JPH10335324A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁層の比誘電率を従来に比べて低減するこ
とを可能にした半導体装置及びその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 半導体基板１上に絶縁層２，４，７を介
して導電層からなる下層配線３ａ〜３ｃ及び上層配線６
ａ，６ｂを設けた半導体装置の製造方法において、無機
及び／又は有機樹脂を溶解した溶液を半導体基板１上に
塗布し、この樹脂を高エネルギー線の照射により硬化さ
せて絶縁層４を形成すると共に、その硬化開始以降に絶
縁層４内でガスを発生せしめて絶縁層４を低密度化する
ことにより、絶縁層４の比誘電率を２．７未満にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁層を介して少
なくとも１層の導電層からなる配線構造を設けた半導体
装置及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、絶縁層
の比誘電率を従来に比べて低減するようにした半導体装
置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の微細化、即ち半導体装置の
高集積化に伴い、半導体基板上には多層配線構造が採用
されるようになっている。このような半導体装置の絶縁
層としては、配線間の寄生容量を低減するために酸化ケ
イ素を主体とする材料が一般に使用されている。

【０００３】また、半導体素子の微細化により配線間隔
が縮小されて配線間のアスペクト比が高くなる傾向にあ
るので、絶縁層には膜厚が厚く、かつ配線間への充填性
が優れていることが要求されている。このような要求を
満足する絶縁層の形成方法として、スピンコート法等に
より半導体基板上に水素シルセスキオキサン樹脂を塗布
し、これを焼成することにより絶縁層を形成することが
提案されている。

【０００４】しかしながら、近年の半導体装置では配線
間隔が０．１８μｍより狭くなるような高集積回路が設
計されており、このような高集積回路では絶縁層の比誘
電率を２．７未満にすることが要求されているのに対
し、上記水素シルセスキオキサン樹脂から形成した絶縁
層でさえ、この比誘電率を達成することはできなかっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、絶縁
層の比誘電率を従来に比べて低減することを可能にした
半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁層を
介して少なくとも１層の導電層からなる配線構造を設け
た半導体装置の製造方法において、無機及び／又は有機
樹脂を溶剤中に溶解した溶液を半導体基板上に塗布し、
前記樹脂を高エネルギー線の照射により硬化させて絶縁
層を形成すると共に、その硬化開始以降に該絶縁層内で
ガスを発生せしめることにより該絶縁層を低密度化する
ことを特徴とするものである。

【０００７】また、本発明の半導体装置は、上記製造方
法から得られたことを特徴とするものである。このよう
に無機及び／又は有機樹脂を溶剤中に溶解した溶液を半
導体基板上に塗布し、樹脂を高エネルギー線の照射によ
り硬化させて絶縁層を形成すると共に、その硬化開始以
降に該絶縁層内でガスを発生せしめて該絶縁層を低密度
化することにより、絶縁層の比誘電率を２．７未満にす
ることが可能になる。従って、半導体基板上に絶縁層を
介して少なくとも１層の導電層からなる配線構造を設け
た半導体装置において、配線間隔が０．１８μｍより狭
くなるような高集積回路であっても、配線間の寄生容量
を十分に低減することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成について添付
の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施
形態からなる半導体装置の製造工程を例示するものであ
る。先ず、図１（ａ）に示すように、表面に半導体素子
（不図示）を形成した半導体基板（シリコンウエハ）１
の全面にＢＰＳＧ膜等を堆積し、これをリフローして下
地絶縁層２を形成する。次いで、下地絶縁層２上にアル
ミニウム等の金属をスパッタリングして導電層を形成
し、これを公知の方法でパターニングして下層配線３
ａ，３ｂ，３ｃを形成する。

【０００９】次に、図１（ｂ）に示すように、無機及び
／又は有機樹脂を溶剤中に溶解した溶液を、半導体基板
１の全面にスピンコート法等により塗布した後、高エネ
ルギー線を照射することにより樹脂を硬化させて絶縁層
４を形成する。このとき、絶縁層４内では樹脂の硬化過
程又は硬化後にガスが発生するようになっており、この
ガスの発生によって絶縁層４を低密度化する。この低密
度化は、絶縁層４が多孔質化することによって起こり、
或いは絶縁層４の自由空間が増加することによって起こ
る。

【００１０】次に、図１（ｃ）に示すように、フォトレ
ジストでマスクして、例えば下層配線３ａ，３ｃ上の絶
縁層４を選択的にエッチングすることにより、下層配線
３ａ，３ｃにそれぞれ到達するスルーホール５を設けた
後、全面にアルミニウム等の金属をスパッタリングして
導電層を形成し、これをプラズマエッチングにより絶縁
層４が露出するまでエッチバックすることにより、上記
スルーホール５内に層間配線を残存させる。

【００１１】次いで、図１（ｄ）に示すように、下層配
線３ａ〜３ｃ及び絶縁層４と同様の方法で、エッチバッ
クされた表面上にそれぞれ上層配線６ａ，６ｂ及び絶縁
層７を形成する。このようにして半導体基板１の上に、
下層配線３ａ〜３ｃ及び上層配線６ａ，６ｂからなる多
層配線構造を形成し、これら配線が下地絶縁層２及び層
間の絶縁層４，７によって電気的に絶縁する。上述の製
造方法によって低密度化した絶縁層４は比誘電率を２．
７未満にすることが可能である。

【００１２】本発明において、絶縁層の比誘電率を２．
７未満に低減するには、絶縁層の密度が低く、多孔性或
いは自由空間が大きいことが必要であるが、このような
多孔質を形成するに際し、膜強度、絶縁破壊、密着性、
吸湿性などに悪影響を与えないことが必要である。この
ため、絶縁層の樹脂として二酸化ケイ素の前駆体の１つ
である水素シルセスキオキサン樹脂を用いることが好ま
しい。

【００１３】水素シルセスキオキサン樹脂は、一般式
（ＨＳｉＯ_3/2 ）_n （ｎ：整数）で表される無機樹脂で
ある。この水素シルセスキオキサン樹脂の分子量はポリ
ケイ酸類等の分子量よりも大きいため、水素シルセスキ
オキサン樹脂を出発原料とするＳＯＧ膜は他の無機系の
ＳＯＧ膜よりも厚く形成することができる。また、水素
シルセスキオキサン樹脂を出発原料とするＳＯＧ膜は、
２００℃程度からガラス転移する特性があるため、硬化
温度を低下させることができ、しかも疎水基であるＳｉ
−Ｈ結合を終端とするシロキサン結合による網状構造を
有するため、他の無機系のＳＯＧ膜よりも優れた耐水性
を有している。

【００１４】水素シルセスキオキサン樹脂等の樹脂を溶
解するために使用する溶剤は特に限定されないが、この
溶剤としては、トルエン、キシレン等の芳香族系溶剤、
ヘキサン、ヘプタン、オキサン等の脂肪族系溶剤、メチ
ルエチルケトン、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）
等のケトン系溶剤、酢酸ブチル、酢酸イソアミル等のエ
ステル系溶剤、１，１，１，３，３，３−ヘキサメチル
ジシロキサン、１，１，３，３−テトラメチルジシロキ
サン等の鎖状シロキサン、１，１，３，３，５，５，
７，７−オクタメチルテトラシクロシロキサン、１，
３，５，７−テトラメチルテトラシクロシロキサン等の
環状シロキサン、テトラメチルシラン、ジメチルジエチ
ルシラン等のシラン化合物等のシリコーン系溶剤が挙げ
られ、また上記溶剤の２種以上を混合して使用すること
もできる。

【００１５】無機又は有機樹脂を溶解した溶液には、ガ
スの発生を起こさせるための添加剤やガスの発生による
気泡を均一に分散させるための分散安定剤や硬化反応を
促進するための硬化促進剤等を予め含有させてもよい。
また、半導体基板上に樹脂溶液を塗布した後、溶剤を除
去し、樹脂の溶融によって半導体基板上の段差を埋め込
むと共に絶縁層の凹凸を平坦化させるようにしてもよ
い。この場合、樹脂としては融点又は軟化点を有するも
のを使用することが好ましい。

【００１６】半導体基板上の樹脂は、高エネルギー線を
照射することにより硬化させる。この高エネルギー線と
しては、電子線、紫外線、Ｘ線等を使用することがで
き、これらを単独又は複数を組み合わせて使用するよう
にしてもよい。高エネルギー線の照射によれば、温度を
低く抑えながら樹脂を硬化させることができる。例え
ば、樹脂を上記溶剤の沸点よりも低い温度で硬化させる
ことが可能になる。これら高エネルギー線のうち、特に
電子線を使用することが好ましい。

【００１７】また、上述のように高エネルギー線の照射
によって樹脂を低い温度で硬化させるので、樹脂として
分子量１５００以下の低分子量の水素シルセスキオキサ
ン樹脂を使用することができる。このような低分子量の
水素シルセスキオキサン樹脂は、基板に対する被覆平坦
性に優れていると共に、基板上の配線等による段差への
埋め込み性が優れているものの、高温に曝されると飛散
して周辺機器を汚染し、しかも膜厚を減少させるという
欠点がある。このため、炉中等で加熱硬化を行う場合に
は、水素シルセスキオキサン樹脂の低分子成分は予め除
去されていた。しかしながら、高エネルギー線の照射に
よって低分子量の水素シルセスキオキサン樹脂の使用が
可能になるのである。

【００１８】樹脂の硬化反応の雰囲気は特に限定されな
いが、窒素雰囲気や酸素雰囲気のほか、水蒸気、アンモ
ニア、一酸化窒素、オゾン等の特殊雰囲気下で行うよう
にしてもよい。また、硬化反応における架橋様式として
は、ケイ素原子結合水素基の縮合反応による架橋やケイ
素原子結合水素基とビニル基の付加反応による架橋、或
いは従来型の無機又は有機ＳＯＧに見られるようなアル
コキシ基やシラノール基の縮合反応による架橋等が挙げ
られる。

【００１９】上記樹脂は少なくとも溶剤又は添加剤を含
んだ状態で硬化させる。すなわち、樹脂溶液が添加剤を
含まない場合は、樹脂の硬化開始以降に溶剤によってガ
スの発生を起こすようにし、樹脂溶液が添加剤を含む場
合は、樹脂の硬化開始以降に溶剤又は添加剤によってガ
スの発生を起こすようにする。いずれの場合も、ガスの
発生は樹脂の硬化開始以降に起こす必要がある。これ
は、ガスの発生過程において樹脂が未硬化であると、樹
脂が溶解するため所望の厚さの絶縁層を得られなくなっ
たり、或いは絶縁層にクラックを生じてしまうからであ
る。

【００２０】ガスの発生を樹脂の硬化開始以降に起こす
ように制御するには、ガスの発生開始温度を高くした
り、樹脂の硬化開始温度を低く設定することにより、硬
化開始温度において上記溶剤又は添加剤が化学的に安定
であるようにすればよい。また、上記ガスの発生は緩や
かな硬化の後、かつ完全硬化前に起こすことが好まし
い。このようにガスの発生を完全硬化前に起こすことに
より、絶縁層の多孔質化を効果的に行うことができる。

【００２１】上述のガスの発生は、減圧下で行うように
してもよい。ガスの発生を減圧下で行うことにより、ガ
スの発生を促進することができる。また、ガスの発生
は、加熱によって行うほか、超音波や電磁波等のマイク
ロ波の印加によって行うようにしてもよい。ガスの発生
をマイクロ波の印加によって行うことにより、製造工程
全体としての処理温度を低下させることが可能になる。
ガス発生後には、高エネルギー線の照射又は加熱により
樹脂の硬化を更に進行させるようにする。この工程にお
いても高エネルギー線を利用することにより処理温度を
低下させることが可能になる。

【００２２】なお、上述の添加剤は、ガスの発生を起こ
して絶縁層の多孔質化に寄与するが、必ずしも添加する
必要はない。この添加剤は、樹脂及び溶剤に対する相溶
性及び分散性が良好であることが好ましい。また、添加
剤は、液体又は固体の単一成分或いは複数成分を混ぜて
用いてもよく、必要に応じて分散安定剤や界面活性剤等
の助剤を含有させてもよい。

【００２３】添加剤のガスの発生としては、揮発（単純
気化）、分解反応、化学反応（樹脂との反応も可能）等
のガス化反応、昇華、或いは固体から液化後の気化など
が挙げられる。特に、気化及び分解を起こす添加剤は、
ガス発生後に系内に残存せず、半導体装置に悪影響を与
えないので好ましい。添加剤からガスを発生する温度
は、絶縁層の形成過程に適合させる必要があるため０〜
８００℃の温度範囲であり、好ましくは２５〜４００℃
である。また、溶剤の大半が基板へ塗布した直後に蒸発
し、しかる後に添加剤からのガス発生が起こることが好
ましいので、添加剤からのガス発生の開始温度は溶剤の
沸点よりも高いことが好ましい。このような添加剤とし
ては、塩基、過酸化物、有機酸塩、或いは炭酸塩を使用
することが好ましい。

【００２４】その他の添加剤としては、概ね２００℃以
上の沸点を有する有機溶剤、炭化水素、ハロゲン化炭化
水素、アルコール、エーテル・アセタール、ケトン・ア
ルデヒド、エステル、多価アルコール類、カルボン酸、
無水物、フェノール類、含窒素化合物、含硫黄化合物、
フッ素化合物、無機溶剤、シリコーン類等を使用するこ
とができる。

【００２５】炭化水素としては、アミルベンゼン（沸点
２０２℃）、イソプロピルベンゼン（沸点１５２℃）、
１，２−ジエチルベンゼン（沸点１８３℃）、１，３−
ジエチルベンゼン（沸点１８１℃）、１，４−ジエチル
ベンゼン（沸点１８４℃）、シクロヘキシルベンゼン
（沸点２３９℃）、ジペンテン（沸点１７７℃）、２，
６−ジメチルナフタレン（沸点２６２℃）、ｐ−シメン
（沸点１７７℃）、ショウ脳油（沸点１６０〜１８５
℃）、ソルベントナフサ（沸点１１０〜２００℃）、ｃ
ｉｓ−デカリン（沸点１９６℃）、ｔｒａｎｓ−デカリ
ン（沸点１８７℃）、デカン（沸点１７４℃）、テトラ
リン（沸点２０７℃）、テレピン油（沸点１５３〜１７
５℃）、灯油（沸点２００〜２４５℃）、ドデカン（沸
点２１６℃）、分岐型ドデシルベンゼン、シクロヘキシ
ルベンゼン等が挙げられる。

【００２６】ケトン・アルデヒドとしては、アセトフェ
ノン（沸点２０１．７℃）、イソホロン（沸点２１５．
３℃）、ホロン（沸点１９８〜１９９℃）、メチルシク
ロヘキサノン（沸点１６９．０〜１７０．５℃）、メチ
ル−ｎ−ヘプチルケトン（沸点１９５．３℃）等が挙げ
られる。エステルとしては、フタル酸ジエチル（沸点２
９６．１℃）、酢酸ベンジル（沸点２１５．５℃）、γ
−ブチロラクトン（沸点２０４℃）、シュウ酸ジブチル
（沸点２４０℃）、酢酸２−エチルヘキシル（沸点１９
８．６℃）、安息香酸エチル（沸点２１３．２℃）、ギ
酸ベンジル（沸点２０３℃）等が挙げられる。含窒素化
合物としては、Ｎ−メチルピロリドン（沸点２０２℃）
等が挙げられる。また、含硫黄化合物としては、スルホ
ラン（沸点２８５℃）等が挙げられる。

【００２７】固体の添加剤としては、シクロヘキシルベ
ンゼン（沸点２４０．１２℃）、１−デカノール（沸点
２３１℃）、１−ウンデカノール（沸点２４３℃）、１
−ドデカノール（沸点２５９℃）、ベンジルアルコール
（沸点２０５．４５℃）、１，３−プロペンジオール
（沸点２１４℃）、１，４−ブタンジオール（沸点２２
９．２℃）、１，５−ペンタンジオール（沸点２４２．
４℃）、グリセリン（沸点２９０℃）、キシレノール類
（沸点２０１〜２２６℃）、シュウ酸エステル、シュウ
酸ジエチル（沸点１８５．４℃）、シュウ酸ジブチル
（沸点２４５．５℃）、シュウ酸ジペンチル（沸点１５
１．４℃）、マレイン酸エステル、酒石酸ジブチル（沸
点３１２℃）、フタル酸ジメチル（沸点２８２℃）、フ
タル酸ジエチル（沸点２９５℃）、エチレングリコール
ジエステル、ベンジルセロソルブ（沸点２５６℃）、フ
ェニルセロソルブ（沸点２４４．７℃）等が挙げられ
る。

【００２８】また、分解性添加物としては、蟻酸アンモ
ニウム（分解温度１８０℃以上）、酢酸アンモニウム、
炭酸アンモニウム（分解温度５８℃）等が挙げられる。
また、樹脂溶液に含有させる硬化促進剤としては、例え
ば塩化白金酸・六水和物のような白金を含む化合物を高
エネルギー線の種類によって適宜選択して使用すること
ができる。

【００２９】

【実施例】本発明の製造方法により実際に下記の半導体
装置を製造し、絶縁層のシリカへの転化性及び比誘電率
を測定した。シリカへの転化性は、フーリエ変換赤外線
吸収分光分析により、絶縁層中に残存するＳｉ−Ｈ結合
の割合（％）をスピンコート直後を１００％として測定
することにより判断した。また、比誘電率はシリコンウ
エハ上に形成した試料を温度２５°、１メガヘルツの条
件下で測定した。測定はアルミ電極を形成したサンドイ
ッチ方式で配線間の容量をインピーダンスアナライザを
用いて行った。

【００３０】実施例１ 水素シルセスキオキサン樹脂（数平均分子量１５４０、
重量平均分子量７７０５、分子量１５００以下の成分４
１％、軟化点９０℃）を分子量分別し、数平均分子量５
８３０、重量平均分子量１１２００、軟化点１８０℃の
フラクションを得た。このフラクションをメチルイソブ
チルケトンに溶解し、固形分１８重量％の溶液を調整し
た。この溶液に、溶液重量に対して１重量％のシクロヘ
キシルベンゼンを添加した。

【００３１】この溶液から、シリコンウエハ上にアルミ
多層配線構造（段差高が０．５μｍ、段差幅及び段差間
隔が各０．１８μｍの配線パターン）を有する半導体装
置の層間絶縁層を形成した。具体的には、下地段差をＣ
ＶＤ膜で被覆した後、上記溶液をシリコンウエハ上に、
回転速度５００ｒｐｍの前回転で３秒間、次いで回転速
度５０００ｒｐｍの本回転で１０秒間にてスピンコート
し、さらに溶剤を十分に蒸発させた後、室温で１０分間
放置し、最深部で８０１０Åの膜厚を形成した。このウ
エハに酸素が７０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において加
速電圧１６５ｋＶの電子線照射装置で８０Ｍｒａｄのド
ース量の電子線を照射した。この状態では絶縁層のメチ
ルイソブチルケトンへの溶解性はスピンコート直後より
も低下していた。

【００３２】次いで、上述のウエハを石英炉中で、酸素
が１０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において４００℃で１
時間アニールした後、これを取り出して室温で１０分間
放置した。このウエハ上に形成された絶縁層中に残存す
るＳｉ−Ｈ結合の割合は７４％であり、水素シルセスキ
オキサン樹脂の２６％がシリカへ転化したことが判っ
た。また、転化後の絶縁層においてクラックの発生等の
異常は認められなかった。

【００３３】さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を形成し
た後、ビアホールコンタクト形式による多層配線構造を
取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電率は
２．５であり、電気的特性に異常は見られなかった。 実施例２ 実施例１のフラクションをメチルイソブチルケトンに溶
解し、固形分１８重量％の溶液を調整した。この溶液
に、溶液重量に対して１０重量％のシクロヘキシルベン
ゼンを添加した。

【００３４】この溶液から、シリコンウエハ上にアルミ
多層配線構造（段差高が０．５μｍ、段差幅及び段差間
隔が各０．１８μｍの配線パターン）を有する半導体装
置の層間絶縁層を形成した。具体的には、下地段差をＣ
ＶＤ膜で被覆した後、上記溶液をシリコンウエハ上に、
回転速度５００ｒｐｍの前回転で３秒間、次いで回転速
度５０００ｒｐｍの本回転で１０秒間にてスピンコート
し、さらに溶剤を十分に蒸発させた後、室温で１０分間
放置し、最深部で８０２０Åの膜厚を形成した。このウ
エハに酸素が７０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において加
速電圧１６５ｋＶの電子線照射装置で８０Ｍｒａｄのド
ース量の電子線を照射した。この状態では絶縁層のメチ
ルイソブチルケトンへの溶解性はスピンコート直後より
も低下していた。

【００３５】次いで、上述のウエハを石英炉中で、酸素
が１０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において４００℃で１
時間アニールした後、これを取り出して室温で１０分間
放置した。このウエハ上に形成された絶縁層中に残存す
るＳｉ−Ｈ結合の割合は７３％であり、水素シルセスキ
オキサン樹脂の２７％がシリカへ転化したことが判っ
た。また、転化後の絶縁層においてクラックの発生等の
異常は認められなかった。

【００３６】さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を形成し
た後、ビアホールコンタクト形式による多層配線構造を
取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電率は
２．４であり、電気的特性に異常は見られなかった。 実施例３ 実施例１のフラクションをメチルイソブチルケトンに溶
解し、固形分２０重量％の溶液を調整した。この溶液
に、溶液重量に対して１０重量％のシクロヘキシルベン
ゼンを添加した。

【００３７】この溶液から、シリコンウエハ上にアルミ
多層配線構造（段差高が１．０μｍ、段差幅及び段差間
隔が各０．１８μｍの配線パターン）を有する半導体装
置の層間絶縁層を形成した。具体的には、下地段差をＣ
ＶＤ膜で被覆した後、上記溶液をシリコンウエハ上に、
回転速度５００ｒｐｍの前回転で３秒間、次いで回転速
度４５００ｒｐｍの本回転で１０秒間にてスピンコート
し、さらに溶剤を十分に蒸発させた後、室温で１０分間
放置し、最深部で１３２００Åの膜厚を形成した。この
ウエハに酸素が７０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において
加速電圧１６５ｋＶの電子線照射装置で８０Ｍｒａｄの
ドース量の電子線を照射した。この状態では絶縁層のメ
チルイソブチルケトンへの溶解性はスピンコート直後よ
りも低下していた。

【００３８】次いで、上述のウエハを石英炉中で、酸素
が１０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において４００℃で１
時間アニールした後、これを取り出して室温で１０分間
放置した。このウエハ上に形成された絶縁層中に残存す
るＳｉ−Ｈ結合の割合は７４％であり、水素シルセスキ
オキサン樹脂の２６％がシリカへ転化したことが判っ
た。また、転化後の絶縁層においてクラックの発生等の
異常は認められなかった。

【００３９】さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を形成し
た後、ビアホールコンタクト形式による多層配線構造を
取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電率は
２．４であり、電気的特性に異常は見られなかった。 実施例４ 実施例１のフラクションをメチルイソブチルケトンに溶
解し、固形分１８重量％の溶液を調整した。この溶液
に、溶液重量に対して１０重量％のアミルベンゼンを添
加した。

【００４０】この溶液から、シリコンウエハ上にアルミ
多層配線構造（段差高が０．５μｍ、段差幅及び段差間
隔が各０．１８μｍの配線パターン）を有する半導体装
置の層間絶縁層を形成した。具体的には、下地段差をＣ
ＶＤ膜で被覆した後、上記溶液をシリコンウエハ上に、
回転速度５００ｒｐｍの前回転で３秒間、次いで回転速
度５０００ｒｐｍの本回転で１０秒間にてスピンコート
し、さらに溶剤を十分に蒸発させた後、室温で１０分間
放置し、最深部で８０００Åの膜厚を形成した。このウ
エハに酸素が７０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において加
速電圧１６５ｋＶの電子線照射装置で８０Ｍｒａｄのド
ース量の電子線を照射した。この状態では絶縁層のメチ
ルイソブチルケトンへの溶解性はスピンコート直後より
も低下していた。

【００４１】次いで、上述のウエハを石英炉中で、酸素
が１０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において４００℃で１
時間アニールした後、これを取り出して室温で１０分間
放置した。このウエハ上に形成された絶縁層中に残存す
るＳｉ−Ｈ結合の割合は７４％であり、水素シルセスキ
オキサン樹脂の２６％がシリカへ転化したことが判っ
た。また、転化後の絶縁層においてクラックの発生等の
異常は認められなかった。

【００４２】さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を形成し
た後、ビアホールコンタクト形式による多層配線構造を
取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電率は
２．４であり、電気的特性に異常は見られなかった。 実施例５ 実施例１のフラクションをメチルイソブチルケトンに溶
解し、固形分１８重量％の溶液を調整した。この溶液
に、溶液重量に対して１０重量％のビフェニルを添加し
た。

【００４３】この溶液から、シリコンウエハ上にアルミ
多層配線構造（段差高が０．５μｍ、段差幅及び段差間
隔が各０．１８μｍの配線パターン）を有する半導体装
置の層間絶縁層を形成した。具体的には、下地段差をＣ
ＶＤ膜で被覆した後、上記溶液をシリコンウエハ上に、
回転速度５００ｒｐｍの前回転で３秒間、次いで回転速
度５０００ｒｐｍの本回転で１０秒間にてスピンコート
し、さらに溶剤を十分に蒸発させた後、室温で１０分間
放置し、最深部で８０１５Åの膜厚を形成した。このウ
エハに酸素が７０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において加
速電圧１６５ｋＶの電子線照射装置で８０Ｍｒａｄのド
ース量の電子線を照射した。この状態では絶縁層のメチ
ルイソブチルケトンへの溶解性はスピンコート直後より
も低下していた。

【００４４】次いで、上述のウエハを石英炉中で、酸素
が１０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において４００℃で１
時間アニールした後、これを取り出して室温で１０分間
放置した。このウエハ上に形成された絶縁層中に残存す
るＳｉ−Ｈ結合の割合は７４％であり、水素シルセスキ
オキサン樹脂の２６％がシリカへ転化したことが判っ
た。また、転化後の絶縁層においてクラックの発生等の
異常は認められなかった。

【００４５】さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を形成し
た後、ビアホールコンタクト形式による多層配線構造を
取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電率は
２．４であり、電気的特性に異常は見られなかった。 実施例６ 水素シルセスキオキサン樹脂（数平均分子量１５４０、
重量平均分子量７７０５、軟化点９０℃）を分子量分別
し、数平均分子量７４３、重量平均分子量１６１３、軟
化点２５℃のフラクションを得た。このフラクションを
ヘキサメチルジシロキサン／オクタメチルトリシロキサ
ン（３０／７０重量％）の混合溶剤に溶解し、固形分２
５重量％の溶液を調整した。この溶液に、溶液重量に対
して１０重量％のシクロヘキシルベンゼンを添加した。

【００４６】この溶液から、シリコンウエハ上にアルミ
多層配線構造（段差高が０．５μｍ、段差幅及び段差間
隔が各０．１８μｍの配線パターン）を有する半導体装
置の層間絶縁層を形成した。具体的には、下地段差をＣ
ＶＤ膜で被覆した後、上記溶液をシリコンウエハ上に、
回転速度５００ｒｐｍの前回転で３秒間、次いで回転速
度３０００ｒｐｍの本回転で１０秒間にてスピンコート
し、さらに溶剤を十分に蒸発させた後、室温で１０分間
放置し、最深部で８０１５Åの膜厚を形成した。このウ
エハに酸素が７０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において加
速電圧１６５ｋＶの電子線照射装置で１６０Ｍｒａｄの
ドース量の電子線を照射した。この状態では絶縁層のメ
チルイソブチルケトンへの溶解性はスピンコート直後よ
りも低下していた。

【００４７】次いで、上述のウエハを石英炉中で、酸素
が１０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において４００℃で１
時間アニールした後、これを取り出して室温で１０分間
放置した。このウエハ上に形成された絶縁層中に残存す
るＳｉ−Ｈ結合の割合は７２％であり、水素シルセスキ
オキサン樹脂の２８％がシリカへ転化したことが判っ
た。また、転化後の絶縁層においてクラックの発生等の
異常は認められなかった。

【００４８】さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を形成し
た後、ビアホールコンタクト形式による多層配線構造を
取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電率は
２．２であり、電気的特性に異常は見られなかった。 実施例７ 二酸化ケイ素の前駆体である有機スピンオングラス（東
京応用化学工業株式会社製：ＯＣＤ−ＴＹＰＥ７）に、
１０重量％のシクロヘキシルベンゼンを添加した。

【００４９】この溶液から、シリコンウエハ上にアルミ
多層配線構造（段差高が０．５μｍ、段差幅及び段差間
隔が各０．１８μｍの配線パターン）を有する半導体装
置の層間絶縁層を形成した。具体的には、下地段差をＣ
ＶＤ膜で被覆した後、上記溶液をシリコンウエハ上に、
回転速度５００ｒｐｍの前回転で３秒間、次いで回転速
度５０００ｒｐｍの本回転で１０秒間にてスピンコート
し、さらに溶剤を十分に蒸発させた後、室温で１０分間
放置し、最深部で７５２０Åの膜厚を形成した。このウ
エハに酸素が７０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において加
速電圧１６５ｋＶの電子線照射装置で８０Ｍｒａｄのド
ース量の電子線を照射した。この状態では絶縁層のメチ
ルイソブチルケトンへの溶解性はスピンコート直後より
も低下していた。

【００５０】次いで、上述のウエハを石英炉中で、酸素
が１０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において４００℃で１
時間アニールした後、これを取り出して室温で１０分間
放置したところ、シリカへ転化したことが判った。ま
た、転化後の絶縁層においてクラックの発生等の異常は
認められなかった。さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を
形成した後、ビアホールコンタクト形式による多層配線
構造を取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電
率は２．６であり、電気的特性に異常は見られなかっ
た。

【００５１】比較例１ 実施例１のフラクションをメチルイソブチルケトンに溶
解し、固形分１８重量％の溶液を調整した。この溶液か
ら、シリコンウエハ上にアルミ多層配線構造（段差高が
０．５μｍ、段差幅及び段差間隔が各０．１８μｍの配
線パターン）を有する半導体装置の層間絶縁層を形成し
た。具体的には、下地段差をＣＶＤ膜で被覆した後、上
記溶液をシリコンウエハ上に、回転速度５００ｒｐｍの
前回転で３秒間、次いで回転速度５０００ｒｐｍの本回
転で１０秒間にてスピンコートし、さらに溶剤を十分に
蒸発させた後、室温で１０分間放置し、最深部で８０１
５Åの膜厚を形成した。このウエハを石英炉中で、酸素
が１０ｐｐｍ含まれる窒素気流下において４００℃で１
時間アニールした後、これを取り出して室温で１０分間
放置した。このウエハ上に形成された絶縁層中に残存す
るＳｉ−Ｈ結合の割合は７５％であり、水素シルセスキ
オキサン樹脂の２５％がシリカへ転化したことが判っ
た。また、転化後の絶縁層においてクラックの発生等の
異常は認められなかった。

【００５２】さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を形成し
た後、ビアホールコンタクト形式による多層配線構造を
取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電率は
２．８であり、電気的特性に異常は見られなかった。 比較例２ 実施例１のフラクションをメチルイソブチルケトンに溶
解し、固形分２０重量％の溶液を調整した。

【００５３】この溶液から、シリコンウエハ上にアルミ
多層配線構造（段差高が１．０μｍ、段差幅及び段差間
隔が各０．１８μｍの配線パターン）を有する半導体装
置の層間絶縁層を形成した。具体的には、下地段差をＣ
ＶＤ膜で被覆した後、上記溶液をシリコンウエハ上に、
回転速度５００ｒｐｍの前回転で３秒間、次いで回転速
度４５００ｒｐｍの本回転で１０秒間にてスピンコート
し、さらに溶剤を十分に蒸発させた後、室温で１０分間
放置し、最深部で１３１００Åの膜厚を形成した。この
ウエハを石英炉中で、酸素が１０ｐｐｍ含まれる窒素気
流下において４００℃で１時間アニールした後、これを
取り出して室温で１０分間放置した。このウエハ上に形
成された絶縁層中に残存するＳｉ−Ｈ結合の割合は７５
％であり、水素シルセスキオキサン樹脂の２５％がシリ
カへ転化したことが判った。また、転化後の絶縁層は膜
厚が大幅に低下し、クラックが観察された。

【００５４】さらに、この絶縁層上にＣＶＤ膜を形成し
た後、ビアホールコンタクト形式による多層配線構造を
取った。この半導体装置の絶縁層における比誘電率は
２．８であり、装置の一部に電気的コンタクト不良が見
られた。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、無
機及び／又は有機樹脂を溶剤中に溶解した溶液を半導体
基板上に塗布し、樹脂を高エネルギー線の照射により硬
化させて絶縁層を形成すると共に、その硬化開始以降に
該絶縁層内でガスを発生せしめて該絶縁層を低密度化す
ることにより、絶縁層の比誘電率を２．７未満にするこ
とが可能になるので、半導体基板上に絶縁層を介して少
なくとも１層の導電層からなる配線構造を設けた半導体
装置において、配線間隔が０．１８μｍより狭くなるよ
うな高集積回路であっても、配線間の寄生容量を十分に
低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施態様からなる半導体装置の製造方
法の各工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板（シリコンウエハ） ２ 下地絶縁層（ＢＰＳＧ膜） ３ａ，３ｂ，３ｃ 下層配線 ４，７ 層間絶縁層 ５ スルーホール ６ａ，６ｂ 上層配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 基 千葉県市原市千種海岸２番２ 東レ・ダウ コーニング・シリコーン株式会社研究開発 本部内 (72)発明者 小林 昭彦 千葉県市原市千種海岸２番２ 東レ・ダウ コーニング・シリコーン株式会社研究開発 本部内 (72)発明者 峰 勝利 千葉県市原市千種海岸２番２ 東レ・ダウ コーニング・シリコーン株式会社研究開発 本部内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に絶縁層を介して少なくと
   も１層の導電層からなる配線構造を設けた半導体装置の
   製造方法において、無機及び／又は有機樹脂を溶剤中に
   溶解した溶液を半導体基板上に塗布し、前記樹脂を高エ
   ネルギー線の照射により硬化させて絶縁層を形成すると
   共に、その硬化開始以降に該絶縁層内でガスを発生せし
   めることにより該絶縁層を低密度化することを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 硬化前の前記樹脂を溶融して前記絶縁層
   を平坦化するようにした請求項１に記載の半導体装置の
   製造方法。
3. 【請求項３】 前記樹脂が二酸化ケイ素の前駆体である
   請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記樹脂が水素シルセスキオキサン樹脂
   を主体とするものである請求項１又は２に記載の半導体
   装置の製造方法。
5. 【請求項５】 前記高エネルギー線が電子線、紫外線、
   Ｘ線からなる群から選ばれた少なくとも１種である請求
   項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方
   法。
6. 【請求項６】 前記溶液に添加剤を加え、前記樹脂の硬
   化開始以降に前記絶縁層内で該添加剤によってガスを発
   生せしめるようにした請求項１乃至５のいずれか１項に
   記載の半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 前記添加剤は沸点、蒸気圧曲線及び前記
   樹脂に対する親和性の少なくとも１つが前記溶剤とは異
   なるものである請求項６に記載の半導体装置の製造方
   法。
8. 【請求項８】 前記添加剤は０〜８００℃の温度範囲で
   熱又は前記樹脂との相互作用により揮発又はガスを発生
   し、かつ前記溶剤に可溶な１種又は２種以上の物質であ
   る請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の
   製造方法から得られた半導体装置。