JPS5812344B2 - 銅を基材とする金属パタ−ンの形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体構成素子の製造方法に係り、具体的には
、半導体構成素子の製造及び実装において用いられる半
導体基板又は誘電体基板の如き構成素子上に銅表面導体
を形成するための方法に係る。

更に具体的に言えば、本発明は、実質的に不活性のマス
ク・パターンを用いた乾式食刻技術による基板からの選
択的除去によって銅パターンを形成するための方法に係
る。

本発明の目的は、銅層中に銅のパターンを食刻するため
の改良された方法を提供することである，本発明の他の
目的は、銅層中に銅パターンを乾式食刻するための改良
されたマスク技術を提供することである。

本発明の他の目的は、支持基板上に形成された銅層中に
銅パターンを乾式食刻するための改良された構造体を提
供することである。

本発明の他の目的は、多レベルの導体パターンが埋設さ
れている焼結された多層誘電体構造体上に銅の相互接続
導体を形成するための改良された乾式食刻技術を提供す
ることである。

本発明の更に他の１的は、多レベルの銅パターンが埋設
されている多層ガラス・セラミック基板上に銅の相互接
続導体を珍成するための反応性イオン食刻技術を提供す
ることである。

従来において、乾式食刻技術は、半導体構成素子の製造
において回路密度の増加とともに益々多く用いられてい
る。

回路密度の増加に伴なって、金属相互接続線はより細く
且つより密な間隔にされねばならず、充分な電流が流れ
得るようにそれらの線の厚さはそれに対応して増加され
ねばならない。

金属パターンを限定するために従来の化学的除去的食刻
が用いられた場合にはそれらの条件は充たされず、従っ
て近年においては集積回路における導体パターンの形成
に乾式食刻技術を用いることに益々強い関心が持たれて
いる。

或る種の乾式食刻方法は食刻されたパターンの側壁が垂
直である必要がある場合に用いられる。

そのような方向性を有する食刻方法には、イオン衝撃及
び／もしくはイオンを用いた化学反応があり、即ち高周
波スパッタリング食刻、イオン・ビーム・ミリング、及
び反応性イオン食刻（反応性スパッタリング食刻又は反
応性イオン・スパッタリングとも呼ばれる）が含まれる
。

これらはすべて、高周波電圧の印加によって励起される
ガス・プラズマを用いており、１３．５６乃至４０．６
３ＭＨｚの周波数範囲が最も一般的に用いられるが、他
の周波数も用いられ得る。

もう一つの乾式方法である反応性プラズマ食刻は、湿式
処理を除きそしてマスクのアンダ・カットを最小限にす
るために用いられる。

この方法は遊離基による化学的食刻を含み、等方性であ
る。

それらの遊離基は高周波電圧の印加により励起されたプ
ラズマ中に発生される。

通常は５０ＫＨｚ又は１３．５６ＭＨｚのいずれかが用
いられるが、他の高周波の周波数も用いられ、又マイク
ロ婆による励起も用いられている。

そのような方法は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ポリイミド
及び同種の層に導体相互接続パターン、接点又は貫通孔
を養刻するために用いられ、又分離のためにシリコン中
に深い溝を食刻するため、そしてインク・ジェット及び
同種の適用例においてシリコン又は２酸化シリコン中に
深い開孔を食勿するために用いられる。

これらの乾式食刻方法においては、食刻されるべき表面
が適当なマスクで覆われて、乾式食刻の環境下に置かれ
る。

方向性を有する食刻方法において、垂直な側壁を得るた
めには、特に小さい寸法及び／もしくは深い食刻が必要
とされる場合に、食刻マスクはいくつかの条件を充たさ
ねばならない。

例えば、食刻マスクは目立った速度で食刻されてはなら
ず、逆方向の散乱による残渣の形成を生じてはならず、
プラズマ中で劣イしてはならず、イオン衝撃によって又
はプラズマ反応の反応生成物の揮発性を増すために高温
が必要とされることによって存在し得る高温において流
動又は変形してはならず、端部の劣化を防ぐためにパタ
ーン全体にわたって均一な厚さを再現可能に有していな
ければならない。

プラズマ食割においても、イオン衝撃の効果に関するも
のを除いて、上記のすべての条件が充たされねばならな
い。

又、小さい寸法が必要とされる場合には、マスク技術は
電子ビーム・リソグラフイとも適合し得るべきである。

更に、マスクは、食刻されたパターン又は下の基板を何
ら侵食することなく完全に除去され得ねばならない。

又、工業的に有用であるためにはマスクの除去が比較的
短時間でそして好ましくは非腐食性の環境の下で達成さ
れるべきである。

半導体構成素子の製造におけるこれらの乾式食刻技術の
１つの特定の適用例は、例えば埋設された銅導体パター
ンの多レヴル配列体を含む米国特許第４２３４３６７号
明細書に記載の焼結されたガラスーセラミック基板の如
き、集積回路装置のための誘電体基板支持体上における
銅表面導体の反応性イオン食刻である。

極めて高密度の実装のための設計条件を充たすためには
、銅表面相互接続体が比較的厚い金属から形成されねば
ならず、又相互接続パターンの線及び間隔が比較的狭く
なければならない。

銅パターンの反応性イオン食刻を適用し得るならば、上
記問題は明らかに容易に解決され得る。

しかしながら、銅がどの様にして反応性イオン食刻され
得るかは、容易に明らかではない。

銅は反応性イオン食刻の雰囲気又は環境において比較的
非反応性である。

又、銅層の厚さによって選択される酸化マグネシウム（
ＭｇＯ）及び酸化アルミニウム（Ａｌ２０３）のマスク
は銅に付着しない。

ＭｇＯのマスクの使用については、米国特許第 ４１３２５８６号の明細書に記載されている。

銅の反応性イオン食刻にレジスト・マスクを用いること
は適当でない。

それは、レジスト層が銅に関して比較的大きい食刻速度
比を有牢るために極めて厚くされねばならず、又レジス
トの除去に必要な灰化中に銅が極めて破壊的に酸化され
易いためである。

周知の如く、プラズマ硬化されたレジストは溶剤中で極
めて除去され難い。

又、銅の反応性イオン食刻には、銅を清浄に食刻するた
めに、高い電力密度、高い陰極温度及びＣＣｌｌ／Ａｒ
プラズマの使用がすべて必要とされる。

銅は保護酸化物を形成しないので、塩素を含むプラズマ
はわずかに揮発性の反応生成物を形成するために適して
いることが予想され得る。

しかしながら、Ｃｌ２／Ａｒプラズマの使用は清浄な食
刻を生じない。

低い電力密度においては、ＣＣｌ４／Ａｒプラズマは、
反応性イオン食刻中に銅の表面上に黒いじみを生じて、
終了時点の検出を不可能又は少なくとも極めて困難にす
る。

イオン衝撃が基板を加熱する主な原因であることが知ら
れているが、低い陰極温度においては、高い電力密度で
あっても、反応性イオン食刻速度は極めて遅い。

従って、許容され得る速い速度で、検出され得る終了時
点まで、銅を反応性イオン食刻して清浄なパターンを形
成するためには、ＣＣｌ４を含むプラズマと、高い電力
密度（≧１．３Ｗ／ｃｙＡ）と、高い陰極温度（≧２２
５℃）との組合せが必要である。

上記記載に関連して、当技術の背景に関する情報は更に
、米国特許第４００７０３７号、第４０２６７４２号、
第４０５７４６０号、第４０９２２１０号、第４０９２
４４２号、第４１３０４５４号、第４１７２００４号及
び第Ｒｅ・２９９４７号の明細書、並びにＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌ
ｅｔｉｎ第１３巻、第４号、１９７０年９月、第８８４
頁におけるＷ．Ｅ．Ｍｕｔｔｅｒによる″Ｓｐｕｔｔｅ
ｒＥｔｃｈｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ”と題する論文にも
記載されている。

酸化マグネシウム（ＭｇＯ）及び酸化アルミニウム（Ａ
ｌ２０ａ）の層が反応性イオン食刻のためのマスクとし
て、銅に付着しないことが解り、マグネシウム及びアル
ミニウ云の酸化物が付着する細々の付着促進層（例えば
、アルミニウム及びクロム）が試みられた。

しかしながら、銅の反応性イオン食刻に用いられる高温
のために、銅が反応性イオン食刻中に付着促進層中に拡
散して、食亥サイクル中にマスクをリフトさせて、露出
された銅が侵食されることが解った。

しかしながら、本発明の方法に従って、銅とＭｇＯ又は
Ａｌ２０３マスク材料との間に付着促進層として薄いモ
リブデン層を付着することにより、必要な精度のパター
ン限定を達成する効果的且つ正確な銅の反応性イオン食
刻が可能になることが解った。

その様な付着においては、モリブデンはＭｇＯ又はＡｌ
２０３マスク材料とともにＭｏ／酸化物複合マスクを形
成する。

モリブデン層は、乾式食刻中に、銅のための拡散障壁と
して働く。

ＭｇＯ及びＡｌ２０３マスク材料はモリブデンに付着す
るので、それらは直接モリブデン層の表面に付着され得
る。

マスク・パターンは除去的食刻によりＭｏ／酸化物複合
マスク層中に形成され得る。

モリブデン及び酸化物の薄い層が銅層上に順次に付着さ
れ得る。

所望のパターンがフォトリソグラフイ又は電子ビーム・
リングラフイによって適当なレジスト中に限定される。

Ｍｏ／酸化物複合マスク層の非マスク領域が適当に食刻
され（例えば、ＭｇＯのために蓚酸アンモニウムそして
Ｍｏのためにアルカリ性フエリシアン化物を順次に用い
て）、そして上記レジストが通常の方法で除去される。

好ましくは、Ｍｏ／酸化物複合マスクは、後にＭｏ／酸
化物複合マスク層の不要部分とともに除去される適当な
リフト・オフ・マスク中の開孔を経て順次に付着するこ
とによって形成され得る。

本発明の方法に従って、半導体構成素子を製造するため
には、銅を基材とする金属層が蒸着又はスパッタリング
により基板上に全体的に付着される。

例えば、基板が前述の米国特許第４２３４３６７号明細
書に記載されている如き多層ガラス・セラミックから成
る場合の如く、付着の問題が存在する場合には、銅が付
着される前に、チタンの如き適合する付着促進層が全体
的に付着され得る。

銅が付着された後、適当なレジストの如き有機重合体層
が銅層上に全体的に被覆され、所望の導体パターンの開
孔パターンを形成するために適当なフォトリソグラフイ
又は電子ビーム・リソグラフイ技術を用いて露光及び現
像される。

それから、Ｍｏ及びＭｇＯ又はＡｌ２０３の層が蒸着に
よって残されているレジスト及び露出されている銅層上
に全体的に順次に付着され、そして残されているレジス
トがその上のＭｏ及び酸化物の層とともに適当な溶剤中
で除去される。

その結果、所望の導体パターンに対応するＭｏ／酸化物
複合マスクが残される。

Ｍｏ／酸化物複合マスクの開孔中に露出されている銅が
乾式食刻技術（例えば、反応性イオン食刻）によって除
去され、それからＭｇＯまたはＡｌ２０３およびＭｏが
適当な溶剤中で除去される。

例えば、始めにＭｇＯが蓚酸、蓚酸アンモニウム、酢酸
及び同種のものの溶液の如き適当な溶剤中で除去され、
モリブデンはアルカリ性フエリシアン化物溶液により除
去され得る。

次ζζ図面を参照して、本発明の方法をその好実施例に
ついて更に詳細に説明する。

第１Ａ図において、基板１は、前述の米国特許第４２３
４３６７号明細書に記載されている如き、半導体装置を
装着するための支持体として働く多層導体を有するガラ
ス・セラミック構造体から成り得る。

次に、例えばチタンの如き約２０００人（実用的範囲は
、約５００人乃至５０００人）の付着促進層２が基板１
上に全体的に付着（真空蒸着、スパッタリング及び同種
の方法により）される。

この付着促進層２は同様な方法、例えば真空蒸着、スパ
ッタリング等により該層２上に全体的に付着される、厚
さ約３μｍ（典型的範囲は、約１μｍ乃至約１０μｍ）
の銅層３の付着を容易にするために用いられる。

次に、第１Ｂ図に示されている如く、リフト・オフ・マ
スク材料層４が銅層３上に被覆される。

このマスク材料は、回転被覆の如き任意の通常の方法で
付着され得る標準的なフオ＋レジスト又は電子ビーム・
レジストから成り得る有機重合体材料として特徴付けら
れる。

そのレジストは、２層（ｔｗｏ−ｅｏａｔ）のポリメタ
クリレード重合体及び共重合体のレジスト並びに同種の
ものを含む、周知の放射線により劣化され得るレジスト
から成ることが好ましい、任意のフォトレジスト又は電
子ビーム・レジストから成り得る。

他の適当なレジストには、Ｓｈｉｐｌｅｙ社製のＡＺ−
１３５０Ｊ（商品名）、Ｋｏｄａｋ社製のＫＴＦＲ（商
品名）、ポリ桂皮酸ビニルの如き合成樹脂、ジアゾ型レ
ジスト及び同種のもの等がある。

それらのリフト・オフ技術は周知であり、それらの典型
的なものは米国特許第３４２１２０６号、 第３８７３３６１号、第３９３４０５７号、第３９８２
９４３号、及び第４００４０４４号の明細書に記載され
ている。

上記マスク材料が、集積回路製造技術において周知であ
る適当なリングラフイ技術に従って露光及び現像される
ことにより処理されて、第１Ｃ図に示されている如く開
孔７のパターンを有するリフト・オフ・マスク４Ａが形
成される。

上記マスクが形成された後、第１Ｄ図に示されている如
く、モリブデン層５及び５Ａが蒸着によってリフト・オ
フ・マスク４Ａ上及び銅層３の露出部分上に全体的に付
着され、モリブデン層５Ａは最終的にＭｏ／酸化物複合
乾式食刻マスク８の一部を成す。

この実施例において用いられるモリブデンの厚さは例え
ば約２０００人（実用的範囲は、約５００人乃至約５０
００人）であり得る。

次に、第１Ｅ図に示されている如く、例えば約２０００
人の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層６及び６ＡがＭｏ層
５及び５Ａ上に全体的に蒸着され、ＭｇＯ層６ＡはＭｏ
／酸化物複合乾式食刻マスク８の構造体を完成させる。

次に、通常のリフト・オフ除去技術を用いて、残されて
いるレジストのリフト・オフ・マスク４Ａが適当な溶剤
又は食刻剤によって完全に除去され、それとともにその
上のＭｏ及びＭｇＯの層も除去されて、第１Ｆ図に示さ
れている如＜Ｍｏ／酸化物複合乾式食刻マスク８を形成
するＭｏ及びＭｇＯ層５Ａ及び６Ａが銅層３上に残され
る。

ＡＺ−１３５０Ｊの如きポジティブ型レジストは、Ｎ−
メチルピロリドンの如き溶剤中に浸漬されることによっ
て除去され得る。

上記溶剤は、Ｍｏ，ＭｇＯ又はＣｕの層に影響を与えず
に重合体材料を溶解又は膨潤させるものであればよい。

用いられ得る他の溶剤には、アセトン、酢酸ブチル、ト
リクロルエチレン、酢酸セロソルブ及び同種のものがあ
る。

それから、第１Ｆ図及び第２Ａ図に示されている如きＭ
ｏ／ＭｇＯ複合マスクを有する構造体が乾式食刻方法を
施されて、第１Ｇ図に示されている如く、銅層３の露出
された部分及びその下のチタンである付着促進層２の部
分が基板１に達するまで除去される。

例えば、上記構造体は、２２５℃の陰極温度を用いて、
２．５ＳＣＣｍのＣＣｌ４の流量を有する２ｍＴｏｒｒ
のＣＣｌ４と８ｍＴｏｒｒのＡｒとの環境において、１
．３Ｗ／ｆｆｌ及び１３．５６ＭＨｚで反応性イオン食
刻することによって乾式食刻され得る。

これらの条件を用いて、２０００人のチタン層２及び３
μｍの銅層３を廟する第２Ａ図の構造体は１０乃至１２
分間で食刻され得る。

典型的には、２μｍの間隔が極めて容易に達成され得る
。

上記構造体が乾式食刻された後、第１Ｈ図に示されてい
る如く、マスクのＭｇＯ層６Ａが、例えば蓚酸の温かい
（４０乃至５０°Ｇ）８重量係水溶液中に２分間浸漬さ
れることにより、適当な溶剤又は食刻剤で除去される。

それから、第１■図に示されている如く、残されている
マスクのＭＯ層５Ａが、９２ｇのＫ３〔Ｆｅ（ＣＮ）６
〕と、２０ｇのＫＯＨと、３００ｍｌのＨ２０とから成
る水溶液で除去され、そしてＨ２０で洗浄される。

Ｍｏ／酸化物複合マスク８が除去された後、第１Ｊ図及
び第２Ｂ図に示されている如く、所望のパターン構造１
０を有する銅層３（及びその下のチタン層２）が残され
る。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図乃至第１■図は杏発明の方法による製造におけ
る構造体及び種々の工程を示す概略的縦断面図であり、
第２Ａ図は本発明の方法による反応性イオン食刻のため
に準備されたマスクされている銅層を示す顕微鏡写真で
あり、第２Ｂ図は本発明の方法による反応性イオン食刻
後における第２Ａ図の構造体を示している顕微鏡写真で
ある。 １・・・・基板、２・・・・Ｔｉ層（銅層のための付着
促進層）、３・・・・銅層、４・・・・リフト・オフ・
マスク材料層、４Ａ・・・・リフト・オフ・マスク、５
，５Ａ・・・・モリブデン層（ＭｇＯ層又はＡｌ２０３
層のための付着促進層且つ銅層のための拡散障壁）、６
，６Ａ・・・・ＭｇＯ層又はＡｌ２０３層、７・・・・
開孔、８・・・・Ｍｏ／酸化物複合乾式食刻マスク、１
０・・・・所望のパターン構造。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ モリブデンの層と、酸化マグネシウム及び酸化アル
   ミニウムより成る群から選択された上記モリブデン層上
   の層とを銅表面上に順次に付着することにより形成され
   そして所望の構造の銅パターンに対応するパターン状に
   延びて上記銅表面の相補部分を露出させるマスク開孔を
   有している横合マスクを上記鋼表面に付着し、 上記マスク開札を経て上記銅表面の上記相補部上記複合
   マスクを除去することを含む、 銅を基材とする金属パターンの形成方法。 ２ 銅表面の相補部分が乾式食刻によって除去されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記３ 銅表面の
   相補部分が反応性イオン食刻によ？て除去されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。