Kupfer als Material zur Verdrahtung von Transisor und Chipoberfläche

Die Verdrahtung zwischen der aktiven Transistorebene und der makroskopischen Verdrahtung auf der Chipoberseite ist sehr komplex und kann bis zu 11 Ebenen besitzen. Die Vorteile von Kupfer als Leitungsmaterial liegen in seinen sehr guten elektrischen und thermischen Eigenschaften. Dadurch ist es möglich, schnellere und effizientere Mikroprozessoren zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. Im Projekt KUWANO werden verschiedene Teilbereiche dieser Technik weiter erforscht und enwickelt.

In-situ Untersuchung von Barrierematerialien

Damit das leitende Kupfer nicht in das Silizium diffundieren kann, müssen die Leitungen, welche in das organisch vernetzte Siliziumdioxid, dem sogenannten SiCOH, geätzt wurden, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) mit einer Barriereschicht ausgekleidet werden. Als Materialsystem wurde eine TaN / Ta-Doppelschicht gewählt, welche auch für die Performance des gesamten Systems mit verantwortlich ist. Durch den eigenen Beitrag an der Leitfähigkeit, die Stabilität und durch die induzierte Texturierung im Kupfer sind dessen Anforderungen bezüglich seiner optimalen Struktur sehr hoch. Zur genauen Entschlüsselung des Wechselspiels der verschiedenen Materialien während der Abscheidung wurde an einer kommerziell eingesetzten Depositionsanlage für 300 mm-Wafer eine Kammer für winkelaufgelöste röntgeninduzierte photoelektronspektroskopische Untersuchungen (ARXPS) angebaut. Auf diese Weise ist es möglich, das sauerstoffempfindliche Tantal direkt nach der Abscheidung ohne Unterbrechung des Vakuums (in-situ) winkelaufgelöst zu untersuchen. Anhand dieser Technik konnte das Interface zwischen der Barriereschicht und dem Substrat charakterisiert und im Schichtstapel zugeordnet werden.

Elektrochemische Kupferabscheidung

Die elektrochemische Kupferabscheidung ist in der Mikroelektronik ein bewährtes Verfahren, um Leiterbahnstrukturen mit Kupfer zu füllen. Durch die Zugabe organischer Elektrolytzusätze wird ein sogenanntes „Superfüllen" erreicht. Damit bezeichnet man das von unten nach oben gerichtete Auffüllen von Strukturen mit Kupfer ohne Hohlräume zu verursachen. Gleichzeitig sorgen organische Elektrolytzusätze für ein polykristallines, nahezu defektfreies Kupferwachstum. Technologisch ist die Kupferabscheidung ein stabiler und reproduzierbarer Prozess. Allerdings sind das Wirkprinzip der Elektrolytzusätze und die daraus resultierende Kinetik des Kupferfüllprozesses bisher noch weitgehend unverstanden. Für die Weiterentwicklung der elektrochemischen Kupferabscheidung für nachfolgende Technologien werden im Fraunhofer CNT die Elektrolytvorgänge elektrisch und chemisch charakterisiert. Dabei steht die Analyse von Stofftransport- und Adsorptionsvorgängen mittels Polarisations- und Impedanzmessungen im Vordergrund. Zusammen mit der experimentellen Kupferabscheidung können damit genauere Modellvorstellungen für den Füllprozess entwickelt werden.