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.

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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.

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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.

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

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