JP2006120909A - 誘電体材料の加工方法及びこの方法によって製造された半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】低ｋ誘電体材料等に対するイオンビーム照射による加工に際し、被加工材に帯電を招くことのない誘電体材料の加工方法及びこの方法によって製造された半導体デバイスを提供する。
【解決手段】基板に形成された集積回路等における誘電体材料５に対する加工方法であって、前記誘電体材料５表面に導電性ガラス６を被覆した後、加工対象部位にイオンビーム１０を照射して誘電体材料５に加工を施すようにした誘電体材料５の加工方法。また、この加工方法によって得られた半導体デバイス。
【選択図】図５

Description

本発明は、基板に形成された集積回路等における誘電体材料わけても誘電率が３未満であるような低誘電率材料（低ｋ誘電体材料）を対象としてイオンビーム照射による穿孔を行う誘電体材料の加工方法及びこの方法によって製造された半導体デバイスに関する。

半導体デバイスは、多くの場合、デバイスにおける活性領域を電気的に接続するためにワイヤボンドを有する。ボンディングを施すために圧力および超音波エネルギが適用されるために、ワイヤボンディングプロセスはデバイスを損傷し、その結果、漏電が増加するなど望ましくない特性となる。この問題を解決すべく、活性領域から離れた所にワイヤボンディングパッドを置くことが提案されている。

この効果を十分ならしめるためには、ボンド部分は信号の減衰を小ならしめるべく静電容量を最小限に抑えるように形成されることが望ましい。これは、高い周波数の信号を用いる高速デバイスの場合に特に重要である。静電容量が、パッドの面積、パッドを構成する絶縁層の誘電率、および絶縁層の厚さの関数であるから、設計基準の１つは可及的に低い誘電率絶縁層（低ｋ誘電体材料層）を用いることである。而して、誘電率は３未満、厚さは大きくとも４μｍである。パッド領域外の機能素子領域においても、層間絶縁膜が低ｋ誘電体材料になることによって多層配線間に形成される静電容量が小さくなり、高速信号に対応可能となる。

集束イオンビームおよびエッチング補助ガスを用いて誘電体材料層の穿孔を行って誘電体材料層の下に埋設されている導体を露出させ、電気的接続を可能ならしめる集積回路の再配線方法が既知である（たとえば、特許文献１参照）。
特表２００２−５２７９０８号公報

先に述べたように、ＬＳＩといった集積回路を用いて情報を高速処理するために高い周波数の信号が用いられるが、信号の減衰を抑えるためには静電容量を小さくする必要がある処から低誘電率材料が使用される。従来、低誘電率材料からなる層間膜として二酸化珪素が用いられてきたが、最近、二酸化珪素に弗素や炭素を成分調整しながら添加した低誘電率材料が使用されるようになってきた。このような低誘電率材料（低ｋ誘電体材料）をイオンビーム照射によって加工すると、寸法精度の高い加工ができないという問題がある。これは、低誘電率材料（低ｋ誘電体材料）がポーラスな構造を有していることまた、帯電に起因する静電的なマイクロ破壊によるものと考えられる。そこで、このような低誘電率材料（低ｋ誘電体材料）をイオンビーム照射によって加工するに際しては、イオンの加速電圧を低くしてゆっくり加工することが試みられているけれども、加工能率が５０％〜３０％に低下する問題があるほか確実な加工を行うことができない問題がある。

上記特許文献１に開示されている集積回路再配線方法は、集束イオンビームを照射するに際しエッチング補助ガスを適用して誘電体材料に穿孔加工を施すときに、一旦露出された、誘電体材料層の下に埋設されていた導体を実質的にエッチングすることなくまた、劣化させることなく他の導体と接触させることを可能にするけれども、上記、寸法精度の高い加工ができないという問題、高能率の穿孔加工ができないという問題に解決を与えるものではい。

本発明は、低ｋ誘電体材料等ポーラスな構造を有しイオンビーム照射による加工に対し脆い構造をもつ材料のイオンビーム照射による加工方法かつ、イオンビーム照射によって被加工材に帯電を招くことのないイオンビーム照射による穿孔を行う誘電体材料の加工方法及びこの方法によって製造された半導体デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、イオンビーム照射による加工が施された材料に、新しい材料、プロセスの導入が必要である場合、前記本発明の方法を実施するために用いた材料（導電性ガラス）を選択的に又は全面的に除去することができる方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、基板に形成された集積回路等における誘電体材料に対する加工方法であって、前記誘電体材料表面に導電性ガラスを被覆した後、加工対象部位にイオンビームを照射して誘電体材料に加工を施すようにした誘電体材料の加工方法である。

請求項２に記載の発明は、誘電体材料表面に被覆される導電性ガラスが、酸化バナジウムを主成分とする、電気伝導度が少なくとも１×１０^−９Ｓ／ｃｍであるバナジン酸塩ガラスである請求項１に記載の誘電体材料の加工方法である。

請求項３に記載の発明は、加工対象である誘電体材料が、３未満の誘電率をもつ多孔質で脆い構造を有する低誘電体材料である請求項１又は請求項２に記載の誘電体材料の加工方法である。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３何れかに記載の誘電体材料の加工方法を適用するイオンビーム照射による誘電体材料への穿孔加工後、前記誘電体材料表面に被覆された導電性ガラスを部分的又は全面的に剥離・除去する工程を付加する誘電体材料の加工方法である。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４何れかに記載の誘電体材料の加工方法によって穿孔された誘電体材料の孔に導電性材料を堆積させて、前記誘電体材料の下部に存在する電気導体と電気的に接続させた回路を有する半導体デバイスである。

本発明によれば、低ｋ誘電材料にイオンビーム照射による穿孔等の加工を施す場合に、加工能率を低下せしめることなく高精度下に加工を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、低ｋ誘電材料にイオンビーム照射による穿孔等の加工を施した半導体デバイスに新しい材料とプロセスの導入が容易となる。

以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。本発明は、イオンビーム照射による低ｋ誘電体材料への穿孔等の加工に際し、低ｋ誘電体材料における帯電に起因するマイクロ破壊による加工精度の低下という問題を解決すべく、イオンの加速電圧を十分に高くして照射イオンエネルギを大きくして加工を行っても、低ｋ誘電材料に帯電を生じることのない加工方法を提供するものである。

本発明においては、たとえば半導体デバイスにおける低ｋ誘電体材料へのイオンビーム照射の進行に伴う帯電に起因する加工能率および加工寸法精度の低下を生ぜしめないようにすべく、本発明の発明者の１人が開発した酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスを低ｋ誘電体材料表面に被覆して低ｋ誘電体材料へのイオンビーム照射による穿孔を行う。その際、必要に応じて導電性バナジン酸塩ガラスを電気的に接地しておく。

本発明においては、１.０×１０^−１Ｓ／ｃｍ〜１.０×１０^−９Ｓ／ｃｍといった導電性を有するガラスを用いる。このような電気的特性をもつ導電性ガラスとして、（５〜２０）ＢａＯ・（５〜２０）Ｆｅ_２Ｏ_３・残部Ｖ_２Ｏ_５からなる導電性ガラスを用いることができる。良好な導電性をガラスに付与すべく、前記組成物を融解・冷却して得られるガラスに２００℃から５００℃の温度域で１０分間から１８０分間の熱処理を施す。しかしながら、低ｋ誘電体材料が劣化しないように、可及的に低温で、好ましくは２００℃未満の温度域で熱処理が遂行されることが望ましい。

低ｋ誘電体材料への導電性ガラスの被覆は、導電性ガラスの薄板を低ｋ誘電体材料上に載置し、これを上部から緩やかに加熱、半溶融状態にして密着させる方法や、水ガラスを溶媒とし、上記（５〜２０）ＢａＯ・（５〜２０）Ｆｅ_２Ｏ_３・残部Ｖ_２Ｏ_５からなる導電性ガラス組成物を溶質として溶解し、これを低ｋ誘電体材料上に流下してたとえば回転塗布装置によって被覆する方法を採ることができる。

図１に示すように、１５ＢａＯ・７０Ｖ_２Ｏ_５・１５Ｆｅ_２Ｏ_３からなる導電性ガラス組成物２の１０ｇを水ガラス１の９０ｇに溶解させ、次いで、図２及び図３に示す回転塗布装置３の回転台座上の６インチシリコンウエハー４に低ｋ誘電体材料（二酸化シリコンと弗素（ＳｉＯ_２−Ｆ）或は炭素化合物（ＳｉＯ_２−Ｃ）等）の２０００Å厚さの皮膜を形成した基板に、上記水ガラス１に上記導電性ガラス組成物２を溶解させたスラリー６を流下させ、約１０００Å厚さとなるようにコーティングした。導電性バナジン酸塩ガラスの電気伝導度は、１.１×１０^−３Ｓ／ｃｍであった。

図４に示すように、集束イオンビーム（ＦＩＢ：focused ion beam）照射による加工対象領域に、電気鏝７によって導電性ガラス６皮膜に部分加熱を施した。加熱条件は、（２００℃〜２５０℃）×５分間であった。この加熱処理によって加工対象領域を固形化した。次いで、図５および図６に示すように、この固形化部分８にＧａイオン１０を３０ｋＶで加速して３０秒間照射して導電性ガラス６、低ｋ誘電体材料層５を貫通し、配線９を切断する加工を施した。配線９の切断は、誤配線をカットするために行ったものである。然る後、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）法によって導電性ガラス層６（１０００Å厚さ）を除去した。図５において、ｈはイオンビーム照射によって穿設された孔である。

低ｋ誘電体材料層５が脆い材質であるＳｉＯ_２−Ｆ層をイオンビーム照射によって穿孔加工した。２０００Å厚さの低ｋ誘電体材料（ＳｉＦＯ_２−Ｆ）層５がその表面に形成された基板上に、実施例１におけると同じプロセスによって１０００Å厚さの導電性ガラス層６を形成した。電気鏝７によって導電性ガラス６皮膜に部分加熱を施した。加熱条件は、（２００℃〜２５０℃）×５分間であった。この加熱処理によって加工対象領域を固形化した。次いで、この固形化部分８にＧａイオン１０を３０ｋＶで加速して３０秒間照射して約０.５μｍφの孔を穿設した。

低ｋ誘電体材料層５を有する基板４上に、実施例１におけるプロセスによって１０００Å厚さの導電性ガラス（バナジン酸塩ガラス）層６を形成した後、図７および図８に示すように、研磨剤１２の存在下に研磨治具１１を回転させて導電性ガラス（バナジン酸塩ガラス）層６を選択的に除去して開口部１３を形成した。このような選択的に導電性ガラス（バナジン酸塩ガラス）層６が除去される部位は、局所的に絶縁性が必要となる部位である。

水ガラスを溶媒とし酸化バナジウムを主成分とする導電性ガラス組成物を溶解させる態様を示す模式図 回転塗布装置によって基板上に水ガラスと導電性ガラス組成物のスラリーを塗布するときの態様を示す模式図 図２の部分拡大図 基板上の水ガラスと導電性ガラス組成物のスラリーを電気鏝によって部分加熱・固形化を行う態様を示す模式図 イオンビーム照射によって、導電性ガラス、低ｋ誘電体材料層、配線を貫通する孔を穿設するときの態様を示す模式図 導電性ガラス層を除去した後の低ｋ誘電体材料層および配線を示す模式図 低ｋ誘電体材料層上の導電性ガラス層を研磨治具によって選択的に除去するときの態様を示す模式図 低ｋ誘電体材料層上の導電性ガラス層を研磨治具によって選択的に除去した開口部を示す模式図

符号の説明

１ 水ガラス
２ 導電性ガラス組成物
３ 回転塗布装置
４ ウエハー
５ 低ｋ誘電体材料層
６ 導電性ガラス層
７ 電気鏝
８ 固形化部分
９ 配線
１０ イオンビーム
１１ 研磨治具
１２ 研磨剤
１３ 開口部

Claims (5)

1. 基板に形成された集積回路等における誘電体材料に対する加工方法であって、前記誘電体材料表面に導電性ガラスを被覆した後、加工対象部位にイオンビームを照射して誘電体材料に加工を施すようにしたことを特徴とする誘電体材料の加工方法。
2. 誘電体材料表面に被覆される導電性ガラスが、酸化バナジウムを主成分とする、電気伝導度が少なくとも１×１０^−９Ｓ／ｃｍであるバナジン酸塩ガラスである請求項１に記載の誘電体材料の加工方法。
3. 加工対象である誘電体材料が、多孔質で脆い構造を有する低誘電体材料である請求項１又は請求項２に記載の誘電体材料の加工方法。
4. 請求項１乃至請求項３何れかに記載の誘電体材料の加工方法を適用するイオンビーム照射による誘電体材料への加工後、前記誘電体材料表面に被覆された導電性ガラスを部分的又は全面的に剥離・除去する工程を付加する誘電体材料の加工方法。
5. 請求項１乃至請求項４何れかに記載の誘電体材料の加工方法によって加工された誘電体材料の加工部位に導電性材料を堆積させて、前記誘電体材料の下部に存在する電気導体と電気的に接続させた回路を有する半導体デバイス。
   

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