Kupfer in der Halbleiterfertigung

35 Prozent schneller durch Kupfer

Kupfer hat die unerwünschte Eigenschaft, das Halbleitermaterial zu verunreinigen. Dadurch ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters, die Transistoren werden unbrauchbar. Alle Personen und Maschinen die mit dem Kupfer in Kontakt kommen, sei es auch nur der Abrieb einiger Atome am Greifarm eines Roboters, stellen eine Gefahrenquelle für die Fertigung dar.

Kupfer korrodiert zudem relativ schnell. Kupferbeschlagene Dächer mit grüner Patina zeigen diesen Vorgang sehr deutlich. Zur Verhinderung der Korrosion wird das Kupfer daher mit einer Oberflächenbehandlung passiviert.

Die von IBM Microelectronics entwickelte Kupfertechnologie erlaubt bis zu 24 Millionen Gatter auf einem einzigen Chip. Dies entspricht mehr als 75 Millionen Transistoren und somit der Transistorzahl von zehn Pentium-II-Prozessor-Kernen.

In Kupfertechnologie gefertigten Prozessoren zeigen eindrucksvoll das Potenzial von Kupfer: der Widerstand der Leiterbahn sinkt um rund 40 Prozent, die Signale werden schneller und mit geringeren Verlusten durch den Chip geführt und es ist eine um 35 Prozent höhere Taktrate bei gleich bleibender Verlustleistung möglich.

Dual-Damascene-Technologie

Technologisch werden bei der Dual-Damascene genannten Kupfertechnologie zunächst die Vertiefungen für die Durchkontaktierungen und die Leiterbahnen geätzt. In einem zweiten Arbeitsschritt wird ein Isolationsfilm (Barrier-Schicht) von etwas mehr als hundert Atomlagen abgeschieden, um das Eindringen des Kupfers in das Halbleitermaterial zu verhindern. In einem dritten Arbeitsschritt wird eine dünne Metallschicht aufgedampft, auf der letztendlich galvanisch in einem einzigen Arbeitsgang sowohl die Durchkontaktierung als auch die Leiterbahn aufwächst (Dual Damascene Process).

Sind die Gräben aufgefüllt, muss das überschüssige Kupfer, das sich auf der Oberseite des Wafers abgelagert hat, durch CMP-Polieren (Chemical Mechanical Polishing) wieder entfernt werden. Da dies an die Einlegearbeiten bei Damaszener-Schwertern erinnert, trägt der Prozess den Namen "Dual Damascene Process".

Auf die so entstandene planare Fläche wird eine Oxid-Schicht zur Isolation aufgebracht und das Spiel kann von Neuem beginnen. Bis zu sechs Metall-Lagen zur Verdrahtung können so übereinander angeordnet werden.