PL232559B1 - Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej, metalizacja wielowarstwowa oraz zastosowanie metalizacji wielowarstwowej - Google Patents
Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej, metalizacja wielowarstwowa oraz zastosowanie metalizacji wielowarstwowejInfo
- Publication number
- PL232559B1 PL232559B1 PL422247A PL42224717A PL232559B1 PL 232559 B1 PL232559 B1 PL 232559B1 PL 422247 A PL422247 A PL 422247A PL 42224717 A PL42224717 A PL 42224717A PL 232559 B1 PL232559 B1 PL 232559B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- layer
- metallization
- producing
- alloy
- multilayer metallization
- Prior art date
Links
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 title claims description 54
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 48
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 27
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 20
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 20
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 claims description 20
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 15
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 5
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 94
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 10
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 10
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 7
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 7
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 6
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 3
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- AYTAKQFHWFYBMA-UHFFFAOYSA-N chromium dioxide Chemical compound O=[Cr]=O AYTAKQFHWFYBMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- -1 silicon carbide nitride Chemical class 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 2,2,4,4,6,6-hexaphenoxy-1,3,5-triaza-2$l^{5},4$l^{5},6$l^{5}-triphosphacyclohexa-1,3,5-triene Chemical compound N=1P(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP=1(OC=1C=CC=CC=1)OC1=CC=CC=C1 RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZXVONLUNISGICL-UHFFFAOYSA-N 4,6-dinitro-o-cresol Chemical compound CC1=CC([N+]([O-])=O)=CC([N+]([O-])=O)=C1O ZXVONLUNISGICL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000967 As alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 101100055113 Caenorhabditis elegans aho-3 gene Proteins 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910008482 TiSiN Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- QRUDEWIWKLJBPS-UHFFFAOYSA-N benzotriazole Chemical compound C1=CC=C2N[N][N]C2=C1 QRUDEWIWKLJBPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012964 benzotriazole Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- UOUJSJZBMCDAEU-UHFFFAOYSA-N chromium(3+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Cr+3].[Cr+3] UOUJSJZBMCDAEU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000002845 discoloration Methods 0.000 description 1
- 239000012799 electrically-conductive coating Substances 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229920001002 functional polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- QRXWMOHMRWLFEY-UHFFFAOYSA-N isoniazide Chemical compound NNC(=O)C1=CC=NC=C1 QRXWMOHMRWLFEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 229910021654 trace metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiot wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej, metalizacja wielowarstwowa, oraz zastosowanie metalizacji wielowarstwowej o wysokiej przewodności elektrycznej oraz odporności na utlenianie w podwyższonej temperaturze dla zastosowań w elektronicznych układach dużej mocy pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych w powietrzu. Zastosowanie nowego układu metalizacji w układach mocy na materiałach półprzewodnikowych GaN i SiC pozwoli na szersze wykorzystanie tych materiałów w konstrukcjach o podwyższonej temperaturze pracy, a także na zwiększenie trwałości przyrządów mocy.
Stan techniki
Rozwój układów elektronicznych opartych na materiałach o szerokiej przerwie energetycznej jak np. węglik krzemu, azotek galu a w przyszłości diament, umożliwia konstruowanie nowych układów dużej mocy o znacząco zmniejszonych rozmiarach w porównaniu do układów mocy na bazie krzemu, a to dzięki możliwości pracy tych półprzewodników w wysokich temperaturach pod dużym obciążeniem prądowym i napięciowym, nawet bez konieczności odrębnego chłodzenia. Spełnienie warunków dla wysokiej transmisji mocy oraz stabilnej i trwałej pracy przyrządu w wysokiej temperaturze generowanej rozpraszaną mocą lub zewnętrznymi źródłami, nakłada szczególne wymagania na wysokie przewodnictwo stosowanych metalizacji kontaktowych oraz ścieżek w obrębie elementów przyrządu - aż do wyprowadzeń elektrycznych, oraz na ich odporność na atmosferę utleniającą jaką jest powietrze, szczególnie w wysokiej temperaturze (>250°C). Zakładając obecność optymalnie wykonanych metalizacji kontaktowych do półprzewodnika, skuteczność przenoszenia mocy (dla uproszczenia opisu przedmiotu przyjmujemy dalej: mocy stałoprądowej) zależy od wysokiego przewodnictwa elektrycznego ścieżek oraz ich trwałości pod obciążeniem prądowym i narażeniem temperaturowym. Spośród najlepszych pod względem przewodnictwa metali, kolejno Ag (rezystywność materiału objętościowego 1,59 μΩcm), Cu (1,69 μΩcm), Au (2,21 μΩcm) i Al (2,82 μΩcm), powszechnie jako metal na ścieżki w półprzewodnikowych układach elektronicznych stosuje się Au i Al. Najlepsze z nich srebro ma zastosowanie ograniczone ze względu na bardzo wysoką podatność na migrację termiczną, która prowadzi do niestabilności parametrów elektrycznych i uszkodzeń ścieżek. Metalizacja ze złota stosowana jest powszechnie w układach mikroelektroniki z uwagi na jego odporność na korozje i utlenianie, oraz doskonałą bondabilność. Metalizacja Cu została wdrożona w układach wysokiej skali integracji ze względu na niską rezystywność, gdzie pełni funkcje ścieżek „zagrzebanych” w dielektrycznych warstwach azotku krzemu SiN, tleno-azotku krzemu SiON lub węgliko-azotku krzemu SiCN, przy czym dla ukształtowania wzoru ścieżek wykonuje się proces planaryzacji warstwy Cu (Thomas. P. Moffat and Daniel Josell, Electrochemical Processing of Interconnects, Journal of The Electrochemical Society, 160 (12) Y7-Y10 (2013)). Miedź została wprowadzona do technologii bondingu drutowego, jest także podstawowym materiałem ścieżek dla układów montażowych, ale nie mogą one trwale pracować w podwyższonych temperaturach (powyżej 125°C), a ograniczenia termiczne zależą od zastosowanej technologii pasywacji. Warstwy pasywacji wykonane na bazie materiałów organicznych np. poliamidy pozwalają na prace pasywowanych układów elektronicznych w temperaturach powyżej 200°C w powietrzu tylko w ograniczonym czasie z powodu degradacji [Federico Grillo*, Daniel W. Tee, Stephen M. Francis, Herbert A. Fruchtl, and Neville V. Richardson Passivation of Copper: Benzotriazole Films on Cu(111), J. Phys. Chem. C, 118 (16), pp 8667-8675 (2014); Shadpour Mallakpour, Mehdi Taghavi, Direct polyamidation in green media: Studies on thermal degradation of novel organosoluble and optically active flame retardant polyamides, Reactive & Functional Polymers 69 (2009) 206-215], a współcześnie propagowany do tej roli grafen nie zabezpiecza powierzchni Cu przed utlenianiem nawet w 185°C [Jianchen Hu, Yanfeng Ji, Yuanyuan Shi, Fei Hui1, Huiling Duan and Mario Lanza, A Review on the use of Graphene as a Protective Coating against Corrosion, Ann J Materials Sci Eng, Vol. 1 Issue 3, 2014, ISSN : 2471-0245]. Warstwy izolacyjne SiNOx lub węglikoazotku krzemu SiCN stosowane w układach (mocy) na Si oraz prototypowych wyrobach na SiC dla zastosowania wysokotemperaturowego wymagają optymalizacji procesu ich osadzania na konkretnej metalizacji, a w przypadku ścieżek z Cu, wymagają stosowania dodatkowych warstw pośrednich dla zwiększenia adhezji do Cu, gdyż w podwyższonych temperaturach, czy też gradientach temperatury w obszarze pracujących ścieżek, mogą one ulegać mikropęknięciom lub oderwaniu na skutek dużej różnicy współczynników rozszerzalności i słabej adhezji, także na skutek efektów elektromigracji i migracji powierzchniowej materiału [J.R. Lloyda, J. Clemensb, R. Snede, Copper metallization reliability Microelectronics Reliability 39 (1999)
PL 232 559 B1
1595±1602; Kazuyoshi Maekawa at al. Impact of Al in Cu alloy interconnects on electro and stress migration reliabilities, Microelectronic Engineering 85 (2008) 2137-2141; Alfred Grill, at al. Progress in the development and understanding of advanced low k and ultralow k dielectrics for very large-scale integrated interconnects - State of the art, APPLIED PHYSICS REVIEWS 1, 011306 (2014)]. Takie defekty prowadzą do degradacji miedzi, jej utleniania i niszczenia ścieżki.
Z opisu patentowego nr CN103426862 pt. „Copper interconnect structure and formation method thereof”, opisu patentowego nr CN103390607 pt. „Copper interconnection structure and forming method thereof” i z opisu patentowego nr CN102867780 pt. „Copper interconnection proces” znane technologie wykonania ścieżek z Cu, które zawierają układy, w których metalizacja Cu jest otoczona warstwami zabezpieczającymi, gdzie zewnętrzna warstwa jest warstwą elektrycznie izolującą, natomiast z opisu patentowego nr EP1146552 pt. „Interconnections to copper ICs” oraz opisu nr US 20040238961 A1 pt. „Copper interconnect systems which use conductive, metal-based cap layers” znane jest zastosowanie innej warstwy metalu.
Istota wynalazku
Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według wynalazku charakteryzuje się tym, że na półizolacyjne lub półprzewodnikowe podłoże z warstwą izolacji z uprzednio wytworzoną warstwą metalizacji aktywnej nakłada się pierwszą warstwę antydyfuzyjną metodą magnetronowego rozpylania katodowego stałoprądowego DC, następnie naparowuje się warstwę na bazie miedzi za pomocą działa elektronowego w warunkach wysokiej próżni, po czym nakłada się drugą warstwę antydyfuzyjną metodą magnetronowego rozpylania katodowego stałoprądowego DC oraz warstwę stopu NiCr, po czym wygrzewa się je w atmosferze obojętnej, w temperaturze 400°C-450°C przez 10-30 min.
Korzystnie, pierwsza warstwa antydyfuzyjna jest warstwą TiN o grubości 20-70 nm i o przewodności wynoszącej od 1 MS/m do 4 MS/m.
Korzystnie, warstwa na bazie miedzi jest warstwą miedzi Cu lub warstwą stopu Cu(0,5%at.Nb).
Korzystnie, warstwą stopu Cu(0,5% at.Nb) ma grubość od 0,3 do 4 μm.
Korzystnie, warstwa stopu NiCr jest warstwą o atomowej zawartości Cr 18-30%, o grubości 15-25 nm i o przewodnictwie co najmniej 0,6 MS/m.
Korzystnie, warstwa stopu NiCr jest warstwą o, atomowej zawartości Cr 20%.
Korzystnie, warstwa stopu Ni(20% at.Cr) zawiera 1% manganu lub 1% krzemu.
Korzystnie, wygrzewanie prowadzi się przez 20 min.
Metalizacja wielowarstwowa według wynalazku charakteryzuje się tym, że na podłożu półprzewodnikowym z aktywną warstwą półprzewodnikową umieszczona jest warstwa izolacji oraz warstwa metalizacji aktywnej, na których umieszczona jest pierwsza warstwa antydyfuzyjna, a na warstwie antydyfuzyjnej umieszczona jest warstwa na bazie miedzi na której umieszczona jest druga warstwa antydyfuzyjna z nałożoną na niej warstwą stopu NiCr.
Korzystnie, pierwsza warstwa antydyfuzyjna jest warstwą TiN o grubości 20-70 nm i o przewodności wynoszącej od 1 MS/m do 4MS/m.
Korzystnie, warstwa na bazie miedzi jest warstwą miedzi Cu lub warstwą stopu Cu(0,5% at.Nb).
Korzystnie, warstwa stopu Cu(0,5% at.Nb) ma grubość od 0,3 do 4 μm.
Korzystnie, warstwa stopu NiCr jest warstwą o atomowej zawartości Cr 18-30%, o grubości 15-25 nm i o przewodnictwie co najmniej 0,6 MS/m.
Korzystnie, warstwa stopu NiCr jest warstwą o atomowej zawartości Cr 20%.
Korzystnie, warstwa stopu Ni(20% at.Cr) zawiera 1% manganu lub 1% krzemu.
Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie metalizacji wielowarstwowej wytworzonej zgodnie ze sposobem według wynalazku lub metalizacji wielowarstwowej zgodnie z wynalazkiem, do przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy.
Ewentualne korzystne skutki wynalazku w odniesieniu do stanu techniki
Proponowany układ jest: prosty z uwagi na możliwość szybkiego wykonania wyprowadzeń elektrycznych do obudowy (nie wymaga nakładania warstw ochronnych typu SiCNH, SiCNO i dalszych procesów fotolitografii przed przygotowaniem ścieżek do połączeń drutowych); wolny od wspomnianych defektów tworzących się przy kontakcie miedzi z dielektrycznymi warstwami pasywacji podczas pracy układu pod obciążeniem prądowym w podwyższonej temperaturze.
Zaletą takiego rozwiązania w technologii ścieżki są:
(1) niskie jej koszty materiałowe w porównaniu do metali szlachetnych stosowanych jako ścieżki czy warstwy antykorozyjne (Au, Pt, Ir, Pd) w metalizacjach półprzewodników,
PL 232 559 B1 (2) dobre parametry fizyczne wybranych związków metalicznych tj. niskie rezystywności tych materiałów (dla cienkich warstw: Cu - w zakresie 1,9 * 2,9 nDcm. TiN - 33 * 100 nDcm. NiCr + 100 + 150 LiOcm).
(3) bardzo dobre właściwości antydyfuzyjne TiN dla migracji Cu, Au, Al i Ni w temperaturze do 400°C, (4) stabilność rezystancji cienkiej warstwy pasywacji z Ni(20% at.Cr) w powietrzu w 300°C (ta temperatura jest proponowana jako graniczna temperatura pracy dla nowej klasy przyrządów budowanych na SiC i GaN).
Zaproponowany układ warstw zapewnia:
(1) rezystywność ścieżek w zakresie 2 * 3 nOcrn, czyli wartości nie gorszej niż rezystywność ścieżek ze złota, (2) odporność na utlenienie w temperaturze 300°C w powietrzu, (3) stabilność rezystancji ścieżki +/-0,5% w podwyższonej temperaturze 300°C przez co najmniej 200 h.
(4) możliwość wykonania na niej bezpośrednich połączeń drutowych, np. z Cu lub Al metodą ultra-termokompresji, jak i wykonanie na nich kontaktów podwyższonych oraz lutów „twardych”.
Przykłady realizacji wynalazku
Metalizacja wielowarstwowa według wynalazku w przykładzie realizacji jest bliżej objaśniona w oparciu o rysunek, na którym Fig. przedstawia schemat układu metalizacji wielowarstwowej do wytworzenia ścieżki o wysokiej odporności na utlenianie łączącej obszary kontaktów na półprzewodniku.
Uzasadnienie wyboru materiału na pasywacje
Stop Ni(20% at.Cr) charakteryzuje się odpornością na utlenianie dzięki wytworzeniu w powietrzu cienkiej. kilku nanometrowej pasywującej powłoki złożonej głównie z tlenków CrO2 i C2O3, która jest elektrycznie przewodząca (ta cecha stanowi przewagę nad pasywacją z stopów na bazie glinu, która w podwyższonych temperaturach wytwarza uszczelnienie z AhO3 o charakterze izolacyjnym). Właściwości antykorozyjne stopu Ni(20% at. Cr) są dobrze poznane, a stop ten jest stosowany jako materiał do termopar. Mimo że metale te (Ni, Cr) stosowane jako dodatki stopowe do miedzi poprawiają odporność stopu na korozje, to nie można jednak zastosować warstwy Ni(20% at.Cr) bezpośrednio na miedzi, gdyż w podwyższonych temperaturach na skutek dyfuzji wzajemnej szybko zwiększa się rezystywność ścieżki prowadząc do niestabilności jej rezystancji. Własne badania wykazały, że warstwa (22 nm) NiCr wygrzewana w 300°C przez kilkanaście godzin zmniejsza swoją rezystancję powierzchniową o ok. 20% i po dłuższym wygrzewaniu pozostaje elektrycznie stabilna. Z kolei 2-krotnie cieńsza warstwa NiCr wykazała szczelność dla migracji tlenu do Cu w 250°C. Badania metodą dyfrakcji rentgenowskiej XRD struktury krystalicznej warstwy (50 nm) NiCr świadczą o jej drobnokrystalicznej budowie z ziarnami stopu Ni(Cr) o średnim rozmiarze ok. 15 nm, których rozmiar stopniowo rośnie z czasem wygrzewania (do 20 nm po 215 h starzenia w 300°C). Struktura krystaliczna Cr jest zauważalna w badaniach XRD dopiero po długotrwałym wygrzaniu próbek w 300°C, przy czym formowanie tlenków chromu nie jest widoczne w obrazach XRD. Należy tu nadmienić, że cienkie warstwy Ni (typowo rezystywność naniesionej próżniowo warstwy o grubości 100 nm wynosi kilkadziesiąt nOcrn) nie stanowią bariery antykorozyjnej w temperaturze 300°C, gdyż po 50 h wygrzewania utleniają się w tworząc warstwę wysokorezystywnego tlenku NiO (kilkanaście MQcm). Także cienkie warstwy (20 nm - 100 nm) z metali szlachetnych (Au, Pt, Ru, Ir) nie są skuteczne w zabezpieczeniu miedzi przed utlenianiem w podwyższonych temperaturach (>200°C) z powodu migracji tlenu poprzez warstwę po granicach ziaren. Z kolei elektrycznie przewodzące warstwy antydyfuzyjne z azotków, czy też krzemo-azotków metali ujawniają ograniczoną odporność na utlenianie, przykładowo, warstwa (100 nm) TiN utlenia się w 300°C po 12 h tworząc praktycznie izolującą warstwę TiNO; warstwa TiSiN wygrzewana w powietrzu w 350°C także utlenia się, a na jej powierzchni tworzą się tlenki nieprzewodzące.
P r z y k ł a d 1
Sposób
Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według wynalazku polega na tym, że na podłożu półprzewodnikowym 1 oraz na warstwie metalizacji aktywnej 4 nakłada się pierwszą warstwę antydyfuzyjną 5 w postaci pierwszej warstwy bariery antydyfuzyjnej (o wysokiej przewodności 1 * 4 MS/m) TiN 5 o grubości 20-70 nm bądź inną o porównywalnej skuteczności antydyfuzyjnej dla zabezpieczenia metalizacji kontaktowej oraz warstwy izolacji, przed oddziaływaniem z Cu. Wyjątkowo dobre efekty uzyskano dla grubości warstwy bariery antydyfuzyjnej TiN 5 wynoszącej 50 nm. Warstwę TiN nałożono metodą reaktywnego magnetronowego rozpylania katodowego stałoprądowego DC z targetu Ti przy
PL 232 559 B1 optymalnie dobranych parametrach: przepływu azotu i argonu, ciśnienia całkowitego, mocy źródła zasilania DC katody i napięcia polaryzacji podłoża. Następnie, na warstwie TiN naparowano warstwę Cu 6 o grubości 400 nm za pomocą działa elektronowego w warunkach wysokiej próżni lub za pomocą rozpylania katodowego. W kolejnym etapie, na warstwę Cu 6 nałożono 20 nm warstwę TiN 7 metodą reaktywnego magnetronowego rozpylania katodowego stałoprądowego DC z targetu Ti przy optymalnie dobranych parametrach: przepływu azotu i argonu, ciśnienia całkowitego, mocy źródła zasilania DC katody i napięcia polaryzacji podłoża. Na warstwę TiN 7 nałożono 22 nm warstwę NiCr metodą magnetronowego rozpylania katodowego DC z targetu Ni(20% at.Cr) odznaczającą się w niską rezystywnością w zakresie 100-150 gQcm oraz wysoką odpornością na utlenianie. Po zakończeniu procesów osadzania strukturę poddano wygrzewaniu w atmosferze obojętnej, w temperaturze 400-450°C przez 20 min w celu stabilizacji krystalicznej metalizacji Cu, co zapewnia stabilność rezystancji ścieżek po dalszych narażeniach termicznych do 300°C. Tak wytworzona metalizacja oznacza się niską rezystywnością, typową dla miedzi oraz podwyższoną stabilnością przy narażeniach termicznych w 300°C.
P r z y k ł a d 2
Metalizacja
W metalizacji wielowarstwowej na podłożu półprzewodnikowym 1 z aktywną warstwą półprzewodnikową 2 umieszczona jest warstwa izolacji 3 oraz warstwa, metalizacji aktywnej 4, na których umieszczona jest pierwsza warstwa antydyfuzyjna 5, a na pierwszej warstwie antydyfuzyjnej 5 umieszczona jest warstwa na bazie miedzi 6, na której umieszczona jest druga warstwa antydyfuzyjna 7 z nałożoną na niej warstwą stopu NiCr 8. Pierwsza warstwa antydyfuzyjna 5 jest warstwą TiN o grubości 20-70 nm i o wysokiej przewodności wynoszącej od 1 do 4 MS/m. Warstwa na bazie miedzi 6 jest warstwą miedzi Cu lub warstwą stopu Cu(0,5% at.Nb). Warstwa stopu Cu(0,5% at.Nb) ma grubość od 0,4 do 4 gm.
Warstwa stopu NiCr 8 jest warstwą o atomowej zawartości Cr 18-30%, o grubości 15-25 nm i o przewodnictwie co najmniej 0,6 MS/m, może także zawierać 1% manganu lub 1% krzemu.
Przeprowadzono testy starzenia w warunkach: 300°C, powietrze, 200 h. Rezystancje powierzchniowe warstw mierzono metodą 4-ostrzową, a obserwacje powierzchni i składu fazowego metalizacji prowadzono odpowiednio za pomocą mikroskopii optycznej oraz dyfrakcji rentgenowskiej.
Wyniki pomiarów i obserwacji: rezystywność układu metalizacji 2,15 gQcm (dokładność pomiaru rezystancji powierzchniowej Rs +/-3%); powierzchnia gładka, wolna od przebarwień i krystalitów; w badaniach XRD stwierdzono stabilną polikrystaliczną strukturę Cu bez obecności tlenków Cu, natomiast warstwy TiN oraz NiCr zawierają odpowiednio fazy TiN i Ni(Cr), oraz oznaczają się strukturą polikrystaliczną z ziarnami o nanoskopowych rozmiarach (10 nm dla TiN i ok. 15 nm dla Ni(Cr)).
Zastosowanie wynalazku
Zastosowanie metalizacji wielowarstwowej według wynalazku będzie przydatne w konstrukcjach prostych układów nie wymagających wielu poziomów metalizacji, w szczególności układów mocy na półprzewodnikach SiC i GaN, np. w elektronicznych układach dla przemysłu samochodowego, w przełącznikach mocy, w konwerterach AC-DC, w zasilaczach prądowych czy też jako ścieżki w fotowoltaicznych źródłach energii PV, bateriach do magazynowania energii, ogniwach paliwowych, układach mikrofalowych.
Claims (16)
- Zastrzeżenia patentowe1. Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej, znamienny tym, że na półizolacyjne lub półprzewodnikowe podłoże (1) z aktywną warstwą półprzewodnikową (2) z warstwą izolacji (3) i z uprzednio wytworzoną warstwą metalizacji aktywnej (4) nakłada się pierwszą warstwę antydyfuzyjną (5) metodą magnetronowego rozpylania katodowego stałoprądowego DC, następnie naparowuje się warstwę na bazie miedzi (6) za pomocą działa elektronowego w warunkach wysokiej próżni lub metodą rozpylania magnetronowego, po czym nakłada się drugą warstwę antydyfuzyjną (7) metodą magnetronowego rozpylania katodowego stałoprądowego DC oraz warstwę stopu NiCr (8), po czym wygrzewa się je w atmosferze obojętnej, w temperaturze 400°C-450°C przez 10-30 min.PL 232 559 B1
- 2. Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że pierwsza warstwa antydyfuzyjna (5) jest warstwą TiN o grubości 20-70 nm i o przewodności wynoszącej od 1 do 4 MS/m.
- 3. Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według zastrz. 1-2, znamienny tym, że warstwa na bazie miedzi (6) jest warstwą miedzi lub warstwą stopu Cu(0,5% at.Nb).
- 4. Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według zastrz. 3, znamienny tym, że warstwą stopu Cu(0,5% at.Nb) ma grubość od 0,3 do 4 μm.
- 5. Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według zastrzeż. 1-4, znamienny tym, że warstwa stopu NiCr (8) jest warstwą o atomowej zawartości Cr 18-30%, o grubości 15-25 nm i o przewodnictwie co najmniej 0,6 MS/m.
- 6. Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według zastrzeż. 5, znamienny tym, że warstwa stopu NiCr (8) jest warstwą o atomowej zawartości Cr 20%.
- 7. Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według zastrzeż. 6, znamienny tym, że warstwa stopu Ni(20% at.Cr) (8) zawiera 1% manganu lub 1% krzemu.
- 8. Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej według zastrzeż. 1-4, znamienny tym, że wygrzewanie prowadzi się przez 20 min.
- 9. Metalizacja wielowarstwowa, znamienna tym, że półizolacyjnym lub półprzewodnikowym podłożu (1) z aktywną warstwą półprzewodnikową (2) z warstwą izolacji (3) i z uprzednio wytworzoną warstwą metalizacji aktywnej (4) nałożona jest pierwsza warstwa antydyfuzyjna (5), a na warstwie antydyfuzyjnej (5) umieszczona jest warstwa na bazie miedzi (6), na której umieszczona jest druga warstwa antydyfuzyjna (7) z nałożoną na niej warstwą stopu NiCr (8).
- 10. Metalizacja wielowarstwowa według zastrz. 9, znamienna tym, że pierwsza warstwa antydyfuzyjna (5) jest warstwą TiN o grubości 20-70 nm i o wysokiej przewodności wynoszącej od 1 do 4 MS/m.
- 11. Metalizacja wielowarstwowa według zastrz. 9 lub 10, znamienna tym, że warstwa na bazie miedzi (6) jest warstwą miedzi Cu lub warstwą stopu Cu(0,5% at.Nb).
- 12. Metalizacja wielowarstwowa według zastrz. 11, znamienna tym, że warstwa stopu Cuf0,5% at.Nb) ma grubość od 0,3 do 4 μm.
- 13. Metalizacja wielowarstwowa według zastrz. 9-12, znamienna tym, że warstwa stopu NiCr (8) jest warstwą o atomowej zawartości Cr 18-30%, o grubości 15-25 nm i o przewodnictwie co najmniej 0,6 MS/m.
- 14. Metalizacja wielowarstwowa według zastrzeż. 13, znamienny tym, że warstwa stopu NiCr (8) jest warstwą o atomowej zawartości Cr 20%.
- 15. Metalizacja wielowarstwowa według zastrzeż. 14, znamienny tym, że warstwa stopu Ni(20% at.Cr) (8) zawiera 1% manganu lub 1% krzemu.
- 16. Zastosowanie metalizacji wielowarstwowej wytworzonej zgodnie ze sposobem z zastrz. 1 -8 lub metalizacji wielowarstwowej określonej z zastrz. 9-15, do przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL422247A PL232559B1 (pl) | 2017-07-17 | 2017-07-17 | Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej, metalizacja wielowarstwowa oraz zastosowanie metalizacji wielowarstwowej |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL422247A PL232559B1 (pl) | 2017-07-17 | 2017-07-17 | Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej, metalizacja wielowarstwowa oraz zastosowanie metalizacji wielowarstwowej |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL422247A1 PL422247A1 (pl) | 2019-01-28 |
| PL232559B1 true PL232559B1 (pl) | 2019-06-28 |
Family
ID=65033993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL422247A PL232559B1 (pl) | 2017-07-17 | 2017-07-17 | Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej, metalizacja wielowarstwowa oraz zastosowanie metalizacji wielowarstwowej |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL232559B1 (pl) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6383732A (ja) * | 1986-09-29 | 1988-04-14 | Fuji Xerox Co Ltd | 電子写真用感光体 |
| US6620720B1 (en) * | 2000-04-10 | 2003-09-16 | Agere Systems Inc | Interconnections to copper IC's |
| US7026714B2 (en) * | 2003-03-18 | 2006-04-11 | Cunningham James A | Copper interconnect systems which use conductive, metal-based cap layers |
| CN103390607B (zh) * | 2012-05-09 | 2015-12-16 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 铜互连结构及其形成方法 |
| US8969197B2 (en) * | 2012-05-18 | 2015-03-03 | International Business Machines Corporation | Copper interconnect structure and its formation |
| CN102867780A (zh) * | 2012-09-17 | 2013-01-09 | 上海华力微电子有限公司 | 一种铜互连工艺 |
-
2017
- 2017-07-17 PL PL422247A patent/PL232559B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL422247A1 (pl) | 2019-01-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1126170C (zh) | 焊接端子及其制作方法 | |
| KR101782440B1 (ko) | 열전 발전 모듈 | |
| US8518815B2 (en) | Methods, devices, and materials for metallization | |
| JP6432466B2 (ja) | 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンクの製造方法 | |
| CN107251246B (zh) | 热电模块及其制造方法 | |
| US10847614B2 (en) | Semiconductor device having a stacked electrode with an electroless nickel plating layer | |
| JP2010278164A (ja) | 半導体装置とその製造方法 | |
| US10224472B2 (en) | Thermoelectric power module | |
| KR102487993B1 (ko) | 열전 모듈 | |
| US6916739B2 (en) | Structural element and process for its production including bonding through an amorphous hard layer | |
| CN106469710B (zh) | 一种方法、一种半导体器件以及一种层布置 | |
| PL232559B1 (pl) | Sposób wytwarzania metalizacji wielowarstwowej, metalizacja wielowarstwowa oraz zastosowanie metalizacji wielowarstwowej | |
| RU2601243C1 (ru) | Способ получения термоэлектрического элемента | |
| CN110544626B (zh) | 碳化硅衬底上的电接触 | |
| Shtern | Current trends in improving the efficiency of thermoelectric generators | |
| RU2564685C1 (ru) | Способ сплавления | |
| KR102606192B1 (ko) | 구리 접합 질화물 기판용 구리 접합층 니켈 합금 조성물 | |
| JP4527393B2 (ja) | 半導体装置用Ｃｕ系合金配線及びその製造方法 | |
| US20060199360A1 (en) | Cladded silver and silver alloy metallization for improved adhesion and electromigration resistance | |
| Lin et al. | Bonding/barrier layers on bismuth telluride (Bi 2 Te 3) for high temperature applications | |
| Shtern et al. | Chemical and Electrochemical Methods for Producing Contacts to Thermoelements Based on Bismuth and Antimony Chalcogenides | |
| TWI300255B (en) | Composite material as barrier layer in cu diffusion | |
| Guziewicz et al. | Reliability of copper-based interconnections for power devices | |
| TWM672838U (zh) | 封裝結構 | |
| Lin et al. | Bonding of Bi 2 Te 3 chips to alumina using Ag-In system for high temperature applications |