JP2007224114A - 絶縁膜形成用組成物、半導体装置用絶縁膜、その製造方法および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、式7において、ε(誘電率)とCの関係を式8に示す。
(Sは電極面積、ε0は真空の誘電率、εrは絶縁膜の誘電率、dは配線間隔を表す。)
したがって、配線遅延を小さくするためには、絶縁膜の低誘電率化が有効な手段となる。絶縁膜を低誘電率化するため、絶縁膜の有機化や、絶縁膜中への空孔の導入が行われている。たとえば、触媒化成工業株式会社製のナノクラスタリングシリカ(NCS)(型番:セラメートNCS)が用いられている。かかる絶縁膜材料では、4級アルキルアミンを触媒として用いて、クラスタ状のシリカが形成されている。また、CVD等でやはりSiO結合を骨格とした低誘電率絶縁膜が形成されている。
式3におけるR1〜R4が、互いに独立に、炭素数1〜3のアルキレン基、炭素数2〜4のアルケニレン基若しくはアルキニレン基、炭素数3〜6のアルケニルアルキレン基若しくはアルキニルアルキレン基、または、炭素数6〜10のアリーレン基であること、式3におけるR5〜R10が、互いに独立に、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数2〜4のアルケニル基若しくはアルキニル基、炭素数3〜6のアルケニルアルキル基若しくはアルキニルアルキル基、または、炭素数6〜10のアリール基であること、式3におけるm、nが、互いに独立に、0〜10の整数であること、が好ましい。
上記条件が好ましいのは、比誘電率を大きくせずに強度を効果的に向上させるために、また、銅拡散に対するバリア性を持つために、Si−O−Si結合による架橋部位が分散していることが重要であるためである。分子量については特に制限はないが、実用上スピンコートが可能であることが好ましいので、溶媒に溶解した場合、スピンコートに適する粘度範囲にでき、かつ適切な膜厚とできる程度のものであることが好ましい。
上記シリコン基板を80〜500℃で2〜180分間加熱処理する
ことを含む方法を挙げることができる。
式2、式3のm=n=0〜10(Xは、実質的に炭素とケイ素と水素とのみからなる鎖部分を主鎖とし、かつ、主鎖以外の部分に窒素を含有するポリマー構造、YはNH、R、R1〜R4はすべてCH2、R5〜R10はすべてCH3)の構造を有するポリマーからなる絶縁膜形成用組成物(平均分子量:1400)をそれぞれ使用し、低抵抗基板上に200nmの膜厚になるようにスピンコートし、窒素雰囲気下、250℃,3分でプリベーク(加熱処理)を行った後、酸素が5体積%、水蒸気が1000体積ppmで残余が窒素ガスの雰囲気の電気炉にて、400℃,30分の条件で加熱処理を行った。いずれの条件においてもクラックの発生は無かった。
実施例1における式3のm=n=3の構造を有するポリマーからなる絶縁膜形成用組成物(平均分子量:1400)を、低抵抗基板上に200nmの膜厚になるようにスピンコートし、窒素雰囲気下、250℃,3分でプリベークを行った後、表2に記載の雰囲気の電気炉にて400℃,30分の条件で加熱処理を行った。
図1〜7に本発明に関わる多層配線実施例の作製法を示す。まず、素子間分離膜2で分離され、ソース拡散層5aとドレイン拡散層5b、サイドウォール絶縁膜3を有するゲート電極4を形成したトランンジスタ層を形成した(ステップ1)。このSiウェハ1に層間絶縁膜6(リンガラス)、ストッパ膜7を形成し(ステップ2)、電極取り出し用のコンタクトホール21を形成した(ステップ3)。このコンタクトホ−ル21に、スパッタ法でTiN8を50nm形成した(ステップ4)後、WF6と水素を混合還元することで導体プラグ9を埋め込み(ステップ5)、化学的機械研磨法(CMP)によりビア25以外の部分を除去した(ステップ6)。続いて、有機ケイ素系化合物を使用した低誘電率被膜(配線分離絶縁膜)10をSi平板上250nmとなる条件で成膜した後、保護膜としてTEOS−SiO2膜11を50nm積層した(ステップ7)。1層目配線パターンを施したレジスト層をマスクに、CF4/CHF3ガスを原料としたFプラズマにより、この膜を加工した(ステップ8)。この配線溝22に、Cuの絶縁層への拡散バリアとして働くTiN8を50nmと電解メッキの際に電極として働くシード層23(Cu50nm)をスパッタにより形成した(ステップ9)。さらに、電解メッキによりCu層17を600nm積層した(ステップ10)後、CMPにより配線パターン部以外のメタルを除去し、配線層24を形成した(ステップ11)。
式(9)を繰り返し単位(Zは、実質的に炭素とケイ素と水素とのみからなる鎖部分を主鎖とするポリマー構造、R11はCH2、R12はCH3、この繰り返し単位に窒素は含まれない)とした絶縁膜形成用組成物(平均分子量:1400)を、Si基板上に200nmの膜厚になるようにスピンコートし250℃,3分でプリベークを行った後、N2ガス、酸素5体積%、水蒸気1000体積ppm雰囲気の電気炉にて400℃,30分の条件で加熱処理を行った。走査顕微鏡で薄膜を観察したところ、クラックの発生が確認された。
実施例3において、層間膜12として、実施例1の番号5の条件で絶縁膜形成用組成物を用いる代わりに、シランとアンモニアガスを用いてプラズマCVDにより成膜した50nmのSiN膜を用いた。試作した多層配線を用いて100万個の連続ビアの歩留まりを調べたところ95%以上と良好であり、ワイヤボンディングを行ったところ、ボンディング圧力による破壊は見られなかったが、櫛歯パターンを測定して実効比誘電率を計算したところ、3.3と実施3に比べ高かった。
実質的に炭素とケイ素と水素とのみからなる鎖部分を主鎖とし、かつ、主鎖以外の部分に窒素を含有するポリマーを含んでなる絶縁膜形成用組成物。
前記窒素が、前記ポリマー中に、式1で表される構造要素として存在する、付記1に記載の絶縁膜形成用組成物。
式2で表される繰り返し単位を有する含ケイ素ポリマーおよび式3で表される繰り返し単位を有する含ケイ素ポリマーの少なくともいずれか一方を含む、付記1〜3のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物。
(付記5)
式3におけるR1〜R4が、互いに独立に、炭素数1〜3のアルキレン基、炭素数2〜4のアルケニレン基若しくはアルキニレン基、炭素数3〜6のアルケニルアルキレン基若しくはアルキニルアルキレン基、または、炭素数6〜10のアリーレン基である、付記1〜4のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物。
式3におけるR5〜R10が、互いに独立に、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数2〜4のアルケニル基若しくはアルキニル基、炭素数3〜6のアルケニルアルキル基若しくはアルキニルアルキル基、または、炭素数6〜10のアリール基である、付記1〜5のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物。
式3におけるm、nが、互いに独立に、0〜10の整数である、付記1〜6のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物。
付記1〜7のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物をシリコン基板上に塗布し、
上記シリコン基板を80〜〜500℃で2〜180分間加熱処理する
ことを含む、半導体装置用絶縁膜の形成方法。
前記加熱処理の少なくとも一部を、酸素および水蒸気を含有する雰囲気中で行う、付記8に記載の半導体装置用絶縁膜の形成方法。
前記雰囲気中の酸素濃度が100体積ppm〜40体積%の範囲にある、付記9に記載の半導体装置用絶縁膜の形成方法。
前記雰囲気中の酸素濃度が1〜20体積%の範囲にある、付記10に記載の半導体装置用絶縁膜の形成方法。
前記雰囲気中の水蒸気濃度が10体積ppm〜4体積%の範囲にある、付記9〜11のいずれかに記載の半導体装置用絶縁膜の形成方法。
前記雰囲気中の水蒸気濃度が100体積ppm〜1体積%の範囲にある、付記12に記載の半導体装置用絶縁膜の形成方法。
付記1〜7のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物を加熱処理して得られる半導体装置用絶縁膜。
付記8〜13のいずれかに記載の半導体装置用絶縁膜の形成方法によって形成された半導体装置用絶縁膜。
層間膜である、付記14または15に記載の半導体装置用絶縁膜。
酸素含有量が1〜50モル%の範囲にある、付記14〜16のいずれかに記載の半導体装置用絶縁膜。
比誘電率が3.0以下、ヤング率が10GPa以上の、付記14〜17のいずれかに記載の半導体装置用絶縁膜。
付記8〜13のいずれかに記載の方法を用いて半導体装置用絶縁膜を形成し、
その後に、半導体装置の配線を化学的機械的研磨により研磨する
ことを含む、半導体装置の製造方法。
付記8〜13のいずれかに記載の方法を用いて半導体装置用絶縁膜を形成し、
その直前または直後に、比誘電率が2.5以下の絶縁膜を形成する
ことを含む、半導体装置の製造方法。
前記比誘電率が2.5以下の絶縁膜が、
テトラアルキルアンモニウムハイドロオキサイド(TAAOH)の存在下で加水分解して得られる有機ケイ素化合物を含む液状組成物を基板上に塗布し、
当該基板を80〜450℃の温度で加熱処理する
ことを含むプロセスで形成される、付記20に記載の半導体装置の製造方法。
付記19〜21のいずれかに記載の製造方法を用いて製造された半導体装置。
付記14〜18のいずれかに記載の半導体装置用絶縁膜と、比誘電率が2.5以下の絶縁膜とが積層されてなる半導体装置。
前記比誘電率が2.5以下の絶縁膜が、
テトラアルキルアンモニウムハイドロオキサイド(TAAOH)の存在下で加水分解して得られる有機ケイ素化合物を含む液状組成物を基板上に塗布し、
当該基板を80〜450℃の温度で加熱処理する
ことを含むプロセスで形成されたものである、付記23に記載の半導体装置。
2 素子間分離膜
3 サイドウォール絶縁膜
4 ゲート電極
5a ソース拡散層
5b ドレイン拡散層
6 層間絶縁膜
7 ストッパ膜
8 TiN
9 導体プラグ
10 低誘電率被膜(配線分離絶縁膜)
11 TEOS−SiO2膜
12 層間膜
13 SiOC膜
14 SiN膜
15 低誘電率絶縁膜
16 TEOS−SiO2膜
17 Cu層
21 コンタクトホール
22 配線溝
23 シード層
24 配線層
25 ビア
26 配線溝
27 シード層
28 ビア
29 配線層
Claims (10)
- 実質的に炭素とケイ素と水素とのみからなる鎖部分を主鎖とし、かつ、主鎖以外の部分に窒素を含有するポリマーを含んでなる絶縁膜形成用組成物。
- 前記ポリマー中の窒素とケイ素とのモル比が0.1≦N/Si≦0.5の範囲にある、請求項1または2に記載の絶縁膜形成用組成物。
- 式2で表される繰り返し単位を有する含ケイ素ポリマーおよび式3で表される繰り返し単位を有する含ケイ素ポリマーの少なくともいずれか一方を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物をシリコン基板上に塗布し、
上記シリコン基板を80〜500℃で2〜180分間加熱処理する
ことを含む、半導体装置用絶縁膜の形成方法。 - 前記加熱処理の少なくとも一部を、酸素および水蒸気を含有する雰囲気中で行う、請求項5に記載の半導体装置用絶縁膜の形成方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁膜形成用組成物を加熱処理して得られる半導体装置用絶縁膜。
- 請求項5または6に記載の半導体装置用絶縁膜の形成方法によって形成された半導体装置用絶縁膜。
- 請求項5または6に記載の方法を用いて半導体装置用絶縁膜を形成し、
その後に、半導体装置の配線を化学的機械的研磨により研磨する
ことを含む、半導体装置の製造方法。 - 請求項7または8に記載の半導体装置用絶縁膜と、比誘電率が2.5以下の絶縁膜とが積層されてなる半導体装置。
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