JPS601846A - 多層配線構造の半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、多層配線構造の半導体装■及びその製造方法
に係り、さらに詳しくは配線が断線りることなくかつ電
気的特性の変動が極めて小さい信頼性の高い多層配線構
造とその製造方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 集積度の高い半導体装置のように電極配線面積が増大し
てくると多層配線構造を採用しなければならないが、従
来の多層配線技術においてはステップカバレッジの欠陥
による断線と電気的特性の変動など信頼性に未解決の問
題がある。

断線の問題は、基本的に下層の電極配線とその上に形成
した絶縁膜の段差形状を平坦化して、下層の電極配線゛
と交叉する上層の電極配線の膜厚やそれに加わるストレ
スを均一化することであり、同時に急峻でない絶縁膜間
口をしかも簡単な工程で形成する間口技術し解決して電
極配線間の接続を完全にすることである。

従来の平坦化技術として、層間絶縁膜にＣＶＤ（化学的
気相成長法＞Ｓ＋ＯＺ又はＰＳＧ　（リンシリケートガ
ラス）膜を形成した上に、ＳｉＯ２微粉末をアルコール
系媒液中に分散溶解させたも理をしてより平坦化したシ
リカフィルムを積層する方法がある。

しかしながら、上記のシリカフィルムを積層りる従来方
法にｄ５いでは、段差を緩和り−るに必要な０．２〜０
．３μ川の膜厚のシリカフィルムを１回の塗布で得るこ
とが困難であった。　その上、シリカフィルムの機械的
強度が小ざく熱処即１１、ｒに電（―材料との応力差に
より段差部分や電極取出し開口部にクラックが生じやす
いという欠点があり、その／ｊめ断線による歩留りや配
線の信頼性についても十分満足できるものではなかった
。

別の従来平坦化技術として、下地の膜応力緩和の効果を
持ちかつ耐熱性に優れたポリイミド系樹脂をスピンコー
タで塗布焼成し′Ｃ段差の少ない１層膜を形成し多層配
線づることが知られている。

このポリイミド樹脂を用いる従来方法は、層間絶縁に必
要な２〜３μｍ厚の膜を１回の塗布で形成できるという
利点があるが、ポリイミド樹脂は吸水性・耐湿性に劣り
、特に小形のプラスチックパッケージに収めた半導体装
置においては、通電状態で長時間放置すると１〜ランジ
スタなど基板上素子の電気的特性が変動し信頼性が十分
確保できないという欠点があった。　このポリイミド樹
脂の欠点を考慮して５ｉｎ２膜どポリイミド樹脂膜の２
層膜を形成した従来例はあるが、通電状態で長時間放置
した場合の電気的特性の変動は解決されてはいなかった
。

その他、電極配線層のＡ１を部分的に陽極酸化して平坦
化づる方法や、無機絶縁膜に平坦な有機膜を塗布したの
ち両膜のエツチング速度が等しくなるような条件でスパ
ッタエツチングを行い、無機絶縁膜を平滑にする方法な
どがあるが、いずれの方法も前記のシリカフィルムやポ
リイミド樹脂膜をスピンコータなどで塗布形成するだけ
の方法に比べると工程が簡単でないという欠点があった
。

［発明の目的］ 本発明の目的は、ポリイミド樹脂を用いた多溜配ｌｉＡ
構造に伴う電気的特性の変動を抑制しかつ平坦化された
多層配線構造の半導体装置を提供することであり、また
別の目的は電気的特性の変動抑制とともに、ステップカ
バレッジ改善及び応力緩和により配線の断線をなくしか
つ層間絶縁性・耐湿性を改善した多層配線構造の半導体
装置を提供することにある。　また本発明の他の目的は
上記電気的特性の変動がなくかつ平坦化された多層配線
構造の層間絶縁膜について、急峻でない間１」をしかも
簡単な工程で開口する半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。

［発明の概要１ 本発明の半導体装置は、多層配線構造の層間絶縁膜が下
層の無機絶縁被膜と最上層のポリイミド系樹脂の有機絶
縁被膜とから成り、（ポリイミド系樹脂被膜の膜厚）／
（無機絶縁被膜の膜厚）で表される比が０．５〜０．１
の範囲であることを狛徴としている。

本発明における無機絶縁被膜はＣＶＤ法又は１〕ＶＤ法
により堆積した窒化珪素又は窒素を含イｊｌる酸化珪素
（シリコンオキシナイトライド）の単独膜もしくは積層
膜であり、層間絶縁性・耐湿性などの点からプラズマＣ
ＶＤ法による窒化珪素ヤオキシナイトライドが特に好ま
しい。　また本発明にｉＪ３　＃プるポリイミド系樹脂
は焼成することによりイミド骨格を含有する高分子体を
形成するものであって、具体例としてはしミ」ファイン
５Ｐ５１０（東し社商品名）　、Ｐｙｒａｌｉｎ　（デ
ュポン社商品名＞、ＰＩＱ（日立化成工業社商品名）な
どが挙げられる。

ポリイミド樹脂を層間絶縁膜に用いた半導体装置が長時
間通電状態に放置されたときに電気的特性に変動を生ず
る原因は、従来ポリイミド樹脂膜が無機絶縁膜に比べ（
吸水性・耐湿性に劣りアルカリにより汚染されやりいた
めであると考えられていたが、本発明者らはＢＴ処理を
したもののバラクタ評価結果を検討した結果、アルカリ
等の汚染ではな（てポリイミド樹脂膜そのものの分極に
よるＩ’ｌｓｓの変動であり、特に負電位のラインが第
二層配線にあるときはＮ　ＳＳの変動が基板表面の反転
をＪ５こづ恐れがある稈であることなどの知見が得られ
た。

本発明は、上記知見からポリイミド樹脂のアルカリ汚染
などを防止するために単に無機絶縁膜を併用するだ（］
では電気的特性の変動を除去Ｊることはできず、ＢＴ処
理後の△Ｎ　ｓｓを目標値（２×１０”　ａｍ’　）以
下にするためにはポリゴミ１−樹脂被膜の膜厚を無機絶
縁被膜の膜厚に対して０．５以下とすることにより、こ
の問題の解決をはかることができたものである。

第１図は、５ｉＮｌｉ（屈折率２．０のプラズマＣＶＤ
窒化珪素膜）　０．２１μｍ厚に対し、ポリイミド膜（
例えばセミコファイン５Ｐ５１０）の膜厚比を０〜１．
４に変動さぜ（両膜は０．１０μｍ　ｌ’、）の熱酸化
ｓｉＯ？股上に積層されている）でバラクタ評価により
Ｎ　ｓｓをめ、さらにバイアスＯ、！ｉＭＶ／Ｃｍ、２
００℃、１０分間のＢ　Ｔ処琥を行い、膜厚比（横軸）
とΔＮ５−ＣＩＫＩ軸）との関係をめたグラフである。

同図をみればわかるように△Ｎ　ｓｓが目標伯２×１０
”　ｃｍ４以下であるのは膜厚比０，５以トであり、特
に膜厚比０．３以下とすればほぼ完全な安定状態比を０
〜１．４に変動さけた場合においても窒化珪素膜の場合
の関係曲線と一致しており、分極の原因がポリイミド樹
脂膜にあり、無機絶縁膜の種類によらず膜厚比を０．５
以下にすればよいことが確認された。

一方、ステップカバレッジの効果を得るには膜厚比０．
１以上とづる必要がある。　特に好ましくは窒化珪素膜
１．０μｍに対してポリイミド樹脂膜０．２５μｍ以上
と覆るのがよい。　市販されている１０ポイズ程度のポ
リイミド樹脂をジメチルアレドアミドなどの溶剤で稀釈
して５センチボイズとずれば０．０６μＩｌｌ　Ｆｊ−
に、１ｏＬ７ンヂボイズとずれば０．３０μＩＩｌ厚の
膜厚に塗布づることができる。

次に多層配線の電極配線を相互に接続するために無機絶
縁被膜とポリイミド樹脂被膜とを積層した絶縁膜に間口
さける本発明の製造方法として、二段階開口法（特許請
求の範囲第２項）と一段階開口法（同第３項）を説明覆
る。

二段階開口法は、第一の電極配線層の上に無機絶縁被膜
をｉＩｔ積してこれをケミカルドライエツチング法で開
口し、次いで開口したポリイミド樹脂被膜を塗布して無
機絶縁被膜開口よりも広くケミカルドライエツチング法
で開口することにＪ、す、絶縁膜凹口膚口の傾斜を緩や
かなものにりるものである。

また一段階開口法は、無機絶縁被１１ジ上にポリイミド
樹脂被膜を積層した絶縁膜にアルミ膜を堆積して所望の
マスクを形成し、最上層のポリイミド被膜を０２のみか
らなる反応ガスを用いた反応１１イオンエツチングを行
い、続いて下層の無機絶縁被膜をＣＦ、と０２からなる
反応ガスを用いた反応性イオンエツチングを行うことに
より６０・〜・７ｏ。

程度の緩やかな傾斜角で絶縁膜を間口さゼるものである
。

［発明の実施例コ 実施例　１ 以下に図面を参照して本発明半導体装置の実施例を説明
りる。

第２図において、１は素子を形成した」′置体基板、２
は第一の電極配線層３を素子と接続させるだめに開口（
図示Ｕず）を設けた基板表面の３ｉ０２絶縁膜、３は約
１μ１１１厚に設けたΔ１−１％３ｉ−２％Ｃｕ合金の
ような第一の電極配線層、４は第一の電極配線層３上に
１μｍ厚にプラズマＣＶＤ法で１１１枯した窒化珪素被
膜、５は窒化珪素股上に塗布した０、３５μｍ厚のポリ
イミド樹脂被膜（４と５は居間絶縁膜となる）、６はＡ
ｌ−２％Ｃｕ合金のような第二の電極配線層、４１及び
５１は第二の電極配線層６を第一の電極配線層３と接続
させるための絶縁膜開口、７は第二の電（セ配線層６土
に設けた窒化珪素やポリイミド樹脂などのパッシベーシ
ョン膜である。

第２図のごとき本発明の多層配線構造においては、配線
層間の絶縁性・耐湿性は無機絶縁性被膜４で保たれ、段
差形状の平坦化と下地膜の応力の緩和はポリイミド樹脂
被膜５で図られ、しかも無機絶縁性被膜４の膜Ｊ９に対
してポリイミド樹脂被膜５の膜厚比が０．５以下である
ので層間絶縁膜の分極は所定値以下と４「り従って電気
的特性変動のない半導体装置が得られる。

実施例　２ 第３図（ａ　）〜＜ｆ）を参照し一段階聞１１法の実施
例を説明する。

第３図（ａ　＞において、所望の素子を形成した半導体
基板１に熱酸化膜２を形成し、ｌ）　Ｅ　ｌ〕法により
開口した後、Ａ１−１％５ｉ−２％Ｃｕ合金層を２００
〜４００℃に基板１を加熱した状態でスパッタ法により
　１μｍ厚に被着させ、リン酸−酢酸一硝酸一水混合液
で選択的にエツチングを行い、第一の電極配線層３１を
形成する。

次に第３図（ｂ）のように、該渥合液で］、、ツヂング
できないで残存するシリコンくず３２を、ＣＦ、１０．
混合ガスプラズマエツチングで除去したのち、窒素雰囲
気中５００℃、１５分間の熱処理をして第一の電極配Ｉ
５１層３のコンタク１−を完成する。

次に第３図（Ｃ）のように、プラズマＣＶ　Ｉ）　８置
［例えばＡＭＰ３３００、ＧＬ４５０なト］テ、Ｓｉ　
Ｈ４／ＮＨ３１２％以下ノカス組成、温度３　！ｉ　０
〜４００℃の条件で１μｍ厚の窒化珪素膜４を被覆し、
ＣＦ、１０２ケミカルドライエツチング（徳田製作所製
ＣＤＥ装置、流（６）比ＣＦ、＋　３：０，１　。

月・力５０１）ａ、出力４５０Ｗ、周波数２４５０Ｍ　
ｌ−ｌ　Ｚ　）により開口４゛１を設（）る。　エツチ
ング速度は約１８００Ｘ　／　ｍｉｎで、約６分間を要
した。　マスクとしたホトレジストはトンネル型酸素プ
ラズマアッシャ−で剥離した。

次に第３図（ｄ　）のように、窒化珪素膜４上にセミコ
ファインＳ　Ｐ　５１０をジメチルアセトアミドで稀釈
して粘度１００ｃｐとしたものをスピンコータを用い約
４０００ｒｇｍ　Ｔ：塗イｂし、窒素中’１００℃６０
分間、２５０°Ｃ６０分間、３５０℃６０分間の３段階
の熱処理を行い、はぼ完全に硬化さけて０．３５μｍ厚
のポリイミド樹脂被膜５１を形成する。・次に第３図（
ｅ）のように、形成したポリイミド樹脂被膜５１は窒化
珪素膜の開口４１よりも所望により　１〜２μｎ）広く
なるように、ＣＦ、１０２ケミノＪルドライエツチング
（流量比ＣＦ４　１：０．３．その他は窒化珪素膜開口
条件と同じ）で開口５２を設【ノる。　エツチング速度
は約８００人／ｓｉｎで、約４分間を要した。　またマ
スクとしたホトレジストもこのとぎエツチングされるが
当初のレジスト膜厚を１膜０１以上とすればマスクとし
て十分に耐えることができる。　レジストは剥離液（東
京応化製１−ｙｐｃ　５０２　）を用い１２０°（］。

４４分の処理で剥離した。

次に第３図（ｆ）のように、Ａ　Ｉ−２，０％Ｃｕ合金
をスパッタ法により被着さぜ、選択的にエツチングし、
次いで４５０℃、１５〜３０分間の熱処理をして第二層
の電極配線層６を形成し、さらにプラズマＣＶＤ窒化シ
リコン膜７をパッシベーション膜として形成して多層配
線構造を形成り−る。

実施例　３ 第４図（ａ　）〜（Ｃ）により二段階開口法の実施例を
説明り−る。

第一の電極配線層を形成するまでの１稈は実施例２（第
３図（ａ＞及び（ｂ））と同じである。

次に第４図（ａ）においでは、実施例２にＪ３けると同
条件で窒化珪素被膜４２及びポリイミド被膜５１を順次
形成し、ポリイミド被膜５１の］に絶縁肱開ロマスクと
なるＡ１膜８を蒸着法により被るし、開口部８１を選択
的にエツチングする。

次に第４図（ｂ　）のように、平行平板ｚｌ　７Ｈ極（
面積〜１５００ｃｍ２）の一方に基板を保持し他方を接
地して、ポリイミド樹脂被膜５１を０２のみからなる反
応ガスで反応性イオンエツチング（周波数１３．５６　
Ｍ　ｌ−１ｚ　、　Ｌｌ力４Ｐａ、出力２００Ｗ）ＬＴ
聞口５２する。　０．３５μｎ１のポリイミド樹脂被膜
の１ツヂングにＣ，Ｌ約４分間を要した。　次に窒化珪
素膜４２はＣＦ、１０．からなる反応ガスで反応性イオ
ンエツチング（流ｍ比ＣＦ、５二Ｏ９１、圧力１０ｐａ
、出力６００Ｗ）して間口４１する。

この場合マスクとして用いたＡｌ股８はＡ−バーハング
構造とはならず、ＡＩ／ポリイミド／窒化珪素の段差が
６０〜７０°の傾斜角で形成できた。

次に第４図（Ｃ）のように、絶縁膜開口後、スパッタ法
によりＡ　Ｉ−２，０％Ｃｕ合金を１．３μｍ膜厚に被
着させる。　この際比較的厳しい形状となっている絶縁
膜開口部４１．５２における被着を完全にするため、ス
パッタ直前あるいはスパッタ中に２００〜４００℃に基
板加熱処理してスパッタを行うのが望ましい。　ここで
は枚葉式スパッタ装置により基板温度３００℃、デボ速
麿１００００Ｘ　／ｍｉｎの条件で被着させた。

まｌｃ、この第二の電極配線層の被着直前には絶縁膜開
口に露出した第一の電極配線層表面が１００〜２００Ｘ
程Ｖ酸化されており、これが尋通不ｆｕの原因に結びつ
く危険性があるので、第二の電極配線被着直前にＡｒ等
の不活性ガスイオンで基板表面全面を物理的にエツチン
グ（平行平板型装協。

圧））１０ｐａ　、電力密度１．３Ｗ／Ｃｔｌｌ’　、
　Ｉ　ツブング速度約６０ス／ｍｉｎ　、エツチング時
間２〜３分）して、酸化膜を除去するのがよい。

［発明の効果Ｊ 本発明の半導体装置及び製造方法によれは、（Ｉ）　ポ
リイミド樹脂被膜を無機絶縁被膜に対して０．５以下の
膜厚比としたので、ポリイミド樹脂被膜の分極による半
導体装置の電気的特性の変動を臨界的に減少Ｊることが
できる。

（ｎ）　ポリイミド樹脂被膜を無機絶縁被膜に対して０
．１以上の）膜厚比としたので、ポリイミド樹脂による
イ］効な平坦化が実現される。

（ｉｌｌ）　無（幾絶縁被膜とポリイミド樹脂被膜が積
層され−Ｃいるから、無（幾絶縁被膜の層間絶縁性・耐
湿性及びポリイミド樹脂被膜のステップカバレッジ改善
・界面ストレス緩和とを兼ね備えた半導体装置が得られ
る。

（ＩＶ）　絶縁膜開口部にＪ３いでも段差の緩和された
形状となるから、断線づることのなくかつ簡単な工程で
半導体装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置における電気的特性の安定
化を説明するグラフ、第２図は本発明の半導体装置の構
造断面図、第３図（ａ　）〜（［）は本発明の二段階間
口法の製造方法の工程図、第４図（ａ　）〜（Ｃ）は本
発明の一段階間口法の製造方法の工程図である。 ３・・・第一の電極１！ｌｉ！線層、　４・・・無機絶
縁被膜、５・・・ポリイミド系樹脂被膜、　４１．５２
・・・絶縁特許出願人　東京芝浦電気株式会ネ［ Ｎ　−→ Ｃつ 敏 ＣＩ　０　′ 八　０ ℃　ν 区　区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　複数の電極配線層と、該電極配線層間の絶縁膜とを
   有し、かつ該絶縁膜の開口部で上記複数の電極配線層が
   相互に接続されている半導体装置において、上記絶縁膜
   が下層の無機絶縁被膜と最上層のポリイミド果樹１１ｆ
   ？の有機絶縁被膜とから成り、該無機絶縁被膜の膜厚に
   対する該有機絶縁被膜の膜厚の比が０．５〜０．１の範
   囲にあることを特徴とＪる半導体装置。 ２　少数の電極配線層と、該電極配線層間の絶縁膜とを
   有し、該絶縁膜が下層の無機絶縁被膜と最上層のポリイ
   ミド系樹脂の有機絶縁被膜とから成るとともに、該絶縁
   膜の開口部で上記複数の電極配線層が相互に接続されて
   いる半導体装置を製造ターるにあたり、上記無機絶縁被
   膜を形成してグミカルドライエツチング法で開口し、次
   いで上記有１幾絶縁被膜を形成してケミカルドライエツ
   ヂフグ法ぐ」二記無機絶縁被膜の間口よりも広く間口す
   ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 ３　複数の電極配線層と、該電極配線層間の絶縁膜とを
   有し、該絶縁膜が下層の無機絶縁被膜と最上層のポリイ
   ミド系樹脂の有機絶縁被膜とから成るとともに、該絶縁
   膜の間口部で上記複数の電極配線層が相互に接続されＣ
   いる半導体装置を製造するにあたり、上記無機絶縁被膜
   と有機絶縁被膜とを積層し、Ａ１膜をマスクにして該有
   機絶縁被膜にＯ３のみからなる反応ガスを用いた反応竹
   イオンエツチングを行い、続りで該無機絶縁被膜にＣＩ
   −。 及びＯ３からなる反応ガスを用いた反応竹イオンエツチ
   ングを行って、上記絶縁膜を開［１することを特徴とす
   る半導体装置の製造方法、。