JP3368852B2 - 積層パターンの形成方法 - Google Patents

積層パターンの形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は積層パターンの形成
方法に関する。特に、本発明は、高周波伝送線路や高周
波共振器、高周波容量素子などの高周波デバイスを構成
する誘電体薄膜と導体薄膜の積層パターンを形成する方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】高周波伝送線路、高周波共振器、高周波
容量素子などの高周波デバイスを構成する誘電体薄膜に
は、誘電損失が小さいことが要求されている。そのため
一般的には、CVD、スパッタ、アブレーション等の方
法が用いられており、蒸着によって誘電損失の小さな誘
電体薄膜が製作された例はない。その理由としては、蒸
着法では、蒸着粒子の持つエネルギーが1eV程度以下
と小さいため、緻密な組成の誘電体薄膜を得ることが困
難で、低損失で良好な誘電体薄膜を得にくいことがあ
る。
【0003】そのため、通説では、室温付近の基板温度
では蒸着法で低損失膜を得られないと考えられてきてお
り、蒸着法によって低損失膜を得るには、基板加熱、イ
オンアシスト、イオンプレーティングなどの方法を採用
する必要があった。しかし、これらの方法ではいずれも
基板が高温に加熱されるので、リフトオフ法に用いられ
るフォトレジストの耐熱性を考慮すると、やはり、リフ
トオフ法によって低損失薄膜を形成することはできなか
った。
【0004】そこで、基板上に部分的に誘電体薄膜と導
体薄膜の積層パターン(配線パターン)を形成する場
合、例えばMIM(= metal-insulator-metal)構造の
高周波容量素子を構成する誘電体薄膜と導体薄膜からな
る積層パターンを形成する場合には、通常は下記のいず
れかの方法によって製作していた。
【0005】第1の方法は、基板の全面に蒸着やスパッ
タ等の方法によって下層の導体薄膜を形成し、ついでC
VDやスパッタ、アブレーション等の方法で誘電体薄膜
を形成し、ついで蒸着やスパッタ等の方法によって上層
の導体薄膜を形成してMIM構造の積層膜を形成した
後、その上にレジストパターンを形成し、レジストパタ
ーンから露出した不要領域の積層膜をエッチング除去し
て積層パターンを得るものである。
【0006】また、第2の方法は次のようなものであっ
た。まず、基板の全面に蒸着やスパッタ等の方法で下層
の導体薄膜を形成した後、この上にレジストパターンを
形成して下層の導体薄膜のみをエッチングにより所望パ
ターンにパターニングする。あるいは、導体薄膜の不要
領域にレジストパターンを形成しておき、蒸着等によっ
てレジストパターンの上から基板上に下層の導体薄膜を
形成し、レジストパターンと共にレジストパターン上の
導体薄膜を剥離させることにより、リフトオフ法により
下層の導体薄膜をパターニングする。ついで、パターニ
ングされた下層の導体薄膜の上から、CVDやスパッ
タ、アブレーション等の方法により基板全面に誘電体薄
膜を形成し、誘電体薄膜の上にレジストパターンを形成
して誘電体薄膜の不要領域をエッチングにより除去す
る。さらに、下層の導体薄膜を形成したのと同様の方法
により、誘電体薄膜の上に上層の導体薄膜を形成してパ
ターニングする。ただし、誘電体薄膜及び上層の導体薄
膜をパターニングする際には、それぞれパターニング済
みの下層の導体薄膜及び誘電体薄膜と位置合わせして同
じパターン形状とする。
【0007】しかし、第1の方法及び第2の方法では、
RIEのようなドライエッチングを用いても、例えばA
23などの誘電体材料を高精度にエッチングできない
という問題があった。そのため、いずれの方法でも、高
精度な誘電体薄膜パターンを形成したい場合には、誘電
体薄膜材料が極めて限定されていた。イオンミリング等
によれば誘電体薄膜材料を物理的に除去できる場合もあ
るが、その場合には下地材料の損傷が問題となる。
【0008】また、エッチングできる誘電体薄膜材料で
あっても、レジストパターンを形成した後、そのレジス
トパターンをマスクとしてエッチングするので、コスト
アップの要因となる。特に、第2の方法では、3回も繰
り返しレジスト膜をパターニングする必要があり、きわ
めてコストが高くつく。
【0009】このような理由から、低損失誘電体薄膜パ
ターン、あるいは低損失誘電体薄膜と導体薄膜の積層パ
ターンをリフトオフ法により簡単に形成したいという要
求がある。特に、1層のレジストパターンの上に導体薄
膜と誘電体薄膜とを真空中で交互に連続的に蒸着させる
ことにより、リフトオフ法により低損失誘電体薄膜と導
体薄膜の積層パターンを得ることが望まれている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の技術的
問題点を解決するためになされたものであり、その目的
とするところは、高周波伝送線路や高周波共振器、高周
波容量素子などの高周波デバイスを構成する低損失誘電
体薄膜と導体薄膜の積層パターンをリフトオフ法により
容易に形成することができる方法を提供することにあ
る。
【0011】
【発明の開示】請求項1に記載の積層パターンの形成方
法は、基板の上方にレジストパターンを形成した後、レ
ジストパターンの上から基板上方に誘電体薄膜と導体薄
膜を真空中で連続して交互に蒸着させ、前記レジストパ
ターンを除去することにより前記誘電体薄膜と前記導体
薄膜の積層パターンを得る方法において、前記誘電体薄
膜の材料として、CeO、Sm、Dy
、TiO、Al、MgOのうち少なく
とも1つを用い、基板温度を150℃以下にしてレジス
トパターンの上から基板上方に誘電体薄膜及び導体薄膜
を交互に蒸着させ、レジストパターンと共にレジストパ
ターン上の誘電体薄膜及び導体薄膜を除去した後、15
0℃以上の温度で誘電体薄膜及び導体薄膜からなる積層
パターンに熱処理を施すことを特徴としている。ここで
蒸着法としては、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法ま
たは高周波誘導加熱蒸着法などを用いることができる。
【0012】本発明の発明者らの鋭意研究の結果、Ce
2、Sm23、Dy23、Y23、TiO2、Al
23、MgOの7つの材料は、室温蒸着でも低損失誘電
体薄膜を成膜できることが明らかとなった。従って、こ
れらの材料を用いて誘電体薄膜を形成すれば、成膜時の
基板温度がレジストパターンの耐熱温度を超えないよう
にすることができ、レジストパターンが成膜時に熱変形
したり劣化したりするのを避けることができる。
【0013】上記のような7種の誘電体材料を用いれ
ば、リフトオフ法によりレジストパターンの耐熱温度よ
り低い基板温度で低損失誘電体薄膜を形成することがで
きるので、導体薄膜と誘電体薄膜をともに蒸着法によっ
て形成することが可能になる。従って、導体薄膜と誘電
体薄膜とを同一蒸着装置内で連続して形成することがで
き、導体薄膜と誘電体薄膜との積層パターンをリフトオ
フ法によって一度に形成することが可能になる。よっ
て、この方法によれば、導体薄膜と誘電体薄膜からなる
積層パターンを高い精度で、かつ低コストで形成するこ
とができる。
【0014】具体的には、レジストパターンの耐熱温度
は通常150℃であるから、成膜時の基板温度を150
℃以下にすれば、レジストパターンの熱変形や劣化等を
避けることができ、上記のようにリフトオフ法によって
低損失誘電体薄膜を形成することが可能になる。
【0015】請求項2に記載の誘電体薄膜パターンの形
成方法は、基板の上方にレジストパターンを形成した
後、レジストパターンの上から基板上方に誘電体薄膜
導体薄膜を真空中で連続して交互に蒸着させ、前記レジ
ストパターンを除去することにより前記誘電体薄膜と前
記導体薄膜の積層パターンを得る方法において、前記誘
電体薄膜の材料として、CeO、Sm、Dy
、Y、TiOのうち少なくとも1つを用
い、基板温度を150℃以下にしてレジストパターンの
上から基板上方に誘電体薄膜及び導体薄膜を交互に蒸着
させ、レジストパターンと共にレジストパターン上の誘
電体薄膜及び導体薄膜を除去した後、150℃以上の温
度で誘電体薄膜及び導体薄膜からなる積層パターンに熱
処理を施すことを特徴としている。請求項2に記載の誘
電体薄膜パターンの形成方法にあっても、請求項1に記
載の誘電体薄膜パターンの形成方法と同様な作用効果を
奏することができる。
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】ここでの熱処理は酸素雰囲気中で行なわれ
ると、Cuなどの導体薄膜が酸化する。そのため、この
熱処理は、真空中または不活性ガス雰囲気中で行なうの
が望ましい。不活性ガスとは、Ar、He、Ne、X
e、N2ガス等である。
【0025】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施形態による
配線パターン(積層パターン)の形成方法を示す図であ
る。以下、図1に従って説明する。まず、セラミック基
板や半導体基板等の基板1の上に図1(a)に示すよう
にネガ型フォトレジスト2aを回転塗布した後、フォト
リソグラフィ工程によりフォトレジスト2aをパターニ
ングし、配線パターン形成領域に窓3を開口する[図1
(b)]。この時、リフトオフ性を良好にするため、パ
ターニングされたレジストパターン2は逆テーパー状に
形成される。
【0026】ついで、図1(c)に示すように、基板1
を電子ビーム蒸着装置、抵抗加熱蒸着装置または周波誘
導加熱蒸着装置の真空蒸着槽内に入れ、基板ホルダーに
セットする。ついで、基板温度を150℃以下に保ち
(必要であれば、適宜冷却水等の冷却手段によって基板
ホルダー及び基板を冷却させる)、真空中において常温
で基板1上に導体(金属)を蒸着させる[図1
(c)]。こうして基板1上に成膜される導体薄膜4
は、1層で形成されていてもよく、複数層で構成されて
いてもよい。
【0027】ひきつづき、基板1を真空蒸着槽内にセッ
トしたまま、基板温度を150℃以下に保ち(必要であ
れば、適宜冷却水等の冷却手段によって基板ホルダー及
び基板を冷却させる)、真空中において常温で基板1上
に誘電体薄膜5を蒸着させる[図1(d)]。ここで用
いる誘電体薄膜5は、CeO2、Sm23、Dy23
23、TiO2、Al23、MgOのうちのいずれか
1種もしくは2種以上からなるものであって、混合組成
となっていてもよく積層構造となっていてもよい。
【0028】さらにひきつづき、基板1を真空蒸着槽内
にセットしたまま、基板温度を150℃以下に保ち(必
要であれば、適宜冷却水等の冷却手段によって基板ホル
ダー及び基板を冷却させる)、真空中において常温で基
板1上に導体金属を蒸着させ、誘電体薄膜5の上に導体
薄膜6を形成する[図1(e)]。この上層の導体薄膜
6は、下層の導体薄膜4と同じ金属材料であってもよ
く、異なる金属材料であってもよい。
【0029】こうしてレジストパターン2の上と、レジ
ストパターン2の窓3内とに下層導体薄膜4と誘電体薄
膜5と上層導体薄膜6からなる積層体が形成されると、
基板1を剥離液に浸漬する。レジストパターン2と共に
レジストパターン2上の積層体(4、5、6)を基板1
から剥離させると、基板1上に導体薄膜4、誘電体薄膜
5及び導体薄膜6からなる、高周波伝送線路、高周波共
振器、高周波容量素子等の高周波デバイスの配線パター
ンとするための所望パターンの積層パターン7が得られ
る[図1(f)]。
【0030】本発明の方法により、CeO2、Sm
23、Dy23、Y23、TiO2、Al 23、MgO
のうちいずれかの誘電体材料を用いれば、低損失誘電体
薄膜の室温蒸着が可能になり、高周波用低損失誘電体薄
膜パターンのリフトオフ形成を行なえるようになる。そ
して、リフトオフ法で誘電体膜を形成することができる
ので、1回のレジストパターニングとレジストパターン
の剥離作業によりMIMキャパシタや高周波伝送線路等
の積層配線パターンを形成することができ、誘電体薄膜
を含んだ積層配線パターンを低コストで作製することが
できる。これに対し、従来のように、メタルマスク内に
例えば1辺が50μmのパタニングを行なうことは極め
て困難であり、これをエッチングで行なうと複数回のレ
ジストパタニング工程とエッチング工程が必要で、コス
ト高になる。
【0031】なお、ここでは導体薄膜と誘電体薄膜の積
層パターンの場合について説明したが、誘電体薄膜パタ
ーン単独で用いる場合にも本発明を適用できることはい
うまでもない。また、4層以上の積層パターンであって
もよい。
【0032】(第1の実施例)次に、上記のような方法
によって、セラミック基板上に誘電体薄膜であるSm 2
3膜とその上下の導体薄膜であるCu膜とからなるM
IMキャパシタを形成する場合を具体的に説明する。
【0033】まず、直径3インチのセラミック基板上に
膜厚が5μmとなるようにフォトレジストを塗布し、フ
ォトリソグラフィにより当該フォトレジストをパターニ
ングし、一辺が50μmの開口部を有するレジストパタ
ーンを形成する[図(a)]。このとき、リフトオフ可
能な逆テーパー形状となるようにレジストパターンのリ
ソグラフィ条件を設定した。
【0034】ついで、このレジストパターンを形成され
た基板を蒸着装置の真空蒸着槽内に納め、基板を加熱す
ることなく、レジストパターンをマスクとして、接着層
であるTiを50nmの膜厚に電子ビーム蒸着し、つづ
けてCuを300nmの膜厚に電子ビーム蒸着して下層
の導体薄膜(下部電極)を形成した。このときの基板温
度は約80℃程度であった。ただし、Cu層の膜厚を厚
くする場合には、基板温度が上がってレジストパターン
の耐熱性の限界(150℃)を超えるので、この場合に
は基板ホルダーに流した冷却水等によって基板を冷却
し、基板温度を150℃以下に保つ必要がある。
【0035】こうして下層の導体薄膜が形成されると、
基板を大気に晒すことなく真空中において(つまり、基
板を真空蒸着槽から取り出すことなく)、ひきつづき接
着層であるTiを50nmの膜厚に電子ビーム蒸着し、
さらにSm23を200nmの膜厚に電子ビーム蒸着し
て誘電体薄膜を成膜した。このときの基板温度は約80
℃程度であった。Sm23の膜厚を厚くする場合にも、
基板温度が上がってレジストパターンの耐熱性の限界
(150℃)を超えるので、その場合には基板を冷却し
て基板温度を150℃以下に抑える。
【0036】同様に、基板を大気に晒すことなく真空蒸
着槽内に保ったままで、Sm23の上に接着層であるT
iを50nmの膜厚に電子ビーム蒸着し、ついで、Cu
を300nmの膜厚に電子ビーム蒸着して上層の導体薄
膜(上層の導体薄膜)を形成した。このときの温度も約
80℃程度であった。また、上層のCuの膜厚を厚くす
る場合には、基板温度が上がりレジストパターンの耐熱
性の限界(150℃)を超えるので、基板を冷却して基
板温度を150℃以下に抑える。
【0037】この後、基板を真空蒸着槽から取り出し、
基板をアセトンに浸漬して超音波を印加した。これによ
り、レジストパターン上に堆積した不要なCu/Ti/
Sm 23/Ti/Cu/Tiがレジストパターンととも
にリフトオフ除去される。この結果、誘電体薄膜(Sm
23)の上下両面に導体薄膜(Cu)を形成されたMI
Mキャパシタが製作された。
【0038】また、上記のようにして基板の上にMIM
キャパシタを形成した後、基板上に形成されたMIMキ
ャパシタに200℃で2時間のアニール処理を行なっ
た。この結果、誘電体薄膜[Sm23]の誘電損失をさ
らに改善することができた。
【0039】(第2の実施例)次に、セラミック基板上
に誘電体薄膜であるSm23膜とその上下の導体薄膜で
あるCu膜とからなる高周波伝送線路を形成する場合を
具体的に説明する。
【0040】まず、直径3インチのセラミック基板上に
フォトレジストを5μmの膜厚に塗布し、フォトリソグ
ラフィにより当該フォトレジストをパターニングするこ
とにより、幅500μm、長さ10mmの開口部を有す
るレジストパターンを形成する。このときリフトオフ可
能な逆テーパー形状となるようにレジストパターンのリ
ソグラフィ条件を設定する。
【0041】ついで、このレジストパターンを形成され
た基板を蒸着装置の真空蒸着槽内に納め、基板を加熱す
ることなく、レジストパターンをマスクとして、接着層
であるTiを50nmの膜厚に電子ビーム蒸着し、つづ
けてCuを1μmの膜厚に電子ビーム蒸着して下層の導
体薄膜(下部電極)を形成する。このときの基板温度は
約80℃程度となる。ただし、Cu層の膜厚を厚くする
場合には、基板温度が上がってレジストパターンの耐熱
性の限界(150℃)を超えるので、この場合には基板
ホルダーに流した冷却水等によって基板を冷却し、基板
温度を150℃以下に保つ。
【0042】こうして下層の導体薄膜が形成されると、
基板を大気に晒すことなく真空中において(つまり、基
板を真空蒸着槽から取り出すことなく)、ひきつづき接
着層であるTiを50nmの膜厚に電子ビーム蒸着し、
さらにSm23を200nmの膜厚に電子ビーム蒸着し
て誘電体薄膜を成膜する。このときの基板温度は約80
℃程度となる。Sm23の膜厚を厚くする場合にも、基
板温度が上がってレジストパターンの耐熱性の限界(1
50℃)を超えるので、その場合には基板を冷却して基
板温度を150℃以下に抑える。
【0043】同様に、基板を大気に晒すことなく真空蒸
着槽内に保ったままで、Sm23の上に接着層であるT
iを50nmの膜厚に電子ビーム蒸着し、ついで、Cu
を1μmの膜厚に電子ビーム蒸着して上層の導体薄膜
(上部電極)を形成する。このときの温度も約80℃程
度となる。また、上層のCuの膜厚を厚くする場合に
は、基板温度が上がりレジストパターンの耐熱性の限界
(150℃)を超えるので、基板を冷却して基板温度を
150℃以下に抑える。
【0044】この後、基板を真空蒸着槽から取り出し、
基板をアセトンに浸漬して超音波を印加した。これによ
り、レジストパターン上に堆積した不要なCu/Ti/
Sm 23/Ti/Cu/Tiがレジストパターンととも
にリフトオフ除去される。この結果、誘電体薄膜(Sm
23)の上下両面に導体薄膜(Cu)を形成された高周
波伝送線路が製作された。
【0045】また、上記のようにして基板の上に高周波
伝送線路を形成した後、基板上に形成された高周波伝送
線路に200℃で2時間のアニール処理を行なった。こ
の結果、誘電体薄膜[Sm23]の誘電損失をさらに改
善することができた。
【0046】(測定例)まず、本発明において用いる7
種の誘電体材料以外の材料として、SiO2およびTa2
5を選び、これらを室温蒸着により成膜した。その結
果、 SiO2: tanδ=10% Ta25: tanδ=60% となり、いずれも誘電損失の大きな誘電体薄膜しか得る
ことができなかった。
【0047】一方、SiO2およびTa25をスパッタ
リングにより成膜した場合には、 SiO2: tanδ=0.1% Ta25: tanδ=0.3% となり、スパッタリングでは誘電損失の小さな誘電体薄
膜を得ることができた。
【0048】これに対し、上記7種の誘電体材料を用い
て室温蒸着で誘電体薄膜を形成したところ、 Al23: tanδ=0.8% Y23: tanδ=1.0% CeO2: tanδ=0.5〜2.0% Sm23: tanδ=0.5〜2.0% Dy23: tanδ=0.5〜2.0% TiO2: tanδ=0.5〜2.0% MgO: tanδ=0.5〜2.0% となり、スパッタリングによるもの近い値が得られ、同
じ蒸着法で比較した場合には、誘電損失が格段に良好と
なった。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)(b)(c)(d)(e)(f)は本発
明の一実施形態による配線パターンの形成方法を説明す
る図である。
【符号の説明】
1 基板 2 レジストパターン 4 導体薄膜 5 誘電体薄膜 6 導体薄膜 7 配線パターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大川 忠行 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社 村田製作所内 (72)発明者 高橋 亮一郎 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社 村田製作所内 (56)参考文献 特開 昭57−155383(JP,A) 特開 平4−69977(JP,A) 特開 昭59−2349(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/3065 H05K 3/46

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上方にレジストパターンを形成した
    後、レジストパターンの上から基板上方に誘電体薄膜と
    導体薄膜を真空中で連続して交互に蒸着させ、前記レジ
    ストパターンを除去することにより前記誘電体薄膜と前
    記導体薄膜の積層パターンを得る方法において、 前記誘電体薄膜の材料として、CeO、Sm
    Dy、Y、TiO、Al、MgO
    のうち少なくとも1つを用い、基板温度を150℃以下
    にしてレジストパターンの上から基板上方に誘電体薄膜
    及び導体薄膜を交互に蒸着させ、レジストパターンと共
    にレジストパターン上の誘電体薄膜及び導体薄膜を除去
    した後、150℃以上の温度で誘電体薄膜及び導体薄膜
    からなる積層パターンに熱処理を施すことを特徴とする
    積層パターンの形成方法。
  2. 【請求項2】 基板上方にレジストパターンを形成した
    後、レジストパターンの上から基板上方に誘電体薄膜と
    導体薄膜を真空中で連続して交互に蒸着させ、前記レジ
    ストパターンを除去することにより前記誘電体薄膜と前
    記導体薄膜の積層パターンを得る方法において、 前記誘電体薄膜の材料として、CeO、Sm
    Dy、Y、TiOのうち少なくとも1つ
    を用い、基板温度を150℃以下にしてレジストパター
    ンの上から基板上方に誘電体薄膜及び導体薄膜を交互に
    蒸着させ、レジストパターンと共にレジストパターン上
    の誘電体薄膜及び導体薄膜を除去した後、150℃以上
    の温度で誘電体薄膜及び導体薄膜からなる積層パターン
    に熱処理を施すことを特徴とする積層パターンの形成方
    法。
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