JPS63253645A - 半導体装置およびその製造方法 - 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］ この発明は、例えばＬＳＩを構成する多層配線構造にお
いて、配線層上に形成されるようになる層間絶縁層の表
面を平坦化して、その上にさらに上層配線層が形成され
るようにする半導体装置およびその製造方法に関する。

［従来の技術］ 例えばＬＳＩにあっては、シリコン等の半導体基板上に
複数の配線層が積層形成される多層配線が行われている
。この多層配線は、各配線層の相互間に層間絶縁層が介
在形成されるようになっているものであり、具体的には
半導体基板上に最下層の金属配線層を形成した後に、こ
の配線層を含む基板上に層間絶縁層を形成し、さらにこ
の絶縁層上に次の層の金属配線層を形成するようにして
いるものである。

上記層間絶縁層は、例えば常圧ＣＶＤ法によって形成さ
れる５１０２あるいはＰＳＧ等の酸化膜、またはプラズ
マＣＶＤ法によって形成される酸化膜によって構成され
るものであるが、半導体基板上に形成される配線層の突
出段部が層間絶縁層表面にも現れるようになって、その
表面形状が凹凸の激しい状態となる。したがって、この
ように凹凸のある層間絶縁層表面に、さらに上層の金属
配線層を形成するようになると、その凹凸の段差部で上
層配線層に括れあるいは断切れが生ずるようになる。す
なわち、上層の配線層が正常に形成されないようになる
。

このため、層間絶縁層上の金属配線層に断線等が生じな
いようにするため、層間絶縁層の表面を平坦化した後に
、上層配線層を形成させるようにする必要がある。

このような層間絶縁層の表面に存在する凹凸部を平坦化
する手段としては、例えばＳＯＧ　（無機ガラス）塗布
、有機樹脂塗布等の方法が考えられるが、微細化さらに
信頼性の向上のために問題かある。

また、微細化のために有利な手段として、ドライエツチ
ングによるエッチバックによって、絶縁層表面を平坦化
することが知られている。

第５図に示すように半導体基板１１の表面に、アルミニ
ウム等の金属によって配線層１２が形成され、この配線
層１２部分を含むようにして半導体基板１１の表面上に
層間絶縁層１３を形成すると、この場合配線層１２の突
出形状がそのまま層間絶縁層１３の表面に凹凸段部とし
て現れるようになる。したがって、このまま層間絶縁層
１３上に上層の金属配線層を形成させるようにすると、
その表面の凹凸形状の段差部で上層配線層に断線等の障
害が発生するおそれがある。

このような層間絶縁層１３の表面の凹凸形状を平坦化す
るために、この絶縁層１３上に流動性のあるレジスト１
４を塗布して平坦化し、例えば反応性イオンエツチング
によって、例えば図に一点鎖線で示す位置まで全面エツ
チングして、層間絶縁層１３の表面を平坦にするもので
ある。

しかし、このような方法は、レジスト塗布の工程がある
ため、必然的に工程数が増加するようになり、さらにエ
ッチバックした後に残存するレジストを除去する工程が
必要となる。またこのようにして平坦化された後におい
ては、層間絶縁層１３の平坦化された表面の下には配線
層１２等が存在するものであるため、第６図で示される
ように層間絶縁層１３に膜厚分布が生ずる。したがって
この層間絶縁層１３に、その下の配線層１２あるいは基
板１１の端子部に導出端子部を形成するためのヴイアホ
ール１５１．１５２を形成しようとするとき、このヴイ
アホール１４１　、１４２に深さに相違が生じ、配線工
程の歩留りを低下させるようになり、この半導体装置の
信頼性を向上させるための問題点となる。

［発明が解決しようとする間層点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、表面
に凹凸が存在するようになる層間絶縁層の表面を、直接
的にレジスト等の平坦化材を使用することなくエッチバ
ックし、この層間絶縁層の表面に急激な段差が存在しな
い状態であり、且つ層間絶縁層に膜厚分布が存在しない
状態で平坦化できるようにして、この層間絶縁層上にさ
らに上層の配線層が断線等が発生しないようにする半導
体装置およびその製造方法を提供しようとするものであ
る。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る半導体装置にあっては、半導
体基板上に例えばアルミニウムによる金属材料による導
体配線層を形成すると共に、この導体配線層を含む半導
体基板上に層間絶縁層を全体に等しい膜厚の状態で形成
するものであり、且つ上記配線層部分と半導体基板上の
部分の境界部に形成されるようになる段差部を緩やかな
傾斜面で構成されるようにしている。

そして、このような半導体装置を製造するに際しては、
半導体基板上に金属配線層を形成した後に層間絶縁層を
形成し、この層間絶縁層をマグネトロン装置を用いて反
応性ガス雰囲気で、イオンエツチングを行わせるように
するものである。そして、上記のようなエツチング工程
において生成されるポリマーの堆積速度とこのポリマー
のエツチング速度との比ｒ１およびこのポリマーエツチ
ング速度と層間絶縁層のエツチング速度との比Ｒが、“
ｒ＜１”Ｒ＞１°の関係に設定されるようにしているも
のである。

［作用］ すなわち、上記のような半導体装置にあっては、半導体
基板面および導体配線層それぞれの上に形成される層間
絶縁層が等しい膜厚に設定されるものであるため、この
層間絶縁層に半導体基板面あるいは導体配線層部分に対
応してヴイアホールを形成しようとした場合、いずれの
場合もヴイアホールの深さは等しい状態となる。したが
って、これらヴイアホールの形状は等しい状態に形成−
されるようになる。また層間絶縁層上に存在するように
なる高さの相違による段差部が緩やかな傾斜面で連続さ
れるようになるものであり、したがってこの層間絶縁層
上に導体配線層を多層配線構造とするように形成する場
合にも、この上層の配線層に断切れ等が生ずることがな
く、信頼性の高い多層配線構造を確実に構成できるよに
なる。

また上記のような半導体装置を製造するに際しては、エ
レクトロン装置による磁場の設定される反応性イオンエ
ツチング装置かを用いられる。このエツチング装置にあ
っては、磁場の効果によってマグネトロン放電を起こし
、プラズマ密度が極めて大きい状態とすることができ、
マグネトロン放電による反応活性種の増大によって、エ
ツチング速度が効果的に向上できる。また、例えば反応
性ガスに０２Ｆ６を用いた場合、プラズマ中にＣＦ２等
の不飽和フッ素化炭素が容易に生成できるようになり、
エツチングされる絶縁層表面にポリマーが効果的に発生
するようになる。−このポリマーの量はエツチング−堆
積の競争反応バランスによって決定されるものであり、
エツチング条件の設定によってエツチング形状が制御で
きる。その結果、絶縁層の表面の段差部分が傾斜面にエ
ツチングされ、結果としてその上に形成される配線層に
障害が与えられないように平坦化されるようになるもの
である。

［発明の実施例］ 以下、この発明の詳細な説明する。まず、ＬＳＩにおい
て多層配線を行う場合にあっては、回路素子等が形成さ
れたシリコン半導体基板１１の表面には、第１図の（Ａ
）に示すようにシリコン酸化膜等による絶縁膜１Ｂが形
成されているもので、この絶縁膜１Ｂ上に下層の配線層
となるアルミニウム等による金属配線層１２が形成され
ている。そして、この金属配線層１２を含む上記半導体
基板１１の全面に、５１０２、ＰＳＧ等の酸化膜あるい
は窒化膜等による層間絶縁層１３が積層形成されるもの
である。ここで、上記金属配線層１２としては、上記の
ように金属材料を使用するものではなく、例えば多結晶
シリコン等の導体材料が適宜使用できるものであり、導
体配線層が形成されるようにすればよいものである。

上記金属配線層１２は例えば厚さ０．９μｍに形成され
るものであり、また層間絶縁層１３は厚さ１．５μｍに
形成され、この層間絶縁層１３の表面に、上記配線層１
２の厚さに対応する段差部１３１が形成されるようにな
る。そして、この層間絶縁層１３上に上層の第２の金属
配線層が形成されるようになるものであるが、上記のよ
うに段差部１３１等によって、その表面形状に激しい凹
凸がある状態であると、段差部１３１で第２の金属配線
層に括れや断切れ等が生ずるようになる。このため、上
記段差部ｔａｔを緩和するように平坦化する必要がある
ものである。

そして、この段差部１３１の緩和のため、上記層間絶縁
層１３の形成された半導体基板１１を、第２図で示すよ
うなマグネトロン装置２１内に設定する。

このマグネトロン装置２１は、反応性イオンエツチング
装置を構成するようになるものであり、その内部には例
えば０２Ｆ６でなる反応ガスが充填設定されるようにす
る。

上記マグネトロン装置２１には、電極２２１および２２
が設定されているもので、この電極２２１　、２２２の
相互間には、高周波電源２３から例えば５００〜１００
０Ｗの高周波電力が印加設定されるようにする。そして
、さらに電磁マグネット２４が設定され、約８００ガウ
スの磁場が設定されるようにしている。そして、このよ
うな反応性イオンエツチング装置によって、上記半導体
基板１１の表面に形成された層間絶縁層１３を、例えば
エツチング圧力数Ｐａ〜３０Ｐａの範囲で、約３０秒〜
１分エツチングすると、第１図の（Ｂ）で示すように段
差部１３１が緩やかな傾斜面１３２の状態となるもので
あり、段差部分が緩和された形状とされるようになる。

ここで、上記第１図の（Ｂ）においては、緩やかな傾斜
面として半導体基板の表面に対する角度が４５°となる
ように設定しているが、この角度は４５〜６５６の範囲
で適宜設定すれば効果的である。そして、このように傾
斜面１３２により連続される凹凸を有する層間絶縁層１
３の表面上に、第２の金属配線層を形成させるようにす
れば、この配線層に断線が生じたり、あるいは配線に括
れが生ずるようになることは確実に防止され、多層配線
構造の歩留りさらに信頼性が充分に向上されるようにな
るものである。

尚、上記層間絶縁層１３の膜厚は、前縁膜１６上の膜厚
ｔ１と金属配線層１２上の膜厚ｔ２とは、はぼ等しくな
るように形成されている。

このようなマグネトロン装置を用いた反応性イオンエツ
チングにあっては、極めて短時間にエツチングできるよ
うになることに特徴を有するものであり、例えば通常の
反応性イオンエツチングに比較して、１／１０〜１／６
０以下の状態とすることができる。しかも通常の反応性
イオンエツチングでは、上記のような段差を緩和させる
ような平坦化はできない。

マグネトロン装置を使用した反応性イオンエツチングに
あっては、マグネトロン放電によって、プラズマ中にＣ
Ｈ２等の不飽和フッ化炭素が容易に生成されるようにな
る。このため、ＣＸＦＹなる組成のポリマーが効率的に
発生するようになり、この発生されたポリマーは第３図
に破線２５で示すように層間絶縁層１３の表面部分に付
着するようになる。そして、その付着するポリマーの量
は「エツチング−堆積」の競争反応バランスによって決
定されるようになる。この反応のバランスは、エツチン
グ条件によって変えることができるようになるものであ
り、エツチング条件によってエツチング形状が制御でき
るようになるものである。

マグネトロン放電のもとに行われる反応性イオンエツチ
ングのエツチング反応は、上記ポリマーの堆積速度Ｖｌ
と、ポリマーのエツチング速度■２との比ｒＶｌ　／Ｖ
２−　ｒＪ　、およびポリマーエツチング速度Ｖ２と層
間絶縁層１３のエツチング速度Ｖ３との比ｒＶ２　／Ｖ
３−ＲＪによって支配される。種々の実験を行った結果
、ｒＲ＞ＩＪおよびｒｒ＜ＩＪの条件が満足されるとき
に、第１図の（Ｂ）で示したように層間絶縁層１３の段
差部１３１が傾斜面１３２の状態、にエツチングされる
ようになる。

すなわち、段差部１３１を緩和して例えば４５″の傾斜
面１３２とするための条件を満足させるためには、次の
ような条件が必要である。

ａ）ポリマーの生成速度が大きい。

ｂ）ポリマーのエツチング速度が大きい。

Ｃ）絶縁層のエツチング速度が大きい。

ｄ）ｒ＜１およびＲ＞１である。

そして、このような条件を満足させるために、これまで
説明したようにマグネトロン放電を使用することが必要
となるものであり、且つ反応性イオンエツチングに際し
て、適正な反応ガスの設定、さらに反応圧力の設定が必
要となるものである。

通常の反応性イオンエツチングでは、上記のような条件
を全て満足させるようにすることができない。

尚、層間絶縁層１３表面に効果的にポリマーの層を形成
するためには、例えば半導体基板１１をセットする電極
上に、ポリイミドあるいはテフロンによる絶縁板を設定
するようにすると効果的である。

具体的な実施例を以下に示す。

［実施例１］ 第１図（Ａ）で示したように、半導体基板ｌｌ上に第１
の金属配線層１２を膜厚０．９μｍで形成し、さらに層
間絶縁層１３をプラズマＣＶＤによる厚さ１．５μｍの
プラズマ窒化膜で形成した。そ・して、これをマグネト
ロン反応性イオンエツチング装置で、８００ガウスの磁
場においてエツチングする。

このときのエツチング条件は、エツチング圧力１３　Ｐ
　ａ　ｓ反応ガスはＣ２Ｆ６を３０ＳＣＣＭ。

高周波電力は１３．５６ＭＨｚで６００Ｗ、エツチング
時間は６０秒とした。そして、このエツチングの結果、
第１図（Ｂ）のように傾斜面１３２が形成され、その傾
斜角度は４５＠であった。

〔実施例２］ 実施例１と同一の構造で、層間絶縁層１３に常圧ＣＶＤ
によるＰＳＧ膜を用いた試料を、上記実施例１と同一の
条件でエツチングした。その結果第１図（Ｂ）で示した
ような傾斜面１３２は形成されなかった。

そこで、プラズマ中の状態をプラズマ発光分析法によっ
て分析してみたところ、ＰＳＧの場合には反応性物質で
あるＣＯのピークが増大していることが判明した。すな
わち、ＰＳＧ中の酸素がエツチング中に発生し、ポリマ
ー生成を抑制するようになっているものである。

そこで、ポリマーをより多く発生させるためにエツチン
グ圧力を１３Ｐａから３０Ｐａに上昇させたところ、第
１図（Ｂ）で示されるような傾斜面１３２が形成された
。

ここで、プラズマ窒化膜とＰＳＧについて、それぞれエ
ツチング条件を変えて、実施例で説明したように直接的
なダイレクトエッチバックした結果、窒化膜およびＰＳ
Ｇそれぞれに対して、第１表および第２表で示すように
なった。

第　１　表（窒化膜） 第　　２　　表　（ＰＳＧ） 尚、上記表においてＯは効果有り、Δは効果は認められ
る、Ｘは効果無しの評価結果を示している。

ここで比較のため、従来から知られている通常の反応性
イオンエツチングによって、上記実施例で使用したと同
様の試料について、直接的にエッチバックを試みてみた
。すなわち、上記実施例２と同様の条件で実験を行った
ものであるが、そのどの条件においても層間絶縁層の段
差部に適当な傾斜を形成させることができなかった。例
えば反応ガスＣ２Ｆ６を３０ＳＣＣＭ、エツチング圧力
１３Ｐａ、高周波電力１００Ｗで２０分間エツチングし
たが、層間絶縁層１３の膜厚が１．５μｍから０．７μ
ｍに減少したのみで、特に段差部の形状に変化がなかっ
た。

尚、このエツチング時間は実施例１のエツチング時間の
２０倍を要しているものであり、極めて効率の悪いもの
であった。

これまでの実施例によって説明された層間絶縁層の段差
部分の形状を緩和して平坦化する方法は、多層配線の場
合にのみに適用できるものではなく、さらに応用可能で
ある。すなわち、第６図で説明したように層間絶縁層を
平坦化した後に、この絶縁層に膜厚分布が生ずるような
状態では、例えばヴイアホールの形成時にその深さに分
布が生じ、配線工程の歩留りを低下させる要因となる。

第４図に示すように、面子素子が形成された半導体基板
１１には、ＬＯＣＯ３層３０が層成０れ、さらにポリシ
リコン等による電極３１が適宜形成されるようになるも
のであり、これらの上に絶縁膜１６が形成されるように
なる。そして、この絶縁膜１６七に適宜下層配線となる
金属配線層１２１．１２２が形成され、その上に層間絶
縁層１３が積層形成されるようになる。したがって、こ
の層間絶縁層１３の表面には複雑な凹凸形状が形成され
るようになっている。

しかし、このような場合にあって、実施例で示したよう
な方法でマグネトロン放電による反応性イオンエツチン
グを行えば、図に破線で示すように凹凸形状の段差部が
効率的にエツチングされるようになり、特に段差を有し
て突出される部分における層間絶縁層１３の膜厚はほぼ
等しい状態に設定されるようになる。したがって、配線
層１２１１１２２それぞれに対応して、例えばヴイアホ
ールを形成しようとする場合でも、このヴイアホールの
深さはほぼ均一に設定されるようになるものである。そ
して、この層間絶縁層１３の表面上には、さらに上層の
金属配線層が断線等を生ずることなく効果的に形成でき
るものである。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る半導体装置およびその製造
方法にあっては、−回のダイレクト的なエッチバックに
よって、層間絶縁層上に存在する急激な段差部を伴う凹
凸が、特にその段差部において平坦化されるものであり
、その上にはさらに上層の金属配線層が効果的に形成で
きるようになるものである。この場合、従来のようにレ
ジストを用いた複数の工程を必要としないものであり、
この平坦化に係る工程が充分に簡略化できるようになる
。しかもこの場合、平坦化された後の層間絶縁層の厚さ
分布が一様な状態となるものであり、例えばこの層間絶
縁層のヴイアホールを形成する場合にも、非常に効果的
な状態とすることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例における特に層間絶縁層の
平坦化の状態を示す図、第２図は上記実施例で使用され
るマグネトロン放電を利用する反応性イオンエツチング
装置を説明する図、第３図は上記エツチング工程におけ
るポリマーの状態を説明する図、第４図はこの発明のさ
らに異なる状態の実施例を説明するための図、第５図は
従来の平坦化方法を説明する図、第６図は上記従来の方
法で平坦化された状態を示す図である。 １１・・・半導体基板、１２・・・金属配線層、１３・
・・層間絶縁層、１３１・・・段差部、１３２・・・傾
斜面。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第４図 １５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に導体配線層の形成された半導体基板、およ
   び上記導体配線層さらに上記半導体基板上に形成された
   層間絶縁層とを備えた半導体装置において、 上記導体配線層上の層間絶縁層の膜厚と、上記半導体基
   板上の層間絶縁層の膜厚とがほぼ等しく設定され、且つ
   上記半導体基板上の層間絶縁層と上記導体配線層上の層
   間絶縁層との間の段差部は、緩やかな傾斜面によって構
   成されるようにしたことを特徴とする半導体装置。
2. （２）上記導体配線層は、アルミニウムによる金属配線
   層で形成されるようにした特許請求の範囲第１項記載の
   半導体装置。
3. （３）上記層間絶縁層は、窒化膜で構成されるようにし
   た特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。
4. （４）表面に導体配線層の形成された半導体基板上に、
   層間絶縁層を形成する工程と、 上記層間絶縁層の表面を、反応性ガスの雰囲気中で且つ
   マグネトロン放電によってプラズマ密度を高くした雰囲
   気で反応性イオンエッチングをする工程とを具備し、 上記エッチング工程で上記層間絶縁層表面に形成される
   ようになるポリマーの堆積速度とこのポリマーのエッチ
   ング速度との比ｒが“ｒ＜１”の関係に設定され、且つ
   上記ポリマーのエッチング速度と上記層間絶縁層のエッ
   チング速度との比Ｒが“Ｒ＞１”の関係に設定されるよ
   うに、上記マグネトロンを用いた反応性エッチング条件
   が設定されるようにしたことを特徴とする半導体装置の
   製造方法。