JPH08274064A - 多層工作物をパターン加工する方法 - Google Patents

多層工作物をパターン加工する方法

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JPH08274064A JP8079239A JP7923996A JPH08274064A JP H08274064 A JPH08274064 A JP H08274064A JP 8079239 A JP8079239 A JP 8079239A JP 7923996 A JP7923996 A JP 7923996A JP H08274064 A JPH08274064 A JP H08274064A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 選択的な融蝕処理を実現する。すなわち、多
層構成体内の選択された層だけを融蝕し、選択されない
層は融蝕されないようにする処理方法を提供する。 【解決手段】 最も外側の層の誘電材料は、二酸化珪素
層又は窒化珪素層、もしくはこれら双方の層を被覆する
ポリイミド層４８とし、高密度エネルギーを用いて融蝕
処理により、先ず、ポリイミド層を除去し、次いで、そ
の下の二酸化珪素層及び又は窒化珪素層を除去し、導電
層１２に達した時に、終点検出手段を用いて処理を停止
させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、融蝕（アブレーシ
ョン）パターン加工、特に導電体を被覆する１つ以上の
誘電層を選択的にパターン加工する方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】種々のポリマー材料、例えばポリイミド
に融蝕パターン加工を用いることは公知である。例え
ば、ブラナン（Ｂｒａｎｎｏｎ）ほかによるアメリカ合
衆国特許第４５０８７４９号（１９８５年４月２日）に
は、紫外線の放射を利用してポリイミド層を貫通エッチ
ングする方法が開示されている。前記特許は、主とし
て、ポリイミド層を貫通してテーパ状の開口を造り、下
の金属層の表面区域を露出させるというものである。金
属層への電気接続は、それらの開口を介して行われる。
また、パン（Ｐａｎ）によるアメリカ合衆国特許第５２
３６５５１号（１９９３年８月１７日）の場合も、同じ
ように、ポリマー材料層のパターン加工に融蝕が用いら
れている。ポリマー材料層は、下の金属層を湿式エッチ
ング剤又は化学エッチング剤を用いて腐蝕パターン加工
するさい、マスクとして利用される。
【０００３】代表的な融蝕処理の場合、レーザエネルギ
ービームが、融蝕される材料層の露出表面へ当てられ
る。レーザエネルギーは、材料層に吸収され、光化学効
果、熱効果、その他の効果の結果、材料層の局所的な破
砕が生じ、各破砕時に、材料層の微細片が飛び散らされ
る。この処理を行うには、かなりの量のエネルギーが、
小さい体積の材料層内に吸収、保留されて、それぞれの
小さな体積内に十分なエネルギーが蓄積され、破砕が生
じる限界エネルギー密度を超えるまでになる必要があ
る。
【０００４】ポリイミド等のポリマー材料は、この処理
に用いるのに好適である。なぜなら、これらの材料は、
紫外線吸収能が高い一方、温度拡散率が比較的低いた
め、エネルギーを吸収した体積からの吸収エネルギー拡
散が制限されるからである。したがって、エネルギーレ
ベルが、所要エネルギー密度閾値を超えるのが速い。
【０００５】前述の２つの特許の場合、金属層を被覆す
るポリマー層が融蝕される。アルミニウム、銅、その他
の金属は、通常、紫外線吸収能が比較的低く、温度拡散
率が比較的高い。したがって、ポリマー層被覆の融蝕が
ポリマー層を完全に貫通すると、融蝕は自動的に停止す
る。なぜなら、レーザビームのエネルギー密度は、ポリ
マー層を融蝕するには十分だが、金属層の融蝕には低す
ぎるからである。金属層内には、単位体積当たり比較的
少量の入射放射エネルギーしか吸収されない。吸収され
るエネルギーは、いずれも周囲体積へ急速に散逸する。
融蝕処理を行うことができるのは、明らかに、レーザエ
ネルギー密度が十分に高いことが条件となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前述の特許には開示さ
れていないが、多くの場合に望ましいのは、前述の特許
に示されたポリマー材料以外の誘電材料を融蝕し得るこ
とである。半導体デバイス製造には、例えば、二酸化珪
素や窒化珪素等の硬質のパッシベーション材料が、広く
用いられ、ときには、一定のポリマー材料、特にポリイ
ミドと組み合わせて用いられる。
【０００７】しかし、その種の他の誘電材料の融蝕のさ
い問題となる点は、それらの材料は、吸収能が低く、ポ
リマー材料の融蝕時に必要とされるよりはるかに高い放
射エネルギー密度を必要とする点である。加えて、それ
らの他の誘電材料に必要とされる放射エネルギー密度の
大きさは、種々の金属の融蝕に要する放射エネルギー密
度の大きさに近い。したがって、選択的な融蝕処理を実
現する問題が生じる。言い換えると、多層構成体内の選
択された層だけを融蝕し、選択されない層は融蝕されな
いようにしなければならないということである。
【０００８】
【課題を解決する手段】導電材料層を被覆する１つ以上
の誘電材料層から成る多層構成体を融蝕処理し、単数又
は複数の誘電材料層を貫通する整列された開口パターン
を設け、導電材料層の非融蝕表面部分を露出させるよう
にする。
【０００９】本発明の一実施例の場合、最も外側の層の
誘電材料は、二酸化珪素層又は窒化珪素層、もしくはこ
れら双方の層を被覆するポリイミド層である。融蝕処理
により、先ず、ポリイミド層が除去され、次いで、その
下の二酸化珪素層及び又は窒化珪素層が除去され、導電
層のところで融蝕処理は停止する。
【００１０】また、別の実施例場合には、高密度エネル
ギーを用いて、二酸化珪素層及び又は窒化珪素層を除去
し、導電層に達した時に、終点検出手段を用いて処理を
停止させる。
【００１１】更に、別の実施例の場合には、二酸化珪素
層及び又は窒化珪素層の吸収能を“暗化”剤を添加する
ことによって高め、それによって、融蝕に要するエネル
ギー閾値を、導電層のそれよりも十分に低い値に引下げ
るようにする。
【００１２】有利には、以上に述べた実施例の最後の２
つの実施例の場合、ポリイミド誘電層と組合わせて用い
られる誘電層の吸収能を高めて、単一の融蝕工程で、す
べての誘電層の除去が可能になるようにする。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は、本発明を利用できる多層
構成体の一例である。
【００１４】この構成体は、シリコン等の半導体材料製
のサブストレート１０と、サブストレート表面１４を被
覆する金属層、例えばアルミニウム層１２と、誘電材
料、例えば窒化珪素又は二酸化珪素の第１層１６と、誘
電材料、例えばポリマー材料、特にポリイミドのカバー
層１８とを有している。
【００１５】本発明によれば、内側の金属層１２を全
く、もしくはほとんど融蝕することなしに、外側の２つ
の誘電層１６、１８を融蝕できる。
【００１６】既述のように、ポリマー材料、例えば種々
のポリイミドを融蝕することは、公知であり、先に引用
したブラナンほか及びパンによる特許に説明されてい
る。したがって、外側のポリマー層１８を完全融蝕除去
するさいに、前記特許に記載の種々の処理方法を用いる
ことができる。
【００１７】例えば、３０８ｎｍ又は２６６ｎｍの波長
を有する紫外線レーザ放射エネルギー（市販のレーザで
得られる）を、外側のポリマー層１８の表面２２に当て
る。これにより、開口２６（図２）のパターンが、ポリ
マー層１８を完全に貫通して形成される。この目的のた
めには、レーザ光が、形成される所望開口パターンを有
するフォトマスクを介してポリマー層に当てられる。レ
ーザ光は、フォトマスクを介してポリマー層１８の表面
に集束される。レーザ光イメージング装置は、周知のも
のなので、詳説はしない。適当な装置は、ブラナンの特
許に示されている。
【００１８】既述のように、ポリマー材料は放射エネル
ギーによって融蝕するのに好適であり、所要エネルギー
密度も比較的低く、例えば、エネルギーパルス当たり約
２００ｍＪ／ｃｍ2である。各エネルギーパルスの幅は
約２０ｎｓであり、反復度は２００Ｈｚ〜２０ＫＨｚで
ある。通常、融蝕は、ポリイミドの場合、約０．１μｍ
／パルスで進行する。
【００１９】図２には、ポリマー層１８を貫通して形成
された開口２６が示されている。この時点では、工作物
の照射は続いていても、融蝕処理は自動的に停止する。
その理由は、普通、用いられる誘電材料、例えば二酸化
珪素や窒化珪素に対するエネルギー密度の閾値は、ポリ
マー材料に要するエネルギー密度より著しく高いからで
ある。したがって、二酸化珪素層や窒化珪素層の融蝕に
は、先の説明例の場合の約２００ｍＪ／ｃｍ2程度のエ
ネルギー密度ではなく、通常、約６００ｍＪ／ｃｍ2の
エネルギー密度が必要となる（これの例外については、
後述する）。
【００２０】本発明の一態様によれば、ポリマー層１８
に開口２６が形成された後、放射エネルギーのレーザビ
ームのエネルギー密度は、誘電層１６を融蝕除去するの
に必要な値に高められる。
【００２１】市販のレーザや光学装置では、工作物（例
えば３インチ、すなわち７．６２ｃｍ直径のシリコンウ
ェーハ）の全表面にわたって十分に高いエネルギー密度
を得ることが難しい場合がある。そのような場合には、
一つの解決策として、比較的小さい直径の高エネルギー
密度のレーザビームを用いて、フォトマスクの全表面に
わたって走査することが挙げられる。ある装置では、レ
ーザビームにより、フォトマスク全表面にわたってラス
タ走査が行われる。別の装置では、レーザビームが、フ
ォトマスクに対して定置され、フォトマスクを介して投
影されるイメージが、公知のステップ・アンド・リピー
ト技術を用いてウェーハ表面を横切ってステップされ
る。
【００２２】図３では、ポリマー層１８を貫通した開口
２６が、誘電層１６を貫通して延びている。本発明の特
徴は、多重の層を貫通して開口パターンを融蝕する（パ
ンの既述の特許に示されているような、２つの別個の種
類のエッチングを利用するのではなく）ことにあるが、
他方、本発明は、被覆ポリマー層１８が無い場合にも、
利用することができる。すなわち、既述の融蝕処理を図
１の誘電層１６から開始することができる。
【００２３】誘電層１６は、直接、金属層、例えばアル
ミニウム層１２に被覆されている。金属層１２は、別の
材料、例えば銅、ドーピングされた多結晶シリコンその
他から成るものであってもよい。重要な点は、既述のよ
うに、誘電層１６の融蝕には高いエネルギー密度が用い
られるという点であり、問題は、下の層１２の表面３０
のところで融蝕を停止することである。これらのこと
は、以下で述べるように種々の形式で達せられる。
【００２４】融蝕処理には、工作物に紫外線の放射線を
当てるステップが含まれる。放射線のいくらかは反射さ
れ、この反射量が、放射線を当てた表面の関数となる。
したがって、工作物からの反射放射線を検出し、モニタ
することによって、融蝕処理の終点検出が可能になる。
特に、開口２６が誘電層１６を貫通して完全に形成さ
れ、下の金属層表面３０が露出し始めると、反射エネル
ギーに大きな変化が生じ、これにより直ちに融蝕が中止
される。公知の光学式放射検出・コンピュータ装置を用
いることにより、極めて迅速な反応時間が可能になり、
それによって、誘電層１６の融蝕速度が比較的速い場合
（高い生産率）でも、金属層１２の精密な制御と最少の
融蝕が可能となる。
【００２５】総じて、反射放射線量は、誘電層に開口が
次第に形成され、金属層に近付くにつれて、変化する。
次いで、開口が完全に誘電層１６に形成され、金属層が
露出すると、それ以後は、反射放射線量が一定となる。
変化値を検出する信号レベルから一定値を検出する信号
レベルへの変化により、デバイスごとに、また時間ごと
に変化する条件とは無関係に、融蝕処理を停止させる強
力な信号が、発生せしめられる。
【００２６】別の終点検出形式は、融蝕工程を真空チャ
ンバ内で行い（一般に、この形式は、融蝕工程を制御
し、露出した金属層の酸化を防止するために好まし
い）、工作物から露出している材料をモニタするという
ものである。例えば、金属層１２の材料が検出される
と、融蝕処理は中止される。
【００２７】前述の融蝕処理には、比較的高いエネルギ
ー密度の使用と、融蝕処理停止のための終点検出とが含
まれている。別の処理形式の場合には、誘電層１６の所
要エネルギー密度が低減され、金属層１２に要する密度
より十分に低い値にされる。それによって、金属層に達
した場合には、自動的に融蝕処理が停止される。エネル
ギー密度が十分に低減されれば、それだけポリマー層１
８と誘電層１６の双方を単一の融蝕工程で処理すること
ができる。
【００２８】低減されたエネルギー密度で融蝕を実現す
る１つの手段は、炭素や弗素などの“暗化”剤を添加す
ることにより、材料の吸収能を増すことである。誘電材
料は、もちろん不導電性でなければならず、添加剤が、
例えば炭素のように導電性の場合は、その量を十分に少
なくして、材料の誘電性を大幅に引き下げることのない
ようにするのが有利である。
【００２９】融蝕処理の選択性を得る別の手段は、種々
の材料の放射線吸収能が放射エネルギーの波長の関数で
あることに基づいている。したがって、融蝕処理の選択
性を高めるためには、下の金属層より、誘電層の吸収能
が高くなるように波長を選定する。
【００３０】図４は、本発明が用いられる構成体の特殊
な一例を示したものである。この場合、２つの誘電層４
０、４２が、例えばアルミニウム又はドーピングされた
多結晶シリコンの金属層４６を被覆している。誘電層４
２は二酸化珪素から成り、誘電層４０は窒化珪素から成
っている。全体の構成体を被覆しているのはポリイミド
層４８である。本発明によれば、開口パターンは、３つ
の層４８、４０、４２を完全に融蝕して形成され、金属
層４６の表面部分が露出される。
【００３１】本発明の付加的構成を、次に説明する。
【００３２】終点検出は、次のようにして行う： 光の放射： 融蝕処理により生じる発光を分光計を用い
てモニタする。分光計は、使用材料特有の発光に合わせ
ておく。発光の変化特性は融蝕されている材料に依存
し、発光分光計の酸化物／窒化物最終信号の停止が、融
蝕完了の優れた指標となる。この情報をレーザ融蝕工具
にフィードバックすることにより、融蝕処理が、下の金
属層に達することなしに停止される。
【００３３】反射能： 融蝕される表面の反射能変化
を、ある角度での表面からのレーザビーム（通常はＨｅ
−Ｎｅ）反射によりモニタし、かつ反射ビームの強度を
光検出器を用いてモニタする。融蝕されている各材料
は、特性的な反射率スペクトルを示すことになろう。例
えば、下の金属層は、誘電層よりもはるかに高いレベル
で、プローブ・レーザビームを反射する。誘電層が除去
され、金属層が露出すると、信号の増加が検出され、融
蝕処理が停止される。
【００３４】イオン放出： 表面から放出されるイオン
を捕集し、適当な電子検出器を用いて分析することもで
きる。金属イオンの放出の有無をモニタすることによっ
て、適切な終点フィードバックが得られる。
【００３５】プロセス制御： 誘電層が、融蝕される表
面積全面にわたって均一の厚さを有している場合には、
レーザのショット数でプロセス制御が可能である。誘電
層の融蝕速度は、レーザパラメータの関数として確定で
きるので、誘電層の完全除去に要するショット数は正確
に計算可能である。これにより、下の金属層に影響を与
えることなしに、誘電層の除去が可能となる。
【００３６】誘電層の融蝕に要するエネルギー閾値の引
下げは、誘電層の析出条件を変更して、低密度層を製造
することによっても達せられる。このような層密度の低
減によって、解かれる必要のある化学結合の数も減少す
るため、融蝕の所要エネルギー量も低減される。
【００３７】波長の選択によって選択性を改善する既述
の方式に関連して、注意すべき点は、比較的低い値のレ
ーザ波長は、誘電層により効果的に吸収され、低レーザ
出力で効果的な融蝕が可能であるという点である。たと
えば、酸化物又は窒化物の当量を除去するのに要するレ
ーザ出力は、３０８ｎｍより低い１９３ｎｍである。同
じ範囲内で、金属層の除去効率は、わずかに変化するだ
けであり、したがって、比較的短い波長を用いることに
よって融蝕処理の選択性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される多層工作物の断面図であ
る。
【図２】融蝕処理が外側層に施された状態を示した、図
１同様の断面図である。
【図３】融蝕処理が次の層まで進んだ状態を示した、図
１同様の断面図である。
【図４】別の構成の多層工作物を示した、図１同様の断
面図である。
【符号の説明】 １０ サブストレート １２、４６ 金属層 １４ サブストレート表面 １６、１８、４０，４２ 誘電層 ２２ 誘電層表面 ２６ 開口 ３０ 金属層表面 ４８ ポリイミド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレクサンダー ミトヴァルスキー アメリカ合衆国 ニュー ヨーク プーグ キープシー プリザント レイン 13 (72)発明者 トーマス アンソニー ワシチ アメリカ合衆国 ニュー ヨーク ワッピ ンガー フォールズ フィールドストーン ブールヴァード 73 (72)発明者 ジェームズ ガードナー ライアン アメリカ合衆国 コネチカット ニュータ ウン ボッグス ヒル ロード 100

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多層工作物をパターン加工する方法にお
    いて、誘電材料製の第１層を導電体表面に設けるステッ
    プと、前記第１層にポリマー材料の第２層を被覆するス
    テップと、前記第１層と第２層の双方を貫通して複数開
    口のパターンを融蝕し、これら開口を介して前記導電体
    の表面部分を露出させるステップとから成ることを特徴
    とする、多層工作物をパターン加工する方法。
  2. 【請求項２】 前記第２層が、二酸化珪素と窒化珪素か
    ら構成されるグループのうちの１つから成ることを特徴
    とする、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記第２層にドーピングし、前記融蝕ス
    テップで用いた放射エネルギーに対する前記導電体の吸
    収能を超える吸収能を、前記第２層に与えるステップを
    含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 放射エネルギーを前記工作物に当てて、
    前記融蝕を行うステップと、前記工作物から反射される
    放射エネルギーを検出かつモニターするステップと、検
    出放射エネルギーの変化によって前記融蝕が前記導電体
    に達したことが示されると、前記融蝕を停止するステッ
    プとを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記融蝕処理中に前記工作物から融蝕さ
    れる材料成分をモニターするステップと、モニターされ
    た材料成分の変化により、融蝕処理が前記導電体に達し
    たことが示されると、融蝕処理を停止するステップとを
    含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
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