JPH09197670A

JPH09197670A - 多層配線構造の製造法および半導体装置

Info

Publication number: JPH09197670A
Application number: JP921596A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kawasaki; 大川崎; Mitsumasa Kojima; 充雅児嶋
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ポリイミドを層間絶縁層として多層配線構造
とするとき、平坦な層間絶縁層を得る。【解決手段】（ａ）一般式（１）【化１】（但し、式中Ｒ¹は３価または４価の有機基、Ｒ²は２価
の有機基、Ｍは水素、アルカリ金属イオン又はアンモニ
ウムイオンを表わす。ｎは１又は２である）で表わされ
る繰り返し単位を主成分とするポリマ１００重量部、
（ｂ）一般式（２）【化２】（但し、式中Ｒ³ は２価の有機基を表わす）で表わされ
るビスアジド化合物０．１〜１００重量部（ｃ）不飽和結合を有するアミン化合物１〜４００重量
部及び（ｄ）分子内にカルボキシル基を有する化合物を
含有してなる感光性組成物を塗布し、乾燥後露光現像し
てビアホールを形成し、さらに硬化して層間絶縁膜と
し、その上に上層配線層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路、
高密度実装基板等の電子回路部品における多層配線構造
の製造法及び半導体装置に関するものである。なお、本
発明で多層配線構造には、多層プリント配線板を含む。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路等における多層配線構造
は、半導体基板１上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜
２を介して下層配線層４を形成し、その上に、真空蒸
着、ＣＶＤ（ケミカルベーパーデポジッション）等の気
相成長法によりＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃Ｎ₄ 等からなる層間絶
縁膜５ｂを形成し、この層間絶縁膜５ｂにスルーホール
を設けた後、層間絶縁膜５ｂ上に上層配線層７を形成す
る方法で製造されている。しかし、気相成長法によって
層間絶縁膜５ｂを形成する方法では、下層配線層４の段
差が層間絶縁層５ｂの形成後もそのまま残り、上層配線
層７を形成した際、上記段差部分で配線層が極めて薄く
なり配線切れが起こりやすいという問題があった（図３
参照）。そこで、これを改良するために、芳香族ジアミ
ンと芳香族四塩基酸二無水物とから得られたポリアミッ
ク酸の溶液を硬化して得られるポリイミドを層間絶縁膜
とする方法が提案され、現在では広く使われている（特
公昭５１−４４８７１号公報）。この方法は、下層配線
層４の上に、芳香族ジアミンと芳香族四塩基酸二無水物
とから得られたポリアミック酸の溶液を塗布し、硬化し
て層間絶縁膜５とするので、下層配線層４の段差が層間
絶縁層５の表面に現われるという問題は解消する（図１
（ｅ）参照）。

【０００３】一方、ポリイミドを層間絶縁層として用い
る場合、膜加工は、フォトレジストを用いたエッチング
プロセスによって行われている。そこで、膜加工プロセ
スを合理化する目的でフォトレジストの機能を兼ね合わ
せた感光性重合体組成物の開発検討が、進められてい
る。ところが、ポリアミド酸の保存安定性、高いガラス
転移温度、近紫外部における光吸収、感光基（あるいは
感光剤）導入率の制約など、高い光反応性を抑える要因
が多いため、感度の高い材料を得るのが困難であった。
この欠点については、感光剤としてビスアジド化合物を
使用すると非常に優れた感度を有することが見出され、
解決された。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ワニスの経
時変化に伴い、塗布工程において膜厚の均一な塗膜を得
られず、結果として配線段差の平坦化率が低下するとい
う問題が生じた。半導体集積回路等の電子部品における
集積度の向上は目覚ましく、配線構造もますます多層化
され、配線段差の平坦化に対する必要性は一層増大して
きている。本発明は、塗布工程で膜厚むらを生じない感
光性樹脂組成物を用いた多層配線構造の製造法、及び、
その製造法で得られた多層配線構造を有する半導体装置
を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、（ａ）一般式
（１）

【化３】（但し、式中Ｒ¹は３価または４価の有機基、Ｒ²は２価
の有機基、Ｍは水素、アルカリ金属イオン又はアンモニ
ウムイオンを表わす。ｎは１又は２である）で表わされ
る繰り返し単位を主成分とするポリマ１００重量部、
（ｂ）一般式（２）

【化４】（但し、式中Ｒ³ は２価の有機基を表わす）で表わされ
るビスアジド化合物０．１〜１００重量部（ｃ）不飽和結合を有するアミン化合物１〜４００重量
部及び（ｄ）分子内にカルボキシル基を有する化合物を
含有してなる感光性組成物を塗布し、乾燥後露光現像し
てビアホールを形成し、さらに硬化して層間絶縁膜と
し、その上に上層配線層を形成することを特徴とする多
層配線構造の製造法及びその製造法で得られた多層配線
構造を有する半導体装置に関するものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明で用いる感光性樹脂組成物
について説明する。一般式（１）で表わされる繰り返し
単位を主成分とするポリマは、一般式（１）で示される
繰り返し単位のみからなるものでも、これと他の繰り返
し単位を含むものであってもよい。他の繰り返し単位の
種類、量は最終加熱処理によって得られるポリイミドの
耐熱性を著しく損なわない範囲で選択するのが望まし
い。一般式（１）中のＲ¹及びＲ²はポリイミドとしたと
きの耐熱性の面から含芳香族環有機基及び含複素環有機
基が望ましい。

【０００７】Ｒ¹は具体的には、

【化５】（式中、結合手はポリマ主鎖のカルボニル基との結合の
みを表わし、さらにＲ₁に結合する（ＣＯＯＭ）基は結
合手に対してオルト位に位置する）などが挙げられる。
Ｒ²としては、具体的には、

【化６】などが挙げられる。また、Ｒ¹及びＲ²はポリイミドの耐
熱性に悪影響を与えない範囲でハロゲン原子、アミノ
基、アミド基、カルボキシル基、スルホン酸基などの置
換基を有してもさしつかえない。

【０００８】一般式（１）で表わされるポリマとしては
ピロメリット酸二無水物と４，４’−ジアミノジフェニ
ルエーテル、ピロメリット酸二無水物及び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、ピロメリット
酸二無水物及び３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテ
トラカルボン酸と４，４’−ジアミノジフェニルエーテ
ル及び４，４’−ジアミノジフェニルエーテル−３−カ
ルボンアミド、ピロメリット酸二無水物及び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及びビス（３−
アミノプロピル）テトラメチルジシロキサンとから導れ
るポリアミド酸などが挙げられる。一般式（１）で表わ
されるポリマは上記のように、通常ジアミン化合物に酸
二無水物をほぼ当モル量反応させることによって得られ
るが、この場合に用いる反応溶媒としては、反応材料及
び生成するポリアミド酸の溶解性等の点から、Ｎ−メチ
ル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−シメチルホルムアミド、
ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホリックトリ
アミド及び１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンな
どの非プロトン性極性溶媒が好ましい。

【０００９】一般式（２）で示されるビスアジド化合物
としては、例えば化７に示されるような化合物が挙げら
れる。特に分子の両端に芳香族アジド基を有する化合物
であればよい。

【化７】

【化８】

【化９】一般式（２）で示されるビスアジド化合物として好まし
いものは、例えば化１０、化１１、及び化１２に示され
るような化合物が挙げられる。前記のポリアミド酸と良
好な相溶性を有するものが好ましい。

【化１０】

【化１１】

【化１２】

【００１０】一般式（２）で表わされるビスアジド化合
物の配合割合は、一般式（１）で表わされる繰り返し単
位を主成分とするポリマ１００重量部に対して０．１重
量部以上１００重量部以下とされ、０．５重量部以上５
０重量部以下で用いるのが好ましい。この範囲を逸脱す
ると、現像性、ワニスの保存安定性等に悪影響を及ぼ
す。

【００１１】不飽和結合を有するアミン化合物の例とし
ては、

【化１３】などが好適な例として挙げられる。これらの化合物は、
前記のビスアジド化合物と効率よく反応する。このアミ
ン化合物の配合割合は、一般式（１）で表わされる繰り
返し単位を主成分とするポリマ１００重量部に対して、
１重量部以上４００重量部以下とされるが、１０重量部
以上４００重量部以下で用いるのが好ましい。分子内に
カルボキシル基を有する化合物の例としては、ギ酸、酢
酸、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、酸などモノカルボ
ン酸が好適な例として挙げられるが、これらに限定され
るものではない。この化合物の配合割合は、一般式
（１）で表わされる繰り返し単位を主成分とするポリマ
１００重量部に対して好ましくは１００重量部以下とさ
れるが、より好ましくは０．５重量部以上５０重量部以
下で用いられる。この化合物を１００重量部を超えて用
いる場合には、この化合物が析出するので好ましくな
い。

【００１２】本発明による感光性樹脂組成物は上記構成
成分を適当な極性溶媒等に溶解した溶液状態すなわちワ
ニスとして基板に塗布される。溶媒の量は成膜性から一
般式（１）で表わされる繰り返し単位を主成分とするポ
リマー、一般式（２）で表わされるビスアジド化合物、
不飽和結合を有するアミン化合物、分子内にカルボキシ
ル基を有する化合物の総和を１００重量部として１００
重量部以上１００００重量部以下で用いるのが好まし
く、２００重量部以上５０００重量部以下で用いるのが
さらに好ましい。溶媒としては、例えばアセトン、メチ
ルエチルケトン、トルエン、クロロホルム、メタノー
ル、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノー
ル、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔ−ブタノー
ル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレン
グリコールモノエチルエーテル、キシレン、テトラヒド
ロフラン、ジオキサン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミ
ド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチル−２−
ピロリドン、γ−ブチロラクトン、ジメチルスルホキシ
ド、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、
スルホラン等が用いられる。

【００１３】ワニスの塗布方法としては、一般にスピン
ナを用いた回転塗布が用いられるが、浸漬塗布、スプレ
ー塗布、印刷などによってもよい。塗布膜厚は塗布手
段、ワニスの固形分濃度、粘度等によって調節される。
ワニスを塗布する相手材の材質としては、金属、ガラ
ス、半導体、金属酸化物絶縁体（例えば、ＴｉＯ₂、Ｔ
ａ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂など）、Ｓｉ₃Ｎ₄などが挙げられる。
塗膜又は加熱硬化後のポリイミド被膜との接着性を向上
させるために相手材を接着助剤で処理してもさしつかえ
ない。塗布されたワニスは溶媒を蒸発する目的で加熱乾
燥する。加熱温度は室温以上、１２０℃以下の温度範囲
から選ばれる。室温未満であると、溶媒の蒸発速度が遅
く実用的でない。１２０℃を超えると感光性樹脂組成物
が暗反応を起し、感光性を失なうかあるいは極端に感度
が悪くなり実用に供せない。なお４０℃以下で加熱乾燥
する場合は真空あるいは送風乾燥を行うと効果的であ
る。

【００１４】次に所定のフォトマスクを通して紫外線照
射し、パターンを焼き付ける。紫外線は通常高圧水銀燈
から放出されるスペクトル分布を持つものが使用され、
その３６５ｎｍの波長における紫外線強度が試料照射面
で０．１〜５０ｍＷ／ｃｍ²のものが好ましく用いられ
る。焼き付けられたパターンの現像処理によってレリー
フ・パターンを得る。現像液としては、Ｎ−メチル−２
−ピロリドン、Ｎ−アセチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ
−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミ
ド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホルトリ
アミド、ジメチルイミダゾリジノン、Ｎ−ベンジル−２
−ピロリドン、Ｎ−アセチル−ε−カプロラクタムなど
の非プロトン性極性溶媒を単独であるいはメタノール、
エタノール、イソプロピルアルコール、ベンゼン、トル
エン、キシレン、メチルセロソルブ、水などのポリアミ
ド酸の非溶媒との混合液として用いることができる。現
像によって形成したレリーフ・パターンは次いでリンス
液によって洗浄し、現像溶媒を除去する。リンス液とし
ては、現像液と混和性が良く、かつポリアミド酸の貧溶
媒となる溶媒が用いられる。具体的には、メタノール、
エタノール、イソプロピルアルコール、水、ベンゼン、
トルエン、キシレン、アセトン、メチルエチルケトン、
シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、
メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルカルビト
ール、ブチルカルビトールアセトテート、酢酸エチル、
酢酸ブチルなどを単独であるいは２種以上混合して用い
る。現像及びリンスは浸漬又はスプレー法で室温で０．
５〜５分間行うことができる。リンス後は回転乾燥や送
風乾燥によりリンス液を大部分除去する。

【００１５】次に、残存しているリンス液を加熱乾燥し
て蒸発させるとともに、ポリアミド酸からポリイミドへ
の転化反応を生ぜしめる。このとき感光性付与のために
用いられたビスアジド化合物、アミン化合物及び分子内
にカルボキシル基を有する化合物は膜から飛散する。

【００１６】加熱処理温度は１５０℃以上５００℃以下
の範囲とされる。１５０℃より低いとイミド化の反応が
実効的に起らないかあるいはビスアジト化合物、アミン
化合物及びカルボキシル基を有する化合物の飛散が十分
に起らない。５００℃より高いとポリマの分解が起る。
加熱処理温度が３００℃以上のときはチッ素ガス雰囲気
など、不活性ガス雰囲気にするか真空加熱を行うと良い
結果を与える。この処理により、イミド環や他の環状基
を持つ耐熱性ポリマのパターンとなる。

【００１７】こうしてビアホールを形成した層間絶縁膜
上に上層配線層を真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ
（ケミカルベーパーデポジション）等の既に知られた方
法を用いて形成することにより本発明の多層配線構造が
得られ、また、さらに上層配線層をパターニングし、上
記の製造法を一回又は二回以上繰り返すことにより、配
線層と絶縁層の多層化された配線構造が得られ、本発明
によってこのような多層配線構造を有する半導体装置が
得られる。

【００１８】

【実施例】

ａ．感光性組成物の製造撹拌機、湿度計、チッ素導入管、ジムロート冷却管を備
えた０．２リットルのフラスコ中にＮ−メチル−２−ピ
ロリドン１３６．０ｇ、４，４’−ジアミノジフェニル
エーテル８．０ｇ、４，４’−ジアミノジフェニルエー
テル−３−カルボアミド２．５ｇを仕込み、次いで、ベ
ンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物８．０ｇ、ピロ
メリット酸二無水物５．５ｇを仕込み、２５℃で５時
間、４０℃で１時間反応させた。得られたポリイミド樹
脂前駆体組成物の樹脂分濃度は、１５重量％で、２５℃
で３０ｍＰａ・ｓの粘度を示した。この溶液１６０ｇに
３−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）プロピルメタクリレー
ト１６ｇ、２，６−ジ（４’−アジドベンザル）−４−
ヒドロキシシクロヘキサノン４．０ｇ、更に酢酸８．０
ｇを溶解した。得られた感光性組成物の樹脂分濃度は、
１３重量％で、２５℃で２５ｍＰａ・ｓの粘度を示し
た。

【００１９】ｂ．多層配線構造を有する半導体装置の製
造まずコレクタ領域Ｃ、ベース領域Ｂ及びエミッタ領域Ｅ
からなる半導体素子が形成されている半導体基板１の表
面に、ＣＶＤ法（化学気相成長法）により、二酸化シリ
コン膜２を形成させた。次いで電極引出し部分となる所
定部分を、通常のホトリソグラフィープロセスによりエ
ッチング除去し、二酸化シリコン膜にビアホール（窓）
３を設け、前記エミッタ領域及びベース領域の一部を露
出させた。さらに前記ビアホール上にアルミニウム配線
層をスパッタリング法により形成させ、ホトリソグラフ
ィープロセスを行い、下層配線層４を形成させた。この
配線層は１μｍの厚さと０．５〜２μｍの幅を有するも
のであった（図１（ａ）参照）。

【００２０】次に下層配線層４の上に、前記ａ．で得た
感光性組成物をスピンナ塗布機を用いて塗布層間絶縁膜
となる層５ａを形成した（図１（ｂ）参照）。

【００２１】その後、ホットプレートを用いて８０℃で
１２０秒間乾燥し、厚さ約５μｍの塗膜とし、ホトマス
ク６を介してＧ線ステッパーを用いて露光（露光量１０
０ｍＪ／ｃｍ²）した（図１（ｃ）参照）。

【００２２】次に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン９０ｇ
及びイオン交換水１０ｇからなる現像液で現像し、エチ
ルアルコールでリンスして良好なパターンを得た。ここ
での膜厚は約４．５μｍであった。次に、コンベクショ
ンオーブンで２００℃／１時間次いで３５０℃１時間硬
化して、厚さ２．５μｍの層間絶縁膜５を得た（図１
（ｄ）参照）。

【００２３】その後、上層アルミニウム配線層７をスパ
ッタリング法によって形成し、二層配線構造を有する半
導体装置を得た（図１（ｅ）参照）。

【００２４】ｃ．平坦化率と埋込性の評価こうして得られたポリイミド膜による初期段差の平坦化
率を図２のａ、ｂの値から次式

【数１】〔（ａ−ｂ）／ａ〕×１００により求めたところ、およそ９０％であった。また、溝
パターンの部分でシリコン基板をカットし、走査型電子
顕微鏡で断面形状を観察したところ、何れの溝にもポリ
イミド樹脂が十分充填されていることがわかった。

【００２５】ｄ．現像加工性の評価シリコン基板上に本発明の感光性重合体組成物を上記同
様の膜厚でスピンナ塗布し、ホットプレートを用いて８
０℃で１２０秒間乾燥して、厚さ約５μｍの塗膜とし
た。この塗膜の膜厚を干渉膜厚計で測定したところ、均
一な膜厚の塗膜であった。この塗膜にホトマスクを介し
てＧ線ステッパーを用いて露光（露光量１００ｍＪ／ｃ
ｍ² ）した。次にＮ−メチル−２−ピロリドン９０ｇ及
びイオン交換水１０ｇからなる現像液で現像し、次いで
エチルアルコールでリンスした。ここでの膜厚は約４．
５μｍであり、膜厚むらは生じていず、良好なパターン
が得られた。

【００２６】比較例実施例と同様の撹拌機、温度計、チッ素導入管、ジムロ
ート冷却管を備えた０．２リットルのフラスコ中にＮ−
メチル−２−ピロリドン１３６．０ｇ、４，４’−ジア
ミノジフェニルエーテル８．０ｇ、４，４’−ジアミノ
ジフェニルエーテル−３−カルボアミド２．５ｇを仕込
み、次いで、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物
８．０ｇ、ピロメリット酸二無水物５．５ｇを仕込み、
２５℃で５時間、４０℃で１時間反応させた。得られた
ポリイミド樹脂前駆体組成物の樹脂分濃度は、１５重量
％で、２５℃で３０ｃｐｓの粘度を示した。この溶液１
６０ｇに３−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）プロピルメタ
クリレート１６ｇ、２，６−ジ（４’−アジドベンザ
ル）−４−ヒドロキシシクロヘキサノン４．０ｇを溶解
した。得られた感光性組成物の樹脂分濃度は、１４重量
％で、２５℃で２５ｍＰａ・ｓの粘度を示した。

【００２７】以下、実施例と同様にして、段差平坦化
率、溝パターンの埋込性、現像加工性、現像後の膜状態
を評価した。その結果、平坦化率は９０％で埋込み性も
良好であったが、実施例と同様の現像加工性の評価を行
ったところ、得られたパターンには膜厚むらが生じてい
た。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、レジスト塗布プロセス
の不要な、感光性重合体組成物のプロセスを用いて、下
層配線層の段差を層間絶縁によりほぼ完全に平坦化でき
るため、多層配線化による段差の発生が殆どない配線の
信頼性が飛躍的に優れた多層配線構造を有する半導体装
置を安価に製造可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に関し、多層配線構造の製造工
程による変化を説明するための断面図であり、（ａ）は
下層配線層を形成した状態、（ｂ）は下層配線層を有す
る半導体装置上に感光性組成物を塗布した状態、（ｃ）
はポリイミド膜上にレジスト層を形成し、ホトマスクを
介して露光した状態、（ｄ）はポリイミド絶縁層の形成
工程を終了した状態、（ｅ）は平坦化された層間絶縁層
の上に上層配線層を形成した状態を示す。

【図２】平坦化率の評価方法を説明するための断面図で
ある。

【図３】従来の多層配線構造の断面図である。

【符号の説明】

１：半導体基板２：二酸化シリコン膜３：ビアホール４：下層配線層５：層間絶縁層６：ホトマスク７：上層配線層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）一般式（１）【化１】（但し、式中Ｒ¹は３価または４価の有機基、Ｒ²は２価
の有機基、Ｍは水素、アルカリ金属イオン又はアンモニ
ウムイオンを表わす。ｎは１又は２である）で表わされ
る繰り返し単位を主成分とするポリマ１００重量部、
（ｂ）一般式（２）【化２】（但し、式中Ｒ³ は２価の有機基を表わす）で表わされ
るビスアジド化合物０．１〜１００重量部（ｃ）不飽和結合を有するアミン化合物１〜４００重量
部及び（ｄ）分子内にカルボキシル基を有する化合物を
含有してなる感光性組成物を塗布し、乾燥後露光現像し
てビアホールを形成し、さらに硬化して層間絶縁膜と
し、その上に上層配線層を形成することを特徴とする多
層配線構造の製造法。
【請求項２】請求項１記載の製造法で得られた多層配
線構造の上層配線層をパターニングし、さらに、請求項
１記載の製造法を一回又は二回以上繰り返すことを特徴
とする多層配線構造の製造法。
【請求項３】請求項１又は請求項２記載の製造法で得
られた多層配線構造を有する半導体装置。