un recocido (como veremos), que permite que crezcan los granos.

Entonces... si ese es el caso, ¿por qué no refluir el tungsteno y obtener los mismos beneficios? Porque el tungsteno es un metal refractario, lo que significa que tiene un punto de fusión muy alto: 3422 °C. El cobalto, por otro lado, se funde a 1495 °C*. Por lo tanto, es práctico hacer reflujo de cobalto; tungsteno… no tanto.

Apilando las opciones

Esta vez, vamos a considerar el cobalto para la interconexión. Applied Materials ("Applied" entre amigos) reunió una comparación de tungsteno, aluminio, cobre y cobalto. En particular, hicieron una distinción entre las características de metal angosto y de metal ancho. Entonces, para aquellos de ustedes que se preguntan en silencio: "¿Por qué ahora? ¿Qué ha cambiado?" la respuesta es que el tamaño de la característica ha cambiado.

Centrémonos en las características estrechas. La capacidad de llenar los "huecos" (lo que nos proporcionó la aplicación de alta relación de aspecto) es mayor con el cobalto basado en el reflujo sorpresa. La resistencia también es más baja con el cobalto y la confiabilidad es alta. Esa cosa de la confiabilidad se relaciona en gran medida con la electromigración (EM).

EM daña el cobre debido a su punto de fusión: 1085 °C. El aluminio es aún peor, con un punto de fusión de 660 °C. Por lo tanto, aunque el punto de fusión del cobalto, muy por debajo del del tungsteno, ayuda desde el punto de vista del reflujo, sigue siendo lo suficientemente alto como para vencer al cobre y al aluminio cuando se trata de EM.

Pero, ¿y la resistencia? Antes de profundizar en los motivos allí, echemos un vistazo rápido a los números de funciones amplias. (El límite de Applied entre estrecho y ancho es de 20 a 30 nm). Aquí comparan solo el aluminio y el cobre, los únicos metales que lograron un uso generalizado en la interconexión. Cuando se trata de resistencia, el cobre obtiene una caja verde. En el lado angosto, solo recibe un cuadro amarillo. Bien, esos colores de la caja no son exactamente cuantitativos, pero ¿podemos concluir que el cobre ancho es menos resistivo que el cobre angosto?

Bueno, eso sería un "Sí" obvio si estuviéramos mirando la resistencia en sí misma: cualquier cosa más ancha es menos resistente. Pero, ¿y si nos fijamos en la resistividad? (Lo que somos...) Uno pensaría que esta medida eliminaría todo el asunto de la dimensión. Pero aún es más alto para características más estrechas. ¿¿Que pasa con eso??

Aquí llegamos a la noción de bajo nivel del camino libre medio de un electrón. Applied tiene un gráfico de esta métrica tanto para el cobre como para el cobalto, como se representa en función del ancho de la característica. Y he aquí, sucede algo inesperado: mientras que el cobre domina con características más amplias, hay un cruce de alrededor de 10 nm. Por encima de eso, el cobre gana (y parece que, con líneas aún más anchas, se vuelven menos sensibles al ancho, lo que suena más intuitivo). Por debajo de 10 nm, gana el cobalto.

El flujo con reflujo

El flujo de interconexión de cobalto se ilustra a la derecha. Probablemente parezca familiar con la excepción de ese paso de "recocido" (que es donde ocurre el reflujo). Al anunciar este proceso de cobalto, Applied también presenta una nueva máquina que realiza este paso: la máquina Producer® Pyra™ Anneal. La deposición se realiza, como antes, en la línea Endura®; la planarización se realiza en la máquina Reflexion® LK Prime™ CMP Co.

Si bien la línea Endura permite cierta integración, el flujo de "relleno → recocido → sobrecarga → planarización" involucra FOUP y se mueve cada vez (Endura → Productor → Endura → Reflexión).

La sobrecarga no es nueva para el cobalto, pero es posible que observe que se deposita después del paso de recocido, por lo que no se recoce. Applied confirmó que el relleno de CVD sobrellena ligeramente las características, por lo que todo el relleno de cobalto se recoce. El sobrecargado se aplica con PVD, y dicen que es una película limpia, pura; por lo tanto, cualquier sobrecarga que quede después de CMP debería funcionar bien junto con el cobalto recocido subyacente.

Presumiblemente, si el cobalto se demuestra en estas aplicaciones, entonces, a medida que las dimensiones continúen reduciéndose, el cobalto subirá en la pila poco a poco. ¿Alguna vez se hará cargo de todo el camino hasta la red eléctrica? Eso es difícil de imaginar... Las líneas eléctricas de menos de 10 nm de ancho suenan incompletas. Por otra parte, personas más inteligentes que yo han hecho predicciones tan obvias antes y se ha demostrado que estaban equivocadas. Así que será interesante ver hasta dónde llega el cobalto en todo este asunto. Quién sabe… en un par de años más, quizás volvamos a tener esta pequeña charla.

*Fuente: Materiales Aplicados

Todas las imágenes son cortesía de Applied Materials.

Más información:

Conjunto de productos de cobalto de materiales aplicados