JPS5828736B2 - 平坦な薄膜の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基板上に平坦な薄い膜を被着する技術に関し、
より具体的にはその近くの絶縁物ト同一平面である導体
パターンを形成する方法に関する。

多レベルの導体パターンに適用するとこの方法は多レベ
ル構造の上部レベルの表面を平坦にすることができる。

基板上の金属線条又は薄い膜の上に平坦なガラスを被着
してガラス層に段差とか起伏を生じることなく適切に線
条を絶縁する技術が既に提案されている。

絶縁層を完全に平坦化するこのような技術は多レベルの
絶縁材料によって分離された多層の導体を有する構造に
おいては特に望ましいものである。

一般には絶縁層及び導体パターンを積み重ねることによ
って起伏が大きくなり取扱いを困難にする。

上記の既に提案されている技術は再スパツタ法を用いる
ものであるが多レベルの導体パターンについては満足で
きる平坦化はなしえない。

第１に基本的な平坦化法で遠戚することのできる平坦さ
の程度は金属線条の幅に依存する。

約８ミクロン乃至３８ミクロンという一般的な幅の金属
線条の上に被着した絶縁層を完全に平坦化するには２４
時間はどの時間を要する。

この時間は余りにも長すぎる。

更に基板上の夫にの線条の幅は多様であるので完全な平
坦化を非実用的なものにする時間要素が存在する。

この基本的な平坦化法で多レベルの導体パターンを形成
する場合のもう１つ重要な問題は各導体レベルを覆う絶
縁層を通る貫通接続を形成する必要性である。

現在では概して絶縁層に貫通孔を食刻しその上に次の導
体パターンな被着して下のレベルの導体パターンとの接
続がなされている。

しかし絶縁層の食刻はどのようにプロセスを制御しても
導体レベル間に短絡やピンホールを生じがちである。

これを防止するためには絶縁層を厚くする必要がある。

また、レベル毎に異なった型の誘電材料を使用しない限
り誘電体の食刻工程によって金属線条の密度が相当制限
される。

通常の場合、２つの隣り合う並列な線に対して隣り合っ
て２つの貫通孔を配置することが可能である必要がある
。

露光及びマスキング技術の観点からは誘電体層の表面に
おける貫通孔の直径は少なくとも６ミクロンなければな
らない。

導体レベル間の接続を行なう一般的なパッドは貫通孔と
少なくとも３．７ミクロン重ならねばならず、さもなけ
れば貫通孔の囲りに鋭い上向きの唇部が生じマスクの寿
命を短くする。

また、パッドの上に金属層又はガラス層を被着すること
も困難である。

このためにはパッドの直径は１４ミクロンであることを
要する。

隣り合うパッド間の間隔は少なくとも５ミクロン必要で
あるから２つの並列な線条の間の中心対中心の間隔は最
低１９ミクロン必要になる。

貫通孔の上にパッドを必要としない理想的な構造では線
条間の中心対中心の間隔は約１２ミクロンにすることが
できる。

現在の製造技術におけるも５１つの問題は導体レベル間
を直接的に接続する貫通接続を形成することができない
ことである。

実際のところ、貫通接続の製造が試みられることもまれ
であった。

困難性は一致する貫通孔に被着される金属が極端に平坦
性を害することにある。

この結果、非常に薄い金属線の側壁、金属スパイクの形
成及びフォトレジスト被覆の問題を生じる。

金属層の側壁が薄いことはこの領域が大電流密度になる
ので大きな電気的な問題をひき起こす。

従って、本発明の目的は基板上に実質的に平坦な多レベ
ルの薄膜パターンを形成する実際的な技術を提供するこ
とにある。

本発明の一面によれば、多レベルの配線構造における内
部的な短絡及びピンホールの数を低減させることができ
る。

本発明のもう１つの面によれは多レベル配線構造におけ
る貫通孔に被着される金属の非平坦性によって生じる問
題を低減させることができる。

更に本発明の一面によれば多レベル配線構造における下
部の導体パターンとは関係なく絶縁層の厚みを決めるこ
とができる。

本発明のこれらの目的は、基板上に第１の薄い膜を形成
することを含む方法によって達成される。

この薄膜は１組の異なった幾何学的設計の接続され又は
接続されていないパターンと除去可能の即ち消耗性の材
料層とを含んでいる。

後者は前者及び後に被着する第２の薄い膜に作用しない
食刻剤によって除去可能に選ばれる。

次いで第２の薄膜を再スパツタを生じるに充分高いバイ
アスを用いてＲＦスパッタリングにより被着する。

これによって基板表面及び上記除去可能材料層の表面が
第２薄膜で覆われるが除去可能材料層の側面は露出した
まま残される。

次いで除去可能材料層を食刻してその上の第２薄膜とと
もに除去する。

後には実質的に同一平面をなす第１薄膜パターン及び第
２薄膜パターンが残る。

最初のパターンは米国特許第３８７３３６１号明細書に
記載されるようなリフト・オフ法によって形成するのが
よい。

一実施例においては第１薄膜はアルミニウム、銅含有ア
ルミニウム、シリコンを添加した銅含有アルミニウムな
どであってよい。

除去可能材料は銅、クロム、又はクロム−銅クロムの合
成物であるのがよい。

第２の薄膜は絶縁層であり二酸化シリコンが望ましい。

第ルベルの導体パターンと後に被着される第２レベルの
導体パターンとの間の貫通接続部材はほぼ同様の方法で
形成することができる。

この接続部材は第１導体パターンの選ばれた領域上にア
ルミニウムなどの金属及びクロム−銅−クロムであるの
がよい第２材料を除去可能層（キャップ）として被着す
ることによって形成される。

次いで第１絶縁層及び除去可能層の上に第２絶縁層を再
スパツタを生じるに充分高いバイアスでＲＦスパッタリ
ングにより被着する。

最初の工程の場合と同様に露呈された基板表面及び除去
可能層の表面は覆われるが除去可能層の側面は露出した
まま残される。

次いで除去可能層を食刻してその上の絶縁材料とともに
除去する。

こうして第１導体パターンに接続された接続部材及び第
１導体パターンを覆う第２絶縁層が残る。

この接続部材と第２絶縁層とは実質的に同一平面である
。

これと同じ基本的な方法が第２レベル以上の導体パター
ンについて繰返される。

本発明は主として半導体基板上に導体パターンを形成す
ることを指向しているが池の型の薄膜にも適用可能であ
る。

特に本発明は同じ平面に位置する相補的な薄膜パターン
、例えば異なった金属又は誘電体の薄膜を用いる分野に
有用である。

次に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１Ａ図乃至１層図は導体パターン及びこれと同じパタ
ーンの消耗性材料の層の合成物の形成過程を示す。

この実施例で使用されるリフトオフ法は既に提案されて
いるものであり、基板２上に第１の有機重合体マスク層
４を被着することから始する。

マスク層は付着性及び熱安定性を向」ニさせるために焼
かれる。

５Ｉ−ＣＨ３結合に関して５Ｉ−０結合が優勢なポリジ
メチルシロキサン樹脂層６を重合体層４の上にスピン法
により被覆する。

フォトレジスト層又は電子ビーム・レジスト層であって
よい図示しない第２マスク層を樹脂層６の上に形成する
。

標準的な光線露光又は電子ビーム露光技術によって第２
のマスク層をパターン化し樹脂層を所望のパターン状に
露出させる。

パターン化されたマろり層をマスクとして使用して弗素
ガス雰囲気を用い樹脂層に反応性スパッタ食刻を施ス。

次いで同じ反応性スパッタ室内において弗素ガス雰囲気
の代りに酸素ガス雰囲気を用いて第２の反応性スパッタ
食刻工程を実施することによって第１マスク層に開口１
を形成する。

標準的なリフト・オフ法においては、次に樹脂の上及び
第１マスク層の開口１に薄い金属膜を全面被着し、第１
マスク層を除去して樹脂の上の金属膜の部分をリフト・
オフする。

マスク層４の過剰食刻によって上層のポリジメチルシロ
キサン・レジスト層６の開口部分に張り出しを生じ、最
後に被着される薄い膜の不要部分をリフト・オフ（浮か
せて取りさること）するのが容易になる。

この実施例においては基板２は代表的には二酸化シリコ
ン、窒化シリコン、又は二酸化シリコン及び窒化シリコ
ンの合成物のような絶縁物である。

通常の方法においては基板は図示しない半導体基板上に
被着される。

図示していないが、下部の半導体層の領域と絶縁基板２
０表面上の導体パターントを接続するための開口が形成
されている。

簡単のために第１Ａ図乃至１に図には半導体基板長ヒ絶
縁層２の接点開口を示していない。

第１Ｂ図において、第１Ａ図のリフト・オフ合成構造を
使用して機能的な金属膜「及び除去可能の金属膜即ちキ
ャップ１４′を構造体の上に全面被着する。

開口１内に被着される膜の部分は参照番号８及び１４で
示す。

この明細書に於ては、便宜的に第１の薄膜を構成する下
部の膜８を機能的金属と呼び、第１の除去可能材料層を
構成する上部の膜１４を作業用金属又はキャップと呼ぶ
事がある。

これら膜８及び１４により第１のパターンが形成される
。

機能的金属８は集積回路に普通に用いられる任意の金属
、例えばアルミニウム、アルミニウム→同合金、アルミ
ニウムー銅−シリコンその池のものであってよい。

膜８は普通の方法で約１乃至２．５ミクロンのオーダー
の厚さに被着される。

除去可能の膜１４はこの実施例では３層の金属で構成し
たが１層の金属でも構わない。

重要なのは除去可能の膜即ちキャップが機能的金属８又
は後に被着するガラスに作用しない第１０食刻剤によっ
て除去可能であることである。

この実施例では除去可能の金属はクロム１１．銅１２及
びクロム１３の合成層である。

食刻剤は濃い硝酸を使用する。

約５００人の厚さに被着するクロム層１１が銅及びアル
ミニウムの合金化を妨げる障壁として作用する。

同じく約５ｏｏ人の厚さのクロム層１３はフォトレジス
ト層４を除去する溶剤から銅を保護する作用をする。

以上に説明した特定の金属の池に、アルミニウム８０代
りにクロム−銅−クロム、又はタンタル−金−クンタル
の合成層を使用し、クロム−銅クロム構造のキャップの
代りにアルミニウムを使用することができる。

この場合の食刻剤は水酸化カリウム溶液がよい。

除去可能材料として金属を選んだのはＲＦスパッタリン
グの温度が一般に３５０℃以上になるからである。

しかし、高温度有機材料及び誘電体材料を使用すること
もできる。

この明細書においては前述したように便宜的に下部の導
体パターン８を機能的金属と呼び、除去可能材料１４を
作業用金属又はキャップと呼ぶことがある。

しかし、広義には層８は任意の薄膜材料であってよく、
層１４は第１の薄膜８又は後に被着される第２の薄膜に
実質的な影響を与えることなく除去することのできる任
意の材料である。

基板２上に薄膜８及び１４０合成層を被着するための技
術の１つが米国特許第３８７３３６１号明細書に記載さ
れている。

この池にも種々の方法が開発されているので任意のもの
を使用することができる。

第１Ｃ図に戻ると、一般的なリフト・オフ除去技術を用
いてＮメチル・ピロリドンのような溶剤に約１５−３０
分間浸すことによってフォトレジスト層４を完全に除去
する。

選ばれた溶剤は薄膜に作用することなく層４０重合体材
料を溶解し膨張させるものである。

このような溶剤にはアセトン、インプロパツール、メチ
ル・エチル・ケトン、又はトリクロルエチレンなどもあ
る。

この工程の後に第１Ｃ図の構造が得られ、基板２上に機
能的金属８及び作業用金属１４０合戒層成よる第１のパ
ターンが残される。

以上の方法より若干劣るが池の方法によって第１Ｃ図の
構造を得ることもできる。

リフト・オフ技術に加えて標準的な反応性イオン食刻又
はスパッタ食刻技術を使用することができるが、これら
は現時点では余り便利でない。

これらの技術によると、基板上に作業用金属及び機能的
金属の層を全面被着し、適当なフォトレジストを施し、
レジストをマスクとして現像し反応性イオン食刻又はス
パッタ食刻によってレジストのない部分の金属を除去す
ることが行なわれる。

第１Ｄ図は本発明における重要な工程に関係する。

基板２及び金属層１３の上に第２の薄膜としての絶縁層
２０ 、２０’を全面的に被着する。

この絶縁層はガラスであるのがよいが十分な再放出を生
じるに十分高いバイアスを印加してＲＦスパッタリング
を行なうことによって被着される。

第１Ｄ図に示すように、この結果露出基板及びキャップ
１４の表面が覆われるがキャップ１４の側面は覆われな
いで残される。

このため使用するＲＦスパッタリング装置は周知であり
、ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ Ｂｕ
ｌｌｅｔｉｎ 、 １９７１年９月発行の１０３２頁、
米国特許第 ３８０４７２８号明細書などに記載されている。

この型のＲＦスパッタリング装置を使用して３００ワツ
トの合計電力を供給して第１Ｄ図の構造を有するガラス
を被着した。

基板を配置する陽極は５００ワツトの入力を受は取り、
二酸化シリコン材料のターゲット電極は２５００ワツト
の入力を受けた。

層２０′の側面の水平に対する角度θが３ＩＯ以下であ
る時にはキャップ１４の側面がきれいなまま維持される
ことがわかった。

被着工程中のスパッタされた材料の再放出係数は代表的
には約０．６０である。

作業用金属１４の側壁にガラスかけ着しないように維持
することの重要性は十分認識されねばならない。

側面に相当量のガラスがけ着すると本発明の方法は効果
がなくなる。

しかし、少量のガラスが材料１４の側面に残されたとし
ても短時間の間緩衝ＨＦ食刻液に浸すことによって除去
することができる。

このようにして層２０に大した影響を与えることなく側
面をきれいにすることができる。

第１Ｅ図は作業用材料１４を除去した後の第ルベルの金
属及びガラスを示す。

クロム−銅−クロムのキャップ１４を除去するのに使用
する食刻剤は濃い硝酸がよい。

この食刻剤はアルミニウム８もガラス２０も殆ど食刻し
ない。

実際、この平坦なガラス−金属構造は極めて滑らかであ
り、他の配線方法による場合にしばしば見られる段差等
は見られない。

走査型電子顕微鏡による観察によってこのことが確めら
れた。

アルミニウム８及びガラス２０による実質的に平坦な第
１平面パターンが形成された。

本発明の方法はルベルの同一平面の導体及びガラスのパ
ターンを形成するのに有用であるが多レベルの構造を形
成する場合に最も利点を有する。

特に自讃レベル間の接続スタッドを形成するのにも同じ
基本的な工程を使用することができる。

代表的な接続スタッドを形成する方法を第１Ｆ図乃至１
Ｊ図を参照して説明する。

第１Ｆ図において前述したリフト・オフ法を開始する。

第ルベルの導体パターン８の上のフォトレジスト−樹脂
層２４／２６に接続スタッド用の開口３が形成される。

開口３は金属線条８の全幅よりも小さく示されている。

後に説明するように本発明の方法はこのような構造に限
定されるものではない。

事実、本発明の方法は線条に等しい幅又はこれより大き
い幅の接続スタッドを形成するのに使用することができ
る。

このことは半導体構造の上に配線層を形成する場合に大
きな利点となる。

第１Ｇ図において第３の薄膜としての機能的金属２８及
び第２の除去可能材料層としての作業用金属合成層３４
を含む第２のパターンが前述した層８及び１４と同じ態
様で被着される。

この実施例でも機能的金属としてアルミニウム、作業用
金属としてクロム−銅−クロム合成層を使用する。

被着後にフォトレジスト層２４を除去し第１Ｈ図に示す
ような機能的金属２８及び作業用金属３４からなるスタ
ッドを得る。

ガラスの十分な再放出を生じさせるた十分高いバイアス
でＲＦスパッタリングを行なって第４の薄膜としてのガ
ラス４０を被着する。

角度θは３１゜又はこれ以下である。

第１１図に示すようにこのスパッタリングによってキャ
ップ３４及びガラス層２０の露出面が覆われる。

しかし、キャップ３４の側面は完全に露出したまま残さ
れる。

第１Ｊ図に示すようにキャップ３４をリフト・オフする
ことによって接続スタッドの形成が完了する。

前述したようにクロム−銅−クロム構造のキャップを除
去するのに濃硝酸が用いられる。

第１に図は３レベルの配線及び各レベル間の接続スタッ
ドを形成するのに同じ方法を使用した５層構造を示す。

即ち８，４１及び４８は３レベルに形成された導体パタ
ーンであり接続スタッド２８及び４７によって相互に接
続されている。

本発明の方法の利点の１つは絶縁層の厚み、例えば層４
６の厚みが下部の配線４１の厚みと比較的独立であるこ
とである。

標準的な構造におけるバンプ、クレビス、及びスパイク
は覆うのが難しい領域であるが、層の非平坦性が減じら
れると金属層間の適正な絶縁を達成するのに必要なガラ
ス層は薄くてもよくなる。

この技術のもう１つの利点は下層及び上層の配線に関し
種々の位置的設計で接続スタッドを形成することができ
ることである。

この構造のいくつかを第２図乃至５図に示す。

これらは接続スタッドを上から見た図である。

第２図は基板４０上の金属線８上に配置した接続スタッ
ド２８を示す。

この接続スタッド２８の幅は線８０幅よりも小さい。

これが現在の半導体技術において最もよく使用される構
造であり第１Ａ図乃至１に図に示したものである。

第３図において接続スタッド１２８は導体線条１０８か
られずかにずれている。

普通の場合、このような不一致があると不所望の個所の
ガラス層４０が食刻される。

このような誤食刻がなされると配線層間に短絡を生じる
ことが多い。

しかし、本発明の方法においては絶縁層の食刻はなされ
ないので上記のような不一致があっても支障はない。

第４図及び第５図は接続スタッドの幅が導体線の幅より
も大きい構造を示す。

第４図のスタッド２２８は導体線条２０８上に配置され
ている。

スタッド２２８は線条２０８の３つの辺と重なり誘電体
層２４００表面とも接触する。

第５図のスタッド３２８は導体線条３０８上に配置され
ている。

スタッド３２８は線条３０８の２つの辺と重なり誘電体
層３４００表面とも接触する。

第４図及び５図の型の構造の利点は従来の技術において
は重大な結果に到ったマスクの不一致があってもなんら
問題を生じないことである。

何故ならスタッド２２８．３２８が線条２０８，３０８
の全幅又は大部分と接触するチャンスが太きいからであ
る。

このような接続スタッド構造が可能になるのは誘電体層
の食刻を行なわないからである。

下部の導体線条の幅よりも大きい幅を有する接続スタッ
ドを形成する概念は米国特許第 ３８４４８３１号明細書に記載されている。

この米国特許に記載される技術においては食刻特性の異
なる絶縁層を使用することによって類似の構造を得てい
る。

一方、本発明の方法においては１種類の絶縁層を必要と
するだけであり、絶縁層の食刻は不要である。

第６Ａ図及び６図は第ルベル導体４０８と半導体不純物
領域２３との接続及び中間層４３０によって接続された
１対の接続スタッド４２８及び４２９を示ず新面図及び
平面図である。

このような構造は本発明の主要な利点のほぼ全部を含ん
でいる。

導体４０８が接点２１及び不純物領域２３に接続する個
所においてくぼみが生じるが、このくぼみは絶縁層４２
７の厚みに対して極くわずかのものである。

接続スタッド４２９の表面の領域が重要なのであり、図
のように絶縁層４４２同一平面になっている。

従来の標準面な方法による場合と異なり接続スタッド４
２９が絶縁層４４２と接触する個所に薄い側壁は存在し
ない。

本発明の主要な利点は誘電体層を食刻することなく多レ
ベルの配線を形成することにあるが、いくつかの選ばれ
たレベルは従来の食刻工程によって形成してもよい。

例えば第１Ｅ図には平坦な第ルベルの金属ガラス層が示
されている。

接続スタッドを形成するために第１Ｆ図乃至１Ｊ図に示
す工程をとることな〈従来の工程を用いてもよいが、余
り好ましいことではない。

平坦な層の上に第２の誘電体層をスパッタ被着法又は化
学的被着法により被着し第１金属層８の上に従来技術に
よって貫通孔を食刻することができる。

次いでこの貫通孔に単独に又は第２誘電体層上に配置す
る金属パターンとともに接続スタッドを形成することが
できる。

以上に本発明を好ましい実施例について示したが、本発
明はこれに限定されるものではなく種々の変形が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図乃至１に図は本発明の一実施例における各工程
の構造体断面を示す図、第２図乃至第５図は本発明によ
って形成される接続スタッドのいくつかの型の平面図、
第６Ａ図は第ルベル導体と半導体領域との接続部分を示
す断面図、第６図は第６Ａ図の平面図である。 ２・・・・・・基板、８・・−・・・第１の薄膜、１４
・−・・・・第１の除去可能材料層、２０，２σ・−・
−第２の薄膜、２８・−・・−第３の薄膜、３４・・・
・・・第２の除去可能材料層、４０・・・・・・第４の
薄膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に第１の薄膜及びこの薄膜上に位置する除去
   可能材料の層を有するパターンを形成し、露出基板表面
   及び前記除去可能材料層を覆うがこの除去可能材料層の
   側面はほとんど覆わないようにするため前記除去可能材
   料層上での被着厚が周縁部で中央部より薄くなる程度の
   再スパツタを生じさせるのに十分高いバイアスを用いた
   ＲＦスパッタリングにより第２の薄膜を前記基板及び前
   記パターンの上に被着し、 前記第１及び第２の薄膜にはほとんど作用しない食刻剤
   を用いて前記除去可能材料層を食刻しその上に位置する
   部分の前記第２の薄膜とともに除去することを含む平坦
   な薄膜の形成方法。 ２ 上記第１の薄膜は導体であり上記第２の薄膜は絶縁
   体である特許請求の範囲第１項の方法。 ３ 上記形成方法は薄膜の平坦な多層構造を形成するた
   めに反復実施される特許請求の範囲第１項の方法。