JP2009033089A - Method for manufacturing semiconductor device, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特に、層間絶縁膜を備える半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including an interlayer insulating film and the semiconductor device.
近年、LSI(Large Scale Integrated circuit)では、微細化、高速化、低消費電力化および高集積化が進められている。特に、微細化とともに高集積化を進めるにあたっては、配線層を、例えば層間絶縁膜を介して複数層重ねて、3次元的に配線する多層配線構造が採用されている。 In recent years, LSI (Large Scale Integrated circuit) has been miniaturized, increased in speed, reduced in power consumption, and increased in integration. In particular, in order to advance high integration as well as miniaturization, a multilayer wiring structure is employed in which a plurality of wiring layers are stacked, for example, via an interlayer insulating film, and three-dimensional wiring is performed.
ところが、層間絶縁膜中に含まれるシラノール基などによって、層間絶縁膜や配線層などが親水性を発現し、水の浸入や酸化が生じて、信頼性が低下してしまい、特に配線間隔が1μmよりも小さい場合には、その影響が顕著に表れる。 However, due to silanol groups contained in the interlayer insulating film, the interlayer insulating film and the wiring layer exhibit hydrophilicity, water intrusion and oxidation occur, and the reliability is lowered. In particular, the wiring interval is 1 μm. If the value is smaller than that, the effect is prominent.
今後、LSIの微細化が進み、配線間隔がより小さくなっていくことが予想され、層間絶縁膜中のシラノール基を低減させる方法が必要となってくる。
そこで、シラノール基を低減させる方法として、層間絶縁膜にシリル化などの処理を行うことが提案されていた。例えば、層間絶縁膜の形成プロセス中に、三フッ化窒素(NF3)ガスに曝露する方法(例えば、特許文献1,2参照)や、層間絶縁膜の形成プロセス後にシリル化剤処理を行う方法(例えば、特許文献3参照)などを用いれば、層間絶縁膜中のシラノール基を低減させることができ、特性の劣化を抑えることができる。
Therefore, as a method for reducing silanol groups, it has been proposed to perform a treatment such as silylation on the interlayer insulating film. For example, a method of exposing to nitrogen trifluoride (NF 3 ) gas during an interlayer insulating film formation process (for example, see
しかし、LSIの微細化がさらに進み、配線間隔が0.1μm以下の場合に、上記特許文献が利用された半導体装置に対して信頼性試験を行っても十分な特性は得られないという問題点があった。 However, when the LSI is further miniaturized and the wiring interval is 0.1 μm or less, sufficient characteristics cannot be obtained even if a reliability test is performed on the semiconductor device using the above patent document. was there.
そこで、本発明者らは上記の点に鑑みて、消費電力が抑制され、配線層の歩留まりや信頼性が向上された半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above, the present inventors have an object to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device in which power consumption is suppressed and the yield and reliability of a wiring layer are improved.
上記目的を達成するために、層間絶縁膜を備える半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、半導体基板を形成する第1工程と、前記半導体基板上に、前記層間絶縁膜の組成材料を塗布する第2工程と、前記組成材料を固化して、前記層間絶縁膜を形成する第3工程とともに、前記組成材料に前記層間絶縁膜を疎水化する疎水化処理剤を導入する第4工程と、を有する。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device including an interlayer insulating film is provided. The semiconductor device manufacturing method includes a first step of forming a semiconductor substrate, a second step of applying a composition material of the interlayer insulating film on the semiconductor substrate, and solidifying the composition material to obtain the interlayer insulation. In addition to a third step of forming a film, a fourth step of introducing a hydrophobizing agent to hydrophobize the interlayer insulating film into the composition material.
このような半導体装置の製造方法によれば、半導体基板が形成され、半導体基板上に、層間絶縁膜の組成材料が塗布され、組成材料を固化して、層間絶縁膜が形成されるとともに、組成材料に層間絶縁膜を疎水化する疎水化処理剤が導入されて、層間絶縁膜中のシラノール基が低減されるようになる。 According to such a method for manufacturing a semiconductor device, a semiconductor substrate is formed, a composition material for an interlayer insulating film is applied onto the semiconductor substrate, the composition material is solidified, and an interlayer insulating film is formed. By introducing a hydrophobizing agent for hydrophobizing the interlayer insulating film into the material, silanol groups in the interlayer insulating film are reduced.
また、上記目的を達成するために、以下のような半導体装置が提供される。この半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、を有し、前記層間絶縁膜は、前記層間絶縁膜の組成材料と、前記組成材料に導入された、前記層間絶縁膜を疎水化する疎水化処理剤とを含む。 In order to achieve the above object, the following semiconductor device is provided. The semiconductor device has a semiconductor substrate and an interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate, and the interlayer insulating film is introduced into the composition material of the interlayer insulating film and the composition material, And a hydrophobizing agent for hydrophobizing the interlayer insulating film.
このような半導体装置によれば、組成材料を固化するとともに、導入された疎水化処理剤が反応して、層間絶縁膜中のシラノール基が低減される。 According to such a semiconductor device, the composition material is solidified, and the introduced hydrophobizing agent reacts to reduce silanol groups in the interlayer insulating film.
層間絶縁膜を疎水化し、リーク電流を低減でき、消費電力を抑え、信頼性を向上させることができる。 The interlayer insulating film can be hydrophobized, leakage current can be reduced, power consumption can be suppressed, and reliability can be improved.
以下、本発明の実施の形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されない。
まず、本実施形態の概要について図面を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments.
First, an outline of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態の概要を示した半導体装置の製造工程の要部断面模式図である。
基板上の層間絶縁膜の製造方法を時系列的に4つの製造工程(図1(A)〜図1(D))に分けて、各工程を模式的に示している。以下、各製造工程に沿って説明する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an essential part of a semiconductor device manufacturing process showing an outline of the present embodiment.
The manufacturing method of the interlayer insulating film on the substrate is divided into four manufacturing steps (FIGS. 1A to 1D) in time series, and each step is schematically shown. Hereinafter, it demonstrates along each manufacturing process.
まず、基板上に、ソース、ドレイン、ゲートなど、さらに、開口孔を形成してビア配線を形成して、半導体基板1を形成する(図1(A))。
半導体基板1上に、のちに形成される層間絶縁膜2の組成材料2aを塗布する(図1(B))。
First, a source, a drain, a gate, and the like are further formed on the substrate, and an opening is formed to form a via wiring, thereby forming the semiconductor substrate 1 (FIG. 1A).
A composition material 2a of an
組成材料2aを固化しながら、層間絶縁膜2を疎水化させる疎水化処理剤3を、組成材料2aに導入する(図1(C))。
疎水化処理剤3と反応した組成材料2aを固化して、層間絶縁膜2を形成する(図1(D))。
A
The composition material 2a that has reacted with the
この後に、配線層などを形成することで半導体装置を製造することができる。
以上のように、半導体基板1上に塗布された組成材料2aを固化しながら、層間絶縁膜2を疎水化する疎水化処理剤3を組成材料2aに導入して形成される層間絶縁膜2を備える半導体装置では、疎水化処理剤3と組成材料2aとが反応して、特性の劣化を招き信頼性の低下の一因であった親水性を示す層間絶縁膜2中のシラノール基などを脱離させて、疎水化し、リーク電流を低減でき、消費電力を抑え、信頼性を向上させることが可能となる。
Thereafter, a semiconductor device can be manufactured by forming a wiring layer or the like.
As described above, the
なお、層間絶縁膜2の誘電率は2.7以下とする。誘電率を低くすることで、静電容量を低下させることができる。
次に、上記概要に基づいた本実施の形態を詳細に説明する。
Note that the dielectric constant of the
Next, the present embodiment based on the above outline will be described in detail.
なお、以下では、上記概要を踏まえた2つの製造方法(以下、実施例1および実施例2とする)について説明する。その後、層間絶縁膜を疎水化させる9種の疎水化処理剤を、実施例1および実施例2の製造方法にそれぞれ適用させて製造した、配線幅が0.1μm以下で多層配線の櫛歯パターン構造を備える半導体装置の信頼性試験の結果について説明する。 In the following, two manufacturing methods based on the above outline (hereinafter referred to as Example 1 and Example 2) will be described. Thereafter, nine types of hydrophobizing agents that hydrophobize the interlayer insulating film were applied to the manufacturing methods of Example 1 and Example 2, respectively. The result of the reliability test of the semiconductor device having the structure will be described.
また、以下では、本実施の形態の半導体装置の製造方法を実施例1および実施例2として例示したに過ぎず、本願の課題を解決できる効果が得られれば、製造方法や製造工程、または使用する材料などが異なる実施例も有効である。 Further, in the following, the method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment is only exemplified as Example 1 and Example 2, and if an effect capable of solving the problems of the present application is obtained, the manufacturing method, the manufacturing process, or the use Embodiments using different materials are also effective.
上記概要で説明したような層間絶縁膜の組成材料の塗布後、固化と同時に、疎水化処理剤を導入する場合を実施例1とする。
実施例1に対して、層間絶縁膜の組成材料の塗布後、疎水化処理剤を導入する場合を、同様に実施例2とする。なお、実施例2の場合、疎水化処理剤導入後に、層間絶縁膜の組成材料を固化して、層間絶縁膜を形成することになる。
A case where a hydrophobizing agent is introduced simultaneously with solidification after application of the composition material of the interlayer insulating film as described in the above outline is referred to as Example 1.
In contrast to Example 1, a case where a hydrophobizing agent is introduced after application of the composition material of the interlayer insulating film is referred to as Example 2. In the case of Example 2, after introducing the hydrophobizing agent, the composition material of the interlayer insulating film is solidified to form the interlayer insulating film.
一方、層間絶縁膜の組成材料を塗布し、固化して、層間絶縁膜の形成後に、疎水化処理剤を導入する場合については、特許文献3などから参照することができる。そこで本実施の形態ではこの場合を「比較例」と呼ぶことにする。
On the other hand, the case where the composition material of the interlayer insulating film is applied and solidified to introduce the hydrophobizing agent after the formation of the interlayer insulating film can be referred to from
実施例1および実施例2を利用した半導体装置の製造方法について、図2〜図5を用いて説明する。
図2〜図5は、本実施の形態における半導体装置の製造方法の要部断面模式図である。
A method of manufacturing a semiconductor device using Example 1 and Example 2 will be described with reference to FIGS.
2 to 5 are schematic cross-sectional views of relevant parts of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
本実施の形態の多層配線構造を備えた半導体装置の製造方法を、7工程(図2〜図5)に分けて、各製造工程を模式的に示している。層間絶縁膜の製造工程については、上記概要を踏まえた実施例1および実施例2ごとに説明する。層間絶縁膜以外の製造工程は、実施例1および実施例2ともに共通である。また、図2〜図5において同じ番号は、同種の材料などを用いていることを意味する。 The manufacturing method of the semiconductor device provided with the multilayer wiring structure of this embodiment is divided into seven steps (FIGS. 2 to 5), and each manufacturing step is schematically shown. The manufacturing process of the interlayer insulating film will be described for each of Example 1 and Example 2 based on the above outline. Manufacturing processes other than the interlayer insulating film are common to both the first and second embodiments. Moreover, the same number in FIGS. 2-5 means using the same kind of material.
まず、シリコン(Si)ウェハ11上に、素子間を電気的に分離するためのSTI(Shallow Trench Isolation)12を形成する。そして、ドレイン15およびソース16、サイドウォール14を有するゲート電極13を形成する。
First, an STI (Shallow Trench Isolation) 12 for electrically isolating elements is formed on a silicon (Si)
続いて、リンガラス膜(PSG:Phospho Silicate Glass)により層間絶縁膜17と、層間絶縁膜17上にストッパ膜18とを形成して、層間絶縁膜17およびストッパ膜18に対して、電極取り出し用にコンタクトホール19を加工する。なお、このようにして構成されるものを図2(A)に示す。
Subsequently, an
続いて、ストッパ膜18およびコンタクトホール19にスパッタ法で窒化チタン(TiN)膜20(膜厚30nm)を成膜し、さらに、TiN膜20上に、六フッ化タングステン(WF6)と水素(H2)とを混合し還元して、導体プラグ21を埋め込む。このようにして形成したTiN膜20と導体プラグ21とを化学的機械研磨法(CMP:Chemical Mechanical Polishing)によりビア以外の部分を除去する。なお、このようにして構成されるものを図2(B)に示す。
Subsequently, a titanium nitride (TiN) film 20 (
続いて、層間絶縁膜22用の層間絶縁膜前駆体塗布溶液を生成する。まず、テトラエトキシシラン(TEOS)(20.8g(0.1mol))、メチルトリエトキシシラン(MTES)(17.8g(0.1mol))、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)(23.6g(0.1mol))、メチルイソグチルケトン(39.6g)の組成比の溶液200mlを反応容器に仕込み、1%のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド水溶液(16.2g(0.9mol))を10分間滴下し、滴下終了後、約2時間の熟成反応を行う。そして、硫酸マグネシウム(MgSO4)(5g)を添加して過剰の水分を除去した後、熟成反応により生成したエタノール(C2H6O)をロータリーエバポレータにより反応溶液が50mlになるまで除去し、得られた反応溶液にメチルイソブチルケトン(MIBK)(20ml)を添加し、誘電率2.5の層間絶縁膜前駆体塗布溶液が生成される。
Subsequently, an interlayer insulating film precursor coating solution for the
このようにして生成された層間絶縁膜前駆体塗布溶液を用いた層間絶縁膜22の製造工程について、実施例1および実施例2のそれぞれについて以下に説明する。
(実施例1)
実施例1では、層間絶縁膜前駆体塗布溶液を乾燥および焼成して固化する工程中に、層間絶縁膜22を疎水化させる疎水化処理剤(不図示)を導入する。
The manufacturing process of the
Example 1
In Example 1, a hydrophobizing agent (not shown) for hydrophobizing the
以下に、この製造工程についてステップごとに説明する。なお、疎水化処理剤の導入工程を、以後の説明の便宜上、[ステップA]としている。
[ステップ1]:ストッパ膜18、TiN膜20および導体プラグ21上に、層間絶縁膜前駆体塗布溶液をスピン塗布法によって塗布する。
Below, this manufacturing process is demonstrated for every step. The process of introducing the hydrophobizing agent is referred to as [Step A] for the convenience of the following description.
[Step 1]: An interlayer insulating film precursor coating solution is applied onto the
[ステップ2]:塗布した層間絶縁膜前駆体塗布溶液を3分間、250℃でプリベークする。
[ステップA]:層間絶縁膜前駆体塗布溶液上に、ベーパー法によって、疎水化処理剤を導入する。
[Step 2]: Pre-bake the applied interlayer insulating film precursor coating solution at 250 ° C. for 3 minutes.
[Step A]: A hydrophobic treatment agent is introduced onto the interlayer insulating film precursor coating solution by a vapor method.
[ステップ3]:窒素(N2)雰囲気中にて、30分間、400℃で焼成を行う。そして、層間絶縁膜22が形成される。
(実施例2)
実施例2では、実施例1と異なり、層間絶縁膜前駆体塗布溶液を塗布した後に、[ステップA]が行われる。すなわち、実施例2における層間絶縁膜22の製造工程は以下のような順序で行われる。
[Step 3]: Firing is performed at 400 ° C. for 30 minutes in a nitrogen (N 2 ) atmosphere. Then, an
(Example 2)
In the second embodiment, unlike the first embodiment, [Step A] is performed after the interlayer insulating film precursor coating solution is applied. That is, the manufacturing process of the
[ステップ1]:ストッパ膜18、TiN膜20および導体プラグ21上に、層間絶縁膜前駆体塗布溶液をスピン塗布法によって塗布する。
[ステップA]:層間絶縁膜前駆体塗布溶液上に、ベーパー法によって、疎水化処理剤を導入する。
[Step 1]: An interlayer insulating film precursor coating solution is applied onto the
[Step A]: A hydrophobic treatment agent is introduced onto the interlayer insulating film precursor coating solution by a vapor method.
[ステップ2]:塗布した層間絶縁膜前駆体塗布溶液を3分間、250℃でプリベークする。
[ステップ3]:N2雰囲気中にて、30分間、400℃で焼成を行う。そして、層間絶縁膜22が形成される。
[Step 2]: Pre-bake the applied interlayer insulating film precursor coating solution at 250 ° C. for 3 minutes.
[Step 3]: Baking is performed at 400 ° C. for 30 minutes in an N 2 atmosphere. Then, an
一方、比較例では、疎水化処理剤の導入が、[ステップ3]の後に行われる。
なお、疎水化処理剤には、シリル化剤が用いられ、特に、酸素原子(O)、炭素原子(C)、水素原子(H)および窒素原子(N)のうち少なくとも1種とSi原子とから構成される化合物が用いられる。これらの原子は比較的小さいため、余計な反応が無く、十分な反応性を有する。
On the other hand, in the comparative example, the introduction of the hydrophobizing agent is performed after [Step 3].
A silylating agent is used as the hydrophobizing agent, and in particular, at least one of an oxygen atom (O), a carbon atom (C), a hydrogen atom (H), and a nitrogen atom (N) and a Si atom, A compound composed of: Since these atoms are relatively small, there is no extra reaction and they are sufficiently reactive.
また、[ステップA]では、面均一性が高く、量産に適しているベーパー法を利用した場合を例に挙げて説明したが、その他、例えば、スピン塗布法を用いても同様の効果を得ることができる。そして、ベーパー法を行う際の基板温度は、40℃以下では疎水化反応に時間がかかるため量産性が低下し、一方、150℃以上では、上記に挙げた疎水化処理剤の化合物は反応性が高いために、疎水化処理剤と組成材料とが反応する前に分解してしまうために、組成材料との反応性が低下する。このことからベーパー法を行う際の基板温度は40℃〜150℃とすることが望ましい。 In [Step A], the case of using the vapor method having high surface uniformity and suitable for mass production has been described as an example. However, for example, the same effect can be obtained even when the spin coating method is used. be able to. The substrate temperature when performing the vapor method is less than 40 ° C., because the hydrophobization reaction takes time, so that the mass productivity decreases. On the other hand, at 150 ° C. or more, the hydrophobizing agent compounds listed above are reactive. Therefore, since the hydrophobization agent and the composition material are decomposed before reacting with each other, the reactivity with the composition material is lowered. For this reason, it is desirable that the substrate temperature during the vapor process be 40 ° C. to 150 ° C.
また、[ステップ3]における層間絶縁膜前駆体塗布溶液の焼成には、ホットプレートによる加熱、炉による加熱、赤外線照射、紫外線照射、x線照射、γ線照射、電子線照射、α線照射、プラズマ曝露のいずれか1種、またはこれらのうち複数を同時または個別に行うようにする。 The firing of the interlayer insulating film precursor coating solution in [Step 3] includes heating with a hot plate, heating with a furnace, infrared irradiation, ultraviolet irradiation, x-ray irradiation, γ-ray irradiation, electron beam irradiation, α-ray irradiation, Any one or more of the plasma exposures are performed simultaneously or individually.
このようにして、層間絶縁膜22(膜厚150nm)が形成されて、さらに層間絶縁膜22上に、保護膜としてTEOS−SiO2膜23(膜厚30nm)が形成されて構成されるものを図3(A)に示す。
In this manner, an interlayer insulating film 22 (
続いて、TEOS−SiO2膜23上に、配線パターンに施したレジスト層(不図示)を形成する。そして、レジスト層をマスクとして四フッ化炭素(CF4)/トリフロロメタン(CHF3)ガスを原料としたフッ素(F)プラズマにより、TEOS−SiO2膜23に配線溝(不図示)を加工した。さらに、この配線溝およびTEOS−SiO2膜23に、後に配線溝に形成される銅(Cu)からのTEOS−SiO2膜23に対する拡散バリアとして働くTiN膜24(膜厚30nm)と、電解メッキの際に電極として働くCuシード層(不図示)(膜厚30nm)をTiN膜24上にスパッタ法により形成した。
Subsequently, a resist layer (not shown) applied to the wiring pattern is formed on the TEOS-SiO 2 film 23. Then, a wiring groove (not shown) is processed in the TEOS-SiO 2 film 23 by fluorine (F) plasma using carbon tetrafluoride (CF 4 ) / trifluoromethane (CHF 3 ) gas as a raw material with the resist layer as a mask. did. Further, in this wiring groove and TEOS-SiO 2 film 23, a
そして、Cuシード層上に、電解メッキによりCu層25を600nm積層した後、CMPにより配線パターン部以外のメタルを除去した。なお、このようにして構成されるものを図3(B)に示す。
Then, after a
続いて、ビア層と配線層とを同時に形成するデュアルダマシン構造を形成する。TEOS−SiO2膜23、TiN膜24およびCu層25上に、シラン(Si4H)とアンモニア(NH3)とを用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、Cuの拡散防止を目的としたキャップ層として、窒化シリコン(SiN)膜26(膜厚30nm)を成膜する。そして、プラズマCVD法によって、SiN膜26上に、SiOC(酸化シリコン(SiO2)に炭素(C)を添加したもの)膜27(膜厚150nm)を成膜する。さらにSiOC膜27上に、同様にSi4HとNH3とを用いたプラズマCVD法により、ストッパ膜としてSiN膜28(膜厚30nm)を成膜する。
Subsequently, a dual damascene structure in which a via layer and a wiring layer are formed simultaneously is formed. On the TEOS-SiO 2 film 23, the
そして、層間絶縁膜22と同様にして、SiN膜28上に、層間絶縁膜29を成膜する。この場合も実施例1および実施例2(比較例も)で説明した製造方法を行うため、その方法の説明は省略する。層間絶縁膜29上に、保護膜としてTEOS−SiO2膜30(膜厚30nm)を成膜する。なお、このようにして構成されるものを図4(A)に示す。
Then, similarly to the
TEOS−SiO2膜30上に、配線パターンに施したレジスト層(不図示)を形成する。そして、レジスト層をマスクとしてCF4/CHF3ガスを原料としたFプラズマにより、TEOS−SiO2膜30に配線溝(不図示)を加工した。そして、この配線溝およびTEOS−SiO2膜30に、後に形成するCuからのTEOS−SiO2膜30に対する拡散バリアとして働くTiN膜31(膜厚30nm)と、電解メッキの際に電極として働くCuシード層(不図示)(膜厚30nm)をスパッタ法により形成した。
A resist layer (not shown) applied to the wiring pattern is formed on the TEOS-SiO 2 film 30. Then, a wiring groove (not shown) was processed in the TEOS-SiO 2 film 30 by F plasma using CF 4 / CHF 3 gas as a raw material with the resist layer as a mask. Then, a TiN film 31 (
そして、電解メッキによりCu層32を1400nm積層した後、CMPにより配線パターン部以外のメタルを除去し、配線層を形成した。なお、このようにして構成されるものを図4(B)に示す。
Then, after
この後、同様の製造工程を繰り返して3層の配線を形成した。なお、このようにして構成されるものを図5に示す。
以上の工程によって、配線幅が0.1μm以下であって、多層配線の櫛歯パターン構造を備える半導体装置が形成される。
Thereafter, the same manufacturing process was repeated to form a three-layer wiring. What is configured in this manner is shown in FIG.
Through the above steps, a semiconductor device having a wiring width of 0.1 μm or less and having a multi-layered comb-tooth pattern structure is formed.
次に、本実施の形態で用いる、層間絶縁膜を疎水化させる疎水化処理剤について図6の表を用いて説明する。
図6は、本実施の形態で用いる疎水化処理剤の表である。
Next, the hydrophobizing agent used in the present embodiment to hydrophobize the interlayer insulating film will be described with reference to the table of FIG.
FIG. 6 is a table of hydrophobizing agents used in the present embodiment.
図6に示すように、本実施の形態の実施例1および実施例2で利用する疎水化処理剤は、次の9種類あり、すなわち、(1)ヘキサメチルジシラザン(HMDS)、(2)テトラメチルジシラザン(TMDS)、(3)ジメチルアミノトリメチルシラン(TMSDMA)、(4)ジメチルアミノジメチルシラン(DMSDMA)、(5)ジメチルエトキシシラン(DMES)、(6)ビス(ジメチルアミノ)ジメチルシラン(BDMADMS)、(7)ビス(ジエチルアミノ)ジメチルシラン(BDEADMS)、(8)トリス(ジメチルアミノ)メチルシラン(TDMAMS)、(9)トリメチルエトキシシラン(TMES)。そして、図6には、疎水化処理剤を導入する際の基板温度についてもそれぞれ記載している。基板温度は、各疎水化処理剤の沸点から20℃〜30℃程度低い温度に設定している。 As shown in FIG. 6, the hydrophobizing agents used in Examples 1 and 2 of the present embodiment are the following nine types: (1) hexamethyldisilazane (HMDS), (2) Tetramethyldisilazane (TMDS), (3) dimethylaminotrimethylsilane (TMSDMA), (4) dimethylaminodimethylsilane (DMSDMA), (5) dimethylethoxysilane (DMES), (6) bis (dimethylamino) dimethylsilane (BDDMADS), (7) Bis (diethylamino) dimethylsilane (BDEADMS), (8) Tris (dimethylamino) methylsilane (TDDMAMS), (9) Trimethylethoxysilane (TMES). FIG. 6 also shows the substrate temperature when the hydrophobizing agent is introduced. The substrate temperature is set to a temperature lower by about 20 ° C. to 30 ° C. than the boiling point of each hydrophobizing agent.
次に、図6で示した疎水化処理剤を、実際に実施例1および実施例2に適用して図2〜図5の工程を経て製造した半導体装置の信頼性試験を行った場合について図7を用いて以下に説明する。 Next, the case where the reliability test of the semiconductor device manufactured through the steps of FIGS. 2 to 5 by actually applying the hydrophobizing agent shown in FIG. 6 to Example 1 and Example 2 is performed. 7 will be described below.
なお、図7の比較例の結果は、図2〜図5にて、[ステップ3]の後に[ステップA]を行って製造した半導体装置に対して信頼性試験を行ったものとする。
また、TDDB試験においては、電界強度を3.3MV/cm、SM試験においては、温度を150℃、時間を1024時間の試験条件で行った。
The results of the comparative example of FIG. 7 are obtained by performing a reliability test on the semiconductor device manufactured by performing [Step A] after [Step 3] in FIGS.
In the TDDB test, the electric field strength was 3.3 MV / cm, and in the SM test, the temperature was 150 ° C. and the time was 1024 hours.
図7によると、まず、疎水化処理剤を施さなかった「処理無し」と比較例とを比較する。TDDB測定に関しては、比較例では(2)TMDSを用いると時間が長くなったが、他の疎水化処理剤では、逆に時間が短くなった。一方、SM試験に関しては、同様に(2)TMDSを用いた際に、不良率が下がったが、他の疎水化処理剤では、変わらないかむしろ不良率が上がったケースも確認できる。次に、実施例1および実施例2と比較例とを、それぞれ同じ疎水化処理剤を適用した場合について比較する。実施例1および実施例2は全ての疎水化処理剤を適用した場合について、TDDB測定に関しては時間が延びて、SM試験では不良率が下がっている。これらの結果から、本実施の形態を用いて、確実に信頼性が向上したことがわかる。さらに、実施例1と実施例2とを比較すると、全ての疎水化処理剤を適用した場合について、実施例1の方がTDDB測定では時間が長く、SM試験では不良率が低い結果となり、実施例2よりもより信頼性を向上させたことがわかる。特に、実施例1に、疎水化処理剤として(4)DMSDMAを用いた時に最も信頼性が向上した。 According to FIG. 7, first, “no treatment” in which the hydrophobizing agent was not applied and the comparative example are compared. Regarding the TDDB measurement, in the comparative example, when (2) TMDS was used, the time was increased, but with other hydrophobizing agents, the time was conversely shortened. On the other hand, regarding the SM test, similarly, (2) when TMDS was used, the defect rate decreased, but other hydrophobic treatment agents did not change or rather the case where the defect rate increased could be confirmed. Next, Example 1 and Example 2 and the comparative example are compared in the case where the same hydrophobizing agent is applied. In Examples 1 and 2, when all the hydrophobizing agents were applied, the time for the TDDB measurement was increased, and the defect rate was decreased in the SM test. From these results, it can be seen that the reliability is reliably improved by using this embodiment. Further, comparing Example 1 and Example 2, when all the hydrophobizing agents were applied, Example 1 resulted in a longer time for TDDB measurement and a lower defect rate in the SM test. It can be seen that the reliability was improved more than in Example 2. In particular, the reliability was most improved when (4) DMSDMA was used as the hydrophobizing agent in Example 1.
また、疎水化処理剤の(1)〜(5),(9)と(6)〜(8)を比較すると、(6)〜(8)は、TDDB測定結果による破壊までの時間のわりに、SM試験における不良率が低いという結果が得られた。(6)〜(8)の疎水化処理剤は、シリル化剤であり、それに含まれる1つのSi原子が反応性官能基を2つ以上有している。すなわち、シリル化剤に含まれる1つのSi原子が少なくとも2つの反応性官能基とつながっている。そのため、架橋促進剤として機能し、架橋する量が増え、強度が増し、銅配線に集中していたストレスが分散されたため、特にSMの不良に効果があったものと考えられる。 In addition, when (1) to (5) and (9) and (6) to (8) of the hydrophobizing agent are compared, (6) to (8) indicate that, instead of the time until destruction according to the TDDB measurement result, The result that the defect rate in SM test was low was obtained. The hydrophobizing agents (6) to (8) are silylating agents, and one Si atom contained therein has two or more reactive functional groups. That is, one Si atom contained in the silylating agent is connected to at least two reactive functional groups. Therefore, it functions as a cross-linking accelerator, the amount of cross-linking increases, the strength increases, and the stress concentrated on the copper wiring is dispersed, which is considered to be particularly effective for SM failure.
次に、実施例1、実施例2および比較例におけるSiとHとが結合したSiH基の吸収ピークについて以下に説明する。
図8は、本実施の形態におけるSiH基の吸収強度を示すグラフである。
Next, the absorption peak of the SiH group in which Si and H are bonded in Example 1, Example 2, and Comparative Example will be described below.
FIG. 8 is a graph showing the absorption intensity of SiH groups in the present embodiment.
なお、図8では、実施例1、実施例2および比較例に(2)TMDSを適用して製造した半導体装置のFT−IR(Fourier Transform−InfraRed spectrometer)測定によるSiH基の吸収強度の結果を、実施例1、実施例2および比較例に加えて、「処理無し」の場合についても示している。なお、図8の比較例の結果は、図2〜図5にて、[ステップ3]の後に[ステップA]を行って製造した半導体装置に対してFT−IR測定を行ったものとする。また、図8のグラフでは、横軸には波長を、縦軸にはSiH基の吸収強度をそれぞれ示している。 In FIG. 8, the results of the absorption intensity of the SiH group by FT-IR (Fourier Transform-InfraRed spectrometer) measurement of the semiconductor device manufactured by applying TMDS to Example 1, Example 2 and Comparative Example are shown. In addition to Example 1, Example 2, and Comparative Example, the case of “no treatment” is also shown. The results of the comparative example in FIG. 8 are obtained by performing FT-IR measurement on the semiconductor device manufactured by performing [Step A] after [Step 3] in FIGS. In the graph of FIG. 8, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the absorption intensity of the SiH group.
図8によると、「処理無し」では、疎水化処理剤を導入していないため、SiH基の吸収ピークが表れなかったと考えられる。そして、実施例1、実施例2および比較例では、図8に記した矢印付近にSiH基の吸収ピークを確認することができる。まず、実施例1および実施例2と比較例との吸収強度について比較する。実施例1および実施例2の吸収ピークの吸収強度は、比較例の吸収ピークの吸収強度よりも大きく、実施例1および実施例2では、比較例よりも効果的に、SiとOHとが結合したSiOH基と反応していることが予想され、疎水化してシラノール基の脱水縮合反応にともなう膜収縮による不必要な膜ストレスを抑えることができて、図7に示したような結果につながったと考えられる。そして、実施例1の方が実施例2よりもSiOH基との反応がより効果的に生じており、同様に、図7に示したような結果につながったと考えられる。一方、比較例では、吸収ピークが小さく、図7に示したような結果となった。これは、配線幅が0.1μm以下の配線幅である比較例では、層間絶縁膜が固化時に収縮することに起因するストレスが層間絶縁膜下の基板などにかかり、SM試験による不良が多くなり、信頼性が悪化していると予想される。そして、配線幅が狭くなることで、膜ストレスの信頼性への影響はより大きくなると考えられる。 According to FIG. 8, it is considered that the absorption peak of SiH group did not appear in “no treatment” because no hydrophobizing treatment agent was introduced. And in Example 1, Example 2, and a comparative example, the absorption peak of SiH group can be confirmed near the arrow marked in FIG. First, the absorption strengths of Example 1 and Example 2 and the comparative example will be compared. The absorption intensity of the absorption peak of Example 1 and Example 2 is larger than the absorption intensity of the absorption peak of the comparative example. In Example 1 and Example 2, Si and OH are bonded more effectively than the comparative example. It was predicted that the reaction with the SiOH group was performed, and unnecessary film stress due to film shrinkage due to dehydration condensation reaction of the silanol group could be suppressed, leading to the result shown in FIG. Conceivable. In Example 1, the reaction with the SiOH group occurred more effectively than in Example 2. Similarly, it is considered that the result shown in FIG. 7 was led. On the other hand, in the comparative example, the absorption peak was small, and the result as shown in FIG. 7 was obtained. This is because in the comparative example in which the wiring width is 0.1 μm or less, the stress due to the shrinkage of the interlayer insulating film when solidified is applied to the substrate under the interlayer insulating film and the defects due to the SM test increase. Reliability is expected to deteriorate. Then, it is considered that the influence of the film stress on the reliability becomes larger as the wiring width becomes narrower.
したがって、実施例1および実施例2以外に、固化による層間絶縁膜の収縮の前に、[ステップ1]とともに[ステップA]を行う、すなわち、ストッパ膜18上に、層間絶縁膜前駆体塗布溶液をスピン塗布法による塗布とともに、層間絶縁膜前駆体塗布溶液上に、ベーパー法によって、疎水化処理剤の導入を行うようにしても、実施例1および実施例2と同様に信頼性を向上させることができる。
Therefore, in addition to Example 1 and Example 2, [Step 1] and [Step A] are performed before shrinkage of the interlayer insulating film due to solidification, that is, the interlayer insulating film precursor coating solution is formed on the
以上から、層間絶縁膜の組成材料の塗布中、組成材料の塗布後、または、塗布した組成材料の固化中に、層間絶縁膜を疎水化処理させる疎水化処理剤の導入を行うことによって、特性の劣化を招き信頼性の低下の一因であった親水性を示す層間絶縁膜中のシラノール基などを脱離させて、効果的に疎水化し、リーク電流を低減でき、消費電力を抑え、信頼性を向上させることが可能となる。 From the above, characteristics can be obtained by introducing a hydrophobizing agent that hydrophobizes the interlayer insulating film during application of the composition material of the interlayer insulating film, after application of the composition material, or during solidification of the applied composition material. The silanol group in the interlayer insulating film that exhibits hydrophilicity, which has been a cause of deterioration of reliability due to degradation of the water, can be effectively hydrophobized, reducing the leakage current, reducing power consumption and reliability. It becomes possible to improve the property.
(付記1) 層間絶縁膜を備える半導体装置の製造方法において、
半導体基板を形成する第1工程と、
前記半導体基板上に、前記層間絶縁膜の組成材料を塗布する第2工程と、
前記組成材料を固化して、前記層間絶縁膜を形成する第3工程とともに、前記組成材料に前記層間絶縁膜を疎水化する疎水化処理剤を導入する第4工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Additional remark 1) In the manufacturing method of a semiconductor device provided with an interlayer insulation film,
A first step of forming a semiconductor substrate;
A second step of applying a composition material of the interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
A fourth step of introducing a hydrophobizing agent to hydrophobize the interlayer insulating film into the composition material, together with a third step of solidifying the composition material to form the interlayer insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(付記2) 前記第2工程とともに、または、前記第2工程後に前記第4工程を行うことを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記3) 前記疎水化処理剤は、含まれるシリコン原子のうち少なくとも1つが反応性官能基を2以上有したシリル化剤であること特徴とする付記1または2記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 2) The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Supplementary note 3) The method for manufacturing a semiconductor device according to
(付記4) 前記疎水化処理剤は、ジメチルエトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン、テトラメチルジシラザン、ジメチルアミノトリメチルシラン、ジメチルアミノジメチルシラン、ビス(ジメチルアミノ)ジメチルシラン、ビス(ジエチルアミノ)ジメチルシランまたはトリス(ジメチルアミノ)メチルシランであることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 4) The hydrophobizing agent is dimethylethoxysilane, hexamethyldisilazane, tetramethyldisilazane, dimethylaminotrimethylsilane, dimethylaminodimethylsilane, bis (dimethylamino) dimethylsilane, bis (diethylamino) dimethylsilane or 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(付記5) 前記第4工程を、前記半導体基板の温度を40℃〜150℃にて行うことを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記6) 前記層間絶縁膜の誘電率が2.7以下、であることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 5) The manufacturing method of the semiconductor device of any one of
(Additional remark 6) The dielectric constant of the said interlayer insulation film is 2.7 or less, The manufacturing method of the semiconductor device of any one of
(付記7) 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
を有し、
前記層間絶縁膜は、
前記層間絶縁膜の組成材料と、前記組成材料に導入された、前記層間絶縁膜を疎水化する疎水化処理剤とを含むことを特徴とする半導体装置。
(Appendix 7) a semiconductor substrate;
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
Have
The interlayer insulating film is
A semiconductor device comprising: a composition material of the interlayer insulating film; and a hydrophobizing agent introduced into the composition material to hydrophobize the interlayer insulating film.
1 半導体基板
2 層間絶縁膜
2a 組成材料
3 疎水化処理剤
DESCRIPTION OF
Claims (5)
半導体基板を形成する第1工程と、
前記半導体基板上に、前記層間絶縁膜の組成材料を塗布する第2工程と、
前記組成材料を固化して、前記層間絶縁膜を形成する第3工程とともに、前記組成材料に前記層間絶縁膜を疎水化する疎水化処理剤を導入する第4工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device including an interlayer insulating film,
A first step of forming a semiconductor substrate;
A second step of applying a composition material of the interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
A fourth step of introducing a hydrophobizing agent to hydrophobize the interlayer insulating film into the composition material, together with a third step of solidifying the composition material to form the interlayer insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
を有し、
前記層間絶縁膜は、
前記層間絶縁膜の組成材料と、前記組成材料に導入された、前記層間絶縁膜を疎水化する疎水化処理剤とを含むことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
Have
The interlayer insulating film is
A semiconductor device comprising: a composition material of the interlayer insulating film; and a hydrophobizing agent introduced into the composition material to hydrophobize the interlayer insulating film.
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