DE4203804C2 - Verfahren zur Herstellung von Kontakten auf einer mit einer UV-transparenten Isolationsschicht bedeckten leitenden Struktur in höchstintegrierten Schaltkreisen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Kontakten auf einer mit einer UV-transparenten Isolationsschicht bedeckten leitenden Struktur in höchstintegrierten SchaltkreisenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kontakten auf einer
leitenden Struktur in höchstintegrierten Schaltkreisen in
einer Vakuumkammer mit Hilfe von Laserlicht.
In der Halbleitertechnologie ist es häufig erforderlich, wäh
rend der Herstellung von integrierten Schaltkreisen auf einem
Halbleitersubstrat an diesen Mikrobearbeitungen vorzunehmen.
Dazu gehört u. a. das lokale Entfernen von Passivierungs- oder
Isolationsschichten in ein- oder mehrlagig metallisierten
Schaltkreisen mit dem Ziel, leitende Strukturen wie z. B. Leit
bahnen oder Pads für verschiedene Zwecke zugänglich zu machen.
Solche Zwecke sind z. B. Analysen oder elektrische Meß- und
Prüfzwecke. Ferner können die lokal freigelegten Leitbahnen
durch Metallabscheidung miteinander elektrisch leitend verbun
den werden, um etwa Designänderungen in einfacher Weise durch
zuführen und deren Tauglichkeit zu überprüfen. In gleicher
Weise können Halbleiterbausteine auch repariert werden. Bei
allen genannten Zwecken ist es wichtig, einen guten elektri
schen Kontakt zur freigelegten leitenden Struktur herzustel
len.
Besteht die abzutragende Isolationsschicht aus Siliziumnitrid
oder einem organischen Material wie z. B. Polyimid, so kann sie
mit Hilfe eines gepulsten UV-Lasers lokal durch sog. Ablation
entfernt werden, indem der Laserstrahl auf die gewünschte
Stelle gerichtet oder fokussiert wird. Eine solche Ablation
ist bei einer Isolationsschicht mit einer hohen UV-Transmis
sion wie beispielsweise Siliziumoxid und anderen glasähnlichen
Schichten jedoch nicht möglich, da die darunterliegende
Schicht durch die intensive UV-Strahlung dabei beschädigt wür
de. Zur lokalen Entfernung von Siliziumoxidschichten sind meh
rere laserinduzierte Ätzprozesse bekannt und in dem Artikel von
G. Loper und M. Tabat in SPIE Vol. 459 Laser assisted deposi
tion etching and doping (1984), Seiten 121 bis 127, beschrie
ben. Solche laserinduzierten Ätzprozesse beruhen auf der defi
nierten Erzeugung von hochreaktiven Radikalen aus Halogen-Koh
lenstoff-Verbindungen mit Hilfe von gepulsten UV-Lasern in ei
ner Vakuumkammer, so daß eine chemische Reaktion des Silizium
oxids mit diesen Radikalen unter Bildung von flüchtigen Sili
zium- und Sauerstoffverbindungen stattfindet. Die eingesetzten
gasförmigen Chlor- oder Fluorverbindungen weisen jedoch eine
hohe Toxizität auf und wirken auf viele Materialien sehr kor
rosiv, so daß ein hoher technischer Aufwand erforderlich ist.
In der Vakuumkammer befindliche mechanische Teile wie z. B.
xyz-Tische zur genauen Positionierung des zu bearbeitenden
Halbleitersubstrats werden durch die Korrosion innerhalb kur
zer Zeit unbrauchbar. Die freigelegten leitenden Strukturen
weisen oft Oberflächen auf, die den Anforderungen an einen
guten elektrischen Kontakt nicht genügen. Insbesondere läßt
sich im allgemeinen eine Oxidation an Luft nicht verhindern,
bevor beispielsweise anschließend auf ihr Metall abgeschieden
wird oder Meßspitzen aufgesetzt werden.
Aus dem Artikel von B. Agrawalla et al., J. Vac. Sci Techn.
B5(2), Mar/Apr. 87, S. 601-605 ist bekannt, daß laserindu
zierte Ätzprozesse für SiO₂ auch mit einem CO₂-Laser (λ≈
10 µm) unter Zugabe eines Ätzgases durchgeführt werden können.
Diese Wellenlänge wird von SiO₂ stark absorbiert. Für eine auf
einer reinen Ablation beruhende Abtragung einer Schicht ist,
wie in Circuits and Devices, H.5, Sept. 90, S. 18-24 be
schrieben, ein ausreichender Absorbtionskoeffizient bei der
Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung Voraussetzung, so
daß SiO₂ mit UV-Laserstrahlung nur bei sehr hoher Laserlei
stung abgetragen werden kann.
In der Druckschrift Abstract Datenbank Orbit, file inspec
B 870 65 571 (AN) ist ein photolytischer Abscheideprozeß für
Platin aus einer metallorganischen Verbindung beschrieben,
bei dem im Verlauf des Prozesses ein Temperaturanstieg in der
abgeschiedenen platinhaltigen Schicht stattfindet, der zu
einem Anstieg der Abscheiderate führt, wobei eine schnelle
pyrolytische Abscheidung erzielt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren
anzugeben, mit dem eine gezielte lokale Entfernung von UV-
transparenten Isolationsschichten auf einem Halbleitersubstrat
zu den genannten Zwecken in einfacher Weise und insbesondere
ohne die Verwendung toxischer oder korrosiver chemischer Ver
bindungen ermöglicht wird und die freigelegten
Strukturen in einfacher Weise direkt anschließend mit Kontak
ten versehen werden, um beispielsweise das Aufsetzen von Meß
spitzen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1
gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Verwendung von
gasförmigen Metallverbindungen anstelle der toxischen Halogen-
Kohlenstoff-Verbindungen; besonders geeignet sind gasförmige
Metallcarbonyle. Überraschenderweise können auf diese Weise
UV-transparente Isolationsschichten entfernt und auf den frei
gelegten leitenden Strukturen direkt anschließend ohne Unter
brechung des Vakuums mit demselben oder nur leicht geänderten
Verfahren metallische Kontakte abgeschieden werden.
Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ge
hen aus den Unteransprüchen und der nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels gegebenen Beschreibung hervor.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 zeigt ein gemäß dem Verfahren behandeltes Halbleiter
substrat in schematischer Darstellung.
Gemäß Fig. 1 ist in einer Vakuumkammer 1 ein Halbleitersub
strat 2 mit mindestens einer UV-transparenten Isolations
schicht auf seiner Oberfläche bzw. mit einem zu bearbeitenden
integrierten Schaltkreis auf einem Träger 3 befestigt, der ei
ne genaue Positionierung des Halbleitersubstrats 2 ermöglicht.
Über ein Ventil 4 kann die Kammer 1 bis zu einem Druck von et
wa 10-6 mbar evakuiert werden, über ein weiteres Ventil 5 kann
ein Inertgas 6, beispielsweise Argon, eingeleitet werden. Die
in den Ausführungsbeispielen verwendete gasförmige Metallver
bindung ist Wolframhexacarbonyl W(CO)6, ein bei Raumtemperatur
kristallines Pulver 7, das in einem Verdampfergefäß 8 auf ca.
50°C erhitzt wird. Das dabei durch Sublimation entstehende Gas
wird mit Hilfe eines inerten Trägergases 9, meist Argon, über
ein Ventil 10 in die Vakuumkammer 1 eingeleitet. Durch ein
Quarzglasfenster 11 können Lichtpulse eines UV-Lasers 12 in
die Kammer 1 eingebracht werden, bevorzugt wird ein ArF-Exci
merlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm eingesetzt. Jeder
Laserpuls durchläuft eine im allgemeinen aus Linsen und Blen
den bestehende konventionelle, nicht dargestellte optische
Anordnung zur Erzielung eines geeigneten parallelen Licht
strahls 15 und bildet dabei eine Rechteckblende 13 über ein
geeignetes Mikroskop 14 auf die Oberfläche des Halbleitersub
strats 2 ab. Das Bild der Blende 13 definiert die Größe der
bestrahlten Substratoberfläche 2 und kann den Anforderungen
entsprechend eingestellt werden, typische Werte liegen dabei
in einem Bereich von 2 µm×2 µm bis 15 µm×15 µm. Die Energie
der Laserpulse wird mit Hilfe eines Abschwächers 16 reguliert.
In Abhängigkeit vom eingestellten W(CO)6-Druck in der Kammer 1,
der Energie der Laserpulse und der Substratoberfläche selber
wird die bestrahlte Probenoberfläche entweder lokal abgetragen
oder mit einer Wolframschicht belegt.
Gemäß Fig. 2 befindet sich auf dem Halbleitersubstrat 20 als
leitende Struktur 22 eine Aluminiumleitbahn, darüber als UV
transparente Isolationsschicht 21 eine Siliziumdioxidschicht
von etwa 1 µm Dicke. Bei der folgenden Einstellung der Prozeß
parameter wird die SiO2-Schicht mit Hilfe des Laserstrahls 23
in etwa zwei Minuten abgetragen, anschließend scheidet sich
auf dem freiliegenden Al eine Wolfram-Schicht 24 ab.
W(CO)₆-Druck: | |
0,4 mbar | |
Laser-Pulsenergie: | 1,2 µJ |
Pulsfrequenz: | 50 Hz |
Laser-Wellenlänge: | 193 nm |
bestrahlte Fläche: | 12 µm×12 µm. |
Die Aluminiumstruktur wird durch diesen Prozeß nicht angegrif
fen, da die Pulsenergie des Lasers zu schwach ist. Für das
Aufwachsen einer Wolframschicht kann es vorteilhaft sein, die
Laserpulsenergie auf etwa 0,7 µJ abzusenken und den W(CO)6-
Druck auf etwa 1 bis 2 mbar zu erhöhen, die Abscheiderate be
trägt dann etwa 200-250 nm pro Minute.
Durch Streustrahlung des Lasers findet im allgemeinen eine
langsame Wolframabscheidung in der Umgebung der freigelegten
Al-Struktur statt, d. h. auf der Oxid-Oberfläche. Dies kann
vorteilhaft sein, da dadurch bei einigen Analysemethoden stö
rende Aufladungserscheinungen verringert werden.
Dem Abtrag der Siliziumoxydschicht gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren liegt folgender Mechanismus zugrunde: Zunächst wird
auf der aus Siliziumoxid bestehenden Oberfläche eine metall
haltige Oberflächenschicht durch photolytische Zersetzung der Metallverbindung
in der Gasphase abgeschieden, im Ausführungsbeispiel also eine
wolframhaltige Schicht. Dies führt zu einer erhöhten Absorption
der Laserstrahlung und damit zu einem Aufheizen der Oberfläche.
Wenn nach einer Anzahl von Laserpulsen, typischerweise 2 bis
5, genügend Energie absorbiert werden kann, wird Material,
nämlich Wolfram und Siliziumoxid, durch den nächsten Laserpuls
abgetragen. Es liegt wieder eine aus Siliziumoxid bestehende
Oberfläche vor, und der Vorgang beginnt von neuem, bis das ge
samte Siliziumoxid abgetragen ist. Auf der dann freigelegten
leitenden Struktur findet dann eine photolytische Abscheidung
von Wolfram aus Wolframcarbonyl statt, wie sie aus der Litera
tur bekannt ist (s. z. B. R. Solanki, Solid State Technology,
Juni 1985, Seiten 220-227).
Für das erfinderische Verfahren ist erkennbar nur die UV-Trans
parenz der Isolationsschicht von Bedeutung, nicht dagegen de
ren chemische Zusammensetzung wie bei den bekannten photolyti
schen Abtragungsprozessen. Daher ist das Verfahren auch z. B.
für Kombinationen von UV-transparenten Isolationsschichten an
wendbar. Ferner können andere gasförmige Metallverbindungen
eingesetzt werden, aus denen eine photolytische Abscheidung
von Metall möglich ist, solche sind beispielsweise aus dem
obengenannten Artikel von R. Solanki bekannt.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von Kontakten auf einer mit einer UV-transparen
ten Isolationsschicht (21) bedeckten leitenden Struktur (22)
auf einem Halbleitersubstrat (2, 20) in einer Vakuumkammer (1),
bei dem eine gasförmige Metallverbindung (7) in die Vakuumkammer
eingeleitet wird und in einem ersten Schritt:
- - die Isolationsschicht (21) mit einem Laserstrahl (23) mit einer im UV-Bereich liegenden Wellenlänge bestrahlt wird,
- - auf der bestrahlten Oberfläche der Isolationsschicht (21) aus der gasförmigen Metallverbindung eine metallhaltige Schicht gebildet wird, welche im Wellen längenbereich des Laserstrahls (23) strahlungsabsorbierend ist, und durch Absorption der Strahlungsenergie in der me tallhaltigen Schicht diese einschließlich eines Teils der darunterliegenden Isolationsschicht (21) abgetragen wird, bis die leitende Struktur (22) freigelegt ist,
und in einem anschließenden zweiten Schritt:
- - die freigelegte Struktur (22) mit dem Laserstrahl (23) bestrahlt wird, so daß aus der gasförmigen Metallverbindung eine metallische Schicht (24) pho tolytisch abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
die Laserleistung, der Druck der gas
förmigen Metallverbindung und die bestrahlte Fläche im ersten
und zweiten Schritt unverändert bleiben.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
die Laserleistung, der Druck der gas
förmigen Metallverbindung und/oder die Fläche im zweiten Schritt
gegenüber dem ersten Schritt verändert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
Wolframhexacarbo
nyl als gasförmige Metallverbindung (7) unter Verwendung eines
Trägergases (9) eingeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem
zur Erzeugung des Laser
lichts (23) ein gepulster ArF-Laser (12) mit einer Wellenlänge
von etwa 193 nm verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
die Oberfläche des Halblei
tersubstrats (2, 20) auf einer Fläche von 2 µm×2 µm bis
15 µm×15 µm mit dem Laserlicht (23) bestrahlt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem
die Parameter innerhalb
folgender Bereiche gewählt werden:
Druck der gasförmigen Metallverbindungen:
0,1-5 mbar
Energie der Laserpulse: 0,5-20 µJ
Frequenz der Laserpulse: 20-100 Hz
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