Chips uit Damascus; IBM vervangt aluminium op chips door koper

IBM MICROELECTRONICS en Motorola zijn erin geslaagd de bedrading op chips uit te voeren in koper. In de huidige geïntegreerde circuits lopen de signalen van transistor naar transistor nog door aluminium sporen en contacten. Die sporen zijn intussen zo dun dat ze met duizend naast elkaar op deze l passen. Maar als het nog pietepeuteriger moet kunnen er allerlei rare, ongewenste effecten optreden.

Koper biedt een uitweg. Maar overstappen op dit metaal is eenvoudiger gezegd dan gedaan. Toevallig gaf Gordon Moore, voormalig voorzitter van de raad van bestuur van Intel, afgelopen juli een interview aan het blad Solid State Technology waarin hij op het onderwerp inging. “Koper is een onhandelbaar materiaal”, zei Moore. “Als je niet uitkijkt is de weerstand in de kopersporen juist hoger dan in aluminium.” Intels technologen blijken al jaren met het roodgele metaal te stoeien, maar voorlopig is 's werelds grootste chipfabrikant nog niet in staat de technologie toe te passen. Met terugwerkende kracht is dit compliment van Moore - een van de grondleggers van de chipindustrie - zo'n beetje het grootste dat IBM en Motorola zich kunnen wensen.

LAATSTE BENEN

Analisten verwachten dat de hele chipindustrie op den duur zal moeten overstappen op microkoperleidingen. Aluminium begint op zijn laatste benen te lopen. Dunnere sporen hebben niet alleen een grotere weerstand, maar ook hun gedrag is slecht voorspelbaar. De elektrische ladingen die door de contactdraden sjezen beginnen elkaar zo langzamerhand te beïnvloeden. Dat lijkt op het kijkers-effect bij een ongeluk op een snelweg. Er treedt filevorming op doordat tegenliggers plotseling grote belangstelling hebben voor wat er op de andere weghelft gebeurt - rubber-necking zeggen Britse verkeersagenten.

Naarmate op een chip alles kleiner en dichter op elkaar zit, kan ook het elektronenverkeer op nabijgelegen banen elkaar beter 'zien'. Dat zou allemaal niet zo'n probleem zijn als chip-ontwerpers de beschikking hadden over een goed verkeersgeleidingssysteem. Iets waarmee ze rekening kunnen houden met de nukken van elektronen. Een computerprogramma bijvoorbeeld dat bij het ontwerpen van chips risicovolle knooppunten uit de weg gaat. Helaas is het op dit punt triest gesteld met de electronic design automation-gereedschappen.

Koper biedt voorlopig een uitweg, omdat circuits van dat metaal zich bij verdere miniaturisatie op de oude vertrouwde manier voorspelbaar blijven gedragen. Chipfabrikanten kunnen dus met hun oude ontwerpsoftware vooruit. Bovendien heeft koper een lagere weerstand dan aluminium. Dat de signalen sneller door koper lopen is een mooie bijkomstigheid.

Het is een hele toer om chips met koperbedrading uit te voeren, want op drift geraakte koperatomem vergiftigen het silicium. In dit silicium liggen de transistoren en andere micro-elektronische onderdelen en die kunnen van slag raken door koperatomen uit de contactdraden. De stroomleidingen liggen weliswaar ingebed in een dikke isolerende deken van siliciumoxide bovenop het silicium, maar chips kunnen aardig heet worden waardoor afzonderlijke koperatomen aan de wandel kunnen gaan.

NEBUKADNEZAR

Tussen de transistoren en de koperleidingen legt men eerst wolfraam verbindingen, maar dat is niet voldoende. De IBM-onderzoekers, die eerder Big Blue produceerden, ontwikkelden een speciaal damasceer-proces - genoemd naar de manier waarop men in Damascus ten tijde van Nebukadnezar al zwaarden smeedde. Daarbij omhullen ze de koperen lijntjes in het fabricageproces met een metaal waarvan ze de formule geheim houden. Door deze inkapseling gaan de koperatomen niet aan de wandel.

Ook bij de productie van platte LCD-schermen is men intussen driftig op zoek naar manieren om koper te gebruiken. Naarmate de schermen groter worden en de bedrading langer, dreigen de signalen om de beeldpunten te schakelen niet op tijd aan te komen. Overstappen van het huidige molybdeen en wolfraam naar koper lijkt een uitweg, maar ook hier is damasceren nodig.

Koper zal echter slechts enkele jaren meer lucht geven. De grote uitdaging is de overstap naar een materiaal om de kopersporen beter van elkaar te isoleren. Momenteel gebruikt men daar siliciumoxide voor, maar de overstap naar materialen met betere diëlektrische constanten zoals kunststof lijkt onvermijdelijk. Deze isolatoren zullen hetzelfde effect hebben als een schutting tussen de weghelften van een snelweg: de elektronen kunnen elkaar niet zien waardoor er geen filevorming kan optreden.