JP2002025934A

JP2002025934A - 電極パターン形成方法および半導体装置

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Publication number: JP2002025934A
Application number: JP2000205270A
Authority: JP
Inventors: Chikage Noritake; 千景則武; Ichiji Kondo; 市治近藤; Takeshi Miyajima; 健宮嶋; Mikimasa Suzuki; 幹昌鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2002-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】積層金属膜が逆テーパであっても剥離の発生を
回避することが可能となる電極パターン形成方法および
半導体装置を提供する。【解決手段】シリコン基板１の上においてアルミ膜２と
ポリイミド膜４が露出した状態から、ポリイミド膜４の
表面に対し過大な凹凸を生じさせないようなアルゴンガ
スイオンの照射を行う。シリコン基板１の上に、チタン
膜５、全応力が１５０Ｎ／ｍ以上の引張応力を持つニッ
ケル膜６、金膜７を順に成膜する。チタン膜５とニッケ
ル膜６と金膜７の３層構造の金属膜に対しオーバーエッ
チングとなるフォトエッチングを行い、所定領域の積層
構造の金属膜５，６，７を残す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は半導体装置に係
り、詳しくは、基板上での所望の領域に金属多層膜を剥
離することなく安定に形成する技術に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの金属電極形成方法とし
て、ホトリソグラフィーを用いたパターン形成方法がよ
く知られており、これにより、所望の領域に電極を形成
することができる。特に、多層膜のエッチングにおいて
は、剥離などの問題回避のためエッチング液・条件の制
御により逆テーパ（サイドエッチング）発生防止を行っ
ている（畑田賢造、ＴＡＢ技術入門、工業調査会Ｐ．１
０１）。

【０００３】ところが、前述のエッチング液・条件制御
では、エッチング残りが発生する等の問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような背
景の下になされたものであり、その目的は、積層金属膜
が逆テーパであっても剥離の発生を回避することが可能
となる電極パターン形成方法および半導体装置を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、電極パタ
ーンである積層金属膜が逆テーパ構造で、はんだ付け用
金属膜の全応力が１５０Ｎ／ｍ以上の引張応力を持つ場
合においても剥離を回避可能であることを見出した。こ
れを基にして、請求項１に記載の電極パターン形成方法
によれば、基板の上において下地用金属膜とポリイミド
膜が露出した状態から、ポリイミド膜に不活性ガスイオ
ンを照射して表面に凹凸を生じさせた後、当該基板の上
に、コンタクト金属膜、全応力が１５０Ｎ／ｍ以上の引
張応力を持つはんだ付け用金属膜が順に成膜される。そ
の後、コンタクト金属膜とはんだ付け用金属膜の積層構
造の金属膜に対しオーバーエッチングとなるフォトエッ
チングが行われ、所定領域の積層構造の金属膜が残され
る。

【０００６】その結果、請求項６に記載のように、積層
構造の金属膜における端面部での断面構造が逆テーパ状
をなすとともに、はんだ付け用金属膜の全応力が１５０
Ｎ／ｍ以上の引張応力を持つ半導体装置が得られる。

【０００７】ここで、前述のオーバーエッチングにより
エッチング残りが発生するのが防止される。このように
して、積層金属膜が逆テーパであっても剥離の発生を回
避することが可能となる。

【０００８】ここで、請求項２に記載のように、過大な
凹凸を生じさせないようにすると、適度な凹凸が付けら
れ、その上に成膜するときにボイドの発生を回避でき
る。より詳しくは、請求項３に記載のように、イオン照
射後のポリイミド膜の表面の中心線平均あらさ（Ｒａ）
が１ｎｍ以下にするとよい。つまり、請求項６に記載の
ごとく、ポリイミド膜の表面が、中心線平均あらさ（Ｒ
ａ）が１ｎｍ以下の粗面となっている半導体装置とする
とよい。

【０００９】このポリイミド膜の表面に対し適度な凹凸
を付ける処理を行う場合において、請求項４，７に記載
のように、はんだ付け用金属膜は全応力が８００Ｎ／ｍ
以下の引張応力を持つようにすると、実用上好ましいも
のとなる。

【００１０】また、請求項５，８に示すように、コンタ
クト金属膜は、チタン、クロム、バナジウムのいずれか
の膜であり、はんだ付け用金属膜は、ニッケル膜または
銅膜であると、実用上好ましいものになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。本実施形態において
は、図１に示すＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトラ
ンジスタ）に具体化している。

【００１２】図１において、ｐ⁺シリコン基板１ａの上
にｎ^-エピタキシャル層１ｂが形成され、基板１ａとエ
ピタキシャル層１ｂにてシリコン基板１が構成されてい
る。ｎ^-エピタキシャル層１ｂの表層部に深さの異なる
ｐ型層２０，２１が形成されるとともに同ｐ型層２０，
２１の表層部にｎ⁺領域２２が形成されている。シリコ
ン基板１の上にはゲート酸化膜２３を介してゲート電極
２４が配置されている。このようなセルがシリコン基板
１に多数形成され、多数のセルにてＩＧＢＴが構成され
ている。本例の半導体装置は、１つの基板（チップ）１
に複数のＩＧＢＴ（セル群）が形成されている。

【００１３】また、シリコン基板１の上面にはエミッタ
電極としてアルミ膜２、チタン膜５、ニッケル膜６、金
膜７が順に成膜されている。一方、シリコン基板１の裏
面（下面）には凹凸１ｃが形成され、当該凹凸１ｃに対
しコレクタ電極としてチタン膜１０、ニッケル膜１１、
金膜１２が順に成膜されている。ここで、チタン薄膜
５，１０がコンタクト金属膜であり、ニッケル膜６，１
１がはんだ付け用金属膜であり、金膜７，１２が酸化防
止膜である。

【００１４】さらに、シリコン基板１の上面（金膜７
側）にはヒートシンク兼エミッタリード２５がはんだ２
６により接合される。一方、シリコン基板１の裏面（金
膜１２側）にはヒートシンク兼コレクタリード２７がは
んだ２８により接合される。

【００１５】次に、このＩＧＢＴの製造工程、特に、電
極パターンであるチタン膜５、ニッケル膜６、金膜７の
形成方法を主に説明する。工程説明のための断面図を、
図２〜図１４に示す。

【００１６】まず、図２に示すように、シリコン基板１
を用意する。そして、ウェハ状態のシリコン基板１に対
し一般的な半導体デバイス製造技術（イオン注入など）
を用いてＩＧＢＴ素子を形成する。さらに、シリコン基
板１の上面における、隣接するＩＧＢＴ（セル群）との
境界部２ａに絶縁膜３を形成する。この絶縁膜３はＢＰ
ＳＧ膜やＰＳＧ膜などから成る。その後、絶縁膜３を含
むシリコン基板１の上にアルミ膜２を蒸着する。このア
ルミ膜２は、ＩＧＢＴのエミッタ電極部の下地となる。
そして、フォトリソグラフィー手法により、アルミ膜２
における、隣接するＩＧＢＴ（セル群）との境界部２ａ
を除去する。

【００１７】そして、図３に示すように、アルミ膜２お
よび絶縁膜３の上の所定領域に保護膜としてのポリイミ
ド膜４を形成する。これにより、シリコン基板１の上に
おいて下地用金属膜であるアルミ膜２とポリイミド膜４
が露出した状態となる。このポリイミド膜４のパターニ
ング工程に関して、詳しくは、レジストを塗布し、露光
を行い、現像液に浸けてレジストの現像を行うとともに
ポリイミド膜のエッチングを行う。さらに、アセトンな
どを用いてレジストを剥離し、アニールを行う。

【００１８】引き続き、図４に示すように、チタン膜５
（図５参照）の成膜を行う前に（電極成膜前の処理とし
て）、ポリイミド膜４に対し不活性ガスイオンであるア
ルゴンガスイオンを照射する。このアルゴンガスイオン
の照射を行う装置の概略的な構成を図１５に示す。

【００１９】図１５において、チャンバー３０は、ガス
が導入される導入口３０ａが設けられると共に、排気減
圧用のターボポンプ３１を介して排出口３０ｂが設けら
れている。チャンバー３０の内部の上下の各面には高周
波電圧を印加するための電極板３２ａ，３２ｂが配置さ
れている。これらの電極板３２ａ，３２ｂ間には高周波
電源３３から高周波出力が印加されるようになってい
る。シリコンウェハ３４は下側の電極３２ｂ上に載置さ
れるようになっている。また、チャンバー３０の外周部
にはマグネット３５が配置され、チャンバー３０内に磁
界を作用させて不活性ガスイオンを発生させるようにな
っている。

【００２０】この装置において、シリコンウェハ３４が
チャンバー３０内の電極３２ｂ上に載置された状態で起
動させると、チャンバー３０内はターボポンプ３１によ
り排気され、真空に引かれた状態（具体的には、３Ｐ
ａ）でアルゴンガスが導入口３０ａから導入される。そ
して、高周波電源３３により高周波出力を電極３２ａ，
３２ｂ間に印加させるとともにマグネット３５により磁
界を発生させる。この状態で、チャンバー３０内にアル
ゴンガスイオンが発生してシリコンウェハ３４の表面に
照射される。

【００２１】このとき、パワーを１００Ｗとし、イオン
照射を６０秒間行う。これは、イオン照射としては低出
力なものである。つまり、一般的な処理は４００Ｗ、１
２０秒程度であるが、本実施の形態においては１００
Ｗ、６０秒にしている。これにより、ポリイミド膜４の
表面に対し過大な凹凸を生じさせないような不活性ガス
イオンの照射が行われ、適度な凹凸が付けられるととも
に最表面が清浄化される。具体的には、イオン照射後の
ポリイミド膜４の表面の中心線平均あらさ（Ｒａ）が１
ｎｍ以下である。アルゴンガスイオン照射に伴う凹凸形
成により表面積が増加しその上に成膜する膜の密着性が
向上して剥離の発生を改善できる。特に、適度な凹凸
（Ｒａが１ｎｍ以下）により、その上に成膜するときに
ボイドの発生が回避でき、信頼性向上が図られる。ま
た、上述したように低出力・短時間のイオン照射であ
り、パーティクルが発生することもなく、装置が汚染さ
れない。

【００２２】図１６（ａ），（ｂ）にはアルゴンガスイ
オンの照射前後における、ポリイミド膜４の表面の測定
結果を示す。測定にはＡＦＭを用いた。図１６（ａ）は
処理前であり、ポリイミド膜のＲａ値は０．４０４ｎｍ
であり、表面積は２５０５６０ｎｍ²（２５００００ｎ
ｍ²あたり）であった。図１６（ｂ）は処理後であり、
ポリイミド膜のＲａ値は０．４９５ｎｍであり、表面積
は２５２２２４ｎｍ²（２５００００ｎｍ²あたり）で
あった。このように、処理後のＲａ値が１ｎｍ以下であ
り、処理により表面積が増加していることが確認でき
た。

【００２３】引き続き、図４でのシリコン基板１の上に
アルミ膜２とポリイミド膜４が露出した状態から、図５
に示すように、電極成膜として、シリコン基板１の上
に、チタン膜５、ニッケル膜６、金膜７を順に成膜す
る。このとき、ニッケル膜６は、全応力が１５０Ｎ／ｍ
以上の引張応力を持つ（図中のＦの大きさ）。また、前
述の不活性ガスイオンの照射工程を含む半導体製造方法
を採用する場合には、ニッケル膜６は、全応力が８００
Ｎ／ｍ以下の引張応力を持つものにする。なお、膜の全
応力（total stress) は、膜厚と内部応力との乗算値
（全応力＝膜厚×内部応力）である。

【００２４】さらに、図６に示すように、３層構造の金
属膜５，６，７の上の所定領域にレジスト８を塗布す
る。引き続き、図７，８，９に示すように、３層構造の
金属膜５，６，７に対しオーバーエッチングとなるウェ
ットエッチングを行い、レジスト８の無い領域における
金膜７、ニッケル膜６、チタン膜５を順に除去する。詳
しくは、図７のごとく、金膜７をエッチングする際に
は、Ａｕエッチング液（Ａｕエッチャント）として、ヨ
ウ素＋ヨウ化カリウム＋水の混合液を用いる。また、図
８のごとく、ニッケル膜６をエッチングする際には、Ｎ
ｉエッチング液として、リン酸＋硝酸＋酢酸＋水の混合
液を用いる。さらに、図９のごとく、チタン膜５をエッ
チングする際には、Ｔｉエッチング液として、ＥＤＴＡ
＋アンモニア＋過酸化水素水＋水の混合液を用いる。

【００２５】このように３層構造の金属膜５，６，７に
対しフォトエッチングを行うことにより、図９に示すよ
うに、所定領域の３層構造の金属膜５，６，７が残され
る。つまり、隣接するＩＧＢＴ（セル群）における電極
の分離が行われる。また、３層構造の金属膜５，６，７
における端面部がサイドエッチング（アンダーカット）
により、その断面構造が逆テーパ状になる。

【００２６】引き続き、図１０に示すように、レジスト
８を除去した後、図１１に示すように、シリコン基板１
の表面（上面）に保護テープ９を貼り付ける。このテー
プ９は基板１の裏面研削を行うためのものである。

【００２７】そして、図１２に示すように、シリコン基
板１の裏面を研削して凹凸１ｃを形成する。さらに、図
１３に示すように、保護テープ９を剥がした後、図１４
に示すように、シリコン基板１の裏面にチタン膜１０と
ニッケル膜１１と金膜１２を順に成膜する。これにより
得られる半導体装置の構造は、シリコン基板１の上にア
ルミ膜２とポリイミド膜４が配置されるとともに、その
上に、チタン膜５とニッケル膜６と金膜７を順に積層し
た３層構造の金属膜がパターニングされ、さらに、３層
構造の金属膜５，６，７における端面部での断面構造が
逆テーパ状をなすとともに、ニッケル膜６の全応力が１
５０Ｎ／ｍ以上の引張応力を持つ（図中のＦの大き
さ）。また、ポリイミド膜４の表面は中心線平均あらさ
Ｒａが１ｎｍ以下の粗面となる。また、ニッケル膜６
は、全応力が８００Ｎ／ｍ以下の引張応力を持つとよ
い。

【００２８】ニッケル膜６の全応力が１５０Ｎ／ｍ以上
の引張応力を持ち、かつ、３層構造の金属膜５，６，７
の成膜を行う前に、ポリイミド膜４の表面に対し過大な
凹凸を生じさせないようなアルゴンガスイオン（不活性
ガスイオン）の照射を行うことにより、ポリイミド膜４
の表面積が適度に増加して密着力が向上し、これによ
り、剥離防止の改善が図られる。つまり、ニッケル膜６
の全応力として非常に大きな引張応力を持つ場合には、
図１２の保護テープ９を剥がす時、図１７に示すよう
に、保護テープ９でポリイミド膜４の上、及びアルミ膜
２上の電極５，６，７が剥がれてしまうが、本実施形態
ではこれを回避することができる。

【００２９】本発明者らは、アルゴンガスイオンの照射
に代わる処理での剥離性を確認すべく、次の(i) 〜(iv)
の実験を行った。 (i) ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）による洗浄を行
った後に、テープによる剥離試験 (ii)リン酸による洗浄を行った後に、テープによる剥離
試験 (iii) ＣＶＤエッチング液による洗浄を行った後に、テ
ープによる剥離試験 (iv)ＣＦ₄による表面処理を行った後に、テープによる
剥離試験しかしながら、いずれも剥離は発生した。これにより、
アルゴンガスイオンの照射の有用性が確認できた。

【００３０】なお、剥離発生防止のためにイオンビーム
照射による密着性改善が報告されている（Ｐroc.ＢＥＡ
ＭＳ１９９９，袴田ら）が、この場合には表面の中心線
平均あらさＲａが１ｎｍより大きく、成膜後のボイド発
生など信頼性に課題が残るが、Ｒａ値を１ｎｍ以下にす
ることにより上述したように成膜後にボイドの発生等の
不具合が発生することはない。

【００３１】一方、積層構造の金属膜５，６，７に対し
オーバーエッチングとなるフォトエッチングを行わず
（逆テーパとせずに）、図１８に示すように、順テーパ
にすると、エッチング残りが発生し、本来、電気的に分
離すべきＩＧＢＴが電気的につながってしまう。これに
対し、オーバーエッチングとなるフォトエッチングを行
い、逆テーパ構造にすることによりエッチング残りは発
生しない。

【００３２】なお、製造工程において、できあがったウ
ェハ（各半導体装置）は電気特性検査を行った後に各チ
ップにダイシングされ、組付けられる。以上、電極パタ
ーンである３層金属膜５，６，７が逆テーパ構造で、ニ
ッケル膜６の全応力が１５０Ｎ／ｍ以上の引張応力を持
つ場合にも剥離を回避可能であり、ポリイミド膜４の表
面への不活性ガスイオンの照射を行うことにより剥離防
止に効果があり、このとき、イオン照射は過大な凹凸を
生じさせないようにし（具体的にはＲａ値が１ｎｍ以
下）、かつ、ニッケル膜６の全応力が８００Ｎ／ｍ以下
の引張応力を持つようにするとよい。

【００３３】これまで説明してきたものの他にも下記の
ように実施してもよい。コンタクト金属膜がチタン膜５
であったが、チタン膜の他にもクロム、バナジウムのい
ずれかの膜でもよい。また、はんだ付け用金属膜はニッ
ケル膜６であったが、他の金属膜、例えば銅膜であって
もよい。さらに、酸化防止膜として金膜７を用いたが、
銀膜を用いてもよい。さらに、酸化防止膜である金膜７
は、必ずしも必要としない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の半導体装置の一部断面図。

【図２】電極パターン形成方法を説明するための断面
図。

【図３】電極パターン形成方法を説明するための断面
図。

【図４】電極パターン形成方法を説明するための断面
図。

【図５】電極パターン形成方法を説明するための断面
図。

【図６】電極パターン形成方法を説明するための断面
図。

【図７】電極パターン形成方法を説明するための断面
図。

【図８】電極パターン形成方法を説明するための断面
図。

【図９】電極パターン形成方法を説明するための断面
図。

【図１０】電極パターン形成方法を説明するための断
面図。

【図１１】電極パターン形成方法を説明するための断
面図。

【図１２】電極パターン形成方法を説明するための断
面図。

【図１３】電極パターン形成方法を説明するための断
面図。

【図１４】電極パターン形成方法を説明するための断
面図。

【図１５】不活性ガスイオンの照射装置の概略構成
図。

【図１６】ポリイミド膜の表面の測定結果を示す図。

【図１７】電極パターン形成方法を説明するための断
面図。

【図１８】電極パターン形成方法を説明するための断
面図。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…アルミ膜、４…ポリイミド膜、
５…チタン膜、６…ニッケル膜、７…金膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 29/78 ６５２Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｔ 21/336 29/78 ６５８Ｆ (72)発明者宮嶋健愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者鈴木幹昌愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 4M104 BB02 CC01 DD20 DD24 DD64 EE18 FF06 FF17 GG20 HH09 5F004 AA14 AA16 BA04 BA08 BB07 BB13 DA23 DB25 5F033 HH07 HH08 HH13 HH18 MM08 MM17 PP14 QQ08 QQ09 QQ10 QQ19 QQ33 QQ91 RR14 RR15 RR22 TT04 VV07 WW00 XX00 5F043 AA27 BB17 BB18 FF04 GG02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板（１）の上において下地用金属膜
（２）とポリイミド膜（４）が露出した状態から、ポリ
イミド膜（４）に不活性ガスイオンを照射して表面に凹
凸を生じさせた後、当該基板（１）の上に、コンタクト
金属膜（５）、全応力が１５０Ｎ／ｍ以上の引張応力を
持つはんだ付け用金属膜（６）を順に成膜する工程と、前記コンタクト金属膜（５）とはんだ付け用金属膜
（６）の積層構造の金属膜に対しオーバーエッチングと
なるフォトエッチングを行い、所定領域の積層構造の金
属膜（５，６）を残す工程と、を備えたことを特徴とす
る電極パターン形成方法。
【請求項２】請求項１に記載の電極パターン形成方法
において、前記不活性ガスイオンの照射の際、過大な凹凸を生じさ
せないようにしたことを特徴とする電極パターン形成方
法。
【請求項３】請求項２に記載の電極パターン形成方法
において、前記イオン照射後のポリイミド膜（４）の表面の中心線
平均あらさが１ｎｍ以下であることを特徴とする電極パ
ターン形成方法。
【請求項４】請求項２に記載の電極パターン形成方法
において、前記はんだ付け用金属膜（６）は、全応力が８００Ｎ／
ｍ以下の引張応力を持つものであることを特徴とする電
極パターン形成方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の電
極パターン形成方法において、前記コンタクト金属膜（５）は、チタン、クロム、バナ
ジウムのいずれかの膜であり、前記はんだ付け用金属膜
（６）は、ニッケル膜または銅膜であることを特徴とす
る電極パターン形成方法。
【請求項６】基板（１）の上に下地用金属膜（２）と
ポリイミド膜（４）が配置されるとともに、その上に、
コンタクト金属膜（５）とはんだ付け用金属膜（６）を
順に積層した積層構造の金属膜がパターニングされた半
導体装置であって、前記積層構造の金属膜（５，６）における端面部での断
面構造が逆テーパ状をなすとともに、前記はんだ付け用
金属膜（６）の全応力が１５０Ｎ／ｍ以上の引張応力を
持ち、前記ポリイミド膜（４）の表面は、中心線平均あ
らさが１ｎｍ以下の粗面となっていることを特徴とする
半導体装置。
【請求項７】請求項６に記載の半導体装置において、前記はんだ付け用金属膜（６）は、全応力が８００Ｎ／
ｍ以下の引張応力を持つものであることを特徴とする半
導体装置。
【請求項８】請求項６または７に記載の半導体装置に
おいて、前記コンタクト金属膜（５）は、チタン、クロム、バナ
ジウムのいずれかの膜であり、前記はんだ付け用金属膜
（６）は、ニッケル膜または銅膜であることを特徴とす
る半導体装置。