DE3832660C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abätzen ei­ ner auf einem Substrat angebrachten elektrisch leitenden Schicht mittels einer Ätzlösung, in die das Substrat einge­ taucht ist.

Verfahren dieser Art werden allgemein als Naßätzverfahren bezeichnet, da der Ätzvorgang in einer flüssigen Ätzlösung durchgeführt wird. Solche Naßätzverfahren werden beispiels­ weise bei der Herstellung von Leiterplatten angewendet, die nach dem Ätzvorgang eine sogenannte gedruckte Schaltung mit Leiterbahnen aus Kupfer auf einem elektrisch nicht leitenden Substrat tragen. Außerdem finden solche Naßätzverfahren in sehr großem Umfang bei der Herstellung integrierter Halblei­ terschaltungen Anwendung, bei deren Produktionsablauf mehr­ mals nacheinander auf Halbleiterscheiben elektrisch leitende Schichten erzeugt werden, die dann nach einer Maskierung un­ ter Verwendung einer Ätzschutzschicht zur Bildung gewünsch­ ter Muster selektiv wieder abgeätzt werden. Durch das mehr­ fach wiederholte Aufbringen von Schichten und ihr selektives Abätzen, verbunden mit Diffusions- oder Implantationsschrit­ ten zur Erzeugung gewünschter Leitfähigkeitsverhältnisse in den jeweils verbleibenden Strukturen, entsteht schließlich die integrierte Schaltung mit der gewünschten Schaltungs­ funktion.

Bei der Durchführung des Naßätzverfahrens wird das Substrat mit der auf ihr angebrachten Schicht so lange in die Ätzlö­ sung getaucht, bis die abzuätzenden Bereiche vollständig entfernt sind. Die Zeitdauer der Einwirkung der Ätzlösung ist beim Naßätzverfahren jedoch ein kritischer Parameter. Einerseits darf die Zeitdauer nicht zu kurz sein, da sonst noch Reste der abzuätzenden leitenden Schicht auf dem Sub­ strat zurückbleiben. Andererseits ist auch die zu lang an­ dauernde Einwirkung der Ätzlösung unerwünscht, da dies zu einem Überätzen führt, also zu einem Abätzen von Bereichen, die unter den Ätzschutzmasken liegen und eigentlich nicht entfernt werden sollen.

Aus "JP-Abstr. 58-48 671 A" ist ein Verfahren bekannt, mit dessen Hilfe der Endzeitpunkt eines Ätzvorgangs bestimmt werden kann. Bei diesem Verfahren wird der zwischen der abzuätzenden leitenden Schicht auf einer Halbleiterscheibe und einer Gegenelektrode in der Ätzlösung fließende Strom gemessen und mit einem Bezugswert verglichen. Sobald der gemessene Strom kleiner als der Bezugswert ist, wird der Ätzvorgang als beendet betrachtet. Da bei diesem Verfahren der gemessene Strom stets mit einem fest eingestellten Bezugswert verglichen wird, ist es erforderlich, vor dem eigentlichen Ätzvorgang Testätzungen durchzuführen, damit der Bezugswert jeweils auf den für die gerade zu behandelnden Ätzobjekte richtigen Wert eingestellt werden kann. Der sich am Ende eines Ätzvorgangs einstellende Stromwert ist nämlich von Ätzobjekt zu Ätzobjekt verschieden und hängt von dem auf der Halbleiterscheibe vorgegebenen Ätzmuster ab. Das Durchführen von Testätzungen ist ein zeitraubender und damit kostenintensiver Vorgang.

Außerdem ist zur Festlegung des Endzeitpunkts der Einwirkung der Ätzlö­ sung bisher auch das Substrat während des Ätz­ vorgangs visuell beobachtet worden, und es ist aus der Ätz­ lösung herausgenommen worden, sobald festgestellt worden ist, daß die abzuätzenden Bereiche vollständig entfernt wor­ den sind. Um zu vermeiden, daß jedes Substrat während des Ätzvorgangs beobachtet werden muß, sind bei einem anderen Verfahren zum Bestimmen des Endzeitpunkts des Ätzvorgangs Testätzungen durchgeführt worden, anhand denen eine Ätzzeit­ dauer festgelegt worden ist, nach deren Ablauf dann die zu behandelnden Substrate aus der Ätzlösung herausgenommen wor­ den sind. Dieses Verfahren setzt jedoch ein genaues Einhal­ ten der jeweiligen Prozeßparameter (Konzentration der Ätzlö­ sung, Temperatur und dergleichen) voraus, da anderenfalls allein durch Einhalten einer genauen Ätzzeitdauer nicht das gewünschte Ätzergebnis erhalten wird. Bei Naßätzverfahren, die beim Herstellen integrierter Schaltungen angewendet wer­ den, wurden zur Bestimmung des Endzeitpunkts der Ätzung In­ frarot-Transmissionsmessungen an den zu ätzenden Halbleiter­ scheiben durchgeführt, aus denen sich ableiten ließ, wie weit die abzuätzende Schicht bereits entfernt worden ist. Auch durch Reflexionsmessungen konnte ermittelt werden, ob die abzuätzende Schicht bereits entfernt ist oder ob noch ein weiteres Ätzen durchgeführt werden muß. Das Infrarot- Transmissionsmeßverfahren setzt allerdings voraus, daß die Halbleiterscheibe für die Infrarotstrahlung durchlässig ist, es ist also dann nicht einsetzbar, wenn beispielsweise Mehr­ schichtmetallisierungen vorhanden sind. Auch die Reflexions­ messung ist nicht universell anwendbar, da je nach den gera­ de auf der Halbleiterscheibe angewendeten Masken andere Re­ flexionsverhältnisse vorliegen; dies erfordert jeweils eine spezielle Anpassung an den Maskentyp.

Die bisher angewendeten Verfahren zum Bestimmen des Endzeit­ punkts des Ätzvorgangs ließen keine Schlüsse über den Ge­ samtverlauf des Ätzvorgangs zu, so daß sich auch keine Aus­ sagen über die Zuverlässigkeit des jeweils durchgeführten Ätzvorgangs machen ließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit dessen Hilfe sich erreichen läßt, daß die abzuätzenden Bereiche der elektrisch leitenden Schicht sicher vollständig entfernt werden, ohne daß die Gefahr eines unerwünschten Überätzens besteht. Fer­ ner soll eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens geschaffen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfin­ dung dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Ablauf des zwischen der abzuätzenden Schicht und der Ätzlösung fließen­ den Diffusionsstroms gemessen wird und daß das Substrat aus der Ätzlösung entfernt wird, sobald der Diffusionsstrom zum zweiten Mal einen steilen Abfall durchläuft und einen kon­ stanten Wert annimmt.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich anhand des Verlaufs des während des Ätzvorgangs fließenden Diffusionsstroms der Endzeitpunkt bestimmen, an dem das Sub­ strat aus der Ätzlösung herausgenommen werden muß, um ein unerwünschtes Überätzen zu vermeiden. Das Erreichen dieses Zeitpunkts wird durch einen markanten Punkt des Diffusions­ stromverlaufs festgelegt.

Eine erste Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzlösung in einem Behälter aus elektrisch leitendem Material angebracht ist und daß ein Anschluß eines zur Diffusionsmessung benutz­ ten Strommeßgeräts mit der abzuätzenden Schicht und ein wei­ terer Anschluß mit dem Behälter verbunden ist.

Eine zweite Ausführung einer solchen Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ätzlösung in einem Behälter aus elektrisch nicht leitendem Material angebracht ist und daß ein Anschluß eines zur Diffusionsstrommessung benutzten Strommeßgeräts mit der abzuätzenden Schicht und ein weiterer Anschluß mit einer in die Ätzlösung eingetauchten Elektrode verbunden ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Diffu­ sionsstroms zwischen der abzuätzenden Schicht und der Ätzlösung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentli­ chen aus einem Behälter 10, der eine Ätzlösung 12 enthält. In die Ätzlösung 12 ist eine Scheibe 14 aus einem Halblei­ termaterial, beispielsweise aus Silicium, eingetaucht, auf der eine nicht dargestellte elektrisch leitende Schicht an­ gebracht ist, die mittels der Ätzlösung an ausgewählten Be­ reichen abgeätzt werden soll. Die nicht abzuätzenden Berei­ che sind durch eine Ätzschutzmaske abgedeckt und kommen da­ durch nicht mit der Ätzlösung in Kontakt. Das Prinzip des selektiven Abätzens von Bereichen elektrisch leitender Schichten von Halbleiterscheiben ist in der Technik der in­ tegrierten Schaltungen allgemein bekannt, so daß hier keine näheren Erläuterungen zu diesem Prinzip erforderlich sind.

Bei der abzuätzenden Schicht kann es sich um eine Schicht aus Aluminium handeln, die auf einer ebenfalls auf der Halb­ leiterscheibe 14 angebrachten Schicht aus Titan-Wolfram an­ gebracht ist. Zum Abätzen der Aluminiumschicht wird eine Ätzlösung verwendet, die zwar das Aluminium, nicht aber die Titan-Wolfram-Schicht angreift.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß es sich bei dem in die Ätzlösung 12 eingetauchten Werkstück auch um eine mit Kupfer kaschierte Kunststoffplatte handeln kann, wie sie allgemein bei der Leiterplattenfertigung verwendet wird. Auf der Kup­ ferschicht sind in diesem Fall ausgewählte Bereiche mit ei­ ner Ätzschutzmaske versehen, während die freiliegenden Be­ reiche mit der Ätzlösung 12 in Kontakt kommen können und so­ mit abgeätzt werden. Die erzeugte Leiterplatte trägt nach dem Ätzvorgang auf einer oder auf beiden Seiten als Ender­ gebnis eine gedruckte Schaltung mit Leiterbahnen, die auf der Leiterplatte anzubringende elektrische Bauelemente in gewünschter Weise miteinander verbinden.

Das zu beschreibende Ätzverfahren kann sowohl im zuerst ge­ nannten Fall, also bei der Herstellung integrierter Schal­ tungen, als auch im zuletzt genannten Fall, also der Her­ stellung von Leiterplatten, eingesetzt werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Halbleiterscheibe 14 wird die abzuätzende Schicht mittels eines Leiters 16 kontak­ tiert, der mit einem Anschluß 18 eines Strommeßgeräts 20 verbunden wird. Ein weiterer Leiter 22, der mit dem zweiten Anschluß 24 des Strommeßgeräts 20 verbunden ist, steht mit dem Behälter 10 elektrisch in Verbindung, der aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Edelstahl, be­ steht. Falls der Behälter 10 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, wird der zweite Anschluß 24 des Strommeßge­ räts 20 über einen Leiter 26 mit einer Elektrode 28 verbun­ den, die in die Ätzlösung 12 eingetaucht ist.

Nach dem Eintauchen der Halbleiterscheibe 14 in die Ätzlö­ sung 12 fließt über das Strommeßgerät 20 ein Diffusions­ strom, der im Verlauf des Abätzens der zu entfernenden Schicht einen charakteristischen Verlauf hat. Diesen Verlauf zeigt das Diagramm von Fig. 2.

In Fig. 2 ist der Diffusionsstrom I in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Der Verlauf des Diffusionsstroms zeigt sieben charakteristische Bereiche a bis g, die sich wie folgt erklären lassen:

Im Bereich a steigt der Diffusionsstrom I vom Wert 0 an bis zu einem Maximalwert an. Dieser Bereich ergibt sich beim Eintauchen der Halbleiterscheibe in die Ätzlösung. Der maxi­ male Strom am Übergang zwischen dem Bereich a und b fließt, wenn die Halbleiterscheibe 14 vollständig eingetaucht ist und die abzuätzende Schicht noch vollständig vorhanden ist. Der Stromwert ist direkt proportional zur Oberfläche der ab­ zuätzenden Schicht. Der Stromabfall im Bereich b ist darauf zurückzuführen, daß die abzuätzende Schicht anfangs eine re­ lativ rauhe und damit große Oberfläche hat, die nach Beginn des Ätzvorgangs geglättet und folglich auch kleiner wird.

Dieser Vorgang wird beim Ätzen von Aluminium als Glänzen be­ zeichnet. Der Endzeitpunkt t_b des ersten steilen Stromab­ falls wird erreicht, wenn die Oberflächenrauhigkeit besei­ tigt ist und der eigentliche Ätzvorgang beginnt, der im Be­ reich c abläuft. Der Zeitpunkt t_b könnte beim Glänzen von Aluminium zum Beenden des Glänzprozesses ausgenutzt werden.

Wie erwähnt, ist der Bereich c der eigentliche Ätzbereich, in dem die nicht von einer Ätzschutzmaske abgedeckten Flä­ chen der Schicht abgeätzt werden. In diesem Bereich c ist der Strom nahezu konstant. Im Bereich d ist ein starker Ab­ fall des Diffusionsstroms zu beobachten. Dieser Abfall tritt auf, wenn die Schicht so weit abgeätzt ist, daß die darun­ terliegende Schicht, die von der Ätzlösung nicht angegriffen wird, freigelegt wird. An diesem Zeitpunkt wird die Oberflä­ che, die für die Ätzlösung zugänglich ist, sehr rasch ver­ kleinert, so daß demgemäß auch der Diffusionsstrom rasch ab­ nimmt. Im Bereich e wird der Zustand erreicht, daß alle freiliegenden Flächenbereiche der abzuätzenden Schicht abge­ ätzt worden sind. Der Diffusionsstrom geht an diesem Zeit­ punkt nicht vollständig auf den Wert 0 zurück, da die Ätzlö­ sung immer noch mit den Kanten der von der Ätzschutzmaske abgedeckten Flächenbereiche der Schicht in Berührung kommt. Wenn die Halbleiterscheibe 14 weiterhin in der Ätzlösung bleibt, erfolgt ein Überätzen, also ein Entfernen der Me­ tallschicht unter der Ätzschutzmaske, was jedoch unerwünscht ist. In diesem Überätzbereich, also im Diagramm von Fig. 2 im Bereich f, behält der Diffusionsstrom einen konstanten niedrigen Wert bei, da die der Ätzlösung ausgesetzten Stirn­ flächen der unterhalb der Ätzschutzmaske befindlichen Schicht stets gleich groß bleiben. Der Bereich g wird er­ reicht, wenn die gesamte Schicht von der Halbleiterscheibe 14 entfernt ist, also auch die Flächenbereiche, deren Ent­ fernen eigentlich durch die Ätzschutzmaske hätte verhindert werden sollen. Sobald die Schicht vollständig entfernt ist, geht der Diffusionsstrom selbstverständlich auf den Wert 0 zurück.

Aus der obigen Schilderung des Diffusionsstromverlaufs geht hervor, daß der gewünschte Abätzvorgang beim Übergang vom Bereich e zum Bereich f beendet werden soll, da dann das un­ erwünschte Überätzen einsetzt. Um den Abätzvorgang in der gewünschten Weise zu beenden, wird also der Diffusionsstrom­ verlauf beobachtet, und die Halbleiterscheibe 14 wird dann aus der Ätzlösung herausgenommen, wenn der Diffusionsstrom nach Durchlaufen eines steilen Abfalls einen konstanten Wert annimmt. Im Diagramm von Fig. 2 ist dieser Endzeitpunkt mit t_e bezeichnet.

Die Erfassung des Diffusionsstromverlaufs läßt außerdem wertvolle Rückschlüsse auf den Ablauf des Ätzvorgangs zu. So kann beispielsweise aus der absoluten Größe des Diffusions­ stroms auf die freiliegende Oberfläche der abzuätzenden Schicht, auf die herrschende Ätztemperatur und auch auf die Legierungszusammensetzung der abzuätzenden Schicht geschlos­ sen werden. Die Steigung der Kurve im Bereich d läßt Rück­ schlüsse über die Gleichmäßigkeit der Abätzung zu.

In einem praktischen Beispiel wurde festgestellt, daß bei Halbleiterscheiben, die zur Herstellung integrierter Schal­ tungen verwendet werden, eine Stromdichte im Bereich von 3 mA pro cm² abzuätzender Aluminium-Oberfläche gemessen wer­ den kann. Aussagekräftige Stromwerte lassen sich bis zu ei­ ner Rest-Aluminiumfläche von etwa 1 mm² messen.

Das beschriebene Verfahren läßt sich sehr universell auch in Ätzanlagen einsetzen, in denen gleichzeitig eine relativ große Anzahl von Halbleiterscheiben behandelt wird. Auch in diesem Fall kann die Bestimmung des Endzeitpunkts der Ätzung anhand des Diffusionsstromverlaufs durchgeführt werden.

Da bei richtig eingestellten Prozeßparametern stets der gleiche Diffusionsstromverlauf zu erwarten ist, können durch Speichern mehrerer aufeinanderfolgender Diffusionsstromver­ läufe jeweils Vergleiche zwischen dem gerade erfaßten Ver­ lauf und vorher erfaßten Verläufen durchgeführt werden. Bei Feststellung von Abweichungen kann eine Fehlermeldung er­ zeugt werden, die der Bedienungsperson anzeigt, daß irgend­ ein Prozeßparameter nicht den richtigen Wert hat, so daß es zu einer Ausschußproduktion kommen kann. Die Bedienungsper­ son kann dann eingreifen und gegebenenfalls den fehlerhaften Prozeßparameter berichtigen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Abätzen einer auf einem Substrat angebrachten elektrisch leitenden Schicht mittels einer Ätzlösung, in die das Substrat eingetaucht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Ablauf des zwischen der abzuätzenden Schicht und der Ätzlösung fließenden Diffusionsstroms gemessen wird und daß das Substrat aus der Ätzlösung entfernt wird, sobald der Diffusionsstrom zum zweiten Mal einen steilen Abfall durchläuft und einen konstanten Wert annimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf des Diffusionsstroms von mehreren Ätzvorgängen gespeichert wird, daß bei jedem Ätzvorgang der zeitliche Verlauf des Diffusionsstroms mit abgespeicherten zeitlichen Verläufen des Diffusionsstroms vorangegangener Ätzvorgänge verglichen wird und daß bei Feststellen einer Abweichung des gerade gemessenen Verlaufs von den gespeicherten Verläufen eine Fehlermeldung erzeugt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzlösung in einem Behälter aus elektrisch leitendem Material angebracht ist und daß ein Anschluß eines zur Diffusionsmessung benutzten Strommeßgeräts mit der abzuätzenden Schicht und ein weiterer Anschluß mit dem Behälter verbunden ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzlösung in einem Behälter aus elektrisch nicht leitendem Material angebracht ist und daß ein Anschluß eines zur Diffusionsstrommessung benutzten Strommeßgeräts mit der abzuätzenden Schicht und ein weiterer Anschluß mit einer in die Ätzlösung eingetauchten Elektrode verbunden ist.