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Der mysteriöse „Damacin“-Prozess: Wie füllt Kupfer die winzigen Kanäle perfekt aus?
Seit IBM und Motorola im Jahr 1997 erstmals Kupfer in integrierten Schaltkreisverbindungen verwendeten, hat dieser revolutionäre Prozess das Gesicht der Halbleiterindustrie kontinuierlich verändert. Aufgrund der besseren Leitfähigkeit von Kupfer im Vergleich zu Aluminium können viele ICs mit dünneren Drähten hergestellt werden. Der Energieverbrauch wird dadurch deutlich gesenkt, was letztlich zu einer Verbesserung der Gesamtleistung führt.
Der Vorteil von Kupfer liegt nicht nur in seiner Leitfähigkeit, sondern auch in seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration beim Fluss von elektrischem Strom.
Der Umstellungsprozess von Aluminium auf Kupfer ist jedoch nicht einfach. Dies erfordert völlig neue Fertigungstechnologien und -prozesse, einschließlich einer vollständigen Überarbeitung der Methoden zur Metallstrukturierung. Frühere Techniken, die auf Fotolackmasken und Plasmaätzen beruhten, waren bei Kupferanwendungen nicht erfolgreich. Dies zwang die Wissenschaftler dazu, den Prozess der Metallstrukturierung zu überdenken und letztendlich eine Methode zu entwickeln, die als Damaszener-Verfahren bezeichnet wird.
Der Prozess der Damasin-Herstellung
Beim Damazine-Verfahren müssen in die darunterliegende Isolierschicht aus Siliziumoxid klare Rillen gemeißelt werden, um die Position der Leiter festzulegen. Anschließend wird die Isolierschicht dick mit Kupfer beschichtet, um das erforderliche Füllvolumen zu überschreiten. Anschließend wird durch chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) das Kupfer über der Isolierschicht entfernt, wodurch das Kupfer zurückbleibt, das in die Isolierschicht einsinkt und als feiner und funktionaler Leiter dient.
Dieses Verfahren ermöglichte es den Wissenschaftlern, bis zu zehn oder mehr Metallschichten in eine mehrschichtige Verbindungsstruktur einzufügen, was die Belastbarkeit und Skalierbarkeit des Damazine-Verfahrens demonstrierte.
Die Rolle des blockierenden Metalls
Eine vollständige Abdeckung der Barrieremetallschicht ist entscheidend, um eine effektive Nutzung des Kupferleiters sicherzustellen. Eine übermäßige Kupferdiffusion kann zu unerwünschten Wechselwirkungen mit umgebenden Materialien führen. Insbesondere besteht die Gefahr, dass sich im Silizium tiefe Kupferfallen bilden. Daher muss das Barrieremetall die Diffusionseigenschaften von Kupfer verringern und gleichzeitig einen guten elektrischen Kontakt aufrechterhalten. Dünne Sperrschichten können zu Kontaktverunreinigungen führen, während dicke Schichten den Gesamtwiderstand erhöhen.
Herausforderungen der Elektromigration
In der Elektronik bezeichnet Elektromigration den Vorgang, bei dem ein metallischer Leiter unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms seine Form verändert, was letztlich zum Bruch des Leiters führen kann. Da Kupfer bei diesem Verfahren die Leistung von Aluminium übertrifft, kann es bei gleich großem Draht höhere Ströme übertragen und ist daher das Leitermaterial der Wahl in der Halbleiterindustrie.
Mit der Entwicklung der Technologie wurde die Anwendung von Kupfermaterialien immer ausgereifter und ist zum Kern der heutigen Halbleiterindustrie geworden.
Weiterentwicklung der superkonformen galvanischen Abscheidungstechnologie
Als die Prozessorfrequenzen in den 2000er Jahren 3 GHz erreichten, wurde die kapazitive RC-Kopplung der Verbindungselemente zum wichtigsten geschwindigkeitsbegrenzenden Faktor. Bei der Auswahl des Kupfers müssen derzeit sowohl die Anforderungen an eine niedrige Impedanz als auch an eine niedrige Kapazität berücksichtigt werden. Der Kupfergalvanisierungsprozess basiert auf der aufgebrachten Saatschicht, gefolgt von einer superkonformen galvanischen Abscheidung zum Füllen der winzigen Kanäle. Die verschiedenen in diesem Prozess enthaltenen Additive optimieren auch die Füllung der Kanäle mit Kupfer entsprechend.
Super Konformität mit dem galvanischen Modell
Bei der galvanischen Abscheidung supraleitender Metalle gibt es im Wesentlichen zwei Modelle zur Erklärung des Mechanismus. Das erste ist das krümmungsverstärkte Adsorbentkonzentrationsmodell, das die Bedeutung von Beschleunigern im unteren Kanal betont; das zweite ist das S-Typ-Modell des negativen differentiellen Widerstands, das davon ausgeht, dass die Rolle von Inhibitoren bedeutender ist. Auch wenn ihre Argumente unterschiedlich sind, betonen beide die Schlüsselfaktoren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit.
Zukunftsaussichten
Da die Nachfrage nach Halbleitertechnologie weiter steigt, entwickeln sich auch die Anwendungen von Kupfer und verwandten Technologien weiter. Um die aktuellen Hindernisse zu überwinden, suchen Wissenschaftler derzeit nach neuen Materialien und effizienteren Fertigungstechnologien, um das herkömmliche Verfahren der Kupfer-Silizium-Verbindung zu ersetzen. Welchen Einfluss wird also die Forschung auf diesem Gebiet in Zukunft auf die Halbleiterindustrie haben?
