JPH0758201A

JPH0758201A - 多層配線基板の製造方法

Info

Publication number: JPH0758201A
Application number: JP20233093A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Higuchi; 和人樋口; Hiroshi Yamada; 浩山田; Masayuki Saito; 雅之斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-08-16
Filing date: 1993-08-16
Publication date: 1995-03-03
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP3632981B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高密度化が容易で信頼性の高い多
層配線を提供することを目的とする。【構成】本発明では、基板上に形成された第１の配線
層３上に層間絶縁膜４を形成し、これにコンタクトホー
ル９を形成した後、基板表面全体を導電膜５，６で被覆
し、この導電膜５，６を電極として、凹部に厚いめっき
膜７が得られ、平坦な表面を得るような条件で電気めっ
きを行い、表面の平坦化を行った後、このめっき膜にコ
ンタクトするように第２の配線層８を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多層配線基板の製造方
法に係り、特に配線が高密度に形成された多層配線基板
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路技術の発達により
電子機器の小型化、薄型化、高性能化が進められてお
り、これに伴い回路基板上に半導体チップを高密度に実
装することが重要な課題となっている。

【０００３】従って、多層配線基板内の配線も近年高密
度化の方向にあり、配線の微細化、多層化が進んでい
る。微細配線を形成するために従来は図５に示すよう
に、基板１表面に絶縁層２を介して形成された薄膜金属
層３からなる第１層配線上に、層間絶縁膜４を形成して
これにコンタクトホール９を形成し（図５(a) ）、この
後さらに薄膜金属層８を形成し（図５(b) ）、レジスト
パターン１３（図５(c) ）を介して、薄膜金属層８をエ
ッチングし第２層配線のパターンを得る（図５(d)）と
いう方法がとられている。

【０００４】しかしながらこの方法で多層配線を形成し
ようとすると、コンタクトホール９上の絶縁膜が凹状と
なっているため、さらにこの上に第２層配線と第３層配
線を接続するためのコンタクトホールを形成するとコン
タクトホールがいっそう深くなるため、配線の段切れが
生じ易くなる。このため、図６に示すように３層以上の
配線（３，８，１３）を形成する多層配線ではコンタク
トホール９の位置をずらして設ける必要があり、結果的
には配線密度の低下を招くことになる。

【０００５】また、層間接続部を有する配線層材料とし
ては、絶縁層との密着性、耐蝕性などの問題からアルミ
ニウムや金が使用されてきたが、アルミニウムは抵抗が
高く、金はコストが高いという問題があった。

【０００６】このため、配線層間の接続部分の上部が凹
状とならないようにコンタクトホールに金属を埋め込む
ようにした接続法を用いる試みがなされている。例え
ば、図６に示すように、後に形成する絶縁層４と同程度
の膜厚の金属膜をあらかじめ蒸着法あるいはスパッタリ
ング法などによって形成しておくようにし、その上に塗
布法により絶縁膜４を形成し表面を平坦化するという方
法も提案されている。しかしながらこの方法では完全に
平坦化するのは困難であり、金属膜が突出した形状にな
ってしまい、後に形成するコンタクトホール周辺は他の
部分より盛り上がってしまい、かえって逆効果になって
しまう。

【０００７】また、この金属膜の材料としては特に限定
はないが、低抵抗で低コストの層間接続を達成するため
に、銅や銅合金を用いる場合は、腐食防止と絶縁膜中へ
の拡散を防止するためにこの金属膜形成後にこの上層を
被覆保護する工程を設けなければならず、工数が増大す
るという問題がある。

【０００８】このような問題を解決するため、エッチン
グ工程を必要としない方法として選択成長法があり、半
導体チップの製造工程では実用化されている。この方法
は、絶縁膜中に形成されたコンタクトホール底部に露出
した配線部分のみに選択的にタングステンなどの金属
を、化学的気相成長法により成長させ、平坦な層間接続
部を得ようとするものである。しかしながら、この方法
では使用する金属材料が化学的気相成長法および選択成
長の可能な材料に限定される。現在、一般的に使用され
ている金属材料はタングステンであり、高融点材料で腐
食されにくく、絶縁膜への拡散も少ないため、比較的使
用し易い材料であるが、抵抗率が高くコンタクト抵抗を
下げることが困難となっている。さらに化学的気相成長
工程では基板温度が比較的高温となるため、絶縁膜とし
ても耐熱性の高い材料が必要となり、誘電率が高く電気
的特性に優れた有機絶縁膜では高温プロセスに絶えるこ
とができず必然的に使用不可能となってしまうという問
題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、高密度配
線を有する多層配線を実現するためには、コンタクトホ
ールに金属が埋め込まれ平坦化された層間接続が必要と
なる。しかしながら、いずれの方法によっても、高密度
化に際して特性が良好で信頼性の高い多層配線を得るこ
とができないという問題があった。

【００１０】本発明は前記実情に鑑みてなされたもの
で、高密度化が容易で信頼性の高い多層配線を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、基板
上に形成された第１の配線層上に層間絶縁膜を形成し、
これにコンタクトホールを形成した後、基板表面全体を
導電膜で被覆し、この導電膜を電極として、凹部に厚い
めっき膜が形成され、平坦な表面を得るような条件で電
気めっきを行い、表面の平坦化を行った後、このめっき
膜にコンタクトするように第２の配線層を形成してい
る。

【００１２】望ましくは、基板上に第１の配線層を形成
する工程と、前記第１の配線層上に絶縁膜を形成しこれ
にコンタクトホールを形成する工程と、該コンタクトホ
ールを形成した絶縁膜上に、銅または銅合金よりも融点
の高い高融点金属層を含む薄膜導電層を形成する工程
と、前記薄膜導電層上面に有機物を添加しためっき浴を
用いて銅または銅合金よりも融点の高い高融点金属層を
含む薄膜導電層を形成する工程と、前記薄膜導電層上面
に有機物を添加しためっき浴を用いて銅または銅合金の
電気めっきを行い基板主面上を前記めっき膜で平坦化す
る工程と、前記めっき膜を等方エッチングしてコンタク
トホールに形成された銅または銅合金を前記絶縁膜と同
じ厚みを残して基板主面上のめっき金属膜を除去する工
程とを含むようにしている。

【００１３】また本発明の第２では、第１の層間絶縁膜
にコンタクトホールを形成したのち薄膜導体層の形成に
先立ち、第２の絶縁膜を形成し、これをパターニングし
て、第２の配線層パターン形成領域を選択的に除去して
凹部を形成し、この後基板表面全体を導電膜で被覆し、
この導電膜を電極として、凹部に厚いめっき膜が得られ
るような条件下で電気めっきを行い表面を平坦化し、前
記第２の絶縁膜上のめっき膜を除去し前記凹部内のめっ
き膜を選択的に残留せしめるように前記めっき膜を等方
エッチングするようにし、コンタクトホールに起因する
凹部の埋め込みと第２の配線層の形成とを同時にめっき
によって達成するようにしている。

【００１４】前記絶縁層としては、塗布法によって形成
したポリイミド樹脂または塗布法あるいは化学的気相成
長法あるいはスパッタリング法により形成した酸化シリ
コン膜等を用いる。さらに高融点金属としてはチタン、
ニッケル、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モ
リブデン、タングステンの内少なくとも１種を用いるよ
うにしている。これらは蒸着法あるいはスパッタリング
法で形成する。

【００１５】なお、めっき浴中に添加する有機物として
は有機窒素化合物、有機硫黄化合物、ポリエーテル化合
物を絶縁層に形成された開口部上のめっき膜表面にでき
る段差ができるだけ小さくなるように適量づつ配合す
る。

【００１６】

【作用】上記方法によれば、例えば有機添加剤を用いた
めっき液の場合、凹部に厚いめっき膜が得られ、平坦な
表面を得ることができる点に着目してなされたもので、
絶縁膜にコンタクトホールを形成した後、めっきを行い
平坦な基板表面を得たのち、このめっき膜を等方的にエ
ッチングして、エッチングが絶縁膜の表面まで進行した
時点で終了させれば、コンタクトホール内にのみ選択的
にめっき膜が残され、埋め込みが完了する。このように
して、コンタクトホールの形成にのみ露光現像工程を用
いるのみで、埋め込みが完了し、工数が少ない上、寸法
の変換誤差が極めて小さくなる。

【００１７】ここで、電気めっきによる銅あるいは銅合
金膜等の形成工程において、めっき浴には有機物を適量
添加することにより、析出膜表面の平坦化を促進するこ
とができる。さらに好ましくはめっき工程中の陰極電流
密度は析出金属膜に焦げが発生せず、かつ局部への電流
集中による異常成長が起こらない範囲でなるべく高電流
密度を用いるようにする。

【００１８】この工程において、コンタクトホールの形
成後、チタン、ニッケル、バナジウム、ニオブ、タンタ
ル、クロム、モリブデン、タングステンなどの高融点金
属を電気めっきの陰極の一部として用いることにより、
めっきによる銅あるいは銅合金は絶縁膜に直接触れるこ
とがなくなり、銅あるいは銅合金の腐食防止、絶縁膜へ
の拡散防止をはかることができ、また絶縁膜との接着力
を高めることができる。さらに電気めっきによる金属
膜の形成に際しては、有機窒素化合物、有機硫黄化合
物、ポリエーテル化合物を適量添加することにより、凹
凸のある表面に対しては凸部で凹部に比べて有機物が優
先的に吸着するため、めっき膜の析出を抑制する。この
結果凸部ではめっき膜の析出速度が遅くなり凹部では速
くなるため、めっきを続行した場合、結果として表面の
凹凸がなくない、表面が平坦化される。このようにし
て形成された金属膜は、コンタクトホール部を除き、均
一な膜厚となり、一方コンタクトホール部は他の部分に
比べて厚くなる。従ってこの膜をエッチング速度が厚さ
方向に均一であるようなエッチャントを用いてエッチン
グするようにすれば、コンタクトホール内部の銅あるい
は銅合金を選択的に残し、他の部分の金属膜を除去する
ことが可能となる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００２０】まず、基板１の表面に絶縁膜２を形成し、
この上層に第１層配線膜３として銅薄膜パターンを形成
し、この上層に、フォトニースＵＲ−３１４と指称され
ている東レ社製の感光性ポリイミドを塗布し、露光現像
を行い、１辺２０μm 程度のコンタクトホール９を形成
する。こののち、４００℃で３０分程度の熱処理を行
い、層間絶縁膜４を形成する（図１(a) ）。ここでポリ
イミドは熱処理後の膜厚が２０μm 程度となるように塗
布時の膜厚を設定する。また段切れを防ぐため、コンタ
クトホールの底部と側壁との角度が１００度以上となる
ように露光現像条件をコントロールする。

【００２１】次いで、スパッタリング法によりチタン
（Ｔｉ）膜５および銅（Ｃｕ）膜６を順次連続的に積層
し、全体としての膜厚が１μm 程度となるようにする。
ここで銅膜はめっき陰極として作用するものである。ま
たチタンは高融点金属であり、層間絶縁膜であるポリイ
ミドあるいは第１層配線である銅と、めっき陰極および
上層のめっき膜とのとの相互拡散を防止するバリアとし
て作用する。従って膜厚は薄くて良い。銅とポリイミド
が直接接するように形成されると、ポリイミド中の酸素
によって銅が酸化され、密着性が低下し、剥離し易くな
る。また連続的に形成するのはチタン表面が酸化されや
すいためである。このように真空を破ることなく連続的
に上層の膜を形成することにより、自然酸化膜が介在す
ることなく低抵抗の膜が形成される。

【００２２】このようにして、基板１を図２に示すよう
に電気めっき装置に設置し、この陰極にめっき陰極とし
て銅膜６を接続する。ここでめっき浴としては、硫酸銅
75g/l ，硫酸（比重1.84）100ml/l からなる溶液にポリ
エチレングリコール100mg/lとチオ尿素10mg/lを添加し
たものを用い、液温を２５℃に設定して電流密度５A/dm
²で攪拌しながらめっきを行い膜厚２０μm 程度の銅め
っき膜７を形成する。コンタクトホールによる段差は１
μm 程度であるため、２０μm 程度のめっき膜を形成す
るようにすれば十分に平坦な表面を得ることができる
（図１(c) ）。

【００２３】この後、図１(d) に示すように基板１表面
に形成された銅めっき膜７を、過硫酸アンモニウム、硫
酸、エタノールからなる混合溶液でエッチングし、基板
表面の銅膜６（めっき陰極）も含めて除去し、コンタク
トホール内にのみ残留せしめる。

【００２４】次いで、図１(e) に示すように，基板１主
面上のチタン膜５をＥＤＴＡ、アンモニア、過酸化水素
水からなるエッチング液でエッチング除去する。

【００２５】このようにして埋め込みを行った基板１に
第２配線層としてチタン−銅−チタンの積層薄膜８を形
成する（図１(f) ）。

【００２６】ここで必要に応じて層間絶縁膜の形成か
ら、この工程を繰り返し、多層配線を形成するようにし
てもよい。

【００２７】このようにして、コンタクトホール９の形
成に露光現像工程を用いるのみで、埋め込みが完了し、
工数が少なく、寸法変換誤差が極めて小さく高精度の多
層配線を行うことが可能となる。

【００２８】なお、前記実施例では、第１層配線と第２
層配線とが直接接続された例について説明したが、第１
層配線と第２層配線とが直接接続されず、間に１層また
は多層の他の配線層が介在し、間接的に第１層配線と第
２層配線とが接続されるようにしてもよい。

【００２９】次に本発明の第２の実施例について説明す
るこの方法では、めっきに先立ち、第２層配線の反転パ
ターンを描くようにレジストパターン１０を形成してお
き、パターンめっきを行い、めっき後にレジストパター
ン１０を除去してできた凹部に塗布絶縁膜４を充填する
ようにし、コンタクトホールの埋め込みと第２配線層パ
ターンの形成を同時に行うようにしたことを特徴とす
る。

【００３０】すなわち、めっき陰極の形成工程（図１
(a) および図１(b) ）までは前記第１の実施例と同様に
行い、次に図３(a) に示すようにＡＺ−４９０３と指称
されているヘキストジャパン社製の厚膜レジストを、ス
ピンコート法により塗布して膜厚２５μm のめっきレジ
スト層を形成し９０℃でベーキングを行う。この後、露
光現像により第２配線層の配線パターンを開口させ、レ
ジストパターン１０を得る。

【００３１】次いで前記第１の実施例と同様にしてめっ
き装置に設置し、同様の条件でめっきを行い、図３(b)
に示すように膜厚２０μm 程度の銅めっき膜７を形成す
る。この後図３(c) に示すようにレジストパターン１０
をアセトンで除去し、銅めっきによって形成された第２
配線層の配線パターン以外の銅膜すなわち基板表面のめ
っき陰極として用いた銅膜６を、過硫酸アンモニウム、
硫酸、エタノールからなる混合溶液でエッチングする。
さらに、この後基板１主面上のチタン膜５をＥＤＴＡ、
アンモニア、過酸化水素水からなるエッチング液でエッ
チング除去する。

【００３２】この後第２配線層の形成されている基板表
面に感光性ポリイミド（フォトニースＵＲ−３１４０）
を塗布し、露光現像により、第２配線層上に形成されて
突出している感光性ポリイミド４を除去する（図３(d)
）。

【００３３】この後必要に応じて再度感光性ポリイミド
を塗布すれば、さらに平坦な表面を得ることができる。

【００３４】このようにして容易に多層配線を得ること
が可能となる。図３(d) の露光現像工程では、パターン
精度はあまり必要でなく、ややずれが生じてもよい。

【００３５】また、図３(d) に示した露光現像工程は、
十分に平坦化されて感光性ポリイミドが塗布されている
場合は省略しても良く、この場合露光現像工程が完全に
１回省略できることになる。

【００３６】また、さらに多層の配線を形成する場合は
再度感光性ポリイミドを塗布し前述した工程を繰り返す
ようにすればよい。

【００３７】かかる方法によれば、表面の凹凸はコンタ
クトホールの深さに対して±５％以内に抑えることがで
き、層間絶縁膜の厚さを２０μm もしくは３０μm とし
た場合でも表面の凹凸は±５％以内に抑えることができ
る。これは従来のステップ・ビア法の場合、形成後の表
面の凹凸の程度がコンタクトホールの深さに対して±２
５％程度であったのに比べ、表面の凹凸が大幅に向上し
ていることがわかる。また表面の凹凸の程度が大幅に減
少した結果、３層以上の配線層を有する多層配線におい
てもコンタクトホールの位置をずらしたりする必要がな
くなり、コンタクトホール上にコンタクトホールを設け
ることができ、従来のステップ・ビア法に比べ、配線密
度が約２０％向上した。

【００３８】さらに従来のコンタクトホールに金属膜を
充填し、後から絶縁材料で基板面を覆い平坦化する方法
に比べ、露光現像工程が配線層１層あたり１回ですむた
め、配線層数が５層の多層配線を形成した結果、工程数
が約２０％削減され歩留まりが向上する。

【００３９】さらに従来のタングステンによるコンタク
トホール内の埋め込み接続に比べ接続抵抗は約１／３に
低下している。

【００４０】このように本発明にかかる製造方法で得た
多層配線は、配線密度、工程数、電気特性の面で極めて
優れたものとなっている。

【００４１】なお、前記第２の実施例において、めっき
レジストとしての感光性ポリイミドの塗布後に高融点金
属膜としてのチタン膜５およびめっき陰極としての銅膜
６を形成するようにすれば、めっきレジストとしての感
光性ポリイミドをそのまま層間絶縁膜として利用でき、
工数が大幅に低減される。この方法を、本発明の第３の
実施例として説明するこの方法では、高融点金属膜であ
るチタン膜５およびめっき陰極としての銅膜６の形成に
先立ち、第２層配線の反転パターンを描くように、レジ
ストパターン１０を形成しておき、パターンめっきを行
い、めっき後に全面を軽くエッチングしレジストパター
ン１０上のチタン膜５および銅膜６を除去し、レジスト
パターン１０はそのまま層間絶縁膜として利用するよう
にしている。

【００４２】すなわち、コンタクトホール９の形成（図
１(a) ）までは前記第１の実施例と同様に行い、次に図
４(a) に示すようにＵＲ−３１４０と指称されている東
レ社製の感光性ポリイミドをスピンコート法により塗布
して膜厚２０μm の絶縁層を形成する。この後露光現像
により第２配線層の配線パターンを開口させ、レジスト
パターン１０を得る。そして４００℃，３０分の熱処理
を行い、次いでスパッタリング法により高融点金属膜で
あるチタン膜５およびめっき陰極としての銅膜６を形成
する。

【００４３】この後、前記第２の実施例と同様にしてめ
っき装置に設置し、同様の条件でめっきを行い、図４
(b) に示すように、膜厚２５μm 程度の銅めっき膜７を
形成する。

【００４４】この後図４(c) に示すように、過硫酸アン
モニウム、硫酸、エタノールからなる混合溶液で軽くエ
ッチングし、銅めっき膜の内、第２配線層の配線パター
ン以外の銅膜すなわち基板表面のめっき陰極として用い
た銅膜６がエッチングされる深さまでエッチングしチタ
ン膜５を露呈せしめる。そしてさらに、基板１主面上の
高融点金属膜であるチタン膜５をＥＤＴＡ、アンモニ
ア、過酸化水素水からなるエッチング液でエッチング除
去する。

【００４５】このようにして平坦な基板表面をもつ多層
配線がきわめてめて容易に形成される。

【００４６】この方法によれば、前記第２の実施例に比
べ工数が大幅に低減される。

【００４７】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、工数が少なく、寸法変換誤差の小さい多層配線を得
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の多層配線の製造工程図

【図２】同工程で用いられるめっき装置を示す図

【図３】本発明の第２の実施例の多層配線の製造工程図

【図４】本発明の第３の実施例の多層配線の製造工程図

【図５】従来例の多層配線の製造工程図

【図６】多層配線基板を示す図

【符号の説明】

１基板２絶縁膜３第１配線層４層間絶縁膜５チタン膜６銅膜（めっき陰極）７銅めっき膜８第２配線層９コンタクトホール１０レジストパターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面またはこの上層に形成された第
１の配線層上に層間絶縁膜を形成し、これにコンタクト
ホールを形成する工程と、前記基板表面全体を導電膜で被覆し、この導電膜を電極
として、凹部に厚いめっき膜が得られるような条件下で
電気めっきを行い表面を平坦化する工程と、前記層間絶縁膜上のめっき膜を除去し前記コンタクトホ
ール内のめっき膜を選択的に残留せしめるように前記め
っき膜を等方エッチングする工程と、このめっき膜にコンタクトするように第２の配線層を形
成する工程とを含むことを特徴とする多層配線基板の製
造方法。
【請求項２】基板表面またはこの上層に形成された第
１の配線層上に第１の層間絶縁膜を形成し、これにコン
タクトホールを形成する工程と、この上層に第２の絶縁膜を形成し、これをパターニング
して、第２の配線層パターン形成領域を選択的に除去し
凹部を形成する工程と、前記基板表面全体を導電膜で被覆し、この導電膜を電極
として、前記凹部に厚いめっき膜が形成されるような条
件下で電気めっきを行い表面を平坦化する工程と、前記第２の絶縁膜上のめっき膜を除去し前記凹部内のめ
っき膜を選択的に残留せしめるように前記めっき膜を等
方エッチングする工程とを含むことを特徴とする多層配
線基板の製造方法。