Infineon Technologies beweist: Weitere Miniaturisierung heutiger Chip-Verdrahtungstechnik bis zu Strukturbreiten von 40 nm möglich. Heutige Zuverlässigkeitsforderungen werden bis weit in die nächste Dekade hinein erfüllt

München, 31. Mai 2002 – Infineon Technologies hat in seinen Münchener Forschungslabors nachgewiesen, dass auch bei weiterer Miniaturisierung der bisher üblichen Chip-Verdrahtung die Forderungen an die elektrische Zuverlässigkeit erfüllt werden können. Den Infineon-Forschern gelang die elektrische Bewertung von Metall-Leitungen mit einer Breite von nur 40 nm. In den Mikroprozessorgenerationen, die voraussichtlich ab 2010 produziert werden sollen, kommen bereits Metall-Leitungen von nur 55 nm Breite zum Einsatz. Diese werden für die kürzesten Verbindungen zwischen benachbarten Transistoren verwendet.

Die maximalen Stromdichten, die in den bewerteten Kupferleiterbahnen erzielt wurden, lagen im Bereich von 80 bis 100 Millionen Ampere/cm². Sie überstiegen damit die Stromdichten der heutigen höchstentwickelten Technologien um den Faktor 2 bis 5. Zurückzuführen ist diese extrem hohe Stromtragfähigkeit in erster Linie auf die äußerst effiziente Wärmeableitung an das Intermetall-Dielektrikum, das die Metall-Leiter umgibt. Diese wirksame Wärmeableitung wurde durch das günstige Verhältnis von Oberfläche zu Querschnittsfläche bei diesen Leiterbahnen erreicht. Für ihre Untersuchungen wählten die Infineon-Forscher eine Profilhöhe, die größer ist als die Breite der Leiterbahnen.

„Mit der Auswertung der Versuchsergebnisse konnten wir den Beweis erbringen, dass die Herstellung hoch-zuverlässiger ultraschmaler Verbindungen kein unüberwindbares technisches Hindernis für den weiteren Verkleinerungsprozess von Chips darstellt,“ sagte Dr. Sönke Mehrgardt, im Vorstand der Infineon Technologies AG verantwortlich für Technologie. „Die heutige Verbindungstechnik kann damit prinzipiell auch für künftige Chipgenerationen angewandt werden, wie sie in der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) beschrieben sind, die derzeit bis zum Jahr 2016 reicht.“

Eine Grundvoraussetzung für sämtliche Chipmetallisierungskonzepte ist jedoch höchste Beständigkeit gegen Elektromigrations-Effekte. Hohe Stromdichten sind eine entscheidende Ursache für den Materialtransport in metallischen Leitern. Sie beeinträchtigen die Zuverlässigkeit und machen die Leiter anfällig für Ausfälle. Hohe Elektromigrations-Beständigkeit ist deshalb ein zentrales Kriterium bei der Bewertung der Qualität einer Chipverdrahtungs-Technik.

Eine gründliche Untersuchung der Elektromigrations-Beständigkeit ergab für Kupferleiterbahnen mit weniger als 70 nm Breite einen MTTF-Wert (Mean Time To Failure) von 80 bis 90 Jahren. Ein hervorragendes Resultat, das auf dem Niveau heutiger Produkte mit kritischen Strukturabmessungen von 180 nm liegt. Die Erfassung der Elektromigrations-Beständigkeit erfolgte unter Anwendung der strengen, standardisierten Evaluierungsmethoden, die auch für die Metallisierungskonzepte heutiger Produkte benutzt werden.

Belichtungsgeräte zur Herstellung der Chipgenerationen der Jahre 2010 bis 2013 sind gegenwärtig noch nicht verfügbar. Infineon löste dieses Problem mit der sogenannten Spacer-Technik, mit der die Maskenöffnungen der heutigen Lithografieverfahren zur Musterübertragung auf die Dielektrikum-Schicht verengt werden können. Damit lassen sich Strukturen mit lateralen Abmessungen produzieren, die weit unter denen liegen, die heutzutage selbst mit modernsten Lithografiesystemen herstellbar sind.

Produziert wurden die untersuchten Kupferleiterbahnen mit der Damascene-Technik. Hierbei handelt es sich um das modernste Verfahren, das die Halbleiterindustrie zur Fertigung hoch entwickelter Chip-Metallisierungen einsetzt. Bei dieser Technik werden in einer elektrisch isolierenden Schicht vorgefertigte Löcher und Gräben mit Metall gefüllt. Anschließend wird überschüssiges Metall in einem chemisch-mechanischen Poliervorgang entfernt. Zurück bleiben isolierte Metall-Leitungen in Form eines zuvor genau definierten „Musters“. In ähnlicher Weise stellten früher arabische Kunstschmiede die Verzierungen auf den bekannten Damaszener Schwertern her – daher auch der Name.

Die Herstellung der zur elektrischen Bewertung verwendeten eingebetteten Kupferleiterbahnen erfolgte im Reinraum von International Sematech in Austin (Texas/USA), einem Konsortium der weltweit führenden Halbleiterhersteller mit heute üblichen Halbleiterfertigungs-Anlagen und -Prozessen für Strukturabmessungen von 250 nm.

Über Infineon

Infineon Technologies AG, München, bietet Halbleiter- und Systemlösungen für Anwendungen in der drahtgebundenen und mobilen Kommunikation, für Sicherheitssysteme und Chipkarten, für die Automobil- und Industrieelektronik, sowie Speicherbauelemente. Infineon ist weltweit tätig und steuert seine Aktivitäten in den USA aus San Jose, Kalifornien, im asiatisch-pazifischen Raum aus Singapur und in Japan aus Tokio. Mit weltweit rund 33.800 Mitarbeitern erzielte Infineon im Geschäftsjahr 2001 (Ende September) einen Umsatz von 5,67 Milliarden Euro. Das DAX-Unternehmen ist in Frankfurt und New York (NYSE) unter dem Symbol „IFX“ notiert.