DE2440481A1

DE2440481A1 - Verfahren zum herstellen von duennschicht-leiterzuegen auf einem substrat

Info

Publication number: DE2440481A1
Application number: DE2440481A
Authority: DE
Inventors: Herbert Carl Cook; Paul Alden Farrar; Robert Lee Hallen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-10-12
Filing date: 1974-08-23
Publication date: 1975-04-24
Also published as: JPS5068082A; BR7408490D0; GB1448034A; DE2440481B2; SE7412333L; FR2247820A1; US3881884A; SE401291B; IT1020141B; FR2247820B1; CA1023876A; NL7413310A; DE2440481C3; JPS5310430B2; CH569363A5

Description

Verfahren zum verstellen von Dünnschicht-Leiterzügen auf einem iSuDstrat.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Dünnschicht-Leiterzügen auf einer als Substrat dienenden, passivierenden ochicht, die einen Halbleiterkörper mit integrierten Halbleiterbauelementen Dedeckt,

ßei der Herstellung von integrierten Schaltungen bildet die elektrische Verbindung der einzelnen Halbleiterbauelemente, Scnaltungsteile und Schaltungen durch aus dünnen Schichten gebildete Leiterzüge ein besonderes Problem, Dies rührt, abgesehen von den sehr kleinen Abmessungen solcher Verbindungen, daher, daß an sie sehr hohe Anforderungen in dem Sinne gestellt werden, daß sie stabil sein müssen, daß sie fest auf ihrer Unterlage haften und daß sie gegen eine Reihe von mechanischen, chemischen, termischen und elektrischen Belastungen resistent sein müssen. Bei dem Bestreben, höhere Packungsdichten und höhere Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, tritt zusätzlich die Forderung auf, daß die Leitungen in immer kleineren Abmessungen hergestellt werden müssen.

Die Verwendung von Materialien für diese Leiterzüge wird dadurch eingeengt, daß das Leitermaterial im Betrieb mit 'seiner Umgebung reagiert. In Verbindung mit dem Material der den Halbleiterkörper bedeckenden, passivierenden Schicht sind auch die Werte des Elastizitätsmoduls und der termischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien zu berücksichtigen. Durch die richtige

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Auswahl der Materialien im Hinblick auf ihre physikalischen Eigenschaften werden vor allem termische Spannungen, die durch die erforderlichen Wärmebehandlungen und Temperprozesse bei der Herstellung der integrierten Schaltung notwendig sind, auf ein Mindestmaß reduziert oder ganz vermieden. Solche termischen Spannungen verursachen Brüche in den elektrischen Verbindungen, die zu Unterorechungen oder Kurzschlüssen führen.

Bei der Herstellung von Anschlüssen von gedruckten Schaltungen ist es bekannt (USA-Patentschrift 3 446 90b), rohrförmige Kupferleitungen zu verwenden, die mit einem Edelmetall wie Gold, überzogen sind. Dieses Überziehen mit Gold ist geeignet zur Herstellung von dem Verschweißen ähnlichen Verbindungen unter Erhitzen und Druck wegen der plastischen Verformung und der Diffusion des Goldes, das die Bildung der Verbindung erleichtert. Es ist auch bekannt, bei der Herstellung von gedruckten Schaltungen ein Leitermaterial aus einer Kupferlegierung zuerst mit einer Schicht aus Platin, Rhodium, Palladium oder Ruthenium und darüber mit einer Schicht aus Gold zu überziehen.

Bei der Herstellung von Dünnschicht-Schaltungen hat man schon aufeinanderfolgende Schichten aus einer Nickel-Chrom-Legierung, Kupfer und Palladium verwendet, da Kupfer selbst nicht fest an Halbleitermaterialien, wie Silizium, haftet. Als Leitermaterial wird vorzugsweise Kupfer verwendet, wegen seiner guten Leitungseigenschaften und seiner hohen Leitfähigkeit, Durch die darüberliegende Schicht aus Palladium soll die Kupferleitung vor Oxidation durch die Atmosphäre oder die Umgebung geschützt werden. Es ist auch bereits bekannt, zwischen eine gedruckte Schaltung mit Kupferleitungen und darüber befindlichen Anschlüssen aus Gold eine Edelmetallschicht vorzusehen, die als Diffusionsschranke zwischen dem Kupfer und dem Gold dienen und dadurch einen besseren Widerstand gegen Korrosion bilden soll.

Häufig wird im Vakuum, -z.B, durch Kathodenzerstäubung aufgebrachtes Chrom als Unterlage für die Kupfer-Leitungen aufge-

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bracht, um das Haften der Kupferleitungen am Dielektrikum, das meist aus SiO„, Quarz oder einem organischen Polymer besteht, zu verbessern. Im Hinblick auf die geringen Schichtdicken der isolierenden Schichten ist das hochenergetische Aufbringen von solchen Chromschichten nur dazu angetan, das Problem der Isolierung, besonders an Kreuzungspunkten, nur noch zu vergrößern. Jede Verfahrensverbesserung zur Reduzierung der Isolationsfehler an Kreuzungspunkten muß berücksichtigen, daß es sich hierbei um äußerst empfindliche Strukturen handelt, und daß das gegenseitige Haften der übereinander angeordneten Schichten nicht verringert werden darf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für die Bildung von Dünnschicht-Leiterzügen auf einem dielektrischen Substrat anzugegeb.en_? durch das bei hoher Leitfähigkeit gutes Haften, günstiges Verhalten bei mechanischen, termischen und elektrischen Belastungen und besonders ein großer Widerstand gegen Korrosion erreicht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß nacheinander eine adhäsionsfördernde und als Diffusionsschranke für das Leitermaterial dienende Schicht, eine Leiterschicht unter Bildung einer Übergangszone mit der ersten Schicht, und eine Edelmetallschicht aufgebracht werden, daß die Leiterzüge durch Abätzen der nicht als Leiter dienenden Bereiche gebildet werden, und daß die so gebildete Struktur in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt wird, derart, daß eine Legierung des Edelmetalls der obersten Schicht mit dem Leitermaterial infolge von Oberflächendiffusionseffekten die Seitenkanten der Leiterzüge bedeckt.

Es ist an sich bekannt, daß die Oberflächendiffusionsgeschwindigkeit bis zu einem Faktor von 10 größer sein kann als die Diffusionsgeschwindigkeit in eine Materialschicht hinein. Die Anwendung dieser Erkenntnis gestattet es, die Temperatur- und Zeitparameter bei der Erhitzung so auszuwählen, daß mit der auf-

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gebrachten Goldschicht die seitliche Abdeckung der Leiterzüge erreicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß nacheinander Schichten aus Chrom, Kupfer und Gold aufgebracht v/erden. Dabei ist es vorteilhaft, daß das Aufbringen der Schichten durch Aufdampfen erfolgt.

vorteilhafte Ausbildung des erfindungs gemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Leiterzüge auf eine passivierende Schicht aus Quarz aufgebracht werden, und daß das Erhitzen in einer Wasserst off atmosphäre bei 3^5 bis 355°C während einer Zeit von 4 bis 10 Minuten erfolgt.

Die Leiterzüge können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch auf eine passivierende Schicht aus einem organischen Polymerisat, insbesondere Polyimid, aufgebracht werden.

uie Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben, Es zeigen, jeweils im Querschnitt,

Fig, 1 eine als Substrat dienende Quarzschicht mit

einer darauf aufgebrachten Chromschicht,

•fig. 2 die Struktur der Fig. 1 mit einer auf die

Chromschicht aufgebrachten Kupferschicht unter Bildung einer Übergangsζone,

Fig, 3 die Struktur der Fig. 2 mit einer aufgebrach

ten Goldschicht,

Fig, 4 die Struktur der Fig. 3 nach dem Ätzen der

Leiterzüge,

Fig, 5 die endgültige Struktur eines Leiterzuges nach

Durchführung des Erhitzungsprozesses, und BU 973 007

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Fig, 6 ein Temperatur/Zeit-Diagramm zur Festlegung

des Arbeitspunktes beim Erhitzungsprozeß.

In Fig, 1 ist mit 1 ein Substrat aus einem passivierenden Material bezeichnet, das aus Quarz oder einem organischen Polymer, wie Polyimid, besteht. Auf dem Substrat ist eine erste Schicht 2 aus Chrom aufgebracht. Das Aufbringen dieser Schicht erfolgt durch bekannte Verfahren, wie Aufdampfen, chemische Ablagerung aus der Gasphase, usw. Diese erste Schicht wirkt als Diffusionsschranke und fördert die Adhäsion der Schichten, die nachfolgend aufgebracht werden.

In dem der Beschreibung zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel wurde auf ein Substrat aus Quarz, das eine Schichtdicke von 10 UOO bis 50 000 8 aufwies, und das als Abdeckung für die vorher gebildeten Halbleiterbauelemente diente, eine erste Chromschicht durch Aufdampfen aufgebracht. Dabei wurde ein Metallvorrat zur Erzeugung des Dampfes erhitzt und die Ablagerung auf dem Substrat in gesteuerter Weise vorgenommen. Wenn auf einem Substrat eine große Anzahl von Halbleiterbauelementen gebildet ist, kann diese erste Schicht gleichzeitig auf dem ganzen Substrat aufgebracht werden. Die Chromschicht wurde in einer Dicke von 65O bis 750 8 aufgedampft mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 4 8/sec, bei einer Temperatur des Substrats zwischen 13O⁰C und l65°C, Die Dicke der aufzubringenden Schicht hängt ab von der endgültigen Struktur und der Verwendung der Anordnung sowie von den physikalischen Eigenschaften des Substrats und dem Ausdehnungskoeffizienten des Metalls und des Substratmaterials. In diesem Falle wurde eine Chromschicht von 700 ά auf dem Quarz aufgebracht.

In Pig, 2 ist die Struktur der Fig. 1 dargestellt, auf die eine Zwischenlage 3 aus Chrom und Kupfer aufgedampft wurde, indem das Aufdampfen von Chrom fortgesetzt wurde unter Zufügung von Kupfer aus einer separaten Dampfquelle. Dadurch wurde auf der zuerst aufgedampften Chromschicht eine zweiphasige Struktur

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von Chrom und Kupfer aufgebracht. Zur Bildung dieser Zwischenschicht kann anstelle der Dampfquellen für Chrom und Kupfer auch eine gemeinsame Dampfquelle für die gewünschte Mischung verwendet werden. Dieses Verfahren ermöglicht einen den ganzen Bereich umfassenden übergang zwischen den beiden Metallen und stellt die erforderliche Bindung sicher. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Chrom-Kupfer-Schicht von 500 A mit einer Geschwindigkeit zwischen 6 und 10 S/sec. innerhalb des bevorzugten Aufdampftemperaturbereichs von 135°C bis l60°C bei einer Temperatur von 150 C aufgebracht. Beim Erreichen der Schichtdicke von 500 A für die Chrom-Kupfer-Schicht wurde die Chromquelle geschlossen und die Kupferaufdampfung mit einer Geschwindigkeit von 12 bis 16 8/sec, fortgesetzt bis zum Erreichen einer Kupferschicht mit einer Dicke von 9000 $, Diese Schicht ist in Pig« mit 4 bezeicnnet, Danach wurde die Kupferquelle geschlossen und eine obere Schicht 5 aus Gold aufgedampft (Pig, 3), Das Aufdampfen der Goldschicht erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 7 S/sec, bei einer Aufdampftemperatur von 150⁰C bis eine Schichtdicke von 1400 A erreicht wurde.

Wenn eine Schichtenfolge von Chrom, Kupfer und Gold nacheinander auf eine Quarzschicht aufgebracht wird, so sind die Schichtdicken vorzugsweise 650 bis 750 8 für die erste Chromschicht, 450 bis 55O A für die Chrom-Kupfer-Übergangsschicht, 85OO bis 9500 8 für die Kupferschicht und 1250 bis 1550 S für die Goldschicht,

Mit Hilfe bekannter photolithographischer Verfahren wurde die in Fig, 3 dargestellte Struktur maskiert und subtraktiv geätzt unter Verwendung eines ÄtzVerfahrens, das aus einem doppelten Bad von Kaliumjodit-Jod (KJ-Jp), gefolgt von KMnO, in kaustischer Lösung bestand. Dadurch wurde die in Pig, 4 dargestellte Struktur erzeugt, bei welcher die Seitenkanten der zusammengesetzten Schicht freigelegt sind, wie durch die Bezugszeichen 2, 3, 4 und 5 der Pig, 4 zu erkennen ist.

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Die geätzte Struktur, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, wird einem Erhitzungsprozeß unterworfen in einer inerten Gasatmosphäre, wie Stickstoff oder Argon, oder in einer reduzierenden Atmosphäre, wie Wasserstoff, während einer bestimmten Zeit und einer Temperatur, die in dem Diagramm der Fig. 6 dargestellt sind. Die oberen und unteren Grenzen dieser Vierte sind in Fig. 6 als Linien eingezeichnet. Wenn auf einem Quarzsubstrat eine Schichtstruktur aus Chrom, Kupfer und Gold gebildet wird, findet das Erhitzen vvorzugsweise bei einer Temperatur von 350 und der dazu korrespondierenden Zeit von ungefähr 6 Minuten, in einer Wasserstoffatmosphäre statt. Diese Zahlenangaben treffen nur für dieses Ausführungsbeispiel zu, im allgemeinen hängen die Bedingungen der Wärmebehandlung vom Material des Substrats, von den Metallen der Schichten, von den Schichtdicken und den physikalischen und chemischen Eigenschaften der verwendeten Materialien ab,

"wenn z.B. das Substrat mit Polyimid überzogen ist, liegt die Temperatur für die Aufbringung einer Metallschicht zwischen 200 C und 250 C und die Schichtdicken der Metallschichten können größer werden, z.B, 1000 2 für die erste Ghromschicht und I600 8 für die oberste Goldschicht.

Ks wird angenommen, daß bei der beschriebenen Wärmebehandlung das Kupfer in das Gold diffundiert, so daß eine Gold-Kupfer-Lösung über die Kanten des aus den Schichten gebildeten Leiterzuges diffundiert oder fließt, wie dies in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 6 dargestellt ist. Dieses Fließen wird durch eine Oberflächendiffusion über die Seitenkanten des Leiterzuges gebildet, die bis zu der Chromschicht reicht und dadurch die Kanten des Leiterzuges mit einer festen Lösung von Gold und Kupfer versiegelt.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde festgestellt, daß bei Verwendung eines Quarzsubstrats die oberste Schicht ungefähr.. 3U% Kupfer enthielt als Ergebnis der Wärmebehandlung bei 350° während-vier Minuten. Dabei wurde die Oberflächendiffusion über

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die Seitenkanten der Struktur erreicht. Für die Wärmebehandlung eines Leiters aus Chrom, Kupfer und Gold auf einem Quarzsubstrat ist eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 3^5 bis 350 während einer Zeitspanne von 4 bis 10 Minuten in einer Wasserstoff atmosphäre am günstigsten. Für andere Substrate, z.B. für ein Substrat aus Polyimid, sind andere Bedingungen erforderlich. Die Dickendes Substrats und der verschiedenen Metallschichten können variiert werden entsprechend den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Substrats und der aufgebrachten Metallsehichten mit besonderer Bezugnahme auf den jeweiligen Elastizitätsmodul und die Ausdehnungskoeffizienten dieser Materialien.

Bei der in Fig. 5 dargestellten, resultierenden Struktur, die einem aus Schienten aufgebauten Leiter entspricht, sind die Oberfläche und die Seitenfläche bedeckt mit einem gegen Korrosion beständigen Metall oder einer Legierung, z.B. Gold, Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium oder Osmium, das geeignet ist für die Herstellung von miniaturisierten elektronischen integrierten Schaltungen.

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Claims

PATE N TA N SPRÜCHE

Verfahren zum herstellen von Dünnschicht-Leiterzügen auf einer als Substrat dienenden, passivierenden Schicht, die einen halbleiterkörper mit integrierten halbleiterbauelementen Dedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander eine adhäsionsfördernde und als Diffusionsschranke für das Leitermaterial dienende Schicht, eine Leiterschicht unter Bildung einer üoergangszone mit der ersten Scnicht,. und eine Edelmetallschicht aufgebracht werden, daß die Leiterzüge durch Abätzen der nicht als Leiter dienenden Bereiche geoildet werden, und daß die so gebildete Struktur in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt wird, derart, daß eine Legierung des Edelmetalls der obersten Schient mit dem Leitermaterial infolge von Qberflächendiffusionseffekten die Seitenkanten der Leiterzüge bedeckt,

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander Schichten aus Chrom, Kupfer und Gold aufgebracht werden,

3, Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Schichten durch Aufdampfen erfolgt,

4, Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge auf eine passivierende Schicht aus Quarz aufgebracht werden,

ij. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen in einer Wasserstoffatmosphäre bei 345 bis 355°C während einer Zeit von 4 bis 10 Minuten erfolgt.

6, Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge auf eine passivierende

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Schicht aus einem organischen Polymerisat, insbesondere Polyimid, aufgebracht werden.

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