Schichtabscheidung via PVD: Der Teufel steckt im Detail …

Das Grundprinzip, nach dem Schichten mit PVD-Abscheidung erzeugt werden können, wurde bereits erklärt.

Der Teufel steckt aber, wie immer im Detail – das macht auch den Unterschied zwischen Theorie und Praxis aus.

  • Zuerst muss man sich darüber im Klaren sein, wofür die Schicht oder auch ein Gefüge aus Einzellagen zum Einsatz kommen soll.
  • Das Mass an Anforderungen an den Prozess und damit auch die benötigte Anlagentechnik wird wesentlich davon bestimmt.
  • Es gibt sehr unterschiedliche Anwendungen für PVD-Schichten, für die eine Optimierung des Grundprozesses Vorraussetzung ist.
  1. Hilfs-Layer – nicht permanent oder permanent auf dem Substrat
  2. Veredelungs-Layer als Finish
  3. Schicht als Schritt in einer Prozessfolge
  4. Schichtgefüge aus mehreren Lagen unterschiedlichen Materials, die unmittelbar hintereinander aufgebracht werden

Alle Schichten können auch reaktiv erzeugt werden, d.h. dem Sputtergas wird eine chemisch wirksame Komponente beigefügt, z.B. N oder O.

Anforderungen im Einzelnen:

Hilfslayer sind häufig Opferschichten, die als vorrübergehende Abdeckung/Schutz oder Haftvermittler für weitere Prozessschritte dienen. Deren wichtige Eigenschaften liegen meistens im optischen Bereich, und einer genügenden Dichtigkeit bereits bei dünnen Lagen. Häufig ist es z.B. irrelevant, welchen elektrischen Widerstand sie aufweisen.

  • Gute Haftung zum Untergrund
  • Dichtigkeit gegenüber einem Ätzreagenz
  • optische Dichte, Reflektivität
  • Entfernbarkeit, ohne Reste und Schädigung des Substrates
  • Anlagenparameter die das stabile Abscheiden von sehr dünnen Lagen im nm-Bereich erlauben

Veredelungs-Schichten sollen ihre gewünschten Eigenschaften im optischen und mechanischen Bereich aufweisen – z.B. Antireflexions-Vergütungen oder härtende und passivierende Überzüge. Es ist der häufigste Anwendungbereich für reaktiv abgeschiedene Schichten, z.B. TiN oder WC. Auch dekorative Layer für Schmuck fallen in diese Kategorie.

Charakteristika:

  • Dichtigkeit gegenüber korrosiven Einflüssen
  • Gute Haftung zum Untergrund
  • optische Dichte,
  • Reflektivität,
  • Farbe
  • Niedrige Schichtspannung
  • Abriebfestigkeit
  • Einstellbare Textur

Schichtabscheidung als Einzelschritt einer Prozessfolge, um eine Komponente des späteren Produkts zu generieren. Der einfachste Fall ist die oben erwähnte Finish-oder Vergütungs-Schicht.

Meistens werden aber mehrere Lagen auch unterschiedlichen Materials aufgebracht, die dann noch strukturiert werden. Diese Anwendung des PVD-Abscheidens ist einer der Kernprozesse im Halbleiter-Herstellungsverfahren, wobei PVD hier zur Deposition von leitenden Schichten verwendet wird. Deren Merkmale und Herausforderungen werden in dieser Artikelserie auch den Schwerpunkt bilden. Als Material für solche Schichtsysteme kommen in erster Linie alle für den Gesamtprozess verträglichen Metalle in Frage.

Einfachste Anordnung: Metalllage auf oxidierter Oberfläche oder einem anderen Isolator, sie wird dann strukturiert, um ein Leitbahnnetz zu erzeugen.

Regelfall: Metallschicht, die strukturiert werden und dann über Vias in einer isolierenden Zwischenlage zu einer weiteren Metalllage elektrischen Kontakt herstellen soll (z.B: Metall 1/2 bei einem CMOS – Prozess).

Schichtgefüge: Elektrisch verbindende Diffusionsbarriereschicht, die zwischen Halbleitermaterial und der ersten Leitbahnschicht eingebracht wird. Sie verhindert das unerwünschte Durchlegieren zwischen Metall und Halbleiter, da Si und das häufig verwendete Aluminium eine gegeseitige Löslichkeit besitzen. Bei hoher Stromdichte in z.B. Kontaktlöchern wird führt dieser Effekt zu Kontaktloch-Elektromigration, welche Kurzschlüsse verursachen kann.

Auf diese wird dann die eigentliche Leitbahnschicht aufgebracht.

Chrakteristische Merkmale solcher Schichten:

  • Gute Haftung zum Untergrund
  • Niedriger elektrischer Schichtwiderstand
  • Schichtdicken im Bereich von 10nm-1 µm.
  • Homogenität der Schichtdicke: Leiterbahnen dürfen z.B. nicht unterschiedliche Dicken aufweisen. Nachfolgende Strukturierungsprozesse brauchen ebenfalls gleichmässige Schichtstärken.
  • Stabilität der Schicht gegenüber thermischen und mechanischen Nachfolgeprozessen. Gefügestabilität: Fliess- bzw. Migrationsverhalten z.B. bei nachfolgenden Temperprozessen.
  • Niedrige Schichtspannung, bei falschen Parametern kann Ablösung erfolgen.
  • Leichte Entfernbarkeit ohne Reste zu hinterlassen, für nachfolgende Ätzprozesse wichtig.
  • Bei Diffusionsbarrieren ist ein wesentliches Merkmal die Dichtigkeit gegenüber Materialwanderung. Für solche Schichten muss häufig reaktiv abgeschieden werden, um ein Material mit der notwendigen Textur zu erzeugen. Hier finden sich häufig Verbindungen, wie sie schon bei den Veredelungsschichten erwähnt wurden.
  • Anpassung der Abscheidungsparameter an Substrate mit Topographie, z.B. das Verfüllen von Gräben und Löchern ohne Lunker.  Oder genug Seitenwandbedeckung ohne Abschatteffekte bei Lines&Spaces.

Im Folgenden werden die einzelnen technischen Methoden und deren Probleme und Randbedingungen ausführlicher beschrieben. Auch auf Anforderungen an die Anlagentechnik wird eingegangen.

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Animation:taffgoch

Jeder Einzelschritt muss sich harmonisch einfügen, sonst funktioniert die Prozessgesamtheit nicht.

 

Immer an der Wand lang: RIE-Ätzen von Al-Metallisierungen auf Chips

 

Ein paar Ausführungen zum Thema Aluminium-Trockenätzen

  • Das Ätzermantra: Seitenwandpassivierung

Zur Verwendung bei Mikrostrukturierungsprozessen kommt das sogenannte reaktive Ionenätzen-(RIE-Ätzung) Verfahren bzw. dessen Weiterentwicklung, das ICP (inductive couples plasma)-Verfahren. Bei dieser Technik werden meist Chlor und Bor-Trichlorid bei Unterdruck durch ein hochfrequentes Wechselfeld angeregt. Es bilden sich reaktive Ionen und Radikale, die dann mit Hilfe eines zusätzlichen elektrischen Feldes auf das Substrat beschleunigt werden (ähnlich den Vorgängen in einer Elektronenröhre). Die Ionen führen zu einer anisotropen Ätzung („in Vorwärtsrichtung“, während die Radikale beim Kontakt mit dem Oberflächenmaterial zu einer isotropen Ätzung (lateral) führen. Die Prozessdrücke befinden sich meist im Bereich von 3-10 mT. Damit wir überhaupt Aluminium bzw. dessen Legierungen mit Hilfe einer Plasma-Trockenätzanlage strukturieren können benötigen wir einen möglichst ätzresistenten Photoresist, der bei ~110 °C ausgeheizt wurde ( besser nutzt man ein DUV-Verfahren) und der während des Ätzens seine Form nicht verändert.

  • DUV (deep UV -Verfahren)

Hierbei wird der Photoresist bis zu 200 °C unter UV-Bestrahlung ausgeheizt, sodass der Photoresist keinerlei Lösungsmittel mehr in sich trägt und eine gewisse Nachvernetzung der Polymere stattfindet.

Beim Trockenätzen erfolgt also sowohl ein physikalischer als auch chemischer Angriff. Die „Kunst“ besteht nun darin, die Struktur im Photoresist möglichst genau ins darunterliegende Material, bei uns Aluminium, zu übertragen, ohne den Photoresist zu stark abzutragen, sonst würde die Resistmaske nicht bis zum Ende der Ätzung ausreichen, aber dennoch so viel Polymeranteil in das Prozessgas zu verbringen, dass dieser durch Rückdeposition eine geschlossene Seitenwand zur Passivierung der freigelegten Strukturen aufbauen kann.

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Das REM-Photo zeigt eine abgelackte Metallstruktur

In diesem Fall war die Seitenwandpassivierung an verschiedenen Stellen nicht geschlossen, so dass eine laterale Anätzung stattfinden konnte.

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Dieses REM-Photo zeigt den Extremfall einer nicht ausreichenden Seitenwandpassivierung. Man sieht eine vom Prozessgas (Chlor) schwammartig zerfressene Leiterbahn.  Teile der nach dem Trockenätzen übriggebliebenen Photoresistmaske liegen noch auf den Strukturen. .

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Dieses REM-Photo zeigt einen Extremfall:  Eine „BRÜCKE“, wie ich so ein Gebilde nenne, die auch dadurch entstanden ist, dass die Seitenwandpassivierung nicht ausgereicht hat.

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Dieses REM-Photo zeigt den Bruch einer AlSiCu-Leiterbahn, die auf einer Ti/TiN-Barriere sitzt. Auf der AlSiCu-Leiterbahn ist eine dünne Antireflektions-Schicht zu sehen.  Der nach dem Ätzen übriggebliebene Photoresist bildet die Decklage, Wie jedem REM-Präparator bekannt ist, zieht sich das duktile AlSiCu-Material leider gummiartig, während wir bei der Kante des Photoresists eine glatte Bruchfläche finden. Deutlich ist der seitliche Angriff der Chemie auf das Metall zu sehen. Es sind keinerlei Polymer-Seitenwände an den Rändern der Leiterbahn vorhanden.

  • Herausforderung Korrosion

Gerade bei Aluminium-Legierungen, die Kupferspuren enthalten ist ein Problem die Korrosion, wegen der Bildung mikroskopischer Lokalelemente. Sobald das Substrat ausserhalb der Prozesskammern der Ätzanlage mit der Luftfeuchte in Verbindung kommt, beginnt die Korrosion schlagartig, wenn noch aggressive Bestandteile der Ätzchemie vorhanden sind. Dies betrifft vor allem unzureichend abgelackte Metallstrukturen, da in den Polymerresten winzige „Taschen“ von Chlorgas gefangen sein können.

Unnannt

In den beiden REM-Bildern sind Leitbahnen zu sehen, bei denen der stehengebliebene Lack der Ätzmaske noch nicht entfernt wurde.  Die Folge ist heftige Korrosion, weil die übriggebliebene Seitenwandpassivierung nicht dicht genug ist, um einen Angriff durch Feuchte und Chlorrückstände zu verhindern. Dennoch sind solche Untersuchungen sehr wichtig, um die Restresistdicke auf den Leiterbahnen zu bestimmen und den Ätz-Prozess zu charakterisieren.

Uknannt

Durch geschickte Schrittfolgen, Optimieren des Chloranteils im Prozessgas, restefreies Ablacken und eine spezielle Nachbehandlung ist es jedoch möglich, Angriffsursachen vorab zu minimieren, sodass nur geringe Korrosion entsteht.

Unbenat

Trotz aller Bemühungen um Restefreiheit und zusätzlichen „post treatment“ Massnahmen lässt sich eine Mikro-Korrosion nicht immer ganz vermeiden.

Uenannt