JP3779170B2 - 多層配線半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性高分子保護膜上に金属配線を形成する多層配線半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子の表面保護膜、層間絶縁膜には耐熱性が優れ、又卓越した電気特性、機械特性等を有するポリイミド樹脂が用いられているが、近年半導体素子の高集積化、大型化、半導体装置の薄型化、小型化、半田リフローによる表面実装への移行等により耐熱サイクル性、耐熱ショック性等の著しい向上の要求があり、更に高性能の樹脂が必要とされるようになってきた。
一方、ポリイミド樹脂自身に感光性を付与する技術が注目を集めてきており、これを用いるとパターン作成工程の一部が簡略化でき、工程短縮及び歩留まり向上の効果はあるが、現像の際にＮ−メチル−２−ピロリドン等の溶剤が必要となるため、安全性、取扱い性に問題がある。
【０００３】
そこで最近では、アルカリ水溶液で現像ができるポジ型感光性樹脂組成物が開発されている。例えば特公平１−４６８６２号公報においては、ポリベンゾオキサゾール前駆体とジアゾキノン化合物より構成されるポジ型感光性樹脂組成物が開示されている。これは高い耐熱性、優れた電気特性、微細加工性を有し、ウエハコート用のみならず層間絶縁用樹脂としての可能性も有している。
【０００４】
このような感光性樹脂組成物は、半導体素子の表面保護膜或いは層間絶縁膜として広く利用されるようになってきたが、最近では感光性樹脂組成物等により形成した有機絶縁膜層の上に直接金属の配線を形成する工程を必要とするバンププロセス等への適用が検討されている。しかしながら、このバンププロセスにおいては、金属膜のエッチング液に対する耐性及び金属膜の配線形成時に塗布したフォトレジストの剥離液に対する耐性、金属膜との密着性等が感光性樹脂組成物に要求されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シリコンウエハ上の耐熱性高分子保護膜上に金属配線を形成する多層配線半導体装置の製造方法に関するものであり、特に金属膜のエッチング処理及びフォトレジストの剥離処理後に耐熱性高分子保護膜に損傷を与えない製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］シリコンウエハ上に耐熱性高分子保護膜を形成し、所定の個所にパターンを作成した後、更にパターンを有する耐熱性高分子保護膜上に金属膜を形成し、フォトレジストを用いて前記金属膜をパターニングし、金属膜をエッチング後、式（１）で示される剥離液を用いて金属膜上のフォトレジストを剥離することを特徴とする多層配線半導体装置の製造方法、
【０００７】
【化２】

【０００８】
［２］耐熱性高分子保護膜が、ポリベンゾオキサゾール膜又はポリイミド膜である第［１］項記載の多層配線半導体装置の製造方法、
［３］金属膜が、アルミニウム又は銅である第［１］項又は［２］項記載の多層配線半導体装置の製造方法、
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明でのシリコンウエハ上に形成される耐熱性高分子保護膜は、ポリベンゾオキサゾール前駆体を含有する感光性樹脂組成物、ポリイミド前駆体を含有する感光性樹脂組成物等の優れた耐熱特性を有する感光性樹脂組成物をウエハ上に塗布し、プリベークして溶剤を揮発させた後に所定の個所にパターンを形成後、３００℃〜４００℃の高温で閉環反応を行いポリベンゾオキサゾール膜、ポリイミド膜等として得ることができる。
本発明に用いるシリコンウエハは、一般的にＬＳＩで製造される回路を作り込んだものを用いることができる。即ち単結晶シリコンウエハに酸化膜、窒化膜等を成長させた後に、フォトレジストを使用して必要なパターンを形成し、フィールド酸化膜、ゲート酸化膜、ゲート電極パターン等を加工形成し、スパッタリング法により被着したアルミ膜を加工して配線パターンが描画されたものを使用することができる。
耐熱性高分子保護膜上に形成する金属膜としては、アルミニウム、銅、クロム、チタン等が挙げられるが、加工がし易くＬＳＩ製造の際に広く使用されているアルミニウム又は高性能多層配線用途に対して期待される、より配線抵抗の低い銅が好ましい。金属膜の形成は、スパッタリングが好ましく、高真空処理によって綺麗な金属光沢を有する膜を得ることができる。金属膜の膜厚としては、０．１〜２μｍが好ましく、０．１μｍ未満だと熱応力等により剥離する可能性があり、又２μｍを越えると配線電流密度が増加するため、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションにより断線する可能性があり好ましくない。又スパッタリングを行う直前に耐熱性高分子保護膜表面に対してアルゴン、酸素、窒素等のガスを使用したプラズマ処理を行うことにより、耐熱性高分子保護膜と金属膜との密着性を向上させることができる。
【００１０】
本発明でのフォトレジストは、耐熱性高分子保護膜上に形成した金属膜をパターニングし、所定の金属配線を形成するために用いるものであり、使用するフォトレジストは、目的とする解像度に適合するものであれば特に限定するものではなく、パターニングに必要な塗布・露光・現像装置の工程で使用可能なものであればよいが、近年においては現像液に有機溶剤を使用せず、アルカリ水溶液によって加工が可能なポジ型のフォトレジストが主流になっており、ネガ型よりも高解像度のパターンが得られるポジ型のフォトレジストが好ましい。
【００１１】
金属膜のエッチング法は、エッチング液を使用するウエットエッチングが適用できる。ウェットエッチングに用いるエッチング液の有効成分は、適用する金属の種類ごとに判明しており、かつ市販されているため適宜選択して使用すればよい。例えばアルミニウムの場合は、燐酸、硝酸、酢酸、水より選ばれてなる混合物が一般的に使用でき、銅の場合は、ＦｅＣＩ₃と水の混合物が一般的に使用できる。このエッチング液は加熱して使用することにより金属膜の除去をより短時間で行うことができる。
【００１２】
本発明で用いるフォトレジストの剥離液としては、式（１）で示されるアルコールで置換されたアミン成分とプロピレングリコールのアルキルエーテルとの混合有機溶剤からなり、両溶剤はフォトレジストの剥離が可能となる条件下では、任意の割合で混合して用いることができる。更に金属膜がエッチングされた箇所は、耐熱性高分子保護膜がフォトレジストの剥離液と直接接触するため、好ましくは耐熱性高分子保護膜の外観に影響を及ぼさないものがよい。又フォトレジストの剥離液は加熱して使用することで、フォトレジストの除去をより短時間で行うことができる。
式（１）で示される剥離液を用いることにより、フォトレジストの剥離処理後に耐熱性高分子保護膜が損傷されないという特徴がある。
【００１３】
本発明の加工方法により形成された再配線上には、バンプの搭載が可能となる。例えば耐熱性高分子保護膜上に金属配線を形成後、再度耐熱性高分子保護膜を塗布・パターニング・硬化後にクロム、クロム／銅等のアンダーバンプメタルを設けた後にバンプを形成することができる。従って本発明によって耐熱性高分子保護膜上に金属の配線を形成することで、ウエハーレベルパッケージ或いはフリップチップパッケージ等への展開が可能となる。
【００１４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例１
ポリベンゾオキサゾール前駆体の合成
テレフタル酸１３２．８ｇ（０．８モル）、イソフタル酸３３．２ｇ（０．２モル）と１−ヒドロキシ−１，２，３−ベンゾトリアゾール２７０．３ｇ（２モル）とを反応させて得られたジカルボン酸誘導体３６０．４ｇ（０．９モル）とヘキサフルオロ−２，２−ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）プロパン３６６．３ｇ（１．０モル）とを温度計、攪拌機、原料投入口、乾燥窒素ガス導入管を備えた４つ口のセパラブルフラスコに入れ、Ｎ−メチル−２−ピロリドン３０００ｇを加えて溶解させた。その後オイルバスを用いて７５℃にて１２時間反応させた。
【００１５】
次にＮ−メチル−２−ピロリドン５００ｇに溶解させた５−ノルボルネン−２，３−ジカルボン酸無水物３２．８ｇ（０．２モル）を加え、更に１２時間攪拌して反応を終了した。反応混合物を濾過した後、水／メタノール＝３／１の混合溶液中に投入して沈殿物を濾集し、水で十分濾過した後、真空下で乾燥し、一般式（２）で表され、Ｘが下記式Ｘ−１、Ｙが下記式Ｙ−１及びＹ−２、Ｅが下記式Ｅ−１であるポリベンゾオキサゾール前駆体（Ａ−1）を得た。
【化３】

【００１６】
ポジ型感光性樹脂組成物の作成
合成したポリアミド（Ａ−1）１００ｇ、下記式の構造を有するジアゾキノン（Ｑ−１）２５ｇをＮ−メチル−２−ピロリドン２００ｇに溶解し、３時間攪拌した。その後攪拌を止めて室温で放置し、３時間後に目視により外観の観察を行ったところ、気泡は見られなかった。その後０．２μｍのテフロンフィルターで濾過し感光性樹脂組成物を得た。
【化４】

【００１７】
ポリベンゾオキサゾール膜の作成
前記ポジ型感光性樹脂組成物を、窒素膜上にアルミニウム配線を形成したシリコンウエハ上にスピンコーターで塗布した後、ホットプレートにて１２０℃で４分間乾燥し、膜厚約８μｍの塗膜を得た。この塗膜にｇ線ステッパー露光機ＮＳＲ−１５０５Ｇ３Ａ（ニコン（株）製）により、レチクルを通して４００ｍＪ／ｃｍ²の露光量で露光を行い、２．３８％のテトラメチルヒドロキシド水溶液に１００秒浸漬することによって露光部を溶解除去した後、純水で３０秒間リンスし、パターン形成を行った。このウエハをオーブン中で１５０℃で３０分、３２０℃で３０分加熱してポリベンゾオキサゾール閉環反応を行い、最終膜厚が６．１μｍのポリベンゾオキサゾール膜を得た。
【００１８】
アルミニウム膜の作成
前記のシリコンウエハ上に形成したポリベンゾオキサゾール膜をスパッタリング装置ＣＦＳ−１２Ｐ−１００（徳田製作所製）を用いて、アルゴンガスによりを３００Ｗで５分間スパッタ処理した後、同じくアルゴンガスを用いてアルミニウムのスパッタリングを実施し、約１μｍ厚のアルミニウム膜を形成した。
【００１９】
アルミニウム配線の作成
前記のアルミニウム膜を形成したウエハ上にフォトレジストＡＺ−１５００（クラリアント製）を塗布した後、ホットプレートにて１００℃で２分間乾燥し、膜厚４μｍの塗膜を得た。この塗膜をｇ線ステッパー露光機ＮＳＲ−１５０５Ｇ３Ａ（ニコン（株）製）により、レチクルを通して２００ｍＪ／ｃｍ²の露光量で露光を行い、２．３８％のテトラメチルヒドロキシド水溶液に５０秒浸漬することによって露光部を溶解除去した後、純水で３０秒間リンスし、パターン形成を行った。このウエハをオーブン中で１２０℃で３０分加熱してポストベーク処理を行った。その後、燐酸：硝酸：酢酸：水の組成が７３：３：７：１７（重量比）であるエッチング液により、６０℃で１分間浸漬処理を行い、アルミニウム膜をエッチングした。
【００２０】
フォトレジストの剥離
前記のウエハをジプロピレングリコールモノメチルエーテルとモノイソプロパノールアミンを重量比で７０：３０で混合した有機溶剤により８０℃で１０分間、浸漬処理を行った。Ｎ−メチル−２−ピロリドンに２分間浸漬し、純水で３０秒間リンスし、スピンドライ処理を行った。
【００２１】
フォトレジスト剥離後の評価
前記のフォトレジスト剥離後のウエハについて、光学顕微鏡を用いてポリベンゾオキサゾール膜の表面を観察した結果、外観は良好であった。又ポリベンゾオキサゾール膜の膜厚を測定した結果、６．１μｍであった。
【００２２】
実施例２
実施例１におけるポリベンゾオキサゾール膜をポリイミド膜に替えた他は実施例１と同様の評価を行った。以下にポリイミド前駆体及び硬化膜の作成方法を記す。
ポリイミド前駆体の合成
温度計、攪拌機、原料仕込口及び乾燥窒素ガス導入口を備えた四ツ口セパラブルフラスコに４，４’−ジアミノジフェニルエーテル１９０．２ｇ（０．９５モル）、１，３−ビス（３−アミノプロピル）−１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン１２．４ｇ（０．０５モル）を仕込み、これにＮ−メチル−２−ピロリドンを全仕込原料中の固形分割合が１５重量％になる量を加えて溶解した。次いで０〜５０℃の水溶中にフラスコを浸漬し、発熱を抑制しながら、精製したピロメリット酸二無水物２１８．１ｇ（１モル）を投入した。テトラカルボン酸二無水物が溶解した後、系の温度を２０℃に保ち、１０時間反応を続けた。なお乾燥窒素ガスは反応の準備段階より生成物の取り出しまでの全工程で流した。得られた生成物は淡黄色の粘調溶液であり、Ｎ−メチル−２−ピロリドン０．５重量％溶液の固有粘度は１．１０（３０℃）であった。
【００２３】
ポリイミド硬化膜の作成
合成したポリイミド前駆体をシリコンウエハ上にスピンコーターで塗布した後、ホットプレートにて１４５℃で１分間乾燥し、膜厚約１１μｍの塗膜を得た。この塗膜にポジ型フォトレジストＯＦＰＲ−８００（東京応化工業（株）・製）を用いてスピンコーターで塗布した後、１００℃で１分間乾燥し、更にレチクルを通して２００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線を照射して露光を行い、次いで２．３８％のテトラメチルヒドロキシド水溶液に６０秒間浸漬することによって露光部を溶解除去した後、純水で３０秒間リンスし、パターン形成を行った。その後酢酸ブチルに１分間浸漬することによりフォトレジストを剥離した。このウエハをオーブン中で１５０℃で３０分、２３０℃で３０分、３５０℃で３０分加熱してポリイミド閉環反応を行い、最終膜厚が約６．０μｍのポリイミド硬化膜を得た。
【００２４】
《実施例３》
実施例１においてフォトレジストの剥離工程に使用したジプロピレングリコールモノメチルエーテルとモノイソプロパノールアミンからなる混合有機溶剤の割合を重量比で２０：８０に変更した他は実施例１と同様の評価を行った。
《実施例４》
実施例１においてフォトレジストの剥離工程に使用したジプロピレングリコールモノメチルエーテルとモノイソプロパノールアミンからなる混合有機溶剤の割合を重量比で５：９５に変更した他は実施例１と同様の評価を行った。
《実施例５》
実施例１においてフォトレジストの剥離工程に使用した溶剤をトリプロピレングリコールモノメチルエーテルとアミノエチルエタノールアミンからなる混合有機溶剤の割合を重量比で１０：９０に変更した他は実施例１と同様の評価を行った。
《実施例６》
実施例１においてフォトレジストの剥離工程に使用した溶剤をトリプロピレングリコールモノメチルエーテルとアミノエチルエタノールアミンからなる混合有機溶剤の割合を重量比で８０：２０に変更した他は実施例１と同様の評価を行った。
【００２５】
《比較例１》
実施例１においてフォトレジストの剥離工程に使用した溶剤をジプロピレングリコールモノメチルエーテルに変更した他は実施例１と同様の評価を行った。
《比較例２》
実施例１において、フォトレジストの剥離工程に使用した溶剤をモノイソプロパノールアミンに変更した他は実施例１と同様の評価を行った。
《比較例３》
実施例１において、フォトレジストの剥離工程に使用した溶剤をＮ−メチル−２−ピロリドンとモノイソプロパノールアミンを重量比で７０：３０で混合した溶剤に変更した他は実施例１と同様の評価を行った。
《比較例４》
実施例１において、フォトレジストの剥離工程に使用した溶剤をモノエタノールアミンとジメチルスルホキシドを重量比で８０：２０で混合した溶剤に変更した他は実施例１と同様の評価を行った。
実施例１〜６、比較例１〜４の評価結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【発明の効果】
本発明によると、耐熱性高分子保護膜に損傷を与えることなく、耐熱性高分子保護膜上に金属配線を形成することができる。

Claims (3)

1. シリコンウエハ上に耐熱性高分子保護膜を形成し、
   所定の個所にパターンを作成した後、
   更にパターンを有する耐熱性高分子保護膜上に金属膜を形成し、
   フォトレジストを用いてレジストパターンを形成し、
   当該パターンをマスクとして金属膜をエッチング後、
   式（１）で示される２成分を主成分とする剥離液を用いて金属膜上のフォトレジストを剥離する
   ことを特徴とする多層配線半導体装置の製造方法。
   

   
2. 耐熱性高分子保護膜が、ポリベンゾオキサゾール膜又はポリイミド膜である請求項１記載の多層配線半導体装置の製造方法。
3. 金属膜が、アルミニウム又は銅である請求項１又は２記載の多層配線半導体装置の製造方法。