(57)【要約】【課題】半導体装置について、信頼性が高く、機械的強度の高い層間膜を有するようにする。【解決手段】樹脂膜１０５表面全体を第１無機膜１０２及び第２無機膜１０４により連続的に被覆し、第１配線層１０３と第２配線層１０７の間の配線層間膜を構成する。このように、配線層間膜を構成することで、基板１０１及び第１配線層１０３、第２配線層１０７は直接に樹脂膜１０５とは接触せず、第１無機膜１０２及び第２無機膜１０４、第３無機膜１０６のいずれかを介して樹脂膜１０５と隣接するため、これら無機膜が樹脂膜１０５中に含まれる水分の進行の障壁となり、この水分による第１配線層１０３や第２配線層１０７、基板１０１の腐食を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が形成された基板と、前記基板の上の一部に形成された配線層と、前記基板の上に形成され、かつ前記配線層に隣接する絶縁膜とを有し、
前記絶縁膜は、樹脂膜と無機膜とを有し、
前記無機膜は、前記樹脂膜と前記配線層とを離間するように設けられた
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記配線層の上に設けられ、かつ前記絶縁膜に接する電極層を備え、前記無機膜は前記樹脂膜と前記電極層とを離間するように設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記無機膜が前記樹脂膜の表面を連続的に被覆することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記無機膜の厚みが５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記絶縁膜を構成する前記樹脂膜の厚みに対し、前記樹脂膜を被覆する前記無機膜の厚みが１／３０以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁膜は、前記配線層の上に形成され、前記配線層の上の前記無機膜において開口部を備え、かつ前記基板の上の前記配線層より離れた位置に前記樹脂膜が形成されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁膜は、前記配線層の上に形成され、前記配線層の上の前記無機膜において開口部を備え、かつ前記開口部の中心は、前記配線層の側面より前記配線層の厚み以上の位置に設けられたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記配線層は第１の配線層と第２の配線層とを含み、
前記樹脂膜は、開口部を有し、
前記第１の配線層は、前記基板上の一部に形成され、
前記無機膜は前記第１の配線層の上に形成され、
前記第２の配線層は、前記開口部における前記無機膜の上に形成され、かつ前記第１の配線層、前記無機膜および前記第２の配線層とで容量素子を形成することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記樹脂膜の開口部の側面は、前記第１の配線層より外側に配置されることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記樹脂膜の開口部の側面は、前記第１の配線層の上であって、前記第１の配線層の側面より前記第１の配線層の厚み以上の長さで内側に配置されることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１１】
半導体素子が形成された基板上に第１の無機膜を形成する工程と、
前記基板上の所定の領域に第１の配線層を形成する工程と、
前記基板上に第２の無機膜を形成する工程と、
前記基板上に第１の樹脂膜を形成する工程と、
前記第１の配線層の上の所定の領域の前記第１の樹脂膜を開口する工程と、
前記第１の配線層上以外の所定の領域の前記第１の樹脂膜を開口する工程と、
前記基板上に第３の無機膜を形成する工程と、
前記第１の樹脂膜の開口部より内側の領域の前記第２の無機膜及び前記第３の無機膜を除去する工程と、
前記第１の樹脂膜の開口部以外の所定の領域の第３の無機膜を除去する工程と、
前記第１の配線層と電気的に接続する第２の配線層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
半導体素子が形成された基板上に第１の無機膜を形成する工程と、
前記基板上の所定の領域に第１の配線層を形成する工程と、
前記基板上の第２の無機膜を形成する工程と、
前記基板上の第１の樹脂膜を形成する工程と、
前記第１の配線層の上の所定の領域の前記第１の樹脂膜を開口する工程と、
前記第１の配線層上以外の所定の領域の前記第１の樹脂膜を開口する工程と、
前記基板上の第３の無機膜を形成する工程と、
前記第１の樹脂膜の開口部より内側の領域の前記第２の無機膜及び前記第３の無機膜を除去する工程と、
前記第１の配線層と電気的に接続する第２の配線層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１の配線層と、前記第１の配線層の上側に形成された第２の配線層を電気的に接続するための、前記第１の配線層と前記第２の配線層との間に形成された層間膜の開口部において、前記層間膜を構成する前記樹脂膜の開口部の前記基板と平行な方向の長さが、前記樹脂膜の最も大きい部分の厚みよりも大きくなるよう前記樹脂膜を開口することを特徴とする請求項１１または１２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第１の無機膜と、前記第２の無機膜とを、同じ材質で形成することを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層配線構造を有する半導体装置及びその製造方法に関する。特に、樹脂膜を配線層間膜として用いる多層配線構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の高集積化のひとつとして、配線層間膜にＳｉＯ2など一般的な無機膜より比誘電率の低い樹脂膜を用いて配線間の寄生容量を低減し、かつ樹脂膜の塗布形成による平坦化で配線積層数を増加する技術が挙げられる。つまり、比誘電率が約３．９であるＳｉＯ2や、約７．５であるＳｉ3Ｎ4に代えて、比誘電率が約２．５〜３．０の低誘電率の樹脂膜が利用される。また、このような樹脂膜は、有機溶媒に樹脂前駆体を含有した溶剤をスピンコート法で基板に塗布し、熱処理などにより前駆体を硬化反応させ形成する。液体状で塗布するため、下地基板の凹凸を緩和し平坦化することができる。
【０００３】
ところが、配線層間膜に樹脂膜を用いた多層配線構造では、配線と樹脂膜が接触する界面において、樹脂膜中が膜中に含有する水分により、配線が腐食され信頼性が劣化する問題や、この腐食に起因する配線と樹脂膜の剥離による構造破壊が発生する問題があり、特許文献１の多層配線構造が提案されている。
【０００４】
ここで、特許文献１に記載の多層配線構造について図１０を用いて説明する。
【０００５】
図１０に示すように、半導体素子が形成された基板５０１上に、絶縁膜５０２を介して形成された第１のアルミニウム配線５０３上の所定の領域を除き、ポリイミド樹脂膜５０４およびＳｉＮ膜５０５が形成される。さらに、第２のアルミニウム配線５０６が形成され、パッシベーション膜としてリンガラス膜５０７が形成され、多層配線構造が完成する。
【０００６】
特許文献１に記載の多層配線構造では、ポリイミド樹脂膜５０４の基板５０１と反対側の表面をＳｉＮ膜５０５で被覆しているため、ポリイミド樹脂膜５０４が大気中の水分を吸収するのを抑制することができる。よって、第１のアルミニウム配線５０３の腐食を抑制でき、腐食に起因する多層配線構造の信頼性劣化や構造破壊を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１−１５０３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図１０に示す特許文献１に記載の多層配線構造では、多層配線構造完成後に、ポリイミド樹脂膜５０４が大気中の水分を吸収することを抑制することはできるが、ポリイミド樹脂膜５０４形成直後からＳｉＮ膜５０５を形成するまでの間にポリイミド樹脂膜５０４が大気中の水分を吸収することを抑制することができない。従って、ポリイミド樹脂膜５０４中の水分による第１のアルミニウム配線５０３の腐食を低減するに留まり、信頼性劣化及び構造破壊の問題を解決したことにはならない。
【０００９】
また、一般に金属膜と樹脂膜の密着性は弱く、第１のアルミニウム配線５０３とポリイミド樹脂膜５０４が接触する特許文献１記載の多層配線構造では、樹脂膜中の水分による配線腐食の有無に係らず、各々の膜応力集中などの要因で第１のアルミニウム配線５０３とポリイミド樹脂膜５０４の剥離が発生する問題が生じる。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決し、信頼性及び機械的強度に優れた多層配線構造を有する半導体装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、半導体素子が形成された基板と、前記基板上の一部に形成された配線層と、前記基板の上に形成され、かつ前記配線層に隣接する絶縁膜とを有し、前記絶縁膜は、樹脂膜と無機膜とを有し、前記無機膜は、前記樹脂膜と前記配線層とを離間するように設けられたものである。
【００１２】
この構成により、層間膜を構成する樹脂膜と配線層を直接接触させず、無機膜を介して隣接させる構造とすることで、樹脂膜が膜中に水分を含有していても配線を腐食させることはなく、信頼性の良好な多層配線構造を有する半導体装置が得られる。また、密着性の弱い配線金属と樹脂膜が直接接触しない構造であるので、機械的強度の優れた多層配線構造を有する半導体装置が得られる。
【００１３】
また、本発明の半導体装置は、さらに前記配線層の上に設けられ、かつ前記絶縁膜に接する電極層を備え、前記無機膜は前記樹脂膜と前記電極層とを離間するように設けられたことが好ましい。
【００１４】
この好ましい構成によれば、本発明の多層配線構造でワイヤボンディングを行う電極を形成すると、樹脂膜の上に直接電極を形成する場合に比べ、樹脂膜の上に弾性率の大きい無機膜を介して電極が形成されるため、ワイヤボンディング時の超音波が吸収されるのを防止することができ、ワイヤ形成技術の安定性を向上することができる。
【００１５】
本発明の半導体装置は、さらに前記無機膜が前記樹脂膜の表面を連続的に被覆することが好ましい。
【００１６】
この好ましい構成によれば、強度の低い樹脂膜の表面全体を強度の高い無機膜で覆うことができ、低誘電率でありながら全体として強度の高い配線層間膜を実現することができる。
【００１７】
また、本発明の半導体装置は、さらに前記無機膜の厚みが５０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１８】
この好ましい構成によれば、樹脂膜と配線の間に形成する無機膜の厚みを５０ｎｍ以上にすることで、樹脂膜中に含有される水分が拡散し配線に到達するのをより抑制でき、配線の腐食を防止できる。
【００１９】
本発明の半導体装置は、さらに前記層間膜を構成する前記樹脂膜の厚みに対し、前記樹脂膜を被覆する前記無機膜の厚みが１／３０以上であることが好ましい。
【００２０】
この好ましい構成によれば、樹脂膜を形成した後熱処理を行うと樹脂膜は無機膜に比べて大きく膨張するが、このような厚みで無機膜を形成し強度を増加することで、樹脂膜の膨張に起因する応力増大による無機膜の破壊を抑制することができる。
【００２１】
本発明の半導体装置は、さらに前記絶縁膜は、前記配線層の上に形成され、前記配線層の上の前記無機膜において開口部を備え、かつ前記基板上の前記配線層より離れた位置に前記樹脂膜が形成されたことが好ましい。
【００２２】
この好ましい構成によれば、第１の配線層の熱処理などによる応力変化の影響を回避することができ、応力集中部における無機膜のクラックを抑制することができる。
【００２３】
本発明の半導体装置は、さらに前記絶縁膜は、前記配線層の上に形成され、前記配線層の上の前記無機膜において開口部を備え、かつ前記開口部の中心は、前記第１の配線層の側面より前記第１の配線層の厚み以上の位置に設けられたことが好ましい。
【００２４】
この好ましい構成によれば、第１の配線層の熱処理などによる応力変化の影響を回避することができ、応力集中部における無機膜のクラックを抑制することができる。
【００２５】
本発明の半導体装置は、さらに前記配線層は第１の配線層と第２の配線層とを含み、前記樹脂膜は、開口部を有し、前記第１の配線層は、前記基板上の一部に形成され、前記無機膜は前記第１の配線層の上に形成され、前記第２の配線層は、前記開口部における前記無機膜の上に形成され、かつ前記第１の配線層、前記無機膜および前記第２の配線層とで容量素子を形成することが好ましい。
【００２６】
本発明の半導体装置は、さらに前記樹脂膜の開口部の側面は、前記第１の配線層より外側に配置されることが好ましい。この好ましい構成によれば、無機膜のクラック発生を抑制できる。
【００２７】
本発明の半導体装置は、さらに前記第１の配線層の側面より前記第１の配線層の厚み以上の長さで内側に配置されることが好ましい。この好ましい構成によれば、無機膜のクラック発生を抑制できる。
【００２８】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成された基板上に、第１の無機膜を形成する工程と、前記基板上の所定の領域に第１の配線層を形成する工程と、前記基板上に第２の無機膜を形成する工程と、前記基板上に第１の樹脂膜を形成する工程と、前記第１の配線層の上の所定の領域の前記第１の樹脂膜を開口する工程と、前記第１の配線層上以外の所定の領域の前記第１の樹脂膜を開口する工程と、前記基板上に第３の無機膜を形成する工程と、前記第１の樹脂膜の開口部より内側の領域の前記第２の無機膜及び前記第３の無機膜を除去する工程と、前記第１の樹脂膜の開口部以外の所定の領域の第３の無機膜を除去する工程と、前記第１の配線層と電気的に接続する第２の配線層を形成する工程と、を含む。
【００２９】
このような製造方法により、半導体層と樹脂膜、もしくは配線層と樹脂膜の間に、樹脂膜中水分の拡散を抑制する無機膜を形成することができる。従って、半導体層や配線層の腐食を抑制でき、信頼性の高い多層配線構造の半導体装置を形成することができる。
【００３０】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成された基板上に、第１の無機膜を形成する工程と、前記基板上の所定の領域に第１の配線層を形成する工程と、前記基板上に第２の無機膜を形成する工程と、前記基板上に第１の樹脂膜を形成する工程と、前記第１の配線層の上の所定の領域の前記第１の樹脂膜を開口する工程と、前記第１の配線層上以外の所定の領域の前記第１の樹脂膜を開口する工程と、前記基板上に第３の無機膜を形成する工程と、前記第１の樹脂膜の開口部より内側の領域の前記第２の無機膜及び前記第３の無機膜を除去する工程と、前記第１の配線層と電気的に接続する第２の配線層を形成する工程と、を含む。
【００３１】
このような製造方法により、強度の低い樹脂膜表面の全面を強度の高い無機膜で被覆するので、全体として機械的強度に優れた低誘電率の層間膜を形成することができる。
【００３２】
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記複数の配線層のうち第１の配線層と、前記第１の配線層の上側に形成された第２の配線層を電気的に接続するための、前記第１の配線層と前記第２の配線層との間に形成された前記層間膜の開口部において、前記層間膜を構成する前記樹脂膜の開口部の前記基板と平行な方向の長さが、前記樹脂膜の最も大きい部分の厚みよりも大きくなるよう前記樹脂膜を開口することが好ましい。
【００３３】
この好ましい製造方法によれば、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法などにより無機膜を形成する際に、原料ガスが開口底部に侵入しやすくなり、カバレッジのよい無機膜を形成することができる。
【００３４】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、さらに前記第１の無機膜と、前記第２の無機膜とを、同じ材質で形成することが好ましい。
【００３５】
この好ましい製造方法によれば、樹脂膜を被覆する無機膜は第１の無機膜と第２の無機膜により構成される。この時、第１の無機膜と第２の無機膜が接合する箇所において、同一材質を用いることで接合強度が上がり、樹脂膜と無機膜から成る層間膜の強度が向上する。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、信頼性の良好な多層配線構造を有する半導体装置が得られる。また、機械的強度の優れた多層配線構造を有する半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１を示す多層配線構造を有する半導体装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態１の配線コンタクト部の構造を説明する断面図
【図３】本発明の実施の形態１の配線コンタクト部の構造を説明する断面図
【図４】本発明の実施の形態１の配線コンタクト部の構造を説明する断面図
【図５】本発明の実施の形態２を示す多層配線構造を有する半導体装置の断面図
【図６】本発明の実施の形態２の配線コンタクト部の構造を説明する断面図
【図７】本発明の実施の形態２の配線コンタクト部の構造を説明する断面図
【図８ａ】本発明の実施の形態３の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
【図８ｂ】本発明の実施の形態３の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
【図８ｃ】本発明の実施の形態３の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
【図８ｄ】本発明の実施の形態３の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
【図９ａ】本発明の実施の形態４の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
【図９ｂ】本発明の実施の形態４の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
【図９ｃ】本発明の実施の形態４の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
【図９ｄ】本発明の実施の形態４の多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
【図１０】従来の多層配線構造を有する半導体装置の断面図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
次に、２層の配線構造の半導体装置を用いて、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下の実施の形態は本発明を限定するものではなく、本発明の理解を容易にするために、単に本発明の実施の形態を例示するものである。また、本発明は実施の形態に示す２層の配線構造に限らず、すべての多層配線構造を有する半導体装置に適用可能である。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１における、第１配線層１０３と第２配線層１０７より成る２層の配線構造を有する半導体装置の断面図である。なお、本発明において、多層配線構造を有する半導体装置の説明で、半導体装置の上方、下方、ないし上側とか下側とは、例えば図１を基準にとると、基板１０１側を下方ないし下側とし、電極パッド１０８の存在する側を上方ないし上側と言う基準で呼んでいる。他の図面においても同様であり、各図に向かって図の上方が、多層配線構造を有する半導体装置の説明において上方ないし上側であり、図の下方を下方ないし下側と呼んでいる。
【００４０】
図１に示すように、半導体素子を形成したＧａＡｓ基板１０１（厚さ４００〜７００μｍ）上に、ＳｉＮ膜から成る第１無機膜１０２（厚さ５０〜５００ｎｍ）を介して、Ａｕから成る第１配線層１０３（厚さ２〜６μｍ）が形成されている。また、第１無機膜１０２および第１配線層１０３上に、ＳｉＮ膜から成る第２無機膜１０４（厚さ５０〜５００ｎｍ）、ポリイミドから成る樹脂膜１０５（厚さ３〜７μｍ）、ＳｉＮ膜から成る第３無機膜１０６（厚さ５０〜５００ｎｍ）が順次形成されている。第１配線層１０３と第２配線層１０７を電気的に接続するコンタクト部１１０及び１１１においては、樹脂膜１０５及び第１無機膜１０２、第２無機膜１０４が除去され、さらに、第１配線層１０３および第３無機膜１０６上にＡｕから成る第２配線層１０７（厚さ３〜７μｍ）と、第２配線層１０７の一部で構成される電極パッド１０８、ＳｉＮ膜から成る保護膜１０９（厚さ５００〜８００ｎｍ）が形成されている。電極パッド１０８上の保護膜１０９が除去され、外部端子と電気的に接合するための電極窓を開口している。
【００４１】
ここで、本実施の形態１のように、樹脂膜１０５表面全体を第１無機膜１０２及び第２無機膜１０４により連続的に被覆し、第１配線層１０３と第２配線層１０７の間の配線層間膜を構成することが望ましい。このように、配線層間膜を構成することで、基板１０１及び第１配線層１０３、第２配線層１０７は直接に樹脂膜１０５とは接触せず、第１無機膜１０２及び第２無機膜１０４、第３無機膜１０６のいずれかを介して樹脂膜１０５と隣接する。これにより、これら無機膜が樹脂膜１０５中に含まれる水分の進行の障壁となり、この水分による第１配線層１０３や第２配線層１０７、基板１０１の腐食を防止する。
【００４２】
なお、樹脂膜１０５を被覆する無機膜の厚みは５０ｎｍ以上であることが望ましい。５０ｎｍ以上の厚みがあれば、３５０℃雰囲気で熱処理を行ったとしても水分が無機膜を透過して拡散していかないので好ましい。
【００４３】
また、樹脂膜１０５を被覆する無機膜は、樹脂膜１０５の厚みに対し、１／３０以上の
厚みであることが望ましい。このように強度の高い無機膜を厚く形成することで、層間膜としての強度が向上するので好ましい。
【００４４】
また、本実施の形態１のように、第１配線層１０３と第２配線層１０７を電気的に接続するコンタクト部１１０において、開口した樹脂膜１０５の側面が、基板１０１と平行な方向において、樹脂膜１０５の側面に対向して配置される第１配線層１０３の側面よりも外側に配置されているのが望ましい。ここで、開口部の樹脂膜の側面に形成された第３無機膜１０６と、開口底部に形成された第３無機膜１０６が接合する箇所は応力が集中しやすく、特に接合箇所である応力集中部１１３に基板１０１と水平な方向のせん断応力がかかると、この応力集中箇所の第３無機膜１０６にクラックが発生しやすい。また、樹脂膜１０５の側面に対し平行な方向の第３無機膜１０６の厚みより、樹脂膜１０５の側面に対し法線方向の第３無機膜１０６の厚みの方が小さいため、第３無機膜１０６は樹脂膜１０５の側面に対し法線方向の残留応力によりクラックを発生しやすい。例えば、図２に示すように、樹脂膜１０５の側面が第１配線層１０３上に配置された場合、金属で構成される第１配線層１０３は、後工程でかかる熱により結晶粒径が増大するため、不可逆の大きな膜応力変化を起こし、第３無機膜１０６に対し基板１０１と水平な方向、つまり、せん断方向の残留応力を与える。さらに、第１配線層１０３の側面近傍では、該側面より外側では金属膜が存在しないために、第１配線層１０３の側面近傍では基板１０１と水平方向の応力変化に偏りが生じ残留応力が特に大きくなる。ここで第１配線層１０３の側面と樹脂膜１０５の側面の距離すなわち第１配線層の側面と樹脂膜側面の基板と平行な方向の距離１１２が配線層の厚み以上の長さとなると応力変化が均一化され、第１配線層１０３の側面近傍と比較し樹脂膜１０５の側面に対し法線方向の残留応力は小さくなる。一方、図３に示すように、樹脂膜１０５の側面を第１配線層１０３より外側に配置すると、樹脂膜１０５側面に形成された第３無機膜１０６が、第１配線層１０３から離れて配置されるので、第１配線層１０３の熱などによる樹脂膜１０５の側面に対し法線方向の応力変化の影響を回避することができ、応力集中部１１３における第３無機膜１０６のクラック発生を抑制することができるので好ましい。
【００４５】
なお、もう一方の第１配線層１０３と第２配線層１０７を電気的に接続するコンタクト部１１１においては、一方の樹脂膜１０５の側面が、第１配線層１０３上に配置しているが、図４に示すように、第１配線層１０３の側面と樹脂膜１０５の側面の距離すなわち第１配線層の側面と樹脂膜側面の基板と平行な方向の距離１１４が第１配線層１０３の厚み以上の長さとなっているため、樹脂膜１０５の側面に対し法線方向に大きなせん断応力は発生せず、第３無機膜１０６にクラックは発生しない。
【００４６】
なお、電解メッキ法、もしくは無電解メッキ法により形成された金属膜は、特に後工程の熱による応力変化が大きい。よって、第１配線層１０３が電解メッキ法、もしくは無電解メッキ法で形成された金属膜である場合に特に効果がある。
【００４７】
また、第１配線層１０３の厚みが大きいほど、第３無機膜１０６に発生するせん断応力が大きくなる。第１配線層１０３の厚みが２μｍ以上で顕著であり、第１配線層１０３の厚みが２μｍ以上の場合に特に効果がある。
【００４８】
また、本実施の形態１では、第２配線層１０７を用いて、外部端子と電気的に接合するための電極パッド１０８を形成しているので望ましい。一般に樹脂膜など弾性率が小さい材質上に電極パッドを形成すると、ワイヤボンド時にかける超音波を樹脂膜が吸収してしまうので、ワイヤボンドの安定性が劣化する。本実施の形態１では、樹脂膜１０５上に、弾性率の大きい第３無機膜１０６を介して電極パッド１０８を形成するため、低誘電率の層間膜を実現しつつも、ワイヤボンド形成の安定性を向上できるので好ましい。
【００４９】
なお、第１無機膜１０２、第２無機膜１０４、第３無機膜１０６は、ＳｉＮから成る無機膜に限られず、ポリイミドよりなる樹脂膜１０５の膜中水分の進行を防止する目的で、水分の透過性が低いといった性質を有する材料を用いればよく、具体例としては、ＳｉＮ膜のほかにＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3といった無機膜など適宜、水分拡散防止膜として役割を達成できるものが挙げられる。
【００５０】
また、本実施の形態１で用いた第１無機膜１０２および第２無機膜１０４、第３無機膜１０６はそれぞれ単層であるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて複数の層から構成されてもよい。
【００５１】
なお、樹脂膜１０５はポリイミド樹脂に限られず、低誘電率の配線層間膜を構成する目的で、比誘電率が例えば約２．５〜３．０の樹脂材料を用いればよく、具体例としては、ポリイミド樹脂のほかにベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）樹脂といった樹脂膜を適宜選定すればよい。
【００５２】
（実施の形態２）
図５は本実施の形態２における、第１配線層２０３と第２配線層２０７より成る２層の配線構造を有する半導体装置の断面図であり、さらに第１配線層２０３と第２配線層２０７より、金属−誘電体−金属の構成による容量素子を形成している。多層配線構造の層構成は実施の形態１と共通のため、主に容量素子部について説明する。
【００５３】
図５に示すように、半導体素子を形成したＧａＡｓ基板２０１（厚さ４００〜７００μｍ）上に、ＳｉＮから成る第１無機膜２０２（厚さ５０〜５００ｎｍ）を介して、Ａｕから成る第１配線層２０３（厚さ２〜６μｍ）が形成されている。また、第１無機膜２０２および第１配線層２０３上に、ＳｉＮから成る第２無機膜２０４（厚さ５０〜５００ｎｍ）、ポリイミドから成る樹脂膜２０５（厚さ３〜７μｍ）、ＳｉＮから成る第３無機膜２０６（厚さ５０〜５００ｎｍ）が順次形成されている。第１配線層２０３と第２配線層２０７を電気的に接続するコンタクト部２１１においては、樹脂膜２０５及び第１無機膜２０２、第２無機膜２０４が除去される。一方、第１配線層２０３と第２配線層２０７により形成される容量部２１０においては、樹脂膜２０５のみ除去される。さらに、第１配線層２０３および第３無機膜２０６上にＡｕから成る第２配線層２０７（厚さ３〜７μｍ）と、第２配線層２０７の一部で構成される電極パッド２０８、ＳｉＮから成る保護膜２０９（厚さ５００〜８００ｎｍ）が形成されている。電極パッド２０８上の保護膜２０９が除去され、外部端子と電気的に接合するための電極窓を開口している。
【００５４】
また、本実施の形態２のように、第１配線層２０３と第２配線層２０７から成る容量部２１０において、開口した樹脂膜２０５の側面が、基板２０１と平行な方向において樹脂膜２０５の側面に対向して配置される第１配線層２０３の側面よりも外側に配置されているのが望ましい。ここで、開口部の樹脂膜の側面に形成された第３無機膜２０６と、開口底部に形成された第３無機膜２０６が接合する箇所は応力が集中しやすく（応力集中部２１３）、特に応力集中部２１３に基板２０１と水平な方向のせん断応力がかかると、この応力集中箇所の第３無機膜２０６にクラックが発生しやすい。また、樹脂膜２０５の側面に対し平行な方向の第３無機膜２０６の厚みより、樹脂膜２０５の側面に対し法線方向の第３無機膜２０６の厚みの方が小さいため、第３無機膜２０６は樹脂膜２０５の側面に対し法線方向の残留応力によりクラックを発生しやすい。例えば、図６に示すように、樹脂膜２０５の側面が第１配線層２０３上に配置された場合、金属で構成される第１配線層２０３は、後工程でかかる熱により結晶粒径が増大するため、不可逆の大きな膜応力変化を起こし、第３無機膜２０６に対し基板２０１と水平な方向、つまり、せん断方向の残留応力を与える。さらに、第１配線層２０３の側面近傍では、該側面より外側では金属膜が存在しないために、第１配線層２０３の側面近傍では基板２０１と水平方向の応力変化に偏りが生じ残留応力が特に大きくなり、第１配線層２０３の側面と樹脂膜２０５の側面の距離すなわち第１配線層の側面と樹脂膜側面の基板と平行な方向の距離２１２が配線層の厚み以上の長さとなると応力変化が均一化され、第１配線層２０３の側面近傍と比較し樹脂膜２０５の側面に対し法線方向の残留応力は小さくなる。一方、図７に示すように、樹脂膜２０５の側面を第１配線層２０３より外側に配置すると、樹脂膜２０５側面に形成された第３無機膜２０６が、第１配線層２０３から離れて配置されるので、第１配線層２０３の熱などによる樹脂膜２０５の側面に対し法線方向の応力変化の影響を回避することができ、応力集中部２１３における第３無機膜２０６のクラック発生を抑制することができるので好ましい。
【００５５】
（実施の形態３）
図８（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態３における多層配線構造を有する半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【００５６】
まず、図８（ａ）に示すように、半導体素子を形成した厚みが４００〜７００μｍのＧａＡｓ基板３０１上に、ＳｉＮから成る厚みが５０〜５００ｎｍの第１無機膜３０２をプラズマＣＶＤ法により形成する。次に、第１無機膜３０２上に、Ａｕから成る厚みが２〜６μｍの第１配線層３０３を電解メッキ法にて形成する。続いて、第１無機膜３０２および第１配線層３０３上に、ＳｉＮから成る厚みが５０〜５００ｎｍの第２無機膜３０４をプラズマＣＶＤ法により形成する。
【００５７】
次に、図８（ｂ）に示すように、スピンコート法にて樹脂膜３０５を第２無機膜３０４上に塗布し、リソグラフィー技術により、第１配線層３０３と後に形成する第２配線層３０７を電気的に接続するコンタクト部３１０およびコンタクト部３１１の樹脂膜３０５を除去する。その後、Ｎ2雰囲気中の熱処理により樹脂膜３０５を硬化させ、３〜７μｍの厚みに仕上げる。続いて、ＳｉＮから成る厚みが５０〜５００ｎｍの第３無機膜３０６を、第２無機膜３０４および樹脂膜３０５上にプラズマＣＶＤ法により形成する。
【００５８】
ここで、本実施の形態３では、コンタクト部３１０および３１１の樹脂膜３０５の基板３０１と平行な方向の開口長さを、樹脂膜３０５の厚みより大きくすることが望ましい。このようにすることで、第３無機膜３０６成膜時のコンタクト部３１０および３１１内部への原料ガスの回りこみが向上し、均一な膜質、膜厚の第３無機膜が形成できるので好ましい。
【００５９】
次に、図８（ｃ）に示すように、リソグラフィー技術およびドライエッチング技術により、第１配線層３０３と第２配線層３０７を電気的に接続するコンタクト部３１０および３１１における、第１配線層３０３上の第２無機膜３０４および第３無機膜３０６を除去する。続いて、Ａｕから成る第２配線層３０７を、第１配線層３０３および第３無機膜３０６上に電解メッキ法にて形成する。また、第２配線層３０７の一部を電極パッド３０８として利用する。
【００６０】
ここで、本実施の形態３の製造方法によれば、基板３０１及び第１配線層３０３、第２配線層３０７は直接に樹脂膜３０５とは接触せず、第１無機膜３０２及び第２無機膜３０４、第３無機膜３０６のいずれかを介して樹脂膜３０５と隣接する多層配線構造を形成できる。これにより、これら無機膜が樹脂膜３０５中に含まれる水分の進行の障壁となり、この水分による第１配線層３０３や第２配線層３０７、基板３０１の腐食を防止でき好ましい。
【００６１】
また、本実施の形態３の製造方法によれば、機械的強度の低い樹脂膜３０５の表面全体を強度の高い無機膜で覆うことができ、低誘電率でありながら全体として機械的強度の高い配線層間膜を実現することができるので望ましい。
【００６２】
次に、図８（ｄ）に示すように、第３無機膜３０６および第２配線層３０７上にＳｉＮから成る厚みが５０〜５００ｎｍの保護膜３０９をプラズマＣＶＤ法にて形成し、フォトグラフィー技術、ドライエッチング技術により電極パッド３０８上の保護膜３０９を除去し、多層配線構造を有する半導体装置を完成させる。
【００６３】
ここで、本実施の形態３では、５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚みの第１無機膜３０２および第２無機膜３０４を成長させたが、第１無機膜３０２および第２無機膜３０４の厚みは、これに限るものではなく、次工程において形成される樹脂膜３０５の膜中水分の拡散を防止するため５０ｎｍ以上であればよく、第１無機膜３０２および第２無機膜３０４の厚みは、これに限られず、適宜選定すればよい。
【００６４】
また、本実施の形態３で用いたＳｉＮから成る第１無機膜３０２および第２無機膜３０４、第３無機膜３０６は、これに限るものではなく、次工程において形成される樹脂膜の膜中水分の拡散を防止する目的で、樹脂膜中水分の透過性が低いといった性質を有する材料を用いればよく、具体例としては、ＳｉＮ膜のほかにＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3といった無機膜など適宜、水分拡散防止膜として役割を達成できるものが挙げられる。
【００６５】
なお、これらを成膜する手段の例として、ＣＶＤ法（例えばプラズマＣＶＤ、常圧ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなど）やＰＶＤ法（スパッタ、蒸着など）が挙げられるが、本実施の形態では、高い膜厚均一性の成膜が可能であり、成膜が容易なプラズマＣＶＤ法が特に好ましい。なおＣＶＤ法とは化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の略称であり、ＰＶＤ法とは物理的蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の略称である。
【００６６】
また、本実施の形態３で用いた第１無機膜３０２および第２無機膜３０４はそれぞれ単層であるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて複数の層から構成されてもよい。ただし、樹脂膜３０５表面を被覆する第２無機膜３０４と第３無機膜３０６は同じ材質から成ることが望ましい。同じ材質にすることにより、第２無機膜３０４と第３無機膜３０６の接合部において、接合強度を高めることができ、全体の層間膜としての強度が向上するので好ましい。
【００６７】
（実施の形態４）
図９（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態４における、第１配線層４０３と第２配線層４０７より成る２層の配線構造を有する半導体装置の製造工程を示した断面図であり、さらに第１配線層４０３と第２配線層４０７より、金属−誘電体−金属の構成による容量素子を形成している。多層配線構造の層構成や製造工程は実施の形態３と共通のため、主に容量素子部の形成について説明する。
【００６８】
まず、図９（ａ）に示すように、半導体素子を形成した厚みが４００〜７００μｍのＧａＡｓ基板４０１上に、ＳｉＮから成る厚みが５０〜５００ｎｍの第１無機膜４０２をプラズマＣＶＤ法により形成する。次に、第１無機膜４０２上に、Ａｕから成る厚みが２〜６μｍの第１配線層４０３を電解メッキ法にて形成する。続いて、第１無機膜４０２および第１配線層４０３上に、ＳｉＮから成る厚みが５０〜５００ｎｍの第２無機膜４０４をプラズマＣＶＤ法により形成する。
【００６９】
次に、図９（ｂ）に示すように、スピンコート法にて樹脂膜４０５を第２無機膜４０４上に塗布し、リソグラフィー技術により、第１配線層４０３と後に形成する第２配線層４０７で構成する容量部４１０の樹脂膜４０５と、第１配線層４０３と後に形成する第２配線層４０７を電気的に接続するコンタクト部４１１の樹脂膜４０５を除去する。その後、Ｎ2雰囲気中の熱処理により樹脂膜４０５を硬化させ、３〜７μｍの厚みに仕上げる。続いて、ＳｉＮから成る厚みが５０〜５００ｎｍの第３無機膜４０６を、第２無機膜４０４および樹脂膜４０５上にプラズマＣＶＤ法により形成する。
【００７０】
ここで、本実施の形態４では、容量部４１０およびコンタクト部４１１の樹脂膜４０５の基板４０１と平行な方向の開口長さを、樹脂膜４０５の厚みより大きくすることが望ましい。このようにすることで、第３無機膜４０６成膜時の容量部４１０およびコンタクト部４１１内部への原料ガスの回りこみが向上し、均一な膜質、膜厚の第３無機膜が形成できるので好ましい。
【００７１】
次に、図９（ｃ）に示すように、リソグラフィー技術およびドライエッチング技術により、第１配線層４０３と第２配線層４０７を電気的に接続するコンタクト部４１１における、第１配線層４０３上の第２無機膜４０４および第３無機膜４０６を除去する。続いて、Ａｕから成る第２配線層４０７を、第１配線層４０３および第３無機膜４０６上に電解メッキ法にて形成する。また、第２配線層４０７の一部を電極パッド４０８として利用する。
【００７２】
ここで、本実施の形態４の製造方法によれば、基板４０１及び第１配線層４０３、第２配線層４０７は直接に樹脂膜４０５とは接触せず、第１無機膜４０２及び第２無機膜４０４、第３無機膜４０６のいずれかを介して樹脂膜４０５と隣接する多層配線構造を形成できる。これにより、これら無機膜が樹脂膜４０５中に含まれる水分の進行の障壁となり、この水分による第１配線層４０３や第２配線層４０７、基板４０１の腐食を防止でき好ましい。
【００７３】
また、本実施の形態４の製造方法によれば、機械的強度の低い樹脂膜４０５の表面全体を強度の高い無機膜で覆うことができ、低誘電率でありながら全体として機械的強度の高い配線層間膜を実現することができるので望ましい。
【００７４】
次に、図９（ｄ）に示すように、第３無機膜４０６および第２配線層４０７上にＳｉＮから成る厚みが５０〜５００ｎｍの保護膜４０９をプラズマＣＶＤ法にて形成し、フォトグラフィー技術、ドライエッチング技術により電極パッド４０８上の保護膜４０９を除去し、多層配線構造を有する半導体装置を完成させる。
【００７５】
本実施の形態４の製造方法により、さらに容量素子を備えた多層配線構造を有する半導体装置を容易に作製することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の多層配線構造を有する半導体装置及びその製造方法は、機械的強度の高い配線層間膜を形成し、また配線や半導体層に生じる腐食が防止されるため、信頼性が高い半導体装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０１  基板
１０２  第１無機膜
１０３  第１配線層
１０４  第２無機膜
１０５  樹脂膜
１０６  第３無機膜
１０７  第２配線層
１０８  電極パッド
１０９  保護膜
１１０  コンタクト部
１１１  コンタクト部
１１２  第１配線層の側面と樹脂膜側面の基板と平行な方向の距離
１１３  応力集中部
１１４  第１配線層の側面と樹脂膜側面の基板と平行な方向の距離
２０１  基板
２０２  第１無機膜
２０３  第１配線層
２０４  第２無機膜
２０５  樹脂膜
２０６  第３無機膜
２０７  第２配線層
２０８  電極パッド
２０９  保護膜
２１０  容量部
２１１  コンタクト部
２１２  第１配線層の側面と樹脂膜側面の基板と平行な方向の距離
２１３  応力集中部
３０１  基板
３０２  第１無機膜
３０３  第１配線層
３０４  第２無機膜
３０５  樹脂膜
３０６  第３無機膜
３０７  第２配線層
３０８  電極パッド
３０９  保護膜
３１０  コンタクト部
３１１  コンタクト部
４０１  基板
４０２  第１無機膜
４０３  第１配線層
４０４  第２無機膜
４０５  樹脂膜
４０６  第３無機膜
４０７  第２配線層
４０８  電極パッド
４０９  保護膜
４１０  容量部
４１１  コンタクト部
５０１  基板
【図１】
2015118950.tif 000003
【図２】
2015118950.tif 000004
【図３】
2015118950.tif 000005
【図４】
2015118950.tif 000006
【図５】
2015118950.tif 000007
【図６】
2015118950.tif 000008
【図７】
2015118950.tif 000009
【図８ａ】
2015118950.tif 000010
【図８ｂ】
2015118950.tif 000011
【図８ｃ】
2015118950.tif 000012
【図８ｄ】
2015118950.tif 000013
【図９ａ】
2015118950.tif 000014
【図９ｂ】
2015118950.tif 000015
【図９ｃ】
2015118950.tif 000016
【図９ｄ】
2015118950.tif 000017
【図１０】
2015118950.tif 000018