DE3842758A1 - Process for etching a three-layer interconnection level in the production of integrated semiconductor circuits - Google Patents

Process for etching a three-layer interconnection level in the production of integrated semiconductor circuits

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Abstract

The process provides for carrying out a multistage etching process by reactive ion etching in order to etch a three-layer interconnection level comprising a titanium/tungsten alloy layer (1), an aluminium alloy layer (2) and a further titanium/tungsten alloy layer (3). In the process, sulphur hexafluoride, oxygen and chlorine combined with relatively low bias voltages and low etching pressures are used to etch the titanium/tungsten alloy layers. Metallisation structures having particularly good dimensional accuracy can be produced by applying the process. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen einer dreilagigen Verdrahtungsebene bestehend aus einer unteren Titan-Wolfram-Le­ gierungsschicht, einer Aluminium-Legierungsschicht und einer oberen Titan-Wolfram-Legierungsschicht durch reaktives Ionen­ ätzen bei der Herstellung einer integrierten Halbleiterschal­ tung.The invention relates to a method for etching a three-layer Wiring level consisting of a lower titanium-tungsten Le alloy layer, an aluminum alloy layer and one upper titanium-tungsten alloy layer by reactive ions etching in the manufacture of an integrated semiconductor scarf tung.

Die Verdrahtungsebenen von Halbleiterbauelementen einer inte­ grierten Halbleiterschaltung bestehen häufig aus sandwichartig übereinander angeordneten Schichten, die unterschiedliche Metall-Legierungen enthalten können. Bei der Herstellung der Metalli­ sierungsstrukturen der Verdrahtungsebenen müssen dabei in der Regel unterschiedliche Ätzprozesse mit unterschiedlichen Chemi­ kalien für die jeweiligen Schichten durchgeführt werden, wobei die jeweiligen Selektivitäten zur Ätzmaske und zum Untergrund möglichst gut sein müssen. Dreilagige Verdrahtungsebenen aus Titan-Wolfram-Legierung/Aluminium-Legierung/Titan-Wolfram-Le­ gierung werden z.B. für bipolare Hochgeschwindigkeits-Gatearrays benötigt. Ein solches dreilagiges Metallisierungssystem ist z.B. im Band 15 der Siemens Forschungs- und Entwicklungsberich­ te 1986, Nr. 2, auf den Seiten 64 bis 67 beschrieben.The wiring levels of semiconductor components of an integrated semiconductor circuit often consist of sandwiched layers, which can contain different metal alloys. In the production of the metallization structures of the wiring levels, different etching processes with different chemicals must generally be carried out for the respective layers, the selectivities for the etching mask and the substrate having to be as good as possible. Three-layer wiring levels made of titanium-tungsten alloy / aluminum alloy / titanium-tungsten alloy are required, for example, for bipolar high-speed gate arrays. Such a three-layer metallization system is described, for example, in Volume 15 of the Siemens Research and Development Reports 1986, No. 2, on pages 64 to 67.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ätzverfahren zur Herstellung einer dreilagigen Verdrahtungsebene aus einer Titan-Wolfram- Legierungsschicht, einer Aluminium-Legierungsschicht und einer weiteren Titan-Wolfram-Legierungsschicht durch reaktives Ionen­ ätzen anzugeben, das sich durch Metallisierungsstrukturen mit hoher Maßhaltigkeit und hoher Selektivität auszeichnet.The object of the invention is to produce an etching process a three-layer wiring layer made of a titanium-tungsten Alloy layer, an aluminum alloy layer and one another titanium-tungsten alloy layer through reactive ions etching to indicate that by using metallization structures high dimensional accuracy and high selectivity.

Ein Ätzverfahren zum Ätzen von dreilagigen Verdrahtungsebenen aus einer Titan-Wolfram-Legierungsschicht, einer Aluminium-Sili­ zium-Legierungsschicht und einer Titan-Wolfram-Legierungsschicht durch reaktives Ionenätzen ist aus Semiconductor International May 1987, Seite 256 bis Seite 259 bekannt. In einem dreistufigen Ätzprozeß wird dabei zum Ätzen der oberen und unteren Titan-Wol­ fram-Schicht ein fluorhaltiges Plasma und zum Ätzen der dazwi­ schen angeordneten Aluminium-Silizium-Schicht ein chloridhaltiges Plasma verwendet.An etching process for etching three-layer wiring layers  made of a titanium-tungsten alloy layer, an aluminum sili zium alloy layer and a titanium-tungsten alloy layer through reactive ion etching is from Semiconductor International May 1987, page 256 to page 259. In a three-stage Etching process is used to etch the upper and lower titanium tungsten fram layer a fluorine-containing plasma and for etching the dazwi arranged aluminum-silicon layer a chloride-containing Plasma used.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein mehrstufiger Ätzprozeß zum Ätzen der unterschiedlichen Le­ gierungsschichten durchgeführt wird, wobei zum Ätzen der Titan- Wolfram-Legierungsschichten ein Sauerstoff und Schwefelhexa­ fluorid enthaltendes Plasma, ein Ätzdruck von 5 bis 20 mTorr und eine Biasspannung von kleiner als 200 V verwendet wird, zum Ätzen der Aluminium-Legierungsschicht ein Chlor enthaltendes Plasma, ein Ätzdruck von 20 bis 40 mTorr und eine Biasspannung von kleiner als 300 V verwendet wird und nach dem Ätzen der oberen Titan-Wolfram-Legierungsschicht ein Nachrei­ nigungsschritt zum Entfernen der beim Ätzen entstandenen Bar­ riereschicht durchgeführt wird. Es liegt außerdem im Rahmen der Erfindung, daß zusätzlich zu den Ätzschritten der jeweiligen Legierungsschichten Ätzschritte zur Überätzung und Passivierung durchgeführt werden.The object of the invention is achieved by a method of solved type mentioned, which is characterized in that a multi-stage etching process for etching the different Le Gierschichten is carried out, for etching the titanium Tungsten alloy layers an oxygen and sulfur hexa plasma containing fluoride, an etching pressure of 5 to 20 mTorr and a bias voltage of less than 200 V is used to Etch the aluminum alloy layer with chlorine containing plasma, an etching pressure of 20 to 40 mTorr and a Bias voltage of less than 300 V is used and after Etching of the upper titanium-tungsten alloy layer afterwards cleaning step to remove the bar formed during the etching barrier layer is carried out. It is also in the frame the invention that in addition to the etching steps of the respective Alloy layers etching steps for overetching and passivation be performed.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen sowie aus der anhand eines Ausführungs­ beispiels mit drei Figuren gegebenen Beschreibung hervor.Further refinements and developments of the invention go from the subclaims and from an execution example with three figures given description.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine zu strukturierende dreilagige Verdrahtungsebene aus Titan-Wolfram 1/Aluminium-Si­ lizium-Titan 2/Titan-Wolfram 3 auf einem stufigen Halbleiterkör­ per 6, der zu verdrahtende integrierte Bauelemente (nicht in der Figur dargestellt) enthält und eine Oberfläche aus einer Oxid­ schicht (nicht in der Figur dargestellt) aufweist. Die dreila­ gige Verdrahtungsebene ist zur Strukturierung durch reaktives Ionenätzen mit einer Ätzmaske 4 aus Fotolack versehen. Fig. 1 shows a schematic representation of a three-layer wiring level to be structured from titanium-tungsten 1 / aluminum-Si-silicon-titanium 2 / titanium-tungsten 3 on a step semiconductor body by 6 , which contains integrated components to be wired (not shown in the figure) and has a surface of an oxide layer (not shown in the figure). The three-level wiring level is provided with an etching mask 4 made of photoresist for structuring by reactive ion etching.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis eines für die in Fig. 1 dargestellte Dreilagenmetallisierung ungeeigneten Ätzverfahrens. Der als Ätz­ maske dienende Fotolack 4 ist sowohl vertikal als auch lateral, insbesondere aufgrund der bei der Strukturierung des Fotolacks entstehenden abgeschrägten Lackflanken 5, stark angegriffen. Da­ durch ist die Maßhaltigkeit besonders der oberen Titan-Wolfram- Legierungsschicht 3 nicht gewährleistet. Eine optimale Struktu­ rierung muß dagegen sowohl eine gute Maßhaltigkeit als auch eine gute Selektivität der Ätzung der Dreilagenmetallisierungsschicht zur Oxidunterlage (größer als 1) aufweisen. Prozesse mit besseren Selektivitäten liefern aber meist isotrope Ätzungen, wodurch es im Falle von Titan-Wolfram zu Unterätzungen (nicht in der Figur dargestellt) kommen kann. Der laterale Lackschwund 7 führt zu flachen Titan-Wolfram-Flanken 8. FIG. 2 shows the result of an etching process unsuitable for the three-layer metallization shown in FIG. 1. The photoresist 4 serving as an etching mask is severely attacked both vertically and laterally, in particular due to the beveled lacquer flanks 5 that arise during the structuring of the photoresist. Since the dimensional accuracy, especially of the upper titanium-tungsten alloy layer 3, is not guaranteed. Optimal structuring, on the other hand, must have both good dimensional stability and good selectivity for the etching of the three-layer metallization layer to the oxide base (greater than 1). However, processes with better selectivities mostly provide isotropic etching, which can lead to undercutting (not shown in the figure) in the case of titanium tungsten. The lateral paint shrinkage 7 leads to flat titanium-tungsten flanks 8 .

Fig. 3 zeigt das Ergebnis eines erfindungsgemäßen Ätzverfahrens, das den vertikalen und insbesondere lateralen Fotolackschwund stark verringert und daher zu anisotropen Titan-Wolfram-Flanken 9 führt. In Tabelle 1 sind Prozeßparameter für das erfindungsge­ mäße Verfahren angegeben, das z.B. in einer Ätzanlage vom Typ AME 8331 (Hexodenätzsystem, Batchanlage) der Firma AMT, Santa Clara, CA, USA durchgeführt werden kann. Durch die Verwendung des fluorhaltigen Ätzgemisches für die Titan-Wolfram-Ätzung bildet sich an der Grenzfläche zur Aluminium-Silizium-Titan-Le­ gierungsschicht eine Barierreschicht aus, die in einem separatem Prozeßschritt (Initialisierungsschritt) vor dem eigentlichen Ätzen der Aluminium-Silizium-Titan-Legierungsschicht entfernt werden muß. Das Ätzverfahren besteht daher aus mindestens 4 Pro­ zeßschritten. Fig. 3 shows the result of an etching method according to the invention, which greatly reduces the vertical and especially lateral photoresist shrinkage and therefore leads to anisotropic titanium-tungsten flanks 9. Table 1 shows process parameters for the method according to the invention, which can be carried out, for example, in an etching system of the type AME 8331 (hexode etching system, batch system) from AMT, Santa Clara, CA, USA. The use of the fluorine-containing etching mixture for the titanium-tungsten etching forms a barrier layer at the interface with the aluminum-silicon-titanium alloy layer, which in a separate process step (initialization step) before the actual etching of the aluminum-silicon-titanium Alloy layer must be removed. The etching process therefore consists of at least 4 process steps.

Tabelle 1 Table 1

Tabelle 2 gibt ein Ausführungsbeispiel mit konkreten Prozeßpara­ metern wieder, bei dem zwischen den Ätzschritten der jeweiligen Legierungsschichten 1, 2, 3 zusätzliche Ätzschritte durchgeführt sind.Table 2 shows an embodiment with specific process parameters, in which additional etching steps are carried out between the etching steps of the respective alloy layers 1 , 2 , 3 .

Tabelle 2 Table 2

Typische Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
Ätzrate für die Titan-Wolfram-Legierungsschicht 30 bis 50 nm/min,
typischer Overetch 50% bei 1000 nm Stufen in der Oxidschicht,
Oxidabtrag 50 nm bei 100 nm Titan-Wolfram-Schichtdicke als worst case bei voller Beladung,
Selektivität des Ätzschrittes oberes Titan-Wolfram (3)/Aluminium-Silizium-Titan (2) größer als 10 : 1 und des Ätzschrittes Titan-Wolfram (1)/Oxidoberfläche größer als 3 : 1,
Selektivität des Ätzschrittes Aluminium-Silizium-Titan (2)/unteres Titan-Wolfram (1) von ca. 3 : 1 bis 10 : 1 bei einer Biasspannung von 150 V bis 300 V.
Typical results of the method according to the invention are:
Etching rate for the titanium-tungsten alloy layer 30 to 50 nm / min,
typical overetch 50% at 1000 nm steps in the oxide layer,
Oxide removal 50 nm at 100 nm titanium-tungsten layer thickness as worst case when fully loaded,
Selectivity of the etching step upper titanium-tungsten (3) / aluminum-silicon-titanium (2) greater than 10: 1 and of the etching step titanium-tungsten (1) / oxide surface greater than 3: 1,
Selectivity of the etching step aluminum-silicon-titanium (2) / lower titanium-tungsten ( 1 ) from approx. 3: 1 to 10: 1 at a bias voltage of 150 V to 300 V.

Das erfindungsgemäße Verfahren zieht zur Ätzung der Titan-Wolfram- Legierungsschichten die Verwendung eines Gemisches aus Schwefel­ hexafluorid, Sauerstoff und evtl. Chlor vor. Dadurch kann die Ätzzeit für die Titan-Wolfram-Legierungsschicht deutlich ver­ kürzt werden. Dadurch und durch Verwendung einer relativ niedri­ gen Biasspannung ist es möglich, das Auftreten eines lateralen Fotolackabtrag stark zu reduzieren. Der niedrige Ätzdruck macht es möglich, die Titan-Wolfram-Legierungsschicht anisotrop und mit guter Maßhaltigkeit zu ätzen. Das Verfahren liefert eine gute Lack- und Untergrundselektivität sowie gute Ätzratenhomo­ genitäten.The method according to the invention draws for etching the titanium tungsten Alloy layers the use of a mixture of sulfur hexafluoride, oxygen and possibly chlorine. This allows the Etching time for the titanium-tungsten alloy layer clearly ver be shortened. This and by using a relatively low against bias voltage it is possible the occurrence of a lateral Greatly reduce photoresist removal. The low etching pressure makes it is possible to make the titanium-tungsten alloy layer anisotropic and to etch with good dimensional accuracy. The process provides one good paint and substrate selectivity as well as good etch rate homo genities.

Claims (6)

1. Verfahren zum Ätzen einer dreilagigen Verdrahtungsebene bestehend aus einer unteren Titan-Wolfram-Legierungsschicht (1), einer Aluminium-Legierungsschicht (2) und einer oberen Titan- Wolfram-Legierungsschicht (3) durch reaktives Ionenätzen bei der Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein mehr­ stufiger Ätzprozeß zum Ätzen der unterschiedlichen Legierungs­ schichten durchgeführt wird, wobei zum Ätzen der Titan-Wolfram- Legierungsschichten (1, 3) ein Sauerstoff und Schwefelhexa­ fluorid enthaltenes Plasma, ein Ätzdruck von 5 bis 20 mTorr und eine Biasspannung von kleiner als 200 V verwendet wird, zum Ätzen der Aluminium-Legierungsschicht (2) ein Chlor enthaltenes Plasma, ein Ätzdruck von 20 bis 40 mTorr und eine Biasspannung von kleiner als 300 V verwendet wird und nach dem Ätzen der oberen Titan-Wolfram-Legierungsschicht (3) ein Nachreinigungsschritt zum Entfernen der beim Ätzen entstandenen Barriereschicht durchgeführt wird.1. A method for etching a three-layer wiring level consisting of a lower titanium-tungsten alloy layer ( 1 ), an aluminum alloy layer ( 2 ) and an upper titanium-tungsten alloy layer ( 3 ) by reactive ion etching in the manufacture of an integrated semiconductor circuit, thereby characterized in that a multi-stage etching process for etching the different alloy layers is carried out, wherein for etching the titanium-tungsten alloy layers ( 1 , 3 ) an oxygen and sulfur hexafluoride containing plasma, an etching pressure of 5 to 20 mTorr and a bias voltage of less than 200 V is used, a chlorine-containing plasma, an etching pressure of 20 to 40 mTorr and a bias voltage of less than 300 V is used for the etching of the aluminum alloy layer ( 2 ) and after the etching of the upper titanium-tungsten alloy layer ( 3 ) perform a post-cleaning step to remove the barrier layer formed during the etching rt is. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen der Aluminium-Legierungsschicht (2) zusätzlich CHF3 und BCl3 verwendet wird, wenn diese aus einer Aluminium-Silizium-Titan-Legierung besteht.2. The method according to claim 1, characterized in that CHF 3 and BCl 3 is additionally used for etching the aluminum alloy layer ( 2 ) if it consists of an aluminum-silicon-titanium alloy. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen der Titan-Wolfram-Legierungsschichten (1, 3) der Sauerstoffanteil und der Schwefelhexafluoridanteil im Plasma dadurch eingestellt werden, daß das Verhältnis des Sauerstoffflusses zum Schwefel­ hexafluoridfluß auf ca. 10% eingestellt wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that for etching the titanium-tungsten alloy layers ( 1 , 3 ), the oxygen content and the sulfur hexafluoride content in the plasma are adjusted in that the ratio of the oxygen flow to the sulfur hexafluoride flow to about 10% is set. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Nach­ reinigungsschritt nach dem Ätzen der oberen Titan-Wolfram-Le­ gierungsschicht (3) ein Ätzschritt mit einer hohen Biasspannung unter Verwendung von Chlor und BCl3 durchgeführt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that an etching step is carried out with a high bias voltage using chlorine and BCl 3 as after cleaning step after the etching of the upper titanium-tungsten alloy layer ( 3 ). 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als nach dem Ätzen der Aluminium-Legierungsschicht (2) ein Aluminiumüberätz­ schritt unter Verwendung von Chlor, CHF3 und BCl3 durchgeführt wird.5. The method according to claim 4, characterized in that as after the etching of the aluminum alloy layer ( 2 ) an aluminum over-etching step is carried out using chlorine, CHF 3 and BCl 3 . 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als nach dem Ätzen der unteren Titan-Wolfram-Legierungsschicht (1) ein Passi­ vierungsätzschritt unter Verwendung von CHF3 durchgeführt wird.6. The method according to claim 4, characterized in that as after the etching of the lower titanium-tungsten alloy layer ( 1 ), a passivation is performed using CHF 3 .
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