Aluminiumtechnologie

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.