JPH10275860A

JPH10275860A - 平坦化膜積層体及び半導体装置の製造法

Info

Publication number: JPH10275860A
Application number: JP8171097A
Authority: JP
Inventors: Takenori Narita; 武憲成田; Hiroyuki Morishima; 浩之森嶋; Yasuhiro Yamamoto; 靖浩山本; Shigeru Nobe; 茂野部
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】有機ＳＯＧ膜のエッチバック時の、平坦性低
下防止と、下地酸化珪素膜が薄くなった場合の配線上部
の露出を防止することができる平坦化膜積層体の製造法
及びこの平坦化膜積層体の製造法を利用する半導体装置
の製造法を提供する。【解決手段】段差を有する基板上にアルコキシシラン
オリゴマーを含む酸化物被膜形成用塗布液を塗布し、硬
化させて形成された酸化物被膜を、段差の高い部分の膜
厚が０．２μｍ以下になるようにエッチバックする工程
と、残った有機酸化物被膜を、酸素ガスによるプラズマ
エッチング処理により改質する工程を含むことを特徴と
する平坦化膜積層体の製造法及びこの平坦化膜積層体の
製造法を工程として含む半導体装置の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、段差を有する基板
上に平坦化膜形成する平坦化膜積層体の製造法及び半導
体装置の製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】有機ＳＯＧ（Spin On Glass）膜は無機
ＳＯＧ膜に比ベクラック耐性が高くより厚い膜が形成出
来るため、ＬＳＩ等の半導体装置における配線の段差の
平坦化に適している。しかし、有機ＳＯＧ膜を配線上に
残したまま上層配線との接続のためのビアホールを形成
すると、ビアホール側壁に有機ＳＯＧ膜が露出し、ホー
ル形成のためマスクを除去するアッシング工程で、有機
ＳＯＧ膜が酸化され、ポイズンドビアと呼ばれる問題が
発生する。

【０００３】図２に従来方法による平坦化膜積層体の製
造工程を示す断面図を示す。上記の問題を解決するた
め、従来、図２に示すように、シリコンウェハー１の上
にアルミニウム配線２、さらに、化学蒸着酸化珪素膜３
が形成されており、アルミニウム配線は、幅広の部分と
幅が狭く密集している部分がある（以上、図２（ａ）参
照）。次いで、上記の化学蒸着酸化珪素膜３の上に有機
ＳＯＧ膜４を形成する（図２（ｂ）参照）。この後、エ
ッチバックすることにより配線上の有機ＳＯＧ膜を全て
除去する（図２（ｃ）参照）。この後、さらに層間絶縁
膜である化学蒸着酸化珪素膜５を形成している。

【０００４】しかし、パターンが微細化した場合、以下
の二つのことが問題となる。なお、図３は有機ＳＯＧ膜
のエッチバック時に起きる平坦性の低下の様子を断面図
である。また、図４は、化学蒸着酸化珪素膜の成膜時の
微細な凹部でのボイドの発生を断面図で示す。１）図２（ｂ）に示すように、有機ＳＯＧ膜４は、幅の
広い配線上と幅の狭い配線が密集した部分では、幅の広
い部分の方が膜厚が厚くなる。従来方法のように、幅の
広い部分の有機ＳＯＧ膜を完全に除去するためには、幅
の狭い配線が密集した部分の下地酸化珪素膜が露出した
後もエッチバックを続ける必要がある。しかし、下地酸
化珪素が露出した部分では、酸化珪素膜からの酸素の影
響で有機ＳＯＧ膜４のエッチング速度が上昇するという
現象が起きるため、図３に示すように配線が密集した部
分の平坦性が低下する。２）配線が密集した部分の下地酸化珪素膜露出後もエッ
チバックを続けるため、配線上の酸化珪素膜にはエッチ
バック中に配線上部が露出しないだけの膜厚が要求され
る。しかし、配線のスペースが微細化すると、図４に示
すように突起部の間（凹部）にボイド６が発生するた
め、十分な膜厚の膜を形成するのが難しくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】請求項１の発明は、有
機ＳＯＧ膜のエッチバック時の、平坦性低下防止と、下
地酸化珪素膜が薄くなった場合の配線上部の露出を防止
することができる平坦化膜積層体の製造法を提供するも
のである。請求項２の発明は、この平坦化膜積層体の製
造法を利用する半導体装置の製造法を提供するものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、段差を有する
基板上にアルコキシシランオリゴマーを含む酸化物被膜
形成用塗布液を塗布し、硬化させて形成された酸化物被
膜を、段差の高い部分の膜厚が０．２μｍ以下になるよ
うにエッチバックする工程と、残った有機酸化物被膜
を、酸素ガスによるプラズマエッチング処理により改質
する工程を含むことを特徴とする平坦化膜積層体の製造
法に関する。本発明は、また、この平坦化膜積層体の製
造法を工程として含む半導体装置の製造法に関する。こ
れらの製造法において、段差を有する基板の表面が酸化
珪素膜であることが特に好ましい。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による平坦化膜積
層体の製造工程を示す断面図で示す。基板、例えば、シ
リコンウェハー１上に配線、例えばアルミニウム配線２
が形成され、その上に酸化珪素膜（例えば、化学蒸着酸
化珪素膜）３が形成されている（以上、図１（ａ）参
照）。ついで、その上に有機ＳＯＧ膜４が形成される
（図１（ｂ））。本発明において、有機ＳＯＧ膜をエッ
チバックする場合、段差の高い部分でその下地、好まし
くは、化学蒸着法により形成された酸化珪素膜が一部で
も露出したときにそのエッチバックを停止することが好
ましい。一般に、幅の広い部分の有機ＳＯＧ膜の方が、
幅の狭い配線の部分及びが幅の狭い配線が密集した部分
の有機ＳＯＧ膜より厚いので、幅の狭い配線が密集した
部分の下地（好ましくは、酸化珪素膜）が露出した段階
でエッチバックを停止し、幅の広い段差上に有機ＳＯＧ
膜を残すことが好ましい（以上、図１（ｃ）参照）。こ
れらの場合において、段差の高い部分に残った有機ＳＯ
Ｇ膜は、その厚さが０．２μｍ以下になるようにするこ
とが好ましい。この後、残った有機ＳＯＧ膜を酸素ガス
によるプラズマエッチング処理により改質する。残った
有機ＳＯＧ幕が厚すぎるとこの改質が膜厚の深部までと
どきにくくなる。

【０００８】有機ＳＯＧ膜のエッチバックを停止するタ
イミングは、幅の広い段差上に残る有機ＳＯＧ膜の膜厚
が薄いほどに酸素ガスによるプラズマエッチング処理に
よる改質に要する時間が短くてすむことから、幅の狭い
配線が密集した部分の平坦性が低下しない範囲で出来る
だけ遅くするのが望ましい。エッチバックなしで酸素ガ
スによるプラズマエッチング処理をする方法も考えられ
るが、その場合段差上の有機ＳＯＧ膜を全て改質するの
に要する時間が長くなり、実用上間題があるだけでな
く、改質された膜が厚すぎるとクラック発生の可能性が
あり、信頼性上問題がある。上記の改質後、さらに、酸
化珪素膜（例えば、化学蒸着酸化珪素膜５）を形成する
ことができる（図１（ｄ）参照）。

【０００９】本発明の段差を有する基板としては、表面
にアルミニウム、銅等の金属層を形成したシリコンウエ
ハー、アルミニウム、銅等により回路が形成されたシリ
コンウエハー等の基体、この上に、酸化珪素膜が形成さ
れた基体等がある。酸化珪素膜の形成は化学蒸着法が好
ましい。

【００１０】酸化珪素膜を作製する化学蒸着の条件は、
シラン１モルに対してＮ２Ｏを１０〜３０モル含む混合
ガスを圧力が０．１〜１トールで行うことができる。こ
のときの化学蒸着想値の出力は適宜調整されるが１００
〜５００Ｗが好ましい。酸化珪素膜の厚さは０．１〜
０．２５μｍが好ましい。

【００１１】本発明において、有機ＳＯＧ膜は次のよう
にして作製される。まず、（Ａ）一般式（Ｉ）

【化１】（式中Ｒは、炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜２の
整数を意味する）で表されるアルコキシシラン化合物を
加水分解、重縮合させて得られるアルコキシシランオリ
ゴマーを含有する酸化物被膜形成用塗布液を用意する。

【００１２】前記一般式（Ｉ）で表されるアルコキシシ
ラン化合物は、具体的には

【化２】等のテトラアルコキシシラン、

【化３】等のモノアルキルトリアルコキシシラン、

【化４】等のジアルキルジアルコキシシランがあげられ、これら
は１種または２種以上が用いられる。

【００１３】本発明に用いられるアルコキシシランオリ
ゴマーとしてはテトラアルコキシシラン、モノアルキル
トリアルコキシシラン、ジアルキルジアルコキシシラン
の割合に制限はないが、良質な酸化物被膜を形成するた
めにジアルキルジアルコキシシランは混合するアルコキ
シシラン化合物１００モル％に対し５０モル％以下であ
ることが好ましい。前記一般式（Ｉ）において、Ｒを水
素としたアルコキシシラン化合物、アミノアルキルアル
コキシシラン化合物、ジルコニウム錯体化合物等を、ア
ルコキシシランオリゴマーと併用してもよい。これら
は、アルコキシシランオリゴマー対して１０重量％以下
で使用することが好ましい。

【００１４】前記一般式（Ｉ）において、Ｒを水素とし
たアルコキシシラン化合物、具体的には

【化５】等がある。

【００１５】また、アミノアルキルアルコキシシラン化
合物を併用することができる。アミノアルキルアルコキ
シシラン化合物は、分子中にアミノアルキル基及びアル
コキシ基を有するシラン化合物であり、アミノアルキル
基の炭素数が１〜４のものが好ましく、また、アルコキ
シ基も炭素数が１〜４のものが好ましい。このようなア
ミノアルキルアルコキシシラン化合物としては、

【化６】等があげられる。

【００１６】ジルコニウム錯体化合物としては、ジルコ
ニウムアセテート、ジルコニウムアセチルアセトン、ジ
ルコニウムアルコキシド化合物等があり、ジルコニウム
アルコキシド化合物としては、ジルコニウムテトラn-プ
ロポキシド、ジルコニウムテトラiso-プロポキシド、ジ
ルコニウムテトラn-ブトキシド、ジルコニウムテトラis
o-ブトキシド等のジルコニウムテトラアルコキシド化合
物（アルコキシ基の炭素数が１〜４）、アセチルアセト
ンジルコニウムn-ブトキシド等があげられる。

【００１７】本発明における酸化物被膜形成用塗布液に
は溶媒として、有機溶媒を使用することが好ましい。有
機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノー
ル、ブタノール等のアルコール系、酢酸メチル、酢酸エ
チル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等の酢酸エステル系、
エチレングリコールモノメチルアセテート、エチレング
リコールジアセテート等のグリコールアセテート系溶
媒、Ｎ，Ｎ−メチル−２ピロリドン等のアミド系溶媒、
グリコールエーテル系溶媒等種々の溶媒があげられ、こ
れらは１種または２種以上が用いられる。

【００１８】本発明におけるアルコキシシランオリゴマ
ーは、前記したアルコキシシラン化合物を加水分解、重
縮合して製造されるが、このとき、触媒としては、塩
酸、硫酸、リン酸、硝酸、フッ酸等の無機酸、シュウ
酸、マレイン酸、スルホン酸、ギ酸等の有機酸を使用す
ることが好ましく、アンモニア、トリメチルアンモニウ
ムなどの塩基性触媒を用いることもできる。これら触媒
は、一般式（Ｉ）で表されるアルコキシシラン化合物の
量に応じて適当量用いられるが、好適には一般式（Ｉ）
で表されるアルコキシシラン化合物１モルに対し０．０
０１〜０．５モルの範囲で用いられる。

【００１９】また、上記の加水分解・重縮合は、前記の
溶媒中で行うことが好ましい。また、この反応に際し
て、水が存在させられる。水の量も適宜決められるが、
余り少ない場合や多すぎる場合には塗布液の保存安定性
が低下するなどの問題があるので、水の量は、一般式
（Ｉ）で表されるアルコキシシラン化合物１モルに対し
て０．５〜４モルの範囲とすることが好ましい。以上の
ようにして得られる加水分解・重縮合生成物の反応液
（アルコキシシランオリゴマー液）は、そのまま使用す
ることができる。また、溶媒を除去後、改めて前記溶媒
に溶解してアルコキシシランオリゴマー液としてから使
用される。この液の固形分濃度は１０〜３０重量％が好
ましい。

【００２０】このようにして得られた塗布液を用いて酸
化物被膜を形成するには、該塗布液表面にアルミニウ
ム、銅等の金属層を形成したシリコンウエハー、アルミ
ニウム、銅等により回路が形成されたシリコンウエハー
等の段差を有する基体上に、浸漬法、回転塗布法などの
方法で塗布した後、５０〜２００℃、好ましくは、１０
０〜１５０℃で乾燥し、ついで、窒素雰囲気中で３００
〜５００℃、好ましくは３００〜４５０℃で焼成する。
この酸化物被膜（シリカ系被膜）を多層配線構造の平坦
化膜として半導体装置を得ることができる。酸化物被膜
の厚さは、０．２〜２０μｍの範囲で適宜決定される
が、薄い方が好ましく、特に０．３〜３μｍが好まし
い。

【００２１】前記した有機ＳＯＧ膜のエッチバックは、
プラズマエッチングにより行うことができる。このと
き、使用されるガスとしては、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃等が好ま
しい。プラズマエッチングする雰囲気の圧力は０．１〜
１トールが好ましい。プラズマエッチングは、プラズマ
エッチング装置を用いて行われ、その装置の出力は適宜
決定されるが３００〜５００Ｗが好ましい。

【００２２】前記した酸素ガスによるプラズマエッチン
グ処理は、酸素ガス圧力１〜１０Paで、プラズマエッチ
ング装置を用いて行われるが、その装置の出力は１００
〜１５０Ｗが好ましい。処理時間は、膜厚に応じて行わ
れるが、０．１μｍ当たり４〜６分が好ましい。

【００２３】この後、さらに、前記したのと同様に、酸
化珪素膜を化学蒸着法等で形成することができる。その
膜厚は、０．１〜０．５μｍが好ましい。さらに、この
後、適宜、ビアホール及び多層配線を形成して半導体装
置とすることができる。

【００２４】

【作用】段差上に残る有機ＳＯＧ膜を酸素ガスによるプ
ラズマエッチング処理により改質することで、有機ＳＯ
Ｇ膜の耐アッシャー性が向上する。これにより、ビアホ
ール形成時に側壁に有機が露出してもポイズンドビアは
発生しなくなる。従来の平坦化膜形成方法と比較して有
機ＳＯＧ膜のエッチバック量を少なくできるため、エッ
チバック時の平坦性の低下、段差（例えば、配線）上部
の露出を防止することができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳しく説明す
る。実施例１厚さ１．０μｍのアルミニウム配線を有するシリコンウ
ェハー基板に、シラン１モルに対してＮ₂Ｏを２０モル
含む混合ガスを使用し、圧力０．３トールで、０．２μ
ｍの厚さの酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜を化学蒸着した。こ
の時の装置の出力は４００Ｗであった。一方、酸化膜形
成用塗布液を次に作製した。すなわち、テトラメトキシ
シラン５１．０ｇ、ジメチルジメトキシシラン４５．０
ｇ及びトリメチルトリメトキシシラン４０．０ｇをイソ
プロピルアルコール４００．０ｇに溶解し、この溶液に
水５０．０ｇにリン酸２．０ｇを溶解した液を撹拌下で
１時間かけて滴下し、滴下終了後５時間撹拌して酸化物
被膜形成用塗布液を作製した。この塗布液を、ベアシリ
コン上で膜厚が０．５μｍになる回転数で、上記の酸化
珪素膜を形成した基板上に、塗布し、４００℃で窒素雰
囲気の電気炉中で１時間焼成して硬化した。

【００２６】次いで、ＣＦ₄とＣＨＦ₃の等モル混合ガス
を用いて圧力０．３トールで幅の狭い配線が密集した部
分で下地酸化珪素膜が露出するまで平行平板のＲＩＥ装
置エッチバックした。装置の出力は４００Ｗとした。こ
のときの幅の広い配線上に残る有機ＳＯＧ膜の厚さは、
０．１μｍであった。配線上の有機ＳＯＧ膜を改質する
ため、平行平板のＲＩＥ装置で、酸素ガスを用い、出力
１５０Ｗ、圧力４Paで５分間処理を行った。その後、前
期と同様の化学蒸着法により酸化珪素膜を０．３μｍの
厚さに形成した。この後、ビアホール形成、上層配線形
成を行い、ビアホールの導通の信頼性評価を行なったと
ころ、結果は良好であった。

【００２７】実施例２実施例１において、有機ＳＯＧ膜を形成する酸化物被膜
形成用塗布液として、次のものを使用すること以外は、
実施例１に準じて行った。ビアホール形成、上層配線形
成を行い、ビアホールの導通の信頼性評価を行なったと
ころ、結果は良好であった。〔酸化物被膜形成用塗布液の作製〕テトラメトキシシラ
ン７５．０ｇ及びジメチルジメトキシシラン７０．０ｇ
をイソプロピルアルコール８００．０ｇに溶解し、この
溶液に水５５．０ｇにマレイン酸０．５ｇを溶解した液
を撹拌下で１時間かけて滴下した。滴下終了後５時間撹
拌した後、３−アミノプロピルトリエトキシシラン６．
０ｇを添加し、更に１時間撹拌した。

【００２８】実施例３実施例１において、有機ＳＯＧ膜を形成する酸化物被膜
形成用塗布液として、次のものを使用すること以外は、
実施例１に準じて行った。ビアホール形成、上層配線形
成を行い、ビアホールの導通の信頼性評価を行なったと
ころ、結果は良好であった。〔酸化物被膜形成用塗布液の作製〕ジメチルジメトキシ
シラン１４０．０ｇをイソプロピルアルコール２８０．
０ｇに溶解し、この溶液に水５０．０ｇにマレイン酸
０．５ｇを溶解した液を撹拌下で１時間かけて滴下し
た。滴下終了後５時間撹絆した後、アセチルアセトンジ
ルコニウムブトキシド６．０ｇを添加し、更に１時間撹
拌した。

【００２９】

【発明の効果】請求項１の方法によれば、平坦化膜積層
体の製造において、有機ＳＯＧ膜のエッチバック時の、
平坦性低下防止と、下地酸化珪素膜が薄くなった場合の
配線上部の露出を防止することができる。請求項２の方
法によれば、半導体装置の製造において、有機ＳＯＧ膜
のエッチバック時の、平坦性低下防止と、下地酸化珪素
膜が薄くなった場合の配線上部の露出を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平坦化膜積層体の製造工程を示す
断面図である。

【図２】従来方法による平坦化膜積層体の製造工程を示
す断面図である。

【図３】有機ＳＯＧ膜のエッチバック時に起きる平坦性
の低下の様子を示す断面図である。

【図４】化学蒸着酸化珪素膜の成膜時の微細な凹部での
ボイドの発生を示す断面図である。

【符号の説明】

１…シリコンウェハー２…アルミニウム配線３…化学蒸着酸化珪素膜４…有機ＳＯＧ膜５…化学蒸着酸化珪素膜６…ボイド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本靖浩茨城県日立市東町四丁目13番１号日立化成工業株式会社半導体・液晶材料事業部開発センタ内 (72)発明者野部茂茨城県日立市東町四丁目13番１号日立化成工業株式会社半導体・液晶材料事業部開発センタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】段差を有する基板上にアルコキシシラン
オリゴマーを含む酸化物被膜形成用塗布液を塗布し、硬
化させて形成された酸化物被膜を、段差の高い部分の膜
厚が０．２μｍ以下になるようにエッチバックする工程
と、残った有機酸化物被膜を、酸素ガスによるプラズマ
エッチング処理により改質する工程を含むことを特徴と
する平坦化膜積層体の製造法。
【請求項２】請求項１の平坦化膜積層体の製造法を工
程として含む半導体装置の製造法。