A onda de cobalto continua

O Cobalt parece estar fazendo um movimento inexorável em mais e mais aplicações à medida que os recursos do dispositivo diminuem. Ele substituiu amplamente o tungstênio em incursões anteriores: para encapsular cobre e para preenchimento de alta proporção.

Bem, o cobalto agora tem um novo alvo em vista: a interconexão de cobre. Sim, até mesmo o venerável cobre – que substituiu o alumínio por volta de 20 anos atrás (o avanço da IBM foi em 1997 – nem mesmo neste século!). Reprisaremos algumas das razões pelas quais o cobalto já está fazendo incursões, mas depois examinaremos com atenção por que – e onde – o cobre está em risco.

Derretendo o Grão

Uma das grandes diferenças em como o cobalto é tratado é o refluxo. Quando se trata de substituir o tungstênio nas aplicações anteriores que vimos, isso tem o benefício imediato de melhorar a qualidade do enchimento de metal. Mesmo que deposite conforme, isso é desfeito por uma etapa de refluxo que eliminará quaisquer costuras ou vazios no preenchimento.

Além disso, quando se trata de filmes finos, o cobalto também pode apresentar menor resistência. Isso ocorre porque o tamanho do grão do metal é maior, tornando o deslocamento do elétron mais suave. A razão para os grãos maiores (pelo menos em parte) é a etapa de refluxo. É, mais ou menos, um recozimento (como veremos), permitindo o crescimento dos grãos.

Então... se for esse o caso, por que não refluir o tungstênio e obter os mesmos benefícios? Porque o tungstênio é um metal refratário, o que significa que tem um ponto de fusão muito alto – 3422 °C. O cobalto, por outro lado, funde a 1495 °C*. Portanto, é prático refluir o cobalto; tungstênio... nem tanto.

Empilhando as opções

Desta vez, vamos considerar o cobalto para a interconexão. A Applied Materials ("Applied" entre amigos) reúne uma comparação de tungstênio, alumínio, cobre e cobalto. Notavelmente, eles fizeram uma distinção entre características metálicas estreitas e metálicas largas. Então, para aqueles de vocês que se perguntam silenciosamente: "Por que agora? O que mudou?" a resposta é que o tamanho do recurso mudou.

Vamos nos concentrar em recursos estreitos. A capacidade de preencher "lacunas" – que nos deu a aplicação de alta proporção – é maior com cobalto baseado em – surpresa – refluxo. A resistência também é menor com o cobalto e a confiabilidade é alta. Essa coisa de confiabilidade está amplamente relacionada à eletromigração (EM).

O EM prejudica o cobre devido ao seu ponto de fusão – 1085 °C. O alumínio é ainda pior, com um ponto de fusão de 660 °C. Portanto, embora o ponto de fusão do cobalto – bem abaixo do do tungstênio – ajude do ponto de vista do refluxo, ainda é alto o suficiente para vencer o cobre e o alumínio quando se trata de EM.

Mas e a resistência? Antes de nos aprofundarmos nos motivos, vamos dar uma olhada rápida nos números de recursos amplos. (O limite aplicado entre estreito e largo é de 20 a 30 nm.) Aqui eles comparam apenas alumínio e cobre – os únicos metais a alcançar uso generalizado em interconexão. Quando se trata de resistência, o cobre fica com uma caixa verde. No lado estreito, fica apenas uma caixa amarela. OK, essas cores da caixa não são exatamente quantitativas, mas podemos concluir que o cobre largo é menos resistivo do que o cobre estreito?

Bem, isso seria um "Sim" óbvio se estivéssemos olhando para a própria resistência - qualquer coisa mais larga é menos resistiva. Mas e se estivermos olhando para a resistividade? (O que nós somos...) Você pensaria que esta medida fatoraria toda a coisa da dimensão. Mas ainda é maior para recursos mais estreitos. O que há com isso?

Aqui chegamos à noção de baixo nível do livre caminho médio de um elétron. Applied tem um gráfico dessa métrica para cobre e cobalto, conforme plotado em relação à largura do recurso. E eis que algo inesperado acontece: enquanto o cobre domina com características mais amplas, há um crossover em torno de 10 nm. Acima disso, o cobre ganha (e parece que, com linhas ainda mais largas, elas ficam menos sensíveis à largura – o que soa mais intuitivo). Abaixo de 10 nm, o cobalto vence.

O fluxo com refluxo

O fluxo de interconexão de cobalto é ilustrado à direita. Provavelmente parece familiar, com exceção da etapa de "recozimento" (que é onde ocorre o refluxo). Ao anunciar este processo de cobalto, a Applied também apresenta uma nova máquina que executa esta etapa: a máquina Producer® Pyra™ Anneal. A deposição é feita, como antes, na linha Endura®; a planarização é feita na máquina Reflexion® LK Prime™ CMP Co.