DE3720298A1

DE3720298A1 - Metallschichtanordnung fuer duennschichthybridschaltungen

Info

Publication number: DE3720298A1
Application number: DE19873720298
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl Krokoszinski
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1987-06-19
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1988-12-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Metallschichtanord nung für Dünnschichthybridschaltungen gemäß dem Ober begriff des Anspruches 1.

Eine solche Metallschichtanordnung für Dünnschichthy bridschaltungen ist aus Schade, Halbleitertechnologie, Band 1, VEB-Verlag Technik, Berlin, 1981, S. 96 bis 101 bekannt.

In der IC-Technologie ist es allgemein bekannt, daß das Wachstum von Hillocks in dicken (Größe 0,1 µm) Alumi niumleiterbahnen bei hohen Temperaturen aus der Relaxa tion von hohen Kompressionsspannungen resultiert. Weiter ist der Einbau von wenigen Prozenten Kupfer in das Alu minium als gängiges Mittel zur Reduzierung des Hillock wachstums bekannt (siehe Schade, Halbleitertechnologie . . .).

Alternativ für Kupfer sind z. B. Al-Si-Ti-Legierungen, Sauerstoffdotierung oder Ti/W-N-Beschichtungen. Weitere Verbesserungen können durch Beschichtungen oder Zwi schenlagen aus Übergangsmetallen erzielt werden. Der Nachteil der Übergangsmetalle als Oberflächenschicht besteht darin, daß sie an Luft getempert werden müssen, weil sich sonst ihr Effekt ins Negative umkehrt, d. h. stärkeres Hillockwachstum induziert wird als ohne die Schicht. Das Dotieren mit Kupfer hat wiederum den Nach teil, daß die Aufdampfmaterialien (Al + x% Cu) sehr teuer sind und sich während der Aufdampfung mit Kupfer anreichern, so daß kupferärmeres Material auf dem Sub strat abgeschieden wird.

Weiter wurde festgestellt, daß die Hillockbildung in Aluminiumleiterbahnen der additiven Dünnschichttechnik auch bei Verwendung von Al + 2% Cu-Material nicht völ lig unterdrückt wird. So ist die Ausbeute von Dünn schichtkondensatoren mit Al/2% Cu-Elektroden nach Tem perung bei einer Temperatur größer als 400°C deutlich unter 100%, und zwar um so mehr, je größer die Elektro denfläche ist. Solche Ausbeuteverluste wurden sogar für Kondensatoren beobachtet, deren Elektroden (Al oder Al/2% Cu) so dünn aufgedampft wurden (kleiner 0,1 µm), daß ein Hillockwachstum gar nicht auftritt. Offensichtlich bewirken allein schon thermische Spannun gen im Schichtsystem Al/Al₂O₃/Al eine gewisse Ausfall wahrscheinlichkeit der Isolation.

Reines Kupfer als Elektrodenmaterial ist nicht geeignet, weil es die Al₂O₃-Isolationsschicht während der Tempera turbehandlung kurzschließt, indem es die internen Korn grenzen der mikrokristallinen Schicht benetzt.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun de, eine Metallschichtanordnung für Dünnschichthybrid schaltungen der eingangs genannten Art anzugeben, die zur Bildung von Elektroden und/oder Leiterbahnen gut geeignet und dabei keinem Hillockwachstum unterworfen ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins besondere darin, daß es durch die additive Kupferdotie rung nicht zu einer allmählichen Entmischung, also zu Konzentrationsänderungen des Kupfers kommen kann. Die Schichtdicke des Aluminiums kann nach Bedarf, d. h. je nach geforderter Leitfähigkeit (Niederohmigkeit) gewählt werden, muß also nicht zur Vermeidung von Hillockwachs tum kleingehalten werden; die Kupferkonzentration im Aluminium wird durch proportionale Anpassung der Kupfer schichtdicke konstant gehalten. Die positive Auswirkung der Kupferdotierung auf die Verminderung von Elektro migration (= Massentransport infolge des Durchganges von Gleichstrom hoher Stromdichte durch elektrisch leitendes Material) wird gleichzeitig erreicht.

Die Metalle Aluminium und Kupfer werden ohnehin im Her stellungsprozeß für Hybridschaltkreise in additiver Dünnschichttechnik benötigt, so daß vorteilhaft kein zusätzlicher Aufwand durch die vorgeschlagene Metall schichtanordnung entsteht. Aluminium und Kupfer sind darüber hinaus preiswert und leicht beschaffbar. Für die Kupferdotierung sind auch keine zusätzlichen Masken not wendig.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich nungen dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Dünnschichtkondensa tor,

Fig. 2 einen zur Fig. 1 alternativen Schichtaufbau der Metallschichtanordnung,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Dünnschicht-Leiter bahnkreuzung,

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Dünnschicht-Leiterbahn kreuzung.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Dünnschichtkon densator dargestellt. Es ist ein Substrat 1 (Keramik- oder Glassubstrat) zu erkennen, auf dem ganzflächig eine Grundoxidschicht 2 aufgebracht ist, z. B. mittels Sput tern oder Aufdampfen. Als Material für die Grundoxid schicht 2 dient z. B. Al₂O₃. In additiver Dünnschicht technik wird anschließend eine Aluminiumschicht 3 als untere Elektrode eines Dünnschichtkondensators durch Masken aufgedampft. Danach erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt das Aufdampfen einer dünnen Kupfer schicht 4 durch die gleiche Maske, die schon für die Aluminiumschicht 3 verwendet wurde. Die Schichtdicke richtet sich dabei nach der gewünschten Cu-Konzentration (z. B. 5%, d. h. d _Cu = 0,05 d _Al), d _Cu = Schichtdicke der Kupferschicht, d _Al = Schichtdicke der Aluminiumschicht.

Hieran schließt sich ein weiterer Aufdampfprozeß über eine Maske an, bei dem eine Dielektrikumschicht 5 teil weise auf die Metallschichtanordnung 3/4 und teilweise auf die Grundoxidschicht 2 aufgebracht wird. Nachfolgend werden zur Ausbildung einer oberen Elektrode des Dünn schichtkondensators zuerst eine zweite Kupferschicht 6 und anschließend eine zweite Aluminiumschicht 7 über die jeweils gleiche Maske aufgedampft. In einem abschließen den Aufdampfprozeß wird eine Abdeckoxidschicht 8 (Passi vieroxidschicht), vorzugsweise aus Al₂O₃, ganzflächig oder lediglich teilweise über eine Maske aufgebracht.

Nachfolgend wird die Schaltung bei einer Temperatur T 300°C getempert. Beim Tempern diffundieren die Kup ferschichten 4 bzw. 6 in die Aluminiumschichten 3 bzw. 7 ein, ohne dabei die Dielektrikumschicht 5 zu zerstören. Durch die Abdeckoxidschicht 8 wird dabei eine Oxidation der Metallschichtanordnung, insbesondere der Kupfer schichten, verhindert.

Die Ausbeute von Dünnschichtkondensatoren mit dem be schriebenen Elektrodensystem beträgt auch nach extremer Temperung (z. B. 2 Stunden bei 450°C) absolut 100%.

In Fig. 2 ist ein zur Fig. 1 alternativer Schichtauf bau der Metallschichtanordnung dargestellt. Bei dieser Variante sind die Kupferschichten 4 bzw. 6 nicht auf oder unter die Aluminiumschichten aufgedampft, sondern vielmehr in die jeweiligen Aluminiumschichten direkt eingebunden, d. h. die Aluminiumschichten 3 bzw. 7 der Anordnung gemäß Fig. 1 sind in jeweils zwei Al-Teilschichten 3 a, 3 b bzw. 7 a, 7 b aufgeteilt und zwischen diesen Al-Teilschichten befindet sich jeweils die Kupferschicht 4 bzw. 6. Der Vorteil dieser alternativen Metallschichtanordnung liegt darin, daß die Kupferschichten nicht mit den Isolationsschichten, wie Dielektrikumschicht 5 (oder Crossover-Oxidschicht 15 gemäß Fig. 3) in Berührung kommen und diese deshalb auch nicht intern benetzen können. Die Al-Teilschichten 3 a, 3 b bzw. 7 a, 7 b können dabei jeweils von gleicher oder unterschiedlicher Stärke sein.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Dünnschicht- Leiterbahnkreuzung dargestellt. Es ist ein Substrat 11 (Keramik- oder Glassubstrat) zu erkennen, auf dem ganz flächig eine Grundoxidschicht 12 (vorzugsweise aus Al₂O₃) aufgebracht ist, z. B. mittels Sputtern oder Aufdampfen. Anschließend wird eine Aluminiumschicht 13 (0,5 µm) als untere Leiterbahn einer Dünnschicht-Leiterbahnkreu zung durch Masken aufgedampft. Danach erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt das Aufdampfen einer dünnen Kupferschicht 14 durch die gleiche Maske, die schon für die Aluminiumschicht 13 verwendet wurde.

Hieran schließt sich ein weiterer Aufdampfprozeß über eine Maske an, bei dem eine Crossover-Oxidschicht 15, vorzugsweise Al₂O₃ oder Aufdampfglas, als Isolations schicht im Leiterbahn-Kreuzungsbereich auf die Metall schichtanordnung 13/14 aufgebracht wird. Nachfolgend werden zur Ausbildung einer oberen Leiterbahn zuerst eine zweite Kupferschicht 16 und anschließend eine zwei te Aluminiumschicht 17 über die jeweils gleiche Maske im mittleren Bereich der Crossover-Oxidschicht 15 aufge dampft. In einem abschließenden Aufdampfprozeß wird eine Abdeckoxidschicht 18 (Passivieroxidschicht), vorzugswei se aus Al₂O₃, ganzflächig oder lediglich teilweise über eine Maske aufgebracht.

Nachfolgend wird die Schaltung bei einer Temperatur von T 300°C getempert. Durch die Abdeckoxidschicht 18 wird dabei eine Oxidation der Metallschichtanordnung, insbesondere der Kupferschichten, verhindert. Beim Tem pern diffundieren die Kupferschichten 14 bzw. 16 in die Aluminiumschichten 13 bzw. 17, ohne dabei die Cross over-Oxidschicht 15 zu zerstören.

Alternativ zur Anordnung gemäß Fig. 3 kann auch eine Dünnschicht-Leiterbahnkreuzung aus Al-Teilschichten 13 a, 13 b bzw. 17 a, 17 b anstelle der Al-Schichten 13 bzw. 17 aufgebaut sein, wobei jeweils zwischen der Al-Teilschichten die Kupferschichten 14 bzw. 16 angeord net sind, wie in Fig. 2 angedeutet.

Der spezifische Widerstand der Cu-dotierten Al-Leiter bahnen ist bei allen Varianten lediglich um wenige Pro zent höher als der von reinen Al-Leiterbahnen. Dieser Verlust ist leicht durch geringfügige Schichtdickenerhö hung der Aluminiumschichten 13 und 17 auszugleichen, wo bei die Schichtdicken der Kupferschichten proportional hierzu anzupassen sind, um eine konstante Kupferkonzen tration zu erzielen.

In Fig. 4 ist eine Aufsicht auf eine Dünnschicht- Leiterbahnkreuzung dargestellt. Es sind die durch die Metallschichtanordnung 13/14 gebildete untere Leiter bahn, die Crossover-Oxidschicht 15 und die durch die Me tallschichtanordnung 16/17 gebildete obere Leiterbahn zu erkennen.

Die beschriebenen Aufdampfprozesse erfolgen vorzugsweise im Vakuum. Das Verhältnis der Schichtdicken d _Al : d _Cu beträgt etwa 20, ist jedoch prinzipiell frei wählbar und jederzeit optimierbar und bestimmt das Verhältnis Al : Cu in der getemperten Elektrode oder Leiterbahn. Die Kupferschicht ist dabei entweder zwischen der Alumi niumschicht und der Isolationsschicht (= Dielektrikumschicht 5, Crossover-Oxidschicht 15) auf zubringen oder in die jeweilige Aluminiumschicht einzu binden (Al/Cu/Al); der Endzustand, d. h. die Cu-Vertei lung im Aluminium ist nach Temperung in beiden Fällen gleich. Vorteilhaft kann es durch die additive Kupferdo tierung von Aluminiumschichten nicht zu einer allmähli chen Entmischung, also zu Konzentrationsänderungen des Kupfers kommen.

Claims

1. Metallschichtanordnung zur Bildung von Elektro den und/oder Leiterbahnen in Dünnschichthybridschaltun gen unter Verwendung von Aluminium und Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichtanordnung aus min destens einer Aluminiumschicht (3, 7, 13, 17) und einer Kupferschicht (4, 6, 14, 16) besteht, wobei die Schichtdicke der Aluminiumschicht etwa um den Faktor 20 stärker als die Schichtdicke der Kupferschicht ist.

2. Metallschichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht (4, 6, 14, 16) zwi schen zwei Teilschichten (3 a, 3 b, 7 a, 7 b, 13 a, 13 b, 17 a, 17 b) aus Aluminium eingeschlossen ist.

3. Metallschichtanordnung nach Anspruch 1, wobei zusätzlich eine Isolationsschicht vorgesehen ist, da durch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht (4, 6, 14, 16) zwischen der Aluminiumschicht (3, 7, 13, 17) und der Isola tionsschicht (5, 15) aufgebracht ist.

4. Metallschichtanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht aus Al₂O₃ be steht.

5. Metallschichtanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht auf Aufdampf glas besteht.

6. Metallschichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtschaltung zum Eindiffundieren der Kupferschicht in die Aluminium schicht bei einer Temperatur 300°C getempert wird.