JP3123449B2 - 多層配線形成法 - Google Patents

多層配線形成法

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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、ＬＳＩ等の製造
に用いるに好適な多層配線形成法に関し、特に水素シル
セスキオキサン樹脂膜を用いて層間絶縁膜を形成する際
に微小突起の発生を防止して層間絶縁膜の平坦化を可能
としたことにより配線形成歩留りの向上を図ったもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来、水素シルセスキオキサン樹脂膜を
用いて多層配線構造における層間絶縁膜を形成すること
が知られている（例えば、特開平６−１８１２０４号公
報参照）。
【０００３】このような層間絶縁膜形成法にあっては、
半導体デバイスの表面に水素シルセスキオキサン樹脂膜
を回転塗布法等により形成した後、樹脂膜にＮ2 等の不
活性ガス雰囲気中で熱処理を施して樹脂膜をプレセラミ
ック状の酸化シリコン膜とし、更に酸化シリコン膜にＯ
2 ガス等の酸化性雰囲気中で熱処理を施して酸化シリコ
ン膜をセラミック状の酸化シリコン膜とする。ここで、
プレセラミック状の酸化シリコンとは、セラミック状の
酸化シリコンの前駆体であり、セラミック状の酸化シリ
コンよりも架橋が進行しておらず、しかも有機溶剤に対
して不溶なものである。
【０００４】このような方法によれば、クラックのない
厚さ１μｍ以上の酸化シリコン膜を得ることができる。
このような酸化シリコン膜は、層間絶縁膜として有用で
ある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】発明者の研究によれ
ば、上記した従来技術には、セラミック状の酸化シリコ
ン膜の表面に直径０．１μｍ程度の微小突起が発生する
ため、配線形成歩留りの低下を招くという問題点がある
ことが判明した。
【０００６】図８〜１２は、従来技術を応用した多層配
線形成法を示すもので、この方法に関して問題点を説明
する。
【０００７】図８の工程では、半導体基板１０の表面を
覆うシリコンオキサイド等の絶縁膜１２の上に配線層１
４を形成した後、プラズマＣＶＤ（ケミカル・ベーパー
・デポジション）法により絶縁膜１２及び配線層１４を
覆ってシリコンオキサイドからなる絶縁膜１６を形成す
る。そして、水素シルセスキオキサン樹脂をＭＩＢＫ
（メチル・イソブチル・ケトン）で溶解した溶液を回転
塗布法により基板上面に塗布することにより絶縁膜１６
の上に水素シルセスキオキサン樹脂膜１８Ａを平坦状に
形成する。
【０００８】図９の工程では、樹脂膜１８Ａに不活性ガ
ス雰囲気中で熱処理を施すことにより樹脂膜１８Ａをプ
レセラミック状の酸化シリコン膜１８にする。そして、
酸化シリコン膜１８にＯ2 ガス及び不活性ガスの混合雰
囲気中で熱処理を施すことにより酸化シリコン膜１８を
セラミック状の酸化シリコン膜にする。このとき、セラ
ミック状の酸化シリコン膜１８の表面には、直径０．１
μｍ程度の微小突起１８ａが発生する。
【０００９】図１０の工程では、プラズマＣＶＤ法によ
りセラミック状の酸化シリコン膜１８を覆ってシリコン
オキサイドからなる絶縁膜２０を形成する。このとき、
絶縁膜２０には、酸化シリコン膜１８の微小突起１８ａ
を忠実に反映して凸部２０ａが形成される。
【００１０】このようにして形成される微小突起１８ａ
及び凸部２０ａに関連する問題点の１つは、図１１，１
２に示すように接続孔形状が悪化することである。
【００１１】図１１の工程では、絶縁膜２０の上に所望
の接続孔に対応する孔を有するレジスト層２２を形成し
た後、レジスト層２２をマスクとする選択的ウェットエ
ッチング（等方性エッチング）処理により浅い接続孔２
４ａを形成する。接続孔２４ａは、図１２に示す深い接
続孔２４ｂの開口端縁の段差を緩和して配線の段差被覆
性を向上させるためのものである。
【００１２】図１１のウェットエッチング処理におい
て、エッチング液として、例えばＮＨ4 Ｆの水溶液とＨ
Ｆとを１０：１の割合で混合したものを用いると、エッ
チング液は、凸部２０ａの膜質が疎であり、ウェットエ
ッチレートが速いため、凸部２０ａを介して微小突起１
８ａ及びその近傍個所（クロスハッチングを施した個
所）Ｑに浸入し、該個所を溶解する。
【００１３】次に、図１２の工程では、レジスト層２２
をマスクとする選択的ドライエッチング（異方性エッチ
ング）処理により接続孔２４ａから配線層１４に達する
接続孔２４ｂを形成する。すると、微小突起１８ａ及び
その近傍の溶解個所Ｑがエッチング除去されるため、接
続孔２４ｂの側壁に凹部Ｒが生ずる。
【００１４】レジスト層２２を除去した後、基板上面に
配線材を被着してパターニングすることにより接続孔２
４ａ，２４ｂを介して配線層１４に達する配線層（図示
せず）を形成する。このとき形成される配線層は、接続
孔２４ｂの凹部Ｒに対応する個所で被覆性が悪化し、信
頼性が低下する。
【００１５】微小突起及び凸部に関連する他の問題点
は、図１３，１４に示すように微小突起１８ｂに対応す
る凸部２０ｂの近傍で配線層間に短絡が生ずることであ
る。微小突起１８ｂ及び凸部２０ｂは、それぞれ前述の
微小突起１８ａ及び凸部２０ａと同様に形成されたもの
である。
【００１６】図１０の工程の後、基板上面に配線材を被
着し、その被着層を選択エッチング処理によりパターニ
ングして配線層を形成したとき、図１３，１４に示すよ
うに隣り合う配線層２６Ａ，２６Ｂが凸部２０ｂを挟む
形で形成されると、凸部２０ｂの周囲に配線材の一部が
エッチング残部２８として残存する。エッチング残部２
８は、配線層２６Ａ，２６Ｂを電気的に短絡した状態に
する。
【００１７】この発明の目的は、配線形成歩留りを向上
させることができる新規な多層配線形成法を提供するこ
とにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】この発明に係る多層配線
形成法は、基板を覆う第１の絶縁膜の上に第１の配線層
を形成する工程と、前記第１の絶縁膜及び前記第１の配
線層を覆って水素シルセスキオキサン樹脂膜を平坦状に
形成する工程と、前記水素シルセスキオキサン樹脂膜に
不活性ガス雰囲気中で熱処理を施すことにより該樹脂膜
をプレセラミック状の酸化シリコン膜にする工程と、前
記酸化シリコン膜をプレセラミック状態に維持しつつ前
記酸化シリコン膜を直接覆って第２の絶縁膜を形成する
工程と、前記第２の絶縁膜の上に第２の配線層を形成す
る工程とを含むものである。
【００１９】この発明の方法によれば、プレセラミック
状の酸化シリコン膜にセラミック化のための熱処理を施
さないので、微小突起の発生を防止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】図１〜７は、この発明の一実施形
態に係る多層配線形成法を示すもので、各々の図に対応
する工程（１）〜（７）を順次に説明する。
【００２１】（１）シリコン等の半導体基板３０の表面
を覆うシリコンオキサイド等の絶縁膜３２の表面には、
常圧ＣＶＤ法等により厚さ７５０ｎｍのＢＰＳＧ（ボロ
ン・リン・ケイ酸ガラス）からなる絶縁膜３４を形成
し、絶縁膜３４には緻密化を目的としてランプアニール
処理を施す。絶縁膜３４の形成は、一例として次のよう
な条件で行なわれた。
【００２２】基板温度：４００℃ 原料ガス：ＳｉＨ4 （４６．２５ｓｃｃｍ）＋ＰＨ3
（８．７５ｓｃｃｍ）＋Ｂ2 Ｈ6 （７．５ｓｃｃｍ）＋
Ｏ2 （７０００ｓｃｃｍ）＋Ｎ2 （５００００ｓｃｃ
ｍ） また、ランプアニール処理は、一例として次のような条
件で行なわれた。
【００２３】基板温度：８５０℃ ８５０℃までの昇温時間：１０秒 ８５０℃での維持時間：１０秒 次に、基板上面にスパッタ法等により配線材を被着し、
その被着層を選択的ドライエッチング処理によりパター
ニングして配線層３６Ａ，３６Ｂを形成する。配線材と
しては、一例として下から順にＴｉ（２０ｎｍ）、Ｔｉ
ＯＮ（１００ｎｍ）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ（４００ｎｍ）
及びＴｉＮ（４０ｎｍ）をスパッタ法で被着した。ドラ
イエッチング処理は、一例として次のような条件で行な
われた。
【００２４】エッチングガス：Ｃｌ2 （３０ｓｃｃｍ）
＋ＢＣｌ3 （３０ｓｃｃｍ） エッチング室内圧力：１０ｍＴｏｒｒ 次に、絶縁膜３４の上に配線層３６Ａ，３６Ｂを覆って
プラズマＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍのシリコンオキ
サイド（ＳｉＯ2 ）からなる絶縁膜３８を形成する。絶
縁膜３８の形成は、一例として次のような条件で行なわ
れた。
【００２５】基板温度：４００℃ 原料ガス：ＳｉＨ4 （２４０ｓｃｃｍ）＋Ｎ2 Ｏ（５０
００ｓｃｃｍ）＋Ｎ2 （２８００ｓｃｃｍ） 反応室内圧力：２．２Ｔｏｒｒ 次に、絶縁膜３８を覆って水素シルセスキオキサン樹脂
膜４０Ａを平坦状に形成する。樹脂膜４０Ａの形成は、
一例として、水素シルセスキオキサン樹脂をＭＩＢＫに
溶解した溶液をスピンコータを用いて５００ｎｍの厚さ
に塗布することにより行なわれた。樹脂膜４０Ａの厚さ
は、３００〜６００ｎｍの範囲で任意に選定可能であ
る。
【００２６】（２）樹脂膜４０Ａを不活性ガス雰囲気中
で熱処理することにより樹脂膜４０Ａをプレセラミック
状の酸化シリコン膜４０とする。熱処理では、不活性ガ
スとして、例えばＮ2 ガスを用い、１５０℃以上３５０
℃未満の温度で１〜６０分間加熱する。一例として、Ｎ
2 ガス雰囲気中でホットプレートを用いて１５０℃１分
間＋２００℃１分間＋３００℃１分間の熱処理を行なっ
た。
【００２７】なお、加熱温度は、水素シルセスキオキサ
ン樹脂の流動性を保ち且つ微小突起の発生を確実に抑制
するために３００℃以下とするのが好ましい。
【００２８】（３）プレセラミック状の酸化シリコン膜
４０を直接覆ってプラズマＣＶＤ法により厚さ５００ｎ
ｍのシリコンオキサイド（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜４
２を形成する。絶縁膜４２の形成は、一例として次のよ
うな条件で行なわれた。
【００２９】基板温度：４００℃ 原料ガス：ＳｉＨ4 （２４０ｓｃｃｍ）＋Ｎ2 Ｏ（５０
００ｓｃｃｍ）＋Ｎ2 （２８００ｓｃｃｍ） 反応室内圧力：２．２Ｔｏｒｒ 絶縁膜４２としては、次の（イ）又は（ロ）の方法で形
成したシリコンオキサイド膜を用いてもよい。
【００３０】（イ）ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Sili
cate［Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 ］）及びＯ2 を原料とする
プラズマＣＶＤ法：この方法による成膜は、一例として
次のような条件で行なわれた。
【００３１】基板温度：４００℃ 原料ガス：ＴＥＯＳ（１．８ｃｃ／ｍｉｎ［液体で供
給］）＋Ｏ2 （８０００ｓｃｃｍ） 反応室内圧力：２．２Ｔｏｒｒ （ロ）ＳｉＯ2 をターゲットとするスパッタ法：この方
法による成膜は、一例として次のような条件で行なわれ
た。
【００３２】使用装置：ＲＦスパッタ装置（１３．５６
ＭＨｚ） 基板温度：２００℃ ターゲット：ＳｉＯ2 反応室内圧力：６ｍＴｏｒｒ 反応室内雰囲気；アルゴン及び酸素の混合ガス ＲＦパワー：１ｋＷ 上記した絶縁膜４２の形成方法は、いずれも基板温度が
４００℃又はそれ以下に設定されている。このような条
件下では、プレセラミック状の酸化シリコン膜４０は、
セラミック化されず、プレセラミック状態を維持してい
る。
【００３３】（４）絶縁膜４２の上に所望の接続孔に対
応する孔を有するレジスト層４４を周知のホトリソグラ
フィ処理により形成した後、レジスト層４４をマスクと
する選択的ウェットエッチング（等方性エッチング）処
理により浅い接続孔４６ａを形成する。接続孔４６ａ
は、図５に示す深い接続孔４６ｂの開口端縁の段差を緩
和して配線の段差被覆性を向上させるためのものであ
る。
【００３４】ウェットエッチング処理では、エッチング
液として、ＮＨ4 Ｆの水溶液とＨＦとを１０：１の割合
で混合したものを用いた。図３までの工程では、酸化シ
リコン膜４０に微小突起が形成されず、しかも絶縁膜４
２にも微小突起に対応する凸部が形成されていないの
で、従来のように酸化シリコン膜４０の一部がエッチン
グ液の浸入により溶解することはなかった。
【００３５】（５）レジスト層４４をマスクとする選択
的ドライエッチング（異方性エッチング）処理により接
続孔４６ａから配線層３６Ａに達する接続孔４６ｂを形
成する。酸化シリコン膜４０の部分的溶解がないので、
接続孔４６ｂは、図１２のＲのような凹部を有すること
なく正常な形で形成される。
【００３６】（６）基板上面にスパッタ法等により配線
材を被着し、その被着層を選択的ドライエッチング処理
によりパターニングして絶縁膜４２の上に配線層４８
Ａ，４８Ｂを形成する。配線層４８Ａは、接続孔４６
ａ，４６ｂを介して配線層３６Ａに接続されるものであ
る。配線材としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ（４００ｎｍ）
をスパッタ法で被着した。ドライエッチング処理は、一
例として次のような条件で行なわれた。
【００３７】エッチングガス：Ｃｌ2 （３０ｓｃｃｍ）
＋ＢＣｌ3 （３０ｓｃｃｍ） エッチング室内圧力：１０ｍＴｏｒｒ 接続孔４６ａ，４６ｂが正常な形で形成されたので、配
線層４８Ａも段差被覆性よく形成される。また配線層４
８Ａ，４８Ｂが互いに接近して配置されることがあって
も、図１３，１４に示したような微小突起対応の凸部が
形成されないので、配線層４８Ａ，４８Ｂ間が配線材の
エッチング残りで短絡されることもなくなる。
【００３８】（７） 配線層４８Ａ，４８Ｂを形成した
後、基板３０を縦型炉内に挿入し、窒素雰囲気中で４０
０℃、３０分の熱処理を基板３０上の配線構造に施す。
この後、絶縁膜４２の上に配線層４８Ａ，４８Ｂを覆っ
てプラズマＣＶＤ法等によりシリコンナイトライド等の
保護膜５０を形成する。プラズマＣＶＤ法でシリコンナ
イトライド膜を形成する場合、形成条件は、一例とし
て、 基板温度：４００℃ 原料ガス：ＳｉＨ4 （３００ｓｃｃｍ）＋ＮＨ3 （１８
００ｓｃｃｍ）＋Ｎ2 （１０００ｓｃｃｍ） 反応室圧力：２．６Ｔｏｒｒ とすることができる。
【００３９】保護膜５０の形成直前の熱処理では窒素雰
囲気中に酸素を含ませておらず、しかも該熱処理中及び
保護膜５０の形成中に絶縁膜４２が酸化シリコン膜４０
を覆っているので、酸化シリコン膜４０は、保護膜５０
を形成した後でもプレセラミック状態を維持している。
【００４０】上記した実施形態によると、プレセラミッ
ク状の酸化シリコン膜４０をセラミック化せずに層間絶
縁膜の一部として使用するので、微小突起のない平坦な
層間絶縁膜を得ることができる。また、セラミック化の
ための熱処理工程が不要であり、工程が簡単となる。
【００４１】絶縁膜３８を設けると、配線層３６Ａ，３
６Ｂからのヒロック発生を抑制できる利点がある。場合
によっては、絶縁膜３８を省略し、絶縁膜３４及び配線
層３６Ａ，３６Ｂを直接的に覆って前述の水素シルセス
キオキサン樹脂膜４０Ａを形成することもできる。
【００４２】配線層３６Ａ，３６Ｂ及び配線層４８Ａ，
４８Ｂの間の層間絶縁膜における最上層の絶縁膜４２と
しては、クラックが生じにくいこと、吸湿性が低いこ
と、低温で形成できることなどの条件を満たすものであ
ることが望まれる。上記したプラズマＣＶＤ法、スパッ
タ法等の段差被覆性が良好でない方法で形成した絶縁膜
は、上記した条件を満たすものであり、絶縁膜４２とし
て用いるのに好適である。
【００４３】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、プレ
セラミック状の酸化シリコン膜にセラミック化のための
熱処理を施さないことで微小突起の発生を防止したの
で、層間絶縁膜に設ける接続孔の形状悪化を回避できる
と共に層間絶縁膜の平坦化が可能となり、配線形成歩留
りが向上する効果が得られるものである。
【００４４】その上、セラミック化のための熱処理を必
要としないので、工程の簡略化が可能となる利点もあ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態に係る多層配線形成法
における樹脂膜形成工程を示す基板断面図である。
【図２】 図１の工程に続くプレセラミック化工程を示
す基板断面図である。
【図３】 図２の工程に続く絶縁膜形成工程を示す基板
断面図である。
【図４】 図３の工程に続くウェットエッチング工程を
示す基板断面図である。
【図５】 図４の工程に続くドライエッチング工程を示
す基板断面図である。
【図６】 図５の工程に続く配線形成工程を示す基板断
面図である。
【図７】 図６の工程に続く保護膜形成工程を示す基板
断面図である。
【図８】 従来の多層配線形成法における樹脂層形成工
程を示す基板断面図である。
【図９】 図８の工程に続くプレセラミック化及びセラ
ミック化工程を示す基板断面図である。
【図１０】 図９の工程に続く絶縁膜形成工程を示す基
板断面図である。
【図１１】 図１０の工程に続くウェットエッチング工
程を示す基板断面図である。
【図１２】 図１１の工程に続くドライエッチング工程
を示す基板断面図である。
【図１３】 層間絶縁膜の凸部近傍における配線形成状
況を示す基板断面図である。
【図１４】 図１３の配線構造の上面図である。
【符号の説明】
３０：半導体基板、３２，３４，３８，４２：絶縁膜、
３６Ａ，３６Ｂ，４８Ａ，４８Ｂ：配線層、４０Ａ：水
素シルセスキオキサン樹脂膜、４０：プレセラミック状
の酸化シリコン膜。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−177122（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−213461（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−213693（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−64678（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/31 - 21/3213 H01L 21/768

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板を覆う第１の絶縁膜の上に第１の配線
    層を形成する工程と、 前記第１の絶縁膜及び前記第１の配線層を覆って水素シ
    ルセスキオキサン樹脂膜を平坦状に形成する工程と、 前記水素シルセスキオキサン樹脂膜に不活性ガス雰囲気
    中で熱処理を施すことにより該樹脂膜をプレセラミック
    状の酸化シリコン膜にする工程と、前記酸化シリコン膜をプレセラミック状態に維持しつつ
    前記酸化シリコン膜を直接覆って第２の絶縁膜を形成す
    る工程と、 前記第２の絶縁膜の上に第２の配線層を形成する工程と
    を含む多層配線形成法。
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