JPH01196828A - 炭素膜の形成された半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明はビッカース硬度２０００ｇ／ｍｍ２以上または
熱伝導度２．５Ｗ／ｃｍ　ｄｅｇ以上の炭素または炭素
を主成分とする被膜（以下単に炭素膜という）を選択的
にプラズマエツチングすることによる半導体装置作製方
法に関する。

「従来技術」 炭素膜のコーティングに関しては、本発明人の出願にな
る特許願「炭素被膜を有する複合体およびその作製方法
」　（特願昭５６−１４６９３６　　昭和５６年９月１
７日出願）が知られている。しかしこれらは炭素膜の成
膜に関して述べられているのみであり、この炭素または
炭素を主成分とする被膜の選択的なエツチングに関する
ものではない。

「従来の問題点」 さらにこのエツチングを微細加工が容易なドライエツチ
ング方法、特に好ましくはプラズマエツチングを応用す
ることの可能性はまったく知られていない。そしてこの
炭素膜は特に耐薬品性が強く、また硬度が大きいため、
エンチングすることは不可能と思われていた。

しかし炭素膜の工業的応用を考えると、選択エツチング
方法の確立はきわめて重要なものである。

本発明はかかる目的を解決するためになされたものであ
る。

ｒ問題を解決すべき手段」 本発明は、半導体基板または基体（基板上に電気配線等
が設けられた全体）上に炭素または炭素を主成分とする
被膜を形成し、この被膜上にプラズマ化した酸素化物気
体に対してブロッキング作用を有するマスクを配設し、
このマスク被膜のない炭素膜をプラズマ化して酸素化物
気体によりエツチング除去せんとするものである。

本発明は、エチレン、メタンのような炭化水素気体を直
流または高周波、特に基体側に正の直流バイヤスを加え
た高周波電界によりプラズマを発生させた雰囲気中に導
入し、分解せしめることによりｓｐ’混成軌道を有する
Ｃ−Ｃ結合を作り、結果として、グラファイトのような
非透光性の導電性または不良導電性の炭素を作るのでは
なく、作製条件により求められた光学的エネルギバンド
巾（Ｅｇという）が１．ＯｅＶ以上、好ましくは１．５
〜５．５ｅＶを有するダイヤモンドに類似の絶縁性の炭
素または炭素を主成分とする被膜を形成する。

本発明に用いる炭素は、その硬度もビッカース硬度が２
０００Ｋｇ／ｍｍ”以上、好ましくは４５００Ｋｇ／ｍ
ｍ２以上、理想的には６５００Ｋｇ／ｍｍ”というダイ
ヤモンド類似の硬さを有する、または熱伝導度が２．！
ＩＪ／ｃｍ　ｄｅｇ以上好ましくは４．０〜６゜ＯＷ／
ｃｍ　ｄｅｇを有するアモルファス（非晶質）または５
〜２００人の大きさの微結晶性を有するセミアモルファ
ス（半非晶質）構造を有する炭素またはこの炭素中に水
素、ハロゲン元素が２５原子％以下または■価または７
価の不純物が５原子％以下、また窒素がＮ／Ｃ≦０．０
５の濃度に添加されたいわゆる炭素を主成分、とする炭
素（以下本発明においては単に炭素という）を固体上に
設けた複合体を設けんとしたものである。

本発明は、さらにこの炭素膜に対し、酸素（０２）。

大気（酸素、窒素混合気体）、Ｎｏ、、ＮＯ□、Ｎ２０
．酸素と水素との混合気体、水等の酸素化物気体をプラ
ズマ反応装置内に導入し、好ましくは炭素膜を形成した
反応装置と同じ反応装置内に導入し、この装置内に予め
配設されたエツチングがされるべき基体上のマスクのな
い部分の炭素膜をプラズマエツチングをして除去する。

本発明は、かくしてマイクロエレクトロニクス用の集積
回路等が半導体中に作られた基板上のボンディングパッ
ドまたは電気配線が形成されている基体上に炭素膜を形
成し、炭素膜を選択エツチングして用いたものである。

以下に図面に従って本発明の作製方法を記す。

「実施例１」 第１図は本発明を実施するための炭素または炭素を主成
分とする被膜を形成するため、およびかかる被膜を選択
的にエツチング除去するためのプラズマＣＶＤ装置およ
びプラズマエツチング装置即ちプラズマ処理装置の概要
を示す。

図面では、ガス系（１０）において、キャリアガスであ
る水素を（１１）より、反応性気体である炭化水素気体
、例えばメタン、エチレンを（１２）より、炭素膜のエ
ツチング気体である酸素化物気体、例えば酸素を（１３
）、六弗化硫黄等の弗化物気体のエツチング気体を（１
４）よりバルブ（２８）、流量計（２９）をへて反応系
（３０）中のノズル（２５）　、　（２５’　）に導入
される。

反応系（３０）では、反応室（４）、ロード、アンロー
ド用の予備室（５）を有し、その間にはゲイト弁（６）
を有する。処理される基板または基体は、予備室（５）
よりゲイト弁（６）を開として反応室（４）に至り、さ
らにゲイト弁（６）を閉とした後、反応室にて減圧下に
て炭素膜の成膜または炭素膜のエツチング処理を行う。

反応室（４）では第１の電極（２）およびその補助電極
（２′）、被形成面または被エツチング面を具備する処
理用基板（１）、第２の電極（３）を有し、一対の電極
（２）　、　（３）間には、高周波電極（１５）、マツ
チングトランス（１６）　、直流バイヤス電源（１７）
より電気エネルギが加えられ、プラズマ（４０）が発生
する。反応性気体のより一層の分解を行うためには、２
．４５ＧＨｚのマイクロ波で励起室（２６）にて２００
Ｗ　　〜２ＫＷのマイクロ波励起を与える。すると活性
の反応性気体の量を増やすことができ、炭素の成膜速度
を約５倍、炭素の酸素による工・ソチング速度を約４倍
に向上することができた。

これらの反応性気体は、反応空間（４０）で０．０１〜
ｌ　ｔｏｒｒ例えばＱ、１ｔｏｒｒとし、高周波による
電磁エネルギにより５０Ｗ〜５ＫＷのエネルギを加えら
れる。

直流バイヤスは、被形成面上に一２００〜６００Ｖ　（
実質的には一４００〜＋４００Ｖ）を加える。なぜなら
、直流バイヤスが零のときは自己バイヤスが一２００Ｖ
　（第２の電極を接地レベルとして）を有しているため
である。

成膜用の反応性気体は、例えばメタン：水素＝１：１と
した。第１の電極（２）の裏側には、例えば冷却または
加熱手段（９）を有し、基板温度を１５０〜−１００°
Ｃに保持させる。かくしてプラズマ（４０）により被形
成面上にビッカーズ硬度２０００Ｋｇ／ｍｍ”以上を有
する、または／および、熱伝導度２．５Ｗ／ｃｍ　ｄｅ
ｇ以上のＣ−Ｃ結合を多数形成したアモルファス構造ま
たは微結晶構造を有するアモルファス構造の炭素を生成
させた。さらにこの電磁エネルギは５０Ｗ〜ＩＫＷを供
給し、単位面積あたり０．０３〜３Ｗ／ｃｍ”のプラズ
マエネルギを加えた。成膜速度は、１００〜１０００人
／分を有し、特に表面温度を一５０〜１５０°Ｃとし、
直流バイアスを＋１００〜３００ｖ加えた場合、その成
膜速度は１００〜２００人／分（メタンを用いマイクロ
波を用いない場合’）　、５００〜１０００人／分（メ
タンを用いマイクロ波を用いた場合、またはエチレンを
用いマイクロ波を用いた場合）を得た。

これらはすべてビッカーズ硬度が２０００Ｋｇ／ｍｍ　
”以上を有する条件のみを良品とする。

もちろんグラファイトが主成分（５０％以上）ならばき
わめて柔らかく、かつ黒色で本発明とはまったく異質な
ものである。

この反応生成物は基体（１）上面に被膜として形成され
る。反応後の不要物は排気系（２０）よりターボ分子ポ
ンプ（２２）、ロータリーポンプ（２３）を経て排気さ
れる。反応系は、０．００１〜１０ｔｏｒｒ代表的Ｇこ
は０．０１〜０．５ｔｏｒｒに保持されており、マイク
ロ波（２６）、高周波のエネルギ（１５）により反応系
内はプラズマ状態（４０）が生成される。特に励起源が
ＩＧＨｚ以上、例えば２．４５ＧＨｚの周波数にあって
は、Ｃ−Ｈ結合より水素を分離し、さらに高周波源が０
．１〜５０ＭＨｚ例えば１３．５６ＭＨｚの周波数にあ
っては、Ｃ−Ｃ結合、Ｃ−Ｃ結合を分解し、Ｃ−Ｃ結合
または−Ｃ−Ｃ−結合を作り、炭素の不対結合手同志を
互いに衝突させて共有結合させ、安定なダイヤモンド構
造を局部的に有した構造とさせ得る。

かくして半導体（例えばシリコンウエノ＼）上に炭素特
に炭素中に水素を２５モル％以下含有する炭素またＰ、
ＩまたはＮ型の導電型を有する炭素を主成分とする被膜
を形成させることができた。

「実施例２」 第２図は実施例１の作製方法によって得られた炭素（３
４）がコーティングされた基体上にブロッキング機能を
有するマスク（３５）を選択的に設け、このマスクを用
いてその下側の実施例１で予め作られた炭素膜（３５）
を選択エッチした例を示す。基板（３１）の温度は室温
とした。

第２図において、マスク（３５）として絶縁膜としては
酸化珪素、フォトレジスト、窒化珪素を基板または基板
（３１）上の炭素膜（３４）上に選択的に公知の方法に
て形成した。

さらにこのマスクを含めてこれら全体を第１図のプラズ
マ処理装置、この場合はプラズマエ・ンチング装置内に
配設し、酸素（１３）をガス系（１０）より導入した。

そして高周波電界を一対の電極（３）　、　（２）間に
加えた。すると電圧０．０１〜ｌ　ｔｏｒｒ例えば０．
１ｔｏｒｒにして高周波出力３００會にて３５０人／分
のエンチング速度にて炭素膜をエツチングすることがで
きた。この圧力を０．０５ｔｏｒｒとすると、その工・
ンチング速度は２７０人／分に減少した。

その結果、スループシトを上げ、量産性に優れたもので
あった。

エツチング処理の後、マスクを除去し選択的に炭素膜（
３４−１）　、　（３４−２）　、　（３４−３）を設
け、結果として第２図（Ｂ）を得た。即ち、基板（３１
）上に選択的に炭素膜（３４）がコーティングされた基
体とすることができた。

「実施例３」 第３図は本発明の他の実施例を示す。

第３図において、半導体基板例えばシリコン基板（３１
）上に絶縁膜例えは酸化珪素膜（３７）が窓あけをして
設けられている。さらにアルミニウム、シリコン、銀、
酸化物超伝導材料の電気配線（３２）が公知のパターニ
ング方法により作られている。この後、酸素化物気体の
プラズマ雰囲気にさらしても、この電気配線が酸化絶縁
化しないためのブロッキング層（３３）を設けた。ここ
では絶縁膜の場合は酸化珪素膜、リンガラスまたは窒化
珪素膜とした。さらにこの上に実施例１に従い０．１〜
２μｍの厚さ、例えば０．５　μｍの厚さに炭素膜（３
４）を形成した。

さらにこの上に酸素化物気体のプラズマ雰囲気でエツチ
ングして炭素膜（３４）を除去すべき領域を除いて他部
にマスクを設けた。この図面ではボンディングパッド上
の炭素膜を除去する例を示す。

このマスクとして、この実施例では有機樹脂を用いた。

その１例として、これらの上部にフォトレジストを設け
た。

このフォトレジストはプラズマ化した酸素化物気体によ
って若干エツチングされるため、窓（３６）の炭素が完
全に除去されてしまう程度には残存させるに必要な耐プ
ラズマ性、固さまたは厚さを必要とする。

またもしフォトレジストの耐プラズマ酸化物気体性が十
分とれない時は、このフォトレジストのマスクの下部に
再プラズマ化した酸素化物気体に対し耐える被膜、例え
ば酸化珪化膜を作り、フォトレジストをマスクとしてま
ずその下の酸化珪素膜のエツチングを第１図におけるガ
ス系より弗化物気体を導入して行う。次にこれら反応室
内全体をプラズマ化した酸素化物気体に置き換え、気体
上部全体をエツチング処理する。するとこのプラズマ化
した酸素化物気体によりフォトレジストのアッシングに
よる除去に加えて、窓（３６）での炭素を除去すること
ができる。

第３図（Ｂ）はフォトレジストまたは酸化珪素をマスク
（３５）としてその下の窓（３６）での炭素を除去した
ものである。

そしてこの後、第１図のガス系での導入気体を弗化物気
体（１４）とし窓（３６）の上側のブロッキング層（３
３’）をエツチング除去した。

第３図（Ｃ）はこれらの処理の後、マスク（３５）を公
知の方法により除去したものである。

プロンキング層（３３’）が酸化珪素の場合はマスク（
３５）の除去と同時に除去され得、工程の簡略化が可能
である。

かくして、本発明の炭素膜のコーティングの後、ウェハ
のプローブテストを行い、さらにそれぞれのＩＣチップ
にするため、スクライブ、ブレイク工程を経て、各半導
体チップが上面に炭素膜がコートされた構成をグイボン
ディング、ワイヤボンディングして完成させた。

「実施例４」 この実施例は、実施例におけるブロッキング層（３３）
を導体とした場合の例を示す。即ち、炭素膜を半導体集
積回路が予め形成されたシリコンウェハの上表面に第４
図に示す如く形成した。

即ち、基板（３１）上に絶縁膜、例えば酸化珪素絶縁膜
（３７）、電気配線（３２）、導体のブロッキング層（
３３）、炭素膜（３４）を有する。この場合、ボンディ
ングパッドまたは電気配線はアルミニウム、不純物がド
ープされた珪素、金属珪化物とした。また導体のブロッ
キング層は金、白金、クロム、珪素（不純物がドープさ
れた珪素）、金属珪化物または酸化物超伝導セラミック
ス等の酸化して絶縁物とならないものとした。

すると、導体膜（３３）の酸化物絶縁物はプラズマエツ
チング処理にて導体の上部に絶縁膜が形成されず、ボン
ディング作業を容易に行うことができた。

即ち、例えばシリコンウェハの上面のアルミニウムの電
気回路（３２）および金のブロッキングＦｆ（３３’）
でバットおよび電気配線を形成した後、その上に本発明
の炭素膜を０．１〜２μｍの厚さ、例えば０．５μｍの
厚さに形成した。さらに実施例３に示す如く、選択除去
用マスクを選択的に設け、酸化物気体のプラズマエツチ
ングにより炭素膜を例えばボンディングパッド部のみ除
去した。そして金属バットを露呈させた。さらにマスク
を除去した。そして炭素膜をファイナルコート膜として
■ｃチップの上面に構成させた。

かくすると、炭素膜の高い熱伝導性のため、パワートラ
ンジスタ等により局部加熱された熱を速やかに全体に広
げることができ、局部的に電気物性が劣化または低下す
ることを防止できた。

加えて、ナトリウムイオンに対するブロッキングも可能
となった。

「実施例５」 第５図は本発明の他の実施例である。この図面において
は、ガラス基板またはグレイズドセラミック基板等の絶
縁基板上に印刷法またはフォトエツチング法により電気
配線（３２）を形成した。さらにこれらの全面に実施例
１に示す如く、炭素または炭素を主成分とする被膜（３
４）を０．２〜２μｍの厚さに形成した。この後、金属
マスク（４１）を用いて開口部（３６）を除き他部を覆
った。そしてこれらを実施例２に示す如く、酸素化物気
体のプラズマ雰囲気内に配置した。すると金属マスク、
例えばステンレスマスク厚さ５０〜５００μｍに設けら
れた開口部（３６）の炭素膜を選択的に除去することが
できた。

本発明において、この炭素膜上に他の第２の電気配線を
形成してもよい。また炭素または炭素膜を形成した後、
電気配線を形成する方法でもよい。

いずれにおいても、電気配線部での発熱を速やかに全面
に拡散し、局部的昇温を防ぐことができる。

「実施例６」 第６図は本発明の他の実施例である。主たるプロセスは
実施例３に従った。

第６図は半導体基板（３工）、絶縁膜（３７）、第１の
電気配線（３２）、およびそのコンタク）　（３８）を
有する。これら全体に第１の炭素膜（３４）を実施例１
に従いコートした。そしてこの後、実施例２のプラズマ
エツチング方法により他の開口（３８’）、　（３８”
　）をあけた。開口（３８”）は炭素膜の選択エツチン
グによる多層配線間の相互連結であり、開口（３８’）
は基板（３１）との連結用である。さらに、第２の電気
配線（３２’）をスパッタ法等でアルミニウムの成膜等
により形成した。さらにこれらの上に他の第２の炭素膜
またはその他のパッシベイション膜（３９）を形成した
。そしてボンディングパッド部の開口部（３６）を開け
たものである。

この場合、炭素膜（３４）は第２の電気配線の下側に設
けられており、この炭素膜は外部よりのナトリウム等の
基板内への侵入を防ぐことができた。

そして半導体基板内でのパワートランジスタ等の大電流
動作による局部発熱を防ぐことができた。

また第２の電気回路は上下両面を炭素膜で取り囲み、他
の絶縁膜と接触されない状態とすることもできる。

「効果」 本発明方法により、化学的にきわめて安定な炭素膜の選
択エツチングが初めてできたため、半導体集積回路等の
ファイナルコーティング等の層間絶縁膜に用いることが
できた。またサーマルへ・ンドその他の表面をこすって
走行する電気用部材にきわめて有効である。特にこの炭
素膜は熱伝導率が２．５Ｗ／ｃｍ　ｄｅｇ以上、代表的
には４．０〜６．ＯＷ／ｃｍｄｅｇとダイヤモンドの６
．６Ｗ／ｃｍ　ｄｅｇに近いため、高速テープ状キャリ
ア走行により発生する熱、ＩＣの中の局部大電流の発生
による発熱を全体に均一に分散して逃がし、局部的な昇
温およびそれに伴う特性劣化、特性低下を防ぐことがで
きるため、耐摩耗性、高熱伝導性、炭素膜特有の高平滑
性等多くの特性を併用して有効に用いている。

本発明において、電気回路に用いる酸化物超伝導材料と
して（Ａ＋−ｘ　Ｂｘ）ｙｃｕｚｏｗ　ｘ　＝０．３〜
１＋　ｙ＝２〜４．　ｚ　＝　１．５〜３．５．　ｗ　
＝　４〜１０で示され、Ａとしては元素周期表ｍａ族、
ＩＩ［ｂ族、Ｖａ族、ｖｂ族の元素の１つまたは複数種
よりなり、Ｂとしては元素周期表Ｕａ族の元素の１つま
たは複数種よりなる高温超伝導材料がその代表例である
。例えばＢｉ、Ｓｒ＋Ｃａ、Ｃｕ２〜ｘＯｎ　〜ｔｏ＋
ＹＢａｚＣｕ３０ｂ〜ａ＋Ｙｏ、　５Ｂｉｏ、　５Ｓｒ
　ｌＣａ　ＩＣｕｚ〜ｘＬ　〜ｌ　０１　Ｂｉ　ｔｓｒ
　＋Ｍｇｏ、　５Ｃａｏ、　、Ｃｕｚ〜３０４〜＋ｏ＋
Ｂｉｏ、５ＡＩｏ、５ＳｒｌＣａ＋Ｃｕｚ〜３０ｎ　〜
１０等を上げることができる。これらの材料はＡＩ、Ｃ
ｕ、Ａｕ等と同様に電子ビーム蒸着法、スパッタ法、光
ＣＶＤ法、光ＰＶＤ法を用いて実施例３〜６の電気回路
用薄膜とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の炭素または炭素を主成分とする被膜の
成膜またはエツチングを行うための装置の概要を示す。 第２図、第３図、第４図、第５図および第６図は本発明
の実施例を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板に少なくとも１つの半導体素子が設けら
   れ、前記半導体基板上方に電気配線またはボンディング
   パッドを形成する工程と、該電気配線または該ボンディ
   ングパッド上にプラズマ化した酸素化物気体に対するブ
   ロッキング層と炭素または炭素を主成分とする被膜とを
   形成する工程と、該被膜上にボンディングパッド上の如
   き不要の炭素または炭素を主成分とする被膜を除去する
   ため、マスクを配設して前記プラズマ化した酸素化物気
   体により炭素または炭素を主成分とする被膜を選択的に
   除去する工程とを有することを特徴とする炭素膜の形成
   された半導体装置の作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、ブロッキング層は
   有機樹脂、酸化珪素、窒化珪素またはこれらの複合化し
   た被膜または金、白金、クロム等の耐酸化性金属よりな
   ることを特徴とする炭素膜の形成された半導体装置の作
   製方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、プラズマ化する酸
   素化物気体は酸素、大気（酸素と窒素との混合気体）、
   水、Ｎ＿２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ＿２またはこれらの複合気体
   よりなることを特徴とする炭素膜の形成された半導体装
   置の作製方法。