Münchner Forscher sind der Chip-Zeit um zehn Jahre voraus

Infineon verkleinert Kupferdrähte auf ein Tausendstel eines Haares

Infineon Technologies hat die Tür für noch leistungsfähigere Mikrochips aufgestoßen. Forschern des High-Tech-Unternehmens in München ist es gelungen, die Leiterbahnen zur Verbindung von Transistoren auf einem Chip auf bis zu 40 Nanometer (nm) zu verkleinern. Ein Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters. Infineons schmalste untersuchte Leiterbahnen mit 40 nm entsprechen in etwa dem tausendstel Durchmesser eines Haares. Damit hat Infineon den Beweis erbracht, dass auch bei anhaltender Miniaturisierung von Chip-Strukturen nach dem so genannten „Moore’schen Gesetz“ die elektrischen Anforderungen an die Transistor-Verdrahtungen mit heutigen Produktionsmethoden erfüllbar sind.

Gesetz der Chiptechnik: Mehr Transistoren, dünnere Leiterbahnen

Infineons Forschungsergebnisse in der Nanoprozesstechnik sind für die Halbleiter-Industrie ein wichtiger Meilenstein zur weiteren Erfüllung des Moore’schen Gesetzes. Diese These ­ 1965 vom Physiker und Mitbegründer der Intel Corporation Gordon E. Moore formuliert ­ sagt aus, dass sich Leistungsfähigkeit und die Anzahl der Transistoren auf einem Chip innerhalb von 18 Monaten jeweils verdoppeln. Aktuelle Gigahertz-CPUs (Central Processing Unit) der Pentium 4-Reihe mit einer Strukturbreite von 130 Nanometern tragen beispielsweise rund 100 Millionen Transistoren auf dem Prozessorplättchen. Damit das Gesetz von Moore ­ kontinuierlich fortgeschrieben im Entwicklungs-Fahrplan für Halbleiter (International Technology Roadmap für Semiconductors, ITRS) ­ auch künftig Bestand hat, sind ständig dünnere Leiterbahnen zwischen den einzelnen Transistoren notwendig.

Die erfolgreiche, elektrische Bewertung von Metall-Leitungen mit einer Breite von nur 40 Nanometern durch Infineon zeigt, dass sich bereits mit heutigen Mitteln Strukturgrößen zukünftiger Chip-Generationen herstellen lassen könnten, die laut ITRS erst im Jahr 2010 das Licht der Halbleiter-Welt erblicken sollen. Zur Bewertung mussten die Infineon-Forscher Neuland beschreiten, denn die Belichtungsgeräte in den modernsten Chip-Fabriken erlauben heute standardmäßig noch nicht die Erzeugung von Strukturgrößen unter 100 nm. Für kleinere Strukturen wie die 40-nm-Leiterbahnen aus Kupfer bedient sich Infineon der „Spacer“-Technik: Dabei werden zunächst aktuelle Lithografiegeräte für die Belichtungen zum Einsatz gebracht. Im Fertigungsprozess werden dann die erzeugten Grabenstrukturen in den Schichten auf den Silizium-Scheiben nachträglich durch chemische Prozesse verengt. So lassen sich mit Standard-Lithografiesystemen bereits heute Strukturen erzeugen, die in den Chip-Generationen von morgen auftreten werden ­ wenn auch in größerem Abstand voneinander.

Eine Frage der Stromdichte

Infineons Kupfer-Nanoleitungen mussten in den Labors strenge elektrische Anforderungen erfüllen. So wurden für die Bewertung und Beurteilung der Kupfer-Nanoleitungen dieselben Maßstäbe angelegt wie bei den heutigen Strukturgrößen. Neben der sehr wichtigen Wärmeableitung ist bei Chip-Verdrahtungen vor allem eine hohe Beständigkeit gegen Elektromigrations-Effekte wichtig. Hohe Stromdichten führen in metallischen Leitern dazu, dass die Atome (in diesem Fall Kupfer) im Leiter beweglich werden. Dieser Materialtransport im Leiter muss unter allen Umständen unterbunden werden, da er früher oder später unweigerlich zum Ausfall der Leiterbahn führt.

Die Infineon-Forscher „quälten“ die Kupfer-Nanoleitungen in ihren Versuchen mit hohen Stromdichten und Temperaturen. Mit standardisierten, international anerkannten Testmethoden hat Infineon eine Lebensdauer (unter normalen Betriebsbedingungen) von etwa 100 Jahren für diese Leiterbahnen ermittelt. Damit ist für Kupferleiterbahnen in den Chips, die in etwa 10 Jahren produziert werden, eine ähnliche Lebensdauer zu erwarten, wie in den heute gefertigten integrierten Schaltungen. In ihren Versuchen erzielten die Experten von Infineon in den 40-nm-Strukturen kurzzeitig Stromdichten von bis zu 100 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter. Zum Vergleich: In einem gewöhnlichen Netzkabel mit einem Querschnitt von 1,5 Quadratmillimetern (zugelassen für maximal 16 Ampere) würde bei gleicher Stromdichte ein Strom von über einer Million Ampere fließen.