DE2104672C3 - Mehrschichtige Verbindungsleiterstreifen in integrierten Halbleiterschaltungen - Google Patents

Description

30 Von der genannten Gruppe lassen sich Aluminium,

Wolfram und Molybdän für ein Einzelmetallsystem benutzen, da sich alle diese Metalle mit dem Silicium-

Die Erfindung betrifft mehrschichtige Verbindungs- oxyd und dem Glas verbinden lasen. Bei hohen Ströleiterstreifen in integrierten Halbleiterschaltungen, men hat jedoch das Aluminium keinen ausreichenden die Leiterbahnstreifen aus Gold enthalten und die 35 Widerstand gegen die Elektromigration. Der Einsatz in mehreren durch Isolierschichten voneinander ge- von Wolfram und Molybdän bringt nur bei relativ trennten, übereinanderliegenden Ebenen der inte- dicken Streifen eine genügend hohe elektrische Leitgrierten Halbleiterschaltung angeordnet sind. fähigkeit. Derartige Streifen bringen aber gerade

Im Gegensatz zu konventionellen Schaltungen aus wegen ihrer zu großen Dicke Schwierigkeiten bei einzelnen Bauelementen sind bekanntlich die Bau- 40 Mehrniveausystemen. Was die die übrigen Metalle, elemente integrierter Schaltungen nicht mehr einzeln nämlich Silber, Kupfer und Gold betrifft, so ergeben vorhanden und häufig sogar ohne benachbarte EIe- sich auch hier Schwierigkeiten, weil man eine zumente nicht funktionsfähig. Integrierte Schaltungen sätzliche Schicht braucht, um das Leitermaterial mit erfüllen einerseits die Forderung nach miniaturisier- den isolierenden Schichten zu verbinden, ten Funktionselementen geringer Verlustleistung und 45 Es sind bereits mehirere Arten zusammengesetzter hoher Zuverlässigkeit und bringen andererseits für metallischer Laminarstrukturen bekantgeworden. So den Hersteller von Bauelementen technische und wirt- ist zum Beispiel in der US-PS 32 90 565 ein System schaftliche Vorteile mit sich. mit abwechselnden Schichten aus Chrom-Silber-

Die derzeitige Entwicklungstendenz läuft auf eine Chrom und in der US-PS 32 90 570 ein System mit Steigerung der Miniaturisierung der Bauteile hinaus. 50 Molybdän und Gold beschrieben. Die Erstellung eines Als monolithisch bezeichnet man integrierte Halb- zusammengesetzten metallischen Streifens stellt im leiterschlangen, die auf einem einzigen Kristallplätt- vorliegenden Anwendmngsfalle mehr dar als ein chen untergebracht sind. Diese Kristallplättchen be- bloßes Auswählen einer leitenden Schichteinlage aus steht im allgemeinen aus Silicium. hochleitfähigem Metall mit geeigneter Haftschicht für

Alle zur Schaltung gehörenden, aktiven und pas- 55 die Bindung der Leiterschicht mit dem Glas, siven Schaltungselemente befinden sich in oder auf Um den verlangten technischen Erfordernissen bei

dem gemeinsamen Kristall. Sie sind durch isoliert der Herstellung moderner integrierte Schaltkreise zu aufgebrachte, metallische Leitbahnen untereinander entsprechen, muß das zusammengesetzte Leitermaverbunden und nicht einzeln abtrennbar (vgl. z. B. terial einen hohen Widerstand gegen die Elektro-J. Wüstehube »Integrierte Halbleiterschaltungen« 60 migration haben, es darf beim Legieren keine Le-Hamburg 1966). gierung mit höherem elektrischem Widerstand bilden

In bekannten monolithischen Halbleiterschaltun- und es darf keine elektrische Kopplung bilden mit gen bestehen die Leitbahnen für die elektrische Ver- der der zusammengesetzte Streifen einer Korrosion bindung der monolithischen Schaltungselemente und ausgesetzt wäre.

für die Anschlußflecken zur Kontaktierung der Zu- 65 Die vorstehend erörterten Schwierigkeiten zu beleitungen aus einem dünnem Metallfilm, in der Regel heben, ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufaus Aluminium. Es ist auch bekannt, mehrere Leit- gäbe,
bahnebenen, jeweils getrennt durch eine Silicium- Für einen mehrschichtigen Verbindungsleiterstrei-

fen in integrierten Halbleiterschaltungen, die Leiter- in typischer Weise aus Paladiumsilicid oder Platin-

^ahnstreifen aus Gold enthalten und die in meh- silicid besteht.

>eren durch Isolierschichten voneinander getrennten, Der Streifen 26 kontaktiert die Zone 14 durch die ibereinanderliegenden Ebenen der integ ierten Halb- Schicht 24 und dehnt sich nach außen aus und bildet leerschaltung angeordnet sind, besteht danach die 5 einen Teil des leitfähigen Netzwerks der Halbleiter-Erfindung darin, daß die Leiterbahnitreifen aus Gold anordnung. Der Leiterstreifen 26 umfaßt eine untere beidseitig je eine Schicht aus Tantal tragen. Schicht 28 aus Tantal, eine leitende Verbindungs-Aus der amerikanischen Patentschrift 32 56 588 ist schicht 30 aus Gold und eine untere Schicht 32 aus lediglich eine Ta-Au-Ta₂O₅ Schichtenfolge bekannt- Tantal.

geworden. Diese Schichtenfelge stellt aber nur eine io Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, kann die Halbleiter-Zwischenstufe im Verfahren zur Herstellung eines anordnung eine Vielzahl leitender Streifen 26 enthal-Dünnschicht-RC-Gliedes für Mikroschaltungen dar. ten, die miteinander verbunden sind, um ein kom-Es handelt sich im Falle dieser amerikanischen Pa- plexes Stromkreisnetzwerk zu bilden, tentscbrift nicht um eine integrierte Halbleiterschal- Eine geeignete Schicht 34 aus Glas, Siliciumoxyd tung, bei der metallische Leitbahnen zur elektrischen 15 oder eine zusammengesetzte Schicht, zum Beispie! Verbindung monolithischer Halbleiterschaltungsele- aus Siliciumdioxyd und Siliciumnitrid, liegt oberhalb meate in verschiedenen Schichtniveaus des Halbleiter- der unteren Schicht des leitenden Netzwerks aus den körpers vorkommen. Streifen 26. In ähnlicher Weise liegen über der zwei-Die Erfindung sei nachstehend an Hand der sehe- ten und dritten elektrisch angeschlossenen Streifenmatischen Zeichnungen einer bevorzugten Ausfüh- 10 lederschicht die isolierenden"Schichten 36 und 38. rungsform näher erläutert. Durch die obere Schicht 38 des isolierenden Ma-F13. 1 enthält eine Querschnittsdarstellung einer terials ist eine öffnung 40 hergestellt und ein passenvorteilhaften Ausführungsform eines mehrschichtigen der Klemmenkontakt zur Halbleiteranordnung gebil-Verbindungs-Leiterstreifens für eine hermetisch ab- det. Im praktischen Gebrauch wird die Halbleitergeschlossene Halbleiteranordnung vom Planartyp; 25 anordnung viele derartiger Klemmen enthalten.

F i g. 2 und 2 a sind Teildarstellungen im Quer- Nach F i g. 1 besteht die Klemme aus einem Polschnitt eines mehrschichtigen Verbindungsleiter- ster, welches von einem Lötmittel benetzbar ist und Streifens; welches eine untere Schicht 42, eine Zwischenschicht F i g. 3 zeigt in graphischer Darstellung den Ver- 44 aus Kupfer oder Nickel und vorzugsweise eine gleich zwischen der Widerstandsänderung während 30 obere Schicht 46 aus Gold enthält. Auf dem Polster der Wärmebehandlung bei 500° C für einen Verbin- ist ein Lötmittelhaufen 50 gebildet. In der Praxis ist dungsleiterstreifen nach der Erfindung und für andere die Vorrichtung in einer bestimmten Position plaziert, Leiterstreifen; um beim Erhitzen das Lötmittelpolster zu schmelzen F i g. 4 zeigt in graphischer Darstellung den Elek- oder um das darunterliegende Gebiet zu erhitzen, datromigrationswiderstand von verschiedenen Gold- 35 mit eine elektrische Verbindung zwischen der Verstreifenstruktursn. bindung und einem geeigneten tragenden Substrat

In Fig. 1 der Zeichnungen ist eine bevorzugte entsteht.

Ausführungsform des mehrschichtigen Verbindungs- Beim Herstellen der in F i g. 1 dargestellten Halbleiterstreifens nach der Erfindung für eine Halbleiter- leiteranordnung muß man acht geben auf die Schafancrdnung dargestellt. Die Anordnung 10 enthält 40 fung einer passenden dicken unteren Schicht 28 aus einen Körper 12 aus monokristallinem Halbleiterma- Tantal und insbesondere auf das untere Höhenniveau terial, zum Beispiel Silicium, Germanium od. dgl. Der der Anordnung, so daß die Goldschicht 30 wirksam Halbleiterkörper 12 ist gewöhnlich mit einem Do- davor geschützt ist, in Kontakt mit dem Halbleitertierungsmittel entweder vom N-Typ oder vom P-Typ material zu kommen. Gold legiert mit Silicium bei dotiert. Der Halbleiterkörper 12 enthält eine Zone 14 45 einer Temperatur von 370° C unter Bildung eines vom entgegengesetzten Störstellentyp. Die Zone kann Eutektikums, welches zerstörend auf die Anordnung durch Diffusion, durch Ionenimplantation oder durch wirken kann.

Ätzen gebildet werden. Diese Methoden sind samt- Die Dicke der unteren Tantalschicht kann vari-

lich an sich bekannt. ieren. Diese Änderung hängt von der besonderen An-In der Fig. 1 ist nur eine einzelne Zone 14 im 50 Wendung und von den Details des Behandlungsver-

Halbleiterkörper 12 gezeigt, obgleich es natürlich in fahrens ab. Die untere Grenze liegt in der Größen-

der Praxis viele entgegengesetzt dotierte Bereiche im Ordnung von 200 Angström.

Halbleiterkörper 12 geben wird, welche als Wider- Der mehrschichtige Verbindungsleiterstreifen

stände, Dioden, Transistoren, usw. dienen. Außer- kann in geeigneter Weise durch Niederschlagen auf dem kann der obere Teil des Halbieiterkörpers 12 55 die Halbleiteranordnung hergestellt sein. Eine brauch-

durch epitaktisches Niederschlagen an sich bekann- bare Niederschlagmethode ist das Sputtern, vorzugs-

ter Art hergestellt sein. weise mit alternativem Niederschlagen der ent-

Mit dem Halbleiterkörper 12 ist eine Isolierschicht sprechenden Schichten aus Tantal, Gold und Tantal

18 verbunden. Die Schicht 18 ist eine konventio- aus Ta- und Au-Targets in einer Kammer der Vornelle Schicht aus thermisch gebildetem Oxyd, wenn 6° richtung.

der Halbleiterkörper 12 aus Silicium besteht. Eine Substrate oder Targets in der Kammer zu bewegen.

Alternativschicht 18 könnte eine zusammengesetzte Die zusammengesetzte Schicht kann alternativ auch

Schicht aus SiO₂ und Si₃N₄ sein. durch Verdampfungsmethoden oder Plattierungsver-

Die öffnung 20 in der Schicht 18 wird in der fahren aufgetragen werden.

üblichen Weise im Bereich 14 nach dem photolitho- 65 Nachdem die aus Tantal, Gold und Tantal beste-

graphischen Verfahren hergestellt. Ferner ist in di- hende Gesamtschicht aufgetragen ist, muß sie noch

rektem Kontakt mit der oberen Oberfläche der Zone bearbeitet werden, damit die gewünschte Stromkreis-

14 eine Ohmsche Kontaktschicht 24 hergestellt, die konfiguration entsteht. Dies läßt sich am besten durch

Sputterätzen durchführen, wobei die Schicht maskiert liegt und einen Zuwachs von 406% des Widerstandes und die Halbleiteranordnung zum Target im Sput- in der ersten halben Stunde der Versuchsdauer erterapparat gemacht wird. Die exponierten Bereiche fahren hat

werden durch Bombardierung und Auswaschen in Die Kurve 62 bezieht sich auf einen Streifen, der

der an sich bekannten Weise entfernt. 5 aus Gold besteht. Die leitende Schicht ist sandwich-

Wegen der Schwierigkeit, Ätzmittel zu erhalten, artig zwischen Molybdänschichten eingelegt. Sie hat die ausreichend selektiv in bezug auf Tantal, Gold keinen bedeutsamen Widerstandszuwachs sogar nach und Glas sind, wird das Sputterätzen bevorzugt verlängerter Exposition bei hohen Temperaturen er-

Dann wird darüberliegend eine Schicht aus iso- fahren. Man würde diese Ausführungsform als eine lierendem Material entweder durch pyrolythische Zer- io gute Verbindungsleiterstreifenstruktur ansehen. Mosetzung oder durch Sputtern oder mit anderen ge- lybdän und Gold bilden jedoch ein galvanisches EIeeigneten Methoden aufgetragen. ment, wodurch die Leiterstruktur in hohem Maße der

Wenn ein Multi-Niveau-Leitersystem verwendet Korrosion, insbesondere in feuchter Umgebung, auswird, dann können Übergangslöcher durch chemisches gesetzt ist

Ätzen gebildet werden. Mit an sich bekannten Me- 15 Die Kurve 64 bezieht sich auf eine leitende GoIdthoden wird die Ohmsche Kontaktschicht 24 aus schicht, die mit einer untergelegten Titanschicht und Platinsilicid oder aus Palladiumsilicid aufgetragen. einer Platingrenzschicht kombiniert ist. Sie zeigt eine

In praxi hat der Gesamtstreifen eine Dicke im Be- mit der Zeit bedeutsame Widerstandszunahme. Die reich von 0,5 bis 3 μΐη. Der entstehende Streifen kann Zunahme ist nicht so stark wie im Falle der Kurve dann zuverlässig Leiterstromdichten in der Größen- ao 67, jedoch ist sie so hoch, daß ein solcher Streifen Ordnung von 5 ■ 10⁵ A/cm² aufnehmen. für praktische Anwendungen bei hohen Stromstärken

In F i g. 2 ist eine andere vorteilhafte, besondere nicht in Frage kommt
Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Kurve 66 bezieht sich auf einen Verbindungs-

Die Halbleiteranordnung 60 enthält einen Körper leiterstreifen aus einer leitenden Goldschicht, die 12 aus halbleitendem Material, in welchem eine Zone »5 sandwichartig zwischen zwei anhaftenden Tantal-14 hergestellt ist, deren Dotierung sich von der Do- schichten liegt Diese Ausführungsform ist die erfmtierung im Halbleiterkörper 12 unterscheidet. Eine dungsgemäße Form. Wie die Kurve 66 anzeigt, gibt isolierende Schicht 18 aus amorphen, anorganischem es eine Widerstandszunahme mit der Exposition in Material, die mit einer öffnung 20 hergestellt ist, ist der vorerwähnten geheizten Umgebung. Die Widermit der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 12 30 Standszunahme gibt weder eine Einschränkung im Beverbunden. In engem Kontakt mit der oberen Ober- handlungsverfahren der Halbleiteranordnung noch in fläche der Zone 14 steht eine Ohmsche Kontakt- ihrer Verwendung. Außerdem ist der Tantal-Goklschicht 24. die der in der Ausführungsform nach Tantalstreifen im Vergleich zum Molybdän-Gold-F i g. 1 ähnlich ist Molybdänstreifen oder Molybdän-Gold-Streifen in

An der Schicht 18 haftet ein Leitersystem, das ein 35 hohem Maße widerstandsfähig gegen Korrosion und Netzwerk aus Streifen 26 enthält. Jeder Streifen 26 gegen Elektromigration.

besitzt erfindungsgemäß eine untere Tantalschicht 28, Die F i g. 4 der Zeichnungen veranschaulicht die

eine Zwischenschicht 30 aus Gold und eine obere mittlere Zeitdauer bis zum Ausfall verschiedener Tantalschicht 32. Eine Zuleitung 61 führt zum Strei- mehrschichtiger Verbindungsleiterstreifen durch Elekfen 26. 40 tromigration. Dargestellt sind die Daten für mehrere

Die Zuleitung 61 besteht aus einer unteren Tantal- leitende Streifenstrukturen unter Verwendung leitenschicht 63 und einer relativ dicken Goldschicht 65, der Goldschichten. Fig. 4 die mittlere Ausfallzeit indie mit einem geeigneten Träger oder mit einem Sub- folge Elektromigration, wenn die Anordnung einem strat unter Einsatz konventioneller Verbindungs- Strom von 4 -10⁶AZCm² bei einer Umgebungstempemethoden verbunden sein kann. 45 ratur von 300° C ausgesetzt ist.

Die grundlegenden Unterschiede zwischen der Aus- Die Fig. 4 bringt die Ergebnisse einer hocli-

führungsform 60 nach Fig. 2 und der Ausführungs- beschleunigten Zuveriässigkeitspriifung an Streif en form 10 nach Fig. 1 bestehen darin, daß die Aus- von 0,0076 mm Breite und 0,254 mm Länge bei einer führungsform 60 kerne Schicht aus Glas über dem Dicke von 2 μηι auf SiO₂ in Si. Die Linien 70 und 72 Streifen 26 enthält und auf ein einzelnes Niveau be- 50 für eine Molybdän-Gold-Streifenstruktur bzw. Tanteilschränktist Gold-Streifenstruktur zeigen einen relativ friihzeiiti-

Die Zuleitung 61 kann über dem Streifen 26 mit gen Elektromigrations-Ausfall für diese Leiterstruk-Glas versehen sein. türen an, wobei der Tantal-Gold-Streifen einen grö-

Die in Fig. 3 der Zeichnungen niedergelegten Da- fieren Grad an Elektromigrations-Widerstand auften sind experimentell erhalten, um die gegenseitige 55 weist Keine der Strukturen enthalten eine obere Einwirkung zwischen dem Gold und den verschie- Oberflächenschicht aus Molybdän oder Tantal und denen Typen von anhaftenden Schichten in einem beide waren unglasiert

Verbindungsleiterstreifen zu veranschaulichen, die Die Linie 74 in F i g. 4 bezieht sich auf eine Tantal-

Hitzebehandlungen ausgesetzt sind. Diese Kurven re- Gold-Tantal-Streifenkonfiguration ohne eine darüberpräsentieren Zustande hoher Beanspruchungen. 60 liegende Schicht aus Glas. Diese Struktur ist der in

Jede Kurve in Fig. 3 veranschaulicht die Wider- Fig. 2 der Zeichnungen gezeigten ähnlich. Es sei bestandsänderung der verschiedenen Verbindungsleiter- merkt, daß die obere Tantalschicht eine sehr bedeutstreifenproben nach dem Exponieren bei einer Tem- same Zunahme des Widerstands gegen Elektromigraperatur von 500° C in einem Formiergas, das aus tion hat, da die Zeit bis zum Ausfall im Vergleich zur 90% Stickstoff und 10% Wasserstoff besteht. Die 65 Kurve 72 für Tantal und Gold materiell zugenommen Kurve 67 bezieht sich auf eine Leiterstruktur, welche hat

aus einer leitenden Goldschicht besteht, die sand- Die Kurve 76 zeigt eine sehr ausgeprägte Zunahme

wichartig zwischen zwei haftfähigen Titanschichten des Widerstands gegen Elektromigration. Sie wird er-

reicht, wenn man den Streifen erfindungsgemäß mit Tantal-Gold-Tantal bedeckt und eine darüberliegende Glasschicht vorsieht.

Der Vergleich der Linien 76 und 74 zeigt, daß die Ausfallzeit im Falle der Erfindung fünfmal so groß ist unter beschleunigten Bedingungen. Eine HaIb-

leiteranordnung, die unter Bedingungen betriebe wird, bei denen die Funktionstemperatur bei 100° < liegt, wobei die Stromdichte im Streifen 5· 10⁵ A/cir ist, würde einer tausendfachen Verbesserung de Elektromigration oder einer Verbesserung der Zi verlässigkeit um drei Größenordnungen entsprechei

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

oxydschicht, übereinander anzuordnen, wobei auch ■ Patentansprüche: Dünnfilmwiderstände und -kondensatoren mit einge- ·.■--■ baut werden (vgl. J, W üst eh übe, S. 16). Bei kom-

1. Mehrschichtige Verbindungsleiterstreifen in plizierten Schaltungen sieht man, wie ebenfalls beintegrierten Halbleiterschaltungen, die Leiter- 5 kaimtgeworden ist, mitunter zusätzliche Leitbahnbahnstreifen aus Gold enthalten und die in meh- brücken in Form gut leitender Widerstandsbahnen reren durch Isolierschichten voneinander ge- vor (vgl. J. Wüstehube, S. 42).

trennten, übereinanderliegenden Ebenen der inte- Während die Herstellung von Leiterstreifen bei

grierten Halbleiterschaltung angeordnet sind, integrierten Schaltungen verhältnismäßig einfach ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lei- io bereitet die richtige Auswahl des jeweils passenden

terbahnstreifen aus Gold (30) beidseitig je eine Materials für die jeweilige Verfahrensstufe im Fabri-

Schicht aus Tantal (28,32) tragen. kationsprozeß praktische Schwierigkeiten.

2. Mehrschichtige Verbindungsleiterstreifen So muß das im System enthaltene Metall am SiIinach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ciumoxyd und auch am Glas der Einkapselung fest zusätzlich eine ohmsche Kontaktschicht (24) aus 15 haften können. Außerdem muß das im innigen Kon-PaliadiumsiHcid oder Platinsilicid vorgesehen ist, takt mit dem Halbleiter stehende Metall des metallurdie zwischen Verbindungsleiterstreifen und Halb- gischen NetzwerksysteniS der integrierten Schaltung leiterkörper angeordnet ist. mit dem Siliciuiskristall legierfähig sein und einen

3. Mehrschichtige Verbindungsleiterstreifen guten onmscnen Kontakt biJaen können. Es darf nicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, ao die Zuverlässigkeit der integrierten, monolithischen daß sich über der Schicht der Verbindungsleiter- Schaltung durch Eindringen von Oxyd beeinträchstreifen (26) eine isolierende Schicht (18) aus tigen unu muß in seiner Funktion als Verbindungsamorphem, anorganischem Material befindet. glied zwischen den aktiven Bereichen der Halbleiter-

4. Mehrschichtige Verbindungsleiterstreifen vorrichtung und den äußeren Klemmenanschlüssen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- 15 ein Widerstandsminimum haben.

kennzeichnet, daß die Dicke der Verbindungslei- Es gibt nur eine sehr begrenzte Anzahl von Meterstreifen 0,5 bis 3 μπι beträgt. tallen, die eine ausreichend hohe Leitfähigkeit dafür

besitzen. Zu diesen Metallen gehören Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram und Molybdän.