DE2617914A1 - Verfahren zum herstellen von mustern duenner filme unter verwendung von abloesbaren masken - Google Patents

Verfahren zum herstellen von mustern duenner filme unter verwendung von abloesbaren masken

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Description

Böblingen, den 9· April 1976 heb-fe
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: PI .974 048
Verfahren zum Herstellen von Mustern dünner Filme unter Verwendung von ablösbaren Masken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Niederschlagen von dünnen Filmen, insbesondere in Form von Mustern und vor allen Dingen 'zum Niederschlagen von dünnen metallischen Filmen in Form von [Mustern bei der Herstellung von integrierten Schaltungen.
iDas derzeit übliche Verfahren zur Bildung von im Vakuum niedergeschlagenen dünnen metallischen Filmen benutzt für die Herstellung von ausgewählten Mustern im allgemeinen chemische Ätzverfahren unter Verwendung von gegen das Ätzmittel widerstandsfähigen Maskenschichten. Dies sind die bekannten photolithographischen Ätzverfahren. Mit fortschreitender Miniaturisierung der integrier-'ten Halbleiterschaltungen mit ständig zunehmender Packungsdichte j der Bauelemente und kleinerer Einheiten in hoch integrierten i Schaltungen ist rasch der Punkt erreicht, an dem derartige photo- :lithographische Ätzverfahren für einen niedergeschlagenen Film ίzur Erzielung der sehr feinen Auflösung für die metallisierten
j Leitungszüge einer solch hochintegrierten Schaltung nicht länger !durchführbar sind.
Ein anderes bekanntes Verfahren zum Herstellen solcher metallisierter Leitungszüge ist in der US-Patentschrift Nr. 3 873 361 mit dem Titel "A Method of Depositing Thin Film Utilizing a Lift-off Mask" beschrieben. Dieses Verfahren wird allgemein als zeitweiliges Maskenverfahren, Ablöseverfahren odgl. bezeichnet.
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Bei diesem Verfahren zum Niederschlagen eines dünnen Filmes wird das Einreißen der Kanten vermieden und dieses Verfahren eignet sich für den Niederschlag metallischer Leitungszüge mit einer Breite zwischen 0,00127 und 0,00635 mm. Gemäß dem dort beschrie- i benen Verfahren wird zunächst auf dem Substrat einer integrierten ; Schaltung eine Schicht aus einem organischen polymeren Material niedergeschlagen und über dieser Schicht wird eine zweite Schicht aus einem anorganischen Material, vorzugsweise aus Metall, nie- ' dergeschlagen, welche einem ausgewählten Muster entsprechendeöff- [ nungen aufweist. Diese öffnungen werden in dem polymeren Material | durch reaktives Zerstäubungsätzen hergestellt, wobei die metalli- ; sehe Maske als Sperrschicht dient. Als Folge des hier verwendeten ' reaktiven Zerstäubungsätzens sind die mit entsprechenden öffnun- . gen in der metallischen Maskenschicht ausgerichteten öffnungen in der polymeren Schicht breiter als die Öffnungen in der Maskenschicht. Damit stehen aber die Kanten der öffnungen der metallischen Maskenschicht an den Kanten der öffnungen der darunterliegenden polymeren Schicht über. Anschließend wird der niederzuschlagende Film über dieser Struktur und auf der Oberfläche des durch die öffnungen in dem polymeren Material freigelegten Sub- ! strats niedergeschlagen. Wenn dann anschließend durch Einsatz i eines Lösungsmittels das polymere Material entfernt ist, lassen I sich die metallische Maskenschicht und der darüberliegende dünne Film abziehen, so daß der Dünnfilmniederschlag des ausgewähl- j ten Musters auf dem Substrat übrigbleibt, ohne ein Einreißen an ; den Kanten des gewünschten niedergeschlagenen dünnen Films befürchj ten zu müssen, wenn die nicht benötigten Abschnitte des dünnen j Films abgezogen werden.
Mit einem solchen Verfahren mit einer darüberliegenden metallischen Schicht, d.h., bei Verwendung einer metallischen (undurchsichtigen Maske für reaktives Zerstäubungsätzen) kann die Ausrichtung der darüberliegenden mit einem Muster versehenen Schichten in bezug auf die im darunterliegenden Substrat herzustellenden Muster schwierig sein. Ein Grund dafür liegt darin, daß die
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Oberflächengestaltung des darunterliegenden Substrats durch die im Schleuderverfahren aufgebrachte polymere Schicht, auf der dann Idie Metallmaske aufgedampft wird, quasi planar gemacht wird. Ein Heiterer Grund besteht darin, daß die Undurchsichtigkeit der metallischen Maske es schwierig macht, optische Ausrichtmarken auf |äem Substrat festzustellen. Diese Schwierigkeiten bei der Ausrich- ' tung werden durch die in der oben genannten Patentschrift bechriebenen Verfahren insoweit überwunden, daß an entgegengesetzten Enden des Substrats während der Aufdampfung der metallischen Maske zwei Ausrichtbereiche unmetallisiert gelassen werden. Dies hat die unerwünschte Folge, daß diese Ausrichtflächen für die Herstellung aktiver Bauelemente nicht zur Verfügung stehen, so daß die Ausbeute an Schaltungen auf· jedem Halbleiterplättchen !verringert wird. Außerdem fordert die Verwendung einer aufgedampf- ' ten metallischen Maskenschicht für reaktives Zerstäubungsätzen ! den Einsatz eines relativ teuren und zeitraubenden Verdampfungs- ! (Verfahrensschritts und anschließendes chemisches Ätzen der aufgedampften Schicht zu dem gewünschten Muster.
Das erfindungsgemäße Abziehverfahren ergibt die gleiche Auflösung bei feinen Linien oder feinen metallischen Linienzügen wie ier Stand der Technik, vermeidet jedoch die Verwendung einer aufgedampften undurchsichtigen Maskenschicht für reaktives Zerstäuiungsätzen. Eine leicht aufbringbare transparente, aus Polydiinethylsiloxanharz bestehende Schicht gestattet eine einfache optische Ausrichtung und vermeidet, daß einzelne Ausriehtflächen auf dem Substratplättchen die Ausbeute verringern könnten. Dadurch jwird nicht nur die für Schaltungen ausnutzbare Oberfläche auf idem Substrat erhöht, sondern das Verfahren wird auch vereinfacht. Die Polydimethylsiloxanharzschicht wird in einer Kammer durch reaktives Zerstäubungsätzen unter Verwendung einer Fluorgasatmosphäre hergestellt, so daß das nachfolgende Herstellen von öffnungen in der darunterliegenden polymeren Schicht lediglich dalurch möglich wird, daß man die Fluorgasatmosphäre in der gleichen für reaktives Zerstäubungsätzen eingerichteten Kammer durch eiie Sauerstoffatmosphäre ersetzt.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht zunächst darin, daß man auf einem Substrat eine erste, aus organischem polymerem Material bestehende Maskensehicht aufbringt. Diese erste Maskenschicht wird zur Verbesserung der Haftfähigkeit und der thermischen Stabilität gebrannt. Anschließend wird durch Schleudern in der Zentrifuge eine aus einem Polydimethysiloxanharz bestehende Schicht mit einem Übergewicht an Si-O-Bindungen über Si-CH,-Bindungen auf der polymeren Schicht aufgebracht. Eine zweite Maskenschicht, die beispielsweise eine Photolackschicht oder eine Elektronenstrahllackschicht sein kann, wird auf der Harzschicht aufgebracht. Die zweite Maskenschicht wird dann gemäß üblicher photo- oder elektronenstrahl-lithographischer Verfahren zum Freilegen der Harzschicht gemäß einem gewünschten Muster bearbeitet. Benutzt man die mit einem Muster versehene zweite Maskenschicht als eine Maske, dann lassen sich unter Verwendung der Fluoratmosphäre die Öffnungen in der Harzschicht durch reaktives Zerstäubungsätzen herstellen. Anschließend werden dann entsprechende Öffnungen in der ersten Maskenschicht durch einen zweiten Verfahrensschritt mit reaktivem Zerstäubungsätzen in der gleichen Zerstäubungskammer durchgeführt, indem man anstelle der Fluorgasatmosphäre eine Säuerstoffatmosphäre einsetzt. Ein überätzen der ersten Maskenschicht ergibt ein überhängen der Kanten in den Öffnungen in der darüberliegenden Polydimethylsiloxanharzschicht, so daß die unerwünschten Abschnitte des schließlich niedergeschlagenen dünnen Filmes leicht abgezogen werden kann.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Figuren IA bis IH beschrieben, die schematische Querschnittsansichten der Struktur bei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten in der Herstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung darstellen zusammen mit einem Flußdiagramm, in dem die verschiedenen Verfahrensschritte angegeben sind.
Die unter Schutz zu stellenden Verfahrensmerkmale sind den eben-
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falls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.
Die Pign. IA bis IH zeigen die Bildung einer zusammengesetzten Maske gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie die Benutzung dieser zusammengesetzten Maske zu einem Maskenabziehverfahren. Gemäß Pig. IA wird zunächst auf einem Substrat 11 eine organische polymere Maskenschicht 10 gebildet. Vorzugsweise besteht dabei die Maskenschicht 10 aus einem unter der Bezeichnung AZ-135O verkauften Polymeren, das zur Verbesserung des Anhaftens am Substrat 11 bei einer Temperatur von 210 0C gebrannt wird. Durch das Brennen wird die Schicht außerdem thermisch stabil und verliert ihre Photoempfindlichkeit, was jedoch hier ohne Bedeutung ist. j Die Dicke der Schicht 10 bestimmt die größte Dichte des Filmes, {der nach Entfernen der Maskenschicht 10 abgezogen werden kann und kann je nach Erfordernissen gewählt werden. Bei der Herstellung integrierter Schaltungen kann das Substrat 11 aus Halbleitermaterial sein oder aus einem Halbleitersubstrat bestehen, das eine Oberflächenschicht aus einem elektrisch isolierenden anorganischen Material, wie z.B. Siliciumdioxyd, aufweist. Die Maskenschicht 10 kann jedes beliebige polymere Material sein, das für Überzüge Verwendung findet und an dem Substrat 11 gut haftet (natürlich auch anschließend an der später aufgebrachten Polydi-
;methylsiloxanharzschicht), thermisch stabil ist und sich durch reaktives Zerstäubungsätζen abtragen läßt. Das bevorzugte organische polymere Maskenmaterial der Type AZ-1350 besteht aus einem Phenol-formaldehydharz und einem photoempfindlichen Vernetzungsmittel und ist kommerziell bei der Shipley Corporation erhältlich. Wenn die aus Photolackmaterial bestehende Maskenschicht 10 zur Verbesserung der Haftung an dem darunterliegenden Substrat bei etwa 210 0C gebrannt wird, dann wird diese Maskenschicht thermisch stabil und verliert ihre Photoempfindlichkeit. Der Verlust der Photoempfindlichkeit ist kein Nachteil, da die Maskenschicht 10 durch reaktive Ionenzerstäubung selektiv abgetragen wird. Andere geeignete Photolackmaterialien sind beispiels·
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weise KTPR der Firma Kodak Corporation, synthetische Harze wie Polyvinylcinemat und Polymethylmethacrylat, Diazophotοlacke und Polyimide u.a.
Anschließend wird, wie in Fig. IB gezeigt, eine Schicht 12 aus Po-j lydimethylsxloxanharzmaterial auf der Schicht 10 niedergeschla- ; gen. Das Harz wird durch Schleudern in der Zentrifuge auf die ; Schicht 10 aufgebracht. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt da- ; bei etwa 4200 Umdrehungen/min. Die Schicht 12 besteht vorzugsweise aus einem 1500 bis 1600 2 dicken Film eines von der Firma ; Owens-Illinois unter der Typenbezeichnung 650 erhältlichen Harzes, das in N-Butylazetat aufgelöst ist, wobei ein Gramm Harz auf 10 ml Lösungsmittel kommt. Das Polydimethylsiloxanmaterial 12 ist durch ein überwiegen der Si-O-Bindungen gegenüber der Anzahl der Si-CH -Bindungen gekennzeichnet. Die Polydimethylsiloxanharzschicht 12 wird in Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 210 0C für 10 bis 15 Minuten gebrannt. I
Gemäß Fign. IC und ID wird auf die Polydimethylsiloxanschicht in der Zentrifuge durch Schleudern eine Photοlackschicht oder eine Elektronenstrahllackschicht 13 aufgebracht. Zu diesem Zweck kann Hexamethyldisilazan HMD 5 oder das von der Firma Union Carbide Corporation erhältliche A-1100-Silan für eine Vorbehandlung der Schicht 12 für die Aufnahme des Photolacks oder Elektronenstrahllackmaterials 13 vom Typ AZ vorbereitet werden. In der Schicht 13 werden durch übliche lithographische Verfahren, wie sie bei der Herstellung von integrierten Schaltungen üblich sind, öffnungen Ik hergestellt. Es sei darauf verwiesen, daß die Polydimethylsiloxanharzschicht 12 transparent ist, so daß eine optische Ausrichtung später aufgebrachter Maskenmuster mit der mit einem Muster versehenen Oberfläche des Substrats 11 möglich ist. Insbesondere sind keine Ausrichtzonen erforderlich, durch die die für die aktiven Schaltelemente auf der Oberfläche des Substrats 11 zur Verfügung stehende Fläche beschränkt würde, was auch der Fall sein würde, wenn die Schicht 13 aus einem un-
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■durchsichtigen Material bestünde, das eine optische Ausrichtung im Durchsichtverfahren ausschließt.
I Die freigelegte und mit einem Muster versehene Schicht 13 wird anschließend als eine Maske für reaktive Zerstäubungsätzung der Polydimethylsiloxanharzschicht 12 benutzt, wie dies Pig. IE zeigt. Die Struktur der Pig. IE wird in eine Kammer für eine Hochfrequenzzerstäubungsätzung eingebracht, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 598 710 beschrieben ist. Die Harzschicht 12 wird vorzugsweise mit einem Gas geätzt, das durch die Firma LFE Corporation unter der Bezeichnung DE-100 erhältlich ist und Fluor enthält. Somit wird also die Öffnung 14 in der Maskenschicht 13 wirksam als Öffnung 15 in die Harzschicht 12 übertragen. Anschließend wird die Photolackschicht 13 mittels eines Löungsmittels abgetragen.
Unter Verwendung der Polydimethylsiloxanharzmaske 12 werden die !Öffnungen 15, wie in Fig. IF gezeigt, in der polymeren Masken-Schicht in einer Sauerstoffatmosphäre durch reaktives Ionenätzen 'hergestellt. Das Sauerstoffplasma bestimmt sich aus der gewünschter !Größe des Überhanges 17 (in der Öffnung 15 der Schicht 12) in jbezug auf die Öffnung 16 in die polymere Schicht 10 durch Zerstäubungsätzen. Beispielsweise kann ein klar feststellbarer Überhang bei einem Sauerstoffdruck von 40 millitorr erzielt werden, während bei einem Ätzen mit einem Säuerstoffdruck von 4 Millitorr praktisch kein Überhang entsteht. Die nachfolgenden Ätzschritte mit reaktivem Ionenzerstäubungsätzen werden in Übereinstimmung mit den den Figuren IE und IF zugeordneten Verfahrensschritten zweckmäßigerweise in der gleichen Kammer für reaktives Zerstäubungsätzen durchgeführt, wobei man zunächst eine fluorhaltige Gasatmosphäre (im Fall der Fig. IE) gefolgt von jeiner Reinigung und der Substitution einer sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre (im Fall der Fig. IF) benutzt.
Der Überhang 17 in der Harzschicht 12 gestattet ein beträchtli-
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ches überätzen der polymeren Schicht 10 und stellt damit sicher, daß das gesamte Material der Schicht 10 an den Orten der gewünsch- ! ten öffnungen 16 entfernt ist. Die Abmessungen des Musters, das ι aus dünnem Filmmaterial auf dem Substrat 11 durch die öffnungen ί15 und 16 niedergeschlagen werden soll, werden durch die Größe I des Überhangs in der Schicht 12 und nicht durch die größeren Abmessungen der öffnungen in der Schicht 10 bestimmt. Ferner hat ider Überhang 17 den Vorteil, daß das Einreißen an den Kanten beiseitigt wird, wenn das Dünnfilmmaterial in den nachfolgenden Verfahrens schritten abgezogen wird.
i
Anschließend wird dann unter Verwendung der zusammengesetzten Maske in Fig. IF ein metallischer Film 18 auf der in Fig. IG darge 'stellten Struktur niedergeschlagen. Dieser metallische Film kann aus einem üblicherweise für die Metallisierung von integrierten Schaltungen verwendeten Metall bestehen, beispielsweise aus AIu- !minium, aus Aluminium-Kupfer-Legierungen, aus Platin, Palladium Chrom usw. Der metallische Film 18 wird bei einer Temperatur von etwa Zimmertemperatur bis etwa 150 0C niedergeschlagen. Anderer-
iseits kann die Schicht 18 aus einem anorganischen, elektrisch isolierenden Material, wie z.B. Siliciumdioxyd oder Siliciumnitrid !bestehen. Der Film 18 hat eine Dicke in der Größenordnung von j 15000 bis 25000 8.
Anschließend wird mit dem üblichen Abziehverfahren die Photo-
ilackschicht 10 durch Eintauchen der Struktur in ein Lösungsmittel, wie z.B. N-methyl-pyrrolidon-Standardphotolacklösungsmitjtel für etwa 15 bis 30 Minuten entfernt, so daß die dünne FiImischicht 18 in dem gewünschten Muster gem. Fig. IH übrigbleibt. Das Lösungsmittel sollte dabei so gewählt werden, daß es das polymere Material der Schicht 10 ohne Beeinträchtigung des dünnen :Filmes 18 auflöst oder zum Quellen bringt. Solche Lösungsmittel !sind beispielsweise Azeton, Isopropanol, Methyläthylketon und Trichloräthylen. Die zur Auflösung des polymeren Materials benutzten Lösungsmittel können dabei die gleichen sein wie sie auch
FI 974 048
B09847/0881
--■■ 26179U
— Q —
zum Aufbringen der polymeren Schicht 10 benutzt werden. :
Für eine zweite Ebene einer Metallisierung, falls dies erwünscht j ist, kann eine Schicht aus Siliciumdioxyd über der mit einem Mu- j ster einer Metallisierung versehenen Struktur der Pig. IH aufgebracht werden. Sodann können die Verfahrensschritte gem. Fign. IA ; bis IH wiederholt werden, um damit ein zweites Dünnfilm-Metallisierungsmuster herzustellen, das von dem darunterliegenden :
ersten Leitungsmuster 18 elektrisch isoliert ist. Die Polydimethylsiloxanharzschicht 12 ist gegen ein Zerstäubungsätzen ! mit Argonionen resistent und kann daher zum Reinigen der ersten [ Metallschicht über durchgehende Bohrungen in der isolierenden
Oxydschicht benutzt werden. Andere wünschenswerte Eigenschaften
der Polydimethylsiloxanharzschicht 12 sind die folgenden:
j 1. Dieses Material ist gegen reaktives Zerstäubungsätzen in einer
Sauerstoffatmosphäre resistent. Das Ätzen in einer Sauerstoffatmosphäre zur Herstellung von öffnungen in der Photolackschicht 10, ohne daß dabei das darunterliegende Substrat 11 angegriffen wird, wird bevorzugt. ; 2. Das Material ist mindestens thermisch so stabil wie die Schicht1
, 10· ί
j 3. Es haftet an der Schicht 10 ;
j ι
\4. Das Material ist durch ein Mittel (Fluorgasionen) ätzbar, da
I es die Schichten 10 und 13 nicht angreift.
5. Das Material ist transparent
6. Das Material ist in der gleichen Zerstäubungskammer ätzbar,
in der auch die Schicht 10 geätzt wird, indem man lediglich
die aktive Gasatmosphäre austauscht.
j7· Das Material ist gegenüber nassen Chemikalien, wie sie bei der
Vorreinigung des Halbleiterplättchens vor dem Niederschlag
des dünnen Filmes 18 verwendet werden, chemisch inert.
609847/0881

Claims (4)

  1. - 10 PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zum Herstellen von Mustern eines dünnen Filmes auf einem Substrat, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
    Bilden einer ersten Maskenschicht aus einem organischen polymeren Material auf dem Substrat; Bilden einer zweiten Schicht aus Polydimethylsiloxanharz mit einem überwiegen von Si-O-Bindungen gegenüber der Anzahl der Si-CH,-Bindungen,
    Herstellen einer zweiten Maskenschicht mit Öffnungen gemäß einem gewünschten Muster auf der Harzschicht, Herstellen von mit den Öffnungen in der zweiten Maskenschicht ausgerichteten Öffnungen durch die aus dem Harz bestehende Schicht durch reaktives Zerstäubungsätzen in einer ersten Gasatmosphäre, Herstellen von mit den Öffnungen in der Harzschicht ausgerichteten Öffnungen durch die zweite Maskenschicht durch reaktives Zerstäubungsätzen in einer zweiten Gasatmosphäre,
    Niederschlagen des gewünschten Filmes auf dem Substrat durch die Öffnungen in der Harzschicht und in der ersten Maskenschicht hindurch und
    Entfernen aller hilfsweise benutzten Schichten.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Gasatmosphäre ein fluorhaltiges Gas verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß als zweite Gasatmosphäre ein sauerstoffhaltiges Gas verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die reaktive Zerstäubungsätzung nacheinander in der gleichen Zerstäubungsätzkammer durchgeführt werden.
    FI 9m 048
    6 0 9847/0881
    TWTTWfT
    -U-
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maskenschicht vor Bildung der aus Harz bestehenden zweiten Schicht gebrannt wird.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Maskenschicht aus einem Photolack oder Elektronenstrahllack besteht.
    PI 974 048
    609847/0881
    ι λ1 Leerseite
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