JPH08222550A - 塗布絶縁膜の平坦化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＳＯＧ等の塗布絶縁膜の基板周縁部の肉厚部
の、簡便かつ確実な除去方法を提供する。 【構成】 塗布絶縁膜６上に有機高分子層７を形成し、
エッジリンスにより基板周縁部の有機高分子層７を除去
する。この有機高分子層７をマスクに、塗布絶縁膜６を
エッチング除去する。この段階で有機高分子層７と塗布
絶縁膜６の等速エッチバックを施してもよい。また有機
高分子層を全面的に除去した後に、塗布絶縁膜の無機化
や緻密化の熱処理を施してもよい。 【効果】 有機高分子層の周縁部の除去はエッジリンス
を採用するので、リソグラフィを用いることなく、極め
て簡便である。塗布絶縁膜の周縁肉厚部はエッチングに
より除去するので、確実に除去できる。

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等の製造分野
で適用される塗布絶縁膜の平坦化方法に関し、更に詳し
くは、回転塗布により形成される、基板周縁部の塗布絶
縁膜の肉厚部分を確実かつ簡単に除去することが可能な
塗布絶縁膜の平坦化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化が進
展するに伴い、内部配線のデザインルールは益々微細化
し、しかも多層化の方向に向かっている。かかる高集積
度化は、半導体装置の高性能化に寄与する一方、その信
頼性を低下させる原因となる虞れもある。これは、下層
配線上に形成する層間絶縁膜の段差が大きくかつ急峻と
なることにより、さらにこの層間絶縁膜上に形成する上
層配線のステップカバレッジや加工精度に問題を生じる
ことによる。さらに、高段差下地上のレジスト層のリソ
グラフィにおいては、近年の露光光の短波長化によるＤ
ＯＦ（Ｄｅｐｔｈｏｆ Ｆｏｃｕｓ）マージンの低下も
あり、レジストマスクのパターニング精度に悪影響をお
よぼす。したがって層間絶縁膜の平坦化は、高集積度の
半導体装置の信頼性を向上するために是非とも確立して
おかなければならないキープロセスの一つである。

【０００３】従来より、半導体装置の層間絶縁膜の平坦
化には、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎＧｌａｓｓ）のスピン
コーティングによる塗布絶縁膜が、その簡便さから広く
実用化されている。ＳＯＧは、シラノール結合（Ｓｉ−
ＯＨ結合）を少なくとも１つ分子内に有するシリコン化
合物を主成分とし、これをアルコール等の溶媒に溶解し
た塗布液、あるいはこの塗布液を塗布後焼成した絶縁膜
の総称である。ＳＯＧは無機ＳＯＧと有機ＳＯＧとに大
別され、各々特徴を有している。このうち無機ＳＯＧ
は、分子内に有機基を有しないシリコン化合物、一例と
してＳｉ（ＯＨ）₄ を主成分とするものである。膜中に
有機成分がないので１０００℃程度の高温熱処理が可能
であり、膜質は熱酸化によるＳｉＯ₂ に近く、緻密で良
好である。しかし膜厚を５００ｎｍ程度以上に厚くする
と熱処理時に堆積収縮やクラックが入りやすい。このた
め薄い塗布絶縁膜しか実用化できず、高段差下地の平坦
化には不向きである。

【０００４】他方の有機ＳＯＧは、分子内に有機基を有
するシリコン化合物であるＲ_n Ｓｉ（ＯＨ）_4-n （Ｒは
アルキル基、アルコキシ基等の有機基、ｎは１〜４の自
然数を表す）を主成分とするものである。有機成分を有
するため厚く塗布しても膜中にクラックが入りにくく、
また高段差の下地であっても平坦化の効果は良好であ
る。しかしながら、有機成分の熱分解を避けるために
は、熱処理温度は例えば５００℃以下の比較的低温が要
求され、膜質や、隣接するＡｌ系金属等の配線材料の耐
腐食性に関しては不十分である。このため、有機ＳＯＧ
は成膜後のエッチバック工程と組み合わせ、下地基板の
段差凹部のみに残し、さらにＣＶＤ等で膜質のよい絶縁
膜を積み増す等の対策が採られる。また近年では有機Ｓ
ＯＧ塗布膜の無機化による膜質の向上も試みられてい
る。すなわち、有機ＳＯＧ塗布膜を酸化雰囲気中で８５
０℃程度の熱処理を施し、有機基をＣＯ₂ やＨ₂ Ｏとし
て脱離するとともに、残ったシリコン原子をＳｉＯ₂ 化
するものである。塗布絶縁膜としては、ＳＯＧの他にも
耐熱性高分子であるポリイミド等が用いられる場合もあ
る。

【０００５】ＳＯＧ等の塗布絶縁膜は、このようにして
特性を補いつつ実用に供されているのが現状である。し
かしながら、スピンコーティングにまつわる問題は依然
として残る。それは、遠心力や表面張力により、基板周
縁部の塗布絶縁膜の膜厚が基板中央部よりも厚く形成さ
れる問題である。これはエッジビルトアップ現象等と呼
称され、この部分では後の熱処理時にクラックが入り易
い。また塗布絶縁膜成膜後の基板の取り扱いに際し、キ
ャリア等の治具に基板周縁部の肉厚部が接触してこの部
分の厚い塗布絶縁膜が削られたり剥離し、パーティクル
汚染の原因となる。したがって、半導体装置等の製造プ
ロセスの歩留りや、信頼性を低下する懸念がある。

【０００６】基板周縁部の塗布絶縁膜の除去方法とし
て、スピンコーティング後、熱処理前にエッジリンスを
施す方法がある。しかし塗布絶縁膜は粘度が大きいので
エッジリンスでは安定な除去は困難であり、たとえ除去
できても新たに周縁内側部に肉厚部分が形成される場合
があった。

【０００７】基板周縁部の塗布絶縁膜の他の除去方法と
して、塗布絶縁膜上全面にレジスト層を形成後露光、現
像して基板周縁部分のレジスト層を除去し、このレジス
ト層をマスクに基板周縁部の塗布絶縁膜をエッチングす
る方法もある。この方法は確実に基板周縁部の塗布絶縁
膜を除去できるが、露光、現像等のプロセスの追加が必
要であり、塗布絶縁膜による平坦化の特長であるプロセ
スの簡便さが相殺される結果となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は上述し
た従来技術の諸問題点を解決することであり、ＳＯＧ等
の塗布絶縁膜の基板周縁部の肉厚部を、簡便かつ確実な
手段で除去できる塗布絶縁膜の平坦化方法を提供するこ
とである。

【０００９】本発明の他の課題は、塗布絶縁膜のクラッ
クを防止し、またパーティクル汚染の虞れのない、信頼
性の高い半導体等の製造プロセスを実現しうる、塗布絶
縁膜の平坦化方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の塗布絶縁膜の平
坦化方法は、上述の課題を解決するために発案したもの
である。すなわち、基板上に塗布絶縁膜を回転塗布し、
基板周縁部の塗布絶縁膜の肉厚部を選択的に除去する塗
布絶縁膜の平坦化方法であって、塗布絶縁膜上全面に有
機高分子層を形成する工程と、基板周縁部の有機高分子
層をエッジリンスにより選択的に除去する工程と、有機
高分子層から露出する塗布絶縁膜を選択的にエッチング
除去する工程をこの順に施すことを特徴とするものであ
る。

【００１１】また本発明の塗布絶縁膜の平坦化方法は、
上述した有機高分子層から露出する該塗布絶縁膜を選択
的にエッチング除去する工程の後に、さらに、有機高分
子層を除去する工程と、塗布絶縁膜に熱処理施す工程を
この順に施すことを特徴とするものである。

【００１２】この有機高分子層を除去する工程は、有機
高分子層と塗布絶縁膜を等速エッチバックする工程であ
ってもよい。本発明で用いる有機高分子層は、通常のレ
ジストあるいは感光性のない一般的な高分子材料により
形成してよい。ただし、架橋反応により硬化した有機高
分子層は、エッジリンスによる除去が困難であるので、
これを除外する。

【００１３】

【作用】本発明の塗布絶縁膜の平坦化方法の骨子は、基
板周縁部の塗布絶縁膜の肉厚部を選択的に除去する手段
として、有機高分子層をマスクとしてエッチング除去す
る際に、有機高分子層の基板周縁部をエッジリンスによ
り選択的に除去し、これをマスクとして塗布絶縁膜をエ
ッチング除去する点にある。

【００１４】従来の塗布絶縁膜の平坦化方法として、す
でに述べたように塗布絶縁膜上全面に形成したレジスト
層に選択的に露光および現像処理を施して基板周縁部の
レジスト層を除去し、これをマスクに基板周縁部の塗布
絶縁膜を除去することは行われていた。本発明において
は、基板周縁部の有機高分子層の除去手段として露光現
像によらず、エッジリンスという簡便な手段を採用して
プロセスの複雑化を排除した。

【００１５】先述したように、塗布絶縁膜のスピンコー
ティング後熱処理前に、塗布絶縁膜自体をエッジリンス
して周縁肉厚部を除去する試みはあった。しかしこの場
合には、ＳＯＧ等の基本的に粘稠な塗布膜を直接エッジ
リンスしなければならず、安定な除去は困難であり、た
とえ除去できても新たに基板周縁内部に肉厚部分が形成
される場合もあった。本発明では、エッジリンスで除去
する塗布層はレジスト等有機高分子層であるので、ＳＯ
Ｇ等よりは粘度は格段に小さく、周縁部のみの除去は問
題なく達成される。また有機高分子層のエッジリンスに
際し、基板周縁内部に有機高分子層の肉厚部分が新たに
形成されたとしても、有機高分子層は最終的には除去す
るものであり、またマスクとしての機能に悪影響を与え
ることはない。このようにして、基板周縁部が選択的に
エッジリンス除去された有機高分子層をマスクとし、こ
の有機高分子層から露出した塗布絶縁膜をエッチングす
ることにより、基板周縁部の塗布絶縁膜の肉厚部を確実
に除去し、平坦化を達成することが可能となる。

【００１６】本発明の請求項２の方法によれば、基板周
縁部の塗布絶縁膜をエッチング除去した後、エッチング
マスクとしての機能を果たした有機高分子層を除去し、
さらに塗布絶縁膜に熱処理を施している。この方法によ
れば、この段階での熱処理により、塗布絶縁膜を無機化
処理あるいは緻密化処理を施すことができる。一方エッ
チングする段階においては、塗布絶縁膜は無機化処理あ
るいは緻密化される前であるから膜質は弱く、容易にエ
ッチングすることが可能で、平坦化の簡便性に寄与す
る。

【００１７】本発明の請求項３の方法では、基板周縁部
の塗布絶縁膜をエッチング除去した後、さらに有機高分
子層と塗布絶縁膜のエッチングレートが等速となる条件
でエッチバックする。この方法によれば、有機高分子層
の表面モホロジが塗布絶縁膜に転写され、塗布絶縁膜の
基板中央部分でのバルク平坦性がさらに向上する。すな
わち、有機高分子層はもともと平坦化を目的として形成
された塗布絶縁膜の上にさらにスピンコーティング等の
手段で形成したものであるから、表面の平坦性は優秀で
ある。そこでこの表面モホロジを利用し、等速エッチバ
ックにより塗布絶縁膜に転写することにより、塗布絶縁
膜のバルク平坦性を向上することが可能となるのであ
る。この後、塗布絶縁膜に熱処理を加えれば無機化処理
あるいは緻密化処理により膜質の向上を図ることができ
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、図１お
よび図２（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。以下の実
施例では、Ａｌ系金属配線上の層間絶縁膜に塗布絶縁膜
を適用し、これを平坦化する場合を例にとって説明を加
える。試料として、例えば８インチ径のシリコン等の半
導体基板２上にＳｉＯ₂ 等の絶縁膜３、下層配線である
Ａｌ系金属配線４、およびＳｉＯ₂ からなる下層層間絶
縁膜４を順次形成したものを用いた。図１に示すこの試
料を単に基板１と称することとする。図１は基板１の一
部の拡大断面図である。Ａｌ系金属配線４は例えば５０
０ｎｍの厚さにスパッタリングにより堆積し、０．３５
ｎｍのラインアンドスペースの形状にパターニングした
ものである。ＳｉＯ₂ からなる下層層間絶縁膜５は、プ
ラズマＣＶＤにより例えば３００ｎｍの厚さに堆積した
ものである。プラズマＣＶＤの特徴として、比較的低温
で膜質のよいＳｉＯ₂ 膜を形成することが可能である
が、その表面形状はコンフォーマルに近く、下層層間絶
縁膜５の表面は図示のようにＡｌ系金属配線４の形状を
反映した段差が形成されている。

【００１９】実施例１ 本実施例は、塗布絶縁膜として有機ＳＯＧを採用し、平
坦化を行った例である。図１に示す基板１を市販の通常
のスピナーにセッティングし、室温下２０００ｒｐｍの
回転数下で有機ＳＯＧを滴下し、塗布絶縁膜６を形成す
る。この後、２００℃で塗布絶縁膜６をプリベークし、
塗布絶縁膜６中の溶剤を除去する。この状態を図２
（ａ）に示す。同図に示すように、基板１周縁部にはエ
ッジビルトアップ現象による肉厚部が形成されている。
なお同図では、基板１全体の概略断面を示すが、基板１
中のＡｌ系金属配線４や下層層間絶縁膜５等の細部は図
示を省略する。また基板１の表面には、下層層間絶縁膜
５の表面段差が形成されているが、これも図示を省略す
る。基板周縁部の塗布絶縁膜６には、スピンコーティン
グに特有の肉厚部が形成されている。なお基板中央部分
の塗布絶縁膜６の厚さは、一例として５００ｎｍであ
り、平坦性は良好である。

【００２０】次に塗布絶縁膜６上に有機高分子層７をこ
れもスピンコーティングする。有機高分子層７は、通常
のノボラック系ポジ型レジストを用いてよいが、感光性
を有する必要はなく、通常の高分子材料であってもよ
い。乾燥後の有機高分子層７の厚さは、一例として８０
０ｎｍであり、その表面は極めて平坦性に優れる。この
状態を図２（ｂ）に示す。なお有機高分子層には、架橋
反応を起こすベーキング処理等は一切加えない。

【００２１】次に基板１をスピナーにセッティングして
エッジリンスを施す。エッジリンスは、基板を回転しな
がら基板周縁部のみに現像液等の溶剤を滴下あるいは噴
出する処理であり、周縁部の溶解した有機高分子層７は
遠心力で飛散して除去される。エッジリンスの幅は、塗
布絶縁膜６の肉厚部の幅に見合った幅とし、例えば２．
５ｍｍとする。この後有機高分子層７に対し、プリベー
ク、ポストベーク等のベーキング処理を施してエッチン
グ耐性を付与してもよい。この状態を図２（ｃ）に示
す。有機高分子層７が除去された部分からは、塗布絶縁
膜６の周縁肉厚部が露出している。

【００２２】有機高分子層７をエッチングマスクとし、
塗布絶縁膜６の露出部分をエッチング除去する。エッチ
ングはＦ系ガスを用いたドライエッチングでも良いが、
ＨＦ水溶液等によるウェットエッチングが簡便である。
エッチング終了後の状態を図２（ｄ）に示す。

【００２３】この後有機高分子層をアッシング等で除去
し、さらに塗布絶縁膜６に対し、熱処理を施す。この状
態を図２（ｅ）に示す。なお本実施例では下層配線とし
てＡｌ系金属配線を採用したが、高融点金属配線等、耐
熱性に問題がない配線材料を採用する場合には、酸化性
雰囲気中で８５０℃程度の熱処理を施し、無機化処理を
行ってもよい。

【００２４】本実施例によれば、もともと平坦性に優れ
た有機ＳＯＧを塗布絶縁膜として用い、基板周縁部の肉
厚部を除去することにより、塗布絶縁膜の全面に渡り平
坦性を確保することが可能である。塗布絶縁膜の肉厚部
の除去は、エッジリンスして周縁部を除去した有機高分
子層をマスクにしたエッチングであるので、確実に除去
できしかもプロセス全体の簡便性を損ねることがない。

【００２５】実施例２ 本実施例は塗布絶縁膜として無機ＳＯＧを採用し、平坦
化を行った例である。図１に示す基板１を市販の通常の
スピナーにセッティングし、室温下２０００ｒｐｍの回
転数下で無機ＳＯＧを滴下し、塗布絶縁膜６を形成す
る。この後、２００℃で塗布絶縁膜６をプリベークし、
塗布絶縁膜６中の溶剤を除去する。この状態を図２
（ａ）に示す。なお同図では、基板１全体の概略断面を
示すが、基板１中のＡｌ系金属配線４や下層層間絶縁膜
５等の細部は図示を省略する。また基板１の表面には下
層層間絶縁膜５の表面段差が形成されているが、これも
図示を省略する。基板周縁部の塗布絶縁膜６には、スピ
ンコーティングに特有の肉厚部が形成されている。なお
基板中央部分の塗布絶縁膜６の厚さは、一例として５０
０ｎｍであり、下地の下層絶縁膜５の段差が若干反映さ
れた表面性を有する。

【００２６】次に塗布絶縁膜６上に有機高分子層７をこ
れもスピンコーティングする。有機高分子層７は、通常
のノボラック系ポジ型レジストを用いてよいが、感光性
を有する必要はなく、通常の高分子材料であってもよ
い。乾燥後の有機高分子層７の厚さは、一例として８０
０ｎｍであり、その表面は概ね平坦性である。この状態
を図２（ｂ）に示す。なお有機高分子層は架橋反応を起
こすベーキング処理等は一切加えない。

【００２７】次に基板１をスピナーにセッティングして
エッジリンスを施す。エッジリンスの幅は、塗布絶縁膜
６の肉厚部の幅に見合った幅とし、例えば２．５ｍｍと
する。この後有機高分子層７に対し、プリベーク、ポス
トベーク等のベーキング処理を施してエッチング耐性を
付与してもよい。この状態を図２（ｃ）に示す。有機高
分子層７が除去された部分からは、塗布絶縁膜６の周縁
肉厚部が露出している。

【００２８】有機高分子層７をエッチングマスクとし、
塗布絶縁膜６の露出部分をエッチング除去する。エッチ
ングはＦ系ガスを用いたドライエッチングでも良いが、
ＨＦ水溶液等によるウェットエッチングが簡便である。
この状態を図２（ｄ）に示す。

【００２９】この後有機高分子層７と塗布絶縁膜７のエ
ッチングレートが等しい条件で全面エッチバックする。
エッチバック条件は、Ｆ系ガスとＯ系ガスの混合ガスに
よるＲＩＥにより、一例として下記条件を採用した。 ＣＦ₄ ガス流量 ７ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ガス流量 ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ６６．７ Ｐａ ＲＦパワー密度 ０．４ Ｗ／ｃｍ² 塗布絶縁膜７の表面が若干、例えば、５０ｎｍ除去除去
された時点で本エッチバックを終了する。この後、４５
０℃程度で熱処理して塗布絶縁膜６を緻密化する。この
状態を図２（ｅ）に示す。なお本実施例では下層配線と
してＡｌ系金属配線を採用したが、高融点金属や高融点
金属ポリサイド配線等、耐熱性に問題がない配線材料を
採用する場合には、酸化性雰囲気中で８５０℃程度の熱
処理を施し、無機化処理を行ってもよい。

【００３０】本実施例によれば、平坦性に若干問題があ
る無機ＳＯＧを塗布絶縁膜として用い、基板周縁部の肉
厚部を除去するとともに、基板中央部分の塗布絶縁膜に
対しては全面エッチバック処理を施すことにより、塗布
絶縁膜の全面に渡り平坦性を確保することが可能であ
る。塗布絶縁膜の肉厚部の除去は、エッジリンスして周
縁部を除去した有機高分子層をマスクにしたエッチング
であるので、確実に除去できしかもプロセス全体の簡便
性を損ねることがない。

【００３１】以上、本発明を２例の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。

【００３２】例えば、塗布絶縁膜として有機ＳＯＧおよ
び無機ＳＯＧを提示したが、ポリイミド等の有機塗布絶
縁膜であってもよい。また塗布絶縁膜上に形成する有機
高分子層としてノボラック系ポジ型レジストを採用した
が、感光性を有するフォトレジストである必要はない。
この有機高分子層をエッジリンス後、露出した基板周縁
部の塗布絶縁膜をエッチング除去する際のエッチング耐
性がとれれば、感光性を有しない一般的な高分子材料で
あってよい。有機高分子層と塗布絶縁膜の等速エッチバ
ックを採用する場合には、有機高分子層の材料に合わ
せ、等速エッチバックの条件、例えば混合ガスの混合比
等を適宜選択すればよい。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば塗布絶縁膜の基板周縁部を簡単かつ確実な方法
で除去し、塗布絶縁膜を平坦化することが可能である。
このため、塗布絶縁膜のクラックやパーティクル汚染の
虞れのない、信頼性の高い半導体等の製造プロセスを提
供することが可能となる。

【００３４】すなわち、請求項１の方法によれば、基板
周縁部をエッジリンスにより簡便かつ選択的に除去した
有機高分子層をマスクとして塗布絶縁膜を除去すること
により、確実に塗布絶縁膜の肉厚部を除去し、この塗布
絶縁膜を平坦化することが可能となる。

【００３５】請求項２の方法によれば、さらに塗布絶縁
膜の肉厚部の除去が容易であると同時に、塗布絶縁膜の
無機化あるいは緻密化をも達成することができる。

【００３６】さらに請求項３の方法によれば、基板周縁
部の肉厚部の除去による平坦化はもとより、肉厚部除去
に用いた有機高分子層をそのまま等速エッチバックのマ
スクとして用いるので、基板中央部のバルク平坦性をも
達成できる。また等速エッチバック用のレジストコーテ
ィングを省略できるので、スループットの向上に寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の塗布絶縁膜の平坦化に採用した基板の
一部拡大断面図である。

【図２】本発明の塗布絶縁膜の平坦化方法を示す概略断
面図であり、（ａ）は基板上に塗布絶縁膜を形成した状
態、（ｂ）は塗布絶縁膜上全面に有機高分子層を形成し
た状態、（ｃ）は基板周縁部の有機高分子層をエッジリ
ンスにより除去した状態、（ｄ）は有機高分子層から露
出する塗布絶縁膜周縁部の肉厚部をエッチング除去した
状態、（ｅ）は有機高分子層を除去し、塗布絶縁膜の平
坦化が終了した除去した状態である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 半導体基板 ３ 絶縁膜 ４ Ａｌ系金属配線 ５ 下層層間絶縁膜 ６ 塗布絶縁膜 ７ 有機高分子層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に塗布絶縁膜を回転塗布し、前記
   基板周縁部の該塗布絶縁膜を選択的に除去する塗布絶縁
   膜の平坦化方法であって、 該塗布絶縁膜上全面に有機高分子層を形成する工程と、 前記基板周縁部の前記有機高分子層をエッジリンスによ
   り選択的に除去する工程と、 前記有機高分子層から露出する該塗布絶縁膜を選択的に
   エッチング除去する工程をこの順に施すことを特徴とす
   る、塗布絶縁膜の平坦化方法。
2. 【請求項２】 有機高分子層から露出する塗布絶縁膜を
   選択的にエッチング除去する工程の後に、さらに、 前記有機高分子層を除去する工程と、 該塗布絶縁膜に熱処理施す工程をこの順に施すことを特
   徴とする、請求項１記載の塗布絶縁膜の平坦化方法。
3. 【請求項３】 有機高分子層を除去する工程は、前記有
   機高分子層と塗布絶縁膜を等速エッチバックする工程で
   あることを特徴とする、請求項２記載の塗布絶縁膜の平
   坦化方法。