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Verfahren zur Herstellung einer eingeebneten, die zwei
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Metallisierungen trennenden anorganischen Isolationsschicht unter
Verwendung von Polyimid.
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Die Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer eingeebneten,
zwei Metallisierungen trennenden anorganischen Isolationsschicht vor dem Aufbringen
der, insbesondere als Leiterbahnebene bei integrierten Schaltungen vorgesehenen
zweiten Metallisierung unter Verwendung einer Polyimidschicht.
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Die zunehmende Packungsdichte bei hochintegrierten Halbleiterbausteinen
bringt, aufgrund der dadurch bedingten Verringerung der lateralen Strukturabmessungen
ohne entsprechende Abnahme der Schichtdicke und der Zunahme der Verdrahtungsebenen,
Probleme bei der Strukturierung und der Kantenbedeckung der Leiterbahnen mit sich.
Zur Behebung dieser Schwierigkeiten ist, besonders bei mehr als drei Verdrahtungsebenen,
eine möglichst weitgehende Einebnung der vorangehenden Leiterbahnebene (n) durch
die diese isolierende Schicht notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bzw.
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einen Schichtaufbau zu schaffen, mit dem eine nahezu ebene Oberfläche
nach der Herstellung der anorganischen Isolationsschicht erreicht wird.
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Aus dem J. Vac. Sci. Technol., Vol. 15, No. 3, (1978) ist auf den
Seiten 1105 - 1112 aus einem Aufsatz von C. Y.
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Ting et. al. bekannt, die isolierende Schicht durch Sputtern mit hoher
Bias-Spannung abzuscheiden, um dadurch eine gewisse Einebnung zu erhalten.
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Ein weiteres Verfahren zur Einebnung ist aus dem J.
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Electrochem. Soc. 128 #1981), Seiten 423 bis 429 aus einem Aufsatz
von Adams und Capio zu entnehmen, welches auf dem Ätzen einer mit Fotolack weitgehend
eingeebneten Isolationsschicht bei gleicher Ätzrate für den Lack und das Isolationsmaterial
beruht.
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In einem Aufsatz von Haszuki in den Proceed. des VLSI-Symposiums,
Tokio 1982, Abstr. 2-1, Seiten 18/19 wird vorgeschlagen, die Einebnung ausgehend
von einer Si02/SiN-Doppel schicht durch Ausnützung der Polymerbildung an den Flanken
der Gräben bei bestimmten Bedingungen beim reaktiven Ionenätzen zu erreichen.
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Aus Thjn Solid Films" 82 (1981) Seite 145 bis 163 ist aus einem Aufsatz
von Wilson bekannt, hochtemperaturbeständige Polymere, die durch "spin on'1-Verfahren
(Aufschleudern) aufgebracht werden, wie Polyimide, für die Einebnung einzusetzen.
Dabei unterscheidet man zwei Varianten: Bei der einen werden die Leiterbahnstrukturen
zum Beispiel mit einer Polyimidvorstufe durch Aufschleudern beschichtet, die anschließend
durch Tempern in Polyimid umgewandelt wird. Auf diese Weise werden eine gute Kantenbedeckung
und abgeflachte Flanken, aber nur eine unvollständige Einebnung der beschichteten
Strukturen erreicht.
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Bei der zweiten Variante werden die Leiterbahnen mit Polyimid eingeebnet,
welches anschließend soweit zurückgeätzt wird, bis die zu kontaktierenden Flächen
freigelegt sind. Danach wird sofort die nächste Metallisierungsebene aufgebracht.
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Dabei ergeben sich folgende Probleme: 1. Mit den für die Nehrlagenmetallisierung
gebräuchlichen
Dicken der Isolationsschicht (ca. 1 Mm = Dicke über
der Leiterbahn) werden zum Beispiel 2 Rm breite und 1 pm hohe Strukturen in 5 #m-Raster
nur zu ca. 50 % eingeebnet. (Dabei wird die Einebnung definiert als 1 minus das
Verhältnis des verbleibenden Niveauunterschiedes zum anfänglichen Unterschied mal
100). Für mehr als eine Metallisierungsebene ist diese Einebnung unzureichend. Darüber
hinaus ist der Einebnungsgrad stark von der Topologie der Leiterbahnebene abhängig.
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Die zweite Variante bietet zwar eine nahezu vollständige Einebnung,
setzt aber voraus, daß die zu kontaktierenden Flächen auf einer Höhenlinie liegen.
Dies hat andererseits zur Folge, daß alle auf dieser "Höhenlinie't liegenden Flächen
vor der nachfolgenden Metallisierung freigelegt werden.
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2. Die Fein-Strukturierung von Polyimid fordert wegen der geringen
Selektivtät zu Fotolack eine anorganische Ätzmaske. Hierfür bietet sich zum Beispiel
Siliziumnitrid an, welches durch CVD-Abscheidung aus dem Plasma hergestellt ist.
Wegen ihrer Wirkung als Feuchtigkeitsbarriere verbleibt die Maske sinnvollerweise
nach dem Ätzen auf der Polyimid-Schicht. Dies erfordert Ätzverfahren bzw.
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Maßnahmen, durch die ein Uberhang der Maske vermieden wird und erschwert
die Realisierung abgeflachter und/oder abgerundeter Ätzflanken.
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3. Die Herstellung überlappender Viaholes (Kontaktlöcher) ist mangels
Ätzstops schwierig.
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4. Polyimid muß möglichst hermetisch abgeschlossen sein, da die Möglichkeit
der Feuchteaufnahme zu einer Verschiebung der Kenndaten der Bausteine führen kann.
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5. Beim Tempern der Polyimid-Vorstufe und weiteren Prozeßschritten
ist nicht auszuschließen, daß es zu einer
unerwünschten Wechselwirkung
zwischen dem Polyimid und der (den) darunterliegenden Schicht(en) kommt. Aus diesem
Grund kann es erforderlich sein, vor der Polyimid-Beschichtung eine zusätzliche
Schicht aufzubringen. Die Strukturierung dieser Schicht bereitet jedoch Probleme,
da in der Regel die Selektivität der Ätzmaske gering und die Dicke vergleichbar
oder größer ist.
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6. Der Einsatz von Polyimid kann zu einer Veränderung der elektrischen
Kenndaten der Bausteine führen. Der Anteil von Polyimid an der Isolationsschicht
sollte daher möglichst gering sein.
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Die Erfindung umgeht all diese Schwierigkeiten und löst das Problem
der Einebnung durch folgende Verfahrensmerkmale: a) die Polyimidschicht wird auf
die zu isolierende und einzuebnende Oberfläche der ersten Metallisierung in solch
einer Schichtdicke aufgebracht, daß eine vollständig ebene Oberfläche entsteht,
b) die Polyimidschicht wird durch ein Trockenätzverfahren soweit ganzflächig wieder
abgetragen, bis die Oberfläche der ersten Metallisierung freigelegt ist, c) darauf
wird die aus anorganischem Material bestehende Isolationsschicht in einer der gewünschten
Isolation entsprechenden Schichtdicke abgeschieden, d) die anorganische Isolationsschicht
wird mittels Foto-und Trockenätztechnik strukturiert und e) die zweite Metallisierung
wird in bekannter Weise hergestellt.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung daß in Abänderung des
fahrens
nach Anspruch 1 beim Vorliegen einer in unterschiedlichen Höhen verlaufenden ersten
Metallisierung gemäß Verfahrensschritt b) die Polyimidschicht soweit abgeätzt wird,
bis die obersten Bereiche der Metallisierungsoberfläche freigelegt sind und daß
gemäß Verfahrensschritt d) zunächst die anorganische Isolationsschicht mittels Foto-
und Trockenätztechnik strukturiert wird und in einem zusätzlichen Ätzprozeß anschließend
die Polyimidschicht entsprechend strukturiert und abgeätzt wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
aus den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung eignet sich nicht nur für
die Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen in VLSI-Technik, sondern
ist überall da anwendbar, wo eine ebene Oberfläche erwünscht und die einebnende
Polymerschicht mit dem Gesamtprozeß verträglich ist, zum Beispiel bei der Mikromagnetik
zur Einebnung der Spule von Dünnschicht-Magnetköpfen.
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Anhand der Figuren 1 bis 10 sollen weitere Einzelheiten der Erfindung
an zwei Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden. Dabei zeigen die Figuren
1 bis 5 im Schnittbild die Prozeßfolge beim Vorliegen eines einfachen Ausgangsprofiles
und die Figuren 6 bis 10 die Prozeßfolge, wenn das Ausgangsprofil (gemäß Patentanspruch
2) in unterschiedlichen Höhen vorliegt.
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In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Ausführungsbeispiel 1: Figur 1 zeigt das Ausgangsprofil Dabei ist
mit 1 das die Bauelementstruktur enthaltende Substrat und mit 2 die erste Leiterbahnebene
(Metallisierungsstruktur) bezeichnet.
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Figur 2: Auf die zu isolierende und einzuebnende Leiterbahnebene 2
wird eine Polyimidschicht 3 in bekannter Weise aufgebracht. Die Dicke der Polyimidschicht
3 wird aber unabhängig von der vorgegebenen Dicke der Isolationsschicht 4 so gewählt,
daß die Strukturen 2 vollständig eingeebnet werden (zum Beispiel bei einer 2,0 Mm
breiten und 1,0 pm hohen Struktur mit einer ca. 2 Mm dicken Polyimidschicht).
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Figur 3: die Polyimidschicht 3 wird mit einem Ätzverfahren, zum Beispiel
durch Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen ganzflächig abgeätzt, bis die Oberfläche
der Leiterbahnen 2 freigelegt ist. Dieser Endpunkt wird mittels optischer Emissionspektroskopie
bestimmt.
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Figur 4: Die anorganische Isolationsschicht, deren Schichtdicke in
der Regel durch die geforderte Isolation zwischen den Leiterbahnebenen 2 und 5 festgelegt
ist, besteht vorzuzgsweise aus Schichten bzw. Schichtkombinationen von Siliziumnitrid
oder Siliziumoxid oder Siliziumoxid/Siliziumnitrid, das (die) durch Prozesse aufgebracht
wird (werden), die zu keiner Beeinträchtigung der Polyimid-Eigenschaften führt (führen),
zum Beispiel plasmaunterstütztes CVD (= chemical vapor deposition), Sputtern oder
Aufschleudern und anschließendes Tempern von spln on" SiO2-Glas. Mit diesen Maßnahmen
bzw. Prozeßschritten wird eine nahezu ebene Oberfläche der Isolationsschicht vor
der nachfolgenden Strukturierung und Metallisierung erreicht.
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Figur 5: Die anorganische Isolationsschicht 4 wird dann
mittels
Foto- und Trockenätztechnik strukturiert und die zweite Leiterbahnebene 5 in bekannter
Weise aufgebracht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich beliebig oft wiederholen
und kann vor jeder Metallisierungsebene zur Erzielung einer ebenen Oberfläche der
Isolationsschicht 4 eingesetzt werden.
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Ausführunqsbeispiel 2: Figur 6 zeigt das Aüsfgangsprofil vor der Polyimidbeschichtung.
Mit 1 ist das Substrat, mit 2 die erste Leiterbahnebene bezeichnet.
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Figur 7: In gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel 1 wird eine
Polyimidschicht 3 aufgebracht.
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Figur 8: Zum Unterschied zum Ausführungsbeispiel 1 wird die Polyimidschicht
3 soweit zurückgeätzt, bis die Oberfläche 2a der am weitesten oben liegenden Leiterbahnen
2 freigelegt ist.
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Figur 9: Die anorganische Isolationsschicht 4 wird analog wie beim
Ausführungsbeispiel 1 aufgebracht.
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Figur 10: Nach der Fototechnik erfolgt nun das Ätzen in zwei Teil
schritten. Zunächst wird die anorganische Schicht 4 und anschließend die im Vergleich
zum bekannten Polyimid-Prozeß weniger dicke Polyimidschicht 3 geätzt. Es ergibt
sich der in Figur 10 dargestellte Schichtaufbau.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber den bekannten Einebnungsverfahren
folgende Vorteile: 1. Es wird eine nahezu vollständige Einebnung der anorganischen
Isolationsschicht erreicht, und zwar weitgehend unabhängig von der Topologie der
Leiterbahnebene.
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2. Die Polyimidschicht wird entweder nicht strukturiert (Ausführungsbeispiel
1) oder ist, wenn sie strukturiert wird, dünner (Ausführungsbeispiel 2). Das isotrope/anisotrope
Ätzen der Viaholes zur Verbesserung der Kantenbedeckung durch Aluminium ist möglich.
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3. Beim anisotropen Ätzen der infrage kommenden anorganischen Dielektrika
ist der Abtrag der Polyimidschicht relativ gering.
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4. Es entstehen keine Kontaktlöcher im Polyimid (Ausfiihrungsbeispiel
1) oder die Grenzflächen des Polyimids in den Kontaktlöchern ist kleiner (Ausführungsbeispiel
2).
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5. Eine zusätzliche anorganische Schicht zwischen den Leiterbahnen
und Polyimid zur Vermeidung unerwünschter Wechselwirkungen beim Tempern der Polyimid-Vorstufe
und weiteren Prozeßschritten ist bei Abstimmung mit dem Ätzverhalten und der Dicke
der Isolationsschicht möglich. Gemäß Ausführungsbeispiel 2 erfolgt eventuell ein
relativ geringer Abtrag der Isolationsschicht, der aber nicht ins Gewicht fällt,
da die Isolationsschicht wesentlich dicker ist.
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6. Es verbleibt nur die zur Einebnung notwendige Polyimidschicht auf
dem Baustein. Die Isolation zur nachfolgenden Leiterbahnebene erfolgt durch ein
anorganisches Dielektrikum. Gemäß Ausführungsbeispiel 2 hängt der Anteil der Polyimidschicht
an der Isolationsschicht von der Topologie der Leiterbahnen ab.
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9 Patentansprüche 10 Figuren