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Verkabelung herstellen, die Computerchips nicht zum Stolpern bringt
Da die Chiphersteller integrierte Schaltkreise aggressiv verkleinern, um immer mehr Rechenleistung bereitzustellen, lag der Fokus hauptsächlich auf der Verbesserung der Transistoren. Die Leistung wurde jedoch auch durch die Kupferverkabelung eingeschränkt, die Informationen zwischen den Chips transportiert.
Heute, bei der Semicon West Konferenz in San Francisco, Hersteller von Halbleiterausrüstung Angewandte Materialien kündigte ein Tool an, von dem es sagt, dass es einen Teil dieses Problems löst, indem es Chipdrähte mit weniger Fehlern herstellt. Branchenbeobachter sagen, dass die neue Technologie kurzfristig teure Fertigungsprobleme abwenden kann.
Transistoren sind besser geworden, weil sie kleiner geworden sind, und Kupferdrähte sind schlechter geworden, sagt Robert Geer , Professor für Nanowissenschaften an der State University of New York in Albany. Wenn diese Drähte, auch Interconnects genannt, dünner werden, erhöht sich ihr elektrischer Widerstand. Die Drähte, die Signale um hochmoderne integrierte Schaltkreise herum übertragen, sind heute die führenden Quellen für Leistungsaufnahme, Wärmestau und Signalverzögerungen.
Da die Verbindungen geschrumpft sind, sind sie auch schwieriger zu bauen. Es ist dieses Fertigungsproblem, das die neuen Maschinen von Applied Materials zu lösen versprechen. Die leistungsstärksten Computerchips von heute sind vollgepackt mit Milliarden von 20-Nanometer-Transistoren. Auf den Transistoren sind Dutzende von Isolierschichten mit Kupferdrähten gestapelt. An ihrer kleinsten Stelle, wo die Drähte mit den Transistoren verbunden sind, sind diese Drähte ebenfalls etwa 20 Nanometer groß.
Diese Drähte werden Schicht für Schicht aufgebaut, indem Kupfer in zylindrische Löcher in der Isolierschicht abgeschieden wird. Wenn das Kupfer in die winzigen, aber tiefen Löcher wandert, die für die nächste Generation von Chips benötigt werden, bilden sich leicht kleine Blasen, ein katastrophaler Defekt.
Heutige Chips enthalten etwa 100 Kilometer Kupferkabel, daher ist das Fehlerpotenzial enorm. Und wenn einer dieser Drähte aufgrund eines Fehlers in einer Schicht nicht funktioniert – etwas, das erst nach Fertigstellung und Test des Chips erkannt werden kann – muss der Chip weggeworfen werden. Winzige Fehler haben einen hohen Preis: Fehler mit einer Rate von einem pro Milliarde führen zu einem 25-prozentigen Rückgang der Ausbeute, sagt Sree Kesapragada, globaler Produktmanager für die Metallabscheidungsprodukte von Applied Materials.
Das Unternehmen sagt, dass seine neue Kupferabscheidungsmaschine namens Endura Amber Kupferverbindungen kleiner als 10 Nanometer herstellen kann, ohne die Ausbeute zu beeinträchtigen. Wie bei früheren Maschinen verwendet es einen Prozess namens ionisierte physikalische Gasphasenabscheidung, um den Chip mit einer Kupferschicht zu beschichten. Neu ist, dass die Maschine dann den Chip aufheizt, sodass das Kupfer in das Loch fließt, was die Wahrscheinlichkeit von Defekten verringert. Die Abscheidungs- und Erhitzungsschritte in derselben Kammer durchzuführen ist nicht trivial und wurde von den Ingenieuren des Unternehmens ursprünglich für eine dumme Idee gehalten, sagt Kevin Moraes, der die Metallabscheidungsprodukte von Applied Materials verwaltet.
Diese verrückte Idee könnte Herstellern helfen, die vorhandene Chipherstellungsinfrastruktur für die nächste Chipgeneration zu nutzen. Aber das größere Problem wird es nicht lösen: Die Tatsache, dass kleinere Kupferdrähte große Leistungsprobleme verursachen. Jeder inkrementelle Fortschritt unterstreicht die Tatsache, dass Sie an diesen großen Lösungen arbeiten müssen, um mit den enormen Verbesserungen der Rechenleistung Schritt zu halten, an die wir gewöhnt sind, sagt Geer.
Die Lösung, die die Infrastruktur für die Chipherstellung am wenigsten stören würde, wäre, ein anderes Metall zu finden, das selbst bei sehr dünnen Drähten leitfähig bleibt und sich nicht so stark erhitzt wie Kupfer, sagt Jonathan Candelaria, Direktor für Verbindungswissenschaften Bei der Halbleiterforschungsgesellschaft . Forscher untersuchen verschiedene Legierungen, Wolfram oder die Möglichkeit der Rückkehr zu Aluminium, dem bis vor etwa 20 Jahren bevorzugten Verbindungsmaterial.
Lange Zeit setzten Forscher große Hoffnungen in neue Kohlenstoff-Nanomaterialien, darunter Graphen. Ein Teil des Problems bei Kupfer besteht darin, dass Elektronen Unvollkommenheiten im Material wegstreuen. Nanoröhren und Graphen hingegen sorgen für ein reibungsloses Segeln für Elektronen. Aber die Forscher lernen immer noch, mit diesen Materialien umzugehen. Geer versucht daher, neue Wege zu finden, konventionelle Metalle so zu strukturieren, dass sie ähnlich wie Nanoröhren und Graphen streuungsfrei leiten. Saroj Nayak , Physikprofessor am Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, arbeitet ebenfalls an Tricks, um Metallleiter besser zu machen. Er entwickelt neue Isoliermaterialien, die die Metallleitungen belasten, um die Leitfähigkeit zu verbessern.
Es ist jedoch nicht klar, welche dieser Lösungen, wenn überhaupt, funktionieren wird. Applied Materials wollte sich nicht dazu äußern, wofür es über Kupfer hinaus vorbereitet ist. Diese Unsicherheit ist laut Candelaria ein großes Problem, da es in der Regel sieben bis zehn Jahre dauert, ein neues Material in die Halbleiterfertigung zu integrieren. In der Zwischenzeit werden die Leistungsprobleme von Kupfer in fünf bis zehn Jahren unüberwindbar sein. Wir können diese rote Backsteinmauer des drohenden Untergangs vor uns sehen, sagt Candelaria.