JPS6046034A - ホウケイ酸ガラス層にテ−パ付き開口をエツチングする方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ホウケイ酸ガラス誘電体層にテーパ付き開口
をエツチングする方法に関するものである。

［従来技術］ 半導体集積回路の製造では、絶縁材料の１つとして多成
分のホウケイ酸ガラス誘電体層が用いられ、電気接点の
形成のために、このようなホウケイ酸ガラス層にヴイア
・ホール即ち層を貫通する開口を形成することが行なわ
れる。しかしながら、標準的フォトレジスト・マスク技
術は、かなりの厚さをもつ多成分ホウケイ酸ガラス層に
良好なヴイア・ホールを形成するのに利用できない。そ
の理由は、半導体製造に一般に使用されている有機フォ
トレジストが、化学的に充分な耐久性がなく、従って典
型的な場合、例えは１０μ低度のかなりの厚さをもつホ
ウケイ酸ガラス層を完全に溶解するために使用されるよ
うなエッチ剤の攻撃に耐えることができないためである
。パターン付けされたフォトレジストはエッチ剤には溶
けないが、エッチ剤にさらすと、（ＨＦは界面に付着す
ることが知られているので）例えば４５秒程度の短時間
に、ホウケイ酸ガラス誘電体表面から離れ、ホウケイ酸
ガラス誘電体層が所望の領域以外の所で攻撃を受けるこ
とになりそのためにピンホールが発成するという問題や
、ホウケイ酸ガラスの厚さに変動が生じるという問題が
生じ、何れの場合にもセラミック上のガラス表面上の薄
膜金属線に電気的問題を生じるおそれがある。

上記のようにレジストが緩むと、アンダーカットにより
ヴイア・ホール側壁のテーパの角度（側壁が垂直面に対
してなす角度）が大きくなり、また事実上制御不可能に
なる。テーパ角が小さすぎる場合はすなわち側壁が垂直
に近い場合はヴイアホールへの金属付着が十分に行なわ
れず、逆に大きすぎる場合は開口が拡がり、ヴイア・ホ
ール金属が隣接するヴイア・ホール金属あるいは金属化
線と接触したり重なったりする問題が起こりやすい。し
たがって、一般には、テーパ角は４５″程度にされるの
が好ましい。

［発明が解決しようとする問題点コ 本発明は、例えば１０μ程度の厚いホウケイ酸ガラス誘
電体層に、一様な且つ制御されたテーパを有するヴイア
・ホールを形成するものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、Ｓｉ、Ｎ４の化学量論量よりも過剰にケイ素
を含む窒化ケイ素層をホウケイ酸ガラス層のエツチング
・マスクとして用いる。窒化ケイ素層は従来、マスク層
あるいは表面安定化層として知られているが、通常の窒
化ケイ素層はケイ素過剰ではない。ケイ素過剰の窒化ケ
イ素層は、ホウケイ酸ガラス層に強固に付着してフォト
レジストにおける浮き上がりあるいは剥れの問題を生じ
ず、またホウケイ酸ガラス層のエツチングの際にホウケ
イ酸ガラス用のエッチ剤によってゆっくりとエッチされ
、窒化ケイ素層の開口を拡大する。これにより、ホウケ
イ酸ガラス層のヴイア・ホールに制御されたテーパを与
えることができる。窒化ケイ素がホウケイ酸ガラス用の
エッチ剤によってエッチされる速度は過剰なケイ素の量
に依存する。

ヴイア・ホール形成プロセスは、ケイ素過剰の窒化ケイ
素層をホウケイ酸ガラス層の上に被着することから開始
される。次に窒化ケイ素層はエッチ剤に対する耐性を与
えるために熱処理され、綴　！密化される。次に窒化ケ
イ素層の上にフォトレジストを被着し、露先現像して所
望の開ロバターンを形成する。露出した窒化ケイ素層領
域を除去し、その結果露出したホウケイ酸ガラス層表面
をホウケイ酸ガラス用エッチ剤にさらしてエッチする。

窒化ケイ素層はこのエッチ剤によってゆっくりとエッチ
され、窒化ケイ素層の開口が拡大して、下のホウケイ酸
ガラス層表面が付加的に露出されてエッチされるため、
制御されたテーパ角を与えることができる。

〔実施例］ 置ｌ婆 本発明は、一般にホウケイ酸ガラスのエツチング、もっ
と特定していえば、任意のタイプの半導体装置の製造に
使用される多成分ホウケイ酸ガラス誘電体に関するエツ
チングに利用される。

制限的なものと解釈すべきではないが、本発明によって
エッチできる典型的なホウケイ酸ガラスは、主としてＳ
ｉｎ、と８２０３　を含み、典型的な場合ではＳｉＯ□
は約６５〜８０重量％の０．０．は約２０〜３５重量％
のオーダーであり残りはかかるガラス組成に使用される
通常の物質、たとえばＡ　Ｑ　、０３．　Ｎａ、Ｏ，ｋ
、０．　ＣａＯなどのうちの１種または数種を約２０重
量％まで含む。

本発明にもとづく典型的なホウケイ酸ガラスの組成は、
下記の成分を含む。（全ての成分は重量％である。） ＳｉＯ□　６５．０ Ｂ２０３２０．Ｏ ＡＱ、０３　７．Ｏ Ｎａ、０　３．Ｏ ｋ、０　５．０ Ｃａ０　１．０ ホウケイ酸ガラスは、様々の厚さにすることができるが
、最も典型的な場合では、本発明は約１０μから１．０
ミル（２５，４μ）までのオーダーの厚いガラス層のエ
ツチングに使用される。

もちろん、本発明はもつと薄いホウケイ酸ガラスに適用
できるが、かかる場合には、厚いホウケイ酸ガラスには
使用できない通常のフォトレジスト材料が使用できる。

本発明にもつづいてエッチされるホウケイ酸ガラス層は
、通常のやり方で形成することができる。

たとえば、希望する各種の酸化物を所期の割合で混合し
、約１０００℃でそれぞれを誘解して、望みのホウケイ
酸ガラスを形成し、それをフリット状にして通常の焼成
処理によってその層を形成する。

オ」已１９ヱノ召仁林 本発明のマスク材は、プラズマ被着されたケイ素過剰の
（したがって窒素不足の）窒化ケイ素（以降、単にＳｉ
、　Ｎ４　と記すことがある）膜である。窒素不足およ
びケイ素過剰とは、Ｓｉ、　Ｎ、の化学量論量よりもケ
イ素を過剰に含むＳｉ、　Ｎ４　をいう。通常の場合、
ケイ素の量（モル）は、ＳＬ／Ｎのモル比で約１．５ま
でである。

今後Ｓｉ、　Ｎ４　というとき、別設の指示がない限り
、上記の窒素不足でケイ素過剰なＳｉ３Ｎ４　を指すも
のとする。

比較的厚いホウケイ酸ガラス誘電体層のエツチング用の
マスクになりそうないくつかの無機物質を調べたが、物
質の処理パラメータ（熱処理温度、エッチ剤に対する耐
久性、ガラスまたはＳｘａ　Ｎ４に対する接着力）およ
びマスクとホウケイ酸ガラス誘電体層の熱特性（Ｓｉ、
Ｎ４の化学蒸着ＣＶＤは、ガラスの転移温度よりも高い
温度で行なわれ、またＣＶＤ被着されたＳｉ３Ｎ、膜は
屈折率が例えば１．５〜２．００と非常に小さく、エッ
チ剤によって非常に急速に攻撃される。）のために、還
元性雰囲気中で熱処理され、熱処理後の屈折率が約２．
３０〜２．８０、最も好ましくは約２．５のプラズマ被
着されたケイ素過剰、窒素不足のＳｉ、　Ｎ４のみが、
ホウケイ酸ガラス誘電体に適したエッチ・マスクである
ことが判明した。

この点に関していうと、屈折率が２．０以下の標準的な
プラズマ被着されたＳｉ３Ｎ４膜は、本発明にもとづく
エッチ剤の攻撃に耐えるのに必要な化学的耐久性をもっ
ていない。

グラノ〕ｌし１１作 本発明のＳｉ、Ｎ４膜は、プラズマ被着源のケイ素の量
がＳｉ、　Ｎ４の窒素の量に関して化学量論量よりも多
い点を除いては、基本的に通常のやり方で、プラズマ被
着によって形成される。典型的な場合、ヴイア・エツチ
ングの前にこれでホウケイ酸ガラスの表面全体を被覆す
る。

典型的なプラズマ被着条件は、下記の通りである。温度
約３００℃、電力約３００ワツ１〜、被着速度約３００
人／分。もちろんこれらの条件は、当該技術の専門家に
よれば通常の技術を用いて容易に修正することができる
。

針ＪＬ■ム壓襄 本発明に使用されるＳｉ、　Ｎ４膜の厚さには、大きな
制限はない。使用する特定のエッチ剤の種類および問題
のホウケイ酸ガラスの厚さによって最小厚さが設定され
ることは自明である。Ｓｉ３Ｎ４膜の最大厚さは、一般
に処理工程を考慮して設定される。例えば、Ｓｉ、Ｎ４
膜中にヴイア・パターンを形成するために反応性イオン
・エツチングを使用するので、厚さが過剰になると、よ
り長い反応性イオン・エツチング時間が必要となるため
に処理コストが増すので、過剰の厚さは避けるべきであ
る。従って、特定の用途については、典型的な場合では
、許容される最小厚さのＳｉ３Ｎ４膜が使用されること
になる。典型的な望ましいＳｉ３Ｎ４膜の厚さは、約２
５００人〜４５００人のオーダーである。微小なヒビ割
れなどの欠陥が生じなければ、それよりも厚いまたは薄
い厚さが使用できる。

ＳｉＮ　膜を高・　ヒするための、し理水発明によれば
、Ｓｉ、　Ｎ４膜をを還元性雰囲気中で熱処理して、Ｓ
ｉ、Ｎ４膜を緻密化する。

典型的な被着時の屈折率は約１．９５〜２．００のオー
ダーであり、典裳的な所望の最終屈折率は２．３０〜約
２．８、好ましくは２．４５〜２゜８であり、特に好ま
しいのは約２．５である。

所期の緻密化を達成するための熱処理条件には、大きな
制限はなく、典型的な場合、加熱は温度約５００℃〜５
３５℃で、約２〜２１／２時間、一般に例えば水素、窒
素、窒素−水素混合物などの還元性雰囲気中で行われる
。空気中でも熱処理できるが、これは望ましくない。

ヴイア・パターンの百定 本発明のＳｉ３Ｎ４膜を形成し、それを高密度化した後
に、フォトレジスト層、できれば複合フォトレジスト層
を通常のやり方で窒化ケイ素膜に被着し、通常のやり方
でマスクを通して露光し、次に通常のやり方で現像して
ヴイア・パターンを画定する。「複合フォトレジスト層
」の用語は、同じネガ・フォトレジストを２層に重ねた
ものを意味するにすぎない。フォトレジストはスピン・
コートされるが、たとえば厚さ４μの厚い単一のフォト
レジスト層を充分に露光するのは難かしいので、複合フ
ォトレジスト層を使用することが望ましい。

フォトレジストには、基本的な制約はなく、通常の反応
性イオン・エツチング中に表面を保護するために当該技
術で使用されている、通常のどんなネガ・フォトレジス
トでも、本発明に使用することができる。

複合フォトレジスト層なレル二重被覆フォトレジスト層
は、極めて容易に露光でき、ホウケイ酸ガラス誘電体層
のピンホール形成と欠陥が減るので、それを使用すると
好都合である。

複合フォトレジスト層を用いた典型的な場合、フォトレ
ジストの第１層をスピン・ニー１−シ、露光し、現像し
て、その後に２層のフォトレジスト間の正確な位置合せ
を確保しながら、フォトレジストの第２層をスピン・コ
ートし、露光し、現像する。

フォトレジストが、反応性イオン・エツチングの期間中
およびホウケイ酸ガラス誘電体層にヴイア・ホールをエ
ツチングする間Ｓｉ３Ｎ４膜を保護する限り、フォトレ
ジスト層の厚さまたは複合フォトレジスト層の厚さには
、大きな制限はなし）。

単一フォトレジスト層の典型的な厚さは、約１μ〜２μ
のオーダーである。

複合フォトレジスト層の場合、第１のフオトレ　）シス
ト層は、典型的な場合、乾燥時の厚さ力１約１゜５μ〜
２μのオーダーであり、第２の（オーハーコー１−）フ
ォトレジスト層は、乾燥時の厚さが約２μ〜２．５μで
ある。

当該技術の専門家なら、様々な反応性イオン・エツチン
グ条件とヴイア・ホール・エツチング条件に整合する有
用なフォトレジスト層の厚さを容易に決定できるので、
上記の厚さは制限的なものと解釈すべきではない。

ｒ、・１主イオン・エツチングの条件 通常の反応性イオン・エツチングを使用して本発明のＳ
ｉ、　Ｎ４膜にホウケイ酸ガラスの表面に届くまで所望
のヴイア・パターンをエッチする。もちろんフォトレジ
ストは、Ｓｉ、　Ｎ４膜の他の全領域を保護する。従っ
て、Ｓｉ３’Ｎ４膜がエッチされ、フォトレジストは除
去されないように反応性イオン・エツチングの条件を選
択する。

典型的な条件は、下記の通りである。温度９５〜１００
℃のオーダー、電力約１００ワッ１−、エッチ速度約２
８５人１分。

当該技術の専門家なら気付くように、上記の条件は必須
のものではなく、通常のやり方で自由に修正することが
できる。

意゛　のフォトレジスト熱　理 単−フォトレジスト層であれ、複合フォトレジスト層で
あれ、フォトレジストを真空中で熱処理して、フォトレ
ジストをホウケイ酸ガラスのエッチ剤に対してより耐性
にし、Ｓｉ３Ｎ４膜を保護またはそこシこ出来たピンホ
ールを覆うようにすることが、極めて望ましい。

当該技術の専門家なら気付くように、化学薬品に対する
フォトレジストの抵抗性を増し、フォトレジストを本質
的に緻密化するためにそわを焼成することは、当該技術
では周知の処理方法であり、本発明のこの段階には通常
の条件を用いることができる。

もちろん加熱条件を特定のフォトレジストに合せて調整
しなければならないが、そのような情報は、典型的な場
合、フォトレジスト供給業者からすでに入手できる。

本発明にもとづく単一または複合フオトレジスト層では
、典型的な場合、加熱は例え４−Ｊ’約１８〜２０　ｐ
ｓｉａのわずかな真空中で約１８０℃〜１９５℃のオー
ダーの温度で約３０分〜１．５時間ネテなう。

湿式エッチＪとエツチング条゛ 本発明にもとづいて使用するエッチ側番よ、当ＨＫ技術
でホウケイ酸ガラス誘電体をエッチするために使用され
るエッチ剤のうちから自由し二速、３１カーできる。典
型的なエッチ剤は、リン酸および１１１＝酸をベースと
するエッチ剤で、典型的な場合に番まフッ化水素酸およ
び水と組み合せて用しする。ただし本発明は、限定的な
ものと解釈すべきで番よなし１゜しかしながら、エツチ
ングを約２〜５分の間し３行なうことが望ましいので、
エッチ剤ｌまホウケイ酸ガラスに対して比較的迅速なエ
ッチ剤であることが特に望ましい。

典型的な場合、エツチングは常圧で温度約２０℃〜２５
℃で行なう。

エツチング段階中にＳｉ、　Ｎ、はホウケイ酸ガラスに
固く接着するが、徐々にエツチングしこよって除去され
、ヴイア開口を拡大する。このエツチングによるＳｉ３
Ｎ４の除去により、ホウケイ酸ガラス層の上部領域が付
加的に露出してエッチ剤にさらされ、パターン開口の側
壁に付加的テーパを与える。付加的に露出するホウケイ
酸ガラスの大きさは、Ｓｉ、Ｎ４層によって精確に制御
され支配される。当該技術の専門家なら気付くように、
湿式エツチングでは、必ずアンダーカットが生じるが、
本発明によれば、ホウケイ酸ガラスに対するＳｉ３Ｎ４
の付着性がよいためアンダーカットが精確に調節される
。

エツチングに続いて、この段階の装置を、例えば脱イオ
ン水で洗浄し、次に適当な不活性気体、例えば窒素、ア
ルゴン・ヘリウムなどで吹き付は乾燥する。なお清浄空
気も使用できる。

当該技術の専門家なら気付くように、ホウケイ酸ガラス
誘電体層中のヴイア・ホールに対するテーパは、種々変
えることができる。しかし、テーパを４５℃以上にする
のが特に望ましく、一般に約４５”〜６０″の範囲であ
る。

図に示されているように、ここで使用する「テーパ」の
用語は、図に示した角度α（側壁６０Ａと垂直面との角
度）を指すものであり、αは先に示したように約４５°
〜６０’のオーダー、特に４５°〜５０″にすべきであ
る。この角度が小さすぎると、ダイア中に被着される金
属は、それによく接着しない。一方、角度αが大きすぎ
ると隣接するヴイアまたは金属化線とオーバーラツプが
起こる可能性があり、短絡が生じることになる。

図を参照すると、金属ヴイア２ｏを備えたセラミック基
板１ｏが示されており、このヴイア２゜は金属化パター
ン３ｏに接続されている。また金属化線４０が示されて
いる。またホウケイ酸ガラス層５０が示されており、そ
の中に、側壁６０Ａを有するテーパ付きヴイア・ホール
６ｏがエッチされている。ヴイア・ホール６ｏには金属
化パターン７０が形成されている。ホウケイ酸ガラス層
５０の上面には金属化線８ｏも設けられている。

ヴイア金属パターン７ｏはＭｏとすることができ、金属
化線はＣｒ−Ｃ：ｕ−Ｃｒとすることができる。

テーパ付きヴイアを除き、上記のものは通常の装置を表
すものである。

当該技術の専門家なら気付くように、各種の表面安定化
層、追加的金属接続線などを専門家には自明のやり方で
設けることができる。

２次処理 上記の処理に続いて、残ったフォトレジストを通常のや
り方で、たとえば酸素反応イオン・エツチングによって
除去し、その後に通常の反応性イオン・エツチングによ
って、例えばＣＦ４中で５１３Ｎ４膜をホウケイ酸ガラ
スに達するまで除去する。通常の終点検出器を用いてエ
ツチングを終了させる。

上記の処理に続いて、ホウケイ酸ガラス誘電体層中にヴ
イア・ホールをエッチした装置に対して普通の処理、例
えば洗浄、ヴイア・ホールの充填。

金属化物例えばＣｒ　７Ｃ’ｕ　−Ｃｒ金属化物の付着
、金属化物の上部Ｃｒ層のエツチングによる除去などの
通常の各種の処理を加えることができる。

以上、本発明について一般的に説明してきたが、次に本
発明を実施するための最も望ましい方法について説明す
る。

■ この特定の場合には、厚さ１０μのホウケイ酸ガラス誘
電体が、クロム−銅−クロムの金属化パターンを備えた
Ａｆ１２０３基板に通常のやり方で形成された。

ホウケイ酸ガラス誘電体層は、下記の組成をもっていた
。（全ての成分は重量％である。）Ｓｉｎ２６５．０ ８□０３　２０．０ Ａｌ１，０３７．Ｏ Ｎａ、０　３．Ｏ Ｋ、Ｏ”　５．０ ＣａＯ１，０ これは、粒径が約８μのフリットの形のガラス成分を付
着することによって形成し、次に水素雰囲気中で８２０
℃で１時間焼成した。次にガラス表面を通常のやり方で
平面にしてそれを±２μの平坦さにした。

次に、ホウケイ酸ガラス誘電体層を通常の中性洗浄液で
洗浄した。

次に窒素不足ケイ素過剰のＳｉっＮ４層をホウケイ酸ガ
ラス誘電体層の清浄表面にプラズマ被着した。Ｓｉ３Ｎ
４の厚さは、４０００〜５０００人であった。その屈折
率は２．３以下であった。

プラズマ被着は、約３００ワツトの電力を用いて約３０
０℃で約３００人／分のＳｉ３Ｎ、被着速度で行なった
。

５ｉａＮ４層の被着後、アセンブリを炉に入れ約１気圧
の水素雰囲気中で５２５℃で２時間処理して、Ｓｉ、　
Ｎ４膜を緻密化した。緻密化後のＳｉ３Ｎ４膜の屈折率
は約２．５であった。

炉から取り出して室温にまで冷却した後、３μ常のネガ
・フォトレジストの複合（２重）層を通常のやり方でス
ピン・コートした。フォトレジストの上層と下層は同一
であり、どちらも乾燥時厚さ　１は２μであった。

各コーティングに続いて、各フォトレジスト層を、望み
のヴイア・パターンに適したマスクを通して露光し、通
常のやり方で現像して、ヴイア・ホールをエッチすべき
場所のフォトレジストを除去した。フォトレジスト中の
ヴイア・ホール「開口Ｊの当初の直径は、約２ミル（５
０，８μ）であった。

次に、ＣＦ４中で通常の反応性イオン・エツチングを行
なって、Ｓｉ、Ｎ、膜中にヴイア・パターンをホウケイ
酸ガラス誘電体表面に達するまでエッチした。通常の終
点検出器を用いて、反応性イオン・エツチングを終了さ
せた。反応性イオン・エツチングは、温度９５〜１ｏｏ
℃、電力１００ワツト、エッチ速度２８５人／分で行な
った。

反応性イオン・エツチングに続いて、この段階の装置を
真空炉中で１８〜２０ｐｓｉａの真空で１８５〜１９５
℃で半時間加熱して、複合フォトレジスト層のエッチ剤
に対する抵抗力をより大きくした。

上記の熱処理に続いて、装置を室温にまで冷却し、ホウ
ケイ酸ガラス誘電体層をＨＦ３５．３％。

氷酢酸２３．５％、Ｈ，０４１，２％からなるエッチ液
に浸して、その中にヴイア・ホールをエッチした。エツ
チングは２４℃で２．５〜３．０分間行ない、その後に
装置をエッチ液から取り出し、流れている脱イオン水で
５分間洗浄し、次に窒素で吹付は乾燥した。

ヴイア・ホールのテーパは４５°、ヴイア・ホール底面
の直径２ミル（ＥＩｏ、８μ）頂面の直径４ミル（１０
１，６μ）で、大きなピットや侵食は見られなかった。

上記の処理手順に続いて、酸素プラズマ中で通常の反応
性イオン・エツチングによって、残りのフォトレジスト
を除去し、次に通常のＣＦ４反応性イオン・エツチング
によってＳｉ、　Ｎ、膜をホウケイ酸ガラス誘電体層の
表面まで除去した。通常の終点検出器を用いて１反応性
イオン・エツチングをいつ終了させるかを決定した。

上記の処理の後に、ホウケイ酸ガラス誘電体中に良好な
ヴイア・ホールが得られた６ その後、この装置に対して通常の処理１例えば、デーパ
付きヴイア・ホール中に通常の金属化体（例えば銅）を
被着する処理などを加えることができる。

［発明の効果コ 本発明によれば、厚いホウケイ酸ガラスに、一様な且つ
制御されたテーパの側壁を持つヴイア・ホールを形成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】 図は、本発明のテーパ付きヴイアを備えたセラミック基
板の概略側面図である。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　岡　１）　次　生 （外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ホウケイ酸ガラス層の上に、ケイ素をＳｉ、　Ｎ。 の化学量論量よりも過剰に含む窒化ケイ素層を被着し、
   前記窒化ケイ素層を緻密化し、レジスト層を被着し、前
   記レジスト層を露光現像して所定のレジスト開ロバター
   ンを形成し、露出した窒化ケイ素領域を除去し、その結
   果露出したホウケイ酸ガラス層表面をホウケイ酸ガラス
   用エッチ剤にさらすことを含む、ホウケイ酸ガラス層に
   テーパ付き開口をエツチングする方法。