Halbleitertechnologie von A bis Z

Aluminium und seine Legierungen waren über Jahrzehnte das Standardmaterial für die Verdrahtung auf dem Chip und werden weiterhin dort eingesetzt, wo es nicht auf kleinste Strukturen ankommt: für Bondpads, in der Leistungs- und Analogtechnik und auf unkritischen oberen Ebenen. Aluminium bietet:

• eine gute Haftung auf SiO₂ und Zwischenoxiden wie BPSG und PSG,
• eine gute Kontaktierbarkeit bei der Verdrahtung zum Gehäuse (z.B. mit Gold- und Aludrähten),
• einen niedrigen spezifischen Widerstand von 2,7 μΩ·cm für reines Aluminium, bei den üblichen Legierungen mit Silicium und Kupfer etwa 3 μΩ·cm,
• und ist sehr gut in Trockenätzverfahren strukturierbar.

Der letzte Punkt war lange ein entscheidender Vorteil: Aluminium bildet mit Chlor flüchtige Verbindungen und lässt sich deshalb wie jede andere Schicht ganzflächig abscheiden, mit Lack maskieren und ätzen. Genau dieses einfache Verfahren steht bei Kupfer nicht zur Verfügung.

Aluminium erfüllt allerdings die Anforderung an elektrische Belastbarkeit und Korrosionsbeständigkeit nur teilweise. Die folgenden Abschnitte beschreiben die drei Effekte, an denen die Aluminiumtechnik ihre Grenze findet: die Diffusion von Silicium in das Metall, die Elektromigration und das Wachstum von Hügeln. Metalle wie Silber oder Kupfer sind in dieser Hinsicht deutlich besser, lassen sich aber nicht trockenätzen – für sie musste erst ein anderes Strukturierungsverfahren gefunden werden.

Bei der Verwendung von reinem Aluminium kann es zu einer Diffusion von Siliciumatomen in das Metall kommen. Silicium löst sich schon weit unterhalb des Schmelzpunkts im festen Aluminium; bei den üblichen Sintertemperaturen von 400–450 °C, mit denen der Kontakt nach dem Aufbringen des Metalls verbessert wird, geschieht das in erheblichem Umfang. Der Halbleiter reagiert dabei mit der Aluminiummetallisierung und hinterlässt durch den Materialschwund, verursacht durch die ausdiffundierten Atome, Gruben an der Kontaktfläche zwischen Silicium und Aluminium. Das Aluminium füllt diese Gruben auf. Dadurch entstehen "Spikes" die unter Umständen zu einer Kurzschlussbildung führen, wenn sie durch die dotierten Gebiete bis in den Siliciumkristall hineinragen.

Die Größe dieser Spikes ist von der Temperatur abhängig mit der das Aluminium auf dem Silicium aufgebracht wird. Um diese Spikes zu verhindern gibt es mehrere Möglichkeiten. An der Stelle des Kontaktlochs kann eine tiefe Ionenimplantation, die Kontaktimplantation, eingebracht werden. Somit ragen die Spikes nicht bis in das Substrat hinein.

Der Nachteil dabei ist jedoch, dass ein weiterer Prozessschritt eingeführt werden muss, und sich die elektrischen Eigenschaften durch die Vergrößerung des dotierten Gebietes ändern.

Anstelle des reinen Aluminiums kann auch eine Aluminium-Silicium-Legierung verwendet werden die ca. 1–2 % Siliciumanteil enthält. Das Aluminium ist nun bereits mit Silicium versetzt und es diffundieren keine Siliciumatome mehr aus dem Wafer in das Aluminium. Bei sehr kleinen Kontaktlöchern kann jedoch Silicium an der Kontaktfläche ausfallen, was in einem vergrößerten Kontaktwiderstand resultiert.

Für hochwertige Kontakte ist eine Trennung zwischen Aluminium und Silicium erforderlich. Dazu bringt man auf dem Silicium eine Barriere aus verschiedenen Stoffen, wie z.B. Titan, Titannitrid oder Wolfram auf. Damit eine Erhöhung des Kontaktwiderstands an der Grenzschicht zwischen Titan und Silicium unterbunden wird, muss hier noch eine Kontaktschicht aus Titansilicid aufgebracht werden.

Diese Barriere ist der Vorläufer dessen, was in der Kupfertechnik zur Regel wurde: Dort umschließt eine Diffusionsbarriere jede einzelne Leitbahn. Die Spikebildung selbst ist damit ein historisches Problem – der Kontakt zum Silicium wird heute über ein Silicid und einen Wolfram-, Cobalt- oder Rutheniumpfropfen hergestellt, Aluminium berührt das Silicium nicht mehr.

Bei hohen Stromdichten (Stromfluss pro Fläche) übertragen die strömenden Elektronen bei jedem Stoß etwas Impuls auf die Atomrümpfe. Einzeln ist dieser Anstoß bedeutungslos, in der Summe schiebt dieser "Elektronenwind" die Atome jedoch langsam in Stromrichtung von ihren Plätzen weg. Besonders an Stellen mit geringem Leiterbahnquerschnitt ist die Stromdichte erhöht, durch die Verschiebung der Atome nimmt der Querschnitt ab, die Stromdichte steigt weiter an. Insbesondere an Kanten über die die Leiterbahnen verlaufen sind solche Engstellen zu finden. Im Extremfall reißen die Aluminiumleiterbahnen durch den Materialtransport ab.

Schäden auf Leiterbahnen durch Elektromigration

  
(Quelle: Max-Planck-Institut für Metallforschung Stuttgart)

Die Elektromigration begrenzt, wie viel Strom eine Leitbahn dauerhaft führen darf. Da mit jeder Verkleinerung der Querschnitt sinkt, der zu schaltende Strom aber nicht im gleichen Maß, ist sie über die Jahre eher wichtiger geworden. Kupfer verträgt etwa die hundertfache Lebensdauer von Aluminium bei gleicher Belastung, weil seine Atome fester gebunden sind. Der Materialtransport verlagert sich dabei an die Grenzflächen: Kupferatome wandern bevorzugt an der Oberseite der Leitbahn entlang, dort, wo sie an die Deckschicht grenzt. Eine dünne Cobaltschicht auf der Leitbahn statt eines rein dielektrischen Abschlusses bindet die Oberfläche und verlängert die Lebensdauer deutlich.

Durch die Elektromigration wird Material verschoben und an Stellen geringer Stromdichte angehäuft. Diese so genannten Hillocks (Hügel) können darüber liegende Schichten durchbrechen und so zu einem Kurzschluss mit einer anderen Metallisierungsebene führen, außerdem kann Feuchtigkeit durch die Risse eindringen und zu Korrosion führen. Hillocks entstehen aber auch auf Grund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der Materialien. Die Stoffe dehnen sich bei Temperaturänderungen unterschiedlich aus, und es entstehen Spannungen zwischen den Schichten. Mit Ausgleichsschichten, die einen "mittleren" Ausdehnungskoeffizienten haben kann dieses Problem gelöst werden (z.B. Titan, Titannitrid).

Weitere negative Effekte die bei der Metallisierung auftreten können:

• Streubelichtung: durch Unebenheiten können bei der Belichtung einfallende Lichtstrahlen in der Art reflektieren werden, so dass Bereiche unkontrolliert belichtet werden. Mit Hilfe einer Antireflexschicht (engl. anti-reflective coating, ARC) wird die Reflexion verhindert; auf Metall dient dazu meist Titannitrid, auf anderen Schichten Siliciumoxinitrid oder ein organischer Lack
• Schlechte Kantenabdeckung: an Kanten kann es zu vermehrtem, in Ecken zu vermindertem Aufwachsen der Schicht kommen. Um dem entgegenzuwirken, können Kanten vor der Metallabscheidung verrundet werden:

Das Design der Leiterbahnen muss also exakt geplant werden um diesen Fällen vorzubeugen. Durch einen geringen Zusatz an Kupfer kann die Lebensdauer der Aluminiumleiterbahnen stark erhöht werden, jedoch wird die Strukturierbarkeit von mit Kupfer versetztem Aluminium wesentlich erschwert. Zum Schutz vor Korrosion werden die Oberflächen mit Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid passiviert. Die Passivierung ist dabei der eigentliche Schutz: Der ganz überwiegende Teil der Bausteine wird in Kunststoff vergossen. Keramikgehäuse bleiben Anwendungen vorbehalten, die dicht abgeschlossen sein müssen, etwa in der Luft- und Raumfahrt. Verfahren wie Metallisierungsschichten auf dem Wafer aufgebracht werden, sind im Kapitel Abscheidung näher beschrieben.