JP2001176866A - 集積回路の製造方法 - Google Patents

集積回路の製造方法

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JP2001176866A JP2000329169A JP2000329169A JP2001176866A JP 2001176866 A JP2001176866 A JP 2001176866A JP 2000329169 A JP2000329169 A JP 2000329169A JP 2000329169 A JP2000329169 A JP 2000329169A JP 2001176866 A JP2001176866 A JP 2001176866A
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K Manozu Jane
ケイ、マノヅ ジェイン
F Chisuhorumu Michel
エフ、チスホルム ミッチェル
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 空隙、継目、またはディボットを形成するこ
となく、化学的機械的研摩と両立しうる誘電体スタック
を形成する方法を提供する。 【解決手段】 この方法は、高密度プラズマ(HDP)
キャップ層208、308を用い、レベル間誘電体(I
LD)212、312を形成する。ライナ層104およ
びHSQ層106が、半導体ボデー100上の金属線1
02の上に堆積される。PETEOS層210、310
が、HSQ層106上に堆積される。PETEOS層2
10、310内には、空隙、継目、またはディボット2
0を生じうる。次に、高いエッチング対堆積比を有する
HDP工程を用いて、HDPキャップ層208、308
が堆積される。このHDP工程は、いかなる空隙、継
目、またはディボット20をも開き、それらをHDP材
料208、308により充填する。この構造は、前記H
DP工程の前または後に化学的機械的研摩を受ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には半導体
デバイスにおけるレベル間誘電体層の分野に関し、特に
HDP(高密度プラズマ)キャップ層を含むレベル間誘
電体層の形成に関する。
【0002】
【従来の技術】現在の集積回路(IC)技術において
は、速度の制限要因は、もはやトランジスタのゲート遅
延ではなく、相互接続に関連するRC遅延である。この
理由により、相互接続キャパシタンスを減少させるため
に、新しい低誘電率材料の開発に多くの努力がなされて
きた。これらの誘電体のあるものは、水素シルセスキオ
クサン(hydrogen silsesquioxa
ne)(HSQ)、フッ素化二酸化シリコン(fluo
rinated silicon dioxide)
(FSG)、ポリマ、およびキセロゲル(xeroge
ls)を含む。新しい低誘電率材料の開発はまた、これ
らの材料を半導体製造工程の流れの中に統合するため
の、かなりの努力を必要としてきた。
【0003】図1Aないし図1Cには、HSQをレベル
間誘電体(ILD)内へ統合する従来技術の方法が示さ
れている。図1Aに示されているように、金属相互接続
線12が半導体ボデー10上に形成された後、PETE
OS(プラズマエンハンスト・テトラエチオキシシラン
(plasma enhanced tetraeth
yoxysilane))ライナ14が、金属相互接続
線12上に堆積される。HSQの被覆層16が、次にP
ETEOSライナ14上に堆積される。最後に、PET
EOS研摩層18が、HSQ被覆層16上に堆積され
る。図1Bに示されているように、このスタックは、次
に化学的機械的研摩(CMP)を受ける。一般に、HS
Qは、被覆ステップの後か、PETEOS研摩層堆積の
後か、またはバイアエッチング(via etch)の
後に、硬化される。
【0004】一般に、HSQは、ギャップ充填および局
所的平面化能力(例えば、0.21μmの幅の金属線の
間の0.21μmのスペースの完全な充填)に優れてい
る。しかし、HSQによるギャップ充填および局所的平
面化は、金属の幾何学的形態に敏感に影響される。幾何
学的敏感性問題の1つは、「ウィッキング(wicki
ng)」として公知である。HSQがディボット(di
vot)20を残した場所には、ある特異な幾何学的形
態を有する金属構造が存在する。PETEOS研摩層1
8がHSQ16上に堆積された時は、空隙、継目、また
は大きいディボット20が、PETEOS内に発生す
る。この空隙/継目/ディボット20は、図1Bに示さ
れているように、酸化物またはタングステンプラグのC
MP中に大きくなるか、または広がりうる。大きくなっ
た、または広がった空隙/継目/ディボットは、スラリ
または研摩残留物を捕獲し、または、導電性材料により
部分的に、または完全に充填されうる。この導電性材料
は、バイアライナ/バリヤまたは充填物(例えば、T
i、TiN、W、またはAl)からのものでありうる。
従って、開いた空隙/継目/ディボット20は、短絡ま
たは漏洩を起こす欠陥を発生しうる。図1Cは、2つの
金属線22および24の間の短絡を起こす導電性材料に
より充填されたディボット20を示す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、少なくとも
1つの他の誘電体層の上にHDPキャップ層または研摩
層を有する誘電体層を目的とする。前記他の誘電体層
は、例えば、レベル間誘電体(interlevel
dielectric)のためのHSQ層、または、P
MD(ポリメタル誘電体)のためのドーピングされたケ
イ酸塩ガラス層、の上にあるPETEOS研摩層を含み
うる。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、空隙、継目、
またはディボットを形成することなく、CMPと両立し
うる誘電体スタックを形成するための方法を提供する。
本発明のこの利点および他の利点は、当業者にとって
は、添付図面と共に以下の明細書を参照することにより
明らかとなろう。
【0007】
【発明の実施の形態】ここで、本発明を、HSQを用い
るレベル間誘電体層の形成に関連して説明する。当業者
にとっては、本発明のHDPキャップ層が、PMD(ポ
リメタル誘電体)層のような、CMPを受けるべき他の
誘電体スタック層、または厚い誘電体層を形成するため
に応用されうることは明らかである。
【0008】図2Aないし図2Cを参照しつつ、HSQ
層上のHDP(高密度プラズマ)層を用いるレベル間誘
電体を形成する1つの方法を説明する。HDP工程は、
二酸化シリコンのような材料の同時的堆積およびスパッ
タリングを含む。HDP酸化物の堆積は、シリコン含有
ガス(例えば、SiH4)と、酸素含有ガス(例えば、
2)と、非反応性ガス(例えば、Arのような希ガ
ス)と、の混合物を用いる直流バイアススパッタリング
が同時に行われる化学蒸着として定義される。この方法
は、一般に、良好な熱的安定性と、低い湿気取込み性
と、優れた機械的性質と、を有する高品質酸化物を形成
する。ガス流量、ウエハ温度、電源のRF電力、および
バイアスのRF電力のような工程変数は、SiH4とO2
との間の反応により、SiO2膜の堆積が行われるよう
に最適化される。バイアスのRF電力は、スパッタリン
グの度合を制御するための電源RF電力の選択された値
に対して調整される。一般に、バイアスRF電力が高く
なると、堆積膜のスパッタリングが多くなる。同時に行
われる堆積と直流バイアススパッタリングとは、ギャッ
プ充填能力を向上させる。一般に、エッチング対堆積比
(E/D比)を高くすると、より良いギャップ充填が得
られる。例をあげると、E/D比は、0.25ないし
0.35の範囲内にあればよい。好ましくは、E/D比
は、チャック寿命に依存して、0.28ないし0.32
の範囲内にあるようにする。HDPは、良好なギャップ
充填能力を有するので、HSQ内の空隙/継目/ディボ
ットを充填することが期待される。HDP酸化物の堆積
は、1996年2月27日公告の米国特許第5,49
4,854号にさらに説明されており、その内容は、こ
こで参照することにより本願に取り込むこととする。
【0009】図2Aを参照すると、ライナ層104は、
金属線102および半導体ボデー100の上に堆積され
る。例えば、半導体ボデー100は、シリコン基板内に
形成されたトランジスタと、これらのトランジスタを、
接点が形成される場所を除き、第1金属相互接続層から
分離するPMD層と、を含む。金属線102は、第1金
属相互接続層、または、最上部の相互接続層を除く、い
ずれかその後の金属相互接続層の部分でありうる。半導
体ボデー100および金属線102の形成方法は、本技
術分野において公知である。
【0010】ライナ層104は、薄い共形(confo
rmal)の誘電体層である。ライナ層104の厚さ
は、200Åないし1000Åの範囲内にあればよい。
ライナ層104は、例えば、PETEOS材料を含みう
る。HSQ被覆層106が、次に堆積される。HSQ被
覆層106は、狭い金属線の間のスペースが充填される
ような厚さまで堆積される。
【0011】図2Bを参照すると、HDP層108が次
に形成される。このHDP工程は、堆積とエッチングの
両面を有するので、HSQ被覆層106のいくらかは除
去される。HDP層108は、例えば、(ドーピングさ
れない)二酸化シリコン、フッ化HDP酸化物(HDP
oxide)(HDP−FSG)、または燐でドーピ
ングされたHDP酸化物(HDP−PSG)を含みう
る。HDP−PSGは、PMDへの応用において殊に有
用である。
【0012】次に、研摩層110が堆積される。例え
ば、PETEOSが用いられうる。この構造は、図2C
に示されているようにCMPを受ける。従来技術の空隙
/継目/ディボットは、回避されうる。
【0013】いくらかのHSQ材料は、HDP層108
の堆積中に除去されるので、HDP層108の一部は金
属線の間に堆積される。HDP二酸化シリコンは、HS
Qの誘電率(約2.7ないし3.0)よりもかなり高い
誘電率(約4.0ないし4.3)を有する。得られるI
LD112のキャパシタンスは、従来技術のアプローチ
のものよりも大きい。また、スパッタリングされるHS
Q材料は、HDP堆積チャンバの内側に堆積し、汚染を
生じる可能性がありうる。
【0014】図3Aないし図3Cを参照しつつ、HSQ
層上に、HDP(高密度プラズマ)層を用いるレベル間
誘電体を形成する第2のアプローチを説明する。図3A
を参照すると、ライナ層104は、第1のアプローチに
おけると同様に、金属線102および半導体ボデー10
0の上に堆積される。ライナ層104は、薄い共形の誘
電体層である。ライナ層104の厚さは、200Åない
し1000Åの範囲内にあればよい。ライナ層104
は、例えば、PETEOS材料を含みうる。HSQ被覆
層106が、次に堆積される。HSQ被覆層106は、
狭い金属線の間のスペースが充填されるような厚さまで
堆積される。
【0015】図3Bを参照すると、HSQ被覆層106
の上に薄い酸化物ライナ107が堆積される。HDP層
108は次に、低いエッチング対堆積(E/D)比を用
いて形成されるので、全てのライナ107が除去される
ことはない。HDP層108は、例えば、(ドーピング
されない)二酸化シリコン、HDP−FSG、またはH
DP−PSGを含みうる。次に、研摩層110が堆積さ
れる。例えば、PETEOSが用いられうる。この構造
は、図3Cに示されているようにCMPを受ける。従来
技術の空隙/継目/ディボットは、回避される。
【0016】余分の酸化物ライナ107は、コストを増
大させる。さらに、低いE/D比はギャップ充填を劣化
させ、実際に空隙/継目/ディボットを発生させる。高
いE/D比はライナを浸食し、いくらかのHSQが、第
1アプローチに関連して上述したように、ILD112
に対し、より高い総誘電率を与える。
【0017】ここで図4Aないし図4Cを参照しつつ、
本発明の第1実施例によるILD212を説明する。図
4Aを参照すると、ライナ層104は、金属線102お
よび半導体ボデー100の上に堆積される。例えば、半
導体ボデー100は、シリコン基板内に形成されたトラ
ンジスタと、これらのトランジスタを、接点が形成され
る場所を除き、第1金属相互接続層から分離するPMD
層と、を含む。金属線102は、第1金属相互接続層、
または、最上部の相互接続層を除く、いずれかその後の
金属相互接続層の部分でありうる。半導体ボデー100
および金属線102の形成方法は、本技術分野において
公知である。
【0018】ライナ層104は、薄い共形の誘電体層で
ある。ライナ層104の厚さは、200Åないし100
0Åの範囲内にあればよい。ライナ層104は、例え
ば、PETEOS材料を含みうる。別の材料には、薄い
(約50Åないし200Å)窒化シリコン、FSGライ
ナのような無機低kライナ、およびポリマライナのよう
な有機低kライナが含まれる。低kライナの使用は、キ
ャパシタンスをさらに低める。さらに、HSQは金属上
に直接堆積されうるので、ライナ層104は省略されう
る。HSQ被覆層106が、次に堆積される。HSQ被
覆層106は、狭い金属線の間のスペースが充填される
ような厚さまで堆積される。
【0019】次に、充填剤層210が堆積されうる。充
填剤層は、例えば、PETEOSを含みうる。それは、
より薄いものでありうることを除き、上述の例における
研摩層110と同様のものでありうる。例えば、充填剤
層210は、2000Åないし10000Åの範
囲内の厚さを有しうる。充填剤層210の材料は、PE
TEOSの誘電率に等しいか、またはそれよりも小さい
誘電率(すなわち、<=4.2)を有すべきである。さ
らに、充填剤層210の堆積は、より共形的であるほど
よい。別の例は、FSGおよびPSGを含む。
【0020】充填剤層210の堆積の後には、図4Aに
示されているように、従来技術におけるような空隙/継
目/ディボット20が現れうる。次に、図4Bに示され
ているように、良好なギャップ充填のために十分に高い
E/D比を用いて、HDPキャップ層208が堆積され
る。この高いE/D比により、いくらかの充填剤層21
0は除去される。従って、この工程中に、空隙/継目/
ディボット20は開かれ、HDPキャップ層208の材
料により再充填される。HDPキャップ層208は、こ
の実施例においては、二酸化シリコンを含む。しかし、
窒化シリコン、オキシ窒化シリコン(silicon
oxynitride)、FSG、またはPSGのよう
な、別の材料のHDP堆積を用いることもできる。HD
Pキャップ層208の厚さは、5000Åないし150
00Åの範囲内にある。
【0021】HDPキャップ層208の堆積の後、図4
Cに示されているように、ILD212は、平面化のた
めにCMPを受ける。続いて、所望される追加の相互接
続層の形成と、パッケージングと、の処理が行われう
る。追加の相互接続層は、ILD212のようなILD
を含みうる。
【0022】ここで図5Aないし図5Cを参照しつつ、
本発明の第2実施例によるILD312を説明する。図
5Aを参照すると、ライナ層104は、金属線102お
よび半導体ボデー100の上に堆積される。例えば、半
導体ボデー100は、シリコン基板内に形成されたトラ
ンジスタと、これらのトランジスタを、接点が形成され
る場所を除き、第1金属相互接続層から分離するPMD
層と、を含む。金属線102は、第1金属相互接続層、
または、最上部の相互接続層を除く、いずれかその後の
金属相互接続層の部分でありうる。半導体ボデー100
および金属線102の形成方法は、本技術分野において
公知である。
【0023】ライナ層104は、薄い共形の誘電体層で
ある。ライナ層104の厚さは、200Åないし100
0Åの範囲内にあればよい。ライナ層104は、例え
ば、PETEOS材料を含みうる。HSQ被覆層106
が、次に堆積される。HSQ被覆層106は、狭い金属
線の間のスペースが充填されるような厚さまで堆積され
る。
【0024】次に、研摩層310が堆積される。研摩層
310は、例えば、PETEOSを含みうる。研摩層3
10は、10000Åないし20000Åの範囲内の厚
さを有すればよい。研摩層310の堆積の後には、図5
Aに示されているように、従来技術におけるような空隙
/継目/ディボット20が現れうる。
【0025】図5Bを参照すると、研摩層310は次に
平面化のためにCMPを受ける。このCMP工程は、I
LD312の最終的な厚さが従来技術におけると同じで
あるように、やや薄い目標値に調整されうる。あるい
は、ILD312の最終的な厚さは、従来技術における
よりやや大きくてもよい。CMP中に空隙/継目/ディ
ボット20は開かれうる。
【0026】次に、図5Cに示されているように、良好
なギャップ充填のために高いE/D比を用いて、薄いH
DPキャップ層308が堆積される。この高いE/D比
により、いくらかの研摩層310は除去される。従っ
て、開かれた空隙/継目/ディボット20は、HDPキ
ャップ層308の材料により充填される。HDPキャッ
プ層308は、この実施例においては、二酸化シリコン
を含む。しかし、窒化シリコン、オキシ窒化シリコン、
またはHDP−FSGのような、別の材料のHDP堆積
を用いることもできる。HDPキャップ層308の厚さ
は、1000Åないし5000Åの範囲内にある。続い
て、所望される追加の相互接続層の形成と、パッケージ
ングと、の処理が行われうる。追加の相互接続層は、I
LD312のようなILDを含みうる。
【0027】本発明を説明のための実施例に関して説明
してきたが、この説明は、限定的な意味に解釈されるべ
きではない。説明のためのこれらの実施例のさまざまな
改変および組合せ、ならびに本発明の他の実施例は、以
上の説明を参照する時、当業者にとって明らかとなろ
う。例えば、本発明のHDPキャップ層は、PMD層に
対しても適用されうる。PMDの場合は、燐によりドー
ピングされた(PSG)、またはホウ素および燐により
ドーピングされた(BPSG)ケイ酸塩ガラスの酸化
物、または、ドーピングされない酸化物、を用いての、
狭いポリシリコンスペースのギャップ充填はやりがいが
ある。図6Aに示されているような、空隙/継目/ディ
ボット20は、CMPの後に、酸化物410内に露出さ
れる。HDPキャップ層208または308は、PMD
に対しても適用されうる。図6Bは、本発明の第1実施
例のPMD層に対する適用を示し、図7は、本発明の第
2実施例のPMD層に対する適用を示す。従って、添付
の特許請求の範囲は、いかなるそのような改変または実
施例をも包含するように意図されている。
【0028】以上の説明に関し更に以下の項を開示す
る。 (1)半導体ボデー上に誘電体層を形成するステップで
あって、前記誘電体層が少なくとも1つのディボットを
含む前記ステップと、前記誘電体層上にHDP(高密度
プラズマ)工程を用いてキャップ層を形成するステップ
であって、前記HDP工程が前記少なくとも1つのディ
ボットを前記キャップ層により充填する前記ステップ
と、を含む、集積回路の製造方法。
【0029】(2)前記半導体ボデー上にライナ層を形
成するステップと、前記誘電体層を形成する前記ステッ
プの前に、前記ライナ層上にHSQ(水素シルセスキオ
クサン)層を形成するステップと、をさらに含む、第1
項に記載の方法。
【0030】(3)前記ライナ層がPETEOS(プラ
ズマエンハンスト・テトラエチオキシシラン)を含む、
第2項に記載の方法。 (4)前記誘電体層がPETEOSを含む、第1項に記
載の方法。
【0031】(5)前記キャップ層を堆積するステップ
の前に、前記誘電体層を化学的機械的に研摩するステッ
プをさらに含む、第1項に記載の方法。 (6)前記キャップ層を化学的機械的に研摩するステッ
プをさらに含む、第1項に記載の方法。
【0032】(7)前記キャップ層がHDP二酸化シリ
コンを含む、第1項に記載の方法。 (8)前記キャップ層がHDP窒化シリコンを含む、第
1項に記載の方法。 (9)前記キャップ層がHDPオキシ窒化シリコンを含
む、第1項に記載の方法。
【0033】(10)前記キャップ層がフッ素化HDP
酸化物を含む、第1項に記載の方法。 (11)前記キャップ層が燐でドーピングされたHDP
酸化物を含む、第1項に記載の方法。 (12)前記HDP工程が、0.25ないし0.35の
範囲内のエッチング対堆積比を有する、第1項に記載の
方法。
【0034】(13)HDPキャップ層(208、30
8)を用いて、ILD(212、312)を形成する方
法。ライナ層(104)およびHSQ層(106)が、
半導体ボデー(100)上の金属線(102)の上に堆
積される。PETEOS層(210、310)が、HS
Q層(106)上に堆積される。これは、PETEOS
層(210、310)内に空隙、継目、またはディボッ
ト(20)を生じうる。次に、高いエッチング対堆積比
を有するHDP工程を用いて、HDPキャップ層(20
8、308)が堆積される。このHDP工程は、いかな
る空隙、継目、またはディボット(20)をも開き、そ
れらをHDP材料(208、308)により充填する。
この構造は、前記HDP工程の前または後にCMPを受
ける。
【図面の簡単な説明】
【図1】AからCまでは、HSQを用いる従来技術のレ
ベル間誘電体の断面図である。
【図2】AからCまでは、HDPを用いたILD層を形
成するための第1アプローチの断面図である。
【図3】AからCまでは、HDPを用いたILD層を形
成するための第2アプローチの断面図である。
【図4】AからCまでは、本発明の第1実施例による、
HDPキャップ層を有するILDの断面図である。
【図5】AからCまでは、本発明の第2実施例による、
HDPキャップ層を有するILDの断面図である。
【図6】AおよびBは、本発明によるHDPキャップ層
を有するPMDの断面図である。
【図7】本発明によるHDPキャップ層を有する別のP
MDの断面図である。
【符号の説明】
20 ディボット 100 半導体ボデー 208 HDPキャップ層 210 充填剤層 308 HDPキャップ層 310 研摩層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体ボデー上に誘電体層を形成するス
    テップであって、前記誘電体層が少なくとも1つのディ
    ボットを含む前記ステップと、 前記誘電体層上にHDP(高密度プラズマ)工程を用い
    てキャップ層を形成するステップであって、前記HDP
    工程が前記少なくとも1つのディボットを前記キャップ
    層により充填する前記ステップと、 を有する、集積回路の製造方法。
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