JP2006041297A - Mechanical characteristic deciding method of insulating thin film material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁性材料薄膜の機械的特性判定方法に係り、特に、半導体装置においてCu配線が形成される低誘電率絶縁膜の機械的強度を判定する方法に関する。 The present invention relates to a method for determining mechanical properties of an insulating material thin film, and more particularly to a method for determining the mechanical strength of a low dielectric constant insulating film on which a Cu wiring is formed in a semiconductor device.
半導体装置の微細化・高速化に伴い、配線構造は単層構造から多層化がすすみ、5層以上の金属配線構造を有する半導体装置も開発生産されている。ただし、微細化が進むにつれていわゆる配線間寄生容量と配線抵抗による信号伝達遅延が問題となっている。近年、多層化に伴い配線構造に起因する信号伝達遅延が半導体装置の高速化に与える影響が増大しており、回避策として様々な方法が取られている。一般的に、信号伝達遅延は前述した配線間寄生容量と配線抵抗の積で示すことができる。配線抵抗の低減に対しては、従来のアルミニウム(Al)配線から抵抗の低い銅(Cu)配線への移行が検討されている。 With the miniaturization and speeding up of semiconductor devices, the wiring structure has been increased from a single layer structure to a multilayer structure, and semiconductor devices having a metal wiring structure of five or more layers have been developed and produced. However, as miniaturization progresses, so-called inter-wiring parasitic capacitance and signal transmission delay due to wiring resistance become a problem. In recent years, with the increase in the number of layers, the influence of signal transmission delay due to the wiring structure on the speeding up of the semiconductor device has increased, and various methods have been taken as a workaround. In general, the signal transmission delay can be expressed by the product of the inter-wiring parasitic capacitance and the wiring resistance. In order to reduce the wiring resistance, a shift from a conventional aluminum (Al) wiring to a copper (Cu) wiring having a low resistance has been studied.
Cuは、Al合金配線の形成において頻繁に用いられたドライエッチング法による微細加工が困難であるので、溝加工が施された絶縁膜上にCu膜を堆積し、溝内に埋め込まれた部分以外のCu膜を化学機械研磨(CMP)により除去して埋め込み配線を形成する、いわゆるダマシン(damascene)法が主に採用されている。Cu膜はスパッタ法などで薄いシード層を形成した後に電解めっき法により数100nm程度の厚さの積層膜を形成することが一般的である。 Since Cu is difficult to finely process by the dry etching method frequently used in the formation of Al alloy wiring, Cu film is deposited on the insulating film subjected to the groove processing, and other than the portion embedded in the groove A so-called damascene method, in which the Cu film is removed by chemical mechanical polishing (CMP) to form a buried wiring, is mainly employed. In general, a Cu film is formed by forming a thin seed layer by sputtering or the like and then forming a laminated film having a thickness of about several hundreds of nanometers by electrolytic plating.
また、配線間の容量を低減するために、従来の酸化珪素(SiO2)を用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法による絶縁膜に替わり、CVD法によるSiOF膜を用いたり、CVD法やスピンコート法による有機シリコン酸化膜や有機樹脂(ポリマー)膜を低誘電率絶縁膜(low−k膜)として用いることが検討されている。このようなlow−k膜とCu配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法は次のようなものである。 In addition, in order to reduce the capacitance between wirings, instead of the conventional insulating film by CVD (Chemical Vapor Deposition) method using silicon oxide (SiO 2 ), a SiOF film by CVD method can be used, CVD method or spin coating can be used. It has been studied to use an organic silicon oxide film or an organic resin (polymer) film by a method as a low dielectric constant insulating film (low-k film). A method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure in which such a low-k film and a Cu wiring are combined is as follows.
図9は、従来のlow−k膜とCu配線を組み合わせた多層配線構造を有する半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図9では、デバイス部分等の形成方法は省略している。
図9(a)において、シリコン基板による基体200上にCVD等の方法により第1の絶縁膜221を成膜する。
図9(b)において、写真製版とドライエッチングにより、Cu金属配線或いはCuコンタクトプラグを形成するための溝構造(開口部H)を第1の絶縁膜221に形成する。
図9(c)において、第1の絶縁膜221上に、物理的気相成長(PVD)法或いはCVD法によりバリアメタル膜240、Cuシード膜を、そして、めっき法によりCu膜260をかかる順序で形成して、150℃から400℃の温度で約30分間アニール処理する。
図9(d)において、Cu膜260とバリアメタル膜240を化学機械研磨(CMP)により除去し、平坦化を行なうことにより、溝である開口部Hに、Cuによる埋め込み配線を形成する。
図9(e)において、前記Cu膜260表面に還元性プラズマ処理を施した後に第2の絶縁膜281を成膜する。
さらに、多層Cu配線を形成する場合は、これらの工程を繰り返して積層していくのが一般的である。ここで、第1の絶縁膜221と第2の絶縁膜281の大半がlow−k膜となる。
FIG. 9 is a process sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure in which a conventional low-k film and a Cu wiring are combined.
In FIG. 9, a method for forming a device portion or the like is omitted.
In FIG. 9A, a first
In FIG. 9B, a groove structure (opening H) for forming a Cu metal wiring or a Cu contact plug is formed in the first
In FIG. 9C, a
In FIG. 9D, the
In FIG. 9E, after the reducing plasma treatment is performed on the surface of the
Furthermore, when forming multilayer Cu wiring, it is common to repeat these processes and to laminate. Here, most of the first
一般的に、SiOF膜は比誘電率を3.3程度まで低減させることが可能であるとされる(従来用いられているSiO2膜の比誘電率は3.9)が、それ以下に下げることは、膜の安定性の面から実用上、極めて困難となる。それに対して低誘電率絶縁膜は、例えば、SiO2にメチル基を導入する有機シリコン酸化膜は、メチル基の量を調整することにより比誘電率を2.5程度まで低減させることが可能であり、さらに膜中に空孔を導入することにより比誘電率を2.0程度まで下げることが可能とされているために、現在盛んに検討が進められている。 In general, it is said that the relative dielectric constant of the SiOF film can be reduced to about 3.3 (the relative dielectric constant of the conventionally used SiO 2 film is 3.9), but the dielectric constant is lowered to that. This is extremely difficult in practice from the viewpoint of the stability of the film. On the other hand, the low dielectric constant insulating film, for example, the organic silicon oxide film that introduces a methyl group into SiO 2 can reduce the relative dielectric constant to about 2.5 by adjusting the amount of the methyl group. In addition, since it is possible to lower the relative dielectric constant to about 2.0 by introducing vacancies in the film, studies are currently being actively conducted.
一方、低誘電率絶縁膜を用いた半導体装置では、例えば、Cu配線が形成された低誘電率絶縁膜に熱処理を施した場合、Cuの熱膨張により低誘電率絶縁膜にクラックが生じることがある。このようなクラックの形成は、低誘電率絶縁膜の機械的特性に依ると言われている。
現在のところ、低誘電率絶縁膜の機械的特性といえば、評価手法がほぼ確立されている弾性率および硬度で議論されることが大半である。
On the other hand, in a semiconductor device using a low dielectric constant insulating film, for example, when heat treatment is performed on the low dielectric constant insulating film on which the Cu wiring is formed, cracks may occur in the low dielectric constant insulating film due to thermal expansion of Cu. is there. The formation of such cracks is said to depend on the mechanical properties of the low dielectric constant insulating film.
At present, most of the mechanical characteristics of low dielectric constant insulating films are discussed in terms of elastic modulus and hardness for which evaluation methods are almost established.
弾性率および硬度の測定方法として、圧子を最大荷重まで測定材料表面に押し付ける(ローディング)時に圧子が薄膜にした仕事と、離す(アンローディング)時に薄膜が圧子にした仕事とから硬度と弾性率の比を求め、その比を用いて弾性率および硬度を測定する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 As a method of measuring the modulus of elasticity and hardness, the hardness and modulus of elasticity are determined from the work that the indenter pressed into the surface of the material to be measured up to the maximum load (loading) and the work that the film pressed into the indenter during unloading. A method for obtaining a ratio and measuring the elastic modulus and hardness using the ratio is disclosed (for example, see Patent Document 1).
また、薄膜が成膜された基板のたわみ量と該薄膜を除去した後の基板のたわみ量との比から弾性率を求める方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。 Further, a method for obtaining an elastic modulus from a ratio between a deflection amount of a substrate on which a thin film is formed and a deflection amount of the substrate after the thin film is removed is disclosed (for example, see Patent Document 2).
その他、低誘電率膜を形成する方法として、テトラフルオロ−p−キシリレンを含む結晶性有機膜を用いる方法が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
しかし、弾性率および硬度だけでは上述したような低誘電率絶縁膜の機械的特性に起因する不具合を説明することができないこともある。例えば、弾性率がほぼ同じであるのにも関わらず、低誘電率絶縁膜にクラックが生じて、Cuが染み出すものと染み出さないものとが存在した。よって、弾性率および硬度以外の、半導体装置に用いた際に生じる不良との相関を示すような低誘電率絶縁膜の機械的特性に関するパラメータの導出が望まれている。 However, there are cases where the problems caused by the mechanical characteristics of the low dielectric constant insulating film as described above cannot be explained only by the elastic modulus and hardness. For example, although the elastic modulus is almost the same, a crack is generated in the low dielectric constant insulating film, and some of the Cu exudes and some does not exude. Therefore, it is desired to derive parameters related to the mechanical characteristics of the low dielectric constant insulating film that show a correlation with defects occurring when used in semiconductor devices, other than the elastic modulus and hardness.
本発明は、上述した問題点を克服し、弾性率および硬度以外の、半導体装置に用いた際に生じる不良との相関を示すような絶縁性材料膜の機械的特性に関するパラメータを用いて、絶縁性材料膜の機械的特性を判定する手法を提供することを目的とする。 The present invention overcomes the above-mentioned problems and uses parameters relating to the mechanical properties of the insulating material film that show a correlation with defects occurring when used in semiconductor devices, other than the elastic modulus and hardness. It is an object of the present invention to provide a method for determining mechanical properties of a conductive material film.
本発明の絶縁性材料薄膜の機械的特性判定方法は、
半導体装置に用いる絶縁性材料薄膜の機械的特性判定方法において、
前記絶縁性材料薄膜に圧子を押し込み、無荷重から最大荷重までの荷重と各荷重における前記絶縁性材料薄膜の変位量とに基づいて圧子押し込みエネルギーを取得する圧子押し込みエネルギー取得工程と、
前記絶縁性材料薄膜に押し込まれた圧子を前記最大荷重から無加重まで除荷する際の各荷重と各荷重における前記絶縁性材料薄膜の変位量とに基づいて弾性回復エネルギーを取得する弾性回復エネルギー取得工程と、
を備え、
前記圧子押し込みエネルギーと前記弾性回復エネルギーとの差を前記圧子押し込みエネルギーで除した値により前記絶縁性材料薄膜の機械的特性を判定することを特徴とする。
The mechanical property determination method of the insulating material thin film of the present invention is:
In a method for determining mechanical properties of an insulating material thin film used in a semiconductor device,
An indenter pushing energy acquisition step of pushing an indenter into the insulating material thin film, obtaining an indenter pushing energy based on a load from no load to a maximum load and a displacement amount of the insulating material thin film at each load;
Elastic recovery energy for acquiring elastic recovery energy based on each load when the indenter pushed into the insulating material thin film is unloaded from the maximum load to no load and the amount of displacement of the insulating material thin film at each load Acquisition process;
With
The mechanical property of the insulating material thin film is determined by a value obtained by dividing a difference between the indenter indentation energy and the elastic recovery energy by the indenter indentation energy.
前記圧子押し込みエネルギーと前記弾性回復エネルギーとの差を前記圧子押し込みエネルギーで除した値、すなわち、エネルギー散逸値(百分率で表わした場合、エネルギー散逸率)を用いることで、弾性率および硬度以外の、半導体装置に用いた際に生じる不良との相関を示すパラメータで前記絶縁性材料薄膜の機械的特性を判定することができる。 By using the value obtained by dividing the difference between the indenter indentation energy and the elastic recovery energy by the indenter indentation energy, that is, the energy dissipation value (in terms of percentage, the energy dissipation rate), other than the elastic modulus and hardness, The mechanical characteristics of the insulating material thin film can be determined by a parameter indicating a correlation with a defect generated when used in a semiconductor device.
そして、特に、前記値が0.1以下であれば、前記絶縁性材料薄膜が半導体装置に用いることができる機械的特性を有すると判定することを特徴とする。 In particular, if the value is 0.1 or less, it is determined that the insulating material thin film has mechanical characteristics that can be used for a semiconductor device.
エネルギー散逸値が0.1、すなわち、エネルギー散逸率が10%以下であれば、後述するように、低誘電率絶縁膜にクラックが生じない。よって、エネルギー散逸率が10%以下であれば、記絶縁性材料薄膜が半導体装置に用いることができる機械的特性を有すると判定することができる。 If the energy dissipation value is 0.1, that is, if the energy dissipation rate is 10% or less, the low dielectric constant insulating film will not crack as will be described later. Therefore, if the energy dissipation rate is 10% or less, it can be determined that the insulating material thin film has mechanical characteristics that can be used for a semiconductor device.
特に、前記絶縁性材料薄膜の機械的特性判定方法において、比誘電率が3.9より小さい絶縁性材料薄膜に対して機械的特性を判定することを特徴とする。 In particular, in the method for determining mechanical properties of an insulating material thin film, the mechanical properties are determined for an insulating material thin film having a relative dielectric constant smaller than 3.9.
弾性率および硬度では判定できない問題を抱える比誘電率が3.9より小さい絶縁性材料薄膜に対して、本手法により機械的特性を判定することが特に有効である。 It is particularly effective to determine the mechanical characteristics by this method for an insulating material thin film having a relative dielectric constant of less than 3.9, which has a problem that cannot be determined by elastic modulus and hardness.
同様に、前記絶縁性材料薄膜の機械的特性判定方法において、有機シリコン酸化膜と有機ポリマ膜とのいずれかを材料とする絶縁性材料薄膜に対して機械的特性を判定することを特徴とする。 Similarly, in the method for determining mechanical characteristics of an insulating material thin film, the mechanical characteristics are determined for an insulating material thin film made of either an organic silicon oxide film or an organic polymer film. .
低誘電率膜を形成する材料である有機シリコン酸化膜と有機ポリマ膜に対して、本手法により機械的特性を判定することが特に有効である。 It is particularly effective to determine the mechanical characteristics by this method for the organic silicon oxide film and the organic polymer film which are materials for forming the low dielectric constant film.
以上説明したように、本発明によれば、弾性率および硬度以外の、半導体装置に用いた際に生じる不良との相関を示すパラメータで前記絶縁性材料薄膜の機械的特性を判定することができるので、優れた機械的特性を有する低誘電率絶縁膜を用いた高信頼性半導体装置を示すことができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to determine the mechanical characteristics of the insulating material thin film with parameters indicating a correlation with defects occurring when used in a semiconductor device other than the elastic modulus and hardness. Therefore, a highly reliable semiconductor device using a low dielectric constant insulating film having excellent mechanical characteristics can be shown.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1における絶縁性材料薄膜の機械的特性判定方法のフローを示す図である。
絶縁性材料薄膜の機械的特性判定方法のフローとして、判定対象となる絶縁性材料薄膜に対して圧子圧入試験を行ない、圧子押し込みエネルギー取得工程として、荷重0から最大荷重までの荷重−変位曲線(圧入曲線)を取得する圧入曲線取得工程(S102)、圧子圧入時の圧入エネルギーを算出する圧入エネルギー算出工程(S104)と、弾性回復エネルギー取得工程として、圧子除去時の荷重−変位曲線(除荷曲線)を取得する除荷曲線取得工程(S106)、圧子除去時の弾性回復エネルギー算出工程(S108)と、エネルギー散逸率算出工程(S110)と、判定工程(S112)という一連の工程を行なう。
FIG. 1 is a diagram showing a flow of a method for determining mechanical properties of an insulating material thin film in the first embodiment.
As a flow of the mechanical property determination method of the insulating material thin film, an indenter press-in test is performed on the insulating material thin film to be determined, and a load-displacement curve from a load of 0 to the maximum load (indentation energy acquisition process) A press-fit curve acquisition step (S102) for acquiring a press-fit curve), a press-fit energy calculation step (S104) for calculating press-fit energy at the time of indenter press-in, and a load-displacement curve (unload) at the time of indenter removal as an elastic recovery energy acquisition step Curve unloading curve acquisition step (S106), an elastic recovery energy calculation step (S108) when removing the indenter, an energy dissipation rate calculation step (S110), and a determination step (S112).
図2は、低誘電率絶縁膜に対する圧子圧入試験で得られる圧入および除荷曲線の一例を示す図である。
まず、圧入曲線取得工程として、被判定対象となる絶縁性材料薄膜に対し、圧子を押し込み、無荷重から最大荷重までの荷重と各荷重における前記絶縁性材料薄膜の変位量とを取得する。そして、得られた荷重と変位量とをプロットし、荷重−変位曲線(圧入曲線)を取得する。図2では、圧入曲線において、無荷重時の変位を「0」、最大荷重時の変位を「hmax」としている。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a press-fitting and unloading curve obtained in an indenter press-fitting test for a low dielectric constant insulating film.
First, as a press fit curve acquisition step, an indenter is pushed into an insulating material thin film to be judged, and a load from no load to a maximum load and a displacement amount of the insulating material thin film at each load are acquired. And the obtained load and displacement amount are plotted, and a load-displacement curve (press-fit curve) is acquired. In FIG. 2, in the press-fitting curve, the displacement at no load is “0”, and the displacement at the maximum load is “hmax”.
続いて、圧入エネルギー算出工程として、無荷重から最大荷重までの荷重と各荷重における前記絶縁性材料薄膜の変位量とに基づいて圧子押し込みエネルギーを取得する。
図3は、圧子押し込みエネルギーを算出するための計算式を示す図である。
最大圧入時の圧入深さhmaxまで圧子を押し込むのに要するエネルギーE1は、圧入曲線に沿って荷重Pをゼロからhmaxまで積分することにより得られる。
Subsequently, as the press-fit energy calculation step, the indenter pushing energy is acquired based on the load from no load to the maximum load and the displacement amount of the insulating material thin film at each load.
FIG. 3 is a diagram showing a calculation formula for calculating the indenter pushing energy.
Energy E 1 required to push the indenter to press-fit depth hmax at the maximum press-fitting is obtained by integrating the load P from zero to hmax along the press-fitting curve.
除荷曲線取得工程として、前記絶縁性材料薄膜に押し込まれた圧子を前記最大荷重から無加重まで除荷する際の各荷重と各荷重における前記絶縁性材料薄膜の変位量とを取得する。そして、得られた荷重と変位量とをプロットし、荷重−変位曲線(除荷曲線)を取得する。図2では、除荷曲線において、無荷重時の変位を「hr」としている。 As the unloading curve acquisition step, each load when the indenter pushed into the insulating material thin film is unloaded from the maximum load to no load and the displacement amount of the insulating material thin film at each load are acquired. And the obtained load and displacement amount are plotted, and a load-displacement curve (unloading curve) is acquired. In FIG. 2, in the unloading curve, the displacement under no load is “hr”.
続いて、弾性回復エネルギー算出工程として、前記最大荷重から無加重まで除荷する際の各荷重と各荷重における前記絶縁性材料薄膜の変位量とに基づいて弾性回復エネルギーを取得する。
図4は、弾性回復エネルギーを算出するための計算式を示す図である。
圧子除去時の、弾性回復によるエネルギーE2は、除荷曲線に沿って荷重Pを圧子除荷後に膜表面に生じた圧痕の深さhrからhmaxまで積分することにより得られる。
Subsequently, as the elastic recovery energy calculation step, elastic recovery energy is acquired based on each load when unloading from the maximum load to no load and the amount of displacement of the insulating material thin film at each load.
FIG. 4 is a diagram showing a calculation formula for calculating elastic recovery energy.
During indenter removal, energy E 2 by elastic recovery is obtained by integrating the load P along the unloading curve from a depth hr of indentation produced on the film surface after the indenter unloading to hmax.
これらエネルギーの差(圧子を押し込むのに要するエネルギーE1−弾性回復によるエネルギーE2)は、塑性変形により膜中に散逸したエネルギーと残留応力によって膜中に蓄えられたエネルギーを含んでいると考えられる。即ち、このエネルギー差は、膜の塑性変形に関する物理量を表しているということができ、この量を用いれば、従来から評価されている弾性率および硬度とは異なる観点から、低誘電率絶縁膜の機械的特性およびそれと半導体装置内で低誘電率絶縁膜を採用した際に生じる不具合との相関を示すことができると考えられる。 It is considered that the difference between these energies (energy E 1 required to push the indenter-energy E 2 due to elastic recovery) includes energy dissipated in the film due to plastic deformation and energy stored in the film due to residual stress. It is done. That is, it can be said that this energy difference represents a physical quantity related to the plastic deformation of the film, and if this quantity is used, the low dielectric constant insulating film has a different viewpoint from the conventionally evaluated elastic modulus and hardness. It is considered that the correlation between the mechanical characteristics and the defects caused when the low dielectric constant insulating film is adopted in the semiconductor device can be shown.
ここでは、除荷曲線取得工程より前に圧入エネルギー算出工程を行なっているが、除荷曲線取得工程を先に、或いは同時に行なっても構わないのは言うまでもない。同様に、圧入エネルギー算出工程と弾性回復エネルギー算出工程とは、どちらを先に、或いは同時に行なっても構わないのは言うまでもない。 Here, the press-fit energy calculation step is performed before the unloading curve acquisition step, but it goes without saying that the unloading curve acquisition step may be performed first or simultaneously. Similarly, it goes without saying that either the press-fit energy calculation step or the elastic recovery energy calculation step may be performed first or simultaneously.
そして、エネルギー散逸率算出工程として、前記圧子押し込みエネルギーE1と前記弾性回復エネルギーE2との差を前記圧子押し込みエネルギーE1で除したエネルギー散逸割合値αを算出する。
図5は、エネルギー散逸割合値を算出するための計算式を示す図である。
ここでは、百分率で表わすことが便利であるためαに100を乗じて%(パーセント)表示したエネルギー散逸率として表わすことが望ましい。
Then, as the energy dissipation rate calculating step calculates the energy dissipation rate value α to the difference between the indentation energy E 1 and the elastic recovery energy E 2 divided by the indentation energy E 1.
FIG. 5 is a diagram showing a calculation formula for calculating the energy dissipation ratio value.
Here, since it is convenient to express it as a percentage, it is desirable to express it as an energy dissipation rate expressed as% (percent) by multiplying α by 100.
そして、判定工程として、エネルギー散逸割合値α、或いはエネルギー散逸率により前記絶縁性材料薄膜の機械的特性を判定する。判定する際の閾値として、前記α値が0.1以下、すなわち、エネルギー散逸率が10%以下であることが望ましい。よって、エネルギー散逸率が10%以下であれば、前記絶縁性材料薄膜が半導体装置に用いることができる機械的特性を有すると判定する。エネルギー散逸率が10%以下であれば、半導体装置に用いた場合に金属の染み出しをおこさないようにすることができる。 And as a determination process, the mechanical characteristic of the said insulating material thin film is determined by energy dissipation ratio value (alpha) or an energy dissipation rate. As a threshold value for determination, it is desirable that the α value is 0.1 or less, that is, the energy dissipation rate is 10% or less. Therefore, if the energy dissipation rate is 10% or less, it is determined that the insulating material thin film has mechanical characteristics that can be used for a semiconductor device. When the energy dissipation rate is 10% or less, the metal can be prevented from exuding when used in a semiconductor device.
以下、エネルギー散逸率が7%と15%の絶縁性材料薄膜を用いた半導体装置で比較した例を説明する。ここでは、ビアと配線を同時に形成する、いわゆるディアルダマシン法を用いて成膜する。
図6は、半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。
図6(a)において、絶縁膜形成工程として、下層配線層上に、CVD法によって、炭化シリコン(SiC)を用いた下地膜となるSiC膜275を形成する。ここでは、CVD法によって成膜しているが、その他の方法を用いても構わない。SiC膜275は、エッチングストッパとしての機能も有する。SiC膜を生成するのは難しいためSiC膜の代わりに炭酸化シリコン(SiOC)膜を用いても構わない。或いは、炭窒化シリコン(SiCN)膜、窒化シリコン(SiN)膜を用いることができる。
前記下層配線は、基体200上に形成され、下地SiC膜212とp−lowk膜220とキャップSiO2膜222とが形成された下層配線用層間絶縁膜に、バリアメタル膜240とシード膜250とCu膜260とが形成されている。基体200として、例えば、直径300ミリのシリコンウェハ等の基板を用いる。基体200には、コンタクトプラグ、或いは、その他の層が形成されていても構わない。
Hereinafter, an example in which the semiconductor devices using the insulating material thin films having the energy dissipation rates of 7% and 15% are compared will be described. Here, the film is formed by using a so-called dial damascene method in which a via and a wiring are simultaneously formed.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device.
In FIG. 6A, as an insulating film forming step, a
The lower layer wiring is formed on the
そして、SiC膜275の上に、被判定対象となる多孔質の絶縁性材料を用いたp−lowk膜280を形成する。p−lowk膜280を形成することで、比誘電率kが3.9よりも低い層間絶縁膜を得ることができる。比誘電率kが3.9よりも低い絶縁膜に対して機械的特性、特に強度の判定手法の実現が必要とされているため、比誘電率kが3.9よりも低い絶縁膜を用いることが望ましい。特に、前記低誘電率絶縁膜の比誘電率が1.5ないし3.5の範囲にあるとなおよい。比誘電率kが3.9よりも低くできるp−lowk膜280の材料として、CVD法によるSiOF膜を用いたり、CVD法やスピンコート法による有機シリコン酸化膜や有機樹脂(ポリマー)膜を用いたりすることが望ましい。有機シリコン酸化膜としては、例えば、SiO2にメチル基を導入したものを用いるとよい。
Then, a p-
ここでは、p−lowk膜280として、エネルギー離散率が7%の、弾性率7GPa、比誘電率2.5を有する多孔質有機シリコン酸化膜を採用した。そして、比較対象として、別途、エネルギー離散率が15%の、弾性率7GPa、比誘電率2.5を有する多孔質有機シリコン酸化膜を採用したものも用意した。
Here, as the p-
このp−lowk膜280表面をヘリウム(He)プラズマ照射によって表面改質後、CVD法によってp−lowk膜280上にエッチングストッパとなるSiC膜284を形成する。そして、同様に、SiC膜284上に多孔質の絶縁性材料を用いたp−lowk膜285を形成し、その上にキャップ膜となるSiO2膜290を形成する。SiO2膜290を形成することで直接リソグラフィを行うことができないp−lowk膜285を保護し、p−lowk膜285にパターンを形成することができる。かかるキャップCVD膜は、SiO2膜、SiC膜、SiOC膜、SiCN膜などがあるが、ダメージ低減の観点からはSiO2膜が優れ、低誘電率化の観点からはSiOC膜が、耐圧向上の観点からはSiC膜やSiCN膜が優れている。さらに、SiO2膜とSiC膜の積層膜、もしくはSiO2膜とSiCO膜の積層膜、もしくはSiO2膜とSiCN膜の積層膜を用いることができる。さらにキャップCVD膜の一部、もしくは全てが後述する平坦化工程においてCMPにより除去されても良い。
After surface modification of the surface of the p-
図6(b)において、開口部形成工程として、リソグラフィ工程とドライエッチング工程でダマシン配線(ここでは、デュアルダマシン配線)を作製するための配線溝構造である上層配線用の溝開口部H1と上層配線と共に下層配線へと接続するビア孔とを開けた開口部H2を形成する。図示していないレジスト塗布工程、露光工程等のリソグラフィ工程を経てSiO2膜290の上にレジスト膜が形成された基体200に対し、露出したSiO2膜290とその下層に位置するp−lowk膜285を、下地SiC膜284をエッチングストッパとして異方性エッチング法により除去して形成すればよい。また、その後に、同様にビア孔をp−lowk膜280、下地SiC膜275を除去して形成すればよい。
In FIG. 6B, as an opening forming process, a groove opening H 1 for upper layer wiring which is a wiring groove structure for producing a damascene wiring (here, dual damascene wiring) by a lithography process and a dry etching process; forming an opening H 2 was opened and a via hole for connecting with upper layer wiring to the lower layer wiring. An exposed SiO 2 film 290 and a p-lowk film located below the exposed SiO 2 film 290 with respect to the
図7は、半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。
図7(a)において、SiO2膜290上と開口部H1と開口部H2にバリアメタル材料を用いたバリアメタル膜242を形成する。物理気相成長法(physical vapor deposition:PVD)法の1つであるスパッタ法を用いるスパッタリング装置内で窒化タンタル(TaN)を堆積し、バリアメタル膜242を形成する。そして、スパッタ等のPVD法により、次の工程である電解めっき工程のカソード極となるCu薄膜をシード膜としてバリアメタル膜242が形成された開口部H1と開口部H2内壁及び基体表面に堆積(形成)させる。そして、シード膜をカソード極として、電解めっき等の電気化学成長によりCu膜262を開口部H1と開口部H2及び基体表面に堆積させる。堆積させた後にアニール処理を行なう。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device.
In FIG. 7 (a), a
図7(b)において、平坦化工程として、CMP法によってSiO2膜290の表面に堆積されたCu膜262、シード膜、バリアメタル膜242を研磨除去することにより、図7(b)に示したような埋め込み構造を形成する。
In FIG. 7B, as a planarization step, the
図8は、半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。
図8において、Cuの拡散を防止するため、上層配線が形成され、Cuが表面に表れたSiO2膜290上にSiC膜292を成膜する。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device.
In FIG. 8, in order to prevent the diffusion of Cu, an upper layer wiring is formed, and an
以上のように製造した弾性率が同じでエネルギー離散率が異なる2種類の半導体装置を比較した。
その結果、まず、エネルギー離散率が15%のp−lowk膜280を採用した構造では、金属の染み出しが見られたのに対し、エネルギー離散率が7%のp−lowk膜280を採用した構造ではそのような染み出しは見られなかった。この原因としては、ヴィアに埋め込まれたCuは熱工程中に膨張するが、それによりp−lowk膜280に応力がかかり、p−lowk膜280の強度がその応力に耐え切れずクラックが生じそこから金属の染み出しが生じたものと考えられる。両者の弾性率はほぼ同じであるにも関わらずこのような違いが出るのは、上述のように定義されたエネルギー離散率、つまり、塑性変形に対する強度によるものと考えられる。
Two types of semiconductor devices having the same elastic modulus and different energy discrete rates manufactured as described above were compared.
As a result, first, in the structure employing the p-
本実施例では、ヴィア形成層であるp−lowk膜280を適用したが、配線形成層であるp−lowk膜285およびSiO2膜290、或いはヴィア形成層であるSiC膜284およびSiC膜275への適用でも同様の効果が得られ、ヴィア形成層と配線形成層の両者に適用しても構わない。下層配線層であるp−lowk膜220、SiC膜212およびSiO2膜222への適用でも同様の効果が得られる。
In this embodiment, the p-
上述した実施例の方法では形成される層間絶縁膜の例として多孔質有機絶縁膜を挙げたが、本発明に使用される膜材料もしくはその前駆体は多孔質有機シリコン酸化膜に限らず、有機膜もしくは膜塗布後熱等により硬化し、絶縁化されるものであれば、特に限定されるものではない。 In the method of the above-described embodiment, a porous organic insulating film is cited as an example of the interlayer insulating film to be formed. However, the film material or precursor thereof used in the present invention is not limited to the porous organic silicon oxide film, The film is not particularly limited as long as it is cured and insulated by heat or the like after coating.
以上のように、本発明では、半導体装置に用いられる低誘電率絶縁膜に関して、圧子押し込み試験における加重−変位曲線と除荷−変位曲線から定義されるエネルギー散逸率が10%以下の低誘電率絶縁膜を採用することにより、機械的強度に優れた低誘電率絶縁膜層を有する高信頼性半導体装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, a low dielectric constant having an energy dissipation rate of 10% or less defined by a weight-displacement curve and an unload-displacement curve in an indenter indentation test for a low dielectric constant insulating film used in a semiconductor device. By employing the insulating film, a highly reliable semiconductor device having a low dielectric constant insulating film layer excellent in mechanical strength can be provided.
以上の説明において、上記各実施の形態における配線層の材料として、Cu以外に、Cu−Sn合金、Cu−Ti合金、Cu−Al合金等の、半導体産業で用いられるCuを主成分とする材料を用いて同様の効果が得られる。 In the above description, as a material for the wiring layer in each of the above embodiments, in addition to Cu, a material mainly composed of Cu used in the semiconductor industry, such as a Cu—Sn alloy, a Cu—Ti alloy, and a Cu—Al alloy. The same effect can be obtained using.
以上、具体例を参照しつつ各実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。 The embodiments have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
例えば、層間絶縁膜の膜厚や、開口部のサイズ、形状、数などについても、半導体集積回路や各種の半導体素子において必要とされるものを適宜選択して用いることができる。 For example, the film thickness of the interlayer insulating film and the size, shape, number, and the like of the opening can be appropriately selected and used as required in the semiconductor integrated circuit and various semiconductor elements.
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。 In addition, any semiconductor device manufacturing method that includes the elements of the present invention and whose design can be changed as appropriate by those skilled in the art is included in the scope of the present invention.
また、説明の簡便化のために、半導体産業で通常用いられる手法、例えば、フォトリソグラフィプロセス、処理前後のクリーニング等は省略しているが、それらの手法が含まれることは言うまでもない。 In addition, for the sake of simplicity of explanation, techniques usually used in the semiconductor industry, such as a photolithography process, cleaning before and after processing, are omitted, but it goes without saying that these techniques are included.
200 基体
212,275,284,292 SiC膜
220,280,285 p−lowk膜
221,281 絶縁膜
222,290 SiO2膜
240,242 バリアメタル膜
250 シード膜
260,262 Cu膜
200
Claims (4)
前記絶縁性材料薄膜に圧子を押し込み、無荷重から最大荷重までの荷重と各荷重における前記絶縁性材料薄膜の変位量とに基づいて圧子押し込みエネルギーを取得する圧子押し込みエネルギー取得工程と、
前記絶縁性材料薄膜に押し込まれた圧子を前記最大荷重から無加重まで除荷する際の各荷重と各荷重における前記絶縁性材料薄膜の変位量とに基づいて弾性回復エネルギーを取得する弾性回復エネルギー取得工程と、
を備え、
前記圧子押し込みエネルギーと前記弾性回復エネルギーとの差を前記圧子押し込みエネルギーで除した値により前記絶縁性材料薄膜の機械的特性を判定することを特徴とする絶縁性材料薄膜の機械的特性判定方法。 In a method for determining mechanical properties of an insulating material thin film used in a semiconductor device,
An indenter pushing energy acquisition step of pushing an indenter into the insulating material thin film, obtaining an indenter pushing energy based on a load from no load to a maximum load and a displacement amount of the insulating material thin film at each load;
Elastic recovery energy for acquiring elastic recovery energy based on each load when the indenter pushed into the insulating material thin film is unloaded from the maximum load to no load and the amount of displacement of the insulating material thin film at each load Acquisition process;
With
A method for determining mechanical properties of an insulating material thin film, comprising: determining mechanical properties of the insulating material thin film based on a value obtained by dividing a difference between the indenter pressing energy and the elastic recovery energy by the indenter pressing energy.
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Cited By (3)
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CN103983515A (en) * | 2014-05-30 | 2014-08-13 | 重庆大学 | Method for determining resilience of prestressed circular film under uniformly-distributed load |
CN106338437A (en) * | 2016-09-05 | 2017-01-18 | 重庆大学 | Method for determining elastic energy of prestress ring membrane with hard core under uniformly distributed load |
CN114624112A (en) * | 2022-03-07 | 2022-06-14 | 哈尔滨工业大学 | Elastic modulus measuring method and system |
-
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103983515A (en) * | 2014-05-30 | 2014-08-13 | 重庆大学 | Method for determining resilience of prestressed circular film under uniformly-distributed load |
CN103983515B (en) * | 2014-05-30 | 2016-04-13 | 重庆大学 | A kind of method determining uniformly distributed load lower prestress circular membrane elasticity energy |
CN106338437A (en) * | 2016-09-05 | 2017-01-18 | 重庆大学 | Method for determining elastic energy of prestress ring membrane with hard core under uniformly distributed load |
CN106338437B (en) * | 2016-09-05 | 2019-03-01 | 重庆大学 | The determination method of prestress annular film elasticity energy under uniform load with hard core |
CN114624112A (en) * | 2022-03-07 | 2022-06-14 | 哈尔滨工业大学 | Elastic modulus measuring method and system |
CN114624112B (en) * | 2022-03-07 | 2024-05-17 | 哈尔滨工业大学 | Elastic modulus measuring method and system |
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