JPH0677208A

JPH0677208A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0677208A
Application number: JP22624292A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Kobayashi; 倫子小林; Shunichi Fukuyama; 俊一福山; Yoshiyuki Okura; 嘉之大倉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-08-25
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1994-03-18

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】主にシルアルキレン樹脂で形成された樹脂膜
を用い、樹脂膜にダメージを与えず、密着強度の大きな
積層絶縁膜を形成できる半導体装置の製造方法を提供す
る。【構成】一部の配線を形成した半導体集積回路基板上
に、５千〜５００万の重量平均分子量を有する、（Ｒ₁はＨ，ＯＨ、低級アルキル基または低級アルコキ
シ基、Ｒ₂はアルキレン基、Ｒ₃は低級アルキル基やフ
ェニル基を用いたトリオルガノシリル基、ｎは正の整数
を表す）の有機硅素重合体を主成分とする樹脂層を塗布
し、熱硬化して樹脂絶縁層を形成する工程と、該樹脂絶
縁層の上に無機絶縁膜をイオンビームアシストによる真
空蒸着によって堆積する工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に多層配線間に無機膜／有機膜の積層絶縁膜
を有する半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】半導体装置の集積度の向上と共に、多層配
線の重要度が増している。このため、層間絶縁膜として
優れた平坦化特性を有する有機硅素樹脂が着目されてい
る。

【０００３】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の高集積化に伴っ
て、各構成要素の微細化が進んでいる。このため、素子
形成後の表面段差が大きくなる傾向がある。また、配線
幅減少に伴う高抵抗化を防ぐために、配線の厚みも厚く
なる傾向にある。このため、配線後の段差も大きくなる
傾向がある。

【０００４】多層配線を行なう際、下地の段差が大きい
と次段の配線が不正確になったり、断線したりして半導
体装置の信頼性に重大な影響を生じる。このため、優れ
た平坦性が得られる層間絶縁膜が必要とされている。

【０００５】従来、層間絶縁膜の材料としては、二酸化
硅素、窒化硅素、ＰＳＧ等の無機材料、あるいはポリイ
ミド、シリコン樹脂等の有機高分子絶縁材料、またはこ
れらの積層体が用いられてきた。

【０００６】素子間に配線を施した半導体基板の表面
は、配線による凹凸段差を有する。多層配線を行なうた
め、凹凸を有する下地上にＣＶＤ等によって無機材料で
構成される層間絶縁膜を形成すると、この層間絶縁膜の
表面は下地の凹凸をそのまま再現してしまう。このよう
な凹凸は、その上に形成される上層配線の断線、配線層
間の絶縁不良等の原因となる。

【０００７】したがって、凹凸を有する下地上に形成し
た層間絶縁膜の表面を平坦にすることのできる技術の開
発が望まれていた。層間絶縁膜の表面を平坦化する技術
としては、エッチバック法、バイアススパッタ法等が知
られている。

【０００８】エッチバック法は、凹凸を有する表面上を
レジストや樹脂等で埋め込み、平坦な表面を得た後、全
面をエッチバックする方法である。バイアススパッタ法
は、バイアスを印加した状態でスパッタを行い、凹部に
厚く、凸部に薄く絶縁膜を堆積し、結果として平坦化さ
れた表面を得る方法である。これらの方法は、層間絶縁
膜製造プロセスが複雑化する側面を有する。

【０００９】また、凹凸を有する下地表面上に、直接樹
脂をスピンコートにより成膜し、平坦な表面を有する絶
縁膜を得る方法が知られている。この樹脂塗布法は、製
造プロセス的に簡単である利点を有する。

【００１０】樹脂塗布法においては、樹脂を塗布した後
に、加熱、硬化させる必要がある。埋め込み用樹脂とし
ては、ポリイミド樹脂、シリコン系ハードコート材料等
が知られている。

【００１１】ポリイミド樹脂等の有機系高分子材料は、
４００℃程度の温度で酸化されたり熱分解されたりする
性質を有する。シリコン系ハードコート材料は、硬化後
にシリコン酸化膜に近い低熱膨張率の材料となり、硬化
反応による膜の内部歪と熱衝撃によりクラックが発生し
やすい。このため、シリコン系ハードコート材料は薄膜
でしか使用できない制限を有する。

【００１２】シルアルキレン樹脂は、一般のシリコン系
樹脂と比較して熱衝撃によるクラックが生じにくく、厚
膜で使用可能である。ただし、有機基を含有しているた
め、酸化されやすく、層間絶縁膜として単独で使用する
のは難しい。

【００１３】そこで、シルアルキレン樹脂を平坦化層と
して用い、その上にＳｉＯ₂等の無機膜を形成する方法
が検討されている。無機膜は、真空蒸着、プラズマＣＶ
Ｄ等によって形成されている。

【００１４】ところが、真空蒸着は一般にピンホールを
生じやすく、高融点の無機物を用い、十分な電気的絶縁
性を持つ膜を形成するためには、樹脂膜の付いた基板を
高温にし、膜厚を１μｍ以上としなければならない。そ
のため、無機膜作成に時間がかかり、集積回路の熱伝導
特性を低下させ、特性劣化を招いてしまう。

【００１５】一方、プラズマＣＶＤは、真空蒸着に比べ
て緻密なＳｉＯ₂膜を形成することができるので、十分
な絶縁性を持つＳｉＯ₂膜厚は数千Åでよい。しかし、
膜形成時に酸素プラズマを用いるため、活性酸素によっ
て下地である樹脂膜が酸化されてしまい、平坦化層にク
ラックが生じることがある。

【００１６】また、疏水性の樹脂膜と親水性の無機膜の
密着性が低いため、後に行なわれる上部層形成工程に必
要な高温加熱、エッチング等の処理の際に無機膜が剥が
れてしまうことがある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
平坦化特性に優れた絶縁膜としてシルアルキレン樹脂が
注目されているが、層間絶縁膜として実用化するために
は、解決すべき課題が残されている。

【００１８】本発明の目的は、主にシルアルキレン樹脂
で形成された樹脂膜を用い、かつ樹脂膜にダメージを与
えず、密着強度の大きな積層絶縁膜を形成することので
きる半導体装置の製造方法を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、少なくとも一部の配線を形成した半導体集積
回路基板上に、５，０００〜５，０００，０００の重量
平均分子量を有する、一般式

【００２０】

【化２】

【００２１】（ただし、Ｒ₁は水素、ヒドロキシル基、
低級アルキル基または低級アルコキシ基、Ｒ₂はアルキ
レン基、Ｒ₃は低級アルキル基、またはフェニル基を用
いたトリオルガノシリル基、ｎは正の整数を表す）で表
わされる有機硅素重合体を主成分とする樹脂層を塗布
し、熱硬化して樹脂絶縁層を形成する工程と、該樹脂絶
縁層の上に無機絶縁膜をイオンビームアシストによる真
空蒸着によって堆積する工程とを含む。

【００２２】

【作用】一般式

【００２３】

【化３】

【００２４】（ただし、Ｒ₁は水素、ヒドロキシル基、
低級アルキル基または低級アルコキシ基、Ｒ₂はアルキ
レン基、Ｒ₃は低級アルキル基、またはフェニル基を用
いたトリオルガノシリル基、ｎは正の整数を表す）で表
わされる有機硅素重合体は、柔軟性に富んだシルアルキ
レン樹脂であり、半導体基板上に厚く塗布することが可
能である。

【００２５】この樹脂層の上に、無機絶縁膜をイオンビ
ームアシストによる真空蒸着によって堆積すると、イオ
ンビームの持つ運動エネルギが堆積時の無機膜分子に与
えられ、内部応力の小さな、緻密で配列性の高い無機膜
が得られる。ピンホールが少ないため、酸素遮蔽性が高
く、シルアルキレン樹脂を酸素から保護することができ
る。

【００２６】また、堆積時の無機膜構成分子のエネルギ
が高いため、シルアルキレン樹脂で構成された下地層に
対し、密着強度の強い無機薄膜が得られる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を実施例に沿って説明する。
５，０００〜５，０００，０００の重量平均分子量を有
する、一般式

【００２８】

【化４】

【００２９】（ただし、Ｒ₁は水素、ヒドロキシル基、
低級アルキル基または低級アルコキシ基、Ｒ₂はアルキ
レン基、Ｒ₃は低級アルキル基ないしフェニル基を用い
たトリオルガノシリル基、ｎは正の整数を表す）で表わ
されるシルアルキレン樹脂は、スピンコートにより成膜
可能であり、半導体基板上の凹凸を平坦化できる。ま
た、このシルアルキレン樹脂は、熱衝撃によるクラック
が発生しにくいため、厚膜にして使用することができ
る。

【００３０】しかし、このシルアルキレン樹脂は、有機
基を有しているため、酸化されやすい。シルアルキレン
樹脂の酸化を防止するためには、表面に酸素を遮蔽する
能力を有する無機膜を形成することが望まれる。

【００３１】イオンビームアシストによる真空蒸着は、
１０^-4〜１０^-5Ｔｏｒｒの真空中で、アルゴン等の不活
性ガスをイオンビームとして基板に照射しながら、Ｓｉ
Ｏ₂等の成膜物質の蒸着を行なうものである。

【００３２】基本的には、イオンビームの持つ運動エネ
ルギがＳｉＯ₂分子等の成膜物質に与えられ、成膜物質
が基板上に堆積する時の配列に利用される。このため、
内部応力の小さな、したがって緻密で配列性の高い膜が
得られる。また、内部応力が小さいため、樹脂膜上に一
様に無機膜が成膜でき、ピンホールフリーで、マクロ的
に樹脂膜との密着強度が大きな無機薄膜が得られる。

【００３３】イオンビームアシストによる真空蒸着を行
なう際には、成膜物質の化学的性質に変化を与えないた
め、イオンビーム源としては不活性ガスを用いることが
好ましい。

【００３４】また、イオンによる電荷を中和するために
は、電子ビーム源等の電荷ニュートラライザにより基板
表面にイオンビームの極性と逆極性の電荷を与えること
が好ましい。また、真空蒸着に先立って、イオンビーム
のみを照射することにより、下地表面をボンバードすれ
ば清浄な下地表面が得られ、密着性の良い膜が得られ
る。

【００３５】特定のシルアルキレン樹脂を用いることに
より、厚膜の平坦化層が形成でき、さらにこの平坦化層
上に、イオンビームアシストによる真空蒸着で無機薄膜
を形成することにより、良好な絶縁特性、酸素遮蔽性が
得られ、信頼性の高い半導体集積回路装置の多層配線が
可能となる。

【００３６】合成例１１、２−ビス（メチルジメトキシシリル）エタン５０ｇ
とメタノール３０ｇの混合液に硝酸を添加し、さらにイ
オン交換樹脂による純水１５ｇを滴下して５０℃で２時
間攪拌を行なった。冷却後、メチルイソブチルケトン１
５０ｇを加えて静置すると、有機層と水層に分離する。
水層を除去して、さらに十分な水洗を行なった。

【００３７】次に、トリエチルアミン５０ｇとフェニル
ジメチルクロルシラン８０ｇを添加して７０℃で２時間
反応させ、シリル化を行なった。冷却後、分離した水層
を除き、さらに十分な水洗を行なった。

【００３８】得られた反応液にメタノールを加えて沈澱
させ、沈澱物を濾過後、これをベンゼンに溶解して凍
結、乾燥させた。このようにして、重量平均分子量が
５，０００〜５，０００，０００程度のシルアルキレン
重合体を主成分とするシリコン樹脂を得た。

【００３９】半導体装置の製造図１は、本実施例による半導体装置の製造方法の工程を
示す断面図である。ｎ型シリコン基板４の表面には、Ｌ
ＯＣＯＳによって形成された厚い熱酸化膜６が選択的に
形成され、素子領域を画定している。

【００４０】素子領域上においては、たとえば厚さ約２
５０ÅのＳｉＯ₂膜で形成されたゲート絶縁膜１０が形
成され、その上に多結晶シリコン（ポリＳｉ）で形成さ
れたゲート電極９が形成されている。

【００４１】ゲート電極９は、所定形状にパターニング
されており、このゲート電極９をマスクとして用いたイ
オン注入により、Ｓｉ基板４表面部にｎ⁺型ソース領域
Ｓ、ドレイン電極Ｄが形成されている。

【００４２】ゲート電極９を覆って、ＣＶＤ酸化膜７が
形成され、電極を形成すべき領域上に開口が形成されて
いる。このＣＶＤ酸化膜７上に、第１層目Ａｌ配線層８
が堆積され、パターニングされてソース電極、ゲート電
極、ドレイン電極を形成している。

【００４３】第１層目Ａｌ配線層８の厚さはたとえば１
μｍであり、最小線幅、最小線間隔も約１μｍである。
このようにして、Ｓｉ基板４表面上に、ｎチャネルＭＯ
Ｓトランジスタ構造が形成されている。なお、Ｓｉ基板
４上には、多数のＭＯＳトランジスタ構造が形成されて
いるものとする。

【００４４】このように、ＭＯＳトランジスタ構造を形
成したＳｉ基板４の表面上に、上述のシルアルキレン樹
脂のｎ−ブチルエーテル溶液をスピンコートする。スピ
ンコートされたシルアルキレン樹脂の樹脂層５は、ほぼ
平坦な表面を形成する。

【００４５】液状樹脂をスピンコートによって塗布した
後、１５０℃で１５分間溶剤の乾燥を行なった。次に、
４５０℃で１時間熱処理すると、重合による硬化が進
み、厚さ約１．５μｍの樹脂層５が形成される。このよ
うにして、図１（Ａ）に示す構造を得る。

【００４６】熱処理後の樹脂層５表面の段差は、最大
０．２μｍ以下であり、第１層目Ａｌ配線により生じた
段差は十分平坦化されたといえる。次に、樹脂層５上に
上層加工時の保護膜となる無機絶縁膜を、以下のように
して堆積した。

【００４７】図２は、無機絶縁膜の堆積に用いるイオン
ビームアシスト蒸着装置の主要部を断面で示す。図２に
おいて、真空容器２１内には、その上部に回転可能なド
ーム２２が配置され、蒸着膜を堆積すべき下地基板を保
持する。図においては、図１（Ａ）に示したようなＳｉ
基板２３がドーム２２下面に保持されている。

【００４８】真空容器２１側方には、ハロゲンランプ２
７が設けられており、Ｓｉ基板２３をハロゲンランプ２
７が発する光で照射することにより、所望温度に加熱す
ることができる。

【００４９】また、真空容器２１下方には、ＳｉＯ₂等
の蒸着物質を保持し、蒸発させるための電子ビーム蒸着
源２４、蒸着時にＡｒ等の不活性ガスのイオンを形成
し、Ｓｉ基板２３上にイオンビームを照射するためのイ
オン銃２５、イオンビーム照射によるＳｉ基板２３表面
の正のチャージアップを中和するための電子ビーム発生
装置２８が配置されている。

【００５０】なお、イオン銃２５の上には、イオンビー
ムを遮蔽することのできる可動式イオン銃シャッタ２６
も配置されている。なお、図示しないが、真空容器２１
にはＳｉＯ₂蒸着時に不足する酸素を補給するための酸
素ノズルも設けられている。また、真空容器２１は接続
配管３１を介して真空排気装置に接続される。

【００５１】電子ビーム蒸着源２４、イオン銃２５、電
子ビーム発生装置２８は、電源制御装置２９に接続さ
れ、それぞれ制御された電力を供給される。また、イオ
ン銃２５は、ガス制御装置３０を介してＡｒガス源に接
続されており、制御された流量のＡｒイオンビームを発
生する。

【００５２】まず、蒸着装置真空容器２１内のドーム２
２に、前述のようにして樹脂層５を塗布したＳｉ基板２
３を下向きに固定する。真空容器２１内を一旦１×１０
^-6Ｔｏｒｒまで真空排気後、真空度５×１０^-5Ｔｏｒｒ
の条件下でＡｒイオンビームを３０秒間Ｓｉ基板２３表
面、すなわち樹脂層５表面に照射して表面のイオンボン
バードメントを行なう。

【００５３】この工程によって、樹脂層５の表面は清浄
化されると同時に、活性化される。予め、十分清浄化さ
れた表面であれば、この工程を省くこともできる。次
に、Ｓｉ基板２３に、ハロゲンランプ２７からの光を照
射して表面温度を約３００℃に加熱し、酸素ガスを１０
ｃｃ／ｓｅｃの割合で真空容器２１内へ導入した。

【００５４】同時に、ガス制御装置３０からＡｒガスを
３ｃｃ／ｓｅｃの割合でイオン銃２５に導入し、イオン
加速電圧を５００Ｖ、電流値を５０ｍＡに設定してＡｒ
イオンビームをＳｉ基板２３に照射しつつ、ＳｉＯ₂源
である電子ビーム蒸着源２４からＳｉＯ₂ビームを基板
面に放射し、ＳｉＯ₂の蒸着を行なった。ＳｉＯ₂の蒸
着速度は２５Ａ／ｓｅｃとした。

【００５５】蒸着時、真空容器２１内の真空度は５×１
０^-5Ｔｏｒｒを保持た。またＳｉ基板２３表面の絶縁物
上のＡｒイオンビームの正電荷によるチャージアップを
防ぐために、電子ビーム発生装置２８から電子ビームを
照射し、電荷中和を行なった。

【００５６】このようにして、図１（Ｂ）に示すよう
に、樹脂層５上にＳｉＯ₂膜１１を堆積した。このイオ
ンビームアシスト蒸着によって形成されたＳｉＯ₂膜１
１の膜厚は５０００Ａ、屈折率は１．４５であった。

【００５７】なお、このＳｉＯ₂の屈折率はバルクＳｉ
Ｏ₂の屈折率１．４５と同等であり、緻密な膜が得られ
ていることが判った。なお、イオンビームアシストなし
の真空蒸着で成膜したＳｉＯ₂の屈折率は１．３５程度
である。ＳｉＯ₂膜形成後、光学顕微鏡により樹脂層
５、ＳｉＯ₂膜１１を観察したところ、クラックは全く
観測されなかった。

【００５８】図２（Ｂ）の工程で得られたイオンビーム
アシスト蒸着によるＳｉＯ₂膜１１の耐熱特性を調べる
ため、４００℃まで昇温して室温まで冷却する熱衝撃試
験を行なった。

【００５９】プラズマＣＶＤで堆積したＳｉＯ₂膜の場
合には、同様の試験で無数のクラックが生じるのに対
し、イオンアシスト蒸着によるＳｉＯ₂膜の場合には、
クラックの発生は見られなかった。なお、無機絶縁膜と
してＳｉＯ₂以外に、たとえば窒化シリコン等、他の絶
縁物を用いることもできる。

【００６０】ピンホールの存在を調べるために、弗酸水
溶液によるエッチング処理を行なった。単に蒸着したＳ
ｉＯ₂膜の場合、ＳｉＯ₂膜中のピンホールを介して弗
酸水溶液が浸透してＳｉＯ₂膜、あるいは樹脂膜の剥離
が生じるが、上述のイオンアシスト蒸着によるＳｉＯ₂
の場合、全く剥離は生じなかった。

【００６１】熱衝撃試験および弗酸水溶液によるエッチ
ング処理を行なった後、電気的絶縁性の試験を行なっ
た。この状態でも樹脂層５とＳｉＯ₂膜１１の積層の絶
縁耐圧は良好で、十分な絶縁性が得られた。

【００６２】なお、図１（Ｂ）に示すＳｉＯ₂膜１１の
イオンアシスト蒸着の後、図１（Ｃ）に示すように、こ
のＳｉＯ₂膜１１の所定位置に、ホトリソグラフィによ
り選択的エッチングを行い、コンタクトホール１２を形
成する。

【００６３】エッチングは、酸化膜１１に対して弗酸系
水溶液を、また樹脂層５に対してはプラズマアッシング
を用いる。コンタクトホール１２により、第１層目Ａｌ
配線層８が露出される。

【００６４】次に、コンタクトホール１２内に充填する
ようにして、ＳｉＯ₂膜１１上に第２層目Ａｌ配線層１
３を堆積する。この後、第２層目Ａｌ配線層１３を所定
形状にパターニングすることにより、所望の配線パター
ンを形成する。

【００６５】以下、同様の工程を繰り返せば、多層配線
半導体装置を作成することができる。上述のシルアルキ
レン樹脂組成以外にも、水素、ヒドロキシル基、プロピ
ル以下の低級アルキル基や低級アルコキシ基をＲ₁に、
アルキレン基をＲ₂に、また低級アルキル基やフェニル
基を用いたトリオルガノシリル基をＲ₃とする化学式
（１）で示される組成物を用いることができる。

【００６６】樹脂の重量平均分子量は５，０００〜５，
０００，０００が好ましい。これより低い分子量（重合
度）では、絶縁性が低く、これより高い分子量（重合
度）では熱衝撃に対してもろくなる。

【００６７】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
配線形成工程等に十分耐えうる熱的、化学的に安定な高
品位層間絶縁膜を有する半導体装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例による半導体装置の製造方法の主要工程
を示す断面図である。

【図２】無機絶縁膜堆積に用いられるイオンビームアシ
スト蒸着装置の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

４Ｓｉ基板５樹脂層６熱酸化膜７ＣＶＤ酸化膜８第１層目Ａｌ配線層９ポリＳｉゲート電極１０ゲート絶縁膜１１ＳｉＯ₂膜（イオンビームアシスト蒸着膜）１２コンタクトホール１３第２層目Ａｌ配線層２１真空容器２２ドーム２３Ｓｉ基板２４電子ビーム蒸着源（ＳｉＯ₂ソース）２５イオン銃２７ハロゲンランプ２８電子ビーム発生装置２９電源制御装置３０ガス制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一部の配線を形成した半導体
集積回路基板上に、５，０００〜５，０００，０００の
重量平均分子量を有する、一般式【化１】（ただし、Ｒ₁は水素、ヒドロキシル基、低級アルキル
基または低級アルコキシ基、Ｒ₂はアルキレン基、Ｒ₃
は低級アルキル基、またはフェニル基を用いたトリオル
ガノシリル基、ｎは正の整数を表す）で表わされる有機
硅素重合体を主成分とする樹脂層を塗布し、熱硬化して
樹脂絶縁層を形成する工程と、該樹脂絶縁層の上に無機
絶縁膜をイオンビームアシストによる真空蒸着によって
堆積する工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項２】さらに、前記無機絶縁膜を堆積する工程
の直前に、同一真空容器中で前記樹脂絶縁層表面をイオ
ンビームアシストに用いるイオンビームでボンバードメ
ントする工程を含み、前記イオンビームアシストによる
真空蒸着の際、電子ビームによる電荷中和を行なう請求
項１記載の半導体装置の製造方法。