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I vari metalli impiegati in un processo tecnologico

Alcuni metalli comunemente usati nei processi di fabbricazione per CMOS e altri dispositivi elettronici:

1. Tungsteno (W) : diminuisce la resistività delle linee di gate (word line)
2. Nitruro di Tungteno (WN): evita che il W deposto contamini i dielettrici sottostanti.
3. Titanio (Ti): favorisce l'adesione di tutti i metalli in genere agli strati sottostanti, in particolare dell'Alluminio sull'ossido e viene utilizzato per il riempimento delle interconnessioni.
4. Alluminio o il Rame: vengono alternativamente utilizzati come parte conduttiva delle linee di connessione eletttica.
5. Nitruro di Titanio (TiN): permette i processi fotolitografici successivi inibendo le proprietà riflettenti dell'alluminio. La figura mostra ad esempio alcuni dei metalli

presenti in una struttura MOS.

Sono in genere cresciuti in genere con tecniche di deposizione fisica da fase vapore (PVD)

L'Alluminio

L’alluminio e le sue leghe sono utilizzati per realizzare metallizazioni nei circuiti integrati.

L’alluminio presenta una bassa resistività (2.7μΩ cm) quindi soddisfa il requisito di bassa resistenza ed inoltre presenta una buona aderenza al biossido di silicio.

Il problema che presenta l’allumino e la maggior parte delle sue leghe è il fenomeno dell’ elettromigrazione (spiegato nel seguito).

Il Rame

Equivalente circuitale di una pista metallica

L'equivalente circuitale di una pista metallica a bassa frequenza è un circuito RC. A questo punto, applicando un segnale in ingresso, lo stesso sarà presente in uscita con un ritardo pari al tempo di propagazione caratteristico della linea, e raggiungerà il suo valore massimo come una funzione del tempo con costante di tempo caratteristica data dal prodotto RC.

Quindi la costante di tempo RC è responsabile della velocità del dispositivo. I dispositivi oggi sono sempre più piccoli e la costante di tempo è legata alla resistività del metallo che realizza la linea.

Il restringimento dei dispositivi porta ad un peggioramento della costante RC quindi si cerca di sostituire questi materiali con il rame (Cu) che ha una più bassa resistenza dell'Allumino a parità di dimensione della linea. Infatti il rame ha di resistività 1,7 μΩ-cm mentre quella dell'alluminio è di 2,7 μΩ-cm. Inoltre il rame è più resistente al fenomeno dell’elettromigrazione.

Fenomeno dell'elettromigrazione

Effetto del trasferimenti di quantità di moto degli elettroni agli ioni

Formazione di cavità (voids) in un conduttore a causa della elettromigrazione

L'elettromigrazione è il trasporto di materiale causato dal movimento graduale di ioni in un conduttore a causa del trasferimento di quantità di moto tra elettroni di conduzione e atomi del metallo. La quantità di moto trasferita è tanto maggiore quanto maggiore è la densità di corrente. Al diminuire delle dimensioni dei circuiti usati in microelettronica aumenta la densità di corrente e di conseguenza la elettromigrazione che era una semplice curiosità 100 anni fà quando è stata scoperta da Gerardin, con la diminuzione di dimensione dei circuiti integrati questo fenomeno diventato sempre più importante in microelettronica

La figura qui di lato mostra come si possono creare vuoti in alcune zone di un conduttore (vi saranno delle altre zone in cui si accumula il materiale). A lungo andare un processo di questo genere porta alla rottura dei dispositivi.

Vantaggi e svantaggi del rame rispetto all’alluminio

Vantaggi

• Migliore conducibilità.
• Minore tendenza all’elettromigrazione.

Svantaggi

• Il rame ha una struttura meno stabile rispetto all’allumnion dovuta alla natura estremamente porosa del suo ossido. Questa minor propensione alla passivazione lo rende più esposto a fenomeni di corrosione. Per descrivere meglio questa caratteristica si pensi al ferro: a contatto con l'aria questo metallo reagisce con l'ossigeno formando uno strato di ossido di ferro. La porosità fa si che le molecole di ossigeno riescano a passare lo strato di ossido arrivando al ferro e continuando il processo di ossidazione con il metallo restante. Al contrario del rame e del ferro l'alluminio forma uno strato di ossido molto compatto che, una volta formatosi, impedisce l'ulteriore ossidazione del metallo restante.
• Il rame, a differenza dell’alluminio, diffonde molto facilmente attraverso il silicio ed i suoi ossidi. Questo richiede complicazioni ulteriori nel processo di fabbricazione.
• Il rame elettrodeposto è soggetto al fenomeno di “self-annealing” ovvero i suoi grani modificano la loro struttura nel tempo, rendendo il processo di CMP instabile.

Siliciuri

I siliciuri presentano delle resistività dell’ ordine di 50 μΩ cm e possono essere utilizzati per realizzare le metallizazioni dei dispositivi oggi sempre più piccoli. I siliciuri, per esempio, possono essere utilizzati per realizzare l’ elettrodo di gate dei MOSFET. Essi restano stabili durante il contatto con il polisilicio cristallino.

Con il diminuire delle dimensioni dei dispositivi, la costante di tempo RC aumenta (vedi metallizazione del rame), quindi nasce l’ esigenza di fare elettrodi di gate ad alta conduttività.

I siliciuri possono essere formati in diversi modi:

• Depositando un film di materiale refrattario su silicio o silicio policristallino e sintetizzando la struttura per ottenere un siliciuro.
• Attraverso sputtering o per evaporazione da sorgenti differenti su silicio policristallino o su uno strato dielettrico.
• Formando il siliciuro attraverso deposizione chimica da fase vapore su uno strato di ossido o di silicio policristallino.