DE4203804C2 - Verfahren zur Herstellung von Kontakten auf einer mit einer UV-transparenten Isolationsschicht bedeckten leitenden Struktur in höchstintegrierten Schaltkreisen - Google Patents

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.

Beispiel: Siliziumdioxid-Abtrag mit anschließender Wolframab­ scheidung

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