DE19733731A1 - Integrierte elektrische Schaltung mit Passivierungsschicht - Google Patents

Integrierte elektrische Schaltung mit Passivierungsschicht

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DE19733731A1
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Darko Dr Rer Nat Piscevic
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Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte elektrische Schaltung mit einer Metallebene, die mit einer Passivierungsschicht versehen ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Es ist bekannt, integrierte elektrische Schaltungen, die eine Metallebene enthalten, durch das Versehen der Metallebene mit einer Passivierungsschicht gegen Korrosion und mechanische Beschädigungen zu schützen.

Als Diffusions- und Oxidationsbarrieren sind bisher Dielek­ trika (z. B. Siliziumnitrid: Si3N4) und metallische Passivie­ rungen (z. B. Titan, Tantal, Aluminium, Palladium) verwendet worden.

Um mechanische Spannungen abzupuffern, hat es sich als wir­ kungsvoll erwiesen, diese Passivierungsschichten mit einer zusätzlichen organischen Schicht, insbesondere einer Polymer­ schicht zu versehen. Die Dicke dieser Polymerschicht beträgt mindestens 1 µm. Auch andere organische Schutzschichten wei­ sen eine definierte Mindestdicke von vorzugsweise mehr als 200 nm auf.

Die bekannten passivierungsschichten werden in der Groß­ serienfertigung von integrierten Schaltkreisen verwendet. Im Langzeitbetrieb oder unter erhöhten Betriebstemperaturen tre­ ten jedoch Instabilitäten bis zu einem Aufplatzen der Passi­ vierungsschicht auf. Ein weiterer Nachteil dieser Passivie­ rungsschichten ist die durch sie bewirkte Behinderung der Kontaktierung der Metallebene mit Anschlußdrähten. So ist es vor der Kontaktierung notwendig, eine Maske auf zutragen (durch Belacken, Belichten und Entwickeln), und anschließend die Kontaktstellen durch eine anisotrope Metallätzung zu be­ handeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nach­ teile zu überwinden. Insbesondere ist eine gattungsgemäße in­ tegrierte elektrische Schaltung so zu verbessern, daß die Passivierungsschicht unter Beibehaltung ihrer Funktion als Diffusions- und Oxidationsbarriere möglichst einfach und kostengünstig herzustellen ist. Eine derartige Passivierungs­ schicht soll sich vorzugsweise auch dafür eignen, daß sie die Verbindung von Metalldrähten mit der Metallebene nicht behin­ dert. Das Auftragen der Passivierungsschicht sollte ferner in den Prozeßablauf zur Herstellung der integrierten elektri­ schen Schaltung integriert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Passivierungsschicht aus einem monomolekularen Film, der an einer Oberfläche der Metallebene anliegt, gebildet ist.

Die Erfindung sieht also vor, einen mit der Oberfläche des Metalls in unmittelbarem Kontakt befindlichen Film als Passi­ vierungsschicht einzusetzen. Dadurch, daß der Film aus Mole­ külen besteht, deren Adhäsion an der Metalloberfläche sehr groß ist, können sich keine weiteren Stoffe anlagern. Somit liegt ein monomolekularer Schutzfilm vor.

Ein derartiger Schutzfilm zeichnet sich dadurch aus, daß er mit geringem Aufwand durch Eintauchen der elektrischen Schal­ tungen in eine Lösung gebildet werden kann. So ist es mög­ lich, mehr als 100 integrierte elektrische Schaltungen in ei­ nem Lösungsmittel gleichzeitig mit der Passivierungsschicht versehen.

Auf den monomolekularen Film können weitere Schichten, bei­ spielsweise ein zusätzlicher Schutzfilm aufgebracht werden, überraschenderweise reicht aber bereits der monomolekulare Film als solcher aus, um die gewünschten Eigenschaften der Passivierungsschicht zu erreichen.

Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Passivie­ rungen, die eine möglichst große Passivierungsschichtdicke aufweisen, sieht die Erfindung also vor, die Passivierungs­ schicht so auszubilden, daß sie eine minimale Dicke hat und sich in idealer Weise konform an die Oberfläche des Metalls anbinden kann.

Eine derartige Verbindung zwischen der Metalloberfläche und Film erfolgt gemäß einer besonders vorteilhaften Ausfüh­ rungsform dadurch, daß der monomolekulare Film aus Molekülen besteht, die eine Ankergruppe enthalten. Die Elektronen die­ ser Ankergruppe können mit der Metalloberfläche wechselwir­ ken. Als Wechselwirkungsmechanismen kommen sowohl physikali­ sche Adsorptionsprozesse als auch kovalente und ionische Kräfte in Betracht.

Die exotherme Wechselwirkung der Ankergruppe mit der Metall­ oberfläche bewirkt, daß in Lösung befindliche Moleküle jede Bindungsstelle an der Metalloberfläche nutzen. Das setzt vor­ aus, daß die Moleküle an der Oberfläche beweglich sein müs­ sen, um durch Verdichtung weitere Bindestellen anzubieten. Durch diese Oberflächenmobilität kommt es zur Bildung hochge­ ordneter, kristalliner Monoschichten.

Die Moleküle bestehen aus einer Ankergruppe, die mit der Me­ talloberfläche wechselwirkt. Daran schließt sich eine unpola­ re organische Kette an, die sowohl eine lineare als auch eine verzweigte Struktur aufweisen kann. Diese organische Kette kann verschieden derivatisiert werden, das heißt durch den Einbau von Substituenten wie Amiden oder Sauerstoff kann ge­ zielt die Wasserlöslichkeit des Moleküls erhöht werden. Ein derartiges für den Chemisorptionsprozeß geeignetes Molekül kann ferner eine Endgruppe aufweisen, die nicht nur die Ober­ flächenfunktion des Films bestimmt, sondern auch den Ord­ nungszustand, das heißt die molekulare Struktur der Schicht, beeinflußt.

Die organischen Ketten wechselwirken miteinander. Eine mögli­ che Erklärung der intermolekularen Wechselwirkung könnte durch Van-der-Waals-Kräfte gegeben sein. Die Endgruppe, ist nach außen gerichtet. Die Endgruppe bestimmt die für die Ei­ genschaften der Passivierungsschicht wesentliche Beschaffen­ heit der nach außen gewandten Oberfläche des monomolekularen Films.

An die Endgruppe können sich weitere Moleküle anlagern, so daß auf dem monomolekularen Film eine weitere Schicht gebil­ det werden kann, die der Passivierungsschicht zusätzliche Ei­ genschaften verleiht.

Dadurch, daß die Ankergruppen eine stark exotherme Bindung mit der Metalloberfläche eingehen, und daß gleichzeitig die einzelnen Moleküle stark miteinander wechselwirken, führt das Auftragen dieser Passivierungsschicht zu einer Verdrängung von auf der Metalloberfläche haftenden Verunreinigungen.

Bei den Metallen kann es sich um übliche in der Halbleiter­ industrie eingesetzte Metalle, insbesondere um Kupfer, Gold und Silber handeln. Da die erfindungsgemäße Passivierung auf einem Grenzflächeneffekt beruht, kann die Metallschicht be­ liebig dünn sein. So ist es auch möglich, innerhalb der inte­ grierten elektrischen Schaltung vorhandene Metallschichten mit einer erfindungsgemäßen Passivierungsschicht zu versehen. Das Auftragen der Passivierungsschicht erfolgt in besonders vorteilhafter Weise dadurch, daß die Metallebene mit einer Lösung aus einem Lösungsmittel und darin gelösten Molekülen benetzt wird, wobei die gelösten Moleküle jeweils wenigstens eine Ankergruppe enthalten. Hierdurch bildet sich auf der Me­ tallebene ein monomolekularer Film.

Durch das Auftragen einer Lösung, in der die Konzentration der Moleküle in dem Lösungsmittel wenigstens 0,5 mM beträgt, kommt es bereits nach einer Minute zur Ausbildung einer voll­ ständigen Schicht.

Für die Sicherstellung der Eigenschaft als Diffusions- und Oxidationsbarrieren sowie der guten Verbindbarkeit von Me­ talldrähten mit der Metalloberfläche eignen sich sämtliche der zuvor genannten Moleküle.

Es ist sogar möglich, die Passivierungsschicht so aufzutra­ gen, daß die Entstehung von umweltbelastenden Reststoffen vermieden wird. Dies kann dadurch geschehen, daß wasserlös­ liche Moleküle in Wasser gelöst werden und diese Lösung auf­ getragen wird. Als besonders geeignete wasserlösliche Molekü­ le haben sich solche mit einer Thiol-Gruppe erwiesen.

Die erfindungsgemäßen integrierten elektrischen Schaltungen können auf einfache Weise mit Metalldrähten verbunden werden. Dies geschieht in besonders einfacher und zugleich zweckmäßi­ ger Weise dadurch, daß die Metalldrähte mit einem Druck, der zum Durchdringen des monomolekularen Films ausreicht, durch Film hindurch auf die Metallebene gebondet werden.

Eine Einbindung des Verbindungsprozesses zwischen den Me­ talldrähten und der Metallebene in den Prozeßablauf zur Her­ stellung einer integrierten Schaltung erfolgt vorteilhafter­ weise so, daß dem monomolekularen Film an den für die Verbin­ dung mit den Metalldrähten vorgesehenen Stellen gezielt Ener­ gie durch elektromagnetische Strahlung - vorzugsweise durch UV-Licht - zugeführt wird, wobei die Energie der elektroma­ gnetischen Strahlung so groß ist, daß an diesen Stellen die Bindung der Moleküle an das Metall geschwächt wird. Gegebe­ nenfalls wird dann eine Lösung aufgetragen, deren Lösungs­ kraft ausreicht, die Moleküle, deren Bindung an das Metall geschwächt ist, zu lösen. An diesen Stellen erfolgt anschlie­ ßend die Verbindung der Metalldrähte mit der Metallebene.

Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt der obersten Metallebene 1 einer integrierten elektrischen Schaltung, und

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines für den Selbstad­ sorptionsprozeß geeigneten Moleküls.

Die drei Teilbilder a, b, c von Fig. 1 zeigen den Prozeß der Chemisorption von Alkanthiolmolekülen 2 auf der Kupferschicht 1. Die Alkanthiolmoleküle wurden in hochreinem, vollentsalz­ tem Wasser gelöst, so daß sich eine 0,5 mM Thiollösung 3 bil­ dete.

In Teilbild a ist der Vorgang unmittelbar nach der Benetzung der Kupferschicht 1 mit der Lösung 3 dargestellt. Die Thiol­ moleküle 2 bewegen sich zunächst frei in der Lösung. Die exo­ therme Wechselwirkung der Kopfgruppe der Moleküle 2 mit der oberen Oberfläche der Kupferebene 1 führt dazu, daß die Thiolmoleküle 2 sich bereits in Richtung auf die Metallober­ fläche hin orientieren.

In dem nächsten Schritt, der in Teilbild b dargestellt ist, ist bereits Chemisorption der ersten Thiolmoleküle zwischen der Kopf- oder Ankergruppe und der Metalloberfläche eingetre­ ten. Chemisorption zeigt im Gegensatz zu physikalischer Ad­ sorption wesentlich stärkere Bindekräfte, deren Stärke der chemischen Bindung gleicht. Man kann dies auch als Bildung von Oberflächenbindungen betrachten, wobei der Bindungsvor­ gang nicht reversibel ist. Die Van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den einzelnen Thiolmolekülen bewirkt ihre parallele Ausrichtung. Diese parallele Ausrichtung ermöglicht es den noch nicht gebundenen Molekülen, sich in die Zwischenräume auf der Metalloberfläche zwischen den gebundenen Molekülen einzuordnen. Durch die Van-der-Waals-Wechselwirkung bewegen sich die parallel ausgerichteten Moleküle auf der Metallober­ fläche so aufeinander zu, daß auf der Oberfläche des Kupfers haftende Verunreinigungen von ihnen verdrängt werden.

Als Ergebnis der Relativbewegung der Moleküle 2 zueinander auf der Oberfläche der Kupferebene 1 bildet sich ein durchge­ hender Film, der in Teilbild c dargestellt ist.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Chemiesorption von Alkanthiolmolekülen auf der Metalloberflä­ che. Selbstverständlich erfüllen jedoch auch andere Moleküle, die den gleichen strukturellen Aufbau und die gleichen Wech­ selwirkungseigenschaften haben, die gleiche Funktion. Hier sind insbesondere Moleküle mit Thiol-, Sulfid- oder Disulfid-Gruppen nennen.

Der Chemisorptionsprozeß führt somit zur Herstellung einer durchgehenden, ununterbrochenen Passivierungsschicht. Diese Passivierungsschicht vereint die Vorzüge einer Diffusions- und Oxidationsbarriere mit einer hohen mechanischen Stabili­ tät.

Zum besseren Verständnis des Prozesses der Chemisorption soll anhand von Fig. 2 der strukturelle Aufbau der erfindungsgemäß eingesetzten Moleküle nochmals detailliert erläutert werden:

Das in Fig. 2 dargestellte Alkanthiolmolekül 10 mit der all­ gemeinen chemischen Formel R-SH, wobei R einen substituierten oder unsubstituierten Alkanrest darstellt, weist einen für das Zustandekommen des dargestellten Chemisorptionsprozesses geeigneten Aufbau auf.

Das Alkanthiolmolekül 10 ist dreiteilig aufgebaut.

Der erste Teil des Alkanthiolmoleküls 10 ist die Anker- oder Kopfgruppe 12, die an der Metallebene 11 anliegt und mit die­ ser exotherm wechselwirkt.

Der zweite Teil des Alkanthiolmoleküls 10 ist eine, bei­ spielsweise durch entsprechende Substitution wasserlösliche, langkettige Alkylkette 13 mit variabler Länge. Die Alkylket­ ten 13 der Alkanthiolmoleküle 10 wechselwirken über Van-der- Waals-Kräfte miteinander. Die Van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den Alkanthiolmolekülen bewirkt, daß sie sich in ih­ rem adsorbierten Zustand parallel ausrichten.

Den dritten Teil des Alkanthiolmoleküls 10 bildet die in sei­ nem adsorbierten Zustand nach außen gerichtete Endgruppe 14. Sie bestimmt die Oberflächeneigenschaften des aus den Al­ kanthiolmolekülen 10 gebildeten Films.

Selbstverständlich können statt des beschriebenen Alkanthiols auch Dialkylsulfide (R-S-R), Dialkyldisulfide (R-S-S-R) oder ähnliche Verbindungen verwendet werden, welche die beschrie­ benen erfindungsgemäßen Voraussetzungen erfüllen.

Nach der oben erläuterten Herstellung der Passivierungs­ schicht in Form eines monomolekularen Films kann sich ein weiterer Verfahrensschritt anschließen. Der auf eine der dar­ gestellten Arten hergestellte Film kann durch die Bestrahlung mit UV-Licht strukturiert werden. Dazu wird der Film durch eine Maske hindurch mit UV-Licht bestrahlt. Die Bestrahlungs­ dauer hängt von der Energiedichte der Strahlungsquelle ab. Während bei der Bestrahlung mit einer normalen UV-Lampe eine Bestrahlungsdauer von 60 Minuten erforderlich ist, um die ge­ wünschte Strukturierung zu erzielen, sind die Bestrahlungs­ zeiten bei der Bestrahlung mit einer Quecksilberhöchstdruck­ lampe oder mit einem Laser wesentlich kürzer.

Nach der Bestrahlung erfolgt ein Spülen mit hochreinem, vol­ lentsalzten Wasser und ein anschließendes Trocknen mit Stick­ stoff. An den freigelegten Stellen kann dann die Verbindung der Metallebene mit Metalldrähten erfolgen.

Claims (11)

1. Integrierte elektrische Schaltung mit einer Metallebene, die mit einer Passivierungsschicht versehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Passivierungsschicht aus einem monomo­ lekularen Film (2), der an einer Oberfläche der Metallebene (1, 11) anliegt, gebildet ist.
2. Integrierte elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem monomolekularen Film (2) ein zu­ sätzlicher Schutzfilm aufgebracht ist.
3. Integrierte elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der monomolekulare Film (2) aus Molekülen besteht, wobei jedes Molekül wenigstens ei­ ne Ankergruppe enthält.
4. Integrierte elektrische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankergruppe eine Thiol-, Sulfid- oder Disulfid-Gruppe ist.
5. Integrierte elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Molekül des mono­ molekularen Films (2) eine organische Kette (13) enthält.
6. Integrierte elektrische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Kette eine lineare oder verzweigte, substituierte oder unsubstituierte Alkylkette ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer integrierten elektrischen Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
  • - bei dem auf einem Substrat eine oder mehrere dielektrische Schichten und eine oder mehrere strukturierte Halbleiter­ schichten sowie mindestens eine Metallebene aufgebracht werden,
  • - und anschließend auf die Metallebene eine Passivierungs­ schicht aufgetragen wird,
  • - und gegebenenfalls Metalldrähte mit der Metallebene ver­ bunden werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht durch die Benetzung der Metallebene (1, 11) mit einer Lösung (3) aus Lösungsmittel und darin gelösten Molekülen, die wenig­ stens eine Ankergruppe enthalten, als ein monomolekularer Film (2) aufgetragen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung (3) ein in Wasser gelöstes Thiol (2) ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verbinden der Metalldrähte mit der Me­ tallebene (1, 11) mit einem Druck, der zum Durchdringen des monomolekularen Films (2) ausreicht, erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verbinden der Metalldrähte mit der Me­ tallebene die folgenden Schritte aufweist:
  • - Dem monomolekularen Film wird an für die Verbindung mit Metalldrähten vorgesehenen Stellen gezielt Energie durch elektromagnetische Strahlung - vorzugsweise durch UV-Licht - zugeführt,
  • - wobei die Energie der elektromagnetischen Strahlung so groß ist, daß an diesen Stellen die Bindung der Moleküle an das Metall geschwächt wird;
  • - Verbinden der Metalldrähte mit der Metallebene an diesen Stellen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verbinden der Metalldrähte mit der Metallebene eine Lösung aufgetragen wird, deren Lösungskraft ausreicht, die Moleküle, deren Bindung an das Metall geschwächt ist, zu lö­ sen.
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