JP4348320B2

JP4348320B2 - 配線構造の製造方法

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Publication number: JP4348320B2
Application number: JP2005175970A
Authority: JP
Inventors: 克之町田; 國夫斎藤; 仁石井; 億久良木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: JP2005354084A

Description

この発明は、半導体装置やマイクロマシン装置などを構成している基板上に形成される配線構造の製造方法に関する。

半導体装置やマイクロマシン装置を製作するためには、周囲を絶縁膜で絶縁された配線構造を形成したり、多層構造の配線を実現することが必要である。その場合、配線切れなどの原因となる段差をなくすため、配線が接する絶縁膜の表面を平坦化する平坦化技術が必要である。従来、半導体装置、特に半導体集積回路装置の配線形成に用いられてきた平坦化技術に、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法とエッチバック法がある。これらの技術を用いた半導体装置やマイクロマシン装置の配線構造の製造方法に関して図を参照して説明する。

まず、図７を参照してＣＭＰ法の例を説明する。
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（ａ）に示すように、絶縁層３０２を有する半導体基板３０１上に配線材料３０３を堆積し、フォトリソグラフィーにより配線構造形成部上にレジストパタン３０４を形成する。次に、レジストパタン３０４をマスクとして配線材料３０３をエッチングし、その後レジストパタン３０４を除去することで、図７（ｂ）に示す金属配線３０５を半導体基板３０１上に形成する。次に、図７（ｃ）に示すように、半導体基板３０１と金属配線３０５を覆う絶縁膜３０６を堆積する。次に、絶縁膜３０６の凸になった部分をＣＭＰ法で削ることで、図７R>７（ｄ）に示す平坦化された絶縁膜３０６を得る。

次に、図８を参照してエッチバック法の例を説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）と同じであるので説明を省略する。次に、図８（ｄ）に示すように、絶縁膜３０６上に新たにレジスト３０７を塗布して平らな表面を作る。次に、絶縁膜３０６とレジスト３０７のエッチング速度が同じになる条件で、プラズマエッチングを行い、図８（ｅ）に示す平坦化された絶縁膜３０６を得る。

また、前述した方法と露光技術を複合した平坦化方法も知られている。この平坦化方法について、図９を参照して説明する。図９（ａ）〜（ｃ）は、図７（ａ）〜（ｃ）と同じであるので説明を省略する。次に、絶縁膜３０６上に新たにフォトレジスト３０８を塗布し、図９（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィーにより凸状の部分だけフォトレジスト３０８が被覆しないようにパターニングする。次に、フォトレジスト３０８をマスクとして絶縁膜３０６をエッチングし、その後フォトレジスト３０８を除去することで、図９（ｅ）に示す、残留突起３０９を有する絶縁膜３０６を得る。次に、この残留突起３０９をさらにエッチング若しくはＣＭＰ法で除去し、図９（ｆ）に示す平坦化された絶縁膜３０６を得る。

しかしながら、前述した方法では、絶縁膜を堆積する装置や平坦化するための装置などが必要であり、工程が複雑になることからコスト増やスループットの低下が避けられない。また、従来の平坦化技術で用いる絶縁膜は、その用途から膜厚１μｍ前後のものがほとんどであり、半導体センサやマイクロマシン装置などで必要とする数１０μｍの膜厚構造を実現することは困難である。このため、厚い絶縁膜形成が可能であり、平坦化も容易に実現できる方法が望まれていた。本発明の目的は、半導体装置やマイクロマシン装置用の配線構造を低コストで容易に実現できる製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明の配線構造の製造方法は、基板上に金属配線を形成する工程と、基板上に形成された金属配線の間に充填され、かつ金属配線を覆う感光性を有する有機材料からなる樹脂層を金属配線の厚さよりも厚く形成する工程と、樹脂層の所定領域に所定光量の紫外線を所定時間照射することで樹脂層に潜像を形成する工程と、潜像を有する樹脂層を所定条件で現像することで、前記潜像部分と未露光部分の膜厚差とエッチング速度差がバランスして前記樹脂層の起伏を平坦化する工程と、現像処理された樹脂層を所定の温度に加熱処理することで感光性を消失させ、硬化する工程とを備えたことによって特徴づけられる。

この場合、配線構造の製造方法の一構成例は、樹脂層が現像処理と加熱処理により平坦化され、金属配線の表面が露出する厚さに加工されるようにした。前述した配線構造の製造方法の一構成例は、さらに加熱処理された樹脂層上と露出した金属配線上に次層の金属配線を形成する工程と、樹脂層上に感光性を有する有機材料からなる次層の樹脂層を次層の金属配線の厚みに所定の厚みを加えた厚さで形成する工程と、次層の樹脂層の所定領域に所定光量の紫外線を所定時間照射することで次層の樹脂層に潜像を形成する工程と、潜像を有する次層の樹脂層を所定条件で現像処理することで次層の樹脂層の起伏を平坦化する工程と、現像処理された次層の樹脂層を所定の温度に加熱処理することで感光性を消失させ、硬化する工程とからなる次層を形成する工程を備え、次層を形成する工程を所定回数繰り返すようにした。

また、さらに所定層数の金属配線形成後に樹脂層を除去する工程を備えるようにした。この場合、樹脂層を除去する工程の一構成例は、樹脂層の除去に酸素プラズマを用いるようにした。また、配線構造の製造方法の一構成例は、樹脂層に光が照射されたところが現像処理で除去されやすくなるものを用いるようにした。この場合、樹脂層にはポリイミド又はポリベンゾオキサゾール前駆体を基質とした樹脂を用いるようにした。

以上説明したように、この発明の製造方法を用いると、従来の配線工程に比べて大幅に工程数と製造装置数を減らすことが可能なため、スループットの大幅な向上とコストダウンを図ることができる。また、有機樹脂膜を用いるために、１０μｍ以上の厚さの配線を形成することもでき、半導体装置やマイクロマシン装置の構造を容易に得ることができる。

以下に図を用いてこの発明の実施の形態を説明する。

はじめに、この発明の第１の実施の形態について、図１と図２を用いて説明する。この第１の実施の形態は、基板上の配線を覆う絶縁層の表面を平坦化するものである。
まず、図１（ａ）に示すように、絶縁層１０２を有する基板１０１上に蒸着法を用いてクロムからなる金属膜１０３を０．１μｍ程度に薄く形成し、加えて、その金属膜１０３上に、金からなるシード膜１０４を蒸着法により０．１μｍ程度に薄く形成する。ここで、金属膜１０３は、基板１０１と配線材料膜又はシード膜１０４との密着性を向上させるために形成する。また、例えば、配線材料膜に使用する材料の拡散を阻止したり、他の元素の移動を阻止するためのバリア膜として用いる。なお、この金属膜１０３としては、使用する配線材料の種類によって、それぞれ最適のものを選択するようにすればよい。また、配線材料膜をメッキ法で形成する場合、用いる材料の組み合わせによっては、金属膜１０３をシード膜として用いることもできる。

次に、図１（ｂ）に示すように、シード膜１０４上にフォトレジスト１０５を５．０μｍ程度の厚さに塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行って配線構造形成部からフォトレジスト１０５を取り除き、シード膜１０４を露出させる。次に、図１（ｃ）に示すように、電解メッキ法により、露出したシード膜１０４上に金からなる配線材料膜を５．０μｍ程度の厚さに形成した後、フォトレジスト１０５を剥離して金属配線１０６を形成する。なお、配線材料膜は、金に限るものではなく、アルミや銅若しくは銀などを用いることもできる。また、メッキ法に限るものではなく、スパッタ法やＣＶＤ法、あるいは、流動法など他の成膜方法を用いるようにしてもよい。

次に、図１（ｄ）に示すように、不要なシード膜１０４と金属膜１０３をウェットエッチング処理で取り除く。シード膜１０４の除去に用いる処理液は、ヨウ素、ヨウ化アンモニウム、水、エタノールの混合液で、エッチング速度は毎分０．０５μｍである。金属膜１０３の除去に用いる処理液は、フェリシアン化カリ、ＮａＯＨ、水の混合液で、エッチング速度は毎分０．１μｍである。エッチング終了後、基板１０１を純水などで洗浄して処理液を洗い流し、乾燥させる。

次に、図２（ｅ）に示すように、配線構造を有する基板１０１上に、スピンコートなどによって感光性樹脂を８．０μｍの厚さに塗布し、これをプリベークして溶剤を揮発させて乾燥させることで、感光性樹脂膜１０７を形成する。なお、当然であるが、この感光性樹脂膜１０７は絶縁性の材料であり、以降で示す感光性樹脂は、絶縁性を有しているものである。この感光性樹脂膜１０７を構成する感光性樹脂としては、ポリイミド，ポリアミド酸，ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）などを基質としたベース樹脂に、ポジ型感光剤（ジアゾナフトキノン等）を付加したポジ型感光性樹脂を用いる。この場合、ＰＢＯをベース樹脂とするポジ型感光樹脂では、例えば、住友ベークライト株式会社製のＣＲＣ８３００（商品名）を用いて、良好な結果が得られた。このＣＲＣ８３００の場合、プリベークは１２０℃に加熱したホットプレートで４分間行う。

次に、図２（ｆ）に示すように、金属配線１０６よりも幅が狭く、光を透過するパターンを有するフォトマスク１０８を用い、このフォトマスク１０８を通して感光性樹脂膜１０７に紫外線１０９を露光し、金属配線１０６上の感光性樹脂膜１０７に潜像１１０を形成する。

ここで、この露光工程を、より詳細に説明すると、まず、用いるフォトマスク１０８には、所望とする箇所に光透過部で構成された金属配線１０６よりも幅が狭いパタン１０８ｃが形成され、また、例えば周辺部には、マスクアライメントマークが形成されている。すなわち、このフォトマスク１０８は、合成石英などから構成された透明基板１０８ａに、クロムなどの金属膜からなる遮光膜１０８ｂが形成され、その遮光膜１０８ｂの所定のところに上述した光透過部からなるパタン１０８ｃなどが形成されたものである。なお、ここでは、ポジ型の感光性樹脂を用いるようにしているため、フォトマスク１０８のパタン１０８ｃは光透過部で構成するようにした。これに対し、ネガ型の感光性樹脂を用いる場合は、例えば、合成石英などから構成された透明基板に、クロムなどの金属膜からなる遮光体でパタンを構成したマスクを用いるようにすればよい。

露光に際しては、そのフォトマスク１０８のパタン形成面を感光性樹脂膜１０７形成面に対向して近設させる。このとき、基板１０１に形成されている基板アライメントマークと上述したマスクアライメントマークとの位置関係を所定の状態とすることで、基板１０１とフォトマスク１０８との相対位置関係を所定の状態とする。このことにより、フォトマスク１０８に形成されている金属配線１０６よりも幅が狭いパタンの位置が、金属配線１０６上の感光性樹脂膜１０７の位置に重なる。以上の位置合わせを行った後、フォトマスク１０８のパタンが形成されていない面側より紫外線１０９を照射し、そのパタンを感光性樹脂膜１０７に転写することで、潜像１１０が形成される。その際、潜像１１０部分の感光性樹脂膜１０７が所定の露光量を受けるように紫外線出力と露光時間を決めておく。

次に、現像処理を行う。現像処理は、現像液を用いて潜像１１０が形成された感光性樹脂膜１０７を除去する工程である。この場合、この第１の実施の形態では、感光性樹脂膜１０７としてポジ型のＣＲＣ８３００を用いているので、アルカリ水溶液の現像液を用いる。なお、現像液は用いる感光性樹脂それぞれに適合したものを用いるようにする。ここで、この第１の実施の形態で用いた感光性樹脂膜の露光量に対する現像による膜減り量の関係を図３に示す。図３は、感光性樹脂膜の光感光特性を示す特性図であり、横軸が感光性樹脂膜の露光量で単位はｍＪ／ｃｍ²、縦軸が現像時間１分当たりの膜減り量で単位はμｍである。同図によれば、露光量ゼロでも膜減り量が発生することから、未感光部分も現像液でエッチングされ、そのエッチング速度は毎分約１．２μｍであることが分かる。さらに、感光した樹脂部分はより早くエッチングされ、そのエッチング速度は露光量によって変化することが分かる。よって、感光性樹脂膜１０７の起伏に合わせて露光量と現像条件を設定することにより、潜像部分と未感光部分の膜厚差とエッチング速度差がバランスして現像処理で平坦な形状が実現できる。

次に硬化処理を行う。硬化処理は、ポジ型感光性樹脂をハードベークすることによって、樹脂を硬化させると共に、感光剤を除去する工程である。ＣＲＣ８３００の場合、窒素雰囲気下で、１５０℃で３０分間ベークし、続けて３１０〜３２０℃で３０分間ベークする。ここで、この第１の実施の形態で用いた感光性樹脂膜の硬化処理における膜減り量の硬化温度依存性を図４に示す。同図において、横軸が感光性樹脂膜の硬化処理温度で単位は℃、縦軸が前述の硬化処理による膜減り量で単位はμｍである。これから硬化処理により、膜減りすることが分かる。以上の特性を考慮し、感光性樹脂膜１０７の膜厚を決定することにより、現像処理と硬化処理を行って、図２（ｇ）に示すように、平坦な絶縁層１１２を得ることができる。具体的には、最終的に未露光部分の膜厚が絶縁層１１２の厚さになるように、硬化処理での減少分と現像時の減少分を絶縁層１１２の厚さに加えた膜厚の感光性樹脂膜１０７を塗布形成する。この第１の実施の形態では、２．０μｍ減少することを前提に塗布形成した。

以上説明したように、感光性樹脂膜を用いることにより、容易に絶縁層の表面を平坦に加工できることが分かる。なお、上記第１の実施の形態では、ポジ型の感光性樹脂を用いるようにしたが、ポリイミドやベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）にネガ型感光剤を付加したネガ型感光性樹脂を用いるようにしてもよい。このように、ネガ型感光性樹脂を使用する場合には、前述したマスクのパタンの遮光部と透過部との関係を反転させればよい。この場合、マスクの遮光部のパタンは、金属配線よりも幅が広いパタンにする。ただし、このネガ型の感光性樹脂を用いる方法は、配線上の感光性樹脂のエッチング速度を、例えば現像時間などの現像条件で制御する。このため、この方法と、前述した第１の実施の形態のようにポジ型の感光性樹脂を用いる方法とを比較すると、エッチング速度の制御性は露光量と現像条件を組み合わせできるポジ型の感光性樹脂を用いる方が優れている。

次に、この発明の第２の実施の形態について、図５と図６を用いて説明する。この第２の実施の形態は、多層配線を基板上に形成するものである。ここでは、基板との間に空隙を有する２層配線を基板上に形成する場合を例にして説明する。ここで、絶縁層１０２を有する基板１０１上に１層目の金属配線１０６を形成する工程と、この金属配線１０６を覆う絶縁層１１２の表面を平坦化する工程は、第１の実施の形態で説明した図１R>１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ｅ）〜（ｆ）と同じであるので、説明を省略する。この場合、第１の実施の形態と異なる点は、現像処理と硬化処理で１層目の金属配線１０６の表面が露出するように感光性樹脂膜１０７をエッチングすることである。金属配線１０６の表面を露出させる方法としては、最終的に感光性樹脂膜１０７の未露光部分の膜厚が金属配線１０６の厚さになるように、硬化処理での減少分と現像時の減少分を金属配線１０６の厚さに加えた膜厚の感光性樹脂膜１０７を塗布形成する方法を用いる。このようにして、図２（ｈ）に示すような、絶縁層１１２が平坦化され、１層目の金属配線１０６の表面が露出した基板１０１を得る。

次に、図５（ａ）に示すように、基板１０１の表面に蒸着法を用いてクロムからなる金属膜２０３を０．１μｍ程度に薄く形成し、加えて、その金属膜２０３上に、金からなるシード膜２０４を蒸着法により０．１μｍ程度に薄く形成する。次に、図５（ｂ）に示すように、シード膜２０４上にフォトレジスト２０５を５．０μｍ程度の厚さに塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行って配線構造形成部からフォトレジスト２０５を取り除き、シード膜２０４を露出させる。

次に、図５（ｃ）に示すように、電解メッキ法により、露出したシード膜２０４上に金からなる配線材料膜を５．０μｍ程度の厚さに形成した後、フォトレジスト２０５を剥離して２層目の金属配線２０６を形成する。次に、図６（ｄ）に示すように、不要なシード膜２０４と金属膜２０３を、この順にウェットエッチング処理で取り除く。シード膜２０４と金属膜２０３の除去に用いる処理液と処理方法は、第１の実施の形態で説明したものと同じであるので、説明を省略する。次に、酸素プラズマを用いて絶縁層１１２を除去する。これにより、図５（ｅ）に示すような、基板との間に空隙を有する２層配線が形成される。なお、目的により、絶縁層１１２を除去せずに残してもよいことは言うまでもない。

ところで、有機樹脂層を層間絶縁膜として用いると、膜の応力が小さくひび割れが生じにくいため、厚くすることが可能であり、有機樹脂層をスピンコートする場合でも、硬化後の厚さで１層を１０μｍ以上に形成することが可能である。よって、この発明の方法によれば、メッキ法と感光性ポリイミドのような有機系絶縁膜を用いることにより金属配線や絶縁層の平坦化と厚膜化が可能である。これにより金属配線を梁などの構造体として使用することもでき、半導体センサやマイクロマシン装置の構造を容易に実現することができる。また、この発明においては、ポジ型感光性樹脂の硬化処理の温度（２５０〜３５０℃程度）を配線形成プロセスの最高温度とすることが可能であるため、下地基板や下地配線（層間絶縁膜や配線金属）の種類に対する適用範囲が広いという効果がある。

上記の実施の形態では、ポジ型感光樹脂内に潜像を形成する際にマスクと感光性樹脂を近接して配置し、１対１の倍率で露光する、いわゆる、密着（コンタクト）又は近接（ソフトコンタクト）露光法を用いたが、露光法に関しては、縮小投影露光法であってもよいことは言うまでもない。また、例えば、図１に示した基板１０１上の絶縁層１０２の有無は、この発明とは直接関わらない。すなわち、金属配線を電気配線として用いず、構造体として用いる場合、絶縁層１０２はなくてもよい。基板の種類や形状、あるいは集積回路等の搭載の有無に関してもこの発明とは直接関わらない。また、感光性樹脂の塗布は、スピンコートに限らず、均一な厚さに塗布できる方法であれば、スプレーコート法などほかの方法でもよい。また、マスクのパタンを適宜変更し、上述したこの発明による工程を繰り返すことによって、多層配線が容易に形成できる。

この発明の第１の実施の形態における配線構造の製造方法を示す説明図である。図１に続く、この発明の第１の実施の形態における配線構造の製造方法を示す説明図である。第１の実施の形態で用いるポジ型感光性樹脂の光感光特性を示す特性図である。第１の実施の形態で用いるポジ型感光性樹脂の温度特性を示す特性図である。この発明の第２の実施の形態における配線構造の製造方法を示す説明図である。図５に続く、この発明の第２の実施の形態における配線構造の製造方法を示す説明図である。従来のＣＭＰ法による配線構造の製造方法を示す説明図である。従来のエッチバック法による配線構造の製造方法を示す説明図である。露光技術を複合した従来の平坦化方法による配線構造の製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２，１１２…絶縁層、１０３，２０３…金属膜、１０４，２０４…シード膜、１０５，２０５…フォトレジスト、１０６，２０６…金属配線、１０７…感光性樹脂膜、１０８…フォトマスク、１０９…紫外線、１１０…潜像。

Claims

基板上に金属配線を形成する工程と、
前記基板上に形成された前記金属配線の間に充填され、かつ前記金属配線を覆う、ポジ型の感光性を有する有機材料からなる樹脂層を前記金属配線の厚みに所定の厚みを加えた厚さで形成する工程と、
前記樹脂層の前記金属配線に重なり、なおかつ前記金属配線の幅より狭い領域に所定光量の紫外線を所定時間照射することで前記樹脂層に潜像を形成する工程と、
前記潜像を有する前記樹脂層を所定条件で現像処理することで、前記潜像部分と未露光部分の膜厚差とエッチング速度差がバランスして前記樹脂層の起伏を平坦化する工程と、
現像処理された前記樹脂層を所定の温度で加熱処理することで感光性を消失させ、硬化する工程と、
前記現像処理と前記加熱処理により、前記樹脂層を平坦化し、前記金属配線の表面が露出する厚さに加工し、前記樹脂層の上及び露出した金属配線の上に、前記樹脂層及び前記金属配線に直接接触するように次層の金属配線を形成することを特徴とする配線構造の製造方法。
基板上に金属配線を形成する工程と、
前記基板上に形成された前記金属配線の間に充填され、かつ前記金属配線を覆う、ネガ型の感光性を有する有機材料からなる樹脂層を前記金属配線の厚みに所定の厚みを加えた厚さで形成する工程と、
前記樹脂層の前記金属配線の間に重なり、なおかつ前記金属配線の間の幅より狭い領域に所定光量の紫外線を所定時間照射することで前記樹脂層に潜像を形成する工程と、
前記潜像を有する前記樹脂層を所定条件で現像処理することで、前記潜像部分と未露光部分の膜厚差とエッチング速度差がバランスして前記樹脂層の起伏を平坦化する工程と、
現像処理された前記樹脂層を所定の温度で加熱処理することで感光性を消失させ、硬化する工程と、
を備え、
前記所定条件での現像処理と前記所定の温度での加熱処理により、前記樹脂層は平坦化されるとともに前記金属配線の表面が露出する厚さとなるように前記所定の厚みが設定され、
さらに、
前記樹脂層の上および露出した前記金属配線の上に、前記樹脂層及び前記金属配線と直接接触するように次層の金属配線を形成する工程と、
前記樹脂層を除去する工程とを備えたことを特徴とする配線構造の製造方法。
基板上に金属配線を形成する工程と、
前記基板上に形成された前記金属配線の間に充填され、かつ前記金属配線を覆う、ポジ型の感光性を有する有機材料からなる樹脂層を前記金属配線の厚みに所定の厚みを加えた厚さで形成する工程と、
前記樹脂層の前記金属配線に重なり、なおかつ前記金属配線の幅より狭い領域に所定光量の紫外線を所定時間照射することで前記樹脂層に潜像を形成する工程と、
前記潜像を有する前記樹脂層を所定条件で現像処理することで、前記潜像部分と未露光部分の膜厚差とエッチング速度差がバランスして前記樹脂層の起伏を平坦化する工程と、
現像処理された前記樹脂層を所定の温度で加熱処理することで感光性を消失させ、硬化する工程と、
を備え、
前記所定条件での現像処理と前記所定の温度での加熱処理により、前記樹脂層は平坦化されるとともに前記金属配線の表面が露出する厚さとなるように前記所定の厚みが設定され、
さらに、
前記樹脂層の上および露出した前記金属配線の上に、前記樹脂層及び前記金属配線と直接接触するように次層の金属配線を形成する工程と、
前記樹脂層を除去する工程とを備えたことを特徴とする配線構造の製造方法。
請求項２又は３記載の配線構造の製造方法において、
前記樹脂層のすべてを除去する工程は、樹脂層の除去に酸素プラズマを用いることを特徴とする配線構造の製造方法。
請求項１〜４いずれか1項記載の配線構造の製造方法において、
前記有機材料はポリイミドを基質とした樹脂である
ことを特徴とする配線構造の製造方法。
請求項１〜４いずれか1項記載の配線構造の製造方法において、
前記有機材料はポリベンゾオキサゾール前駆体を基質とした樹脂である
ことを特徴とする配線構造の製造方法。