DE3339957C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einer Metallisierungsstruktur, deren Teile in Öffnungen einer Isolierschicht angeordnet sind, wobei die Dicke der Metallisierungsstruktur und die Dicke der Isolierschicht im wesentlichen gleich sind, so daß eine annähernd ebene Oberfläche vorhanden ist, bei welchem zuerst die Öffnungen in der Isolierschicht ausgebildet werden, dann eine Metallschicht ganzflächig niedergeschlagen wird und schließlich die oberhalb der Isolierschicht liegenden Teile der Metallschicht unter Zuhilfenahme einer Hilfsschicht aus einem polymeren bzw. polymerisierbaren Material entfernt werden.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-OS 26 15 862 bekannt.

Die Integrationsdichte von bekannten Halbleiteranordnungen wie z. B. integrierten Schaltungen ist stark angewachsen. Aus diesem Grund muß auch die Integrationsdichte der Metallisierungsstruktur zwangsläufig zunehmen. So haben z. B. in einem Halbleitersubstrat gebildete Schaltungselemente oft nur eine niedrige Integrationsdichte. Dies liegt daran, daß die Integrationsdichte der Metallisierungsstruktur niedrig ist, so daß die Integrationsdichte der Halbleiterelemente ebenfalls niedrig wird. Die Integrationsdichte der Metallisierungsstruktur kann besonders stark dadurch verbessert werden, daß die Metallisierungsstruktur zusätzlich zur Mikrostrukturierung als eine vielschichtige Struktur (multi-layer) ausgebildet wird.

Zur Schaffung einer vielschichtigen Metallisierungsstruktur dürfen die Metallisierungsschichten im Bereich von Stufen nicht unterbrochen werden. Zu diesem Zweck ist es zum Beispiel aus der DE-OS 28 32 740 bekannt, die Ränder der Stufen in der darunterliegenden Schicht abgeschrägt oder konisch auszubilden. Gemäß einer anderen Möglichkeit kann eine Isolationszwischenschicht eine scharfe Stufe im Bereich der darunterliegenden Schicht aufweisen. Um dann die Metallisierungsschicht mit einer Mikrostrukturierung zu versehen und um eine vielschichtige Metallisierungsstruktur zu erhalten, ist es erforderlich, daß die Metallisierungsschicht und die Isolationsschicht in einer Struktur gebildet werden, die eine ebene Oberfläche aufweist.

Bei dem aus der DE-OS 26 15 862 bekannten Verfahren wird zur Lösung dieses Problems die Hilfsschicht aus polymerem bzw. polymersierbarem Material vor dem Niederschlagen der Metallschicht auf die Isolierschicht aufgebracht und später wieder abgelöst, wobei die oberhalb der Isolierschicht liegenden Teile der Metallschicht entfernt werden. Da die Dicke der Isolierschicht und die Dicke der Metallschicht im wesentlichen gleich sind, entsteht eine annähernd ebene Oberfläche.

Ein im Prinzip ähnliches Verfahren ist in der DE-OS 23 51 943 beschrieben.

Ein anderes Verfahren zur Bildung einer flachen Metallisierungsstruktur ist in der EP-00 19 391 A1 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird ein wärmehärtbarer Polyimidharzfilm als isolierende Zwischenschicht verwendet. Dieses Verfahren umfaßt den Schritt zur Bildung eines Polyimidharzfilms, um die gesamte Oberfläche eines Halbleitersubstrats zu bedecken, auf dem eine erste Metallisierungsstruktur vorgesehen ist. Durch Verwendung einer geeigneten Maske wird ein Kontaktloch in dem Polyimidharzfilm gebildet. Nach der Entfernung der Maske wird eine zweite Metallisierungsschicht auf dem Polyimidharzfilm gebildet, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats hervorragt. Daher wird an einer Schnittstelle zwischen der ersten und zweiten Metallisierungsschicht durch den Polyimidharzfilm im wesentlichen kein gestufter Bereich gebildet, so daß nach diesem Verfahren eine vielschichtige Metallisierungsstruktur gebildet werden kann, die eine im wesentlichen flache Oberfläche hat.

Da jedoch nach dem obengenannten Verfahren Polyimidharz als Isolationsschicht in dem Halbleiterprodukt übrig bleibt, besteht hierin eine gewisse Problematik. Als erstes ist das Polyimidharz hygroskopisch, so daß ein Halbleiterbauelement, welches in einem kompakten Plastikgehäuse eingekapselt ist, gegenüber Feuchtigkeit eine geringere Resistenz aufweist. Zweitens tendiert das Polyimidharz dazu, durch eine an das Halbleiterbauelement angelegte Steuer- oder Vorspannung polarisiert zu werden. Als Ergebnis davon neigen die elektrischen Charakteristika des Halbleiterbauelementes dazu, sich zu ändern, wodurch die Betriebssicherheit verringert wird.

Aus der DE-OS 28 32 740 ist ein Verfahren bekannt, die Unebenheiten einer Isolatoroberfläche durch Aufbringen und Verteilen einer Schicht eines polymerisierten Materials mit gutem Fließvermögen auszugleichen, die Schicht durch Erhitzen zu härten und schließlich die gehärtete Schicht unter Beibehaltung einer annähernd ebenen Oberfläche bis auf die Reste des Materials, die die Unebenheiten in der Isolatoroberfläche ausfüllen, wieder abzutragen.

Aus der DE-OS 21 64 838 ist es bekannt, eine Isolierschicht durch nichtreaktives Ionenätzen unter gleichzeitiger Einebnung der Oberfläche abzutragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine Alternative zu herkömmlichen Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens darstellt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüchen.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1A bis 1F Schnitte durch eine Halbleiteranordnung zur Darstellung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2A bis 2E Schnitte durch eine Halbleiteranordnung zur weiter ins Einzelne gehenden Darstellung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gemäß Fig. 1A wird eine erste Isolierschicht 12 auf einem Halbleitersubstrat 11 gebildet, welches vorbestimmte Halbleiterbereiche (nicht dargestellt) aufweist. Die Isolierschicht 12 weist nicht dargestellte Kontaktlöcher oder Ausnehmungen auf, durch welche die Halbleiterbereiche freigelegt werden. Eine zweite Isolierschicht 13 wird auf der ersten Isolierschicht 12 gebildet. Nuten oder Rinnen 14a und 14b, die die gleiche Struktur aufweisen wie das vorraussichtliche Verbindungsleitungsmuster, werden in der zweiten Isolierschicht 13 gebildet. Die Rinnen 14a und 14b haben die erste Isolierschicht 12 als Bodenbereich. Die Rinnen 14a und 14b werden so ausgewählt, daß sie mit dem Bodenbereich der Kontaktausnehmung der ersten Isolationsschicht ausgerichtet sind.

Eine durchgehende metallische Materialschicht 15 wird durch Vakuumverdampfen oder -zerstäuben bzw. -sprühen auf der gesamten Oberfläche der Struktur gemäß Fig. 1A gleichmäßig gebildet, wie dies in Fig. 1B dargestellt ist. Die metallische Materialschicht 15 wird auf der zweiten Isolierschicht 13 gebildet und in die Rinnen 14a und 14b gefüllt. Die metallische Materialschicht 15 weist Rinnen 16a und 16b auf, die jeweils den Rinnen 14a und 14b entsprechen.

Ein organisches polymeres Material mit gutem Fließvermögen wird auf die metallische Materialschicht 15 gebracht, um eine Schicht 17 zu bilden. In diesem Fall wird das polymere Material aufgrund seines Fließvermögens in die Rinnen 16a und 16b gefüllt. Bereiche der Schicht 17, welche den Rinnen 16a und 16b entsprechen, sind dicker als der verbleibende Bereich. Die Oberfläche der Schicht 17 wird im wesentlichen flach.

Die polymere Materialschicht 17 und die metallische Materialschicht 15 werden durch Plasmaionenätzung in Richtung der Dicke geätzt. Wenn die polymere Materialschicht 17 geätzt wird, bis ein Bereich der metallischen Materialschicht 15 freigelegt wird, welcher auf der zweiten Isolierschicht 13 gebildet ist, verbleiben Bereiche 17a und 17b der polymeren Materialschicht 17 in den Rinnen 16a und 16b der metallischen Materialschicht 15 jeweils zurück, wie dies in Fig. 1D gezeigt ist. Beim anschließenden Voranschreiten des Ätzvorganges werden die metallische Materialschicht 15 sowie die verbleibenden Bereiche 17a und 17b der polymeren Materialschicht 17 so lange entfernt, bis die zweite Isolierschicht freigelegt ist. Als ein Ergebnis bleiben die Bereiche 15a und 15b der metallischen Materialschicht 15 nur in den Rinnen 14a und 14b der zweiten Isolierschicht 13 jeweils zurück, wie dies in Fig. 1E zu sehen ist. Wenn nun ein Polymer, das eine Ätz­ geschwindigkeit aufweist, die geringer als die des metallischen Materials ist, verbleiben Bereiche (17a′ und 17b′) der polymeren Schicht 17 von geringer Dicke auf den Bereichen 15a und 15b zurück. Um diese Bereiche zu entfernen, wird ein Ionenätzen angewendet.

Wie in Fig. 1F gezeigt, erhält man Metallisierungsschichten 15a′ und 15b′, die das verbleibende metallische Material umfassen und die durch die zweite Isolierschicht 13 umgeben sind. Die Ebene der Oberfläche der Schichten 15a′ und 15b′ ist im wesentlichen die gleiche wie die der zweiten Isolierschicht 13, welche die Schichten 15a′ und 15b′ umgibt. Auf diese Weise kann eine Metallisierungsstruktur zur Erzielung einer im wesentlichen ebenen Oberfläche gebildet werden, wobei die Metallisierungsstruktur die Schichten 15a′ und 15b′ sowie die zweite Isolierschicht 13 umfaßt.

Die Schichten 15a′ und 15b′, die die Metallisierungsschichten bilden, haben dasselbe Oberflächenniveau wie die zweite Isolierschicht 13. Wenn zusätzlich weitere Isolierschichten unter weiter aufzubringenden Metallisierungsschichten gebildet werden, kann eine vielschichtige Metallisierungsstruktur erzielt werden.

Die erste Isolierschicht 12 kann einen Siliziumoxidfilm oder eine zweischichtige Struktur umfassen, die aus einem Siliziumoxidfilm und einem Silizium-Nitridfilm gebildet ist. Die zweite Isolierschicht kann einen Siliziumoxidfilm oder ähnlichen Film aufweisen. In stärker bevorzugter Weise umfaßt die zweite Isolierschicht ein Material, wie z. B. Phosphorsilikat-Glas, welches die Spannung in dem Halbleiterbauteil reduziert.

Das metallische Material ist nicht auf ein bestimmtes Material beschränkt; es kann irgendein beliebiges Material sein, das für eine Verbindungs- oder Leitungsschicht eines Halbleiterbauelementes verwendet wird. Als Beispiele für das metallische Material sind Aluminium oder Aluminiumlegierungen (z. B. Al-Si-Legierung), Edelmetalle wie z. B. Gold und Platin und Metalle wie Wolfram, Molybdän, Titan, Nickel und ähnliche anzusehen. Das metallische Material wird vorzugsweise aus der Gruppe Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie aus den Edelmetallen, wie z. B. Platin und Gold, ausgewählt. Die Metallisierungsschicht kann eine Laminat-Struktur von diesen metallischen Materialien aufweisen.

Das organische polymere Material umfaßt vorzugsweise ein Polyimidharz und ein Fotolackmaterial. Da das polymere Material zur Bildung der Schicht 17 verwendet wird, welches in die Rinnen 16a und 16b der metallischen Materialschicht 15 gefüllt wird und welches eine im wesentlichen flache Oberfläche aufweist, muß das organische polymere Material eine geeignete Fließfähigkeit aufweisen, wenn es aufgebracht wird. Eine geeignete Fließfähigkeit kann durch Auflösen des polymeren Materials in einer Lösung erhalten werden. Das polymere Material wird vorzugsweise durch Schleuderbeschichtung aufgebracht. Nach dem Aufbringen des Polymermaterials wird es durch Erhitzen oder ähnliche Behandlung gehärtet.

Die organische polymere Materialschicht 17 und die metallische Materialschicht 15 werden durch nichtreaktive Ionen, wie z. B. solche von Argon, Xenon, Neon oder Stickstoff geätzt. Dieses nichtreaktive Ionenätzen entfernt das organische Material und das metallische Material mit im wesentlichen ähnlicher Geschwindigkeit.

Die vorliegende Erfindung wird detaillierter anhand der Fig. 2A bis 2E beschrieben.

Wie in Fig. 2A gezeigt, werden ein Siliziumoxidfilm 25 mit einer Dicke von 0,1µm und ein Silizium-Nitridfilm 26 mit einer Dicke von 0,5µm nacheinander auf einem Siliziumsubstrat 21 gebildet. Eine p⁺-Typ-Region 22, eine n⁺-Typ-Region 23, die in der p⁺-Typ-Region 22 gebildet ist, und eine n⁺-Typ-Region 24, die außerhalb der p⁺-Typ-Region 22 gebildet ist, werden in der Oberflächenschicht des Siliziumsubstrats 21 in einer koplanaren Weise gebildet. Bereiche des Silizium-Nitridfilms 26, die den Bereichen 22, 23 und 24 entsprechen, werden zur Bildung von Öffnungen 27a, 27b und 27c geätzt, wonach sie teilweise den Siliziumoxidfilm 25 freilegen.

Eine Phosphorsilikatglas-(PSG)-Schicht 28 wird durch chemische Aufdampfung auf der Struktur nach Fig. 2A bei einer Temperatur von z. B. 500°C bis zu einer Dicke von z. B. 1µm abgelagert. Bereiche der PSG-Schicht 28, die die den Öffnungen 27a, 27b und 27c entsprechenden Bereiche umfassen, werden selektiv in Übereinstimmung mit dem zu bildenden Metallisierungsschichtmuster entfernt. Als Ergebnis werden in der PSG-Schicht 28 Rinnen 29a, 29b und 29c gebildet. Die Öffnungen 27a, 27b und 27c des Silizium-Nitridfilms 26 werden am Boden der Rinne 29a, 29b und 29c jeweils freigelegt. Der Siliziumoxidfilm 25 wird durch die Öffnungen 27a, 27b und 27c selektiv entfernt, wobei der freigelegte Bereich des Silikon-Nitridfilms 26 als eine Maske benutzt wird. Als Ergebnis werden Kontaktlöcher 30a, 30b und 30c, welche die Halbleiterregionen 22, 23 und 24 teilweise freilegen, in der Isolierschicht gebildet, die aus dem Siliziumoxidfilm und Silizium-Nitridfilm (Fig. 2B) besteht.

Darauffolgend wird eine Aluminium-1%-Siliziumlegierung durch Sprühen bzw. Zerstäuben aufgebracht, um auf diese Weise die gesamte Oberfläche der Struktur gemäß Fig. 2B bis zu einer Dicke von z: B. 1,0µm zu bedecken, wobei hierbei eine metallische Materialschicht 31 gebildet wird. Danach wird eine positiv arbeitende Fotolackschicht 33 auf der metallischen Materialschicht 31 (Fig. 2C) gebildet. Die Schicht 31 weist Rinnen 32a, 32b und 32c auf, die jeweils den Rinnen 29a, 29b und 29c der PSG-Schicht 28 entsprechen.

Da das Fotolackmaterial Fließfähigkeit zeigt, wird es in die Rinnen der metallischen Materialschicht 31 gefüllt. Somit sind die Bereiche des Fotolackfilmes, der den Rinnen entspricht, dicker als der verbleibende Bereich, der der PSG-Schicht 28 entspricht. Wenn z. B. ein Fotomaterial, welches eine Viskosität von 15 Zentipoise aufweist, durch Schleuderbeschichtung bei einer Geschwindigkeit von 5000 U/min aufgebracht wird, weist der Fotolackfilmbereich, der einem hervorragenden Bereich 31a der metallischen Materialschicht 31 entspricht, eine Dicke von ungefähr 0,7µm auf. Der Bereich 31b, der den Rinnen 29a, 29b und 29c entspricht, von denen jede eine Tiefe von 1µm aufweist, hat eine Dicke von ungefähr 1,3µm.

Die in Fig. 2C gezeigte Struktur ist in einer Vakuumkammer angeordnet. Das Ätzen wird mit Argon-Ionen ausgeführt. Die Fotolackschicht 33 und die metallische Materialschicht 31 werden mit einer Ätzgeschwindigkeit von ungefähr 35 nm/min und von ungefähr 60 nm/min jeweils geätzt, und zwar durch Verwendung eines Ionenbündels oder Strahls, welcher eine Stromdichte von ungefähr 1 mA/cm² bei einer Beschleunigungsspannung von 600 V aufweist. In diesem Fall braucht man ungefähr 40 Minuten, um den hervorstehenden Bereich 31a auf der PSG-Schicht 28 vollständig zu entfernen und um den Fotolackfilm auf einem verbleibenden metallischen Materialschichtbereich 31a fast zu entfernen. Der Fotolack, der auf dem vorstehenden Bereich 31a dünnschichtig zurückbleibt, kann bekanntlich auch durch ein Sauerstoffplasma entfernt werden. Als Ergebnis werden jeweils die Metallisierungsschichten aus den Schichtteilen 31c, 31d und 31e, die im wesentlichen das gleiche Oberflächenniveau wie das der PSG-Schicht aufweisen, gebildet. Die Seitenoberflächen der Schichten 31c, 31d und 31e werden von der PSG-Schicht 28 umgeben (Fig. 2D). Die Metallisierungsschichten berühren die Halbleiterregionen 22, 23 und 24 durch die Kontaktlöcher 30a, 30b und 30c, die in der Isolierschicht 25, 26 gebildet sind.

Eine Isolierzwischenschicht 35, die einen Siliziumoxidfilm und/oder einen Silizium-Nitridfilm, eine PSG-Schicht (zur Bildung eines Zwischenstückes unter den Metallisierungsschichten) aufweist, und eine metallische Materialschicht werden in ähnlicher Weise auf der in Fig. 2D gezeigten Struktur gebildet. Die resultierende Struktur wird in ähnlicher Weise ionen-geätzt, um Metallisierungsschichten 37a und 37b zu bilden, die die Metallisierungsschichten 31c und 31d jeweils durch die Kontaktlöcher 36a und 36b berühren, die in der Isolierschicht 35 (Fig. 2E) vorhanden sind. Die Metallisierungsschichten 37a und 37b werden an ihren Seiten von der PSG-Schicht 34 berührt oder umgeben. Die zweiten Metallisierungsschichten 37a und 37b sind so ausgebildet, daß sie die ersten Metallisierungsschichten 31c, 31d und 31e über die dazwischen befindliche Isolierschicht 35 kreuzen bzw. überqueren.

Gemäß der zuvor beschriebenen Erfindung ist die Metallisierungsschicht von der Isolierschicht so umgeben, daß die Metallisierungsschicht auf gleichem Niveau mit der Isolierschicht liegt, wobei hierbei eine Metallisierungsstruktur geschaffen wird, die eine im wesentlichen flache Oberfläche aufweist. Sogar wenn die zweite Metallisierungsschicht, die dritte Metallisierungsschicht usw. in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben gebildet werden, kann eine vielschichtige Metallisierungsstruktur ohne Bruch in der Metallisierungsschicht geschaffen werden. Zusätzlich zu diesem Vorteil ist zu erwähnen, daß kein polymeres Material in der Metallisierungsstruktur vorhanden ist, so daß hygroskopisch bedingte Fehler und eine Verschlechterung der elektrischen Charakteristika des Halbleiterbausteines nicht auftreten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einer Metallisierungsstruktur, deren Teile in Öffnungen einer Isolierschicht angeordnet sind, wobei die Dicke der Metallisierungsstruktur und die Dicke der Isolierschicht im wesentlichen gleich sind, so daß eine annähernd ebene Oberfläche vorhanden ist, bei welchem zuerst die Öffnungen in der Isolierschicht ausgebildet werden, dann eine Metallschicht ganzflächig niedergeschlagen wird und schließlich die oberhalb der Isolierschicht liegenden Teile der Metallschicht unter Zuhilfenahme einer Hilfsschicht aus einem polymeren bzw. polymerisierbaren Material entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (15; 31) ganzflächig auf der freiliegenden Oberfläche der Isolierschicht (13; 28) und in den Öffnungen niedergeschlagen wird, daß eine Schicht (17; 33) aus einem polymerisierbaren oder aus einem polymeren, in einem Lösungsmittel gelösten Material mit gutem Fließvermögen auf der freiliegenden Oberfläche aufgebracht und verteilt wird, so daß insgesamt eine ebene Oberfläche erhalten wird, und daß danach die Schicht (17; 33) aus dem polymerisierbaren oder aus dem polymeren, in einem Lösungsmittel gelösten Material durch Erhitzen oder eine entsprechende Behandlung gehärtet wird und schließlich die Schicht aus dem derart gehärteten Material sowie die auf der Isolierschicht (13; 28) befindlichen Teile der Metallschicht (15; 31) durch nichtreaktives Ionenätzen unter Beibehaltung einer annähernd ebenen Oberfläche abgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Isolierschicht (13; 28) eine weitere Isolierschicht (12; 25, 26) angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der weiteren Isolierschicht (12; 25, 26) weitere Öffnungen ausgebildet werden, die mit den Öffnungen in der Isolierschicht in Verbindung stehen, und daß in der Halbleiteranordnung Halbleiterzonen (22, 23, 24) vorgesehen werden, die durch die weiteren Öffnungen in der weiteren Isolierschicht (12; 25, 26) zugänglich sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Isolierschicht (12; 25) aus Siliziumoxid hergestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Isolierschicht aus einer Schicht (25) aus Siliziumoxid und einer Schicht (26) aus Siliziumnitrid hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Metallschicht abgedeckte Isolierschicht (13; 28) aus Phosphorsilikatglas hergestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (15; 31) aus einem Material aus der Gruppe bestehend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Platin, Gold, Wolfram, Molybdän, Titan und Nickel hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die polymere Materialschicht (17; 33) aus einem Material aus der Gruppe der Polyimide und Fotolacke hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die polymere Materialschicht (17; 33) durch Schleuderbeschichtung gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum nichtreaktiven Ionenätzen Ionen aus der Gruppe der Argon-, Xenon-, Neon- und Stickstoff-Ionen verwendet werden.