(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上方に形成された複数の金属配線と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に形成された第１シリコン酸化膜と、前記第１シリコン酸化膜上に形成された無機塗布ガラスと、前記無機塗布ガラス上に形成された有機塗布ガラスと、前記有機塗布ガラス上に形成された第２シリコン酸化膜と、前記第２シリコン酸化膜上に形成されたシリコン窒化膜と、を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板上方に複数の金属配線を形成する工程と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜上に有機塗布ガラスを形成する工程と、前記有機塗布ガラスをＮＨ３中でプラズマに晒す工程と、プラズマに晒された前記有機塗布ガラス表面に第２シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第２シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、前記有機塗布ガラスをＮＨ３中でプラズマに晒す工程と、プラズマに晒された前記有機塗布ガラス表面に第２シリコン酸化膜を形成する工程とは、同一反応炉内又は同一ロードロック室内で連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上方に複数の金属配線を形成する工程と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜上に有機塗布ガラスを形成する工程と、前記有機塗布ガラスをＮＨ３中でプラズマに晒す工程と、プラズマに晒された前記有機塗布ガラス表面にシリコン窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体基板上方に複数の金属配線を形成する工程と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜上に無機塗布ガラスを形成する工程と、前記無機塗布ガラス上に有機塗布ガラスを形成する工程と、前記有機塗布ガラス上に第２シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第２シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体基板上方に複数の金属配線を形成する工程と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜上に無機塗布ガラスを形成する工程と、前記無機塗布ガラス上に有機塗布ガラスを形成する工程と、後に形成される第１開孔部内に前記無機塗布ガラス及び前記有機塗布ガラスが露出しないようにエッチバック法により、前記複数の金属配線上方に形成された該無機塗布ガラス及び該有機塗布ガラスを除去する工程と、前記第１酸化膜上及び前記有機塗布ガラス上に第２シリコン酸化膜を形成する工程と、前記金属配線上に形成された前記第１シリコン酸化膜及び前記第２シリコン酸化膜に第１開孔部を形成する工程と、前記第１開孔部を覆うように、シリコン窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項２〜６において、前記有機塗布ガラスは、シロキサン系ポリマーが溶解した有機溶剤をスピンコートすることにより形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特にサブミクロン以下に微細化された金属配線上に積層構造を有する保護絶縁膜の構造及びその形成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩ等に用いられる半導体装置の最終金属配線上の保護絶縁膜は、物理的損傷，コンタミネーションや水分の侵入を防ぐ為に、低温でプラズマ気相成長したシリコン窒化膜が用いられ、又一部にはその下層にストレス緩和の為気相成長によるシリコン酸化膜を敷いた構造が用いられている。
【０００３】
従来の半導体装置の製造方法は、例えば図３で示す如く、トランジスタや抵抗等の半導体素子が作り込まれたＳｉ基板１１上のフィールド絶縁膜や層間絶縁膜１２を介して、厚みが１μｍ程度のＡｌ合金等でなる最終金属配線１３上に、保護絶縁膜として、まずＳｉＨ４とＯ２あるいはＮ２Ｏを４００℃前後で気相反応させた０．３μｍ程度のシリコン酸化膜１９もしくはこれにＰＨ３を添加して気相反応させたＰＳＧ膜（リンガラス）を成長し、更にＳｉＨ４とＮＨ３あるいはＮ２を導入したプラズマ反応による厚みが１μｍ程度のシリコン窒化膜１７を気相成長させ、その後フォトレジストをマスクに、前記積層絶縁膜をドライもしくはウェットで選択エッチングし、外部電極取り出し用のボンディングパッド部を開孔してあり、場合によってはモールド時のストレス緩和の為に、ポリイミド樹脂等を積層してある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来技術に於いては、ＬＳＩの様な半導体装置がサブミクロン以下に微細化されてくると金属配線加工はドライエッチング化され断面形状が急峻となる上、アスペクト比（金属配線の高さ／近接する金属配線間の距離）が大きくなり、ＳｉＨ４を用いて気相成長させたシリコン酸化膜１９やシリコン窒化膜１７はカスピングによって付き回りが悪い為、金属配線１３の特定スペースにはボイド２０が形成され、コンタミネーショントラップとなる上、金属配線の側壁部及び溝部コーナーのシリコン窒化膜１７が平坦部に比べ極めて薄くなり、この領域からの水分や汚染が侵入し長期信頼性上問題となっていた。ここで、スペースとは、近接する複数の金属配線間に生じる凹部のことをいう。又、デバイスの動作速度の向上には層間容量の低減を必要とし、従来は、金属配線と基板あるい配線上下方向の層間容量に注意を払って来たが、配線スペースの微細化により横方向の層間容量の寄与が大きくなくなり、誘電率の高いシリコン窒化膜が金属配線スペース間に存在する事が動作速度等の電気特性向上に弊害となってきた。
【０００５】
しかるに、本発明は係る問題点を解決するもので、平坦性の改善と配線間容量の低減により、信頼性並びにデバイス特性の向上をなす保護絶縁膜構造を提供し、より微細化された半導体装置の安定供給を目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上方に形成された複数の金属配線と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に形成された第１シリコン酸化膜と、前記第１シリコン酸化膜上に形成された無機塗布ガラスと、前記無機塗布ガラス上に形成された有機塗布ガラスと、前記有機塗布ガラス上に形成された第２シリコン酸化膜と、前記第２シリコン酸化膜上に形成されたシリコン窒化膜と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に複数の金属配線を形成する工程と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜上に有機塗布ガラスを形成する工程と、前記有機塗布ガラスをＮＨ３中でプラズマに晒す工程と、プラズマに晒された前記有機塗布ガラス表面に第２シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第２シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の半導体装置の製造方法は、前記半導体装置の製造方法において、前記有機塗布ガラスをＮＨ３中でプラズマに晒す工程と、プラズマに晒された前記有機塗布ガラス表面に第２シリコン酸化膜を形成する工程とは、同一反応炉内又は同一ロードロック室内で連続して行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に複数の金属配線を形成する工程と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜上に有機塗布ガラスを形成する工程と、前記有機塗布ガラスをＮＨ３中でプラズマに晒す工程と、プラズマに晒された前記有機塗布ガラス表面にシリコン窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に複数の金属配線を形成する工程と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜上に無機塗布ガラスを形成する工程と、前記無機塗布ガラス上に有機塗布ガラスを形成する工程と、前記有機塗布ガラス上に第２シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第２シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上方に複数の金属配線を形成する工程と、前記半導体基板上方及び前記金属配線上に第１シリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１シリコン酸化膜上に無機塗布ガラスを形成する工程と、前記無機塗布ガラス上に有機塗布ガラスを形成する工程と、後に形成される第１開孔部内に前記無機塗布ガラス及び前記有機塗布ガラスが露出しないようにエッチバック法により、前記複数の金属配線上方に形成された該無機塗布ガラス及び該有機塗布ガラスを除去する工程と、前記第１酸化膜上及び前記有機塗布ガラス上に第２シリコン酸化膜を形成する工程と、前記金属配線上に形成された前記第１シリコン酸化膜及び前記第２シリコン酸化膜に第１開孔部を形成する工程と、前記第１開孔部を覆うように、シリコン窒化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法は、前記半導体装置の製造方法において、前記有機塗布ガラスは、シロキサン系ポリマーが溶解した有機溶剤をスピンコートすることにより形成することを特徴とする。
【００１５】
【実施例】
図１は、本発明に係わる半導体装置の一実施例を説明する為の工程概略断面図である。例えば、ＳｉゲートＣＭＯＳ−ＬＳＩの絶縁保護膜に適用した場合に於いて、Ｓｉ基板１１にはＭＯＳトランジスタや抵抗等の半導体素子が形成され、フィールド絶縁膜や層間絶縁膜１２を介して不純物層等からのコンタクトホールが開孔され、バリアメタル，Ｃｕを含むＡｌ合金及び反射防止膜をスッパタで積層させ約１μｍとし、Ｃｌ２系ガスを用いたドライエッチャーで該積層膜を選択エッチングし、ほぼ垂直な側面形状を持った金属配線１３を形成した。この反射防止膜は、Ａｌ合金自身やこの上に開けられるスルーホールのフォトリソグラフィー工程におけるハレーション防止の為に形成されたもので、導電性のＴｉＮを用いた。次に枚葉式で平行平板電極を有する反応室にキャリアーガスでＴＥＯＳ〔Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４〕とＯ２を導入し、３８０℃，約９ｔｏｒｒでプラズマ気相反応させ約０．５μｍの厚みの第１のシリコン酸化膜１４を成長させた（図１（ａ））。ＴＥＯＳを用いたプラズマ反応により形成されたシリコン酸化膜は、ＳｉＨ４を用いて形成されたシリコン酸化膜の様なカスピングが発生せず自身でボイドを形成することがなく、緻密で耐コンタミ性にも優れ、圧縮応力（例えばＳｉウエハーに成長したとき凸形に反る）を持つが、成長速度が大きく段差側壁の付き回りは平坦部の５０％程度である。よってスペース寸法とほぼ同じ厚みのシリコン酸化膜を成長させることができる。
【００１６】
続いて、シロキサン系ポリマーをアルコールやエステル類の各種有機溶剤に溶かしてスピンコートした有機塗布ガラス１５を積層し４２５℃のＮ２雰囲気で４５分のアニールを行うと金属配線１３領域上の平坦部には約０．１μｍ、段差部や溝部には０．３から０．８μｍ程度の塗布ガラス１５が溜まり、平坦化される（図１（ｂ））。
【００１７】
次に第１のシリコン酸化膜１４と同じ方法で、約０．２μｍの厚みで第２のシリコン酸化膜１６を気相成長させた。続いてＮ２キャリアーでＳｉＨ４とＮＨ３を導入し、３６０℃でプラズマ反応させたシリコン窒化膜１７を約１μｍ気相成長させた（図１（ｃ））。
【００１８】
フォトレジストをマスクとして、シリコン窒化膜１７をＣＦ４とＯ２の混合ガスで、又シリコン酸化膜１４，１６と塗布ガラス１５とをＣＦ４とＣＨＦ３を含む混合ガスで、選択ドライエッチングし、外部への電極取り出しの為のボンディングパッド部を開孔した（図示せず）。
【００１９】
この様にして製造された半導体装置は、金属配線１３の特定スペースの保護絶縁膜にボイドが発生せず、第１のシリコン酸化膜１４と有機塗布ガラス１５によって平坦化が図られ、この結果、シリコン窒化膜１７の表面平坦度は平滑で付き回りが良く、局所的に薄い膜厚や欠陥が少なく、耐湿性や汚染に対する信頼性の向上が図れた。又、金属配線のスペースは、誘電率の低いシリコン酸化膜や有機塗布ガラスで埋まり、シリコン窒化膜の影響が少なく、従来の構造に比べ動作速度を向上する事ができた。
【００２０】
この他、ＬＳＩは初期電気特性測定後、内部にあるＰｏｌｙＳｉやＡｌ等で成る冗長素子の特定領域をレーザー光で溶断させ、良否回路の選択を行い収率を上げる方法が多く取り入られている。この場合、屈折率の高いプラズマシリコン窒化膜１７を介したのではレーザー光での溶断が難しく、また、ボンディングパッド部の開孔時に冗長領域を同時に開孔しておくと、その領域から水分等の侵入があり好ましくない。従って、プラズマシリコン窒化膜１７を形成する前のシリコン酸化膜１４，１６や有機塗布ガラス１５に第１のボンディングパッドの開孔を施し初期電気特性測定後、該シリコン酸化膜等を通して冗長溶断を行なってからシリコン窒化１７膜を成長し、更に第２のボンディングパッドの開孔後、最終電気特性測定がなされる。これにより、ボンディングパッド部以外の開孔が無くなるので耐湿性等に優れる。この時、シリコン酸化膜等の開孔は、量産的にはバッチ式でＨＦとＮＨ４Ｆ等の混酸で選択ウェットエッチングされるが、塗布ガラス１５が該混酸に触れるとエッチング速度が非常に大きいためサイドエッチが進むため、第２のシリコン酸化膜１６のチッピングやクラックが発生する。このため、有機塗布ガラス１５のアニール後にＣＨＦ３とＣＦ４の混合ガスを用いて、約０．２５μｍエッチバックし、ボンディングパッドの開孔部で有機塗布ガラス１５が混酸に触れない様にした。
【００２１】
叉、平坦化に用いた有機塗布ガラスは厚膜塗布ができるものの、熱収縮率が大きい，溶媒が揮発しにくい，プラズマ形成のシリコン酸化膜への密着性が劣ることやＯ２プラズマ処理によりクラックが発生する等の不安定要素もあり、量産マージンを広げる要求から、更に以下の様な改善を行った。
【００２２】
まず、第２のシリコン酸化膜１６の形成は、既に有機塗布ガラス１５で平坦化されておりカスピングが生じないので、ＳｉＨ４とＯ２を不活性キャリアーガスで導入した３８０℃の減圧炉で熱反応させ気相成長させたが、シリコン酸化膜成長前に同一反応炉内でＮ２１．５ｔｏｒｒ程度の圧力で３０から６０分の減圧アニールを施したところ、従来は信頼性評価の繰り返し加熱試験によって有機塗布ガラス１５が第１のシリコン酸化膜１４から剥離する不良が時々発生していたものが、該熱処理をすることで皆無となった。この結果、組立，モールド工程での高温加熱の処理マージンが増した。
【００２３】
この他、第２のシリコン酸化膜１６の形成をプラズマ反応の気相成長で行なった場合には、成長初期には有機塗布ガラス１５がＯ２やＮ２Ｏのプラズマに晒されメチル基（−ＣＨ３）脱離の他に水酸基（−ＯＨ）やマイクロクラックが発生することがあった。これを防ぐ為の実験として、塗布ガラスの表面を、Ｎ２キャリアーでＮＨ３を導入し約５ｔｏｒｒで高周波１３．５６ＭＨｚ，４５０ｗのプラズマ中に１０から３０秒間晒し、その後、第２のシリコン酸化膜１６を、ＴＥＯＳとＯ２のプラズマ反応で気相成長させたところ、有機塗布ガラス１５には、従来の場合の様なマイクロクラックの発生が全く無くなり、モニターを赤外分光分析した結果ではメチル基脱離はなくなり、また、膜の絶縁特性も向上した。尚、この処理を施した後に、長い間大気放置すると水分吸着が認められるので、上記プラズマ反応による塗布ガラスの表面処理と、第２シリコン酸化膜１６の成長とは、同一反応炉もしくはロードロック室内で連続処理することが望ましい。この表面処理により、低ストレスのシリコン窒化膜の形成が可能となり、第２のシリコン酸化膜が不要な場合にも、シリコン窒化膜と有機塗布ガラスの密着性を向上できるという効果があった。
【００２４】
更に他の実施例として、有機塗布ガラスの密着性向上と平坦性を向上させる目的で、図２の如く、Ｓｉ基板１１，フィールド酸化膜や層間絶縁膜１２等を介して形成された金属配線１３を形成した後、ＴＥＯＳとＯ２をプラズマ気相反応させ約０．５μｍ厚みの第１のシリコン酸化膜１４を成長させ、続いてシラノール［Ｓｉ（ＯＨ）４］とＰ２Ｏ５をアルコール類やアセトン等の有機溶剤に溶かした無機塗布ガラス１８をスピンコートし、４５０℃のＮ２雰囲気で３０分のアニールを行い、金属配線１３領域上の平坦部には約０．０５μｍ、段差部や溝部には厚くても０．１μｍ程度の無機塗布ガラス１８を積層し、続いて、シロキサン系ポリマーをアルコール類やエステル類に溶かした有機塗布ガラス１５をスピンコートし４２５℃のＮ２雰囲気で４５分のアニールを行うことにより、金属配線１３領域上の平坦部には約０．１μｍ、段差部や溝部には０．３から１μｍ程度の有機塗布ガラス１５が溜まり、平坦化された。次に第１のシリコン酸化膜１４と同じ方法で、約０．３μｍの厚みの第２のシリコン酸化膜１６を、更にプラズマ反応のシリコン窒化膜を約１μｍ気相成長させ、フォトレジストをマスクに積層された絶縁保護膜を選択ドライエッチングし、外部への電極取り出しの為にボンディングパッド部を開孔した。この様にして製造された半導体装置は、プラズマ成長した第１のシリコン酸化膜１４と有機塗布ガラス１５との間に、そのどちらにも密着の良い無機塗布ガラス１８が挟まれているため、従来の様な後工程の熱処理における有機塗布ガラス１５の剥離がなくなった。更に、この２回塗りの効果により一層の平坦化もなされ、信頼性の向上も図れた。この場合も、シリコン酸化膜のウェットエッチングが必要であれば、シリコン窒化膜を気相成長する前に、塗布ガラスを所望量だけエッチバックすることも出来る。
【００２５】
尚、第１，第２のシリコン酸化膜１４，１６はノンドープに限られず、ＰＨ３やＰ（ＯＣＨ３）３等を添加した気相成長のＰＳＧ膜も当然応用できるものであり、又金属配線構造としては、実施例で示したＡｌ−Ｃｕ合金に限られずＴｉ，Ｗ，Ｍｏ等の高融点金属や半導体あるいはこれらの化合物を含む場合、あるいはバリアメタルやキャップメタルの有無に係わらず適用できるものである。
【００２６】
【発明の効果】
以上本発明によれば、微細ＬＳＩ等の半導体装置の保護絶縁膜の構成を積層化し、特にプラズマシリコン窒化膜の下地膜を塗布ガラスとシリコン酸化膜の組合せによりデザインルールに限定されず配線間の平坦化と容量の低減及び塗布ガラスの特性改善を行い、電気特性，信頼性と量産性の向上を図り、高品質な微細半導体装置の安定供給を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる半導体装置の製造方法を示す工程概略断面図である。
【図２】本発明の他の実施例に係わる半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【図３】従来の半導体装置の製造方法に係わる概略断面図である。
【符号の説明】
１１  Ｓｉ基板
１２  絶縁膜
１３  金属配線
１４  第１のシリコン酸化膜
１５  有機塗布ガラス
１６  第２シリコン酸化膜
１７  シリコン窒化膜
１８  無機塗布ガラス
１９  シリコン酸化膜
２０  ボイド
【図１】
0003624823.tif 000002
【図２】
0003624823.tif 000003
【図３】
0003624823.tif 000004