JP2924088B2

JP2924088B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP2924088B2
Application number: JP13484690A
Authority: JP
Inventors: 典明小田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1999-07-26
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: JPH0428232A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体装置、特に、選択的にビアホールを
含む溝を開口したポリイミド系有機樹脂膜よりなる層間
絶縁膜と配線とから構成された多層配線構造を有する半
導体装置に利用する。

〔概要〕

本発明は、層間絶縁膜としての有機樹脂膜と、配線
と、有機樹脂膜を貫通して形成され配線金属が埋め込ま
れた溝とを備えた多層配線構造の半導体装置において、溝が直接有機樹脂膜と接する溝の周辺部には無機系絶
縁膜を設け、直接溝内の配線金属が有機樹脂膜と接触し
ないようにし、かつ、溝内に埋め込まれた配線金属の断
面が下部に向かうほど断面の幅は狭くかつ側壁が鉛直に
近づくようにし、配線間の実際の間隔を広げるようにす
ることにより、有機樹脂膜、無機系絶縁膜および配線の剥がれを防止
するとともに、配線容量および配線抵抗を減少できるよ
うにしたものである。

〔従来の技術〕

従来の選択的にビアホールを含む溝を開口したポリイ
ミド系有機樹脂膜よりなる層間絶縁膜と、金属配線とか
ら構成された多層配線構造を有する半導体装置は、第６
図に示す第一従来例のように、その多層配線構造が、ポ
リイミド系有機樹脂膜５および5aが、配線６および6aに
直接接した構造か、または、第７図に示す第二従来例の
ように、配線６および6aの上面と側面、および配線間隔
部を覆う、無機系絶縁膜３、3dおよび3eを有し、その上
にポリイミド系有機樹脂膜５および5aを有する構造とな
っていた。

さらに、断面積が、２μm²以下であり、かつ、配線ピ
ッチが４μｍ以下の配線を有する多層配線構造を有する
半導体装置は、第６図または第７図に示したものと同じ
構造となっており、該当する配線の高さ対幅の比（アス
ペクト比）は、概ね、1.4以下であった。

なお、第６図および第７図において、１は半導体基板
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述した従来の半導体装置では、第６図のような、ポ
リイミド系有機樹脂膜と配線とが直接接した構造となっ
ている場合は、ポリイミド系有機樹脂膜と配線との間の
密着性が悪いため、ポリイミド系有機樹脂膜や配線に剥
がれが生じる欠点があった。

また、第７図のような、配線の上面と側面および配線
間隔部のポリイミド系有機樹脂膜の全体を覆う無機系絶
縁膜を有し、その上にポリイミド系有機樹脂膜を有する
構造となっている場合は、ポリイミド系有機樹脂膜に含
まれる水分が、上部を覆う無機系絶縁膜のために上部に
抜け出せないため、後工程の熱処理時にポリイミド系有
機樹脂膜にふくれや剥がれが生じやすく、上層の配線が
断線しやすい欠点があった。

さらに、配線形成時にスパッタ後に選択的エッチング
を施す方法の場合には、配線幅が細くなり、メッキ法の
場合には幅が広がりやすく、隣接配線間容量が増える。

また、断面積が２μm²以下であり、かつ、配線ピッチ
が４μｍ以下の配線を有する場合は、多層構造とするた
めに、平坦化する必要があるため、配線の膜厚を薄くす
る必要があり、配線の高さ対幅の比すなわちアスペクト
比は概ね1.4以下であった。このように、高さ対幅の比
が小さい場合、隣接する配線間容量および配線と基板の
間の容量（以下、対基板容量という。）が大きくなるた
め、配線系での信号伝搬遅延時間（以下、配線遅延時間
という。）が長くなり、回路動作が遅くなる欠点があっ
た。

さらに、また、アスペクト比が1.4以上の配線は、従
来のように１回のフォトリソグラフィー工程で形成する
場合、配線を形成する方法がスパッタ後の選択的なエッ
チングである場合にも、メッキ法である場合にも、断面
形状が逆台形となりやすいため、断面積が小さくなって
しまい、抵抗が大きくなり、回路動作時の配線遅延時間
が長くなる欠点があった。このような抵抗の増加を防ご
うとすると、配線のパターニング時にマスクサイズを大
きくなる必要が生じ、配線間隔が配線の上部で狭まって
しまい、隣接配線間容量が増加する欠点もあった。

本発明の目的は、前記の欠点を除去することにより、
ポリイミド系有機樹脂膜、および配線の剥がれを防止
し、かつ、各種容量および配線の抵抗を減少させた半導
体装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、層間絶縁膜としての有機樹脂膜と、配線
と、前記有機樹脂膜を貫通して形成され配線金属が埋め
込まれた溝とを備えた多層配線構造の半導体装置におい
て、前記溝が直接前記有機樹脂膜と接する溝の周辺部に
形成された無機系絶縁膜を含み、前記溝の配線金属が埋
め込まれる部分の断面は、下部に向かうほど断面の幅は
狭くかつ側壁が鉛直に近づくように形成されたことを特
徴とする。

また、本発明は、前記溝は、側壁が鉛直であり、側壁
に形成された前記無機系絶縁膜は、両側壁間の間隔が上
へ向かうほど広くなりかつ下へ向かうほど鉛直に近づく
ような傾斜を有することができる。

また、本発明は、前記溝は、側壁が下へ向かうほど溝
の幅が狭くなり上に向かうほど鉛直に近づくような傾斜
を有し、側壁に形成された前記無機系絶縁膜は、両側壁
間の間隔が上へ向かう程広くなりかつ下へ向かうほど鉛
直に近づくような傾斜を有することができる。

また、本発明は、前記半導体装置において、前記溝を
介して接続された上部配線および下部配線の二段構造か
ら構成された一つの配線を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、この半導体装置において、前記配線
は、配線の断面積が２μm²以下、配線ピッチが４μｍ以
下、および配線の高さ対配線の平均幅の比が1.4以上2.0
以下であることが好ましい。

また、本発明は、有機樹脂膜はポリイミド系有機樹脂
膜であることが好ましい。

〔作用〕

溝が直接例えばポリイミド系の有機樹脂膜を接する溝
の周辺部（側壁のほかに有機樹脂膜と接する底部および
上部を含む）には、例えばシリコン酸化膜からなる無機
系絶縁膜が形成される。

これにより、有機樹脂膜と配線とが直接接することは
なく、間に無機系絶縁膜を有するため、密着性がよくな
り、有機樹脂膜や配線に剥がれが生じ配線の断線に至る
ことはなくなる。

また、無機系絶縁膜は、溝内の配線の周囲にしか存在
せず、有機樹脂膜の全面を覆っているわけではないの
で、後工程の熱処理時に有機樹脂膜中の水分が上部抜け
出せるため、有機樹脂膜にふくれや剥がれが生じて上層
の配線に断線を引き起こすことがない。

さらに、配線形成時のフォトリソグラフィ工程に用い
るマスクパターンは、配線形成用の溝の側壁に形成され
た無機系絶縁膜の分だけ、大きくとることができ余裕が
生じる。

しかも、溝内の配線の断面は、下に向かう程配線幅が
狭く、しかも下に向かう程鉛直に近づくような形状のた
め、隣接する配線同士の間隔を大きくとることができ、
隣接配線間容量を減少させる。

また、配線の断面積が２μm²以下であり、かつ配線ピ
ッチが４μｍ以下である場合には、配線のアスペクト比
を1.4以上2.0以下とすることにより、配線容量は最小と
なるので（第５図参照）、配線遅延時間が短くなる。さ
らに、一つの層の配線を、上部と下部に別々に形成して
いるので、断面形状が従来例よりは長方形に近く、マス
クサイズを大きくすることなしに断面積を大きくとるこ
とができ、配線間隔が配線上部で狭まることに起因する
隣接配線間容量の増加も抑えることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の第一実施例の要部を示す模式的断面
図である。

半導体基板１の上にコンタクト２を選択的に開口した
例えばシリコン酸化物からなる無機系絶縁膜３、および
その上に配線形成用の溝４を選択的に開口したポリイミ
ド系有機樹脂膜５を有している。溝４の側壁は鉛直であ
るか、または溝幅が下へ向かう程狭くなり、かつ、上へ
向かう程鉛直に近づくような傾斜を有し、側壁に、対峙
する例えばシリコン酸化物からなる無機系絶縁膜3aを有
し、この無機系絶縁膜3aは、対峙する間隔部が上へ向か
う程広くなるような、かつ、下へ向かう程鉛直に近づく
ような傾斜を有する。この間隔部を埋める例えばAuから
なる配線６を有し、配線６の上部にビアホール７の部分
を除いて、無機系絶縁膜3bを有し、さらに、選択的にビ
アホール７を有する全体を覆うポリイミド系有機樹脂膜
5aを有し、上層の配線と電気的に接続されている。

なお、コンタクト２にはAu膜９を介して配線材料と基
板材料との相互拡散を防ぐために、バリアメタルとして
のＷ膜８が埋設されている。また、図示されていないけ
れども、第二層配線より上の層も、第一層配線と同様に
形成されており、多層配線の最上層には、ポリイミド系
有機樹脂膜が表面保護用に形成されている。

本発明の特徴は、第１図において、ポリイミド系有機
樹脂膜５に形成された溝４が直接ポリイミド系有機樹脂
膜５および5aと接する溝の周辺部に形成された無機系絶
縁膜3aおよび3bを含み、溝４の配線金属が埋め込まれる
部分の断面は、下部に向かうほど断面の幅は狭くかつ側
壁が鉛直に近づくように形成されたことにある。

次に、本第一実施例の製造方法について、第２図
（ａ）〜（ｄ）に示す半導体装置の主要工程における模
式的断面図を参照して説明する。

まず、第２図（ａ）のように、半導体基板１の上に、
コンタクト２を選択的に開口した例えばシリコン酸化膜
からなる無機系絶縁膜３を形成し、Ｗ膜８および配線６
の材料であるAuを用いたAu膜９を配線の厚さの10分の１
程度の厚さに全面に形成し、フォトリソグラフィ工程、
および反応性イオンエンチングにより、将来配線６が形
成される部分のみにAu膜９およびＷ膜８を残す。

次に、第２図（ｂ）のように、ポリイミド系有機樹脂
膜５を全面に形成し、フォトリソグラフィ工程、および
反応性イオンエッチングにより、将来配線６が形成され
る部分に溝４を形成する。溝４の側壁は、鉛直である
か、または、溝幅が下へ向かう程狭くなり、かつ、上へ
向かう程鉛直に近づくような傾斜を有している。

次に、第２図（ｃ）のように、無機系絶縁膜3aを全面
形成し、反応性イオンエッチングにより全面をエッチン
グし、溝４の側壁部のみに残す。この両側壁に残った無
機系絶縁膜3aは、対峙るす間隔部が上へ向かう程広くな
るような、かつ、下へ向かうほど鉛直に近づくような傾
斜を有している。

次に、第２図（ｄ）のように、メッキ法により、溝４
の中にAuを材料とする配線６を埋設し、さらに無機系絶
縁膜3bを全面に形成し、フォトリソグラフィ工程、およ
び反応性イオンエッチングにより、配線６の上部を残し
て除去する。その上に、全面を覆うポリイミド系有機樹
脂膜5aを形成し、選択的にビアホール７を開口する。な
お、第二層配線により上の配線については、将来、配線
が形成される部分に、選択的にビアホールを開口した無
機系絶縁膜３および配線材料であるAu膜９を形成し、そ
の後、第２図（ｂ）から第２図（ｄ）までの工程手順を
繰り返すことになる。

本第一実施例では、配線とポリイミド系有機樹脂膜と
が直接触れることがなく、間に無機系絶縁膜を有してい
るため、密着性がよい。また、無機系絶縁膜は、配線の
回りにのみ存在し、ポリイミド系有機樹脂膜全体を覆っ
ているわけではないので、後工程の熱処理時に、ポリイ
ミド系有機樹脂膜に含まれる水分が上に抜けるため、ふ
くれたり剥がれたりすることがなく、上層の配線が断線
することもない。

さらに、配線形成時のフォトリソグラフィ工程に用い
るマスクパターンは、溝４の側壁に形成された無機系絶
縁膜3aの分だけ大きくとることができ、しかも、配線の
断面は、下に向かう程配線幅が狭く、しかも下に向かう
程鉛直に近づくような形状のため、隣接する配線同士の
間隔を大きくとることができ、隣接配線間容量が増える
こともない。

第３図は本発明の第二実施例の要部を示すブロック構
成図である。

本第二実施例は、第１図の第一実施例において、本発
明の特徴とするところの、溝４を介して接続された上部
配線6bと下部配線6cとの二段構造の一つの配線を備え、
（すなわち、第６図および第７図の従来例における配線
6aを配線6bおよび6cの二段構造としたものである。）さ
らに、配線6bおよび6cは、配線の断面積が２μm²以下、
配線ピッチが４μｍ以下、および配線の高さ対配線の平
均幅の比（アスペクト比）が1.4以上2.0以下に設計され
たものである。

本第二実施例における溝４および4aの構造は実質的に
第１図の第一実施例と同じであり、溝４の上部に接して
ポリイミド系有機樹脂膜5b中に溝４上が形成され、溝４
の側壁には無機系絶縁膜3aが形成され、溝4aの側壁およ
び上部にはそれぞれ無機系絶縁膜3cおよび3bが形成され
る。そして、溝４および4aにはそれぞれ下部配線6cおよ
び上部配線6bが埋め込まれる。

次に、本第二実施例の製造方法について第４図（ａ）
および（ｂ）に示す主要工程における半導体装置の模式
的断面図を参照して説明する。

まず、第４図（ａ）のように、第一実施例の第２図
（ａ）から第２図（ｃ）までの工程を経た後、メッキ法
により溝４の中にAuを材料とする下部配線6cを埋設した
後、全面にポリイミド系有機樹脂膜5bを形成し、下部配
線6c上に選択的に溝4aを形成する。

次に、第４図（ｂ）のように、無機系絶縁膜3cを再び
全面形成し、反応性イオンエッチングにより全面をエッ
チングし、溝4aの側壁部のみに残す。その後、第２図
（ｄ）と同じ工程を経ることにより、第３図の第二実施
例が形成される。

以上の工程を経ることにより、断面積が２μm²以下、
かつピッチが４μｍ以下のの配線で、アスペクト比1.4
以上2.0以下の配線系を構築できるため、配線遅延時間
が最小に抑えられる。この第二実施例では、配線を２回
のフォトリソグラフィ工程で形成しているため、断面形
状が逆台形となることもないため、断面積が小さくなり
抵抗が増えることもない。また、マスクパターンは、溝
４および溝4aの側壁に残る無機系絶縁膜3aおよび3cの分
だけ大きくとることができ、しかも、配線上部での配線
間隔の狭まりも抑えられるため、隣接配線間容量が大き
くなることもない。

しかも、本第二実施例においては、配線6bおよび6cの
断面積を２μm²以下、配線のピッチ４μｍ以下、配線の
アスペクト比を1.4以上2.0以下に設計しているので、第
５図に示すように配線容量は最小となるので、配線遅延
時間を短くすることができる。

さらに、一つの層の配線を上部と下部とに別々に形成
しているので、断面形状が従来例よりも長方形に近く、
マスクサイズを大きくとることなしに断面積を大きくと
ることができ、配線間隔が配線上部で狭まることに起因
する隣接配線間容量の増加も抑えることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、有機樹脂膜および配
線のふくれや剥がれを防止しそれによる配線の断線をな
くすことができる効果がある。

さらに、配線間容量などの配線容量ならびに配線抵抗
を減少させ、信号伝搬遅延時間を短くし、回路動作特性
を改善できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例の要部を示す模式的断面
図。第２図（ａ）〜（ｄ）はその主要製造工程における模式
的断面図。第３図は本発明の第二実施例の要部を示す模式的断面
図。第４図（ａ）および（ｂ）はその主要製造工程における
模式的断面図。第５図は配線容量対配線ピッチの関係を示す特性図。第６図は第一従来例の要部を示す模式的断面図。第７図は第二従来例の要部を示す模式的断面図。１……半導体基板、２……コンタクト、３、3a、3b、3
c、3d、3e……無機系絶縁膜、４、4a……溝、５、5a、5
b……ポリイミド系有機樹脂膜、６、6a……配線、6b…
…上部配線、6c……下部配線、７……ビアホール、８…
…Ｗ膜、９……Au膜。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】層間絶縁膜としての有機樹脂膜と、配線
と、前記有機樹脂膜を貫通して形成され配線金属が埋め
込まれた溝とを備えた多層配線構造の半導体装置におい
て、前記溝が直接前記有機樹脂膜と接する溝の周辺部に形成
された無機系絶縁膜を含み、前記溝の配線金属が埋め込まれる部分の断面は、下部に
向かうほど断面の幅は狭くかつ側壁が鉛直に近づくよう
に形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記溝は、側壁が鉛直であり、側壁に形成
された前記無機系絶縁膜は、両側壁間の間隔が上へ向か
うほど広くなりかつ下へ向かうほど鉛直に近づくような
傾斜を有する請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】前記溝は、側壁が下へ向かうほど溝の幅が
狭くなり上に向かうほど鉛直に近づくような傾斜を有
し、側壁に形成された前記無機系絶縁膜は、両側壁間の
間隔が上へ向かう程広くなりかつ下へ向かうほど鉛直に
近づくような傾斜を有する請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
の半導体装置において、前記溝を介して接続された上部配線および下部配線の二
段構造から構成された一つの配線を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】請求項４記載の半導体装置において、前記配線は、配線の断面積が２μm²以下、配線ピッチが
４μｍ以下、および配線の高さ対配線の平均幅の比が1.
4以上2.0以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】前記有機樹脂膜はポリイミド系有機樹脂膜
である請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導
体装置。