JP2005109343A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に中空構造多層配線の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a hollow multilayer wiring.
半導体装置の微細化に伴い、配線抵抗の上昇や、配線間・配線層間の寄生容量の上昇が発生する。この改善策として、配線材料として銅を用いるとともに、層間絶縁膜として低誘電率膜を用いて、配線抵抗や配線間・配線層間の寄生容量を低下させる方法が提案されている。
近年、低誘電率膜として、例えばSiO2膜中にメチル基を導入したSiOC膜等の無機膜や、ポリアリルエーテル誘導体等の有機膜の開発が行われている。これらの膜の比誘電率は、2.6〜2.9程度である。
次世代の半導体装置で必要な更なる低誘電率化に向けて、薄膜に空孔を導入することで膜の密度を下げて、比誘電率が2.0〜2.4の膜を実現するための開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。
As semiconductor devices are miniaturized, wiring resistance increases and parasitic capacitance increases between wirings and between wiring layers. As an improvement measure, a method has been proposed in which copper is used as a wiring material and a low dielectric constant film is used as an interlayer insulating film to reduce wiring resistance and parasitic capacitance between wirings and wiring layers.
In recent years, as a low dielectric constant film, for example, an inorganic film such as a SiOC film in which a methyl group is introduced into a SiO 2 film or an organic film such as a polyallyl ether derivative has been developed. The relative dielectric constant of these films is about 2.6 to 2.9.
In order to further reduce the dielectric constant required for next-generation semiconductor devices, by introducing holes into the thin film, the film density is reduced, and a film having a relative dielectric constant of 2.0 to 2.4 is realized. Development is underway (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、かかる空孔が導入された薄膜は機械的強度が低下するため、製造工程中に薄膜が割れやすくなってしまうという問題があった。
また、空孔にガスや薬剤が吸着してしまうため、膜特性が劣化してしまう問題や、この劣化対策として後処理を行う必要があり製造コストが増大するという問題があった。このため、空孔を有する低誘電率膜を半導体装置の製造に適用することは困難であった。
However, the thin film into which such pores are introduced has a problem in that the mechanical strength is lowered, so that the thin film easily breaks during the manufacturing process.
Further, since gas and chemicals are adsorbed in the pores, there is a problem that the film characteristics are deteriorated, and a post-treatment needs to be performed as a countermeasure against the deterioration, resulting in an increase in manufacturing cost. For this reason, it has been difficult to apply a low dielectric constant film having pores to the manufacture of a semiconductor device.
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、配線間・配線層間の容量が低い多層配線を形成することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to form a multilayer wiring having a low capacitance between wirings and between wiring layers.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に、空孔を含まない有機膜と無機膜とを積層してなる層間絶縁膜と、該層間絶縁膜内に形成された配線層とを有する多層配線構造を形成する工程と、
前記有機膜と前記無機膜とを貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を形成した後、前記基板の全面に電子線を照射して、前記有機膜を除去する工程と、
を含むことを特徴とするものである。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes an interlayer insulating film formed by laminating an organic film not containing holes and an inorganic film on a substrate, and a wiring layer formed in the interlayer insulating film. Forming a multilayer wiring structure;
Forming a through-hole penetrating the organic film and the inorganic film;
After forming the through hole, irradiating the entire surface of the substrate with an electron beam to remove the organic film;
It is characterized by including.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記基板を200℃以上の温度に加熱して、前記電子線を照射することが好適である。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the substrate is heated to a temperature of 200 ° C. or higher and irradiated with the electron beam.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記配線層の周辺に前記貫通孔を複数形成することが好適である。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that a plurality of the through holes are formed around the wiring layer.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記有機膜がフッ素化アリレン膜であることが好適である。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the organic film is a fluorinated arylene film.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記無機膜が、SiO2膜、SiN膜、SiON膜、SiC膜、SiOC膜又はSiCN膜であることが好適である。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the inorganic film is a SiO 2 film, a SiN film, a SiON film, a SiC film, a SiOC film, or a SiCN film.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記有機膜を除去した後、前記貫通孔を閉孔する工程を更に含むことが好適である。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the method further includes a step of closing the through hole after removing the organic film.
本発明では、以上説明したように、空孔を含まない有機膜を有する層間絶縁膜を用いて多層配線構造を形成した後、有機膜を除去することにより、配線間・配線層間の容量が低い多層配線構造を形成することができる。 In the present invention, as described above, the multi-layer wiring structure is formed using the interlayer insulating film having the organic film that does not include the vacancies, and then the capacitance between the wirings and between the wiring layers is reduced by removing the organic film. A multilayer wiring structure can be formed.
図1〜図2は、本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
なお、本実施の形態では、主要工程である多層配線構造の形成方法のみを説明し、該多層配線構造よりも下層の半導体素子や配線等の下層構造の形成方法については説明を省略する。
1 to 2 are process cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
In the present embodiment, only a method for forming a multilayer wiring structure, which is a main process, will be described, and a description of a method for forming a lower layer structure such as a semiconductor element or wiring below the multilayer wiring structure will be omitted.
先ず、図1(a)に示すように、基板2上に、無機膜4としてのSiC膜をプラズマCVD法により、例えば、100nmの膜厚で形成する。次に、SiC膜4上に、空孔を含まない有機膜6としてのフッ素化アリレン膜をCVD法により、例えば、200nmの膜厚で形成する。そして、フッ素化アリレン膜6上に、ハードマスク8としてのSiC膜をプラズマCVD法により、例えば、100nmの膜厚で形成する。
なお、無機膜4としては、SiC膜以外に、例えば、SiO2膜、SiN膜、SiON膜、SiOC膜又はSiCN膜を用いることができる(後述する無機膜についても同様)。
また、フッ素化アリレン膜6の具体例として、例えば、フッ素化ポリキシリレン膜を挙げることができる。フッ素化ポリシキシリレン膜は、フッ素が結合されたキシリレン化合物の原料ガスを活性化させて得られた前駆体(ラジカル)を基板表面に供給して、この前駆体を重合させることにより形成される。
First, as shown in FIG. 1A, an SiC film as the
In addition to the SiC film, for example, a SiO 2 film, a SiN film, a SiON film, a SiOC film, or a SiCN film can be used as the inorganic film 4 (the same applies to an inorganic film described later).
Moreover, as a specific example of the fluorinated
次に、図1(b)に示すように、リソグラフィ技術及びドライエッチングによりSiC膜8をパターニングする。そして、このパターニングされたSiC膜8をマスクとしてフッ素化アリレン膜6をドライエッチングする。これにより、SiC膜8及びフッ素化アリレン膜6内に配線用溝10が形成される。
Next, as shown in FIG. 1B, the
続いて、図1(c)に示すように、配線用溝10の内面を含む基板2全面にバリアメタル膜を形成した後、その上に金属膜としての銅膜を形成する。そして、SiC膜8をストッパ膜として、不要な銅膜及びバリアメタル膜をCMPにより除去する。これにより、配線用溝10内に、バリアメタル膜と銅膜とからなる金属配線12が埋め込まれる。
なお、バリアメタル膜としては、例えば、Ta膜、TaN膜、Ti膜若しくはTiN膜、或いはそれらの積層膜を用いることができる。また、金属膜としては、銅膜以外に、タングステン膜やアルミニウム膜等を用いることができる(後述するヴィアコンタクト22及び金属配線32についても同様)。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, after a barrier metal film is formed on the entire surface of the
As the barrier metal film, for example, a Ta film, a TaN film, a Ti film, a TiN film, or a laminated film thereof can be used. In addition to the copper film, a tungsten film, an aluminum film, or the like can be used as the metal film (the same applies to the
次に、図1(d)に示すように、SiC膜8及び金属配線12上に、無機膜14としてのSiC膜をプラズマCVD法により、例えば、100nmの膜厚で形成する。そして、SiC膜14上に、有機膜16としてのフッ素化アリレン膜をCVD法により、例えば、200nmの膜厚で形成する。さらに、フッ素化アリレン膜16上に、ハードマスク18としてのSiC膜をプラズマCVD法により、例えば、100nmの膜厚で形成する。
Next, as shown in FIG. 1D, an SiC film as an
次に、図1(e)に示すように、リソグラフィ技術及びドライエッチングによりSiC膜18をパターニングする。そして、このパターニングされたSiC膜18をマスクとしてフッ素化アリレン膜16をドライエッチングする。これにより、SiC膜18及びフッ素化アリレン膜6内に、金属配線12上面に達するヴィアホール20が形成される。
Next, as shown in FIG. 1E, the
続いて、図2(a)に示すように、ヴィアホール20の内面を含む基板全面にバリアメタル膜を形成した後、その上に金属膜としての銅膜を形成する。そして、SiC膜18をストッパ膜として、不要な銅膜及びバリアメタル膜をCMPにより除去する。これにより、ヴィアホール20内に、下層の金属配線12に接続され、バリアメタル膜と銅膜とからなるヴィアコンタクト22が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 2A, after a barrier metal film is formed on the entire surface of the substrate including the inner surface of the
次に、図2(b)に示すように、SiC膜18及びヴィアコンタクト22上に、無機膜24としてのSiC膜をプラズマCVD法により、例えば、100nmの膜厚で形成する。そして、SiC膜24上に、有機膜26としてのフッ素化アリレン膜をCVD法により、例えば、200nmの膜厚で形成する。さらに、フッ素化アリレン膜26上に、ハードマスク28としてのSiC膜をプラズマCVD法により、例えば、100nmの膜厚で形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, an SiC film as an
次に、図2(c)に示すように、リソグラフィ技術及びドライエッチングによりSiC膜28をパターニングする。そして、このパターニングされたSiC膜28をマスクとしてフッ素化アリレン膜26をドライエッチングする。これにより、SiC膜28及びフッ素化アリレン膜26内に、ヴィアコンタクト22上面に達する配線用溝30が形成される。
Next, as shown in FIG. 2C, the
続いて、図2(d)に示すように、配線用溝30の内面を含む基板全面にバリアメタル膜を形成した後、その上に金属膜としての銅膜を形成する。そして、SiC膜28をストッパ膜として、不要な銅膜及びバリアメタル膜をCMPにより除去する。これにより、配線用溝30内に、ヴィアコンタクト22に接続され、バリアメタル膜と銅膜とからなる上層の金属配線32が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 2D, after a barrier metal film is formed on the entire surface of the substrate including the inner surface of the
次に、図2(e)に示すように、SiC膜28及び金属配線32上に、ハードマスク34としてのSiC膜をプラズマCVD法により、例えば、100nmの膜厚で形成する。
Next, as shown in FIG. 2E, an SiC film as a
そして、図2(f)に示すように、リソグラフィ技術及びドライエッチングによりSiC膜34をパターニングする。そして、このパターニングされたSiC膜34をマスクとして、配線層12,22,32周辺のSiC膜28、フッ素化アリレン膜26、SiC膜24,18、フッ素化アリレン膜16、SiC膜14,8、フッ素化アリレン膜6を順次ドライエッチングする。これにより、SiC膜28表面からSiC膜4表面に達する有機膜除去用の貫通孔36が形成される。
なお、貫通孔36の開孔密度や直径は、配線パターンに応じて、適宜設定すればよい。貫通孔36の開孔密度が低いと、フッ素化アリレン膜が分解する際(後述)に生じるガスによって、SiC膜や金属配線に変形が生じる場合がある。例えば、500μm2の領域に、金属配線12,32として0.16μmのL&Sパターンが形成されている場合には、このL&Sパターンの外側に、直径0.5μmの貫通孔を20μm間隔で形成すればよい。
Then, as shown in FIG. 2F, the
In addition, what is necessary is just to set the opening density and diameter of the through-
次に、上記処理が施された基板2を、図示しない電子線照射装置内に移載する。この電子線照射装置のチャンバ内において、基板2を400℃に加熱すると共に、複数の電子線照射管(ウシオ電機製のMin−EB)が複数設置された電子照射ユニットを用いて、圧力:100mTorr、加速電圧:60kV、照射レート:5μC/cm2・sec、照射時間:10minの条件で、電子線を基板全面に照射する。図2(g)に示すように、電子線照射(図中矢印で示す)により、フッ素化アリレン膜26,16が分解し、ガスとして排気されることにより、フッ素化アリレン膜26,16,6が除去される。
また、照射レートや照射時間等の条件は、除去するフッ素化アリレン膜の膜厚及び貫通孔の開孔密度に応じて適宜設定すればよい。
Next, the
Further, the conditions such as the irradiation rate and the irradiation time may be appropriately set according to the thickness of the fluorinated arylene film to be removed and the hole density of the through holes.
図3は、本実施の形態において、電子線照射による有機膜除去量と基板温度との関係を示す図である。詳細には、図3は、照射時間を除いた上記条件で電子線を照射した場合において、フッ素化アリレン膜の除去速度と基板温度との関係を示す図である。
図3に示すように、基板温度が高くなるにつれて、膜除去速度を高くなる。これより、電子照射時の基板温度は200℃以上にすることが好適であり、300℃以上にすることが更に好適である。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the amount of organic film removed by electron beam irradiation and the substrate temperature in the present embodiment. Specifically, FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the removal rate of the fluorinated arylene film and the substrate temperature when the electron beam is irradiated under the above conditions except for the irradiation time.
As shown in FIG. 3, the film removal rate increases as the substrate temperature increases. Accordingly, the substrate temperature during electron irradiation is preferably 200 ° C. or higher, and more preferably 300 ° C. or higher.
その後、パッシベーション膜として用いられているシリコン窒化膜(SiN膜)をプラズマCVD法により基板全面に形成することにより、貫通孔36を閉孔する。なお、SiN膜の形成に代えて、後工程のパッケージングによって貫通孔36を閉孔してもよい。
Thereafter, a through-
以上説明したように、本実施の形態では、空孔を含まないフッ素化アリレン膜6,16,26を主とした層間絶縁膜と、多層の配線12,32とを有する多層配線構造を形成した後、電子線を照射することによりフッ素化アリレン膜6,16,26を選択的に除去した。これにより、配線間・配線層間の容量が低い中空構造多層配線を形成することができる。
本実施の形態では、空孔が導入された低誘電率膜を層間絶縁膜として用いていないため、従来起こっていたような低誘電率膜の膜特性劣化を防止することができる。
As described above, in the present embodiment, a multilayer wiring structure including the interlayer insulating film mainly including the
In this embodiment, since the low dielectric constant film into which the holes are introduced is not used as the interlayer insulating film, it is possible to prevent the deterioration of the film characteristics of the low dielectric constant film which has occurred conventionally.
なお、本実施の形態では、SiC膜4表面にまで達する貫通孔36を形成し、全てのフッ素化アリレン膜6,16,26を除去しているが、所望のフッ素化アリレン膜のみを除去するようにしてもよい。すなわち、貫通孔36は、除去する必要のあるフッ素化アリレン膜を貫通するように形成すればよい。
また、本実施の形態では、シングルダマシン法を用いて有機膜除去前の多層配線構造を形成したが、デュアルダマシン法を用いて多層配線構造を形成してもよい。
また、本実施の形態では、2層の配線層12,32からなる2層配線構造について説明したが、これに限らず、1層若しくは3層以上の多層の配線構造に対しても適用することができる。
In this embodiment, the through-
In this embodiment, the multilayer wiring structure before the organic film removal is formed using the single damascene method. However, the multilayer wiring structure may be formed using the dual damascene method.
In this embodiment, the two-layer wiring structure including the two
2 基板
4,14,24 無機膜(SiC膜)
6,16,26 有機膜(フッ素化アリレン膜)
8,18,28,34 ハードマスク(SiC膜)
10,30 配線用溝
12,32 金属配線
20 ヴィアホール
22 ヴィアコンタクト
36 貫通孔
2
6, 16, 26 Organic film (fluorinated arylene film)
8, 18, 28, 34 Hard mask (SiC film)
10, 30
Claims (6)
前記有機膜と前記無機膜とを貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を形成した後、前記基板の全面に電子線を照射して、前記有機膜を除去する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a multilayer wiring structure having an interlayer insulating film formed by laminating a hole-free organic film and an inorganic film on a substrate, and a wiring layer formed in the interlayer insulating film;
Forming a through-hole penetrating the organic film and the inorganic film;
After forming the through hole, irradiating the entire surface of the substrate with an electron beam to remove the organic film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記基板を200℃以上の温度に加熱して、前記電子線を照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the substrate is heated to a temperature of 200 ° C. or higher and irradiated with the electron beam.
前記配線層の周辺に前記貫通孔を複数形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 or 2,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a plurality of the through holes are formed around the wiring layer.
前記有機膜がフッ素化アリレン膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claim 1 to 3,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the organic film is a fluorinated arylene film.
前記無機膜が、SiO2膜、SiN膜、SiON膜、SiC膜、SiOC膜又はSiCN膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claim 1 to 4,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the inorganic film is a SiO 2 film, a SiN film, a SiON film, a SiC film, a SiOC film, or a SiCN film.
前記有機膜を除去した後、前記貫通孔を閉孔する工程を更に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claim 1 to 5,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising the step of closing the through hole after removing the organic film.
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JP2008153480A (en) * | 2006-12-19 | 2008-07-03 | Toshiba Corp | Manufacturing method of semiconductor device, and semiconductor device |
WO2011021244A1 (en) * | 2009-08-20 | 2011-02-24 | 富士通セミコンダクター株式会社 | Semiconductor device manufacturing method |
KR101019356B1 (en) | 2007-10-09 | 2011-03-07 | 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 | Methods and apparatus of creating airgap in dielectric layers for the reduction of rc delay |
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2003
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