WO2004008520A1 - Verfahren zur metallstrukturierung mittels kohlenstoff-maske - Google Patents

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    • H10P50/00—Etching of wafers, substrates or parts of devices
    • H10P50/71—Etching of wafers, substrates or parts of devices using masks for conductive or resistive materials

Definitions

  • the invention relates to a method for metal structuring, in which at least one corrosion-intensive metal layer is deposited on a Si substrate by means of a deposition method, on which an etching mask is subsequently produced by means of a photolithographic structuring method using a resist and then by the etching mask by means of etching, preferably by plasma etching, the metal layer is structured.
  • Resist masks of this type define the structures for the etching process, for example the spatial limitation of metal structures.
  • a resist layer is first applied to the substrate and the resist mask is then structured using conventional photolithographic structuring methods (for example DUV, i-line, ).
  • a w / resist mask is used which is suitable for aser direct writing systems or for electron beam lithography.
  • the resist masks described can then in turn be used to structure the functional layer located under the resist mask.
  • Functional layers of this type which have been applied to a substrate in preparatory process steps, can be doped or undoped PolySi layers, Sio2 layers, metal layers and other required functional layers.
  • an erosion of the etching mask cannot be prevented due to a lack of sufficient selectivity.
  • a metal etching e.g. Executed in an Al or AlCu layer
  • sufficient passivation of the already etched structures must be ensured at the same time during the etching process.
  • a side wall passivation can be achieved in the already etched metal structures due to the by-products, in particular carbon compounds, which arise during the etching process.
  • This passivation is based on the resist as a carbon source and is supported by additives in the etching gas atmosphere, such as N2, CHF3, CH4.
  • the passivation is necessary in order to protect the already etched Al structures from further undesired corrosion by the etching media during the etching process, which proceeds further into the depth of the metal layer.
  • the maximum height of the metal layer, which has to be completely etched through, is strictly limited by the thickness of the resist mask.
  • this resist mask is also etched or eroded during the etching process, so that the depth of the metal etching is mainly determined by the thickness of the resist mask.
  • the thickness of the resist mask is limited by other facts, such as the process window for the lithography and the stability.
  • Such hard masks exist for for example made of SiO, SiON, W, TiN, or combinations of these materials.
  • the hard masks have a significantly higher selectivity compared to the usual resist masks, as a result of which, compared to resist masks, significantly deeper etching trenches can be achieved in metal layers depending on further etching parameters.
  • the necessary side wall passivation can be better realized with resist masks, since these supply the required carbon during the etching process. It has also been shown that carbon-rich processes, e.g. due to the passivating effect, are particularly advantageous with regard to the defect density.
  • hard masks cannot supply the carbon required for the side wall passivation.
  • this became particularly critical in connection with sputtered Al layers in that an increase in corrosion damage occurred.
  • the carbon required for the sidewall passivation in Al etching cannot be extracted by gases, e.g. CH4, feed, at least oppose the technological barriers.
  • a method for etching structures has become known from US Pat. No. 5,981,398-A, in which a hard mask is first produced by means of a photoresist and the known photolithographic methods, which are then used for structuring a blanket target layer is used.
  • the hard mask In order to be able to carry out the etching process with a plasma containing chlorine, the hard mask consists of materials which consist of the group of SOG materials (silesquioxane spin-on-glass) and amorphous carbon materials.
  • This hard mask layer is first on the layer to be structured, which can be a metal layer, by chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) or also HDP-CVD (high density plasma chemical vapor deposition) deposited and then a resist layer on this.
  • An ARC layer (anti-reflection layer) or a buffer layer will also be arranged between the metal layer and the hard mask layer.
  • the ARC layer can be a dielectric Sio2 layer.
  • the photoresist is subsequently structured into a first mask using one of the known photolithographic methods.
  • the hard mask can then be structured with a fluorine-containing first plasma, so that a second etching mask is formed.
  • the subsequent structuring of the metal layer is then carried out with a chlorine-containing plasma with high selectivity to the hard mask, so that even thicker metal layers (target layer) can be etched with the comparatively complex process.
  • the thickness of the hard mask can be significantly less than the thickness of the target layer.
  • the disadvantage here is that several etching steps with different etching parameters have to be carried out.
  • the amorphous carbon-containing hard mask layer which has been deposited by the HDP-CVD process, serves simultaneously as a carbon source and for the realization of an oxygen-containing etching plasma.
  • the invention is based on the object of creating a simplified method for metal structuring, in particular for structuring AL-containing metal layers, with which sufficient passivation of the etched metal structures is ensured by simple means during the etching process.
  • the object on which the invention is based is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that a hard layer in the form of a carbon layer and on which the resist is deposited, that after the structuring of the resist layer, the carbon layer is structured by stripping to form a carbon mask, that the metal etching is then carried out with simultaneous sidewall passivation with the carbon mask defining the structures, and that the masks are then stripped.
  • SiCH silicon carbide
  • SiOC silicon oxycarbide
  • a w / cap layer can also be deposited between the carbon layer and the resist.
  • the hard mask according to the invention now fulfills several functions by first defining the structures to be etched and at the same time providing a rich carbon source for the sidewall passivation of the etched metal structures. A suitable protection by the side wall passivation is compared to the otherwise commonly used hard masks, such as SiO, SiON ... achieved so that the well-known AL corrosion problems are avoided.
  • a significant simplification of the metal structuring is also achieved in that the additional etching stop layer, e.g. a dielectric ARC layer can be omitted if the hard mask is made of SiCH, since this layer is sufficiently oxygen-resistant.
  • the additional etching stop layer e.g. a dielectric ARC layer can be omitted if the hard mask is made of SiCH, since this layer is sufficiently oxygen-resistant.
  • a stack built up on a Si substrate consisting of a carbon hard mask and a w / cap layer located thereon and one on top this resist located;
  • AlCu metal layer 2 has been deposited on the Si substrate 1 by means of a conventional CVD method.
  • This metal layer 2 consists of a stack of a thin layer Ti (around 50 nm), an AlCu layer around 1000 nm, on which there is a thin TiN layer (around 40 nm).
  • the metal layer 2 can also consist of a stack of a very thin layer Ti (around 10 nm), a thicker layer AlCu (around 400 nm), another very thin Ti layer (around 5 nm) and a TiN layer (around 40 nm) exist.
  • a carbon layer 3 with a thickness of around 200 to 500 nm, on which in turn a w / cap layer 4 (SiON) and a resist 5 above.
  • the w / cap layer 4 serves as a stop layer in lithography.
  • FIG. 2 shows the layer structure according to FIG. 1 after the resist 4 has been structured photolithographically, for example by means of DUV, i-line, .. Then the w / cap layer 4 and the underlying carbon layer 3 can be etched in-situ, ie simultaneously. The result is the hard mask shown in FIG. 3, which is used directly for structuring the metal layer 2 by metal etching.
  • the etching trench 6 extends into the substrate 1. On the passivated side walls of the metal layer 2.
  • etching residues 7 present in the etching trenches can e.g. can be removed by wet chemistry (FIGS. 4, 5).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallstrukturierung, bei dem auf einem Si-Substrat (1) mittels Abscheide-Verfahren wenigstens eine Metallschicht (2) Z.B.aus Aluminium abgeschieden wird, auf der nachfolgend eine Ätzmaske erzeugt wird und anschliessend mittels Ätzen, vorzugsweise durch Plasmaätzen, die Metallschicht strukturiert wird. Durch die Erfindung soll ein vereinfachtes Verfahren zur Metallstrukturierung geschaffen werden, mit dem mit einfachen Mitteln während der Ätzprozesses eine ausreichende Passivierung der geätzten Metallstrukturen sichergestellt wird. Erfindungsgemäss wird dazu auf der bereits abgeschiedenen und zu strukturierenden Metallschicht (2) zunächst eine Hard- Mask-Schicht in Form einer Kohlenstoffschicht (3) und auf dieser Resist (5) abgeschieden und nach der Strukturierung des Resists die Kohlenstoffschicht durch Strippen zu einer Kohlenstoffmaske strukturiert. Danach wird mit der die Strukturen definierenden Kohlenstoffmaske die Metallätzung der Metallschicht bei gleischzeitiger Seitenwandpassivierung ausgeführt und anschliessend die Masken gestrippt.

Description

Verfahren zur Metallstrukturierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallstrukturierung, bei dem auf einem Si-Substrat mittels Abscheide-Verfahren wenigstens eine korrosionsintensive Metallschicht abgeschieden wird, auf der nachfolgend eine Ätzmaske durch fotolithografi- sche Strukturierungsverfahren unter Verwendung eines Resists erzeugt wird und anschließend durch die Ätzmaske mittels Ätzen, vorzugsweise durch Plasmaätzen, die Metallschicht strukturiert wird.
Die klassische Metallätzung in der Halbleiterindustrie erfor- dert die Verwendung einer geeigneten Resist-Maske. Derartige Resist-Masken definieren die Strukturen für den Ätzvorgang, z.B. die räumliche Begrenzung von Metallstrukturen. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Resist-Schicht auf dem Substrat aufgebracht und die Resist-Maske danach mit üblichen fotolithografi- sehen Strukturierungsverfahren (z.B. DUV, i-line, ... ) strukturiert. Zu Realisierung besonders geringer Strukturbreiten wird eine w/-Resist Maske verwendet, die für aser-Direkt- Schreibsysteme oder die Elektronenstrahlen-Lithographie geeignet sind. Die beschriebenen Resist-Masken können dann ihrer- seits zur Strukturierung der unter der Resist-Maske befindlichen Funktionsschicht eingesetzt werden. Derartige Funktionsschichten, die in vorbereitenden Prozessschritten auf ein Substrat aufgebracht worden sind, können dotierte oder undotierte PolySi-Schichten, Sio2-Schichten, Metallschichten sowie weitere erforderliche Funktionsschichten sein. Während des Ätzvorganges, der beispielsweise durch Plasmaätzen in einer geeigneten Atmosphäre ausgeführt wird, ist allerdings mangels einer ausreichenden Selektivität eine Erosion der Ätz- maske nicht zu verhindern.
Wird eine Metallätzung z.B. in einer AI- oder AlCu-Schicht ausgeführt, muss während des Ätzvorganges gleichzeitig für eine ausreichende Passivierung der bereits geätzten Strukturen ge- sorgt werden. Durch die während des Ätzvorganges entstehenden Nebenprodukte, insbesondere Kohlenstoffverbindungen, kann eine Seitenwandpassivierung in den bereits geätzten Metallstrukturen erreicht werden. Diese Passivierung basiert auf dem Resist als Kohlenstoffquelle und wird durch Zusätze in der Ätzgasatmosphä- re, wie N2, CHF3 , CH4 unterstützt.
Die Passivierung ist notwendig, um die bereits geätzten AI- Strukturen vor einer weiteren unerwünschten Korrosion durch die Ätzmedien während des weiter in die Tiefe der Metallschicht fortschreitenden Ätzvorganges zu schützen.
Wegen der geringen Selektivität des Ätzvorganges gegenüber dem Metall wird die maximale Höhe der Metallschicht, die vollständig durchgeätzt werden muss, durch die Dicke der Resist-Maske streng begrenzt.
Diese Resist-Maske wird, wie bereits ausgeführt, während des Ätzvorganges ebenfalls abgeätzt bzw. erodiert, so dass die Tiefe der Metallätzung hauptsächlich durch die Dicke der Resist- Maske bestimmt wird. Die Dicke der Resist-Maske wiederum wird durch andere Fakten, wie das Prozessfenster für die Lithographie und die Stabilität, begrenzt.
Diese Probleme haben zur Entwicklung und die praktische Nutzung von Hard-Masken zur Definition der Strukturen beim AL- tzen geführt. Solche gegenwärtig genutzten Hard-Masken bestehen bei- spielsweise aus SiO, SiON, W, TiN, oder Kombinationen dieser Materialien.
Die Hard-Masken besitzen einerseits gegenüber den üblichen Re- sist-Masken eine deutlich höhere Selektivität, wodurch gegenüber Resist-Masken deutlich tiefere Ätzgräben in Metallschichten in Abhängigkeit von weiteren Ätzparametern erreicht werden können. Andererseits lässt sich die notwendige Seitenwandpassi- vierung mit Resist-Masken besser realisieren, da diese während des Ätzvorganges den benötigten Kohlenstoff liefern. Es hat sich auch gezeigt, dass kohlenstoffreiche Prozesse, z.B. bedingt durch die passivierende Wirkung, besonders vorteilhaft in Bezug auf die Defektdichte sind.
Der besondere Nachteil der Hard-Masken ist darin zu sehen, dass diese den für die Seitenwandpassivierung benötigten Kohlenstoff nicht liefern können. Insbesondere wurde das in Verbindung mit gesputterten AI-Schichten besonders kritisch, indem eine Häufung von Korrosionsschäden auftrat. Auch lässt sich der für die Seitenwandpassivierung beim Al-Ätzen benötigte Kohlenstoff nicht durch Gase, z.B. CH4, zuführen, jedenfalls stehen dem technologische Schranken entgegen.
Aus der US-5 981 398-A ist ein Verfahren zum Ätzen von Struktu- ren bekannt geworden, bei dem zunächst eine Hard-Maske mittels eines Fotoresists und der bekanten fotolithografischen Verfahren erzeugt wird, die dann zur Strukturierung einer Deckschicht (blanket target layer) verwendet wird.
Um den Ätzvorgang mit einem Chlor enthaltenden Plasma durchführen zu können, besteht die Hard-Maske aus Materialien, die aus der Gruppe der SOG-Materialien (silesquioxane spin-on-glas) und amorphen Kohlenstoffmaterialien bestehen. Diese Hard-Masken- Schicht wird zunächst auf der zu strukturierenden Schicht, die eine Metallschicht sein kann, durch chemische Dampfphasen- Abscheidung (CVD) , physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder auch HDP-CVD (high density plasma chemical vapor deposition) abgeschieden und auf dieser dann anschließend eine Re- sistschicht. Zwischen der Metallschicht und der Hard-Masken- Schicht wird zusätzlich eine ARC-Schicht (Antireflexions- schicht) oder eine Pufferschicht angeordnet werden. Die ARC- Schicht kann eine dielektrische Sio2-Schicht sein.
Der Fotoresist wird nachfolgend mit einem der bekannten fotolithographischen Verfahren zu einer ersten Maske strukturiert. Mit einem Fluor enthaltenden ersten Plasma kann danach die Hard-Maske strukturiert werden, so dass eine zweite Ätzmaske ausgebildet wird. Die nachfolgenden Strukturierung der Metallschicht wird dann mit einem Chlor enthaltenden Plasma mit hoher Selektivität zur Hard-Maske ausgeführt, so dass mit dem ver- gleichsweise aufwändigen Verfahren auch dickere Metallschichten (target layer) geätzt werden können. Die Dicke der Hard-Maske kann dabei deutlich unter der Dicke der Target-Layer liegen. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass mehrere Ätzschritte mit unterschiedlichen Ätzparametern ausgeführt werden müssen.
Die amorphen Kohlenstoff enthaltende Hard-Mask-Schicht, welche durch das HDP-CVD-Verfahren abgeschieden worden ist, dient gleichzeitig als Kohlenstoffquelle und zur Realisierung eines sauerstoffhaltigen Ätzplasmas.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Metallstrukturierung, insbesondere zur Strukturierung von AL-enthaltenden Metallschichten, zu schaffen, mit dem mit einfachen Mitteln während des Ätzprozesses ei- ne ausreichende Passivierung der geätzten Metallstrukturen sichergestellt wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf der bereits abgeschiedenen und strukturierenden Metallschicht zunächst eine Hard-Schicht in Form einer Kohlenstoffschicht und auf dieser der Resist abgeschieden wird, dass nach der Strukturierung der Resistschicht die Kohlenstoffschicht durch Strippen zu einer Kohlenstoffmaske strukturiert, dass danach mit der die Strukturen definierenden Kohlenstoffmaske die Metallätzung bei gleichzeitigen Seitenwandpassivierung ausgeführt wird und dass anschließend die Masken gestrippt werden.
Für die KohlenstoffSchicht wird reiner Kohlenstoff bevorzugt, wobei auch Siliziumcarbid (SiCH) oder Silizium Oxycarbid (SiOC) verwendet werden, wobei SiCH verwendet werden kann.
Zwischen der Kohlenstoffschicht und dem Resist kann zusätzlich eine w/ cap-Schicht abgeschieden werden.
Die besonderen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass die Hard-Maske erfindungsgemäß nunmehr mehrere Funktionen erfüllt, indem zunächst die zu ätzenden Strukturen definiert werden und gleichzeitig eine ergiebige Kohlenstoffquelle für die Seitenwandpassivierung der geätzten Metallstrukturen bereitge- stellt wird. Ein geeigneter Schutz durch die Seitenwandpassivierung wird gegenüber den sonst üblicherweise verwendeten Hard-Masken, wie z.B. SiO, SiON ... erreicht, so dass die bekannten AL-Korrosionsprobleme vermieden werden.
Eine deutliche Vereinfachung der Metallstrukturierung wird weiterhin auch dadurch erreicht, dass die sonst zusätzlich erforderliche Ätzstopp-Schicht, z.B. eine dielektrische ARC-Schicht, entfallen kann, wenn die Hard-Maske aus SiCH besteht, da diese Schicht ausreichend Sauerstoffresistent ist.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: einen auf einem Si-Substrat aufgebauten Stapel, be- stehend aus einer Kohlenstoff-Hard-Maske und einer darüber befindlichen w/ cap Schicht und einem auf dieser befindlichen Resist;
Fig. 2: den Stapel nach der Lithographie mit dem strukturierten Resist;
Fig. 3: den Stapel nach der Öffnung der Hard-Maske und der w/ cap Schicht;
Fig. 4: den Stapel nach der Metallätzung mit einem rest der Hard-Maske und eine Polymerschicht in den Ätzgräben;
Fig. 5: den Stapel nach dem Strippen der Hard-Maske; und
Fig. 6 den Stapel mit strukturierter Metallschicht nach der Entfernung des Polymers.
In Fig. 1 ist ein zu strukturierender Schichtaufbau auf einem Si-Substrat 1 schematisch dargestellt. Auf dem Si-Substrat 1 ist eine AlCu-Metallschicht 2 mittels eines üblichen CVD- Verfahrens abgeschieden worden. Diese Metallschicht 2 besteht aus einem Stack aus einer dünnen Schicht Ti (um 50 nm) , einer um 1000 nm dicken AlCu Schicht, auf der sich eine dünne TiN- Schicht (um 40 nm) befindet. Alternativ kann die Metallschicht 2 auch aus einem Stack aus einen sehr dünnen Schicht Ti (um 10 nm) , einer dickeren Schicht AlCu (um 400 nm) , eine weiteren sehr dünnen Ti-Schicht (um 5 nm) und einer TiN-Schicht (um 40 nm) bestehen.
Auf dieser Metallschicht 2 befindet sich eine Kohlenstoff- schicht 3 mit einer Dicke um 200 ... 500 nm, auf der wiederum eine w/ cap Schicht 4 (SiON) und darüber ein Resist 5. Die w/ cap - Schicht 4 dient als Stoppschicht bei der Lithographie.
Fig. 2 zeigt den Schichtaufbau nach Fig. 1 nachdem der Resist 4 fotolithographisch, z.B. mittels DUV, i-line,.., strukturiert worden ist. Anschließend kann die w/ cap - Schicht 4 und die darunter liegende KohlenstoffSchicht 3 in-situ, d.h. gleichzeitig, geätzt werden. Das Ergebnis ist die in Fig. 3 dargestellte Hard-Maske, die unmittelbar zur Strukturierung der Metallschicht 2 durch Metallätzen.
In Fig. 4 ist der Schichtaufbau nach der Metallätzung dargestellt, wobei die Metallschicht 2 vollkommen durchgeätzt worden ist. Der Ätzgraben 6 reicht bis in das Substrat 1. Auf den pas- sivierten Seitenwänden der Metallschicht 2.
Nachfolgend wird der Rest der Kohlenstoffschicht 3 in-situ gestrippt. Eventuell vorhandene Ätzrückstände 7 in den Ätzgräben können z.B. nasschemisch entfernt werden (Fig. 4, 5).
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren fertiggestellte Metallstruktur zeigt schließlich Fig. 6.
Verfahren zur Metallstrukturierung
Bezugszeichenliste
Substrat
AlCu-Metallschicht
Kohlenstoff w/ cap layer
Resist
Ätzgraben
Ätzrückstände

Claims

Verfahren zur MetallstrukturierungPatentansprüche
1. Verfahren zur Metallstrukturierung, bei dem auf einem Si- Substrat mittels Abscheide-Verfahren wenigstens eine korrosionsintensive Metallschicht abgeschieden wird, auf der nachfolgend eine Ätzmaske durch fotolithografische Strukturierungsverfahren unter Verwendung eines Resists erzeugt wird und an- schließend durch die Ätzmaske mittels Ätzen, vorzugsweise durch Plasmaätzen, die Metallschicht strukturiert wird, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass auf der bereits abgeschiedenen und zu strukturierenden Metallschicht (2) zunächst eine Hard-Schicht in Form einer KohlenstoffSchicht (3) und auf die- ser der Resist (5) abgeschieden wird, dass nach der Strukturierung des Resists (5) die KohlenstoffSchicht (3) durch Strippen zu einer Kohlenstoffmaske strukturiert, dass danach mit der die Strukturen definierenden Kohlenstoffmaske die Metallätzung der Metallschicht (2) bei gleichzeitiger Seitenwandpassivierung ausgeführt wird und dass anschließend die Masken gestrippt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, dass die KohlenstoffSchicht (3) aus reinem Kohlenstoff besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die KohlenstoffSchicht (3) aus Silizium- carbid (SiCH) hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kohlenstoffschicht (3) aus Silizium Oxycarbid (SiOC) hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen der Kohlenstoff- schicht (3) und dem Resist (5) eine w/ cap-Schicht (4) abgeschieden wird.
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