JPH04185640A - 有機硅素重合体と半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 有機硅素重合体とこれを使用する半導体装置に関し、 誘電率か低く、耐クラツク性か優れ、また平坦化性の優
れた絶縁材料を開発すると共に、これを半導体装置装置
の層間絶縁膜として使用することを目的とし、 下記の組成式（１）で表される無機燐硅素重合体の外側
に下記の組成式（２）で示される構造単位か結合した有
機硅素重合体を作り、該有機硅素重合体を層間絶縁膜と
して半導体装置を製造する。

［（Ｓｉ０４７２）　＋　（ＰＯ５／２）　ｗ、　］　
＋　　　・・・（１）（Ｒ３ＩＯｓｚ□）、　　　　　
　　　　・・・（２）ニーで、 Ｒは炭素数が１〜６のアルキル基またはフルオロアルキ
ル基を示し、平均分子量は５×１０３〜５Ｘ１０’。

１：ｍ＝８８〜９９　：　２０〜１ ｉ：ｊ＝９５〜５０：５〜５０ 〔産業上の利用分野〕 本発明は有機硅素重合体と、これを層間絶縁膜とする半
導体装置の製造方法に関する。

本発明に係る有機硅素重合体は誘電率か少なく、段差の
平坦化性が優れており、また耐酸素プラズマ性に優れて
いる。

そのため、この絶縁膜の使用により信頼性の高い半導体
装置を実現することができる。

〔従来の技術〕

半導体装置は集積度が向上してＬＳＩやＶＬＳＩか実用
化されているが、これは単位素子の小形化により実現さ
れており、そのため配線の最小線幅かサブミクロン（Ｓ
ｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ）のパターンか用いられるようにな
った。

一方、配線の微細化による電気容量の減少を防ぐために
配線パターンの厚さは６０００人〜１μｍと高くする必
要があり、そのため段差は益々大きくなる傾向にある。

このため、多層配線を形成する上で、優れた平坦性か得
られる層間絶縁膜か必要になっている。

また、情報処理の高速化により信号の周波数はＧＨｚに
まで及んでいるか、このように高速な信号を処理する半
導体装置の絶縁膜は、信号の伝播遅延時間（τ）を低減
するため、関係式（３）から明らかなように誘電率の小
さな材料を用いて形成する必要かある。

、＝：、Ｉ／２／。　　　　　　・・（３）こ＼て、 εは絶縁膜の誘電率、 Ｃは光の速度、 である。

従来、層間絶縁膜の材料としては無機絶縁材料や有機高
分子材料か使用されてきた。

すなわち、二酸化硅素（Ｓ１０□）、窒化硅素（Ｓｉｓ
Ｎ４）、燐硅酸ガラス（略称ＰＳＧ）なとの無機材料は
気相成長法（略称ＣＶＤ法）なとを用いて形成されてい
るか、ＣＶＤ法による場合は、下地と相似形に形成され
るために、基板面の凹凸かそのま＼再現され、この上に
形成される配線の断線や絶縁不良の原因となる。

また、無機材料は一般に誘電率か高いと云う問題がある
。

一方、ポリイミド、オルガノシロキサン樹脂などの有機
高分子材料はスピンコード法などにより形成されており
、基板面の平坦化には有効であるが、多層配線工程にお
ける酸素（０２）プラズマ処理によって有機基が酸化さ
れ、クラックを生じると云う問題がある。

例えば、ポリイミド系の材料は４００　”Ｃ程度の温度
で酸化されたり熱分解されたりして膜に歪みを生じ、こ
れによりクラックか発生する。

また、シリコーン系の材料は硬化後に酸化硅素膜に近い
熱膨張係数の小さな材料となり、硬化反応による膜の内
部歪みと熱衝撃によって５０００λ以下の薄膜でもクラ
ックを生ずると云う問題がある。

そこで、有機高分子材料を使用する場合は、この上に０
２ブラスマ処理によって化学変化を生じない無機膜を形
成する必要がある。

然し、でき得れば平坦化性の優れ、耐酸素プラズマ性か
優れ、且つ絶縁抵抗の優れた単一材料を用いて絶縁膜を
形成するのが望ましい。

〔発明か解決しようとする課題〕

以上記したように、半導体集積回路の層間絶縁膜に使用
する材料は誘電率か低く、平坦化能力が優れており、ま
た硬化工程などの熱処理によりクラックの発生すること
かないことが必要である。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は下記の一般式（］）で表される無機燐硅素
重合体の外側に下記の一般式（２ンで示される構造単位
か結合した有機硅素重合体を作り、この有機硅素重合体
を層間絶縁膜として半導体装置を製造することにより解
決することができる。

（（Ｓｉ０４７２）ｔ　（ＰＯ５ｙｘ）、　）　＋　　
　　・・・（１）（Ｒ５；０ｓ７ｚ）　ｔ　　　　　　
　　　　　・・・（２）こ−で、 Ｒは炭素数が１〜６のアルキル基またはフルオロアルキ
ル基を示し、平均分子■は５×１０３〜５Ｘ１０’。

１：ｍ＝８８〜９９　：　２０〜１ ｉ：ｊ＝９５〜５０：５〜５０ 〔作用〕 本発明は無機燐硅素重合体の外側を有機硅素重合体で覆
うことにより両者の特徴を合わせもつ組成物を実現する
ものである。

すなわち、ＳｉＯ□やＰＳＧなどの無機絶縁物は、■　
耐熱性か優れ、 ■　耐酸素プラズマ性に優れ、 ■　絶縁抵抗の高い絶縁膜を形成できる、などの特徴を
もつ反面、 ■　平坦化作用が乏しく、 ■　誘電率か高く、 ■　吸湿性か大きい、 なとの問題がある。

一方、シリコーン樹脂のような有機絶縁物は、■　平坦
化作用に優れ、 ■　誘電率が低く、 ■　吸湿性が少ない、 などの反面、 ■　耐熱性に劣り、 ■　耐酸素プラズマ性に劣る なとの問題がある。

そこで、本発明は無機燐硅素重合体の表面に有機硅素重
合体を配することにより、スピンコードを可能にし、ま
な、表面に疎水性の育機基を配向させるために吸湿性を
減らし、また誘電率を下げるもので、誘電率を３以下の
値にすることかできる。

また、このように表面コートした樹脂は従来のシリコー
ン樹脂に較べて有機成分や四官能構造単位を減らすこと
かできるために、加熱硬化時の収縮量か少なく、また、
酸素プラズマによる酸化を受けにくい。

そのためクラックを生じることなく３μｍの厚さまで使
用可能である。

〔実施例〕

合成例工： １４７のフラスコ中で、テトラアセトキシシラン０．５
モルをテトラヒドロフラン（略称ＴＨＦ）５００　ｍｌ
に溶解し、これにトリエチル燐酸０．５モルを加え、乾
燥塩化水素ガスを導入しなから２時間に亙って加熱還流
して白色の沈澱を得た。

濾別した沈澱を１００ｍ１のメタノールに溶してアセト
キシ基をメトキシ基に置換した後、イオン交換水５０ｍ
Ａ’を加え、５０°Ｃで１時間攪拌して加水分解−重縮
合を行った。

得られた無機燐硅素重合体溶液にメチルトリメトキシシ
ラン０，５モルを徐々に滴下しながら５０°Ｃで２時間
攪拌し、得られた樹脂溶液にブチルセロソルブ５０　ｍ
ｌを加え、更に減圧してメタノールとＴＨＦを留去し、
平均分子量か２．０Ｘ１０’の樹脂溶液を得た。

合成例２： １１のフラスコ中で、テトラアセトキシシラン０．５モ
ルをＴＨＦ５００　ｍ！！に溶解し、これにトリメチル
燐酸０．５モルを加え、乾燥塩化水素ガスを導入しなか
ら２時間に亙って加熱還流して白色の沈澱を得た。

濾別した沈澱を１００ｍ１！のメタノールに溶してアセ
トキシ基をメトキシ基に置換した後、イオン交換水５０
ｍ！！を加え、５０°Ｃで１時間攪拌して加水分解−重
縮合を行った。

得られた無機燐硅素重合体溶液に３．３．３−　トＩＪ
フルオロプロピルトリメトキシシラン０．５モルを徐々
に滴下しながら５０°Ｃで２時間攪拌し、得られた樹脂
溶液にブチルセロソルブ５０ｍＡを加え、更に減圧して
メタノールとＴＨＦを留去し、平均分子量か１．８Ｘ１
０”の樹脂溶液を得た。

実施例１： 第−層のＡβ配線（配線厚１μｍ、最小線幅１μｍ１最
小線間隔１．５μｍ）を施したＳｉ基板上に合成例１で
調整した樹脂溶液脂を３０００ｒｐｍ、　３０秒の条件
でスピンコード法により筒布して厚さが１μｍの塗膜を
作り、８０℃で２０分の溶剤乾燥を行った後、Ｎ２気流
中で４５０℃で３０分の熱処理を行った。

熱処理後の基板表面の段差は０．２μｍ以下であり、第
−層Ａｌ配線より生じた段差は平坦化されていた。

続いて、スルーホールを形成し、第二層目のＡｌ配線を
行い、保護層として１．３μｍのＰＳＧ層を形成した後
、電極取り出し用の窓開けを行って半導体装置を得た。

この装置は大気中５００°Ｃで１時間の加熱試験と一６
５〜１５０°Ｃの１０回の熱衝撃試験後も全く不良は認
められなかった。

実施例２： 第−層のｌ配線（配線厚１μｍ、最小線幅１μｍ、最小
線間隔１．５μｍ）を施したＳｉ基板上に合成例２で調
整した樹脂溶液脂を３０００ｒｐｍ、　３０秒の条件で
スピンコード法により塗布して厚さが１μｍの紛膜を作
り、８０℃で２０分の溶剤乾燥を行った後、Ｎ２気流中
で４５０℃で３０分の熱処理を行った。

熱処理後の基板表面の段差は０．２μｍ以下であり、第
−層Ａｊ’配線より生じた段差は平坦化されていた。

以下、実施例１と同様にスルーホールを形成し、第二層
目のＡＩ！配線を行い、保護層として１．３μｍのＰＳ
Ｇ層を形成した後、電極取り出し用の窓開けを行って半
導体装置を得た。

この装置は大気中５００°Ｃて１時間の加熱試験と＝６
５〜１５０℃の１０回の熱衝撃試験後も全く不良は認め
られなかった。

〔発明の効果〕 このように、無機燐硅素重合体の外側に有機硅素重合体
を配した組成物を眉間絶縁膜として使用することにより
、低誘電率で、耐クラツク性をもち、また高い平坦性を
得ることができ、これにより信頼性の高い半導体集積回
路を製造することかできる。

代１）′　弁１′″１″　井桁　貞°示。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）下記の組成式（１）で表される無機燐硅素重合体
   の外側に下記の組成式（２）で示される構造単位が結合
   してなることを特徴とする有機硅素重合体。［（ＳｉＯ
   ＿４＿／＿２）＿ｌ（ＰＯ＿５＿／＿２）＿ｍ］＿＿ｉ
   …（１）（ＲＳｉＯ＿３＿／＿２）ｊ…（２） こゝで、 Ｒは炭素数が１〜６のアルキル基またはフルオロアルキ
   ル基を示し、平均分子量は５× １０＾３〜５×１０＾４、 ｌ：ｍ＝８８〜９９：２０〜１ ｉ：ｊ＝９５〜５０：５〜５０
2. （２）請求項１記載の有機硅素重合体を層間絶縁膜とし
   て使用することを特徴とする半導体装置の製造方法。