JP3381844B2

JP3381844B2 - 多層配線回路およびその作製方法

Info

Publication number: JP3381844B2
Application number: JP2000058163A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2003-03-04
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: JP2000277499A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明はビッカ−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
にプラズマエッチングする方法、さらにこのプラズマエ
ッチング方法を用いたエレクトロニクス装置への炭素膜
の応用に関する。

【０００２】

【従来技術】炭素膜のコ−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17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ッチングに関するもの
ではない。

【０００３】

【従来の問題点】さらにこのエッチングを微細加工が容
易なドライエッチング方法、特に好ましくはプラズマエ
ッ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、エッ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
ッ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。

【０００４】

【問題を解決すべき手段】本発明は、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ッチング除去せんと
するものである。

【０００５】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、特に固体側に正の直流バ
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SP³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1.0eV 以上、好ましくは1.
5 〜5.5 eV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。

【０００６】本発明に用いる炭素は、その硬度もビッカ
−ス硬度が2000Kg/mm²以上、好ましくは4500Kg/mm²以
上、理想的には6500Kg/mm²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2.5W/cm deg 以上好まし
くは4.0 〜6.0W/cm deg を有するアモルファス（非晶
質）または５〜200 Å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３価
または５価の不純物が５原子％以下、また窒素が N/C≦
0.05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(O₂), 大気（酸素、窒素混
合気体),NO,NO₂,N₂O,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ッチングがされるべ
き基体上のマスクのない部分の炭素膜をプラズマエッチ
ングをして除去する。

【０００７】本発明はこのプラズマエッチングされる固
体表面を150 ℃以下好ましくは-100〜100 ℃と低い温度
好ましくは室温で形成せしめたことを他の特徴とする。
また本発明における基板または基体は半導体材料、ガラ
ス材料、セラミック材料、金属材料またはこれらの複合
化した材料等を用い得る。特殊基板として半導体基板を
用いる。または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、炭素膜を選択エッチングして用い得る。本発明は、
熱伝導度が大きく、耐摩耗材であり、かつ耐すべりやす
さを表面に必要とする電気部品に特に有効である。以下
に図面に従って本発明の作製方法を記す。

【０００８】

【実施例】「実施例１」図１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ッ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ッ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、炭素膜のエッチング用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ッチン
グ気体を(14)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。

【０００９】反応系(30)では、反応室(4),ロ−ド，アン
ロ−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ッチング処理を行う。反応室
(4) では第１の電極(2) およびその補助電極(2'), 被形
成面または被エッ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
波電源(15), マッチングトランス(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200W〜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
素によるエッチング速度を約４倍に向上することができ
た。排気系(20)は圧力調整バルブ(21), タ−ボ分子ポン
プ(22), ロ−タリ−ポンプ(23)をへて不要気体を排気す
る。

【００１０】これらの反応性気体は、反応空間(40)で0.
01〜１torr例えば0.1torr 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-200〜600V（実質的には-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-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。

【００１１】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℃
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−ズ硬度2000Kg/mm²以上を有する、または/ お
よび、熱伝導度2.5W/cm deg 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〜1KW を供給し、単位面積あたり0.03〜3W/cm²
のプラズマエネルギを加えた。成膜速度は、 100〜1000
A/分を有し、特に表面温度を-50 〜150 ℃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 A/分（メタンを用いマイクロ波を用いない場合) 、
500 〜1000A/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−ズ硬度が2000Kg/mm²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。

【００１２】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−ボ
分子ポンプ(22)、ロ−タリ−ポンプ(23)を経て排気され
る。反応系は、0.001 〜10torr代表的には0.01〜0.5tor
r 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1GHz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
コンウエハ),セラミックス、磁性体、金属または電気部
品の固体が配設された固体表面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。

【００１３】「実施例２」図２は実施例１の作製方法に
よって得られた炭素(34)がコ−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。図２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。

【００１４】さらにこのマスクを含めてこれら全体を図
１のプラズマ処理装置、この場合はプラズマエッチング
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0.01〜1torr 例えば0.1 torrにして高周波出力
300Wにて350 Å／分のエッチング速度にて炭素膜をエッ
チングすることができた。この圧力を0.05torrとする
と、そのエッチング速度は270 Å／分に減少した。その
結果、スル−プットを上げ、量産性に優れたものであっ
た。エッチング処理の後、マスクを除去し選択的に炭素
膜(34-1),(34-2),(34-3)を設け、結果として図２(B) を
得た。即ち、基板(31)上に選択的に炭素膜(34)がコ−テ
ィングされた基体とすることができた。この基体は半導
体素子、電気配線、サ−マルヘッドの発熱体等を有す
る。そして基体の一部としてガラス基板、半導体基板、
セラミック基板等を基板用に使い得る。

【００１５】「実施例３」図３は本発明の他の実施例を
示す。図３において、半導体基板例えばシリコン基板(3
1)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−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(34)を形成した。

【００１６】さらにこの上に酸素化物気体のプラズマ雰
囲気でエッチングして炭素膜(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
エッチングされるため、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
ッチングを図１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、気体上部全体をエッチング処理す
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。

【００１７】図３(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、図１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') をエッチング除去した。図３(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。ブロッキング層(33') が酸化珪素の場合はマスク(3
5)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−ティングの後、ウ
エハのプロ−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−トされた構成をダイボ
ンディング、ワイヤボンディングして完成させた。

【００１８】「実施例４」この実施例は、実施例３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
ンウエハの上表面に図４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−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−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
ラズマエッ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。

【００１９】即ち、例えばシリコンウエハの上面のアル
ミニウムの電気回路(32)および金のブロッキング層(33)
でパッド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0.5 μｍ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ッチング
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。そして金属パットを露呈させた。さらにマスクを除
去した。そして炭素膜をファイナルコ−ト膜としてIC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−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。

【００２０】「実施例５」図５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
エッ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(34)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50〜500 μｍ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。金属マスクを位置合わせしたのみでエッチングする
この方法は、マスク合わせ精度において高精度が出ない
という欠点を有するが、フォトレジストの被エッチング
面上に密着させてコ−トし、現像、プラズマエッチング
およびその後のこのフォトレジストの剥離等の複雑な工
程がないという他の特徴を有する。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。

【００２１】「実施例６」図６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。図６は半導
体基板(31)、絶縁膜(37)、第１の電気配線(32)、および
そのコンタクト(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−トした。そしてこの後、実
施例２のプラズマエッチング方法により他の開口(38'),
(38'')をあけた。開口(38'')は炭素膜の選択エッチング
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
−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。

【００２２】

【発明の効果】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ッ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−ティング等の層間絶縁膜
に用いることができた。またサ−マルヘッドその他の表
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 〜6.0 W/cmdeg とダイヤモンドの6.6W/cm
deg に近いため、高速テ−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。

【００２３】本発明において、酸化物超伝導材料として
(A_1-XBx）CuzOw 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３ａ族、
３ｂ族、５ａ族、５ｂ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２ａ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Bi₁Sr₁Ca₁Cu₂〜₃O₄〜₁₀,YBa₂Cu₃O₆〜 ₈,Y_0.5Bi_0.5S
r₁Ca₁Cu₂〜₃O₄〜₁₀,Bi₁Sr₁Mg_0.5Ca_0.5Cu₂〜₃O₄〜₁₀,B
i_0.5Al_0.5Sr₁Ca₁Cu₂〜₃O₄〜₁₀等を上げることができ
る。これらの材料はAl,Cu,Au等と同様に電子ビ−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】

【図１】本発明の炭素または炭素を主成分とする被膜の
成膜またはエッチングを行うための装置の概要を示す。

【図２】本発明の実施例を示す。

【図３】本発明の実施例を示す。

【図４】本発明の実施例を示す。

【図５】本発明の実施例を示す。

【図６】本発明の実施例を示す。

【符号の説明】

３１基板３７酸化珪素絶縁膜３２電気配線３３ブロッキング層３４炭素膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/205 H01L 21/31 H01L 21/314

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】配線上に第１の酸化珪素膜を形成し、前記第１の酸化珪素膜上に炭素膜を形成し、前記炭素膜上に第２の酸化珪素膜を形成し、前記第２の酸化珪素膜上にフォトレジストを選択的に形
成し、弗化物気体を用いたエッチングにより、前記フォトレジ
ストをマスクにして第２の酸化珪素膜を選択的に除去
し、酸素化物気体を用いたエッチングにより、前記第２の酸
化珪素膜をマスクにして前記炭素膜を選択的に除去する
とともに、前記フォトレジストを除去し、弗化物気体を用いたエッチングにより、前記炭素膜をマ
スクにして前記配線上の前記第１の酸化珪素膜を選択的
に除去するとともに、前記炭素膜上の前記第２の酸化珪
素膜を除去することを特徴とする炭素膜で覆われた配線
の作製方法。
【請求項２】請求項１において、前記炭素膜の形成と、
前記炭素膜を除去するための酸素化物気体を用いたエッ
チングとを同じ反応室で行うことを特徴とする炭素膜で
覆われた配線の作製方法。
【請求項３】配線上に第１の酸化珪素膜を形成し、前記第１の酸化珪素膜上に炭素膜を形成し、前記炭素膜上に第２の酸化珪素膜を形成し、前記第２の酸化珪素膜上にフォトレジストを選択的に形
成し、弗化物気体を用いた第１のエッチングにより、前記フォ
トレジストをマスクにして第２の酸化珪素膜を選択的に
除去し、酸素化物気体を用いた第２のエッチングにより、前記第
２の酸化珪素膜をマスクにして前記炭素膜を選択的に除
去するとともに、前記フォトレジストを除去し、弗化物
気体を用いた第３のエッチングにより、前記炭素膜をマ
スクにして前記配線上の前記第１の酸化珪素膜を選択的
に除去するとともに、前記炭素膜上の前記第２の酸化珪
素膜を除去することを含み、前記第１、第２及び第３のエッチングを同じ反応室で連
続して行うことを特徴とする炭素膜で覆われた配線の作
製方法。
【請求項４】請求項１乃至請求項３において、前記酸素化物気体として、Ｏ₂、ＮＯ、ＮＯ₂、Ｎ₂Ｏ、
Ｈ₂Ｏの少なくとも一種類の気体を用いることを特徴と
する炭素膜で覆われた配線の作製方法。
【請求項５】請求項１乃至請求項４において、前記炭素膜を、炭化水素気体を反応性ガスに用いたプラ
ズマＣＶＤにより、被形成面の温度を−１００℃〜１０
０℃にして形成することを特徴とする炭素膜で覆われた
配線の作製方法。