EP1190446A1 - Bauteil und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Bauteil und verfahren zu dessen herstellung

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EP1190446A1
EP1190446A1 EP00934843A EP00934843A EP1190446A1 EP 1190446 A1 EP1190446 A1 EP 1190446A1 EP 00934843 A EP00934843 A EP 00934843A EP 00934843 A EP00934843 A EP 00934843A EP 1190446 A1 EP1190446 A1 EP 1190446A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
copper
deposited
temperature
aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00934843A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen RAMM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inficon GmbH
Original Assignee
Unaxis Balzers AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Unaxis Balzers AG filed Critical Unaxis Balzers AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L2924/207—Diameter ranges
    • H01L2924/20752—Diameter ranges larger or equal to 20 microns less than 30 microns

Definitions

  • the present invention relates in particular to the field of the semiconductor industry and in particular to the area "assembling and packaging (A + P)".
  • the present invention is based on the object of proposing a component with at least one connection of a metal part at least essentially made of copper with a second part made of a metal, which connection is mechanically and electrically perfect, and a method for producing such components.
  • components according to the invention are distinguished according to the wording of claim 1 or 2.
  • Preferred embodiments of these components are specified in claims 3 to 12.
  • the object is achieved in that the copper part or parts - provided two copper parts are to be bonded - are provided with a layer which is stable at a temperature of at least 80 ° C. and which is furthermore at this temperature forms an oxygen diffusion barrier, at least approximated to an aluminum oxide layer on aluminum, if not better, that forms in a normal environment, and that the parts are bonded, while heating to at least the temperature mentioned, according to claim 13.
  • the further preferred Embodiments also apply, analogously, to the components according to the invention.
  • a layer is provided for this purpose, which is preferably stable at a temperature of at least 100 ° C., preferably of at least 150 ° C., preferably up to at least 200 ° C., particularly preferably even up to at least 300 ° C. whereby the bonding is continued with heating to at least the temperature mentioned.
  • this does not mean that if the layer is stable even at a high temperature, for example of 350 ° C, bonding must also be carried out at this temperature.
  • the bonding can be carried out at lower temperatures, but at least at 80 ° C, preferably at least 150 ° C, more preferably at least 200 ° C.
  • a layer is provided which, in terms of mechanical and thermal properties and in terms of oxygen diffusion behavior, is at least approximated, if not better, to an aluminum oxide layer which forms on aluminum in a normal environment.
  • the second part can also be at least essentially made of copper and, as mentioned, is provided with a layer, or it preferably consists essentially of gold or aluminum.
  • At least one of the parts is preferably designed as a wire and used as "wire bonding" bonding.
  • the layer mentioned is also provided as an electrically conductive or an electrically insulating layer. Their property in this regard can certainly be exploited, i.e. the layer can be used as an insulation or conductor layer.
  • the following materials or mixtures thereof are preferably suitable as the material of the layer mentioned: a) SiO x with 1.5 ⁇ x ⁇ 2, preferably with 1 x ⁇ 2,
  • This provision includes the depositing of a layer and, if appropriate, an aftertreatment of this deposited layer, so that the resulting intended layer results from the deposited layer and subsequently subjected to the aftertreatment.
  • a layer is preferably deposited by a vacuum coating method, such as e.g. by a CVD, a PVD, a PECVD, a PEPVD process or by plasma polymerization.
  • a vacuum coating method such as e.g. by a CVD, a PVD, a PECVD, a PEPVD process or by plasma polymerization.
  • the layer is preferably deposited with a thickness d of at least 1.5 nm, preferably of at least 2.0 nm, in particular in one area
  • the thickness of the layer is limited downwards in particular by the demands placed on it as an oxygen diffusion barrier. Towards the top, the thickness to be provided is primarily limited by the breaking ability of the bonding to be carried out.
  • the layer is further proposed X-ray amorphous or glassy. This requirement also sets a lower limit for the layer thickness d, which must therefore not be designed as an atomic monolayer or would then no longer be oxygen-tight.
  • the layer can consist of a material with an oxygen getter effect, for example of a hypoechiometric oxide, in particular of SiO x with x ⁇ 2.
  • the layer provided with regard to its conductivity on the coated part can also be used as a functional layer, ie as a conductor layer or insulation layer.
  • the layer mentioned is provided by depositing a layer and then treating it afterwards by treatment in a nitrogen plasma and / or by treatment in a normal atmosphere.
  • This procedure is particularly suitable for depositing a layer of SiO 2 , preferably on a cleaned copper surface, and for performing the aftertreatment in a nitrogen plasma.
  • the Si0 2 layer is preferably deposited by sputtering.
  • the provision of the layer comprises depositing a layer and aftertreatment of this layer
  • a layer of Si be deposited, again preferably by sputtering and the aftertreatment by treatment Normal atmosphere, preferably a thermal.
  • the thickness d of the deposited and subsequently through-oxidized layer is further preferably selected
  • FIG. 2 schematically shows a bond connection provided on a component according to the invention.
  • Wafers coated with copper served as the starting substrate for the experiments. Copper layer thicknesses of 500 nm and 1000 nm were used.
  • the thinner copper layers in the range of 500 nm were deposited by sputtering, the thicker electrolytically deposited the.
  • the copper surface was cleaned in a hydrogen plasma. It was found, however, that this surface cleaning did not lead to an increase in the tensile strength compared to wafers, where, with an identical coating, no cleaning was carried out. Therefore, the need for early cleaning cannot be proven experimentally.
  • it should be borne in mind that under production conditions the copper surfaces are exposed to a wide variety of environmental conditions, and that it is most likely entirely advantageous to precede the mentioned cleaning step before the actual deposition of the layer according to the invention, either in order to create the same initial conditions for the coating.
  • Table 1 shows the results for the eight specified hard layer materials No. 1 to No. 8, each with two layer thicknesses, and examined at the bond temperatures of 40 ° C. and 200 ° C. It can be seen that at bond temperatures of 200 ° C, which is sought for the reasons given above, only Si0 2 , Si 3 N 4 or Ta 4 5Si ⁇ 5 N 4 o and TiN leads to bondability. It is also striking that layer thicknesses in the range of 3 nm tend to give better bondability than higher layer thicknesses.
  • these also include TiN, further SiO x (substoichiometric silicon oxide) aluminum oxide (preferably substoichiometric), TiSiN, TaN, WSiN, ReO, PdO, ZrO, YO , ZrN, NbN, VN, optionally also CuN.
  • the effect of the layer material as an oxygen diffusion barrier can be increased by using substoichiometric SiO x or basically a material with an oxygen getter effect, for example a substoichiometric oxide.
  • Table 3 shows the resulting tensile strengths of the resulting bond connections according to Experiments Nos. 1, 7 and 4.
  • the copper surface is covered with a thin metallic
  • Layer e.g. coated with Al, Si, Cr etc. and then oxidized through in the atmosphere, possibly with heating, to form a dense diffusion barrier against oxidation of the copper.
  • the layer is formed thin enough that it is completely oxidized and there is no residual metal left to form an intermetallic connection with the copper. This is achieved with metallic layer thicknesses of 3 nm to 10 nm, preferably from 4 nm to 6 nm.
  • the present invention continues to ensure the use of existing standard equipment for wire bonding for copper technology, eg in chip production. This equipment works with bond temperatures well above 80 ° C.

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Abstract

Ein Substrat (1) ist mit einer überwiegend aus Kupfer bestehenden Schicht (2) versehen. Ein durch Bonden und Bilden einer intermetallischen Verbindung mit der Kupferschicht (2) verbundener Draht (3) ist vorgesehen. Dabei ist eine auf der überwiegend aus Kupfer bestehenden Schicht (2) aufgebrachte Hartschicht (5) im Bondbereich aufgebrochen. Die Hartschicht, die bei einer Temperatur von mindestens 80 DEG C stabil ist, wirkt bei dieser Temperatur als Sauerstoff-Diffusionsbarriere und wirkt genähert wie eine an Normalumgebung sich bildende Aluminiumoxidschicht auf Aluminium.

Description

Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Halbleiterindustrie und darin besonders den Bereich "Assembling and Packaging (A+P) " .
Allerdings ist zu betonen, dass sich die vorliegende Erfindung auch auf anderen Technologiebereichen einsetzen lässt, bei denen erwünscht ist, elektrische Bondverbindungen an Kupferoberflächen zu realisieren.
Wird mithin die Problematik, von welcher die vorliegende Erfin- düng ausgeht, mit Blick auf die Halbleiterindustrie geschildert und eine diesbezüglich Lösung vorgeschlagen, so ist dies nicht technologiemässig einschränkend zu verstehen. Dieselben Probleme treten durchaus in anderen Technologien auf, und die vorgeschlagenen Lösungswege sind auch dort einsetzbar.
In der Halbleiterindustrie ist es verbreitet, Teile, wovon mindestens eines üblicherweise ein Draht ist, durch Bonden bzw. sogenanntes "Wire Bonding" zu verbinden, wobei mindestens eines der Teile aus Aluminium besteht. Das "Wire Bonding" von Teilen, wovon das eine aus Aluminium besteht, mit bekanntlich an Nor- malatmosphare gebildeter Aluminiumoxydschicht, wird beherrscht. Zum Erstellen einer guten intermetallischen Verbindung, beispielsweise zwischen Aluminium und Gold - zur Sicherstellung geringstmδglicher elektrischer Widerstände, reproduzierbarer, über die Zeit stabiler, elektrisch und mechanisch zuverlässiger Verbindungen - ist es dabei notwendig, das Bonden unter Erhitzen der Teile auf mindestens 80°C, bevorzugt höher, zu realisieren.
Bekanntlich ist aber Aluminium bezüglich seiner elektrischen Leitfähigkeit nicht ein Metall erster Wahl.
Aufgrund der wesentlich besseren elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer und, damit einhergehend, der bei gegebenen elektrischen Verhältnissen dadurch möglichen geringeren Dimensionierung stromleitender Teile, insbesondere von metallischen Leiterbahnen auf den Chips, aber auch der Drähte und deren Kontaktstellen, besteht insbesondere in der Halbleiterindustrie ein gros- ses Bedürfnis, mit stromführenden Kupferteilen gebondete, elektrische Kontaktübergänge einzusetzen, wie sich aus Terrence Thompson, "Copper IC Interconnect Uptdate", HDI, Vol. 2, No. 5, Mai 1999, S. 42 ergibt.
Probleme, welche sich beispielsweise bei Kupfer/Gold-wire-bond- Systemen ergeben, sind in George G. Harmann, "Wire Bonding in Microelectronics" , McGraw-Hill, 1997, S. 138 bis 140, erläutert .
Im nämlichen Werk, S. 171, ist dabei ausgeführt, warum das Bonden von Aluminium relativ problemlos ist, nämlich, weil sich daran eine harte, brüchige Oxydschicht bildet, welche durch das Bonden aufgebrochen wird. Demgegenüber würden weichere Oxyde, wie Kupfer- und Nickeloxyde, die Bondfähigkeit reduzieren.
Grundsätzlich geht es aus Tabelle 1-3, "Reversing the Bonded Metallurgical Interface", S. 128 dieses Werkes, hervor, dass harte Oxyde auf weichen Metallen das Bonden erleichtern. Dies steht im Einklang mit den Ausführungen auf S. 197, 198, wonach erstellt sei, dass während des Bondens brüchige Filme aufbrächen und in "Abfallzonen" gespült würden, was die Erstellung zufriedenstellender Ultraschall- und thermionischer Bondverbin- düng durch relativ dicke Schichten erlaube. Die Bondabilität durch 2,5 nm CVD-abgelegten Oxyds sei unverändert, verglichen mit der Bondabilität reiner Kontaktpads .
Zusammengefasst kann bezüglich der Halbleiterindustrie ausgeführt werden, dass der Übergang von Aluminium zu Kupfer bei den Leiterbahnen eine weitere Miniaturisierung der Chips ermöglicht. Der Fertigungsprozess von Chips mit Kupferleiterbahnen wird beherrscht. Schwierigkeiten treten erst auf, wenn - wie oben erläutert - Bondverbindungen von Kupferkontakten des Chips zum "chip carrier" realisiert werden (Wire Bonding, flip-chip- Technik) sollten. Im Gegensatz zu dem sich auf Aluminium bildenden Aluminiumoxyd, welches eine harte, dünne Sauerstoffsper- rende Schicht ist, die das darunterliegende Metall vor weiterer Oxidation oder Kontamination bei den üblichen Temperaturen während des Wire Bondings schützt, ist Kupferoxyd weich und erlaubt weder den plötzlichen Durchbruch beim Bonden, wie das Aluminiumoxyd, wodurch auch eine flussmittelfreie Schweiss- oder Lδtverbindung erstellt werden kann, noch bildet es eine Sauerstoff-Diffusionssperre, insbesondere nicht bei Bondtemperatur.
Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Bauteil mit mindestens einer Verbindung eines mindestens im wesentli- chen aus Kupfer bestehenden Metallteiles mit einem zweiten Teil aus einem Metall vorzuschlagen, welche Verbindung mechanisch und elektrisch einwandfrei ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile. Hierzu zeichnen sich erfindungs- gemässe Bauteile nach dem Wortlaut von Anspruch 1 oder 2 aus . Bevorzugte Ausführungsformen dieser Bauteile sind in den Ansprüchen 3 bis 12 spezifiziert.
Am erfindungsgemässen Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass man den oder die Kupferteile - sofern zwei Kupferteile durch Bonden zu verbinden sind - mit einer Schicht ver- sieht, die bei einer Temperatur von mindestens 80°C stabil ist und die im weiteren bei dieser Temperatur eine Sauerstoff- Diffusionsbarriere bildet, mindestens genähert so wie eine an Normalumgebung sich bildende Aluminiumoxydschicht auf Aluminium, wenn nicht gar besser, und dass man die Teile mittels Bon- den verbindet, unter Erhitzung auf mindestens die erwähnte Temperatur, gemäss Anspruch 13. Die weiteren bevorzugten Ausführungsformen gelten, sinngemäss, auch für die erfindungsgemässen Bauteile . Dem Wortlaut von Anspruch 14 folgend, wird eine Schicht hierzu vorgesehen, die bevorzugterweise bei einer Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 150°C, vorzugsweise bis mindestens 200°C, stabil ist, insbesondere bevorzugt gar bis mindestens 300°C, wobei man das Bonden weiterhin unter Erhitzung auf mindestens die erwähnte Temperatur vornimmt. Dies heisst aber nicht, dass, wenn die Schicht auch bei hoher Temperatur z.B. von 350°C stabil ist, Bonden auch bei dieser Temperatur durchzuführen ist. Das Bonden kann durchaus bei tieferen Temperaturen erfolgen, mindestens aber bei 80°C, vorzugsweise mindestens bei 150°C, weiter bevorzugt bei mindestens 200°C.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht man eine Schicht vor, die bezüglich mechanischer und thermischer Eigenschaften sowie bezüglich Sauerstoff-Diffusionsverhalten mindes- tens genähert mit einer an Normalumgebung sich auf Aluminium bildenden Aluminiumoxydschicht gleich- wenn nicht besserwirkend ist.
Dabei kann gemäss Wortlaut von Anspruch 16 der zweite Teil ebenfalls mindestens im wesentlichen aus Kupfer sein und wird entsprechend wie erwähnt mit einer Schicht versehen, oder er besteht bevorzugt im wesentlichen aus Gold oder Aluminium.
Mit Blick auf das bevorzugte Einsatzgebiet, nämlich die Halbleitertechnik, wird gemäss Wortlaut von Anspruch 17 bevorzugterweise mindestens einer der Teile als Draht ausgebildet und als Bonden "Wire Bonding" eingesetzt.
Im weiteren wird - je nach Einsatzgebiet - die erwähnte Schicht als elektrisch leitende oder als elektrisch isolierende Schicht vorgesehen. Ihre diesbezügliche Eigenschaft kann durchaus ausgenützt werden, d.h. die Schicht als Isolations- bzw. Leiter- schicht eingesetzt werden.
Es eignen sich bevorzugt folgende Materialien bzw. Mischungen davon als Material der erwähnten Schicht: a) SiOx mit 1,5 < x < 2, bevorzugt mit 1 x < 2,
b) Ta SiN, bevorzugt TaxSiyNz mit
35 < x < 55 12 < y < 18 32 < z < 48, mit x + y + z = 100, insbesondere bevorzugt
c) TiN
d) A10
e) TiSiN
f ) TaN
g) SiN, bevorzugt Si3N4
h) WSiN
i) ReO
k) PdO
1) ZrO
m) YO
n) ZrN
o) NbN
p) VN
q) gegebenenfalls CuN.
An dieser Stelle ist auf einen wesentlichen Sachverhalt hinzuweisen. Im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens wird, wie erwähnt wurde, eine Schicht auf dem oder den Kupferteilen vor- gesehen. Dieses Vorsehen beinhaltet das Ablegen einer Schicht und ggf. eine Nachbehandlung dieser abgelegten Schicht, so dass sich die resultierende vorgesehene Schicht aus der abgelegten und nachmals der Nachbehandlung unterzogenen Schicht ergibt .
Demnach wird zum Vorsehen der erwähnten Schicht eine Schicht bevorzugterweise durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren abgelegt, wie z.B. durch ein CVD-, ein PVD- , ein PECVD- , ein PEPVD- Verfahren oder durch Plasmapolymerisation.
Es muss mithin ggf . unterschieden werden zwischen einer durch einen Beschichtungsvorgang abgelegten Schicht und der unter
Mitberücksichtigung einer Nachbehandlung resultierenden erfin- dungsgemäss vorgesehenen Schicht .
Im weiteren wird, je nach Vorgeschichte des beteiligten, im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Teiles, vorgeschlagen, dieses vor Ablegen der Schicht zu reinigen, dabei bevorzugterweise durch eine Behandlung in einem Wasserstoffplasma oder in einem Wasserstoff-Stickstoff-Plasma.
Im weiteren wird bevorzugt die Schicht mit einer Dicke d von mindestens 1,5 nm abgelegt, bevorzugt von mindestens 2,0 nm, insbesondere in einem Bereich
2,0 nm < d < 15 nm, dabei insbesondere mit
2, 5 nm < d < 3, 5 nm.
Nach unten wird die Dicke der Schicht insbesondere durch die an sie gestellten Forderungen als Sauerstoff-Diffusionsbarriere limitiert. Gegen oben ist die vorzusehende Dicke vornehmlich durch die Aufbruchfähigkeit des vorzunehmenden Bondens begrenzt .
Um die geforderte Schichtwirkung als Sauerstoff-Diffusionsbarriere zu optimieren, wird weiter vorgeschlagen, die Schicht rδntgenamorph bzw. glasartig auszubilden. Auch diese Forderung legt eine untere Grenze für die Schichtdicke d fest, die somit nicht als atomare Monolage ausgebildet sein darf bzw. dann nicht mehr Sauerstoffdicht wäre. Im weiteren kann die Schicht aus einem Material mit Sauerstoff-Getterwirkung bestehen, z.B. aus einem unterstδchiometrischen Oxyd, insbesondere aus SiOx mit x < 2.
Mit Blick auf die Möglichkeit, die erfindungsgemäss vorgesehene Schicht elektrisch leitend oder elektrisch isolierend auszubil- den, ergibt sich auch die Gelegenheit, diese eigentlich aus
Gründen der Bondbarkeit vorgesehene Schicht auch bezüglich ihrer Leitfähigkeit am beschichteten Teil als Funktionsschicht, also als Leiterschicht oder Isolationsschicht, einzusetzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge- mässen Verfahrens wird die erwähnte Schicht dadurch vorgesehen, dass man eine Schicht ablegt und diese danach durch eine Behandlung in einem Stickstoffplasma und/oder durch eine Behandlung an Normalatmosphäre nachbehandelt . Dieses Vorgehen eignet sich insbesondere dafür, eine Schicht aus Si02 abzulegen, vor- zugsweise auf eine gereinigte Kupferoberfläche, und die Nachbehandlung in einem Stickstoffplasma vorzunehmen. Bevorzugterweise wird dabei die Si02-Schicht durch Sputtern abgelegt.
Im Rahmen der eben erwähnten einen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem das Vorsehen der Schicht Ablegen einer Schicht und Nachbehandlung dieser Schicht umfasst, wird weiter vorgeschlagen, dass man eine Schicht aus Si ablegt, wiederum bevorzugterweise durch Sputtern und die Nachbehandlung durch eine Behandlung an Normalatmosphäre vornimmt, bevorzugt eine thermische.
Weiterhin im Rahmen der erwähnten bevorzugten Verfahrensausführung, nämlich Ablegen und Nachbehandeln einer Schicht, wird vorgeschlagen, eine metallische Schicht abzulegen und sie an- schliessend durchzuoxidieren. Dies erfolgt bevorzugterweise, indem man das Durchoxidieren durch entsprechende Wahl der abgelegten Schichtdicke und/oder der Temperatur für das Oxidieren und/oder der Atmosphäre während dem Oxidieren steuert .
Dabei wird weiter bevorzugt die Dicke d der abgelegten und nachmals durchoxidierten Schicht gewählt zu
3 nm < d < 10 nm,
dabei bevorzugterweise
4 nm < d < 6 nm
und das Durchoxidieren an Normalatmosphäre gegebenenfalls unter Aufheizen vorgenommen.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Versuchen und deren Ergebnissen dargestellt sowie anhand von Figuren.
Es zeigen:
Fig. 1 Die Abhängigkeit von Schichtdicke und Zugbelastbarkeit einer Bondverbindung durch eine erfindungsgemäss vorgesehene Si02-Schicht , aufgebracht an einer 1 um dicken elektrolytisch abgelegten Kupferschicht bzw. an einer 500 nm dicken gesputterten Kupferschicht, und
Fig. 2 schematisch eine an einem erfindungsgemässen Bauteil vorgesehene Bondverbindung.
Als Ausgangssubstrat für die Versuche dienten mit Kupfer beschichtete Wafer. Es wurden Kupferschichtdicken von 500 nm und 1000 nm eingesetzt.
Die dünneren Kupferschichten im Bereich von 500 nm wurden mittels Sputtern abgelegt, die dickere elektrolytisch abgeschie- den. Bei einigen Experimenten wurde eine Reinigung der Kupferoberfläche in einem Wasserstoffplasma durchgeführt. Dabei ergab sich aber, dass diese Oberflächenreinigung nicht zu einer Erhöhung der Zugbelastbarkeit im Vergleich zu Wafern führte, bei denen, bei identischer Beschichtung, keine Reinigung vorgenommen wurde. Mithin ist die Notwendigkeit einer vorgezogenen Reinigung experimentell nicht belegbar. Allerdings ist zu bedenken, dass unter Produktionsbedingungen die Kupferoberflächen verschiedensten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, und dass es höchstwahrscheinlich durchaus vorteilhaft ist, vor der eigentlichen Abscheidung der erfindungsgemässen Schicht, den erwähnten Reinigungsschritt vorzuschalten, und sei es, um jedenfalls gleiche Anfangsbedingungen für das Beschichten zu schaffen.
Es wurde eine Vielzahl verschiedener Materialien mit unterschiedlichen Schichtdicken untersucht und jeweils, bei unterschiedlichen Bonding-Temperaturen, Golddrähte mit einem Durchmesser von 1.0 mil aufgebondet .
Tabelle 1
Schicht (Dicke in nm)
v... bondbar (v)... beschränkt bondbar nicht bondbar
Tabelle 1 zeigt die Resultate für die acht angegebenen Hart- schichtmaterialien Nr. 1 bis Nr. 8 je bei zwei Schichtdicken und untersucht bei den Bond-Temperaturen von 40°C und 200°C. Es ist ersichtlich, dass bei Bond-Temperaturen von 200°C, was aus oben angegebenen Gründen angestrebt wird, nurmehr Si02, Si3N4 bzw. Ta45Siι5N4o und TiN zu Bondfähigkeit führt. Augenfällig ist auch, dass Schichtdicken im Bereich von 3 nm tendenziell die bessere Bondabilität ergeben als höhere Schichtdicken. Bei Temperaturen unter 60°C, bei denen die Kupferoxidation noch keine Rolle spielt, scheint lediglich die Schichthärte in Verbindung mit ihrer Dicke d entscheidend zu sein: Die Schicht darf dabei nicht zu dick sein, weil sie sonst beim Wire-Bonden nicht durchbrochen werden kann. Bei höheren Temperaturen über 80°C entsteht das weiche, schmierige Kupferoxyd, und es genügt eine bloss brüchige, harte Schicht entsprechender Dicke nicht mehr. Die Schicht muss die Oxidation des Kupfers bei Bonding-Temperaturen wirksam verhindern, womit, bei höheren Temperaturen, die Wirkung der erfindungsgemäss aufgebrachten Schicht als Sauerstoff-Diffusionsbarriere zunehmend wichtig wird. In Tabelle 2 sind die Abscheideprozesse und die wesentlichen Prozessbedingungen für die Schichten Nr. 1 bis 8 gemäss Tabelle 1 zusammengestellt .
Tabelle 2
Tabelle 3
Anschliessend wurden Abzugstests an den erfolgreich gebondeten Verbindungen mit den Schichten Nr. 1, 4 und 7 gemäss Tabelle 1 vorgenommen.
Aus den Resultaten geht hervor, dass nur jene Schichten ein gu- tes mechanisches Verhalten aufweisen, die bei der eingesetzten Bond-Temperatur, die jedenfalls über 80°C liegt, wie gezeigt 200°C beträgt, stabil sind. Geeignet sind vor allem Schichten, die stabil amorph (rδntgenamorph mit Kristallgrössen < 3 nm) sind und bei den erwähnten Temperaturen vorzugsweise gar bis 300°C stabil bleiben. Hierzu gehören nebst den Materialien Nr. 1, 4, 7, 8 von Tabelle 1 auch TiN, weiter SiOx (unterstδchio- metrisches Siliziumoxyd) Aluminiumoxyd (bevorzugt unterstδchio- metrisch) , TiSiN, TaN, WSiN, ReO, PdO, ZrO, YO, ZrN, NbN, VN, gegebenenfalls auch CuN.
Durch Einsatz von unterstδchiometrischem SiOx bzw. grundsätzlich eines Materials mit Sauerstoff-Getterwirkung, z.B. eines unterstδchiometrischen Oxydes, kann die Wirkung des Schichtmaterials als Sauerstoff-Diffusionsbarriere erhöht werden.
In Tabelle 3 sind die resultierenden Zugbelastbarkeiten der re- sultierenden Bondverbindungen gemäss den Experimenten Nr. 1, 7 und 4 zusammengestellt .
In Figur 1 ist in Funktion der abgelegten Schichtdicke für eine Si02-Schicht, bei Bonden bei einer Temperatur von 200°C, in Abhängigkeit von der Schichtdicke d die resultierende Abzugsbe- lastbarkeit aufgetragen von einer Kupferschicht von 1000 nm und einer von 500 nm. Es ist ersichtlich, dass bei kleinen Schichtdicken der Hartschicht offensichtlich die resultierende Bondverbindung optimal und im wesentlichen unabhängig von Variationen von d und der Kupferschichtdicke wird. Durch Ablegen gesputterter Si02-Schichten auf gereinigte Kupfermetallisierungen wurden bis ca. 180°C wirksame Diffusionsbarrieren geschaffen. Wurden die erwähnten Si02-Schichten zusätzlich nachträglich in Stickstoffplasma behandelt, ergab sich eine Diffusionsbarrierenwirkung bis ca. 250°C.
Für gesputterte Si-Schichten auf der Kupfermetallisierung wurde bei anschliessendem Hochheizen der abgelegten Schicht an Normalatmosphäre eine Diffusionsbarrierenwirkung bis ca. 200°C erzielt.
Wird die Kupferoberfläche mit einer dünnen metallischen
Schicht, so z.B. aus AI, Si, Cr etc. beschichtet und diese dann an Atmosphäre, ggf. unter Aufheizung, durchoxidiert, so bildet sich eine dichte Diffusionsbarriere gegenüber einer Oxidation des Kupfers . Dabei wird die Schicht dünn genug ausgebildet, dass sie vollständig durchoxidiert und kein Restmetall übrig bleibt, um mit dem Kupfer eine intermetallische Verbindung einzugehen. Dies wird erreicht bei metallischen Schichtdicken von 3 nm bis 10 nm, dabei bevorzugt von 4 nm bis 6 nm.
In Fig. 2 ist schematisch ein Bondverbindungsbereich an einem erfindungsgemässen Bauteil dargestellt, darin bezeichnen:
1 : ein Substrat
2 : eine Schicht mindestens überwiegend aus Kupfer
3 : ein durch Bonden und Bilden einer intermetallischen Verbindung bei 4 mit der Kupferschicht 2 verbundener weiterer Teil, insbesondere Draht
5 : die durch den Bondvorgang aufgebrochene erfindungsgemäss vorgesehene Hartschicht im Bereich der erstellten Bondverbindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird auch weiterhin die Nutzung bestehenden Standard Equipments für Wire Bonding sichergestellt für Kupfertechnologie, z.B. bei der Chip-Fertigung. Dieses Equipment arbeitet mit Bond-Temperaturen weit über 80°C.

Claims

Patentansprüche:
1. Elektronisches Bauteil mit einem im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Teil sowie einem zweiten Metallteil, mit dem ersten durch eine intermetallische Verbindung verbunden, da- durch gekennzeichnet, dass im Umgebungsbereich der Verbindung der im wesentlichen aus Kupfer bestehende Teil eine Hartschicht aufweist, die bei einer Temperatur von mindestens 80°C stabil ist und die bei dieser Temperatur eine Sauerstoff-Diffusionsbarriere bildet, mindestens genähert wie eine an Normalumgebung sich bildende Aluminiumoxydschicht auf Aluminium, wenn nicht besser.
2. Bauteil mit mindestens einer Kupfer-Leiterbahn sowie mindestens einem die Kupferleiterbahn kontaktierenden Verbindungs- draht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Verbin- dungsdraht und Leiterbahn intermetallisch ist .
3. Bauteil nach Anspruch 1 und 2.
4. Bauteil nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartschicht im genannten Bereich bei einer Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 150°C, vor- zugsweise bis mindestens 200°C, stabil ist, insbesondere bevorzugt bis mindestens 300°C.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartschicht mindestens bezüglich mechanischer und thermischer Eigenschaften sowie bezüglich Sauer- stoff-Diffusionsverhalten mindestens genähert gleichwirkend ist wie eine an Normalumgebung sich auf Aluminium bildende Aluminiumoxydschicht, wenn nicht besserwirkend ist.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil mindestens im wesentlichen aus Kupfer oder, und dies bevorzugt, aus Gold oder Aluminium besteht .
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Teil, bevorzugt derjenige, der im wesentlichen aus Kupfer besteht, ein Kontaktpad eines Chips ist, der zweite ein Draht.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht elektrisch leitend ist oder elektrisch isolierend und vorzugsweise bezüglich ihrer Leitfähigkeit zusätzlich als FunktionsSchicht auf dem Teil eingesetzt ist.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus mindestens einem, vorzugsweise aus einem der folgenden Materialien besteht:
a) SiOx mit 1,5 < x < 2, vorzugsweise mit x < 2,
b) TaSiN, bevorzugt TaxSiyNz mit 35 < x < 55
12 < y < 18
32 < z < 48 , mit x + y + z = 100 , insbesondere bevorzugt Ta45Si15N40
c) TiN
d) A10
e) TiSiN
f) TaN
g) SiN, bevorzugt Si3N4
h) WSiN
i) ReO k) PdO
1) ZrO
m) YO
n) ZrN
o) NbN
p) VN
q) gegebenenfalls CuN.
10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich Wasserstoff und/oder Stickstoff gebunden ist.
11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht rδntgenamorph ist bzw. glasartig.
12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Schicht eine Dicke d aufweist, für die gilt:
d > 1,5 nm, bevorzugt
d > 2 nm, weiter bevorzugt
2,0 nm < d < 10 nm, insbesondere bevorzugt
2,5 nm < d < 3,5 nm.
13. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit mindestens einer Bond-Verbindung eines mindestens im wesentlichen aus Kupfer bestehenden ersten Metallteiles mit einem zweiten Teil aus einem Metall, dadurch gekennzeichnet, dass man das oder die Kup- ferteil(e) mit einer Schicht versieht, die bei einer Temperatur von mindestens 80°C stabil ist und die bei dieser Temperatur eine Sauerstoff-Diffusionsbarriere bildet, mindestens genähert wie eine an Normalumgebung sich bildende Aluminiumoxydschicht auf Aluminium, wenn nicht besser, und dass man die Teile mit- tels Bonden verbindet unter Erhitzung auf mindestens die erwähnte Temperatur.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Schicht vorsieht, die bei einer Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise von mindestens 150°C, vorzugsweise bis mindestens 200°C, insbesondere bevorzugt bis mindestens 300°C, stabil ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass man als Schicht eine Schicht vorsieht, die bezüglich mechanischer und thermischer Eigenschaften sowie be- züglich Sauerstoff-Diffusionsverhalten mindestens genähert gleichwirkend ist wie eine an Normalumgebung sich auf Aluminium bildende Aluminiumoxydschicht, wenn nicht besserwirkend ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite der Teile mindestens im wesentli- chen aus Kupfer oder, und dies bevorzugt, aus Gold oder Aluminium besteht.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Teile ein Draht ist und das Bonden Wire-Bonding.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass man als Schicht eine elektrisch leitende oder elektrisch isolierende Schicht vorsieht.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus mindestens einem, vorzugs- weise einem der folgenden Materialien besteht: a) SiOx mit 1,5 < x < 2, vorzugsweise mit x < 2,
b) TaSiN, bevorzugt TaxSiyNz mit 35 < x < 55
12 < y < 18
32 < z < 48, mit x + y + z = 100, insbesondere bevorzugt
Ta45Siι5N40
c) TiN
A10
TiSiN
TaN
SiN, bevorzugt Si3N4
WSiN
ReO
PdO
ZrO
m YO
n ZrN
NbN
VN
q) gegebenenfalls CuN.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Vorsehen der Schicht eine Schicht durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren ablegt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass man den Teil reinigt, bevorzugterweise durch Behandlung in einem Wasserstoffplasma oder in einem Stickstoff- Wasserstoff-Plasma und dann die Schicht vorsieht.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schicht mit einer Dicke d von mindestens 1,5 nm vorsieht, bevorzugt von mindestens 2,0 nm, weiter bevorzugt im Bereich
2,0 n < d < 10 nm,
insbesondere bevorzugt im Bereich
2,5 nm < d < 3,5 nm.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schicht rδntgenamorph bzw. glasartig vorsieht .
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmaterial eine Sauerstoff- Getterwirkung hat, vorzugsweise dabei Sauerstoff in unterstδ- chiometrischem Verhältnis aufweist .
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch ge- kennzeichnet, dass man die Schicht vorsieht, indem eine Schicht abgelegt wird und diese danach durch Behandlung in einem Stickstoffplasma und/oder durch Behandlung an Normalatmosphäre nachbehandelt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Schicht aus Si02 ablegt, vorzugsweise auf eine gereinigte Kupferoberfläche und die Nachbehandlung in einem Stickstoffplasma vornimmt.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass man die Si02-Schicht durch Sputtern ablegt.
28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Schicht aus Si ablegt, vorzugsweise durch Sputtern und die Nachbehandlung durch thermische Behandlung an Normalatmosphäre vornimmt .
29. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass man eine metallische Schicht ablegt und sie anschliessend durchoxidiert .
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass man das Durchoxidieren durch Wahl
• der abgelegten Schichtdicke
• der Temperatur für das Oxidieren
• der Atmosphäre während dem Oxidieren
steuert .
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schicht mit einer Dicke d ablegt, für die gilt:
3 nm < d < 10 nm,
vorzugsweise
4 nm < d < 6 nm
und das Durchoxidieren an Normalatmosphäre vornimmt .
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