Der Einsatz von Kupfer

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  • Der Einsatz von Kupfer

    Der Einsatz von Aluminium bietet einige Nachteile, die vor allem bei stark miniaturisierten Strukturen ins Gewicht fallen. Dazu zählen eine relativ geringe Leitfähigkeit und die Tatsache, dass nur bei dem leichten Aluminium das Phänomen der Elektromigration auftritt, so dass es für Leiterbahnen mit Abmessungen unter 0,25 m nicht anwendbar ist. Hierfür muss daher auf Kombinationen mit den teureren Materialien Gold, Silber oder Kupfer ausgewichen werden.

    An dieser Stelle wollen wir uns vertieft mit der Anwendung von Kupfer beschäftigen.

    Im Gegensatz zum Einsatz von Aluminium, das mit trockenchemischen Verfahren geätzt werden kann, ist bei Kupfer (ebenso wie bei Gold und Silber) ein aufwändigeres Verfahren zur Strukturierung erforderlich (siehe link Ätztechnik).

    Eine Möglichkeit besteht darin, eine flächendeckende Schicht des Metalls aufzutragen und diese mit einem Nasschemischen Ätzverfahren zu strukturieren.

    Alternativ dazu können vor der Abscheidung in einer zuvor aufgebrachten isolierenden Schicht Gräben strukturiert werden, die die Form der Leiterbahnen vorgeben sollen. Danach wird eine ganzflächige Metallbeschichtung aufgebracht, die daraufhin mechanisch soweit abgetragen wird (in einem Chemisch-mechanischen Polierverfahren; siehe link Chemisch mechanisches Polieren), bis nur noch die Leiterbahnen in den Gräben zurückbleiben. Vor der Metallisierung muss eine sehr dünne isolierende Schicht aufgetragen werden, die zwar das Eindringen des Kupfers in das Halbleitermaterial, nicht aber den späteren Stromfluss unterbindet. Vor dem eventuellen Aufbringen einer neuen Metalllage wird dann eine weitere Isolationsschicht aufgebracht. Dieses Verfahren nennt man „Dual Damascene Process“.

    Ebenso wie Aluminium weist auch Kupfer eine hohe Korrosionsanfälligkeit auf.

    Ein großes Problem bei dem Einsatz von Kupfer ist, dass es das Halbleitermaterial schnell verunreinigt und diese Materialen im Produktionsprozess daher nicht in Kontakt kommen dürfen. Da Kupfer außerdem in den Produktionsanlagen stark verunreinigend wirkt, müssen alle Schritte bei denen dieses Material zum Einsatz kommt, streng isoliert ablaufen.

    Bei Kupfer können in der Mehrlagenverdrahtung die einzelnen Ebenen direkt mit diesem Material kontaktiert werden, was eine Vereinfachung zu Aluminium darstellt, bei dem dafür eigens Wolfram eingesetzt werden muss. Dadurch verringert sich die Zahl der Prozessschritte und außerdem entstehen keine thermoelektrischen Effekte an den Grenzflächen zwischen verschiedenen Metallen.