JPH0697128A

JPH0697128A - 多層金属構造の製造中におけるポリイミド皮膜のパターン形成方法

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Publication number: JPH0697128A
Application number: JP19665393A
Authority: JP
Inventors: Krishna G Sachdev; クリシュナ・ガンディー・サチデーヴ; Henry Deciletz Bryan; ブライアン・ヘンリー・デシレッツ; John C Forster; ジョン・カート・フォスター; Karen Mccormack Kathleen; キャスリーン・カレン・マッコーマク
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】本発明の目的は、薄膜多層金属構造の製造中
に、ポリイミド下層を通してパターンを転写する方法を
提供することにある。【構成】本発明の方法は、基板２２上に完全に硬化し
た厚いポリイミド層２０を形成する工程を有する。この
ポリイミド下層の上に、感光性のシリコン含有重合体２
８を塗布する。次に、レジスト層を通して露光し現像す
ることにより、レジスト・パターンを形成する。最後
に、高密度異方性Ｏ₂プラズマのみを使用して、エッチ
ングによりレジスト・パターンをポリイミド下層中に転
写する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多層および２層レジス
ト・プロセスに関するものであり、詳細には、薄膜多層
金属構造の製造中の、ポリイミド下層のパターン形成に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】湿式現像を使用するレジスト・リソグラ
フィと下層の乾式エッチングを組み合わせた多層レジス
ト・プロセスでは、一般に下層／Ｏ₂反応性イオン・エ
ッチング（ＲＩＥ）バリア／レジスト層のスタックを利
用する。３層レジスト法で通常使用されるＯ₂ＲＩＥマ
スクの材料には、スパッタまたはプラズマＣＶＤ付着さ
せたＳｉＯ₂、ＳｉＯｘ、Ｓｉ₃Ｎ₄、およびスピン・コ
ーティングしたガラス樹脂、またはポリジメチルシロキ
サン樹脂、シリコン含有ポリイミドなどの有機シリコン
重合体がある。上面のレジスト・パターンは、ＣＦ₄／
Ｏ₂、ＣＨＦ₃、またはＣＦ₄によるＲＩＥ後、標準のＯ₂
ＲＩＥによってパターンを重合体の下層に転写すること
により、Ｏ₂のエッチ・マスクに複写される。

【０００３】既知の多層レジスト・プロセス技術の例と
しては、米国特許第３８７３３６１号明細書があり、同
明細書は、ハード・ベーキングしたノボラック・ジアゾ
キノンのレジスト平坦化層およびバリア層を使用する、
代表的な３層レジスト・プロセスを記載している。バリ
ア層は、フッ素を主体とするプラズマ中でエッチングし
た後、Ｏ₂ＲＩＥによってパターンを有機層にエッチン
グする。

【０００４】米国特許第４４０７８５０号明細書には、
平坦化層／ＳｉＯ₂／フォトレジストのスタックを有
し、Ｏ₂ＲＩＥによる下層の異方性エッチングを、低い
励起周波数（１００ｋＨｚ）と低圧で平行板プラズマ反
応装置を使用して行うことができる、標準のリソグラフ
ィ法が記載されている。

【０００５】米国特許第４４４７８２４号明細書には、
ポリイミド／ポリスルホン／エッチ・マスク／レジスト
からなるスタックを使用した従来の多層レジスト（ＭＬ
Ｒ）法が記載されている。エッチ・マスクのパターン形
成は、レジストをマスクとして使ってＣＦ₄エッチング
を行った後、Ｏ₂ＲＩＥによってパターンを重合体下層
にエッチングして、リフトオフ・プロファイルを形成す
ることによって行われる。

【０００６】米国特許第４４９３８５５号、第４５６２
０９１号、および第４５９９２４３号明細書には、有機
シリコン単量体のプラズマ重合によって形成したＯ₂Ｒ
ＩＥマスク皮膜が開示されている。これらの皮膜は、厚
いポリイミド下層との適合性と、エッチ転写中およびリ
フトオフ・プロセス中の耐亀裂性に関する特性が改善さ
れた、従来のＲＩＥマスク材料に代わる優れた材料とし
て記載されている。

【０００７】これらの技術による反応性イオン・エッチ
ングは、従来のポリイミドおよびベーキングした樹脂の
下層では、高圧条件で最高毎分０．５μｍのエッチ速度
を提供できる、標準の平行板ＲＩＥ装置を使って行われ
る。しかし、高圧ＲＩＥでは、リフトオフ・メタライゼ
ーション・プロセスにしか適さない、オーバーハングま
たはアンダーカットのプロファイルを伴う高度に等方性
のエッチングが生じる。垂直な側面または傾斜のついた
プロファイルを伴う異方性エッチングは、低圧条件で得
られるが、エッチ速度が低いためにエッチ効率が犠牲に
なる。したがって、実用面を考慮すれば、後者のプロセ
スは比較的薄い重合体下層のエッチングに限られる。

【０００８】２層レジスト・プロセスは、３層レジスト
法に代わるより簡単な方法であり、下層／２層レジスト
のスタックで構成され、上面のレジストが通常シリコン
を含有する重合体である。レジストは、標準の露光およ
び現像工程に従って結像させ、シリコン含有レジストの
表面をＳｉＯｘ型の構造に変換する際に、パターンをマ
スクとして使ってＯ₂ＲＩＥにより下層を乾式エッチン
グする。このような２層プロセスにはＲＩＥ残渣の問題
があり、これらの残渣を除去するために、さらにＣＦ₄
もしくはＣＦ₄／Ｏ₂によるＲＩＥ、または緩衝ＨＦ処理
が必要である。場合によっては、ＲＩＥ中に生成される
有機重合体または有機シリコン重合体であるこれらの残
渣が、フッ素含有プラズマまたは緩衝ＨＦ洗浄によって
も除去できないことがある。

【０００９】２層プロセスの例は、米国特許第４３５７
３６９号明細書に記載されている。同明細書では、ポリ
シランとスルホンの共重合体のレジストをエッチ・マス
クとして使って、重合体下層のＯ₂プラズマ・エッチン
グを行う。記載されたＲＩＥプロセスは、エッチング速
度が毎分８５０ないし９００Åの従来の平行板構成に基
づくものである。

【００１０】当技術分野で周知の、重合体下層をパター
ン形成するための乾式エッチ・プロセスでは、一般に標
準の容量結合式高周波ＲＩＥシステムを利用する。これ
らのシステムを使用して比較的厚いポリイミド下層にパ
ターンを転写する場合、エッチングは、プロセスが何ら
かの実用的価値があるならば、高いエッチ速度が得られ
るように、高電力（５００ないし１０００Ｗ）、高圧
（１００ないし３００ミリトール）の条件で行う。この
ようなパラメータの制限により、リフトオフ・メタライ
ゼーション・プロセスにしか適さないアンダーカットの
プロファイルが生じる。

【００１１】薄膜多層金属構造の製造中に、ポリイミド
誘電層内にメタラジ・パターンを画定するための、メタ
ライゼーションの方法には、めっき、スパッタ付着、ま
たは蒸着の後、化学機械式研磨を行って、ポリイミド絶
縁体中に金属回路が埋め込まれた平坦化した表面を形成
するものがある。この種のメタライゼーション・プロセ
スでは、一般に、像のプロファイルが垂直壁または傾斜
つき（壁面角度が８０゜未満）になるように、異方性エ
ッチングを行う必要がある。これが必要なのは、均一な
付着、またはシード層で側壁を覆ってから金属をめっき
する場合、あるいはメタライゼーション全体をスパッタ
リングまたは電子線蒸着によって行う場合である。

【００１２】異方性プロファイルは、低圧、低電力のＲ
ＩＥ条件で得られるが、そのエッチ速度が、下層の厚み
が半導体の応用例の場合の１０倍になることもある薄膜
パッケージング技術で実際に適用するには低過ぎる。標
準のＲＩＥプロセスに見られるこれらの制限のため、薄
膜パッケージングにおけるメタラジ・パターンは、通
常、乾式エッチングまたは標準のレジスト・リソグラフ
ィを使用するリフトオフ法によって形成される。ＲＩＥ
に代わる代替方法は、ポリイミド誘電体内にバイア・パ
ターンをエッチングするためのレーザ融除である。しか
し、レーザ融除法はバイア・パターンの形成にはよく適
しているが、スループット、適切なマスクの入手可能
性、およびコストに関係する問題のために、高密度の配
線パターンに拡張することは容易ではない。

【００１３】したがって、厚みが最高１５μｍの厚いポ
リイミド下層を垂直なまたは傾斜のある壁面プロファイ
ルでエッチングすることが必要な実際の応用分野で、高
いエッチ速度が得られるように、多層金属構造の製造中
にポリイミド皮膜をパターン形成する方法を提供し、さ
らに効率の高いプロセスを提供することが望ましい。ま
た、残渣のないＲＩＥプロセスを提供することが望まし
い。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、超小
型電子回路の製造中に、多層金属構造用のポリイミド誘
電体／パッシベーション層のパターン形成の方法および
性能を大幅に改善することにある。

【００１５】本発明の他の目的は、垂直なまたは傾斜の
ある壁面プロファイルが得られるように、２層リソグラ
フィと併用してポリイミド下層にパターンを転写するた
めの、改良された乾式エッチ技術を提供することにあ
る。

【００１６】本発明の他の目的は、クラスタ式製造に適
した高いエッチ速度（最高毎分５μｍまで）でポリイミ
ド下層をパターン形成することにある。

【００１７】本発明の他の目的は、ポリイミド下層中に
残渣のないパターンが形成されるような、乾式エッチ・
プロセスを提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、均一な金属シードの
付着、およびこれに続く金属とポリイミドの接着が改善
された金属めっきに適した、垂直壁面および傾斜のある
壁面プロファイルを有するポリイミド・パターンを得る
ためのエッチ・プロセス条件を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、薄膜多
層金属構造の製造中に、ポリイミド下層を通してパター
ンを転写する方法は、下記の工程からなる。まず、基板
上に硬化したポリイミド層を形成する。次に感光性シリ
コン含有重合体の薄いレジスト層をポリイミド下層の上
に塗布する。次に、レジスト層中のパターンを露光し現
像してレジスト・パターンを形成する。最後に、高密度
の異方性Ｏ₂プラズマだけを使用して、レジスト・パタ
ーンをポリイミド下層中にエッチングする。

【００２０】

【実施例】本発明の好ましい実施例に従ってポリイミド
皮膜をパターン形成するのに使用する好ましいポリイミ
ド下層は、ビフェニルテトラカルボン酸アンハイドライ
ドとｐ−フェニレンジアミンとを主成分とする（ＢＰＤ
Ａ−ＰＤＡ）ポリアミン酸またはポリアミン酸エステル
前駆物質および関連する材料から誘導された、熱膨張率
の低い、平面ＴＣＥ（熱膨張係数）が１５ｐｐｍ／℃未
満、好ましくは３ないし１０ｐｐｍ／℃のポリイミドで
ある。ＢＰＤＡ−ＰＤＡ以外に、本発明の目的に適した
他のポリイミドには、ＢＰＤＡ−ベンジジン、３，
３'，４，４'−ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジアン
ハイドライドとｐ−フェニレンジアミン（ＢＴＤＡ−Ｐ
ＤＡ）から誘導されたものがある。このような組成物
は、米国特許第５１１５０９０号明細書に開示されてい
る。本発明に従って使用される代替ポリイミド下層に
は、ピロメリット酸アンハイドライド・オキシジアニリ
ン（ＰＭＤＡ−ＯＤＡ）、ＢＴＤＡ−ＯＤＡ、ＢＰＤＡ
−ＯＤＡ、ＢＴＤＡ−ＡＰＢ−ＡＰＡなどから誘導され
た、線ＴＣＥ（熱膨張係数）が３０ないし５０ｐｐｍ／
℃のものがある。さらに、本発明の代替実施例で、てポ
リイミド層のパターン形成と共にリフトオフ応用例で使
用する好ましいポリイミド下層は、ＸＵ２９３（チバ・
ガイギー社のＢＴＤＡ−ＤＡＰＩの商品名）、ＲＣ２５
６６（デュポン社の６ＦＤＡ−ＯＤＡの商品名）および
関連材料などの可溶性ポリイミドである。

【００２１】本発明の好ましい実施例によるポリイミド
下層のエッチング中に、Ｏ₂エッチ・マスク・パターン
として使用する好ましい２層レジスト材料は、ｐ−ヒド
ロキシベンジルシルセスキオキサンとｐ−メトキシベン
ジルシルセスキオキサンとｐ−（１−ナフトキノン−２
−ジアジド−４−スルホニルオキシ）−ベンジルシルセ
スキオキサンまたはｐ−（１−ナフトキノン−２−ジア
ジド−５−スルホニルオキシ）−ベンジルシルセスキオ
キサンの共重合体である。この化学物質を主体とするレ
ジスト材料は、米国特許出願第０７／８７６２７７号明
細書に開示されている。この重合体をプロピレングリコ
ールモノメチルエーテルアセテート（ＰＭアセテート）
に、固形分が１５ないし２５％になるように溶解し、
０．２μｍのミリポア・フィルタで濾過して、レジスト
処方を形成する。

【００２２】本発明の好ましい実施例に使用するＲＦＩ
プラズマ・エッチング・システム（図示せず）は、高周
波誘導（ＲＦＩ）多極プラズマ加工装置を備えている。
このようなＲＦＩプラズマ加工装置は、米国特許出願第
０７／５６５８５１号明細書に開示されている。このＲ
ＦＩプラズマ加工装置は、エッチングまたは付着処理あ
るいはその両方に使用される。

【００２３】簡単に述べると、ＲＦＩプラズマ加工装置
は、プラズマ処理すべき表面を有する加工品を収納する
ための、外壁を有するプラズマ処理チェンバを含んでい
る。誘導磁界の供給源は、チェンバの外側に加工品とは
反対側にある。チェンバに印加された高周波（ＲＦ）誘
導磁界が、プラズマを発生させる。プラズマは、磁気双
極子によって生成される表面磁界によってチェンバの外
壁内に閉じ込められる。この表面磁界は、外壁に隣接す
る空間に限定される。高周波発生装置が、高周波によっ
て発生したバイアスを加工品に加える。

【００２４】さらに、ＲＦＩ加工装置のチェンバは、プ
ラズマに対して不活性な、または加工品を汚染しない材
料でライニングされている。誘導磁界供給源は、らせん
形または伸開線形の誘導コイルの形をとり、ライナ材料
の外側でチェンバの加工品と反対側にある。マニホール
ドが、チェンバへのガスの分布が均一になるように、チ
ェンバの周囲に配置されている。チェンバの表面とマニ
ホールドとから形成されるオリフィスが、マニホールド
からのガスを均一な圧力でチェンバのカバーの周囲に導
入する。

【００２５】ＲＦＩ加工装置で加工すべき加工品すなわ
ちウェーハは、背面をヘリウムで冷却した静電チャック
で定位置に保持することが好ましい。このような静電チ
ャックは、米国特許出願第０７／６９４６９８号明細書
に開示されている。簡単に述べると、この静電チャック
は、ウェーハの前面を処理するとき、冷却ガスを使って
ウェーハの背面を冷却する手段を含んでいる。

【００２６】図１ないし図３を参照して、本発明の好ま
しい実施例に従って、ポリイミド下層をパターン形成し
て多層薄膜構造１０を形成する方法について説明する。

【００２７】シリコン・ウェーハ２２をまずＯ₂プラズ
マで清浄化し、表面をγ−アミノプロピルトリエトキシ
シラン（Ａ１１００）の０．１％水溶液または水性エタ
ノール溶液でスピン塗布によって処理する。動粘度が３
０，０００センチストークスで、固形分が１４．７％
の、ＢＰＤＡ−ＰＤＡポリアミン酸のＮＭＰ溶液を、２
０００ｒｐｍで４５秒間スピン・コーティングし、８５
℃で４５分、１５０℃で４５分、２３０℃で３０分、３
００℃で３０分、かつ３５０ないし４００℃で６０分ベ
ーキングして硬化させ、厚みが約１０ないし１２μｍの
ポリイミド下層２０を得る。特定の多層構造の応用例の
必要に応じて処理条件を変えて、厚みが最大５０μｍま
での下層を得ることができる。別法として、ポリアミン
酸エステル前駆物質のＮ−メチルピロリドン溶液をスピ
ン・コーティングした後、３５０ないし４００℃までの
温度でベーキングまたは硬化させることにより、ウェー
ハ２２上にポリイミド下層２０を形成することもでき
る。

【００２８】次に、ポジティブのシリコン含有２層レジ
スト２４を、２０００ｒｐｍで３０秒間スピン・コーテ
ィングする。レジスト２４は、ｐ−ヒドロキシベンジル
シルセスキオキサンとｐ−メトキシベンジルシルセスキ
オキサンとｐ−（１−ナフトキノン−２−ジアジド−４
−スルホニルオキシ）−ベンジルシルセスキオキサンま
たはｐ−（１−ナフトキノン−２−ジアジド−５−スル
ホニルオキシ）−ベンジルシルセスキオキサンの共重合
体を、固形分が１５ないし２５％になるようにプロピレ
ングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＭアセ
テート）に溶解し、０．２μｍのミリポア・フィルタで
濾過して生成したものが好ましい。同様に、２層レジス
ト２４は、ネガティブの光学２層レジスト、Ｘ線レジス
ト、または電子線レジストを含むこともできる。レジス
ト２４をスピン・コーティングした後、たとえば９０℃
のホット・プレート上で２分間プリベーキングを行う。
別法として、レジスト２４を８５℃のオーブンで１５な
いし２０分間プリベーキングしてもよい。得られた上面
のレジスト２４の厚みは０．５０ないし０．７５μｍで
ある。

【００２９】その後、所期のパターンを有するマスク２
６を通して、レジスト２４を像に従って露光する。レジ
ストの露光および露光装置は、当技術分野で周知である
ので、本明細書では簡単にのみ述べる。たとえば、５０
ないし１００ｍＪ／ｃｍ²の、ｉ線（３６５ｎｍ）露光
線量を使用して露光を行うことができる。別法として、
マスク２６を通して、ｇ線（４３６ｎｍ）または広帯域
露光によりレジスト２４を像に従って露光することもで
きる。次に、レジスト２４を０．１４ＮのＴＭＡＨで３
０ないし４５秒間現像し、脱イオン水で洗浄し、Ｎ₂で
ブロー乾燥すると、パターン付きのレジスト２８が形成
される（図２）。別法として、レジスト２４を０．０９
ないし０．１１Ｎのテトラメチル水酸化アンモニウム
（ＴＭＡＨ）で６０秒間現像し、脱イオン水で洗浄して
もよい。パターン付きのレジスト２８を、１２０ないし
２３０℃のオーブンで３０ないし６０分間、現像後ベー
キングする。

【００３０】次に、ウェーハ構造１０を前述のＲＦＩ加
工装置に入れ、静電チャックにより定位置に保持する。
加工工程中、ウェーハ構造の温度は、前述のヘリウムで
背面を冷却した静電チャックによって制御できる。次
に、レジスト・パターン２８をエッチ・マスクとして使
用して、ポリイミド下層２０をエッチングする。Ｏ₂の
みのエッチャント・ガスを、好ましいエッチング条件で
厚いポリイミド下層２０のエッチングに使用する。好ま
しい実施例では、ＲＦＩ加工装置は下記の装置パラメー
タで、反応装置内に高密度のプラズマが発生するように
制御する。誘導電力（１３．５６ＭＨｚ）：５００Ｗ高周波バイアス（４０ＭＨｚ）：３００ＷＯ₂圧力：２ミリトールガス流量：４０ｃｍ³／分

【００３１】ポリイミド層２０のエッチングは、励起さ
れた化学種の発光の強さの変化を監視することによって
検出される終点から、５分間でほぼ完了することが観察
された。プラズマは終点検出後さらに２０ないし３０秒
間オンに保持する。これによりポリイミドのエッチ速度
は１．９ないし２．１μｍ／分となり、レジスト・マス
ク２８の損傷も、レジスト像の変形も検出されない。さ
らに、エッチングしたパターンの走査型電子顕微鏡検査
により、残渣のないわずかに傾斜したプロファイルが観
察された。図４ないし図７は、上面にレジスト・マスク
２８が残っているエッチングされたパターンの走査型電
子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。

【００３２】表１は、様々なエッチ・パラメータの代表
的な組合せと、得られたエッチ速度を示す。パターン付
きレジスト２８のパターン・ファクタは、約５０ないし
６０％であった。高密度プラズマは、このエッチング条
件で厚いポリイミド下層２０をエッチングするための、
Ｏ₂エッチャント・ガスのみを含有する。

【表１】 I II III IV 誘導電力（Ｗ）５００４００５００２００高周波バイアス（Ｗ）３００２００１００２００チェンバ圧力(ミリトール) ２２１２ガス流量（ｃｍ³／分）４０４０２０４０エッチ速度（μｍ／分）１．９１．５１．４１．２〜２．１〜１．８〜１．５

【００３３】どの場合も、残渣のない、必要に応じてほ
ぼ垂直なまたは傾斜した壁面を有する像が得られた（図
３参照）。これらの高密度ＲＦＩエッチング条件によ
り、マスクの完全性が損なわれたり、パターンの変形が
生じたりすることはないことが分かった。さらに、乾式
エッチングのどの段階でも、下層の亀裂やひびの問題は
ない。また、ウェーハに６００ないし１０００Ｗの範囲
の高い誘導電力、および高周波バイアスを印加すると、
５μｍ／分のエッチ速度が得られる。

【００３４】したがって、本発明によって多層薄膜構造
１０を製造する好ましい方法は、下記の工程からなる。（ａ）シリコン・ウェーハ２２またはセラミック基板上
に完全に硬化したポリイミド層２０（厚み最大１５μｍ
まで）を形成し、ポリイミド下層の上に感光性シリコン
含有重合体の薄い層２４を塗布する。（ｂ）標準の露光／溶剤現像法によりレジスト層２４を
パターン形成する。（ｃ）４０ＭＨｚの電力で高周波バイアスを印加し、背
面を冷却したウェーハまたは基板２２の反対側にある高
周波コイル（１３．５６ＭＨｚ）で駆動される高周波誘
導装置で、高密度異方性Ｏ₂プラズマを使用して、レジ
スト・パターン２８をポリイミド下層２０中にエッチン
グによって転写する。１ないし３μｍ／分のエッチ速度
と、垂直なまたは傾斜した壁面プロファイルを得るため
の好ましいエッチ・パラメータは、下記のとおりであ
る。誘導電力（らせんに対して）：３００〜５００Ｗ高周波バイアス：１００〜３００Ｗチェンバ圧力：１〜２ミリトールガス流量：４０ｃｍ³／分

【００３５】図３に示すウェーハ２２は、薄いクロム
（Ｃｒ）の接着層を付着させた後、厚み１ないし２μｍ
の銅（Ｃｕ）を付着させてシード層を形成させることに
よってさらに加工することができる。その後、ウェーハ
を銅めっきし、化学機械式研磨を行って、ポリイミドの
誘電体皮膜中に埋め込まれた金属パターンを形成させる
ことができる。別法として、銅めっきの代りにスパッタ
リングまたは蒸着によってメタライゼーション全体（Ｃ
ｒ／Ｃｕ）を付着させてもよい。

【００３６】厚いポリイミド下層２０のエッチング中
に、ウェーハ２２に高周波バイアスを印加しないと、エ
ッチ速度がわずかに遅くなる。表２に、ウェーハに高周
波バイアスを印加せずに、本発明に従ってエッチングし
た場合のウェーハ上のブランケット・ポリイミド皮膜で
得られる代表的なエッチ速度を示す。本発明の方法を使
用して、ＲＦＩ装置中で高密度Ｏ₂プラズマを使用し、
高周波バイアスを使用して、または使用しないで得られ
るエッチ速度は、Ｏ₂高圧ＲＩＥ装置を使用して得られ
る最大０．５μｍ／分までのエッチ速度より大きいこと
に留意されたい。

【表２】 V VI VII VIII 誘導電力（Ｗ）５００５００１０００１０００チェンバ圧力(ミリトール) ４９４９ガス流量（ｃｍ³／分）４０１００４０１００エッチ速度（μｍ／分）１．２１．３１．８３．１

【００３７】次に、図８ないし図１１を参照して、図１
ないし図３に関して述べたのと同様なＯ₂高周波誘導プ
ラズマ・エッチ・プロセスによってパターン形成したポ
リイミド下層３２を含む多層金属構造３０の製造中に、
ポリイミド皮膜をパターン形成する本発明の他の実施例
について説明する。この代替実施例は、好ましい実施例
とは、ポリイミド下層３２、バリア層３４、およびレジ
スト層３６からなる３層レジスト・スタックを使用する
点で異なる。レジスト３６は、ノボラック・ジアゾナフ
トキノンを主体とする従来のどんな処方でもよい。バリ
ア層３４は、プラズマ付着させた酸化シリコンまたは窒
化シリコン、スピン・コーティングした有機シリコン重
合体、またはプラズマ重合した有機シリコンを含めて、
周知のどんな材料でもよい。たとえば、ポリイミド層３
２は、リフトオフ・メタライゼーションに有用な可溶性
ポリイミド下層を備えることができる。ポリイミド層３
２は、好ましい実施例と同様に、基板３８上に形成す
る。基板３８は、たとえば、シリコン・ウェーハで形成
することができる。次にポリイミド層３２上にバリア層
３４とレジスト３６を形成する（図８）。次に、レジス
ト３６を、所期のパターンを有するマスク４０を通して
像に従って露光する（図８）。次に、露光したレジスト
３６を現像して、パターン付きレジスト４２を形成する
（図９）。その後、ＣＦ₄または／Ｏ₂などの適当なエッ
チャントを使ってＣＦ₄バリア層３４をエッチングし
て、パターン付きのバリア４４を形成する（図１０）。
続いて、エッチャント・ガスとしてＯ₂のみを使用し
て、ＲＦＩ高密度プラズマ加工装置で、好ましい実施例
で使用したものと同様のエッチ条件で、厚いポリイミド
下層３２のエッチングを行う。代替実施例では、ウェー
ハまたは基板にバイアスを印加せずに、Ｏ₂ＲＦＩエッ
チングを使用して、金属リフトオフに適したアンダーカ
ットを有する等方性プロファイル（図１１）が得られ
る。これらの条件下では、エッチ速度は僅かに遅いが、
それでも従来の高圧ＲＩＥのエッチ速度より２〜３倍速
い。

【００３８】次に、図１２ないし図１４を参照して、本
発明の第２の実施例による、多層薄膜構造５０の製造中
におけるセラミック基板上のポリイミド誘電体のパター
ン形成について説明する。基板５２は、銅のバイアを有
するセラミック基板で、銅バイアは、設計に応じて、銅
バイア５４など選択的に位置決めされる。さらに、基板
５２は、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｃｒのキャプチャ・パッド５６な
ど、銅バイア上に位置するＣｒ／Ｃｕ／Ｃｒのキャプチ
ャ・パッドを有する。次に、完全に硬化した厚みが１４
ないし１５μｍのＢＰＤＡ−ＰＤＡの皮膜５８を、基板
５２上に形成し、最終の厚みが９ないし１０μｍのほぼ
平坦な表面となるように研磨する。ポリイミド層５８の
上面に、厚みが約７００ないし１０００ÅのプラズマＣ
ＶＤテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）の薄い層６０を
付着させて、Ｏ₂エッチ・ストップ層を形成する。次
に、Ｏ₂反応性イオン・エッチングを１分間行ってこの
表面を活性化させ、接着促進剤としてγ−アミノプロピ
ルトリエトキシシラン（Ａ１１００）の０．１％水性エ
タノール溶液をスピン・コーティングする。次に、エッ
チ・ストップ層６０の上に、ＢＰＤＡ−ＰＤＡポリイミ
ドの第２の層６２を、完全に硬化した後のポリイミドの
厚みが５ないし７μｍになるように形成する。続いて、
厚みが５０００ないし１０，０００Åの範囲、好ましく
は７０００Åのポジティブのシリコン含有レジスト６４
を塗布する（図１２）。ポジティブのシリコン含有レジ
スト６４と、ポリイミド層６２が、後のＯ₂−ＲＦＩ高
密度プラズマ・エッチング用の２層レジスト構造を形成
する。次に、レジスト６４を、好ましい実施例と同様に
リソグラフィ処理して、所期の配線パターン用のパター
ン付きレジスト層６６を形成する。下層のＴＥＯＳ層６
０をエッチ・ストップとして使ってレジスト・パターン
６６を上面のポリイミド６２中に複写するには、好まし
い実施例で述べたＯ₂−ＲＦＩ高密度プラズマ・エッチ
ングを使用する。ポリイミド層６２のＯ₂−ＲＦＩエッ
チングにより、図１３に示すような、わずかに傾斜した
プロファイルが形成される。Ｏ₂−ＲＦＩ高密度プラズ
マ・エッチングを行ったポリイミド層６２のＳＥＭ写真
を図１５および図１６に示す。続いて、ＴＥＯＳバリア
層６０の所期の露出した部分６８をレーザ融除によって
エッチングする。このレーザ融除によるエッチングを底
部ポリイミド層まで通して行ってバイア・パターンをエ
ッチングすることができる。別法として、エッチ・スト
ップ層６０は所期の露出した部分６８をフッ素含有プラ
ズマ（ＣＦ₄またはＣＦ₄／Ｏ₂）にさらした後、Ｏ₂−Ｒ
ＦＩエッチングにより、パターンを下部ポリイミド層に
転写することによってパターン形成することができる。
シリコン含有レジスト６６をＣＦ₄またはＣＦ₄／Ｏ₂に
さらすと、厚みの一部が減少する。しかし、レジスト６
６の厚みの大部分はそのまま残り、Ｏ₂−ＲＦＩエッチ
ングによりポリイミド層６２を劣化させずに厚いポリイ
ミド層５８への転写を行うことができる。

【００３９】次にめっき用に薄い銅の接着層と１ないし
２μｍの銅のシード層をスパッタリングによって付着さ
せることにより、２層の間にバリアを有するエッチング
した２層ポリイミド・スタックをメタライズすることが
できる。同様に銅７０全体をスパッタリング付着させ
て、パターン付き２層スタックの厚み全体を充填させる
ことによってメタライゼーションを行うこともできる。
それに続いて、金属回路パターンが、ポリイミド層６２
の上面と同じ高さになるまで化学機械式研磨を行う。

【００４０】次に図１７ないし図１９を参照して、本発
明の第３の代替実施例による、多層薄膜８０の製造中に
おけるセラミック基板上のポリイミド誘電体のパターン
形成について説明する。基板８２は、銅のバイアを有す
るセラミック基板で、銅バイアは、設計に応じて、銅バ
イア８４など、選択的に位置決めされる。さらに、基板
８２は、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｃｒのキャプチャ・パッド８６な
ど、銅バイア上に位置するＣｒ／Ｃｕ／Ｃｒのキャプチ
ャ・パッドを有する。次に、完全に硬化した厚みが１４
ないし１５μｍのＢＰＤＡ−ＰＤＡの皮膜８８を、基板
８２上に形成し、最終の厚みが９ないし１０μｍのほぼ
平坦な表面となるように研磨する。上記第２の代替実施
例に関して述べた工程を使用して、金属バイア９０を形
成する。平坦化した表面９２上に、約２００ないし４０
０ÅのＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、またはＣｕの薄い層９４を付
着させて、第１の金属層を形成する。金属層９４は、同
様にスパッタリングまたは蒸着によって形成することも
できる。次に、リフトオフ・ポリイミド層９６およびポ
ジティブのシリコン含有レジスト９８を、上記の方法を
使って金属層９４の上面に形成する。ポジティブのシリ
コン含有レジスト９８と、レジスト層９６は、このよう
にして、後のＯ₂−ＲＦＩ高密度プラズマ・エッチング
および残渣のない像の形成のための２層レジスト構造を
形成する。したがって、レジスト９８をリソグラフィ処
理して、所期の配線パターン用のパターン付きレジスト
層が得られる。次に、ポリイミド下層をＯ₂−ＲＦＩプ
ラズマ・エッチングによってパターン形成する。この例
では、下層ポリイミド中へのレジスト・パターンの複写
は、静電チャックを使用しないで、Ｏ₂−ＲＦＩ高密度
プラズマ・エッチングによって行うことができる。これ
は、ウェーハの場合より背面の冷却の効果が低いが、
０．８ないし１．１μｍ／分のポリイミドのエッチ速度
が得られる。０．８ないし１．１μｍ／分のエッチ速度
を得るために下記のパラメータを使用した。誘導電力（１３．５６ＭＨｚ）：４００Ｗ高周波バイアス（４０ＭＨｚ）：２００ＷＯ₂圧力：２ミリトールガス流量：４０ｃｍ³／分

【００４１】終点を検出した後、Ｏ₂プラズマをさらに
３０秒間オンに保持する。続いて第２の金属１００を付
着させた後、レジスト９８およびポリイミド層９６を除
去する。次に、第２の金属１００をマスクとして使っ
て、標準の湿式エッチング法により金属層９４のエッチ
ングを行う。この場合も２層レジスト構造を使用して、
ポリイミド層１０４中に残渣のない像１０２を形成する
ことができる（図１９参照）。したがって、本発明によ
るＯ₂−ＲＦＩ高密度プラズマ・エッチングの連続工程
で多層金属構造を形成して、所定のマスク・パターンを
ポリイミド下層中に複写し、垂直なまたは傾斜した壁面
プロファイルを有する残渣のない像を形成することがで
きる。次に、２００ないし４００Åのクロムの接着層と
１５ないし１８μｍの銅をスパッタリングによって付着
させた後、化学機械式研磨を行って、ポリイミド絶縁体
中に埋め込まれた金属バイア・パターンを有する平坦化
した構造を形成することができる。同様に、メタラジ全
体を乾式プロセスで付着させた後、化学機械式研磨を行
って、ポリイミド絶縁体中に埋め込まれた金属回路を有
する平坦化した構造を形成することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように、多層金属構造の製造
中に、垂直なまたは傾斜した壁面プロファイルを有する
厚みが最大で５０μｍまでの厚いポリイミド下層をエッ
チングするための、エッチ速度が速い、ポリイミド皮膜
をパターン形成する方法が提供され、さらに、効率の高
いプロセスが提供される。さらにこの方法によれば、残
渣のない像が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施例による２層レジスト構
造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図で
ある。

【図２】本発明の好ましい実施例による２層レジスト構
造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図で
ある。

【図３】本発明の好ましい実施例による２層レジスト構
造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図で
ある。

【図４】本発明の好ましい実施例によってパターン形成
したポリイミド皮膜のＳＥＭ写真を示す図である。

【図５】本発明の好ましい実施例によってパターン形成
したポリイミド皮膜のＳＥＭ写真を示す図である。

【図６】本発明の好ましい実施例によってパターン形成
したポリイミド皮膜のＳＥＭ写真を示す図である。

【図７】本発明の好ましい実施例によってパターン形成
したポリイミド皮膜のＳＥＭ写真を示す図である。

【図８】本発明の代替実施例による３層レジスト構造を
使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図であ
る。

【図９】本発明の代替実施例による３層レジスト構造を
使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図であ
る。

【図１０】本発明の代替実施例による３層レジスト構造
を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図であ
る。

【図１１】本発明の代替実施例による３層レジスト構造
を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図であ
る。

【図１２】本発明の他の代替実施例による多層レジスト
構造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図
である。

【図１３】本発明の他の代替実施例による多層レジスト
構造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図
である。

【図１４】本発明の他の代替実施例による多層レジスト
構造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を示す図
である。

【図１５】本発明の代替実施例によってパターン形成し
たポリイミド皮膜のＳＥＭ写真である。

【図１６】本発明の代替実施例によってパターン形成し
たポリイミド皮膜のＳＥＭ写真である。

【図１７】本発明のさらに別の代替実施例による２層レ
ジスト構造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を
示す図である。

【図１８】本発明のさらに別の代替実施例による２層レ
ジスト構造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を
示す図である。

【図１９】本発明のさらに別の代替実施例による２層レ
ジスト構造を使用したポリイミド皮膜のパターン形成を
示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ブライアン・ヘンリー・デシレッツアメリカ合衆国12590 ニューヨーク州ワッピンガーズ・フォールズレーク・オニアド・ドライブ６ (72)発明者ジョン・カート・フォスターアメリカ合衆国12603 ニューヨーク州ポーキープシーマロニー・ロード 11 (72)発明者キャスリーン・カレン・マッコーマクアメリカ合衆国12533 ニューヨーク州ホープウェル・ジャンクションチェルシー・コーヴ・ドライブ 8107

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜多層金属構造の製造中に、ポリイミド
層にパターンを転写する方法において、ａ）基板上に硬化させた厚いポリイミド層を形成する工
程と、ｂ）上記ポリイミド層の上に感光性シリコン含有重合体
の薄いレジスト層を塗布する工程と、ｃ）上記レジスト層に所定のレジスト・パターンを形成
する工程と、ｄ）高密度異方性Ｏ₂プラズマのみを使用して上記ポリ
イミド層に上記レジスト・パターンのエッチングをする
工程とを含む方法。
【請求項２】工程ｄ）の高密度Ｏ₂プラズマを、高周波
誘導によって発生させることを特徴とする、請求項１の
方法。
【請求項３】工程ｄ）のエッチングを、高周波コイルに
１００ないし５００Ｗの範囲の誘導電力を供給し、基板
に１００ないし３００Ｗの範囲の高周波バイアスを供給
し、チャンバ内の圧力を１ないし２ミリトールの範囲と
し、ガス流量を１０ないし４０（ｃｍ³／分）の範囲と
して高周波誘導反応チェンバ中で行うことを特徴とす
る、請求項２の方法。
【請求項４】工程ａ）のポリイミド層が、厚みが最大で
５０μｍまでの完全に硬化した誘電体／パッシベーショ
ン層を備えることを特徴とする、請求項２の方法。
【請求項５】工程ａ）のポリイミド層が、薄膜多層金属
構造の製造中においてリフトオフ・メタライゼーション
に適した、厚みが最大で１５μｍまでの可溶性ポリイミ
ド層を備えることを特徴とする、請求項２の方法。
【請求項６】工程ｄ）が、最大で毎分５μｍまでのエッ
チング速度でレジスト・パターンをポリイミド層にエッ
チングすることを特徴とする、請求項２の方法。
【請求項７】薄膜多層金属構造の製造中にポリイミド層
を通してパターンを転写する方法において、ａ）基板上に硬化させた厚いポリイミド層を形成する工
程と、ｂ）上記ポリイミド層の上にシリコン含有２層レジスト
を塗布する工程と、ｃ）上記２層レジスト層を介してパターンを露光し現像
して、上記ポリイミド層中に所期の垂直なまたは傾斜し
た側壁断面形状を得るために使用するレジスト・パター
ンを形成する工程と、ｄ）高密度異方性Ｏ₂プラズマのみを使用して上記ポリ
イミド層に上記レジスト・パターンのエッチングをし
て、所期の垂直なまたは傾斜した側壁断面形状を得る工
程とを含む方法。
【請求項８】工程ｂ）の２層レジストが、i）下層に比
べて耐Ｏ₂エッチング性が高く、ii）熱安定性が高く、i
ii）ガラス転移温度が高い、シリコン含有感光性重合体
を備えることを特徴とする、請求項７の方法。
【請求項９】さらに、ｅ）薄いＣｒの接着層を付着させる工程と、ｆ）１ないし２μｍの範囲の薄いＣｕ層を付着させて、
シード層を形成する工程と、ｇ）基板上のパターン付きポリイミドを銅メッキあるい
はスパッタリングし、化学機械式研磨して、ポリイミド
誘電体皮膜中に埋め込まれた金属パターンを形成する工
程とを含む、請求項１の方法。