Diffusion and phase formation in the Al-Cu thin film system investigated with ToF-SIMS and grazing incidence X-ray diffraction

Abstract

The Al-Cu system is a highly interesting material combination and extensively used for devices in microelectronics. Power copper metallisation on Al signal routing, flip chips and Cu wire bonding on Al pads are only three examples for state of the art applications. The need to develop energy as well as cost efficient devices leads to an ongoing miniaturisation and therefore to a reduction of sizes in all three dimensions. A major part of literature concentrates on bulk diffusion and phase formation in massive samples at relatively high temperatures. In contrast, our main focus are thin layers in the micrometre range at temperatures from RT up to 400 °C. Under operation, thermal stress, diffusion, phase formation, electroand stress migration can occur. Diffusion and phase formation were of particular interest in this work. The aim was to supply qualitative as well as quantitative information on the mixing of Al and Cu, the time frame in which the alteration takes place and the distribution of Al in the system. For that purpose the first arrival approach, also known as time-lag method, was applied in ToF-SIMS heating experiments under UHV conditions to investigate the Al diffusion into Cu. A buried Al layer below Cu was heated in-situ and the surface was scanned for an Al enrichment. The time dependent development of the Al signal on the surface is characteristic for a certain temperature and leads to the so-called first arrival time. The overall diffusion proved to be highly dependent on the thickness of the covered Al layer as well as on the type of Cu. With decreasing Al layer thickness, the first arrival times decreased simultaneously until a threshold was reached. Faster diffusion can also be reported for sputtered compared to electrochemically deposited Cu. Different disciplines of material sciences study the various influences as well as consequences of diffusion and phase formation. Mechanical properties like hardness as well as aging processes like embrittlement, crack formation and fatigue play a key role for reliability. Especially the latter properties are often linked to the process of phase formation. Temperature dependent phase formation in the Al-Cu system was investigated with grazing incidence X-ray diffraction. The Al-Cu phase diagram exhibits 6 different phases besides pure Al and pure Cu. Phase formation is reported for temperatures as low as 130 °C. The formation of phases, the dissolution and the temperature windows for the respective phases were investigated in thin-film geometry.

Das Al-Cu System ist in der Mikroelektronik und Hableitertechnik eine weit verbreitete Materialkombination. Power-Kupfer Metallisierungen, Flip-Chips und Cu-Drahtbonds auf Al-Metallisierungen sind nur drei der zahlreichen Anwendungen, welche in industriellen Produkten zur Anwendung kommen. Der generelle Trend zu energieeffizienten und kostengünstigen Bauteilen führt zu einer Reduktion der Ausdehnung einzelner Chips in allen drei räumlichen Dimensionen. Da der Großteil der verfügbaren Literatur die Situation von Diffusion und Phasenbildung in massiven Proben beschreibt, trägt diese Arbeit dazu bei, auch die Seite der Dünnschichtanwendungen zu beleuchten. Der relevante Temperaturbereich wurde von Raumtemperatur bis 400 °C festgelegt. Während des Betriebs kommt es durch die elektrische Belastung unter Anderem zu thermischem Stress, Diffusion, Phasenbildung und Elektromigration. Speziell die Diffusion und Phasenbildung wurden im Rahmen dieser Arbeit mit dem Ziel behandelt, qualitative sowie quantitative Daten für das Al-Cu System zu liefern. Zu diesem Zweck wurde der First-Arrival-Ansatz, der üblicherweise mittels AES verfolgt wurde, auf ein Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometriesystem übertragen. Zu diesem Zweck wurden Al-Proben mit Cu-Deckschichten im Ultrahochvakuum in-situ geheizt und die Oberfläche in Hinblick auf Al gescannt. Der Zeitpunkt, zu welchem das Al-Signal ansteigt, ist temperaturabhängig. Dabei stellte sich heraus, dass die Dicke der Aluminiumschicht Auswirkungen auf die resultierenden First-Arrival-Zeiten hat. Je dünner diese Schicht in der entsprechenden Probe war, desto früher konnte Al an der Oberfläche nachgewiesen werden. Dies gilt bis zu einer gewissen Grenzdicke, ab der es scheinbar wieder zu einem Anstieg kommt. Verschiedene Disziplinen der Materialwissenschaften untersuchen die Auswirkungen von Diffusion und Phasenbildung auf mechanische Eigenschaften wie Härte und Alterungsprozesse wie Versprödung, Rissbildung und Materialversagen. Gerade letztere werden häufig unmittelbar mit Phasenbildung in Verbindung gebracht. Aus diesem Grund wurde die temperaturabhängige Phasenbildung in asymmetrischen Al-Cu Schichten untersucht. Dabei übertrafen die dicken Cu-Schichten das dünne Al um etwa einen Faktor 1000. Um diesen Schichtaufbau überhaupt untersuchen zu können, wurde Röntgenbeugung unter streifendem Einfallswinkel verwendet. Das Phasendiagramm weist neben reinem Al und reinem Cu 6 weitere Phasen auf. Diese treten ab einer Temperatur von 130 °C in Erscheinung und bilden sich mit Ausnahmen in der Reihenfolge Al2Cu, AlCu, Al4Cu9. Dementsprechend werden die Phasen mit höherer Temperatur immer kupferreicher. Es konnten sowohl die Bildung von Phasen als auch deren Auflösung beobachtet werden.