Kupfertechnologie

Ab einer Strukturgröße von weniger als 250 nm erfüllt Aluminium auch mit Kupferanteilen kaum noch die benötigten Anforderungen zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen. So ist der elektrische Widerstand von Kupfer wesentlich geringer als in Aluminium, bei dem gut 50 % der zugeführten Leistung in Wärme umgewandelt werden. Auch die Stress- und Elektromigration sind in Aluminium wesentlich stärker ausgeprägt. Ein Umstieg auf Kupfer ist bei der stetigen Miniaturisierung somit unausweichlich.

Kupfer hat jedoch die negative Eigenschaft, dass es nahezu alles mit dem es in Kontakt kommt kontaminiert. So müssen die Bereiche und Anlagen in der Fertigung in denen mit Kupfer gearbeitet wird von den anderen strikt abgetrennt werden. Zudem korrodiert Kupfer sehr leicht und muss deshalb, wie auch Aluminium, mit einer Passivierungsschicht versiegelt werden. Während bei Aluminium eine Durchkontaktierung der Ebenen mit Wolfram geschieht, wird bei Kupfer das Metall selbst dazu verwendet (lediglich die erste Schicht beim Kontakt der dotierten Siliciumgebiete erfordert eine Trennung mit Wolfram). So entfallen nicht nur die negativen thermoelektrischen Effekte die an den Übergängen zwischen verschiedenen Metallschichten entstehen, sondern auch die zusätzlichen Arbeitsschritte zum Aufbringen mehrerer Schichten. Jedoch lässt sich Kupfer im Vergleich zu Aluminium nur schlecht in Trockenätzverfahren strukturieren.

Das "gewöhnliche", subtraktive Verfahren zur Strukturierung einer Schicht, wie es auch bei Aluminium angewandt wird, verläuft im Wesentlichen in folgenden Schritten:

  • zu strukturierende Schicht aufbringen
  • Fotolack aufbringen, belichten und entwickeln
  • Lackmaske in einem Ätzschritt in die darunterliegende Schicht übertragen
  • Lack entfernen
  • Passivierungsschicht aufbringen

Bei Kupfer bedient man sich eines additiven Verfahrens, dem so genannten Damascene-Prozess.

Damascene-Verfahren

Beim Damascene-Verfahren werden in bereits bestehende Zwischenschichten, die zur Isolierung bzw. Passivierung dienen, die Kontaktlöcher (VIA = Vertical Interconnect Access) der einzelnen Metallisierungsebenen geätzt, sowie die Gräben (Trenches), in denen später die Kupferleiterbahnen verlaufen sollen, strukturiert. In die Öffnungen kann dann mittels elektrochemischer Verfahren (Galvanotechnik) Kupfer abgeschieden werden. Ebenso sind auch CVD- oder PVD-Abscheidungen mit Reflowtechniken möglich. Anschließend wird das Kupfer in einem CMP-Prozess planarisiert, bis die Oberfläche eingeebnet ist.

Man unterscheidet zwischen Single- und Dual-Damascene-Prozessen und bei letzteren zwischen VFTL (VIA First Trench Last: VIA zuerst, Graben zuletzt) und TFVL (Trench First VIA Last: Trench zuerst, VIA zuletzt). Im Folgenden werden die zwei Dual-Damascene-Verfahren näher erläutert.

Trench First VIA Last: Auf dem Wafer (hier auf einer bereits bestehenden Kupferebene) werden verschiedene Materialien aufgebracht, die als Isolations-, Passivierungs- oder Schutzschicht dienen. Als Ätzstopp und zum Schutz vor Ätzgasen, kann Siliciumnitrid SiN zum Einsatz kommen. Als dielektrische Zwischenschicht (interlayer dieletric, ILD) kommen Materialien zum Einsatz, die einen geringen k-Wert haben, wie Siliciumdioxid SiO2. Darüber wird eine Lackmaske strukturiert.

1. Der Wafer wird mit Resist beschichtet, der in einem Lithografieprozess strukturiert wird.

TFVL Filmstack mit Lackmaske

2. In einem anisotropen Ätzprozess wird die Hartmaske (SiN) und die ILD-Schicht bis zum ersten Ätzstopp (ebenfalls SiN) geöffnet.

Trenchetch

Der Fotoresist wird entfernt, und der Graben für die Leiterbahnen ist fertig strukturiert.

Die Hartmaske an der Oberfläche wird benötigt, um die ILD-Schicht während des Lackentfernens vor dem Plasma zu schützen. Dies ist notwendig, da das ILD chemisch ähnlich aufgebaut ist wie der Fotolack, und so durch die gleichen Prozessgase angegriffen werden kann. Zusätzlich dient die Hartmaske als CMP-Stopp beim abschließenden Einebnen des Kupfers.

3. Als nächstes wird erneut Lack aufgebracht und strukturiert.

VIA entwickeln

4. Anschließend werden in einem anisotropen Ätzprozess die Kontaktlöcher (VIA) strukturiert.

VIA-Etch und Resiststrip

In einem niederenergetischen Ätzprozess wird dann die Ätzstoppschicht geöffnet, um kein darunterliegendes Kupfer herauszuschlagen, welches sonst in die ILD-Schicht eindiffundieren kann. Danach wird der Fotolack entfernt und eine dünne Barriereschicht aus Tantal abgeschieden die verhindert, dass das anschließend aufgebrachte Kupfer in das ILD eindringt.

5. Eine dünne Kupferkeimschicht wird abgeschieden und die Strukturen in einem galvanischen Verfahren mit Kupfer aufgefüllt.

Kupferabscheidung

6. Das Kupfer wird abschließend durch chemisch mechanisches Polieren planarisiert.

Filmstack nach CMP

Der größte Nachteil beim TFVL-Verfahren ist die dicke Lackschicht die nach dem Ätzen der Gräben aufgebracht werden muss (3.). Die winzigen Kontaktlöcher können in einer so dicken Lackschicht nur sehr schwer hergestellt werden. Das TFVL-Verfahren wird daher nur für die obersten Metallisierungsebenen verwendet, bei denen die Abmessungen der Strukturen nicht so kritisch sind, wie in den untersten Lagen.

VIA First Trench Last: Der VFTL-Prozess ähnelt dem TFVL-Prozess mit dem Unterschied, dass zuerst die Kontaktlöcher und danach die Gräben strukturiert werden.

1. Zunächst wird eine Lackmaske für die VIAs strukturiert und die Kontaktlöcher in einem anisotropen Ätzschritt bis zum untersten Ätzstopp geöffnet. Wichtig ist, dass der Ätzstopp nicht durchgeätzt wird, damit das darunter befindliche Kupfer nicht herausgeschlagen wird und in das ILD eindiffundiert.

VTFL Filmstack nach VIA-Etch

2. Anschließend wird der Fotolack entfernt, und für die Gräben eine neue Lackmaske strukturiert; hierbei werden auch die bereits geöffneten VIAs mit Lack gefüllt.

Entwickelte Trenchlackmaske

3. Der unterste Ätzstopp wird durch den aufgebrachten Lack im VIA bei der anschließenden Grabenätzung vor den Ätzgasen geschützt wird.

Filmstack nach Trenchetch

Danach wird analog zum TFVL-Prozess der unterste Ätzstopp geöffnet, eine Tantalbarriere und die Kupferkeimschicht aufgebracht.

4. Als letztes folgt die Kupferabscheidung und die Planarisierung mittels CMP.

Beim Single-Damascene-Verfahren werden die Ebenen für VIAs und Gräben einzeln abgeschieden und strukturiert. Dadurch sind zwei Kupferprozesse (jeweils mit Abscheidung, Strukturierung und Planarisierung) notwendig.

Low-k-Technologie

Durch die stetige Verkleinerung von Strukturen auf Mikrochips, um einerseits die Leistungsaufnahme zu verringern und andererseits maximale Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen, rücken die Leiterbahnen zur Verdrahtung der einzelnen Bauelemente sowohl in vertikaler als auch lateraler Richtung immer näher zusammen. Um die Leiterbahnen von einander zu isolieren, müssen Schichten wie bspw. Siliciumdioxid SiO2 als ILD aufgebracht werden.

Dort, wo Leiterbahnen parallel verlaufen oder sich auf übereinanderliegenden Metallisierungsebenen kreuzen, entstehen parasitäre Kapazitäten (Kondensatoren). Die Leiterbahnen bilden die leitenden Elektroden, das dazwischen liegende SiO2 das Dielektrikum.

Klassischer Plattenkondensator und Kreuzungspunkt zweier Leiterbahnen

Kondensator             Leiterbahnkreuzung

Die Kapazität C eines Kondensators berechnet sich nach:

Kapazität

Dabei steht d für den Abstand und A für die Fläche der Elektroden, also der sich überschneidenden Leiterbahnen. ε0 beschreibt die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums und εr (im Englischen häufig κ (Kappa) bzw. vereinfacht k) die Dielektrizitätszahl des Isolators (hier SiO2).

Die Größe der parasitären Kapazität beeinflusst nun die elektrischen Eigenschaften wie die maximale Schaltgeschwindigkeit oder den Stromverbrauch des Chips, weshalb versucht wird C möglichst klein zu halten. Dies ist theoretisch möglich durch eine Verringerung von ε0, εr und A oder durch eine Erhöhung von d. Da d wie zu Beginn erläutert immer kleiner wird, A durch die elektrischen Anforderungen vorgegeben und ε0 eine physikalische Konstante ist, ergibt sich, dass die Kapazität eines Kondensators im Wesentlichen nur durch eine Verringerung von εr gesenkt werden kann.

Man benötigt also Dielektrika mit niedrigem εr: low-k.

Das klassische Dielektrikum, SiO2, hat eine Dielektrizitätszahl von ca. 4. Low-k beschreibt nun Materialien mit einem Wert εr < 4, darüber hinaus werden Ultra-low-k-Materialien (ULK) zum Einsatz kommen, die ein εr < 2,4 haben. Die Dielektrizitätszahl gibt die Polarisation (Verschiebung von Ladungen innerhalb eines Isolators) im Dielektrikum an, und ist der Faktor, um den die Ladung einer Kapazität im Vergleich zu leerem Raum ansteigt oder um den das elektrische Feld im Kondensator abgeschwächt wird.

Um die Dielektrizitätszahl zu verringern, gibt es im Grunde zwei Ansätze:

  • die Polarisierbarkeit von Bindungen im Dielektrikum verringern
  • die Anzahl an Bindungen reduzieren

Die Polarisierbarkeit kann durch Stoffe mit wenig polaren Gruppen gesenkt werden, möglich sind fluorierte (FSG, εr ca. 3,6) oder organische (OSG) Siliciumoxide. Dies allein ist bei den immer kleiner werdenden Strukturgrößen jedoch nicht mehr ausreichend, weshalb der Trend zu porösen Schichten geht. Durch die Porosität befindet sich dann innerhalb des ILD "leerer Raum", der im Falle von Luft eine Dielektrizitätszahl von ca. 1 aufweist. Dadurch verringert sich εr für die gesamte Schicht. Die Poren können erzeugt werden, indem das ILD-Material mit Polymeren versetzt wird, die in einem Temperschritt aus der Schicht getrieben werden.

Jedoch ergeben sich einige Probleme die bewältigt werden müssen, um diese neuen Materialien in der Fertigung von Halbleitern einsetzen zu können.

Durch Poren im Material verringert sich dessen Dichte, was in geringerer mechanischer Stabilität resultiert. Im Falle von SiO2 müssten ca. 50 % Poren im Material eingebracht werden, um einen k-Wert von 2,0 zu erreichen. Geht man von einem organischen Material aus, dessen k-Wert ohne Poren 2,5 beträgt, so genügt eine Porosität von ca. 22 %.

k-Wert in Abhängig von der Porosität

Ebenso können Prozessgase oder Kupfer aus den Leiterbahnen leichter in die poröse Schicht eindringen und diese schädigen, wodurch die Dielektrizitätszahl wieder ansteigt. Um dem entgegenzuwirken müssen die Poren möglichst gleichmäßig verteilt sein und dürfen nicht miteinander verbunden sein. Um eine Diffusion von Kupfer in das ILD zu verhindern, muss in einem zusätzlichen Prozessschritt eine dünne Diffusionsbarriere aufgebracht werden, jedoch muss darauf geachtet werden, dass dieses Material die Dielektrizitätszahl nicht erhöht.

Ebenso wie der in der Halbleiterfertigung eingesetzte Fotolack, bestehen auch die organischen Siliciumoxide aus Kohlenwasserstoffgruppen (CH). Wird nun der Lack nach der Strukturierung des Dielektrikums in einem Sauerstoffplasma entfernt, greift das Plasma auch das Dielektrikum an. Auch hier müssen zusätzliche Schutzschichten (SiN im Abschnitt Damascene-Verfahren) aufgebracht werden die verhindern, dass die Isolationsschicht geschädigt wird.

Übersicht verschiedener organischer Siliciumoxide

Chemische Formel Strukturformel k-Wert
SiO2 Siliciumdioxid 4,0
SiO1,5CH3 SiO1,5CH3 3,0
SiO(CH3)2 SiO(CH3)2 2,7
SiO0,5(CH3)3 SiO0,5(CH3)3 2,55
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