JP2003258095A

JP2003258095A - 基台上の絶縁膜およびその製造方法

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Publication number: JP2003258095A
Application number: JP2002059795A
Authority: JP
Inventors: Tamon Miyakai; 多聞宮廻
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-03-06
Filing date: 2002-03-06
Publication date: 2003-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】基台上の絶縁膜を一般的な低誘電率材料に比
べて機械的強度に優れた低誘電率絶縁膜とする。【解決手段】下層構造物１０の上にエッチングストッ
パとなるＳｉｎ膜１１を介してシリコン酸化膜１２を設
け、ハニカムパターンのフォトレジストをマスクにエッ
チングにより多数の孔１４を掘り、エッチングにより孔
径を広げたハニカム状のシリコン酸化膜１２ａの孔１５
に低誘電率の絶縁材料を詰め込んで低誘電率絶縁膜構造
とする。詰め込む低誘電率の絶縁材料は機械的強度が低
いがハニカム状のシリコン酸化膜１２ａは機械的強度が
あるので、この低誘電率絶縁膜構造は機械的強度に優れ
たものとなる。しかして、例えば、この低誘電率絶縁膜
構造に配線溝を掘り電解メッキ法で銅層を形成し余分な
銅をＣＭＰで平坦に除去して配線を作る際などのＣＭＰ
圧力に耐えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】低誘電率でかつＣＭＰ（化学
的／機械的研磨）等の圧力に耐えることができる基台上
の絶縁膜と、この絶縁膜を用いた配線構造とＳＯＩ基板
およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＵＬＳＩのように、数ミリ角のチ
ップに数百万個以上もの素子が形成された高集積化半導
体装置においては、集積度の上昇に伴うチップ面積の増
大を抑制するために、基台上に絶縁層と配線とを交互に
積み重ねる多層配線技術が不可欠とされている。また、
チップ面積に占める配線の面積の割合が増大し、且つ、
絶縁層の厚さの減少に伴い配線間容量が増大している状
況下では、信号遅延や消費電力の増大が深刻化する。こ
のため、（１）配線材料の低抵抗化、及び、（２）絶縁
層の低誘電率化、が強く求められている。

【０００３】上記（１）の配線材料の低抵抗化に関して
は、従来の配線材料の主流であったアルミニウム系合金
（例えば、Ａｌ−０．５％Ｃｕ、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．
５％Ｃｕ）に代わり、より比抵抗の低い銅（Ｃｕ）や銀
（Ａｇ）等を用いるための検討が進められている。銅の
比抵抗は約１．７μΩ・ｃｍ、銀の比抵抗は約１．６μ
Ω・ｃｍと低く、いずれもエレクトロマイグレーション
耐性がアルミニウム系合金に比べて１桁程度高い。

【０００４】ところで、銅については、上記のような利
点により半導体装置の配線材料として有望である反面、
例えば、エッチング反応生成物の蒸気圧が低く、通常の
ドライエッチング法ではパターニングが困難であるとい
った理由から、実用化が遅れていた。しかし、絶縁層に
予め形成された凹部に金属薄膜を略平坦に埋め込むだけ
であれば、ドライエッチング法によるパターニングが不
要となり、銅のようにエッチングし難い金属についても
配線用材料として使えるようになった。

【０００５】上記のように、絶縁層に予め凹部を形成し
ておき、この凹部を金属薄膜で略平坦に埋め込むプロセ
スは、「ダマシン・プロセス」と呼ばれている。特に、
凹部として配線形成用の溝部のみを形成し、埋め込まれ
た金属薄膜によって配線を形成するプロセスを、「シン
グルダマシン・プロセス」と称する。また、配線形成用
の溝部に加え、この溝部の底部に接続するプラグ形成用
の開口部を凹部として形成し、埋め込まれた金属薄膜に
よってプラグと配線の双方を形成するプロセスを、「デ
ュアルダマシン・プロセス」と称する。尚、埋め込まれ
た金属薄膜によってプラグのみを形成するプロセスは、
「埋込みプラグ・プロセス」と称されており、タングス
テン等の高融点金属を用いたプロセスが既に実用化され
ている。

【０００６】以下、従来の埋込みプラグの製造方法につ
いて、図８を参照して説明する。

【０００７】図８（ａ）について、下層配線（図示省
略）が形成された基体１１０上に、絶縁層１１１を形成
し、絶縁層１１１に凹部１１２を形成する。従来の一般
的な絶縁層１１１は、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）系材
料、酸化フッ化シリコン（ＳｉＯＦ）系材料、窒化シリ
コン（ＳｉＮ）系材料、あるいはこれらの材料の組合せ
から成り、スパッタリング法やＣＶＤ法（化学気相成長
法）によって形成される。また、酸化シリコン系材料を
用いる場合は、ＳＯＧ（スピンオングラス）の塗布によ
り絶縁層１１１を形成することも可能である。凹部１１
２は、ここでは、下層配線に接続するプラグを形成する
ための開口部である。次に、凹部１１２内を含む全面に
バリヤ層１１３として、例えば、ＴａＮ（窒化タンタ
ル）層を形成し、更にバリヤ層１１３上に導電材料層１
１４として例えばＣｕ（銅）層を例えばめっき法により
形成する。

【０００８】図８（ｂ）について、次に、ＣＭＰ法（化
学的／機械的研磨法）により、バリヤ層１１３の上面が
露出するまで導電材料層１１４を除去する。ＣＭＰ法に
おいてＣｕ層の除去に用いられる研磨スラリーとして
は、アルミナ−過酸化水素系スラリーが代表的である。
この時の研磨圧力は、バリヤ層１１３に対する選択比を
考慮し、３００ｇ／ｃｍ²程度とされる。また、オーバ
ー研磨率は、導電材料層１１４の除去の面内均一性を考
慮し、３０％前後とされる。以上のプロセスにより、上
面の高さが絶縁層１１１の上面の高さと略等しい埋込み
部１１４ａを凹部１１２内に残す。この埋込み部１１４
ａは、プラグとして機能する。尚、上記の条件では、Ｔ
ａＮから成るバリヤ層１１３は殆ど除去されない。

【０００９】図８（ｃ）について、次に、研磨圧力を例
えば３００ｇ／ｃｍ²程度に高め、引き続きＣＭＰ法に
より、絶縁層１１１の上面が露出するまでバリヤ層１１
３を除去し、埋込みプラグ製造プロセスを終了する。
尚、上記の研磨圧力は、実用的な研磨速度を得るために
選択されている。因みに、２５０ｇ／ｃｍ²以下の研磨
圧力では、ＴａＮ層から成るバリヤ層１１３を実用的な
研磨速度で研磨することは極めて難しい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記（２）
の絶縁層の低誘電率化については、従来の絶縁膜の代表
的な構成材料であるＳｉＯ₂（誘電率ｋ＝３．９）や酸
化フッ化シリコン（ＳｉＯＦ；ｋ＝３．４〜３．６）よ
りも誘電率ｋの低い材料を用いることが必須となる。半
導体装置のデザインルールが今後、０．１８μｍ、０．
１３μｍ及び０．１０μｍを目標値として段階的に縮小
されるに伴い、これらデザインルールに対応する半導体
装置の各世代において要求される誘電率ｋは、それぞれ
概ねｋ＝３．０〜２．５、ｋ＝２．５〜２．０、及びｋ
＝２．５〜１．０と見積もられている。誘電率ｋが概ね
３．０以下の材料は「低誘電率材料」と通称され、かか
る材料の代表例としては、イオン分極や電子分極を低減
するような分子設計に基づく有機ポリマーや、密度の低
下（即ち、空気の誘電率の寄与を高めること）を利用し
て低誘電率化を図った無機多孔質材料が知られている。
無機多孔質材料を用いて構成された絶縁層は、気泡膜と
も呼ばれる。

【００１１】しかしながら、有機ポリマーや無機多孔質
材料から成る絶縁層の機械的強度は、上記従来の一般的
な絶縁層の機械的強度に比べて小さく、２００ｇ／ｃｍ
²程度の研磨圧力が加わると破壊されてしまう。従っ
て、上記図８（ｂ）、（ｃ）のようにＣＭＰにより導電
材料層１１４やバリヤ層１１３の一部を除去する場合、
絶縁層１１１を従来のＳｉＯ₂に替えて有機ポリマーや
無機多孔質材料を用いて構成するとＣＭＰの圧力に耐え
られない。図９に一例として、ＣＭＰによる導電材料層
１１４の除去時に絶縁層２１が潰れた様子を模式的に示
す。

【００１２】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、従来の一般的な低誘電率材料に比べて機械的強
度に優れた低誘電率層構造を有する基板上の絶縁膜およ
びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明に係る基台上の絶縁膜は、多数の垂
直孔又は垂直溝が規則的配列かつ密集形態で設けられて
いる孔又は溝付き絶縁膜を有することを特徴とする。ま
た、請求項２の発明に係る基台上の絶縁膜は、請求項１
の発明において、前記孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔内又
は垂直溝内に低誘電率絶縁材料が詰められていることを
特徴とする。また、請求項３の発明に係る基台上の絶縁
膜は、請求項１又は２の発明において、前記孔付き絶縁
膜の垂直孔の形状を、正多角形又は円形又は矩形又は長
円形あるいは円形又は長円形に近い多角形としたことを
特徴とする。

【００１４】請求項４の発明に係る基台上の絶縁膜の製
造方法は、多数の垂直孔又は垂直溝が規則的配列かつ密
集形態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜を有する基
台上の絶縁膜の製造方法であって、前記多数の垂直孔又
は垂直溝を開けるとき、フォトマスクを使用してエッチ
ングにより開けることを特徴とする。また、請求項５の
発明に係る基台上の絶縁膜の製造方法は、多数の垂直孔
又は垂直溝が規則的配列かつ密集形態で設けられている
孔又は溝付き絶縁膜と、この孔又は溝付き絶縁膜の垂直
孔又は垂直溝内に詰められた低誘電率絶縁材料とからな
る基台上の絶縁膜の製造方法であって、前記多数の垂直
孔又は垂直溝を開けるとき、フォトマスクを使用してエ
ッチングにより開け、前記垂直孔又は垂直溝内に低誘電
率絶縁材料を詰めることを特徴とする。

【００１５】請求項６の発明に係る基台上の絶縁膜を有
する配線構造は、多数の垂直孔又は垂直溝が規則的配列
かつ密集形態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜と、
この孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔又は垂直溝内に詰めら
れ低誘電率絶縁材料とからなる１層又は複数層の基台上
の絶縁膜に、配線用溝または配線用溝とコンタクトプラ
グ用孔を設けて配線したことを特徴とする。また、請求
項７の発明に係る基台上の絶縁膜を有する配線構造は、
請求項６の発明において、孔付き絶縁膜の垂直孔の形状
を、正多角形又は円形又は矩形又は長円形あるいは円形
または長円形に近い多角形としたことを特徴とする。

【００１６】請求項８の発明に係る基台上の絶縁膜を有
する配線構造の製造方法は、多数の垂直孔または垂直溝
が規則的配列かつ密集形態で設けられている孔又は溝付
き絶縁膜と、この孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔又は垂直
溝内に詰められた低誘電率絶縁材料とからなる１層又は
複数層の基台上の絶縁膜に、配線用溝または配線用溝と
コンタクトプラグ用孔を開けて配線した基台上の絶縁膜
を有する配線構造の製造方法であって、前記多数の垂直
孔又は垂直溝を開けるとき、フォトマスクを使用してエ
ッチングにより開け、前記垂直孔又は垂直溝に低誘電率
絶縁材料を詰めることを特徴とする。

【００１７】請求項９の発明に係る張り合わせＳＯＩ基
板は、埋め込み絶縁膜を、多数の貫通しない垂直孔また
は溝が規則的配列かつ密集形態で設けられている孔又は
溝付き絶縁膜としたことを特徴とする。また、請求項１
０の発明に係る張り合わせＳＯＩ基板は、請求項９の発
明において、前記孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔又は垂直
溝内に低誘電率絶縁材料が詰められていることを特徴と
する。また、請求項１１の発明に係る張り合わせＳＯＩ
基板は、請求項９又は１０の発明において、前記孔付き
絶縁膜の垂直孔の形状を、正多角形又は円形又は矩形又
は長円形あるいは円形または長円形に近い多角形とした
ことを特徴とする。

【００１８】請求項１２の発明に係る張り合わせＳＯＩ
基板の製造方法は、埋め込み絶縁膜を、多数の垂直孔又
は垂直溝が規則的配列かつ密集形態で設けられている孔
又は溝付き絶縁膜とした張り合わせＳＯＩ基板の製造方
法であって、前記垂直孔又は垂直溝を形成するとき、フ
ォトマスクを使用してエッチングにより開けることを特
徴とする。また、請求項１３の発明に係る張り合わせＳ
ＯＩ基板の製造方法は、埋め込み絶縁膜が、多数の貫通
しない垂直孔又は垂直溝が規則的配列かつ密集形態で設
けられている孔又は溝付き絶縁膜と、この垂直孔又は垂
直溝内に詰められた低誘電率絶縁材料とからなる張り合
わせＳＯＩ基板の製造方法であって、前記絶縁膜の垂直
孔又は垂直溝を開けるとき、フォトマスクを使用してエ
ッチングにより開け、前記垂直孔又は垂直溝孔に低誘電
率絶縁材料を詰めることを特徴とする。

【００１９】尚、上記低誘電率絶縁材料としては、ベー
キングにより発泡し焼結して低誘電率となる発泡性の絶
縁材料を使用するとよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】１．実施の形態１本発明の実施の形態に係る基台上の絶縁膜を有する配線
構造の製造方法について図１〜図４を参照して説明す
る。

【００２１】図１について、下層配線等の下層構造物１
０上にエッチングストッパーとしてのＳｉＮ膜１１を介
しての絶縁層１２を形成する（図１（ａ））。絶縁層１
２としては例えば、ＣＶＤでＳｉＯ₂を８００ｎｍ堆積
する。なお、下層構造物１０としては配線に限られるも
のではなく、通常の半導体装置製造プロセスのあらゆる
段階における構成を有していてよい。尚、下層構造物１
０と絶縁層１２とのエッチングレートが大きく相違し下
層構造物１０がエッチングストッパーとして機能する場
合はＳｉＮ膜１１を省略できる。

【００２２】次に、絶縁層１２の上にフォトレジスト１
３を塗布し、直径０．２μｍの孔１３ａを図２（ｄ−
２）に示すようなハニカム(蜂の巣)パターンでＥＢ(電
子ビーム)でウェハ全面に描画する（図１（ｂ））。こ
の描画には電子線描画機ＨＬ−８００Ｄ(日立製作所)を
用いたが、一般のステッパ、スキャナを用いるのが好ま
しい。ハニカムパターンを書き終えたら、プラズマエッ
チングにより絶縁層１２に図１（ｃ）のように深さ８０
％の多数の垂直孔１４を開けてハニカム状の絶縁層１２
ａとする。穴１４は深さ１００％（貫通）としてもよ
い。

【００２３】図２について、垂直孔１４を穿設したらフ
ォトレジスト１３を公知の方法で除去する（図２（ｄ−
１））。また、垂直孔１４が穿設された絶縁層１２ａを
必要に応じて希フッ酸水溶液を用いたウェットエッチン
グを行い、垂直孔１４の径を垂直孔１５のように広げて
孔の大きなハニカム状の絶縁層１２ｂとする（図２（ｅ
−１））。絶縁層１２ａ、１２ｂを上から見ると図２
（ｄ−２）、（ｅ−２）のようになる。ここでは直径
０．２μｍの垂直孔１４が０．３μｍの垂直孔１５にな
るまでエッチングを行った。ここでエッチング時間が長
いほど垂直孔１５の孔径が大きくなり、絶縁層１２部分
の強度及び誘電率は小さくなる。

【００２４】図３について、穿設した垂直孔１５に低誘
電率絶縁材料として多孔質シリコン酸化膜１７を詰め込
む。ここではＮａｎｏｇｌａｓｓ(ハネウェル・エレク
トロニクス・マテリアルズ)を使用した。このＮａｎｏ
ｇｌａｓｓは通常のスピンコータによる単なる塗布・ベ
ーキング（焼結）によって多孔質シリコン酸化膜（絶縁
膜）１７を形成できる。ベーキングは３５０℃で３０分
行った（図３（ｆ））。次にＣＭＰ(研磨圧力１５０ｇ
／ｃｍ²)で製膜したＳｉＯ₂が頭を出すまで研磨して余
分な多孔質シリコン膜１７を除去して、垂直孔１５を有
する絶縁層１２ｂと垂直孔１５に詰め込まれた低誘電率
の多孔質シリコン絶縁膜１７からなるハニカム構造絶縁
膜（強化層間絶縁膜構造）１８を形成する(図３
（ｇ）)。

【００２５】次に、配線層間部とビア層間部に設けるエ
ッチングストッパとしてＳｉＮ膜１９をＣＶＤで４０ｎ
ｍ製膜し、フォトリソグラフィー工程およびドライエッ
チング工程により、ＳｉＮ膜１９に接続孔１９ａを０．
３μｍで開口する(図３（ｈ）)。ＣＶＤ製膜装置はＰ５
０００（ＡＭＡＴ）を使った。

【００２６】図４について、デュアルダマシンの場合、
ＳｉＮ膜１９上に上記強化層間絶縁膜構造１８の作成工
程（図１（ｂ）〜図３（ｇ））と同様の工程を用いて強
化層間絶縁膜構造１８（１）の上にもう１段強化相関絶
縁膜構造１８（２）を形成する。その上に強化層間絶縁
膜構造１８（２）の上に多孔質シリコン膜１７保護用の
ＳｉＯ₂膜２１を積む（図４（ｉ））。次に、フォトリ
ソグラフィー工程およびドライエッチング工程により配
線用溝２２とコンタクトプラグ用孔２３を開ける（図４
（ｊ））。ここで、孔２３の開口にはＳｉＮ膜１９がエ
ッチングマスクとして機能する。

【００２７】次に、Ａｒスパッタにより、接続孔２２、
２３底部の自然酸化膜を除去した後、ＤＣマグネトロン
スパッタによりＴａＮバリア層２４を３０ｎｍ製膜し、
引き続き同法により配線埋め込み用のＣｕシード膜（図
示省略）を４０ｎｍ製膜した（図４（ｋ））。ここで、
ＡｒスパッタエッチからＣｕ製膜までの処理は、真空雰
囲気中で連続的に行った。表１にＴａＮバリア層製膜条
件例を、表２にＣｕシード膜製膜条件例を示す。

【００２８】

【表１】ＴａＮバリア層製膜条件例ガス：Ａｒ１００ｓｃｃｍＤＣパワー：６ｋＷ温度：１００℃ 圧力：０．４Ｐａ

【００２９】

【表２】Ｃｕシード膜製膜条件例ガス：Ａｒ１００ｓｃｃｍＤＣパワー：６ｋＷ温度：１００℃ 圧力：０．４Ｐａ続いて、電解めっき法により導電材料層２６を約１×１
０^-6ｍ（１μｍ）の厚さに形成する（図４（ｋ））。電
解めっきの条件例を表３に示す。終了時における銅の結
晶粒径は、約1×１０^-7ｍ（０．１μｍ）である。

【００３０】

【表３】電解めっきの条件例めっき液：ＣｕＳＯ₄・５Ｈ₂Ｏめっき液温度：３０℃ 電圧：１０Ｖ電流密度：２０Ａ／ｄｍ² 陽極板：Ｃｕ板その後はＣＭＰ法で余分な銅を除去し、表面を平坦化す
ることで配線が出来上がる（図４（ｌ））。ＣＭＰの工
程はＥＰ０１１３Ｄ(荏原製作所)で２５０ｇ／ｃｍ²の
研磨圧力で行った。上記強化構造（ハニカム構造の絶縁
層１２ｂ）のない多孔質シリコン絶縁膜１７のみで形成
した層間絶縁膜は上記研磨圧力でウェハ6枚中6枚とも破
損したのに対し、上記強化層間絶縁膜構造１８はウェハ
６枚中６枚とも損傷個所はなかった。

【００３１】この後、加熱炉を用い、窒素雰囲気中、３
００℃，０．５時間の条件でアニールを行うことによ
り、埋込み部配線、コンタクトプラグを構成する銅の結
晶粒を成長させる。このアニールにより、銅の結晶粒径
は約１×１０^-6ｍ（１μｍ）となり、エレクトロマイグ
レーション耐性が向上する。更に、埋込み部配線、コン
タクトプラグ部の酸化を防止するために、例えばプラズ
マＣＶＤ法により、ＳｉＮなどから成るキャップ層を形
成し、埋込みプラグ・プロセスを終了する。尚、上述の
ように加熱炉を用いたアニールを行う代わりに、常温大
気中、72時間程度の放置によって自発的なアニール（セ
ルフアニール）を進行させてもよい。

【００３２】実施の形態１によれば、低誘電率で且つ機
械的強度が高いく、ＣＭＰの圧力などで破壊することの
ない低誘電率層間絶縁膜を用いた多層配線構造を得こと
ができる。

【００３３】尚、絶縁層に形成する孔の形状は、矩形ま
たは長円形、あるいは正多角形または円形、または円形
または長円形に近い多角形などとすることができる。ま
た、上記強化層間絶縁膜構造は垂直孔に低誘電率絶縁材
料が詰め込まれているが、配線などをしない場合は垂直
孔を絶縁層を貫通させないように開けることで低誘電率
絶縁材料を省略することが可能である。２．実施の形態２本発明の実施の形態２に係る張り合わせＳＯＩ基板の製
造方法について図５〜図７を参照して説明する。

【００３４】上記実施の形態１のハニカム構造絶縁膜
（強化層間絶縁膜構造）は、張り合わせＳＯＩ基板の埋
込酸化膜にも応用できる。実施の形態２は、「Ａａｐｐ
ｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ,２１０８-２
１１０,ｖｏｌ.６４,ｎｏ.１６,Ａｐｒ,１９９４(米原
隆夫：キャノン研究開発本部デバイス開発センター)」
により紹介されているものと同等のＳＯＩウェハ作成方
法の埋め込み酸化膜に上記実施の形態１における強化層
間絶縁膜構造と同様な構造を有する埋め込み絶縁膜を適
用したものである。

【００３５】図５に示すようにＡ，Ｂ２枚のＳｉ基板３
１、３５を用意し、まず、Ａ基板３1に陽極酸化法によ
り、基板表面に多孔質Ｓｉ層３２を形成し（図５
（ａ））、その表面を平坦に研磨し、多孔質Ｓｉ層３２
表面の孔を封止するためにＨ₂中で１０４０℃の熱処理
を行い、平坦化された多孔質Ｓｉ層３２の表面にエピタ
キシャル成長法によりＳＯＩ基板のＳＯＩ層となる単結
晶Ｓｉ層３３を形成する（図５（ｂ））。単結晶Ｓｉ層
３３の厚さは必要とするＳＯＩ層により決定されるが、
従来の厚さは、薄膜用の場合で１００ｎｍ〜５００ｎｍ
が多く用いられている。

【００３６】次に、単結晶Ｓｉ層３３の上にハニカム構
造の低誘電率の埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ）３４を形成す
る。この埋め込み酸化膜３４の形成は、単結晶Ｓｉ層３
３の上に絶縁膜（ＳｉＯ₂）を形成し、上記実施の形態
１におけるハニカム構造絶縁膜１８の作成（図１（ｂ）
〜図３（ｇ））と同様に、絶縁膜（ＳｉＯ₂）にレジス
トを塗布し、電子ビームにより直径０．２μｍの孔のハ
ニカムパターンを書きプラズマエッチングにより絶縁膜
（ＳｉＯ₂）を貫通しないように深さ３０％〜５０％の
孔を堀り、レジストを除去し、孔径を適当に拡張して図
６（ａ）に示すように、多数の貫通しない垂直孔３４ｂ
が掘られたハニカム構造の絶縁膜（ＳｉＯ₂）３４ａと
し、この絶縁膜（ＳｉＯ₂）３４ａの垂直孔３４ｂに低
誘電率の多孔質シリコン絶縁膜３４ｃを詰め込んで上面
を平らに研磨してハニカム構造の埋め込み酸化膜３４を
形成する（図６（ｂ））。尚、多孔質シリコン絶縁膜３
４ｃは必須ではない。

【００３７】次に、図６（ｄ）に示すように上記基板３
１のハニカム構造の埋め込み酸化膜３４面にＢ基板３５
を熱酸化法又はＣＶＤ法等により張り合わせる。ハニカ
ム構造絶縁膜３４の膜厚は絶縁と張り合わせの歩留まり
に大きく影響するため重要な要因となる。ハニカム構造
絶縁膜３４は従来埋め込み酸化膜（ＳｉＯ₂）と同様に
膜厚２００ｎｍ〜４００ｎｍとする。基板の張り合わせ
は絶縁膜３４の表面をを加工してから行う。絶縁膜３４
の張り合わせ面は予め表面荒さを小さくし、アンモニア
過水洗浄等により表面処理を行い、ＯＨ基の形成及びパ
ーティクルの除去を行い、張り合わせの初期状態である
Ｈ₂結合とファンデルワールス力が働く状態を作り、さ
らに気泡が発生しないように真空中でＢ基板３５に張り
合わせる。

【００３８】基板張り合わせ後、不活性ガス又は酸素ガ
ス雰囲気中で熱処理を行い強固な接合状態を作る。熱処
理温度は８００〜１１００℃で３０〜１２０分の処理を
行うことで安定した接合が得られる。

【００３９】その後、張り合わせたＡ、Ｂ基板３１、３
５を上下反転させて除去すべきＡ基板３１の裏面を研削
及び研磨により多孔質Ｓｉ層３が露出まで研磨する（図
５（ｅ））。研削はダイヤモンド砥石を使用し、#２０
００の砥石を高速回転(２４００〜３０００ｒｐｍ)しな
がら多孔質Ｓｉ層３２の上にＡ基板３１の１部を薄Ｓｉ
層（ＴＳｉ）３１ａとして２０μｍ程度残す。残った２
０μｍのＴＳｉ層３１ａのダイヤモンド砥石のダメージ
除去研磨を行う。上記研削によるダメージは多孔質Ｓｉ
層3２の吸収により単結晶Ｓｉ層３３への影響は軽減さ
れる。ダメージ除去の研磨は一般にＳｉの仕上げ研磨と
呼ばれる方法で平均粒径４０ｎｍのコロイダルシリカ等
による研磨スラリーと発砲ウレタンによる研磨パッドで
行う。尚、上記ダイヤモンド砥石を使用した研削に代え
て、水素イオンを所定深さに打ち込み熱処理して基板を
所定の厚みに分離させる水素イオン注入分離法を用いる
ことも可能である。

【００４０】次に、多孔質Ｓｉ層３２をエッチングす
る。図５（ｅ）は単結晶Ｓｉ層３３でエッチングが止ま
った状態を示す。このエッチングは多孔質Ｓｉ層３２と
単結晶Ｓｉ層３３のエッチングレート選択比の大きさ
(１０⁵)を利用し、多孔質Ｓｉ層３２をエッチングし単
結晶Ｓｉ層３３に到達した時点でエッチング速度が大き
く低下することによりエッチングストップとなり、張り
合わせＳＯＩ基板３６が完成する。

【００４１】作製されたＳＯＩ基板のハニカム構造絶縁
膜３４強度テストのため、単結晶Ｓｉ層３３に２５０ｇ
／ｃｍ²の研磨圧力でＣＰＭにかけたが、絶縁膜３４に
損傷個所はなかった。

【００４２】ＳＯＩ型トランジスタは図７に示すよう
に、ＳＯＩ基板３６の単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ）３３にＮ
型（またはＰ型）の不純物を注入してソースＳ、ドレイ
ンＤを形成し、ボディ部の上にゲート酸化膜を介してゲ
ート電極Ｇを設けてを作製されるが、埋め込み酸化膜
（ＢＯＸ）３４は低誘電率の強化層間絶縁膜構造となっ
ているので、ＳＯＩ３３と基板３５間容量の影響の小さ
いＳＯＩ型トランジスタが得られる。

【００４３】実施の形態２によれば、基板張り合わせ後
の不用となった基板を除去する切削、研磨圧力などに耐
え得る低誘電率の埋め込み絶縁膜を有する張り合わせＳ
ＯＩ基板を得ることができる。尚、上記埋め込み絶縁膜
は垂直孔に低誘電率絶縁材料を詰め込んでいるが、低誘
電率絶縁材料を省略することが可能である。また、埋め
込み絶縁膜にシリコン酸化膜を用いているが、サファイ
ヤなどを用いてもよい。

【００４４】以上、本発明を発明の実施の形態１、２に
基づき説明したが、本発明はこれらに限定されるもので
はない。半導体装置の構造の細部、半導体装置の製造方
法における加工条件や使用した材料等の詳細事項はいず
れも例示に過ぎず、適宜変更、選択、組合せが可能であ
る。

【００４５】

【発明の効果】（１）本発明による基台上の絶縁膜やＳ
ＯＩ基板の埋め込み絶縁膜は、シリコン酸化膜などの絶
縁膜に多数の垂直孔又は垂直溝を開けた構造、又はその
垂直孔又は垂直溝に低誘電率材料を詰めた構造となって
いるので、低誘電率で且つ機械的強度が高く、ＣＰＭな
どのの圧力に耐えることができる。（２）本発明による基台上の絶縁膜の製造方法によれ
ば、低誘電率で且つ機械的強度が高く、ＣＰＭの圧力に
耐えることができる絶縁膜を容易に製造できる。（３）本発明による基台上の絶縁膜を有する配線構造の
製造方法によれば、層間絶縁層の構成材料として、例え
ば無機多孔質材料のように機械的強度の小さい低誘電率
材料を用いた場合にも、層間絶縁膜に設けられた凹部に
導電材料層を埋め込むこみ、余分な部分をＣＰＭで除去
する際、層間絶縁層を破壊することなく研磨できる。そ
のため新たに製造装置を購入せずにダマシン・プロセス
を行うことが可能となる。（４）本発明による張り合わせＳＯＩ基板の製造方法に
よれば、基板を張り合わせ後の不要となった基板を除去
する際、低誘電率の埋め込み絶縁膜を破壊することなく
切削、研磨等ができる。（５）本発明は、半導体装置の集積度の向上、小型軽量
化、動作速度の向上、低消費電力化、高信頼化を図る上
で、極めて意義が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１に係る層間絶縁膜及び配線構造の
製造方法を説明する各工程おける層間膜形成部分を示す
断面図（その１）。

【図２】同（その２）、およびその上面図。

【図３】同（その３）。

【図４】同（その４）。

【図５】実施の形態２に係るＳＯＩ基板の製造方法を説
明するフロー図。

【図６】同ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜の構造を説明す
る断面図。

【図７】同同ＳＯＩ基板を用いて作製した半導体装置を
示す模式的断面図。

【図８】従来例に係る埋め込みプラグの作製工程を説明
する埋め込みプラグ部分を示す断面図。

【図９】同埋め込みプラグ部分のＣＭＰによる損傷状態
を示す断面図。

【符号の説明】

１０…下層構造物１１…ＳｉＮ膜１２…絶
縁層１３…フォトレジスト１４，１５…垂直孔１７…多孔質シリコン酸化膜１８…ハニカム構造絶縁膜（強化層間絶縁膜構造）１９…ＳｉＮ膜２２…配線用溝２３…コンタクトプラグ用孔２４…ＴａＮバリア
層２６…導電材料層３１…Ａ基板３２…多孔質シリコン層３３…単結晶Ｓｉ層３４…ハニカム構造の埋め込み絶縁膜（絶縁膜）３５…Ｂ基板３６…ＳＯＩ基板

フロントページの続きＦターム(参考） 5F032 AA03 AA06 CA17 DA02 DA23 DA54 DA67 DA71 DA78 5F033 HH11 HH32 JJ11 JJ32 LL08 MM02 MM12 MM13 NN06 NN07 PP15 PP27 QQ09 QQ12 QQ19 QQ25 QQ28 QQ33 QQ37 QQ48 QQ73 RR04 RR06 RR29 SS11 SS22 TT00 XX00 XX24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の垂直孔又は垂直溝が規則的配列か
つ密集形態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜を有す
ることを特徴とする基台上の絶縁膜。
【請求項２】前記孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔内又は
垂直溝内に低誘電率絶縁材料が詰められていることを特
徴とする請求項１に記載の基台上の絶縁膜。
【請求項３】前記孔付き絶縁膜の垂直孔の形状を、正
多角形又は円形又は矩形又は長円形あるいは円形又は長
円形に近い多角形としたことを特徴とする請求項１又は
２に記載の基台上の絶縁膜。
【請求項４】多数の垂直孔又は垂直溝が規則的配列か
つ密集形態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜を有す
る基台上の絶縁膜の製造方法であって、前記多数の垂直孔又は垂直溝を開けるとき、フォトマス
クを使用してエッチングにより開けることを特徴とする
基台上の絶縁膜の製造方法。
【請求項５】多数の垂直孔又は垂直溝が規則的配列か
つ密集形態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜と、こ
の孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔又は垂直溝内に詰められ
た低誘電率絶縁材料とからなる基台上の絶縁膜の製造方
法であって、前記多数の垂直孔又は垂直溝を開けるとき、フォトマス
クを使用してエッチングにより開け、前記垂直孔又は垂直溝内に低誘電率絶縁材料を詰めるこ
とを特徴とする基台上の絶縁膜の製造方法。
【請求項６】多数の垂直孔又は垂直溝が規則的配列か
つ密集形態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜と、こ
の孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔又は垂直溝内に詰められ
低誘電率絶縁材料とからなる１層又は複数層の基台上の
絶縁膜に、配線用溝または配線用溝とコンタクトプラグ
用孔を設けて配線したことを特徴とする基台上の絶縁膜
を有する配線構造。
【請求項７】前記孔付き絶縁膜の垂直孔の形状を、正
多角形又は円形又は矩形又は長円形あるいは円形または
長円形に近い多角形としたことを特徴とする請求項６に
記載の基台上の絶縁膜を有する有する配線構造。
【請求項８】多数の垂直孔または垂直溝が規則的配列
かつ密集形態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜と、
この孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔又は垂直溝内に詰めら
れた低誘電率絶縁材料とからなる１層又は複数層の基台
上の絶縁膜に、配線用溝または配線用溝とコンタクトプ
ラグ用孔を開けて配線した基台上の絶縁膜を有する配線
構造の製造方法であって、前記多数の垂直孔又は垂直溝を開けるとき、フォトマス
クを使用してエッチングにより開け、前記垂直孔又は垂直溝に低誘電率絶縁材料を詰めること
を特徴とする基台上の絶縁膜を有する配線構造の製造方
法。
【請求項９】張り合わせＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜
を、多数の貫通しない垂直孔または溝が規則的配列かつ
密集形態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜としたこ
とを特徴とする張り合わせＳＯＩ基板。
【請求項１０】前記孔又は溝付き絶縁膜の垂直孔又は
垂直溝内に低誘電率絶縁材料が詰められていることを特
徴とする請求項９に記載の張り合わせＳＯＩ基板。
【請求項１１】前記孔付き絶縁膜の垂直孔の形状を、
正多角形又は円形又は矩形又は長円形あるいは円形また
は長円形に近い多角形としたことを特徴とする請求項９
又は１０に記載の張り合わせＳＯＩ基板。
【請求項１２】張り合わせＳＯＩ基板の埋め込み絶縁
膜を多数の垂直孔又は垂直溝が規則的配列かつ密集形態
で設けられている孔又は溝付き絶縁膜とした張り合わせ
ＳＯＩ基板の製造方法であって、前記垂直孔又は垂直溝を形成するとき、フォトマスクを
使用してエッチングにより開けることを特徴とする張り
合わせＳＯＩ基板の製造方法。
【請求項１３】張り合わせＳＯＩ基板の埋め込み絶縁
膜が、多数の垂直孔又は垂直溝が規則的配列かつ密集形
態で設けられている孔又は溝付き絶縁膜と、この垂直孔
又は垂直溝内に詰められた低誘電率絶縁材料とで構成さ
れている張り合わせＳＯＩ基板の製造方法であって、前記絶縁膜の垂直孔又は垂直溝を開けるとき、フォトマ
スクを使用してエッチングにより開け、前記垂直孔又は垂直溝孔に低誘電率絶縁材料を詰めるこ
とを特徴とする張り合わせＳＯＩ基板の製造方法。