Superfeine Kupferdrähte für schnellere Schaltkreise
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Eine neue Methode, Kupferdrähte in Halbleiter-Wafer einzubetten und integrierte Schaltkreise herzustellen, soll in Zukunft dazu führen, hunderte von Millionen elektronischer Vorrichtungen mehr auf einen Chip zu packen, als es heute möglich ist. Viele der mikroskopisch kleinen "Elektrogeräte" auf einem Chip müssen mittels Metalldrähten intern verdrahtet werden. Indem man feine "Gräben" auf der Oberfläche der Halbleiter-Wafer füllt, erzeugt und verlegt man diese Drähte gleichzeitig. Übereinander gelagerte Schaltkreis-Schichten auf einem Chip verbindet man, indem zwischen den Schichten Kontakte hergestellt werden. Standardmäßig bestehen diese Mikrodrähte aus Aluminium, Aluminiumverbindungen, oder bei Zwischenschicht-Verbindungen aus Wolfram. Im Laufe fortschreitender Miniaturisierung genügen die elektrischen Eigenschaften von Aluminium aber nicht mehr den Anforderungen: "Niedrigerer elektrischer Widerstand und höherer Widerstand gegen Elektromigration werden nötig", so Othon Monteiro, Materialwissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Department of Energy. Auch brauche man ein Material, das mit anderen Materialien niedrigerer Dielektrizitätskonstante kompatibel sei – die Hersteller erreichten damit eine verbesserte Isolierung und niedrigere Schaltkreisverzögerungen. Monteiros neue Methode, beschrieben im Journal of Vacuum Science and Technology B, greift deshalb auf Kupfer zurück. Kupfer ist wesentlich leitfähiger als Aluminium, was feinere Drähte mit weniger Verlust durch Widerstand erlaubt. Auch ist Kupfer deutlich weniger von Elektromigration betroffen als Aluminium und neigt weniger zum Bruch unter Belastung. "Leider ist Kupfer für Silizium reines Gift, es diffundiert ins Silizium und verursacht tiefliegende Defekte", so Monteiro. Die ersten kommerziellen kupfer-verdrahteten Mikrochips vor rund zwei Jahren umgingen das Problem durch eine Hüllschicht aus Titaniumnitrid, Tantal, Tantal-Legierungen oder Tantalnitrid zwischen Kupfer und Substrat. Die Hersteller IBM und Motorola legen die Kontakte über diese Trennschicht mit Hilfe von Galvanisation. Monteiros Methode der "Ionen-unterstützten Grabenfüllung" bietet im Vergleich dazu verschiedene Vorteile. Feinere und gleichmäßigere Metallschichten in einer Vielzahl von Chip-Architekturen sind möglich, schmälere "Gräben" mit einem höheren Verhältnis von Tiefe zu Breite lassen sich auffüllen, und zwar vom Grund auf nach oben, wobei eine ungleichmäßige bis lückenhafte Ablagerung automatisch vermieden wird. Der Substrat-Wafer mit vorgeätzten "Gräben" wird für Monteiros Methode unter eine Plasmaquelle plaziert. Eine gepulste Spannung wird angelegt und so eingestellt, daß Ionen in Richtung der Graben-Seiten und -Böden beschleunigt werden und eine gleichmäßige Schicht bilden. Oder so, daß sie vorzugsweise in Richtung Grabenboden beschleunigt werden und ihn von unten nach oben auffüllen. Der Anlagerungsprozess wird beendet, sobald die erwünschte Materialdicke präzise erreicht ist. Filme aus Mehrfachschichten verschiedener Materialien können mittels unterschiedlicher Kathodenmaterialien erzeugt werden: Kupfer, Tantal, Tantalnitrid und eine Anzahl andere Materialien lassen sich auf diese Weise deponieren. Laut einer Vorhersage der Semiconductor Industry Association erwartet man, daß mit Hilfe der neuen Lithographiemethoden die kleinsten Chip-Strukturen von rund 250 Nanometern im Laufe diesen Jahres auf 180 Nanometer schrumpfen, bis 2006 auf 100 Nanometer, und in weiterer Zukunft noch feinere Dimensionen erreichen.
Dörte Saße, EurekAlert
