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Damascene vs. subtraktive Leiterbahnen im Vergleich

Bei durch Ätzen strukturierten Leiterbahnen (subtraktives Verfahren) wird ganzflächig eine Metallschicht abgeschieden, mit einer Lackmaske werden die überflüssigen Teile trocken weggeätzt, und die Zwischenräume der verbleibenden Leiterbahnen werden mit Isolator gefüllt. Dieses Verfahren wurde lange für Aluminium-Leiterbahnen eingesetzt. Beim Damascene-Verfahren ist die Reihenfolge umgekehrt: Zuerst werden Gräben in den Isolator geätzt, dann wird Metall eingefüllt und überschüssiges Metall per CMP abgetragen. Da Kupfer kaum flüchtige Verbindungen bildet und sich schwer trocken ätzen lässt, wurde das Damascene-Verfahren zum Standard für Kupfer-Leiterbahnen. Für die feinsten Leiterbahnen wird auch das Strukturieren von Ruthenium u. Ä. durch Ätzen untersucht.

MerkmalDamascene-VerfahrenDurch Ätzen strukturierte Leiterbahnen (subtraktives Verfahren)
ProzessreihenfolgeIsolator abscheiden → Gräben und Via-Löcher ätzen → Barrieremetall und Seed-Schicht → Kupfer galvanisch abscheiden → Überschuss per CMP entfernenMetallschicht abscheiden → Lithografie → Metall trocken ätzen → Zwischenräume mit Isolator füllen und planarisieren
Was geätzt wirdIsolatorMetallschicht
Wichtigstes MetallKupfer (Cu)Aluminium (Al-Cu-Legierung). Für die feinsten Leiterbahnen wird auch Ruthenium u. Ä. untersucht
Füllen mit MetallGräben werden galvanisch gefüllt. Bei schmalen Gräben ist das hohlraumfreie (voidfreie) Füllen eine HerausforderungEs genügt, per Sputtern o. Ä. eine ebene Schicht abzuscheiden
Füllen mit IsolatorDer Isolator wird vorab eben abgeschieden und ist daher kaum problematischEnge Zwischenräume zwischen Leiterbahnen müssen lückenlos mit Isolator gefüllt werden (bisher z. B. mit HDP-CVD)
CMPUnverzichtbar. Kupfer und Barrieremetall außerhalb der Gräben werden abgetragen und die Leiterbahnen voneinander getrenntNicht für die Metallstrukturierung. Wird zur Planarisierung des Isolators verwendet
BarriereschichtGegen Kupferdiffusion werden Boden und Seitenwände der Gräben mit TaN/Ta o. Ä. beschichtet. Bei schmalen Leiterbahnen wächst ihr Anteil am QuerschnittBei Aluminium ist Diffusion kaum ein Problem; ober- und unterhalb werden Schichten wie Ti/TiN aufgebracht
Via-HerstellungBeim Dual-Damascene-Verfahren werden Leiterbahngräben und Vias gemeinsam gefüllt und mit einem CMP-Schritt fertiggestelltVias werden in einem eigenen Schritt geöffnet, mit Wolfram o. Ä. gefüllt und per CMP planarisiert, bevor die nächste Leiterbahnebene entsteht
Herausforderungen bei feinen LeiterbahnenMit abnehmender Breite steigt der spezifische Widerstand von Kupfer (Größeneffekt), und der Anteil der Barriereschicht nimmt zuPräzision beim Ätzen feiner Metalllinien und das Füllen der Zwischenräume mit Isolator

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Damascene-Verfahren
Für Kupfer-Leiterbahnen: Mehrlagenverdrahtung in modernsten LSIs, die niederohmige und elektromigrationsfeste Leiterbahnen benötigen.
Durch Ätzen strukturierte Leiterbahnen
Für Aluminium-Leiterbahnen: Produkte mit wenigen Verdrahtungsebenen oder relativ breite Leiterbahnen. Für die feinsten Leiterbahnen wird es als Verfahren mit Ruthenium u. Ä. untersucht.
Trend
Moderne LSIs fertigen den Großteil der Verdrahtung im Kupfer-Dual-Damascene-Verfahren. Für die feinsten Ebenen wird das Ätzen von Metallen neu bewertet, deren Widerstand weniger stark ansteigt und die dünnere Barriereschichten erlauben.

Häufige Fragen

Warum lässt sich Kupfer schwer trocken ätzen?

Die Kupferverbindungen, die bei der Reaktion mit Ätzgasen wie Chlor entstehen, sind kaum flüchtig und bleiben bei Temperaturen um Raumtemperatur auf der Oberfläche zurück. Bei hoher Temperatur ließen sie sich verflüchtigen, doch der Fotolack u. a. hält dem nicht stand, sodass eine praxistaugliche Strukturierung schwierig wird. Deshalb wird Kupfer in Gräben eingefüllt und per CMP in Form gebracht.

Was ist das Dual-Damascene-Verfahren?

Ein Verfahren, bei dem im Isolator sowohl Leiterbahngräben als auch Via-Löcher zur darunterliegenden Ebene angelegt, in einem einzigen Galvanikschritt gemeinsam mit Kupfer gefüllt und mit einem einzigen CMP-Schritt fertiggestellt werden. Gegenüber dem Single-Damascene-Verfahren, bei dem Gräben und Vias getrennt hergestellt werden, spart es Prozessschritte.

Woher stammt der Name Damascene?

Er stammt von der dekorativen Einlegetechnik (Tauschierung), bei der Rillen in eine Metalloberfläche graviert und mit einem anderen Metall ausgelegt werden. Der Name wurde gewählt, weil das Einfüllen von Metall in Gräben eines Isolators dieser Technik ähnelt.

Kehrt man künftig zu geätzten Leiterbahnen zurück?

Nicht vollständig. Ebenen mit breiten Leiterbahnen werden weiterhin im Kupfer-Damascene-Verfahren gefertigt. Bei Ebenen mit sehr kleiner Linienbreite werden der steigende spezifische Widerstand von Kupfer und die Dicke der Barriereschicht zum Problem, daher wird das Strukturieren von Metallen wie Ruthenium durch Ätzen untersucht.

Verständnis prüfen

Welche Aussage zum Damascene-Verfahren, das üblicherweise zur Bildung von Cu-Leitungen dient, ist richtig?

  1. ADie Cu-Schicht wird direkt durch Trockenätzen strukturiert
  2. BIn der Isolierschicht werden Gräben gebildet, mit Cu gefüllt und überschüssiges Cu per CMP entfernt
  3. CCu wird thermisch oxidiert, um die Leitungsform zu erzeugen
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Antwort: B. In der Isolierschicht werden Gräben gebildet, mit Cu gefüllt und überschüssiges Cu per CMP entfernt

Beim Damascene-Verfahren werden zuerst Gräben in Leitungsform in die Isolierschicht geätzt, Barriereschicht und Cu-Seed-Schicht per Sputtern abgeschieden und anschließend Cu per Galvanik eingefüllt. Zum Schluss werden überschüssiges Cu und Barriere an der Oberfläche per CMP abgetragen, sodass die Leitung nur im Graben verbleibt. Der Name stammt von der altertümlichen Damaszener Einlegearbeit, bei der in Gräben im Metall Gold oder Silber eingelegt wird. Das gleichzeitige Füllen von Graben und Via heißt Dual-Damascene-Verfahren.

Wie heißt das Verfahren, bei dem Leitungsgraben und Via gleichzeitig mit Cu gefüllt und mit einem einzigen CMP fertiggestellt werden?

  1. ASingle-Damascene-Verfahren
  2. BEtch-Back-Verfahren
  3. CDual-Damascene-Verfahren
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Antwort: C. Dual-Damascene-Verfahren

Beim Dual-Damascene-Verfahren werden in der Isolierschicht sowohl Via-Loch als auch Leitungsgraben per Lithografie und Ätzen gebildet, dann gemeinsam mit Barriereschicht, Seed-Schicht und Cu-Galvanik gefüllt und mit einem einzigen CMP fertiggestellt. Gegenüber dem Single-Damascene-Verfahren, bei dem Via und Leitung getrennt gefertigt werden, entfallen je ein Abscheide-, Galvanik- und CMP-Schritt, und da zwischen Via und Leitung keine Barrieregrenzfläche entsteht, ist es auch bei Widerstand und Zuverlässigkeit vorteilhaft. Je nachdem, ob zuerst Loch oder Graben geöffnet wird, gibt es Varianten.

Was ist der Hauptgrund dafür, dass das Leitungsmaterial fortschrittlicher LSIs von Aluminium (Al) durch Kupfer (Cu) ersetzt wurde?

  1. ADer spezifische Widerstand ist niedrig, und auch die Beständigkeit gegen Elektromigration ist hoch
  2. BEs lässt sich durch Trockenätzen leicht bearbeiten
  3. CDie Haftung an Oxidschichten ist sehr gut, sodass keine Barriereschicht nötig ist
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Antwort: A. Der spezifische Widerstand ist niedrig, und auch die Beständigkeit gegen Elektromigration ist hoch

Cu hat mit etwa 1.7 µΩ·cm einen spezifischen Widerstand von rund 60 % von Al (etwa 2.7 µΩ·cm), wodurch Leitungsverzögerung und Leistung sinken, und wegen des hohen Schmelzpunkts bewegen sich die Atome schwer, sodass auch die Beständigkeit gegen Elektromigration um mehr als eine Größenordnung höher ist. IBM kündigte 1997 die Serienfertigung an, und seit der 0.13-µm-Generation ist Cu Mainstream. Cu bildet jedoch kaum flüchtige Verbindungen und ist schwer trockenzuätzen, und es diffundiert leicht in Isolierschichten; daher wird es im Damascene-Verfahren gebildet und von Barriereschichten wie Ta oder TaN umgeben eingesetzt.

  1. Was ist der Hauptzweck einer Barrieremetallschicht aus Ta oder TaN bei Cu-Leitungen?
  2. Welcher Vorteil von Metallen wie Ruthenium (Ru), die als Material für feine Leitungen anstelle von Cu erwogen werden, ist richtig?
  3. Warum wird das Polieren bei Cu-Verdrahtung im CMP üblicherweise in mehrere Schritte unterteilt?

Übungsfragen zu Verdrahtungsprozess

Wichtige Begriffe erklärt

Damascene-Verfahren
Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnen: Gräben werden in die Isolierschicht geätzt, mit Metall gefüllt und überschüssiges Metall durch CMP entfernt. Es wird für Cu-Leiterbahnen eingesetzt.
Dual-Damascene-Verfahren
Verfahren, bei dem Leitungsgräben und Via-Löcher in der Isolierschicht angelegt, beide gleichzeitig mit Cu gefüllt und in einem CMP-Schritt fertiggestellt werden. Reduziert die Zahl der Prozessschritte.
CMP (chemisch-mechanisches Polieren)
Chemisch-mechanisches Polieren. Die chemische Wirkung der Slurry und das mechanische Polieren durch das Pad werden kombiniert, um die Waferoberfläche zu planarisieren.
Barrieremetall
Dünner Metallfilm um Kupferleitungen, der die Diffusion von Kupfer in die Isolierschicht oder das Silizium verhindert. Z. B. Ta oder TaN.
Elektromigration
Phänomen, bei dem Metallatome der Leiterbahn durch den Stromfluss wandern. Es entstehen Voids und Hillocks, die zu Unterbrechungen oder Kurzschlüssen führen.

Verwandte Vergleiche