(57)【要約】【課題】本発明は、熱処理工程に対する耐性の高い多層配線構造体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の多層配線構造体は、基板上に、第１配線層、第２配線層および第３配線層が基板側から順に積層された多層配線構造を有し、多層配線構造は、第１配線層と第２配線層とを接続する第１ビアと、第２配線層と第３配線層とを接続する第２ビアと、を含み、多層配線構造と基板とを隔離し、基板よりもヤング率が低い絶縁性の中間層を含む。第１ビアと第２ビアとは、平面視において互いに重畳しおり、第１配線上に、第１無機絶縁層と第２無機絶縁層と第１有機絶縁層とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１配線層、第２配線層および第３配線層が前記基板側から順に積層された多層配線構造を有し、
前記多層配線構造は、前記第１配線層と前記第２配線層とを接続する第１ビアと、前記第２配線層と前記第３配線層とを接続する第２ビアと、を含み、
前記多層配線構造と前記基板とを隔離し、前記基板よりもヤング率が低い絶縁性の中間層を含むことを特徴とする多層配線構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多層配線構造体に関し、開示される一実施形態は基板と多層配線構造との積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路の高性能化に伴い、集積回路はより複雑化し、集積回路を構成するトランジスタなどの素子数は増加している。素子数の増加に伴い、素子間を接続する配線の配置も複雑になり、集積回路基板における配線の占める面積が増加している。そこで、集積回路基板において、配線の平面方向の占有面積をできる限り小さくするため、複数の配線を積層させ、立体的に配線を引き回す多層配線技術の開発が進められている。特に、配線密度の向上のためにビアを積層した、いわゆるスタックビア構造を有する多層配線技術が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
スタックビア構造のような多層配線構造において、熱サイクル（熱処理工程）における各層の伸縮によって、積層された配線間を接続するビアや積層された配線同士を隔離する層間膜にクラックが発生したり、多層配線構造と基板とが剥離したりすることがある。このクラックに配線材料が拡散すると、配線と基板との間にリーク電流が流れてしまう問題が発生する。また、ビアと配線層が剥離し、積層された配線間の導通が取れなくなってしまうことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７３３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑み、熱処理工程に対する耐性の高い多層配線構造体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】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る多層配線構造体は、基板上に、第１配線層、第２配線層および第３配線層が基板側から順に積層された多層配線構造を有し、多層配線構造は、第１配線層と第２配線層とを接続する第１ビアと、第２配線層と第３配線層とを接続する第２ビアと、を含み、多層配線構造と基板とを隔離し、基板よりもヤング率が低い絶縁性の中間層を含む。
【０００７】
本発明の一実施形態に係る多層配線構造体は、基板上に、第１配線層、第２配線層および第３配線層が基板側から順に積層された多層配線構造を有し、多層配線構造は、第１配線層と第２配線層とを接続する第１ビアと、第２配線層と第３配線層とを接続する第２ビアと、を含み、多層配線構造と基板とを隔離し、基板よりも熱膨張率が高く、第１配線層よりも熱膨張率が低い絶縁性の中間層を含む。
【０００８】
この多層配線構造体によれば、熱処理工程によって起きる各層の伸縮による局所的な応力を緩和することができる。
【０００９】
また、別の好ましい態様において、第１ビアと第２ビアとは、平面視において互いに重畳してもよい。
【００１０】
この多層配線構造体によれば、設計の自由度が高く、平面方向の占有面積を小さくすることができる。
【００１１】
また、別の好ましい態様において、第１配線層上に、第１無機絶縁層と第２無機絶縁層と第１有機絶縁層とを有してもよい。
【００１２】
また、別の好ましい態様において、第２配線層の上に、第３無機絶縁層と第４無機絶縁層と第２有機絶縁層とを有してもよい。
【００１３】
この多層配線構造体によれば、積層された配線層間の寄生容量を小さくすることができる。また、基板の反りを抑制することができる。
【００１４】
また、別の好ましい態様において、中間層は、樹脂層であってもよい。
【００１５】
この多層配線構造体によれば、熱処理工程によって起きる各層の伸縮による局所的な応力を緩和することができる。
【００１６】
また、別の好ましい態様において、第１配線層はＣｕを有し、基板よりも中間層の方が、Ｃｕの拡散速度が遅くてもよい。
【００１７】
この多層配線構造体によれば、第１配線層に含まれるＣｕが基板に拡散することを抑制することができる。
【００１８】
また、別の好ましい態様において、第１有機絶縁層の誘電率は、第１無機絶縁層および第２無機絶縁層の各々の誘電率よりも低く、第２有機絶縁層の誘電率は、第３無機絶縁層および第４無機絶縁層の各々の誘電率よりも低くてもよい。
【００１９】
この多層配線構造体によれば、積層された配線層間の寄生容量を小さくすることができる。
【００２０】
また、別の好ましい態様において、第２配線層はＣｕを有し、第３無機絶縁層は、第４無機絶縁層および第２有機絶縁層に比べて、Ｃｕの拡散速度が遅くてもよい。
【００２１】
この多層配線構造体によれば、第２配線層に含まれるＣｕが拡散し、隔離された配線間がショートすることを抑制することができる。
【００２２】
本発明の一実施形態に係る多層配線構造体は、基板と、基板上に配置された絶縁性の中間層と、中間層によって前記基板と隔離され、第１配線層と、第１無機絶縁層と、第２無機絶縁層と、第１有機絶縁層と、を含む第１配線構造と、第１配線構造の上方に配置され、第２配線層と、第２有機絶縁層と、を含む第２配線構造と、第１配線構造の上方に配置され、第３配線層と、第３無機絶縁層と、第４無機絶縁層と、第３有機絶縁層と、を含む第３配線構造と、第１配線層と第２配線層または第３配線層とを接続する第１ビアと、第２配線層と第３配線層とを接続する第２ビアと、を有する。
【００２３】
この多層配線構造体によれば、熱処理工程によって起きる各層の伸縮による局所的な応力を緩和することができる。また、積層された各配線間の寄生容量を小さくすることができる。
【００２４】
また、別の好ましい態様において、第１ビアと第２ビアとは、平面視において互いに重畳してもよい。
【００２５】
この多層配線構造体によれば、設計の自由度が高く、平面方向の占有面積を小さくすることができる。
【００２６】
また、別の好ましい態様において、中間層は、基板よりもヤング率が小さくてもよい。
【００２７】
また、別の好ましい態様において、中間層は、基板よりも熱膨張率が高く、第１配線層よりも熱膨張率が低くてもよい。
【００２８】
また、別の好ましい態様において、中間層は、樹脂層であってもよい。
【００２９】
この多層配線構造体によれば、熱処理工程によって起きる各層の伸縮による局所的な応力を緩和することができる。
【００３０】
また、別の好ましい態様において、第１配線層はＣｕを有し、基板よりも中間層の方が、Ｃｕの拡散速度が遅くてもよい。
【００３１】
この多層配線構造体によれば、第１配線層に含まれるＣｕが基板に拡散することを抑制することができる。
【００３２】
また、別の好ましい態様において、第１有機絶縁層の誘電率は、第１無機絶縁層および第２無機絶縁層の各々の誘電率よりも低く、第２有機絶縁層の誘電率は、第３無機絶縁層および第４無機絶縁層の各々の誘電率よりも低くてもよい。
【００３３】
この多層配線構造体によれば、積層された配線層間の寄生容量を小さくすることができる。
【００３４】
また、別の好ましい態様において、第２配線層はＣｕを有し、第３無機絶縁層は、第４無機絶縁層および第２有機絶縁層に比べて、Ｃｕの拡散速度が遅くてもよい。
【００３５】
この多層配線構造体によれば、第２配線層に含まれるＣｕが拡散し、隔離された配線間がショートすることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によると、熱処理工程に対する耐性の高い多層配線構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第１導電材料および下部第２導電材料が形成された基板の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、下部第２導電材料上にフォトレジストが形成された基板の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、下部第２導電材料上に上部第２導電材料が形成された基板の断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、下部第２導電材料上のフォトレジストが除去された基板の断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、エッチングにより第１配線層のパターンが形成された基板の断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第１配線層上に第１無機絶縁層および第２無機絶縁層が形成された基板の断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第２無機絶縁層上に第１有機絶縁層が形成された基板の断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第１無機絶縁層および第２無機絶縁層に開口部が形成された基板の断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第１有機絶縁層上に第３導電材料が形成された基板の断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第３導電材料上に下部第４導電材料が形成された基板の断面図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、下部第４導電材料上にフォトレジストが形成された基板の断面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、下部第４導電材料上に上部第４導電材料が形成された基板の断面図である。
【図１４】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、下部第４導電材料上のフォトレジストが除去された基板の断面図である。
【図１５】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、エッチングにより第２配線層のパターンが形成された基板の断面図である。
【図１６】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第２配線層上に第３無機絶縁層および第４無機絶縁層が形成された基板の断面図である。
【図１７】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第４無機絶縁層上に第２有機絶縁層が形成された基板の断面図である。
【図１８】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第３無機絶縁層および第４無機絶縁層に開口部が形成された基板の断面図である。
【図１９】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、配線層のパターンをエッチングする方法の詳細を説明する基板の断面図である。
【図２０】本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、有機絶縁層を形成する方法の詳細を説明する基板の断面図である。
【図２１】本発明の第２実施形態に係る多層配線構造体の断面図である。
【図２２】本発明の実施例１に係る多層配線構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
【００３９】
［多層配線構造体の構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の断面図である。図１では、多層配線構造体の一例として、６層の配線構造体の断面図を用いて説明する。
【００４０】
図１では、基板１００上に第１乃至第６配線層（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）と、第１乃至第６配線層の各配線層を隔離する第１乃至第５層間膜（１１９、１２９、１３９、１４９、１５９）と、第１乃至第５配線層（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０）のうち隣接する配線層を接続する第１乃至第４ビア（１９１、１９２、１９３、１９４）と、を有する多層配線構造が形成されている。基板１００と多層配線構造の最下層の配線層である第１配線層１１０との間には、基板１００と第１配線層１１０とを隔離する絶縁性の中間層１０１が形成され、第１配線層１１０と基板１００とが電気的に絶縁されている。
【００４１】
図１では、第１配線層１１０は第１導電層１１１および第２導電層１１２を有する。第２導電層１１２としては、電気抵抗が低い金属材料が好ましい。例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などを使用することができる。また、アルミニウム−ネオジウム合金（Ａｌ−Ｎｄ）やアルミニウム−銅合金（Ａｌ−Ｃｕ）などのアルミニウム合金を使用することができる。第１導電層１１１としては、密着性や、第２導電層１１２に対するバリア性を有する材料を使用することが好ましい。例えば、第２導電層１１２としてＣｕを使用した場合、第１導電層１１１としては、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、Ｃｒ（クロム）などを使用することができる。なお、図１では、配線層として２つの導電層の積層構造を例示したが、この構造に限定されず、１つの導電層の単層構造であってもよく、また、３つ以上の導電層による積層構造であってもよい。
【００４２】
図１では、第１層間膜１１９は第１無機絶縁層１１３、第２無機絶縁層１１４および第１有機絶縁層１１５を有する。第１無機絶縁層１１３は、第１導電層１１１、第２導電層１１２および露出された中間層１０１を覆うように形成されている。また、第２無機絶縁層１１４は第１無機絶縁層１１３を覆うように形成されており、さらにその上に第１有機絶縁層１１５が形成されている。ここで、第１有機絶縁層１１５の誘電率は、第１無機絶縁層１１３および第２無機絶縁層１１４の各々の誘電率よりも低いことが望ましい。なお、第１層間膜１１９は上記３層構造に限るものではなく、有機絶縁層又は無機絶縁層を少なくとも１層以上含むように構成されていてもよい。
【００４３】
第１無機絶縁層１１３は、第２導電層１１２に対するバリア性を有している材料を使用することが好ましい。換言すると、第１無機絶縁層１１３は、第２無機絶縁層１１４や第１有機絶縁層１１５に比べて、第２導電層１１２の拡散速度が遅い材料であることが好ましい。例えば、第２導電層１１２としてＣｕを使用した場合、第１無機絶縁層１１３としては、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、窒化シリコンカーバイト（ＳｉＣＮ）、炭素添加シリコンオキサイド（ＳｉＯＣ）などを使用することができる。また、第１無機絶縁層１１３は被覆性の良い成膜条件で成膜することが好ましい。また、第２導電層１１２としてＣｕを使用し、第１無機絶縁層１１３としてＳｉＮを使用した場合、Ｃｕの拡散防止機能を得るために一定以上の膜厚であることが好ましく、ＳｉＮは比誘電率が７．５と高いため配線層間の寄生容量を抑制するために一定以下の膜厚にすることが好ましい。具体的には、ＳｉＮ膜の膜厚は、好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるとよい。また、より好ましくは、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるとよい。
【００４４】
第１無機絶縁層１１３は、第１配線層１１０によって形成された段差部において、第１無機絶縁層１１３のひび割れや、膜が粗な領域が発生しないようにすることが好ましい。例えば、第１無機絶縁層１１３は、成膜温度が高い条件で成膜することが望ましく、好ましくは２００℃以上であるとよい。より好ましくは、３００℃以上であるとよい。また、第１無機絶縁層１１３の被覆性を良くするために、第１配線層１１０の端面を中間層１０１の表面に対して傾斜した順テーパ形状にしてもよい。第１配線層１１０のテーパ角度は、好ましくは３０度以上９０度以下であるとよい。より好ましくは、３０度以上６０度以下であるとよい。ここで、第１配線層１１０に含まれる第１導電層１１１と第２導電層１１２の両方が順テーパ形状でなくてもよく、いずれか一方が順テーパ形状であればよい。
【００４５】
第２無機絶縁層１１４は、第１無機絶縁層１１３およびその上に形成される第１有機絶縁層１１５との密着性がよい材料を使用することが好ましい。例えば、第２無機絶縁層１１４としては、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などを使用することができる。また、第２無機絶縁層１１４は被覆性の良い成膜条件で成膜することが好ましい。また、ＳｉＯ2膜は、基板の反りを調整及び信頼性向上のために一定以上の膜厚であることが好ましく、膜厚が厚すぎるとＰＩの応力との釣り合いが取れなくなるため一定以下の膜厚であることが好ましい。具体的には、ＳｉＯ2膜の膜厚は、好ましくは１μｍ以上８μｍ以下であるとよい。また、より好ましくは２μｍ以上５μｍ以下であるとよい。
【００４６】
第１有機絶縁層１１５は、第１配線層１１０によって形成された段差を緩和または平坦化し、また、誘電率が第１無機絶縁層１１３および第２無機絶縁層１１４よりも低い材料であることが好ましく、例えば感光性ポリイミドなどの樹脂材料で形成されるとよい。第１有機絶縁層１１５の膜厚は、少なくとも第１配線層１１０によって形成される段差以上の膜厚であることが好ましく、また、配線層間の寄生容量を小さくするために、塗布工程の可能な限り厚く形成することが好ましい。具体的には、第１有機絶縁層の膜厚は、好ましくは４μｍ以上２４μｍ以下であるとよい。また、より好ましくは８μｍ以上２０μｍ以下であるとよい。また、感光性ポリイミドの代わりに、感光性アクリルや感光性シロキサンなどを使用することができる。その他にも、誘電率が低く、Ｃｕに対するバリア性を有するベンゾシクロブテンを使用してもよい。また、感光性樹脂に限らず、非感光性樹脂を使用してもよい。
【００４７】
非感光性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール、シアネート樹脂、アラミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ＢＴレジン、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテルポリサルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミドなどを用いることができる。上記の樹脂は単体で用いられてもよく、２種類以上の樹脂を組み合わせて用いられてもよい。また、上記の樹脂に、ガラス、タルク、マイカ、シリカ、アルミナ等、無機フィラーを併用して用いてもよい。
【００４８】
第１層間膜１１９には、開口部１８１が設けられており、開口部１８１の内部には第１ビア１９１が充填されている。図１では、第２配線層１２０の一部が開口部１８１に充填されることで、第１ビア１９１を形成する構造を例示したが、この構造に限定されず、例えば、第１ビア１９１として、第２配線層１２０とは異なる導電層を使用してもよい。また、図１では、開口部１８１および第１ビア１９１は基板に対して直角の形状を有する構造を例示したが、この構造に限定されず、開口部１８１および第１ビア１９１が基板に対して順テーパ形状を有していてもよく、また、開口部１８１および第１ビア１９１が基板に対して逆テーパ形状を有していてもよい。また、図１では、開口部１８１が導電層で満たされた構造を例示したが、ビアは隣接する配線層間を接続すればよく、開口部１８１の一部が空洞であってもよい。
【００４９】
図１のように、第２配線層１２０を第１ビア１９１として使用する場合、第４導電層１２２として、第２導電層１１２と同様に電気抵抗が低い銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などを使用することができる。また、アルミニウム−ネオジウム合金（Ａｌ−Ｎｄ）やアルミニウム−銅合金（Ａｌ−Ｃｕ）などのアルミニウム合金を使用することができる。また、第３導電層１２１として、第１導電層１１１と同様に第４導電層１２２に対するバリア性を有する材料を使用することが好ましい。例えば、第４導電層１２２がＣｕを含む場合、第３導電層１２１としては、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、Ｃｒ（クロム）などを使用することができる。
【００５０】
第１ビア１９１は、その底部において第１配線層１１０の第２導電層１１２と接しており、第１配線層１１０と第２配線層１２０とが電気的に接続される。なお、図１では、第２配線層１２６、１２７は上下の配線層と接続されていないが、図１に示す断面とは異なる箇所で上下の配線層と接続されていてもよい。
【００５１】
第２配線層１２０上には第２層間膜１２９が形成されている。第２層間膜１２９は、第１層間膜１１９と同じ構造を有しており、第３無機絶縁層１２３、第４無機絶縁層１２４および第２有機絶縁層１２５を有する。図１では、第２層間膜１２９の各々の層に使用される材料は、第１層間膜１１９の各々の層と同じ材料を使用しているため、ここでは詳細な説明は省略する。ただし、第２層間膜１２９の各々の層に使用する材料は、第１層間膜１１９の各々の層と同じ材料に限定されず、その層間膜の目的に応じて適宜選択することができる。
【００５２】
以降、第２配線層１２０と同様にして、第３乃至第５配線層（１３０、１４０、１５０）を形成することができる。第３配線層１３０の第５導電層１３１、第４配線層１４０の第７導電層１４１、第５配線層１５０の第９導電層１５１はそれぞれ第１導電層１１１と同じ材料で形成することができる。また、第３配線層１３０の第６導電層１３２、第４配線層１４０の第８導電層１４２、第５配線層１５０の第１０導電層１５２はそれぞれ第２導電層１１２と同じ材料で形成することができる。ただし、これらの導電層は、必ずしも第１導電層１１１または第２導電層１１２と同じでなくてもよく、その配線層の目的に応じて適宜選択することができる。
【００５３】
また、第２層間膜１２９と同様にして、第３乃至第５層間膜（１３９、１４９、１５９）を形成することができる。第３層間膜１３９の第５無機絶縁層１３３、第４層間膜１４９の第７無機絶縁層１４３、第５層間膜１５９の第９無機絶縁層１５３はそれぞれ第１無機絶縁層１１３と同じ材料で形成することができる。また、第３層間膜１３９の第６無機絶縁層１３４、第４層間膜１４９の第８無機絶縁層１４４、第５層間膜１５９の第１０無機絶縁層１５４はそれぞれ第２無機絶縁層１１４と同じ材料で形成することができる。また、第３層間膜１３９の第３有機絶縁層１３５、第４層間膜１４９の第４有機絶縁層１４５、第５層間膜１５９の第５有機絶縁層１５５はそれぞれ第１有機絶縁層１１５と同じ材料で形成することができる。ただし、これらの絶縁層は、必ずしも第１無機絶縁層１１３、第２無機絶縁層１１４または第１有機絶縁層１１５と同じでなくてもよく、その絶縁層の目的に応じて適宜選択することができる。
【００５４】
第１乃至第４ビア（１９１、１９２、１９３、１９４）はそれぞれ同じ平面座標で積層された、いわゆる、スタックビア構造を有している。換言すると、第１乃至第４ビア（１９１、１９２、１９３、１９４）は平面視において互いに重畳している。ここで、重畳するビアは平面視において完全に重畳する構造に限定されず、例えば、ビアの一部が重畳した構造を含む。図１に示すスタックビア構造において、積層された全てのビアが平面視において互いに重畳した構造を例示したが、この構造に限定されず、少なくともある配線層の上下に形成されたビアが平面視においた互いに重畳していればよい。例えば、第２配線層１２０の下の第１ビア１９１と上の第２ビア１９２とが、平面視において少なくとも一部で重畳していればよい。
【００５５】
また、図１では、第１乃至第４ビア（１９１、１９２、１９３、１９４）は全て同じ径である構造を例示したが、この構造に限定されず、層によってビアの径が異なっていてもよい。例えば、下の層のビア（例えば第１ビア１９１）に比べて、上の層のビア（例えば第４ビア１９４）の方が径が大きい構造であってもよい。また、特定の層のビアの径が他の層のビアの径と異なる構造であってもよい。
【００５６】
図１において、第５配線層１５０は、第５層間膜１５９に設けられた開口部１８５を介して、最上層の第６配線層１６０に接続される。第６配線層１６０は、第１１導電層１６１、第１２導電層１６２および第１３導電層１６３を有する。第１１導電層１６１としては、電気抵抗が低く、第１０導電層１５２との密着性がよい材料を使用することが好ましい。例えば、第１０導電層１５２と同じ材料を使用するとよく、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｌ−Ｎｄ、Ａｌ−Ｃｕなどを使用することができる。
【００５７】
また、第１３導電層１６３としては、耐食性が高く、酸化しにくく、外部素子との接触抵抗が低い材料を使用することが好ましい。例えば、Ａｕ、白金（Ｐｔ）などを使用することができる。また、第１２導電層１６２としては、第１１導電層１６１および第１３導電層１６３と密着性がよい材料が好ましい。また、例えば、第１３導電層１６３をめっきで形成する場合は、第１３導電層１６３のシード層として適した材料を使用することが好ましい。例えば、Ｔｉ、ニッケル（Ｎｉ）などを使用することができる。
【００５８】
上記の多層配線構造と基板との間には、多層配線構造と基板とを隔離する絶縁性の中間層１０１が形成されている。中間層１０１は、多層配線構造に起因する応力が基板に伝わることを緩和するために、基板１００よりも柔らかい、つまりヤング率が小さいことが望ましい。また、中間層１０１は、基板の熱膨張が多層配線構造に伝わることを緩和するために、基板１００よりも伸縮しやすく、第１配線層１１０の第１導電層１１１および第２導電層１１２よりも伸縮しにくいことが望ましい。つまり、基板１００よりも熱膨張率が高く、第１配線層よりも熱膨張率が低いことが望ましい。ここで、第２導電層１１２の膜厚が、例えば第１導電層１１１の膜厚に比べて５倍以上厚い場合、熱膨張率に起因する応力は第２導電層１１２に起因する応力が支配的になるため、中間層１０１の熱膨張率は第２導電層１１２の熱膨張率よりも低ければよい。また、中間層は樹脂層であることが望ましい。また、中間層１０１は、第２導電層１１２に対するバリア性を有している材料を使用することが好ましい。換言すると、中間層１０１は、基板１００に比べて、第２導電層１１２の拡散速度が遅い材料であることが好ましい。例えば、第２導電層１１２がＣｕを含む場合、中間層１０１としては、ポリイミド等の樹脂層を使用することができる。図１では、多層配線構造と基板との間に１層の中間層が挟まれた構造を例示したが、この構造に限定されず、中間層と多層配線構造、または、中間層と基板との間に他の層が挟まれていてもよい。
【００５９】
ここで、図１では、設計の自由度が高い多層配線構造体を提供するため、また、平面方向の占有面積の小さい多層配線構造体を提供するために、複数のビアが平面視において互いに重畳したスタックビア構造が開示されている。プロセス中の熱処理工程による伸縮の度合いは、有機絶縁層と配線層との間、または、有機絶縁層と基板との間で異なる。そのため、スタックビア構造では、配線層およびビアが重畳した領域Ａ−Ｂ線と、各配線層間に有機絶縁層が形成された領域Ｃ−Ｄ線とでは、熱処理工程による伸縮の度合いおよび内部に発生する応力は大きく異なる。
【００６０】
特に、有機絶縁層に比べて硬い、つまりヤング率が大きい配線層が積層された領域Ａ−Ｂ線では、配線層間に有機絶縁層が配置された領域Ｃ−Ｄ線に比べてＤ２（立体）方向に大きい応力が発生する。また、有機絶縁層と基板との間にも、熱処理工程による伸縮の度合いに起因したＤ１（平面）方向の応力が基板全面で発生する。
【００６１】
従来のように、基板上に中間層を設けずにスタックビア構造を形成すると、上記のＤ１方向またはＤ２方向の応力に起因して、ビアや無機絶縁層へのクラック発生や、ビアと配線の剥離などの問題が発生する。しかし、図１に示した構造によると、基板１００と積層された配線層との間に中間層１０１を設けることで、上記のＤ１方向またはＤ２方向の応力を緩和することができ、ビアや無機絶縁層へのクラック発生や、ビアと配線の剥離などの問題を抑制することができる。
【００６２】
また、従来のように、基板上に中間層を設けずに多層配線構造を形成した構造において、特に第１配線層１１０の第２導電層１１２がＣｕを含む場合、第１導電層１１１および第１無機絶縁層１１３としてＣｕに対するバリア性を有する材料を使用した場合であっても、熱処理工程によって第１無機絶縁層１１３に発生したクラックを介して、Ｃｕが基板まで拡散することがある。例えば基板１００に導電性または半導体の材料を用いた場合、第１配線層１１０と基板１００がショートしてしまう問題が発生する。
【００６３】
上記のように、基板と多層配線構造との間に、基板と多層配線構造とを隔離し、上記の特徴を有する絶縁性の中間層を設けることで、熱処理工程によって配線層およびビアが重畳した領域で発生する立体方向の応力を緩和することができる。また、中間層を設けることで、熱処理工程によって基板全面で発生する平面方向の応力も緩和することができる。その結果、ビアや無機絶縁層へのクラック発生や、ビアと配線の剥離などの問題を抑制することができる。また、基板と多層配線構造との間に上記の特徴を有する絶縁性の中間層を設けることで、熱処理工程によってＣｕが基板まで拡散することを抑制することができる。その結果、第１配線層と基板がショートする問題を抑制することができる。つまり、上記の問題が抑制されたスタックビア構造の多層配線構造体を得ることができる。
【００６４】
したがって、図１に一例を示した第１実施形態によると、熱処理工程によるクラックや剥離の抑制、また、Ｃｕの基板への拡散などを抑制することができるため、熱処理工程に対する耐性の高い多層配線構造体を提供することができる。また、スタックビア構造の多層配線構造体を得ることができることから、設計の自由度が高い多層配線構造体を提供することができる。また、平面方向の占有面積の小さい多層配線構造体を提供することができる。また、有機絶縁層として、無機絶縁層よりも誘電率が低い材料を使用することで、積層された各配線間の寄生容量を小さくすることができるため、配線を伝達する信号の遅延を抑制することができる多層配線構造体を提供することができる。
【００６５】
［多層配線構造体の製造方法］
次に、図２乃至１８を用いて、本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法を説明する。図２乃至１８において、図１に示す要素と同じ要素には同じ符号を付した。
【００６６】
図２は、本発明の第１実施形態に係る多層配線構造体の製造方法において、第１導電材料および下部第２導電材料が形成された基板の断面図である。図２に示すように、シリコン基板などの基板１００上に、塗布法を用いて、ポリイミドなどの樹脂材料を用いた絶縁性の中間層１０１を形成する。次に、スパッタリング法により、第１導電材料２１１を成膜し、その上に下部第２導電材料２１２を成膜する。下部第２導電材料２１２としては、低抵抗なＣｕを使用することが好ましく、その場合、第１導電材料２１１としては、Ｃｕに対してバリア性を有するＴｉを使用することが好ましい。中間層１０１および第１導電材料２１１は、基板１００にＣｕが拡散し、第１導電材料２１１と基板１００とがショートすることを抑制するためのバリア層としての役割を果たす。また、下部第２導電材料２１２は、電解めっき法によりＣｕを成長させるためのシード層としての役割を果たす。なお、ここでは、Ｔｉ以外のバリア層の材料として、ＴｉＮや高融点金属のＴａ、ＴａＮ、Ｃｒなどを用いることも可能である。
【００６７】
次に、図３に示すように、下部第２導電材料２１２の上にフォトレジストを塗布した後に、露光及び現像を行うことにより配線形成用レジストパターン３１０を形成する。その後、電解めっき法を用いて配線形成用レジストパターン３１０より露出している下部第２導電材料２１２上に下部第２導電材料２１２と同じ材料を成長させることで、図４に示すように上部第２導電材料２１３を形成する。図４では、上部第２導電材料２１３として、下部第２導電材料２１２と同じ材料を成長させる製造方法を例示したが、この方法に限定されず、上部第２導電材料２１３を下部第２導電材料２１２と異なる材料を成長させてもよい。
【００６８】
次に、上部第２導電材料２１３を形成した後に、配線形成用レジストパターン３１０を形成するフォトレジストを有機溶媒により除去し、図５の構造を得る。なお、フォトレジストの除去には、有機溶媒を用いる代わりに、酸素プラズマによるアッシングを用いることもできる。
【００６９】
次に、図６に示すように、配線形成用レジストパターン３１０により覆われていた下部第２導電材料２１２の一部および第１導電材料２１１の一部を、酸性の薬液によってエッチングし、第１導電層１１１および第２導電層１１２を形成する。このエッチングによって、上部第２導電材料２１３の膜厚は薄くなるため、この薄膜化の影響を考慮して上部第２導電材料２１３の膜厚を設定することが好ましい。また、上記の薬液によるエッチングの代わりに、イオンミリングやドライエッチングなどを用いることもできる。
【００７０】
酸性の水溶液を用いる場合、第２導電層１１２よりも第１導電層１１１の方がエッチング速度が速いと、図１９に示すようにアンダーカット３０１が形成されてしまう。特に、配線の幅が５μｍ以下になると、第１導電層１１１と下地の中間層１０１との間での十分な密着性が取れなくなり、第１導電層１１１が自身の応力などによって剥離してしまうことがある。一方、イオンミリングやドライエッチングを用いる場合には、このようなアンダーカットが起こり難いので、微細な配線形成が可能となる。
【００７１】
次に、図７に示すように、第２導電層１１２の上にプラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮ膜などの第１無機絶縁層１１３およびＳｉＯ2膜などの第２無機絶縁層１１４を成膜する。ＳｉＮ膜の成膜には、ＳｉＨ4をＳｉ源とし、ＮＨ3を窒素源として使用することができる。また、ＳｉＯ2膜の成膜には、ＳｉＨ4をＳｉ源とし、Ｎ2Ｏを酸素源とすることができる。また、Ｓｉ源としてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いることができる。また、酸素源として、Ｏ2を用いることもできる。
【００７２】
ＳｉＯ2膜は、基板１００の反りを抑制する点で、膜応力を−３００Ｍｐａ以上−１００Ｍｐａ以下の圧縮応力に調整することが好ましい。特に膜応力は−２００Ｍｐａ以上、−１５０ＭＰａ以下に調整することが好ましい。
【００７３】
なお、第２導電層１１２がＣｕを含む場合、Ｃｕの表面に酸化銅が存在すると、第１無機絶縁層１１３とＣｕとの密着力が低下するので第１無機絶縁層１１３の成膜前にＣｕ表面を希硫酸などで洗浄するのが好ましい。また、第１無機絶縁層１１３の成膜前に同一チャンバ内でＣｕ表面をＮＨ3プラズマに晒して酸化銅の除去を行うこともできる。
【００７４】
また、第２導電層１１２がＣｕを含む場合、第１無機絶縁層１１３としてはＣｕに対するバリア性を有するＳｉＮ膜を使用することが好ましく、第２導電層１１２のＣｕ原子やＣｕ分子、Ｃｕイオンが第２導電層１１２の側面および上面から第２無機絶縁層１１４に熱拡散するのを防止し、さらに、隣接する配線層間の電界に起因する拡散を防止するバリア絶縁層としての役割を果たす。ここで、ＳｉＮ膜をバリア絶縁層として用いる代わりに、ＳｉＣ膜（酸素を数％から１０％含んでいてもよい）を用いることができる。ＳｉＣ膜もプラズマＣＶＤにより成膜することが可能であり、第２導電層１１２のＣｕ原子やＣｕ分子、Ｃｕイオンの拡散を防止する効果がある。
【００７５】
また、第２無機絶縁層１１４としてＳｉＯ2膜の代わりに、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＦ膜などを用いてもよい。ＳｉＯＣ膜やＳｉＯＦ膜もプラズマＣＶＤによって成膜することができる。ＳｉＯＣ膜やＳｉＯＦ膜はＳｉＯ2膜よりも誘電率が低く、積層された各配線間の寄生容量を小さくすることができる。
【００７６】
次に、第２無機絶縁層１１４の上にスピンコート法によりポリイミドなどの第１有機絶縁層１１５を塗布する。ポリイミドの代わりに、ベンゾシクロブテンなどを使用してもよい。また、感光性樹脂に限らず、非感光性樹脂を使用してもよい。
【００７７】
非感光性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール、シアネート樹脂、アラミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ＢＴレジン、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテルポリサルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミドなどを用いることができる。上記の樹脂は単体で用いられてもよく、２種類以上の樹脂を組み合わせて用いられてもよい。また、上記の樹脂に、ガラス、タルク、マイカ、シリカ、アルミナ等、無機フィラーを併用して用いてもよい。
【００７８】
ただし、非感光性の樹脂を用いる場合には、さらに感光性の樹脂を塗布しリソグラフィーによりパターンニングを行う必要がある。このため、非感光性の樹脂を用いると工程が増加する場合がある。第１実施形態では、第１有機絶縁層１１５として感光性ポリイミドを使用した製造方法を説明する。
【００７９】
第１有機絶縁層１１５を塗布した場合には、フォトマスクを用いて露光をした後に現像を行い、図８に示すように、第２導電層１１２の上方の必要な位置に凹部２８１を形成する。ここで、「必要な位置」とは、第２導電層１１２をそれよりも上層に形成される配線と接続するビアを配置する必要のある位置を指す。
【００８０】
凹部２８１の形成後に塗布した第１有機絶縁層１１５を硬化させるために熱硬化処理を行う。熱硬化処理は、使用する有機絶縁層のガラス転移温度以下に設定することが好ましい。ガラス転移温度を越す温度で硬化させると、凹部２８１の形状が変形してしまい、設計寸法よりも開口径が大きくなるなどの問題が発生するからである。例えば、第１有機絶縁層１１５としてポリイミドを使用した場合、ポリイミドのガラス転移温度が２８０℃であれば、２５０℃で熱処理を行うことが好ましく、例えば、２５０℃、１時間、窒素雰囲気下で熱処理を行うとよい。なお、熱硬化の処理に限らず、この工程以降の熱処理は、ポリイミドのガラス転移温度を越えないようにして行うのが好ましい。
【００８１】
なお、第１有機絶縁層１１５を熱硬化させると、第１配線層１１０による段差の影響で、凹部２８１以外の領域において、図２０に示すような段差３０２が発生することがある。このような段差は、配線層を積層するにしたがって大きくなり、パターン露光時のフォーカスずれを発生させる。このため、設計寸法に基づく配線パターンの形成が困難となり、隣接する配線がショートする問題や、逆に配線が断線する問題が発生する。このような第１有機絶縁層１１５の段差３０２を低減させるために、ポリイミドのような熱収縮率の小さな（好ましくは、熱収縮率が１５％以下）有機材料を使用することが好ましい。また、高精度でポリイミドの表面の凹凸を除去するには、フライカッターを用いることもできる。
【００８２】
次に、第１有機絶縁層１１５をマスクとしてプラズマエッチングすることで、凹部２８１の底部の第１無機絶縁層１１３および第２無機絶縁層１１４をエッチングする。ここでは、第１無機絶縁層１１３としてＳｉＮ膜を使用し、第２無機絶縁層１１４としてＳｉＯ2膜を使用し、第１有機絶縁層１１５としてポリイミドを使用した場合のエッチング方法について詳しく説明する。
【００８３】
ＳｉＯ2膜のエッチングガスとしては、ＣＦ4（流量２０ｓｃｃｍ）とＨ2（流量５ｓｃｃｍ）との混合ガスを用いることができる。混合ガスの流量比を変化させることで、硬化したポリイミドとＳｉＯ2膜のエッチング速度の比率を調整することが可能である。ここで、ＳｉＯ2膜に対するポリイミドのエッチング速度の比率が小さくなるように調整することが好ましい。なお、エッチングガスは、上述したものに限らず、ＣＦ4の代わりにＣＨＦ3やＣＨ2Ｆ2を用いることができる。
【００８４】
ＳｉＮ膜のエッチングガスとしては、ＣＦ4（流量２０ｓｃｃｍ）とＯ2（流量２ｓｃｃｍ）との混合ガスを用いることができる。ＳｉＮ膜のエッチングにおいても、混合ガスの流量比を変化させることで、硬化したポリイミドとＳｉＮ膜のエッチング速度の比率を調整することが可能である。ＳｉＯ2と同様に、ＳｉＮ膜に対するポリイミドのエッチング速度の比率が小さくなるように調整することが好ましい。
【００８５】
上記のように、第１無機絶縁層１１３および第２無機絶縁層１１４のエッチングによって、第１配線層１１０と第２配線層１２０とを電気的に接続する第１ビア１９１を充填するための開口部１８１が形成される。この開口部１８１が形成された直後は、開口部１８１の側壁や底部にＳｉやＦを含む炭素化合物が付着している場合がある。この炭素化合物を除去するために、有機溶剤で洗浄を行ってもよい。また、開口部１８１の底部において露出した第２導電層１１２の表面はプラズマエッチングによって酸化している場合がある。この表面の酸化物を除去するために、希硫酸による洗浄を行ってもよい。
【００８６】
第１無機絶縁層１１３および第２無機絶縁層１１４に対するプラズマエッチングにより、第１有機絶縁層１１５の表面はプラズマダメージを受け、第１有機絶縁層１１５固有の耐熱性が損なわれている場合がある。この場合には、例えば第１有機絶縁層１１５のガラス転移温度以下で熱処理を行うことで、表面のダメージ層を除去することができる。このようにして、図９に示す構造を得ることができる。
【００８７】
次に、図１０に示すように、スパッタリング法によって第３導電材料２２１を成膜する。第２導電層１１２がＣｕを含む場合、第３導電材料２２１としては、第１導電層１１１と同様にＴｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒなどを使用することで、Ｃｕ原子やＣｕ分子、Ｃｕイオンが拡散しないようにするバリアメタルとして機能させることができる。
【００８８】
次に、図１１に示すように、スパッタリング法によって下部第４導電材料２２２を成膜する。下部第４導電材料２２２としては、低抵抗なＣｕを使用することが好ましい。また、下部第４導電材料２２２は、電解めっき法によりＣｕを成長させるためのシード層としての役割を果たす。
【００８９】
次に、図１２に示すように、下部第４導電材料２２２の上にフォトレジストを塗布した後に、露光及び現像を行うことにより配線形成用レジストパターン３２０を形成する。その後、電解めっき法を用いて配線形成用レジストパターン３２０より露出している下部第４導電材料２２２上に下部第４導電材料２２２と同じ材料を成長させることで、図１３に示すように上部第４導電材料２２３を形成する。図１３では、上部第４導電材料２２３として、下部第４導電材料２２２と同じ材料を成長させる製造方法を例示したが、この方法に限定されず、上部第４導電材料２２３を下部第４導電材料２２２と異なる材料を成長させてもよい。
【００９０】
次に、上部第４導電材料２２３を形成した後に、配線形成用レジストパターン３２０を形成するフォトレジストを有機溶媒により除去し、図１４の構造を得る。なお、フォトレジストの除去には、有機溶媒を用いる代わりに、酸素プラズマによるアッシングを用いることもできる。
【００９１】
次に、図１５に示すように、配線形成用レジストパターン３２０により覆われていた下部第４導電材料２２２の一部および第３導電材料２２１の一部を、酸性の薬液によってエッチングし、第３導電層１２１および第４導電層１２２を形成する。このエッチングによって、上部第４導電材料２２３の膜厚は薄くなるため、この薄膜化の影響を考慮して上部第４導電材料２２３の膜厚を設定することが好ましい。また、上記の薬液によるエッチングの代わりに、イオンミリングなどを用いることもできる。
【００９２】
次に、図１６に示すように、第４導電層１２２の上に第３無機絶縁層１２３および第４無機絶縁層１２４を成膜する。例えば、第４導電層１２２がＣｕを含む場合、第３無機絶縁層１２３としては、第１無機絶縁層１１３と同様にＣｕに対するバリア性を有するＳｉＮ膜を使用することが好ましく、第４無機絶縁層１２４としては、第２無機絶縁層１１４と同様にＳｉＯ2膜を使用することが好ましい。第３無機絶縁層１２３としてＳｉＮ膜をバリア絶縁層として用いる代わりに、ＳｉＣ膜（酸素を数％から１０％含んでいてもよい）を用いることができる。また、第４無機絶縁層１２４としてＳｉＯ2膜の代わりに、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＦ膜などを用いてもよい。
【００９３】
次に、第４無機絶縁層１２４の上にスピンコート法によりポリイミドなどの第２有機絶縁層１２５を塗布する。ポリイミドの代わりに、ベンゾシクロブテンなどを使用してもよい。また、感光性樹脂に限らず、非感光性樹脂を使用してもよい。
【００９４】
非感光性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール、シアネート樹脂、アラミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ＢＴレジン、ＦＲ−４、ＦＲ−５、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテルポリサルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミドなどを用いることができる。上記の樹脂は単体で用いられてもよく、２種類以上の樹脂を組み合わせて用いられてもよい。また、上記の樹脂に、ガラス、タルク、マイカ、シリカ、アルミナ等、無機フィラーを併用して用いてもよい。
【００９５】
第１実施形態では、第２有機絶縁層１２５として感光性ポリイミドを使用した製造方法を説明する。
【００９６】
第２有機絶縁層１２５を塗布した場合には、フォトマスクを用いて露光をした後に現像を行い、図１７に示すように、第４導電層１２２の上方の必要な位置に凹部２８２を形成する。ここで、「必要な位置」とは、第４導電層１２２をそれよりも上層に形成される配線と接続するビアを配置する必要のある位置を指す。
【００９７】
凹部２８１の形成後に、第２有機絶縁層１２５を硬化させるため、第２有機絶縁層１２５のガラス転移温度以下の温度で熱硬化処理を行う。例えば、第２有機絶縁層１２５としてポリイミドを使用した場合、ポリイミドのガラス転移温度が２８０℃であれば、上述のように２５０℃とする。なお、熱硬化の処理に限らず、この工程以降の熱処理は、ポリイミドのガラス転移温度を越えないようにして、行うのが好ましい。
【００９８】
次に、第２有機絶縁層１２５をマスクとしてプラズマエッチングすることで、凹部２８２の底部の第３無機絶縁層１２３および第４無機絶縁層１２４をエッチングする。プラズマエッチングの方法は、第１無機絶縁層１１３および第２無機絶縁層１１４のエッチング方法と同様の方法を使用することができる。第３無機絶縁層１２３および第４無機絶縁層１２４のエッチングによって、第２配線層１２０と第３配線層１３０とを電気的に接続する第２ビア１９２を充填するための開口部１８２が形成される。このようにして、図１８に示す構造を得ることができる。
【００９９】
以降、図１０乃至１８で説明した方法を繰り返すことで、図１に示す多層配線構造体を得ることができる。
【０１００】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態に係る多層配線構造体について、図面を参照しながら詳細に説明する。図２１は、本発明の第２実施形態に係る多層配線構造体の断面図である。図２１は、図１と類似しているが、第２配線層１２０および第４配線層１４０は、それらの上に無機絶縁層が形成されておらず、有機絶縁層のみが形成されている点において、図１とは異なる。
【０１０１】
図２１に示す構造においては、少なくとも、無機絶縁層が形成されていない第２有機絶縁層１２５および第４有機絶縁層１４５は、第２配線層１２０および第４配線層１４０に含まれる導電材料に対するバリア性を有していることが好ましい。
【０１０２】
また、図２１では、第２配線層１２０および第４配線層１４０がそれらの配線層上に無機絶縁層が形成されず、有機絶縁層のみが形成された構造を例示したが、この構造に限定されず、他の配線層も配線層上に無機絶縁層が形成されず、有機絶縁層のみが形成された構造であってもよい。例えば、第３配線層１３０上に形成された第５無機絶縁層１３３および第６無機絶縁層１３４が形成されず、第３配線層１３０上には第３有機絶縁層１３５のみが形成された構造であってもよい。ただし、図２１に示す多層配線構造体の層間膜が全て有機絶縁層で形成されると、各層の応力の影響で基板が反ってしまう。したがって、少なくとも１層は無機絶縁層を含んでいることが望ましい。好ましくは、中間層１０１上の第１配線層１１０を覆う第１無機絶縁層１１３および第２無機絶縁層１１４以外に、第１層間膜１１９よりも上層の層間膜（図２１においては、第２乃至４層間膜（１２９、１３９、１４９））に少なくとも１層の無機絶縁層を含んでいることが望ましい。
【０１０３】
上記の構造を他の表現で説明すると、第２実施形態の多層配線構造体は、基板１００と、その上に配置された絶縁性の中間層１０１と、中間層１０１上に配置された第１配線層１１０および第１層間膜１１９を含む第１配線構造と、第１配線構造の上方に配置され、第２配線層１２０および第２層間膜１２９を含む第２配線構造と、第１配線構造の上方に配置され、第３配線層１３０および第３層間膜１３９を含む第３配線構造とを有している。
【０１０４】
ここで、第１層間膜１１９は、第１無機絶縁層１１３、第２無機絶縁層１１４および第１有機絶縁層１１５を有している。また、第２層間膜１２９は、第２有機絶縁層１２５を有している。また、第３層間膜１３９は、第５無機絶縁層１３３、第６無機絶縁層１３４および第３有機絶縁層１３５を有している。第１配線層１１０と第２配線層１２０は第１ビア１９１によって接続され、第２配線層１２０と第３配線層１３０は第２ビア１９２によって接続されている。
【０１０５】
図２１では、第１配線構造、第２配線構造、第３配線構造が順に積層された構造を例示したが、この構造に限定されず、例えば、第１配線構造、第３配線構造、第２配線構造の順で積層されていてもよい。また、第１配線構造、第２配線構造、第２配線構造、第３配線構造の順で積層されるように、第２配線構造と第３配線構造が交互に積層されていなくてもよい。
【０１０６】
上記の構造を有することで、第１実施形態と同様の効果を得ると共に、第１実施形態に比べて無機絶縁層の層数が少ないため、無機絶縁層の成膜工程および無機絶縁層のプラズマエッチング工程を削減することができるため、工程数を少なくすることで低コスト化の効果が得られる。
【実施例１】
【０１０７】
以下、本発明を図２２に示す実施例１に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。図２２は、本発明の実施例１に係る多層配線構造体の断面図である。実施例１では、第１実施形態の多層配線構造体に対して、さらに２層の配線層を追加して、８層の配線構造体を作製した例について説明する。
【０１０８】
まず、基板１００として、厚さ４００μｍのシリコン基板を用意した。次に、基板１００上に絶縁性の中間層１０１として、スピンコート法によって１０μｍのポリイミドを形成した。ポリイミドのヤング率は３乃至３．５ＧＰａであり、シリコン基板のヤング率は約１８５ＧＰａである。つまり、中間層１０１は基板１００よりもヤング率が低い。換言すると、中間層１０１は基板１００よりも柔らかい。また、ポリイミドは後述する配線層に使用するＣｕに対するバリア性を有している。つまり、ポリイミドはシリコン基板に比べてＣｕの拡散速度が遅い。
【０１０９】
中間層１０１上には、第１配線層１１０が形成される。第１配線層１１０は、第１導電層１１１として厚さ５０ｎｍのＴｉと、第２導電層１１２として厚さ４μｍのＣｕと、の積層で形成する。ここで、第１導電層１１１のＴｉは第２導電層１１２のＣｕに対するバリア性を有している。また、第１配線層１１０の配線パターンは線幅は１０乃至１００μｍで形成することができる。
【０１１０】
図２２に示す実施例１では、第２乃至第７配線層（１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０）も第１配線層１１０と同様の積層構造及びパターン線幅で形成される。つまり、第３、５、７、９、１１、１３導電層（１２１、１３１、１４１、１５１、１６１、１７１）は第１導電層１１１と同じＴｉで形成され、第４、６、８、１０、１２、１４導電層（１２２、１３２、１４２、１５２、１６２、１７２）は第２導電層１１２と同じＣｕで形成される。
【０１１１】
中間層１０１上に第１配線層１１０が形成されると、これらを覆って第１層間膜１１９が形成される。第１層間膜１１９は、第１無機絶縁層１１３として厚さ１０ｎｍのＳｉＮ膜と、第２無機絶縁層１１４として厚さ２μｍのＳｉＯ2膜と、第１有機絶縁層１１５として厚さ１２μｍのポリイミドと、の積層で形成する。ここで、第１無機絶縁層１１３のＳｉＮ膜および第２無機絶縁層１１４のＳｉＯ2膜はプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。また、第１有機絶縁層１１５のポリイミドは、第１配線層１１０によって形成された段差を緩和または平坦化する。つまり、第１配線層１１０上の第１有機絶縁層１１５のポリイミド膜厚１１５ｂは、第１配線層１１０が存在しない、中間層１０１上の第１有機絶縁層１１５のポリイミド膜厚１１５ａに比べると薄く形成されることになる。図２２に示す実施例１では、膜厚１１５ａは１２μｍであり、膜厚１１５ｂはおおよそ第１配線層１１０の膜厚の分だけ薄い８μｍであった。
【０１１２】
続いて、第１層間膜１１９に開口部１８１を形成する。開口部１８１は直径が１５μｍである。開口部１８１は、まず、第１有機絶縁層１１５として感光性ポリイミドを塗布し、フォトマスクを用いて露光をした後に現像を行い、開口部１８１を設ける位置に、下層の第２無機絶縁層１１４を露出する凹部を形成する。第１有機絶縁層１１５の感光性ポリイミドをマスクとして、凹部において露出された第２無機絶縁層１１４およびその下層の第１無機絶縁層１１３をプラズマエッチングすることで形成した。第２無機絶縁層１１４のＳｉＯ2膜のエッチングには、ＣＦ4（流量２０ｓｃｃｍ）とＨ2（流量５ｓｃｃｍ）との混合ガスを用いた。また、第１無機絶縁層１１３のＳｉＮ膜のエッチングには、ＣＦ4（流量２０ｓｃｃｍ）とＯ2（流量２ｓｃｃｍ）との混合ガスを用いた。
【０１１３】
続いて、第１層間膜１１９上および開口部１８１内部に第２配線層１２０および第１ビア１９１が同一の工程で形成される。第２配線層１２０および第１ビア１９１は、第１配線層１１０と同様に、第３導電層１２１として厚さ５０ｎｍのＴｉと、第４導電層１２２として厚さ４μｍのＣｕと、の積層で形成する。ここで、第３導電層１２１のＴｉは第４導電層１２２のＣｕに対するバリア性を有している。開口部１８１内部は、第３導電層１２１のＴｉで覆われており、第４導電層１２２のＣｕと第１層間膜１１９の開口部１８１内部とを隔離するように形成されている。
【０１１４】
第１ビア１９１の直径１９１ａは開口部１８１の直径と同じ１５μｍであり、第１ビア１９１の上部に位置するランドの直径１９１ｂは３０μｍである。また、隣接するビアの中心間の距離を示すビアピッチは、最もピッチが小さいところで４０μｍである。
【０１１５】
上記のようにして、第１配線層、第１層間膜、第１ビアを形成する。これらと同様に第２乃至第７の配線層、層間膜、および第２乃至第６のビアが形成される。そして、第７層間膜１７９上および第７層間膜１７９に設けられた開口部１８７内部に、最上層の第８配線層３８０および第７ビア１９７が同一の工程で形成される。第８配線層３８０は、第１５導電層３８１として厚さ３μｍのＣｕと、第１６導電層３８２として厚さ１μｍのＮｉと、第１７導電層３８３として厚さ１μｍのＡｕと、の積層で形成される。
【０１１６】
以上のように、実施例１によれば、基板と多層配線構造との間に、基板と多層配線構造とを隔離し、上記の特徴を有する絶縁性の中間層を設けることで、熱処理工程によって配線層およびビアが重畳した領域で発生する立体方向の応力を緩和することができる。また、中間層を設けることで、熱処理工程によって基板全面で発生する平面方向の応力も緩和することができる。その結果、ビアや無機絶縁層へのクラック発生や、ビアと配線の剥離などの問題を抑制することができる。また、基板と多層配線構造との間に上記の特徴を有する絶縁性の中間層を設けることで、熱処理工程によってＣｕが基板まで拡散することを抑制することができる。その結果、第１配線層と基板がショートする問題を抑制することができる。つまり、上記の問題が抑制されたスタックビア構造の多層配線構造体を得ることができる。
【０１１７】
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【０１１８】
１００：基板
１０１：中間層
１１０：第１配線層
１１１：第１導電層
１１２：第２導電層
１１３：第１無機絶縁層
１１４：第２無機絶縁層
１１５：第１有機絶縁層
１１９：第１層間膜
１２０、１２６、１２７：第２配線層
１２１：第３導電層
１２２：第４導電層
１２３：第３無機絶縁層
１２４：第４無機絶縁層
１２５：第２有機絶縁層
１２９：第２層間膜
１３０：第３配線層
１３１：第５導電層
１３２：第６導電層
１３３：第５無機絶縁層
１３４：第６無機絶縁層
１３５：第３有機絶縁層
１３９：第３層間膜
１４０：第４配線層
１４１：第７導電層
１４２：第８導電層
１４３：第７無機絶縁層
１４４：第８無機絶縁層
１４５：第４有機絶縁層
１４９：第４層間膜
１５０：第５配線層
１５１：第９導電層
１５２：第１０導電層
１５３：第９無機絶縁層
１５４：第１０無機絶縁層
１５５：第５有機絶縁層
１５９：第５層間膜
１６０：第６配線層
１６１：第１１導電層
１６２：第１２導電層
１６３：第１３導電層
１８１、１８２、１８５：開口部
１９１：第１ビア
１９２：第２ビア
１９３：第３ビア
１９４：第４ビア
２１１：第１導電材料
２１２：下部第２導電材料
２１３：上部第２導電材料
２２１：第３導電材料
２２２：下部第４導電材料
２２３：上部第４導電材料
２８１、２８２：凹部
３０１：アンダーカット
３０２：段差
３１０、３２０：配線形成用レジストパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年7月12日(2018.7.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１配線層、第２配線層、第３配線層、第４配線層および第５配線層が前記基板側から順に積層された多層配線構造を有し、
前記多層配線構造は、前記第１配線層と前記第２配線層とを接続する第１ビアと、前記第２配線層と前記第３配線層とを接続する第２ビアと、前記第３配線層と前記第４配線層とを接続する第３ビアと、前記第４配線層と前記第５配線層とを接続する第４ビアと、無機絶縁層と、を含み、
前記多層配線構造と前記基板とを隔離し、前記基板上に直接配置され、前記基板よりもヤング率が低い絶縁性の中間層を含み、
前記第１ビアと、前記第２ビアと、前記第３ビアと、前記第４ビアのうち、隣接する少なくとも二つのビアは、平面視において互いに少なくとも一部が重畳し、
前記第１配線層、前記第２配線層、第３配線層、第４配線層および第５配線層の少なくともいずれか一層は前記無機絶縁層で覆われる多層配線構造体。
【請求項２】
基板上に、第１配線層、第２配線層、第３配線層、第４配線層および第５配線層が前記基板側から順に積層された多層配線構造を有し、
前記多層配線構造は、前記第１配線層と前記第２配線層とを接続する第１ビアと、前記第２配線層と前記第３配線層とを接続する第２ビアと、前記第３配線層と前記第４配線層とを接続する第３ビアと、前記第４配線層と前記第５配線層とを接続する第４ビアと、無機絶縁層と、を含み、
前記多層配線構造と前記基板とを隔離し、前記基板上に直接配置され、前記基板よりも熱膨張率が高い絶縁性の中間層を含み、
前記第１ビアと、前記第２ビアと、前記第３ビアと、前記第４ビアのうち、隣接する少なくとも二つのビアは、平面視において互いに少なくとも一部が重畳し、
前記第１配線層、前記第２配線層、第３配線層、第４配線層および第５配線層の少なくともいずれか一層は前記無機絶縁層で覆われる多層配線構造体。
【請求項３】
前記第１ビアの径と、前記第２ビアの径と、前記第３ビアの径と、前記第４ビアの径とのうち、少なくとも何れか二つのビアの径は異なる請求項１または請求項２に記載の多層配線構造体。
【請求項４】
前記第１配線層と前記第２配線層との間には、第１有機絶縁層が設けられ、
前記第２配線層と前記第３配線層との間には、第２有機絶縁層が設けられ、
前記第３配線層と前記第４配線層との間には、第３有機絶縁層が設けられ、
前記第４配線層と前記第５配線層との間には、第４有機絶縁層が設けられ、
前期無機絶縁層は前記第１配線層と前記第１有機絶縁層との間、前記第２配線層と前記第２有機絶縁層との間、前記第３配線層と前記第３有機絶縁層との間、前記第４配線層と前記第４有機絶縁層との間の、少なくとも何れか一つの間に設けられる請求項１または請求項２に記載の多層配線構造体。
【請求項５】
基板上に、第１配線層、第２配線層、第３配線層、および第４配線層が前記基板側から順に積層された多層配線構造を有し、
前記多層配線構造は、前記第１配線層と前記第２配線層とを接続する第１ビアと、前記第２配線層と前記第３配線層とを接続する第２ビアと、前記第３配線層と前記第４配線層とを接続する第３ビアと、無機絶縁層と、を含み、
前記多層配線構造と前記基板とを隔離し、前記基板上に直接配置され、前記基板よりもヤング率が低い絶縁性の中間層を含み、
前記第１ビアと、前記第２ビアと、前記第３ビアのうち、隣接する少なくとも二つのビアは、平面視において互いに少なくとも一部が重畳し、
前記第１配線層、前記第２配線層、第３配線層、第４配線層の少なくともいずれか一層は前記無機絶縁層で覆われる多層配線構造体。
【請求項６】
基板上に、第１配線層、第２配線層、第３配線層、および第４配線層が前記基板側から順に積層された多層配線構造を有し、
前記多層配線構造は、前記第１配線層と前記第２配線層とを接続する第１ビアと、前記第２配線層と前記第３配線層とを接続する第２ビアと、前記第３配線層と前記第４配線層とを接続する第３ビアと、無機絶縁層と、を含み、
前記多層配線構造と前記基板とを隔離し、前記基板上に直接配置され、前記基板よりも熱膨張率が高い絶縁性の中間層を含み、
前記第１ビアと、前記第２ビアと、前記第３ビアのうち、隣接する少なくとも二つのビアは、平面視において互いに少なくとも一部が重畳し、
前記第１配線層、前記第２配線層、第３配線層、第４配線層の少なくともいずれか一層は前記無機絶縁層で覆われる多層配線構造体。
【請求項７】
前記第１ビアの径と、前記第２ビアの径と、前記第３ビアの径とのうち、少なくとも何れか二つのビアの径は異なる請求項５または請求項６に記載の多層配線構造体。
【請求項８】
前記第１配線層と前記第２配線層との間には、第１有機絶縁層が設けられ、
前記第２配線層と前記第３配線層との間には、第２有機絶縁層が設けられ、
前記第３配線層と前記第４配線層との間には、第３有機絶縁層が設けられ、
前期無機絶縁層は前記第１配線層と前記第１有機絶縁層との間、前記第２配線層と前記第２有機絶縁層との間、前記第３配線層と前記第３有機絶縁層との間の、少なくとも何れか一つの間に設けられる請求項５または請求項６に記載の多層配線構造体。
【請求項９】
前記中間層は、ポリイミドを材料として設けられる請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の多層配線構造体。
【請求項１０】
前記第１配線層は前記中間層に接する請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の多層配線構造体。