DE102006004826B4 - Metal- and cyanide-free etching solution for wet-chemical structuring of metal layers in the semiconductor industry and their use in an etching process - Google Patents
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Abstract
Ätzlösung zur nasschemischen Strukturierung von Metallschichten, insbesondere Silberschichten, in der Produktion von Halbleiterbauelementen gekennzeichnet durch Ammoniumperoxodisulfat als mindestens einem Oxidationsmittel und Ammoniumthiosulfat als mindestens einem Komplexbildner L, wobei der Komplexbildner L und die durch das Oxidationsmittel während des Ätzvorganges freigesetzten Metall-Kationen M der Metallschicht einen Komplex M(S2O3)x mit x gleich 1 bis 2; bilden, und wobei die Ätzlösung frei von Metall- und/oder Cyanid-Ionen ist.Etching solution for wet-chemical structuring of metal layers, in particular silver layers, in the production of semiconductor devices characterized by ammonium peroxodisulfate as at least one oxidant and ammonium thiosulfate as at least one complexing agent L, wherein the complexing agent L and the liberated by the oxidizing agent during the etching metal cations M of the metal layer Complex M (S2O3) x with x equal to 1 to 2; form and wherein the etching solution is free of metal and / or cyanide ions.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ätzlösung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Verwendung einer Ätzlösung nach den Ansprüchen 9 bis 12.The invention relates to an etching solution according to the preamble of
Resistive Speichermaterialien sind seit längerem, insbesondere unter dem Stichwort „Programmable metallization Cell (PMC)” als Teil der „Nonvolatile Memory Technology” bekannt. Basierend auf anorganischen Materialien finden hier Konzepte zur Änderung der Leitfähigkeit durch Ionendiffusion in Gläsern, insbesondere das System GeSex/Ag oder GeSx/Ag Anwendung.Resistive storage materials have long been known, in particular under the heading "Programmable Metallization Cell (PMC)" as part of the "Nonvolatile Memory Technology". Based on inorganic materials, concepts for changing the conductivity by ion diffusion in glasses, in particular the system GeSe x / Ag or GeS x / Ag, are used.
Ein Beispiel für ein solches System ist eine Conductive bridging(CB)-RAM Zelle Die CB-RAM Zelle besteht in ihrer einfachsten Ausführung aus drei Schichten. Auf eine untere Elektrode aus Silber, Wolfram oder ähnlichen Materialien wird als aktives Material ein Germaniumchalkogenid abgeschieden, welches Metalle wie Silber oder Kupfer unter Ausbildung einer festen Lösung enthält. Im Anschluss wird als obere Elektrode und zur Bereitstellung des leitfähigen Pfades eine Silberschicht abgeschieden. Bei Anlegen einer Spannung wandern die positiv geladenen Metall-Ionen aus der Germaniumchalkogenid-Schicht zur Katode und lagern sich auf der Katode unter Ausbildung eines Films mit niedrigem Widerstand ab. Bei Anlegen einer Sperrspannung erfolgt eine Umkehr des Ablagerungsvorganges und das abgelagerte Metal wird aufgelöst, wodurch ein hoher Widerstand wieder hergestellt wird.An example of such a system is a Conductive bridging (CB) RAM cell. The CB-RAM cell, in its simplest form, consists of three layers. On a lower electrode made of silver, tungsten or similar materials, a germanium chalcogenide is deposited as an active material, which contains metals such as silver or copper to form a solid solution. Subsequently, a silver layer is deposited as the upper electrode and to provide the conductive path. Upon application of a voltage, the positively charged metal ions from the germanium chalcogenide layer migrate toward the cathode and deposit on the cathode to form a low resistance film. When a blocking voltage is applied, the deposition process is reversed and the deposited metal is dissolved, whereby a high resistance is restored.
Im Rahmen einer breiteren Anwendung dieser Technologie ist es wünschenswert die in der Zelle gebildeten Metallschichten, insbesondere Silberschichten, zu strukturieren.In the context of a wider application of this technology, it is desirable to pattern the metal layers formed in the cell, in particular silver layers.
Die Strukturierung von Silberschichten stellt hier besondere Ansprüche, da Silber als edles Metall ein relativ hohes Reaktionspotential besitzt und somit gegenüber chemischen Reaktionen relativ inert ist. Die Strukturierung von Silberschichten erfordert daher die Verwendung von spezifischen Ätzlösungen.The structuring of silver layers makes special demands here, since silver has a relatively high reaction potential as a noble metal and is therefore relatively inert to chemical reactions. The structuring of silver layers therefore requires the use of specific etching solutions.
Bisher verwendete Ätzlösungen enthalten insbesondere Cyanid-Ionen als starke Komplexbildner, da die gebildeten Metall-Cyano-Komplexe eine hohe Komplexstabilität aufweisen.In particular, etching solutions used hitherto contain cyanide ions as strong complexing agents, since the metal-cyano complexes formed have a high degree of complex stability.
Als nachteilig für die Produktion erweist sich jedoch die bekanntermaßen hohe Toxizität von Cyanid-Lösungen und die hohen Kosten von den derzeit bevorzugt eingesetzten Tetraalkylammoniumcyaniden. So liegen die Kosten für 200 l einer 0,1–1 Molaren Cyanidlösung in TMA als Entwicklerlösung derzeit bei mehreren 10 000 Euro.However, the known high toxicity of cyanide solutions and the high cost of the currently preferred tetraalkylammonium cyanides prove to be disadvantageous for the production. Thus, the cost of 200 l of a 0.1-1 molar cyanide solution in TMA as a developer solution is currently several tens of thousands of euros.
Cyanidfreie Ätzlösungen sind ebenfalls bekannt. So wird in der
Die
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Ätzlösungen zur nasschemischen Strukturierung von Metallschichten bereitzustellen, die frei von Metall-Ionen und Cyanid-Ionen sind. Insbesondere sollen Ätzlösungen bereitgestellt werden, die die Strukturierung von Silberschichten in Form von Silberelektroden oder das, was nach einer thermischen, elektrischen oder photoinduzierten Eindiffusion davon in CB-RAM-Zellen übrig ist, ermöglichen. Insbesondere soll diese Methode für ADM Anwendung finden.It is therefore an object of the present invention to provide etching solutions for the wet-chemical structuring of metal layers which are free of metal ions and cyanide ions. In particular, etching solutions are to be provided which enable the structuring of silver layers in the form of silver electrodes or what is left after a thermal, electrical or photoinduced diffusion thereof into CB-RAM cells. In particular, this method should find application for ADM.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ätzlösung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by an etching solution with the features of
Die erfindungsgemäße Ätzlösung zur nasschemischen Strukturierung von Metallschichten, insbesondere von Silberschichten, in der Produktion von Halbleiterbauelementen ist gekennzeichnet durch Ammoniumperoxodisulfat als mindestens einem Oxidationsmittel und Ammoniumthiosulfat als mindestens einen Komplexbildner L, wobei der Komplexbildner L und die durch das Oxidationsmittel während des Ätzvorganges freigesetzten Metall-Kationen der Metallschicht einen Komplex M(S2O3)x mit x gleich 1 bis 2, bevorzugt 2, bilden, wobei x die Anzahl der gebundenen Liganden darstellt. Die erfindungsgemäße Ätzlösung ist frei von Metall- und/oder Cyanid-Ionen.The etching solution according to the invention for wet-chemical structuring of metal layers, in particular of silver layers, in the production of semiconductor components is characterized by ammonium peroxodisulfate as at least one oxidizing agent and ammonium thiosulfate as at least one complexing agent L, wherein the complexing agent L and the metal cations liberated by the oxidizing agent during the etching process the metal layer form a complex M (S 2 O 3 ) x with x equal to 1 to 2, preferably 2, where x represents the number of bound ligands. The etching solution according to the invention is free from metal and / or cyanide ions.
Vorteilhafterweise weist das verwendete Oxidationsmittel ein Normalpotential von größer +1 V, insbesondere von +2 V, auf. So weist das starke Oxidationsmittel Peroxodisulfat im Rahmen der Reaktion 2 SO4 2– ⇆ S2O8 2– + 2e– ein Normalpotential von +2 V auf.Advantageously, the oxidizing agent used has a normal potential of greater than +1 V, in particular +2 V, on. Thus, the strong oxidizing agent peroxodisulfate in the
Der gebildete Komplex MLx ist bevorzugt durch eine Komplexbildungskonstante KB von größer gleich 106 lx/molx, insbesondere von größer gleich 107 lx/molx gekennzeichnet. So ist z. B. ein während des Ätzens von Silberschichten gebildeter [Ag(NH3)2]+ Komplex durch eine Komplexbildungskonstante von 107 l2/mol2 charakterisiert.The formed complex ML x is preferably characterized by a formation constant of greater than or equal to 10 KB x 6 l / mol x, in particular greater than or equal to 10 x 7 l / mol x. So z. For example, a [Ag (NH 3 ) 2 ] + complex formed during the etching of silver layers is characterized by a complexation constant of 10 7 l 2 / mol 2 .
Während des Ätzvorganges wird das Metall mittels eines geeigneten Oxidationsmittels in das korrespondierende Metall-Kation gemäß der Gleichung
Das Redoxpotential der Reaktion ergibt sich gemäß der Nernstschen Gleichung aus
Im Falle der Oxidation einer Silberschicht stellt somit das metallische Silber den reduzierten Bestandteil und die Silber-Ionen den oxidierten Teil dar, wobei das Normalpotential von Silber + 0,7991 V beträgt und für das metallische Silber CRed einem Wert von 1 entspricht.Thus, in the case of oxidation of a silver layer, the metallic silver represents the reduced component and the silver ions the oxidized portion, the normal potential of silver being + 0.7991 V and the metallic silver C Red being equal to 1.
Da Silber schwer ätzbar ist, ist es erstrebenswert das Gleichgewicht der Gleichung (1) auf die Seite der oxidierten Stufe, d. h. die Seite der löslichen Silber-Kationen zu verlagern. Für die gewünschte Verschiebung des Gleichgewichtes müssen die Kationen entfernt werden, was z. B. durch die Verwendung von starken Komplexbildnern gemäß der Reaktion
Die Konstante der Komplexbildungsreaktion und damit die Stabilität des gebildeten Komplexes sind mittels der Gleichung beschreibbar.The constant of the complex formation reaction and thus the stability of the complex formed are by means of the equation writable.
Der Prozess des Ätzens, insbesondere von schwer ätzbaren Metallschichten, wird somit von zwei Komponenten positiv beeinflusst:
- a) einem starken Oxidationsmittel in Form von Ammoniumperoxodisulfat zur Überführung des Metalls in das korrespondierende lösliche Kation, sowie
- b) einem starken Komplexbildner in Form von Ammoniumthiosulfat, der das gebildete Metallkation dem Redoxgleichgewicht entzieht.
- a) a strong oxidizing agent in the form of ammonium peroxodisulfate for the conversion of the metal into the corresponding soluble cation, and
- b) a strong complexing agent in the form of ammonium thiosulfate, which extracts the metal cation formed the redox equilibrium.
Die erfindungsgemäße Ätzlösung ermöglicht somit, das Elektrodenpotential der zu strukturierenden Metallschichten, insbesondere von Silberschichten in einen für die Ätzung günstigen Bereich, bevorzugt in einen Bereich kleiner 0,4 V, zu rücken.The etching solution according to the invention thus makes it possible to move the electrode potential of the metal layers to be structured, in particular of silver layers, into a region which is favorable for the etching, preferably into a range of less than 0.4 V.
Starke Oxidationsmittel mit einem Normalpotential von größer +1 V, wie z. B. Peroxodisulfat mit einem Normalpotential von +2,1 V, sollten per se oxidativ stark genug sein, um Metallschichten wie Silber mit einem Normalpotential von +0,799 V oder Kupfer mit einem Normalpotential von +0,521 V zu ätzen. Der singuläre Einsatz von Peroxodisulfat zum Ätzen wird jedoch durch die Bildung von Oxidschichten auf den genannten Metallen und der damit verbundene Aufbau einer Überspannung verhindert. Durch die gleichzeitige Verwendung von Komplexbildnern wird diese Überspannung abgebaut. Es ist sogar möglich, das Potential unterhalb des Werts des Normalpotentials von beispielsweise Cu zu senken, das bekanntermaßen durch Peroxodisulfat ohne Zusatz von Komplexbildnern sehr gut geätzt wird.Strong oxidizing agents with a normal potential of greater than +1 V, such as. For example, peroxodisulfate with a +2.1 V normal potential should be oxidatively strong enough per se to etch metal layers such as +0.799 V of normal potential or + 0.521 V of normal copper. However, the singular use of peroxodisulfate for etching is prevented by the formation of oxide layers on the said metals and the associated build-up of an overvoltage. The simultaneous use of complexing agents reduces this overvoltage. It is even possible to lower the potential below the value of the normal potential of, for example, Cu, which is known to be very well etched by peroxodisulfate without the addition of complexing agents.
Die Absenkung des Potentials durch die Verwendung von Oxidationsmitteln in Verbindung mit Komplexbildnern lässt sich z. B. für die Nernstgleichung wirksame Silberionenkonzentration gemäß Tabelle 1 wie folgt abschätzen.The lowering of the potential through the use of oxidants in conjunction with complexing agents can be z. B. for the Nernst equation effective silver ion concentration according to Table 1 as follows estimate.
Tabelle 1 zeigt den Einfluss verschiedener Komplexbildner auf die Konzentration an freien Silberionen am Beispiel der Silberhalogenide und des Silbersulfids auf.
Bei Beachtung der logarithmischen Skala und der Löslichkeitsreihe der Silberhalogenide wird folgende Reihenfolge an freien Silber-Ionen erhalten:
In einer silberhaltigen Thiosulfatlösung sind somit max. 10–7 mol/l Ag+ Ionen enthalten. Bei Anwendung der Nernstschen Gleichung (2) ergibt sich das Potential einer silberhaltigen Thiosulfatlösung unter Beachtung der aller Konstanten der Gleichung (2) und dem Normalpotential für Silber von +0,799 V gemäß E = 0,799 V – 0,059 V/n·7 (mit n = 1) zu +0,386 V. Für eine silberhaltige Thiosulfatlösung liegt das Potential so im Bereich von Kupfer. Da die Konzentrationen an freien Silber-Ionen eines Silber-Thiosulfat-Komplexes in der Regel Werte größer als 2·10–7 annehmen, liegt das Potential sogar noch ca. 100–150 mV tiefer.In a silver-containing thiosulfate solution thus max. 10 -7 mol / l Ag + ions. Using Nernst's equation (2), the potential of a silver-containing thiosulfate solution is given considering all the constants of equation (2) and the normal potential for silver of +0.799 V according to E = 0.799 V - 0.059 V / n · 7 (with n = 1) to +0.386 V. For a silver-containing thiosulfate solution, the potential is in the range of copper. Since the concentrations of free silver ions of a silver thiosulfate complex generally assume values greater than 2 × 10 -7 , the potential is even lower by about 100-150 mV.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ätzlösungen zur Strukturierung von Silberschichten ist ebenfalls darauf zu achten, dass die Ätzlösung vorteilhafterweise frei von Sulfid-Ionen ist. In Gegenwart von Sulfid-Ionen würde es zur Bildung und Ablagerung des schwer löslichen Silbersulfids kommen, was den gesamten Ätzvorgang negativ beeinflusst.When using the etching solutions according to the invention for structuring silver layers, care must also be taken that the etching solution is advantageously free of sulfide ions. In the presence of sulfide ions, formation and deposition of the poorly soluble silver sulfide would occur, adversely affecting the overall etch process.
Neben ihrer Fähigkeit der Reduzierung des Potentials einer Metallschicht stellt die erfindungsgemäße Ätzlösung eine kostengünstige und gesundheitsunbedenkliche Alternative zu den bisher bekannten cyanidhaltigen Ätzlösungen dar.In addition to its ability to reduce the potential of a metal layer, the etching solution according to the invention represents a cost-effective and health-safe alternative to the hitherto known cyanide-containing etching solutions.
Die Ätzlösung weist vorteilhafter 0,1 bis 10 Gew.-% Ammoniumperoxodisulfat als Oxidationsmittel und 0,1 bis 10 Gew.-% Ammoniumthiosulfat als Komplexbildner auf.The etching solution advantageously has from 0.1 to 10% by weight of ammonium peroxodisulfate as oxidizing agent and from 0.1 to 10% by weight of ammonium thiosulfate as complexing agent.
Allgemein geeignete Komplexbildner L sind Verbindungen mit Stickstoff- und/oder Schwefel-Donoratomen auf. Bevorzugt werden lineare, cyclische, chelatisierende Amine, Oxime und/oder Nitrate sowie Thiole, und/oder Thiosulfate verwendet. Generally suitable complexing agents L are compounds with nitrogen and / or sulfur donor atoms. Preference is given to using linear, cyclic, chelating amines, oximes and / or nitrates and thiols, and / or thiosulphates.
Die Zahl der Liganden, die mit Übergangsmetallen Komplexe zu bilden vermögen, ist außergewöhnlich groß. Die Einteilung der Liganden erfolgt in der Regel nach der Zahl der komplexbildenen Atome, mit denen sie sich an ein Zentrum anzulagern vermögen. Diese Eigenschaft wird mit der Begriff der „Zähnigkeit” beschrieben Es sind einzähnige Liganden und mehrzähinige Chelatliganden bekannt.The number of ligands that can form complexes with transition metals is extraordinarily large. The classification of the ligands is usually based on the number of complex-forming atoms with which they are able to attach to a center. This property is described by the term "denticity." Monodentate ligands and multimetal chelating ligands are known.
Die Komplexbildung erfolgt mittels einer Anlagerung von mit freien Elektronen bzw. Elektronenpaaren versehenen Molekülen in die Koordinationssphäre des Übergangsmetalles. Liganden mit Stickstoff- und Schwefel-Donoratomen haben sich dabei als sehr vorteilhaft für die Lösung der gestellten Aufgabe erwiesen, da diese zum einen sehr stabile Komplexe ausbilden und zum anderen kostengünstig und nicht toxisch sind.The complex formation takes place by means of an addition of molecules provided with free electrons or electron pairs into the coordination sphere of the transition metal. Ligands with nitrogen and sulfur donor atoms have proven to be very advantageous for the solution of the problem, since these form on the one hand very stable complexes and on the other hand are inexpensive and non-toxic.
Chelatisierende Amine bilden besonders stabile Komplexe und senken dadurch sehr effektiv die Metall-Kationen Konzentration während des Ätzvorganges.Chelating amines form particularly stable complexes and thereby very effectively reduce the metal cation concentration during the etching process.
Mit Vorteil werden als lineare Amine primäre, sekundäre und/oder tertiäre Amine gemäß der Formel NR1R2R3 verwendet, wobei die Reste R1, R2 und R3 unabhängig voneinander Alkyl- und/oder Arylreste sein können. Bevorzugte Alkyl- oder Arylreste sind dabei Methyl, Ethyl, Propyl, Benzyl und/oder Phenyl.Advantageously used as linear amines primary, secondary and / or tertiary amines according to the formula NR 1 R 2 R 3 , wherein the radicals R 1 , R 2 and R 3 may be independently alkyl and / or aryl radicals. Preferred alkyl or aryl radicals are methyl, ethyl, propyl, benzyl and / or phenyl.
Als cyclische Amine kommen bevorzugt nicht-substituiertes Pyridin, alkylsubstituierte Pyridine und/oder Pyridincarbonsäuren, und als chelatisierende Amine Bipyridin, Phenanthrolin, Ethylendiamin und/oder oligomere Analoga des Ethylendiamins zum Einsatz. Das verwendete Oxim ist vorteilhafterweise Diacetyldioxim (Dimethylglyoxim).Preferred cyclic amines are non-substituted pyridine, alkyl-substituted pyridines and / or pyridinecarboxylic acids and, as chelating amines, bipyridine, phenanthroline, ethylenediamine and / or oligomeric analogs of ethylenediamine. The oxime used is advantageously diacetyldioxime (dimethylglyoxime).
Mit Vorteil werden als Thiole Propanthiol, Ethanthiole, Butanthiol und/oder Thiophenol verwendet.As thiols, propanethiol, ethanethiols, butanethiol and / or thiophenol are advantageously used.
Die verwendeten Komplexbildner L liegen bevorzugt in Form von Verbindungen aus Thiosulfaten, Thiocyanaten und/oder Nitraten als Anionen und Tetraalkylammonium als Kationen vor. Die Alkylreste sind dabei Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Benzylreste oder deren Permutation. Es können auch Lithium-, Natrium-, Kalium-, Calcium- oder Magnesium-Ionen als Kationen bei Verwendung von Metallionen-haltigen Ätzlösungen eingesetzt werden.The complexing agents L used are preferably in the form of compounds of thiosulfates, thiocyanates and / or nitrates as anions and tetraalkylammonium as cations. The alkyl radicals are methyl, ethyl, propyl, benzyl or their permutation. It is also lithium, sodium, potassium, calcium or magnesium ions can be used as cations using metal ion-containing etching solutions.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Ammoniak und/oder Ammoniumthiosulfat als Komplexbildner L. Beide Verbindungen weisen sehr gute komplexbildende Eigenschaften auf und sind sehr kostengünstig.The use of ammonia and / or ammonium thiosulphate as complexing agent L is particularly advantageous. Both compounds have very good complex-forming properties and are very cost-effective.
Als Oxidationsmittel können allgemein Peroxoverbindungen verwendet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz von Wasserstoffperoxid H2O2 und/oder Peroxodisulfate, insbesondere Ammoniumperoxodisulfat (NH4)2S2O8, erwiesen.As the oxidizing agent, peroxo compounds can be generally used. To be particularly advantageous, the use of hydrogen peroxide H 2 O 2 and / or peroxodisulfates, especially ammonium peroxodisulfate (NH 4) 2 S 2 O 8, proved.
Weitere vorteilhafte Oxidationsmittel sind Hypochlorite, Hypobromide, Peroxophosphate, Peroxodiphosphate, Permanganate, Peroxochromate, Perrhenate, Ozonide und/oder organische Peroxide, insbesondere Di-tert.-butylperoxid oder Dibenzoylperoxid.Further advantageous oxidizing agents are hypochlorites, hypobromides, peroxophosphates, peroxodiphosphates, permanganates, peroxochromates, perrhenates, ozonides and / or organic peroxides, in particular di-tert-butyl peroxide or dibenzoyl peroxide.
Die salzförmigen Oxidationsmittel liegen mit Vorteil in Form von Lithium-, Natrium-, Kalium-, Calcium-, Magnesium- bei Metallionen-haltigen Ätzlösungen und/oder Tetraalkylammonium-Salzen bei Metallionen-freien Ätzlösungen vor, wobei als Alkylreste Methyl, Ethyl, Propyl, Benzyl, und deren Permutationen verwendet werden.The salt-form oxidants are advantageously present in the form of lithium, sodium, potassium, calcium, magnesium in the case of metal ion-containing etching solutions and / or tetraalkylammonium salts in the case of metal ion-free etching solutions, the alkyl radicals being methyl, ethyl, propyl, Benzyl, and their permutations are used.
Die Ätzlösung weist auch Lösungsmittel und weitere Zusätze auf.The etching solution also includes solvents and other additives.
Als Lösungsmittel werden bevorzugt Wasser, Alkohole, insbesondere Methanol, Ethanol, iso- oder n-Propanol, cyclische Ether, insbesondere Dioxan oder Tetrahydrofuran, Dimethylsulfoxid und/oder Dimethylformamid verwendet, die rein oder in Mischungen vorliegen. Die Mischungen werden dabei so eingestellt, dass sich Oxidationsmittel und Komplexbildenr und die gebildeten Metall-Ionen-Komplexe gut darin lösen.The solvents used are preferably water, alcohols, in particular methanol, ethanol, isopropanol or n-propanol, cyclic ethers, in particular dioxane or tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide and / or dimethylformamide, which are present in pure form or in mixtures. The mixtures are adjusted in such a way that the oxidizing agent and complexing agent and the metal-ion complexes formed dissolve well therein.
Als Zusätze werden in einer vorteilhaften Konzentration 0,01 bis 10 Vol.-% an Tensiden, Alkoholen, Lösungsmitteln, inerten Salzen und/oder Basen oder Säuren zur Einstellung des pH-Wertes verwendet.As additives 0.01 to 10 vol .-% of surfactants, alcohols, solvents, inert salts and / or bases or acids are used to adjust the pH in an advantageous concentration.
Generell dienen als Zusätze Stoffe, die das Benetzungsverhalten der Formulierung einstellen. Dazu eignen sich die im Handel befindlichen Zusatzstoffe verschiedener Hersteller und Tenside (kationisch, anionisch und neutral). Der Zusatz von Alkoholen wie Methanol, Ethanol, i, n-Propanol, i, n, t-Butanol und weiterer höherwertiger Alkohole, und Phenolen wie Phenol oder o, m, p-Kresol, bewirkt eine Verbesserung des Benetzungsverhalten. Weitere mit Wasser mischbare oder bedingt mischbare Zusätze sind: Acetonitril, Aceton, Tetrahydrofuran, Dioxan, γ-Butyrolacton, Cyclohexanon, N-Methylpyrrolidinon, Triethylamin, Pyridin, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid etc. In general, additives which serve to adjust the wetting behavior of the formulation serve as additives. These are the commercially available additives from various manufacturers and surfactants (cationic, anionic and neutral). The addition of alcohols such as methanol, ethanol, i, n-propanol, i, n, t-butanol and other higher alcohols, and phenols such as phenol or o, m, p-cresol, causes an improvement in the wetting behavior. Other water-miscible or conditionally miscible additives are: acetonitrile, acetone, tetrahydrofuran, dioxane, γ-butyrolactone, cyclohexanone, N-methylpyrrolidinone, triethylamine, pyridine, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, etc.
Unter dem Begriff Zusätze sind auch Beimischungen von inerten Salzen zu verstehen, wie Halogenide, Sulfate, Tosylate, Acetate, Propionate, Phosphate von Ammonium- oder Tetraalkylammonium-Ionen in Metallionen-freien Lösungen sowie Lithium-, Natrium-, Kalium-, Calcium-, Magnesium-Ionen in Metallionen-haltigen Lösungen.The term additives also includes admixtures of inert salts, such as halides, sulfates, tosylates, acetates, propionates, phosphates of ammonium or tetraalkylammonium ions in metal ion-free solutions and lithium, sodium, potassium, calcium, Magnesium ions in metal ion-containing solutions.
Zusätze von Ammoniak, Tetraalkylammoniumhydroxid, wobei der Alkylrest ein Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Benzyl-Rest und deren Permutationen sein kann, Natron- oder Kalilauge bzw. Ameisensäure, Essigsäure, Salzsäure, Phosphorsäure oder Salpetersäure dienen zur Einstellung des pH-Wertes.Additions of ammonia, tetraalkylammonium hydroxide, where the alkyl radical may be a methyl, ethyl, propyl, benzyl radical and their permutations, soda or potassium hydroxide or formic acid, acetic acid, hydrochloric acid, phosphoric acid or nitric acid are used to adjust the pH ,
Die Aufgabe wird auch durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ätzlösung nach den Ansprüchen 10 bis 12 gelöst.The object is also achieved by the use of an etching solution according to the invention according to claims 10 to 12.
So ist die erfindungsgemäße Ätzlösung zur Strukturierung von Metallschichten, insbesondere von Silberschichten in Conducting-Bridging(CB)-RAM-Zellen, einsetzbar.Thus, the etching solution according to the invention can be used for structuring metal layers, in particular silver layers in conducting bridging (CB) RAM cells.
Die erfindungsgemäße Ätzlösung ist aber auch einsetzbar zur Strukturierung von GeS und/oder GeSe. Insbesondere für die CB-RAM Anwendung ist diese Eigenschaft von Vorteil.However, the etching solution according to the invention can also be used for structuring GeS and / or GeSe. This feature is particularly advantageous for the CB-RAM application.
Das Ätzverfahren ermöglicht unter Verwendung der erfindungsgemäße Ätzlösung die Strukturierung von Metallschichten, insbesondere von Silberschichten in Conducting-Bridging(CB)-RAM-Zellen.The etching process using the etching solution according to the invention makes it possible to pattern metal layers, in particular silver layers, in conducting bridging (CB) RAM cells.
Die Ätzlösung ist ferner verwendbar für Silberleitbahnen in elektronischen Bauteilen, insbesondere in HF-Bauteilen oder Antennenstrukturen. Da die erfindungsgemäße Lösung insbesondere die aminhaltige Lösung, auch Kupfer ätzt, kann sie ebenfalls zur Strukturierung von Kupfer-Silber-haltigen Legierungen bzw. Vielschichtsystemen eingesetzt werden.The etching solution is also usable for silver conductive lines in electronic components, in particular in HF components or antenna structures. Since the solution according to the invention in particular etches the amine-containing solution, including copper, it can likewise be used for structuring copper-silver-containing alloys or multilayer systems.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of the drawings of several embodiments. Show it:
Ausführungsbeispiel 1 (Stand der Technik)Embodiment 1 (Prior Art)
Zur Strukturierung werden alle Ausführungsbeispiele folgendermaßen vorbereitet. Zunächst wurde eine ca. 35 nm dicke Silberschicht auf einen Siliziumwafer im Vakuum aufgedampft. Anschließend wurde ein Photoresist bei 2500 rpm aufgeschleudert und bei 110°C für 1 min auf einer Hotplate getrocknet. Der Photoresist wurde 7 s bei einer Intensität von 7 mW/cm2 mit i-line (365 nm) durch eine Chrom-auf-Quarz-Maske belichtet. Die Entwicklung erfolgt in einem Standard Tetramethylammonioumhydroxid-Entwickler (2.38%) für 45 Sekunden, wodurch die belichteten Bereiche abgelöst werden. Die unbelichteten Bereiche bleiben stehen und dienen als Ätzmaske. Die unbelichteten Bereiche sind jedoch nur eine gewisse Zeit gegenüber starken Basen stabil. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn der pH der Ätzlösung nicht zu basisch ist d. h. eher im neutralen Bereich liegt.For structuring, all embodiments are prepared as follows. First, an approximately 35 nm thick silver layer was evaporated on a silicon wafer in a vacuum. Subsequently, a Spun photoresist at 2500 rpm and dried at 110 ° C for 1 min on a hotplate. The photoresist was exposed to i-line (365 nm) through a chromium-on-quartz mask for 7 seconds at an intensity of 7 mW / cm 2 . The development is carried out in a standard Tetramethylammonioumhydroxid developer (2.38%) for 45 seconds, whereby the exposed areas are peeled off. The unexposed areas stop and serve as an etching mask. However, the unexposed areas are only stable for a certain time over strong bases. Therefore, it is advantageous if the pH of the etching solution is not too basic, ie is more in the neutral range.
Die Silberschicht wird mit einer Ätzrate von 5.0 nm/s strukturiert. Nach der Ätzung wird der Resist durch Abspülen mit Aceton wieder entfernt.The silver layer is patterned at an etch rate of 5.0 nm / s. After the etching, the resist is removed again by rinsing with acetone.
Die Ätzrate spielt im Strukturierungsprozess eine wichtige Rolle. Sehr hohe Ätzraten führen dazu, dass der Ätzvorgang nur schwer kontrollierbar ist. Unterätzung/Überätzung ist die Folge d. h. kleine Strukturen werden nicht mehr aufgelöst. Große Gebiete ätzen i. a. etwas langsamer d. h. die kleinen Strukturen lösen sich ab, bevor große Flächen überhaupt durchgeätzt sind.The etching rate plays an important role in the structuring process. Very high etching rates make it difficult to control the etching process. Undercutting / overetching is the consequence d. H. small structures are no longer resolved. Great areas etch i. a. a little slower d. H. The small structures come off before large areas are etched through.
Ätzrate und Ätzgeschwindigkeit werden auch stark von der Umgebungstemperatur beeinflusst. So bewirkt eine Erhöhung der Temperatur eine Erhöhung der Ätzrate.Etch rate and etch rate are also heavily affected by ambient temperature. Thus, increasing the temperature causes an increase in the etching rate.
Die Draufsicht der
Ausführungsbeispiel 2 (Stand der Technik)Embodiment 2 (Prior Art)
Zur Strukturierung der in
Die Auflösung der Strukturen ist hier jedoch nicht sehr gut. Zudem beträgt die Lagerfähigkeit der hergestellten Lösung nur einige Stunden, was für die Anwendung in einem industriellen Prozess nachteilig ist.However, the resolution of the structures is not very good here. In addition, the shelf life of the prepared solution is only a few hours, which is disadvantageous for use in an industrial process.
Ausführungsbeispiel 3 (Stand der Technik)Embodiment 3 (Prior Art)
In
Die Strukturauflösung ist sehr gut, jedoch kommt es auch hier bedingt durch die Reduktion von H2O2 zur Entwicklung von Sauerstoff.The structure resolution is very good, but it also comes here due to the reduction of H 2 O 2 for the development of oxygen.
Ausführungsbeispiel 4 (erfindungsgemäß)Embodiment 4 (according to the invention)
Die Strukturierung erfolgte mit einer Ätzrate von 0.58 nm/s. Die Ätzrate kann durch eine Erhöhung des pH-Wertes durch Zugabe von NH3 zudem kontrolliert werden. So liegt die Ätzrate bei einem pH von 7 bei 0.88 nm/s.The structuring took place with an etching rate of 0.58 nm / s. The etching rate can also be controlled by increasing the pH by adding NH 3 . Thus, the etching rate at a pH of 7 is 0.88 nm / s.
(NH4)2S2O8/(NH4)2S2O3 bilden metastabile Lösungen, die nach ca. einem Tag geringe Schwefelprezipitate aufweisen. Es ist daher wichtig, dass die Bestandteile der Lösung erst kurz vor Benutzung gemischt werden. Die Stabilität der Lösung ist auch durch den pH-Wert kontrollierbar.(NH 4 ) 2 S 2 O 8 / (NH 4 ) 2 S 2 O 3 form metastable solutions which after about one day have low sulfur precipitates. It is therefore important that the components of the solution are mixed just before use. The stability of the solution is also controllable by the pH.
Die Draufsicht der
Die im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen 1 und 2 verbesserte Auflösung der Ausführungsbeispiele 3 und 4 kann mit der hohen Komplexbildungskonstante des Thiosulfatkomplexes zusammenhängen, die um mehrere Großenordungen größer ist als diejenige des Ammoniumkomplexes. Die hohe Komplexbildungskonstante von Thiosulfat wird durch deren Wirkung als Chelat-Ligand über ein Schwefel- und ein Sauerstoffatom bedingt. Des Weiteren sind auch Peroxodisulfat Komplexe des Silbers bekannt.The improved resolution of
Tabelle 2 fasst die Ergebnisse der durchgeführten Experimente zusammen.Table 2 summarizes the results of the experiments performed.
Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass eine Ätzlösung aus einem Oxidationsmittel und einem Komplexbildner sich gut zur Strukturierung von Silberschichten eignet. Das beste Ergebnis wurde mit einer (NH4)2S2O8/(NH4)2S2O3-Lösung erzielt, wobei die Ätzrate durch den pH-Wert kontrolliert eingestellt werden kann. Die Lösung ist zudem nicht toxisch und die verwendeten Substanzen sind kostengünstig.The results clearly show that an etching solution of an oxidizing agent and a complexing agent is well suited for structuring silver layers. The best result was achieved with a (NH 4 ) 2 S 2 O 8 / (NH 4 ) 2 S 2 O 3 solution, wherein the etching rate can be controlled by the pH. The solution is also non-toxic and the substances used are inexpensive.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- obere Elektrodeupper electrode
- 22
- aktives Materialactive material
- 33
- untere Elektrodelower electrode
Claims (12)
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