Unterabschnitte

• 1.4.1 Materialien
• 1.4.2 Entwurf

1.4 Strategien und Trends

Durch die erwähnten parasitären Effekte wird die Leistungsfähigkeit der Verbindungsstrukturen dramatisch eingeschränkt. Für eine Verbesserung dieser Situation gibt es nun drei Ansatzpunkte [23,24], nämlich

• die Verwendung neuer Materialien, wie Metalle mit höherer Leitfähigkeit und Isolatoren mit geringerer Dielektrizitätszahl,
• verbesserte Entwurfstrategien, sowie
• genaue Simulationen, die eine Schaltungsverifikation ermöglichen, bevor noch der erste Chip gefertigt wurde.

1.4.1 Materialien

Die Verwendung von Cu anstelle von Al bewirkt eine Reduktion des Widerstandes um etwa 40% [25]. Da Kupfer unbedingt mit einer Diffusionsbarriere umgeben sein muss, die im Allgemeinen eine sehr schlechte Leitfähigkeit besitzt, geht dieser Vorteil bei sehr dünnen Leitungen wieder verloren (Abb. 1.5). Auch der Widerstand von Vias wird durch die Barriere wesentlich erhöht.

Abbildung 1.5: Querschnitt durch eine Verbindungsleitung in Standard-Al (a) und Dual-Damascene-Cu Architektur (b)

Alternativ zu metallischen Barriereschichten können dielektrische Materialien verwendet werden, um die Cu-Diffusion zu unterdrücken. Leitungs- und Via-Widerstände können damit deutlich reduziert werden [26].

Um die kapazitive Last der Verbindungsleitungen zu verringern, sucht man Materialien mit niedriger Dielektrizitätszahl (low-k), die statt dem SiO$_2$ verwendet werden können [27,28]. Aber außer den erwähnten elektrischen Eigenschaften müssen diese Materialien auch mechanische und thermische Stabilität besitzen, ausreichend gute Wärmeleiter sein, genügend Adhäsion zu darüber- und darunterliegenden Schichten haben, sollen möglichst mit den gängigen Prozessmethoden verarbeitbar sein und sollten im Betrieb stabil und zuverlässig sein.

Neue Materialien liefern einen wesentlichen Beitrag, um die Leistungsfähigkeit der Verbindungsstrukturen zu erhöhen. Man nimmt aber an, dass hier maximal ein Faktor 6 in der Verbesserung der Verzögerungszeit erreicht werden kann, da man die Dielektrizitätszahl etwa um einen Faktor 3 und den spezifischen Widerstand der Leitungen maximal um einen Faktor 2 senken wird können^1.3.

1.4.2 Entwurf

Beim Entwurf der Verbindungsleitungen wurde bisher hauptsächlich auf minimale Chipfläche optimiert. Mit dem zunehmenden Einfluss der Verbindungsleitungen auf das Schaltungsverhalten muss nun zusätzlich auf folgende Einschränkungen Rücksicht genommen werden [29]:

• Die maximale Verzögerungszeit darf nicht überschritten werden [30].
• Das Übersprechen muss unter einem bestimmten Pegel bleiben [31].
• Die maximale Stromdichte darf nicht überschritten werden (Elektromigration).

Nach diesen Kriterien wird festgelegt, in welcher Ebene die Leitung angesiedelt wird, wie die Leitungsführung angelegt werden soll, wie breit die Leitung wird, welcher Mindestabstand zu anderen Leitungen eingehalten werden muss, bzw. ob diese Anforderungen überhaupt mit einer durchgehenden Leitung erfüllt werden können oder ob Repeater eingefügt werden müssen [32,33,34,35,36]. Die Leitungen müssen dabei in jedem Schritt des Entwurfsprozesses berücksichtigt werden, da beispielsweise die Länge einer Leitung direkt von der Platzierung der Bauelemente abhängt, oder die Größe eines Treibers über dessen Impedanz in die Verzögerungszeit eingeht.

Kapazitives Übersprechen zwischen benachbarten Leitungen in einer Ebene oder übereinander liegender Leitungen aus verschiedenen Ebenen lässt sich durch das Einführen von Masseflächen reduzieren. Da bei Leitungen mit hohem Dicke/Breite-Verhältnis (high aspect ratio) die Kopplungskapazität hauptsächlich durch die Seitenflächen bestimmt wird, ist es in solchen Fällen günstiger, anstelle von Masseflächen Schirmleitungen auf Massepotenzial zwischen den Signalleitungen zu platzieren (Abb. 1.6). Die Maßnahmen zur Abschirmung bewirken auch eine Verringerung der Induktivität, weil dadurch der Abstand zwischen Hin- und Rückweg des Stromes reduziert wird.

Abbildung 1.6: Durch Abschirmung (grau) kann das Übersprechen zwischen Signalleitungen (blau) verringert werden. Die Abschirmung kann entweder durch Masseflächen (a) oder Schirmleitungen (b) erfolgen.

Ein anderes Beispiel zur Reduktion von Übersprechen durch Entwurfsmaßnahmen ist das versetzte Einfügen von Invertern insbesondere bei Busleitungen. Bei langen Leitungen ist es ohnehin notwendig in gewissen Abständen Inverter (bzw. Repeater) einzufügen, um Dämpfung, Laufzeit und Übersprechen gering zu halten. Versetzt man die Inverterstufen jeder zweiten Leitung um den halben Abstand zwischen den Stufen, so erreicht man damit, dass einander sowohl kapazitive als auch induktive Kopplungen zwischen zwei benachbarten Leitungen kompensieren (siehe Abb. 1.7). Auch die Selbstinduktivität einer Leitung wird dadurch deutlich reduziert [15].

Abbildung 1.7: Durch das versetzte Einfügen von Invertern in Busleitungen wird sowohl kapazitives als auch induktives Übersprechen reduziert.

Fußnoten

... können^1.3

Es ist nicht damit zu rechnen, dass supraleitende Materialien in näherer Zukunft für den Bereich der Mikroelektronik zur Verfügung stehen werden.