JP2008016640A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁膜自体にＣｕ拡散防止機能を持たせ、製造工程が簡略化されてコストが低廉で、比誘電率が抑えられて、処理速度が速い高性能な半導体装置を提供する。
【解決手段】銅配線膜１，７と配線間絶縁膜２，６とからなる銅配線構造と、上層の銅配線膜７と下層の銅配線膜１との間に層間絶縁膜４を具備し、更に前記層間絶縁膜に形成されたビア１０に充填された銅９を介して前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜とが電気的に接続されている半導体装置において、前記配線間絶縁膜および前記層間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成される。 前記有機樹脂は、構成Ｏ元素が、必ず、共有結合で結合された銅拡散防止性のものであり、前記銅配線膜と前記配線間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触しており、前記ビアに充填された銅と前記層間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、絶縁膜と該絶縁膜中に設けられた銅とを具備するダマシン配線構造の半導体装置において、銅拡散防止膜を銅と絶縁膜との間に特別には設けなくても済む技術に関する。

大規模集積回路（ＬＳＩ）は、益々、集積度が高くなっており、これに伴って集積回路を構成するトランジスタ等の半導体素子は小型化されている。この小型化により半導体素子の動作速度は向上するものの、集積度の向上によって配線量が増大する為、配線の増大による遅延時間がＬＳＩの動作速度を律速するようになっている。配線に起因する遅延時間は配線抵抗（Ｒ）と配線容量（Ｃ）との積（ＲＣ）によって決まることから、配線抵抗と配線容量との低減が求められている。

配線抵抗の低抵抗化は、配線の主材料をＡｌからＣｕに変更することで達成できる。尚、配線材料による更なる低抵抗化は、現在の処、困難である。

さて、微細化の進行に伴い、集積度を上げ、半導体１チップに搭載される半導体素子の数が増加すると、これら多数の半導体素子を結線して動作させる為に、信号を伝達する為の信号配線のみではなく、電源を供給する為の電源配線も増加し、配線総数は増加して行く一方である。従って、配線の高密度化によって、配線容量は増加せざるを得ない状況にある。よって、配線による遅延時間を短縮し、所期の性能を確保する為には、配線容量を低減することが要求されている。この要求を満たす為、配線間絶縁膜や層間絶縁膜として、比誘電率がより低い材料を用いる必要がある。

ところで、Ｃｕ配線膜と低誘電率絶縁膜との配線構造において、Ｃｕの絶縁膜への拡散を防止することが信頼性の観点から非常に大事である。

この為、従来では、Ｃｕ配線膜と絶縁膜との間に、Ｃｕ拡散防止バリア膜（銅拡散防止膜）、例えばＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等の膜を設けることが提案されている。又、Ｃｕ配線膜の上にはＣｕ拡散防止絶縁膜が設けられている。しかしながら、ＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のＣｕ拡散防止バリア膜は、抵抗が銅の１０〜１０００倍程度も有り、又、Ｃｕ拡散防止絶縁膜は、比誘電率が層間絶縁膜の２〜３倍程度も高い。従って、配線膜材料としてＣｕを用いたことから採用せざるを得ないＣｕ拡散防止バリア膜やＣｕ拡散防止絶縁膜が、抵抗や配線容量の増大を引き起こしている。

このような観点から、Ｃｕ拡散防止バリア膜を用いないで済む技術が提案され出した。
例えば、特許第２９１７９０９号明細書では、Ｃｕを主成分とする導体配線を有し、ベンゾシクロブテン樹脂を導体配線の層間絶縁体に用いることを特徴とする多層配線基板の製造方法であって、基板表面に設けられたＣｕを主成分とする導体配線層上にベンゾシクロブテン樹脂を塗布した後２００℃程度の温度において加熱硬化させる工程を有することを特徴とする多層配線基板の製造方法が提案されている。

又、特開２０００−１１４３６７号公報では、ベンゾシクロブテン樹脂で構成される層間膜を堆積する工程と、Ｎ₂プラズマで前記層間膜表面を改質する工程と、前記改質された表面に銅を主成分とする材料を堆積する工程とを備えた半導体装置の製造方法が提案されている。

又、特許第３５３３１７１号明細書では、複数の銅配線層を有し、上下該銅配線層はプラグを介して互いに接続された半導体装置において、少なくとも、該銅配線の側壁部は酸素を含まずフッ素、炭素、水素で構成された絶縁膜あるいは酸素を含まず窒素、炭素、水素で構成された絶縁膜あるいは酸素を含まず窒素、炭素、水素、フッ素で構成された絶縁膜と直接接したことを特徴とした半導体装置や、複数の銅配線層を有し、上下該銅配線層はプラグを介して互いに接続された半導体装置において、少なくとも、該銅配線の側壁部は酸素を含まずフッ素、炭素、水素で構成された絶縁膜あるいは酸素を含まず窒素、炭素、水素で構成された絶縁膜あるいは酸素を含まず窒素、炭素、水素、フッ素で構成された絶縁膜と直接接し、かつ上下該銅配線層を繋ぐ該プラグは銅で形成され上層の該銅配線から下層の該銅配線まで連続して銅で形成されており、該プラグの側壁部は酸素を含まずフッ素、炭素、水素で構成された絶縁膜あるいは酸素を含まず窒素、炭素、水素で構成された絶縁膜あるいは酸素を含まず窒素、炭素、水素、フッ素で構成された絶縁膜と直接接していることを特徴とした半導体装置が提案されている。
特許第２９１７９０９号明細書 特開２０００−１１４３６７号公報 特許第３５３３１７１号明細書

さて、上記特許文献１，２が提案しているベンゾシクロブテン樹脂（ＢＣＢ）は、その耐熱温度が低い。例えば、配線形成で通常用いられる化学気相成長方法（ＣＶＤ）における典型的な成膜温度の３５０℃と言った温度では使用に耐えられ無い。従って、ＢＣＢを用いる場合には、ＣＶＤが用いられないと言った致命的な問題が有る。すなわち、配線間絶縁膜や層間絶縁膜は、ＣＶＤの使用が可能な耐熱性を持つことが必要である。

そこで、ＢＣＢに代わる配線間絶縁膜や層間絶縁膜の材料として、特許文献３は、フッ化エチレン系ポリマーの如きの酸素を含まない有機樹脂を提案している。すなわち、特許文献３では、Ｃｕが絶縁膜中に拡散して行く原因として、絶縁膜を構成する樹脂の分子構造中のＯを指摘している。つまり、分子中に酸素が有ると、酸素が銅と結合し、これが拡散の原因になると主張されている。

しかしながら、フッ素系樹脂は、フッ素に起因して密着性に劣る問題が有る。すなわち、絶縁膜として用いた場合、層同士の密着性に問題が引き起こされる。又、極性が大きくなることから、誘電率も相対的に大きくなり、従って配線容量を小さくする観点からも問題が有る。

従って、本発明が解決しようとする課題は、ＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のＣｕ拡散防止バリア膜を、Ｃｕ配線膜と絶縁膜との間に、わざわざ、設けなくても済み、即ち、絶縁膜自体にＣｕ拡散防止機能を持たせ、それ故に製造工程が簡略化されてコストが低廉なものになり、そしてＣｕの拡散が抑制されていることから、信頼性に富む半導体装置が得られ、更には比誘電率が抑えられて、配線容量の増大も抑えられ、処理速度が速い高性能な半導体装置を提供することである。

さて、特許文献３の発明者は、分子構造中にＯが有ると、ＯによってＣｕが酸化され、かつ、Ｃｕを絶縁膜中に拡散せしめてしまうと考えている。

しかしながら、本発明者の研究によれば、分子構造中にＯが有っても、このＯが共有結合によって他の元素と結合したものであれば、特に、分子構造の基本骨格中においてＯが存在・共有結合したものであれば、ＯがＣｕとの間で結合するようなことは起きないことが判って来た。

中でも、Ｃ又は／及びＮとＯとが共有結合した構造の有機樹脂、更にはＣ又は／及びＮとＯとが共有結合した構造であって、かつ、前記Ｃ又は／及びＮとＯとの結合は環状構造の中において存在する有機樹脂は、該有機樹脂の構成元素ＯがＣｕに結合するようなことは無く、従ってＣｕの酸化・拡散が起きること無く、即ち、このような樹脂を配線間絶縁膜や層間絶縁膜として用いたならば、ＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のＣｕ拡散防止バリア膜を、Ｃｕ配線膜と絶縁膜との間に、わざわざ、設けなくても済むであろうと考えるに至った。又、前記のような構造のものは、分子の極性が小さく、結果的に比誘電率が小さくなり、配線容量が小さくなるであろうとも考えるに至った。

前記知見に基づいて本発明が達成されたものである。

すなわち、前記の課題は、銅配線膜と配線間絶縁膜とからなる銅配線構造を具備する半導体装置において、
前記配線間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成されたものであり、
前記有機樹脂は、構成Ｏ元素が、必ず、共有結合で結合された銅拡散防止性のものであり、
前記銅配線膜と前記配線間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触している
ことを特徴とする半導体装置によって解決される。

又、銅配線膜と配線間絶縁膜とからなる銅配線構造を二層以上具備し、かつ、前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜との間に層間絶縁膜を具備し、更に前記層間絶縁膜に形成されたビアに充填された銅を介して前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜とが電気的に接続されている半導体装置において、
前記層間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成されたものであり、
前記有機樹脂は、構成Ｏ元素が、必ず、共有結合で結合された銅拡散防止性のものであり、
前記ビアに充填された銅と前記層間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触している
ことを特徴とする半導体装置によって解決される。

特に、銅配線膜と配線間絶縁膜とからなる銅配線構造を二層以上具備し、かつ、前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜との間に層間絶縁膜を具備し、更に前記層間絶縁膜に形成されたビアに充填された銅を介して前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜とが電気的に接続されている半導体装置において、
前記配線間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成されたものであり、
前記層間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成されたものであり、
前記有機樹脂は、構成Ｏ元素が、必ず、共有結合で結合された銅拡散防止性のものであり、
前記銅配線膜と前記配線間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触しており、
前記ビアに充填された銅と前記層間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触している
ことを特徴とする半導体装置によって解決される。

又、上記の半導体装置であって、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む銅拡散防止性の有機樹脂は、耐熱温度が４００〜５００℃であり、比誘電率が３以下のものである半導体装置によって解決される。

中でも、上記の半導体装置であって、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む銅拡散防止性の有機樹脂がポリベンゾオキサゾールである半導体装置によって解決される。

本発明にあっては、ＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のＣｕ拡散防止バリア膜を、銅と絶縁膜との間に、わざわざ、設けなくても済む。すなわち、絶縁膜自体にＣｕ拡散防止機能を持たせたから、ＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のＣｕ拡散防止バリア膜を、銅と絶縁膜との間に、わざわざ、設けなくても済み、それ故に製造工程が簡略化されてコストが低廉なものになる。

そして、銅の拡散が抑制されていることから、半導体装置は信頼性に富む。

更には、絶縁膜は比誘電率が抑えられたものであるから、配線容量の増大が抑えられ、半導体装置は処理速度が速い高性能なものである。

中でも、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）は、分子中にＯを有するものの、銅の拡散防止性に優れている。かつ、極性が小さくて、比誘電率が比較的小さく、配線容量も小さい。更には、分子中にＮを持っていて耐熱性にも優れており、例えばＢＣＢよりも耐熱性に優れている。しかも、フッ素系樹脂に比べて密着性にも優れている。又、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ等に比べて微細加工性にも優れている。

本発明は、銅配線膜と配線間絶縁膜とからなる銅配線構造を具備する半導体装置である。銅配線膜と配線間絶縁膜とからなる銅配線構造を二層以上具備し、かつ、前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜との間に層間絶縁膜を具備し、更に前記層間絶縁膜に形成されたビアに充填された銅を介して前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜とが電気的に接続されている半導体装置である。配線間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成されたものである。層間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成されたものである。有機樹脂は、構成Ｏ元素が、必ず、共有結合で結合された銅拡散防止性のものである。中でも、Ｃ又は／及びＮとＯとが共有結合した構造の有機樹脂である。更には、Ｃ又は／及びＮとＯとが共有結合した構造であって、かつ、前記Ｃ又は／及びＮとＯとの結合は環状構造の中において存在する有機樹脂である。特に、ＯはＣ及びＮと共有結合によって結合されており、かつ、Ｃ，Ｎ．Ｏによって環状構造が構成された有機樹脂である。有機樹脂は、耐熱温度が４００〜５００℃（特に、４００〜４５０℃）である。比誘電率は３以下(特に、２．０〜３．０)のものである。有機樹脂は、中でも、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）である。銅配線膜と配線間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触している。ビアに充填された銅と前記層間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触している。すなわち、銅と絶縁膜との間には、ＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のＣｕ拡散防止バリア膜が特別に設けられていない。

以下、更に詳しく説明する。
図１は、本発明（第１実施形態）になるＣｕ拡散防止膜が特別には設けられていないタイプのダマシン配線構造を説明する半導体装置の概略図である。図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、図１タイプの半導体装置の製造工程図である。

各図中、１は基板上に設けられた下層配線Ｃｕ膜、２は下層配線間絶縁膜である。３は下層配線間絶縁膜２上に設けられたバリア絶縁膜（ＳｉＣＮ膜）である。４はバリア絶縁膜３上に設けられた層間絶縁膜である。５は層間絶縁膜４上に設けられたバリア絶縁膜（ＳｉＣＮ）である。６はバリア絶縁膜５上に設けられた上層配線間絶縁膜である。７は上層配線間絶縁膜６に設けられた上層配線Ｃｕ膜である。８は、上層配線間絶縁膜６上に設けられたバリア絶縁膜（ＳｉＣＮ）である。９は、下層配線Ｃｕ膜１と上層配線Ｃｕ膜７とを電気的に接続する為、層間絶縁膜４に形成されたビア１０に充填されたＣｕである。

ここで、下層配線間絶縁膜２、層間絶縁膜４、及び上層配線間絶縁膜６は、ポリベンゾオキサゾール（住友ベークライト社製のＣＲＣ−５２００）で構成されたものである。

上記のダマシン配線構造は次のようにして得られる。
先ず、図２（ａ）に示される如く、塗布手段によって設けられた下層配線間絶縁膜（ＰＢＯ）２上にバリア絶縁膜３がＣＶＤ手段により設けられた後、所定のフォトリソグラフィ技術により所定パターンの配線溝が形成される。そして、この配線溝にＣｕが充填される。そして、ＣＭＰによって表面が平坦化処理される。この後、表面に、ＰＢＯ含有塗料を塗布手段によって塗布し、所定厚さの層間絶縁膜（ＰＢＯ）４を設ける。この層間絶縁膜４上に、ＣＶＤ手段により、バリア絶縁膜５が設けられる。次いで、バリア絶縁膜５上にＰＢＯ含有塗料を塗布手段によって塗布し、所定厚さの上層配線間絶縁膜（ＰＢＯ）６を設ける。この上層配線間絶縁膜６上に、ＣＶＤ手段により、バリア絶縁膜８が設けられる。更に、ＳｉＯ膜１１及びＳｉＣＮ膜１２を設ける。

この後、図２（ｂ）に示される如く、ＳｉＣＮ膜１２上にフォトレジスト膜１３を塗布手段によって設け、所定のフォトリソグラフィ技術により所定パターンのものにする。そして、これ等をマスクとして、バリア絶縁膜８、ＳｉＯ膜１１及びＳｉＣＮ膜１２を所定パターンのものにする。

次に、図２（ｃ）に示される如く、所定パターンのバリア絶縁膜８、ＳｉＯ膜１１及びＳｉＣＮ膜１２をマスクとして、層間絶縁膜４及び上層配線間絶縁膜６を所定パターンのものにする。

この後、図２（ｃ）で形成された溝表面に、ＣＶＤ手段により、Ｃｕシード膜１４を形成し、次いで湿式メッキ手段によりＣｕを溝内に充填し、Ｃｕ膜１５を形成する（図２（ｄ）参照）。

そして、図２（ｅ）に示される如く、ＣＭＰによって表面が平坦化処理される。

尚、従来にあっては、図２（ｃ）の工程、即ち、層間絶縁膜４及び上層配線間絶縁膜６を所定パターンのものにした後、図２（ｄ）の工程でＣｕシード膜１４を設ける前に、図２（ｃ）で形成された溝表面にＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のＣｕ拡散防止バリア膜が設けられていたのであるが、本発明にあっては、Ｃｕ拡散防止バリア膜形成工程を省略した以外は同様に行われる。

図３は、本発明（第２実施形態）になるＣｕ拡散防止バリア膜が特別には設けられていないタイプのダマシン配線構造を説明する半導体装置の概略図である。

本実施形態にあっては、ＰＢＯ含有塗料を塗布手段によって塗布してＰＢＯ膜（層間絶縁膜４、上層配線間絶縁膜６）を成膜する際に、絶縁膜の前駆体の薬液が銅部分に接触し固化前の膜中に溶出することを防止する為にバリア絶縁膜２１を設けたものである。このバリア絶縁膜（ＳｉＣＮ）２１によって、銅の溶出性が有る薬液であっても、銅拡散バリア層に適合できる。

図４は、比較の為（従来）のＣｕ拡散防止バリア膜が特別に設けられたタイプのダマシン配線構造を説明する半導体装置の概略図である。
同図中、３１は下層配線Ｃｕ膜、３２は下層配線間絶縁膜、３３はキャップ膜、３４はバリア絶縁膜、３５は層間絶縁膜、３６はキャップ膜、３７はバリア絶縁膜、３８は上層配線間絶縁膜、３９は上層配線Ｃｕ膜、４０は層間絶縁膜３５に形成されたビアに充填されたＣｕ、４１はキャップ膜、４２はバリア絶縁膜である。４３は、絶縁膜とＣｕとの界面に設けられている例えばＴａＮ，ＴｉＮ，ＷＮ等のＣｕ拡散防止バリア膜（銅拡散防止膜）である。

そして、図１と図４との対比から判る通り、Ｃｕ拡散防止バリア膜（銅拡散防止膜）４３が無いことが本発明の大きな特徴である。そして、Ｔａ等の如きの高抵抗のＣｕ拡散防止バリア膜（銅拡散防止膜）４３が存在しない為、ビア部の低抵抗化を格段に向上させることが出来る。これは、従来、ビア底部に設けたＣｕ拡散防止バリア膜４３が銅配線を分断しているからである。そして、ビアの位置精度が悪くて配線の位置に対してビアの位置が偏った場合には、その弊害が極端に大きくなる。そして、半導体装置の歩留が大きく低下する。このような問題点も本発明では解消される。又、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ等の銅拡散防止絶縁材料は高誘電率であるが、上記実施形態における本発明のものでは、配線上層におけるＳｉＮ，ＳｉＣＮ等の銅拡散防止絶縁膜が不要となっているので、この点からも配線の実効誘電率が低減されると言う特長を有する。

第１実施形態になる半導体装置の概略図 第１実施形態になる半導体装置の製造工程概略図 第２実施形態になる半導体装置の概略図 従来の半導体装置の概略図

符号の説明

１ 下層配線Ｃｕ膜
２ 下層配線間絶縁膜
４ 層間絶縁膜
６ 上層配線間絶縁膜
７ 上層配線Ｃｕ膜
９ ビア充填Ｃｕ

特許出願人 次世代半導体材料技術研究組合
代 理 人 宇 高 克 己

Claims (4)

1. 銅配線膜と配線間絶縁膜とからなる銅配線構造を具備する半導体装置において、
   前記配線間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成されたものであり、
   前記有機樹脂は、構成Ｏ元素が、必ず、共有結合で結合された銅拡散防止性のものであり、
   前記銅配線膜と前記配線間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触している
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 銅配線膜と配線間絶縁膜とからなる銅配線構造を二層以上具備し、かつ、前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜との間に層間絶縁膜を具備し、更に前記層間絶縁膜に形成されたビアに充填された銅を介して前記上層の銅配線膜と下層の銅配線膜とが電気的に接続されている半導体装置において、
   前記層間絶縁膜は、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む有機樹脂で構成されたものであり、
   前記有機樹脂は、構成Ｏ元素が、必ず、共有結合で結合された銅拡散防止性のものであり、
   前記ビアに充填された銅と前記層間絶縁膜を構成する銅拡散防止性の有機樹脂とは、直接、接触している
   ことを特徴とする半導体装置。
3. Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む銅拡散防止性の有機樹脂は、耐熱温度が４００〜５００℃であり、比誘電率が３以下のものであることを特徴とする請求項１又は請求項２の半導体装置。
4. Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｈを構成元素として含む銅拡散防止性の有機樹脂がポリベンゾオキサゾールであることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかの半導体装置。
   

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