JP2016162848A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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利和 塙
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Abstract

【課題】半導体装置の信頼性を向上させる。【解決手段】層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8aをスピンコート法により形成してから、その絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理を行い、その後、絶縁膜IL8a上に層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8bをスピンコート法により形成する。層間絶縁膜IL8は、絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8a上の絶縁膜IL8bとを含む積層絶縁膜からなる。これにより、層間絶縁膜IL8の表面の平坦性を向上させることができる。【選択図】図22

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、例えば、層間絶縁膜を有する半導体装置の製造方法に好適に利用できるものである。
半導体基板の主面にMISFETなどの半導体素子を形成してから、半導体基板の主面上に、複数の層間絶縁膜と複数の配線層とからなる多層配線構造を形成することで、半導体装置が製造される。
特開平9−241518号公報(特許文献1)には、スピンコート法により絶縁膜を成膜する技術が記載されている。
特開平9−161330号公報(特許文献2)には、スプレー法により保護コート材料を塗布し、超音波振動により塗布表面を平坦化する技術が記載されている。
特開平8−330306号公報(特許文献3)には、SOG膜の上面をCMP処理して平坦化する技術が記載されている。
特開平9−241518号公報 特開平9−161330号公報 特開平8−330306号公報
層間絶縁膜を有する半導体装置においても、できるだけ信頼性を向上させることが望まれる。または、できるだけ製造コストを低減させることが望まれる。若しくは、信頼性を向上させ、かつ、製造コストを低減させることが望まれる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された第1層間絶縁膜を有する半導体装置の製造方法である。第1層間絶縁膜を形成する工程は、(a)前記第1層間絶縁膜用の第1絶縁膜をスピンコート法により形成する工程、(b)前記第1絶縁膜の表面の親水性を向上させる第1処理を行う工程、(c)前記(b)工程後に、前記第1絶縁膜上に前記第1層間絶縁膜用の第2絶縁膜をスピンコート法により形成する工程、を有している。
一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
または、半導体装置の製造コストを低減させることができる。
若しくは、半導体装置の信頼性を向上させ、かつ、半導体装置の製造コストを低減させることができる。
一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図1に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図2に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図3に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図4に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図5に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図6に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図7に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図8に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図9に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図10に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図11に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図12に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図13に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図14に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 一実施の形態である半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。 一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図17に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図18に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図19に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図20に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図21に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図22に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図23に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図24に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図25に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図26に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 第1検討例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図28に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図29に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図30に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 第2検討例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図32に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図33に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 第3検討例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図35に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 他の実施の形態である半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。 他の実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図38に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図39に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図40に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 他の実施の形態である半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
(実施の形態1)
<半導体装置の製造工程について>
本実施の形態の半導体装置の製造工程を図面を参照して説明する。図1〜図15は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
まず、図1に示されるように、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板(半導体ウエハ)SBを用意(準備)する。
次に、半導体基板SBの主面に、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体素子を形成する。以下に、MISFETの形成工程について簡単に説明する。
まず、図1に示されるように、半導体基板SBに素子分離領域STを形成する。素子分離領域STは、STI(Shallow Trench Isolation)法またはLOCOS(Local oxidation of silicon)法などを用いて形成することができる。
それから、図2に示されるように、半導体基板SBにp型ウエルPWおよびn型ウエルNWを、それぞれイオン注入法などを用いて形成する。それから、p型ウエルPW上に、ゲート絶縁膜GFを介してnチャネル型のMISFET10用のゲート電極GE1を形成し、n型ウエルNW上に、ゲート絶縁膜GFを介してpチャネル型のMISFET11用のゲート電極GE2を形成する。例えば、半導体基板SBの主面にゲート絶縁膜GF用の絶縁膜(例えば酸化シリコン膜)とゲート電極GE1,GE2用の導電膜(例えばドープトポリシリコン膜)とを順に形成してから、その導電膜をパターニングすることで、ゲート電極GE1,GE2およびゲート絶縁膜GFを形成することができる。
それから、図3に示されるように、ゲート電極GE1をマスクとして用いてp型ウエルPWにn型不純物をイオン注入することにより、p型ウエルPWにおいて、ゲート電極GE1の両側にn型半導体領域EX1を形成する。また、ゲート電極GE2をマスクとして用いてn型ウエルNWにp型不純物をイオン注入することにより、n型ウエルNWにおいて、ゲート電極GE2の両側にp型半導体領域EX2を形成する。
それから、ゲート電極GE1,GE2を覆うようにサイドウォールスペーサSW形成用の絶縁膜を形成してから、その絶縁膜を異方性エッチングすることにより、ゲート電極GE1,GE2の側壁上にサイドウォールスペーサ(側壁絶縁膜)SWを形成する。
それから、ゲート電極GE1およびその側壁上のサイドウォールスペーサSWをマスクとして用いてp型ウエルPWにn型不純物をイオン注入することにより、p型ウエルPWにおいて、ゲート電極GE1およびその側壁上のサイドウォールスペーサSWからなる構造体の両側に、n型半導体領域EX1よりも高不純物濃度のn型半導体領域SD1を形成する。また、ゲート電極GE2およびその側壁上のサイドウォールスペーサSWをマスクとして用いてn型ウエルNWにp型不純物をイオン注入することにより、n型ウエルNWにおいて、ゲート電極GE2およびその側壁上のサイドウォールスペーサSWからなる構造体の両側に、p型半導体領域EX2よりも高不純物濃度のp型半導体領域SD2を形成する。n型半導体領域EX1およびn型半導体領域SD1により、nチャネル型のMISFET10のLDD構造を有するソース・ドレイン領域が形成され、p型半導体領域EX2およびp型半導体領域SD2により、pチャネル型のMISFET11のLDD構造を有するソース・ドレイン領域が形成される。その後、これまでに導入した不純物を活性化させるための熱処理である活性化アニールを行う。また、ゲート電極GE1,GE2、n型半導体領域SD1およびp型半導体領域SD2の表面(表層部分)に、サリサイド(Salicide:Self Aligned Silicide)技術などにより、それぞれ金属シリサイド層(図示せず)を形成することもできる。
このようにして、図3に示されるように、半導体基板SBに、nチャネル型のMISFET10およびpチャネル型のMISFET11を形成することができる。なお、半導体基板SBに形成する半導体素子は、nチャネル型のMISFET10およびpチャネル型のMISFET11に限定されず、種々の半導体素子を半導体基板SBに形成することができる。例えば、半導体基板SBの主面に、容量素子、抵抗素子、メモリ素子または他の構成のトランジスタなどを形成することもできる。
次に、半導体基板SB上に、複数の層間絶縁膜(IL1〜IL5)と複数の配線層(M1〜M5)とからなる多層配線構造を形成する。以下、具体的に説明する。
まず、図4に示されるように、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、層間絶縁膜IL1を形成する。層間絶縁膜IL1は、半導体基板SBに形成した素子(ここではMISFET10,11)を覆うように形成される。ここでは、半導体基板SBの主面全面上に、ゲート電極GE1,GE2およびサイドウォールスペーサSWを覆うように、層間絶縁膜IL1が形成される。
次に、図5に示されるように、層間絶縁膜IL1上にフォトリソグラフィ技術を用いて形成したフォトレジストパターン(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、層間絶縁膜IL1をドライエッチングすることにより、層間絶縁膜IL1に、ビア部V1を埋め込むためのコンタクトホール(貫通孔、孔、スルーホール)を形成する。このコンタクトホールは、層間絶縁膜IL1を貫通するように形成される。それから、このコンタクトホール内に導電膜を埋め込むことにより、コンタクトホール内にビア部(プラグ)V1を形成する。ビア部V1は、導電性のプラグとみなすこともできる。
ビア部V1を形成するには、例えば、コンタクトホールの内部(底部および側壁上)を含む層間絶縁膜IL1上に、スパッタリング法またはプラズマCVD法などによりバリア導体膜(例えばチタン膜、窒化チタン膜、あるいはそれらの積層膜)を形成する。それから、タングステン膜などからなる主導体膜を、CVD法などによってバリア導体膜上にコンタクトホールを埋めるように形成する。その後、コンタクトホールの外部(層間絶縁膜IL1上)の不要な主導体膜およびバリア導体膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法またはエッチバック法などによって除去する。これにより、層間絶縁膜IL1の上面が露出し、層間絶縁膜IL1のコンタクトホール内に埋め込まれて残存するバリア導体膜および主導体膜により、ビア部V1が形成される。図5では、図面の簡略化のために、ビア部V1は、主導体膜とバリア導体膜を一体化して示してある。
次に、図6に示されるように、ビア部V1が埋め込まれた層間絶縁膜IL1上に、最下層の配線層である第1配線層の配線M1を形成する。配線M1を形成するには、まず、ビア部V1が埋め込まれた層間絶縁膜IL1上に、第1配線層用の導電膜を形成する。この導電膜は、例えば、下から順に、バリア導体膜とアルミニウム膜とバリア導体膜との積層膜からなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。第1配線層用の導電膜に用いるバリア導体膜としては、例えば、チタン膜、窒化チタン膜、あるいはそれらの積層膜を例示できるが、これは、後で形成する第2〜第5配線層用の各導電膜におけるバリア導体膜についても適用できる。また、第1配線層用の導電膜に用いるアルミニウム膜は、純アルミニウム膜に限定されず、アルミニウムを主成分とする導電材料膜(但し金属伝導を示す導電材料膜)を用いることができるが、これは、後で形成する第2〜第5配線層用の各導電膜におけるアルミニウム膜についても適用できる。それから、この第1配線層用の導電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより、配線M1を形成することができる。配線M1は、好ましくはアルミニウム配線である。ビア部V1は、その上面が配線M1に接することで、配線M1と電気的に接続される。
次に、図7に示されるように、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち層間絶縁膜IL1上に、配線M1を覆うように、層間絶縁膜IL2を形成する。
次に、図8に示されるように、層間絶縁膜IL2上にフォトリソグラフィ技術を用いて形成したフォトレジストパターン(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、層間絶縁膜IL2をドライエッチングすることにより、層間絶縁膜IL2に、ビア部V2を埋め込むためのスルーホール(貫通孔、孔)を形成する。それから、このスルーホール内に導電膜を埋め込むことにより、スルーホール内にビア部V2を形成する。ビア部V2は、導電性のプラグとみなすこともできる。
ビア部V2は、ビア部V1と同様の手法により形成することができる。また、ビア部V2は、ビア部V1と、使用する導電膜の材料を同じにすることもできるが、異ならせることもできる。例えば、ビア部V1は、タングステン膜を主体とし、ビア部V2は、アルミニウム膜を主体とすることもできる。
次に、ビア部V2が埋め込まれた層間絶縁膜IL2上に、第2配線層の配線M2を形成する。配線M2を形成するには、まず、ビア部V2が埋め込まれた層間絶縁膜IL2上に、第2配線層用の導電膜を形成する。この導電膜は、例えば、下から順に、バリア導体膜とアルミニウム膜とバリア導体膜との積層膜からなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。それから、この第2配線層用の導電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより、配線M2を形成することができる。配線M2は、好ましくはアルミニウム配線である。ビア部V2は、その下面が配線M1に接することで配線M1と電気的に接続され、その上面が配線M2に接することで配線M2と電気的に接続される。すなわち、ビア部V2は、配線M1と配線M2とを電気的に接続している。
また、ここでは、ビア部V2と配線M2とを別工程で形成する場合について説明した。他の形態として、ビア部V2と配線M2とを同工程で形成することもでき、この場合、ビア部V2は配線M2と一体的に形成される。この場合、層間絶縁膜IL2にビア部V2用のスルーホールを形成した後、このスルーホールを埋めるように層間絶縁膜IL2上に第2配線層用の導電膜を形成してから、この導電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより、配線M2を形成する。これにより、配線M2が形成されるとともに、配線M2と一体的に形成されたビア部V2も、形成されることになる。
次に、図9に示されるように、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち層間絶縁膜IL2上に、配線M2を覆うように、層間絶縁膜IL3を形成する。
次に、図10に示されるように、層間絶縁膜IL3上にフォトリソグラフィ技術を用いて形成したフォトレジストパターン(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、層間絶縁膜IL3をドライエッチングすることにより、層間絶縁膜IL3に、ビア部V3を埋め込むためのスルーホール(貫通孔、孔)を形成する。それから、このスルーホール内に導電膜を埋め込むことにより、スルーホール内にビア部V3を形成する。ビア部V3は、ビア部V2と同様の導電材料により同様の手法で形成することができる。ビア部V3は、導電性のプラグとみなすこともできる。
次に、ビア部V3が埋め込まれた層間絶縁膜IL3上に、第3配線層の配線M3を形成する。配線M3を形成するには、まず、ビア部V3が埋め込まれた層間絶縁膜IL3上に、第3配線層用の導電膜を形成する。この導電膜は、例えば、下から順に、バリア導体膜とアルミニウム膜とバリア導体膜との積層膜からなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。それから、この第3配線層用の導電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより、配線M3を形成することができる。配線M3は、好ましくはアルミニウム配線である。ビア部V3は、その下面が配線M2に接することで配線M2と電気的に接続され、その上面が配線M3に接することで配線M3と電気的に接続される。すなわち、ビア部V3は、配線M2と配線M3とを電気的に接続している。
また、ここでは、ビア部V3と配線M3とを別工程で形成する場合について説明した。他の形態として、ビア部V3と配線M3とを同工程で形成することもでき、この場合、ビア部V3は配線M3と一体的に形成される。
次に、図11に示されるように、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち層間絶縁膜IL3上に、配線M3を覆うように、層間絶縁膜IL4を形成する。
次に、図12に示されるように、層間絶縁膜IL4上にフォトリソグラフィ技術を用いて形成したフォトレジストパターン(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、層間絶縁膜IL4をドライエッチングすることにより、層間絶縁膜IL4に、ビア部V4を埋め込むためのスルーホール(貫通孔、孔)を形成する。それから、このスルーホール内に導電膜を埋め込むことにより、スルーホール内にビア部V4を形成する。ビア部V4は、ビア部V3と同様の導電材料により同様の手法で形成することができる。ビア部V4は、導電性のプラグとみなすこともできる。
次に、ビア部V4が埋め込まれた層間絶縁膜IL4上に、第4配線層の配線M4を形成する。配線M4を形成するには、まず、ビア部V4が埋め込まれた層間絶縁膜IL4上に、第4配線層用の導電膜を形成する。この導電膜は、例えば、下から順に、バリア導体膜とアルミニウム膜とバリア導体膜との積層膜からなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。それから、この第4配線層用の導電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより、配線M4を形成することができる。配線M4は、好ましくはアルミニウム配線である。ビア部V4は、その下面が配線M3に接することで配線M3と電気的に接続され、その上面が配線M4に接することで配線M4と電気的に接続される。すなわち、ビア部V4は、配線M3と配線M4とを電気的に接続している。
また、ここでは、ビア部V4と配線M4とを別工程で形成する場合について説明した。他の形態として、ビア部V4と配線M4とを同工程で形成することもでき、この場合、ビア部V4は配線M4と一体的に形成される。
次に、図13に示されるように、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち層間絶縁膜IL4上に、配線M4を覆うように、層間絶縁膜IL5を形成する。
次に、図14に示されるように、層間絶縁膜IL5上にフォトリソグラフィ技術を用いて形成したフォトレジストパターン(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、層間絶縁膜IL5をドライエッチングすることにより、層間絶縁膜IL5に、ビア部V5を埋め込むためのスルーホール(貫通孔、孔)を形成する。それから、このスルーホール内に導電膜を埋め込むことにより、スルーホール内にビア部V5を形成する。ビア部V5は、ビア部V4と同様の導電材料により同様の手法で形成することができる。ビア部V5は、導電性のプラグとみなすこともできる。
次に、ビア部V5が埋め込まれた層間絶縁膜IL5上に、第5配線層の配線M5とパッドPDを形成する。配線M5およびパッドPDを形成するには、まず、ビア部V5が埋め込まれた層間絶縁膜IL5上に、第5配線層用の導電膜を形成する。この導電膜は、例えば、下から順に、バリア導体膜とアルミニウム膜とバリア導体膜との積層膜からなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。それから、この第5配線層用の導電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより、配線M5とパッドPDとを形成することができる。配線M5は、好ましくはアルミニウム配線であり、パッドPDは、好ましくはアルミニウムパッドである。ビア部V5は、その下面が配線M4に接することで配線M4と電気的に接続され、その上面が配線M5またはパッドPDに接することで配線M5またはパッドPDと電気的に接続される。すなわち、ビア部V5は、配線M4と配線M5とを電気的に接続するか、あるいは配線M4とパッドPDとを電気的に接続している。パッドPDの平面形状は、例えば、配線M5の配線幅よりも大きな辺を有する略矩形状の平面形状とすることができる。
また、ここでは、ビア部V5と配線M5とを別工程で形成する場合について説明した。他の形態として、ビア部V5と配線M5とを同工程で形成することもでき、この場合、ビア部V5は配線M5またはパッドPDと一体的に形成される。この場合、層間絶縁膜IL5にスルーホールを形成した後、スルーホールを埋めるように層間絶縁膜IL5上に第5配線層用の導電膜を形成してから、この導電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより、配線M5とパッドPDとを形成する。これにより、配線M5とパッドPDとが形成されるとともに、配線M5またはパッドPDと一体的に形成されたビア部V5も、形成されることになる。
また、ここでは、パッドPDと同層に配線M5も形成される場合について説明した。他の形態として、パッドPDと同層には配線が形成されない場合もあり得る。
次に、図15に示されるように、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち層間絶縁膜IL5上に、配線M5とパッドPDとを覆うように、絶縁膜(保護膜、保護絶縁膜)PAを形成する。
絶縁膜PAとしては、単層の絶縁膜、または複数の絶縁膜を積層した積層絶縁膜を用いることができる。例えば、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜あるいはそれらの積層膜(例えば酸化シリコン膜と該酸化シリコン膜上の窒化シリコン膜との積層膜)を、絶縁膜PAとして用いることができる。また、絶縁膜PAとして、ポリイミド樹脂などのような樹脂膜(有機系絶縁膜)を用いることもできる。
次に、絶縁膜PAに開口部OPを形成する。開口部OPは、パッドPD上の絶縁膜PAを選択的に除去することにより形成され、開口部OPは平面視でパッドPDに内包されるように形成される。絶縁膜PAの開口部OPからは、パッドPDの表面が露出される。開口部OPを形成しても、配線M5は、絶縁膜PAで覆われている状態が維持されているため、露出されない。
開口部OPは、例えば次のようにして形成することができる。すなわち、絶縁膜PAを成膜した後、絶縁膜PA上にフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストパターン(図示せず)を形成してから、そのフォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、絶縁膜PAをエッチング(ドライエッチング)することにより、絶縁膜PAに開口部OPを形成することができる。また、絶縁膜PAが感光性樹脂からなる場合は、その感光性樹脂からなる絶縁膜PAを露光、現像することにより、絶縁膜PAに開口部OPを形成することができる。また、開口部OPから露出するパッドPD上に、更にめっき層を形成することもできる。
その後、ダイシング工程を行うことにより、半導体基板SBを切断(ダイシング)して複数の半導体チップに分割(個片化)する。このようにして、半導体装置を製造することができる。
<層間絶縁膜形成工程について>
次に、本実施の形態の層間絶縁膜の形成工程について図16〜図27を参照して説明する。図16は、本実施の形態の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。図17〜図27は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。図17〜図27では、層間絶縁膜IL7よりも下の構造については、図示を省略している。
配線M7は、上記配線M1,M2,M3,M4のいずれかに対応している。すなわち、配線M7が上記配線M1である場合は、層間絶縁膜IL7は、上記層間絶縁膜IL1に対応し、層間絶縁膜IL8は、上記層間絶縁膜IL2に対応し、ビア部V8は、上記ビア部V2に対応し、配線M8は、上記配線M2に対応する。また、配線M7が上記配線M2である場合は、層間絶縁膜IL7は、上記層間絶縁膜IL2に対応し、層間絶縁膜IL8は、上記層間絶縁膜IL3に対応し、ビア部V8は、上記ビア部V3に対応し、配線M8は、上記配線M3に対応する。また、配線M7が上記配線M3である場合は、層間絶縁膜IL7は、上記層間絶縁膜IL3に対応し、層間絶縁膜IL8は、上記層間絶縁膜IL4に対応し、ビア部V8は、上記ビア部V4に対応し、配線M8は、上記配線M4に対応する。また、配線M7が上記配線M4である場合は、層間絶縁膜IL7は、上記層間絶縁膜IL4に対応し、層間絶縁膜IL8は、上記層間絶縁膜IL5に対応し、ビア部V8は、上記ビア部V5に対応し、配線M8は、上記配線M5または上記パッドPDに対応する。
図17には、層間絶縁膜IL7上に配線M7を形成する直前の段階が示されている。層間絶縁膜IL7には、ビア部(上記ビア部V1,V2,V3,V4の何れかに対応)が埋め込まれているが、ここでは層間絶縁膜IL7に埋め込まれたビア部については、図示を省略している。
層間絶縁膜IL7上に配線M7を形成する(図16のステップS1)。配線M7は、具体的には次(図18および図19)のようにして形成することができる。
すなわち、図18に示されるように、層間絶縁膜IL7上に、配線M7形成用の導電膜(金属膜)CD1を形成する。導電膜CD1は、例えば、下から順に、バリア導体膜とアルミニウム膜とバリア導体膜との積層膜からなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。それから、導電膜CD1上に、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストパターンPR1を形成する。それから、フォトレジストパターンPR1をエッチングマスクとして用いて導電膜CD1をエッチング(ドライエッチング)する。これにより、導電膜CD1がパターニングされ、図19に示されるように、パターニングされた導電膜CD1からなる配線M7が形成される。その後、フォトレジストパターンPR1を除去し、図19にはこの段階が示されている。このようにして、ステップS1で配線M7を形成することができる。層間絶縁膜IL7上には、複数の配線M7が形成される。
なお、ここでは、層間絶縁膜IL7に埋め込まれたビア部(図示せず)を、配線M7と別工程で形成している場合について説明したが、層間絶縁膜IL7に埋め込まれたビア部(図示せず)を、配線M7と同工程で形成することもでき、その場合は、層間絶縁膜IL7に埋め込まれたビア部(図示せず)は配線M7と一体的に形成される。
ステップS1で配線M7を形成した後、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように、層間絶縁膜IL8を形成する。この層間絶縁膜IL8形成工程は、図16のステップS2(絶縁膜IL8a形成工程)とステップS3(酸素プラズマ処理)とステップS4(絶縁膜IL8b形成工程)とを有している。この層間絶縁膜IL8形成工程について、以下に具体的に説明する。
すなわち、ステップS1で配線M7を形成した後、図20に示されるように、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように、スピンコート法を用いて絶縁膜IL8aを形成する(図16のステップS2)。
絶縁膜IL8aは、スピンコート法を用いて形成された絶縁膜であり、好ましくは、スピンコート法を用いて形成された酸化シリコン膜である。絶縁膜IL8aとして、SOG(Spin On Glass:スピンオングラス)膜を好適に用いることができる。
スピンコート法(スピンコート工程)では、薄膜(ここでは絶縁膜IL8a)形成用の材料である薬液を半導体ウエハ(半導体基板SB)上に供給(滴下)し、半導体ウエハを高速回転させることで半導体ウエハ上に塗布する。その後、ベーク処理(加熱処理)を行うことで、塗布液(塗布膜)中の溶剤を揮発させ、塗布液(塗布膜)を固化または硬化させて薄膜(ここでは絶縁膜IL8a)を形成する。ベーク処理としては、例えば、窒素中または空気中で300〜500℃程度の温度で加熱する処理を行うことができる。
次に、図21に示されるように、絶縁膜IL8aの表面に対して、酸素プラズマ処理を施す(図16のステップS3)。
ステップS3で行う処理(ここでは酸素プラズマ処理)は、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理である。具体的には、ステップS3で行う処理(ここでは酸素プラズマ処理)は、後で行われるステップS4で使用される薬液(絶縁膜IL8b形成用の薬液)の絶縁膜IL8aに対する濡れ性(濡れやすさ)を向上させるために行われる処理である。このため、ステップS3を行わなかった場合よりも、ステップS3を行った場合の方が、後述のステップS4において、絶縁膜IL8aに対する薬液(絶縁膜IL8b形成用の薬液)の濡れ性が高くなる。つまり、ステップS3を行わなかった場合よりも、ステップS3を行った場合の方が、後述のステップS4において、絶縁膜IL8aに対して薬液(絶縁膜IL8b形成用の薬液)が濡れやすくなる。
ステップS3で、酸素プラズマ処理を行うと、絶縁膜IL8aの表面が酸素プラズマにさらされる。酸素プラズマに絶縁膜IL8aの表面がさらされると、絶縁膜IL8aの表面が改質され、絶縁膜IL8aの表面の有機物または炭素が酸素プラズマで除去されるなどして、絶縁膜IL8aの表面の親水性が向上し、ステップS4で使用される薬液(絶縁膜IL8b形成用の薬液)の絶縁膜IL8aに対する濡れ性が向上する。このため、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理として、酸素プラズマ処理は好適である。薬液の絶縁膜IL8aに対する濡れ性が高いか低いかは、絶縁膜IL8a上に薬液を滴下して液滴を形成した際の、その液滴の接触角で判断することができる。接触角が小さくなれば、濡れ性が向上した(濡れやすくなった)と判定することができる。濡れ性が向上することは、親水性が向上することとみなすことができるため、ステップS3の処理は、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理とみなすことができる。
また、ステップS3において、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理として、酸素プラズマ処理の代わりに、オゾン(O)雰囲気中で半導体基板SBを加熱する処理を行うこともできる。
次に、図22に示されるように、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち、絶縁膜IL8a上に、スピンコート法を用いて絶縁膜IL8bを形成する(図16のステップS4)。
絶縁膜IL8bは、スピンコート法を用いて形成された絶縁膜であり、好ましくは、スピンコート法を用いて形成された酸化シリコン膜である。絶縁膜IL8bとして、SOG膜を好適に用いることができる。
絶縁膜IL8bは、絶縁膜IL8a上に、絶縁膜IL8aに接するように、形成される。但し、ステップS2の後でかつステップS4の前に上記ステップS3の処理を行っているため、絶縁膜IL8aの表面(表層部)が上記ステップS3の処理によって改質されて改質層が形成され、その改質層が、絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8bとの界面に存在する場合もあり得る。
ステップS2と同様に、ステップS4においても、絶縁膜IL8bはスピンコート法(スピンコート工程)で形成するため、薄膜(ここでは絶縁膜IL8b)形成用の材料である薬液を半導体ウエハ(半導体基板SB)上に供給(滴下)し、半導体ウエハを高速回転させることで半導体ウエハ上に塗布する。その後、ベーク処理(加熱処理)を行うことで、塗布液(塗布膜)中の溶剤を揮発させ、塗布液(塗布膜)を固化または硬化させて薄膜(ここでは絶縁膜IL8b)を形成する。ベーク処理としては、例えば、窒素中または空気中で300〜500℃程度の温度で加熱する処理を行うことができる。
絶縁膜IL8bと絶縁膜IL8aとは、好ましくは互いに同じ材料からなり、より好ましくはどちらも酸化シリコンからなる。このため、ステップS4で使用する薬液(絶縁膜IL8b形成用の薬液)と、ステップS2で使用する薬液(絶縁膜IL8a形成用の薬液)とは、同じ(同種の)薬液である。
スピンコート法で絶縁膜を成膜しようとする場合、その絶縁膜を形成する下地の膜の親水性が重要である。下地の膜がCVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法で形成した膜(以下、CVD膜と称する)であれば、CVD膜の表面は親水性が比較的高いため、CVD膜上にスピンコート法で絶縁膜を容易かつ的確に形成することができる。しかしながら、下地の膜がスピンコート法で形成した膜(以下、スピンコート膜と称する)であれば、スピンコート膜の表面は親水性が低くなりやすいため、そのスピンコート膜上に別の絶縁膜をスピンコート法で的確に形成するのは容易ではない。
それに対して、本実施の形態では、ステップS2でスピンコート法を用いて絶縁膜IL8aを形成した後で、かつ、ステップS4で絶縁膜IL8a上にスピンコート法を用いて絶縁膜IL8bを形成する前に、ステップS3で絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理を行っている。これにより、ステップS4で絶縁膜IL8bを形成するために使用される薬液の絶縁膜IL8aに対する濡れ性を向上させることができるため、スピンコート膜である絶縁膜IL8a上に絶縁膜IL8bをスピンコート法で容易かつ的確に形成することができるようになる。
このようにステップS2,S3,S4を行うことにより、絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8a上の絶縁膜IL8bとの積層膜(積層絶縁膜)からなる層間絶縁膜IL8が形成される。このため、ステップS2,S3,S4は、層間絶縁膜IL8を形成する工程とみなすこともできる。なお、積層絶縁膜とは、複数の絶縁膜からなる積層膜に対応している。層間絶縁膜IL8は、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように、形成されている。
本実施の形態とは異なり、配線M7がダマシン法で形成された埋込配線の場合は、配線M7は層間絶縁膜IL7に埋め込まれた状態になるため、層間絶縁膜IL7上に形成する層間絶縁膜は、平坦に形成されやすい。しかしながら、本実施の形態では、配線M7は、導電膜をパターニングすることにより形成された配線であり、好ましくはアルミニウム配線である。この場合、配線M7は、層間絶縁膜IL7に埋め込まれておらず、層間絶縁膜IL7の上面から突出しているため、層間絶縁膜IL7上に配線M7を覆うように層間絶縁膜IL8を形成すると、層間絶縁膜IL8の表面に、配線M7に起因した段差または凹凸が発生する懸念がある。しかしながら、本実施の形態の手法で形成した層間絶縁膜IL8の表面(上面)は、後述するように、平坦性が高く、配線M7に起因した段差または凹凸は、層間絶縁膜IL8の表面にはほとんど生じていない。このため、ステップS2,S3,S4によって層間絶縁膜IL8を形成した後、層間絶縁膜IL8に対して、層間絶縁膜IL8の平坦性を高めるためのCMP処理(研磨処理)は行わない。
ステップS2,S3,S4によって層間絶縁膜IL8を形成した後、層間絶縁膜IL8に、スルーホール(貫通孔、孔)SHを形成する(図16のステップS5)。
具体的には、まず、図23に示されるように、層間絶縁膜IL8上にフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストパターンPR2を形成してから、フォトレジストパターンPR2をエッチングマスクとして用いて、層間絶縁膜IL8をドライエッチングすることにより、図24に示されるように、層間絶縁膜IL8にスルーホールSHを形成する。その後、フォトレジストパターンPR2を除去し、図24にはこの段階が示されている。スルーホールSHは、層間絶縁膜IL8を貫通し、スルーホールSHの底部では、配線M7の上面が露出される。
次に、図25に示されるように、スルーホールSH内に導電膜を埋め込むことにより、スルーホールSH内にビア部V8を形成する(図16のステップS6)。ビア部V8は、導電性のプラグとみなすこともできる。上記ビア部V1,V2,V3,V4,V5の各形成工程は、既に上述している。このため、ステップS6のビア部V8形成工程については、ここではその説明は省略する。ビア部V8は、その下面が配線M7に接することで配線M7と電気的に接続される。
その後、ビア部V8が埋め込まれた層間絶縁膜IL8上に、配線M8を形成する(図16のステップS7)。
配線M8の形成法は、配線M7の形成法と基本的には同じである。すなわち、図26に示されるように、層間絶縁膜IL8上に、配線M8形成用の導電膜(金属膜)CD2を形成する。導電膜CD2は、例えば、下から順に、バリア導体膜とアルミニウム膜とバリア導体膜との積層膜からなり、スパッタリング法などを用いて形成することができる。それから、導電膜CD2上に、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストパターン(図示せず)を形成してから、そのフォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて導電膜CD2をエッチング(ドライエッチング)してパターニングすることにより、図27に示されるように、配線M8を形成することができる。このようにして、ステップS7で配線M8を形成することができる。層間絶縁膜IL8上には、複数の配線M8が形成される。
なお、ここでは、ビア部V8と配線M8とを別工程で形成する場合について図示しており、ビア部V8と配線M8とは別々に形成されているが、他の形態として、ビア部V8と配線M8とを同工程で形成することもでき、その場合は、ビア部V8は配線M8と一体的に形成される。
(検討例について)
次に、本発明者が検討した検討例について説明する。図28〜図31は、本発明者が検討した第1検討例の半導体装置の製造工程中の要部断面図であり、図32〜図34は、本発明者が検討した第2検討例の半導体装置の製造工程中の要部断面図であり、図35および図36は、本発明者が検討した第3検討例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
図28および図32には、上記図19と同様に、層間絶縁膜IL7上に配線M7が形成された段階が示されている。また、図35には、層間絶縁膜IL7上に配線M7およびダミー配線DMが形成された段階が示されている。上記図17〜図27と同様に、図28〜図35においても、層間絶縁膜IL7よりも下の構造については、図示を省略している。
本実施の形態と第1検討例と第2検討例とは、層間絶縁膜を形成する手法が相違している。まず、第1検討例の製造工程について図28〜図31を参照して具体的に説明する。
すなわち、図28に示されるように、層間絶縁膜IL7上に配線M7を形成した後、第1検討例の場合は、図29に示されるように、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように、CVD法を用いて層間絶縁膜IL108を形成する。層間絶縁膜IL108は、CVD法を用いて形成された絶縁膜であり、好ましくは、CVD法を用いて形成された酸化シリコン膜である。
次に、図30に示されるように、層間絶縁膜IL108の上面をCMP法を用いて研磨して平坦化する。これにより、ほぼ平坦な上面を有する層間絶縁膜IL108が形成される。層間絶縁膜IL108は、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように、形成される。
その後、図31に示されるように、層間絶縁膜IL108にスルーホールSHをフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて形成してから、スルーホールSH内に導電膜を埋め込むことにより、スルーホールSH内にビア部V8を形成し、その後、層間絶縁膜IL108上に配線M8を形成する。
次に、第2検討例の製造工程について図32〜図34を参照して具体的に説明する。
すなわち、図32に示されるように、層間絶縁膜IL7上に配線M7を形成した後、第2検討例の場合は、図33に示されるように、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように、層間絶縁膜IL208をスピンコート法を用いて形成する。層間絶縁膜IL208は、スピンコート法を用いて形成された絶縁膜であり、好ましくは、スピンコート法を用いて形成された酸化シリコン膜である。
その後、図34に示されるように、層間絶縁膜IL208にスルーホールSHをフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて形成してから、スルーホールSH内に導電膜を埋め込むことにより、スルーホールSH内にビア部V8を形成し、その後、層間絶縁膜IL208上に配線M8を形成する。
第2検討例の場合は、上記ステップS2に相当する工程でスピンコート法を用いて層間絶縁膜IL208を形成するが、層間絶縁膜IL208の形成膜厚は、本実施の形態における絶縁膜IL8aの形成膜厚よりも厚く、本実施の形態における絶縁膜IL8aの形成膜厚と絶縁膜IL8bの形成膜厚との合計に、ほぼ一致している。そして、第2検討例の場合は、本実施の形態とは異なり、上記ステップS3に相当する工程と上記ステップS4に相当する工程とは、行っていない。つまり、第2検討例の場合は、一度のスピンコート工程によって層間絶縁膜IL208を形成している。
すなわち、本実施の形態の場合は、層間絶縁膜IL8は、スピンコート法を用いて形成した複数層の絶縁膜(ここでは絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8b)を含んでいるが、第2検討例の場合は、層間絶縁膜IL208は、スピンコート法を用いて形成した一層の絶縁膜からなる。
まず、第1検討例の場合について説明する。
第1検討例の場合は、層間絶縁膜IL108は、CVD法を用いて形成された絶縁膜である。CVD法で形成する絶縁膜は、下地形状に対してコンフォーマルに形成される性質を有している。このため、上記図29に示されるように、CVD法を用いて形成した層間絶縁膜IL108は、配線M7に対してコンフォーマルに形成され、層間絶縁膜IL108の表面には、配線M7を反映した段差(または凹凸)が形成されている。
このため、第1検討例の場合は、CVD法を用いて層間絶縁膜IL108を形成した後に、層間絶縁膜IL108の上面をCMP法を用いて研磨する研磨工程を行う必要がある。このCMP工程により、図30に示されるように層間絶縁膜IL108の上面が平坦化される。
もしも、層間絶縁膜IL108をCMP処理する工程を行わずに、図29のように層間絶縁膜IL108の上面に配線M7を反映した段差(または凹凸)が形成されている状態で、その後の製造工程を行った場合には、次のような不具合が生じる虞がある。
すなわち、層間絶縁膜IL108の上面に段差(または凹凸)があると、その層間絶縁膜IL108上にフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストパターンを形成する際に、そのフォトレジストパターンを的確に形成することが難しくなってしまう。例えば、層間絶縁膜IL108にスルーホールSHを形成する際には、層間絶縁膜IL108上にフォトリソグラフィ技術を用いて上記フォトレジストパターンPR2に相当するフォトレジストパターンを形成し、そのフォトレジストパターンをエッチングマスクとして層間絶縁膜IL108をエッチングすることによりスルーホールSHを形成する。層間絶縁膜IL108の上面に段差があると、上記フォトレジストパターンPR2に相当するこのフォトレジストパターンを的確に形成することが難しくなってしまう。これは、層間絶縁膜IL108の上面に段差があると、フォトリソグラフィ技術における露光の際に、露光の焦点を合わせにくくなり、形成されるフォトレジストパターンの位置や形状が、設計からずれてしまう虞があるからである。これは、半導体装置の信頼性の低下につながる虞がある。このため、層間絶縁膜IL108の上面の平坦性を高める必要がある。
また、層間絶縁膜IL108の上面に段差があると、その段差に隣接する位置に、不要なエッチング残りが生じてしまい、そのエッチング残りに起因した不具合が生じてしまう虞がある。例えば、層間絶縁膜IL108上に上記導電膜CD2に相当する導電膜を形成してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてその導電膜をパターニングすることにより、配線M8を形成するが、そのパターニング時のドライエッチング工程において、層間絶縁膜IL108の上面の段差に隣接する位置に、その導電膜のエッチング残りが残存してしまう虞がある。導電膜のエッチング残りは、ショートまたはリークの原因になり得るため、半導体装置の信頼性の低下につながる。このため、層間絶縁膜IL108上に導電膜のエッチング残りが生じるのは、できるだけ防ぐ必要がある。従って、層間絶縁膜IL108の上面の平坦性を高める必要がある。
このため、層間絶縁膜IL108の上面を平坦化する必要があるので、CVD法を用いて層間絶縁膜IL108を形成した後に、層間絶縁膜IL108の上面をCMP処理して平坦化している。
しかしながら、層間絶縁膜IL108の形成後に、CMP工程を導入することは、半導体装置の製造工程を複雑にし、製造コストを増大させる虞がある。すなわち、半導体装置の製造コストを低減するためには、研磨工程を削減することが望ましい。特に、配線を形成するのにダマシン法を用いない場合は、すなわち、導電膜をフォトグラフィ技術およびエッチング技術を用いてパターニングする手法で配線を形成する場合は、配線形成工程にCMP処理は不要であるため、層間絶縁膜IL108のCMP処理を追加することは、半導体装置の製造コストの増大を招きやすくなる。
そこで、本発明者は、層間絶縁膜の形成後に、その層間絶縁膜の上面をCMP処理する必要が無いように、層間絶縁膜をスピンコート法により形成することを検討している。
CVD法で形成した絶縁膜は、下地形状に対してコンフォーマルに形成される性質を有しているため、下地の配線を反映した段差(または凹凸)が表面に形成されやすいが、それに比べると、スピンコート法で形成した絶縁膜は、塗布時の薬液が流動性を有していることから、下地形状に対してコンフォーマルには形成されず、下地の配線を反映した段差(または凹凸)が表面に形成されにくい。
このため、層間絶縁膜として、スピンコート法を用いて形成した絶縁膜を適用することで、成膜後にCMP処理を行わずとも、平坦な表面を有する層間絶縁膜を形成することができると考えられる。
このため、図32〜図34を参照して説明した第2検討例では、絶縁膜IL208をスピンコート法を用いて形成している。これにより、第2検討例における絶縁膜IL208の表面、すなわち層間絶縁膜IL208の表面は、第1検討例におけるCMP処理前の層間絶縁膜IL108の表面よりも、平坦になっている。
しかしながら、CVD法で形成した絶縁膜に比べれば、スピンコート法を用いて形成した絶縁膜は、表面が平坦になるが、それでも、下地の配線による凹凸の影響を完全に排除して全く平坦な表面を有する絶縁膜を成膜することは、スピンコート法を用いた場合であっても困難である。つまり、第2検討例の場合でも、層間絶縁膜IL208の表面には、配線M7を反映した段差DSが形成されてしまう。
この層間絶縁膜IL208の表面における段差DSは、配線M7が密に配置されている領域内では発生しにくく、配線M7が密に配置されている領域と、配線M7が殆ど形成されていない領域との境界付近に発生しやすい。
すなわち、スピンコート法では、薄膜(ここでは層間絶縁膜IL208)形成用の材料である薬液を半導体ウエハ(半導体基板SB)上に供給(滴下)し、半導体ウエハを高速回転させることで半導体ウエハ上に塗布し、その後、ベーク処理(加熱処理)を行うことで、薄膜(ここでは層間絶縁膜IL208)を形成する。ここで、半導体ウエハを回転させた際に、薬液は遠心力により半導体ウエハの外周側に移動しようとするが、配線M7は、薬液の移動を遮るように作用する。このため、半導体ウエハの中心から半導体ウエハの外周に向かう方向において、配線M7が密に配置されている領域の先では、薬液が行き渡りにくくなって薬液(塗布膜)の厚みが相対的に薄くなってしまう。つまり、半導体ウエハの主面上における薬液で形成された塗布膜の厚みに、ムラが生じてしまう。このため、配線M7が密に配置されている領域と、配線M7が殆ど形成されていない領域との境界付近において、層間絶縁膜IL208の表面に段差DSが発生してしまう。
スピンコート法で絶縁膜を成膜する際に半導体ウエハ上に供給する薬液の粘度は、成膜する絶縁膜の厚みを考慮して設定される。薬液の粘度を高くすれば、半導体ウエハを回転させたときに半導体ウエハ上に残る薬液により形成される塗布膜の厚みが厚くなり、一方、薬液の粘度を低くすれば、半導体ウエハを回転させたときに半導体ウエハ上に残る薬液により形成される塗布膜の厚みが薄くなる。このため、薬液の粘度を高くすれば、半導体ウエハ上に厚い絶縁膜を形成することができ、一方、薬液の粘度を低くすれば、半導体ウエハ上に形成される絶縁膜の厚みは薄くなる。
また、薬液の粘度が高いと、配線M7が密に配置されている領域と、配線M7が殆ど形成されていない領域との境界付近において、層間絶縁膜IL208の表面に段差DSが発生しやすいが、薬液の粘度が低ければ、薬液は半導体ウエハ上を広がりやすくなるため、層間絶縁膜IL208の表面に段差DSは発生しにくくなる。
このため、層間絶縁膜IL208を形成するために使用する薬液の粘度が高ければ、形成される層間絶縁膜IL208の厚みを厚くすることができる代わりに、層間絶縁膜IL208の表面に段差DSが発生しやすくなるが、薬液の粘度を低くすれば、形成される層間絶縁膜IL208の厚みが薄くなる代わりに、層間絶縁膜IL208の表面には段差DSは発生しにくくなる。
しかしながら、層間絶縁膜IL208の厚みを薄くすることは、その層間絶縁膜IL208を間に挟んで上下に対向する上層配線(ここでは配線M8)と下層配線(ここでは配線M7)との間の寄生容量を増加させてしまうため、層間絶縁膜IL208の厚みは、ある程度確保する必要がある。このため、第2検討例の場合は、層間絶縁膜IL208の厚みを薄くすることは難しく、それゆえ、スピンコート法で層間絶縁膜IL208を形成する際に使用する薬液の粘度を低くすることは難しい。つまり、第2検討例の場合は、層間絶縁膜IL208の厚みを確保するために、スピンコート法で層間絶縁膜IL208を形成する際に使用する薬液の粘度を高くする必要があり、従って、層間絶縁膜IL208の表面に段差DSが発生してしまうことになる。
上記第1検討例に関連して説明したように、層間絶縁膜IL208の表面に段差があると、その層間絶縁膜IL208上にフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストパターンを形成する際に、そのフォトレジストパターンを的確に形成することが難しくなってしまう。また、層間絶縁膜IL208の表面に段差があると、その段差に隣接する位置に、不要なエッチング残り(導電膜のエッチング残り)が生じてしまい、そのエッチング残りに起因した不具合が生じてしまう虞がある。これらは、半導体装置の信頼性の低下につながる。
そこで、第3検討例として、配線M7と同層にダミー配線を形成し、それによって層間絶縁膜の表面の平坦性を高めることを検討した。この第3検討例の製造工程について図35および図36を参照して具体的に説明する。
すなわち、第3検討例では、図35に示されるように、層間絶縁膜IL7上に配線M7およびダミー配線DMを形成する。具体的には、層間絶縁膜IL7上に上記導電膜CD1に相当する導電膜を形成してから、その導電膜をパターニングすることにより、配線M7およびダミー配線DMを形成する。配線M7とダミー配線DMとは、共通の導電膜を用いて同工程で形成される。以降の工程は、第3検討例も、第2検討例と同様である。すなわち、図36に示されるように、層間絶縁膜IL7上に、配線M7およびダミー配線DMを覆うように、層間絶縁膜IL308をスピンコート法を用いて形成する。層間絶縁膜IL308は、スピンコート法を用いて形成された絶縁膜であり、好ましくは、スピンコート法を用いて形成された酸化シリコン膜である。その後、上記スルーホールSH、上記ビア部V8および上記配線M8を形成するが、ここではその図示および説明は省略する。
第3検討例の場合は、層間絶縁膜IL7上において、配線M7が配置されていない空スペースに、ダミー配線DMを配置している。このため、配線M7とダミー配線DMのいずれも形成されていない領域は発生しにくく、従って、スピンコート法で形成した層間絶縁膜IL308の表面に上記段差DSのような段差は発生しにくくなる。
しかしながら、第3検討例の場合は、配線M7と同層にダミー配線DMを形成する必要がある。すなわち、配線M7を形成しない空きスペースがあれば、そこにダミー配線DMを配置する必要がある。これは、配線M7とダミー配線DMとを含む配線層の再設計が必要になり、半導体装置全体の設計の変更につながるため、適用するための負荷が大きい。また、配線M7とダミー配線DMとを含む配線層の再設計を行うにしても、配線のレイアウトがしにくくなり、設計自体が容易ではない。このため、再設計の手間や半導体装置の製造コストを考慮すると、ダミー配線DMを設ける第3検討例を採用することは得策ではない。
(主要な特徴と効果について)
そこで、本実施の形態では、スピンコート法で形成した絶縁膜を複数積層して、層間絶縁膜を形成している。
すなわち、本実施の形態では、ステップS2で層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8aをスピンコート法により形成し、ステップS3で絶縁膜IL8aの親水性を向上させる処理(第1処理)を行い、その後、ステップS4で絶縁膜IL8a上に層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8bをスピンコート法により形成している。層間絶縁膜IL8は、絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8bとを含む積層絶縁膜からなる。
本実施の形態の主要な特徴のうちの一つは、ステップS2で層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8aをスピンコート法により形成し、ステップS4で絶縁膜IL8a上に層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8bをスピンコート法により形成していることである。すなわち、本実施の形態では、スピンコート法でそれぞれ形成した複数の絶縁膜IL8a,IL8bを積層することにより、層間絶縁膜IL8を形成している。これにより、層間絶縁膜IL8の表面の平坦性を向上させることができる。これについて、以下に具体的に説明する。
上述したように、スピンコート法で絶縁膜を形成する場合、形成する絶縁膜の厚みを厚くするためには、半導体ウエハ上に供給する薬液(絶縁膜形成用の薬液)の粘度を高くする必要があるが、それは、形成される絶縁膜の表面に上記段差DSのような段差が発生しやすくなることにつながる。一方、スピンコート法で絶縁膜を形成する場合、形成する絶縁膜の厚みが薄ければ、半導体ウエハ上に供給する薬液(絶縁膜形成用の薬液)の粘度を低くすることができるため、形成される絶縁膜の表面に上記段差DSのような段差は発生しにくくなる。
本実施の形態では、スピンコート法でそれぞれ形成した複数の絶縁膜IL8a,IL8bを積層することにより層間絶縁膜IL8を形成しているため、スピンコート法で形成する各絶縁膜IL8a,IL8bの厚みを薄く(小さく)することができる。このため、各絶縁膜IL8a,IL8bをスピンコート法で形成する際に使用する薬液の粘度を低くすることができ、各絶縁膜IL8a,IL8bを形成した際に、絶縁膜の表面に段差が発生するのを抑制または防止することができる。
つまり、本実施の形態における層間絶縁膜IL8の厚みと、上記第2検討例における層間絶縁膜IL208の厚みとが同じであると仮定した場合には、本実施の形態における絶縁膜IL8a,IL8bのそれぞれの厚みは、層間絶縁膜IL208の厚みよりも小さくなる。上記第2検討例の場合は、厚い層間絶縁膜IL208を一度のスピンコート工程で形成するため、使用する薬液の粘度を高くする必要があり、層間絶縁膜IL208の表面に上記段差DSが発生しやすい。それに比べて、本実施の形態の場合は、厚い層間絶縁膜IL8を複数回のスピンコート工程に分けて形成するため、使用する薬液の粘度を低くすることができ、層間絶縁膜IL8の表面に上記段差DSのような段差が発生するのを抑制または防止することができる。このため、層間絶縁膜IL8の表面の平坦性を向上させることができるようになる。
一度のスピンコート工程で厚い層間絶縁膜を形成する上記第2検討例よりも、複数回のスピンコート工程でそれぞれ形成した複数の絶縁膜を積層して厚い層間絶縁膜を形成する本実施の形態の方が、一度のスピンコート工程で形成する絶縁膜の厚みが薄くなるため、スピンコート工程で使用する薬液の粘度を低くすることができる分、層間絶縁膜の表面に段差が発生しにくくなるのである。これは、形成される層間絶縁膜の表面の平坦性が向上することにつながる。
本実施の形態の主要な特徴のうちの他の一つは、ステップS2で層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8aをスピンコート法により形成した後、ステップS4で絶縁膜IL8a上に層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8bをスピンコート法により形成する前に、ステップS3で絶縁膜IL8aの親水性を向上させる処理を行っていることである。これにより、層間絶縁膜IL8の表面の平坦性を向上させることができる。これについて、以下に具体的に説明する。
ステップS2で絶縁膜IL8aをスピンコート法により形成した後、本実施の形態とは異なり、ステップS3を行わずに、ステップS4で絶縁膜IL8a上に絶縁膜IL8bをスピンコート法により形成した場合を仮定し、これを第4検討例と称することとする。この第4検討例の場合、スピンコート工程のベーク処理により固化(硬化)した後の絶縁膜IL8aの表面は親水性(濡れ性)が低いため、絶縁膜IL8bを成膜するためのスピンコート工程において、絶縁膜IL8bを形成するために使用される薬液の絶縁膜IL8aに対する濡れ性が低くなり、絶縁膜IL8bを的確に形成できなくなる虞がある。
すなわち、絶縁膜IL8bを形成するスピンコート工程においては、絶縁膜IL8b形成用の薬液を半導体ウエハ(半導体基板SB)上に供給(滴下)し、半導体ウエハを高速回転させることで半導体ウエハ上に塗布するが、薬液の塗布面となる下地の絶縁膜IL8aに対する薬液の濡れ性が低いと、半導体ウエハ全体に薬液が濡れ拡がりにくくなり、塗布膜の厚みが不均一になる虞がある。これは、形成される絶縁膜IL8bの膜厚が不均一になることにつながり、形成される層間絶縁膜IL8の表面の平坦性を低下させるように作用するため、望ましくない。つまり、スピンコート工程を行う際には、形成する膜(絶縁膜IL8b)の下地(ここでは絶縁膜IL8a)の親水性が低いことは望ましくない。このため、絶縁膜IL8aの親水性が低い状態で、絶縁膜IL8bを形成するスピンコート工程を行うことは避ける必要がある。
しかしながら、スピンコート工程で成膜してベーク処理まで行った絶縁膜の表面は親水性(濡れ性)が低くなっている。このため、ステップS2で形成した絶縁膜IL8aは親水性が低い状態になっているため、第4検討例のようにステップS3を行わなかった場合は、ステップS4で絶縁膜IL8a上に絶縁膜IL8bをスピンコート法で形成しにくくなり、絶縁膜IL8bを的確に形成できなくなる虞がある。例えば、スピンコート工程において、絶縁膜IL8b形成用の薬液が半導体ウエハ(半導体基板SB)全体に濡れ拡がりにくくなり、塗布ムラが発生してしまい、形成された絶縁膜IL8bの厚みが不均一になる懸念がある。これは、形成される層間絶縁膜IL8の表面の平坦性が低下することにつながる。
それに対して、本実施の形態では、ステップS2で層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8aをスピンコート法により形成した後、ステップS3で絶縁膜IL8aの親水性を向上させる処理を行ってから、ステップS4で絶縁膜IL8a上に層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8bをスピンコート法により形成している。ステップS3で絶縁膜IL8aの親水性を向上させる処理を行ったことで、ステップS4で絶縁膜IL8bを成膜するためのスピンコート工程において、絶縁膜IL8bを形成するために使用される薬液の絶縁膜IL8aに対する濡れ性を向上させることができる。これにより、絶縁膜IL8b形成用の薬液が半導体ウエハ(半導体基板SB)全体に濡れ拡がりやすくなるため、絶縁膜IL8bを的確に形成することができるようになる。例えば、絶縁膜IL8b形成用の薬液が半導体ウエハ(半導体基板SB)全体に濡れ拡がりやすくなることで、塗布ムラを防ぎ、塗布膜の厚みの均一性を向上させることができ、それによって、形成される絶縁膜IL8bの膜厚の均一性を向上させることができる。これも、形成される層間絶縁膜IL8の表面の平坦性の向上に寄与する。
このように、本実施の形態では、ステップS2で層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8aをスピンコート法により形成し、ステップS3で絶縁膜IL8aの親水性を向上させる処理を行い、その後のステップS4で絶縁膜IL8a上に層間絶縁膜IL8用の絶縁膜IL8bをスピンコート法により形成している。スピンコート法でそれぞれ形成した絶縁膜IL8a,IL8bを積層することにより層間絶縁膜IL8を形成しているため、一度のスピンコート工程で形成する絶縁膜の厚みが薄くなるため、スピンコート工程で使用する薬液の粘度を低くすることができるため、形成される層間絶縁膜IL8の表面の平坦性を向上させることができる。そして、スピンコート法で絶縁膜IL8aを形成した後で、かつ、絶縁膜IL8a上にスピンコート法で絶縁膜IL8bを形成する前に、ステップS3で絶縁膜IL8aの親水性を向上させる処理を行っているため、絶縁膜IL8bを形成するために使用される薬液の絶縁膜IL8aに対する濡れ性を向上させることができ、形成される層間絶縁膜IL8の表面の平坦性を向上させることができる。従って、絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8a上の絶縁膜IL8bとを含む積層絶縁膜からなる層間絶縁膜IL8の表面の平坦性を向上させることができる。
本実施の形態では、高い平坦性を有する層間絶縁膜IL8を形成することができるため、層間絶縁膜の平坦性が低い場合に生じ得る不具合を、抑制または防止することができる。例えば、層間絶縁膜IL8上にフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストパターン(例えば上記フォトレジストパターンPR2など)を形成する際に、そのフォトレジストパターンを的確に形成することできる。また、層間絶縁膜IL8上に不要なエッチング残り(例えば上記導電膜CD2のエッチング残り)が生じるのを、抑制または防止することができる。従って、製造された半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、半導体装置の製造歩留まりを向上させることができる。また、半導体装置の製造工程の管理が容易になり、半導体装置の製造工程を行いやすくなる。
また、本実施の形態では、高い平坦性を有する層間絶縁膜IL8を形成することができるため、層間絶縁膜IL8を形成した後に、層間絶縁膜IL8のCMP処理(研磨処理)を行わずに済む。このため、半導体装置の製造コストを低減することができる。
また、本実施の形態では、上記ダミー配線DMに相当するものは形成しないで済む。このため、配線M7の設計が容易になる。また、配線レイアウトの再設計をしなくとも、本実施の形態を適用することが可能になるため、本実施の形態を適用するための負荷が小さくて済み、半導体装置の製造コストを低減することができる。
また、ステップS3では、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理を行うが、この処理としては、酸素プラズマ処理が最も好ましい。すなわち、ステップS2でスピンコート法で絶縁膜IL8aを形成した後で、かつ、ステップS4で絶縁膜IL8a上にスピンコート法で絶縁膜IL8bを形成する前に、ステップS3で酸素プラズマ処理を行うことが好ましい。
この酸素プラズマ処理では、絶縁膜IL8aの表面が酸素プラズマにさらされる。これにより、絶縁膜IL8aの表面の有機物または炭素が酸素プラズマで除去されるなどして、絶縁膜IL8aの表面の親水性が向上し、ステップS4で使用される薬液(絶縁膜IL8b形成用の薬液)の絶縁膜IL8aに対する濡れ性が向上する。これにより、スピンコート法で形成した絶縁膜IL8a上に、ステップS4で絶縁膜IL8bをスピンコート法で的確に形成することができるようになる。
但し、ステップS3の酸素プラズマ処理の温度は、170℃以下であることが好ましい。なぜなら、酸素プラズマ処理の温度が高すぎると、絶縁膜IL8aの表面の変質によるストレスが絶縁膜IL8aに発生し、絶縁膜IL8aにクラックが発生する懸念がある。この懸念を回避するためには、ステップS3の酸素プラズマ処理の温度は、ある程度低くすることが望ましく、本発明者の検討によれば、170℃以下であることが好ましい。ステップS3の酸素プラズマ処理の温度を170℃以下とすることで、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させることができるとともに、酸素プラズマ処理に伴って絶縁膜IL8aにクラックが発生してしまうのを、的確に防止することができる。また、ステップS3の酸素プラズマ処理の温度が、室温から170℃までの間であれば、プラズマ処理装置に半導体基板SBの冷却機構を設けなくとも済むため、より好ましい。
なお、酸素プラズマ処理の温度は、酸素プラズマ処理を行う際の半導体基板SBの温度(加熱温度)に対応している。このため、ステップS3では、半導体基板SBの温度(加熱温度)を170℃以下にした状態で、酸素プラズマ処理を行って、絶縁膜IL8aの表面を酸素プラズマにさらすことが好ましいことになる。
また、ステップS3において、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理としては、酸素プラズマ処理が最も好ましいが、オゾン(O)を含有する雰囲気中の熱処理を行うことも可能である。すなわち、ステップS3において、酸素プラズマ処理の代わりに、オゾン(O)雰囲気中で半導体基板SBを加熱する処理を行うこともできる。このオゾン(O)を含有する雰囲気中の熱処理の温度(半導体基板SBの温度)は、200〜400℃程度が好ましい。
なお、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる効果は、オゾン(O)を含有する雰囲気中の熱処理の場合よりも、酸素プラズマ処理の場合の方が大きいため、ステップS3では、酸素プラズマ処理を行うことが最も好ましい。
酸素(O)雰囲気中の熱処理の場合は、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる効果を得るためには、熱処理温度をかなり高くする必要が生じるが、そのような高温の熱処理は、種々の悪影響(例えば配線に対する悪影響)を生じる虞があるため、避けることが望ましい。酸素プラズマ処理の場合、あるいは、オゾン(O)を含有する雰囲気中の熱処理の場合は、酸素(O)雰囲気中の熱処理の場合ほど熱処理温度を高くしなくとも、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる効果を得ることができる。このため、本実施の形態では、ステップS3において、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理としては、酸素プラズマ処理、あるいは、オゾン(O)を含有する雰囲気中の熱処理を採用することが好ましく、酸素プラズマ処理が最も好ましい。
また、本実施の形態では、ステップS2でスピンコート法により形成する絶縁膜IL8aと、ステップS4でスピンコート法により形成する絶縁膜IL8bとは、好ましくは同じ材料からなり、より好ましくは酸化シリコンからなる。絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8bとが同じ材料からなる場合、製造工程数をできるだけ減らすという観点で考えると、絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8bとを別々のスピンコート工程で形成するという本実施の形態の技術思想は採用されず、絶縁膜IL8aの厚みと絶縁膜IL8bの厚みとの合計の厚みを有する層間絶縁膜を、一度のスピンコート工程で形成する上記第2検討例を採用するはずである。しかしながら、本発明者は、上記第2検討例の場合は、層間絶縁膜IL208の表面に上記段差DSが発生しやすいという課題に気付き、できるだけ平坦性の高い層間絶縁膜をスピンコート法用いて形成するためにはどうすればよいかを検討した。その結果、一度のスピンコート工程で厚い層間絶縁膜を形成するのではなく、スピンコート工程でそれぞれ形成した複数の絶縁膜IL8a,IL8bを積層して層間絶縁膜IL8を形成するとともに、絶縁膜IL8a形成工程と絶縁膜IL8b形成工程との間に、絶縁膜IL8aの親水性を向上させる処理を行う技術に至っている。
また、ステップS2における絶縁膜IL8aの形成膜厚T1は、ステップS4における絶縁膜IL8bの形成膜厚T2以上(T1≧T2)であることが好ましい。すなわち、ステップS2における絶縁膜IL8aの形成膜厚をT1とし、ステップS4における絶縁膜IL8bの形成膜厚をT2としたときに、T1≧T2が成り立つことが好ましい。その理由は、以下のようなものである。
すなわち、ステップS2で絶縁膜IL8aを形成する際は、下地の段差は配線M7の厚みにほぼ一致しており、段差の大きさがかなり大きい状態となっている。この状態で、半導体ウエハの主面上に絶縁膜IL8a形成用の薬液による塗布膜を形成すると、配線M7の上では、塗布膜の厚みがかなり薄くなる。その後にベーク処理が行われて絶縁膜IL8aが完成するが、配線M7が形成されていない領域での絶縁膜IL8aの厚みに比べて、配線M7上での絶縁膜IL8aの厚みはかなり薄くなっている。一方、ステップS4で絶縁膜IL8bを形成する際は、絶縁膜IL8aがスピンコート法で形成されたことを反映して、下地の絶縁膜IL8aにおける段差は配線M7の厚みよりも小さくなっている。このため、ステップS2で絶縁膜IL8aを形成する際に比べて、ステップS4で絶縁膜IL8bを形成する際は、下地の段差の大きさがかなり小さくなっている。この状態で、半導体ウエハの主面上に絶縁膜IL8b形成用の薬液による塗布膜を形成すると、配線M7の上でも、塗布膜はある程度厚くなりやすい。このため、その後にベーク処理が行われて絶縁膜IL8bが完成するが、配線M7の上でも、絶縁膜IL8bの厚みはある程度厚くなりやすい。
このため、層間絶縁膜IL8の平坦性を確保しながら、配線M7上における層間絶縁膜IL8の厚みを薄くするには、ステップS4における絶縁膜IL8bの形成膜厚T2を厚くするよりも、ステップS2における絶縁膜IL8aの形成膜厚T1を厚くした方が有利である。また、層間絶縁膜IL8の上記スルーホールSHは、配線M7上に形成されるため、スルーホールSHを形成しやすくするには、配線M7上における層間絶縁膜IL8の厚みを薄くした方が有利である。このため、ステップS2における絶縁膜IL8aの形成膜厚T1は、ステップS4における絶縁膜IL8bの形成膜厚T2以上(T1≧T2)であることが好ましく、ステップS2における絶縁膜IL8aの形成膜厚T1が、ステップS4における絶縁膜IL8bの形成膜厚T2よりも大きければ(T1>T2)、更に好ましい。これにより、層間絶縁膜IL8の平坦性を確保しながら、配線M7上における層間絶縁膜IL8の厚みを薄くすることができる。配線M7上における層間絶縁膜IL8の厚みを薄くすることができることで、層間絶縁膜IL8に上記スルーホールSHを形成しやすくなる。
ここで、ステップS2における絶縁膜IL8aの形成膜厚T1は、配線M7が形成されていない領域における絶縁膜IL8aの厚みに対応し、上記図20および図22に示されている。また、ステップS4における絶縁膜IL8bの形成膜厚T2は、配線M7が形成されていない領域における絶縁膜IL8bの厚みに対応しており、上記図22に示されている。
また、本実施の形態および後述の実施の形態2で説明した層間絶縁膜IL8の形成法については、上記層間絶縁膜IL1,IL2,IL3,IL4,IL5のいずれか1層以上に適用することができる。すなわち、上記層間絶縁膜IL1,IL2,IL3,IL4,IL5のうち、いずれか1層、あるいは、いずれか2層、あるいは、いずれか3層、あるいは、いずれか4層、あるいは5層全部に、本実施の形態または後述の実施の形態2の層間絶縁膜IL8の形成法を適用することができる。
層間絶縁膜IL8が層間絶縁膜IL2,IL3,IL4,IL5のいずれかの場合は、下地の層間絶縁膜IL7上に配線M7を覆うように層間絶縁膜IL8を形成することになる(上記図7、図9、図11、図13および図22参照)。この場合、層間絶縁膜IL8(IL2,IL3,IL4,IL5)の表面に、配線M7(M1,M2,M3,M4)に起因した段差または凹凸が発生する懸念がある。しかしながら、本実施の形態または後述の実施の形態2で説明した手法で層間絶縁膜IL8を形成することで、配線M7に起因した段差または凹凸が層間絶縁膜IL8の表面(上面)に形成されるのを抑制または防止することができる。従って、配線M7(M1,M2,M3,M4)を覆うように形成された層間絶縁膜IL8(IL2,IL3,IL4,IL5)において、表面の平坦性を向上させることができ、平坦な表面を有する層間絶縁膜IL8(IL2,IL3,IL4,IL5)を形成することができる。
一方、層間絶縁膜IL8が層間絶縁膜IL1の場合は、半導体基板SB上にゲート電極(GE1,GE2)を覆うように層間絶縁膜IL8(IL1)を形成することになる(上記図4および図22参照)。この場合、上記図19〜図27および後述の図38〜図41とそれに関連した説明において、層間絶縁膜IL7を半導体基板SBに置換し、配線M7をゲート電極(GE1,GE2)に置換することになり、ビア部V8は、上記ビア部V1に対応し、配線M8は上記配線M1に対応することになる。但し、ゲート電極(GE1,GE2)は、半導体基板SB上にゲート絶縁膜(GF)を介して形成されている。層間絶縁膜IL8が層間絶縁膜IL1の場合は、層間絶縁膜IL8(IL1)の表面に、ゲート電極(GE1,GE2)に起因した段差または凹凸が発生する懸念がある。しかしながら、本実施の形態または後述の実施の形態2で説明した手法で層間絶縁膜IL8(IL1)を形成することで、ゲート電極(GE1,GE2)に起因した段差または凹凸が層間絶縁膜IL8(IL1)の表面(上面)に形成されるのを抑制または防止することができる。従って、ゲート電極(GE1,GE2)を覆うように形成された層間絶縁膜IL8(IL1)において、表面の平坦性を向上させることができ、平坦な表面を有する層間絶縁膜IL8(IL1)を形成することができる。
また、本実施の形態では、半導体基板SB上に形成される配線構造(多層配線構造)について、5層の配線層を含む配線構造を例示しているが、これに限定されず、6層以上やあるいは4層以下の配線層を含む配線構造であってもよい。本実施の形態または後述の実施の形態2で説明した層間絶縁膜IL8の形成法は、半導体基板SB上に形成された複数の層間絶縁膜のうち、いずれか1層以上の層間絶縁膜に適用することができる。
(実施の形態2)
本実施の形態2の層間絶縁膜の形成工程について図37〜図41を参照して説明する。図37は、本実施の形態2の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。図38〜図41は、本実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。上記図17〜図26と同様に、図38〜図39においても、層間絶縁膜IL7よりも下の構造については、図示を省略している。
本実施の形態2は、ステップS2の前に絶縁膜IL8cをCVD法で形成してから、ステップS2でその絶縁膜IL8c(CVD膜)上に絶縁膜IL8aをスピンコート法で形成する点が、上記実施の形態1と相違している。それ以外については、本実施の形態2の半導体装置の製造工程も、上記実施の形態1の半導体装置の製造工程と基本的には同じであるので、ここでは上記実施の形態1との相違点を中心に説明し、上記実施の形態1と共通の事項については、その繰り返しの説明は省略する。
上記図19の構造を得るまでは、本実施の形態2の製造工程も、上記実施の形態1の製造工程と同様である。すなわち、本実施の形態2においても、上記実施の形態1と同様にして、ステップS1で層間絶縁膜IL7上に配線M7を形成して、上記図19の構造を得る。
上記図19の構造を得た後、本実施の形態2では、図38に示されるように、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように、CVD法を用いて絶縁膜IL8cを形成する(図37のステップS11)。
絶縁膜IL8cは、好ましくは酸化シリコン膜からなり、CVD法により、より好ましくはプラズマCVD法により、形成することができる。
CVD法で形成した絶縁膜は、下地形状に対してコンフォーマルに形成される性質を有している。絶縁膜IL8cは、CVD法で形成しているため、配線M7に対してコンフォーマルに形成される。このため、絶縁膜IL8cの表面には、配線M7を反映した段差または凹凸が形成されている。配線M7が形成されていない領域の層間絶縁膜IL7上に形成された部分の絶縁膜IL8cの厚みと、配線M7の上面上に形成された部分の絶縁膜IL8cの厚みと、配線M7の側面上に形成された部分の絶縁膜IL8cの厚みとは、概ね同じ厚みになっている。
CVD法で形成した絶縁膜は、スピンコート法で形成した絶縁膜よりも、膜質が良好である。例えば、CVD法で形成した絶縁膜は、スピンコート法で形成した絶縁膜よりも緻密であり、吸湿性が低く、機械的強度が高い。このため、CVD法で形成した絶縁膜IL8cで配線M7を覆うことにより、配線M7の信頼性を向上させることができ、ひいては、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
以降の工程は、本実施の形態2も上記実施の形態1と基本的には同じである。
すなわち、本実施の形態2においても、図39に示されるように、ステップS2で、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち、絶縁膜IL8c上に、スピンコート法を用いて絶縁膜IL8aを形成する。
上記実施の形態1の場合は、絶縁膜IL8cが形成されていないため、ステップS2では、絶縁膜IL8aは、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように形成されたが、本実施の形態2の場合は、絶縁膜IL8cが形成されているため、ステップS2では、絶縁膜IL8aは、絶縁膜IL8c上に形成される。このため、絶縁膜IL8aの下面は、絶縁膜IL8cの上面に接している。それ以外については、ステップS2については、本実施の形態2も上記実施の形態1と同様である。このため、絶縁膜IL8aの形成法や材料などについても、本実施の形態2も上記実施の形態1と同様である。
なお、スピンコート法で絶縁膜を成膜しようとする場合、その絶縁膜を形成する下地の膜の親水性が重要である。しかしながら、下地の膜がCVD膜であれば、CVD膜の表面は親水性が比較的高いため、CVD膜上にスピンコート法で絶縁膜を容易かつ的確に形成することができる。このため、ステップS11で絶縁膜IL8cをCVD法で形成した後、酸素プラズマ処理のようなステップS3に相当する処理を行うことなく、ステップS2で絶縁膜IL8aをスピンコート法で形成することができる。これにより、製造工程数の低減を図ることができる。
ステップS2で絶縁膜IL8aを形成した後、上記実施の形態1と同様に、本実施の形態2においても、上記ステップS3の処理を行う。すなわち、図40に示されるように、絶縁膜IL8aの表面に対して、酸素プラズマ処理を施す。このステップS3の処理は、上記実施の形態1で説明したように、絶縁膜IL8aの表面の親水性を向上させる処理である。
ステップS3については、本実施の形態2も上記実施の形態1と同様である。このため、ステップS3の手法や意義、酸素プラズマ処理の代わりにオゾン(O)雰囲気中の熱処理を行うこともできる点などについても、上記実施の形態1と同様である。
それから、上記実施の形態1と同様に、本実施の形態2においても、図41に示されるように、ステップS4で、半導体基板SBの主面(主面全面)上に、すなわち、絶縁膜IL8a上に、スピンコート法を用いて絶縁膜IL8bを形成する。
ステップS4については、本実施の形態2も上記実施の形態1と同様である。このため、絶縁膜IL8bの形成法や材料などについても、本実施の形態2も上記実施の形態1と同様である。
このようにステップS11,S2,S3,S4を行うことにより、絶縁膜IL8cと絶縁膜IL8c上の絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8a上の絶縁膜IL8bとの積層膜(積層絶縁膜)からなる層間絶縁膜IL8が形成される。このため、ステップS11,S2,S3,S4は、層間絶縁膜IL8を形成する工程とみなすこともできる。
上記実施の形態1では、層間絶縁膜IL8は、CVD法で形成した絶縁膜IL8cを有しておらず、絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8a上の絶縁膜IL8bとの積層膜からなるが、本実施の形態2では、層間絶縁膜IL8は、CVD法で形成した絶縁膜IL8cを最下層に有しており、絶縁膜IL8cと絶縁膜IL8c上の絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8a上の絶縁膜IL8bとの積層膜からなる。層間絶縁膜IL8は、層間絶縁膜IL7上に、配線M7を覆うように、形成されている。
層間絶縁膜全体をCVD法で形成した上記第1検討例の場合は、層間絶縁膜形成後にCMP処理が必要となるが、本実施の形態2では、CVD法で形成した絶縁膜IL8c上にスピンコート法でそれぞれ形成した絶縁膜IL8a,IL8bを積層しているため、層間絶縁膜IL8を形成した後に層間絶縁膜IL8をCMP処理(研磨処理)する必要はない。絶縁膜IL8cの表面には、配線M7を反映した段差または凹凸が形成されているが、ステップS2,S3,S4を行って層間絶縁膜IL8を形成しているため、上記実施の形態1で説明したのと同様の理由により、層間絶縁膜IL8の平坦性を向上させることができ、平坦な表面を有する層間絶縁膜IL8を形成することができる。
その後、本実施の形態2においても、上記実施の形態1と同様に、上記ステップS5で層間絶縁膜IL8に上記スルーホールSHを形成し、上記ステップS6で上記スルーホールSH内に上記ビア部V8を形成し、上記ステップS7で上記配線M8を形成するが、ここではその図示および繰り返しの説明は省略する。なお、上記スルーホールSHは、層間絶縁膜IL8を貫通して配線M7の一部を露出するように形成されるため、本実施の形態2の場合は、上記スルーホールSHは、絶縁膜IL8bと絶縁膜IL8aと絶縁膜IL8cとを貫通することになる。
本実施の形態2では、上記実施の形態1で得られる効果に加えて、更に次のような効果も得ることができる。
すなわち、CVD法で形成した絶縁膜は、スピンコート法で形成した絶縁膜よりも、膜質が良好である。本実施の形態2では、CVD法で形成した絶縁膜IL8cで配線M7を覆うことにより、配線M7の信頼性を向上させることができる。従って、半導体装置の信頼性を更に向上させることができる。
また、上記実施の形態1および実施の形態2の技術思想は、層間絶縁膜を形成するに際して、スピンコート法で形成した絶縁膜を複数積層するとともに、スピンコート法で形成した絶縁膜上に次の絶縁膜をスピンコート法で形成する前に、下地の絶縁膜(スピンコート法で形成した絶縁膜)の表面の親水性を向上させる処理(上記ステップS3に相当する処理)を行うことである。
このため、上記実施の形態1および本実施の形態2では、ステップS2とステップS3とをそれぞれ1回ずつ行った後に、ステップS4を行っているが、他の形態として、ステップS2とステップS3とを複数サイクル行った後に、ステップS4を行うこともできる。すなわち、ステップS2とその後のステップS3とを1サイクルとし、これを複数サイクル繰り返した後に、ステップS4を行うこともできる。この場合、スピンコート法で形成した絶縁膜IL8aが複数層積層され、複数の絶縁膜IL8aからなる積層膜上に、絶縁膜IL8bがスピンコート法で形成されることになるが、スピンコート工程と次のスピンコート工程との間には、ステップS3の処理が行われる。
すなわち、ステップS2とステップS3とをそれぞれ1回ずつ行った後にステップS4を行った場合は、スピンコート工程でそれぞれ形成された絶縁膜が2層積層される。一方、ステップS2とステップS3とを複数サイクル行った後にステップS4を行った場合は、スピンコート工程でそれぞれ形成された絶縁膜が3層以上積層されることになる。いずれの場合も、スピンコート工程と次のスピンコート工程との間には、ステップS3の処理が行われる。
一例として、ステップS2とステップS3とを3サイクル行った場合の工程フローを、図42に示してある。図42の場合は、ステップS1で配線M7を形成し、ステップS11で絶縁膜IL8cをCVD法で形成してから、ステップS2とステップS3とを3サイクル繰り返している。1サイクル目のステップS2をステップS2aと称し、1サイクル目のステップS3をステップS3aと称し、2サイクル目のステップS2をステップS2bと称し、2サイクル目のステップS3をステップS3bと称し、3サイクル目のステップS2をステップS2cと称し、3サイクル目のステップS3をステップS3cと称することとする。
図42の場合、ステップS11で絶縁膜IL8cをCVD法で形成した後、その絶縁膜IL8c上にステップS2aで絶縁膜(IL8a)をスピンコート法で形成し、ステップS2aで形成された絶縁膜(IL8a)の表面をステップS3aで酸素プラズマ処理する。それから、その酸素プラズマ処理された絶縁膜(IL8a)上にステップS2bで絶縁膜(IL8a)をスピンコート法で形成し、ステップS2bで形成された絶縁膜(IL8a)の表面をステップS3bで酸素プラズマ処理する。それから、その酸素プラズマ処理された絶縁膜(IL8a)上にステップS2cで絶縁膜(IL8a)をスピンコート法で形成し、ステップS2cで形成された絶縁膜(IL8a)の表面をステップS3cで酸素プラズマ処理する。それから、その酸素プラズマ処理された絶縁膜(IL8a)上にステップS4で絶縁膜IL8bをスピンコート法で形成する。これにより、絶縁膜IL8cと、その上の3層の絶縁膜IL8aと、その上の絶縁膜IL8bとの積層膜からなる層間絶縁膜が形成される。図42の場合は、本実施の形態2を適用しているのでステップS11が行われているが、上記実施の形態1を適用する場合は、図42において、ステップS11が省略される。
ステップS2とステップS3とを1サイクル行った場合に比べて、ステップS2とステップS3とを複数サイクル行った場合の方が、1回のスピンコート工程で形成する絶縁膜の厚みを、より薄くすることができる。このため、ステップS2とステップS3とを複数サイクル行った後にステップS4を行うことにより、最終的に形成される層間絶縁膜(IL8)の表面の平坦性を、より高めることができる。
一方、ステップS2とステップS3とを繰り返すサイクル数を多くすることは、半導体装置の製造工程数の増加につながる。このため、ステップS2とステップS3とをそれぞれ1回ずつ行った後に、ステップS4を行うことにより、形成される層間絶縁膜(IL8)の表面の平坦性を高めながら、半導体装置の製造工程数を抑制することができる。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
10,11 MISFET
CD1,CD2 導電膜
DM ダミー配線
DS 段差
EX1 n型半導体領域
EX2 p型半導体領域
GE1,GE2 ゲート電極
GF ゲート絶縁膜
IL1,IL2,IL3,IL4,IL5,IL7,IL8 層間絶縁膜
IL8a,IL8b,IL8c 絶縁膜
IL108,IL208,IL308 層間絶縁膜
M1,M2,M3,M4,M5,M7,M8 配線
NW n型ウエル
OP 開口部
PA 絶縁膜
PD パッド
PR1,PR2 フォトレジストパターン
PW p型ウエル
SB 半導体基板
SD1 n型半導体領域
SD2 p型半導体領域
SH スルーホール
ST 素子分離領域
SW サイドウォールスペーサ
V1,V2,V3,V4,V5,V8 ビア部

Claims (15)

  1. 半導体基板上に形成された第1層間絶縁膜を有する半導体装置の製造方法であって、
    (a)第1絶縁膜をスピンコート法により形成する工程、
    (b)前記第1絶縁膜の表面の親水性を向上させる第1処理を行う工程、
    (c)前記(b)工程後に、前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜をスピンコート法により形成する工程、
    を有し、
    前記第1層間絶縁膜は、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とを含む積層絶縁膜からなる、半導体装置の製造方法。
  2. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程で行われる前記第1処理は、酸素プラズマ処理である、半導体装置の製造方法。
  3. 請求項2記載の半導体装置の製造方法において、
    前記酸素プラズマ処理の温度は、170℃以下である、半導体装置の製造方法。
  4. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程で行われる前記第1処理は、オゾンを含有する雰囲気中の熱処理である、半導体装置の製造方法。
  5. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(a)工程における前記第1絶縁膜の形成膜厚をT1とし、前記(c)工程における前記第2絶縁膜の形成膜厚をT2としたときに、T1≧T2が成り立つ、半導体装置の製造方法。
  6. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とは、同じ材料からなる、半導体装置の製造方法。
  7. 請求項6記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とは、それぞれ酸化シリコンからなる、半導体装置の製造方法。
  8. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(a)工程と前記(b)工程とを複数サイクル行った後に、前記(c)工程が行われる、半導体装置の製造方法。
  9. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(a)工程前に、
    (a1)第3絶縁膜をCVD法により形成する工程、
    を更に有し、
    前記(a)工程では、前記第3絶縁膜上に、前記第1絶縁膜がスピンコート法により形成され、
    前記第1層間絶縁膜は、前記第3絶縁膜と前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とを含む積層絶縁膜からなる、半導体装置の製造方法。
  10. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程で行われる前記第1処理により、前記(c)工程で前記第2絶縁膜を形成するために使用される薬液の前記第1絶縁膜に対する濡れ性が向上する、半導体装置の製造方法。
  11. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(a)工程前に、
    (a2)第2層間絶縁膜と前記第2層間絶縁膜上の配線とが主面上に形成された前記半導体基板を用意する工程、
    を更に有し、
    前記第1層間絶縁膜は、前記第2層間絶縁膜上に、前記配線を覆うように形成される、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
    前記配線は、アルミニウム配線である、半導体装置の製造方法。
  13. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(a)工程前に、
    (a3)ゲート電極が主面上に形成された前記半導体基板を用意する工程、
    を更に有し、
    前記第1層間絶縁膜は、前記半導体基板上に、前記ゲート電極を覆うように形成される、半導体装置の製造方法。
  14. 半導体基板上に形成された第1層間絶縁膜を有する半導体装置の製造方法であって、
    (a)第1絶縁膜をスピンコート法により形成する工程、
    (b)前記第1絶縁膜の表面を酸素プラズマ処理する工程、
    (c)前記(b)工程後に、前記第1絶縁膜上に第2絶縁膜をスピンコート法により形成する工程、
    を有し、
    前記第1層間絶縁膜は、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とを含む積層絶縁膜からなる、半導体装置の製造方法。
  15. 請求項14記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程の前記酸素プラズマ処理の温度は、170℃以下である、半導体装置の製造方法。
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