DE3603341A1 - Verfahren zum aetzen eines aus einer aluminium-kupfer-legierung bestehenden films auf einem halbleiterwafer - Google Patents
Verfahren zum aetzen eines aus einer aluminium-kupfer-legierung bestehenden films auf einem halbleiterwaferInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung integrierter Schaltungen und anderer Festkörper-Halbleiteranordnungen
mit Metallfilmen als Verbindungsschichten und insbesondere befaßt sich die Erfindung
mit einem verbesserten Verfahren zum Ätzen dieser Metallfilme.
Gewöhnlich werden integrierte Schaltungen (IC's)
auf Silicium oder Saphirsubstraten hergestellt, die im typischen Fall eine Kreisform besitzen und als
"Wafer" oder "Chips" bezeichnet werden. Jedes IC-Herstellungsverfahren
umfaßt (1.) eine Metallisierungsstufe, in der wenigstens ein Film aus leitendem Metall, beispielsweise
Aluminium oder aus einer Aluminium-Legierung als diskrete Schicht auf dem Substrat abgelagert
wird, und (2.) einen Ätzschritt, bei dem ein Muster oder mehrere Muster in der diskreten Metallschicht
gemäß einem vorbestimmten Bild erzeugt werden. Jeder geätzte Metallfilm dient als Verbindungsschicht für
einige oder alle Elemente auf dem Substrat. Die Metallschichten werden unter Benutzung eines lichtempfindlichen
Abdecklacks belichtet, der so behandelt wird, daß er als Ätzmaske dient. Ein anderes Maskierungsverfahren,
welches zum Ätzen von Aluminium- und Aluminium-Legierungsfilmen benutzt wird, ist in der
US-PS 43 14 874 beschrieben. Hier werden gewählte Bereiche des Aluminium- oder Alurninium-Legierungsf i Ims
durch einen Sauerstoff-Ionenstrahl bestrahlt, um Bereiche zu schaffen, in denen Sauerstoff ionen eingepflanzt
sind. Die eingepflanzten Bereiche dienen als Maske, wodurch nichtimplantierte Bereiche des Aluminiumfilms
dadurch geätzt werden, daß der Aluminiumfilm einem
Plasma-Ätzverfahren in einer Kohlenstoff-Tetrachlorid-Gasatmosphäre
unterworfen wird, oder in einer Atmosphäre, die andere Ätzgase, beispielsweise Brombichlorid
(BrCl2) oder Trichlorathylen (C2HCl3) enthält.
Metallfilmschichten können entweder mittels feuchter oder trockener Ätzmittel geätzt werden,
beispielsweise dadurch, daß die freiliegenden Abschnitte
des Films mit einer flüssigen Ätzlösung überzogen werden, oder durch reaktives Ionenätzen oder
durch Plasmaätzen.
In den vergangenen Jahren haben in der IC-Produktionstechnik Plasmaätzverfahren und reaktive Ionenätzverfahren
rapide die Naßätzverfahren verdrängt. Es sind verschiedene Arten von Plasma- und Reaktionsionenätzsystemen
zur Benutzung bei der IC-Herstellung bekannt, und beispielsweise in den folgenden US-PS beschrieben:
4,255,230; 4,261,762; 4,353,777; 4,357,195; 4,376,672;
4,405,406; und 4,422,897.
Das Ätzen von Aluminium und seinen Legierungen ist ebenso wie das Ätzen von Silicium noch nicht restlos
erforscht. Es ist bekannt, daß Plasma- und reaktives Ionenätzen von Aluminium mit verschiedenen gasförmigen
Materialien einschließlich Cl2, Br2, HCl, HBr, CCl4
und BCl3 durchgeführt werden kann. Jedoch können
Aluminiumfilme nicht mti Gasen auf Fluorbasis geätzt werden, weil Aluminium-Fluorgas (das Ätzreaktionsprodukt)
einen relativ niedrigen Dampfdruck besitzt, der seine Entfernung aus dem Plasma und dem reaktiven Ionenätzverfahren
erschwert.
Wo Gase auf Chlorbasis für reaktive Ionenätzung oder Plasmaätzung von Aluminium benutzt werden,
wird gasförmiges Aluminiumchlorid (AlCIg) erzeugt, und dies ist ein flüchtiges Ätzreaktionsprodukt.
Aluminiumchloridgas hat einen relativ hohen Dampfdruck, der die Entfernung aus den Ätzsystemen erleichtert.
Infolgedessen werden meist Gase auf Chlorbasis zum Plasmaätzen und zum reaktiven Ionenätzen
von Aluminium benutzt. Die am häufigsten angewandte Plasmaätztechnik zum Ätzen von Aluminiumfilmen auf
Si 1icium-IC-Einrichtungen benutzt eine Mischung von
CCK und Clp-Gasen gewöhnlich in Gegenwart eines inerten Gases, beispielsweise Argon oder Helium.
Der Stand der Technik scheint daraufhinzuweisen, daß
ein beträchtliches Ionenbombardement erforderlich ist,
um ein Plasmaätzen von Aluminium und Aluminium-Kupferlegierungen
durchzuführen. Es wird angenommen, daß das kräftige Ionenbombardement dazu dient, die Aluminium-Chlorreaktion
zu aktivieren oder den Oxydüberzug auf der Aluminiumoberfläche zu entfernen. In jedem Fall
sind Aluminium und Aluminium-Si1icium leichter zu
ätzen als Aluminiumlegierungen, die Kupfer enthalten, obgleich Legierungen von Aluminium und Kupfer durch
Plasmaätzen behandelt worden sind, wobei CCl, und CIp
benutzt wurden .
Bei der Plasmaätzung von Aluminium-Kupferlegierungen ist eines der Ätzreaktionsprodukte Kupferchlorid (CuCl
und/oder CuCIg). Da Kupferchloride nur wenig flüchtig
sind, besteht die Praxis die Wafer auf etwa 2000C zu
erwärmen, während die Ätzung von kupferhaltigen Aluminiumlegierungen erfolgt. Das Ätzen von Aluminium-Kupferlegierungen
ist aber auch ohne freiwillige Erhitzung der Wafer durchgeführt worden. Es ist auch
schon vorgeschlagen worden, daß das Ätzen von Aluminium-Kupfer-Legierungen
durch eine Nachbehandlung verbessert werden kann, um Kupferreste zu entfernen. Es wurde vorgeschlagen, daß die Reste auf Wafers, die
mit Aluminium-Kupfer-Si1icium metallisiert sind, durch
Waschen in Salpetersäure, einem Benetzungsmittel und deionisiertem Wasser entfernt wird. Ein weiterer Vorschlag
läuft darauf hinaus, daß ein Kohlenstoff-Tetrachlorid-Heliumplasmaätzverfahren
mit nachfolgender Sauerstoff-Plasmareinigung an Ort durchgeführt wird.
Gegenwärtig besteht der Trend in der Halbleiterindustrie darin, Einzelwafer-Ätzmaschinen mit Kassette zur Ätzung
von Filmen aus Aluminium oder Aluminium-Legierungen auf Si 1iciumwafern zu ätzen. Einzelwafer-Ätzmaschinen sind
Plasma-Ätzmaschinen, bei denen jeweils ein einziger Wafer dem Plasma-Ätzverfahren in einer Vakuumkammer
ausgesetzt wird, wobei die Einzelwafer-Maschinen Mittel
aufweist, um automatisch (a) jeweils einen Wafer von einer Vorratskassette der Vakuumkammer zuzuführen und
(b) die Wafer jeweils einzeln aus der Vakuumkammer zu entfernen und sie nach einer Abgabekassette zu transportieren.
Einzel-Wafer-Plasma-Ätzmaschinen besitzen
zwei einander gegenüberliegende vertikal beabstandete Elektroden in der Vakuumkammer, die an eine Hochfrequenzquelle
angeschlossen sind. Die untere Elektrode liegt
an Masse, und die Maschine umfaßt im typischen Fall Mittel, um den Wafer an der geerdeten Elektrode festzuklemmen,
während der Wafer dem Ätzvorgang unterworfen wird.
Einzelwafer-Maschinen ergeben den Vorteil, daß die gesamte Ätzoperation automatisiert und durchgeführt
wird, ohne daß eine Bedienungsperson daran Teil hat. Weil die Aluminium-Kupferlegierungen jedoch schwieriger
zu ätzen sind als Aluminiumfilme ist es bisher tatsächlich unmöglich gewesen, in zufriedenstellender Weise
Aluminium-Kupfer-Legierungsfilme bei automatisch gesteuerten
Einzelwafer-Plasmaätzmaschinen so zu ätzen, daß die Produktionsrate vergleichbar wird mit jener
Rate, mit der Wafer geätzt werden können, die Aluminiumfilme enthalten. Stattdessen hat die Industrie eine
Ätzbadtechnik entwickelt, bei der jeweils 5 bis 30 Wafer geätzt werden.
fj Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Ätzverfahren für Aluminium-Kupfer-Legierungsfilme zu schaffen, wobei die Plasma-Ätztechnik
Anwendung findet.
Ferner soll ein Verfahren zum Ätzen von Filmen aus Aluminium-Kupfer-Legierungen auf Halbleiter-Wafern
geschaffen werden, welches schneller durchgeführt werden kann als herkömmliche Plasma-Ätztechniken.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, daß das Plasma-Ätzen von Aluminium-Kupfer-Legierungen bei
relativ hohem Druck und relativ niedriger Temperatur
in der Ätzkammer durchgeführt wird. Der Ätzvorgang wird mit einer Leistungsdichte durchgeführt, die
beträchtlich höher ist als dies bisher beim Plasmaätzen von Aluminium-Kupfer-Legierungen üblich war.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung zeigen die Figuren 1A bis 1F schematisch eine herkömmliche Aluminium-Ätzfolge.
Die vorliegende Erfindung ist dazu bestimmt, eine Ätzung von Aluminium-Kupfer-Legierungen bei verschiedenen
Halbleiterfabrikationsprozessen zu ermöglichen. Die Figuren 1A bis 1F veranschaulichen die verschiedenen
Schritte einer typischen Aluminium-Metal1isierungs- und
Ätzfolge, die in der Halbleiterindustrie benutzt wird und verbessert werden kann, indem eine Ätzung mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wird.
Gemäß Fig. 1A besitzt ein Si 1icium-Substrat oder ein
Chip 2 Abschnitte auf einer Oberfläche, die mit Inseln 4 aus Si 1icium-Dioxid (SiO2) überzogen sind,
und diese SiO2-InSeIn 4 sind ihrerseits mit einem
Glas 6 überzogen. In Fig. 1B ist eine Schicht 8 aus Aluminium über dem Glas und den freien Si 1icium-Oberflächen
abgelagert.
Gemäß Fig. 1C ist ein lichtempfindlicher Abdecklack
über den Aluminium-Schichten abgelagert. Gemäß Fig. 1D ist der lichtempfindliche Abdecklack belichtet und
entwickelt, und infolgedessen sind gewisse Teile des Abdecklacks entfernt und andere Abschnitte 10A des
Abdecklacks verbleiben.
In Fig. 1E sind die freiliegenden Oberflächenabschnitte
des Aluminiums weggeätzt. In Fig. 1F ist der lichtempfindliche Abdecklack entfernt, mit dem
Erfolg daß Abschnitte der Glasschicht 6 und der Aluminiumschicht 8 freiliegen.
Wenn Aluminium-Kupfer-Legierungen durch Plasmaätzen behandelt werden, wobei chlorhaltige Gase benutzt
werden, wie oben beschrieben, dann sind die normalen Reaktionsprodukte CuCl und CuCl2- Diese beiden Reaktions
produkte haben einen sehr niedrigen Dampfdruck, was es schwierig macht sie aus der Reaktionskammer zu
entfernen. Das Problem der Abführung dieser Reaktionsprodukte wurde erschwert durch die Benutzung von niedrigem
Druck und höherer Temperatur in der Ätzkammer. Ein typisches Ätzverfahren von Aluminium-Kupfer-Legierungen,
bei denen Kohlenstoff-Tetrachloride und Chlorgas benutzt wurde, hat man bei einer Temperatur zwischen
70 und 1000C und einem Druck zwischen 0,0013 mbar und
0,026 mbar (1 bis 20 Millitorr) durchgeführt. Jedoch
findet selbst unter solchen Bedingungen das Ätzen von Aluminium-Kupfer-Legierungen nur relativ langsam statt.
Wie oben erwähnt, bevorzugt jedoch die Industrie den Ätzvorgang partieweise durchzuführen und nicht automatisierte
Einzelwafer-Plasmaätzmaschinen zu benutzen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das
Ätzen von Aluminium-Kupfer-Legier-Filmen unter
Benutzung von Chlor enthaltenden Gasen mit einer größeren Geschwindigkeit durchgeführt werden kann,
indem (a) der Druck in der Vakuumkammer auf einen Pegel von weit über 0,026 mbar erhöht wird, und
indem (b) die Temperatur auf einen Wert weit unter 700C abgesenkt wird.
Insbesondere hat sich gezeigt, daß verbesserte Ätzraten erlangt werden können, wenn Aluminium-Kupfer-Legierungs-Filme
geätzt werden, unter Benutzung einer Mischung von Kohlenstoff-Tetrachlorid und Chlorgas,
wobei der Druck innerhalb der Vakuumkammer zwischen etwa 0,4 mbar und 2 mbar (zwischen 300 und 1500 Mi11itorr)
, vorzugsweise zwischen 0,66 mbar und 1,2 mbar (zwischen 500 und ungefähr 900 Millitorr), wobei die
Temperatur in der Vakuumkammer (d.h. an der Oberfläche des Metallfilms auf dem Substrat) auf einer Temperatur
zwischen -300C und +150C gehalten wird, und zwar vorzugsweise
zwischen etwa -5°C und ungefähr +100C. Die vorstehenden Bedingungen sind geeignet zum Ätzen von
Aluminium-Kupfer-Legierungs-Filmen, die bis zu 4% Kupfer (Rest Aluminium) enthalten. Als weiterer Unterschied
zum Stand der Technik ist es zweckmäßig, daß das Ätzverfahren unter maximalen Leistungsdichten im
Bereich zwischen 1,5 bis 3,5 Watt pro cm2 durchgeführt wird. Jedoch können Leistungsdichten bis herab zu 1 W/cmz
benutzt werden, wenn die Produktionsgeschwindigkeit kein Kriterium darstellt. Bekannte Verfahren schlagen eine
maximale Leistungsdichte von 1 W/cm2 vor.
Die Zusammensetzung der Ätzgasmischung kann sich ändern. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von
CCl4 zu Cl2 im Bereich zwischen 3:1 und 10:1 (Volumenverhältnis)
und das Verhältnis jener Gase zu dem inerten Verdünnungsmittel (gewöhnlich Helium)
liegt in dem Bereich zwischen 1:1 und 5:1 (Volumenverhältnis). Bei einer typischen Einzel-Wafer-Ätzmaschine
mit Eingabe-und Ausgabekassette werden die aktiven Gase, d.h. die Mischung von CCL4 und CIp in
die Reaktionskammer mit Strömungsraten zwischen 10 und 50 Standard-cm3, vorzugsweise zwischen etwa 25
und 35 Standard cm3 eingeführt, und die Einströmung des inerten Verdünnungsgases, z.B. Helium, wird
zwischen etwa 50 und 500 Standard cm3 aufrecht erhalten.
Im folgenden wird ein spezielles Ausführungsbeispiel
beschrieben, welches ein bevorzugtes Verfahren zur Durchführung der Erfindung veranschaulicht. Bei diesem
Beispiel wird das Ätzverfahren in einer Einzel-Wafer-Ätzmaschine mit Eingabe- und Ausgabe-Kassette
Modell Balzers SWE 654 durchgeführt. Diese Maschine wird von der Firma Balzers AG, Liechtenstein und
Balzers Hudson, NH 03051 hergestellt und vertrieben.
Mehrere Si 1icium-Wafer, überzogen mit 1 um dicken Filmen
aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung, die etwa 4% Kupfer enthielt, wurden in einer Eingabe-Kassette in
der Eingabekammer einer Einzel-Wafer-Plasma-Ätzmaschine
der Bauart Balzers SWE 654 eingefügt und in einer Helium-Atmosphäre unter einem Druck von etwa 0,67 mbar
bis 2,0 mbar (0,5 bis etwa 1,5 Torr) gehalten.
Danach wurde jeder Wafer nacheinander aus der Beschickungskammer entfernt und nach der Reaktions-Vakuumkammer
überführt, wo der Wafer einem Plasma-Ätzverfahren unter den nachstehend beschriebenen
Bedingungen unterworfen wurde, wonach der Wafer aus der Reaktionskammer entfernt und nach der Ausgabe-Kassette
in der Ausgabekammer überführt wurde.
Bei der Einführung in die Reaktionskammer war jeder Wafer mit seiner unteren Elektrode festgeklemmt und
wurde auf diese Weise während des Ätzvorganges gehalten. Die Reaktionskammer wurde unter einem Druck
von etwa 1 mbar (750 Millitorr) gehalten während der
Ätzvorgang durchgeführt wurde. Zusätzlich strömte ein Wärmetauschermittel kontinuierlich über einen gewundenen
Kanal in der unteren Elektrode, so daß die untere Elektrode auf einer Temperatur von etwa +50C gehalten
wurde, so lange die Maschine in Betrieb war. Beim Absetzen des Wafers auf die untere Elektrode wurde eine
13,56 MHz Hochfrequenzquelle an die Elektroden angelegt
und erregt, so daß ein Hochfrequenzfeld zwischen den beiden Elektroden entstand. Gleichzeitig wurde
eine Mischung von Helium, CCl. und Cl2 der Reaktionskammer über die obere Elektrode mit einer Rate von
125 Standard cm3 für Helium, 25 Standard cm3 für CCl4
und 5 Standard cm3 für CIo zugeführt. Die beiden
Elektroden hatten einen Abstand zwischen 7 und 14 mm, und die Spannungsquelle lieferte eine Leistung von
etwa 100 bis 250 W. Diese Leistung führte zu einer Leistungsdichte von etwa 2,8 bis 3,0 W/cm2 des Wafer.
Die Spannungsquelle und die Gasströmung in der Reaktionskammer wurden nach etwa 120 Sekunden abgeschaltet,
wonach die Klemmung der unteren Elektrode aufgehoben wurde und der Wafer in die Ausgabekammer
überführt wurde, wo er von einer Abgabe-Kassette aufgenommen wurde. Die Spannungsquelle und
die Gasströmung wurden wieder eingeschaltet, nachdem der nächste Wafer in die Reaktionskammer eingeführt
und die untere Elektrode festgeklemmt war. Jeder Wafer wurde unter den gleichen Bedingungen gleich lange,
nämlich 120 Sekunden geätzt. Die Aufnahmekassette wurde in einer Heliumatmosphäre unter einem Druck von
etwa 0,67 bis 2,0 mbar (0,5 bis ungefähr 1,5 Torr) gehalten.
Die darauffolgende Überprüfung der Wafer in der
Abgabekammer zeigte, daß die Aluminium-Kupfer-Legierungsfilme auf den Wafern vollständig durchgeätzt
waren. Unter Benutzung der angegebenen Arbeitsbedingungen war es möglich, die Maschine so arbeiten zu
lassen, daß wenigstens 30 Wafers pro Stunde in befriedigender Weise geätzt wurden.
Eine Vielzahl experimenteller Durchläufe haben bestätigt,
daß das erfindungsgemäße Verfahren gleichgut arbeitet, wenn die Betriebsbedingungen innerhalb der
oben beschriebenen Grenzen geändert wurden und wenn die Zusammensetzung des Ätzgases innerhalb der angegebenen
Grenzen geändert wurde. Außerdem kann beispielsweise das Ätzgas nur wenig oder kein Cl2 enthalten, oder
es kann ein chromhaltiges Gas der oben beschriebenen
Art oder Äthylen-trichlorid (C2HCl3) enthalten.
Natürlich kann das Heliumgas, welches als Träger oder Verdünnungsmittel dient, weggelassen oder
durch ein anderes, nicht reaktives Gas, z.B. Argon ersetzt werden. Ein Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß das Plasmaätzen der Aluminium-Kupfer-Legierungsfilme
auf den Halbleitersubstraten sehr genau und unter Kontrolle mit einer größeren Geschwindigkeit
durchgeführt werden kann als dies bisher möglich war. Hierdurch wird die Möglichkeit
geschaffen, Computer gesteuerte Einzelwafer-Maschinen zu benutzen, wie dies von der Halbleiterindustrie
gefordert wird.
Es ist außerdem festzustellen, daß die Erfindung gleichgut arbeitet, wenn die Zusammensetzung der
Aluminium-Kupfer-Legierung geändert wird und der Anteil des Kupfers in der Legierung kann beträchtlich
kleiner als 4 Gew.-% der im vorstehenden Beispiel benutzten Legierung sein. So kann die Erfindung auch
benutzt werden, um Aluminium-Kupfer-Legierungen zu ätzen, die 2% Kupfer enthalten.
Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Ätzverfahren für Filme aus Aluminium-Kupfer-Legierungen
beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch anwendbar ist zum Ätzen von Aluminium
oder anderen Aluminium-Legierungen, beispielsweise Alumini um-Si 1 icium-Kupfer-Legierungen, Aluminium-Mangan-Legierungen
und dergleichen. In jedem Fall
kann die Erfindung bei der Herstellung einer Vielzahl von Halbleiter-Anordnungen benutzt
werden, die ein Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen eines Musters eines Aluminium-Legierung-Films
erfordern.
Claims (11)
1.) es wird der Halbleiterwafer in einer Plasma-Ätzkammer zwischen zwei Elektroden
angeordnet und
2.) es wird der Wafer innerhalb der Kammer einem Chlorgas enthaltenden Gasplasma
mit einem Druck zwischen 0,4 mbar und 2 mbar (300 und 1500 Millitorr) und
einer Temperatur zwischen -300C und +150C
während einer Zeitdauer ausgesetzt, die aus· reicht, den Film in einer gewünschten Tiefe
zu ätzen .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gasplasma durch Einspritzen einer Mischung von CCl4
und CIp in ein Feld elektrischer Energie erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium-Kupfer-Legierung
bis zu 4 Gew.-% Kupfer enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie Hochfrequenzenergie ist, die mit einer
Rate zwischen 1,5 und 3,5 Watt pro cm2 zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung ein inertes Trägergas enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas Helium ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Reaktionskammer auf etwa 0,66 bis 1,07 mbar
(500 bis 900 Millitorr) gehalten wird und daß die Temperatur in der Kammer zwischen -5°C und
+ 1O0C gehalten wird .
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß CCl4 und Chlorgas
der Reaktionskammer mit kombinierten Raten im
Bereich zwischen 10 bis 50 Standard-cm3 zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß CCK der Reaktionskammer mit einer Rate von etwa 25 Standard-cm3
zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß Cl2 der Reaktionskammer mit einer Rate von etwa 5 Standard-cm3
zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Helium der Reaktions kammer in Mischung mit CCl4 und Cl2 zugeführt
wird.
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