JPH0428232A - 半導体装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置、特に、選択的にビアホルを含む
溝を開口したポリイミド系有機樹脂膜よりなる層間絶縁
膜と配線とから構成された多層配線構造を有する半導体
装置に利用する。

〔概要〕

本発明は、層間絶縁膜としての有機樹脂膜と、配線と、
有機樹脂膜を貫通して形成され配線金属が埋め込まれた
溝とを備えた多層配線構造の半導体装置において、 溝が直接有機樹脂膜と接する溝の周辺部には無機系絶縁
膜を設け、直接溝内の配線金属が有機樹脂膜と接触しな
いようにし、かつ、溝内に埋め込まれた配線金属の断面
が下部に向かうほど断面の幅は狭くかつ側壁が鉛直に近
づくようにし、配線間の実際の間隔を広げるようにする
ことにより、有機樹脂膜、無機系絶縁膜および配線の剥
がれを防止するとともに、配線容量および配線抵抗を減
少できるようにしたものである。

〔従来の技術〕 従来の選択的にピアホールを含む溝を開［コしたポリイ
ミド系有機樹脂膜よりなる層間絶縁膜と、金属配線とか
ら構成された多層配線構造を有する半導体装置は、第６
図に示す第一従来例のように、その多層配線構造が、ポ
リイミド系有機樹脂膜５および５ａが、配線６および６
ａに直接接した構造か、または、第７図に示す第二従来
例のように、配線６および６ａの上面と側面、および配
線間隔部を覆う、無機系絶縁膜３．３ｄおよび３ｅを有
し、その上にポリイミド系有機樹脂膜５および５ａを有
する構造となっていた。

さらに、断面積が、２μｍ２以下であり、かつ、配線ピ
ッチが４μｍ以下の配線を有する多層配線構造を有する
半導体装置は、第６図または第７図に示したものと同じ
構造となっており、該当する配線の高さ対幅の比（アス
ペクト比）は、概ね、１．４以下であった。

なお、第６図および第７図において、１は半導体基板で
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述した従来の半導体装置では、第６図のような、ポリ
イミド系有機樹脂膜と配線とが直接接した横曲となって
いる場合は、ポリイミド系有機樹脂膜と配線との間の密
着性が悪いため、ポリイミド系有機樹脂膜や配線に剥が
れが生じる欠点があった。

また、第７図のような、配線の」二面と側面および配線
間隔部のポリイミド系有機樹脂膜の全体を覆う無機系絶
縁膜を有し、その１−にポリイミド系有機樹脂膜を有す
る構造となっている場合は、ポリイミド系有機樹脂膜に
含まれる水分が、上部を覆う無機系絶縁膜のために上部
に抜は出せないため、後工程の熱処理時にポリイミド系
有機樹脂膜にふくれや剥がれが生じやすく、上層の配線
が断線しやすい欠点があった。

さらに、配線形成時にスパック後に選択的エツチングを
施す方法の場合には、配線幅が細くなり、メツキ法の場
合には幅が広がりやすく、隣接配線間容量が増える。

また、断面積が２μｍ２以下であり、かつ、配線ピッチ
が４μｍ以下の配線を有する場合は、多層構造とするた
めに、平坦化する必要があるため、配線の膜厚を薄くす
る必要があり、配線の高さ対幅の比すなわちアスペクト
比は概ね１．４以下であった。このように、高さ対幅の
比が小さい場合、隣接する配線間容量および配線と基板
の間の容量（以下、対基板容量という。）が大きくなる
ため、配線系での信号伝搬遅延時間（以下、配線遅延時
間という。）が長くなり、回路動作が遅くなる欠点があ
った。

さらに、また、アスペクト比が１．４以上の配線は、従
来のように１回のフォトリソグラフィー工程で形成する
場合、配線を形成する方法がスパッタ後の選択的なエツ
チングである場合にも、メツキ法である場合にも、断面
形状が逆台形となりやすいた袷、断面積が小さくなって
しまい、抵抗が大きくなり、回路動作時の配線遅延時間
が長くなる欠点があった。このような抵抗の増加を防ご
うとすると、配線のパターニング時にマスクサイズを大
きくなる必要が生じ、配線間隔が配線の上部で狭まって
しまい、隣接配線間容量が増加する欠点もあった。

本発明の目的は、前記の欠点を除去することにより、ポ
リイミド系有機樹脂膜、および配線の剥がれを防止し、
かつ、各種容量および配線の抵抗を減少させた半導体装
置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、層間絶縁膜としての有機樹脂膜と、配線と、
前記有機樹脂膜を貫通して形成され配線金属が埋め込ま
れた溝とを備えた多層配線構造の半導体装置において、
前記溝が直接前記有機樹脂膜と接する溝の周辺部に形成
された無機系絶縁膜を含み、前記溝の配線金属が埋め込
まれる部分の断面は、下部に向かうほど断面の幅は狭く
かつ側壁が鉛直に近づくように形成されたことを特徴と
する。

また、本発明は、前記溝は、側壁が鉛直であり、側壁に
形成された前記無機系絶縁膜は、両側壁間の間隔が上へ
向かうほど広くなりかつ下へ向かうほど鉛直に近づくよ
うな傾斜を有することができる。

また、本発明は、前記溝は、側壁が下へ向かうほど溝の
幅が狭くなり上に向かうほど鉛直に近づくような傾斜を
有し、側壁に形成された前記無機系絶縁膜は、両側壁間
の間隔が上へ向かう程広くなりかつ下へ向かうほど鉛直
に近づくような傾斜を有することができる。

また、本発明は、前記半導体装置において、前記溝を介
して接続された上部配線および下部配線の二段構造から
構成された一つの配線を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、この半導体装置において、前記配線は
、配線の断面積が２μｍ２以下、配線ピッチが４μｍ以
下、および配線の高さ対配線の平均幅の比が１．４以上
２．０以下であることが好ましい。

また、本発明は、有機樹脂膜はポリイミド系有機樹脂膜
であることが好ましい。

〔作用〕

溝が直接例えばポリイミド系の有機樹脂膜を接する溝の
周辺部（側壁のほかに有機樹脂膜と接する底部および上
部を含む）には、例えばシリコン酸化膜からなる無機系
絶縁膜が形成される。

これにより、有機樹脂膜と配線とが直接接することはな
（、間に無機系絶縁膜を有するため、密着性がよくなり
、有機樹脂膜や配線に剥がれが生じ配線の断線に至るこ
とはなくなる。

また、無機系絶縁膜は、溝内の配線の周囲にしか存在せ
ず、有機樹脂膜の全面を覆っているわけではないので、
後工程の熱処理時に有機樹脂膜中の水分が上部液は出せ
るため、有機樹脂膜にふくれや剥がれが生じて上層の配
線に断線を引き起こすことがない。

さらに、配線形成時のフォトリングラフィ工程に用いる
マスクパターンは、配線形成用の溝の側壁に形成された
無機系絶縁膜の分だけ、大きくとることができ余裕が生
じる。

しかも、溝内の配線の断面は、下に向かう程配線幅が狭
く、しかも下に向かう程鉛直に近づくような形状のため
、隣接する配線同士の間隔を大きくとることができ、隣
接配線間容量を減少させる。

また、配線の断面積が２μｍ２以下であり、かつ配線ピ
ッチが４μｍ以下である場合には、配線のアスペクト比
を１．４以上２．０以下とすることにより、配線容量は
最小となるので（第５図参照）、配線遅延時間が短くな
る。さらに、一つの層の配線を、上部と下部に別々に形
成しているので、断面形状が従来例よりは長方形に近く
、マスクサイズを大きくすることなしに断面積を大きく
とることができ、配線間隔が配線上部で狭まることに起
因する隣接配線間容量の増加も抑えることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の第一実施例の要部を示す模式的断面図
である。

半導体基板１の上にコンタクト２を選択的に開口した例
えばシリコン酸化物からなる無機系絶縁膜３、およびそ
の上に配線形成用の溝４を選択的に開口したポリイミド
系有機樹脂膜５を有している。溝４の側壁は鉛直である
か、または溝幅が下へ向かう程狭くなり、かつ、上へ向
かう程鉛直に近づくような傾斜を有し、側壁に、対峙す
る例えばシリコン酸化物からなる無機系絶縁膜３ａを有
し、この無機系絶縁膜３ａは、対峙する間隔部が上へ向
かう程広くなるような、かつ、下へ向かう程鉛直に近づ
くような傾斜を有する。この間隔部を埋める例えば静か
らなる配線６を有し、配線６の上部にピアホール７の部
分を除いて、無機系絶縁膜３ｂを有し、さらに、選択的
にピアホール７を有する全体を覆うポリイミド系有機樹
脂膜５ａを有し、上層の配線と電気的に接続されている
。

なお、コンタクト２にはへＵ膜９を介して配線材料と基
板材料との相互拡散を防ぐために、パリアメクルとして
のＷ膜８が埋設されている。また、図示されていないけ
れども、第二層配線より上の層も、第−層配線と同様に
形成されており、多層配線の最上層には、ポリイミド系
有機樹脂膜が表面保護用に形成されている。

本発明の特徴は、第１図において、ポリイミド系有機樹
脂膜５に形成された溝４が直接ポリイミド系有機樹脂膜
５および５ａと接する溝の周辺部に形成された無機系絶
縁膜３ａおよび３ｈを含み、溝４の配線金属が埋め込ま
れる部分の断面は、下部に向かうほど断面の幅は狭くか
つ側壁が鉛直に近づくように形成されたことにある。

次に、本第−実施例の製造方法について、第２図（ａ）
〜（ｄ）に示す半導体装置の主要工程における模式的断
面図を参照して説明する。

まず、第２図（ａ）のように、半導体基板１の上に、コ
ンタクト２を選択的に開口した例えばシリコン酸化膜か
らなる無機系絶縁膜３を形成し、Ｗ膜８および配線６の
材料であるＡｕを用いたへｕ膜９を配線の厚さの１０分
の１程度の厚さに全面に形成し、フォトリソグラフィ工
程、および反応性イオンエンチングにより、将来配線６
が形成される部分のみにＡｕ膜９およびＷ膜８を残す。

次に、第２図（ｂ）のように、ポリイミド系有機樹脂膜
５を全面に形成し、フォトリソグラフィ工程、および反
応性イオンエツチングにより、将来配線６が形成される
部分に溝４を形成する。溝４の側壁は、鉛直であるか、
または、溝幅が下へ向かう程狭くなり、かつ、上へ向か
う程鉛直に近づくような傾斜を有している。

次に、第２図（Ｃ）のように、無機系絶縁膜３ａを全面
形成し、反応性イオンエツチングにより全面をエツチン
グし、溝４の側壁部のみに残す。この両側壁に残った無
機系絶縁膜３ａは、対峙るす間隔部が上へ向かう程広く
なるような、かつ、下へ向かうほど鉛直に近づくような
傾斜を有している。

次に、第２図（ｄ）のように、メツキ法により、溝４の
中にＡｕを材料とする配線６を埋設し、さらに無機系絶
縁膜３ｂを全面に形成し、フオ）　ＩＪソゲラフイエ程
、および反応性イオンエツチングにより、配線６の上部
を残して除去する。その上に、全面を覆うポリイミド系
有機樹脂膜５ａを形成し、ｌ　ン 選択的にピアホール７を開口する。なお、第二層配線に
より上の配線については、将来、配線が形成される部分
に、選択的にピアホールを開口した無機系絶縁膜３およ
び配線材料であるへｕ膜９を形成し、その後、第２図（
ｂ）から第２図（ｄ）までの工程手順を繰り返すことに
なる。

本第−実施例では、配線とポリイミド系有機樹脂膜とが
直接触れることがなく、間に無機系絶縁膜を有しいるた
め、密着性がよい。また、無機系絶縁膜は、配線の回り
にのみ存在し、ポリイミド系有機樹脂膜全体を覆ってい
るわけではないので、後工程の熱処理時に、ポリイミド
系有機樹脂膜に含まれる水分が上に抜けるため、ふくれ
たり剥がれたりすることがなく、上層の配線が断線する
こともない。

さらに、配線形成時のフォ）　＋Ｊソゲラフイエ程に用
いるマスクパターンは、溝４の側壁に形成された無機系
絶縁膜３ａの分だけ大きくとることができ、しかも、配
線の断面は、下に向かう程配線幅が狭く、しかも下に向
かう程鉛直に近づくような形状のため、隣接する配線同
士の間隔を大きくとることができ、隣接配線間容量が増
えることもない。

第３図は本発明の第二実施例の要部を示すブロック構成
図である。

本第二実施例は、第１図の第一実施例において、本発明
の特徴とするところの、溝４を介して接続された上部配
線６ｂと下部配線６Ｃとの二段構造の一つの配線を備え
、（すなわち、第６図および第７図の従来例における配
線６ａを配線６ｂおよび６Ｃの二段構造としたものであ
る。）さらに、配線６ｂおよび６Ｃは、配線の断面積が
２μｍ２以下、配線ピッチが４μｍ以下、および配線の
高さ対配線の平均幅の比（アスペクト比）が１．４以上
２．０以下に設計されたものである。

本第二実施例における溝４および４ａの構造は実質的に
第１図の第一実施例と同じであり、溝４の上部に接して
ポリイミド系有機樹脂膜５ｂ中に溝４上が形成され、溝
４の側壁には無機系絶縁膜３ａが形成され、溝４ａの側
壁および上部にはそれぞれ無機系絶縁膜３Ｃおよび３ｂ
が形成される。

そして、溝４および４ａにはそれぞれ下部配線６Ｃおよ
び上部配線６ｂが埋め込まれる。

次に、本第二実施例の製造方法について第４図（ａ）お
よびら）に示す主要工程における半導体装置の模式的断
面図を参照して説明する。

まず、第４図（ａ）のように、第一実施例の第２図（ａ
）から第２図（Ｃ）までの工程を経た後、メツキ法によ
り溝４の中に八ｕを材料とする下部配線６Ｃを埋設した
後、全面にポリイミド系有機樹脂膜５ｂを形成し、下部
配線６Ｃ上に選択的に溝４ａを形成する。

次に、第４図（ｂ）のように、無機系絶縁膜３Ｃを再び
全面形成し、反応性イオンエンチングにより全面をエツ
チングし、溝４ａの側壁部のみに残す。

その後、第２図（ｄ）と同じ工程を経ることにより、第
３図の第二実施例が形成される。

以上の工程を経ることにより、断面積が２μｍ２以下、
かつピッチが４μｍ以下のの配線で、アスペクト比１．
４以上２．０以下の配線系を構築できるため、配線遅延
時間が最小に抑えられる。この第二実施例では、配線を
２回のフォトリングラフィ工程で形成しているため、断
面形状が逆台形となることもないため、断面積が小さく
なり抵抗が増えることもない。また、マスクパターンは
、溝４および溝４ａの側壁に残る無機系絶縁膜３ａおよ
び３Ｃの分だけ大きくとることができ、しかも、配線上
部での配線間隔の挟まりも抑えられるため、隣接配線間
容量が大きくなることもない。

しかも、本第二実施例においては、配線６ｂおよび６Ｃ
の断面積を２μｍ２以下、配線のピッチ４μｍ以下、配
線のアスペクト比を１．４以上２．０以下に設計してい
るので、第５図に示すように配線容量は最小となるので
、配線遅延時間を短くすることができる。

さらに、一つの層の配線を上部と下部とに別々に形成し
ているので、断面形状が従来例よりも長方形に近く、マ
スクサイズを大きくとることなしに断面積を大きくとる
ことができ、配線間隔が配線上部で狭まることに起因す
る隣接配線間容量の増加も抑えることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、有機樹脂膜および配線
のふくれや剥がれを防止しそれによる配線の断線をなく
すことができる効果がある。

さらに、配線間容量などの配線容量ならびに配線抵抗を
減少させ、信号伝搬遅延時間を短くし、回路動作特性を
改善できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例の要部を示す模式第２図（
ａ）〜（ｄ）はその主要製造工程における模式的断面図
。 第３図は本発明の第二実施例の要部を示す模式第４図（
ａ）および（ｂ）はその主要製造工程における模式的断
面図。 第５図は配線容量対配線ピッチの関係を示す特性図。 第６図は第一従来例の要部を示す模式的断面図。 第７図は第二従来例の要部を示す模式的断面図。 １・・・半導体基板、２・・・コンタクト、３．３ａ、
３ｂ　、３ｃ　、３ｄ　１３ｅ−・−無機系絶縁膜、４
．４ａ・・・溝、５．５ａ、５ｂ・・・ポリイミド系有
機樹脂膜、６．６ａ・・・配線、６ｂ・・・上部配線、
６Ｃ・・・下部配線、７・・・ピアホール、８・・・Ｗ
膜、９・・・Ａｕ膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、層間絶縁膜としての有機樹脂膜と、配線と、前記有
   機樹脂膜を貫通して形成され配線金属が埋め込まれた溝
   とを備えた多層配線構造の半導体装置において、 前記溝が直接前記有機樹脂膜と接する溝の周辺部に形成
   された無機系絶縁膜を含み、 前記溝の配線金属が埋め込まれる部分の断面は、下部に
   向かうほど断面の幅は狭くかつ側壁が鉛直に近づくよう
   に形成された ことを特徴とする半導体装置。 ２、前記溝は、側壁が鉛直であり、側壁に形成された前
   記無機系絶縁膜は、両側壁間の間隔が上へ向かうほど広
   くなりかつ下へ向かうほど鉛直に近づくような傾斜を有
   する請求項１記載の半導体装置、前記溝は、側壁が下へ
   向かうほど溝の幅が狭くなり上に向かうほど鉛直に近づ
   くような傾斜を有し、側壁に形成された前記無機系絶縁
   膜は、両側壁間の間隔が上へ向かう程広くなりかつ下へ
   向かうほど鉛直に近づくような傾斜を有する請求項１記
   載の半導体装置。 ４、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体
   装置において、 前記溝を介して接続された上部配線および下部配線の二
   段構造から構成された一つの配線を備えた ことを特徴とする半導体装置。 ５、請求項４記載の半導体装置において、 前記配線は、配線の断面積が２μｍ＾２以下、配線ピッ
   チが４μｍ以下、および配線の高さ対配線の平均幅の比
   が１．４以上２．０以下であることを特徴とする半導体
   装置。 ６、前記有機樹脂膜はポリイミド系有機樹脂膜である請
   求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体装置。