DE3141680A1 - Process for producing a metal/dielectric layer structure - Google Patents

Process for producing a metal/dielectric layer structure

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Abstract

A description is given of a process for producing a metal/dielectric layer structure on a substrate. In the process, a photoresist layer having a pattern provided with a hole is formed on the insulating layer. To improve the adhesion between insulating layer and metal layer, the insulating layer and photoresist layer are exposed to an oxygen plasma until the photoresist is used up, the surface of the insulating layer has been roughened and a passage hole extending through the insulating layer has been formed. A metal layer is then deposited on the roughened surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einerThe invention relates to a method for producing a

Metall-Dielektrikum-Schichtstruktur auf einem eine mit einer aus polyimidartigem Material bestehenden Isolierschicht vorgegebener Schichtdicke bedeckte Hauptfläche aufweisenden Substrat, bei dem eine ein mit wenigstens einem Loch versehenes Muster aufweisende Photolackschicht vorgegebener Schichtdicke auf der freien Oberfläche der Isolierschicht gebildet wird. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Metall/Dielektrikum-Schichtstruktur auf einem integrierten Halbleiterschaltkreis.Metal dielectric layer structure on a one with a polyimide-like Material existing insulating layer of specified layer thickness covered main area having substrate, in which a pattern provided with at least one hole having photoresist layer of predetermined layer thickness on the free surface the insulating layer is formed. In particular, it relates to a method of manufacture a metal / dielectric layer structure on an integrated semiconductor circuit.

Ein integrierter Halbleiterschaltkreis enthält auf einer Hauptfläche einer Halbleiterscheibe zahlreiche Schaltelemente. Meist wird auf die Hauptfläche eine dielektrische bzw. isolierende Schicht aufgebracht und darauf eine Metallschicht niedergeschlagen. In der Isolierschicht werden über vorgegebenen Schaltelementen Löcher vorgesehen, durch die sich die Metallschicht erstreckt, so daß in gewünschter Weise Elemente miteinander verbunden werden. Mit zunehmender Komplexität des integrierten Schaltkreises können weitere Isolierschichten und Metallschichten aufgebracht werden.A semiconductor integrated circuit contains on a main surface numerous switching elements on a semiconductor wafer. Mostly it is on the main area a dielectric or insulating layer is applied and a metal layer thereon dejected. In the insulating layer there are predetermined switching elements Holes are provided through which the metal layer extends, so that in desired Way elements are connected to each other. With increasing complexity of the integrated Further insulating layers and metal layers can be applied to the circuit.

Die Metall/Dielektrikum-Schichtstrukturen werden üblicherweise hergestellt, indem zunächst eine Isolierschicht aus einem Material wie SiO2, Si3N4 oder Polyimid gebildet, ein Photolackmuster (Photoresistmuster) auf der Isolierschicht erzeugt, Öffnungen in die Isolierschicht unter Verwendung des Photolacks als Ätzsperre geätzt werden, der Photolack abgestreift und Metall, z. B. durch Aufdampfen, niedergeschlagen wird.The metal / dielectric layer structures are usually produced, by first applying an insulating layer made of a material such as SiO2, Si3N4 or polyimide formed, a photoresist pattern (photoresist pattern) generated on the insulating layer, Openings are etched in the insulating layer using the photoresist as an etch barrier are stripped off the photoresist and metal, e.g. B. by vapor deposition will.

Polyimidschichten sind sehr wirkungsvolle Isolierschichten, weil dieses Material chemisch inert, thermisch und mechanisch robust und auf relativ einfache Weise aufzubringen ist. Bei Verwendung einer Isolierschicht aus Polyimid treten jedoch im allgemeinen Probleme wegen des nicht vorhandenen oder relativ niedrigen Haftvermögens gegenüber der darüberliegenden Metallisierung auf.Polyimide layers are very effective insulating layers because of this Material chemically inert, thermally and mechanically robust and on is relatively easy to apply. When using an insulating layer However, polyimide problems generally arise because of the lack of or relatively low adhesion to the overlying metallization.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren eingangs genannter Art so zu verbessern, daß bei Verwendung polyimidartigen Materials, d. h. bei Verwendung eines Polyimids oder eines ähnlichen Harzes, ohne wesentlichen Mehraufwand ein eilwandfreies Anhaften der Metallisierung auf der Isolienschicht zu gewährleisten ist. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Isolierschicht und die Photolackschicht für eine zum Entfernen der Photolackschicht, zum Rauhen der Oberfläche der Isolierschicht und zum Bilden wenigstens eines Durchgangslochs geneigter Wandung in der Isolierschicht ausreichende Zeit einer Sauerstoffplasmabehandlung ausgesetzt werden.The invention is based on the object of the method mentioned at the beginning Kind to improve so that when using polyimide-like material, i. H. Using a polyimide or a similar resin, without significant additional effort a wall-free one Adhesion of the metallization on the insulating layer is to be ensured. The inventive Solution is that the insulating layer and the photoresist layer for one to Removing the photoresist layer to roughen the surface of the insulating layer and for forming at least one inclined wall through-hole in the insulating layer be exposed to oxygen plasma treatment for a sufficient period of time.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also wie bisher eine polyimidartige Schicht vorbestimmter Schichtdicke auf das Substrat und darauf ein mit Öffnungen versehenes Photolackmuster aufgebracht. Die Isolierschicht und der Photolack werden einem Sauerstoffplasma derart ausgesetzt, daß der Photolack entfernt, d. h. durch die Wirkung des Sauerstoffplasmas weggeätzt, die Isolierschichtoberfläche aufgerauht und ein Durchgangsloch durch die Isolierschicht gebildet wird. Auf der aufgerauhten Isolierschichtoberfläche und in dem Durchgangsloch wirl anschließend eine Metallschicht gebildet. Vorzugsweise wird als polyimidartiges Material ein Polyimid oder ein Polybenzimidazol verwendet.In the method according to the invention, a polyimide-like one is used as before Layer of predetermined thickness on the substrate and then with openings provided photoresist pattern applied. The insulating layer and the photoresist are exposed to an oxygen plasma such that the photoresist is removed, d. H. by the effect of the oxygen plasma is etched away, the surface of the insulating layer roughened and forming a through hole through the insulating layer. On the roughened Insulating layer surface and then a metal layer in the through hole educated. A polyimide or a polybenzimidazole is preferably used as the polyimide-like material used.

Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 bis 3 eine Folge von Verfahrensschritten beim Herstellen einer Metall-Dielektrikum-Schichtstruktur.Based on the schematic representation of an exemplary embodiment further details of the invention explained. 1 to 3 show a sequence of process steps in the production of a metal-dielectric layer structure.

Gemäß Fig. 1 wird eine Isolierschicht 12 auf einer Hauptfläche 11 eines Substrats 10 aufgebracht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Schicht 12 aus einem Polyimid, z.B. dem von E.I. du Pont hergestellten Polyimid PI 1100. Das Polyimid kann in herkömmlicher Schleudertechnik auf dem Substrat 10 niedergeschlagen werden.According to FIG. 1, an insulating layer 12 is formed on a main surface 11 a substrate 10 is applied. In a preferred embodiment, there is layer 12 of a polyimide such as that available from E.I. du Pont made polyimide PI 1100. The polyimide can be applied to the substrate 10 using conventional centrifugal technology get knocked down.

Beispielsweise kann das Polyimid in flüssiger Form auf die Hauptfläche 11 #aufgebracht und dann das Substrat 10 - etwa um eine senkrecht zur Hauptfläche 11 stehende Achse - mit etwa 3000 bis 7000 Umdrehungen/Minute rotiert werden. Das Polyimid soll dann durch allmähliches Aufheizen auf etwa 4000c gehärtet werden, um eine filmartige Schicht mit etwa 2 Mikrometern Dicke zu erhalten.For example, the polyimide can be applied to the main surface in liquid form 11 # applied and then the substrate 10 - about one perpendicular to the main surface 11 standing axis - can be rotated at about 3000 to 7000 revolutions / minute. That Polyimide should then be hardened by gradually heating it to about 4000c, to obtain a film-like layer about 2 micrometers thick.

Für Material, Form und Aufbau des Substrats gibt es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens keine speziellen Bedingungen. Vorzugsweise wird für das Verfahren jedoch ein aus einer Halbleiterscheibe bestehendes Substrat 10 vorgesehen. Das Substrat 10 kann in vorgegebener Weise dotierte Zonen enthalten, die Schaltelemente, wie Transistoren, Thyristoren, Dioden und Verbindungslinien, bilden. Auf der freien Oberfläche bzw. Hauptfläche 13 der Polyimidschicht 12 wird als nächstes eine Photolackschicht 14 in üblicher Weise gebildet und dann zum Erzielen einer Öffnung 16 in ebenfalls herkömmlicher Art mit einem entsprechenden Muster versehen. Wenn die Polyimidschicht etwa 2 Mikrometer dick ist, soll die Photolackschicht eine Dicke etwa in der Größenordnung von 0,8 bis 1,0 Mikrometern haben.For the material, shape and structure of the substrate, there are method according to the invention no special conditions. Preferably for However, the method provides a substrate 10 made of a semiconductor wafer. The substrate 10 can contain zones doped in a predetermined manner, the switching elements, such as transistors, thyristors, diodes and connecting lines. On the free The surface or main surface 13 of the polyimide layer 12 is next a photoresist layer 14 formed in the usual way and then to achieve an opening 16 in also conventional type with a corresponding Provide pattern. if If the polyimide layer is about 2 microns thick, the photoresist layer should be one thickness on the order of 0.8 to 1.0 micrometers.

Die so erzeugte Polyimid/Phololack-Schichtstruktur wird dann einem durch die Pfeile 18 in Fig. 1 symbolisierten Niederdruck-Sauerstoffplasma ausgesetzt. Der Sauerstoffdruck soll dabei weniger als etwa 65 Mikrobar betragen.The polyimide / photoresist layer structure produced in this way then becomes a exposed by the arrows 18 in Fig. 1 symbolized low-pressure oxygen plasma. The oxygen pressure should be less than about 65 microbar.

Das Plasma kann in einem im Handel erhältlichen Plasmabrenner (auch als Tunnel-, Trommel- oder Glimmentladungs-Reaktor bezeichnet) durch Hochfrequenzentladung erzeugt werden. Das Sauerstoffplasma ätzt sowohl die Photolackschicht 14 als auch die Polyimidschicht 12, letztere zunächst nur insoweit, alL sie durch das Loch 16 in der Photolackschicht 14 freigelegt ist.The plasma can be in a commercially available plasma torch (also referred to as tunnel, drum or glow discharge reactor) by high-frequency discharge be generated. The oxygen plasma etches both the photoresist layer 14 and the polyimide layer 12, the latter initially only to the extent that it passes through the hole 16 is exposed in the photoresist layer 14.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird durch das Sauerstoffplasma ein Durchgangsloch 20 in der Polyimidschicht 12 erzeugt.As shown in Fig. 2, a through hole is made by the oxygen plasma 20 generated in the polyimide layer 12.

Das Sauerstoffplasma entfernt auch die Photolackschicht 14 und rauht die Hauptfläche 13 der Polyimidschicht auf. Das mit dem erfindungsgemäßEn Verfahren hergestellte Durchgangsloch 20 besitzt eiye geneigte und aufgerauhte Wand 19 und eine gerundete Lochkante 21. Diese Konfiguration stellt im vorliegenden Zusammenhang eire wesentliche Verbesserung gegenüber auf herkömmliche WeiLe herzustellenden Durchgangslöchern dar, da die auf bekarnte Weise zu erhaltenden Löcher im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 11 des Substrats verlaufende, glatte Wände und eine relativ schafe Kante aufweisen.The oxygen plasma also removes the photoresist layer 14 and roughens it the main surface 13 of the polyimide layer. That with the method according to the invention produced through hole 20 has eiye inclined and roughened wall 19 and a rounded hole edge 21. This configuration represents in the present context A significant improvement over conventional through-holes because the holes to be obtained in a known manner are essentially perpendicular to the Surface 11 of the substrate running smooth walls and a relatively sharp edge exhibit.

Die Geschwindigkeit, mit der der Photolack 14 und das Polyimid durch das Sauerstofiplasma entfernt werden, kann leicht empirisch bestimmt werden. Die relative Dicke der beiden Schichten aus Folyinid bzw. Photolack wird so eingestellt, daß gerade vor dem vollständigen Fertigstellen des Durchgangslochs 20 der gesamte Photolack von der Oberfläche 13 abgetragen ist. Während der zwischen dem endgültigen Abtragen der Photolackschicht 14 und der Fertigstellung des Durchgngslochs 20 vergehenden Zeit trifft das Sauerstoffplasn#a also unmittelbar auf die freiliegende Polyimid-Oberfläche 13 auf und rauht diese Fläche an.The speed at which the photoresist 14 and the polyimide pass through the oxygen plasma can be removed easily determined empirically will. The relative thickness of the two layers of foil and photoresist will be adjusted so that just prior to the complete completion of the through hole 20 the entire photoresist has been removed from the surface 13. During the between the final removal of the photoresist layer 14 and the completion of the through hole As time passes, the oxygen plasma immediately hits the exposed one Polyimide surface 13 and roughen this surface.

Gemäß Fig. 3 wird dann au der aufgerauhten Oberfläche 13 und im Durchgangsloch 20 eine Metallschicht 22 gebildet.According to FIG. 3, then on the roughened surface 13 and in the through hole 20 a metal layer 22 is formed.

Als Metall eignet sich z.B. Aluminium. Die Metallisierung kann auf bekannte Weise z.B. durch Aufdampfen oder Aufsprühen, vorgenommen werden.A suitable metal is e.g. aluminum. The metallization can be on known manner, for example by vapor deposition or spraying.

In Fig. 3 wird lediglich eine (rrundeinheit einer Metall/ Dielektrikum-Schichtstruktur dargestellt. Eine vollständigere Anordnung enthält mehrere Duchgangslöcher 20 und kann eine Folge von Polyimid- #ind Metallschichten auf der dargestellten Struktur von M(tallschicht 22, Polyimidschicht 12 und Substrat 10 aufwei#en. Durch die Metallschicht 22 wird eine elektrische Verl,induuig zwischen den über die Durchgangslöcher 20 miteij#nde# zu kontaktierenden Bereichen des Substrats hergestellt Die Polyimidschicht 12 stellt dabei eine wirksam Iso ation zwischen Metall und Substrat oder zwischen aufeinanderfolgenden Metallschichten in Bereichen ohne Durchgangsloch dar.In FIG. 3, only one (round unit of a metal / dielectric layer structure shown. A more complete arrangement includes multiple through holes 20 and may be a sequence of polyimide #ind metal layers on the structure shown of metal layer 22, polyimide layer 12 and substrate 10. Through the metal layer 22 is an electrical connection inductively between the through holes 20 produced with areas of the substrate to be contacted. The polyimide layer 12 represents an effective Iso ation between metal and substrate or between successive metal layers in areas without a through hole.

Der Aufbau nach Fig. 3 kam weiterhin eine zweite, beispielsweise auf die gleicheWei;e wie vorher aufgebrachte Polyimidschicht zum Einkapseln der Struktur aufweisen. Weiterhin kann zu der dargestellten Struktur eine aus einem Muster bestehende Metallschicht auf der Substratoberfläche 11 unterhalb der Polyimidschicht 12 gehören, so daß eine Vielniveau-Metallisierungsstruktur vorliegt, die dazu verwendet werden kann, beispielsweise die Packungsdichte von Verbkndungsleitern zu einem einen integrierten Schaltkrei, enthaltenden Substrat zu vergrößern.The structure of FIG. 3 also came up with a second, for example the same white as previously applied polyimide layer to encapsulate the structure exhibit. Farther can add one to the structure shown a pattern of metal layer on the substrate surface 11 below the Polyimide layer 12, so that there is a multilevel metallization structure, which can be used for this, for example the packing density of connecting conductors to an integrated circuit containing substrate.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: in einem einzigen Verfahrensschritt werden erfindungsgemäß eine Photolackschicht entfernt, ein Durchgangsloch mit geneigter Wandung, aufgerauhter Oberfläche und gerundeter Kante in einer Polyimidschicht gebildet und die Oberfläche der Polyimidschicht aufgerauht. Die aufgerauhten Polyimid Oberflächen stellen eine ausgezeichnete Basis zum Abscheiden von Metall dar und verbessern das Haftvermögen zwischen der Isolierschicht und der darüberliegenden Metallisierung wesentlich. Wie bereits erwähnt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem der Photolack zugleich mit dem Bilden des Durchgangslochs abgetragen wird, ein Durchgangsloch mit geneigter Wand mg und gerundeter Kante erzeugt.The method according to the invention has significant advantages over this the prior art: in a single process step according to the invention a photoresist layer removed, a through hole with an inclined wall, rougher Surface and rounded edge formed in a polyimide layer and the surface the polyimide layer is roughened. The roughened polyimide surfaces create a make an excellent base for depositing metal and improve adhesion between the insulating layer and the overlying metallization is essential. As already mentioned, in the method according to the invention in which the photoresist is removed simultaneously with the formation of the through hole, a through hole generated with inclined wall mg and rounded edge.

Durch diese Lochform wind die Metallisierung auf der Stufe am Rande des Loches, d. h. an der Grenze zwischen Oberseite 13 der Isolierschicht und der Wand des Lochs 20 erheblich verstärkt.Through this hole shape, the metallization winds on the step on the edge of the hole, d. H. at the boundary between the top 13 of the insulating layer and the Wall of the hole 20 is significantly reinforced.

Anstelle von Polyimid k;5nnen zum Herstellen der Isolierschicht 12 auch andere ,toffeE benutzt werden. Polyimide sind jedoch für diese Verfahren wegen mehrerer physikalischer Eigenschaften sehr wirkungsvoll. Sie können in flüssiger Form aufgebracht und dann thermofixiert werden, so daß eine chemisch und thermisch stabile Verbindung entsteht. Eine thermofixierte Polyimidschicht besitzt einen Ausdehnungskoeffizienten, der demjenigen vieler zum Metallisieren verwendeter Materialien ähnlich ist. Andere stoffe mit polyimidartigen Eigenschaften, z. B. Polybenzimidazol, können anstelle des Polyimids im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.Instead of polyimide, it is possible to produce the insulating layer 12 also other fabrics can be used. However, polyimides are due to these processes several physical properties are very effective. You can in more fluid Form applied and then thermoset, so that a chemically and thermally stable connection is created. A thermoset polyimide layer has a coefficient of expansion that is similar to that of many materials used for plating. Other substances with polyimide-like properties, e.g. B. polybenzimidazole, can instead of the polyimide can be used in the process of the invention.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (2)

"Verfahren zum Herstellen einer Metall/Dielektrikum-Schich-tstruktur" Patentansprüche: Verfahren zum Herstellen einer Metall/Dielektrikum-Schichtstruktur auf einem eine mit einer aus polyimidartigem Material bestehenden Isolierschicht (12) vorgegebener Schichtdicke bedeckte Hauptfläche (11) aufweisenden Substrat (10), bei dem eine ein mit wenigstens einem Loch versehenes Muster aufweisende Photolackschicht (14) vorgegebener Schichtdicke (lauf der freien Oberfläche der Isolierschicht (12) gebildet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Isolierschicht (12) und die Photolackschicht (14) für eine zum Entfernen der Photolackschicht (14), zum Rauhen der Oberfläche (13) der Isolierschicht und zum Bilden eines Durchgangslochs (20) mit geneigter Wandung (19) in der Isolierschicht (12) ausreichende Zeit einer Sauerstoffplasmabehandlung ausgesetzt werden."Method for producing a metal / dielectric layer structure" Claims: Method for producing a metal / dielectric layer structure on an insulating layer made of a polyimide-like material (12) substrate (10) having a predetermined layer thickness covered main surface (11), in which a photoresist layer having a pattern provided with at least one hole (14) specified layer thickness (running along the free surface of the insulating layer (12) is formed that the insulating layer is formed (12) and the photoresist layer (14) for one for removing the photoresist layer (14), for roughening the surface (13) of the insulating layer and for forming a through hole (20) with an inclined wall (19) in the insulating layer (12) sufficient time Exposed to oxygen plasma treatment. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß als polyimidartiges Material ein Polyimid oder ein Polybenzimidazol verwendet wird.2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the polyimide-like material is a polyimide or a polybenzimidazole is used.
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