JP2570997B2 - 半導体装置の多層配線構造及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の多層配線構造及び半導体装置の製造方法Info
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Description
構造及び半導体装置の製造方法に関し、特に、銅配線層
を含む配線パターン間に形成される層間絶縁膜にフッ素
含有酸化シリコン膜を用いた半導体装置の多層配線構造
及びかかる半導体装置の製造方法に関する。
層に形成された多層配線構造で採用される層間絶縁膜の
形成法として、電子サイクロトロン共鳴によるプラズマ
を利用した化学気相成長法を用いて200°C以下の温
度で酸化シリコン膜を形成する方法が知られている(第
1の従来例、例えば、特許出願公開平1−248625
号公報参照)。また、同様に、電子サイクロトロン共鳴
によるプラズマを利用した化学気相成長法又はRFスパ
ッタ法により窒化シリコン膜を形成する方法も知られて
いる(第2の従来例、例えば、特許出願公開平1−10
6435号公報参照)。
の方法を示す工程順の半導体装置の断面図である。ま
ず、シリコン基板1上に、酸化シリコン膜2を熱酸化法
により厚さ0.5μmに形成した後、マグネトロンスパ
ッタ法によって厚さ0.8μmの銅膜6を形成すること
で、図7(a)に示す構造を得る。次いで、銅膜6をパ
ターニングして同図(b)に示すように配線パターン6
を形成する。続いて、同図(c)に示すように、電子サ
イクロトロン共鳴(ECR)プラズマCVD法により、
シランガス及び酸素ガスを用いて基板温度を約100°
Cとして厚さ0.8μmの酸化シリコン膜21を形成す
る。
を図7と同様に示す断面図である。シリコン基板1上に
酸化シリコン膜2を形成し、この酸化シリコン膜2に形
成されたコンタクトホール3を含む酸化シリコン膜2の
全面に、コンタクト膜を成す厚さ0.05μmのチタン
膜4、パリアメタル膜を成す厚さ0.1μmの窒化チタ
ン膜5、配線膜を成す厚さ0.7μmの銅膜6を順次形
成することで、図8(a)に示す構造を得る。次いで、
リンガラス膜7を形成しイオンミリングによって銅膜6
をパターニングし、引続き、ドライエッチングによっ
て、窒化チタン膜5及びチタン膜4をエッチングするこ
とで、同図(b)に示す構造を得る。
スパッタ法により、又は、希硝酸による前処理で、リン
ガラス膜7のマスクを形成する際に酸化した銅表面(酸
化銅膜6a)をエッチングにより除去することで、同図
(c)に示す構造を得る。次に、電子サイクロトロン共
鳴(ECR)を利用したCVD装置で、基板温度を約1
50°C以下として、厚さ0.5μmの窒化シリコン膜
31を形成する。これにより、同図(d)に示す構造を
得る。
層を含む配線パターンが2層以上の多層に形成された、
半導体装置の多層配線構造では、層間絶縁膜について以
下のような問題があった。
ロン共鳴を利用するCVD法では、層間絶縁膜にパーテ
ィクルの発生が多いことなどから、パターン配線を多層
に形成した際に上層の配線パターンに断線や短絡が生
じ、半導体装置の歩留りや信頼性が著しく低下するとい
う問題がある。また、配線幅が0.8μm以下の極めて
微細な多層配線を形成する場合には、層間絶縁膜の形成
に際して温度が100゜Cと高いので銅表面が酸化し、
この酸化により生じた酸化銅は、スルーホール部の接続
抵抗を増加させ、且つこれを除去するのが困難という問
題もある。
シリコン膜を用いており、窒化シリコン膜は比誘電率が
約7(1MHz)と高いことから、配線の寄生容量が増
加して信号処理速度が低下するという問題がある。な
お、酸化シリコンではこの比誘電率は約4(1MHz)
である。
含む配線パターンが多層に形成された半導体装置の多層
配線構造を改良し、もって、銅配線層の酸化を防止して
その接続抵抗の増大を抑えた高速作動の半導体装置の多
層配線構造を提供し、また、かかる半導体装置の製造方
法を提供することである。
層配線構造は、半導体基板の一主面上に絶縁膜を介して
形成され少なくとも銅配線層を含む第1の配線パターン
と、該第1の配線パターン上に形成されたフッ素含有酸
化シリコン膜と、該フッ素含有酸化シリコン膜上に形成
され少なくとも銅配線層を含む第2の配線パターンとを
備えることを特徴とする。
造における第1及び第2の配線パターンの少なくとも一
方は、銅配線層の下面、側面、及び上面の全てに又は少
なくとも1面に、チタン含有タングステン膜、窒化チタ
ン膜、チタン膜、及び、タンタル膜の少なくとも1つを
備える構成が好ましい。
半導体基板の一主面上に形成された絶縁膜上に、少なく
とも銅配線層を含む第1の配線パターンを形成する第1
工程と、前記第1の配線パターン上にフッ素含有酸化シ
リコン膜を成形する第2工程と、前記フッ素含有シリコ
ン膜上に、少なくとも銅配線層を含む第2の配線パター
ンを形成する第3工程とを有することを特徴とする。
を利用するパターニング工程を含み、上記第2工程が、
前記フォトレジスト膜を残した状態で第1のフッ素含有
酸化シリコン膜を前記第1のパターン配線の配線空隙の
みに選択的に形成する工程と、前記フォトレジスト膜を
除去して全面に第2のフッ素含有酸化シリコン膜を形成
する工程とを含む構成が好ましい。
化学気相成長法、スパッタ法、及び、メッキ法の何れか
で行なわれることが好ましい。
(OR)4-nで表わされるアルコキシフルオロシランガ
ス(Rはアルキル基を示し、nは1、2、3から選ばれ
る数)と酸化性ガスとを用いる化学気相成長法、アルコ
キシフルオロシランをスピンオングラス膜に拡散せしめ
る方法、過飽和のケイフッ化水素酸水溶液を用いる液相
成長法の何れかで行なわれることもまた好ましい態様で
ある。
の方法で製造される半導体装置では、銅配線層を含む配
線パターン間の絶縁膜にフッ素含有酸化シリコン膜を採
用したことにより、フッ素含有酸化シリコン膜は酸化シ
リコン膜及び窒化シリコン膜よりも低い温度で形成でき
るので、銅配線層を含む微細配線パターンに生ずる酸化
を防止することができ、スルーホール等における接続抵
抗の増加を抑えることが出来る。
電率が約3.7(1MHz)であり、この比誘電率は、
酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の比誘電率よりも低
いので、配線に生ずる寄生容量を小さくすることが出来
る。
(a)〜(c)及び図2(d)〜(f)は、本発明の第
1の実施例の半導体装置の製造方法を示すもので、本発
明の実施例の半導体装置の多層配線構造をその各製造工
程段階毎の断面図として示している。なお、この実施例
では、多層配線構造として最も簡単な2層配線構造を例
示している。まず、シリコン基板1上に、厚さ約0.5
μmの酸化シリコン膜2を形成し、その上に、配線膜を
成す厚さ約0.05μmの第1のチタン膜4、厚さ約
0.1μmの第1の窒化チタン膜5、及び、厚さ約0.
8μmの第1の銅膜6を、夫々スパッタ法により順次に
形成して、図1(a)に示す構造を得る。
ォトリソグラフィー技術を用いて前記配線膜をパターニ
ングして、銅配線層を含む第1の配線パターンを形成す
る。続いて、同図(c)に示すように、厚さ約0.5μ
mの第1のフッ素含有酸化シリコン膜11を形成する。
次に、シラノール溶液を塗布した後、トリエトキシフル
オロシラン〔化学式、FSi(OC2H5)3〕の蒸気を
拡散せしめ、厚さ約0.3 μm のフッ素含有スピンオ
ングラス膜12を形成し、続いて厚さ約0.4μmの第
2のフッ素含有酸化シリコン膜13を形成することで、
図2(d)に示す構造を得る。
ォトリソグラフィー技術を用いて所定の位置にスルーホ
ール14を形成する。引続き、厚さ約0.05μm の第
2のチタン膜15、厚さ約0.1μmの第2の窒化チタ
ン膜16、厚さ約0.8μmの第2の銅膜17から成る
第2の配線パターンを、第1の配線パターンと同様に形
成することで、同図(f)に示す構造を得る。
を実施して半導体装置の2層配線構造を得た。第1及び
第2のフッ素含有酸化シリコン膜11、13は、夫々、
トリエトキシフルオロシランガス〔FSi(OC2H5)
3〕と酸素ガス(酸化性ガス)とを用いるプラズマ化学
気相成長法によって形成した。ここで、トリエトキシフ
ルオロシランは、常温では液体であることからこれを気
化させる必要がある。
よってトリエトキシフルオロシランの流量を0.5sccm
に制御しつつ、150°Cに保持した気化装置内で気化
させた。発生したトリエトキシフルオロシランの蒸気
を、流量を300sccmとした窒素ガスキャリアにより反
応室内に導入し、また、酸素ガスをその流量を150sc
cmに制御して反応室内に導入した。ここで、反応室内の
圧力を10Torrに保ち、高周波(13、56MHz )
電力を500W、基板温度を50°Cとした。
約0.4μm/分であった。フッ素含有酸化シリコン膜
の形成方法は、例えば、特開平3−006312号公
報、特開平3−136426号公報、及び、特開平3−
319549号公報に記載されており、フッ素の触媒作
用を利用して低温で良質な膜が形成できる。
下のように行なった。まず、シラノール〔Si(OH)
4〕を主成分とするエチルアルコール溶液(固形分濃度
約8重量%)を4000回転/分の回転速度でスピンコ
ートした後、100゜Cの温度に保たれたホットプレー
ト上で60秒間ベークを行い、スピンオングラス膜を形
成し、次いで、反応室内の圧力を760Torrとし、
気化装置によって気化させたトリエトキシフルオロシラ
ン(液体)を、このスピンオングラス膜内へ拡散処理に
より導入した。ここで、基板温度は25°Cとし、処理
時間を60分間とした。フッ素含有スピンオングラス膜
の形成方法は、例えば、特開平3−234238号公
報、特開平3−242239号公報、特開平3−250
781号公報、及び特開平5−002263号公報に記
載されており、室温付近の温度で良質なスピンオングラ
ス膜が形成できる。
層間絶縁膜が約50°C以下の温度で形成できるため、
銅配線層表面の酸化が防止できる。この効果を確認する
ために、スルーホールの接続抵抗を測定した。10,0
00個の直列接続パターンを用いて測定した直径0.8
μmのスルーホール部における接続抵抗は、スルーホー
ル1個当たり約150mΩと、従来の層間絶縁膜を用い
たときの接続抵抗(200mΩ)に比べて充分に低い値
が得られた。また、100チップの測定から、製造歩留
りについて、約98%と充分に高く実用上充分な数値が
得られた。さらに、層間絶縁膜表面の平坦度も良好であ
り、このため、第2の配線パターンにおける断線や短絡
は見られなかった。なお、層間絶縁膜にフッ素を含有せ
しめたことにより、得られた絶縁膜の比誘電率が3.7
(1MHz)となり、従来の酸化シリコン膜の比誘電率
(4.0〜4.2)に比して約10%小さな値が得られ
た。
の多層配線構造について図面を参照して説明する。この
第2の実施例では、銅配線表面の酸化をさらによく防止
するために、銅配線の表面全体を窒化チタン膜、チタン
含有タングステン膜で保護する構成を採用している。
(e)は夫々、本発明の実施例の半導体装置の製造方法
を順次に示す、半導体装置の2層配線構造の断面図であ
る。まず、シリコン基板1上に、厚さ約0.5μmの酸
化シリコン膜2を形成し、このシリコン膜2の上に配線
膜を成す、厚さ約0.05μm の第1のチタン膜4、厚
さ約0.1μmの第1の窒化チタン膜5、厚さ約0.8
μmの第1の銅膜6及び厚さ約0.2μmの第1のチタン
含有タングステン膜8を、夫々スパッタ法によって順次
に形成する。この配線膜全体をパターニングして銅配線
層を含む第1の配線パターンを形成して、図3(a)に
示す構造を得る。
さ約0.2μmの第2のチタン含有タングステン膜10
をスパッタ法によって形成した後に、これをCF 4ガス
とO2ガスとを用いる反応性イオンエッチングによって
エッチバックし、同図(C)に示した第1のサイドウォ
ール10aを形成する。続いて、厚さ約0.5μmの第
1のフッ素含有酸化シリコン膜11、厚さ約0.3μm
のフッ素含有スピンオングラス膜12、厚さ約0.4μ
mの第2のフッ素含有酸化シリコン膜13から成る第1
の配線パターンを第1の実施例での条件と同じ条件で形
成する。これにより、同図(C)に示す構造を得る。
置にスルーホール14を形成する。次いで、厚さ約0.
05μm の第2のチタン膜15、厚さ約0.1μmの第
2の窒化チタン膜16、厚さ約0.8μm の第2の銅膜
17、厚さ約0.2μmの第3のチタン含有タングステ
ン膜18から成る第2の配線パターンを形成した後に、
厚さ約0.2μmのチタン含有タングステン膜からなる
第2のサイドウオール19aを形成することで、同図
(e)に示す構造を得る。
られた2層銅配線構造においては、第1の実施例で述べ
たと同等な結果が得られた。なお、銅膜上にチタン含有
タングステン膜を形成したことから、スルーホールの接
続抵抗は、直径0.8μmのスルーホールの場合で約1
8mΩと、第1の実施例におけるスルーホールより高い
値であったが、実用上差し支えない抵抗値が得られた。
法について同様に図面を参照して説明する。図5(a)
〜(c)及び図6(d)、(e)は夫々、この半導体装
置の製造方法を実施した工程段階を順次に示す断面図で
ある。まず、シリコン基板1上に、厚さ約0.5μmの
酸化シリコン膜2を形成し、その上に、厚さ約0.05
μm の第1のチタン膜4、厚さ約0.1μmの第1の窒
化チタン膜5、厚さ約0.8μmの第1の銅膜6をスパ
ッタ法によって順次に形成した後に、この配線膜から、
フォトレジスト膜9をマスクとしたフォトリソグラフィ
技術によって第1の配線パターンを形成することで図5
(a)に示す構造を得た。
ジスト膜9をそのまま残した状態で35°Cの温度で過
飽和状態のケイフッ化水素酸水溶液を用いた液相成長法
によって、パターン配線の各配線6間の隙間に厚さ約
0.9μmのフッ素含有酸化シリコン膜11を選択的に
形成した。過飽和状態のケイフッ化水素酸水溶液を用い
る液相成長法によりフッ素含有酸化シリコン膜を形成す
る方法は、特開平1−158589号公報、特開平1−
236544号公報及び特開平1−315784号公報
に記載されている。この方法は、フッ素の触媒作用によ
って低温において良質な膜形成を可能とする。
ジスト膜9を有機溶剤などで除去した後に、厚さ0.8
μmの第2のフッ素含有酸化シリコン膜13を全面に形
成した。ここで、第2のフッ素含有酸化シリコン膜13
は、トリエトキシフルオロシラン〔FSi(OC
2 H 5 ) 3 〕ガスと酸素ガス(酸化性ガス)とを用いる
プラズマ化学気相成長法によって、実施例1及び2と同
条件で形成した。
置にスルーホール14を形成した後に、厚さ約0.05
μm の第2のチタン膜15、厚さ約0.1μmの第2の
窒化チタン膜16、厚さ約0.8μmの第2の銅膜17
から成る第2の配線パターンを、第1の配線パターンの
形成と同様な工程で、所定の位置に形成した。
体装置の2層配線構造においては、第1のフッ素含有酸
化シリコン膜を選択的に配線間隙のみに形成したことに
より、層間絶縁膜において良好な平坦度が得られた。こ
の実施例で得られた半導体装置についての特性評価を行
ったところ、実施例1と同様に良好な結果が得られた。
置で銅配線の下層に形成している窒化チタン膜と、実施
例2の半導体装置で銅配線の上層及び側壁に形成してい
るチタン含有タングステン膜とは、何れも、チタン含有
タングステン膜、窒化チタン膜、チタン膜、タンタル膜
のうちから少なくとも1つを選択することでよい。ま
た、実施例1〜実施例3における製造方法では、いずれ
も、銅膜の形成にスパッタ法を用いたが、この他に化学
気相成長法或いはメッキ法などを採用してもよい。
における層間絶縁膜の形成法としては、アルコキシフル
オロシラン〔化学式F n Si(OR) 4−n 、R:アル
キル基、n:1、2、3〕ガスと酸化性ガスとを用いる
化学気相成長法、アルコキシフルオロシランをスピンオ
ングラス膜内に拡散する方法、過飽和のケイフッ化水素
酸水溶液を用いる液相成長法の何れを用いても、また、
これらを組み合わせてもよい。
して2層配線構造を挙げたが、3層以上の多層銅配線構
造も同様に上記方法により製造できる。層間絶縁膜の平
坦化方法としては、エッチバック法や機械化学的研磨法
を併用することも可能である。
50°C以下にまで低減できるため、層間絶縁膜下層の
配線パターンの銅配線層表面の酸化が防止できる。従っ
て、スルーホールの接続抵抗の低減が可能となり、高い
製造歩留りを実現できる。また、フッ素含有スピンオン
グラス膜、或いは、液相成長によるフッ素含有酸化シリ
コン膜の選択成長法を用いることによって、層間絶縁膜
の平坦化が可能となり、層間絶縁膜上層の配線パターン
の断線や短絡を防止できる。このため、多層配線構造の
信頼性の向上が可能となる。
ングラス膜中にフッ素を含有していることから、これら
の比誘電率を3.7に低減できるため、配線の寄生容量
が低下して信号処理速度の高速化も可能になる。
置の多層配線構造及び本発明の製造方法で得られた半導
体装置では、フッ素含有酸化シリコン膜を、銅配線層を
含む配線パターン間の層間絶縁膜として採用することに
より、銅配線層に生ずる酸化を防止してその接続抵抗の
増大を抑え、また、比誘電率を減少させたことにより、
信号処理速度を向上させることが出来るので、信頼性及
び歩留りが高く高速作動が可能な半導体装置を提供でき
たという顕著な効果を奏する。
導体装置の多層配線構造を製造する工程段階部分を順次
に示す半導体装置の断面図。
の実施例の多層配線構造を製造する工程段階部分を順次
に示す半導体装置の断面図。
導体装置の多層配線構造を製造する工程段階部分を順次
に示す半導体装置の断面図。
半導体装置の多層配線構造を製造する工程段階部分を順
次に示す半導体装置の断面図。
導体装置の多層配線構造を製造する工程段階部分を順次
に示す半導体装置の断面図。
半導体装置の多層配線構造を製造する工程段階部分を順
次に示す半導体装置の断面図。
法における工程段階を順次に示す半導体装置の断面図。
法における工程段階を順次に示す半導体装置の断面図。
Claims (8)
- 【請求項1】 半導体基板の一主面上に絶縁膜を介して
形成され少なくとも銅配線層を含む第1の配線パターン
と、該第1の配線パターン上に形成されたフッ素含有酸
化シリコン膜と、該フッ素含有酸化シリコン膜上に形成
され少なくとも銅配線層を含む第2の配線パターンとを
備えることを特徴とする半導体装置の多層配線構造。 - 【請求項2】 前記第1及び第2の配線パターンの少な
くとも一方が、チタン含有タングステン膜、窒化チタン
膜、チタン膜及びタンタル膜の少なくとも1つを前記銅
配線層の下面に備えることを特徴とする請求項1に記載
の半導体装置の多層配線構造。 - 【請求項3】 前記第1及び第2の配線パターンの少な
くとも一方が、チタン含有タングステン膜、窒化チタン
膜、チタン膜及びタンタル膜の少なくとも1つを前記銅
配線層の上面に備えることを特徴とする請求項1又は2
に記載の半導体装置の多層配線構造。 - 【請求項4】 前記第1及び第2の配線パターンの少な
くとも一方が、チタン含有タングステン膜、窒化チタン
膜、チタン膜及びタンタル膜の少なくとも1つを前記銅
配線層の側面に備えることを特徴とする請求項1乃至3
の一に記載の半導体装置の多層配線構造。 - 【請求項5】 半導体基板の一主面上に形成された絶縁
膜上に、少なくとも銅配線層を含む第1の配線パターン
を形成する第1工程と、前記第1の配線パターン上にフ
ッ素含有酸化シリコン膜を成形する第2工程と、前記フ
ッ素含有シリコン膜上に、少なくとも銅配線層を含む第
2の配線パターンを形成する第3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。 - 【請求項6】 前記第1工程がフォトレジスト膜を利用
するパターニング工程を含み、前記第2工程が、前記フ
ォトレジスト膜を残した状態で第1のフッ素含有酸化シ
リコン膜を前記第1のパターン配線の配線空隙のみに選
択的に形成する工程と、前記フォトレジスト膜を除去し
て全面に第2のフッ素含有酸化シリコン膜を形成する工
程とを含むことを特徴とする請求項5に記載の半導体装
置の製造方法。 - 【請求項7】 前記第1工程及び第3工程が夫々、化学
気相成長法、スパッタ法、及び、メッキ法の少なくとも
1つで行なわれる工程を含むことを特徴とする請求項5
又は6に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】 前記第2工程が、化学式FnSi(O
R)4-nで表わされるアルコキシフルオロシランガス
(但し、Rはアルキル基を示し、nは1、2、3から選
ばれる数である)と酸化性ガスとを用いる化学気相成長
法、前記アルコキシフルオロシランガスをスピンオング
ラス膜に拡散せしめる方法、過飽和のケイフッ化水素酸
水溶液を用いる液相成長法の少なくとも1つが採用され
る工程を含むことを特徴とする請求項5乃至7の一に記
載の半導体装置の製造方法。
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JPH05226480A (ja) * | 1991-12-04 | 1993-09-03 | Nec Corp | 半導体装置の製造方法 |
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