JP2002009148A

JP2002009148A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2002009148A
Application number: JP2000190620A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimizu; 亮清水; Noritoshi Ozaki; 文紀尾崎
Original assignee: ASM Japan KK
Current assignee: ASM Japan KK
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】高い選択性を有する酸化膜を使用して選択エッ
チング処理を行うことにより、比誘電率が限りなく１に
近い中空構造の層間絶縁膜を形成する半導体装置の製造
方法を提供する。【解決手段】本発明に係る方法は、多層配線の層間絶縁
膜を中空構造にて形成する半導体装置の製造方法であっ
て、(a)配線2上にSiOF膜層1を形成する工程と、(b)SiOF
膜層1上にキャップ膜層3を形成する工程と、(c)キャッ
プ膜層3及びSiOF膜層1を貫通して、コンタクトホール4
を形成する工程と、(d)コンタクトホール4を充填しかつ
配線2まで届くようにコンタクトプラグ5を形成する工程
と、(e)キャップ膜層3に所定の大きさの開口部6を形成
する工程と、(f)コンタクトプラグ5上に位置合わせして
配線7を形成する工程と、(g)上記工程(a)から(f)を所定
の回数だけ繰り返す工程と、(h)多層構造の各段のSiOF
層をすべて選択エッチングする工程と、(i)最上段のキ
ャップ膜層の開口部を封孔10する工程と、から成る。エ
ッチングガスとしてHFのみが使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特にフッ素添加シリコン酸化膜（以下、Si
OFという）を犠牲膜とする選択エッチングを利用して、
中空構造の層間絶縁膜を形成する方法に関する。

【０００２】

【従来技術及び発明が解決しようとする課題】近年、半
導体装置の高集積化に伴い高速化が図られ、相対的に配
線のもつRC遅延が信号処理時間の大半を支配するように
なっている。RC遅延を抑える手段として配線容量の低減
が挙げられる。低誘電率材料としては従来より、フッ素
ドープSiO₂、ポーラスSiO₂、有機膜若しくは多孔質膜等
が検討されている。しかし、これらの材料は加工が困難
な点や耐熱性不足の問題を有しており、それらが工程数
の増加若しくは信頼性の低下を引き起こし実用化には至
っていない。また、これらの材料の比誘電率は3.4〜3.8
の値を示すが、今後の半導体装置の要求仕様からはこれ
らの値では十分とはいえない。そこで、中空構造の層間
絶縁膜を使用した配線技術が提案されている。

【０００３】しかし、SiO₂膜を使用して中空層若しくは
ボイドを形成することによって低誘電率化を図る従来の
手法では、下層配線に対してビアの合わせずれが生じた
ままビアを開口すると、開口部が中空部分に貫通し、ビ
アの埋め込み材料が中空部分に流入し、ビア部の接続不
良を起こすという問題がある。また、中空部分の高さが
高くなり、CMP(Chemical Mechanical Polishing)で層間
絶縁膜を研磨する工程において中空部が露出し、上層配
線の断線若しくは短絡を生じるとう問題がある。

【０００４】一方、選択エッチングにより配線間を空洞
化させることによって低誘電率化を図るという手法があ
る。選択エッチング処理では、ノンドープシリコン酸化
膜（以下、NSGという）との選択性を得るために、リン
ドープ酸化膜（以下、PSGという）若しくはリンボロン
ドープ酸化膜（以下、BPSGという）等が使用される。選
択エッチングは原理的に以下に示す２つの化学反応によ
って生じる。 SiO₂(P₂O₅)+4HF→SiF₄+2H₂O・・・・・（１） P₂O₅+3H₂O→2H₃PO₄・・・・・・・・・（２）上記化学反応（１）はPSG若しくはBPSGがHFによってエ
ッチングされる初期に生じるものであり、化学反応
（２）はその後に生じるリン酸生成反応を示す。化学反
応（１）によって生じたH₂Oと、PSG若しくはBPSG中のP₂
O₅が化学反応（２）を起こしリン酸層が形成される。そ
のリン酸層中でのみHFが効果的にイオン化されるために
PSG若しくはBPSGが選択的にエッチングされるのであ
る。

【０００５】しかし、この方法では、化学反応（２）で
生成されたリン酸が少量のHFを含みかつ蒸気圧が低いた
めにエッチング処理後も半導体基板上に残留し、装置か
ら出すと大気中の水分を吸収してNSGをエッチングして
しまうという問題がある。また、NSGのエッチングを防
止するために、エッチング処理終了後に速やかに半導体
基板を純水で洗浄する必要があるが、それによって工程
数が増加しプロセス安定性が低下するという問題もあ
る。

【０００６】したがって、本発明の目的は、高い選択性
を有する酸化膜を使用して選択エッチング処理を行うこ
とにより、比誘電率が限りなく１に近い中空構造の層間
絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法を提供すること
である。

【０００７】また、本発明の他の目的は、残渣を残さず
かつ工程数を増やすことなく選択エッチング処理を行う
ことにより、高いプロセス安定性を保ちながら中空構造
の層間絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法を提供す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体基板の処理方法は以下の工程か
ら成る。

【０００９】本発明に係る多層配線の層間絶縁膜を中空
構造にて形成する半導体装置の製造方法は、層間絶縁膜
を選択エッチング処理する工程を含み、層間絶縁膜とし
てSiOFを使用することを特徴とする。

【００１０】具体的には、当該方法は、(a)配線上にSiO
F膜層を形成する工程と、(b)SiOF膜層上にキャップ膜層
を形成する工程と、(c)キャップ膜層及びSiOF膜層を貫
通して、コンタクトホールを形成する工程と、(d)コン
タクトホールを充填しかつ配線まで届くようにコンタク
トプラグを形成する工程と、(e)キャップ膜層に所定の
大きさの開口部を形成する工程と、(f)コンタクトプラ
グ上に位置合わせして配線を形成する工程と、(g)工程
(a)から(f)を所定の回数だけ繰り返す工程と、(h)多層
構造の各段のSiOF層をすべて選択エッチングする工程
と、(i)最上段のキャップ膜層の開口部を封孔する工程
と、から成る。

【００１１】具体的には、キャップ膜層は、ポリシリコ
ン、アモルファスシリコン、SiN、SiON、SiO、有機膜ま
たは多孔質膜のいずれかである。

【００１２】好適には、SiOF層を選択エッチングする工
程において、エッチングガスとしてHFのみを使用する。

【００１３】また好適には、選択エッチング処理が１〜
１０Torrの圧力範囲で実行される。

【００１４】具体的には、キャップ膜層の開口部を封孔
する工程が、Si選択成長法により開口部にポリシリコン
を形成することから成る。

【００１５】また、キャップ膜層の開口部を封孔する工
程は、ステップカバレッジの悪いSiO₂膜をプラズマCVD
法により成膜することから成る。

【００１６】

【発明の実施の態様】本発明に係る方法は、多層配線の
層間絶縁膜を中空構造にて形成する半導体装置の製造方
法であって、前記層間絶縁膜を選択エッチング処理する
工程を含み、前記層間絶縁膜としてSiOFを使用すること
を特徴とする。ここで、SiOFについて簡単に説明する。

【００１７】プラズマCVD法を用いて成膜したフッ素添
加シリコン酸化膜（SiOF）は高い吸湿性を示すが、その
吸湿現象は、膜中ボアへのH₂Oの侵入に始まり、続いてH
₂OのSi−OH及びSi−Fへの水素結合、さらにSi−F₂結合
とH₂Oの間で、 Si−F₂+H₂O→F−Si−OH+HF・・・・・・（３）という加水分解反応が起こり、膜中にF−Si−OH及びHF
が形成されるという過程で進行すると考えられている。
空気中のH₂O分子を取り込んで一度吸湿したSiOF膜は、
膜中に−OH基及びH₂O分子を有している。これらと反応
チャンバに導入されたHFガスとが反応することでHFがイ
オン化し、 SiOF+HF→SiF₄+H₂O・・・・・・・・・・（４）というエッチング反応が生じる。化学反応式（４）によ
り発生したH₂Oは、さらに雰囲気中のHFと反応しエッチ
ングが促進される。

【００１８】化学反応式（４）から明らかなように、吸
湿したSiOF膜は、エッチングの際に従来の酸化膜が必要
としたH₂Oを必要としない。したがって、HFのみをエッ
チングガスに使用することでSiOF以外の酸化膜種のエッ
チングを抑制することができ、選択性を向上させること
ができる。化学反応式（４）の反応でできた生成物であ
るSiF₄及びH₂Oは、エッチング処理後に反応チャンバ内
を真空排気することによって気体として排気されるの
で、残渣若しくは副生成物が生じることもなく、エッチ
ング処理後の純水洗浄も必要ではない。

【００１９】このように、本願発明は吸湿性を有するSi
OF膜を選択エッチングの犠牲膜として使用することによ
って、多層配線の層間絶縁膜を中空構造にて形成しよう
とするものである。

【００２０】以下、図面を参照しながら本願発明を詳細
に説明する。図１(a)〜(i)は本発明に係る多層配線の層
間絶縁膜を中空構造にて形成する方法の好適実施例の工
程を略示したものである。本発明に係る方法は以下の工
程から成る。

【００２１】工程(a)：下部配線2上にSiOFを成膜する。
SiOF膜1は、モノシラン(SiH₄)、亜酸化二窒素(N₂O)、4
フッ化シラン(SiF₄)及びHe若しくはArガスを材料ガスと
してプラズマCVD装置によって成膜する。この際配線材
料がHFに対し腐食性を示す場合（例えば、Al配線等）に
はバリアー層を形成しておく。

【００２２】工程(b)：SiOF膜1の上にキャップ膜3を形
成する。キャップ膜3の材料として、ポリシリコン、ア
モルファスシリコン、SiN、SiON、SiO、有機膜若しくは
多孔質膜を用いることができる。また，以下の工程(i)
で説明するように、Si選択成長法により封孔できる他の
材料を用いることもできる。

【００２３】工程(c)：キャップ膜層３及びSiOF膜層1を
貫通してコンタクトホール4を形成する。またこの際、
配線間を中空構造とした場合に強度が問題となるような
配線レイアウトならば、梁を入れるためのパターンを同
時に形成しておく。

【００２４】工程(d)：コンタクトホール4を充填しかつ
配線2まで届くようにコンタクトプラグ5を形成する。ま
た、工程(c)で梁を入れるパターンを形成した場合には
同時に梁が形成される。該梁はコンタクトプラグと材料
が同一であるが、配線どうしを電気的に接続するもので
はない。

【００２５】工程(e)：キャップ膜3上に犠牲膜(SiOF)を
エッチングするための開口部6を形成する。該開口部6は
コンタクトプラグ5若しくは上部配線が形成される領域
を避けて形成される（図２(a)参照）。開口部6のサイズ
及び個数は犠牲膜(SiOF)の厚さ等により適宜選択され
る。ただし、開口部6のサイズは、後に封孔するために
キャップ膜の膜厚の４分の１以下とすることが望まし
い。

【００２６】工程(f)：コンタクトプラグ5の上部に位置
合わせして上部配線7が形成される。

【００２７】工程(g)：工程(a)〜(f)を所定の回数だけ
繰り返すことにより、層間絶縁膜をSiOFとする多層配線
(2,7,8)が形成される。

【００２８】工程(h)：100％HFを用いて、各段のSiOF膜
1をすべて選択的にエッチングすることにより真空の中
空構造9を形成する。エッチング圧力を１〜１０Torr
（好適には１〜５Torr）とすることで、エッチング反応
で生じたSiF₄及びH₂O等が半導体基板上に残留せずに除
去される。

【００２９】工程(i)：Si選択成長法を用いて、最上段
のキャップ膜3上の開口部6を選択的に封孔10する。温度
３００℃〜５６０℃、高真空下（成膜時に1E-2Pa程度）
においてモノシラン(SiH₄)を20sccm流しながら開口部6
のみにポリシリコンを成長させる。また、ステップカバ
レッジの悪いプラズマCVD法により最上段のキャップ層3
上にSiO₂を成膜することで、開口部6を封孔することも
できる。

【００３０】図２(a)は工程(e)における開口部6と下部
配線2の位置関係を３次元的に表したものであり、図２
(b)は本発明に係る方法により形成された中空構造の層
間絶縁膜を使用した多層配線の断面図を略示したもので
ある。多層配線の各段には層間絶縁膜として真空の中空
構造9が形成され、配線間比誘電率は限りなく１に近づ
く。

【００３１】本発明に係る多層配線の層間絶縁膜を中空
構造にて形成する方法の他の実施例の工程が図３に示さ
れている。

【００３２】工程(a)：デバイスの層間絶縁膜部に、キ
ャップ膜31としてSiC若しくはSiNを成膜し、その上に低
誘電率膜32を成膜し、その上に再びキャップ膜31を成膜
し、さらにその上にSiOF膜30を成膜する。

【００３３】工程(b)：キャップ膜31及び低誘電率膜32
の開口部直径が、キャップ膜31及びSiOF膜30の開口部直
径より小さくなるように、段差を設けてエッチングす
る。

【００３４】工程(c)：工程(b)の開口部の表面にTiN若
しくはTa系の材料を用いてCu配線のためのバリアメタル
膜33を成膜する。さらにその上にCuを成膜し、その後CM
Pを行う。

【００３５】工程(d)：キャップ膜31として疎水性を有
するSiC若しくはSiNを再度成膜し、該キャップ膜上に直
径がキャップ膜の膜厚の４分の１以下の開口部35を形成
する。該開口部35は配線部及びコンタクトホール部にあ
たる場所を避けて形成される。

【００３６】工程(e)：SiOF膜30を選択エッチングし、
空間層36を形成する。

【００３７】工程(f)：キャップ膜31の上に低誘電率の
層間絶縁膜32を成膜し、さらにキャップ膜を再度成膜
し、その上にSiOF膜30を成膜する。

【００３８】工程(g)：工程(b)〜(f)を繰り返し、真空
の中空構造の層間絶縁膜を使用した多層配線を形成す
る。最上段のキャップ膜の開口部はSi選択成長法若しく
はステップカバレッジの悪いプラズマCVD法により封孔3
7する。

【００３９】本実施例によれば、コンタクト部と配線部
を同時に形成することができるため工程数が減少し、か
つ配線間を真空の空間層と低誘電率層で満たすことによ
り配線間比誘電率の低い多層配線構造を形成することが
できる。

【００４０】

【効果】本発明に係る方法によれば、エッチングの犠牲
膜としてSiOFを使用することによって、高い選択性を得
ることができ、比誘電率が限りなく１に近い中空構造の
層間絶縁膜を形成することができる。

【００４１】また、本発明に係る方法によれば、純水洗
浄工程が不要となり、残渣を残さずかつ工程数を増やす
ことなく選択エッチング処理を行うことができるため、
高いプロセス安定性を保ちながら中空構造の層間絶縁膜
を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a)〜(i)は、本発明に係る方法の好適実施
例の工程を略示したものである。

【図２】図２(a)は、下部配線とキャップ膜の開口部と
の位置関係を３次元的に示したものであり、図２(b)
は、好適実施例により形成された多層配線構造の断面図
を略示したものである。

【図３】図３(a)〜(g)は、本発明に係る方法の他の実施
例の工程を略示したものである。

【符号の説明】

1SiOF膜 2配線 3キャップ膜 4コンタクトホール 5コンタクトプラグ 6開口部 7配線 8配線 9中空構造 10封孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多層配線の層間絶縁膜を中空構造にて形成
する半導体装置の製造方法であって、前記層間絶縁膜を
選択エッチング処理する工程を含み、前記層間絶縁膜と
してSiOFを使用することを特徴とする方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法であって、エッチン
グガスとしてHFのみを使用するところの方法。
【請求項３】請求項２に記載の方法であって、前記選択
エッチング処理が１〜１０Torrの圧力範囲で実行される
ところの方法。
【請求項４】多層配線の層間絶縁膜を中空構造にて形成
する半導体装置の製造方法であって、 (a)配線上にSiOF膜層を形成する工程と、 (b)前記SiOF膜層上にキャップ膜層を形成する工程と、 (c)前記キャップ膜層及び前記SiOF膜層を貫通して、コ
ンタクトホールを形成する工程と、 (d)前記コンタクトホールを充填しかつ前記配線まで届
くようにコンタクトプラグを形成する工程と、 (e)前記キャップ膜層に所定の大きさの開口部を形成す
る工程と、 (f)前記コンタクトプラグ上に位置合わせして配線を形
成する工程と、 (g)前記工程(a)から(f)を所定の回数だけ繰り返す工程
と、 (h)多層構造の各段の前記SiOF層をすべて選択エッチン
グする工程と、 (i)最上段の前記キャップ膜層の開口部を封孔する工程
と、から成る方法。
【請求項５】請求項４に記載の方法であって、前記キャ
ップ膜層は、ポリシリコン、アモルファスシリコン、Si
N、SiON、SiO、有機膜または多孔質膜のいずれかである
ところの方法。
【請求項６】請求項４に記載の方法であって、前記SiOF
層を選択エッチングする工程は、エッチングガスとして
HFのみを使用するところの方法。
【請求項７】請求項６に記載の方法であって、前記選択
エッチング処理が１〜１０Torrの圧力範囲で実行される
ところの方法。
【請求項８】請求項４に記載の方法であって、前記キャ
ップ膜層の開口部を封孔する工程が、Si選択成長法によ
り開口部にポリシリコンを形成することから成るところ
の方法。
【請求項９】請求項４に記載の方法であって、前記キャ
ップ膜層の開口部を封孔する工程が、ステップカバレッ
ジの悪いSiO₂膜をプラズマCVD法により成膜することか
ら成るところの方法。