Development and modification of low stress copper layers for the semiconductor industry

Abstract

Aluminium Schichten mit Dicken von bis zu einigen Mikrometern werden in der Halbleiterindustrie häufig für verschiedenste Mikrochips eingesetzt. Die aufgebrachten Metallschichten dienen dabei hauptsächlich als passive Kühlung sowie für die Kontaktierung des Chips (Metall Pads). Der Einsatz von Aluminiumschichten für diese Zwecke bringt jedoch einige Nachteile mit sich. Zum einen tendiert Aluminium zu Elektromigration in verschiedenen Materialien, was zu einer Verschlechterung der Funktion des Mikrochips und im schlimmsten Fall zu einem Ausfall führen kann. Des Weiteren brauchen vor allem Hochleistungshalbleiterchips relativ dicke Metallschichten für die Kontaktierung und Kühlung. Aluminium wird in der Halbleiterindustrie in der Regel über einen Sputter-Prozess aufgetragen. Dieser Prozess ist in der Regel sehr teuer und zudem sehr zeitintensiv bei der Herstellung von dickeren Schicken. Aus diesem Grund wäre es wünschenswert, Aluminium als Metall für die Kühlung und Kontaktierung durch andere Materialien ersetzen zu können. Kupfer wäre dafür ideal geeignet, da sich Kupfer sowohl durch seine hohe thermische Leitfähigkeit (400Wm-1K-1) als auch durch seinen niedrigen elektrischen Widerstand (1.721 * 10-2 -mm2/m) auszeichnet. Zudem neigt Kupfer weniger zu Elektromigration als Aluminium. Der Einsatz von Kupfer für die Kontaktierung von Mikrochips hat aber auch Nachteile. Beim Einsatz von Mikrochips entsteht Abwärme (vor allem bei Hochleistungschips), die den Chip erhitzt. Dadurch kommt es zur Ausbildung von thermischen Stress zwischen der Metallschicht und den darunterliegenden Halbleiterschichten. Auch während der Produktion kann dieser Stress bei thermischen Prozessen auftreten und dabei zu Wafer und Chip Bow führen. Zudem kann der Stress die Delamination der Metallschicht vom Chip verursachen und es können Sprünge in der darunterliegenden Schicht entstehen. Auch die Lebensdauer des fertigen Chips wird dadurch negativ beeinflusst und im schlimmsten Fall kann es zu einem Versagen des Chips im Einsatz kommen, was schwerwiegende Folgen haben kann. Aus diesem Grund wäre es wünschenswert eine Möglichkeit zu finden, um den thermischen Stress zu reduzieren. Im Zuge dieser Arbeit wurden verschiedene Methoden entwickelt um stressreduzierte Kupferschichten zu erzeugen und selektiv zu verändern.

Aluminium layers with thicknesses of several micrometres are frequently used in the semiconductor industry, mainly for passive cooling and for electrical contacts (pad metallisation). The usage of aluminium for these layers does though have several disadvantages. Aluminium tends to lead to electro-migration into many of the materials used for microchips which can reduce the performance or even lead to chip failure. Furthermore power devices need thick pads for contacting and heat transfer and aluminium deposition done using sputtering is an expensive and time consuming process, especially for thick layers. Therefore it would be a great advantage to be able to use other metals for these pads. Copper would be an ideal element as it has high thermal conductivity (400 Wm-1K-1) and low electrical resistivity (1.721 * 10-2 -mm2/m) and furthermore it exhibits less tendency for electromigration than aluminium. One of the main disadvantages of copper layers is thermal stress. Microchips, especially high voltage devices, get hot during operation, which leads to high stress between the copper layer and the substrate. This stress will lead to shorter product lifetimes and can cause wafer bow during production, chip bow in the package, delamination of the metal layer and cracks in the silicon during operation leading to chip failure. Therefore it would be of great interest to develop copper layers with reduced thermal stress. In this work different methods for the production and modification of stress-reduced copper layers have been investigated.