JP2005108878A - 絶縁膜の形成方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板に層間絶縁膜を剥離させずにＳＴＰ法により密着させる。
【解決手段】 基板の絶縁層上にＳｉＬＫ樹脂から成る密着用絶縁材２０を塗布し、架橋温度以下で加熱して絶縁層に密着させる。次に、ベースフィルム２１に設けた同一材料の層間絶縁材２２を低温度で加熱しながら密着用絶縁材２０に押圧する。その後、ベースフィルム２１を剥離する。
【選択図】 図１−４

Description

本発明は、高分子材料から成る絶縁膜の形成方法、及び該方法を用いた半導体装置の製造方法に関するものである。

図２（ａ）〜（ｇ）には、下記非特許文献１乃至６に開示されている材料等を用いる従来の半導体装置の製造方法が示されている。
図２（ａ）は、半導体素子の設けられた半導体基板１０の断面図である。この図において、１はＰ型シリコン基板であり、該基板１には素子分離層２と、拡散層３、４、ゲート電極５及びコバルトシリサイト６から成るＭＯＳトランジスタとが形成されている。ゲート電極５は絶縁膜７により覆われ、更にＰ型シリコン基板１の上面はシリコン酸化膜から成る絶縁層８により全体的に覆われている。そして、絶縁層８には、コンタクトホールに導電金属を充填して成るコンタクトプラグ９が形成されている。

このような半導体基板１０（絶縁層８）上には、図２（ｂ）に示すように、ホトリソグラフィにより所定パターンの配線１１が形成される。この配線１１は第１配線層を形成しており、配線部１１ａと、その上方の第２配線側と電気接続されるビアプラグ１１ｂとを有している。

一方、第１配線層の配線１１を覆うための層間絶縁膜を形成するために、図２（ｃ）に示すように、ベースフィルム１２上に未架橋の高分子材料からなるＳｉＬＫ樹脂（登録商標；Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ製）を塗布法により塗布して層間絶縁材１３を形成する。
そして、図２（ｄ）に示すように、半導体基板１０（図２（ａ））と層間絶縁材１３とを対向させ、層間絶縁材１３を加熱しながら半導体基板１０へ押圧する。これにより、図２（ｅ）に示すように、層間絶縁材１３が基板１０の絶縁層８の上面に固着され、かつ配線１１を全体的に覆う。

次に、図２（ｆ）に示すように、ベースフィルム１２を層間絶縁材１３より剥離し、該層間絶縁材１３を架橋加熱して硬化させ、更に、同図（ｇ）に示すように、ビアプラグ１１ｂの上端面を露出させるべく層間絶縁材１３をエッチング処理し、これにより層間絶縁膜１３Ａが形成される。

以上に説明した層間絶縁膜１３Ａの形成方法は、ＳＴＰ法（Ｓｐｉｎ Ｃｏａｔｉｎｇ ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｈｏｔ−Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）と称され、上記ＳｉＬＫ樹脂以外に、低誘電率特性を有するＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）やＰｏｌｙｉｍｉｄｅ樹脂を層間絶縁材として利用することが可能である。

このようなＳＴＰ法によれば、上記層間絶縁材が平坦度に優れていることから、半導体の製造分野で行われる平坦化工程、例えば、ＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｉｎｇ）を用いる平坦化工程が不要となる利点がある。
しかし、上記ＳＴＰ法において、上記層間絶縁材１３を用いると、層間絶縁材１３が半導体基板１０の絶縁層８に確実に密着しないため、図２（ｈ）に示すように、ベースフィルム１２を剥離するために上方に持ち上げると、層間絶縁材１３の一部が絶縁層８から剥がれ、ベースフィルムと共に持ち上がることがあった。
S. Shishiguchi, T.Fukuda,and H.Yanazawaa, Proc. Advanced Metallization Conference,531(2002) K. Machida, H. Kyuragi, H. Akiya, K. Imai, A. Tounai and A. Nakashima, J. Vac.Sci.& Technol. B16,1093(1998) N. Sato, K.Machida, K.Kudou, M. Yano and H. Kyuragi,Proc. Advanced Metallization Conference,535(2000) N.Sato, K. Machida, M.Yano, K. Kudou and H. Kyuragi, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41,2367(2002) S. Shishiguchi, T. Fukuda, H. Kochiya, H. Yanazawa and H. Matsunaga, Proc. Advanced Metallization Conference,57(2001) S. J. Martin, J. P. Godschalx, M. E. Mills, E. O. Schffer II and P. H. Townsend, Adv.mater. No.23,1769(2000)

解決しようとする課題は、ベースフィルムの剥離工程において、絶縁材又は層間絶縁材が基板から剥れることを防止することにある。

第１の発明は、ベースフィルムに塗布形成された未架橋の高分子材料から成る絶縁材を基板上に押圧する前に、基板上に絶縁材と同一材料から成る未架橋の密着用絶縁材を塗布し、この密着用絶縁材を架橋温度よりも低い温度で加熱して基板に密着させ、その後、絶縁材を密着用絶縁材を介して基板に押圧することを特徴とする。

また、第２の発明は、べースフィルムに塗布形成された未架橋の高分子材料から成る層間絶縁材を半導体基板の絶縁層に押圧する前に、絶縁層に層間絶縁材と同一材料から成る未架橋の密着用絶縁材を塗布し、この密着用絶縁材を架橋温度より低い温度で加熱して絶縁層に密着させ、その後、層間絶縁材を密着用絶縁材を介して絶縁層に押圧することを特徴とする。

本願発明によれば、密着用絶縁材を基板（絶縁層）に確実に密着させた上で、密着用絶縁材と絶縁材（層間絶縁材）とを低温度で加熱して一体的に熱圧着するので、ベースフィルムの剥離時に絶縁材（層間絶縁材）が基板（絶縁層）から剥れるのを確実に防止することができる。

図１（ａ）は、半導体素子の設けられた半導体基板１０の断面図である。この図において、１はＰ型シリコン基板であり、該基板１には素子分離層２と、拡散層３および４、ゲート電極５及びコバルトシリサイト６から成るＭＯＳトランジスタとが形成されている。ゲート電極５は絶縁膜７により覆われている。

このような半導体基板１０において、図１（ｂ）に示すよう、シリコン基板１の上面にシリコン酸化膜を成長させて絶縁層８を形成し、絶縁層８の上面をＣＭＰ法により平坦化する。これにより、シリコン基板１の上面が絶縁層８により全体的に覆われる。

次に、絶縁層８上にホトリソグラフィによりコンタクトホールを形成するための所定の
レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして絶縁層８及び絶縁膜７
をエッチング処理し、図１（ｃ）に示すように、コンタクトホールを形成する。

次に、レジストを除去し、コンタクトホール内でメタル材料を成長させると共に絶縁層８の表面上まで成長したメタル部をＣＭＰ法により除去し、図１（ｃ）に示すように、コンタクトプラグ９を形成する。これにより、半導体基板１０が製造される。

次いで、半導体基板１０上に第１配線層を形成するために、第１図（ｄ）に示すように、半導体基板１０上に密着金属層１５及びその上のアルミニウム層１６をスパッタ法により成膜する。密着金属層１５は、絶縁層８（図１（ｃ）参照）に第１配線層を密着させるために形成されている。

その後、所定の配線パターンを得るためにホトリソグラフィによりレジスト１７パターンを形成する。そして、無電解メッキ処理によりＣｏＷＰを成長させることにより、レジスト１７の存在しないアルミニウム層１６の露出部分をＣｏＷＰ層１８に置換する。引続き、Ｃｕの電解メッキ処理を行ない、ＣｏＷＰ層１８上にＣｕから成る配線部１１ａを形成する。

次に、図１（ｅ）に示すように、ホトリソグラフィによりレジスト１７Ａパターンを形成し、Ｃｕの電解メッキ処理を行ない配線部１１ａ上にビアプラグ１１ｂを形成する。これにより、配線部１１ａとビアプラグ１１ｂとから成る配線１１が得られる。

その後、レジスト１７、１７Ａを除去し、又アルミニウム層１６をウェットエッチング処理して除去すると共に、密着金属層１５をドライエッチング処理して除去する。引続き、ＣｏＷＰの無電解メッキ処理を行ない、図１（ｆ）に示すように、配線１１を覆うＣｏＷＰ膜１８を成長させる。このＣｏＷＰ膜１８は、配線１１を形成するＣｕが後に説明する層間絶縁膜中に拡散するのを防止するバリア層である。

次に、本願発明の要旨としての上記配線１１を覆う第１の層間絶縁膜の形成工程を図１（ｇ）〜同（ｌ）を参照して説明する。
先ず、図１（ｇ）に示すように、半導体基板１０の絶縁層８上に塗布法により未架橋のＳｉＬＫ樹脂を塗布し、密着用絶縁材２０を成膜する。本実施例では、絶縁層８上に２００ｎｍの厚さでＳｉＬＫ樹脂を塗布する条件で密着用絶縁材２０を成膜している。

このように、密着用絶縁材２０を成膜した後には、窒素雰囲気中で、ＳｉＬＫ樹脂の架橋開始温度（３５０℃）よりも低い温度、即ち、３００℃で密着用絶縁材２０を１０分間加熱処理する。この３００℃の温度で加熱すると、密着用絶縁材２０は架橋せずに絶縁層８に強固に密着する。
尚、上記密着用絶縁材は、２５０℃以上の温度で加熱すると、絶縁層８に完全に密着するが、２５０℃以下の場合、密着力が不十分で剥離する恐れがあった。

一方、図１（ｈ）に示すように、ベースフィルム２１上に未架橋のＳｉＬＫ樹脂を塗布法により塗布して層間絶縁材２２を形成する。ベースフィルム２１は、Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅから成る。
そして、図１（ｉ）に示すように、半導体基板１０と層間絶縁材２２とを対向させ、層間絶縁材２２及び密着用絶縁材２０を窒素雰囲気中で１５０℃で加熱しながら該層間絶縁材２２を半導体基板１０へ３２ＫＰａ（パスカル）の荷重を加えて押圧する。このように、層間絶縁材２２を押圧すると、図１（ｊ）に示すように、層間絶縁材２２と密着用絶縁材２０とが一体的に強固に密着する。この密着理由としては、未架橋であるため両絶縁材２０および２２に活性な反応基が多く、上記温度１５０℃で反応基が活性して密着することにあると推定できる。

次に、図１（ｋ）に示すように、ベースフィルム２１を層間絶縁材２２より剥離する。この剥離時には、層間絶縁材２２と密着用絶縁材２０とが強固に密着し、かつ密着用絶縁材２０が絶縁層８に強固に密着しているので、これらの間で剥がれが生じることがない。
引続き、層間絶縁材２２をビアプラグ１１ｂの上面が露出するまでエッチングバック処理し、これにより図１（ｌ）に示すように、第１の層間絶縁膜２２Ａが形成される。
次いで、層間絶縁膜２２Ａを窒素雰囲気中で、４００℃の温度で３０分間、加熱処理し、架橋する。

以上のように、第１配線層の層間絶縁膜２２Ａの形成工程が終了すると、次に第１配線層上に更に第２配線層及び第３配線層が設けられる。即ち、図１（ｍ）に示すように、層間絶縁膜２２Ａ上に上記したと同様に、配線部２３ａおよびビアプラグ２３ｂから成る配線２３を形成し、その後、層間絶縁膜２２Ａ上に未架橋のＳｉＬＫ樹脂を塗布して密着用絶縁材２４を形成した上で２５０℃で加熱処理して該絶縁材２４を層間絶縁膜２２Ａに密着させる。そして、図示しないベースフィルムにＳｉＬＫ樹脂を塗布形成して得た層間絶縁材２５を１５０℃で加熱しながら押圧し、密着用絶縁材２４に密着させる。

次に、上記したように、層間絶縁材２５をエッチング処理し、及び架橋処理することにより、第２層間絶縁膜２５Ａを有する第２配線層が形成される。
そして、第２層間絶縁膜２５Ａ上に配線２６を形成することで、図１（ｍ）に示すように、三層構造の半導体装置が得られる。

図３は、実施例２に係る三層の半導体装置の断面図である。即ち、この半導体装置の製造方法では、第１配線層の層間絶縁膜２２Ａを架橋せずに、該絶縁膜２２Ａ上に第１実施例と同様に配線２３を形成する。
そして、この未架橋の層間絶縁膜２２Ａ上に密着用絶縁材を用いずに、ベースフィルムに設けた未架橋の層間絶縁材２５を直接的に低温で加熱し、押圧して強固に密着させ、ベースフィルムを剥離した後に得られた層間絶縁膜２５Ａ上に第３配線層の配線２６を形成した上で、両層間絶縁膜２２Ａおよび２５Ａを架橋加熱する。
但し、この場合には、配線２３および２６の形成時等に、層間絶縁膜２２Ａおよび２５Ａを架橋することがないように、架橋開始温度（３５０℃）よりも低い温度で各処理を行うことが必要である。

図４（ａ）は、半導体素子の設けられた半導体基板１０の断面図である。この図において、１はＰ型シリコン基板であり、基板１には素子分離層２と、拡散層３および４、ゲート電極５及びコバルトシリサイト６から成るＭＯＳトランジスタとが形成され、ゲート電極５は絶縁膜７により覆われている。
この半導体基板１０において、図４（ｂ）に示すように、基板１上面にシリコン酸化膜を成長させて絶縁層８を形成する。本実施例では、実施例１と比較して２００ｎｍ分だけ絶縁層８を薄く形成している。この絶縁層８もＣＭＰ法により平坦化される。

次に、絶縁層８上に未架橋のＳｉＬＫ樹脂を２００ｎｍの厚さで塗布し、密着用絶縁材３０を形成し、この密着用絶縁材３０を窒素雰囲気中で３００℃の温度で１０分間加熱処理し、これにより密着用絶縁材３０を絶縁層８上に強固に密着させることができる。
次いで、図４（ｃ）に示すように、実施例１と同様にコンタクトプラグ９を形成する。この場合、コンタクトホールを形成するために密着用絶縁材３０をエッチングする際には、Ｎ<SUB>２</SUB>（窒素）＋Ｈ<SUB>２</SUB>（水素）、若しくはＮＨ<SUB>３</SUB>（アンモニア）＋Ｈ<SUB>２</SUB>のガス系をエッチングガスとして用いる。

次に、密着用絶縁材３０上に、図４（ｄ）に示すように、実施例１と同様に配線部１１ａ及びビアプラグ１１ｂとＣｏＷＰ膜１８から成る配線１１を形成する。
一方、図４（ｅ）に示すように、ベースフィルム２１上に未架橋のＳｉＬＫ樹脂から成る層間絶縁材２２を形成する。
そして、図４（ｆ）に示すように、半導体装置１０と層間絶縁材２２とを対向させ、層間絶縁材２２及び密着用絶縁材３０を窒素雰囲気中で１５０℃で加熱しながら３２ＫＰａの荷重を加えて押圧する。これにより、図４（ｇ）に示すように、層間絶縁材２２と密着用絶縁材３０とが一体的に強固に密着する。

次に、図４（ｈ）に示すように、ベースフィルム２１を層間絶縁材２２より剥離する。この場合にも、密着用絶縁材３０は絶縁層８より剥がれず、又層間絶縁材２２も絶縁材３０より剥がれることがない。
引続き、層間絶縁材２２をビアプラグ１１ｂの上面が露出するまでエッチングバック処理し、これにより図４（ｉ）に示すように、第１の層間絶縁膜２２Ａが形成される。
次いで、図４（ｊ）に示すように、未架橋の層間絶縁膜２２Ａ上に実施例１と同様に配線２３を形成する。
そして、層間絶縁膜２２Ａ上に、ベースフィルムに設けた未架橋のＳｉＬＫ樹脂から成る層間絶縁材２５を、窒素雰囲気中で１５０℃で加熱しながら３２ＫＰａの荷重を加えて押圧する。これにより、第１の層間絶縁膜２２Ａと層間絶縁材２５とが一体的に強固に密着する。

次に、層間絶縁材２５からベースフィルムを剥離し、層間絶縁材２５をビアプラグ２３ｂの上面が露出するまでエッチングバック処理し、第２の層間絶縁膜２５Ａを形成する。
次いで、未架橋の層間絶縁膜２５Ａ上に、実施例１と同様に配線２６を設け、その後、両層間絶縁膜２２Ａおよび２５Ａを窒素雰囲気中で４００℃の高温で３０分間加熱し、架橋する。これにより、多層構造の半導体装置が得られる。
本実施例では、コンタクトプラグ９、配線１１及び２３を形成する際には架橋温度よりも低い温度での処理が要求される。

尚、両層間絶縁膜２２Ａおよび２５Ａを架橋処理した後に、配線２６を設けてもよい。また、コンタクトプラグ９を形成する工程で２５０℃以上、３５０℃以下の範囲で加熱処理が行なわれる場合には、密着用絶縁材３０を絶縁層８に密着させるための加熱処理が不要である。
この実施例では、段差を有する配線１１上に密着用絶縁材２０を塗布せずに、平坦な絶縁層８に密着用絶縁材３０を設けてから配線１１を形成するので、配線１１近傍にボイドが発生するのを防止できる利点がある。

図５は、本実施例に係る多層の半導体装置の断面図である。
この実施例では、密着用絶縁材３０及び第１の層間絶縁膜２２Ａを４００℃で加熱し、架橋した後に、配線２３を覆う密着用絶縁材３１をこの層間絶縁膜２２Ａ上に塗布形成し、密着用絶縁材３１を窒素雰囲気中で３００℃の温度で１０分間、加熱し、これにより密着用絶縁材３１を架橋後の層間絶縁膜２２Ａ上に強固に密着させる。

次に、ベースフィルムに設けた上記層間絶縁材２５を密着用絶縁材３１に、窒素雰囲気中で１５０℃で加熱しながら３２ＫＰａの荷重を加えて押圧する。これにより、層間絶縁材２５と密着用絶縁材３１が一体的に強固に密着する。
この実施例４は、配線１１およびコンタクトプラグ９の形成時に処理温度が架橋温度より低いことが要求される。

ところで、上記した各実施例において、シリコン窒化膜やシリコン炭素膜から成る絶縁層８に対しても上記密着用絶縁材は、強固に密着する。
また、各実施例では、三層構造の半導体装置を製造しているが、本発明によれば更に多層構造の半導体装置であっても同様に製造することが可能である。
また、上記層間絶縁材及び密着用絶縁材としては、有機系又はＳｉＯを主体とするＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミド樹脂、その他の有機系樹脂を用いることができる。そして、ＳＯＧ（商品名：ＨＳＧ−Ｒ７−１３、日立化成工業（株））の場合には、密着させるための温度は、１８０℃〜３５０℃の範囲である。

尚、本発明は、各種の基板にＳｉＬＫ等の絶縁膜を簡単に剥離不能に形成することができ、例えば、マイクロエレクトロメカニカルシステム等に応用できる。

（ａ）〜（ｃ）本発明の実施例１に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｄ）〜（ｆ）本発明の実施例１に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｇ）〜（ｈ）本発明の実施例１に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｉ）〜（ｊ）本発明の実施例１に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｋ）〜（ｌ）本発明の実施例１に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｍ）本発明の実施例１に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｂ）従来の半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｃ）〜（ｄ）従来の半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｅ）従来の半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｆ）〜（ｇ）従来の半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｈ）従来の半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）本発明の実施例３に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｄ）〜（ｅ）本発明の実施例３に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｆ）〜（ｇ）本発明の実施例３に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｈ）〜（ｉ）本発明の実施例３に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 （ｊ）本発明の実施例３に係る半導体装置の各製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例４に係る半導体装置の断面図である。

符号の説明

７ 絶縁層
１０ 半導体基板
１１ａ、２３ａ 配線部
１１ｂ、２３ｂ ビアプラグ
２０、３０、３１ 密着用絶縁材
２１ ベースフィルム
２２ 層間絶縁材
２２Ａ 層間絶縁膜

Claims (6)

1. 基板上に、ベースフィルムに塗布形成された未架橋の高分子材料から成る絶縁材を加熱して押圧し、該基板上に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜から前期ベースフィルムを剥離する工程と、前記絶縁膜を所定温度で加熱して架橋する工程とを含む絶縁膜の形成方法であって、
   前記基板上に、前記絶縁材と同一材料から成る未架橋の密着用絶縁材を塗布し、該密着用絶縁材を前記架橋温度よりも低い温度で加熱して前記基板に密着させ、
   その後、前記絶縁材を前記密着用絶縁材を介して前記基板に押圧する、
   ことを特徴とする絶縁膜の形成方法。
2. 前記絶縁材及び前記密着用絶縁材は、ＳｉＬＫ樹脂から成り、前記低い温度が２５０℃〜３５０℃であることを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の形成方法。
3. 前記絶縁材及び前記密着用絶縁材は、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）から成り、前記低い温度が１８０℃〜３５０℃であることを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の形成方法。
4. 半導体素子の設けられた半導体基板の上面を覆う絶縁層上に前記半導体素子と電気的に接続される配線を設ける工程と、ベースフィルムに塗布形成された未架橋の高分子材料から成る層間絶縁材を加熱して前記絶縁層に押圧し、前記配線を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、該層間絶縁膜から前記ベースフィルムを剥離する工程と、前記層間絶縁膜を所定温度で加熱して架橋する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、
   前記絶縁層上に、前記層間絶縁材と同一材料から成る未架橋の密着用絶縁材を塗布し、該密着用絶縁材を前記架橋温度よりも低い温度で加熱して前記絶縁層に密着させ、その後、前記層間絶縁材を前記密着用絶縁材を介して前記絶縁層に押圧することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記層間絶縁材及び前記密着用絶縁材は、ＳｉＬＫ樹脂から成り、前記低い温度が２５０℃〜３５０℃であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記層間絶縁材及び前記密着用絶縁材は、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）から成り、前記低い温度が１８０℃〜３５０℃であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。

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