JP2001332542A

JP2001332542A - 有機絶縁膜材料、その製造方法、有機絶縁膜の形成方法、及び、有機絶縁膜を設けた半導体装置

Info

Publication number: JP2001332542A
Application number: JP2000154515A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Suzuki; 克己鈴木; Shunichi Fukuyama; 俊一福山; Yoshihiro Nakada; 義弘中田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2001-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】有機絶縁膜材料、その製造方法、有機絶縁膜
の形成方法、及び、有機絶縁膜を設けた半導体装置に関
し、低誘電率で耐熱性が高く、且つ、Ｃｕの拡散に対す
るバリア性に優れた絶縁膜材料を提供する。【解決手段】アダマンタン環同士を酸素を介して結合
して構成されるポリアダマンタンエーテル、特に、重量
平均分子量が１０００以上５０００００以下であるポリ
アダマンタンエーテルからなる絶縁膜形成材料を用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は有機絶縁膜材料、そ
の製造方法、有機絶縁膜の形成方法、及び、有機絶縁膜
を設けた半導体装置に関するものであり、特に、半導体
集積回路装置の多層配線構造を構成する層間絶縁膜に適
した低比誘電率で耐熱性にすぐれた絶縁材料に特徴のあ
る有機絶縁膜材料、その製造方法、有機絶縁膜の形成方
法、及び、有機絶縁膜を設けた半導体装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータからハイ
パフォーマンスコンピュータに至るまで、使用されてい
る半導体デバイスの高速化は著しく、多層配線部におけ
る配線抵抗と配線間の寄生容量に起因する信号伝搬速度
の低下による伝送遅延がコンピュータの演算速度を左右
するようになってきている。

【０００３】この様な信号伝搬速度の低下は、配線間隔
が１μｍ以上の世代ではデバイス全体への影響が少なか
ったものの、半導体デバイスの高集積化に伴う配線幅及
び配線間隔の微細化につれて、配線抵抗が上昇し且つ、
寄生容量が増大してくるので、ますます問題になってい
る。例えば、配線間隔が１μｍ以下ではデバイス速度へ
の影響が大きくなり、特に、今後０．５μｍ以下の配線
間隔で回路を形成した場合、配線間の寄生容量がデバイ
ス速度への影響が大きくなる。

【０００４】この様な配線による信号遅延Ｔは、配線抵
抗をＲとし、配線間の寄生容量をＣとした場合、Ｔ∝Ｃ・Ｒで表され、一方、寄生容量Ｃは、ε₀を真空の誘電率、
ε_rを層間絶縁膜の誘電率、Ｓを配線層の側面積、ｄを
配線層の間隔とした場合、Ｃ＝ε₀・ε_r・Ｓ／ｄで表されるため、信号遅延Ｔを小さくするためには、配
線層間の寄生容量を増大を防止すれば良い。そのために
は、配線層厚を薄くして断面積Ｓを小さくすれば良い
が、そうすると、配線抵抗の上昇を招くため、信号遅延
を解消することができなかった。

【０００５】従来、この様な寄生容量に基づく信号遅延
の増大を防止するために、上記の寄生容量の式のうちの
ε_rに注目して、層間絶縁膜として低比誘電率の絶縁膜
材料を用いることによって信号遅延の増大を抑制するこ
とがが試みられてきた。

【０００６】この様な層間絶縁膜として凝縮系である樹
脂を用いた場合、層間絶縁膜の比誘電率ε_rは、局所電
場を考慮して、αを層間絶縁膜を構成する分子の分極
率、また、Ｎを単位体積当たりの分子数とすると、次の
クラウジウス−モソッティ（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓ
ｓｏｔｔｉ）の式で表される。（ε_r−１）／（ε_r＋２）＝（４π／３）・Ｎ・α この式を、比誘電率ε_sについて解き、α又はＮで偏微
分すれば判るように、分極率αが小さいほど、また、単
位体積当たりの分子数Ｎが小さいほど比誘電率ε_sが小
さくなる。

【０００７】従来、半導体デバイスに最も用いられてい
るＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜の比誘電率は約４程度と高く、誘
電率を小さくするために、電気陰性度の大きなフッ素を
添加して分極率を小さくしたＳｉＯＦ膜等の低比誘電率
ＣＶＤ膜の採用が検討されている。この様に、電気陰性
度の大きなフッ素が含まれていると、動きやすい電子が
少なくなり、小さい電場で大きな双極子を生ずることが
ないので分極率が低下して、比誘電率が３．３〜３．５
と小さくなる。しかし、このＳｉＯＦ膜は吸湿性が高
く、環境中の水分の吸収に伴って比誘電率が上昇すると
いう問題がある。

【０００８】一方、近年、配線の低抵抗化を行うため
に、Ａｌ系配線に代わってＣｕ配線の導入が検討されて
いるが、ＳｉＯ₂ベースの絶縁膜は、通電時にＣｕが絶
縁膜中に拡散してリーク不良が生ずることが知られてい
る。

【０００９】例えば、Ｓｉ−Ｈを含むＳｉＯ₂ベースの
樹脂に代表される塗布型半導体用絶縁材料は、熱処理を
工夫することによって、低誘電率絶縁膜として使用でき
るものの、配線材料としてＣｕを用いた場合、Ｃｕと接
触する状態では、２００℃の熱処理で簡単にＣｕが拡散
してしまうという問題がある。

【００１０】この様な問題を解決するために、比誘電率
が２．５〜３．０と低い値を示し、且つ、Ｃｕ拡散が生
じないことが知られている有機高分子膜の使用が検討さ
れている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、有機系低誘電
率材料として知られているテフロン（登録商標）系材料
は、他材料との密着性が悪く、配線側部にボイドが生ず
ることがあり、この配線側部のボイドは多層配線構造を
形成するためのビアホール開口時に、位置ずれが生じた
場合に、配線層間のショートの原因となるという問題が
ある。

【００１２】また、有機高分子膜の場合には、ガラス転
移温度が２００〜３５０℃と低く、熱膨張率も大きいこ
とから配線へのダメージが問題となる。

【００１３】また、有機系低誘電率材料には耐熱性が悪
いものが多く、他材料との界面へのガス放出が問題とな
る。即ち、有機系低誘電率材料は大気中の有機ガスを吸
着するので、Ｔａ等のスパッタ工程において、加熱によ
り吸着したガスやポリマの熱分解に伴うガスを放出する
のでＴａ等が付着しずらくなるという問題がある。

【００１４】また、Ｃｕ配線を用いる場合、Ｃｕの拡散
を防止するために、通常は誘電率の高いＳｉＮ膜やＴａ
Ｎ等の抵抗の高いバリアメタルを用いる必要があるが、
ＳｉＮ膜を用いた場合には、絶縁膜全体の実効誘電率が
上昇し高速化の妨げになるという問題があり、一方、バ
リアメタルを用いた場合には、配線層幅を狭め、配線抵
抗の上昇の原因となるという問題がある。

【００１５】したがって、本発明は、低誘電率で耐熱性
が高く、且つ、Ｃｕの拡散に対するバリア性に優れた絶
縁膜材料を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】ここで図１を参照して本
発明における課題を解決するための手段を説明する。な
お、図１はアダマンタン（Ｃ₁₀Ｈ₁₆）の分子構造を示す
図である。図１参照上述の課題を解決するために、本発明においては、アダ
マンタン環同士を酸素を介して結合して構成されるポリ
アダマンタンエーテル、特に、重量平均分子量が１００
０以上５０００００以下であるポリアダマンタンエーテ
ルからなる絶縁膜形成材料を用いることを特徴とする。

【００１７】即ち、下記の一般式で表される構造単位の
繰り返しからなる嵩高い分子構造を有するポリアダマン
タンエーテルを用いることによって、分子レベルでの空
間を利用して有機絶縁膜の単位体積当たりの分子数Ｎを
小さくすることができ、それによって、有機絶縁膜の誘
電率を低減することができる。

【化１】なお、置換基Ｒ₁は、図１における水素原子２の一部を
置き換えたものでも良いし、或いは、全てを置き換えた
ものでも良く、全てが水素原子２の場合も含むものであ
る。

【００１８】また、アダマンタンは、図１に示すように
炭素原子１が全て単結合、即ち、飽和結合しているので
耐熱性に優れ、成膜プロセス等における熱処理温度に耐
えることができるという特徴があるほか、上記一般式に
示したアダマンタンエーテル骨格は耐熱性にすぐれるア
ダマンタン環を酸を介して結合したものであり、溶媒へ
の溶解性も良好であるため、基板上への塗布性にも優れ
ている。

【００１９】また、ゲル・パーミエション・クロマトグ
ラーフィ（ＧＰＣ）によって測定したポリアダマンタン
エーテルの重量平均分子量は、１０００未満の場合には
塗膜形成性がないか或いは３００℃以上の熱処理で蒸発
するという問題があり、一方、５００，０００を越える
と塗布溶剤に対する溶解性が低下するので、１０００以
上５００，０００以下が望ましい。

【００２０】また、本発明においては、ポリアダマンタ
ンエーテルを製造するに際して、アダマンタンフェノー
ル化合物をモノマとし、このモノマと酸性触媒とを含む
反応溶液を加熱して脱水重合させることを特徴とする。

【００２１】また、本発明においては、この様な有機絶
縁膜を半導体装置の層間絶縁膜として用いることを特徴
とするものであり、特に、配線層及びビアとして選択エ
ッチングが可能なガスが無いために微細加工が困難なＣ
ｕを主成分とするＣｕ系導電材料料を用いた場合には、
ＣＭＰ法を用いた埋込配線層とすることが好適であり、
その際には、ビアもＣＭＰ法によって埋め込むことが好
適である。また、本発明は、有機絶縁膜をＣｕ拡散に対
するバリア膜として用いることを特徴とする。

【００２２】上述の様な低誘電率で耐熱性の高い有機絶
縁膜を用いることによって半導体装置における信号遅延
を抑制することができ、特に、配線層及びビアとしてＣ
ｕ系導電性材料を用いた場合には、配線抵抗の低下も実
現することができるので、寄生容量の低下と併せてさら
なる信号遅延の抑制が可能になる。

【００２３】さらに、アダマンタンは、イオン結合性が
非常に低いために、イオンとして拡散するＣｕに対する
障壁機能性、即ち、バリア性に優れるので、ＴｉＮやＴ
ａＮ等のバリアメタルを用いることなく或いはバリアメ
タルをより薄層化しても配線層或いはビアを形成するこ
とが可能になり、それによって、配線層幅を狭めること
がないので、配線抵抗の上昇を抑制して高速化に寄与す
ることができる。

【００２４】また、本発明は、上記の有機絶縁膜材料を
基板上に塗布したのち、１２０℃〜３５０℃の温度で第
１の熱処理を行い、次いで、酸素が１００ｐｐｍ以下の
不活性ガス雰囲気中で、２５０℃〜４５０℃の温度で第
２の熱処理を行うことによって塗布被膜を固化させるこ
とを特徴とする。

【００２５】この様に、有機絶縁膜材料を用いて有機絶
縁膜を形成する際には、溶剤を飛ばす乾燥工程である第
１の熱処理工程と、架橋処理である第２の熱処理工程が
必要になる。また、第１の熱処理工程において、１２０
℃未満であると溶剤乾燥が不十分となり、３５０℃を越
えると酸化によって分解するので、１２０℃〜３５０℃
の範囲が好適である。

【００２６】また、第２の熱処理工程においては、２５
０℃未満であると架橋反応が起こらず、４５０℃を越え
ると熱分解するので、２５０℃〜４５０℃の範囲が好適
である。なお、架橋反応は酸化分解を抑制するために、
酸素を極力含まない不活性ガス雰囲気中、例えば、酸素
が１００ｐｐｍ以下の不活性ガス雰囲気中で行う必要が
ある。

【００２７】

【発明の実施の形態】ここで、本発明の実施の形態にお
ける好適な手順を説明する。ポリアダマンタンエーテルの合成：モノマであるヒド
ロキシアダマンタン化合物を溶剤に溶解し、酸性触媒の
存在下で、脱水重合することによって合成する。例え
ば、モノマ１ｍｏｌに対して酸性触媒を０．０１〜０．
１ｍｏｌを添加した状態で、６０〜１２０℃の温度で、
１〜２時間の加熱処理によって重合反応を行う。

【００２８】この場合に用いるアダマンタンフェノール
化合物としては、例えば、１，３ジヒドロキシアダマン
タン、１，４ジヒドロキシアダマンタン、１，３ジヒド
ロキシ−５−メチルアダマンタンが挙げられる。また、
溶剤としてはアダマンタンフェノール化合物の溶解度の
高いトルエン或いはベンゼン等の芳香族炭化水素が挙げ
られる。また、酸としては、ＨＣｌ、Ｈ₂ＳＯ₄、ＣＦ
₃ＳＯ₃Ｈ、ＨＳｂＦ₆、ＨＡｓＦ₆、ＨＢＦ₄等が挙
げられ、収率が高い点でＨ₂ＳＯ₄が好適である。

【００２９】ポリマの精製：上記の工程で得られ
たポリマを、メタノール、イソプロピルアルコール等の
貧溶媒中で滴下してポリマを再沈澱させ、再沈澱で得た
ポリマを再びトルエン或いはベンゼン等の芳香族炭化水
素系溶剤に溶解させ、再び再沈澱させる工程を繰り返す
ことによって、ポリマを精製する。

【００３０】次いで、この様にして得た精製されたポリ
マを用いた有機絶縁膜の形成工程を説明する。ポリマの塗布：ポリマを塗布溶媒に溶解したのち、基
板上にスピンコート法によって塗布する。この場合の塗
布溶媒としては、トルエン、キシレン、メチルイソブチ
ルケトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、シ
クロペンタノン等が挙げられる。

【００３１】塗布被膜の乾燥工程：基板上に塗布した
塗布被膜を、１２０℃〜３５０℃の温度で熱処理を行う
ことによって、塗布被膜中の溶剤を飛ばして乾燥させ
る。この乾燥工程において、１２０℃未満であると溶剤
乾燥が不十分となり、３５０℃を越えると酸化によって
分解するので、１２０℃〜３５０℃の範囲が好適であ
る。

【００３２】乾燥被膜の架橋工程：乾燥した被膜を、
酸素を極力含まない不活性ガス雰囲気中、例えば、酸素
が１００ｐｐｍ以下の窒素ガス雰囲気中で、２５０℃〜
４５０℃の温度で熱処理を行うことによって、架橋反応
させて乾燥被膜を固化させる。この架橋工程において
は、２５０℃未満であると架橋反応が起こらず、４５０
℃を越えると熱分解するので、２５０℃〜４５０℃の範
囲が好適である。

【００３３】次に、上記の事項を前提として、本発明の
具体的な実施例を説明する。まず、図２乃至図４を参照
して本発明の第１の実施例を説明する。（第１の実施例）まず、攪拌機及び温度計を備えたフラ
スコ中に、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）０．０１ｍｏｌ１，３ジヒドロキシアダマンタン０．１ｍｏｌをトルエンに溶解させ仕込んだのち、反応系内を、例え
ば、８０℃に加熱し、２時間攪拌しながら脱水重合反応
を行って、ポリアダマンタンエーテルを合成する。

【００３４】次いで、室温まで冷却したのち攪拌を停止
し、次いで、分液ロートによって下層に溜まった硫酸を
除去したのち、純水によって、例えば、５回繰り返し洗
浄して残留硫酸を除去する。

【００３５】次いで、洗浄したポリマをメタノール中に
滴下して再沈澱することによってトルエンを除去したの
ち、凍結乾燥において蒸発しやすいベンゼンに溶解させ
て凍結乾燥することによって、精製されたポリマを得
た。なお、このポリマの重量平均分子量は、ＧＰＣで測
定したところ、約２５，０００であり、また、収率は約
３８％であった。

【００３６】図２（ａ）参照次いで、精製されたポリマを塗布溶剤となるシクロヘキ
サノン中に溶解させることによって、例えば、２０重量
％のポリマー溶液からなる絶縁膜形成用塗布液を調整
し、この絶縁膜形成用塗布液をスピンコータを用いてシ
リコン基板１１上に、約４００ｎｍ塗布して塗布被膜１
２を得る。

【００３７】図２（ｂ）参照次いで、ホットプレートを用いて１２０℃〜３５０℃、
例えば、２５０℃において２分間の熱処理を行うことに
よって被膜中のシクロヘキサノンを蒸発させて乾燥被膜
１３を得る。

【００３８】図２（ｃ）参照次いで、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下、例えば、５０ｐ
ｐｍの窒素ガス雰囲気１４中で、２５０℃〜４５０℃、
例えば、４００℃で３０分間で熱処理を行ってポリマを
架橋反応させることよって有機絶縁膜１５が得られる。

【００３９】次に、得られた有機絶縁膜１５の誘電率を
測定するために、有機絶縁膜１５上にφ＝１ｍｍのＡｕ
電極を形成し、容量・電圧特性から１ＭＨｚにおける誘
電率を算出した結果、ε_r＝２．３５であった。

【００４０】これは、有機絶縁膜１５の基本骨格を構成
するアダマンタンが、図１に示すように嵩高い立体的な
分子構造を有しているため、分子レベルで低密度化して
誘電率が低下するためである。

【００４１】図３参照図３は、上記の有機絶縁膜の誘電率の経時変化の説明図
であり、２５℃，６０％ＲＨの大気雰囲気中で７日間放
置した場合の誘電率の経時変化を示す図であり、比較の
ために、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いたゾ
ルゲル法により形成した無機ＳＯＧ（スピンオングラ
ス）膜の経時変化も併せて示している。

【００４２】図から明らかなように、本発明の有機絶縁
膜におけては誘電率が殆ど変化しないのに対して、無機
ＳＯＧ膜は誘電率が上昇することが理解される。これ
は、有機絶縁膜が極性の低いポリマからなるため、耐湿
性が高く、したがって、吸湿による誘電率の経時変化が
発生しないものである。

【００４３】図４参照図４は、上記の有機絶縁膜１５上にスパッタリング法に
よって膜厚が５０ｎｍのＣｕ膜を形成したのち、Ａｒイ
オンでスパッタを行いながらＸＰＳ法によってＣ原子，
Ｃｕ原子の深さ方向の組成分布を測定した結果を示した
図であり、比較のために、ＴＥＯＳを用いたゾルゲル法
により形成した無機ＳＯＧ膜上に５０ｎｍのＣｕを設け
て同様の測定を行った結果を示したものである。

【００４４】図から明らかなように、本発明において
は、スパッタ時間、即ち、エッチング時間が５０分を越
えるとＣｕ濃度は大幅に減少し、６０分を過ぎると５％
以下になり、Ｃｕの拡散が抑制されていることが理解さ
れる。一方、無機ＳＯＧ膜の場合には、エッチング時間
が６０分を越えてもＣｕ濃度は２０％程度であり、Ｃｕ
の拡散が顕著に発生していることが理解される。

【００４５】これは、図１のアダマンタンの構成から明
らかなように、本発明の有機絶縁膜１５はイオン結合性
が非常に低いために、イオンとして拡散するＣｕに対し
てバリア機能を有しているためである。

【００４６】次に、本発明の有機絶縁膜を加熱昇温脱ガ
ス分析装置により脱ガス分析を行った結果、ポリマの分
解に伴う脱ガスが４２０℃まで見られなかった。これ
は、アダマンタン環は全てが飽和結合で構成されている
ので、原子間の結合が強固であり、したがって、アダマ
ンタン環を酸素を介して結合したポリアダマンタンエー
テルからなる有機絶縁膜の熱分解温度は高く、耐熱性が
良好であるためである。

【００４７】次に、図５乃至図７を参照して、本発明の
有機絶縁膜を半導体集積回路装置の層間絶縁膜に用いた
一例である本発明の第２の実施例を説明する。図５（ａ）参照まず、従来の通常の工程によって、ｐ型シリコン基板２
１に選択酸化法を用いて素子分離酸化膜２２を形成した
のち、ゲート絶縁膜２３、ゲート電極２４、及び、Ｓｉ
Ｎ保護膜２６からなるゲート構造体を形成し、サイドウ
ォール２５をマスクとしてＡｓイオンを注入することに
よってｎ型ソース・ドレイン領域２７を形成する。な
お、図示・説明を簡単にするためにＬＤＤ領域の形成工
程等は省略する。

【００４８】次いで、全面に、厚さが、例えば、１μｍ
のＳｉＯ₂膜２８を堆積させて層間絶縁膜としたのち、
後のＣＭＰ（化学機械研磨）工程において研磨ストッパ
ーとなるＳｉＮ膜２９を、例えば、１００ｎｍの厚さに
堆積させる。

【００４９】次いで、ｎ型ソース・ドレイン領域２７に
達するビアホールを形成したのち、スパッタ法を用いて
全面に、厚さが、例えば、５０ｎｍのＴａＮ膜３０を堆
積させてバリアメタルとし、次いで、同じく、スパッタ
法によってＷを厚く堆積させたのち、ＣＭＰ法によって
ＳｉＮ膜２９が露出するまで研磨することによって、Ｗ
ビア３１を形成する。

【００５０】図５（ｂ）参照次いで、上記の第１の実施例と同様にして形成したポリ
アダマンタンエーテルをシクロヘキサノンに溶解した塗
布液をスピーンコータによって塗布し、上記の第１の実
施例と全く同様に乾燥工程及び架橋工程を順次行うこと
によって厚さが、例えば、４５０ｎｍで有機絶縁膜３２
を形成し、次いで、ＴＥＯＳ−ＮＳＧ膜、即ち、ＳｉＯ
₂膜３３を、例えば、５０ｎｍの厚さに堆積させる。な
お、このＳｉＯ₂膜３３もＣＭＰ工程におけるストッパ
ーとなる。

【００５１】図６（ｃ）参照次いで、ＣＦ₄＋ＣＨＦ₃を用いた反応性イオンエッチ
ング（ＲＩＥ）を施すことによってＳｉＯ₂膜３３をエ
ッチングしたのち、ＳｉＯ₂膜３３をマスクとしてＯ₂
を用いたＲＩＥを施すことによって有機絶縁膜３２をエ
ッチングしてＷビア３１に達する配線層用溝を形成す
る。この場合、有機絶縁膜は完全有機膜であるのでＳｉ
Ｏ₂等の無機膜とのエッチング選択比が大きくとれるた
め、誘電率の大きなＳｉＮ膜を用いる必要がなくなる。

【００５２】次いで、スパッタ法を用いて、全面に、厚
さが、例えば、５０ｎｍのＴａＮ膜３４及び５０ｎｍの
Ｃｕシード層３５を順次堆積させたのち、Ｃｕシード層
３５をメッキベース層として電解メッキを行うことによ
ってＣｕメッキ層３６を６００ｎｍの厚さに成膜して配
線層形成用溝を埋め込む。

【００５３】図６（ｄ）参照次いで、再び、ＣＭＰ法によってＳｉＯ₂膜３３が露出
するまでＣｕメッキ層３６、Ｃｕシード層３５、及び、
ＴａＮ膜３４を研磨して除去することによって、Ｃｕメ
ッキ層３６とＣｕシード層３５とが一体になったＣｕ埋
込配線層３７を形成する。

【００５４】図７（ｅ）参照次いで、上記の有機絶縁膜３２とＳｉＯ₂膜３３の製造
工程と全く同様にして、厚さが、例えば、４００ｎｍの
有機絶縁膜３８、５０ｎｍのＳｉＯ₂膜３９、４００ｎ
ｍの有機絶縁膜４０、及び、５０ｎｍのＳｉＯ₂膜４１
を順次成膜する。

【００５５】次いで、ＣＦ₄＋ＣＨＦ₃を用いたＲＩＥ
及びＯ₂を用いたＲＩＥを２度繰り返すことによって、
有機絶縁膜３８にＣｕ埋込配線層３７に達するビアホー
ルを形成するとともに、有機絶縁膜４０に配線層用溝を
形成したのち、スパッタ法を用いて、全面に、厚さが、
例えば、５０ｎｍのＴａＮ膜４２，４３及び５０ｎｍの
Ｃｕシード層（図示せず）を順次堆積させ、次いで、厚
さが１４００ｎｍのＣｕメッキ層（図示せず）を成膜し
て配線層形成用溝及びビアホールをを埋め込む。

【００５６】次いで、再び、ＣＭＰ法によってＳｉＯ₂
膜４１が露出するまでＣｕメッキ層、Ｃｕシード層、及
び、ＴａＮ膜４２，４３を研磨して除去することによっ
て、Ｃｕメッキ層とＣｕシード層とが一体になったＣｕ
埋込配線層４４，４５を形成する。なお、この場合、Ｃ
ｕ埋込配線層４４においては配線層とビアとが一体に形
成される。

【００５７】この様な有機絶縁膜の形成工程、配線層用
溝及びビアホールの形成工程、Ｃｕ埋込配線層の形成工
程を必要回数だけ繰り返すことによって多層配線構造を
有する半導体集積回路装置が得られる。

【００５８】この本発明の第２の実施例においては、Ｃ
ｕ埋込配線層を形成する層間絶縁膜としてポリアダマン
タンエーテルを架橋反応させた有機絶縁膜を用いている
ので、耐熱性が高く、ＴａＮ膜やＣｕシード層のスパッ
タ工程における熱によってガスが発生することがなく、
したがって、ＴａＮ膜やＣｕシード層の被着性を向上す
ることができる。

【００５９】また、上述のように、本発明の有機絶縁膜
の誘電率は２．３５程度であるので隣接する配線層に起
因する寄生容量を大幅に低減することができ、且つ、耐
湿性が高く、誘電率が経時変化しないので、デバイス特
性及び信頼性をより向上することができる。

【００６０】また、上述のように本発明の有機絶縁膜は
Ｃｕに対する耐拡散性に優れるので、Ｃｕ埋込配線層か
らＣｕが層間絶縁膜中に拡散したり、さらには、シリコ
ン基板中に拡散することがないので、リーク不良やデバ
イス特性の劣化が発生することがない。

【００６１】なお、この第２の実施例においては、バリ
アメタルとなるＴａＮ膜を５０ｎｍ堆積させているが、
これは、ＴａＮ膜とＣｕシード層との密着性を改善させ
るためであるので、ＴａＮをさらに薄くしても問題がな
いものであり、それによって、Ｃｕ埋込配線層における
Ｃｕの比率が増えるので微細化に伴う配線抵抗の上昇を
抑制することができる。

【００６２】以上、本発明の実施の形態及び各実施例を
説明してきたが、本発明は実施の形態及び各実施例に記
載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変
更が可能である。例えば、埋込配線を形成するためにＣ
ｕを用いているが、必ずしも純粋なＣｕである必要はな
く、Ｃｕ−Ｚｎ等のＣｕ系導電体を用いても良いもので
あり、いずれにしても電解メッキが可能なＣｕを主成分
とするＣｕ合金を用いても良いものである。

【００６３】また、上記各実施例においては、バリアメ
タルとして、ＴａＮを用いているが、ＴｉＮ等の他の高
融点導電体を用いても良いものである。

【００６４】また、上記の各実施例においては、ＣＭＰ
法を用いた埋込配線層の形成工程として説明している
が、成膜後にパターニングを行う通常の配線層構造に対
しても適用されるものであり、この場合にも、上下のバ
リアメタル層を薄くできるので配線抵抗の増加を抑制す
ることができる。また、配線層の露出側面をバリアメタ
ルで被覆しなくともＣｕ等の拡散は防止されるので、配
線層の露出側面においてはバリアメタルを省くことがで
きる。

【００６５】また、上記の各実施例においては、半導体
装置の層間絶縁膜として用いているが、半導体装置に限
られるものではなく、他の固体電子装置の層間絶縁膜と
して用いることができるのである。

【００６６】さらには、半導体装置や固体電子装置を実
装する多層配線構造実装回路基板の絶縁膜として用いて
も良いものであり、それによって、電子部品のアセンブ
リ工程における熱条件が緩和され、製品の信頼性が高ま
ることになる。

【００６７】（付記１）アダマンタン環同士を酸素を
介して結合して構成されるポリアダマンタンエーテルか
らなることを特徴とする有機絶縁膜材料。（付記２）上記ポリアダマンタンエーテルが、下記の
一般式で表される構造単位の繰り返しからなることを特
徴とする付記１記載の有機絶縁膜材料。

【化２】（付記３）上記ポリアダマンタンエーテルの重量平均
分子量が、１０００以上５０００００以下であることを
特徴とする付記１または２に記載の有機絶縁膜材料。（付記４）付記１乃至３のいずれか１に記載の有機絶
縁膜材料を用いて形成した有機絶縁膜を設けたことを特
徴とする半導体装置。（付記５）上記有機絶縁膜に配線用溝を設けるととも
に、前記配線用溝に表面が平坦な埋込配線層設けたこと
を特徴とする付記４記載の半導体装置。（付記６）上記有機絶縁膜を多層に設けるとともに、
埋込配線層間を接続するビアホールを設け、ビアホール
内に埋込導電性ビアを設けたことを特徴とする付記５記
載の半導体装置。（付記７）配線材料或いは埋込導電性ビアの少なくと
も一方をＣｕを主成分とするＣｕ系導電材料で構成する
とともに、Ｃｕ系導電材料と有機絶縁膜とが直接接する
ように設けたことを特徴とする付記４乃至６のいずれか
１に記載の半導体装置。（付記８）アダマンタンフェノール化合物をモノマと
し、このモノマと酸性触媒とを含む反応溶液を加熱して
脱水重合させることによってポリアダマンタンエーテル
とすることを特徴とする有機絶縁膜材料の製造方法。（付記９）付記１乃至３のいずれか１に記載の有機絶
縁膜材料を基板上に塗布したのち、１２０℃〜３５０℃
の温度で第１の熱処理を行い、次いで、酸素が１００ｐ
ｐｍ以下の不活性ガス雰囲気中で、２５０℃〜４５０℃
の温度で第２の熱処理を行うことによって塗布被膜を固
化させることを特徴とする有機絶縁膜の形成方法。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、ポリアダマンタンエー
テルからなる有機絶縁膜材料を用い、この有機絶縁膜材
料を架橋させて有機絶縁膜を構成しているので、炭素原
子が飽和結合した嵩高いアダマンタンの分子構造を反映
して、低誘電率で且つ耐湿性及び耐熱性に優れた絶縁膜
となり、層間絶縁膜として用いた場合には、配線層間の
寄生容量を大幅に低減することができるので、微細化に
伴う信号遅延を抑制することができる。

【００６９】また、本発明の有機絶縁膜はＣｕに対する
耐拡散性に優れているので、ＳｉＮ膜を必要とせず、ま
た、バリアメタルを設ける場合にも、密着性を保つのに
必要最小限の厚さにすれば良いのでバリアメタルの膜厚
の薄層化が可能になり、それによって、配線抵抗の増大
を抑制することができ、上記の寄生容量の低減効果と相
まって半導体集積回路装置等の微細化に伴う信号遅延を
効果的に抑制することができるので、半導体集積回路装
置のさらなる高集積化、高速化に寄与するところが大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】アダマンタンの分子構造を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施例の製造工程の説明図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施例の有機絶縁膜の誘電率の
経時変化の説明図である。

【図４】本発明の第１の実施例の有機絶縁膜の対Ｃｕ拡
散効果の説明図である。

【図５】本発明の第２の実施例の途中までの製造工程の
説明図である。

【図６】本発明の第２の実施例の図５以降の途中までの
製造工程の説明図である。

【図７】本発明の第２の実施例の図６以降の製造工程の
説明図である。

【符号の説明】

１炭素原子２水素原子１１シリコン基板１２塗布被膜１３乾燥被膜１４窒素ガス雰囲気１５有機絶縁膜２１ｐ型シリコン基板２２素子分離酸化膜２３ゲート絶縁膜２４ゲート電極２５サイドウォール２６ＳｉＮ保護膜２７ｎ型ソース・ドレイン領域２８ＳｉＯ₂膜２９ＳｉＮ膜３０ＴａＮ膜３１Ｗビア３２有機絶縁膜３３ＳｉＯ₂膜３４ＴａＮ膜３５Ｃｕシード層３６Ｃｕメッキ層３７Ｃｕ埋込配線層３８有機絶縁膜３９ＳｉＯ₂膜４０有機絶縁膜４１ＳｉＯ₂膜４２ＴａＮ膜４３ＴａＮ膜４４Ｃｕ埋込配線層４５Ｃｕ埋込配線層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/768 Ｈ０１Ｌ 21/90 ＳＱ (72)発明者中田義弘神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 4J005 AA21 BB01 BB02 4J038 DF001 MA14 NA21 PA19 PB09 5F033 HH11 HH12 HH32 HH33 JJ19 JJ32 JJ33 KK01 MM01 MM12 MM13 NN06 NN07 PP15 PP27 PP33 QQ09 QQ13 QQ25 QQ28 QQ37 QQ48 RR04 RR06 RR21 SS22 TT04 XX18 XX25 XX27 XX28 5F058 AA10 AC10 AF04 AG01 AH02 5G305 AA07 AA14 AB10 AB24 AB40 BA18 BA24 BA26 CA13 DA22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アダマンタン環同士を酸素を介して結合
して構成されるポリアダマンタンエーテルからなること
を特徴とする有機絶縁膜材料。
【請求項２】上記ポリアダマンタンエーテルの重量平
均分子量が、１０００以上５０００００以下であること
を特徴とする請求項１記載の有機絶縁膜材料。
【請求項３】請求項１または２に記載の有機絶縁膜材
料を用いて形成した有機絶縁膜を設けたことを特徴とす
る半導体装置。
【請求項４】アダマンタンフェノール化合物をモノマ
とし、このモノマと酸性触媒とを含む反応溶液を加熱し
て脱水重合させることによってポリアダマンタンエーテ
ルとすることを特徴とする有機絶縁膜材料の製造方法。
【請求項５】請求項１または２に記載の有機絶縁膜材
料を基板上に塗布したのち、１２０℃〜３５０℃の温度
で第１の熱処理を行い、次いで、酸素が１００ｐｐｍ以
下の不活性ガス雰囲気中で、２５０℃〜４５０℃の温度
で第２の熱処理を行うことによって塗布被膜を固化させ
ることを特徴とする有機絶縁膜の形成方法。