Interkoneksi Tembaga: Dari Pengganti Aluminium ke Arus Utama
Dalam chip logika canggih, teknologi interkoneksi menentukan kinerja. Transistor menangani switching sinyal, interkoneksi menyalurkan daya dan data. Sebelum tembaga, aluminium digunakan. Tembaga menggantikannya karena resistivitas rendah (1,68 μΩ·cm vs 2,67 μΩ·cm) dan ketahanan elektromigrasi lebih baik. Proses Damascene + CMP mengatasi tantangan etsa tembaga, memungkinkan penggunaannya di node <90 nm.
Tantangan Skala pada Interkoneksi Tembaga
Saat lebar jalur <10 nm, tembaga menghadapi resistansi tinggi dan masalah reliabilitas:
- Penyebaran batas butir: Butir lebih kecil → hamburan elektron meningkat → resistansi naik.
- Difusi & korosi: Difusi tembaga butuh lapisan penghalang; korosi butuh lapisan penutup → resistansi bertambah.
- Efek ukuran resistansi: Jalur nanoscale bisa memiliki resistivitas puluhan kali tembaga bulk.
Solusi:
- Optimasi butir: Nanosecond laser annealing mempromosikan pertumbuhan butir → mengurangi hamburan.
- Optimasi lapisan: Liner & cap Cobalt (Co) meningkatkan pengisian dan reliabilitas, digunakan oleh TSMC & Intel.
Material Interkoneksi Generasi Berikutnya
Tembaga memiliki batas intrinsik, inovasi diperlukan:
- Logam murni:
- Cobalt (Co): EM kuat, efek ukuran lemah, unggul di <10 nm.
- Ruthenium (Ru): Resistivitas rendah, titik leleh tinggi, andal, tapi mahal.
- Molybdenum (Mo): Resistivitas rendah, tidak butuh lapisan penghalang, kompatibel ALD, tapi perlu kontrol oksidasi.
- Senyawa logam: NiAl, CuAl, RuAl memiliki resistivitas rendah dan stabilitas difusi di <8 nm, memungkinkan interkoneksi tanpa liner.
- Topological semimetal & material 2D:
- Topological semimetal (MoP) mempertahankan mobilitas tinggi meski di skala nano.
- Graphene + a-BN menawarkan interkoneksi 2D efisien, namun produksi massal & integrasi masih menantang.
AI dalam Desain Material
- Penyaringan cepat: Machine learning simulasi eksperimen → biaya lebih rendah.
- Optimasi multi-indikator: AI prediksi konduktivitas, EM resistance, dll.
- Tantangan: Data terbatas, model black-box → mitigasi via transfer learning & data augmentation.
Tantangan Industri
- Komersialisasi material baru butuh kompatibilitas proses, kontrol biaya, reliabilitas.
- Proses Damascene tembaga harus kompatibel.
- Sinergi inovasi material & optimasi proses akan membentuk kembali industri semikonduktor.