DE2261337B2

DE2261337B2 - Verfahren zum erzeugen eines metallisierungsmusters auf der oberflaeche eines halbleiterkoerpers

Info

Publication number: DE2261337B2
Application number: DE19722261337
Authority: DE
Inventors: George Kenneth Reading Labuda Edward Franklin Allentown Pa Herb (VStA)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1972-12-15
Publication date: 1977-09-15
Also published as: US3808108A; CA956039A; JPS5117871B2; DE2261337A1; NL7217010A; NL155984B; FR2164684A1; JPS4886473A; FR2164684B1; CH544409A; SE381536B; IT976112B; BE792908A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Metallisierungsmusters auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers im Verlauf der Halbleiterbauelementfertigung, bei dem eine Metallschicht auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers niedergeschlagen, das gewünschte Metallisierungsmuster definiert und das das gewünschte Metallisierungsmuster umgebende Metall durch kathodische Zerstäubung abgeätzt wird.

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen kommt dem Anschluß der halbleitenden Bereiche an die metallischen Leiter und Anschlüsse besondere Bedeutung zu. Hierzu ist es bekannt, das gesamte Bauelement mit einem mehrschichtigen Belag aus verschiedenen Metallen zu überziehen und anschließend einen Teil der aufgebrachten Metalle; wieder zu entfernen, so daß die verbleibenden Metallschichten einem vorgegebenen Metallisierungsmuster entsprechen. Hierzu wird beispielsweise von A.F. Bogenschütz , »Oberflächentechnik und Galvanotechnik in der Elektronik«, Leuze Verlag, Saulgau (1971), Seiten 167—169, ein Ätzplattierverfahren angegeben, gem. dem auf der obersten Metallschicht (aus Kupfer) ein an das vorstehende Metallisierungsmuster angepaßtes negatives Muster aus Photolack aufgebracht wird. Auf den von dem Photolack nicht bedeckten Bereichen wird galvanisch eine Nickelschicht abgeschieden; anschließend wird die Photolackschicht entfernt; die danach freiliegenden Stellen der Kupferschicht werden nun anodisch in einem Chromsäureelektrolyten geätzt; hierbei wird die Nickelschicht nicht nennenswert angegriffen, da sich an der Nickeloberfläche anodische Deckschichten ausbildep, welche das

Nickel gegenüber dem Ätzelektrolyten passivieren.

Für diese Verwendung flüsiger Ätzmittel ist bekannt, daß sie das vorgesehene Material isofop abtragen, d. h. in allen Richtungen mit der gleichen Atzgeschwindigkeit Entlang der Abdeckmaske können dadurch beträchtliche Unterschneidungen auftreten, was eine präzise Festlegung des angestrebten MetalHsierungsmusters bei sehr geringen Abständen zwischen benachbarten Leiterbahnen nahezu unmöglich macht

ίο Aus der DT-OS 1942 455 ist ein anderes Verfahren zur Ausbildung eines Metallisierungsmusters bekannt Hier ist nacheinander auf dem Bauelement eine Titanhaftschicht, eine Platinsperrschicht und eine Goldschicht als Leitmaterial aufgebracht Zur Ausbildung des Metallsierungsmusters wird auf der Goldschicht eine zweite dünne Platinschicht aufgebracht um das Maskierungsmaterial von der Goldschicht fernzuhalten. Darauf wird die Maskierungsschicht aufgebracht, die aus Aluminium, Titan, Molybdän, Chrom,

ω Tantal, Hafnium, Zirkon, Vanadium oder Wolfram bestehen kana Auf dieser metallischen Maskierungsschicht wird mittels Phototechnik die Leitbahnstruktur für das gesamte Bauelement aufgebracht und anschließend die Maskierungschicht außerhalb der gewünschten Leitbahnstruktur chemisch weggeätzt Daraufhin wird die Gold- und die Platinschitht außerhalb der Leitbähnstruktur durch Kathodenzerstäubung weggeätzt Da auch bei diesem Verfahren die metallische Maskierungsschicht außerhalb der Leitbahnstruktur auf chemischem Wege, also galvanisch, abgetragen wird, können hier ebenfalls Unterschneidungen auftreten, was die erzielbare Genauigkeit begrenzt

Die beiden dargelegten bekannten Verfahren weisen den Nachteil auf, daß die hohe Genauigkeit der phototechnisch aufgebrachten Maskierungsschicht anschließend durch die chemische, als naß arbeitende teilweise Abtragung der Maskierungsschicht wieder verminder wird, so daß lediglich ein Metallisierungsmuster erhalten werden kann, dessen Feinheit durch die naß arbeitenden chemischen Verfahren begrenzt ist

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzeugen eines Metallisierungsmusters auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers anzugeben, bei dem naß arbeitende Verfahren zur Entfernung der Maskierungsschicht außerhalb der Leitbahnstruktur vermieden werden, so daß ein Metallisierungsmuster mit der hohen Genauigkeit der phototechnisch arbeitenden Maskierungsverfahren erhalten werden kann.
Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren ist die Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet daß das gewünschte Metallisierungsmuster durch Aufbringen einer das Muster umreißenden Photomaske definiert wird, und danach auf dem von der Photolackmaske umrissenen Gebiet auf der Metallschicht eine

SS Nickelschicht galvanisch abgeschieden wird

Weitere vorteilhafte Ausbildungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen auch die Figuren; im einzelnen zeigen

Fig.IA bis IE Schnittansichten eines Teils eines Halbleiterkörpers in verschiedenen Herstellungsstadien und

Fig.2A und 2B Schnittansichten einer alternativen Ausführungsform.

6; Entsprechend einer ersten Ausführungsform wird das Metallisierungsmuster auf einem Halbleiterbauelement durch kathodische Zerstäubung gebildet, wobei eine Nickelschicht als Zerstäubungsmaske verwendet wird,

die entsprechend dem gewünschten Metallmuster galvanisch niedergeschlagen wurde. Vorteilhafterweise erfolgt dieses unter Verwendung eines dielektrischen Materials wie Photolack als Maskierung während der Galvanisierung. Das Verfahren hat also denselben S Genauigkeitsgrad wie die Erzeugung von Phototlackmasken; weiterhin wird die Verwendung eines flüssigen Ätzmittels zur Ausformung der Zerstäubungsmaske vermieden.

Das Verfahren kann vorteilhafterweise zusammen mit Maßnahmen durchgeführt werden, die das Verfahren selbstbegrenzend machen. Die Verwendung von Nickel als Zerstäubungsmaske ist besonders vorteilhaft im Verein mit den der Stützleitertechnologie zugeordneten Materialien, nämlich Titan, Platin, oder Palladium und Gold.

Nach Beendigung der Dotierungsmaßnahmen, nämlich Diffusion adgL wird ein Halbleiterkörper zur Bildung von Elektrodenverbindungen geeignet maskiert; hierzu wird eine erste Schicht aus Titan auf der gesamten aktiven Fläche des Körpers niedergeschlagen. Die Titanschicht wird anschließend mit Platin oder Palladium beschickt, die ihrerseits mit einer relativ dicken Goldschicht belegt sind. Anschließend wird eine Photolackmaske, die dem gewünschten Metallisierungsmuster entspricht, auf der Goldschicht aufgebracht; daraufhin wird eine Nickeschicht in den nichtmaskierten Bereichen der Goldschicht galvanisch niedergeschlagen. Vorteilhafterweise kann vor dem Aufbringen der Phototlackmaske eine sehr dünne Nickelschicht auf der gesamten Goldschicht aufgebracht werden, um die Haftfestigkeit der Photolackschicht auf der darunterliegenden Goldoberfläche zu verbessern.

Wegen der ausgezeichneten Maskierungseigenschaften von Nickel können zur Festlegung des Metallisierungsmusters relativ dünne Nickelschichten verwendet werden, die dünner sind als die Photolack-Maskierungsschicht Somit ist das erhältliche Musterauflösungsvermögen (Musterfeinheit) lediglich durch die Möglichkeit des Photolackprozesses begrenzt

Anschließend wird der Photolack entfernt wobei die dicke Nickelschicht als Maske auf der Goldschicht zurückbleibt Die aktive Seite des Halbleiterkörpers wird dann unter Verwendung einer typischen Zerstäubungsanlage einer kathodischen Zerstäubung ausgesetzt in deren Verlauf die zu entfernenden Metalle abgeätzt werden. Während dieser Zerstäubung wird die Nickelschicht nur geringfügig geätzt, wohingegen das Gold, Platin oder Palladium und Titan in größerem Ausmaß weggeätzt werden. Die frei liegenden Bereiche so dieser Metalle werden daher entfernt während die unter der Nickelmaske liegenden Teile zurückbleiben.

Man sieht daß das oben beschriebene Verfahren die Bildung des Vielschicht-Metallisierungsmusters in Form einer kontinuierlichen und gleichförmigen Metallstruk- ss tür ermöglicht Insbesondere werden im Vergleich zu bisher bekannten Methoden die einzelnen Schichten verschiedener Metalle keiner getrennten Photolackmaskierung oder naß-chemischen Behandlung unterzogen. Zusätzlich wird die dicke Goldschicht ohne die Unterbrechung durch eine Zwischenphotolackmaskierung erzeugt wie es beim Stand der Technik üblich ist Diese Vorteile verbessern die Gleichförmigkeit Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelementes,

Die Anweisenheit von Sauerstoff in der Zerstäubungskammer erlaubt im Zusammenhang mit bestimmten Metallen eine bequeme Relgelung des Verfahrens.

Beispielsweise verlangsamt die Anwesenheit von Sauerstoff die kathodische Zerstäubung von Titan und Nickel, während die Wirkung auf die Abtragungsgeschwindigkeit von Gold, Palladium und Platin gering ist

Demgegemäß kann Sauerstoff im Verlauf der Zerstäubung bzw. Abätzung der Palladium- oder Platinschicht zugeführt werden. Die Anwesenheit von Sauerstoff ermöglicht die Bildung einer Titanoxidschicht nachdem die Titanschicht freigelegt ist Diese Schicht ist gegenüber der kathodischen Zerstäubung beständiger als reines Tintan, und beendet daher die Abtragung wirksam. Bei Anwendung dieser Maßnahme wird die relativ dünne verbleibende Titanschicht unter Verwendung eines flüssigen Ätzmittels, wie Äthylendiamintetraessigsäure, entfernt

Ein spezielles Ausführungsbeispiel wird im Zusammenhang mit den F i g. IA bis IE beschrieben. Zunächst sei auf F i g. 1A Bezug genommen. Ein Siliciumhalbleiterkörper 11 mit den Diffusionszonen 12 von pn-Übergängen und mit einer Maskierungsschicht 13 aus Siliciumoxid wird mit einer Folge mit Metallschichtniederschlägen bedeckt

Zunächst wird eine 500 bis lOOOA dicke Titanschicht 14 niedergeschlagen. Darauf folgt der Niederschlag einer zweiten, etwa 2000 A dicken Schicht 15 aus Platin oder Palladium. Im Falle bipolarer Halbleiterbauelemente wird Platin als Material für diese Schicht und im Falle von Feldeffektbauelementen mit isolierter Steuerelektrode wird Palladium als Material dieser Schicht verwendet Auf der Metallschicht 15 wird eine dritte, etwa 2 μηι dicke Goldschicht 16 niedergeschlagen. Diese drei Schichten können durch eine Reihe von Methoden in zufriedenstellender Weise aufgebracht werden. Beispielsweise können sie durch Aufdampfen oder kathodisches Aufstäuben erzeugt werden; das Gold kann galvanisch aufgebracht werden.

Als nächstes wird auf der Goldschicht 16 eine sehr dünne Nickelschicht 17 galvanisch niedergeschlagen, um die Haftfestigkeit der anschließend aufzubringenden Photolackschicht 18 zu verbessern. Ein geeignetes Galvanisierungsbad ist ein Bad auf Nickelsulfamat-Basis. Die dünne Nickelschicht 17 ist zweckmäßig etwa 350A dick. Auf sie wird eine Photolackschicht 18 aufgebracht in der dann das gewünschte Metallisierungsmuster nach üblichen Belichtungs- und Entwicklungsmethoden erzeugt wird (F i g. 1 B).

Als nächstes wird (Fig. IC) eine dickere Nickelschicht 19 auf der nichtmaskierten Oberfläche der Metallschicht 17 auf galvanischem Wege niedergeschlagen; was auch stromlos erfolgen kann. Beide Methoden sollen duch den Ausdruck »galvanisch aufgebrachter Niederschlag« umfaßt sein. Diese Nickelschicht hat eine typische Dicke von etwa 4000 bis 5000A und ist im allgemeinen etwas dünner als die Photolackschicht um die Genauigkeit des im Photolack festgelegten Musters nicht herabzusetzen

Als nächstes wird (F i g. ID) der Photolack zweckmäßig durch Verdampfen in einem Plasmagenerator entfernt Hierdurch brauchen keine flüssigen Lösungsmittel, die die Nickelschicht angreifen könnten, benutzt zu werden. Alternativ wäre jedoch Aceton für einen Positiv-Photolack ein geeignetes Lösungsmittel.

Die in F i g. 1D gezeigte Anordnung wird dann in ein« Zerstäubungseinrichtung zum kathodischen Ätzen der nickelbeschichteten Oberfläche 17 bis 19 gebracht In einem speziellen Triodensystem werden hierzu beispielsweise eine Spitze-Spitze-HF-Spannung von 400 Volt und eine Stromdichte von 155 mA/cm² benutzt

Unter Verwendung der vorstehend angegebenen Parameter wird die Nickelschicht in einer Zerstäubungseinrichtung des Triodentyps bei Vorhandensein von Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von etwa 240 bis 300A/min abgetragen. Bei Anwesentheit von Sauerstoff wird die Goldschicht durch die Zerstäubung um etwa 1600A/min und die Platin- und Palladiumschicht um etwa 500 bis 600A/min abgetragen.

Es können andere bekannte kathodische Ätzmethoden einschl. Gleichstrom-Methoden verwendet werden. Das Verfahren ist nicht auf das oben beschriebene Triodensystem begrenzt

YNäch der Entfernung der dünnen Nickelschicht 17, der Goldschicht 16 und der Platin- oder < Palladiumschicht 15 kann die Sauerstoffzufuhr abgestellt und die Zerstäubungsätzung fortgeführt werden, um die Titan-. schicht'14 zu entfernea Die Zerstäubungsätzung wird darin beendet wenn die Siliciumoxidschicht 13 errreicht ist, was durch Beobachtung des Halbleiterkörpers festgestellt. werden· muß; zur Beendigung ist eine manuelle Steuerung-des Verfahrens erforderlich. Die Sauerstoffzufuhr kann auch fortgesetzt werden, was zur ' Bildung einer * Titanoxidschicht führt, nachdem' die Titanschicht 14 freigelegt ist Dies hat die Wirkung, daß die Zerstäubungsätzung für Tiian auf eine sehr niedrige Abtragungsgeschwindigkeit von etwa 10 bis 15A/min herabgesetzt wird, so daß die Abtragung praktisch Angehalten wird. Diese Abtragungsgeschwindigkeit "steht-im Gegensatz zu derjenigen für Titan ohne Sauerstoff, die etwa 50 bis 60A/min beträgt Bei dieser 'alternativen Methode wird der Rest der Titanschicht ohne Schwierigkeit unter Verwendung Äthylendiatnin-■ tetfaessigsäureaWÄtzmittel entfernt
^; Der Halbleiterkörper 11 hat dann das in Fig. IE dargestellte Aussehen. Es bleiben lediglich die Teile des Metallisierungsmusters zurück, die durch die Nickelschicht' 17 bis 19 maskiert sind. Obwohl in der dargestellten Querschnittsansicht der Metallisierungsteil die Elektroden umfaßt die von der Siliciumoxidmaske begrenzt eine Verbindung zu dem Halbleiterkörper herstellen,' ist es selbstverständlich, daß das Me Ulisieruiigsmuster Verbindungsleitungsteile aufweisen kann, die auf dem Oxid liegen oder auf anderen dielektrischen Schichten, wie Kombinationen von Siliciumoxid, Siliciumnitrid und Aluminiumoxid. ' . Diese Erzeugung. der' Metallisierung auf einem Halbleiterkörper kann auch zum Herstellen von Mehrfachschichtanordnungen verwendet werden, bei denen die betrachtete Metallisierung auf weiteren metallischen und/oder dielektrischen Zwischenschichten liegt.

Schließlich wird, falls erforderlich, die Nickelschicht noch entfernt was mit einem Lösungsmittel wie Eisen (Ill)-Chlorid erfolgen kann. In manchen Fällen kann das Nickel aber auch als Teil des Metallisierungsaufbaues stehen bleiben.

Ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem dieselbe galvanische niedergeschlagene-Nickelmaske zur Zerstäubung verwendet-wird, ist mit den Fig.2A und 2B dargestellt-Im wesentlichen kann dabei die Goldschicht 16 weggelassen werden, und die Nickelmaske, die an die Stelle des Goldes getreten ist oder in einigen Fällen, die Platin- oder Palladiumschicht kann selbst als die äußere Schicht des Metallisierungsmusters .verwendet werden. Bezüglich F i g. 2A ist das Verfahren ähnlich dem bereits beschriebenen, mit der Abweichung, daß das Photolackmuster 20 direkt auf der Oberfläche der Platin- oder Palladiumschicht 15 erzeugt, wird. Im allgemeinen haften die üblichen Photolacke an den in Rede stehenden Metallen zufriedenstellend, so daß die dünne Nickelschicht 17 unnötig ist Das dickere Nickelmaskenmuster 21 wird dann, wie oben erwähnt auf galvanischen Wege erzeugt

- Wie in Fig.2B gezeigt folgt auf das Entfernen des Photolackmusters wieder der Zerstäubungsvorgang, um das präzise Metallisierungsmuster festzulegen.

Im allgemeinen hat bei beiden beschriebenen Ausführungsformen die dicke Nickelmaskenschicht eine Dicke von 6000 bis 8000A. Die Photolackschicht sollte diese Dicke übersteigen, um ein Überschichten und somit eine schlechte Mustergenauigkeit zu verhindern. In manchen Fällen werden, wie bekannt dickere Photolackschichten durch mehrfachen Auftrag erzeugt das den zusätzlichen Vorteil einer verringerten Nadellochdichte und der verbesserten Genauigkeit hat

Die Vorteile des Verfahrens beruhen auf-dem hohen Genauigkeitsgrad und den Maskierungseigenschaften einer galvanisch niedergeschlagenen Nickelschicht Generell können anstelle des Metalls Titan der ersten Metallschicht folgende Metalle gesetzt werden: Zirkon, Hafnium, Vanadium, Tantal, Niob und Chrom. Für die zweite Metallschicht können außer Platin oder Palladium auch Nickel, Rhodium, Wolfram, Tantal, Molybdän und Silber benützt werden. ■ ■

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen eines Metallisierungsmusters auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers im Verlauf der Halbleiterbauelementfertigung, bei dem eine Metallschicht auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers niedergeschlagen, das gewünschte Metallisierungsmuster definiert und das das gewünschte Metallisierungsmuster umgebende Metall durch kathodiche Zerstäubung abgeätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das gewünschte Metallisierungsmuster durch Aufbringen einer das Muster umreißenden Photomaske (20) defniniert wird, und danach auf dem von der Photolackmaske umrisseneu Gebiet auf der Metallschicht eine Nickelschicht (19) galvanisch abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Nickelschicht (21, 19) kleiner als die Dicke der Photolackschicht (20, 18) gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Metallschicht eine an die Halbleiteroberfläche angrenzende Titan-Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die kathodische Zerstäubung in sauerstoffhaltiger Umgebung ausgeführt wird, und der Metallschichtentfernungsprozeß selbsttätig aufhört, wenn die Titanschicht freigelegt ist

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nach Beendigung des Ätzschrittes auf der Metallschicht (15, 16) verbliebene Teil der Nickelschicht (19,21) entfernt wird.