IBM förvandlar koppar till guld

IBMs nya halvledarprocess CMOS 7S med ledare av koppar istället för aluminium ger inte bara snabbare kretsar. Den sänker också tillverkningskostnaderna.

- Vi kan spara in två processteg och förenkla tre, berättar Dan Edelstein, en av eldsjälarna bakom IBMs mycket uppmärksammade "kopparprocess".

Det var i september i fjol som IBM lanserade den nya processen där aluminiumet i förbindningsledarna mellan transistorerna ersatts med koppar, se Elektroniktidningen nr 14, 1997. Nyheten fick stort genomslag i media och lyfte också IBMs aktiekurs.

Då fokuserades mycket av intresset på möjligheten att öka kretsarnas prestanda men Dan Edelstein trycker hårt på kostnadsbesparingarna.

- Vi kan spara cirka 30 procent för varje förbindningslager och de utgör upp till 60 procent av tillverkningskostnaden för en logikkrets, säger Dan Edelstein, klädd i den för IBM så typiska mörka kostymen.

Sparar 20 procent

Exakt hur mycket billigare tillverkningen blir går inte säga, men hans indikationer tyder ändå på att

IBM kan spara 20 procent genom att gå över till koppar. Besparingen kommer sig av att de vertikala förbindningarna, viahålen, och ledarlagret ovanpå tillverkas i ett och samma processteg. Tekniken, dual-damascene, utvecklades ursprungligen för DRAM-tillverkning.

Processen tas i kommersiell drift i juni. Första produkten med kopparledare blir som tidigare aviserat en Power PC-processor men IBM kommer också att använda processen till Powerprocessorn, som sitter i företagets servrar och stordatorer liksom i asicfamiljen SA-27.

- Vi har klockat PowerPC-processorn i över 500 MHz, säger han stolt.

Jämfört med föregångaren som tillverkas i 6X-processen minskar chipsets yta med 12 - 20 procent, och tillverkningskostnaden sjunker med 10 - 12 procent. Ändå ökar prestanda med 77 procent. Av ökningen står de mindre transistorerna för 27 procent, bättre design för 17 procent och kopparn för 12 procent.

Konstruktionsarbetet förenklades dessutom eftersom de maximala fördröjningarna gick ned från 170 ps till 85 ps och klockförskjutningen minskade från 90 till 35 ps.

Konkurrenterna ligger efter

IBM är inte ensamma om en kopparprocess. Japanska Nec, taiwanesiska TSMC, Texas Instruments och Motorola har aviserat liknande planer men Dan Edelstein tror dock att de ligger efter tidsmässigt.

Utvecklingsarbetet har trots allt skett helt inom IBM under närmare 30 år och det finns åtminstone två välbevarade hemligheter: materialet som omger kopparledarna och sammansättningen på den polermassa som används för att slipa ytan plan mellan de olika lagren.

Att kopparledarna måste kapslas in beror på att kopparatomerna lätt diffunderar ner i underliggande lager och förorenar dessa, i princip orsakar en kortslutning.

- Många är rädda för koppar men jag kan försäkra att våra kopparchips håller samma höga kvalitet som kretsar med aluminiumledare.

Nästa steg för IBM blir att ersätta kiseldioxiden som omger kopparledarna med ett material med lägre dielektricitetskonstant. Dan Edelstein tror dock att det dröjer åtminstone två år:

- Det är inte mer bråttom än så.

Att vissa konkurrenter i första hand satsat på material med låg dielektricitetskonstant ser han inte som något problem.

- Det är betydligt svårare att gå från aluminium till koppar än att sänka dielektricitetskonstanten, hävdar han.

Även Motorola, som IBM samarbetar med om PowerPC, har aviserat en kopparprocess. Den är dock inte identisk med IBMs.

- Vi har gemensamma designregler i utvecklingscentrat i Sommerset, Texas. Sedan är det upp till Motorola att implementera designen i sin egen process.

Per Henricsson