Templado de cobre en la industria de semiconductores. Hornos y sistemas RTP
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JTEKT Thermo Systems (anteriormente Koyo Thermo Systems) fabrica varios tipos de hornos para el templado de cobre o capas de cobre utilizando la técnica de Damasceno. El proceso se describe detalladamente y se comparan los diferentes hornos, incluidos los sistemas RTP.
En la fabricación de chips, cada vez se utiliza más el cobre como material para las pistas conductoras, que están reemplazando gradualmente al aluminio a pesar del mayor riesgo de contaminación por cobre, menor adherencia a los dieléctricos y mayor corrosión. El cobre tiene una conductividad mucho mejor, lo que es crucial para la miniaturización de las estructuras en la fabricación de chips. El efecto de electromigración es mucho menor en el cobre que en el aluminio.
El cobre se deposita generalmente utilizando la técnica llamada Damasceno. El procedimiento lleva el nombre de un método utilizado antiguamente en Damasco para fabricar espadas compuestas por muchas capas de metal.
Se aplica una barrera de difusión, posiblemente una capa de parada de grabado y un dieléctrico a base de silicio al silicio. Luego se graban surcos para las pistas conductoras y los orificios de contacto. Se aplica una capa base de cobre. Tanto las capas de parada de grabado, que suelen estar hechas de nitruro de titanio, tantalio o tantalio-nitruro para evitar la difusión, como las capas base de cobre se aplican mediante la tecnología de pulverización catódica. Finalmente, los surcos y los agujeros se llenan galvánicamente con cobre en un solo paso. El cobre crece de manera policristalina en este proceso. El tamaño de los cristales individuales es variable y depende de la superficie del sustrato, las condiciones de crecimiento y el tamaño de la estructura de las pistas conductoras o los orificios de contacto.
Para mejorar y estabilizar las propiedades de la capa de cobre, es necesario un proceso de templado de cobre. Luego, el exceso de cobre que ha crecido más allá de los bordes de los surcos se elimina mediante un proceso de pulido químico-mecánico (CMP) que elimina el cobre sobre los bordes de los surcos.
Todo el proceso de templado se repite hasta 8 veces, lo que permite crear redes de pistas conductoras multicapa.
El último paso consiste en la pasivación de la capa superior de cobre con nitruro de silicio.
En esta página se discute en detalle el templado de la capa de cobre.
El templado tiene varios efectos en la capa de cobre:
1) Aumento de los cristales, que son notablemente más pequeños en áreas sin templado que en áreas con pistas conductoras más grandes. El aumento de los cristales mejora la conductividad del material. Se forma una estructura de tipo bambú: los cristales alcanzan un tamaño que coincide con el ancho de la pista conductora. En la pista conductora, un cristal se une al siguiente. Este crecimiento cristalino, aunque es conocido como autotemplado y ocurre incluso a temperatura ambiente, no se controla y no es uniforme, y depende del ancho de las pistas conductoras. Por lo tanto, se recomienda el templado.
2) Relajación del material. Hay una estabilización de la microestructura. Las dislocaciones se eliminan y la energía de interfaz entre los cristales adyacentes se reduce. Se reduce el crecimiento estructurado de las paredes laterales a lo largo de los planos de 111 cristales y se evita que el cobre se retraiga o se despegue de la pared de los agujeros de contacto más adelante. La diferente expansión térmica del cobre y el dieléctrico favorece dicho desprendimiento de la pared. El templado puede evitar fallos del componente relacionados con estas condiciones.
3) Reducción de los efectos de la electromigración. La electromigración es un efecto que describe el movimiento de átomos de cobre causado por una fuerte actividad electrónica en la dirección de la corriente. Este efecto ocurre en puntos estrechos, preferiblemente en agujeros de contacto, y puede provocar la rotura del contacto en el punto estrecho en casos extremos. Las pistas conductoras con una estructura de bambú, donde faltan interfaces paralelas a la dirección de la corriente, muestran una mayor resistencia a la electromigración.
El templado se puede realizar con diferentes instalaciones:
1)
Horno CLH. El método más simple de templado de cobre implica el uso de un horno de convección limpia con un filtro HEPA integrado. Los hornos CLH de JTEKT se cargan manualmente con cassettes metálicos. Es necesario transferir a las cassettes metálicas. El horno es adecuado para temperaturas entre 100 y 450°C y funciona con gas inerte (nitrógeno).
La uniformidad de la temperatura es de aproximadamente +/- 5°C; clase limpia 100. En el horno CLH caben hasta 8 cassettes para obleas de 200mm. Por lo tanto, la capacidad máxima es de 200 obleas. El horno está disponible con varios controles. Una descripción detallada del horno CLH se encuentra en una página propia.
2)
Estación de horno de convección automatizada JTEKT SO2, adecuada para obleas de 300mm. Es un horno de convección basado en el tipo CLH, combinado con una estación de carga automática.
Dos estaciones de carga y descarga FOUP garantizan la carga automática de obleas de 300mm. La capacidad está diseñada para 50 obleas. Esto permite que el proceso de templado sea completamente automatizado y rentable. Se pueden encontrar más detalles en nuestra página de hornos de caja.
3)
Un método más elegante para templar cobre es el uso de un horno vertical. En este caso, las prestaciones del proceso son significativamente mejores. Se puede lograr una uniformidad de temperatura de mejor que +/-1°C, así como una mejora notable de la pureza del proceso. Se puede utilizar una atmósfera especial, como gas de formación. Los costos de la instalación son más altos, pero están en una relación aceptable con las mejoras en las propiedades del proceso. Gracias al uso de elementos calefactores LGO con una masa térmica muy baja, la temperatura de templado alrededor de 200°C no representa un problema para estos hornos. Los calentadores son fácilmente controlables a partir de 130°C. Los estudios han demostrado que a 200°C, los tiempos de templado de 30 a 60 minutos son suficientes para lograr las mejoras deseadas en las propiedades de la capa de cobre. Están disponibles tanto versiones más pequeñas de hornos para investigación y desarrollo como instalaciones de producción en masa económicas. Los detalles se encuentran en nuestra página de hornos verticales.
4)
RTP. Las instalaciones de procesamiento térmico rápido JTEKT 3106, 3108 o 3312 también se pueden utilizar para templar capas de cobre. Campos de lámparas con lámparas cruzadas sobre y bajo la oblea garantizan un calentamiento rápido y uniforme de las obleas. Debido a la baja masa térmica de la configuración, también se produce un enfriamiento muy rápido. Con un calentamiento o enfriamiento rápido de los sustratos, se puede lograr un efecto similar al de un templado de horno de 30 minutos con un tiempo de templado de 45 segundos en la RTP. El presupuesto térmico es más bajo al utilizar la tecnología RTP, pero la producción es solo aproximadamente de 1/2 a 1/4 en comparación con el procesamiento en lotes en un horno vertical debido al procesamiento de obleas individuales. Se puede utilizar una atmósfera especial, como gas de formación.
Se dispone de instalaciones RTP de lámparas para obleas de tamaños entre 150mm y 300mm.
Los 4 tipos de instalaciones descritas para el templado se utilizan en la práctica. Se ha demostrado que las condiciones más favorables para obtener buenas propiedades eléctricas y un alto rendimiento de componentes funcionales son tiempos de templado más largos (45 segundos en RTP, o 30 minutos en horno) a temperaturas más bajas posibles (<200°C). Se debe tener en cuenta que el templado en estructuras más pequeñas requiere más tiempo que en estructuras más grandes.
A temperaturas más altas (400°C), el templado RTP es más efectivo que el templado en horno, pero entonces se deben aceptar otros inconvenientes, como el aumento de la rugosidad de la superficie del cobre. La presencia de hidrógeno durante el templado puede afectar negativamente la rugosidad de la superficie. A temperaturas elevadas, aumenta la probabilidad de que ocurran retraimientos de material desde agujeros de contacto. Los dieléctricos de baja constante dieléctrica pueden perder parcialmente sus propiedades de aislamiento especiales a temperaturas superiores a 250°C. Los efectos de la electromigración se intensifican nuevamente a temperaturas más altas. Además, aumenta el riesgo de difusión de cobre en áreas no deseadas.
La selección del método depende de los requisitos del cliente en cuanto a propiedades del proceso y automatización. Estaremos encantados de asesorarle.
Por favor, contáctenos si necesita más información sobre el templado de cobre o nuestros hornos correspondientes. Las pruebas con nuestros hornos se pueden realizar en nuestro laboratorio de aplicaciones en Tenri.
