Vakuum ersetzt “Low-k“-Dielektrika

IBM hat den ersten Einsatz selbst organisierender Prozesse in der Halbleiterfertigung vermeldet. Doch wie funktioniert dieser Prozess wirklich und welche Vorteile bietet er?

Die Suche nach einem Dielektrikum mit niedrigster Dielektrizitätskonstante ist beendet. Den Forschern der IBM ist es gelungen, die Kupferleiterbahnen durch Leerräume voneinander zu trennen, in denen ein Zustand herrscht, der die geringstmögliche Dielektrizitätskonstante aufweist: Vakuum. Hierzu wurde, zum ersten Mal in der Halbleiterfertigung, ein selbstorganisierender Prozess eingesetzt.
 
Bei diesem Prozess wird bei der Waferbearbeitung nach Strukturierung einer Kupfer-Metallisierungsschicht und anschließender Passivierung durch ein Dielektrikum aus SiO2, SiOF, SiCOH oder porösem SiCOH eine dünne Polymerschicht aufgetragen. Danach wird der Wafer aufgeheizt und es bilden sich in der Schicht durch den besagten Prozess der Selbstorganisation in regelmäßigen Abständen Billionen kleinster Löcher mit einem Durchmesser von jeweils 20 nm, die durch die Polymerschicht hindurchgehen und sich wie ein Sieb über die Metallisierungsebene legt.

Dan Edelstein, IBM Fellow und Leiter des IBM-Forschungsteams, das den neuen Prozess entwickelt hat, beansprucht hier die Priorität: „Wir konnten als erste Gruppe nicht nur zeigen, wie sich selbstorganisierende Polymere in großen Mengen synthetisieren lassen, sondern wie sich ein darauf beruhender Prozess mit hoher Ausbeute in eine bestehenden Halbleiter-fertigung integrieren lässt.“

Der Herstellungsprozess wurde bereits in der IBM-Pilotfertigungsanlage in East Fishkill, N.Y., implementiert; aller Voraussicht nach werden alle IBM-Produktionsanlagen den neuen Herstellungsschritt bis 2009 übernehmen. Das „Vakuum“ zwischen den Leitungen wird dabei folgendermaßen realisiert:

Zunächst werden die Löcher der Polymerschicht genutzt, um das Dielektrikum zwischen den Leitungen der Metallisierungsschicht zu entfernen. Dies geschieht nach Angabe von IBM Fellow Dan Edelstein zunächst mit reaktivem Ionenätzen. Damit werden „nanoskopische“ Löcher mit dem Durchmesser der Löcher des Polymer-Siebes in das Material hineingeätzt, daran anschließend wird mit einer säurehaltigen Lösung das gesamte Material zwischen den Leiterbahnen ausgeätzt. Die unter den Leiterbahnen liegende Schicht besteht aus einem dünnen Isolator, der von dieser Säure nicht angegriffen wird, so dass der Ätzprozess an dieser Stelle gestoppt wird.

Schließlich wird auf die Polymerschicht eine Isolationsschicht abgeschieden und zwar durch einen plasmagestützten CVD-Prozess. Die Schicht wächst dabei naturgemäß an den Kanten der Löcher schneller als auf der Oberfläche, so dass diese rasch verschlossen werden. In den Kammern zwischen den Leiterbahnen bleiben lediglich die Moleküle aus dem Plasmaprozess zurück, es herrscht dort also ein Vakuum.

Der Vorteil der so erstellten Struktur besteht nun darin, dass das „Vakuum“ zwischen den metallischen Leiterbahnen die geringstmögliche relative Dielektrizitätskonstante aufweist, nämlich „1“. Dadurch verringern sich die Verluste, die insbesondere bei der Übertragung höchster Signalfrequenzen über die Leitungen auftreten. Auch die Reduktion der Ausbreitungsgeschwindigkeit, die mit steigender relativer Dielektrizitätskonstante sinkt, wird bei diesem Struktur auf ein Minimum reduziert.

Die Forscher berichten, dass die so hergestellten Chips 35 Prozent schneller laufen und 15 Prozent weniger Energie benötigen als die leistungsfähigsten Chips in herkömmlicher Technologie.

IBM Fellow Dan Edelstein sieht in der Entwicklung des neuen Technologie-schrittes einen bedeutenden Beitrag: „Die Chips können höher getaktet werden und benötigen weniger Energie. Die selbstorganisierenden Prozesse könnten in Zukunft dazu dienen, die Nanotechnologie für die Realisierung von Strukturen einzusetzen, die kleiner sind als die, die sich mit der Lithographie erzielen lassen.“