JPS6265346A - 半導体装置の製造方法 - 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 本発明は高速・高周波動作の可能な半導体装置、特には
多層配線を有する半導体装置の製造方法に関する。

従来の技術 半導体装置の動作速度の向上に伴い、半導体装置を構成
する半導体素子間を結ぶ電極配線による伝搬速度の遅延
が問題となってきている。特に半導体素子のパターンの
微細化に伴って、半導体素子のゲート容量と多層電極配
線相互の眉間容量とが同程度になりつつあり、層間容量
に基因する伝搬速度の遅延の問題が顕著になっている。

眉間容量を減少する方法としては、多層電極配線間の層
間絶縁膜として誘電率の小さい絶縁膜たとえばポリイミ
ド樹脂を用いる方法、眉間絶縁膜を厚くする方法などが
検討されている。最近では眉間容量をさらに減少するた
めに、層間絶縁膜として誘電率ε＝１の空気を用いたエ
アーブリッジ法が検討されている。

第４図に従来のエアーブリッジ法を示す。１１はＧａム
Ｓ半導体基板、１２は１層目の電極配線、１３はＳｉ、
　Ｎ４膜、１４　ＭＬ　オｊ　０１４ｂは１層目の電極
配線１２と２層目の電極配線１５との接続用のコンタク
ト電極である。１層目の電極配線１２と２層目の電極配
線１６との間の眉間絶縁膜としては空気が用いられてお
り、またそれらの間隔１６はコンタクト電極１４ａおよ
び１４ｂの厚さによって規定されている。従来のエアー
ブリッジ法では眉間絶縁膜として空気を用いているので
層間容量が小さく、したがって半導体装置の高速動作が
可能となる。

第５図に従来のエアーブリッジを形成するための半導体
装置の製造方法を示す。ＦＩＴ（図示せず）の形成され
九Ｇ！Ｌ　Ａｓ半導体基板１１上に５ｉ５Ｎ４膜１３を
スペーサとしたリフトオフ法により１層目の電極配線１
２を形成する（第５図（ＩＬ）　）。次に１層目の電極
配線１２上の所定の場所に、１層目の電極配線と２層目
の電極配線との接続用のコンタクト電極１４！Ｌおよび
１４ｂを形成する（第５図（ｂ））。１層目の電極配線
と２層目の電極配線の交差部１７に可溶性の樹脂１８を
選択的に形成する゛（第５図（Ｃ））。次いで２層目の
電極配線１５を形成しく第５図（ｄ））、最終的に前記
樹脂１８を溶剤中で除去して、１層目と２層目の電極配
線間の間隔１６をエアーギャップとするエアーブリッジ
が形成される（第５図（ｅ））。

発明が解決しようとする問題点 第４図および第５図に示した従来のエアーブリッジ法に
おいては、２層目の電極配線１６が層間部でＧａ　Ａｓ
基板１１から離れて空中に浮いて形成されているため以
下に示すような問題点が生じる。

まず第１の問題点は１層目の電極配線と２層目の電極配
線の短絡が発生し易いことである。機械的振動あるいは
熱的な影響などにより２層目の電極配線がたれ下がって
きて、１層目の電極配線と接触し電気的に短絡する。

２番目の問題点はチップ面積が大きくなることである。

前述したように機械的振動あるいは熱的な影響などによ
り１層目の電極配線と２層目の電極配線との短絡が生じ
る。この短絡は２層目の電極配線のブリッジ部分が長い
程顕著に生じる。短絡の発生を軽減するため第４図およ
び第５図に示しているようにブリッジ部分の所定の長さ
ごとにポストとなるコンタクト電極１４ｂを形成するこ
とが考えられている。このようにするとブリッジ部分の
長さを所定の長さく通常は２０〜３０μｍ程度）以下に
しつつ、全体のブリッジの長さを任意に長くすることが
でき、しかも短絡の発生を軽減することができる。しか
し２０〜３０μｍおきにポストを設けなければならずチ
ップ面積が約５０％増加する。

３番目の問題点は半導体基板の裏面のラッピング後およ
びチップ分割後の歩留まりが極めて悪いことである。ダ
イヤモンドスクライバーヲ用イテ半導体基板をチップ状
に分割しクランキングする際、半導体基板の表面に圧力
が加わりそれにより２層目の電極配線が１層目の電極配
線に短絡しチップ歩留まりは数チであった。また半導体
基板の裏面のラッピングの際にも同様に短絡が発生しチ
ップ歩留まりは数チであった。したがって良品のチップ
を含む半導体基板を前述のような後工程処理を行なった
後はチップ歩留まりはほぼ０係であり、良品のチップを
得るのは非常に困難であった。

問題点を解決するだめの手段 本発明の半導体装置の製造方法は前記従来の問題点に鑑
みてなされたものであり、第１の目的は表面が平坦化さ
れたエアーブリッジの製造方法を提供することにある。

本発明の第２の目的はエアーブリッジの工程数を減少す
ることにある。

本発明の第３の目的は再現性の向上にある。

本発明の第４の目的は製造歩留まりの向上するエアーブ
リッジの製造方法を提供することＫある。

本発明の第５の目的は信頼性の向上にある。

そこで、このような目的を達成する本発明の半導体装置
の製造方法は、半導体基板の主面の下層電極配線層と第
１の上層電極配線層との交差部を含んだ領域に、対向し
た一対のメサ形状面と対向した一対の逆メサ形状面とを
有する凹部を形成する工程、前記基板の主面から前記メ
サ形状面と前記凹部の底面を通り、前記凹部の外側にコ
ンタクト領域を有する下層電極配線層を形成する工程、
前記下層電極配線層の形成された前記凹部内に可溶性膜
を形成し前記基板の主面を略平坦にする工程、前記基板
の主面から前記凹部内の可溶性膜の表面を通る第１の上
層電極配線層を形成する工程、前記コンタクト領域に接
続された第２の上層電極配線層を形成する工程、前記凹
部内の可溶性膜を除去する工程とを備えたことを特徴と
するものである。

作用 本発明の半導体装置の製造方法においては多層電極配線
層の交差部に一対のメサ形状と一対の逆メサ形状を有す
る凹部を形成し、そのメサ形状を通って凹部の底面にわ
たってまた凹部の外側にコンタクト領域をもつ下層電極
配線層を形成し、下層電極配線層に交差するように半導
体基板の表面に凹部の表面を横切って第１の上層電極配
線層を形成する。また前記コンタクト領域に接続された
第２の上層電極配線層を形成する。下層電極配線層は凹
部の底面に、第１の上層電極配線層は凹部の表面に形成
されるため、半導体基板の表面は平坦になっている。本
発明の半導体装置の製造方法によると、表面が平坦化さ
れたエアーブリッジを得ることができる。

また本発明の半導体装置の製造方法によると、下層電極
配線層と上層電極配線層の交差部に形成される凹部の表
面を上層電極配線層が横切る凹部の幅は、その断面形状
が逆メサ形状となっているため狭い。それ故従来例で述
べたようなポストとなるコンタクト電極は不要となるの
で、チップ面積の減少化と共にエアーブリッジ製造工程
の工程数を減少することが可能′となる。

また凹部の形成にはエッチャントのエツチング速度の結
晶方位依存性を用いるので再現性が俺めて良い。また制
御性にも優れている。

さらに、下層電極配線層は凹部のメサ形状を通って形成
されるため下層電極配線層の断線が生じないこと、半導
体基板の表面が平坦化されるため半導体基板の裏面のラ
ッピング工程およびスクラィプ工程あるいはエアーブリ
ッジ形成後の製造工程などにおいて、半導体基板の表面
からの圧力などによって上層電極配線層が凹部内にたれ
下がって、凹部底面に形成されている下層電極配線層と
接触し短絡を起こすことなどがなく、半導体装置の製造
歩留まりが向上する。

また以上述べたことなどにより、および層間絶縁物とし
て空気、窒素、アルゴンなどの気体を用いるあるいは真
空にすることＫより、信頼性の高い半導体装置を得るこ
とができる。さらに上層電極配線層が横切る凹部の幅は
狭いため、上層電極配線層が機械的振動、熱的影響、経
時変化あるいはエレクトロマイグレーシランなどによっ
て凹部内にたれ下がり、下層電極配線層と電気的に短絡
することなどがなく、半導体装置の信頼性を向上させる
ことができる。

さらに本発明によると下層電極配線層は薄く形成される
ため凹部の深さを浅くすることができ、それ故下層電極
配線層としては微細なパターンを用いることができ集積
度が向上する。一方凹部から引き出される下層電極配線
層のコンタクト領域に接続された上層電極配線層として
は厚いムＵメッキ層を用いることができるため、配線抵
抗を減少させることができ、高周波・高速半導体装置に
適した多層配線を提供することができる。

実施例 以下実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例により製作された半導体装置
の平面図（ａ）および断面図（ｂｌ　、　（ｃ）である
。第１図（＆）で２１はＧａ　Ａｓ半導体基板、２２は
多重電極配線層の交差部に設けられた深さ１μｍの凹部
、２３は凹部の（ｏｔτ〕方向の辺、２４は〔０１１〕
方向の辺を表わしている。２６は〔０１１〕方向に形成
されている電源配線、接地配線として用いた３μｍ幅の
下層電極配線層、２６は〔０１′１〕方向に形成されて
いる信号配線として用いた３μｍ幅の上層電極配線層で
ある。凹部２２で下層電極配線層２６と上層電極配線層
２６とは交差している。３６は下層電極配線層の引き出
し用のコンタクト領域であり、３ｅはコンタクト領域３
５から引き出される上層電極配線層である。第１図（ｂ
）は（ａ）の人−ム′方向の断面図を示しており、凹部
２２の側面には（１１１）面のメサ形状２８が形成され
ている。下層電極配線層２６はＧａ　Ａｓ半導体基板２
１の表面２７からメサ形状２８を通って、さらに凹部の
底面２９、メサ形状２８を通って配線されている。一方
上層電極配線層２θは凹部２２の上に間隔をあけて形成
されている。また下層電極配線層２６は凹部２２の外の
コンタクト領域３５により、上層電極配線層３６と接続
され、凹部２２外へ引き出されている。

第１図（Ｃ）は第１図（２Ｌ）のＢ　−Ｂ’力方向断面
図であり、凹部２２の側面は逆メサ形状３ｏとなってい
る。凹部のＢ−Ｂ’（ｏτ１〕方向のパターン幅は本実
施例では６μｍとしているが、３μｍと下層電極配線層
２６のパターン幅と同一寸法にしても良い。

第２図および第３図は本発明の第１の実施例を示す製造
工程図である。第２図は第１図の半導体装置のムーム′
方向の断面図を、第３図はＢ　−Ｂ’力方向断面図を示
している。まずＦＩＴの形成された（１０ｏ）面のＧａ
　Ａｍ半導体基板２１の主面にＳｉ３Ｎ４膜３１を形成
し、次いで下層電極配線層と上層電極配線層との交差部
３２に開口を有するレジストパターン３３を形成する（
第２図（ａ）および第３図（ＩＬ）　）。交差部３２の
開口は、一対の辺２３を（ｏｒτ〕方向（下層電極配線
層の形成される方向）に、あと一対の辺２４を〔０１１
〕方向（上層電極配線層の形成される方向）に有する長
方形よりなっている。次にレジストパターン３３をマス
クとして交差部３２のＳｉ３　Ｎ４膜３１を除去し、レ
ジストパターン３３を除去する（第２図（ａ）および第
３図（ｂ））。Ｓｉ３Ｎ４膜−３１をマスクとして、交
差部３２のＧａ　Ａｓ半導体基板２１を硫酸系エッチャ
ントで異方性エツチングし深さ１μｍの凹部２２を形成
する（第２図（Ｃ）および第３図（Ｃ））。凹部２２の
形状はメサ形状２８および逆メサ形状３０からなる（１
１１）面の側面と、（１０ｏ）面の底面２９からなる台
形となる。次にＳｉ３　Ｎ４膜３１を除去した後、Ｔｉ
／Ｐｔ／人Ｕの下層電極配線層２６をメサ形状２８から
底面２９にわたって（０１＊　）方向に０．４μｍ厚形
成する（第２図（ｄ）および第３図（ｄ））。下層電極
配線層２６は基板２１の主面から底面にわたって、メサ
形状２８を通って（０１〒〕方向に形成されているので
断線なく形成することが可能である。また凹部２２の外
側には引き出し用のコンタクト領域３６を形成しておく
。次に凹部２２の表面平坦化を行なう。まず基板２１の
主面に可溶性樹脂３４たとえばポリイミド樹脂を全面に
２〜６μｍ程度塗布し、キュアを行なう（第２図（１５
）および第３図（ｅ））。次いで平行平板型ドライエツ
チング装置を用いて前記樹脂３４を基板２１の主面より
エツチングし、凹部２２にのみ埋め込まれたように前記
樹脂３４を残し基板２１の表面を平坦化する（第２図（
ｊおよび第３図（０）。次に交差部の凹部２２を（０１
１）方向に横切って、下層電極配線層２６と凹部２２の
表面で交差する上層電極配線層２６およびコンタクト領
域３５から引き出すだめの上層電極配線層３ｅを形成す
る（第２図（ｇ）および第３図（ｇ））。本実施例では
Ｔ工／Ｐｔ／人Ｕ／ムＵ　メッキ層からなる膜厚１．６
μｍの上層電極配線層２６を２本形成したが限定される
ものではない。最後に有機溶剤たとえばヒドラジンヒト
ラードで前記樹脂３４を溶解し、第２図中）および第３
図き）に示すようにエアーブリッジを形成する。

以上の実施例から明らかなように、本発明の半導体装置
の製造方法においてはエアーブリッジを半導体基板内に
埋め込んで形成するため基板表面は平坦となる。それ故
、半導体基板の裏面のラッピング工程およびスクライブ
工程あるいはエアーブリッジ形成後の製造工程などにお
いて、半導体基板の表面からの圧力などによって上層電
極配線層が凹部内にたれ下がって、凹部底面に形成され
ている下層電極配線層と接触し短絡を起こすことなどが
なく、半導体装置の製造歩留まりが向上する。また下層
電極配線層が凹部のメサ形状を通って形成されるため、
下層電極配線層の断線が生じることがなく製造歩留まり
がさらに向上する。

また本発明の半導体装置の製造方法では、従来例で述べ
たようなエアーブリッジ部分のポストとなるべくコンタ
クト電極が不要であるので、チップ面積の減少と共にエ
アーブリッジ製造工程の工程数を減少することもできる
。

さらに凹部の形成には異方性エッチャントを用いること
ができ、メサ形状、逆メサ形状が再現性良く、また制御
性良く得られる。

また以上述べたことなどにより、および眉間絶縁物とし
て空気、窒素、アルゴンなどの気体を用いるあるいは真
空にすることにより、信頼性の高い半導体装置を得るこ
とができる。さらに上層電極配線層が横切る凹部の幅は
狭いため、上層電極配線層が機械的振動、熱的影響、経
時変化あるいはエレクトロマイグレーションなどによっ
て凹部内にたれ下がり、下層電極配線層と電気的に短絡
することなどがなく、半導体装置の信頼性を向上させる
ことができる。

以上の実施例においては半導体基板としてはＧａムＳ半
導体基板を用いたが、何らこれに限定さ本るものではな
（Ｓｉ半導体基板でも良く、また他の化合物半導体基板
でも良い。さらに下層および上層電極配線層としては本
実施例ではＴｉ／Ｐｔ／ＡｕおよびＴｉ／Ｐｔ／ムＵ／
ムＵ　メッキ層からなる積層金属電極を用いたが、特に
限定されるものでなくムｌ　、　ｐｏｌｙ　Ｓｉ　　な
どの電極でも良い。また凹部に埋め込んで形成した可溶
性樹脂３４はたとえばｐｓｅ膜でも良い。しかし可溶性
樹脂の方が、膜厚を厚くできる、塗布工程が容易である
、平坦化処理工程が容易である、除去工程が容易である
などの理由により好ましい。

また実施例では交差部の上層電極配線層２６とコンタク
ト領域３６からの引き出し用上層電極配線３６は同一工
程で形成したが、プロセスおよび半導体装置の自由度を
高くする意味では別工程で形成した方が良い。

さらに凹部を〔０１１〕方向に並行して複数本形成する
ことＫより複数本の下層電極配線層と複数本の上層電極
配線層の交差を面積効率良く形成することができる。

凹部の形状としては下層電極配線層が（ｏｔＨ）方向に
形成され、（ｏｒ〒〕方向にメサ形状面を形成しておく
必要があるため、（ｏｒｂ）方向の辺の長さが〔０１′
１〕方向の辺の長さより長い長方形の形状をしている方
が好ましい。前述の辺の長さを等しくすると凹部の上を
横切る上層電極配線層の凹部上での長さが長くなり、そ
の分だけ信頼性が低下すると考えられる。

また前述の実施例では上層と下層の電極配線層の２層構
造のみを示したが、一般的には２層以上からなる多層配
線層に本発明を適用することができる。上層電極配線層
を複数の層からなる複数の電極配線層とすると、たとえ
ばゲートアレイなどを構成する場合上層の電極配線層の
フォトマスクを変えるのみで容易にゲートアレイを構成
できるのでロジックの変更が容易となる特徴がある。

さらに実施例では上層電極配線層と下層電極配線層とが
直交している例を示したが、これも何ら限定されるもの
ではなく下層電極配線層に対して上層電極配線層が、あ
るいはその一部が斜めに交差していても良い。

また上層電極配線層が凹部を横切る幅は狭く、また上層
電極配線層はほぼ同一平面上に平坦に形成されているた
め上層電極配線層と下層電極配線層との電気的短絡はな
く、さらに凹部の〔０イ１〕方向の辺の長さは下層電極
配線層のパターン幅と同程度にすることができるのでチ
ップ面積の減少が図れ、また後工程処理などによるチッ
プ歩留まりの減少がなくしたがって歩留まりの向上が図
れる。実施例で半導体装置としてＧａ　Ａｓゲートアレ
ーを製作した結果、後工程処理による歩留まりの低下は
なく、ゲートアレーのチップ歩留まりは８０％であった
。

さらに下層電極配線層は凹部の領域のみに０．４μｍと
薄く形成したので、凹部の深さを浅くすることができ、
その結果凹部内の下層電極配線層としては最小パターン
寸法２μｍが可能であった。また一方凹部からコンタク
ト領域により外部へ引き出した上層電極配線層はＴｉ／
Ｐｔ／ムＵ／ムＵメッキ層（膜厚１．６μｍ）からなる
厚い膜厚の配線層を用いることが可能となるので、配線
抵抗が減少し、また信号遅延も小さくなるので高周波・
高速半導体装置に適している。

発明の効果 以上の実施例の説明より明らかなように、本発明の半導
体装置の製造方法によれば下層電極配線層を半導体基板
内に形成された凹部に形成し、その凹部の表面を上層電
極配線層が同一平面上に平坦に形成される。それ故製造
歩留まりの向上が図れる。またエアーブリッジ部分のポ
ストとなるべくコンタクト電極が不要であり、製造工程
数の減少も図れる。

さらに再現性および制御性も良い。また機械的振動、熱
的影響、経時変化あるいはエレクトロマイグレーシシン
などに強く、信頼性が向上する。

さらに高周波・高速の半導体装置に適した多層配線が可
能となる。

以上のように本発明の半導体装置の製造方法は顕著な効
果を発揮するものであり、工業的に優れた価値を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図体）は本発明の一実施例における半導体装置の製
造方法により製作された半導体装置の平面図、第１図（
ｂ）は第１図のムーＡ′線断面図、第１図（ｃ）は第１
図（＆）のＢ−Ｂ’線断面図、第２図（＆）〜（ｈ）お
よび第３図（ＬＬ）〜（′ｈ）は本実施例の半導体装置
の製造は同従来の半導体装置の製造方法を示す工程図で
ある。 ２１・・・・・・Ｇａ　Ａｓ半導体基板、２２・・・・
・・凹部、２Ｂ・・・・・・下層電極配線層、２６．３
８・・・・・・上層電極配線層、２８・・・・・・メサ
形状、３ｏ・・・・・・逆メサ形状、３１・・・・・・
Ｓｉ３Ｎ４膜、３２・−・・・・・交差部、３４・・・
・・・可溶性樹脂、３５・・・・・・コンタクト領域。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第２
図 第２図 第３図 第３図 ＠４図 第５図 １？

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の主面の下層電極配線層と第１の上層
   電極配線層との交差部を含んだ領域に、対向した一対の
   メサ形状面と、対向した一対の逆メサ形状面とを有する
   凹部を形成する工程と、前記基板の主面から前記メサ形
   状面と前記凹部の底面を通り、前記凹部の外側にコンタ
   クト領域を有する下層電極配線層を形成する工程と、前
   記下層電極配線層の形成された前記凹部内に可溶性膜を
   形成し前記基板の主面を略平坦にする工程と、前記基板
   の主面から前記凹部内の可溶性膜の表面を通る第１の上
   層電極配線層を形成する工程と、前記コンタクト領域に
   接続された第２の上層電極配線層を形成する工程と、前
   記凹部内の可溶性膜を除去する工程とを備えてなる半導
   体装置の製造方法。
2. （２）下層電極配線層と第１の上層電極配線層との交差
   部を含んだ領域が少なくとも複数の交差部を含んでいる
   特許請求の範囲第１項記載の半導体装置の製造方法。
3. （３）可溶性膜として可溶性樹脂を用いてなる特許請求
   の範囲第１項記載の半導体装置の製造方法。
4. （４）第１および第２の上層電極配線層が同一の工程に
   より形成されてなる特許請求の範囲第１項記載の半導体
   装置の製造方法。
5. （５）半導体基板の主面の（１００）面の下層電極配線
   層と第１の上層電極配線層との交差部を含み、対向した
   一対の辺を〔０＠１＠＠１＠〕方向に有し、対向した一
   対の辺を〔０＠１＠１〕方向に有する領域に、〔０＠１
   ＠＠１＠〕方向には少なくとも（１１１）面よりなるメ
   サ形状面を有し、〔０＠１＠１〕方向には少なくとも（
   １１１）面よりなる逆メサ形状面を有する凹部を形成す
   る工程と、前記基板の主面から前記メサ形状面と前記凹
   部の底面を通り、前記凹部の外側にコンタクト領域を有
   する下層電極配線層を略〔０＠１＠＠１＠〕方向に形成
   する工程と、前記下層電極配線層の形成された前記凹部
   内に可溶性膜を形成し前記基板の主面を略平坦にする工
   程と、前記基板の主面から前記凹部内の可溶性膜を通る
   第１の上層電極配線層を略〔０＠１＠１〕方向に形成す
   る工程と、前記コンタクト領域に接続された第２の上層
   電極配線層を形成する工程と、前記凹部内の可溶性膜を
   除去する工程とを備えてなる半導体装置の製造方法。
6. （６）下層電極配線層と第１の上層電極配線層との交差
   部を含み、対向した一対の辺を〔０＠１＠＠１＠〕方向
   に有し、対向した一対の辺を〔０＠１＠１〕方向に有す
   る領域が、少なくとも複数の交差部を含んでいる特許請
   求の範囲第５項記載の半導体装置の製造方法。
7. （７）可溶性膜として可溶性樹脂を用いてなる特許請求
   の範囲第５項記載の半導体装置の製造方法。
8. （８）第１および第２の上層電極配線層が同一の工程に
   より形成されてなる特許請求の範囲第５項記載の半導体
   装置の製造方法。