JPH01313942A - 半導体装置 - 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】 〔概　要〕 多層配線構造をもった半導体装置に関し、凹凸を有する
下地を平坦にでき、しかも、後続の工程における熱処理
等に原因してクラックを生じて破損することのない層間
絶縁膜を提供することを目的とし、 含まれる層間絶縁膜が二層構造を有していて、下層の絶
縁膜が下地段差を平坦化可能な有機ケイ素重合体からな
り、かつ上層の絶縁膜が耐酸化性を保有しているアリー
ル基含有有機ケイ素重合体からなるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置に関し、さらに詳しく述べると、多
層配線構造をもった半導体装置に関する。

換言すると、本発明は、半導体集積回路の多層配線形成
方法に係わり、詳しくは、ＩＣ，ＬＳＩ等の集積密度の
高い半導体の多層配線を形成する際に、下地段差を平坦
化しつつ優れた絶縁性を有する層間絶縁膜を提供するこ
とによる信頼性の高い多層配線形成方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路では、集積度が向上するとともに、配線
の容易さ、動作速度の向上を目的として配線を立体化す
ることが要求され、したがって多層配線が開発された。

多層配線を形成する場合には、第−層配線を施した後、
絶縁膜を介して第二層配線を施し、順次この工程を繰り
返すことが一般的であった。

ここで、層間絶縁膜として用いる材料としては、従来、
二酸化珪素、窒化珪素、りんガラス（ＰＳＧ）などの無
機膜をシラン系ガスを用いたＣＶＤの気相成長法により
形成したＳｉｎ、系材料、あるいはポリイミド、シリコ
ーン樹脂などの高分子絶縁材料、または、これらの積層
体を用いて行われているが、配線パターンの微細化に伴
い信頼性という点でより特性の優れた材料が要求されて
きた。

多層配線を考える場合、第−層配線を施した半導体基板
上は配線による凹凸を有するので、これを下地としてそ
の上に無機膜を形成すると層間絶縁膜の表面は下地の凹
凸をそのまま再現してしまう。このため、その上に形成
される上層配線の断線、絶縁不良等の原因となる。した
がって、凹凸を有する下地上に塗布したとき基板表面を
平坦になしうる層間絶縁材料の開発が行われ、エッチバ
ック法、バイアススパッタ法などの絶縁膜製造プロセス
上から平坦面を得る方法と、樹脂をスピンコード法によ
り成膜して平坦な絶縁膜を得る方法が検討されている。

これらの方法のなかで樹脂塗布法は、樹脂を塗布した後
に加熱硬化させ成膜するプロセス的に簡便な方法である
。ここで用いられる樹脂材料としては、従来からポリイ
ミド、スピンオングラス等がある。しかし、ポリイミド
のような炭素系の材料は後続のレジスト剥離工程におい
て、既存のレジストとのエツチング選択比が小さいなど
の欠点があり、また、スピンオングラスは、厚塗りした
際、硬化時の縮合による歪みでクラックを生じやすい。

そこで、これまで、多くのシリコーン樹脂が層間絶縁膜
用に開発された。

なかんずく、ポリメチルシルセスキオキサンに代表され
るラダー型シリコーン樹脂は、下地段差の平坦化性に優
れ、不活性ガス雰囲気下では３ｐｍ程度の膜厚までクラ
ックを生じない材料である。

〔発明が解決しようとする課題〕

半導体装置の多層配線工程においては、多くの場合、上
述のようなシリコーン樹脂を塗布形成した後、４００℃
以上の酸素雰囲気や、高濃度の酸素ラジカルあるいは酸
素イオン雰囲気に曝露することが必須である。従って、
層間絶縁膜には、優れた酸化耐性が要求される。しかし
、前記したポリメチルシルセスキオキサンは、４００℃
以上の酸素雰囲気下では、酸化劣化に起因したクラック
が生じ易くなる。

一方、ポリフェニルシルセスキオキサンやポリジメチル
シルフェニレンジシロキサンのように、分子中にアリー
ル基を有する有機ケイ素樹脂もまた公知である。これら
の樹脂は、酸化温度が向上し、４００℃程度の酸素雰囲
気下では酸化しにくくなる。しかし、かかる樹脂の場合
、膜強度は減少する傾向にあり、単独で眉間絶縁膜とし
て用いた場合、アルミニウム（Ａｊ’）などの配線材料
の熱膨張による応力の影響でクラックが生じやすくなる
ため、厚膜化が困難である。

本発明の目的はこれらの欠点を解消することにあり、凹
凸を有する下地を平坦にでき、しかも、後続の工程にお
ける熱処理等に原因してクラックを生じて破損すること
のない層間絶縁膜を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、本発明によれば、含まれる眉間絶縁膜
が二層構造を有していて、下層の絶縁膜が下地段差を平
坦化可能な有機ケイ素重合体からなり、かつ上層の絶縁
膜が耐酸化性を保有しているアリール基含有有機ケイ素
重合体からなる、多層配線構造をもった半導体装置によ
って達成することができる。

本発明の半導体装置において、含まれる二層構造層間絶
縁膜の下層は、上記した通り、下地段差を平坦化可能な
有機ケイ素重合体からなる。そもそも、二層のうちの下
層に用いられる樹脂は、配線等によって生じる凹凸を平
坦化しつつ、加熱の際に下地材料の熱膨張により生じる
応力に耐え、亀裂を生じたり、剥離を起こさない膜を形
成できればいかなるものでもよいが、後続の工程との適
合性を鑑みて、有機ケイ素重合体が好ましい。

下層絶縁膜として有用な有機ケイ素重合体は、より具体
的に述べるならば、次の一般式（１）により表わされる
ポリオルガノシルセスキオキサンを構造単位として有し
てなる高分子化合物である：ＣＬ　　５ｔＯ３ｚ２〕ｎ
　　　　　　・・・（Ｉ）（上式において、ＲＩは、水
素、ヒドロキシル基、例えばメチル基、エチル基、ｎ−
プロピル基、ｉ−プロビル基等のアルキル基又は例えば
メトキシ基、エトキシ基、ｎ−プロポキシ基、ｉ−プロ
ポキシ基等のアルコキシ基を表わし、そしてｎは１０〜
５０．０００の整数を表わす）。この一般式（Ｉ）によ
り表わされるポリオルガノシルセスキオキサンを構造式
で示すと、次の通りである： （式中のＲ１は同一もしくは異なっていてもよく、前記
定義に同じであり、そしてｎは前記定義に同じである）
。

下層絶縁膜として有用な有機ケイ素重合体のその他の例
は、次の一般式（ｎ）により表わされるポリジオルガノ
シルアルキレンジシロキサンを構造単位として有してな
る高分子化合物である：（Ｒ＋ＳｔＯ□／２（Ｒ２）ｌ
／２　）　−・・・（Ｉｌ）（上式において、Ｒ１は前
記定義に同じであって、水素、ヒドロキシル基、例えば
メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、１−プロピル基
等の低級アルキル基又は例えばメトキシ基、エトキシ基
、ｎ−プロポキシ基、ｉ−プロポキシ基等の低級アルコ
キシ基を表わし、Ｒ２は例えばメチレン基、エチレン基
等のアルキレン基を表わし、そしてｎは１０〜５０．０
００の整数を表わす）。ここで式中のＲｏ及びＲ２は、
必要に応じて置換されていてもよい。

上記一般式（ｎ）の有機ケイ素重合体は、好ましくは、
次の構造式（ｂ）又は（Ｃ）の重合体あるいはこれらの
重合体の混合物である。

（式中のＲ，、Ｒ，及びｎはそれぞれ前記定義に同じで
ある）。

本発明の半導体装置において、上層の絶縁膜は、耐酸化
性を保有しているアリール基含有有機ケイ素重合体から
なる。ここで、有機ケイ素重合体の分子中にアリール基
が含まれることは、満足し得る耐酸化性を保証するうえ
で必須の条件である。

なお、二層のうちの上層に用いられる樹脂は、４００℃
以上の酸素雰囲気や、高濃度の酸素ラジカルあるいは酸
素イオン雰囲気中においても酸化しにくく、亀裂や剥離
をおこさない膜を形成できればいかなるものでもよいが
、後続の工程との適合性を鑑みて、有機ケイ素重合体が
好ましい。

上層絶縁膜として有用な有機ケイ素重合体は、より具体
的に述べるならば、次の一般式（ｎ）により表わされる
ポリオルガノシルセスキオキサンを構造単位として有し
てなる高分子化合物である。

〔Ｒ，−３ｉｎ、、□〕。　　　　　・・・（ＩＩＩ）
（上式において、Ｒ８は、例えばフェニル基、トリル基
、ナフチル基等のアリール基を表わし、そしてｎは１０
〜５０．０００の整数を表わす）。この一般式（ＩＩＩ
）により表わされるポリオルガノシルセスキオキサンを
構造式で示すと、次の通りである＝（式中のＲ１は同一
もしくは異なっていてもよく、前記定義に同じであり、
モしてｎは前記定義に同じである）。

上層絶縁膜として有用な有機ケイ素重合体のその他の例
は、次の一般式（ｒＶ）により表わされるポリジオルガ
ノジルアリーレンジシロキサンを構造単位として有して
なる高分子化合物である：［Ｒ，５ｉｎ２．□（Ｒ４）
Ｉ／□〕７　　　・・・（ＩＶ）（上式において、Ｒ１
は、前記定義に同じであって、水素、ヒドロキシル基、
低級アルキル基又は低級アルコキシ基を表わし、Ｒ１は
例えば０−＋ｍ−又はｐ−のフェニレン基、トリレン基
、ナフチレン基等のアリーレン基を表わし、モしてｎは
１０〜５０．０００の整数を表わす）。ここで、式中の
Ｒ１及びＲ１は、必要に応じて置換されていてもよい。

上記一般式（ｒＶ）の有機ケイ素重合体は、好ましくは
、次の構造式（ｅ）又は（ｆ）の重合体あるいはこれら
の重合体の混合物である。

（式中のＲ＋　　、Ｒ４及びｎはそれぞれ前記定義に同
じである）。

本発明の実施において、二層構造をもった層間絶縁膜の
上層及び下層は、いずれも任意の手法によって形成する
ことができる。しかし、プロセスが簡便であり下地の平
坦化に有利であるという理由から、スピン塗布法を用い
ることが特に推奨される。

上層絶縁膜及び下層絶縁膜の膜厚は、それぞれ、広い範
囲で変更することができる。しかし、上層絶縁膜は、酸
素が透過し得ない厚さであればできるかぎり薄いほうが
よく、一般に０．１〜０．５７−であることが好ましい
。一方、下層絶縁膜の膜厚は、下地の平坦化を考慮して
、一般に１〜２Ｊａであることが好ましい。

また、絶縁膜の上層及び下層の組み合わせは、各々の密
着性が良好であればいかなる組み合わせで用いてもかま
わない。また、この二層構造よりなる層間絶縁膜は、こ
れを単独で層間絶縁膜として使用しても、あるいは、二
酸化珪素、窒化珪素、燐ガラス（Ｐ　Ｓ　Ｇ）等の無機
膜と併用して層間絶縁膜として使用してもいずれであっ
てもよい。

〔作　用〕

本発明に係わる二層構造よりなる層間絶縁膜は、凹凸表
面を有する半導体基板表面を平坦化でき、かつ、４００
℃以上の酸素雰囲気、高濃度の酸素ラジカルや酸素イオ
ン雰囲気中に曝されても亀裂や剥離を起こさず、その膜
質を保持できる。そのため十分な絶縁性が期待でき、半
導体集積回路の層間絶縁膜としての使用に適している。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により説明する。

例　１　（調製例） １．２−ビス（メチルジクロロシリル）エタン５ｇをテ
トラヒドロフラン５０ｃｃに溶解し、メチルイソブチル
ケトン１００ｃｃ、メチルセロソルブアセテ−）５０ｃ
ｃ、トリエチルアミン１５ｃｃ及びイオン交換水３０ｃ
ｃの混合系に滴下し、７５℃で３時間撹拌した。冷却後
静置して水層を除き、さらに、十分な水洗いを施した。

得られた反応溶液を乾固し、残った樹脂を１．４−ジオ
キサンに再び溶解し、凍結乾燥した。２．８ｇのポリジ
メチルシルエチレンジシロキサン粉末が回収できた。

例２ 前記例１により得た粉末を酢酸イソアミルに溶解し、半
導体素子を形成し第−層アルミ配線を施したシリコン基
板上（アルミの厚さは１−１最小線幅は１−１最小線間
隔は１．５７−）に１．０４１９１．にスピン塗布した
。塗布後、８０℃で２０分間溶剤乾燥、続いて窒素中、
４２０℃、１時間の熱処理を施した。熱処理後の基板表
面の段差は、約０，２Ｉｓａであり、アルミ配線により
生じた段差は平坦化されていた。続いて、末端トリメチ
ルシリル化を施したポリジメチル−ｐ−シルフェニレン
ジシロキサン粉末を酢酸イソアミルに溶解し、上記の方
法により形成した膜上に０．７μ厚に塗布した。塗布後
、８０℃で２０分間溶剤乾燥、続いて大気中、４２０℃
、１５ｍ１ｎの熱処理を施した。処理後の塗布膜には亀
裂、剥離等は見られなかった。続いて、スルーホールを
形成し二層目のアルミ配線を行い、保護層として１．２
−のＳｉＯ□膜を形成した後、電極取り出し用窓開けを
行って半導体装置を得た。この装置は、大気中４２０℃
で１時間の加熱試験、−６５℃→１５０℃の１０回の熱
衝撃試験後も全く不良はみられなかった。

例３ 前記例２と同様の方法で二層構造膜を形成したのち、さ
らにＰＳＧ膜を０．３ｐ常圧ＣＶＤ法で形成した。この
膜は、下地段差を約０．２ｐｍに平坦化していた。その
後は前記例２と同様に半導体装置を製造して試験したと
ころ、全く不良は見られなかった。

比較例１ 前記例２と同様に下層のポリジメチルシルエチレンジシ
ロキサン膜を１．０趨形成した後、大気中、４２０℃、
１５ｍ１ｎの熱処理を施した。処理後の膜には、全面に
移しい亀裂が生じ、その後、半導体装置を製造すること
はできなかった。

比較例２ 前記例２と同様に下層のポリジメチルシルエチレンジシ
ロキサン膜を１．Ｏｊｓ形成した後、窒素中、４２０℃
、１時間の熱処理を施した。その後ＰＳＧ膜を０．３烏
常圧ＣＶＤ法で形成したところ、膜全面に亀裂が生じ、
その後の半導体装置製造を行うことはできなかった。

〔発明の効果〕

本発明は、半導体集積回路の多層配線形成工程において
、層間絶縁膜として、下地段差を平坦化する樹脂層を下
層に、酸化耐性に優れた樹脂層を上層に用いた二層構造
よりなる層間絶縁膜を用いることを特徴とする。本発明
によれば、記載の層間絶縁膜を用いることにより、配線
工程において生じる高段差を完全に平坦化することが可
能であり、また、従来のシリコーン樹脂に見られていた
高温酸素雰囲気中での亀裂や剥離の発生を防止できる。

したがって、配線の断線や絶縁不良を起こすことなく信
頼性の高い多層配線を形成可能になる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、含まれる層間絶縁膜が二層構造を有していて、下層
   の絶縁膜が下地段差を平坦化可能な有機ケイ素重合体か
   らなり、かつ上層の絶縁膜が耐酸化性を保有しているア
   リール基含有有機ケイ素重合体からなる、多層配線構造
   をもった半導体装置。