DE2703473C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur in einem LSI-Bauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils ist aus der DE-OS 23 51 943 bekannt. Bauteile mit hochintegrier­ ten Schaltkreisen haben eine unregelmäßige Oberflächen­ topographie, welche es schwierig macht, solche Bauteile aufeinanderzustapeln und untereinander zu verbinden. Außerdem ist die Zahl von Leiterzügen, welche in einem gegebenen Oberflächenbereich auf dem Bauteil gebildet werden können, durch die unregelmäßige Topographie begrenzt.

Zur Lösung dieses Problems wird in der DE-OS 23 51 943 ein Verfahren zur Herstellung eines LSI-Bauteils beschrieben, bei dem eine Maske aus einem Photolack als Ätzmaske beim Erzeugen von Durchführungslöchern in einer Isolierschicht verwendet wird und die anschließend nach dem Füllen der Löcher mittels ganzflächiger Metallbedampfung zum Abheben des nicht in den Löchern niedergeschlagenen Metalls benutzt wird. Die Verwendung des Photolacks macht es unvermeidlich, daß die Abmessungen der Kontaktlöcher an der vom Substrat abgewandten Oberfläche der Isolierschicht größer sind als an ihrer gegenüberliegenden Oberfläche. Dies beschränkt zwangsläufig die Reproduzierbarkeit des Verfahrens innerhalb enger Toleranzen und damit die erreichbare Packungsdichte der Leiterzüge und macht dadurch das Verfahren ungeeignet zum Herstellen von LSI-Bauteilen. Es kommt hinzu, daß die schrägen Wände der Durchführungslöcher es schwierig machen, die Kontaktlöcher mittels Metallbedampfung so zu füllen, daß die Füllung vollständig ist und ihre Oberfläche koplanar mit der Oberfläche der Isolierschicht ist.

Bei einem anderen, zur Lösung derselben Aufgabe angewandten Verfahren, welches in der nichtvorveröffentlichten DE-OS 25 52 430 beschrieben ist, besteht die Ätz- und Abhebemaske aus Palladium, und das Abheben wird bewirkt, indem das Palladium durch Zufuhr von Wasserstoff zum Quellen gebracht wird, wobei es sich vom darunterliegenden Substrat löst. Dabei tritt zwar das Problem mit den abgeschrägten Kontaktlochwänden nicht auf, aber das Verfahren ist wegen der Verwendung des Palladiums teuer und außerdem wegen des Einsatzes von Wasserstoff auch aus Sicherheitsgründen zum Einsatz in einer fabrikmäßigen Fertigung ungeeignet.

Ein Verfahren, bei dem die Abhebemaske aus einem löslichen organischen Polymer und zusätzlich einer darauf aufgebrach­ ten Metallschicht besteht, ist aus der DE-OS 24 48 535 bekannt. Dieses Verfahren hat jedoch eine andere Aufgabe: Es wird auf einem Substrat ein Leiterzugmuster erzeugt, d. h. keine Schichtstruktur aus leitfähigem und isolierendem Material mit ebener Oberflächentopographie. Zum Erzeugen der Abhebemaske wird das Ätzen des Polymers mit der darauf aufge­ brachten Metallschicht als Maske so durchgeführt, daß in der fertigen Abhebemaske die Metallschicht einen Überhang bildet. Die Bildung dieses Überhangs wird wesentlich er­ leichtert, wenn das Polymermaterial nicht photoempfindlich ist bzw. - wenn es ursprünglich photoempfindlich war - vor dem Aufbringen des Metalls, z. B. durch Erwärmen, photo­ unempfindlich gemacht wird. Die überhängende Metallschicht ist vorteilhaft, wenn - wie beim Gegenstand der DE-OS 24 48 535 - die Maske nur als Abhebemaske dient.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung einer Schichtstruktur aus leitfähigem und isolierendem Material in einem LSI-Bauteil anzugeben, das eine ebenere Oberflächentopographie und eine höhere Integrationsdichte als bekannte Bauteile aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäß hergestellte Struktur, welche beispiels­ weise dazu dient, um in einem LSI-Bauteil die leitenden Verbindungen zwischen den aktiven und passiven Bauelementen und zu den Ein- und Ausgängen zu ermöglichen, wobei die mit leitfähigem Material gefüllten Durchführungslöcher leitende Verbindungen zwischen leitfähigen Schichten und den im Halb­ leitermaterial befindlichen Schaltungsbereichen herstellen, funktioniert auch dann zuverlässig, wenn in ihr die leit­ fähigen Schichten Leiterzugmuster großer Packungsdichte bil­ den und wenn sie mehrere durch Isolierschichten mit elektri­ schen Durchführungen voneinander getrennte Leiterzugebenen aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vollständig unter Verwendung der in der Halbleiterproduktion üblicherweise verwendeten Vorrichtungen durchführen. Zwar fordert das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Stand der Technik einige zusätzliche Prozeßschritte, dafür ist aber das Ver­ fahren insgesamt weniger kritisch als das bekannte Verfah­ ren, und es lassen sich mit ihm trotz engerer Toleranzen höhere Ausbeuten als bei dem bekannten Verfahren erzielen.

Im Gegensatz zu dem aus der DE-OS 24 48 535 bekannten Ver­ fahren dient die Maskierungsschicht 44 mit der darauf aufge­ brachten ersten Schicht 46 nicht nur zum Abheben, sondern gleichzeitig auch als Ätzmaske.

Soll die Maske auch als Maske beim Ätzen von Durchführungs­ löchern festgelegter Abmessungen verwendet werden, ist ein Überhang nicht tolerierbar. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Anmeldung wird als organisches Material unter der ersten Metallschicht bewußt ein strahlungsempfindliches Material verwendet, weil dies die Erzeugung einer Abhebemaske ohne Überhang begünstigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in der Fig. 2 durch ein Bauteil gemäß der vor­ liegenden Erfindung mit einer hochintegrier­ ten Schaltung,

Fig. 2 in Aufsicht das in der Fig. 1 dargestellte Bauteil mit der hochintegrierten Schaltung,

Fig. 3A-3N eine Folge von Seitenansichten eines Sub­ strats, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wird, um ein Bauteil mit einer hochintegrierten Schaltung welches eine planarere Oberfläche hat, herzustellen.

In den Fig. 1 und 2 ist ein LSI-Bauteil 20, welches eine ebene Oberfläche angrenzend an die Durchführungslöcher hat und welches entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, gezeigt. Auch kann ein Bauteil 20, welches das­ selbe Oberflächengebiet wie ein aus der DE-OS 23 51 943 be­ kanntes Bauteil hat, wegen der ebenen Oberfläche größenord­ nungsmäßig zweimal soviele Leiterzüge auf dieser Oberfläche gebildet haben.

Das Bauteil 20 enthält ein Substrat 22, welches aus einem leitfähigen oder nicht leitfähigen Material bestehen kann. Beispielsweise kann das Substrat 22 aus Silicium bestehen. Auf dem Substrat 22 ist eine Isolierschicht 24, beispiels­ weise aus SiO₂, gebildet. Für den Fall, daß das Substrat 22 nicht leitfähig ist, kann auf die Isolierschicht 24 ver­ zichtet werden. Eine leitfähige Schicht, beispielsweise eine Metallschicht 26, ist über der Isolierschicht 24 gebildet und auf der Schicht 26 ist eine zweite Isolierschicht 28 aus SiO₂ gebildet. Ein Durchführungsloch 30 ist mittels eines reaktiven Ionenätzverfahrens in die Schicht 28 geätzt und eine leitfähige Metallmusterschicht 32 ist über der Schicht 28 und in dem Durchführungsloch 30 niedergeschlagen. Ein photolithographisches Muster kann auf der Schicht 32 ent­ wickelt werden, so daß eine Vielzahl von Leiterzügen 34 auf der oberen Oberfläche des Bauteils 20 mittels konventionel­ ler subtraktiver Ätz- oder Abheb (lift-off)-Verfahren ge­ bildet werden kann. Man sieht, daß die entsprechenden Lei­ terbreiten durch die Breite W2 des Durchführungslochs 30 bestimmt sind. Wenn das Bauteil 20 dasselbe Oberflächen­ gebiet hat, wie herkömmliche Bauteile, so können mehr Lei­ terzüge darauf gebildet werden, da das Bauteil 20 eine ebenere Oberfläche hat und die Durchführungslöcher identische obere und untere laterale Abmessungen haben, was sich in einer größeren Leiterzugpackungsdichte auf einem ge­ gebenen Oberflächenbereich bei verbesserten Verbindungsbe­ dingungen auswirkt. Es ist auch ersichtlich, daß wegen der ebenen Oberfläche des Bauteils 20 mehrere Schichtgruppen, welche z. B. aus den Schichten 26, 28, 30 und 32 bestehen, und dieselben Abmessungen und Dicken wie diese haben, zu einer Struktur mit n Metallniveaus (n = 2, 3, . . .) aufein­ andergestapelt werden können. Solche Bauteile, wie z. B. das Bauteil 20, können leichter aufeinandergestapelt und untereinander verbunden werden, als dies bei herkömmlichen Bauteilen der Fall ist, welche eine unregelmäßige Ober­ flächentopographie angrenzend an das Durchführungsloch haben.

Es wird nun auf die Fig. 3A bis 3N verwiesen, welche die aufeinanderfolgenden Schritte eines Verfahrens zur Her­ stellung des LSI-Bauteils 20 zeigen. Die Fig. 3A zeigt ein Substrat 36, welches leitfähig oder auch nicht leitfähig ist je nach dem, ob das resultierende LSI-Bauteil als Grund­ ebenenschicht oder als eine X-Y-Ebenenschicht benutzt werden soll. Wenn das Substrat 36 leitfähig sein soll, so kann es beispielsweise aus Silicium bestehen. Wenn auf der anderen Seite das Substrat 36 nicht leitfähig sein soll, kann es aus einem Material wie z. B. Keramik oder Glas bestehen. Wenn das Substrat 36 aus einem leitfähigen Material besteht, wird eine isolierende Schicht 38 wie die Fig. 3B zeigt, auf dem Sub­ strat 36 durch Kathodenzerstäubung, chemisches Niederschla­ gen aus der Dampfphase oder Bedampfung erzeugt. Silicium­ oxid (SiO₂) wird als Isolierschicht bevorzugt, es können aber auch andere isolierende Schichten, wie z. B. solche aus Sili­ ciumnitrid (Si₃N₄), benutzt werden. Die Isolierschicht 38 kann eine Dicke im Bereich zwischen 0,2 und 1 µm haben. Wenn das Substrat 36 nicht leitfähig ist, kann auf die Isolierschicht 24 verzichtet werden. Als nächstes wird, wie die Fig. 3C zeigt, eine leitfähige Metallschicht 40 auf der Schicht 38 durch Auf­ dampfen oder Kathodenzerstäubung erzeugt. Aluminium (Al) wird bevorzugt, jedoch können auch andere Metalle, wie z. B. Kupfer (Cu), benutzt werden. Die Dicke der Schicht 40 liegt in der Größenordnung von 0,5 bis 2 µm. Als nächstes, wird wie die Fig. 3D zeigt, eine zweite Isolierschicht 42 aus SiO₂ mittels Kathodenzerstäubung auf der Schicht 40 mit einer Dicke in der Größenordnung zwischen 0,2 und 1 µm aufgebracht. Wie die Fig. 3E zeigt, wird dann eine Photolackschicht, bei­ spielsweise aus dem von der Firma Shipley unter dem Handels­ namen AZ vertriebenen Positivlack, auf der Schicht 42 mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 bis 2 µm aufgebracht. Es kann auch ein anderer geeigneter Lack, beispielsweise ein gegenüber Elektronenstrahlen empfindlicher Lack, benutzt wer­ den. Als nächstes wird, wie die Fig. 3F zeigt, eine erste Metallschicht (beschützende Metallmaske) 46 auf der maskierenden Schicht 44 mittels Verdampfung oder Kathodenzer­ stäubung mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 µm aufgebracht. Die Metallmaske kann aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Dann wird, wie in der Fig. 3G gezeigt ist, eine Maskierungsschicht 48 aus Photolack auf der maskieren­ den ersten Metallschicht 46 mit einer Dicke in der Größen­ ordnung von 0,5 bis 1,5 µm aufgebracht.

Wie in der Fig. 3H gezeigt ist, wird die aus einem Photolack bestehende maskierende Schicht 48 selektiv mit ultraviolet­ tem Licht oder einem Elektronenstrahl bestrahlt und an­ schließend entwickelt, um ein Gebiet 50 zu definieren, in dem ein Durchführungsloch entstehen soll. Als nächstes wird, wie die Fig. 3I zeigt, die Aluminiumschicht 46 in dem defi­ nierten Bereich 50 chemisch geätzt, um ein Durchführungsloch 52 zu erzeugen, welches sich bis zu der Oberfläche der Photo­ lackschicht 44 erstreckt. Das chemische Ätzmittel kann aus einer Säuremischung, beispielsweise aus einer Mischung von Phosphor- und Salpetersäure, bestehen. Dann wird, wie die Fig. 3J zeigt, das in der Maskierungsschicht 44 definierte Gebiet und die Maskierungsschicht 48 mit einem Ätzmittel geätzt, das nicht mit Aluminium reagiert, um ein Durchfüh­ rungsloch 54 zu definieren, welches sich bis zu der Ober­ fläche der Isolierschicht 42 erstreckt. Typischerweise wird dazu ein reaktives Ionenätzverfahren beispielsweise in einer Sauerstoffatmosphäre benutzt.

Als nächstes wird, wie die Fig. 3K zeigt, das definierte Ge­ biet in der Isolierschicht 42 mit einem Ätzmittel geätzt, welches nicht mit Aluminium reagiert. Ein geeignetes Ätzver­ fahren ist dabei ein reaktives Ionenätzen beispielsweise in einer Atmosphäre von Kohlenstoff-Tetrafluorid (CF₄). Dann wird, wie die Fig. 3L zeigt, eine zweite leitfähige Schicht 58 auf der Metallschicht 46 und in dem Durchführungsloch 56 mittels Aufdampfens oder Kathodenzerstäubens niedergeschla­ gen, wobei die in dem Durchführungsloch gebildete Metall­ schicht 60 und die Schicht 58 im wesentlichen dieselbe Dicke wie die Isolierschicht 42 haben. Deshalb liegt die Dicke der Schichten 58 und 60 ebenso wie auch die Dicke der Isolier­ schicht 42 im Bereich zwischen 0,2 und 1 µm.

Wie in Fig. 3M gezeigt ist, wird eine doppelte Metallabhebung (lift-off) der Metallschichten 46 und 58 erreicht, indem die Photolackschicht 44 durch Anwendung von Aceton oder einem ähnli­ chen Stoff abgehoben oder aufgelöst wird. Da die Schichten 46 und 58 über der Schicht 44 gebildet worden sind, werden beim Abheben der Schicht 44 auch die Schichten 46 und 58 entfernt.

Schließlich wird, wie in der Fig. 3N gezeigt ist, eine dritte leitfähige Metallschicht 62 aus Aluminium oder einem ähnlichen Material auf die Isolierschicht 42 und den darin eingelegten Metallbereich 60 gedampft, wobei das LSI-Bauteil 20, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, entsteht.

Wie weiter oben anhand der Fig. 2 festgestellt worden ist, kann Photolack auf die Schicht 62 aufgebracht werden, und dann mittels eines photolithographischen oder eines ähnlichen Verfahrens ein Muster durch Belichtung und Entwicklung erzeugt werden, welches ein Leiterzugmuster definiert, welches ähnlich dem Leiterzug­ muster der Leiterzüge 34, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, sein kann. Als nächstes werden die Gebiete, in welchen Leiter­ züge nicht definiert sind, mittels eines chemischen Ätzprozesses oder durch einen einfachen Abhebeprozeßschritt oder mittels eines reaktiven Ionenätzverfahrens entfernt, um dadurch das Leiterzugmuster zu erzeugen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur aus isolierendem und leitfähigem Material in einem LSI-Bauteil, welche aus mindestens einer ganzflächig auf einem Träger aufgebrachten Isolierschicht mit Durchführungslöchern, welche im wesentlichen voll­ ständig mit leitfähigem Material gefüllt sind, und einer darauf aufgebrachten Schicht aus leitfähigem Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß auf die ganzflächig aufgebrachte Isolierschicht (42) eine Maskierungsschicht (44) aus einem strahlungs­ empfindlichen Lack und darauf eine erste Schicht aus leitfähigem Material (46) ganzflächig aufgebracht werden, daß in der ersten Schicht aus leitfähigem Material (46) durchgehende Löcher (52) entsprechend dem gewünschten Muster und den gewünschten Abmessungen der Durchführungslöcher erzeugt werden, daß anschließend unter Verwendung der ersten Schicht aus leitfähigem Material (46) als Maske die freiliegenden Bereiche der Maskierungsschicht (44) zur Definition von sich bis zur Oberfläche der Isolierschicht (42) erstreckenden durchgehenden Löchern (54) und dann die freiliegenden Bereiche der Isolierschicht (42) mittels reaktiven Ionenätzens mit einem Ätzmittel, von dem die erste Schicht aus leitfähigem Material nicht angegriffen wird, zur Herstellung der senkrechte Wände aufweisenden Durch­ führungslöcher selektiv entfernt werden, daß dann eine zweite Schicht aus leitfähigem Material (58, 60) mit einer Dicke, die etwa der der Isolierschicht (42) entspricht, ganzflächig aufgebracht wird, daß dann die Maskierungsschicht (44) unter Abhebung der auf ihr liegenden Schichten aus leitfähigem Material (46, 58) entfernt wird und daß schließlich eine dritte Schicht aus leitfähigem Material (62) aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus leitfähigem Material (46, 58, 60, 62) aus einem Metall hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn als Metall Aluminium verwendet wird, die Löcher in der ersten Schicht aus leitfähigem Material (46) mit einer Mischung aus Phosphor- und Salpetersäure herausgeätzt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum selektiven Entfernen der Maskierungsschicht (44) und der Isolierschicht (42) mittels reaktiven Ionenätzens bevorzugt in einer O₂- bzw. in einer CF₄-Atmosphäre gearbeitet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (42) aus SiO₂ hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum vollständigen Entfernen der Maskierungsschicht (44) Aceton verwendet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein isolierendes Substrat, ein leit­ fähiges Substrat, z. B. aus Silicium, oder ein mit einer Zwischenverbindungen ermöglichenden Isolier­ schicht (38) und einer auf dieser aufgebrachten und an die Isolierschicht (42) angrenzenden leitfähigen Schicht (40) bedecktes leitfähiges Substrat (36), z. B. aus Silicium, verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte ab dem Aufbringen der Isolierschicht (42) ein- oder mehrfach wiederholt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Leitermusters Teile der dritten Schicht aus leitfähigem Material (62) selektiv entfernt werden.