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DE2001515B2 - Flächenhafte Leiterzüge auf einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Flächenhafte Leiterzüge auf einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE2001515B2
DE2001515B2 DE2001515A DE2001515A DE2001515B2 DE 2001515 B2 DE2001515 B2 DE 2001515B2 DE 2001515 A DE2001515 A DE 2001515A DE 2001515 A DE2001515 A DE 2001515A DE 2001515 B2 DE2001515 B2 DE 2001515B2
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copper
conductor tracks
flat conductor
temperature
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DE2001515A
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DE2001515A1 (de
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Irving Ames
Francois Max Ossining D'heurle
Richard Edward Horstmann
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International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
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Publication date
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Publication of DE2001515B2 publication Critical patent/DE2001515B2/de
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Description

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Die Erfindung betrifft flächenhafte, aus Aluminium bestehende Leiterzüge auf einer monolithen integrierten Halbleiterschaltung.
Die Zuverlässigkeit einer in monolithischer Technik hergestellten integrierten Schaltung hängt in entschei- ω dender Weise von der Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit der auf der Oberfläche des Monolithen aufgebrachten Metallisierung ab. Durch diese Metallisierung werden einmal die verschieden dotierten Diffusionsbereiche im Monolithen selbst kontaktiert, b5 zum anderen dient diese Metallisierung zur elektrischen Verbindung der im betreffenden Monolithen ausgebildeten einzelnen Halbleiterbauelemente.
Infolge der flächenmäßigen Kleinheit derartiger monolithischer Schaltungen müssen auch die flächenhaften Leiterzüge sehr schmal ausgelegt werden.
Bei derartigen sehr schmalen Rächenhaften Leiterzügen auf einem Monolithen stellt das sogenannte Elektromigrationsphänomen ein ganz besonderes Problem dar. Infolge eines Temperaturgefälles und insbesondere als Folge eines durch diese flächenhaften Leiterzüge fließenden Gleichstromes kann eine Abtragung des Leiterzugmaterials, also ein Massetransport, auftreten. So kommt es häufig vor, daß eine monolithische Schaltung nach dem Passieren des eigentlichen Abschlußtestes im Betrieb nach einiger Zeit ausfällt Als Ausfallursache werden immer wieder Leitungsunterbrechungen infolge des genannten Elektroniigrationsphänomens festgestellt Diese Fehlerursache tritt insbesondere bei mit Aluminium metallisierten monolithischen Schaltkreisen auf, und zwar schon bei Raumtemperatur, wenn nur entsprechende Stromdichtegradienten, bedingt durch unterschiedlich breite Leiterzüge usw., auftreten. Als besonders problematisch ist dieser Effekt anzusehen, weil es schon zu Ausfällen kommt bevor man die Leitungsunterbrechungen optisch erkennen kann, da sich diese Unterbrechungen an den Korngrenzen des Aluminiums bilden. Neben dem geschilderten Massetransport des Aluminiums kommt es darüber hinaus zu Anhäufung von Leerstellen im Alumrnius-ikristallit
Das eigentliche Elektromigrationsphänomen ist bereits seit einiger Zeit bekannt und in der Literatur ausführlich beschrieben, z. B. in Physics of Failure in Electronics, Bd. 5, Seiten 496 bis 505 (1967).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, geeignete Leiterzüge für einen Monolithen anzugeben, bei denen Fehler infolge des Elektromigrationsphänomens nicht oder nur weitgehend vermindert auftreten, d. h., es sollen Leiterzüge angegeben werden, die gegenüber den bisherigen eine erheblich erhöhte Lebensdauer und Funktionssicherheit aufweisen.
Die gemäß der Erfindung vorgeschlagenen flächenhaften Leiterzüge aus Aluminium sind dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium einen das Elektromigrationsphänomen vermindernden Anteil von Kupfer im Bereich zwischen 0,1 und 54% aufweist. Als besonders vorteilhaft ist bei Aluminiumleiterzügen ein Kupferzusatz im Bereich on 0,1 bis 10% anzusehen. Innerhalb dieses Bereiches wiederum hat sich als besonders vorteilhaft ein Kupferzusatz von ungefähr 5% erwiesen.
Aus der Veröffentlichung im IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 8, Nr. 11, April 1966, Seite 1684 ist es bekannt, zum Aufbau von Metallkontakten für Halbleiterschaltungen im jeweiligen Kontaktbereich nacheinander Aluminium und Kupfer aufzubringen. Durch eine anschließende Wärmebehandlung bildet sich an diesen Kontaktstellen eine gut haftende Kontaktschicht aus einer Aluminiumbronze. Die derart aufgebaute Kontaktstruktur ist mit üblichen aus mehreren Schichten zusammengesetzten Kontaktanordnungen verglichen.
Weiterhin ist es aus der US-PS 33 59 141 bekannt, dem Ausgangsmaterial für Aluminiumdrähte zur Verbesserung hauptsächlich der mechanischen Eigenschaften beim Ziehprozeß sehr geringe Mengen Kupfer im Bereich von 0,01 bis 0,05 Gewichtsprozenten beizumengen. Dabei handelt es sich — verglichen mit den von der Erfindung betroffenen flächenhaften Leiterzügen von extrem geringen Querabmessungen — um demgegenüber makroskopische Dimensionen aufweisende regel-
rechte Drähte. In beiden Uteralurstellen ist das Elektromigrationsphänomen nicht angesprochen bzw. tritt es aufgrund der Abmessungs- und Anwendungsverhäknisse gar nicht auf.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführurgsbeispiel der Erfindung weisen die Leiterzüge übe; ihren Querschnitt ein von einer Gleichverteilung abweichendes Kupfer-Konzentrationsprofil auf. Um eine gute und zuverlässige Haftung der Leiterzüge auf ihrer Unterlage, z. B. einem Monolithen aus Halbleitermaterial, zu erzielen, ist ein ic Richtung auf die Unterlage abnehmendes Kupfer-Konzentrationsprofil besonders vorteilhaft
Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren zur Herstellung derartiger Leiterzüge vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Kupfer und Aluminium gleichzeitig niedergeschlagen und anschließend einem Wärme- bzw. Temperprozeß bei einer Temperatur von 2500C bis 5600C unterworfen wird. Durch diesen anschließenden Wärme- bzw. Temperprozeß wird die Verteilung des Kupfers tin Aluminium entsprechend dem gewünschten Kupfer-Konzentrationsprofil erreicht Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung derartiger Leiterzüge besteht darin, daß das Kupfer und Aluminium schichtenweise nach Art einer »Sandwich«-Struktur niedergeschlagen und anschließend einem Wärme- bzw. Temperprozeß bei einer Temperatur von 2500C bis 5600C unterworfen wird. Um in der Nähe der Unterlage eine möglichst hohe Aluminiumkonzentration zu erzielen, sieht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schließlich vor, daß zu Beginn des Niederschlagsprozesses überwiegend Aluminium niedergeschlagen wird.
Der durch die Erfindung erzielbare Vorteil besteht darin, daß die Funktionssicherheit solcher monolithischer Schaltungen während ihres Betriebes beträchtlich erhöht wird. Wie bereits vorher erwähnt, treten diese Ausfälle meist erst nach dem eigentlichen Abschlußtest auf, so daß für den Hersteller später keine Möglichkeit des Aussonderns mehr besteht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Versuchsergebnissen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1A eine perspektivische Ansicht eines auf einem Montagesockel angeordneten und angeschlossenen Testleiterzuges,
Fig. IB eine vergrößerte Darstellung der Form des Testleiterzuges nach F i g. 1A,
Fig. IC einen sehr stark vergrößerten Ausschnitt eines Leiterzugteils, an dem qualitativ das Elektromigrationsphänomen verdeutlicht werden soll,
F i g. 2 und die entsprechenden Teilfiguren 2A-1, 2B-1, 2A-2 und 2B-2 die Draufsicht sowie den entsprechenden Querschnitt auf bzw. durch Teile einer monolithischen Halbleiterschaltung mit darauf aufgebrachter Metallisierung,
F i g. 3 bis 7 Meßdiagramme, in denen die prozentuale Fehlerhäufigkeit in Abhängigkeit von der Betriebszeit dargestellt ist, wobei die verschiedensten Parameter variiert wurden und
F i g. 8 die Darstellung der Abhängigkeit der mittleren Lebensdauer Leiterzüge vom jeweiligen Kupferanteil im Aluminium.
In den Fig. IA und IB ist eine Dünnfilmmetallisierung 10 dargestellt, die auf der Oberfläche 12 einer Isolierschicht 14 eines Halbleitersubstrats 16 aufgebracht ist. Das Halbleitersubstrat 16 mit der Metallisierung 10 ist auf einem konventionellen Montagesockel 25 befestigt. Der eigentliche Leiterzug wird durch den eingeschnürten Metallisierungsbereich 11 gebildet, der sich an seinen beiden Enden 18 bzw. 22 zu flächenmäßig großen Anschlußbereichen 20 bzw. 24 erweitert Derartige Leiterzüge 11 sind in typischen Fällen 400 nm s bis 800 am dick, etwa 8 μΐη breit und etwa 250 μΐη lang. Die Obergänge des den Leiterzug darstellenden eingeschnürten Metallisierungsbereiches 11 zu den Anschlußbereichen 20 und 24 sind abgerundet was eine erste Maßnahme zur Berücksichtigung des oben
ίο beschriebenen Elektromigrationsphänomens darstellt Aus demselben Grund sind auch die Anschlußbereiche 20 und 24 flächenmäßig relativ groß und werden jeweils über mehrere Anschlußdrähte 26 bzw. an mehreren Stellen 27-1 und 27-2 kontaktiert Die Herstellung einer derartigen Struktur nach Fig. IB wird mittels bekannter Niederschlags- und Photolithographieprozesse vorgenommen.
In Fig. IC ist in stark vergrößerter und idealisierter Form ein Leiterzugausschnitt 30 dargestellt der eine durch das Elektromigrationsphänomen bewirkte Unterbrechung und damit einen Fehler aufweist An dem ganz aus Aluminium bestehenden Leiterzugstück 30 sind Massenabtragungen, z. B. 31, zu erkennen, denen auf der anderen Seite Massenanlagerungen, z. B. 32, entsprechen. Durch diesen Massentransport ist schließlich an den Korngrenzen des Aluminiumskristallits eine Unterbrechung 33 eingetreten.
In Fig.2 ist gezeigt, wie die Fig.2A-l, 2A-2, 2B-1 und 2B-2 zusammengehören. Die Fig.2A-1 und 2A-2
jo zeigen die Draufsicht und die Fig.2B-1 und 2B-2 den entsprechenden Querschnitt durch Teile einer monolithischen Halbleiterschaltung. Zur Verbindung der einzelnen Schaltelemente der monolithischen Schaltung ist eine Doppelmetallisierung vorgesehen; die von
r, außen zugänglichen elektrischen Anschlüsse werden von annähernd halbkugelförmigen Erhebungen aus einem Lötmaterial gebildet. Die Herstellung der monolithischen Schaltung geschieht mit Ausnahme der Bildung der Leiterzüge nach bekannten Prozeßschritten und soll im folgenden daher nur kurz angedeutet werden. Auf ein P-Substrat 100 mit darin selektiv eingebrachten N+-Subkollektorgebieten 102 wird eine N-Epitaxieschicht 101 aufgebracht. Einzelne Schaltungsteile werden durch P-lsolationsdiffusionen 103
4r> voneinander isoliert. In die Epitaxieschicht werden zur Bildung der Basiszonen 104 eines Transistors oder zur Herstellung von diffundierten Widerständen 109 weitere P-Diffusionen eingebracht. Als letztes wird eine N+-Diffusion vorgenommen, mittels derer die Emitter-
•m gebiete 111 oder Kollektor-Kontaktgebiete 105 ausgebildet werden. Nach den verschiedenen Diffusions-, Oxydations- und Photolithographieprozeßschritten befindet sich über dem Monolithen eine thermisch gewachsene SiC>2-Sehicht 106. Eine solche Isolations-
« schicht 106 kann jedoch auch teilweise oder ganz aus anderem Material, z. B. Siliziumnitrid, bestehen. Vor dem ersten Metallisierungsschritt werden in der Isolierschicht Kontaktlöcher geöffnet, so daß an diesen Stellen die anschließend aufgebrachte erste Metallisie-
bo rungsebene mit den Teilbereichen 114 bis 117 direkt mit dem Halbleitermaterial in Berührung kommt. In der Querschnittsdarstellung nach den Fig.2B-1 und 2B-2 sind von links nach rechts die Kontaktlöcher 107 und 108 für den diffundierten Widerstand, 110, 112 und 113
b5 für den Basis-, Emitter- und Kollektoranschluß des dort angeordneten Transistors zu erkennen.
Auf diese erste Metallisierungsebene wird anschließend eine erste Isolierschicht 118 niedergeschlagen, die
vorzugsweise aus S1O2 oder einem anderen Material, z. B. Siliziumnitrid, besteht. Eine zweite Metallisierungsschicht mit den Teilbereichen 120 und 121 ist über der Isolierschicht 118 angeordnet, so daß insgesamt zwei Metallisierungsebenen zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zur Verfugung stehen. Die in der zweiten Metallisierungsebene durch Photolithographie- und Ätzprozesse hergestellten Leiterzüge, z. B. 121, sind dabei grundsätzlich von den Leiterzügen, z. B. 117, in der ersten Metallisierungsebene isoliert. Soll eine elektrische Verbindung zwischen zwei Leiterzügen in verschiedenen Metallisierungsebenen hergestellt werden, wird vor dem Aufbringen der zweiten Metallisierung in der Isolationsschicht 118 ein entsprechendes Kontaktloch 119 geöffnet. Die ganze beschriebene Anordnung wird schließlich mit einer zweiten aufgebrachten Isolierschicht 122 als Schutzschicht bedeckt. Nur an den Anschlußstellen für die von außen zugänglichen elektrischen Kontakte, z. B. der Lötkugel 125, werden in dieser Schutzschicht entsprechende Kontaktlöcher, z. B. 123, geöffnet.
Durch das Elektromigrationsphänomen bedingte Schaltungsfehler treten erfahrungsgemäß an folgenden Stellen der beschriebenen monolithischen Schaltung auf: im Bereich der für den elektrischen Anschluß nach außen hin bestimmten Anschlußstellen, nämlich der Zwischenschicht 126 unterhalb der Lötkugel 125; an der Verbindungsstelle 127 zwischen zwei zu verschiedenen Metallisierungsebenen gehörenden Leiterzügen; ferner an den Metall-Halbleiterkontaktstellen 107, 108, HO, 112 und 113, jedoch auch entlang dem Verlauf der Leiterzüge 114 bis 117,120 oder 121 und schließlich an all den Stellen, an denen Temperatur- oder Stromdichteunterschiede auftreten. Insbesondere sind Leiterzugbereiche gefährdet, die mechanisch beansprucht sind oder an denen sich die Leiterzugbreite oder -dicke sprunghaft ändert. Infolge der Leitermaterialabtragung bzw. -anhäufung aufgrund des Elektromigrationsphänomens können die elektrisch feststellbaren Folgen einmal in einer Leiterzugunterbrechung oder auch in einem Kurzschluß zwischen zwei in verschiedenen Ebenen verlaufenden Leiterzügen bestehen.
Durch die Maßnahme, die flächenhaften Leiterzüge nicht wie üblich aus reinem Aluminium sondern aus Aluminium mit einem Kupferzusatz herzustellen, wurde eine überraschende und äußerst bedeutsame Lebensdauerverlängerung derartiger Schaltungen erzielt. Zur Aufbringung der Aluminiumleiterzüge mit einem Kupferzusatz können im wesentlichen bekannte Vorrichtungen Verwendung finden. Das Aufdampfen der Metallisierung kann mit einer Aufdampfquelle bis zu deren Erschöpfung vorgenommen werden, wobei die Aufdampfquelle das Aluminium und das Kupfer i.i der gewünschten Zusammensetzung enthält. Es kann jedoch auch aus verschiedenen Aufdampfquellen gleichzeitig oder nacheinander verdampft werden. Weiter kann das Kupfer durch Elektronenbestrahlung zur Verdampfung gebracht werden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Herstellung einer »Sandwich«-Struktur erwiesen, bei der das Kupfer schichtenweise zwischen einzelnen Aluminiumschichten niedergeschlagen wird. Eine entsprechende Ausdiffusion des Kupfers wird durch einen anschließenden Wärmeprozeß erzielt
Das Aufbringen des Aluminiums mit Kupferzusatz kann schließlich durch einen Sputterprozeß (Kathodenzerstäubung) unter Verwendung einer Mischkathode aus Aluminium und Kupfer durchgeführt werden.
Gleichzeitig mit den soeben beschriebenen Prozeßschrilten kann ferner der Metallisierung 3% Silizium zugesetzt werden, wodurch insbesondere bei Aluminium-Silziumkontakten direkt auf dem Halbleitersubstrat weitgehend eine unerwünschte Legierungsbildung vermieden werden kann.
Die Metallisierung wird auf dem Halbleitersubstrat bei einer Temperatur von 2000C niedergeschlagen, worauf sich eine Wärmebehandlung für ungefähr einige Minuten bis zu einer Stunde in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 2500C bis 5600C anschließt. Um eine gute Haftung der Metallisierung auf der SiC>2-Schicht zu erhalten, sollte anfänglich überwiegend Aluminium niedergeschlagen werden.
Zur Verdeutlichung der mittels der vorgeschlagenen Maßnahmen erzielbaren Vorteile, nämlich einer bedeutenden Erhöhung der Lebensdauer derartiger Leiterzüge durch Unterdrückung bzw. Verminderung des Elektromigrationsphänomens, wurden an verschiedenen Testleiterzügen der Form und Anordnung nach den Fig. IA und IB zahlreiche Messungen durchgeführt. Wie bereits beschrieben treten infolge des Elektromigrationsphänomens verschiedene Fehler auf, z. B. an den Kontaktstellen der Metallisierung mit dem Halbleitersubstrat, an den Kontaktstellen zu den für die elektrische Verbindung nach außen vorgesehenen Lötkugeln, Unterbrechungen im Verlauf der Leiterzüge selbst usw. Durch die besondere Form des Testleiterzuges sowie durch die spezielle Prüfanordnung wurde in den im folgenden beschriebenen Versuchen lediglich die Fehlerhäufigkeit infolge von Unterbrechungen des Leiterzuges selbst bei jeweiliger Veränderung verschiedener Parameter untersucht. Auch hier sei noch einmal auf die Darstellung von Fi g. IC verwiesen, woraus der Mechanismus der Fehlerbildung deutlich wird. Danach tritt eine Leiterzugunterbrechung im allgemeinen längs der Korngrenzen des Leitmetallkristallits auf. Andererseits wird die Korngröße mit steigender Temperatur größer, so daß von daher deutlich wird, daß eine Unterbrechung mit zunehmender Temperatur wahrscheinlicher wird.
In den Diagrammen entsprechend den Fig.4 bis 8 sind die jeweiligen Meßwerte mit den zugehörigen in Frage kommenden Parametern dargestellt. Die Halbleitersubstrate wurden jeweils während des Niederschlagens der Metallisierung auf einer Temperatur von 2000C gehalten. Im Anschluß an die Photolithographieprozesse wurden die Leitungszüge 20 Minuten lang in Stickstoff atmosphäre auf 530° C erhitzt Zum elektrischen Anschluß der Testleiterzüge wurden Golddrähte mit einem Durchmesser von etwa 15 μπι oder Aluminiumdrähte mit einem Durchmesser von etwa 25 μπι verwendet Über die Leitungsanschlüsse 29-1 und 29-2 (F i g. 1 A) wurde der Widerstand der Testleiterzüge gemessen. Zur Ermittlung des durchschnittlichen Temperaturanstiegs der Leiterzüge bei hohen Strömen wurde die Tatsache ausgenützt, daß die Leiterzüge selbst ein Widerstandsthermometer darstellen.
Beispielsweise sind in Fig.3 neben den Meßwerten für übliche reine Aluminiumleiterzüge die Meßwerte für Aluminiumleiterzüge mit einem Kupferzusatz von etwa 4 Gewichtsprozenten eingezeichnet Das Kupfer wurde dem Aluminium entsprechend der oben beschriebenen »Sandwich«-Methode zugesetzt, wobei auf eine erste Aluminiumschicht eine dünne Kupferschicht und darauf eine zweite Aluminiumschicht niedergeschlagen wurde. Im Anschluß daran wurden die derart hergestellten Leiterzüge 20 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre auf 530° C erhitzt Die für den Versuch gewählte
Stromdichte und die sich einstellende Leiterzugtemperatur sind als Parameter ebenfalls in F i g. 3 angegeben. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Betriebszeit in einem logarithmischen Maßstab aufgetragen ist, kann demnach festgestellt werden, daß die Lebensdauer der Leiterzüge aus Aluminium mit 4 Gew.-°/o Kupferzusatz etwa um den Faktor 20 größer ist als bei den Leiterzügen aus Aluminium ohne Kupferzusatz.
Aus den Diagrammen entsprechend den F i g. 4 und 5 wird die Abhängigkeit des Auftretens von Fehlern aufgrund des Elektromigrationsphänomens von der Höhe des durch die Leiterzüge fließenden Stromes bzw. der Stromdichte deutlich. Für die Meßwerte nach F i g. 6 wurden die Verhältnisse bei dem sich an das Niederschlagen der Leiterzugsmaterialien anschließenden Wärmeprozeß entsprechend den angegebenen Werten verändert (Temperatur und Dauer). Inwieweit die prozentuale Fehlerhäufigkeit von der Temperatur der Leiterzüge im Betrieb abhängt, ist in F i g. 7 dargestellt. In F i g. 8 ist schließlich dargestellt, wie die mittlere Lebensdauer der erfindungsgemäß hergestell-
Tabelle
ten Leiterzüge von dem Kupferanteil abhängt. Es ist ersichtlich, daß grundsätzlich mit der Erhöhung des Kupferanteils die mittlere Lebensdauer zunimmt, wobei die Art des Niederschiagens, nämlich aufgedampft oder gesputtert (Kathodenzerstäubung), relativ unerheblich ist. Der Temperprozeß zur Verteilung des Kupfers im Aluminium, d. h. der oben erwähnte Wärmeprozeß, wurde für eine Dauer von 20 Minuten bei einer Temperatur von 560° C vorgenommen.
In der folgenden Tabelle sind die in Versuchen gemessenen mittleren Lebensdauern von Leiterzügen aus Aluminium in Abhängigkeit von ihrer Herstellung, dem Kupferanteil sowie der Temperatur des sich an das Niederschlagen des Leiterzugmaterials anschließenden Wärmeprozesses dargestellt. Die Leiterzüge wurden jeweils auf eine SiO2-Unterlage aufgebracht, wobei die Temperatur der Unterlage etwa bei 200° C gehalten wurde. Es ist zu erkennen, daß die mittlere Lebensdauer mit zunehmendem Kupfergehalt und zunehmender Temperatur des Wärmeprozesses (Temperprozeß) zunimmt.
Aufbringen des Leiterzugmaterials
Leiterzugzusammen- Wärmeprozeß Mittl. Lebens
setzung dauer/Std.
Al 5601C ~ 10
Al+~l%Cu 560"C ~ 60
Al+ -3% Cu 56Ö C -550
Al+ -3% Cu 450C -200
Al+ -3% Cu 250'C - 30
AI 560'C - 10
AI+ -2% Cu 560C -200
Al 530C ~ 20
Al+ -4% Cu 53O1C -400
Al 560'C ~ 3
Al+ 2-3% Cu 560 C - 90
Aufdampfen mittels Elektronenbeschuß
Aufdampfen von Al aus BN-Tiegel bzw. von Cu aus
Mo-Tiegel
Aufdampfen von Al aus BN-TiB2-Tiegel bzw. von Cu aus Mo-Tiegel
Kathodenzerstäubung mit getrennten Kathoden
Stromdichte 4 x 10" A/cm2
Leiterzugtemperatur — 175"C
Bezüglich der Technologie der Aluminium-Kupferlegierungen geben die entsprechenden Zustands- bzw. Phasendiagramme wertvolle Hinweise. Danach verbinden sich Aluminium und Kupfer aus einer Schmelze nur so lange zu AbCu, bis der Kupferanteil in der Schmelze etwa 54 Gewichtsprozente ausmacht. Bei Erreichen dieses Grenzwertes kann durch eine Temperaturerhöhung die restliche Schmelze in die intermetallische Verbindung AI2O1 umgewandelt werden. Aus dem Aluminium-Kupferphasendiagramm geht ferner hervor, daß bei einem Kupferanteil größer als 5,7 Gewichtsprozente bei Temperaturen oberhalb 548° C unerwünschte lokale Schmelzprozesse auftreten. Wenn der Kupferanteil im Aluminium zwischen 0 und 5,7 Gew.-% liegt verringert sich die maximale Temperatur zum Tempern, bei der diese lokalen Schmelzprozesse eben noch nicht auftreten, von 660"C, entsprechend einem Anteil von 0 Gew.-% Kupfer, auf 548"C, entsprechend einem Kupferanteil von 5,7 Gew.-%.
Bei Verwendung von Aluminiumschichten in Verbindung unit Siliziumunterlagen, z. B. monolithischen Schaltungen, werden üblicherweise die während oder nach dem Niederschlagen des Aluminiums vorkommenden Wärmeprozesse unterhalb einer Temperatur von 577°C gehalten. Andernfalls treten lokale Schmelzprozesse auf, die den Aluminiumfilm und die Siliziumunterlage nachteilig beeinflussen wurden. Ist dem Aluminium Kupfer zugesetzt, verringert sich diese obere Temperaturgrenze, z. B. bei einem Kupfergehalt größer 5,7 Gew.-% auf etwa 5240C.
Bei Verwendung von Aluminiumleiterzügen mit einem Kupferzusatz in monolithischen Halbleiterschaltungen können Probleme auftreten, da Kupfer normalerweise sehr schnell in Silizium eindiffundiert, und zwar schon bei Temperaturen, die bei der Herstellung derartiger Schaltungen vorliegen. Jedoch bildet Kupfer eine ganze Reihe exotherm reagierender Verbindungen mit Aluminium, welche die Kupferlöslichkeit in Silizium in Gegenwart von Aluminium wesentlich verringert.
Um eine möglichst gute und zuverlässige Haftung zwischen dem Aluminium-Kupferleiterzug und dem Halbleitersubstrat zu erzielen, wird zweckmäßig zu Anfang überwiegend Aluminium niedergeschlagen. Eine Substrattemperatur zwischen ungefähr 2000C und
300° C reicht dabei in der Regel für eine gute Haftung aus.
Zwar wird üblicherweise eine gleichmäßige Kupferverteilung in dem aufgedampften Leiterzug anzustreben sein, jedoch kann es häufig von Vorteil sein, ein bestimmtes von der Gleichverteilung abweichendes Diffusionsprofil für die Kupferanteile vorzusehen. Der Kupferanteil kann sich dabei stetig mit der Leiterzugdicke ändern, es können jedoch auch verschieden stark mit Kupfer angereicherte Aluminiumschichten insgesamt den Leiterzug bilden.
Ein weiteres mit dem Zusatz von Kupfer zum Aluminium zu berücksichtigendes Problem besteht in der möglicherweise erhöhten Korrosionsgefahr der derart hergestellten Leiterzüge. Dem kann einmal durch einen sehr stark beschleunigten Wärmeprozeß abgeholfen werden. In bestimmten Fällen kann aus demselben Grund ein kleiner Prozentsatz (0,1 bis 0,25 Gew.-%) Chrom zugesetzt werden. In jedem Fall kann durch das Aufbringen einer reinen Aluminiumschicht nach dem Wärmeprozeß die Korrosionsgefahr gemindert werden.
Durch den Zusatz von Kupfer zum Aluminium bei der Herstellung von Leiterzügen wird weiterhin das Auftreten von Fehlern infolge des Elektromigrationsphänomens an den Stellen vermindert, an denen die Metallisierungsschicht über Anschlußdrähte kontaktiert wird.
Daß dem Aluminium neben Kupfer auch noch andere Stoffe beigemischt sein können, um beispielsweise Legierungseffekte beim Überziehen mit einer Schutzschicht zu verhindern oder eine größere mechanische Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, wurde hinsichtlich eines Chrom-Zusatzes bereits beschrieben und kann auch weiterhin vorteilhaft sein. Beispielsweise hat sich als besonders günstig ein Leiterzugmaterial aus einer Aluminiumlegierung erwiesen, das 4,5% Cu1 1,5% Mg und 0,6% Mn enthält.
ίο Gegenüber einer mittleren Lebensdauer von 30 Stunden bei reinem Aluminium wurden damit mittlere Lebensdauern von mehr als 9000 Stunden bei sonst gleichen Betriebsbedingungen erreicht.
Der im Anschluß an das Niederschlagen von Aluminium mit einem Kupferzusatz durchzuführende Wärme- bzw. Temperprozeß kann unterbleiben, wenn das Halbleitersubstrat während des Niederschiagens auf einer entsprechend hohen Temperatur gehalten wird. Die Verteilung des Kupfers innerhalb des Aluminiumleiterzuges geht dann gleichzeitig mit dem Niederschlagen vor sich. Die obere Grenze für die Substrattemperatur muß dabei unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums (6600C) liegen, wobei zu berücksichtigen ist, daß durch den Kupferzusatz die Schmelztemperatur der Aluminium-Kupferlegierung etwas herabgesetzt ist. Schließlich kann der das Elektromigrationsphänomen vermindernde Kupferzusatz auch im Zusammenhang mit einem Gold- oder Silberleiterzug von Vorteil sein.
Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Flächenhafte, aus Aluminium bestehende Leiterzüge auf einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium einen das Elektromigrationsphänomen vermindernden Anteil von Kupfer im Bereich zwischen 0,1 und 54 Gew.-% aufweist
2. Flächenhafte Leiterzüge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferanteil 0,1 bis 10 Gew.-% beträgt
3. Flächenhafte Leiterzüge nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie über den Leiterquerschnitt ein von einer Gleichverteilung abweichendes Kupfer-Konzeutrationsprofil aufweisen.
4. Flächenhafte Leiterzüge nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein zu ihrer Unterlage hin abnehmendes Kupfer-Konzentrationsprofil.
5. Flächenhafte Leiterzüge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen etwa 3%igen Silizium-Zusatz.
6. Flächenhafte Leiterzüge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Chrom-Zusatz von etwa 0,1 bis 0,25 Gew.-%.
7. Flächenhafte Leiterzüge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den Zusatz von etwa 4,5 Gew.-% Kupfer, 1,5 Gew.-% Magnesium und 0,6 Gew.-% Mangan.
8. Verfahren zur Herstellung von flächenhaften Leiterzügen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer und Aluminium gleichzeitig niedergeschlagen und anschließend einem Wärme- bzw. Temperprozeß bei r> einer Temperatur von 2500C bis 56O0C unterworfen wird.
9. Verfahren zur Herstellung von flächenhaften Leiterzügen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer und Aluminium schichtenweise nach Alt einer »Sandwich«-Struktur niedergeschlagen und anschließend einem Wärme- bzw. Temperprozeß bei einer Temperatur von 2500C bis 560 C unterworfen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch « gekennzeichnet, daß zu Beginn des Niederschlagprozesses überwiegend Aluminium niedergeschlagen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Metallisierung w etwa 3% Silizium zugesetzt werden.
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