Kupfer in der Halbleiterfertigung

Grenzen von Aluminium

Weltweit wurde in den Forschungslaboratorien der Halbleiter- und Equipment-Hersteller nach Möglichkeiten gesucht, Aluminium zu ersetzen. Bei den kleinen Strukturen der Microchips wird auf Grund des hohen spezifischen Widerstandes von Aluminium über die Hälfte der aufgenommenen Leistung in den Leitungen verheizt. Der Übergang zu immer kleineren Strukturen wirkt sich auch negativ auf die Geschwindigkeit aus. Durch den kleineren Querschnitt erhöht sich der Widerstand der Leitungen, die Signale laufen langsamer. Die Verzögerungen auf der Leitung übersteigen mittlerweile die Schaltzeiten der Transistoren.

Aluminium, seit über 30 Jahren für die Verdrahtung von Halbleiterbauelementen verwendet, erwies sich daher für die neuen Generationen von Hochleistungsprozessoren nicht mehr geeignet. Das deutlich leitfähigere Kupfer musste schon seit Jahren beigemengt werden (Al/Cu). Bei Strukturen kleiner 0,25 Mikrometer ist allerdings die Beimischung von Kupfer am Ende ihrer Möglichkeiten angelangt. Deshalb wir reines Kupfer schon bald Aluminium ersetzen.

Warum Kupfer?

Kupfer, mit dem chemischen Symbol Cu, steht im periodischen System der Elemente in der ersten Nebengruppe über Silber und Gold. Kupfer und Silber sind die beiden besten Leiter für Wärme und Elektrizität.

Eigenschaften von Leitern in der Halbleiterfertigung

Material

Leitfähigkeit (Mikro-Ohm/cm)

Vorteile

Nachteile

Tabelle1: Leitfähigkeit unterschiedlicher Materialien

Aluminium

2.8

Industrie-Standard für On-Chip-Verbindungen

Hoher Widerstand

Gold

2.4

Hohe Korrosionsfestigkeit

Kontamination des Halbleiters

Kupfer

1.7

Niedriger Widerstand, geringe Elektromigration

Kontamination des Halbleiters, geringe Halbleitererfahrung, Korrosion

Silber

1.6

Niedrigster Widerstand

Erhebliche Korrosionsprobleme

Kupfer hat, wie in Tabelle 1 ersichtlich, einen deutlich geringeren spezifischen Widerstand als Aluminium. Dies bedeutet letztendlich einen geringeren Spannungsabfall bei gleicher Stromstärke. Mehr Energie steht am Verbraucher zur Verfügung und wird nicht in Verlustwärme umgewandelt. Dies ist auch einer der Hauptgründe warum Stromleitungen aus Kupfer sind. Mit Kupfer kann daher der Querschnitt der Leitungen bei gleicher Stromstärke dünner als bei Aluminium ausfallen. Dies ist ein großer Vorteil bei der Chipfertigung, wo viele Leitungen auf engstem Raum untergebracht sind.