1.4 Materialanforderungen für die Zukunft

Der Prozess der Miniaturisierung erhöht die Chipgröße und die Anzahl der Verdrahtungsschichten1.3, was natürlich auch eine Herausforderung an die Fabrikationswerkzeuge darstellt und eng mit der verwendeten Prozesstechnologie verbunden ist [14,15,16,17].

Abbildung 1.4: Fortschritte der Verdrahtungtechnologie
\begin{figure}{\resizebox{0.65\textwidth}{!}{\includegraphics[{clip,angle=0}]{progress}}}\end{figure}

Abbildung 1.4 veranschaulicht die Chronologie der verwendeten Leitermaterialien, und gibt Ausblick über erwartete Entwicklungen in der nahen Zukunft. In den Anfängen kamen nur Einzelschichten von Al universell zum Einsatz. Die Fertigung von mehrlagigen Schichten war bereits gekennzeichnet von einer hochentwickelten Polysiliziumtechnologie (Verbinden verschiedener Ebenen), die hohen Widerstandswerte von Polysilizium wurden toleriert, weil die Systemgeschwindigkeiten noch sehr gering waren.

Die 80-iger Jahre markierten den Fortschritt zu 2-3 Metallschichten, was durch plasmaunterstütztes CVD (s. Abschnitt 1.2) von dielektrischem Material zwischen den Metallschichten gekoppelt mit Planarisierung möglich war. CVD erlaubt Deposition bei geringerer Temperatur und ist deshalb kompatibel mit der Al-Verdrahtung. Die späten 80-iger und die frühen 90-iger Jahre waren geprägt durch drei Marksteine in der Prozesstechnologie: reaktives Sputtern von TiN, CVD Wolfram Durchkontaktierungen und chemisch-mechanisches Polieren (CMP). Die TiN Ummantelung von Al erhöhte die Elektromigrations- und Stressmigrationsfestigkeit entscheidend. CVD W Durchkontaktierungen ermöglichten weitere Reduktion der benötigten Fläche für Verbindungsleitungen. CMP stoppt die Fortpflanzung von Defekten der Topologie durch die verschiedenen Schichten, und hat den Einsatz von Cu erst ermöglicht. Cu hat neben dem Vorteil des geringeren Widerstands als Al-Legierungen auch höhere Elektromigrationsfestigkeit. Allerdings setzt die Integration von Cu den Einsatz von Metalldiffusionsbarrieren, wie z.B. Ta, TaN und dielektrische Barrieren (Si Nitride) voraus (s. Abb. 1.5). ``Anti-reflective coating'' (ARC) reduziert das Reflexionsvermögen auf ein Minimum und dient als Ätzstopper bei Metallätzschritten. Außerdem müssen die Barrieredicken in der Größenordnung 15-25 % der Dimensionen der Verbindungsstrukturen bleiben, um einen akzeptablen Vorteil der Cu Leitfähigkeit gegenüber den Alloy-Systemen zu haben. Weiterführende Studien sind notwendig, um die Zuverlässigkeit für Technologien unter 100 nm bezüglich metallurgischen Verbesserungen zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt dieser Untersuchung ist Elektronenstreuung an Korngrenzen und Leiterwänden [18].

Abbildung 1.5: Querschnitt einer Verbindungsleitung in Standard-Al (a) und Dual-Damascene-Cu Architektur (b)
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\begin{minipage}[b]{0.29\textwidth}\centerline{\hss\resizebox{\lin...
...]{cross-cu}}}
\vspace{5pt}\centerline{(b)\mbox{\hspace*{24mm}}}\end{minipage}}

Die Anforderungen an neue Dielektrika sind vielfältig, zumeist bereiten Eigenschaften, wie mechanische Festigkeit, Adhäsion, thermische Leitfähigkeit, chemische Stabilität, Feuchtigkeitsaufnahme, Probleme. Unzählige ``low-k'' Materialien mit einer Dielektrizitätszahl von 1 (Luft) bis 3.6 (fluorinierte Oxide, wie z.B. [19]) sind bereits erprobt worden. Xerogels sind poröse Silikate, deren Porengröße ihre Durchlässigkeit bestimmt, was in weiterer Folge sowohl die Dielektrizitätszahl als auch die mechanische Festigkeit festlegt. Somit kann über die Porengröße Zuverlässigkeit und Leistungsverhalten optimiert werden (Porengrößen von 6-10 nm ergeben Dielektrizitätszahlen von 1.8-2.2 ). Xerogels sind bereits erfolgreich in Al Metallisierungen und in Cu damascene Strukturen integriert worden. Eine weitere Gruppe stellen Polymere dar [20]. In näherer Zukunft wird der Einsatz von Aerogels an Bedeutung gewinnen, und nach 2010 wird Luft bzw. Vakuum als Dielektrikum prognostiziert [21].

Der Einsatz von Cu und ``low-k'' Dielektrika ermöglicht eine Verringerung der Verzögerungszeiten in etwa um den Faktor 4-6 [22]. Alternative Systeme, die auf optischer bzw. kabelloser Radiofrequenz (RF) Technologie basieren, werden zuerst für globale Anwendungen auf dem Chip, die relativ lange Distanzen zwischen großen funktionalen Logikblöcken überwinden, eingesetzt werden. Die Implementierung dieser Ansätze erfordert verbesserte Empfänger und Sender, die effizient Signale umwandeln (elektrisch/optisch, elektrisch/RF). Sowohl für optische als auch für RF Systeme gilt, dass die Bandbreiten von Sendern bzw. Empfängern begrenzend wirken, und nicht die Übertragungsmedien.



Fußnoten

... Verdrahtungsschichten1.3
ab 6 Schichten aufwärts

C. Harlander: Numerische Berechnung von Induktivitšten in dreidimensionalen Verdrahtungsstrukturen