JP2007073914A - 多孔質薄膜の製造方法、多孔質薄膜およびこれを用いた半導体装置 - Google Patents
多孔質薄膜の製造方法、多孔質薄膜およびこれを用いた半導体装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】気相より、空孔生成材料と、骨格生成材料とを、基板表面に供給する工程と、前記基板表面で、前記骨格生成材料によって生成される骨格が前記空孔生成材料を取り囲むように画定された薄膜を成膜する工程と、前記薄膜から前記空孔生成材料を除去し、空孔を形成する工程とを含み、前記空孔を前記骨格が取り囲むように形成された多孔質薄膜を形成する。
【選択図】 図1
Description
また、このような低誘電率薄膜からなる誘電体薄膜上にスパッタリング法で配線層を形成し、多層配線構造を形成するに際し、前処理としてプラズマ処理を行なうことは極めて有効であるとされてきたが、メゾポーラス薄膜などの空孔率の高い薄膜の場合、特にプラズマダメージを生じ易く、このダメージに起因してリークの発生や配線層の剥離を生じ易いという問題があった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、成膜が容易で、高速で成膜可能な低誘電率薄膜を提供することを目的とする。
また、低誘電率薄膜と導体層との密着性を高め、プラズマ処理による誘電体薄膜の劣化を抑制し、信頼性の高い配線構造をもつ半導体装置を提供することを目的とする。
この構成により、気相中で複数の材料を反応させることで、界面活性剤などで構成され孔を形成するポロジェン(空孔生成分子)すなわち空孔生成材料が除去された部分に空孔が生成され、空孔をTEOSなどの骨格生成材料が囲む構造の多孔質薄膜が生成され、低誘電率ながらも機械的強度の高い膜を形成することができる。気相で成膜することにより、分子自体に自己凝集能力があって、ポアサイズの分布が比較的そろった膜を得ることができる。また気相で形成されるため、骨格形成材料の架橋度を高めることができる。従ってより硬度の高い低誘電率薄膜を形成することができる。さらにまた気相で形成されるため、空孔生成材料と骨格生成材料の両方を調整することができ、空孔率および誘電率の調整が容易である。また弾性率をあげることができ、k値を下げてもモジュラスを高くすることができる。さらにまた、気相で形成されるため、塗布法による場合に比べて成膜に要する時間が大幅に低減される。
この構成により、前記空孔生成材料と、前記骨格生成材料とを順次供給することにより、効率よく基板表面で反応を生ぜしめることができる。
この構成により、基板表面において、空孔生成材料と、骨格生成材料との接触面積が大きくなり、良好な膜形成が可能となる。
この構成により、気相において空孔生成材料と、骨格生成材料とを混ぜあわせた状態で、基板表面に導くことができ、良好な膜形成が可能となる。
従って、低誘電率薄膜を容易に形成することができ、寄生容量の低減をはかり、半導体装置の高速化を図ることが可能となる。
この構成によれば、気相反応により生成されるため、空孔の孔径を制御性よく変化させることができる。
この構成によれば、孔径を良好に制御することができるため、隣接する膜との界面では空孔の孔径を小さくして緻密な膜とし、密着性を高めつつも、中間部では孔径を大きくして総体的に低誘電率の膜を形成することができる。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1として、この多孔質薄膜を半導体装置の層間絶縁膜として用いたシングルダマシン配線構造の製造方法について説明する。
この後、窒素N2を供給しながら15分間で室温から400℃まで昇温し、次いで400℃で窒素を流しながら30分維持した後、窒素の供給を停止して真空吸引を行い0.4Pa以下にして20分維持した後、HMDS/N2の混合ガスを供給する。最初30分間は0.7g/min、後の60分間は1.4g/minで供給する。このとき圧力は24kPaとした。
まず、図2(a)に示すように、素子領域の形成されたシリコン基板101の表面に図2(b)に示すようにエッチングストッパ102として膜厚50nm程度の窒化シリコン(SiN)膜を形成し、この上層に図2(c)に示すように、低誘電率の多孔質薄膜103としてポーラスシリカ膜を形成する(図1:S101)。
そして、図3(e)に示すようにフォトリソグラフィによりパターン露光、現像工程を経てレジストパターンR1を形成する(図1:S105)。
さらにこのプラズマ耐性付加処理のなされた表面にアルゴン/ヘリウム/窒素/水素プラズマを照射するプラズマ前処理を行なう(S112)。
そして清浄化された表面にスパッタリング法により拡散防止バリア膜105としての窒化タンタル(TaN)、銅めっき用のシード膜106としての銅薄膜を形成する(図5(i))(図1:S113)。
また、成膜チャンバーと同一のチャンバー内でリカバリー処理により各プロセスによるダメージを回復することにより、ハードマスクを用いることなく直接レジストパターンをマスクとしてパターニングすることによっても十分な特性を維持することができる。従って、より高度のパターン精度を得ることができる。
また、十分に機械的強度の高い多孔質薄膜を得ることができるため、CMPにより十分な平坦化が可能となる。
また、この多孔質薄膜の弾性率および硬度についても、十分に高い値を得ることができた。
なお前記実施の形態では、順次空孔生成材料と骨格生成材料とを供給したが、これに代えて図8に示すように、空孔生成材料(Progen)と骨格生成材料(Matrix)とを同時に供給するようにしてもよい。
なお前記実施の形態では、順次空孔生成材料と骨格生成材料とを供給したが、これに代えて図9に示すように、空孔生成材料と骨格生成材料とを交互に供給するようにしてもよい。特に1原子層毎に空孔生成材料と骨格生成材料とを交互に供給することにより、効率よく信頼性の高い薄膜形成が可能となる。
また、本発明の半導体装置では、図10に層間絶縁膜の模式図を示すように、空孔を骨格で囲むように形成された多孔質薄膜であって、厚さ方向で前記空孔の孔径が変化するようにしている。
この構成によれば、気相反応により生成されるため、空孔の孔径を制御性よく変化させることができる。
ここではアゾベンゼン含有型界面活性剤分子を含むガスを空孔生成材料として用いる。この材料は紫外線照射により孔径を変化させることができることから、中間部で光照射を行い孔径を大きくするようにしている。
この構成によれば、孔径を良好に制御することができるため、隣接する膜との界面では空孔の孔径を小さくして緻密な膜とし、密着性を高めつつも、中間部では孔径を大きくして総体的に低誘電率の膜を形成することができる。
また全体の孔径が均一となるようにしてもよい。
さらにまた、アニール雰囲気としては大気雰囲気を用いたが、大気中でも、減圧下でも、窒素雰囲気中でもよい。望ましくは窒素と水素の混合ガスからなるフォーミングガスを用いることにより、耐湿性が向上し、リーク電流の低減を図ることが可能となる。このアニール工程において、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、トリメチルクロロシラン(TMCS)分子のうちの少なくとも1種を含むガスを接触させることにより、プラズマ耐性処理を行うようにしてもよい。
(1)アルコキシシランをガス化して、空孔生成材料とともに成膜して多孔質化した薄膜
この方法では、多孔質化した薄膜を得るために、その製造方法は特に限定されないが、具体的には以下の例のようにして製造することができる。
まず、成膜するための塗布液を調製し、霧化するあるいは固体材料のまま気化する。個々では骨格生成材料として、それぞれ後述するような成分であるアルコキシシランに、必要に応じて溶媒を添加して、0℃〜70℃、好ましくは30〜50℃で、数分〜5時間、好ましくは1〜3時間攪拌して得ることができる。はじめに、上記各成分について説明する。
溶媒は、これらから選ばれる1種単独でも2種以上を組み合わせても使用することができる。
102 エッチングストッパ層
103 多孔質薄膜
104 反射防止膜
105 拡散バリア膜
106 シード膜
107 銅めっき膜
108 キャップ膜
Claims (28)
- 気相より、空孔生成材料と、骨格生成材料とを、基板表面に供給する工程と、
前記基板表面で、前記骨格生成材料によって生成される骨格が前記空孔生成材料を取り囲むように画定された薄膜を成膜する工程と、
前記薄膜から前記空孔生成材料を除去し、空孔を形成する工程とを含み、
前記空孔を前記骨格が取り囲むように形成された多孔質薄膜を形成するようにした多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、前記空孔生成材料と、前記骨格生成材料とを順次供給する工程である多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、前記空孔生成材料と、前記骨格生成材料とを交互に供給する工程である多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、前記空孔生成材料と、前記骨格生成材料とを同時に供給する工程である多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、固体または液体成分を気化させることにより前記空孔生成材料を含むガスを生成する工程を含む多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、液体または固体成分を霧化させることにより前記空孔生成材料を含むガスを生成する工程を含む多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、固体または液体成分を気化させることにより前記骨格生成材料を含むガスを生成する工程を含む多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、液体または固体成分を霧化させることにより前記骨格生成材料を含むガスを生成する工程を含む多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項8に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記骨格形成材料は、TEOSを霧化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項8に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記骨格形成材料は、MTEOS(MethylTriEthOxySilane)を霧化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項8に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記骨格形成材料は、DMDEOSを霧化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項8に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記骨格形成材料は、TMS[4MS,3MS]を霧化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項6または8に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、前記ガスを帯電させる工程を含む多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1乃至13のいずれかに記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、前記ガスの組成比を変化させる工程を含む多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項14に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、前記ガスの組成比を1分子層ごとに変化させる工程を含む多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項14に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記供給する工程は、前記ガスの組成比を1原子層ごとに変化させる工程を含む多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項5に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記空孔形成材料は、CTAC系材料を溶媒と共に霧化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項6に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記空孔形成材料は、PEO系材料を溶媒と共に霧化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項6に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記空孔形成材料は、PPO系材料を溶媒と共に霧化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項7に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記骨格形成材料は、TEOSを気化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項7に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記骨格形成材料は、MTEOSを気化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項7に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記骨格形成材料は、DMDEOSを気化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項7に記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記骨格形成材料は、TMS[4MS、3MS]を気化することによって得られたものである多孔質薄膜の形成方法。 - 請求項1乃至23のいずれかに記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
骨格の周りに多数の空孔が配置された前記多孔質薄膜表面に、反応性プラズマを供給し、前処理を行なう工程と、
前記前処理のなされた前記多孔質薄膜表面にスパッタリング法により導電性膜を形成する工程とを含み、
前記前処理工程に先立ち、前記多孔質薄膜表面に、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、トリメチルクロロシラン(TMCS)分子のうちの少なくとも1種を含むガスを接触させる工程を含む多孔質薄膜の製造方法。 - 請求項24に記載の多孔質薄膜の製造方法であって、
前記多孔質薄膜は、さらに疎水化処理を行う工程を含む多孔質薄膜の製造方法。 - 請求項1乃至23のいずれかに記載の多孔質薄膜の形成方法であって、
前記薄膜を成膜する工程は熱重合またはプラズマ重合のいずれかを用いた工程である多孔質薄膜の形成方法。 - 空孔を骨格で囲むように形成された多孔質薄膜であって、
厚さ方向で前記空孔の孔径が変化している多孔質薄膜。 - 上層および下層を異なる膜ではさむように形成された多孔質薄膜を含む半導体装置であって、
前記空孔の孔径が中間部で大きく、前記上層および下層との界面でより小さくなるように変化している半導体装置。
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