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.

Unbenat

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

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Picket Fences … ?

Jeder Prozessingenieur , der mit Halbleitertechnologie befasst ist, kennt das Problem, doch Beiträge sind selten im Internet zu finden.

Die Sprache ist von den sogenannten „fences“ oder auch „crowns“, die als Rückstände nach der Strukturierung vom Metall oder Dieelektrikumsschichten zu sehen sind.

FencesBild 1: besonders dichte zusammenhängende Seitenwände an den Leiterbahnen

Wie kommen diese Gebilde zustande, und woraus bestehen sie? Gefährden solche Reste das Prozessergebnis?

Fences oder Crowns sind die übriggebliebene Seitenwandpassivierung¹, die beim Trockenätzen im Plasma für die lateral nahezu verlustfreie Übertragung des Lackmasses ins Ätzmass ins Metall sorgt (im idealen Fall).

Um die Ätzmaske zu entfernen, folgt ein durchaus gründlicher Ablackschritt – warum bleiben trotzdem solche Gebilde nach dem „Resist-Strip“ noch übrig?

Sie bestehen zu einem sehr großen Anteil des Lackes, also Polymere, die mit den Bestandteilen der zu ätzenden Schicht (z.B. AlSiCu), des eingesetzten Gase (z.B. Chlor und Bortrichlorid), des angeätzten Untergrundes (z.B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid) sowie ihrer möglichen Kombinationen.

Mit dem einfachen „Ablacken“, einem Trockenätzvorhang , bei dem der überwiegende Anteil des Prozessgases Sauerstoff ist, werden lediglich die reinen Polymere verascht, nicht jedoch die „Fences“, weil sie weitaus ätzresistenter sind.

Sollte sich unter der zu ätzenden Schicht noch eine sogenannte Diffusions-Barriere, oder eine Haftvermittlungslage (meist Titan/Titiannitrid) befinden, die auch geätzt werden muss, entstehen besonders widerstandsfähige Seitenwände bzw. „Fences“.

Wie lassen sich diese „fences“ entfernen ?

Eine chemische Auflösung dieser „fences“ ist kaum möglich. Was bleibt, ist die Praxis, mithilfe einer alkalischen Lösung, die Zwischenräume der „fences“ und des Metalls zu unterkriechen, eine Art lift-off der Reste.  Einer der Hersteller für solche Reinigungschemikalien ist die Firma EKC Technology, die mehrere Produkte, je nach Anwendungsfall zur Verfügung stellt. Diese Plasmaätz-nachbehandlungsmittel bestehen aus Wasser, Alkanolamin, Katechol und Hydroxylamin. Sie sind gesundheitlich nicht ganz unbedenklich. Bitte hierzu das jeweilige Sicherheitdatenblatt beachten !

fences nach Nassbehandlung

Bild 2: Abgeschälte Seitenwände bzw. Polymerreste

Aber auch dieser nasschemische „Reinigungsschritt“  hat seine Tücken. Diese Produkte besitzen einen pH-Wert über 11 und können die korrosionsanfälligen Materialien wie Aluminiumverbindungen wie z. B. AlSiCu-,  oder Titannitrid- und Titan-Wolframschichten anätzen. Die genauen Prozessparameter sind zu beachten und für den jeweiligen Prozess zu optimieren. Wird dies nicht berücksichtigt, so kann der Fall eintreten, dass die Reste zwar entfernt wurden, das CD-Mass jedoch stark gelitten hat, weil das Metall ebenfalls angeätzt wurde.

Deshalb folgende Empfehlung:

Nach dem Einsatz dieses Lösungsmittels, einer IPA-Spülung, um die Reaktion zu stoppen und einer anschliessenden Wassernachbehandlung sind meist die „fences“ entfernt. Sollten es jedoch besonders hartnäckige „fences“  sein und auf der Waferoberfläche noch haften, hilft ein zusätzliches Sauerstoffplasma im Ablacker.

restefrei nach Nassbehandlung und O2-Schritt

Bild 3: Saubere Strukturen (Leiterbahnen) selbst auf topographisch schwierigem Untergrund.

Als ein gutes Inspektionstool für die Mikrostrukturierung hat sich ein CD-SEM erwiesen, mit dem man sowohl das CD-Mass als auch die Restefreiheit kontrollieren kann.

¹Seitenwandpassierung ist ein essentielles Merkmal der Mikrostrukturierungsprozesse mittel RIE-Ätzen. Sie verbessert die Anisotropie des Vorgangs durch Schutz der während der Ätzung freigelegten Seitenwände mittels Polymeren, die durch den gleichzeitigen Abtrag der Resistmaske entstehen.