DE4143499C2 - Verfahren zur Bildung eines Aluminiumverdrahtungsmusters - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver­ fahren zur Bildung eines Aluminiumverdrahtungsmusters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es wird eine detaillierte Beschreibung des herkömmlichen Ver­ fahrens der Bildung von Verdrahtungsmustern durch RIE-Ätzen und ebenso der Nachteile des herkömmlichen Verfahrens gege­ ben.

Eine untere Isolatorschicht 3 wird auf einem Halbleitersub­ strat 30 nach Fig. 4A gebildet. Eine Metallverdrahtungsschicht 2, wie etwa aus AlSi, AlSiCu, Cu, Mg etc., wird dann auf der unteren Isolierschicht 3 gebildet. Ein Resistmuster 1 vorbe­ stimmter Form wird dann auf der Metallverbindungsschicht 2 gebildet.

Nach Fig. 4B wird die Metallverbindungsschicht 2 einem reak­ tiven Ionenätzen unter Nutzung eines Gases vom Halogentyp, das Chlor enthält, wie Cl₂, SiCl₄, BCl₃ usw., unter Nutzung des Resistmusters 1 als Maske ausgesetzt. Dieses reaktive Ionenätzen verursacht selektives Ätzen der Metallverbindungs­ schicht 2, was zur Bildung eines Verdrahtungsmusters 2a führt. Zu dieser Zeit wird auf Seitenwänden des Resistmusters 1 und des Verdrahtungsmusters 2a eine halogenhaltige Schutzschicht 4 gebildet. Die Schutzschicht 4 dient dazu, isotropes Ätzen zu unterdrücken und die Anisotropie zu verstärken. Diese Schutz­ schicht wird durch eine komplizierte Reaktion von Komponenten des Resists, der Verbindungsschicht und des Gases vom Halo­ gentyp erzeugt und enthält Halogen.

Ein Veraschungsverfahren (Ätzen) mit O₂-Gas 5 wird durchge­ führt, um das Resistmuster 1 zu entfernen, wie in Fig. 4B und 4C gezeigt. Auch nach dem Veraschungsverfahren verbleibt eine halogenhaltige Schutzschicht 6 auf der Seitenwand des Verdraht­ ungsmusters 2a. Auf diese Weise wird das Mikro-Verdrahtungs­ muster 2a gebildet.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß, wenn die Halb­ leitereinrichtung an die Atmosphäre gebracht wird, auf der Seitenwand des Verdrahtungsmusters 2a, wie in Fig. 4D gezeigt, ein korrodierter Abschnitt 9 gebildet wird, was zur Unterbre­ chung des Verdrahtungsmusters 2a führt.

Die Ursache für die Korrosion sind die folgenden:

Die Schutzschicht 6 enthält Halogen, z. B. Chlor, und wenn dieses der Atmosphäre ausgesetzt wird, reagiert es mit Was­ sermolekülen 7 in der Atmosphäre unter Bildung von Salzsäure. Die gebildete Salzsäure wirkt auf das Verdrahtungsmuster 2a ein.

Aus dem US-Buch: Einspruch, N.G., Cohen, S.S. & Gildenblat G.Sh. (Hrsg.) "VLSI ELECTRONICS - Microstructure Science - Bd. 15 VLSI Metallization" ACADEMIC PRESS INC. Orlando usw. 1987, S. 187 bis 205 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt. Dabei werden Ätzgase benutzt, die auch Kohlenstoffverbin­ dungen aufweisen können. Diese Druckschrift führt aus, daß Chlor, das aus dem Ätzvorgang des Aluminiums nachgeblieben sein kann, Korrosion nach dem Ätzen verursachen kann, indem Aluminiumchlorid mit Wasser reagiert und Aluminiumhydroxid sowie Salzsäure ent­ steht.

Aus der US-PS 4 643 799 ist es bekannt, den eigentlichen Ätzvor­ gang zur Bildung des Verdrahtungsmusters durch Strahlung von einem CO₂-Laser oder einem Excimer-Laser zu unterstützen. Durch die Be­ strahlung werden die Ätzreaktionen verstärkt.

Aus der US-PS 4 825 808 ist eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens bekannt, bei dem ein Substrat mit verschiedenen Prozes­ sen behandelt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bildung von Verdrahtungsmustern bereitzustellen, das die Verhütung der Korrosion von Aluminiumverdrahtungen erlaubt, auch wenn die Aluminiumverdrahtungen in Kontakt mit Wasser aus der Atmosphäre kommen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bildung eines Aluminiumverdrahtungsmusters mit den Schritten des Patentanspru­ ches 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erge­ ben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen.

Nach einer Ausführungsform des Verfahrens zur Bildung des Verdrah­ tungsmusters wird das Verdrahtungsmuster mit ultravioletten Strah­ len in einer Atmosphäre bestrahlt, die ein reduzierendes Gas ent­ hält. Durch diesen Schritt der Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen wird auch dann, wenn eine halogenhaltige Schutzschicht auf der Seitenwand des Verdrahtungsmusters durch das reaktive Ionenätzen gebildet wird, das Halogen z. B. durch die folgende Re­ duktionsreaktion entfernt.

In dieser Formel bezeichnet M einen Bestandteil der Schutz­ schicht (die Einzelheiten dieses Bestandteiles sind nicht klar) und X Halogen.

Auf diese Weise wird das Halogen aus der Schutzschicht ent­ fernt. Im Ergebnis dessen wird auch dann kein Wasserstoffha­ logenid, das die Korrosion von Metallverbindungen verursacht, erzeugt, wenn die Schutzschicht in Kontakt mit Wasser in der Atmosphäre kommt.

Beim Verfahren zur Herstellung eines Verdrahtungsmusters nach anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Ver­ drahtungsmuster mit ultravioletten Strahlen in einem fluorhal­ tigen Gas bestrahlt. Durch diese ultraviolette Bestrahlung wird das Halogen auch dann, wenn eine halogenhaltige Schutz­ schicht auf der Seitenwand des Verbindungsmusters durch reak­ tives Ionenätzen gebildet wird, z. B. durch eine Fluorsubsti­ tutionsreaktion nach unten angegebener Formel entfernt.

Die Schutzschicht, bei der das Fluoratom substituiert wurde, erzeugt auch dann kein wasserstoffhalogenid durch Hydrolyse, wenn sie in Kontakt mit Wasser in der Atmosphäre kommt. Deinentsprechend kommt es mit den Metallverbindungen zu keiner Korrosion.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1A bis 1E Querschnittsdarstellungen, die die Schritte der Bildung von Verdrahtungsmustern zeigen;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Bildung von Verdrahtungsmustern;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung, die den genauen Aufbau einer Photoreaktionskammer zeigt;

Fig. 4A bis 4D Querschnittsdarstellungen, die Nachteile des herkömmlichen Verfahrens der Bildung von Verdrahtungsmustern zeigen; und

Fig. 5A bis 5D Querschnittsdarstellungen, die den Schritt des Bildens einer Carbidschicht auf der Oberfläche eines Verdrahtungsmusters nach einer einer Ausführungsform der Erfindung zeigen.

Fig. 2 ist eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung der in Fig. 1B bis 1E gezeigten Schritte. Die Vorrichtung weist eine Beladungskammer 19 auf. Die Beladungs­ kammer 19 ist mit einer Waferübergabekammer 18 verbunden. Eine Ätzkammer 15 ist fit der Waferübergabekammer 18 verbun­ den. Eine Veraschungskammer 16 ist fit der Waferübergabekam­ mer 18 verbunden. Eine Photoreaktionskammer 17 ist ebenso mit der Waferübergabekammer 18 verbunden. Die Vorrichtung weist eine Transporteinrichtung zum Transport des Halbleitersub­ strates von der Beladungskammer 19 zur Ätzkammer 15 unter Luftabschluß und eine Transporteinrichtung zum Transport des Halbleitersubstrates von der Ätzkammer 15 in die Veraschungs­ kammer 16 unter Luftabschluß auf. Die Vorrichtung weist wei­ terhin eine Transporteinrichtung zum Transport des Halblei­ tersubstrates von der Veraschungskammer 16 zur Photoreakti­ onskammer 17 unter Luftabschluß auf. Fig. 3 ist eine Prin­ zipdarstellung, die den genauen Aufbau der Photoreaktionskam­ mer 17 zeigt.

Nun wird eine Beschreibung eines Verfahrens der Bildung eines Verdrahtungsmusters auf dem Halbleitersubstrat unter Bezug­ nahme auf die Figuren gegeben.

Eine untere Isolierschicht 3 wird auf einem Halbleitersub­ strat 30 nach Fig. 1A gebildet. Eine Metallverdrahtungsschicht 2 wird dann auf der unteren Isolierschicht 3 gebildet. Die Metallverdrahtungsschicht 2 wird aus einem Metall wie Al, AlSi, AlSiCu, Cu, Mg, Al-Cu usw. gebildet. Ein Resistmuster 1 wird auf der Metallverdrahtungsschicht 2 gebildet.

Gemäß den Fig. 1A und 2 wird das Halbleitersubstrat mit dem darauf gebildeten Resistmuster 1 in die Beladungskammer 19 eingesetzt. Das Halbleitersubstrat wird von der Beladungskam­ mer 19 über die Waferübergabekammer 18 zur Ätzkammer 15 transportiert. In der Ätzkammer 15 wird ein in Fig. 1B ge­ zeigter Bearbeitungsschritt ausgeführt.

Das heißt, unter Bezugnahme auf Fig. 1B, es wird ein reakti­ ves Ionenätzen durch ein Gas vom Halogentyp ausgeführt, z. B. ein Plasma eines Mischgases aus SiCl₄/Cl₂/BCl₃, unter Nutzung des Resistmusters 1 als Maske. Dies ermöglicht selektives Ät­ zen der Metallverdrahtungsschicht 2 und dann die Bildung eines Verdrahtungsmusters 2a. Während dieses reaktiven Ionenätzens wird auf einer Seitenwand des Resistmusters 1 und des Verdraht­ ungsmusters 2a eine halogenhaltige Schutzschicht 4 gebildet.

Nach Bildung des Verdrahtungsmusters durch reaktives Ionenät­ zen wird das Halbleitersubstrat unter Luftabschluß von der Ätzkammer 15 in die Veraschungskammer 16 gebracht, wie Fig. 2 zeigt. In der Veraschungskammer wird der in Fig. 1C gezeigte Bearbeitungsschritt ausgeführt.

Das heißt, nach Fig. 1C wird das Resistmuster 1 durch Ver­ aschen mit O₂-Gas entfernt. Zu diesem Zeitpunkt bleibt eine Schutzschicht 6 unter Einschluß des verbleibenden Halogens (Cl) auf der Seitenwand des Verdrahtungsmusters 2a zurück.

Danach wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 das Halbleitersub­ strat unter Luftabschluß von der Veraschungskammer 16 in die Photoreaktionskammer 17 gebracht. Ein in Fig. 1D gezeigter Bearbeitungsschritt wird in der Photoreaktionskammer ausge­ führt.

Eine Beschreibung des genauen Aufbaus der Photoreaktionskam­ mer 17 wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 vor der Beschreibung des Bearbeitungsschrittes nach Fig. 1D gegeben. Die Photore­ aktionskammer 17 weist eine Bearbeitungskammer 29 zum Ausfüh­ ren einer Oberflächenbehandlung eines Halbleitersubstrates 23 mit Licht im Hochvakuum auf. Eine Probenplatte 24 zum Anord­ nen des Halbleitersubstrates 23 darauf ist in der Bearbei­ tungskammer 29 vorgesehen. Ein Gaseinlaß zum Einleiten eines Gases für die Oberflächenbehandlung mittels Licht ist in der Bearbeitungskammer 29 vorgesehen. Ein Gasauslaß 27 zum Evaku­ ieren der Bearbeitungskammer 29 zum Hochvakuumzustand ist in der Bearbeitungskammer 29 angeordnet. Eine Plasmaerzeugungs­ kammer 28 zur Erzeugung eines Plasmas durch Mikrowellenentla­ dung oder ähnliches ist mit der Bearbeitungskammer 29 verbun­ den. Ein Gaseinlaß 28a zum Einleiten eines Gases in die Plas­ maerzeugungskammer 28 ist in der Plasmaerzeugungskammer 28 vorgesehen. Eine Niederdruck-Quecksilberlampe (ultraviolette Lichtquelle) 20 ist in einer Position außerhalb der Bearbei­ tungskammer 29 und der Probenplatte 24 gegenüberliegend ange­ ordnet. Die Niederdruck-Quecksilberlampe 20 emittiert ultra­ violette Strahlen von 184,9 nm und 253,7 nm. Die Bearbei­ tungskammer 29 hat ein Fenster 21, durch das von der Nieder­ druck-Quecksilberlampe 20 emittiertes Licht in die Bearbei­ tungskammer 29 eindringen kann. Eine Infrarotlampe 25, die als Lichtquelle zum Aufheizen der Probe dient, ist unter der Bearbeitungskammer 29 angeordnet. Die Bearbeitungskammer 29 hat ein Fenster 26 für den Eintritt der von der Infrarotlampe emittierten infraroten Strahlen in die Bearbeitungskammer 29.

Nun wird das Halbleitersubstrat 23, das dem Veraschungsprozeß ausgesetzt wird, auf die Probenplatte 24 gebracht, wie Fig. 3 zeigt. Ein reduzierendes Gas wie H₂, NH₃, Si₂H₂ usw. wird dann durch den Gaseinlaß 22 in die Bearbeitungskammer 29 ein­ geleitet. In diesem Falle kann in der Plasmaerzeugungskammer 28 ein aktiv reduzierendes Radikal (H*) gebildet werden, um anstelle des durch den Gaseinlaß 22 eingeleiteten reduzie­ renden Gases in die Bearbeitungskammer 29 eingeleitet zu wer­ den. Die Niederdruck-Quecksilberlampe 20 wird eingeschaltet, um ultraviolette Strahlen von 184,9 nm und 253,71 nm in die Bearbeitungskammer 29 einzustrahlen. Eine Verbesserung der Strahlungsverteilung wird durch horizontale Bewegung der Nie­ derdruck-Quecksilberlampe 25 erreicht. Die Temperatur der Probenplatte 24 wird durch Nutzung einer Infrarotlampe 25 er­ höht. Das Gas wird durch den Gasauslaß 27 abgesaugt, um in der Bearbeitungskammer 29 einen vorgegebenen Druck aufrecht­ zuerhalten. Durch die genannten Bearbeitungsschritte wird nach Fig. 1D das Halogen (Cl), das in der Schutzschicht 6 enthalten ist und an der Seitenwand des Verdrahtungsmusters 2a haftet, zu Wasserstoffhalogenidgas (HCl) 12 durch nachfol­ gende Reduktion und wird dann entfernt.

Bevorzugte Bedingungen der Oberflächenbehandlung mit Licht sind in Tabelle 1 gezeigt:

Gas-Durchflußrate
Reduzierendes Gas (H₂)	50 ∼ 100 sccm
Oxidierendes Gas (O₃)	2300 sccm
Gasdruck @	Reduzierende Atmosphäre	0,1 ∼ 1 Torr
Oxidierende Atmosphäre	1 ∼ 300 Torr
Strahlungsdichte der Niederdruck-Hg-Lampe	50 mW/cm² oder mehr
Probentemperatur	100°C
Licht-Oberflächenbehandlungszeit @	Reduzierende Atmosphäre	5 min
Oxidierende Atmosphäre	5 min

In der vorangehenden Ausführungsform wird das reduzierende Gas unter Bezugnahme auf Fig. 1D verwendet, die vorliegende Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt. Das heißt, das reduzierende Gas kann durch fluorhaltiges Gas, z. B. NF₃-Gas ersetzt werden. In diesem Falle wird das Halogen (Cl), das in der Schutzschicht 6, die an der Seitenwand des Verdrahtungsmu­ sters 2a haftet, enthalten ist, durch die unten angegebene Fluor-Substitutionsreaktion entfernt:

Die Schutzschicht, in der ein Fluoratom ersetzt ist, bildet im Kontakt mit Wasser in der Atmosphäre kein Wasserstoffhalo­ genid. Dementsprechend kommt in den Metallverbindungen keine Korrosion vor.

Schließlich wird auf der Oberfläche des Verdrahtungsmusters 2a durch Einleitung von CO₂- oder CO-Gas anstelle des oxidierenden Gases Carbid gebildet. Dieses Carbid oder eine oxidierende Schutzschicht ist in der Lage, Metallverbindungen vor Wassermolekülen in der Atmosphäre zu schützen, Unterbrechungen der Metallverbindung zu verhindern und die Zuverlässigkeit der Halbleitereinrich­ tung zu erhöhen. Da die Bildung von Carbid oder oxidierenden Schichten ein Schritt ist, der nach der Bildung des Verdraht­ ungsmusters durchgeführt wird, hat das Carbid oder die oxi­ dierende Schicht den Effekt, das Verdrahtungsmuster bei der Naßbearbeitung vor Korrosion zu schützen.

Die Fig. 5A bis 5D sind Querschnittsdarstellungen, die den Schritt der Bildung einer Carbidschicht auf der Oberfläche eines Verdrahtungsmusters nach einer Ausführungsform zeigen. Da die Schritte der Fig. 5A bis 5C dieselben wie die der Fig. 1A bis 1C sind, werden für einander entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen verwendet, und deren Beschreibung wird hier nicht wiederholt.

Nachdem der Resist 1 durch Veraschen entfernt wurde, wird, wie in Fig. 5D gezeigt, das Verdrahtungsmuster 2a mit ultra­ violetten Strahlen 10 bestrahlt, während es einem CO₂- oder CO-Gasplasma ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird auf der Oberfläche des Verdrahtungsmusters 2a Carbid 24 zur Bedeckung der Schutzschicht 6 gebildet. Wenn das Verdrahtungsmuster 2a aus Aluminium gebildet ist, hat das Carbid 24 die Zusammen­ setzung Al_xC_y. Bei dieser Ausführungsform ist eine Halogen- (Cl-)haltige Schicht 6 auf dem Verdrahtungsmuster 2a verblie­ ben, da jedoch das Carbid 24 existiert, kommt die Schutz­ schicht 6 nicht in direkten Kontakt mit Wasser in der Atmo­ sphäre. Infolgedessen gibt es das Problem, daß das in der Schutzschicht enthaltene Halogen (Cl) einer Hydrolyse unter liegt und so HCl erzeugt wird, nicht.

Wie im vorangehenden beschrieben, wird beim Verfahren zur Bil­ dung eines Verdrahtungsmuster nach dem ersten Aspekt der vor­ liegenden Erfindung das Verdrahtungsmuster mit ultravioletten Strahlen in einer reduzierende Spezies enthaltenden Atmo­ sphäre bestrahlt. Auch wenn eine halogenhaltige Schutzschicht auf der Seitenwand des Verbindungsmusters während des reakti­ ven Ionenätzens gebildet wurde, wird das Halogen durch Reduk­ tion im Schritt des Bestrahlens mit ultravioletten Strahlen entfernt. Demnach wird, auch wenn die Schutzschicht in Kon­ takt mit Wasser in der Atmosphäre kommt, kein eine Korrosion der Metallverbindungen erzeugendes Wasserstoffhalogenid er­ zeugt. Dies verhindert Unterbrechungen der Metallverbindun­ gen, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Einrich­ tung führt.

Im Verfahren zur Bildung eines Verdrahtungsmusters nach dem zweiten Aspekt der Erfindung wird das Verdrahtungsmuster mit ultravioletten Strahlen in einem Fluor einschließenden Gas bestrahlt. Dementsprechend wird, auch wenn die halogenhaltige Schutzschicht auf der Seitenwand des Verbindungsmusters wäh­ rend des reaktiven Ionenätzens gebildet wird, das Halogen durch Fluoratome ersetzt. Dadurch wird, wenn die halogenhal­ tige Schutzschicht auf der Seitenwand des Verdrahtungsmusters während des reaktiven Ionenätzens gebildet wurde, das Halogen durch Fluoratome substituiert. Die Fluor-substituierte Schutzschicht bildet im Kontakt mit Wasser in der Atmosphäre nicht durch Hydrolyse Wasserstoffhalogenid. Dies verhindert Korrosion und Unterbrechungen der Metallverbindungen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bildung eines Aluminiumverdrahtungsmusters mit den Schritten:

• (a) Bilden einer Aluminiumschicht (2) auf einem Substrat (3, 30) und
• (b) selektives Ätzen der Aluminiumschicht (2) unter Nutzung eines chlorhaltigen Gases zur Bildung eines Verdrahtungsmusters (2a),

dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt (b)

• (c) das Verdrahtungsmuster (2a) mit ultravioletter Strahlung (10) in einer Atmosphäre bestrahlt wird,

die ein mit dem an dem Verdrahtungsmuster (2a) angelagerten Chlor reagierendes, reduzierendes Gas, welches H₂-, NH₃- oder Si₂H₂- Gas, H₂-, NH₃- oder Si₂H₃-Plasma im Radikalzustand aufweist, oder ein Gas, welches fluorhaltig ist, enthält,

• (d) und danach ein Carbid auf der Oberfläche des Verdrahtungs­ musters (2a) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der das reduzierende Gas enthaltenden Atmosphäre 13 bis 130 Pa beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsintensität der ultra­ violetten Strahlen < 50 mW/cm² ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (d) das Verdrahtungsmuster (2a) mit ultravioletten Strahlen (10) in einer Atmosphäre eines Kohlenstoffatome enthaltenden Gases bestrahlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffatome enthaltende Gas CO₂ enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffatome enthaltende Gas CO enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (d) das Verdrahtungsmuster (2a) mit ultravioletten Strahlen in einer ein Kohlenstoffradikal enthaltenden Atmosphäre bestrahlt wird.