JPS63289839A - 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〕 本発明に半導体装置の製造方法に関し、特に多層配線構
造を有する半導体装置の層間絶縁膜の形成方法に関する
。

〔従来の技術〕

従来、多層配線構造を有する半導体装置の層間絶縁膜と
しては、化学気相成長法により形成されたシリコン酸化
膜、又はプラズマ化学気相成長法により形成されたシリ
コン窒化膜等が主として用いられている。

しかしながら、これらの無機膜を層間絶縁膜として用い
た場合、下地の微細な凹凸を平担化することはできない
。

これらの無機膜に比べて、溶液塗布法により形成する有
機膜は平担性が良いことは公知であり、これらの有機物
を層間絶縁膜として用いる検討が行なわれている。例え
ば、電子通信学会予講集（１９７５年８月、ＣＰＭ７５
−５８）にあるように、ポリイミド　イソ　インドロキ
ナゾリンジオン（ＰＩＱ）樹脂を用いる方法がある。

従来仁の株の樹脂膜をシリコン基板表面に形成した後、
スルーホールを形成し上層の金属配線層を形成する場合
、途中工程での膜中に吸収された水分等を放出するため
に１７０’０１５分程度という熱処理が行なわれている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、ＰＩＱ等の有機樹脂膜を半導体装置のア
ルミニウム配線の層間絶縁膜に適用ｔた場合、下地にあ
るシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜との密着性が
不十分である。さらにＰＩＱ樹脂膜上にシリコン窒化膜
カバーを形成する際に、ＰＩＱ樹脂膜に、しわ、あるい
はクラダクができやすい等の問題があるため、高信頼性
が要求される超微細高密度デバイスの製造Ｋｒｆ用いる
ことができなかった。また、この株の樹脂膜に吸収され
た水分を放出するために１７０℃１５分程度とい程度処
理では不十分であシ、次工程でアルばニウム膜や窒化膜
を形成したのち熱処理すると、これらの膜にふくれが発
生し、歩留シ及び信頼性が低下するという問題点があっ
た。

本発明の目的は上記問題点を除去し、シリコン酸化ｙ１
．あるいは、シリコン窒化膜との密着性に優れ、さらに
シリコン窒化膜カバーをデバイス上に形成しても、しわ
、あるいはクラックが生じない有機樹脂膜を層間絶縁膜
に用いることにより、金属配線にふくれの発生しない信
頼性及び歩留りの高い多層配線栴造を壱する半導体装置
の製造方法を提供することにある。

〔問題点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、下記の式（１）で表
わされるテトラカルボン酸二無水物と式（２）で表わさ
れるジアミンと式（３）で表わされるアミンシリコン化
合物とを混合反応せしめることによって形成されるポリ
アミド酸シリコン型中間体を含有してなる溶液を金属配
線を形成した半導体基板上に塗布し熱処理する仁とによ
って有機層間絶縁膜温度で熱処理する工程とを含んで構
成される。

Ｎ　Ｈ、−Ｒ”　−Ｎ　Ｈｚ　　　　　　　　”・・”
・・［２）ＮＨｒ（３〉５ｉＲ３−、（ＯＲ”）ｘ　　
−＝−・・・・・・・−（３１（式（１）〜（３）にお
いて、Ｒ’ｒｉＪ価の炭素環式芳式芳香族基、Ｒ３及び
Ｒ４ｒｌそれぞれ独立の炭素数１〜６のアルキル基、又
はフェニル基であり、Ｋｒ１ｌ≦に≦３の値である。）
本発明においては有機層間絶縁膜を形成する為の塗布液
の原料に、アぐノシリコン化合物を加えて樹脂膜にシリ
コン結合手を持たせているために、シリコン酸化膜やシ
リコン窒化膜と密着性の良い有機層間絶縁膜が得られる
。

本発明に用いられるボリアずド酸の平均分子量の適量範
囲は前記一定条件下での対数粘度数測定値が０．０５〜
５ｄνｇであシ、適量な溶媒に可溶である、 前記対数粘度（ダｉｎｈ　）とは、前記測定条件により
定義された通りの本のであるが、更に詳述すれは、 し くここにηはウベローデ粘度計を使用し、重合溶媒と同
一組成の溶媒中の固形分濃度０．５重量−のものを温度
３０±０．０１℃で測定した値であシ、？ｏｒｉウベロ
ーデ粘度計を使用し、同温度における同溶液だけの測定
値であり、Ｃｒ［度０．５ｇ／ｄｆｌる。） で示される。

本発明におけるポリアミド酸シリコン型中間体の原料に
ついて説明する。

式（１）で表わされるテトラカルボン酸二無水物として
次の化合物を挙げることができる。

ピロメリット酸二無水物、３．３’、４．４’−ビフェ
ニルテトラカルボン酸二無水物％　２　＃　２’１３．
３′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２゜３．
３’、４−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３．
３’、４．４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無
水物、２，３．３’、４’−ベンゾフェノンテトラカル
ボン酸二無水物、２．２’、３．３’　−ベンゾフェノ
ンテトラカルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボ
キシフェニル）−エーテルニ無水物、ビス（３，４−ジ
カルボキシフェニル）−スルホンニ無水物、１．２．５
．６−ナフタリンテトラカルボン酸二無水物、２，３，
６．７−ナフタリンテトラカルボン酸二無水物等。

また式（２）で表わされるジアミンの具体例としては次
の化合物を挙げることができる。

４．４′−シアばノジフェニルエーテル、４．４’−ジ
アミノジフェニルメタン、４．４’−シアばノジフェニ
ルスルホン、４．４’−ジアミノジフェニルスルフィド
、４．４’−ジアミノジフェニルチオエーテル、４．４
’−ジ（メタ−アミノフェノキシ）ジフェニルスルホン
、４．４’−ジ（バラーアはノフエ／キシ）ジフェニル
スルホン、オルト−フェニレンジアミン、メタ−フェニ
レンジアミン、パラ−フェニレンシアミン、ベンジジン
、　２　、２’−ジアミノベンゾフェノン、４．４’−
ジアミノベンゾフェノン、４，４−ジアミノジフェニル
−２，２′−プロパン、１．５−ジアミノナフタレン、
１．８−ジアミノナフタレン等の芳香族ジアミン。

次に式（３）で表わされるアミンシリコン化合物として
は次の化合物を挙けることができる。

ＮＨｌ（ＦＳ　ｉ　（ＯＣ＊Ｈｓ）ｓ 上記の原料化合物を反応させるための好ましい溶媒（以
下反応溶媒ということがある。）としては、Ｎ−メチル
−２−ピロリドン、Ｎ、Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ
、Ｎ−ジメチルスルホンばド、ジメチルスルホキシド、
テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキ
サメチルホルアミド、メチルホルムアミド、Ｎ−７セチ
ルー２−ピロリドン、トルエン、キシレン、メチルセロ
ンルブ、エチルセロンルプ、７°チルセ四ンルプ、ジエ
チレングリコール七ツメチルエーテル、ジエチレンクリ
コールジメチルエーテル、シクロペン１／ン、シクロヘ
キテノン等の１種または２種以上の溶媒を使用できる。

反応溶媒はこれと添加した原料との合計量基準で４０重
量％以上使用するのがよい、これ以下ではかくはん操作
が困難である場合がある。

反応ｒｉｏ℃以上６０℃以下、反応時間ｒｉ０．２〜２
０時間が適している。

酸、アミンの混合比は式（１）　、　＋２）　、　（３
）の化合物のモル量を各々Ａ、Ｂ、Ｃとしたとき、２Ａ
＝２Ｂ十〇から両辺のずれが±１０％以内くらいが特に
好ましい、さらに、本発明による樹脂膜上に圧縮応力の
プラズマ化学的気相成長シリコン窒化膜を形成する点、
又、接着性の点から０．１≦Ｂ＋Ｃであることが好まし
い。

〔実施例〕 次に本発明を実施例にもとづき説明する。

本実施例ではアミンシリコン化合物としてで表わされる
Ｐ−７ミノフエニルトリメトキシシランを用い、珪素原
子を含まなりジアミンとして、４．４′−ジアミノジフ
ェニルエーテルを用い、また芳香族テトラカルボン酸二
無水物として３゜３’、４．４’−ベンゾフェノンテト
ラカルボン酸二無水物を用い、各原料の混合比を３．３
’、４．４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水
物と４゜４′−ジアミノジフェニルエーテルとＰ−アミ
ノフェニルトリメトキシシランｔ−２：　１　：　２　
（モル比）の割合とし、ジメチルアセトアミド溶媒中、
ポリマー濃度２０重量％で温度１０℃で５時間、４０°
０で２時間反応を行い、２５℃での回転粘度３００セン
チポイズの塗布液を得た。また、このポリマーの対数粘
度数ｒｉｏ、４３ｄｊ／ｇであった。

以下に亮１の実施例として、上記の塗布液を塗布、熱処
理して形成した樹脂膜をＭＯ８Ｏ８型体導体集積回路装
置層上ＩｂＩ層間絶縁膜として用いた例を示す。

第１図（ａｌ〜げ）ｒｉ、本発明に基づいて作製したＭ
Ｏ８型半導体集積回路装置の製造工程を説明するための
断面図である。

まず第１図（ａｌに示すように、Ｐ型シリコン基板１０
１に下側にチャンネルストッパー１０２を持つ厚さ０．
８μｍ程度のシリコン酸化膜１０３を形成した後、ゲー
ト電極となる約０．５μｍＣ）ポリシリコン層１０５を
形成する。さらにＮ型不純物を拡散し、ンース領域１０
６、ドレイン領域１０７を形成し、酸化によシボリシリ
コン層１０５、ンース領域１０６、ドレイン領域１０７
上にシリコン酸化膜１０８を形成する。

°　次に第１図（ｂｌに示すように、化学気相成長法に
より、厚さ約ｌＡｍのリンガラス膜１０９を形成し、ポ
リシリ；ン層１０５、ンース領域１０６、ドレイン領域
１０７との電気的導通をとるべき部分に第１の開口１１
０を設ける。

次に第１図（Ｃ）に示すように、約１μｍ厚のアルミニ
ウムｍを形成し、フォトエツチングによシ第１のアルミ
ニウム配線１１１を形成する。

次に第１図（ｄ）に示すように、上記した塗布液を毎分
２０００回転で３０秒間回転塗布し、窒素ガス雰囲気中
で１００℃１時間、続いて２４０℃で３０分間のプリベ
ークを行う６次に窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間
のボストベークを行うことによって約１．５層ｍ厚の第
１の鳴機層間絶縁膜１１２を形成する。

続いて、第１図（ｅ）に示すように、第１と第２のアル
ミニウム配線間の導通をとるための第２の開口１１３を
ＣＦ４と０３の混合ガスを用いるフォトエツチングによ
シ形成する０次で７オトレジストを剥離した後、第２層
アルミニウム膜をスバ。

りする前に、窒素ガス雰囲気中で４００℃１時間のベー
クを行ない、第１の層間絶縁膜中に含まれた水分等を放
出する。

ベーク後、続けて、アルミニウム膜をスパッタ法によシ
約１μｍＯ淳さに堆積し、フォトエツチングにより第２
のアルミニウム配線１１４を形成する。

次に第１図げ）に示すように、上記の工程（ｄ）　、　
（ｅ）と同様にして第２の有機層間絶縁ＩＩＩ　１５、
第３の開口１１６、第３のアルミニウム配＠１１７を形
成したのち、カバーとして約１μｍ厚のプラズマ化学気
相成長によるシリコン窒化Ｈｆ＆１ｉｓｔ−形成し３層
のアルミニウム配線構造を有するＭＯ８Ｏ８型体導体装
置成させる。

このようにして製造されたＭＯ８Ｏ８型体導体装置いて
は、有機層間絶縁膜とシリコン化合物からなる薄膜との
密着性は良好であシ、有機層間絶縁膜にクラックやしわ
が発生することはなかった。

また各アルミニウム配線にふくれの発生はみられなかっ
た。

尚、アルミニウム膜を形成する前に電気炉、窒素ガス雰
囲気中で４００℃１時間のベークを行うかわシに、アル
ずニウムスパッタ装置内において真空中でウェハーを４
００℃２分間基板加熱を行っても密着性の良い有機層絶
縁膜が得られる。

第２図は第２０実施例を説明する為０工程順に示した半
導体チップの断面図であシ、本発明をバイポーラ型中導
体集積回路に適用した場合を示す。

まず第２図（ａ）に示すように、Ｐ型シリコン基板２０
１にＮ型埋込領域２０２を形成し、Ｎ型エピタキシャル
層２０３を約４μｍの厚さに形成する。

さらにＰ型絶縁領域２０４を形成し、ベース領域２０５
、エミッタ領［２０６，コレクタコンタクト領域２０７
をそれぞれ形成し、表面をシリコン酸化膜２０８で覆う
。

次に第２図（ｂ）に示すように、エミッタ、ベース。

コレクタ領域と電気的導通をとるべき部分に開口２０９
．２１０，２１１をそれぞれ設け、約１μｍ厚のアルミ
ニウム膜を形成しフォトエツチングによυ第１のアルミ
ニウム配線２１２を形成する。

次に第２図（Ｃ）に示すように上記の塗布液を毎分２０
００回転で３０秒回転塗布し、窒素ガス雰囲気中で１０
０℃１時間、続いて２４０℃３０分間のプリベークを行
うことにより１．５μｍ厚の有機層絶縁＠２１３を形成
する。

次に第２図（ｄ）に示すように第１と第２のアルミニウ
ム配線間の導通をとるための開口２１４をＣＦ４とＯ３
の混合ガスを用いてフォトエツチングによシ形成する。

フォトレジストを剥離した後、第２層アルミニウム膜を
スパッタする前に窒素ガス雰囲気中で４００℃１時間ベ
ータを行うことにより、有機層間絶縁膜中の水分を放出
し、同時に膜のイミド化を行なう。

ベーク後続けてアルばニウム膜をスバ９夕法により約１
μｍの厚さ堆積し、フォトエツチングによυ第２図（ｅ
）に示すように第２のアルミニウム配線２１５を形成す
る。

最後にカバー膜として約１μｍ厚のプラズマ化学的気相
成長法によるシリコン窒化膜２１６を形成することによ
って、第２図げ）に示すように、２層のアルばニウム配
線構造を有するバイポーラ型半導体装置を完成させる。

本裁２の実施例においても有機層間絶縁膜２１３とシリ
コン酸化膜２０８及びシリコン窒化膜２１６との密着性
は良好であシ、アルミニウム配線にふくれは生じなかっ
た。

第３図σ本発明の根拠となるアルはニウムスパッタ前の
熱処理温度と、それに対応するアルミニウム膜のふくれ
発生数の関係を示した図である。

第３図に示されるように、スパッタ前の熱処理温度が３
００℃未満の場合は、ボリイξド膜である有機層間絶縁
膜中から十分に水分等が放出されないため、アルばニウ
ム膜のふくれが発生する。

従って熱処理温度は３００℃以上にすることが必要であ
る。また熱処理温度を４５０℃以上に上げると、ボリイ
くド膜自体が熱分解をはじめるので好ましくない、従っ
て最適な熱処理温度範囲は３００℃〜４５０℃である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発ＦＩＡｒｉボリアばド酸シリコ
ン型中間体よシ有機層間絶縁膜を形成し、その上にアル
ミニウム等の薄膜を形成する場合の前処理温度を３００
〜４５０℃にすることにより、アルミニウム膜等のふく
れを抑制できる効果がある。

従って多層配線構造を有する半導体装置の歩留り及び信
頼性は著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１及び第２の実施施例を
説明するための製造工程順に示した半導体チップの断面
図、第３図は熱処理温度とアルミニウム膜とのふくれ発
生数の関係を示す図である。 １０１・・・・・・Ｐ型シリコン基板、１０２・・・・
・・チャンネルスト、パー１１０３・・・・・・シリコ
ン酸化、膜、１０４・・・・・・ゲート酸化膜、１０５
・・・・・・ポリシリコン膚、１０６・・・・・・ンー
ス領域、１０７・・・・・・ドレイン領域、１０８・・
・・・・シリコン酸化膜、１０９・・・・・・リンガラ
ス膜、１１Ｏ・・・・・・第１の開口、１１１・・・・
・・第１のアルミニウム配線、１１２・・・・・・第１
の樹脂層間絶縁膜、１１３・・・・・・第２の開口、１
１４・・・・・・第２のアルミニウム配線、１１５・・
・・・・第２の樹脂層間絶縁膜、１１６・・・・・・第
３の開口、１１７・・・・・・第３のアルくニウム配線
、１１８・・・・・・シリコン窒化膜、２０１・・・・
・・Ｐ型シリコン基板、２０２・・・・・・Ｎ型埋込層
、２０３・・・・・・Ｎ型エピタキシャル層、２０４・
・・・・・Ｐ型絶縁領域、２０５−・・・・・ペース領
域、２０６・・・・・・エミッタ領域、２０７・−・・
・・コレクタコンタクト領域、２０８・・・・・・酸化
膜、２０９，２１０゜２１１・・・・・・開口、２１２
・・・・・・第１のアルミニウム配線、２１３・・・・
・・有機層間絶縁膜、２１４−・・・・・開口、２１５
・・・・・・第２のアルミニウム配線、２１６・・・・
−シリコン窒化膜。 ドしイノ４自起役　　　　シリ］；ｉ！ｌ交化績滞７Ｒ ３１図 ２θｌ　Ｐ型ジ°月ンシ吸　　　　　　　　？θ８　レ
リ］〕耐化脂射？父 ？１４　　　開口　　　　　　　　　　ｚｌｇ　　乃］
）！化膜２１５　　　篤２の１ル＝ニウム配謙 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ▲数式、化学式、表等があります▼ （Ｒ′：４価の炭素環式芳香族）で表わされるテトラカ
   ルボン酸二無水物とＮＨ＿２−Ｒ＾２−ＮＨ＿２（Ｒ＾
   ２：炭素数６〜３０個の芳香脂肪族基または炭素環式芳
   香族基）で表わされるジアミンと ▲数式、化学式、表等があります▼ （ＯＲ＾３）Ｋ（Ｒ＾３、Ｒ＾４：それぞれ独立の炭素
   数１〜６のアルキル基またはフェニル、１≦Ｋ≦３）で
   あらわされるアミノシリコン化合物とを混合反応せしめ
   ることによって形成されたポリアミド酸シリコン型中間
   体を含む溶液を金属配線を形成した半導体基板の主面に
   塗布し、熱処理して有機層間絶縁膜を形成する工程と、
   前記有機層間絶縁膜上に他の薄膜を形成する際に有機層
   間絶縁膜を３００℃〜４５０℃の温度で熱処理する工程
   とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。