DE2722557A1

DE2722557A1 - Verfahren zum aufbringen von metallisierungsmustern auf einem halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE2722557A1
Application number: DE19772722557
Authority: DE
Inventors: Peter James Duke; Jerry Leff; Leo Calica Liclican; Mark Vernon Powell
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-06-14
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1977-12-22
Also published as: US4088490A; FR2394892A1; GB1522580A; JPS52153346A; JPS5653827B2; FR2394892B1

Description

Böblingen, 17. Mai ^L· - sa-cn/bb

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: SA 975 063

Vertreter:

Patentassessor

Dipl.-Phys. Hermann Schmandt Böblingen

Bezeichnung:

Verfahren zum Aufbringen von Metallisierungsmustern auf einem Halbleitersubstrat

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von zwei überlappenden Iietalliesierungsiaustern hoher Auflösung auf einem halbleitersubstrat mittels pnotolithographischer Prozesse, bei denen durch Aufbringen einer positiven Photolackschicht, Belichtung durch eine Maske und Herauslösen der belichteten Teile ein Photolackmuster gebildet wird, und nach dem Aufbringen der Metallisierung die unbelichteten Teile des Photolacks entfernt werden.

Bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen, wie Halbleiterbauelementen und magnetischen Blasenspeichern, ist es häufig notwendig, mehrere Schichten übereinander aufzubringen, die gegeneinander genau ausgerichtete Muster aufweisen. Beispielsweise ist es bei der Herstellung von magnetischen Blasenspeichern häufig notwendig, daß die schicht weisen Metallisierungen der Leiter genau ausgerichtet sind mit denjenigen der für die Fortschaltung notwendigen Leiter, durch welche die magnetischen Blasen in dem magnetischen Material weiterbewegt werden. In einem Artikel, der im IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 15, Nr. 6, Nov. 19^2 auf Seite 1826 veröffentlicht ist, wird eine Reihe von Maskierungsschritten und Ausrichtungen beschrieben, um eine solche Struktur des Bauelementes herzustellen.

Bei der Herstellung von magnetischen Blasenspeichern wurden Versuche unternommen, um zu verbesserten Fabrikationsverfahren zu gelangen, die keine extensive Benutzung von Masken mit hoher Auflösung notwendig machen und bei denen keine mehrfachen Maskierungsschritte erforderlich sind, die kritische Ausrichtungsprobleme mit sich bringen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Magnetics", Band MAG-9, Nr. 3, Sept. 1973, Seite 474, in einem Artikel von A. H. Bobeck beschrieben.

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Bei dem in diesem Artikel beschriebenen Verfahren wird versucht, mit einer einzigen Metallisierungsebene auszukommen. Es wird eine Schattenmaske benutzt, um den Abfühlbereich des magnetischen Blasenspeichers abzudecken, während der Aufbringung der Leitermetallisierungen, die für die verschiedenen Funktionen des Bauelementes und zur Stromversorgung des Abfühlbereichs erforderlich sind.

In der US-Patentschrift 3 873 313 ist ein Verfahren beschrieben zur Bildung eines Photolackmusters aus einer positiven Photolackschicht und einer negativen Photolackschicht, die zur Bildung von zwei Metallagen mit einem oder zwei Mustern dienen.

Die Verwendung eines doppelten Überzuges mit positivem Photolack ist beschrieben in einem Artikel in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 10, Nr. 12, Mai 1968, Seite 1865. Bei dem in diesem Artikel beschriebenen Verfahren wird die doppelte positive Photolackschicht dazu benutzt, ein einziges Muster herzustellen, das frei von nadelstichartigen Löchern ist. Dieses Verfahren ist nur für eine zweischichtige Metallisierung desselben Musters geeignet.

Bei einlagiger Metallisierung ist die erforderliche Auflösung höher als diejenige, die mit normaler Photolithographie erreicht werden kann. Infolgedessen sind kostspielige Ausrüstungen und Materialien erforderlich, z. B. Elektronenstrahl-, Gammastrahl-, UV-Belichtungseinrichtungen sowie Polymethylacrylat als Photolack, das für den allgemeinen Gebrauch ungeeignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren ,zum Aufbringen von zwei überlappenden Metallisierungsmustern anzugeben, die eine hohe Auflösung aufweisen, wobei die

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Photolackmasken ebenfalls eine hohe Auflösung haben müssen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zunächst mittels einer ersten Maske ein Photolackmuster für die erste Metallisierung gebildet wird, daß das gebildete Photolackmuster gebacken wird, derart, daß der Photolack gegen Belichtung unempfindlich wird, daß darüber mittels einer zweiten Maske ein Photolackmuster einer zweiten Metallisierung gebildet wird, und daß anschließend die erste Metallisierung und nach dem Entfernen des unbelichteten zweiten Photolackmusters die zweite Metallisierung aufgebracht

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand von in der Zeichnung , j erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. |

jEs zeigen: j

i i

JFign. 1-9 in Querschnittsdarstellungen, das mikroelek-

tronische Bauelement in verschiedenen Zu- , ständen während des Verfahrens. ,

Bei diesem Metallisierungsverfahren werden zwei Schichten von positivem Photolack verwendet, wobei die erste Schicht i des Photolacks einer Behandlung unterworfen wird, durch die das aus dem Photolack gebildete Muster während des Ver- j fahrens mit der zweiten Photolackschicht unversehrt bleibt.

In Fig. 1 ist ein mikroelektronisches Bauelement mit 10 bezeichnet, das auf einem Substrat 12 aufgebracht ist.

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Bei Magnetblasenspeichern besteht das Substrat 12 gewöhnlich aus einer Gadolinium-Gallium-Granat-Schicht, auf der in flüssiger Phase epitaktisch ein Film aus einem Material aufgebracht ist, das zur Aufnahme der magnetischen Blasendomänen geeignet ist. Beispiele für solche Filme für Magnetblasen sind Y_{1 #}95Sm₀₀₉Lu₀^₉Ca₀^₇Ge₀^₇Fe₄^₃O₁₂ und ^Y1,8^SraO,1^TmO,2^CaO,9^GeO,9^Fe4,1^O12· ^Bei Halbleiterbauelementen besteht das Substrat gewöhnlich aus Silicium oder Siliciumdioxid oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial.

Auf der Oberfläche des Substrats 12 ist eine Schicht aus positivem Photolack 14 aufgebracht. Bei positivem Photolack erhöht sich die Löslichkeit bei Belichtung mit einer photochemisch wirksamen Strahlung, Zwischen der Photolackschicht 14 und dem Substrat 12 befindet sich eine Metallschicht (nicht dargestellt), die aus Permalloy besteht und ungefähr 225 8 dick ist. Diese Schicht dient zur Metallisierung. Diese leitende Schicht wird im allgemeinen auf eine Abstandschicht aufgebracht (nicht dargestellt), die sich auf der Oberfläche des Substrats 12 befindet. Als positiver Photolack 14 kann jeder bekannte Photolack verwendet werden. Ein Beispiel ist AZ-135OJ, ein positiver Photolack, der von der Firma Shipley vertrieben wird. Dieser Photolack enthält n-Kresolformaldehydnovolakharz, Naphthochinondiazid, !Cellosolveazetat, Butylacetat und Xylol.

j Wie üblich, wird die positive Photolackschicht 14 vorgebak-Iken. Dieses Vorbacken geschieht bei einer Temperatur in der Größenordnung von 85 ⁰C

fähr 20 bis 45 Minuten.

Größenordnung von 85 ⁰C während einer Zeitdauer von unge-

Wie aus Fig. 2 zu ersehen, wird auf die Photolackschicht 14 eine Maske 16 aufgebracht. Die Maske 16 hat eine sehr hohe Auflösung und erfordert keine Ausrichtung. Die nicht von

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der Maske bedeckten Bereiche der Photolackschicht 14 werden einer chemisch wirksamen Strahlung ausgesetzt.

Nach der Belichtung wird die positive Photolackschicht 14 entwickelt. Dabei werden die der Strahlung ausgesetzten Teile der Photolackschicht 14 in einem üblichen Entwickler aufgelöst, und es entsteht ein erstes Muster 18, wie in Fig. 3 dargestellt.

Das Muster 18 wird nunmehr einer Wärmebehandlung unterworfen, um es im ursprünglichen positiven Photolackmaterial unlöslich zu machen und um zu erreichen, daß es gegenüber einer weiteren Belichtung mit chemisch wirksamer Strahlung unempfindlich wird. Bezüglich der Löslichkeitseigenschaften ist es notwendig, daß das erste Muster in dem Photolack hinreichend unlöslich ist, so daß sich das Muster im Photolack nicht auflöst und dabei seine Unversehrtheit und seine Auflösung verliert. Andererseits darf das Muster nicht zu unlöslich sein, da es möglich sein muß, es mit den üblichen Lösungsmitteln zu entfernen. Wenn das Muster zu unlöslich und in den typischen Lösungsmitteln für Photolacke nicht löslich wäre, wäre es notwendig, Säuren zum Abätzen des Photolacks zu verwenden. Der Gebrauch von Säuren als fttzmittel ist jedoch zu vermeiden, da diese Säuren für die Metallisierung schädlich sind. Da aas Muster 18 aus positivem Photolack besteht, ist es notwendig, dieses Material lichtunempfindlich zu machen, derart, daß die Teile des Musters 18, die im folgenden einer chemisch wirksamen Strahlung zur Bildung des zweiten Musters ausgesetzt werden, nicht mehr löslich sind.

Es wurde herausgefunden, daß eine Wärmebehandlung, d. h., ein Backen des Musters 18 bei einer Temperatur zwischen

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95°C und 120 ⁰C die obengenannten Erfordernisse erfüllt. Bevorzugt wird eine Temperatur in der Größenordnung von 105 ⁰C. Eine typische Zeitdauer für das Backen sind sechs Stunden oder mehr, vorzugsweise in der Größenordnung von 16 bis 18 Stunden. Auch längere Zeiten können angebracht sein. Temperaturen unterhalb von 105 ⁰C, d. h., zwischen 100 ⁰C und 105 °C, können eine längere Zeit als sechs Stunden erforderlich machen. Temperaturen oberhalb von 105 ⁰C, d. h., von 105 ⁰C bis 120 ⁰C können weniger als sechs Stunden erforderlich machen. Bei Temperaturen zwischen 110 °C und 120 ⁰C beginnt das Photolackmaterial, flüssig zu werden. Deshalb sollten Wärmebehandlungen bei Temperaturen in diesem Bereich nicht so lange fortgesetzt werden, bis eine Verflüssigung auftritt. Mit anderen Worten, die Wärmebehandlung bei erhöhten Temperaturen wird vorzugsweise während einer Zeit durchgeführt, die weniger beträgt als diejenige, die erforderlich ist, um die Verflüssigung hervorzurufen.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird das Muster 18 mit einer Schicht 20 aus positivem Photolack bedeckt. Die positive Photolackschicht 20 entspricht der positiven Photolackschicht ; 14, die oben beschrieben wurde.

Auf die Photolackschicht 20 wird, wie in Fig. 5 dargestellt, j eine Maske 22 aufgeb acht. Die Photolackschicht 20 wird · ι dann belichtet, in dem sie durch die öffnungen der Maske 22 einer chemisch wirksamen Strahlung ausgesetzt wird. Die Maske 22, die für die Photolackschicht 20 angewendet wird, ist von der Maske 16 der Photolackschicht 14 verschieden. Wegen dieser Differenz der Ilasken entstehen Bereiche des j Musters 18, die ebenso wie die Photolackschicht 20 der chemisch wirksamen Strahlung ausgesetzt werden. Während dieser

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Belichtung werden die von der Maske 22 nicht bedeckten Bereiche der Schicht 20 entsprechend dem Verhalten eines positiven Photolacks löslich gemacht. Die Löslichkeit derjenigen Teile des Musters 18, die mit derselben Strahlung belichtet werden, wird jedoch nicht mehr erhöht, da sie vorher durch die Wärmebehandlung für die Strahlung unempfindlich gemacht wurden.

Die belichteten Teile der Schicht 20 werden in einem Entwickler aufgelöst und entfernt, so daß das Muster 24 als zweite Schicht entsteht (Fig. 6). Danach wird durch die Öffnungen im Muster 24, die sich durch die öffnungen im Muster 18 bis auf das Substrat 12 erstrecken, eine Metallschicht aufgebracht (Fig. 7), Das Aufbringen des Metalls wird durch den dünnen Permalloy-Film oder einen Film aus einem anderen Metall ermöglicht, der in der Zeichnung nicht dargestellt, jedoch im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. An sich kann jedes Metall aufgebracht werden, für magnetische Blasenspeicher wird im allgemeinen Gold verwendet. Die Metallschicht ist in Fig. 7 mit 26 bezeichnet.

Wie aus Fig. 8 zu ersehen, wird das Muster 24 sodann durch Belichtung und Entwicklung entfernt. Das Muster 18 bleibt unberührt, da es vorher durch die Wärmebehandlung gegenüber der Strahlung unempfindlich gemacht wurde, und in dem für das Muster 24 verwendeten Entwickler unlöslich ist. Danach wird auf das Substrat 12 in allen Öffnungen des Musters 18 eine Metallschicht 28, beispielsweise Permalloy, aufgebracht. Das Metall 28 wird auch auf der Metallschicht 26 abgelagert, so daß sich an diesen Stellen eine doppelte Metallschicht bildet. Diese doppelten Metallschichten 26 und 28 sind für besondere Funktionen bei magnetischen Blasenspeichern brauchbar. Es versteht sich, daß anstelle

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von Permalloy auch andere Metalle bei diesem und den vorhergehenden Metallisierungsschritten verwendet werden können.

Wie aus Fig. 9 ersichtlich, wird das Muster 18 mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels, beispielsweise Aceton, entfernt. Die im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnte Metallschicht aus Permalloy (in der Zeichnung nicht dargestellt) wird sodann durch Abätzen mittels Kathodenzerstäubung entfernt, so daß man die in Fig. 9 dargestellte Struktur erhält.

Beispiel Nr. 1

Eine erste Schicht von positivem Photolack mit der Bezeichnung AZ-135OJ mit einer Dicke von 1,2 pm wurde auf ein Granatsubstrat aufgebracht und bei einer Temperatur von 85 C wären 45 Minuten vorgebacken, um überschüssiges Lösungsmittel zu entfernen. Diese erste Photolackschicht wurde einer chemisch wirksamen Strahlung durch eine hoch auflösende erste Maske während einer Zeitdauer von 5 Sekunden ausgesetzt. Der lösliche Photolack wurde mit einem AZ-Entwickler entfernt, und das erhaltene erste Muster wurde in Stickstoff getrocknet. Dieses erste Muster wurde dann während 18 Stunden bei einer Temperatur von 105 C gebacken. Das Muster blieb während dieser Wärmebehandlung unversehrt, und es wurde kein Verflüssigen des Photolacks beobachtet. Auf dieses erste Muster wurde eine zweite Schicht Photolack mit der Bezeichnung AZ-135OJ in einer Dicke von 1,2 pm aufgebracht. Die zweite Schicht wurde während 20 Minuten bei einer Temperatur von 85 ⁰C vorgebacken. Das erste Muster wurde durch die zweite Photolackschicht nicht aufgelöst. Die zweite Photolackschicht wurde

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mit einer Zeitdauer von 10 Sekunden durch eine zweite Maske, die von der ersten Maske verschieden war, mit chemisch wirksamer Strahlung belichtet. Der lösliche Photolack der zweiten Schicht wurde mit einem AZ-Entwickler entfernt, und damit wurde das zweite Muster gebildet. Danach wurde auf diejenigen Teile des Substrats, die gemeinsam dem ersten und dem zweiten Muster angehörten, goldplattiert. Die gesamte Oberfläche wurde dann während 10 Sekunden einer chemisch wirksamen Strahlung ausgesetzt. Danach wurde das zweite Muster entwickelt und entfernt. Das erste fluster behielt seine Unversehrtheit und wurde durch das Aufbringen der zweiten Schicht nicht berührt. Dann wurde Permalloy auf die durch das erste Muster bloßgelegten Stellen plattiert. Das erste Muster wurde dann mit Aceton als Lösungsmittel entfernt.

Beispiele 2 bis 14

Dasselbe Verfahren wie ira Beispiel 1 wurde bei den Beispielen 2 bis 14 verwendet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

Erstes Muster

Beisp.	Substrate	O63	Temp.	Zeit	Harz	aufgelöst	beeinträch
		0 ⁰C	Std.	fließt	durch die	tigt durch
					2. Schicht	das Herstel
						len der 2.
						Schicht
2	Glas	90	48	nein	ja
3	Glas	95	18	nein	ja	—
4	Glas	100	48	nein	nein	nein
5	Granat	100	24	nein	nein	nein
6	Glas	100	18	nein	nein	leicht
7	Glas	100	18	nein	nein	nein
8	Glas	105	48	nein	nein	nein
9	Glas	105	24	nein	nein	nein
1	Granat	105	18	nein	nein	nein
10	Glas	105	6	nein	nein	nein
SÄ 975			ι / η τ *> ύ

	Substrate	Temp. O ⁰C	Zeit	Erstes Muster	Harz	aufgelöst	ja	beeinträch
Beisp.			Std.	fließt	durch die		tigt durch
					2.Schicht		das Her
						stellen d.
		110				2 .Schicht
	Glas	115	18	nein	nein	nein
11	Glas	120	18 i	sehr leicht nein	nein
12	Glas	130	1/2	leicht	—
13	Glas		1/2	ja	—
14

Die Beispi^{ele 2 und 3} zeigen, daß das erste Muster bei Temperaturen von 90 ⁰C und 95 ⁰C durch die zweite Photolackschicht aufgelöst wird. Die Beispiele 4 bis 7 zeigen, daß bei einer Temperatur von 100 ⁰C eine Zeitdauer von 18 Stunden oder langer notwendig ist.

Die Beispiele 1, 8, 9 und 10 zeigen, daß bei einer Temperatur von 105 ⁰C die Zeit 6 Stunden oder auch 43 Stunden betragen kann. Im Beispiel 12 zeigt sich bei einer Temperatur von 115 ⁰C während 18 Stunden ein lichtes Fließen des Photolacks . Bei einer Temperatur von 115 C sollte daher die Zeit nicht 18 Stunden überschreiten. Bei den Beispielen 13 und 14 ergaben sich bei Temperaturen von 120 ⁰C und 130 ⁰C während 30 Minuten Probleme mit dem Flüssigwerden des Harzes oder durch das Auflösen der zweiten Photolackschicht.

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Claims

27225b7

PATENTANSPRÜCHE

.) Verfahren zum Aufbringen von zwei überlappenden Metalliesierungsmustern hoher Auflösung auf einem Halbleitersubstrat mittels photolithographischer Prozesse, bei denen durch Aufbringen einer positiven Photolackschicht, Belichtung durch eine Maske und Herauslösen der belichteten Teile ein Photolackmuster gebildet wird, und nach dem Aufbringen der Metallisierung die unbelichteten Teile des Photolacks entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst mittels einer ersten Maske ein Photolackmuster für die erste Metallisierung gebildet wird, daß das gebildete Photolackmuster gebacken wird, derart, daß der Photolack gegen Belichtung unempfindlich wird, daß darüber mittels einer zweiten Maske ein Photolackmuster der zweiten Metallisierung gebildet wird, und daß anschließend die erste Metallisierung und nach dem Entfernen des unbelichteten zweiten Photolackmusters die zweite Metallisierung aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Aufbringen einer ersten Photolackschicht, deren Löslichkeit sich bei Belichtung erhöht,

b) Belichten durch eine erste Maske, entsprechend einer ersten Metallisierung,

c) Entwicklen und Herauslösen der belichteten Teile der Schicht,

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ORDINAL INSPECTBftO

d) Backen des Musters, um den Photolack gegen Belichtung unempfindlich zu machen, bei einer Temperatur zwischen 95 ⁰C und 120 ⁽
mehr als sechs Stunden,

zwischen 95 ⁰C und 120 ⁰C über eine Zeitdauer von

e) Aufbringen einer zweiten Photolackschicht über

dem Muster,

f) Belichten durch eine zweite Maske, entsprechend einer zweiten Metallisierung,

g) Entwickeln und Herauslösen der belichteten Teile der zweiten Schicht,

h) Aufbringen der ersten Metallisierung, i) Entfernen des zweiten Photolackmusters, j) Aufbringen der zweiten Metallisierung,

k) Entfernen des ersten Photolackmusters. ;
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gebildete Muster der ersten Photolackschicht bei einer Temperatur von 1OO ⁰C bis 110 ⁰C, vorzugsweise bei 105 ⁰C gebacken wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gebildete Muster der ersten Photolackschicht während einer Zeitdauer von 15 bis 20 Stunden gebacken wird. i

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5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Photolackschicht vorgebacken werden, um überschüssiges Lösungsmittel zu entfernen.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat vor dem Aufbringen der Metallisierungen mit einer metallischen Schicht überzogen wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei der Herstellung von magnetischen Blasenspeichern.

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