JPH07254593A - 半導体素子・集積回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低誘電率、低吸水率、低水蒸気透過性、および
下地の凹凸に対する優れた埋め込み平坦性を併せ持った
表面保護膜を形成することによって、優れた電気的特
性、信頼性を持つ半導体素子・集積回路装置を得ること
を目的とする。 【構成】半導体素子上に表面保護膜として、フッ素樹脂
の薄膜を介して無機膜が形成されてなる半導体素子・集
積回路装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子・集積回路
装置に関し、特に、回路を保護する目的でチップ表面に
設けられる表面保護膜（パッシベーション膜）に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、フッ素樹脂は溶媒に不溶である
ためにコーティングによる均一な薄膜形成は困難であっ
たが、特開昭６３−２３８１１１号公報、特開昭６３−
２６０９３２号公報、米国特許４７５４００９号明細書
に見られるように、特殊な溶媒に溶解するフッ素樹脂が
開発され、誘電率が小さい、あるいは吸水性がないとい
った特徴を活かして半導体素子・集積回路装置の表面保
護膜の用途への応用が欧州特許０３９３６８２号明細書
に記載されている。

【０００３】該フッ素樹脂は吸水性がなく膜中に水分を
含むことはないが、水蒸気透過性を有するために苛酷な
耐湿試験を行うと、透過した水蒸気により素子の不良が
発生することがあり、信頼性が十分でないという問題が
あった。

【０００４】また、無機膜系の表面保護膜としてはシリ
コン酸化膜、シリコン窒化膜あるいはこれらの複合膜が
一般に用いられている。特にシリコン窒化膜は緻密で機
械的損傷を受けにくく、イオン透過性、水蒸気透過性が
低いことから、信頼性が要求される半導体素子・集積回
路装置において多用されている。しかし、半導体装置の
微細化が進むにつれて以下の点が問題となってきてい
る。

【０００５】第一に、シリコン窒化膜の誘電率は６〜８
と高く、信号の伝搬遅延時間の増大の原因となり、特に
高速動作が要求される半導体装置においては、この効果
が無視できなくなってきている点である。第二に、シリ
コン窒化膜をプラズマ化学気相成長法により形成する
と、下地の配線金属の凹凸を充分に埋めきれずに、配線
金属とシリコン窒化膜の間にボイドが生成し、信頼性低
下の原因となる点である。第三に、シリコン窒化膜に内
在する大きな圧縮応力により、下地の配線金属の変形、
ストレスマイグレーションが起こることがあり、信頼性
低下の原因となる点である。

【０００６】これらの問題を解決するために、これまで
は、素子上に、まずシリコン酸化膜、あるいはポリイミ
ド膜を形成し、続いてシリコン窒化膜を形成するという
方法が採用されている。シリコン酸化膜は通常プラズマ
化学気相成長法により形成され、また、ポリイミド膜は
ポリイミド前駆体溶液をスピンコートにより塗布し、そ
の後加熱処理により溶媒を揮発させるとともにイミド閉
環させて形成する。これらの膜は誘電率が比較的小さく
（シリコン酸化膜４．０〜４．３、ポリイミド膜３．
５）、下地の凹凸を埋める能力が比較的優れ、シリコン
窒化膜とは逆方向の引っ張りの応力を有するために上記
のシリコン窒化膜単層の表面保護膜の有する問題を解決
できる。

【０００７】しかしシリコン酸化膜、ポリイミド膜は以
下のような欠点を有し、その解決が強く望まれていた。
すなわち、シリコン酸化膜は通常プラズマ化学気相成長
法により形成されるため、下地の凹凸が微細になってい
くと埋め込み平坦性が十分でなく、信頼性の観点から問
題がある。また、ポリイミド膜は吸水性が大きいため
に、回路のリーク電流を発生させやすく、同じく信頼性
の観点から問題がある。また、回路の伝搬遅延時間をさ
らに小さくするために、シリコン酸化膜あるいはポリイ
ミド膜より誘電率の低い材料が望まれていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述のよう
な従来の表面保護膜に認められる欠点を解消し、電気特
性、信頼性に優れた表面保護膜を有する半導体素子・集
積回路装置を新規に提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意検討を
重ねた結果、表面保護膜として、半導体素子上にまずフ
ッ素樹脂膜を形成し、続いて無機膜を形成する半導体素
子・集積回路装置が電気特性、信頼性に優れていること
を新規に見いだした。

【００１０】かくして本発明は、半導体素子上に表面保
護膜として、フッ素樹脂の薄膜を介して無機膜が形成さ
れてなる半導体素子・集積回路装置である。まず、フッ
素樹脂層を形成し、続いて無機膜を形成することによ
り、フッ素樹脂単層膜の欠点、および無機膜単層、無機
膜／無機膜構造あるいはポリイミド膜／無機膜構造の欠
点を同時に改善することができる。すなわち、水蒸気透
過性がなく、誘電率が小さく、下地の凹凸に対する埋め
込み平坦性に優れ、吸水性のない理想の表面保護膜を持
った半導体素子・集積回路装置を新規に提供する。

【００１１】本発明において、フッ素樹脂としては、テ
トラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、
ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニ
ルエーテル、等の含フッ素モノマーを単独あるいは共重
合させてさせて得られるフッ素樹脂、含フッ素ポリイミ
ド、含フッ素アクリル系重合体、含フッ素脂肪族環構造
を有する重合体、等が例示できる。コーティングにより
薄膜の形成が可能であるという点、誘電率が低く半導体
素子の応答速度向上が期待できる点、吸水率が低く素子
の耐湿安定性向上が期待できるという点から、含フッ素
脂肪族環構造を有するポリマーが特に好ましい。

【００１２】含フッ素脂肪族環構造を有するポリマーと
しては、含フッ素環構造を有するモノマーを重合して得
られるものや、少なくとも２つの重合性二重結合を有す
る含フッ素モノマーを環化重合して得られる主鎖に環構
造を有するポリマーが公知あるい周知のものを含めて広
範囲にわたって例示される。

【００１３】少なくとも２つの重合性二重結合を有する
含フッ素モノマーを環化重合して得られる主鎖に環構造
を有するポリマーは、特開昭６３−２３８１１１号公報
や特開昭６３−２３８１１５号公報等により知られてい
る。すなわち、パーフルオロ（アリルビニルエーテル）
やパーフルオロ（ブテニルビニルエーテル）等のモノマ
ーの単独重合、またはテトラフルオロエチレンなどのラ
ジカル重合性モノマーと共重合することにより得られ
る。

【００１４】含フッ素環構造を有するモノマーを重合し
て得られる主鎖に環構造を有するポリマーは、特公昭６
３−１８９６４号公報等により知られている。すなわ
ち、パーフルオロ（２，２−ジメチル−１，３−ジオキ
ソール）等の含フッ素環構造を有するモノマーを単独重
合ないし、テトラフルオロエチレンなどのラジカル重合
性モノマーと共重合することにより得られる。

【００１５】また、パーフルオロ（２，２−ジメチル−
１，３−ジオキソール）等の含フッ素環構造を有するモ
ノマーとパーフルオロ（アリルビニルエーテル）やパー
フルオロ（ブテニルビニルエーテル）等の少なくとも２
つの重合性二重結合を有する含フッ素モノマーを共重合
して得られるポリマーでもよい。

【００１６】含フッ素脂肪族環構造を有するポリマー
は、ポリマーの繰り返し単位中に含フッ素脂肪族環構造
を２０モル％以上含有するものが透明性、機械的特性等
の面から好ましい。

【００１７】半導体素子・集積回路装置上にフッ素樹脂
の被膜を形成する方法としては、フッ素樹脂の溶液を素
子上に塗布した後に、加熱乾燥することにより溶媒を揮
発させる方法が好ましい。この際、塗布方法としては、
スピンコート法、ディッピング法、ポッティング法等が
例示されるが、膜厚の面内分布の均一性からスピンコー
トが好ましい。

【００１８】この際には、アルミニウム、アルミニウム
合金、チタン、金、白金等の配線金属表面、あるいはシ
リコン、ガリウムヒ素等の半導体表面、あるいはシリコ
ン酸化膜、シリコン窒化膜、アルミナ等の絶縁膜表面か
らなる下地との充分な密着性が、素子の信頼性の観点か
ら必要であるために、下地をカップリング剤で処理する
か、フッ素樹脂溶液にカップリング剤を混合したものを
用いることが望ましい。カップリング剤としては下地表
面との密着性を付与し得るものであれば特に制限はな
く、シランカップリング剤、チタネート系カップリング
剤、アルミニウムキレート系カップリング剤が好まし
い。

【００１９】本発明において、フッ素樹脂膜の上に形成
される無機膜とは、緻密であり、残留水酸基のないある
いは少ない膜で、その結果として水蒸気透過が小さい膜
であれば特に制限はないが、４５０℃以上の熱が加わる
と金属配線層が変質するために、それ以下の温度で形成
可能であることが必要である。

【００２０】具体的には、スパッタリングにより形成さ
れるシリコン酸化膜、プラズマ化学気相成長法により形
成されるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などが例示さ
れる。特にシリコン窒化膜は、膜が非常に緻密であり、
機械的強度が高く、不純物イオンの拡散も少なく、水蒸
気透過性が小さいことから好ましい。シリコン窒化膜は
一般にモノシランとアンモニアまたは窒素の混合ガスを
用いたプラズマ化学気相成長法により、公知の方法にて
形成することができる。

【００２１】また、フッ素樹脂膜上に無機膜を形成する
際に、その界面での密着性を向上させる目的で、あらか
じめフッ素樹脂膜表面をエネルギー線で処理することに
より表面を活性化させた後に、無機膜を形成してもよ
い。エネルギー線処理としては光を含む広義の意味での
電磁波の利用による処理、すなわちレーザー光照射、マ
イクロ波照射、あるいは電子線を利用する処理、すなわ
ち電子線照射、グロー放電処理、コロナ放電処理、プラ
ズマ処理などの処理が例示される。

【００２２】これらのうち半導体素子・集積回路装置の
量産工程に対応し得る好適な処理方法としては、レーザ
ー光照射、コロナ放電処理、プラズマ処理が例示され
る。さらには、プラズマ処理が半導体素子・集積回路装
置に与えるダメージが小さく、望ましい。プラズマ処理
を行う装置としては装置内に所望のガスを導入でき、電
場を印加できるものであれば特に制限はなく、市販のバ
レル型、平行平板型のプラズマ発生装置を適宜使用でき
る。

【００２３】プラズマ装置へ導入するガスとしては、含
フッ素脂肪族環構造を有するフッ素樹脂表面を有効に活
性化するものであれば特に制限はなく、アルゴン、ヘリ
ウム、窒素、酸素、あるいはこれらのガスの混合物など
が例示される。さらには、有効に含フッ素脂肪族環構造
を有する含フッ素樹脂の表面を活性化させ、この際に膜
減りもほとんどないガスとして、窒素、および窒素−酸
素の混合ガスが好ましく例示される。

【００２４】また、表面保護膜を形成した後に、ボンデ
ィングパッド上部に穴開け（エッチング）を行う必要が
あるが、本発明の表面保護膜であるフッ素樹脂膜および
無機膜はＣＦ₄ ガスを主成分としたガス系を用いたプラ
ズマエッチングあるいは反応性イオンエッチングにより
エッチングできる。したがって、それぞれの膜を別々に
エッチングする必要はなく、一つのエッチング装置内で
同時にエッチングできる。

【００２５】本発明は、表面保護膜がフッ素樹脂膜と無
機膜からなり、ダイオード、トランジスタ、化合物半導
体、サーミスタ、バリスタ、サイリスタ等の個別半導
体、ＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メ
モリー）、ＳＲＡＭ（スタティック・ランダム・アクセ
ス・メモリー）、ＥＰＲＯＭ（イレイザブル・プログラ
マブル・リード・オンリー・メモリー）、マスクＲＯＭ
（マスク・リード・オンリー・メモリー）、ＥＥＰＲＯ
Ｍ（エレクトリカル・イレイザブル・プログラマブル・
リード・オンリー・メモリー）、フラッシュメモリー等
の記憶素子、マイクロプロセッサー、ＡＳＩＣ等の理論
回路素子、ＭＭＩＣ（モノリシック・マイクロウェーブ
集積回路）に代表される化合物半導体などの集積回路素
子、混成集積回路（ハイブリッドＩＣ）、発光ダイオー
ド、電価結合素子等の光電変換素子といった半導体素子
・集積回路装置に適用できる。

【００２６】表面保護膜をフッ素樹脂膜と無機膜の二層
構造とすることにより、フッ素樹脂の持つ低誘電率、低
吸水率、および下地の凹凸に対する優れた埋め込み平坦
性、無機膜の持つ低水蒸気透過性を併せ持った理想的な
膜とすることができ、優れた電気的特性、信頼性を達成
できる。

【００２７】

【実施例】次に、本発明を実施例によって具体的に説明
するが、この説明が本発明を限定するものではない。

【００２８】「合成例１」パーフルオロ（ブテニルビニ
ルエーテル）の３５ｇ、イオン交換水の１５０ｇ、およ
び重合開始剤として（（ＣＨ₃ ）₂ ＣＨＯＣＯＯ）₂ の
９０ｍｇを、内容積２００ｃｃの耐圧ガラス製オートク
レーブに入れた。系内を３回窒素で置換した後、４０℃
で２２時間懸濁重合を行った。その結果、含フッ素重合
体Ａを２８ｇ得た。この重合体の固有粘度［η］は、パ
ーフルオロ（２−ブチルテトラヒドロフラン）中３０℃
で０．３４であった。重合体のガラス転移点は１０８℃
であり、室温ではタフで透明なガラス状の重合体であ
る。また１０％熱分解温度は４６５℃、誘電率は２．
１、煮沸吸水率は０．０１％以下であった。

【００２９】「合成例２」パーフルオロ（２，２−ジメ
チル−１，３−ジオキソール）とパーフルオロ（ブテニ
ルビニルエーテル）とをラジカル共重合し、ガラス転移
点１６０℃の含フッ素共重合体Ｂを得た。この重合体は
無色透明であり、誘電率は２．０、煮沸吸水率は０．０
１％以下であった。

【００３０】「合成例３」パーフルオロ（２，２−ジメ
チル−１，３−ジオキソール）とパーフルオロ（アリル
ビニルエーテル）とをラジカル共重合し、ガラス転移点
１６０℃の含フッ素共重合体Ｃを得た。この重合体は無
色透明であり、誘電率は２．０、煮沸吸水率は０．０１
％以下であった。

【００３１】「実施例１」合成例１で得られた含フッ素
重合体Ａをパーフルオロトリブチルアミン中に溶解し、
９重量％の溶液を調製した。さらにこの溶液に３−アミ
ノプロピルメチルジエトキシシランを０．３重量％添加
し、半導体素子（ＣＭＯＳ−ＤＲＡＭ）の形成された６
インチシリコンウェハ上にスピンコーターで塗布し、５
０℃で１時間、さらに２００℃で１時間の乾燥を行っ
て、厚さ３μｍの塗膜を形成した。次いでモノシランと
アンモニアの混合ガスを用い、プラズマ化学気相成長法
によりシリコン窒化膜を１μｍの厚さで形成した。この
ときの基板温度は３００℃とした。

【００３２】次いで、フォトリソグラフィー工程、ＣＦ
₄ 、ＣＨＦ₃ 、Ａｒによるプラズマエッチング工程によ
りシリコン窒化膜とフッ素樹脂膜にワイヤーボンディン
グ用の１００μｍ角大の穴あけ加工を行って半導体装置
を得た。このようにして製造された半導体装置の初期特
性を測定したところ、特に応答速度が優れていた。ま
た、高温加湿試験、高温高湿加圧試験、および高温動作
試験後もアルミニウム配線の腐食や断線はなく、電気的
な劣化も見られなかった。

【００３３】「実施例２」合成例２で得られた含フッ素
共重合体Ｂを用いた他は、実施例１と同様にして保護膜
を有する半導体を製造した。得られた半導体装置は、初
期および耐湿性試験後において、優れた性能を示してい
た。

【００３４】「実施例３」合成例３で得られた含フッ素
共重合体Ｃを用いた他は、実施例１と同様にして保護膜
を有する半導体を製造した。得られた半導体装置は、初
期および耐湿性試験後において、優れた性能を示してい
た。

【００３５】「実施例４」フッ素樹脂上の無機膜をプラ
ズマ化学気相成長法により形成したシリコン酸化膜（ガ
ス；モノシランと二窒化酸素の混合ガス、基板温度；３
８０℃）とした他は実施例１と同様にして保護膜を有す
る半導体装置を製造した。得られた半導体装置は、初期
および耐湿性試験後において、優れた性能を示してい
た。

【００３６】「実施例５」プラズマ化学気相成長法によ
りシリコン窒化膜を形成する前に、フッ素樹脂表面をＮ
₂ プラズマによって表面処理した以外は実施例１と同様
にして保護膜を有する半導体装置を製造した。得られた
半導体装置は、初期および耐湿性試験後において、優れ
た性能を示していた。

【００３７】「比較例１」表面保護膜をシリコン酸化膜
とシリコン窒化膜の二層構造として、実施例１と同様に
して半導体装置を製造した。得られた半導体装置は、応
答速度が実施例１で得られた半導体装置に比較して劣っ
ていた。また耐湿性試験において不良の発生率が高かっ
た。

【００３８】「比較例２」表面保護膜をシリコン窒化膜
一層として、実施例１と同様にして半導体装置を製造し
た。得られた半導体装置は、応答速度が実施例１で得ら
れた半導体装置に比較して劣っていた。また耐湿性試験
において不良の発生率が高かった。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、フッ素樹脂の塗膜を形成し、
続いて無機膜を形成して、表面保護膜をフッ素樹脂膜と
無機膜の二層構造とすることにより、フッ素樹脂の持つ
低誘電率、低吸水率、および下地に凹凸に対する優れた
埋め込み平坦性、無機膜の持つ低水蒸気透過性を併せ持
った理想的な膜とすることができ、優れた電気的特性、
信頼性を持つ半導体素子・集積回路装置を得るという優
れた効果を有する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子上に表面保護膜として、フッ素
   樹脂の薄膜を介して無機膜が形成されてなる半導体素子
   ・集積回路装置。
2. 【請求項２】フッ素樹脂の薄膜が、含フッ素脂肪族環構
   造を有するフッ素樹脂の薄膜である請求項１の半導体素
   子・集積回路装置。
3. 【請求項３】無機膜がシリコン窒化膜である請求項１ま
   たは２の半導体素子・集積回路装置。