JP2004363403A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Katsumi Yoneda
克己 米田
Toru Yoshie
徹 吉江
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Abstract

【課題】低誘電率層間絶縁膜中の空孔源を除去する際に、低温で空孔源を除去することができ、母材分子構造へのダメージも軽減することができる。
【解決手段】半導体基板上に空孔源を有する低誘電率層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、プラズマ処理により低誘電率層間絶縁膜中から空孔源を除去するプラズマ処理工程とを有する。ここで、低誘電率層間絶縁膜として、シリコン原子と結合した有機基を有するシリコン酸化膜を用い、空孔源として、この有機基よりも熱分解温度が低い有機物を用いるのが好ましい。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板上に空孔源を有する低誘電率層間絶縁膜を形成する工程と、空孔源を除去する工程とを有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の集積化及び高速化に伴い、半導体素子間の配線を伝搬する信号の遅延が集積回路の速度を律則するようになってきた。これに対し、配線間の容量を低減するため、層間絶縁膜として従来から用いられているシリコン酸化膜に代えて、低誘電率絶縁膜が用いられるようになってきた。
【0003】
この低誘電率絶縁膜として、フッ素や有機物を有するシリコン酸化膜がある。特に、有機物の一種であるメチル基をシリコン酸化膜の骨格に含んだMSQ(Methyl Silsesquioxane)は、比誘電率が2.7程度と低いため、低誘電率絶縁膜として有望な材料である。
【0004】
また、更なる低誘電率化の要求に対し、このMSQに空孔を形成して誘電率を更に低下させた材料が用いられるようになってきた。この材料は、母材のMSQに熱処理により分解する空孔源を混合し、成膜後の熱処理により空孔源を除去することにより膜中に空孔を形成したものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体製造方法では、この空孔を有するMSQを製造する際の熱処理において、空孔源を効果的に除去するために、450℃程度の熱処理を必要としていた。この450℃という温度はCu埋め込み配線形成における一連の工程中、最も高温の処理であり、Cu埋め込み配線の信頼性を劣化させる大きな要因となる。また、空孔源が膜から抜ける際、母材の分子構造を破壊し、膜の機械的強度を低下させる問題も起こる。
【0006】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は、半導体基板上に空孔源を有する低誘電率層間絶縁膜を形成し、この空孔源を除去する際に、低温で空孔源を除去することができ、母材分枝構造へのダメージも軽減することができる半導体装置の製造方法を得るものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に空孔源を有する低誘電率層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、プラズマ処理により低誘電率層間絶縁膜中から空孔源を除去するプラズマ処理工程とを有する。この発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を示す図である。まず、図1(a)に示すように、半導体基板11上に、炭化シリコン又は窒化シリコンからなる絶縁膜12を形成し、この上に空孔源と有機基を有するシリコン酸化膜からなる低誘電率層間絶縁膜13をスピン塗布法又はCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成する。ここで、有機基として、水素基、メチル基等のアルキル基及びアリル基の少なくとも1つを用いる。なお、この有機基は、シリコン酸化膜のシリコン原子と結合している。また、空孔源として、この有機基よりも熱分解温度が低い有機物を用いる。
【0009】
次に、プラズマ処理により低誘電率層間絶縁膜13中から空孔源を除去する。このプラズマ処理は、水素又は水素を含む混合ガスによるプラズマを用い、処理温度200℃〜400℃、圧力1〜10Torr、ガス流量1〜5slm、周波数13.56MHz、電力200〜500Wの条件で、数十秒〜数分(好ましくは、30秒〜180秒程度)行う。ただし、プラズマ処理を行う時間は、処理対象の絶縁膜の厚さによって変わる。
【0010】
次に、図1(b)に示すように、低誘電率層間絶縁膜13上に、上層との接着性を確保するため、表面処理による改質膜又は接着強化膜14を形成する。そして、この上に、塗布法又はCVD法により、炭化シリコン、窒化シリコン又はシリコン酸化膜からなる保護膜15を形成する。
【0011】
次に、図1(c)に示すように、フォトリソグラフィにより所望の配線パターンを有するレジスト16を形成する。そして、図1(d)に示すように、このレジスト16をマスクにして、腐食性ガスのプラズマによる異方性エッチングにより、保護膜15、接着強化膜14及び低誘電率層間絶縁膜13をエッチングして、配線パターン溝17を形成する。また、残ったレジスト16は除去する。
【0012】
そして、図1(e)に示すように、タンタル膜又は窒化タンタル膜からなるバリアメタル18をスパッタリング法により形成し、その上に薄いスパッタ銅膜19を形成し、さらにその上にメッキ銅膜20を形成する。
【0013】
次に、図1(f)に示すように、化学機械研磨法により、配線パターン溝17内以外のバリアメタル18、スパッタ銅膜19及びメッキ銅膜20を除去する。そして、この配線パターン溝17内に残った銅膜が、Cu埋め込み配線となる。このような工程を順番に複数回繰り返して積層配線構造を形成する。
【0014】
このプラズマ処理による空孔源の除去の概要を図2に示す。ここで、図1と同じ構成要素は同じ番号を付し、説明は省略する。図2(a)に示すように、空孔源21を有する低誘電率層間絶縁膜13に、水素又は水素を含む混合ガスによるプラズマを用いたプラズマ処理を行う。この際に、プラズマにより発生した活性水素H*が低誘電率層間絶縁膜13中の空孔源21と反応する。そして、空孔源21は分解及び気化されて、除去される。これにより、図2(b)に示すように、低誘電率層間絶縁膜13中に空孔22が形成される。
【0015】
次に、図3に、空孔源とメチル基を有するシリコン酸化膜に250℃でプラズマ処理した場合の比誘電率の時間変化を示す。また、比較のために、従来通りに450℃で熱処理した場合も示す。この図3に示すように、250℃で2分以上プラズマ処理することで、450℃で熱処理した場合とほぼ同等の比誘電率が得られる。よって、本発明により、低温でも効果的に空孔源を除去することができる。
【0016】
次に、図4に、熱処理又はプラズマ処理した場合の空孔源とメチル基を有するシリコン酸化膜の赤外線吸収スペクトルを示す。ここで、(a)〜(d)は、それぞれ、200℃で熱処理、450℃で熱処理、250℃で1分間プラズマ処理、250℃で2分間プラズマ処理を施した場合である。この図4において、2800〜3000cm−1付近の空孔源のピークが、250℃でプラズマ処理した場合でも、450℃で熱処理した場合と同等に減少している。このことからも、本発明により、低温でも効果的に空孔源を除去することができることが分かる。また、1230cm−1付近のSi−CH及び1050cm−1付近のSi−Oのピークに変化は無いことから、プラズマ処理による母材へのダメージは無いことが分かる。
【0017】
次に、図5に、熱処理又はプラズマ処理した場合の空孔源とメチル基を有するシリコン酸化膜の機械的強度を示す。ここで、図5(a)は、450℃で熱処理した場合を1として規格化した弾性率を示し、図5(b)は、同様に規格化した硬度を示す。この図5から、450℃で熱処理した場合に比べ、プラズマ処理した場合は、機械的強度が向上していることがわかる。これは、低温でプラズマ処理することにより、空孔源が抜ける際の母材分子構造へのダメージを軽減することができているからである。
【0018】
以上のように、本発明は、半導体基板上に空孔源を有する低誘電率層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、プラズマ処理により低誘電率層間絶縁膜中から空孔源を除去するプラズマ処理工程とを有する。これにより、低誘電率層間絶縁膜中の空孔源を除去する際に、低温で空孔源を除去することができ、母材分子構造へのダメージも軽減することができる。
【0019】
また、本発明は、前記低誘電率層間絶縁膜中にCu埋め込み配線を形成する配線形成工程と、前記成膜工程、前記プラズマ処理工程及び前記配線形成工程を順番に複数回繰り返して積層配線構造を形成する工程を更に有する場合に有効である。この場合、本発明によって低温で空孔源を除去することができるため、Cu埋め込み配線のSIV(Stress Induced Void)等の信頼性の劣化を防ぐことができる。この際、プラズマ処理工程における処理温度を200℃〜350℃にすると更に好ましい。
【0020】
そして、プラズマ処理工程において、水素ガス又は水素を含む混合ガスによるプラズマを用いるのが好ましい。これにより、プラズマにより発生した活性水素H*によって、低誘電率層間絶縁膜13中の空孔源21を分解及び気化し、除去することができる。
【0021】
また、低誘電率層間絶縁膜として、シリコン原子と結合した有機基を有するシリコン酸化膜を用い、空孔源として、有機基よりも熱分解温度が低い有機物を用いるのが好ましい。これにより、プラズマ処理において、低誘電率層間絶縁膜の母体であるシリコン酸化膜の有機基を除去することなく、空孔源を除去することができる。そして、有機基として、水素基、アルキル基及びアリル基の少なくとも1つを用いることにより、母体であるシリコン酸化膜の誘電率を低くすることができる。
【0022】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、低誘電率層間絶縁膜中の空孔源を除去する際に、低温で空孔源を除去することができ、母材分子構造へのダメージも軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を示す図である。
【図2】プラズマ処理による空孔源の除去の概要を示す図である。
【図3】空孔源とメチル基を有するシリコン酸化膜に250℃のプラズマ処理を施した場合の比誘電率の時間変化を示す図である。
【図4】熱処理又はプラズマ処理した場合の空孔源とメチル基を有するシリコン酸化膜の赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【図5】熱処理又はプラズマ処理した場合の空孔源とメチル基を有するシリコン酸化膜の機械的強度を示す図である。
【符号の説明】
11 半導体基板
13 低誘電率層間絶縁膜
19 スパッタ銅膜(Cu埋め込み配線)
20 メッキ銅膜(Cu埋め込み配線)
21 空孔源
22 空孔

Claims (6)

  1. 半導体基板上に空孔源を有する低誘電率層間絶縁膜を成膜する成膜工程と、プラズマ処理により前記低誘電率層間絶縁膜中から前記空孔源を除去するプラズマ処理工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記低誘電率層間絶縁膜中にCu埋め込み配線を形成する配線形成工程と、前記成膜工程、前記プラズマ処理工程及び前記配線形成工程を順番に複数回繰り返して積層配線構造を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記プラズマ処理工程において、処理温度を200℃〜400℃にすることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記プラズマ処理工程において、水素ガス又は水素を含む混合ガスによるプラズマを用いることを特徴とする請求項1〜3の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記低誘電率層間絶縁膜として、有機基を有するシリコン酸化膜を用い、前記空孔源として、前記有機基よりも熱分解温度が低い有機物を用いることを特徴とする請求項1〜4の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記有機基として、水素基、アルキル基及びアリル基の少なくとも1つを用いることを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。
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