JP4955277B2

JP4955277B2 - 絶縁膜の形成方法

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Publication number: JP4955277B2
Application number: JP2006027250A
Authority: JP
Inventors: 公明下川
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: JP2007208128A

Description

本発明は、高分子材料からなる絶縁膜の形成方法に関し、特に半導体装置の層間絶縁膜の形成方法に関するものである。

図５は、従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その１）である。
図６は、従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その２）である。
図７は、従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その３）である。
図８は、従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その４）である。
図５〜図８には、下記非特許文献１〜８に開示されている従来の半導体装置の層間絶縁膜の形成方法を示す。一例としてシリコンＭＯＳトランジスタを用いて説明する。ここで層間絶縁膜とは、半導体装置を複数層積層する場合に各層間の配線、及びプラグを電気的に絶縁する膜をいう。

図５（ａ）は、トランジスタが形成された半導体装置の断面図を表している。この図において、１はＰ型シリコン基板であり、該Ｐ型シリコン基板１には、素子分離層２、拡散層３、ゲート電極５、及びコバルトシリサイト６から成るＭＯＳトランジスタが形成されている。更にゲート絶縁膜５の周囲に第１絶縁膜７が形成されている。

図５（ｂ）は、半導体装置に第２絶縁膜８を形成し、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法で平坦化した状態を表している。この状態からフォトリソグラフィを用いて配線層とＭＯＳトランジスタの電気的接続を得るための穴、いわゆるコンタクトが形成されることになる。

図５（ｃ）は、半導体装置にコンタクトが形成された状態を表している。フォトリソグラフィを用いて形成された穴にメタルが充填されコンタクトプラグ９が形成される。ここまでの工程は通常の半導体の製造工程と全く同様である。次に配線層を形成する工程の概要について説明する（非特許文献１、非特許文献２参照）。尚、以後の説明では、この図で示す、コンタクトプラグ９が形成された状態を半導体基板１０と記載することとする。

図６（ａ）は、半導体基板１０の上に密着金属層１１と、Ａｌ層１２が形成され、その上にレジストパターン１３が形成された状態を表している。半導体基板１０の上に密着金属層１１としてＴｉ５ｎｍ、及びＡｌ層１２がスパッタ法によって形成される。その後、所定の配線層を得るためにフォトリソグラフィによってレジストパターン１３が形成される。ここで密着金属層１１を形成するのは、Ａｌ層１２を半導体基板１０の表面に密着させるためである。

図６（ｂ）は、ＣｏＷＰ層１４が形成され、その上にＣｕ層１５が形成された状態を表している。図６（ａ）の状態のウエハにＣｏＷＰの無電界メッキ処理を行うと、レジストパターン開口部で露出されたＡｌ層のみがＣｏＷＰ層１４によって置換される。その後Ｃｕの電界メッキ処理を行うと、ＣｏＷＰ層１４の上にだけＣｕ層１５が形成される。ここでＣｏＷＰ層１４を設けたのは、Ｃｕ層１５が周辺に拡散するのを防止するバリア層として機能させるためである。

図６（ｃ）は、第１配線層１６ａが形成された状態を表している。図６（ｂ）の状態からレジストパターン１３が除去され、更に、Ａｌ層１２がウェットエッチング処理で除去され、密着金属層１１がドライエッチング処理によって除去される。続いてＣｏＷＰの無電界メッキ処理が施こされ密着金属層１１、ＣｏＷＰ層１４、及びＣｕ層１５の表面にＣｏＷＰ層１６が形成される。以後の説明では、密着金属層１１、ＣｏＷＰ層１４、Ｃｕ層１５、及びＣｏＷＰ層１６の積層体を第１配線層１６ａと総称することとする。

図７（ａ）は、ベースフィルム３１の上に絶縁層３２が形成された状態を表している。ベースフィルム３１の上に未架橋の樹脂が塗布法によって塗布され、絶縁層３２が形成される。

図７（ｂ）は、第１配線層１６ａが形成された半導体基板１０の上に、絶縁層３２（図７（ａ））が押圧されている状態を表している。図に示すように、半導体基板１０と絶縁層３２とを対向させた状態で加熱しながら半導体基板１０を押圧する。こうすることによって、絶縁層３２が第１配線層１６ａの表面に固着される。

図８（ａ）は、第１配線層１６ａが形成された半導体基板１０の上に、絶縁層３２が密着された後、ベースフィルム３１が剥離された状態を表している。この後、絶縁層３２として用いられている材料に特有の熱処理が施される。一般に絶縁層３２として用いられている材料は、高分子膜なので、その高分子の架橋に熱処理が必要だからである。

以上に説明した絶縁層３２の形成方法は、ＳＴＰ法（ＳｐｉｎＣｏａｔｉｎｇｆｉｌｍＴｒａｎｓｆｅｒａｎｄｈｏｔ−Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）と称され、低誘電率特性を有するＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）やＰｏｌｙｉｍｉｄｅ樹脂を層間絶縁材として利用することが可能である。

このようなＳＴＰ法によれば、半導体の製造分野で行われる平坦化工程、例えば、ＣＭＰ法（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｉｎｇ）を用いる平坦化工程が不要となる利点がある。しかし、絶縁層３２が、第１配線層１６ａに確実に密着しないため、図８（ｂ）に示すように、ベースフィルム３１を剥離するために上方に持ち上げると、絶縁層３２の一部が第１配線層１６ａから剥離してしまう場合も発生した。

このような問題を解決するための一例について説明する。
図９は、従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その５）である。
図１０は、従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その６）である。
ここでは、第１配線層１６ａが形成された半導体基板１０の上に、絶縁層３２を密着する前に、半導体基板１０の上に、絶縁層３２と同一の材料を塗布し、この材料の架橋温度よりも低い温度で加熱し、予め半導体基板１０に密着させ、その後、上記図７（ｂ）に示す工程を実行する。

図９（ａ）は、半導体基板１０の上に、絶縁層３２と同一の材料である密着用絶縁材３２ａが塗布された状態を表している。この状態で、この材料の架橋温度よりも低い温度で加熱され、予め半導体基板１０に密着される。

図１０（ａ）は、第１配線層１６ａが形成され、更に、密着用絶縁材３２ａ密着された半導体基板１０の上に、絶縁層３２（図７（ａ））が押圧されている状態を表している。図に示すように、半導体基板１０と絶縁層３２とを対向させた状態で加熱しながら半導体基板１０へ押圧する。こうすることによって、絶縁層３２が第１配線層１６ａの表面に固着される。

図１０（ｂ）は、第１配線層１６ａが形成され、更に、密着用絶縁材３２ａ密着された半導体基板１０の上に、絶縁層３２が密着された状態を表している。図に示すように絶縁層３２と密着用絶縁材３２ａとが一体的に強固に密着することになる。以上説明した解決策と類似の方法が、特許文献１〜特許文献４に開示されている。これらの解決策を用いることによって絶縁層３２と半導体基板１０との密着強度は、有る程度大きくなる。しかし、ここでは、半導体基板１０上での段差と段差の間の空間の一部が密着用絶縁材３２ａで充填されることになるので、密着用絶縁材３２ａでのリーク電流を完全に無視することは、難しくなる。一方、図１６（ａ）において、絶縁層３２ａを半導体基板１０の全面に亘って塗布せずに第１配線層９ａの（図中）上面のみに塗布することが出来れば、リーク電流を少なくすることは可能である。しかし、従来の製造工程では、必ず、絶縁層３２ａが第１配線層１６ａの（図中）左右側面にはみ出ることになりリーク電流を完全に無視することは出来ないという問題が発生する。
特開２００４−１９３１９７号公報特開２００２−２８０４５１号公報特開２００４−１９３１９７号公報特開平１１−２６４５５号公報 S.Shishiguchi, T.Fukuda,and H.Yanazawaa, Proc. Advanced Metallization Conference,531(2002) S.Shishiguchi, T. Fukuda, H. Kochiya, H. Yanazawa and H. Matsunaga, Proc.Advanced Metallization Conference,57(2001) N.Sato,H.Ishii, S.Shigematsu, H.Morimura, T.Kamei,K.Kudou, M.Yano, K.Machida, and H.Kyuragi,Jpn. J. Appl. Phys. Vol.42,(2003)pp.2462-2467 K. Machida,H. Kyuragi, H. Akiya, K. Imai, A. Tounai and A. Nakashima, J. Vac.Sci.&Technol. B16,1093(1998) N.Sato, K.Machida, M.Yano, K. Kudou and H. Kyuragi, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41,2367(2002) Ｋ.Shimokawa,Ｓ.Shishiguchi, Ｔ.Fukuda, and Ｈ.Ｙamazawa, Proc.Advanced Metallization Conference, 661（2002）Ｋ.Shimokawa,M.Kawagoe, Ｓ.Shishiguchi, Ｔ.Fukuda, and Ｈ.Yamazawa, Proc.Advanced Metallization Conference, 449（2003） S. J.Martin, J. P. Godschalx, M. E. Mills, E. O. Schffer II and P. H. Townsend,Adv.mater. No.23,1769(2000)

解決しようとする課題は、ベースフィルムの剥離工程において、絶縁層の一部が配線層から剥離してしまう点、更に、剥離強度を強化しようとすると半導体基板上の段差が全て密着用絶縁材で密封されることになって、層間絶縁層でのリーク電流を完全に無視することが難しくなる点である。

基板上に、フォトリソグラフィで所望のレジストパターンを形成する工程、レジストパターンに基づいて、配線層となる所定の金属膜を形成する工程、レジストパターンを保持したまま上記金属膜上に密着層を形成する工程、該密着層に所定の熱処理を行う工程とを経て第１配線層を生成し、前記基板上から前記レジストパターンを除去したあと、ベースフィルムに塗布形成された未架橋の高分子材料からなる絶縁膜を加熱して押圧し、ベースフィルムを剥離して架橋のための熱処理を行うことで、上記基板上に層間絶縁膜を形成することを特徴とする。

本願発明によれば、基板上に形成された第１配線層上に密着層を確実に密着させた上でレジストパターンを除去し、ベースフィルムに塗布形成された未架橋の高分子材料からなる絶縁膜を加熱して押圧するので、ベースフィルムの剥離時に絶縁材が基板から剥れるのを確実に防止することができるという効果を得る。更に、レジストパターンを保持したまま上記第１配線層上に密着層が形成されるので、密着層が上記第１配線層上からはみ出ることがなくなり、基板上での段差は密封されることが無くなる。その結果段差での誘電率は、真空状態とほぼ同様になりリーク電流を完全に無視すること出来るという効果を得る。

本発明の実施例では、絶縁層の材料、及び密着促進材料としてＨＳＧ−Ｒ７（日立化成工業製造のＳＯＧ（商品名））を使用することとする。

図１は、本発明の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その１）である。
図２は、本発明の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その２）である。
図３は、本発明の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その３）である。
図４は、本発明の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その４）である。

Ｐ型シリコン基板にＭＯＳトランジスタを形成し、更にＭＯＳトランジスタの周辺を絶縁膜で覆い、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法で平坦化するまでの工程は従来の方法（図５（ａ）〜図５（ｃ））と全く同様なので説明を省略し、第１配線層を形成する工程から説明を開始する。以後の説明では、この図５（ｃ）で示す、コンタクトプラグ９が形成された状態を半導体基板１０と記載することとする。

図１（ａ）は、半導体基板１０の上に密着金属層１１と、Ａｌ層１２が形成され、その上にレジストパターンが形成された状態を表している。半導体基板１０の上に密着金属層１１としてのＴｉ５ｎｍ、及びＡｌ層１２がスパッタ法によって形成される。その後、所定の配線パターンを得るためにフォトリソグラフィによってレジストパターン１３が形成される。密着金属層１１を形成するのは、Ａｌ層１２を半導体基板１０の表面に密着させるためである。尚、ここではレジストパターン１３の厚さを７００ｎｍに形成する。

図１（ｂ）は、ＣｏＷＰ層１４が形成され、その上にＣｕ層１５が形成された状態を表している。図５（ａ）に示す状態のウエハに対してＣｏＷＰの無電界メッキ処理を行うと、レジストパターン開口部で露出されたＡｌ層のみがＣｏＷＰ層１４によって置換される。その後Ｃｕの電界メッキ処理を行うと、ＣｏＷＰ層１４の上にだけＣｕ層１５が形成される。ＣｏＷＰ層１４を設けたのは、Ｃｕ層１５が周辺に拡散するのを防止するバリア層として機能させるためである。尚、ここでは、Ｃｕ層１５の厚さを４００ｎｍに形成する。従って、図中のＡ寸法は３００ｎｍになる。

図１（ｃ）は、図１（ｂ）で形成したＣｕ層１５の上にＣｏＷＰ層１６と、ＨＳＧ−Ｒ７層１９ａを積層した状態を表している。図５（ｂ）に示す状態のウエハに対してＣｏＷＰの無電界メッキを行うとＣｕ層１５の表面にだけＣｏＷＰ層１６が成長する。更に、その上にＳｐｉｎＣａｏｔｉｎｇ法によってＨＳＧ−Ｒ７（日立化成工業製造のＳＯＧ（商品名））を塗布する。このＨＳＧ−Ｒ７層１９ａは、後に説明する絶縁層１９ｂに対する密着促進材料（同一材料）である。又、Ｃｕ層１５の表面にＣｏＷＰ層１６を形成するのは、Ｃｕ層１５が周辺に拡散するのを防止するバリア層として機能させるためである。

ここでＨＳＧ−Ｒ７層１９ａが、レジストパターン１３上に約１００ｎｍ積層されるようにスピナーの回転数を制御した。塗布後に、窒素雰囲気中で１００℃１分間の熱処理を施した。この熱処理温度は重要な意味を持つ。即ち、６０℃では、密着層として半導体基板１０側に塗布したＨＳＧ−Ｒ７層１９ａが、ベースフィルム３１を剥離するときに一緒に剥離してしまうという現象が実験的に確認されている。又１４０℃では、ＨＳＧ−Ｒ７層１９ａと絶縁層１９ｂとの界面で密着力が不足する箇所が発生し、部分的に絶縁層１９ｂが形成出来ないという現象が実験的に確認されている。これに対して、８０℃〜１２０℃の範囲では、こういった問題が発生せずにウエハ全体に於いて成膜が達成されることが実験的に確認されている。

図２（ａ）は、図１（ｃ）に示す状態のウエハからＨＳＧ−Ｒ７層のエッチバックを行った状態を表している。ここでＨＳＧ−Ｒ７層１９ａは、ＣＦ系のドライエッチング法によってＣｏＷＰ層１６上に１００ｎｍ残る程度に実行される。

図２（ｂ）は、半導体基板１０の上に第１配線層１６ｂが形成された状態を表している。図２（ａ）の状態から通常の工程でレジストパターン１３を除去し、Ａｌ層１２をウェットエッチングで除去し、密着金属層１１をＣｌ系ドライエッチングで除去すると図２（ｂ）の状態になる。ここでは、ＨＳＧ−Ｒ７層１９ａは、Ｃｕ層１５の（図中）左右側面にはみ出していないことに留意すべきである。

図３（ａ）は、ベースフィルム３１の上に絶縁層１９ｂが形成された状態を表している。ベースフィルム３１の上に未架橋のＨＳＧ−Ｒ７樹脂が塗布法によって塗布され、絶縁層１９ｂが形成される。通常ベースフィルム３１としては、Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅが用いられる。

図３（ｂ）は、第１配線層１６ｂが形成された半導体基板１０の上に、絶縁層１９ｂ（図３（ａ））が押圧されている状態を表している。図に示すように、半導体基板１０と絶縁層１９ｂとを対向させた状態で半導体基板１０へ押圧する。こうすることによって、絶縁層１９ｂが第１配線層１６ｂの表面に固着する。本実施例では押圧中に加熱処理しなかった。

図４（ａ）は、第１配線層１６ｂが形成された半導体基板１０の上に、絶縁層１９ｂが密着された後、ベースフィルム３１が剥離された状態を表している。この後、絶縁層１９ｂとして用いられている材料に特有の熱処理が施される。一般に絶縁層１９ｂとして用いられている材料は、高分子膜なので、その高分子の架橋に熱処理が必要だからである。

図４（ｂ）は、図３（ｂ）の状態のウエハにビアプラグ１８を形成した状態を表している。図に示すようにビアプラグ１８を形成して第１配線層１６ｂが、図示しない第２配線層へ接続可能にし第１層の工程を終了する。

以上説明したように、Ｃｕ層１５の上面のＣｏＷＰ層１４に絶縁層１９ｂと同一材質のＨＳＧ−Ｒ７層１９ａを密着促進層として設けることによって図４（ａ）に於ける接合面Ｂの密着強度が大きくなり、更に、このＨＳＧ−Ｒ７層１９ａの塗布は、レジストパターン１３の除去前に実行されるので、ＨＳＧ−Ｒ７層１９ａがＣｕ層１５の（図中）左右側面にはみ出すことが無くなる。その結果、Ｃｕ層１５が積層される部分を除く絶縁層１９ｂと半導体基板１０との間では、ほぼ真空状態の誘電率が得られ、絶縁層でのリーク電流を完全に無視すること出来るというＳＴＰＳｅａｌｉｎｇ法の最大の利点を得る。又、絶縁層に用いられる材料の誘電率に対する要求が低減されるという効果を得る。

以上の説明では、本発明を半導体装置の層間絶縁膜形成に適合させた場合について説明したが、本発明は、この例に限定されるものではない。即ち、本発明をＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓにも適用可能である。

本発明の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その１）である。本発明の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その２）である。本発明の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その３）である。本発明の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その４）である。従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その１）である。従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その２）である。従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その３）である。従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その４）である。従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その５）である。従来の半導体装置の製造工程に於ける断面図（その６）である。

符号の説明

１０半導体基板
１１密着金属層
１４ＣｏＷＰ層
１５Ｃｕ層
１６ＣｏＷＰ層
１６ｂ第１配線層
３１ベースフィルム
３２絶縁層

Claims

基板上に、ベースフィルムに塗布形成された未架橋の高分子材料からなる絶縁膜を加熱して押圧し、前記基板上に絶縁膜を形成する方法であって、
前記基板上にフォトリソグラフィで所望のレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンに基づいて、配線層となる所定の金属膜を形成する工程と、
前記レジストパターンを保持したまま前記金属膜上に所定の密着層を形成する工程と、
前記密着層に所定の熱処理を行う工程と、
前記基板上から前記レジストパターンを除去する工程と、
前記密着層の上に前記ベースフィルムに塗布形成された未架橋の高分子材料からなる絶縁膜を加熱して押圧する工程と、
前記ベースフィルムを剥離する工程と、
前記絶縁膜の架橋のための熱処理を行う工程とを含むことを特徴とする絶縁膜の形成方法。