JP2007073808A - Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device - Google Patents
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本発明は、層間絶縁膜として低誘電率化された絶縁膜(以下、低誘電率膜もしくはLow−k膜という)を用いた半導体装置の製造方法及びこの製造方法により形成された半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device using an insulating film with a low dielectric constant (hereinafter referred to as a low dielectric constant film or a low-k film) as an interlayer insulating film, and a semiconductor device formed by this manufacturing method. It is.
半導体装置は、高集積化に伴い更なるパタ−ンの微細化が要求されるようになってきている。更に高速応答化のために配線抵抗や寄生抵抗の低減等が試みられている。半導体装置の高速化のために配線寄生容量の低下が要求され、層間絶縁膜の低誘電率化が検討されている。この低誘電率化された絶縁膜(Low−k膜)としては、シルク、フレアー等、CF系のテフロン(登録商標)などの有機系膜や、無機シリコン酸化膜等のポーラスで比較的脆い無機膜や無機膜中に炭素原子を含む有機成分を有する有機シリコン酸化膜があげられる。従来の酸化膜の比誘電率が約4であるのに対して、これらの絶縁膜は、比誘電率が3以下の値を有している。 As semiconductor devices are highly integrated, further miniaturization of patterns has been demanded. In addition, attempts have been made to reduce wiring resistance and parasitic resistance in order to increase the response speed. In order to increase the speed of a semiconductor device, a reduction in wiring parasitic capacitance is required, and a reduction in dielectric constant of an interlayer insulating film is being studied. Examples of the low dielectric constant insulating film (Low-k film) include silk, flare, and other organic films such as CF-based Teflon (registered trademark), and porous and relatively brittle inorganic films such as inorganic silicon oxide films. An organic silicon oxide film having an organic component containing a carbon atom in a film or an inorganic film can be given. Whereas the relative dielectric constant of the conventional oxide film is about 4, these insulating films have a relative dielectric constant of 3 or less.
従来の多層配線を備えた半導体装置は、高集積化に伴い微細化が特に高い配線パターンの層間絶縁膜に低誘電率膜を用いることがある。特に下層の配線は、配線幅が130nmと低く、その層間絶縁膜に低誘電率膜を用いている。
このような低誘電率膜は脆く、半導体基板と層間絶縁膜との間などの熱膨張率の違いにより生じる熱応力を受け易いので断線などが発生することが多い。このような断線などの不具合を予防するために半導体装置を構成するシリコンなどの半導体チップの周辺近傍にシリコン表面が露出する溝(以下、空堀という)を膜剥がれ防止用として層間絶縁膜に形成することが知られている。
In a conventional semiconductor device having a multilayer wiring, a low dielectric constant film may be used as an interlayer insulating film having a wiring pattern that is particularly highly miniaturized with high integration. In particular, the lower wiring has a low wiring width of 130 nm, and a low dielectric constant film is used as the interlayer insulating film.
Such a low dielectric constant film is fragile and is likely to be subjected to thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor substrate and the interlayer insulating film, so that disconnection or the like often occurs. In order to prevent such problems as disconnection, a groove (hereinafter referred to as an empty trench) in which the silicon surface is exposed is formed in the interlayer insulating film in the vicinity of the periphery of a semiconductor chip such as silicon constituting the semiconductor device to prevent film peeling. It is known.
この空堀を有する半導体装置の製造方法は、次の様な工程により行われる。
まず、(1)半導体素子がチップ形成領域毎に形成されたシリコンなどの半導体ウェーハ表面に層間絶縁膜で絶縁された多層配線を形成し、この多層配線の最上層の配線となるアルミニウムなどの金属層をスパッタリングなどにより形成する。層間絶縁膜には低誘電率膜(Low−k膜)が用いられている。(2)次に、この金属層をパターニングされたフォトレジストをマスクとしてエッチングを行って、パッドを含む配線パターンを形成する。(3)次に、フォトレジストを除去してから少なくとも1層の絶縁膜からなるパッシベーション膜を最上層の配線パターンを含む多層配線上に形成する。(4)次に、パッシベーション膜上にフォトレジストを形成し、これを所定の形状にパターニングして空堀形成用マスクとする。
The manufacturing method of the semiconductor device having the empty moat is performed by the following steps.
First, (1) forming a multilayer wiring insulated with an interlayer insulating film on the surface of a semiconductor wafer such as silicon on which a semiconductor element is formed for each chip formation region, and a metal such as aluminum to be the uppermost layer wiring of this multilayer wiring The layer is formed by sputtering or the like. A low dielectric constant film (Low-k film) is used as the interlayer insulating film. (2) Next, this metal layer is etched using a patterned photoresist as a mask to form a wiring pattern including pads. (3) Next, after removing the photoresist, a passivation film made of at least one insulating film is formed on the multilayer wiring including the uppermost wiring pattern. (4) Next, a photoresist is formed on the passivation film, and this is patterned into a predetermined shape to form an empty moat forming mask.
(5)次に、この空堀形成用マスクを用いてパッシベーション膜及びその下の層間絶縁膜を、例えば、RIEなどによりエッチングして半導体ウェーハ表面に達する空堀を形成する。(6)次に、ポリイミドなどからなるパッド開口用マスクを用いてパッド上に形成されたパッシベーション膜をエッチング除去してパッドを開口する。(7)最後にウェーハをダイシングラインに沿ってダイシングして複数の半導体チップを形成する。この様なチップ形状の半導体装置は、Low−k膜の層間絶縁膜の膜剥がれを防ぐ対策としてパッシベーション膜に空堀が形成されている。 (5) Next, the passivation film and the underlying interlayer insulating film are etched by, for example, RIE using the mask for forming the cavity, thereby forming an cavity that reaches the surface of the semiconductor wafer. (6) Next, the pad is opened by etching away the passivation film formed on the pad using a pad opening mask made of polyimide or the like. (7) Finally, the wafer is diced along a dicing line to form a plurality of semiconductor chips. In such a chip-shaped semiconductor device, a hollow is formed in the passivation film as a measure for preventing film peeling of the low-k interlayer insulating film.
しかしながら、このようなLow−k膜を有する構造の半導体装置は、層間絶縁膜が厚いため、RIEの際にフォトレジストもエッチングされるので、レジストの膜厚コントロールや発生するダストの処理が問題となっている。
層間絶縁膜にLow−k膜を用いるLSIには、半導体チップの外周にLow−k膜を貫通する溝孔開口を形成することにより層間絶縁膜の膜剥がれを防止することが特許文献1に記載されている。また、Cu配線上に積層されたバリア層、絶縁層、ストップ層、絶縁層、キャップ層をアルミニウムのハードマスクを用いてエッチングすることにより高アスペクト比のビアを精度よく形成することが特許文献2に記載されている。
本発明は、層間絶縁膜として低誘電率膜(Low−k膜)を用いた半導体装置の層間絶縁膜の膜剥がれを防止するために形成された空堀を厚膜のレジストを用いずに、また、ダストの発生を抑える半導体装置の製造方法及びこの製造方法により形成された耐湿性の高い半導体装置を提供する。 According to the present invention, an empty trench formed to prevent peeling of an interlayer insulating film of a semiconductor device using a low dielectric constant film (Low-k film) as an interlayer insulating film can be formed without using a thick film resist. A manufacturing method of a semiconductor device that suppresses generation of dust and a highly moisture-resistant semiconductor device formed by this manufacturing method are provided.
本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、半導体素子がチップ形成領域毎に形成された半導体ウェーハ上に層間絶縁膜により相互に絶縁された多層配線の最上層を構成する金属層を形成する工程と、前記金属層をパターニングして前記層間絶縁膜をエッチングするためのハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクをマスクとして前記層間絶縁膜をエッチングして前記半導体ウェーハのチップ形成領域の周辺部分に前記ウェーハ表面が露出する空堀を形成する工程と、前記マスクとして用いられた金属層をパターニングしてパッドを含む配線パターンを形成する工程と、前記空堀が形成された半導体ウェーハ表面に少なくとも1層の絶縁膜からなるパッシベーション膜を形成する工程と、前記パッシベーション膜を開口して前記パッドを露出させる工程と、前記半導体ウェーハを前記チップ形成領域毎にダイシングして複数の半導体チップを形成する工程とからなることを特徴としている。 According to one aspect of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a metal layer constituting the uppermost layer of a multilayer wiring in which semiconductor elements are insulated from each other by an interlayer insulating film is formed on a semiconductor wafer in which a semiconductor element is formed for each chip formation region. A step of patterning the metal layer to form a hard mask for etching the interlayer insulating film; and etching the interlayer insulating film using the hard mask as a mask to surround a chip formation region of the semiconductor wafer Forming a hollow in which the wafer surface is exposed at a portion; patterning a metal layer used as the mask to form a wiring pattern including a pad; and at least one semiconductor wafer surface on which the hollow is formed Forming a passivation film made of an insulating film, and opening the passivation film to form the passivation film. Exposing a, by dicing the semiconductor wafer for each of the chip formation region is characterized by comprising the step of forming a plurality of semiconductor chips.
多層配線構造の最上の配線層を構成するメタルをハードマスクとして用いるため、厚膜のレジストを用いる必要がなくなると共にダストの発生を抑えることが可能になる。また、この半導体装置の製造方法により形成された半導体装置は、空堀にはパッシベーション膜が埋め込まれているので、低誘電率膜の界面が保護されて耐湿性が向上する。 Since the metal constituting the uppermost wiring layer of the multilayer wiring structure is used as a hard mask, it is not necessary to use a thick film resist and generation of dust can be suppressed. Further, in the semiconductor device formed by this semiconductor device manufacturing method, since the passivation film is embedded in the hollow, the interface of the low dielectric constant film is protected and the moisture resistance is improved.
以下、実施例を参照しながら発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to examples.
まず、図1乃至図5を参照して実施例1を説明する。
図1乃至図5は、この実施例で説明する多層配線構造に低誘電率膜を用いた半導体装置の製造工程断面図である。
シリコンなどの半導体ウェーハを構成する半導体基板1(チップ形成領域を指す)の表面領域に半導体素子もしくは半導体集積回路を形成する(図1(a))。次に、周知の技術により、最上層の配線層を除いて多層配線構造を半導体基板1上に形成する。多層配線構造は、複数の層間絶縁膜3と、層間絶縁膜3により絶縁された多層配線2から構成されている(図1(b))。多層配線構造の層間絶縁膜3の上に、スパッタリング、真空蒸着などの技術を用いて、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金などから構成された金属層5を形成する(図1(c))。
First,
1 to 5 are cross-sectional views of a manufacturing process of a semiconductor device using a low dielectric constant film in a multilayer wiring structure described in this embodiment.
A semiconductor element or a semiconductor integrated circuit is formed on a surface region of a semiconductor substrate 1 (pointing to a chip formation region) constituting a semiconductor wafer such as silicon (FIG. 1A). Next, a multilayer wiring structure is formed on the
その後、レジスト7を塗布し、これをパターニングして金属層5をエッチングするためのマスクを形成する(図2(a))。次に、このパターニングされたレジスト7をマスクにして金属層5をエッチングし、層間絶縁膜3をエッチングするためのマスクを形成する(図2(b))。その後、パターニングされた金属層5上のレジスト7を除去する(図2(c))。
Thereafter, a resist 7 is applied and patterned to form a mask for etching the metal layer 5 (FIG. 2A). Next, the
次に、パターニングされた金属層5をマスクにして層間絶縁膜3を半導体基板1の周辺部に沿ってRIE(Reactive Ion Etching)などの異方性エッチングを使用して半導体基板1表面が露出するように空堀4を形成する。空堀4は、半導体基板1の外周に沿って形成される(図3(a))。次に、パターニングされた金属膜5上にレジスト8を塗布し、これをパターニングして多層配線構造の最上層の配線を構成する配線パターンを有するマスクを形成する(図3(b))。そして、これをマスクにして金属膜5をエッチングして最上層の配線2gを形成する。この図に示された配線2gは、パッドを表している(図3(c))。
Next, the surface of the
次に、半導体基板1上の配線2gに形成されているレジスト8を除去する(図4(a))。その後、レジスト8が除去された半導体基板1表面にシリコン窒化膜などのパッシベーション膜6を形成する。パッシベーション膜6は、最上層の配線2gを被覆すると共に、空堀4の中にも充填される。本発明においては、パッシベーション膜6は、シリコン窒化膜に限定されるものではなく、シリコン酸化膜やTEOS膜とその上のシリコン窒化膜から構成された積層膜などを用いることができる(図4(b))。次に、パッシベーション膜6上に感光性ポリイミドを塗布し、ポリイミド膜9を形成する(図4(c))。
Next, the
次に、ポリイミド膜9をパターニングして、パッシベーション膜6をエッチングするマスクを形成する(図5(a))。このパターニングされたポリイミド膜9をマスクにしてパッシベーション膜9を、RIEなどの異方性エッチングなどにより、エッチングし、最上層の配線2gを構成するパッドを露出させる(図5(b))。
次に、図示はしないが、半導体ウェーハをダイシングライン(図6参照)にしたがってダイシングしてチップ形成領域毎に分離する。分離された半導体チップは、以下、後処理を行い、この実施例の半導体装置が形成される。
Next, the polyimide film 9 is patterned to form a mask for etching the passivation film 6 (FIG. 5A). Using the patterned polyimide film 9 as a mask, the passivation film 9 is etched by anisotropic etching such as RIE to expose the pads constituting the
Next, although not shown in the drawing, the semiconductor wafer is diced according to a dicing line (see FIG. 6) and separated into chip formation regions. The separated semiconductor chip is then post-processed to form the semiconductor device of this embodiment.
以上、この実施例では多層配線構造の最上の配線を構成する金属層を層間絶縁膜をエッチングするハードマスクとして用いる(図3(b)参照)ため、厚膜のレジストを用いる必要がなくなりダストの発生を抑えることが可能になる。 As described above, in this embodiment, since the metal layer constituting the uppermost wiring of the multilayer wiring structure is used as a hard mask for etching the interlayer insulating film (see FIG. 3B), it is not necessary to use a thick film resist. Occurrence can be suppressed.
次に、図6及び図7を参照して実施例2を説明する。
この実施例は、実施例1の半導体装置の製造方法で形成された半導体装置を説明するものである。図6は、チップ形成領域に形成された空堀を示す半導体ウェーハの部分概略平面図、図7は、図6の半導体ウェーハの1チップ形成領域を示す概略断面図である。図1乃至図5に示される多層配線構造の配線2(最上層の配線2gは除く)模式的に図示したものであって、これらの積層された配線層の模式的接続構造は図7に示されている。
Next,
In this example, a semiconductor device formed by the method of manufacturing a semiconductor device of Example 1 is described. FIG. 6 is a partial schematic plan view of a semiconductor wafer showing an empty moat formed in the chip formation region, and FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing one chip formation region of the semiconductor wafer of FIG. FIG. 7 schematically shows the
図6に示すように、シリコンなどの半導体ウェーハ10は、ダイシングライン11により区画されたチップ形成領域1に半導体集積回路や半導体素子が形成されている。半導体ウェーハ10には、層間絶縁膜に形成され、半導体ウェーハ10の表面が底部に露出する空堀4がチップ形成領域1の周辺部に沿って形成されている。空堀4は、層間絶縁膜として用いられる低誘電率膜(Low−k膜)の膜剥がれを防止するために設けられるものであり、5μm程度の幅を有している。この空堀の存在により、層間絶縁膜に熱膨張による応力が加わっても緩和されて膜剥がれを防止することができる。つまり、半導体基板周縁部から発生した膜剥がれがこの空堀4で停止してしまい、それ以上内部へ進行することがない。
As shown in FIG. 6, a
半導体ウェーハに形成された層間絶縁膜に空堀を形成するには、半導体ウェーハ10にチップ形成領域1を区画するダイシングライン11を形成する。その後、例えば、レーザなどによりダイシングライン11に沿ってこのラインの両側に近接して空堀4を形成する。このように空堀4を形成すると、図6に示すように、各チップ形成領域1の四辺に沿って空堀4が設けられることになる。
また、低誘電率膜としては、シルク、フレアー等、CF系のテフロン(登録商標)などの有機系膜や、無機シリコン酸化膜等のポーラスで比較的脆い無機膜や無機膜中に炭素原子を含む有機成分を有する有機シリコン酸化膜があげられる。従来の酸化膜の比誘電率が約4であるのに対して、これらの絶縁膜は、比誘電率が3以下の低い値を有している。
In order to form a hollow in the interlayer insulating film formed on the semiconductor wafer, a dicing
In addition, as a low dielectric constant film, carbon atoms are contained in organic films such as silk and flare, CF type Teflon (registered trademark), porous and relatively inorganic films such as inorganic silicon oxide films, and inorganic films. An organic silicon oxide film having an organic component is included. Whereas the relative dielectric constant of the conventional oxide film is about 4, these insulating films have a low relative dielectric constant of 3 or less.
半導体ウェーハ10は、図7に示すように、半導体ウェーハを構成する半導体基板1上に多層配線が形成されている。半導体基板1上には層間絶縁膜3a、3b、3c、3d、3e、3f、3gが積層され、これらの上にシリコン窒化膜などのパッシベーション膜6が形成されている。これら積層された層間絶縁膜3a〜3gには空堀4が形成され、層間絶縁膜3a〜3g上に形成されたパッシベーション膜6は、空堀4の中にも入り込み、層間絶縁膜3a〜3gの側面が外気から遮断されているように構成されている。
As shown in FIG. 7, the
各層間絶縁膜3a〜3gには、配線2a、2c、2e、2g及びビア2b、2d、2fが埋め込まれている。最上層に示された配線2gには、パッドを表示してある。パッド2gは、外部との電気的接続のために表面がパッシベーション膜6から部分的に露出している。最下層の配線2aは、配線幅が狭く90nm程度である。この層が埋め込まれた層間絶縁膜3aと、配線2a及びその上の配線2cを電気的に接続するビア2bが埋め込まれた層間絶縁膜3bとは、シルク、フレアー等、CF系のテフロン(登録商標)などの有機系膜や、無機シリコン酸化膜等のポーラスで比較的脆い無機膜や無機膜中に炭素原子を含む有機成分を有する有機シリコン酸化膜などから選ばれた低誘電率膜を用いる。配線2a上の配線2cは、配線幅が130nm程度であり、低誘電率膜は、このような配線幅以下の配線に対して高速応答化のために配線抵抗や寄生抵抗を低減させるという作用が有効に働くものである。配線2cより上の配線、例えば、配線2eには、例えば、配線幅が180nmの配線を用いる。
以上のように、この実施例では、空堀を形成した後に、パッシベーション膜を形成するため、層間絶縁膜に形成された空堀の中にパッシベーション膜が充填されるので、層間絶縁膜の膜剥がれが発生し易い低誘電率膜の界面を保護することができ、その耐湿性を向上させることができる。 As described above, in this embodiment, since the passivation film is formed after the empty moat is formed, the passivation film is filled in the empty moat formed in the interlayer insulating film, so that the interlayer insulating film is peeled off. It is possible to protect the interface of the low dielectric constant film, which is easy to perform, and to improve the moisture resistance.
1・・・半導体基板(半導体ウェーハのチップ形成領域)
2、2a、2c、2e、2g・・・配線
2b、2d、2f・・・ビア
3、3a〜3g・・・層間絶縁膜
4・・・空堀(膜膜剥がれ防止用溝)
5・・・金属層
6・・・パッシベーション膜
7、8・・・レジスト
9・・・感光性ポリイミド膜
10・・・半導体ウェーハ
11・・・ダイシングライン
1 Semiconductor substrate (semiconductor wafer chip formation region)
2, 2a, 2c, 2e, 2g ... wiring 2b, 2d, 2f ... vias 3, 3a to 3g ... interlayer insulating
5 ...
Claims (5)
前記金属層をパターニングして前記層間絶縁膜をエッチングするためのハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして前記層間絶縁膜をエッチングして前記半導体ウェーハのチップ形成領域の周辺部分に前記ウェーハ表面が露出する溝を形成する工程と、
前記マスクとして用いられた金属層をパターニングしてパッドを含む配線パターンを形成する工程と、
前記溝が形成された半導体ウェーハ表面に少なくとも1層の絶縁膜からなるパッシベーション膜を形成する工程と、
前記パッシベーション膜を開口して前記パッドを露出させる工程と、
前記半導体ウェーハを前記チップ形成領域毎にダイシングして複数の半導体チップを形成する工程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a metal layer that constitutes the uppermost layer of the multilayer wiring that is insulated from each other by an interlayer insulating film on a semiconductor wafer in which a semiconductor element is formed for each chip formation region;
Forming a hard mask for patterning the metal layer and etching the interlayer insulating film;
Etching the interlayer insulating film using the hard mask as a mask to form a groove in which the wafer surface is exposed in a peripheral portion of a chip formation region of the semiconductor wafer;
Patterning the metal layer used as the mask to form a wiring pattern including pads;
Forming a passivation film composed of at least one insulating film on the surface of the semiconductor wafer in which the groove is formed;
Opening the passivation film to expose the pad;
And a step of dicing the semiconductor wafer for each of the chip formation regions to form a plurality of semiconductor chips.
5. The semiconductor device formed by the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the passivation film is also embedded in the groove.
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