Kupfer ohne Kurzschlüsse

Eine neue Methode für die Verdrahtung von Prozessoren soll bei Problemen, die durch die Miniaturisierung zunehmend auftreten, helfen.

Beim Versuch, integrierte Schaltkreise noch leistungsfähiger zu machen, setzten die Chiphersteller vor allem auf die Miniaturisierung der enthaltenen Transistoren. Doch Performance-Hürden ergeben sich mittlerweile zunehmend auch durch die notwendige Verdrahtung aus Kupfer, die die Signale zwischen den einzelnen Prozessorbestandteilen leiten.

Der Halbleiter-Ausrüster Applied Materials will das Problem nun mit einer neuartigen Technologie angehen, die Kupfer mit weniger Defekten erzeugen soll. Industriebeobachter glauben, dass das Verfahren helfen könnte, kostspielige Produktionsprobleme zu vermeiden, die die Industrie in den nächsten Jahren zunehmend plagen werden.

"Transistoren wurden mit der Verkleinerung immer besser, doch die Kupferbestandteile wurden immer schlechter", meint Robert Geer, Professor für Nanowissenschaften an der State University of New York in Albany. DIe Leitungen, die die Signale auf den Chips übertragen, seien mittlerweile die größte Quelle von Energieverschwendung, Wärmeentwicklung und Signallaufverzögerungen.

Je kleiner die Verbindungen sind, desto schwerer lassen sie sich herstellen. Neue Maschinen, die Applied Materials demnächst anbieten will, sollen dies ändern. Aktuell werden die schnellsten Computerchips mit Milliarden von 20-Nanometer-Transistoren bepackt. Über diesen Transistoren befinden sich zahlreiche Isolationsschichten, die mit Kupferdrähten durchzogen sind. An ihrem kleinsten Punkt – dort, wo die Drähte auf die Transistoren treffen – sind sie ebenfalls nur ungefähr 20 Nanometer breit.

Aufgebaut werden die Drähte Schicht für Schicht, in dem Kupfer in zylindrische Löcher in der Isolationsschicht aufgebracht wird. Dabei können sich kleine Bläschen bilden, die zu katastrophalen Defekten führen.

In aktuellen Chips stecken mittlerweile rund 100 Kilometer an Kupferdrähten. Das Fehlerpotenzial ist riesig. Wenn einer dieser Drähte nicht funktioniert, weil es zu einem Fehler in einer Schicht kam – was sich nur testen lässt, wenn der Chip auch fertig ist – landet das Produkt häufig im Ausschuss. Und die kleinen Fehler sind sehr teuer: Eine Fehlerrate von eins zu einer Milliarde sorge schon für ein Minus von 25 Prozent in der Gesamtausbeute, wie Sree Kesapragada, globaler Produktmanager bei Applied Materials für die Technik, sagt.

Die Firma hat deshalb eine neue Produktionsmaschine namens Endura Amber geschaffen, die Kupferverbindungen in einer Größe von unter 10 Nanometern herstellen kann, ohne dass die Gesamtausbeute fällt. Der verwendete Prozess basiert auf dem Standardprozess der physikalischen Gasphasenabscheidung. Neu dabei ist, dass die Maschine den Chip vorher aufheizt, so dass das Kupfer leichter in die passenden Löcher fließt, was die Defektwahrscheinlichkeit senkt. Aufbring- und Erwärmungsprozess erfolgen in der gleichen Kammer. Das war nicht trivial, weshalb die Ingenieure die Idee anfangs nicht für realisierbar hielten. Nun könnte die Technik den Chipherstellern dabei helfen, ihre bestehende Infrastruktur auch für Prozessoren der nächsten Generation einzusetzen.

Ein größeres Problem wird damit allerdings nicht gelöst – die Tatsache, dass dünnere Drähte weiterhin Performance-Probleme verursachen. "Jeder kleine Fortschritt macht uns deutlich, dass wir an großen Lösungen arbeiten müssen, damit wir weiterhin diese riesigen Leistungssprünge erzielen können, die wir gewohnt sind", sagt Experte Geer.

Ideal wäre, ein anderes Metall zu finden, das selbst in sehr dünnen Drähten noch leitfähig bleibt und sich nicht so stark erhitzt wie Kupfer, meint Jonathan Candelaria von der Semiconductor Research Corporation, der an solchen Verfahren forscht. Dabei würden aktuell verschiedene Legierungen, Wolfram oder vielleicht auch Aluminium erwogen – Letzteres wurde vor ungefähr 20 Jahren bevorzugt. Eine Weile lang erhoffte man sich auch viel von neuen Kohlenstoffnanomaterialien, darunter Graphen.

Ein Teil des Problems mit Kupfer liegt darin, dass es zu einer Elektronenstreuung an Stellen mit Unreinheiten kommen kann. Nanoröhrchen und Graphen sind da anders. Allerdings lernt die Forschung erst, mit diesen Materialien praktisch zu arbeiten. Geer forscht deshalb daran, konventionelles Metall ähnlich zu strukturieren. Sarok Nayak, Professor für Physik am Rensselaer Polytechnic Institute, testet ebenfalls neuartige Verfahren, um Metallleiter besser zu machen. Er entwickelt neue Isolationsmaterialien, die das Metall unter Stress setzen, um seine Leitfähigkeit zu steigern.

Es bleibt abzuwarten, welche dieser Lösungen sich durchsetzt. Applied Materials möchte nicht kommentieren, was für das Unternehmen nach Kupfer kommt. Diese Unsicherheit ist ein großes Problem, sagt Candelaria. Es dauere normalerweise sieben bis zehn Jahre, bis ein neues Material in die Halbleiterfertigung einfließt. In fünf bis zehn Jahren könnten die Probleme, die Kupfer verursacht, nicht mehr lösbar sein. "Wir sehen die rote Mauer schon auf uns zurasen." (bsc)