JPH0334558A

JPH0334558A - 多層配線構造体の製造方法

Info

Publication number: JPH0334558A
Application number: JP17008289A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Honma; 哲哉本間
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1991-02-14
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JP2738033B2

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、多層配線構造体の製造方法に関し、特に弗素
樹脂膜を層間絶縁膜の一部に用いる方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種の多層配線構造体は、層間絶縁膜として、
プラズマ化学気相戊シリコン酸化膜と、塗布熱処理して
形成したシリコン酸化膜から成る複合膜を用いていた。

すなわち第３図に示すように、絶縁膜３０２を介して第
１のアルミニウム配線３０３が形成された半導体基板３
０１上に、プラズマ化学気相成長法により、第１のシリ
コン酸化膜３０４を形成し、続いてシラノール溶液（Ｓ
ｉ（ＯＨ）４を主成分とするアルコール溶液）をスピン
コード法により塗布し、熱処理せしめることによって、
シリコン酸化膜（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　Ｇｌａｓｓ膜）３０
５を形成する。続いてプラズマ化学気相成長法により、
第２のシリコン酸化膜３０６を形成する。続いて、公知
のフォトエツチング技術を用いて、開孔３０７を形成し
た後、第２のアルミニウム配線３０８を形成する。そし
て、以上の工程をくり返すことにより多層配線構造体を
形成していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した従来の多層配線構造体はシリコ
ン酸化膜を層間絶縁膜として用いることから、半導体装
置の動作スピードが遅いという欠点がある。すなわち、
シリコン酸化膜の比誘電率が３．９〜４．０であること
から、上・下層配線間、及び同層配線間における静電容
量が大きく、したがって、信号伝達速度が遅くなってし
まう。さらに、スピンコード法によって塗布し、熱処理
せしめてシリコン酸化膜（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　Ｇｌａｓｓ
膜）を形成することによって、下層配線によって発生す
る表面の凹凸を平坦化しているが、通常、・このシリコ
ン酸化膜（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　Ｇｌａｓｓ膜）は、厚膜（
０，３μｍ以上）を形成すると、体積収縮によるクラッ
クが発生しやすく、厚膜化が難しいという欠点があり、
したがって、充分な表面平坦化は難しく、この上に形成
したアルミニウム配線が断線したり、また、反応性イオ
ンエツチングを行った後に、アルミニウムの残香が発生
しやすく、短絡する等の問題が発生する。

さらに、従来のプラズマ化学気相成長法によって形成し
たシリコン酸化膜は、少くとも１０’ｄｙｎｅ／−の大
きさの膜応力を発生するため、多層化することは難しい
という欠点も有している。

〔課題を解決するための手段〕

上述した従来の多層配線構造体の製造方法に対し、本発
明においては、比誘電率が２．０〜２．１と小さい弗素
樹脂膜を層間絶縁膜として用いることによって、半導体
装置の動作を高速化する。

また、塗布・熱処理によって形成した弗素樹脂膜を層間
絶縁膜として用いることから、表面の平坦性に優れ、ま
た、亀裂の発生が全くなく、したがって、半導体装置の
歩留りや信頼性を著しく向上できる。

さらに、弗素樹脂膜を形成することによって発生する応
力は１０　’〜１０　’ｄｙｎｅ／　ａａと小さく、多
層化することが容易である。

本発明の多層配線構造体の製造方法は、第１の金属配線
が形成された半導体基板表面にシリコン化合物を含有す
るポリイミド膜を形成する工程と、続いて、弗素樹脂膜
を形成する工程と、ＣＦ　４ガス又は、Ｏ，ガスを用い
る反応性イオンエツチング、あるいは、Ａｒガスを用い
るスパッタリングによって、該弗素樹脂膜の表面を改質
せしめる工程と、無機絶縁膜あるいは金属膜を該弗素樹
脂膜上に形成する工程と、続いて、公知のフォトエツチ
ング技術を用いて、該無機膜あるいは金属膜に開孔を形
成する工程と、該弗素樹脂膜と、シリコン含有ポリイミ
ド膜に開孔を形成する工程と、該無機膜あるいは金属膜
を選択的に除去する工程と、さらに、続いて、金属膜を
形成した後、公知のフォトエツチング技術を用いて、第
２の金属配線を形成する工程とを含み、さらに以上の工
程を繰り返すことによって多層化せしめることを特徴と
する。

さらに、上記のシリコン化合物を含有するポリイミド膜
は、下記の式（１）で表わされる芳香族テトラカルボン
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るポリアミック酸シリコン
型中間体を塗布・熱処理せしめることによって形成され
ることが望ましい。

ＮＨ２Ｒ”　　　　ＮＨ２（２）（式（１）〜（３）において、Ｒ′は４価の炭素環式芳
香族基を表わし、Ｒ１は炭素数６〜３０個の芳香族基、
又は、炭素数６〜３０個の炭素環式芳香族基、Ｒ３及び
Ｒ４は独立に炭素数１〜６のアルキル基、又はフェニル
基でありＫは、１≦に≦３の整数である）。

さらに、上記の弗素樹脂膜はポリテトラフルオロエチレ
ン（化学式−％ｃｐｚ←４ｍ：正の整数）、又は、テト
ラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエー
テル共重合体（化学式％式％Ｒ：アルキル基）、又は、テトラフルオロエチレン−ヘ
キサフルオロプロピレン共重合体（化学式％式％：数）、又は、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合
体（化学式−＋　ＣＦ　２　＋ＴｆＣＨ！　）−１ｍ。

ｎ：正の整数）、又は、ポリビニリデンフルオライド（
化学式−（−ＣＦｚ　　ＣＨｚ＋−１ｍ：正の整数）等
の微粒子、又は、これらのうちの２つ以上を、純水、又
は、トルエン、メタノール等の有機溶剤中に分散せしめ
たもの、いわゆるディスバージョンを、スピンコード法
、デイツプ法等により、塗布し、３００〜４００℃の温
度で熱処理、溶融することによって形成した膜であるこ
とを特徴とする。

さらに、上記、弗素樹脂膜上に形成する無機膜は、プラ
ズマ化学気相成長法、又は、スパッタ法によるシリコン
酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜のうちの
少くとも１つであり、また、金属膜としては、チタン膜
、タングステン膜、チタン含有タングステン膜、モリブ
デン膜、アルミニウム膜、アルミニウム合金膜等のうち
の少くとも１つであることを特徴とする。

〔実施例１〕次に、本発明について、図面を参照して説明する。

第１図（ａ）〜（ｈ）は、本発明の第１の実施例である
。２層アルミニウム配線構造体の製造方法を示す工程断
面図である。

第１図（ａ）に示すように、絶縁膜１０２を介して厚さ
約１μｍの第１のアルミニウム配線１０３が形成された
半導体素子基板１０１上に、シリコン含有ポリイミド膜
形成用塗布溶液を、スピンコード法により、塗布し、１
５０℃で３０分間、窒素ガス雰囲気中のオゾン内で熱処
理し、同図（ｂ）に示すように厚さ約０．２μｍのシリ
コン含有ポリイミド膜１０４を形成する。

次に、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキル
ビニルエーテル共重合体から成る直径０．１〜０．５μ
ｍの微粒子を約３０重量％の濃度で純水中に分散させた
デスバージョンをスピンコード法により塗布した後、８
０℃で１０分間、窒素ガス雰囲気のオーブン内で熱処理
し、続いて３８０℃で１０分間、窒素ガス雰囲気の電気
炉内で熱処理することによって上記の微粒子を溶融し、
同図（ｃ）に示すように厚さ約１．３μｍの弗素樹脂膜
１０５を形成する。

続いてスパッタ装置内において、アルゴンガスプラズマ
に弗素樹脂膜表面を曝すことによって改質した後、同装
置内で連続して厚さ約０．３μｍのチタン膜１０６をス
パッタ形成する。次に、同図（ｄ）に示すように公知の
フォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト膜１０
７を形成パターニングした後、ＣＣ１７４ガスと、ＳＦ
’ｇガスとの混合ガスを用いる反応性イオンエツチング
により、同図（ｅ）に示すように、チタン膜に開孔を形
成する。

続いて、０２ガスとＣＦ、ガスとの混合ガスを用いる反
応性イオンエツチングにより、同図（ｆ）に示すように
弗素樹脂膜と、シリコン含有ポリイミド膜とに開孔１０
８を形成すると同時に、フォトレジスト膜をエツチング
除去する。

次に、アンモニアと過酸化水素を混合した水溶液中に浸
漬し、同図（ｇ）に示すように、チタン膜を除去する。

次に、スパッタ法により、厚さ約１μｍのアルミ、ニウ
ム膜を形成し、公知のフォトエッチンク技術を用いて、
同図（ｈ）に示すように第２のアルミニウム配線１０９
を形成する。

以上の工程によって形成した２層アルミニウム配線構造
体において、弗素樹脂膜には、亀裂の発生は全くないも
のであり、また第２のアルミニウム配線の断面は全くな
いものであり、かつ、第２のアルミニウム配線間におけ
る短絡も全くないものであった。また、開孔部における
接続抵抗は、直径約１μｍの開孔１個当り、１００〜２
００ｍΩ（配線抵抗含む）であり、実用上問題ないもの
であった。

本実施例では、弗素樹脂膜形成用のディスバージョンと
してテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビ
ニルエーテル共重合体から成る微粒子を純水中に分散さ
せたものを用いたが、この微粒子としては、ポリテトラ
フルオロエチレン、又は、テトラフルオロエチレン−へ
キサフルオロプロピレン共重合体、又は、テトラフルオ
ロエチレン−エチレン共重合体、又は、ポリビニリデン
フルオライド等、又は、これらのうちの２つ以上を用い
ることができる。また、純水の替わりに、トルエン、メ
タノール等の有機溶剤を用いることができる。

また、弗素樹脂膜と、シリコン含有ポリイミド膜に開孔
を形成するために、ス゛バッタ法により形成したチタン
膜をマスク材料として用いているが、タングステン膜、
チタン含有タングステン膜、モリブデン膜、アルミニウ
ム膜、アルミニウム合金膜等の金属膜、又は、プラズマ
化学気相成長法あるいはスバ、り法によって形成したシ
リコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜等
の無機膜のうちの少くとも１つを用いることができる。

また、弗素樹脂膜表面の改質方法として、ＣＦ　ｓガス
、又はＯ，ガスを用いる反応性イオンエツチングを用い
ることもできる。さらに、配線材料はアルミニウム膜に
限らず他の金属膜を用いることができ、配線材料に応じ
て、上記のマスク材料を選択できるものである。

さらに、マスク材料の除去方法としては、本実施例で述
べた以外の方法、例えば、プラズマエッチング１反応性
イオンエツチング等による除去方法であってもよい。

〔実施例２〕第２図（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施例である
２層アルミニウム配線を有するＭＯ３型半導体装置の製
造方法を示す工程断面図である。

第２図（ａ）に示すように、素子分離領域２０２゜２０
２’、ゲート酸化膜２０３、ポリシリコンゲート２０４
、ソース領域２０５、ドレイン領域２０６、絶縁膜（Ｐ
ＳＧ膜）２０７、第１の開孔２０８．２０８’　、第１
のアルミニウム配線２０９゜２０９′が形成された半導
体基板２０１上に実施例１で述べたと同様な工程により
、同図（ｂ）に示すように、厚さ約０．２μｍのシリコ
ン含有ポリイミド膜２１０．厚さ約１．３μｍの弗素樹
脂膜２１１を形成する。続いて、同図（ｃ）に示すよう
に第２の開孔２１２，２１２’を形成する。最後に、同
図（ｄ）に示すように、第２のアルミニウム配線２１３
．２１３’を形成する。

以上のように形成した２層アルミニウム配線を有するＭ
Ｏ８型半導体装置の信号遅延時間を測定したところ、従
来のシリコン酸化膜を層間絶縁膜として用いたものに比
べて、約り０％小さいものであった。

また、本実施例で製造したＭＯ８型半導体装置の歩留り
は９０％以上であり、これは従来のシリコン酸化膜を層
間絶縁膜として用いたものに比べて２０％以上高い歩留
りであった。さらに信頼性も従来品に比べて高いもので
あった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明ば、その比誘電率が２．０
〜２．１と小さい弗素樹脂膜を多層配線層間絶縁膜に用
いることにより、半導体装置の動作スピードの高速化が
可能となるという効果を有し・ている。

また、塗布・熱処理によって形成した弗素樹脂膜を層間
絶縁膜として用、いることから表面の平坦性に優れ、ま
た亀裂の発生が全くないため、半導体装置の歩留りや、
信頼性を著しく向上できるという効果も有している。

さらに、弗素樹脂膜を形成することによって発生する応
力は１０　’〜１０　’ｄｙｎｅ／　ａｌｌと小さく、
多層化が容易であるという利点も有している。

したがって、本発明は、多層配線を有する半導体装置に
多大な効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｈ）は、本発明の第１の実施例である
２層アルミニウム配線構造体の製造方法を示す工程断面
図である。第１図において、１０１・・・・・・半導体素子基板、１０２・・・・・
・絶縁膜、１０３・・・・・・第１のアルミニウム配線
、１０４・・・・・・シリコン含有ポリイミド膜、１０
５・・・・・・弗素樹脂膜、１０６・・・・・・チタン
膜、１０７・・・・・・フォトレジスト膜、１０８・・
・・・・開孔、１０９・・・・・・第２のアルミニウム
配線、である。第２図（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施例である
２層アルミニウム配線を有するＭＯ８型半導体装置の製
造方法を示す工程断面図である。第２図において、２０１・・・・・・半導体基板、２０２，２０２’・・
・・・・素子分離領域、２０３・・・・・・ゲート酸化
膜、２０４・・・・・・ポリシリコンゲート、２０５・
・・・・・ソース領域、２０６・・・・・・ドレイン領
域、２０７・・・・・・絶縁膜（ＰＳＧ膜）、２０８，
２０８’・・・・・・第１の開孔、２０９．２０９’・
・・・・・第１のアルミニウム配線、２１０・・・・・
・シリコン含有ポリイミド膜、２１１・・・・・・弗素
樹脂膜、２１２，２１２’・・・・・・第２の開孔、２
１３．２１３’・・・・・・第２のアルミニウム配線、
である。第３図は、従来の多層配線の構造を示す断面図である。第３図において、３０１・・・・・・半導体基板、３０２・・・・・・絶
縁膜、３０３・・・・・・第１のアルミニウム配線、３
０４・・・・・・第１のシリコン酸化膜、３０５・・・
・・・シリコン酸化膜（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　Ｇｌａｓｓ膜
）、３０６・・・・・・第２のシリコン酸化膜、３０７
・・・・・・開孔、３０８・・・・・・第２のアルミニ
ウム配線、である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の金属配線が形成された半導体基板表面にシ
リコン化合物を含有するポリイミド膜を形成する工程と
、続いて、弗素樹脂膜を形成する工程と、ＣＦ＿４ガス
又は、Ｏ＿２ガスを用いる反応性イオンエッチング、あ
るいは、Ａｒガスを用いるスパッタリングによって、該
弗素樹脂膜の表面を改質せしめる工程と、無機絶縁膜あ
るいは金属膜を該弗素樹脂膜上に形成する工程と、続い
て、公知のフォトエッチング技術を用いて、該無機膜あ
るいは金属膜に開孔を形成する工程と、該弗素樹脂膜と
、シリコン含有ポリイミド膜に開孔を形成する工程と、
該無機膜あるいは金属膜を選択的に除去する工程と、さ
らに、続いて、金属膜を形成した後、公知のフォトエッ
チング技術を用いて、第２の金属配線を形成する工程と
を含み、さらに以上の工程を繰り返すことによって多層
化せしめることを特徴とする多層配線構造体の製造方法
。
（２）前記シリコン化合物を含有するポリイミド膜は、
下記の式（１）で表わされる芳香族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るポリアミック酸シリコン型中
間体を含有してなる溶液を塗布・熱処理せしめることに
よって形成されることを特徴とする請求項１記載の多層
配線構造体の製造方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼（１）ＮＨ＿２−Ｒ＾２−ＮＨ＿２（２） ▲数式、化学式、表等があります▼（３）（式（１）〜（３）において、Ｒ′は４価の炭素環式芳
香族基を表わし、Ｒ＾２は炭素数６〜３０個の芳香族基
、又は、炭素数６〜３０個の炭素環式芳香族基、Ｒ＾３
及びＲ＾４は独立に炭素数１〜６のアルキル基、又はフ
ェニル基でありＫは、１≦Ｋ≦３の整数である）。
（３）前記弗素樹脂膜はポリテトラフルオロエチレン化
学式▲数式、化学式、表等があります▼、ｍ：正の整数
）、又は、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアル
キルビニルエテール共重合体（化学式▲数式、化学式、
表等があります▼、ｍ、ｎ：正の整数、Ｒ：アルキル基）、又は、テトラフ
ルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（
化学式▲数式、化学式、表等があります▼、ｍ、ｎ：正の整数）、又は、テトラフルオロエチレン−エチ
レン共重合体（化学式▲数式、化学式、表等があります
▼、ｍ、ｎ：正の整数）、又は、ポリビニリデンフルオライ
ド（化学式▲数式、化学式、表等があります▼、ｍ：正
の整数）等の微粒子、又は、これらのうちの２つ以上を、純
水、又は、トルエン、メタノール等の有機溶剤中に分散
せしめたもの、いわゆるディスパージョンを、スピンコ
ート法、ディップ法等により、塗布し、３００〜４００
℃の温度で熱処理、溶融することによって形成した膜で
あることを特徴とする請求項１記載の多層配線構造体の
製造方法。
（４）前記、弗素樹脂膜上に形成する無機膜は、プラズ
マ化学気相成長法、又は、スパッタ法によるシリコン酸
化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜のうちの少
くとも１つであり、また、金属膜としては、チタン膜、
タングステン膜、チタン含有タングステン膜、モリブデ
ン膜、アルミニウム膜、アルミニウム合金膜等のうちの
少くとも１つであることを特徴とする請求項１記載の多
層配線構造体の製造方法。