DE2048915C3 - Verfahren zum Herstellen eines metallischen Musters für eine Halbleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Musters für eine Halbleiteranordnung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /um Herstellen tines Musters aus einem auf einer Unterlage aufge krachten metallischen Film für eine Halbleiteranordnung.
Ein derartiges Verfahren ist aus dem Artikel aus »Proceedings of the 2nd Kodak Seminar on Micrumi· liiaturization«. 4./5. April 1966. S. 44 bis 49 bekannt. Dabei erfolgt die Herstellung des metallischen Leitungs-•nusters durch ein Maskierungsverfahren unter Einsatz des Photolithographie- und Ätzverfahrens.
Als Filmmaterial fur die Bildung des Leitungsmusters Wird in der Regel Aluminium verwendet. Bei sehr großen Stromstärken jedoch tritt das Problem einer Ionenwanderung bei diesem Leitermaterial auf. wodurch Aluminium für derartige Belastungen nicht Verwendbar ist. Ein weiteres Leitermaterial mit guter elektrischer Leitfähigkeit ist Molybdän, bei dem eine Ionenwanderung bei hohen Stromstärken nicht stattfindet. Es ergeben sich bei der Benutzung von Molybdän •ber andere Nachteile. Ein auf eine Halbleiteroberfläche oder eine diese bedeckende Isolierschicht aufgestäubter ftder pyrolytisch aufgebrachter Molybdänfilm ist erheblichen mechanischen Spannungen unterworfen, durch die der h!rn leicht angreifbar wird. Bei Feuchtigkeit korrodiert das Molybdän daher schi' schnell.
Viele Filmmäierialien,so t. B. Kupfer, haften nicht auf der Halbleiteroberfläche bzw, der Isolierschicht. So ist es erforderlich, eine zusätzliche Haftschicht Zwischen dem Film und der Unterlage vorzusehen. Bei Kupfer als Filmniaicrial und eifler Siliziutndioxiduntcrlagc kann diese Haffschicht beispielsweise aus Chrom bestehen,
Aus der Zeitschrift »Solid-State Electronics«, Vol. 7, 1964, Nr. 6, S. 487 ist es weiterhin bekannt, mit Hilfe eines photolithographischen Verfahrens ein Muster aus einer auf einer Siliziumoxidschicht liegenden Molybdän-
"> schicht für Halbleiteranordnungen herzustellen. Die Molybdänschicht dient dabei zusammen mit einer Oxidschicht als schützende Maske für eine nachfolgende Ionenimplantation zur selektiven Dotierung eines Halbleiterkörpers und wird im Anschluß an die Implantation wieder vollständig entfernt. Mit der Korrosionsfestigkeit oder dergleichen Eigenschaften des Molybdänfilms zusammenhängende Probleme sind dort nicht behandelt und werden auch nicht gelöst. Schließlich ist es aus der US-PS 34 43 944 bekannt, bei Halbleiteranordnungen metallische Leitungsmuster, z. B. auch aus Kupfer, herzustellen. Das Leitungsmuster wird dabei, ausgehend von einer Schicht aus einer Mischung aus Photolack und dem jeweiliger. Metallpulver mittels Photolithographie- und Ätzverfahren, gefolgt von einer Wärmebehandlung zum Verschmelzen der Metallpartikel ausgebildet. Nicht zuletzt wegen des mit erheblicher Wärmezufuhr verbundenen erfor derlichen Schmel/prozesses ist ein solches Verfahren im allgemeinen nachteilig und hat auch keine praktische Bedeutung erlangt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen derartiger metallischer l.eitungsmuster anzugeben, mit dem in einfacher Weise bei leicht angreifbaren metallischen Filmen deren Korrosionsfestigkeit erhöht und weiterhin bei schlecht ml einer jeweiligen Unterlage haftenden metallische'i Filmen deren Haftfähigkeit vergrößert werden kann. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst.
daß selektive Gebiete des metallischen Films mit Ionen hoher Energie beschossen werden, und daß anschließend ein Ätzen des Films mit einem Ätzmittel erfolgt, das nur die nicht beschossenen, jedoch nicht die beschossenen Gebiete angreitt.
•»ο Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch den lonenbeschuß werden beispielsweise die mechanischen Spannungen in einem Molybdänfilm abgebaut, so daß dieser selbst bei hoher Feuchtigkeit
4ί noch korrosionsfest ist. Dabei ergibt sich durch den lonenbeschuß nur eine geringfügige Erhöhung des elektrischen Widerstands. Ein anderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß metallische Filme ohne Unterhöhlunger, weggeatzt und somit Offnungen mit senkrechten Begrenzungsflächen in die Filme geätzt werden können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den Fortfall einer zusätzlichen Maske bei der Bildung von metallischen Leitungsmustern für eine Halbleiteranordnung.
Vi Weiterhin wird durch den Beschüß selektiver Gebiete des metallischen Films mit Ionen hoher Energie soviel Energie übertragen, daß Ionen des Filmmaterials in die Halbleiteroberfläche eindringen können und so eine dünne I.egierungsschicht /wischen dem Halbleiter und dem metallischen Film herstellen. Dies ergibt einen außergewöhnlich gut haftenden Übergang, so dnlJ auf diese Weise ohmschc Kontakte zwischen dem Filriimaterial und den verschieden dotierten Bereichen einer Halbleiteranordnung gleichzeitig gebildet werden kön^
M nen. Dieses Verfahren ist auch bei all den llalblcilcrmälerialiCi! durchführbar,diei zwei verschiedene Metalle für die Kontaktierung von N- und !^dotierten Gebieten benötigen, z. B. Germanium.
Wenn der metallisch*; Film auf einer elektrisch isolierenden Schicht mit Ionen hoher Energie beschossen wird, dann ergibt sich ebenso wie /wischen dem Metall und einem Halbleiter eine Verschmelzung der aneinandergrenzenden Flächen der Metall- und der Isolierschicht. Dadurch wird die HaFtFähigkeit des metallischen Films auf der Isolierschichtoberfläche beträchtlich vergrößert. Dies gilt für verschiedene Metalle, z. B. auch für Kupfer, so daß eine zusätzliche Haftschicht bei dem Verfahren nach der Erfindung entfallen kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die schematische Darstellung einer Einrichtung für den Ionenbeschuß einer Halbleiteranordnung,
Fig.2 die Draufsicht auf ein Halbleiterplättchen mit einer darauf aufgebrachten metallischen Maske,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung mit ohmschen Kontakten und metallischen Leiterbahnen und
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine ν eitere Halbleiteranordnung mit ohmschen Kontakten und metallischen [.eiterbahnen
Die Einrichtung in Fig. 1 enthält eine Ionenquelle 10. in der Atome von mindestens einem Element in bekannter Weise ionisiert werden. Die Elemente werden vorzugsweise aus dem /wischen Helium und Argon liegenden Bereich des periodischen Systems ausgewählt, wobei in besonderen Fällen auch Elemente mit höherem oder niedrigerem Atomgewicht verwendet werden können. Die Ionen werden in eintm Beschleuniger 11 durch ein Potentialgefälle geführt, so daß sie die gewünschte Energie erhalten. Die jeweilige benötigte Energie hängt von der Dicke des zu beschießenden metallischen Films und von dem die Ionen liefernden Element ab.
Die Ionen bilden einen Strahl 12, der einen Schlitz 14 in einer hinter dem Beschleuniger 11 angeordneten Blende '5 passiert. Der Strahl 12 gelangt in eine magnetische Ablenkvorrichtung 16, in der Ionen mit verschiedener Energie verschieden stark abgelenkt werden, so daß die einen Strahl 17 bildenden Ionen die gleiche Energie besitzen. Dieser Strahl 17 gelangt durch einen Schlitz 18 einer weiteren Blende 19 in den Bereich von Ab'enkplat'en 20, die vorzugsweise elektrostatisch wirken. Mit den Ablenkplatten 20 ist die Richtung des lonenstrahles 17 steuerbar, so daß das zu beschießende, aus einem Halbleitersubstrat mit einem darauf aufgebrachten dünnen metallischen Film bestehende Teil 21 an den gewünschten Gebieten getroffen wird.
Der Strahl 17 kann auch in der Weise abgelenkt werden, daß die gesamte den Ablenkplatten 20 zugewandte Seite des Teils 21 getroffen wird. Zur Auswahl der zu beschießenden Gebiete ist dann vor dem Teil 21 eine Maske angeordnet. Die ganze in F i g. 1 gezeigte Einrichtung befindet sich unter Vakuum.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel wurde ein in einer Dicke von 300 bis 700 nm auf eine ein Siliziumplätichen bedeckende Schicht aus Siliciumdioxid aufgestäubter Molybdänfilm mit Borionen beschossen. Die Dosis betrug dabei 6 χ 10|5 Ionen/em2, die fenergic der Ionen 290 kcV, die Temperatür 20°C. Dann wurde der Molybdänfilm mit einem Ätzmittel behandelt, das zu einem Volumentei! aus einer Lösung aus vier Voluinenleilen MNO), achtzig Teilen HjPO* und sechzehn Volumenteilen entionisiertem H2Ö sowie zu einem Volumenteil aus HNOi bestand. Diejenigen Flächen, die unter Ionenbeschuß standen, wurden nicht angegrii'fen, obwohl ein Molybdänfilm normalerweise von diesem Ätzmittel weggeätzt wird.
Das Teil 21 hatte bei einigen der im folgenden
■> beschriebenen Versuche die aus F i g. 2 ersichtliche Form. Ein halbkreisförmiges Halbleuerplättchen 22 wird von einer darauf aufgebrachten Maske 23 aus Molybdän in der Weise bedeckt, daß der Ionenstrahl 17 zuerst auf die Maske 23 trifft. Der Ionenstrahl verläuft senkrecht zu der Zeichenebene der F i g. 2 und trifft das Halbleiterplättchen 22 direkt in dem Gebiet 24, das infolge einer entsprechenden Öffnung in dei Maske 23 freiliegt. Die Maske 23 besitzt einen an eine Seite des Gebietes 24 angrenzenden Teil 25, der keine Öffnungen
is aufweist. Ein an der anderen Seite des Gebietes 24 angrenzender Teil 26 der Maske 23 ist mit einer größeren Anzahl von durchgehenden Öffnungen mit einem Durchmesser von beispielsweise je 0,05 mm versehen. In dem Gebiet 24 können die mechanischen Spannungen im metallischen Film nach dem lonenbe schuß gemessen werden. Das L.^oiei des Halbleiter plättchens 22 unterhalb des leiks 25 dit-r-t /ur Bestimmung der mechanischen Spannungen bei fehlendem Ionenbeschuß. Das unterhalb des Teiles 2ί· liegende Gebiet ist für die Bestimmung der Ät/barkeii des beschossenen und des nicht beschossenen metallischen Films vorgesehen. Bei Verwendung geeigneter Ätzmittel erhält man dann hier eine größere Anzahl von Metallstiften mit jeweils 0.05 mm Durchmesser.
jo Die Maske 23 besteht im vorliegenden Beispie! aus Molybdän, sie kann jedoch auch aus einem anderen geeigneten metallischen Material hergestellt sein. Bei der in Fi g. 2 gezeigten Halbleiteranordnung wurde ein pyrolytischer Molybdänfilm verwendet, der in verschleiß denen Versuchen durch die Maske 23 hindurch mit Borionen von 120 keV und von 250 keV bei einer Dosis von jeweils 10lb Ionen/cm2 und mit Stickstoffionen von 70 keV bei einer Dosis von ebenfalls ΙΟ"5 Ionen/cm2 beschossen wurde.
Die Beugung von Röntgen- und Elektronenstrahl und die Eleklronenmikroskopie wurden für einen strukturellen Vergleich der beschossenen und nicht beschossenen Gebiete benutzt. In den nicht beschossenen Gebieten des pyrolytisch aufgebrachten Molybdänfilms wurde eine nahezu gleichförmige mechanische Spannung im Bereich von etwa 4.1 χ ΙΟ8 Pa und 5,5 χ 108Pa festgestellt. Eine Untersuchung der Kristallgröße durch Beugung von Röntgenstrahlen ergab Werte zwischen 100 nm und 800 nm. Die beschossenen
■50 Gebiete zeigten einen Spannungsverlauf mit Werten von null bis etwa 0.55 χ 108 Pa. Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie konnte in den beschossenen Gebieten eine wesentlich höhere Dichte von Verset-Zuiigäschleifen festgestellt werden als in den nicht
■53 beschossenen Gebieten. Es ergibt sich som't eine Änderung der Kristallstruktur, bei der die mechanische Spannung stark abgebaut wird.
Bei einem anderen Versuch mit der in F1 g. 2 dargestellten Halbleiteranordnung wurden pyrolytisch aufgebrachte Molybdänfilme auf einer Siliziumdioxidschieht eines Halbleiterplättehens und auf geschmolzenem Quarz einem Beschüß von Stickstofficneii mit einer Energie von 70 keV und einer Dosis von 10lb lonen/cvn2 unterworfen. Dabei wurde für den nicht beschossenen
(,■5 Molybdänfilm at/f dem Siliziumdioxid eine mechanische Spannung von etwa 3,7 χ 108Pa gemessen, während beim entsprechenden beschossenen Film die mechanische Spannung nahezu null war.
Beim Molybdänfilm· auf der Quarzunlerlage betfüg die mechanische Spannung im nicht beschossenen Zustand etwa 10,3 χ 108Pa und im beschossenen Zustand 5,5 χ 108Pa. Obwohl die Spannungen hier beträchtlich größer afs bei dem Molybdänfilm auf Siliziumdioxid sind, so ist durch den loncribcschuB doch eine Verringerung der mechanischen Spannung um etwa 50% möglich.
Bei einem anderen Versuch wufdeh pyrolylische Molybdänfilme auf einer thermischen Siliziümdioxidschicht eines Halbleiterplättchens und auf geschniolzencm Quarz zum Teil nicht beschossen, zu einem Teil mit Heliuniionen mit einer Energie von 35 keV und einer Dosis von IOlf> Ionen/cm2 und zu einem weiteren Teil mit Heliuniionen mit einer Energie von 80 keV und einer Dosis von ebenfalls IO16 Ionen/cm2 beschossen. Für die mechanischen Spannungen im Molybdänfilm auf der Siliziumdioxidschicht wurden folgende Werte gemessen: Im nicht beschossenen Zustand 6,2 χ ΙΟ8 Pa. nach dem Beschüß mit Heliumionen von 35 keV etwa 4,8 χ 108Pa und nach dem Beschüß mil Heliumionen von 80keV 3.4 χ ΙΟ8 Pa. Beim Molybdänfilm auf der Quarzunlerlage ergaben sich folgende Werte: Im nicht beschossenen Zustand 13.1 χ 10s Pa. nach dem Beschüß mit Heliumionen von 35 keV 11.4 χ 108Pa und nach dem Beschüß mit Heliumionen von 80 keV 11 χ 10s Pa. Mit steigender Ionenenergie ist auch eine steigende Abnahme der mechanischen Spannungen zu verzeichnen.
Weitere Versuche wurden mit pyrolytischen Molybdänfilmen auf einer Siliziumdioxidschichl eines Siliziumplättchens durchgeführt. Im ersten Versuch halte der Molybdänfilm eine Dicke von 350 nm und wurde mit Argonionen mit einer Energie von 280 keV bei einer Dosis von 10lb Ionen/cm2 beschossen. Im zweiten Versuch betrug die Dicke des Molybdänfilms 1000 nm. die verwendeten Argonionen hallen eine Energie von 80 keV. als Dosis wurden ebenfalls 10"· lonen/emgewählt. In einem weileren. dritten Versuch hatte der Molybdänfilm eine Dicke von 1000 nm. die Energie der Argonionen betrug 280 keV und die Dosis wiederum 1016 Ionen/cm2.
t >» ι
der metallischen Filme haben sieh als unabhängig von der ArI der verwendeten Ionen gezeigt. Daraus gehl hervor, daß die physikalischen Eigenschaften der Ionen, d. li. ihre Energie, die Änderungen des metallischer! ι Films hervorrufen' Und niciht ihre chemischen Eigenschaften.
Bei einem weiteren Versuch wurde ein poliertes Siliziumplättchen vom P-Leitungstyp mil einem Durchmesser von 3,&cm und einer Dicke von 0,15 bis 0 2 min
to sowie einem spezifischen Widerstand von I Ω · cm mit einer Schicht aus Siliciumdioxid von etwa 370 nm verschen. Diese Schicht wurde in Sauerstoff und Wasserdampf bei 970'C" thermisch aufgewachsen. Anschließend wurde Kupfer auf der Siliziumdioxid-
Vi schicht mit einer Dicke von etwa 100 nm nicdergcschla gen. Die Temperatur des Siliziumplättchens wurde dabei auf 200' C gehalten.
Ein Teil de«. Plättchens mil dem Kupferfilm wurde daraufhin mit Neonionen mit einer Energie von 100 keV und einer Dosis von I0'5 Ionen/cm·' bei 20'C beschossen. Eine Klebefolie wurde dann auf den Kupferfilm aufgebracht und wieder abgezogen. In den nicht beschossenen Gebieten des Plättchens war die Haftung zwischen dem Siliziumdioxid und dem Kupfer gering, so daß hier der Kupferfilm mit der Klebefolie entfernt wurde. In den beschossenen Gebieten jedoch blieb das Kupfpr beim Abziehen der Klebefolie auf der Siliziumdioxidunterlage haften. Die Haftfähigkeit des KupfcfS auf dem Siliziumdioxid wurde durch den lonenbeschuß also beträchtlich erhöht.
In F i g. 3 isi ein Substrat 30, das beispielsweise aus N-Icitendem Silizium besteht, gezeigt. Das Substrat 30 enthält einen Bereich 31 vom cntgcgengesetzlcn. d. h. P-Leitungstyp. der bis zur Oberfläche 32 des Substrats
Vi 30 reicht. Im Bereich 31 befindet sich ein weiterer Bereich 33 vom N-Lcitungstyp. der ebenfalls bis zur Oberfläche 32 reicht.
Der Bereich 31 steht in Verbindung mit einem ohmschen Kontakt 34. der sich durch eine Öffnung in einer elektrisch isolierenden Schicht 35 erstreckt. Diese befindet sich auf der Oberfläche 32 und besteht beispielsweise aus Siliziumdioxid. Der Kontakt 34 ist aus
beschossenen Gebiete des metallischen Films eine mechanische Spannung von etwa 6.2 χ 10s Pa, während 4= die beschossenen Flächen nahezu spannungsfrei waren.
Im zweiten Versuch waren die mechanischen Spannungen von etwa 6,2 χ 108 Pa durch den loncnbeschuß auf etwa 4,1 χ 10s Pa abgesunken. Aufgrund der geringeren Ionenenergie gegenüber dem ersten und dem dritten Versuch ist der Spannungsabfall hier nicht so stark ausgeprägt.
Bei anderen Versuchen wurde ein Aluminiumfilm mit einer Dicke von 500 bis 600 nm auf einer Siliziumunterlage mit Ionen beschossen. Dabei wurden Bor-, Neon-» Stickstoff- und Arsenionen mit einer Energie von 57 bis 60 keV und einer Dosis von 1016 Ionen/cm2 verwendet. Die Änderung des elektrischen Widerstandes der beschossenen Gebiete lag im Bereich von 0 bis 5%.
Die beschossenen Gebiete konnten durch ein fto Ätzmittel aus achtzig Teilen H3PO4, vier Teilen HNO3 und zehn Teilen entionisiertem Wasser nicht weggeätzt werden, obwohl dieses Mittel normalerweise Aluminium angreift. Selbst nachdem der metallische Film für fünfzehn Minuten bei einer Temperatur von 5500C in Stickstoff geglüht wurde, behielten die beschossenen Gebiete ihre Widerstandsfähigkeit gegen das Ätzmittel.
Die beschriebenen Änderungen der Eigenschaften von mindestens 10 keV beschossen wurde.
In gleicher Weise ist der Bereich 33 mit einem ohmschen Kor takl-36 versehen, der ebenfalls durch eine öffnung in der Schicht 35 hindurchgeführt ist. Er ist ebenso wie der Kontakt 34 ausgebildet. Die ohmschen Kontakte 34 und 36 können z. B. aus Molybdän oder Aluminium begehen und sie besitzen die gewünschte gute elektrische Verbindung zu den Bereichen 31 bzw. 33.
An die Kontakte 34 und 36 sind Leiterbahnen 37 und 38 angeschlossen, die aus dem gleichen Material bestehen können. Diese werden gleichzeitig mit den beiden Kontakten mit Ionen beschossen. Hierdurch erhält man gute elektrische Verbindungen.
In Fig.4 ist ein Substrat 40. beispielsweise ebenfalls aus N-leitendem Silizium, dargestellt. Auf dessen Oberfläche 4i! befindet sich eine Schicht 41 aus elektrisch isolierendem Material, z. B. Siliziumdioxid.
Das Substrat 40 enthält einen Bereich 43 vom entgegengesetzten Leitungstyp, der bis zur Oberfläche 42 reicht. In dem Bereich 43 befindet sich ein weilerer, ebenfalls bis zur Oberfläche 42 reichender Bereich 44 vom wiederum entgegengesetzten,d_ h. N-Leilungslyp.
Der Bereich 43 besitzt einen ohmschen Kontakt 45. welcher sich in einer Öffnung der Schicht 41 befindet.
Ebenso ist der Bereich 44 mit einem ohmschen Kontakt 46 Versehen, der sich ebenfalls durch eine öffnung in der Schicht 41 erstreckt Beide Koniakte 45 und 46 haben eine gute elektrische Verbindung mit den zugeordneten Bereichen;
Vorzugsweise aus Kupfer bestehende Leiterbahnen 47,48 sind auf der Oberfläche der Schicht 41 angeordnet
und mit den Kontakten 45 bzw. 46 galvanisch verbunden. Die Leiterbahnen 47,48 wurden selektiv mit ionen mit einer Energie Von mindestens lOkeV beschossen« um so die Haftfähigkeit auf der Schicht 41 zu erhöhen. Dadurch kann din zusätzliches Haftmälerial zwischen den Leiterbahnen 47, 48 und der Schicht 41 entfallen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines Musters aus einem auf einer Unterlage aufgebrachten metallischen Film für eine Halbleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß selektive Gebiete des metallischen Films mit Ionen hoher Energie beschossen werden und daß anschließend ein Ätzen des Films mit einem Ätzmittel erfolgt, das nur die nicht beschossenen, jedoch nicht die beschossenen Gebiete angreift.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Ionen mindestens I Oke V beträgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen aus einem Element gebildet werden, das im periodischen System im Bereich zwischen Helium und Argon liegt.
4. Vi.fahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage für den metallischen Film ein Halbleiter verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterlage für den metallischen Film eine elektrisch isolierende Schicht (35,41) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den metallischen Film Molybdän verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet diß für die elektrisch isolierende Schicht (35,41) Siliziumdioxid und für den metallischen Film Kupfer verwendet .vird.
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