JP2004336051A - 多孔質有機誘電体層を形成する方法 - Google Patents

多孔質有機誘電体層を形成する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、集積回路構造内に配線層を形成する方法を提供する。
【解決手段】本発明は、有機絶縁層を形成し、絶縁層をパターン化し、絶縁層上にライナを堆積し、該構造をプラズマに露出してライナに隣接する領域内の絶縁層内に微細孔を形成する。ライナは、ライナに影響を与えることなく、プラズマがライナを貫通し、絶縁層に微細孔を形成できるように、十分薄く形成される。プラズマ処理の間、プラズマはライナに影響を及ぼすことなくライナを貫通する。プラズマ処理の後、付加的なライナを堆積することができる。この後、導体が堆積され、さらに導体の余分な部分は構造から除去される。本方法では、パターン化された構造体を有する有機絶縁層と、パターン化された構造体の裏側を覆うライナと、パターン化された構造体を充填する導体とを有する集積回路構造を形成する。絶縁層はライナに接触する絶縁層の表面領域にそった微細孔を含み、さらに微細孔はライナ（ライナは微細孔の内部に存在しない）に接触する表面領域に沿ってのみ存在する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集積回路構造に関する、より具体的には絶縁膜と導電構造体の内側を覆うライナの間に微細孔（pore）を形成することによって有機絶縁膜の静電容量を削減する構造およびプロセスに関する。
集積回路設計における最近の技術の進歩には、古く、硬く、高誘電率の絶縁体を置き換える低誘電率（かつより軟らかい）を有する絶縁体（誘電体）の使用が含まれる。より低誘電率の材料は一般に、有機低ｋ誘電体である市販品、たとえばダウ・ケミカル社（Dow Chemical Company, NY, USA）から市販されているＳｉＬＫがある。これらの低誘電率絶縁体は「低ｋ（low-k）」誘電体と呼ばれる。これらの低ｋ誘電体は、全静電容量を下げ、それによりデバイス速度が増し、低電圧が利用できる（デバイスをより小さく、より安くする）ので有利である。このような低ｋ誘電体は従来の高ｋ誘電体に対して実質的かつ文書で十分に裏付けられた利点がある。
このような誘電体の多孔質（porous）形状は静電容量を低減できるので、このような誘電体の多孔質形状を用いることによって、低ｋ誘電体の更なる進歩がもたらされた。しかし、トレンチおよびビアの内側を覆うために用いる材料が、多くの場合、トレンチおよびビアの側壁にそって微細孔を充填してしまうので多孔質の低ｋ誘電体を用いる場合には問題が存在する。これは多孔質誘電体の効果を低下させ、さらにライナ材料が多孔質材料の中に十分抜け出す場合には結果として欠陥となりうる。以下に記載される本発明は、新規な構造と方法によりこれらの問題を克服する。
本発明は、集積回路構造内に配線層を形成する方法を提供する。
本方法は、有機絶縁層を形成し、前記絶縁層をパターン化し、前記絶縁層上にライナを堆積し、前記構造をプラズマに露出して前記ライナに隣接する領域内の前記絶縁層内に微細孔を形成する方法を提供する。ライナの厚みは、プラズマがライナを貫通し、絶縁層に微細孔を形成できるように、制限される（たとえば１０乃至５００オングストローム）。プラズマ処理の間、プラズマはライナに影響を及ぼすことなくライナを貫通する。プラズマ処理の後、付加的なライナ材料を堆積することができる。この後、導体が堆積され、さらに前記導体の余分な部分は前記構造から除去され、前記導体は前記絶縁層のパターン化された部分内部に残るのみとなる。
本方法では、パターン化された構造体（feature）を有する有機絶縁層と、パターン化された構造体の裏側を覆うライナと、パターン化された構造体を充填する導体とを有する集積回路構造を形成する。前記絶縁層はライナに接触する絶縁層の表面領域にそった微細孔を含み、さらに微細孔はライナ（ライナは微細孔の内部に存在しない）に接触する絶縁層の表面領域に沿ってのみ存在する。
有機絶縁層は、ＳｉＬＫ、ポリ（アリル）エーテル、フルオロポリイミド、ビスベンゾシクロブタン、ヒドリドオルガノシロキサン・ポリマーなどを含み、さらに絶縁層はプラズマ処理から微細孔に沿って水素、窒素などの濃度の増加を含む。ライナは、プラズマがライナを貫通できるように十分薄い第１の層および第１の層を覆う第２の層を有する（たとえば２層は１０乃至５００オングストロームの厚みを有する）。
プラズマの使用はライナに変化をもたらさないが、代わりにライナに直接隣接する低ｋ誘電体層の領域のみに影響を及ぼす。従って、本発明はいかなるライナ材料に対しても誘電体層の微細孔への侵入を許さない。これにより、誘電体層の低い静電容量特性を維持することができ、さらにライナ材料が誘電体層の多孔質部分に侵入する場合に発生する欠陥を避けることもできる。
さらに、本発明によるプロセスでは、ライナに直接隣接する領域内に微細孔を形成するだけである。これにより、低ｋ誘電体層の残存部は非多孔質の状態にとどまり、全ての低ｋ誘電体層を多孔質にすることに関連する欠陥数を削減する。加えて、ライナに隣接する微細孔によって、この構造は、隣接する導電構造と低ｋ誘電体構造の間で異なる熱膨張率を許容できる。
本発明は以下の本発明による好適な実施形態の詳細な説明を図面を参照しながら読むことでより良く理解できるであろう。
上記のように、多孔質低ｋ誘電体（特に有機低ｋ誘電体）を用いることに関連する１つの問題は、ライナと多孔質低ｋ誘電体の間の境界で発生する。さらに具体的は、ライナの一部は微細孔を充填できるかあるいは微細孔を通して低ｋ誘電体へ拡散でき、それにより誘電体の効果を低減するか、側壁の割れ目（breach）および／もしくはライナの不連続を起こす可能性があり、最後には欠陥となる。そのような問題によりライナを有する多孔質低ｋ有機誘電体をシールするのを難しくする。
本発明では、非多孔質低ｋ誘電体上に薄ライナ（たとえば１０乃至５００オングストローム）を用いることによってこれらの問題を克服する。本発明では、薄ライナが形成された後、純粋なガスもしくはＨ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ２の混合ガスのプラズマ処理（稠密化）を用いる。プラズマ処理の後、更なるライナ材料が引き続いて薄ライナ上に形成され得る。ガス・プラズマは、ライナのグレイン境界を貫通し、低ｋ有機誘電体内に微細孔を形成する。プラズマの使用はライナに変化をもたらさないが、代わりにライナに直接隣接する低ｋ誘電体層の領域のみに影響を及ぼす。従って、本発明はいかなるライナ材料も誘電体層の微細孔に侵入させない。これにより、誘電体層の低い静電容量特性を維持することができ、さらにライナ材料が誘電体層の多孔質部分に侵入する場合に発生する欠陥を避けることもできる。
さらに、本発明によるプロセスでは、ライナに直接隣接する領域内に微細孔を形成するだけである。これにより、低ｋ誘電体層の残存部は非多孔質の状態にとどまり、全ての低ｋ誘電体層を多孔質にすることに関連する欠陥数を削減する。そのような欠陥は微細孔の濃度増加により望ましくない空隙（void）を低ｋ誘電体層内部に形成されるときに発生する。加えて、ライナに隣接する微細孔によって、この構造は、隣接する導電構造と低ｋ誘電体構造の間で異なる熱膨張率を許容できる。代わって、プロセスを多孔質誘電体から始める場合、ガス・プラズマは単にライナに隣接する領域に微細孔を形成する。
本発明の一例を図１に示す。参照番号１０は、ハードマスク２０がその上に形成される低ｋ有機誘電体層を示す。Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）ＮあるいはＷを含むグループから選択される任意の１つ以上を含む、初期の薄ライナ（１０乃至５００オングストローム）３０が、パターン化されたウエハ上に共形的に（conformably）形成される。参照番号４０は、プラズマＨ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ２、ＮＨ３、あるいはＮ２Ｈ２プラズマへのその構造の露出を示す。上記のように、プラズマ４０はライナ３０に影響を及ぼさずにライナ３０のグレイン境界を貫通する。しかし、プラズマ４０はライナ３０に境界をなす誘電体層１０の領域内に微細孔５２を形成する。また、本発明は多孔質誘電体を用いるとき従来構造が直面する、不利益を被らずに誘電体の静電容量を低減させる。
本発明で用いられる構造と方法の別の例を図２乃至５に示す。図２において、金属導体２５（Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗなど）が基板２６内に形成される。低ｋ有機誘電体層１０が導体２５の上に形成され、いくつかのハードマスク２０、２１およびエッチング・ストッパ２２、２３が構造内に含まれ、誘電体層１０内にいくつかの開口部２９を形成する効率を高める。
図３において、ライナ３０は開口部２９全体を覆ってライナ３０の均一なカバレッジを与える任意の従来の堆積技術（たとえばＣＶＤ、ＰＶＤなど）を用いてその構造を覆って、ライナ３０が堆積される。図４のように、その構造は、プラズマ・ガス４０に暴露され、上記のように、ライナ３０に隣接する低ｋ誘電体層１０の領域内に、ライナに影響を及ぼさずに微細孔５２を形成する（図５に示す）。
図５はまた開口部２９内に導体を形成する後続のプロセスで用いられるシード材料５０に沿って付加的なライナ材料を続けて形成することを示す。従って、本発明による構造は実際には、２つの部分を有するようにライナを含む。ライナの第１の部分３０はプラズマ処理の間に用いられる。ライナの第２の部分５０は、開口部２９を後で充填する導体６１のためのシード材料をいくらか含むことができる。
図６と図７は、図５に示す構造と異なる絶縁材料６０（ＳｉＯ２、ＳｉＣＯＨなど）とエッチング・ストッパ２２の１つの除去に関する小変更を有する同様の構造を示す。図６は、導体６１で開口部２９を充填するデュアル・ダマシン・プロセスを実施している構造を示す。一方、図７はシングル・ダマシン・プロセスを実施している構造を示す。その他の点では、図６と図７に示す構造は類似しており、図５の構造に関する上記と同様のプロセスが実施される。
本発明によるプロセスを図８においてフローチャートの形式で示す。より具体的には、本発明は有機絶縁膜を形成し（８０）、前記絶縁膜をパターン化し（８１）、前記絶縁膜の上にライナを堆積し（８２）、さらに該構造をプラズマに暴露して前記ライナに隣接する領域の絶縁膜内に微細孔を形成する（８３）。ライナは十分薄く形成され（たとえば厚みを制限して）、そのためプラズマがライナを貫通し、絶縁膜内に微細孔を形成することができる。プラズマ処理の間、プラズマはライナに影響を及ぼさずにライナを貫通する。プラズマ処理後、付加的なライナ材料を堆積することもできる。この後、導体が堆積され、さらに導体の余分な部分が該構造から除去され、前記導体は絶縁膜のパターン化された部分内部に残存するのみとなる（８４）。
プラズマの使用はライナに変化をもたらさないが、代わりにライナに直接隣接する低ｋ誘電体層の領域のみに影響を及ぼす。従って、本発明はいかなるライナ材料も誘電体層の微細孔に侵入させない。これにより、誘電体層の低い静電容量特性を維持することができ、さらにライナ材料が誘電体層の多孔質部分に侵入する場合に発生する欠陥を避けることもできる。
さらに、本発明によるプロセスでは、ライナに直接隣接する領域内に微細孔を形成するだけである。これにより、低ｋ誘電体層の残存部は非多孔質の状態にとどまり、全ての低ｋ誘電体層を多孔質にすることに関連する欠陥数を削減する。加えて、ライナに隣接する微細孔によって、該構造は、隣接する導電構造と低ｋ誘電体構造の間で異なる熱膨張率を許容できる。
本発明は好適な実施形態について記載されているが、当業者には理解できるように、本発明は特許請求の範囲の精神および範囲内で、変更して実施することが可能である。
本発明で形成される構造の概略図である。 本発明による未完成の構造を示す概略図である。 本発明による薄ライナを示す概略図である。 プラズマ稠密化を示す概略図である。 付加的ライナとＣｕシードの堆積を示す概略図である。 デュアル・ダマシン構造の概略図である。 シングル・ダマシン構造の概略図である。 本発明の好適な方法を示すフローチャートである。
符号の説明
１０ 低ｋ有機誘電体層
２０、２１ ハードマスク
２２、２３ エッチング・ストッパ
２５ 導体
２６ 基板
２９ 開口部
３０ ライナ
４０ プラズマ・ガス
５０ シード材料
５２ 微細孔
６０ 絶縁材料
６１ 導体

Claims (20)

  1. a)パターン化された構造体を有する有機絶縁層と、
    b)前記パターン化された構造体の裏側を覆うライナと、
    c)前記パターン化された構造体を充填する導体と
    を含む集積回路構造であって、前記絶縁層は前記ライナに接触する領域にそった微細孔を含む集積回路構造。
  2. 前記微細孔は、前記ライナに接触する前記絶縁層の前記領域に沿ってのみ存在する、請求項１に記載の集積回路構造。
  3. 前記ライナは、前記微細孔の内部に存在しない、請求項１に記載の集積回路構造。
  4. 前記絶縁層は、ポリ（アリル）エーテル、フルオロポリイミド、ビスベンゾシクロブタン、およびヒドリドオルガノシロキサン・ポリマーのうちから１つを含む、請求項１に記載の集積回路構造。
  5. 前記絶縁層は、前記微細孔に沿って水素、アルゴン、ヘリウム、キセノン、および窒素のうちの１つの濃度の増加を含む、請求項１に記載の集積回路構造。
  6. 前記ライナは、プラズマが前記ライナを貫通できるように差し支えのない厚みをもつ第１の層および前記第１の層の上に第２の層を含む、請求項１に記載の集積回路構造。
  7. 前記第１の層は、１０乃至５００オングストロームの厚みを有し、かつＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、およびＷを含むグループから選択される1つ以上の材料を含む、請求項６に記載の集積回路構造。
  8. 前記第２の層は、１０乃至５００オングストロームの厚みを有し、かつＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷおよびＣｕを含むグループから選択される１つ以上の材料を含む、請求項６に記載の集積回路構造。
  9. a)パターン化された構造体を有する有機絶縁層と、
    b)前記パターン化された構造体の裏側を覆うライナであって、プラズマが前記ライナを貫通できるように差し支えのない厚みを有する第１の層を含むライナと、
    c)前記パターン化された構造体を充填する導体と、
    を含む集積回路構造であって、前記絶縁層は前記ライナに接触する領域にそった微細孔を含む集積回路構造。
  10. 前記微細孔は、前記ライナに接触する前記絶縁層の前記領域に沿ってのみ存在する、請求項９に記載の集積回路構造。
  11. 前記ライナは、前記微細孔の内部に存在しない、請求項９に記載の集積回路構造。
  12. 前記絶縁層は、ポリ（アリル）エーテル、フルオロポリイミド、ビスベンゾシクロブタン、およびヒドリドオルガノシロキサン・ポリマーのうちから１つを含む、請求項９に記載の集積回路構造。
  13. 前記絶縁層は、前記微細孔に沿って水素、アルゴン、ヘリウム、キセノン、および窒素のうちの１つの濃度の増加を含む、請求項９に記載の集積回路構造。
  14. 前記ライナは、前記第１の層の上に第２の層をさらに含む、請求項９に記載の集積回路構造。
  15. 前記第１の層は、１０乃至５００オングストロームの厚みを有し、かつＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、およびＷを含むグループから選択される１つ以上の材料を含む、請求項１４に記載の集積回路構造
  16. 前記第２の層は、１０乃至５００オングストロームの厚みを有し、かつＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷおよびＣｕを含むグループから選択される１つ以上の材料を含む、請求項１４に記載の集積回路構造
  17. 集積回路構造内に配線層を形成する方法であって、
    a)有機絶縁層を形成する工程と、
    b)前記絶縁層をパタニングする工程と、
    c)前記絶縁層上にライナを堆積する工程と、
    d)前記構造をプラズマに露出して前記ライナの真下に微細孔を形成する工程と、
    を含む方法。
  18. 前記ライナの前記堆積は、前記プラズマが前記ライナを貫通し、前記絶縁層内に微細孔を形成できるように差し支えのない厚みまで前記ライナを形成する、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記ライナの前記堆積は、前記ライナが１０乃至５００オングストロームの厚みを有するように形成する、請求項１７に記載の方法。
  20. 前記露出工程の間、前記プラズマは前記ライナに影響を及ぼすことなく、前記ライナを貫通する、請求項１７に記載の方法。
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