JP3015752B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に係り、詳しくは、配線上に平坦化膜を形成する技
術に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体集積回路の更なる高集積化
を実現するために、配線の微細化、多層化を進めること
が要求されている。配線を多層化するには、各配線間に
層間絶縁膜を設けるが、その層間絶縁膜の表面が平坦で
ないと、層間絶縁膜の上部に形成された配線に段差が生
じて断線などの故障が引き起こされる。
【０００３】従って、層間絶縁膜の表面（すなわち、デ
バイスの表面）は可能な限り平坦化されていなければな
らない。このように、デバイスの表面を平坦化する技術
は、平坦化技術と呼ばれ、配線の微細化、多層化に伴っ
てますます重要になっている。平坦化技術において、よ
く用いられる層間絶縁膜としてＳＯＧ膜があり、特に層
間絶縁膜材料の流動性を利用した平坦化技術において盛
んな検討がなされている。
【０００４】ＳＯＧとは、シリコン化合物を有機溶剤に
溶解した溶液及びその溶液から形成される二酸化シリコ
ンを主成分とする膜の総称である。ＳＯＧ膜を形成する
には、まず、シリコン化合物を有機溶剤に溶解した溶液
を基板上に滴下して基板を回転させる。すると、その溶
液の被膜は、配線によって形成される基板上の段差に対
して、その凹部には厚く、凸部には薄く、段差を緩和す
るように形成される。その結果、その溶液の被膜の表面
は平坦化される。
【０００５】次に熱処理が施されると、有機溶剤が蒸発
すると共に重合反応が進行して、表面が平坦なＳＯＧ膜
が形成される。ＳＯＧ膜には、一般式（１）で表される
ように、シリコン化合物中に有機成分を含まない無機Ｓ
ＯＧ膜と、一般式（２）で表されるように、シリコン化
合物中に有機成分を含む有機ＳＯＧ膜とがある。
【０００６】［ＳｉＯ2］n ・・・（１） ［ＲXＳｉＯY］n ・・・（２） （ｎ，Ｘ，Ｙ：整数、Ｒ：アルキル基又はアリール基） 無機ＳＯＧ膜は、水分及び水酸基を多量に含んでいる上
に、ＣＶＤ(ChemicalVapor Deposition）法によって形
成されたシリコン酸化膜に比べて脆弱であり、膜厚を
０．５μｍ以上にすると熱処理時にクラックが発生しや
すいという欠点がある。
【０００７】一方、有機ＳＯＧ膜は、熱処理におけるク
ラックの発生が抑制され、膜厚を０．５〜１μｍ程度に
することができる。従って、有機ＳＯＧ膜を用いれば、
膜厚の大きな層間絶縁膜を得ることができ、基板上の大
きな段差に対しても十分な平坦化が可能になる。このよ
うに、無機ＳＯＧ膜や有機ＳＯＧ膜は、非常に優れた平
坦性を有するが、上述したように無機ＳＯＧ膜は、水分
及び水酸基を多量に含んでいるために、金属配線などに
悪影響を与え、電気的特性の劣化、腐食などの問題が生
じる恐れがある。
【０００８】また、無機ＳＯＧ膜に比べれば少ないもの
の、有機ＳＯＧ膜にも水分及び水酸基が含まれているた
め、同様の問題を有する。そこで、通常は、ＳＯＧ膜を
層間絶縁膜に採用する場合において、水分及び水酸基を
比較的遮断する性質に加えて絶縁性及び機械的強度が高
い性質を持つ、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成さ
れたシリコン酸化膜などの絶縁膜をＳＯＧ膜の上層又は
下層に介在させることが行われている（例えば、特開平
５−２２６３３４号公報（Ｈ０１Ｌ２１／３２０５）参
照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来例にあっては、プ
ラズマＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜自身
の耐水能力は、ＳＯＧ膜よりは優れているが、完全では
なく、このシリコン酸化膜を設けたからといって、万全
の耐水効果を得るまでには至っていない。本発明は、半
導体装置の製造方法に関し、平坦性及び絶縁特性に優れ
た層間絶縁膜を得ると共に、半導体装置としての信頼性
を高めることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の半導体装置の
製造方法は、基板上に形成された導電層の上に第１の絶
縁膜としてのＳＯＧ膜を形成する工程と、この第１の絶
縁膜に不純物イオンを注入することにより膜中に含まれ
る水分や水酸基が減少するよう改質する工程とを備え、
前記第１の絶縁膜を形成する工程に先立ち、前記導電層
の上に、前記第１の絶縁膜に注入される不純物が導電層
内に侵入することを実質的に防止するための膜を形成す
る工程を更に備え、前記導電層と前記膜とは同一のマス
クでパターニングされていることをその要旨とする。
【００１１】請求項２の半導体装置の製造方法は、請求
項１の発明において、前記侵入防止膜は、シリコン酸化
物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン、タン
グステン、チタンタングステン合金、チタン窒化物、タ
ングステン窒化物からなるグループより選ばれた少なく
とも１つの材料を含むことをその要旨とする。
【００１２】請求項３の半導体装置の製造方法は、請求
項１の発明において、前記第１の絶縁膜を形成する工程
に先立って、デバイス表面に第２の絶縁膜を形成する工
程を行うことをその要旨とする。
【００１３】請求項４の半導体装置の製造方法は、請求
項３の発明において、前記第２の絶縁膜は、前記第１の
絶縁膜よりも吸湿性の低い膜からなることをその要旨と
する。
【００１４】請求項５の半導体装置の製造方法は、請求
項１の発明において、前記第１の絶縁膜に不純物を導入
する工程の後に、前記第１の絶縁膜の上に第３の絶縁膜
を形成することをその要旨とする。
【００１５】請求項６の半導体装置の製造方法は、請求
項１の発明において、前記不純物を導入する工程は、イ
オン注入法などのように、不純物に運動エネルギーを与
えて前記第１の絶縁膜に導入する工程であることをその
要旨とする。
【００１６】請求項７の半導体装置の製造方法は、請求
項６の発明において、前記不純物は、アルゴン、ボロ
ン、窒素、リンからなるグループより選ばれた少なくと
も一つの元素を含むことをその要旨とする。すなわち、
ＳＯＧ膜からなる第１の絶縁膜にイオン注入などの手法
によって、不純物を含有させることにより、膜が改質さ
れて、膜に含まれる水分や水酸基が減少し且つ膜が吸水
しにくくなる。
【００１７】更に、導電層の上に層内に不純物が侵入す
ることを防止するための膜を設けたことにより、この膜
により不純物が導電層に到達しにくい。尚、配線の上に
絶縁膜を形成し、その上にＳＯＧ膜を形成し、ＳＯＧ膜
及び絶縁膜にイオンを注入することが特開平２−２３５
３５８号公報（Ｈ０１Ｌ２１／９０）に示されている。
しかしながら、この公報にはイオン注入によってＳＯＧ
膜に含まれる水分及び水酸基を減少させる旨の具体的な
記載はないばかりか、配線の上に配線上方から配線内に
イオンが侵入することを実質的に防止するための膜を設
けことについて全く記載されていない。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明を具体化した実施形態を図
面に従って説明する。図１は本実施形態における半導体
装置の断面図である。図において、１はシリコン基板、
２は素子分離用のＬＯＣＯＳ膜、３はゲート電極、４は
ＬＯＣＯＳ膜２やゲート電極３を覆うように形成された
シリコン酸化膜、５はＳｉ酸化膜４の上にパターン形成
された金属配線、６は金属配線４の上面に形成されたス
ペーサ、７はＳｉ酸化膜４、金属配線５及びスペーサ６
を覆うように形成されたシリコン酸化膜、８はシリコン
酸化膜７上に形成された有機ＳＯＧ膜である。この有機
ＳＯＧ膜８にはアルゴンイオン（Ａｒ+）９が注入され
ている。
【００１９】図２〜図４は図１に示す半導体装置の製造
プロセスを示す断面図である。以下、これらの図に基づ
いて説明する。 工程１（図２ａ参照）：（１００）ｐ型単結晶シリコン
基板１の表面に、シリコン酸化膜４（膜厚３００〜８０
０ｎｍ）を形成する。このＳｉ酸化膜４により、Ｓｉ基
板１上のゲート電極などの素子を覆う。また、その形成
にはどのような方法（酸化法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法な
ど）を用いてもよい。
【００２０】Ｓｉ酸化膜４の上に、マグネトロンスパッ
タ法を用いて金属配線層１０を形成する。この金属配線
層１０は、例えば、ＴｉＮ（膜厚２０ｎｍ）／Ｔｉ（膜
厚３０ｎｍ）／ＡｌＳｉＣｕ合金（膜厚５５０ｎｍ）／
ＴｉＮ（膜厚１００ｎｍ）／Ｔｉ（膜厚５０ｎｍ）から
なる積層構造である。次に、プラズマＣＶＤ法を用い
て、金属配線層１０の上にシリコン酸化膜１１（膜厚：
２００ｎｍ）を形成する。尚、このプラズマＣＶＤ法で
用いるガスは、モノシランと亜酸化窒素（ＳｉＨ4＋Ｎ2
Ｏ）、モノシランと酸素（ＳｉＨ4＋Ｏ2）、ＴＥＯＳ
（Tetra-ethoxy-silane：Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）と酸素
（ＴＥＯＳ＋Ｏ2）などであり、成膜温度は３００〜９
００℃である。このシリコン酸化膜１１の膜厚は下地段
差に応じて、段差が大きければ厚く、段差が小さければ
薄く調整される。
【００２１】工程２（図２ｂ参照）：同一のフォトレジ
ストマスク（図示略）を用いて、シリコン酸化膜１１及
び金属配線層１０を同時にエッチングすることにより、
金属配線層１０は金属配線５として、シリコン酸化膜１
１はスペーサ６として加工する。エッチングは例えば反
応性イオンエッチング法（Reactive Ion Etching:RIE）
を用い、シリコン酸化膜１１はフッ素系ガス（ＣＦ4、
ＣＨＦ3など）を含むガスを使用し、金属配線層１０は
塩素系ガス（Ｃｌ2、ＢＣｌ3など）を含むガスを使用す
る。
【００２２】工程３（図２ｃ参照）：工程２で形成した
デバイスの表面に、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコ
ン酸化膜７（膜厚３００ｎｍ）を形成する。このシリコ
ン酸化膜７の形成条件は、シリコン酸化膜１１と同じで
ある。 工程４（図３ｄ参照）：シリコン酸化膜７の上に有機Ｓ
ＯＧ膜８を形成する。有機ＳＯＧ膜８の組成は［ＣＨ3
Ｓｉ（ＯＨ）3］で、パターンが存在しない場合での総
膜厚は４００ｎｍである。
【００２３】その形成方法は、まず、前記組成のシリコ
ン化合物のアルコール系溶液（例えば、ＩＰＡ＋アセト
ン）を基板１の上に滴下して基板を回転速度：２３００
rpmで２０秒間回転させ、この溶液の被膜を基板１の上
に形成する。このとき、そのアルコール系溶液の被膜
は、基板１の上の段差に対して、その凹部には厚く、そ
の凸部には薄く、段差を緩和するように形成される。そ
の結果、アルコール系溶液の被膜の表面は平坦化され
る。
【００２４】次に、窒素雰囲気中において、１００℃で
１分間、２００℃で１分間、３００℃で１分間、２２℃
で１分間、３００℃で３０分間、順次熱処理を施すと、
アルコール系が蒸発すると共に重合反応が進行して、表
面が平坦な膜厚２００ｎｍの有機ＳＯＧ膜が形成され
る。この被膜形成〜熱処理作業をもう１回繰り返すこと
により、膜厚４００ｎｍの有機ＳＯＧ膜８を得る。この
有機ＳＯＧ膜８は、炭素を１％以上含むシリコン酸化物
である。
【００２５】工程５（図３ｅ参照）：イオン注入法を用
いて、アルゴンイオン（Ａｒ+）を有機ＳＯＧ膜８にド
ープする。このように、有機ＳＯＧ膜８にイオンを注入
することで、膜中の有機成分を分解させると共に、膜中
に含まれる水分及び水酸基を減少させる。その結果、有
機ＳＯＧ膜８は、有機成分が含まれず、水分及び水酸基
が僅かしか含まれないＳＯＧ膜（以下、改質ＳＯＧ膜と
いう）８ａに変えられる。
【００２６】ここで、ＳＯＧ膜は配線間の層間絶縁膜と
して用いられるので、後工程で、このＳＯＧ膜に、金属
配線５に通じるビアホールを、ドライエッチングにより
形成する場合がある。イオン注入していないＳＯＧ膜を
ドライエッチングした場合、エッチングに晒された面が
非常に水分を吸収しやすくなって、結果的にこの部分に
含まれる水分や水酸基の量が多くなる。これにより、ビ
アホール内で金属配線５と接続される上層金属配線が腐
食したり電気的特性が劣化するなどの問題が発生する危
惧がある。
【００２７】一方、金属配線５の側面は、ビアホール形
成後もシリコン酸化膜７でカバーされているため、ＳＯ
Ｇ膜に含まれる水分や水酸基に対しては一応隔離されて
いる。従って、本実施形態においては、少なくとも金属
配線５の上部に位置する有機ＳＯＧ膜８の改質がもっと
も重要となる。
【００２８】従って、イオン注入の条件は、金属配線５
上に堆積された有機ＳＯＧ膜８の膜厚がもっとも厚い個
所が十分に改質できるほどに設定する必要がある。そこ
で、ここでのイオン注入条件としては、例えば、加速エ
ネルギー：１４０KeV、ドーズ量：１×１０15／ｃｍ2を
用いている。ところで、説明の便宜上、図２や図３では
金属配線５を完全に平坦な下地面の上に形成している
が、実際の半導体プロセスでは、基板１上に形成された
各素子による凹凸がシリコン酸化膜４にも反映され、金
属配線５は完全な平坦面には形成されず、図１のよう
に、凹凸面を有する下地層間絶縁膜（シリコン酸化膜
４）の上に形成されることになる。仮に、図１におい
て、スペーサ６が存在しないと、図１１に示すように、
下地面が凹部のところに形成された金属配線５上の有機
ＳＯＧ膜８の膜厚（図１１Ａ部）と、下地面が凸部のと
ころに形成された金属配線５上の有機ＳＯＧ膜８の膜厚
（図１１Ｂ部）とが異なるので、Ａの部分の膜質を改善
するための条件でイオン注入を行うと、Ｂの部分では有
機ＳＯＧ膜８（改質ＳＯＧ膜８ａ）及びシリコン酸化膜
７をつき抜けて、イオンが金属配線５にまで達し、配線
の信頼性が低下する問題がある。
【００２９】図５はＴｉＮ／Ｔｉ／ＡｌＳｉＣｕ／Ｔｉ
Ｎ／Ｔｉの積層構造から成る金属配線に、各種のイオン
を注入したときの平均断線時間を測定したものである。
測定は、電流密度３×１０6Ａ／ｃｍ2、基板温度：２５
０℃、配線幅：４μｍ、配線長：１０００μｍの条件で
行い、イオン注入していない配線の測定値を１としたと
きの相対値を求めた。
【００３０】図５より明らかなように、配線中のＡｌ合
金層にイオンが注入されることにより平均断線時間が短
くなることが分かる。特に、アルゴン（Ａｒ）、フッ素
（Ｆ）、フッ化ボロン（ＢＦ2）を用いた場合には、そ
の結果が顕著である。尚、一般的に、プラズマＣＶＤ法
を用いて形成されたシリコン酸化膜は、そのステップカ
バレージ（被覆段差性）に限界があり、配線間スペース
が狭い場所では、シリコン酸化膜を隙間なく充填するこ
とができず、このスペース部にボイドが発生し、素子の
信頼性に悪影響を及ぼす危惧がある。
【００３１】前記シリコン酸化膜７の膜厚を予め厚くし
て、どのような場合でも金属配線５にイオンが届かない
ようにすることも考えられるが、このシリコン酸化膜７
の膜厚をあまり厚くすると、金属配線５間のスペースが
狭い場合にシリコン酸化膜７の形成後又は有機ＳＯＧ膜
８の形成後にボイドが形成される恐れがあり、配線ルー
ルの微細化に対応しにくい。
【００３２】本実施形態にあっては、金属配線５の上に
スペーサ６を設けているので、上述のように膜厚の厚い
個所の有機ＳＯＧ膜８を改質できるほどの条件に設定し
ても、有機ＳＯＧ膜８上部の膜厚が薄い個所において、
注入イオンが金属配線５のＡｌＳｉＣｕ合金層まで達す
ることはない。尚、金属配線５の側方に存在する有機Ｓ
ＯＧ膜８は、上述したようにシリコン酸化膜７の存在に
より、この場合、特に改質を必要としない（もちろん、
この部分も改質した方が望ましい）。
【００３３】工程６（図３ｆ参照）：プラズマＣＶＤ法
を用いて、改質ＳＯＧ膜８ａの上にシリコン酸化膜１２
（膜厚２００ｎｍ）を形成する。このシリコン酸化膜１
２の形成条件は、シリコン酸化膜７，１１と同じであ
る。 工程７（図４ｇ参照）：四フッ化炭素と水素の混合ガス
系をエッチングガスとして用いる異方性エッチングを行
い、金属配線５に通じるビアホール１３を形成する。
【００３４】工程８（図４ｈ参照）：不活性ガス（例え
ばＡｒ）を用いたスパッタエッチングによって、ビアホ
ール１３内をクリーニングした後、ブランケットタング
ステンＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜１２及びビア
ホール１３内にタングステン（Ｗ）を形成し、更に、こ
れをシリコン酸化膜１２が露出するまでエッチバックす
ることにより、ビアホール１３内にタングステンプラグ
１４を形成する。
【００３５】更に、マグネトロンスパッタ法を用いて、
全面に、Ａｌ合金膜（Ａｌ−Ｓｉ（１％）−Ｃｕ（０．
５％））（膜厚５００ｎｍ）、Ｔｉ膜（膜厚５０ｎｍ）
及びＴｉＮ膜（膜厚２０ｎｍ）を順次下から形成する。
そして、通常のリソグラフィ技術、ドライエッチング技
術（ＲＩＥ法等）により、レジスト（図示略）塗布、露
光、エッチング作業を経て、アルミ合金膜、Ｔｉ膜及び
ＴｉＮ膜を所定形状にパターニングして、上層金属配線
１５を形成する。こうして、金属配線５と上層金属配線
１５とがタングステンプラグ１４を介して電気的に接続
される。
【００３６】図６は本実施形態におけるスペーサ６を使
用する構造を採用し、図５と同様の条件で実験を行った
結果を示している。図から明らかなように、有機ＳＯＧ
膜８へのイオン注入工程を用いても、金属配線５の信頼
性には影響がないことが分かる。また、プラズマＴＥＯ
Ｓ酸化膜７の膜厚も必要最小限でよいので、微小配線間
への充填も問題なく行え、配線間スペースの微細化にも
有効である。
【００３７】尚、図７はスペーサ６の膜厚によって配線
へのイオン侵入防止効果に変化があるかどうかを実験に
より調べた結果を示している。試料として、ＴｉＮ（膜
厚１４０ｎｍ）／Ａｌ（膜厚４００ｎｍ）／ＴｉＮ／Ｔ
ｉ構造の配線の上に、スペーサ６と同じ材質のプラズマ
ＴＥＯＳ酸化膜（ＰＥ−ＴＥＯＳ）を形成したものを準
備し、このＰＥ−ＴＥＯＳにホウ素イオンを、加速エネ
ルギー：１４０KeV、ドーズ量：１×１０15／ｃｍ2の条
件で注入した。
【００３８】そして、ＰＥ−ＴＥＯＳの膜厚を変化させ
たときの配線の平均故障時間（平均寿命ともいう）（MT
TF:Mean Time To Failure ）を測定した。尚、測定は、
電流密度３×１０6Ａ／ｃｍ2、基板温度：２５０℃の条
件で行った。この図より、ＰＥ−ＴＥＯＳの膜厚が大き
いほどイオンの侵入防止効果が大きくなることが分か
る。言い換えれば、効果の大小はあるが、ＰＥ−ＴＥＯ
Ｓ（スペーサ６）が存在することにより、イオンの侵入
防止効果を得ることができる。尚、図において、ＰＥ−
ＴＥＯＳの膜厚が２００ｎｍ以上になるとＭＴＴＦが変
化しなくなっているのは、この膜厚で、イオンの侵入を
完全に阻止しているためである。
【００３９】また、本実施形態において、シリコン酸化
膜７、改質ＳＯＧ膜８ａ及びシリコン酸化膜１２からな
る３層構造の層間絶縁膜を採用しているのは、層間絶縁
膜全体としての絶縁性及び機械的強度を更に高めるため
でもある。また、一般に、プラズマＣＶＤ法で形成した
シリコン酸化膜は、それ自体、有機ＳＯＧ膜に比べて吸
湿性が低く、耐水性にも優れているが、このシリコン酸
化膜にイオンを注入することで、若干吸湿性が高くなる
（それでも有機ＳＯＧ膜よりは遥かに低い）。シリコン
酸化膜７の吸湿性が若干高くなるぶんには、上層に吸湿
性が少なく、耐水性にも優れた改質ＳＯＧ膜８ａが存在
するので、あまり問題にならないが、シリコン酸化膜１
２の吸湿性が高くなると、上層金属配線１４に悪影響を
与えるので、シリコン酸化膜１２は、極力吸湿性が低い
方がよい。従って、本実施形態では、有機ＳＯＧ膜８へ
のイオン注入後にシリコン酸化膜１２を形成すること
で、シリコン酸化膜１２の吸湿性が高まることを防止し
ている。
【００４０】また、改質ＳＯＧ膜８ａには有機成分が含
まれていないため、ビアホール１３を形成するためのエ
ッチングを、四フッ化炭素と水素の混合ガス系の雰囲気
中で行うことができる。そのため、このエッチングにお
いて、エッチングマスクとしてフォトレジストを用いた
場合でも、そのフォトレジストが侵されることはなく、
そのフォトレジストでマスクされている改質ＳＯＧ膜８
ａがエッチングされることもない。従って、微細なビア
ホール１３を正確に形成することができる。
【００４１】更に、改質ＳＯＧ膜８ａには有機成分が含
まれていないため、改質ＳＯＧ膜８ａのエッチングレー
トは各シリコン酸化膜７，１１，１２と同じになる上
に、エッチングマスクとして用いたフォトレジストを除
去する際のアッシング処理時に改質ＳＯＧ膜８ａが収縮
することもない。そのため、改質ＳＯＧ膜８ａにクラッ
クが生じることはなく、ビアホール１３を形成する際に
リセスが発生することはない。従って、ビアホール１３
内にタングステンプラグ１４を十分に埋め込むことが可
能になる。
【００４２】尚、改質ＳＯＧ膜８ａには有機成分が含ま
れず、水分及び水酸基が僅かしか含まれない上に、改質
後もクラックが発生しないから、各シリコン酸化膜７，
１２のいずれか一方又は双方を省くこともできる。図８
は有機ＳＯＧ膜８(未処理：unimplanted)及び改質ＳＯ
Ｇ膜８ａ(イオン注入処理：Ar+-implanted)のそれぞれ
に窒素雰囲気で３０分間の熱処理を施し、ＴＤＳ法(The
rmal Desorption Spectroscopy)を用いて評価した結果
を示している。尚、イオン注入条件は、加速エネルギ
ー：１４０KeV、ドーズ量：１×１０15atoms/cm2であ
る。
【００４３】この図は、Ｈ2Ｏ（ｍ／ｅ＝１８）に関す
る脱離量を表したものであり、図から明らかなように、
改質ＳＯＧ膜８ａはＨ2Ｏ（ｍ／ｅ＝１８）に関する脱
離が少ないことが分かる。このことは、有機ＳＯＧ８に
イオン注入を行って、改質ＳＯＧ膜８ａとすることによ
り、有機ＳＯＧ膜８に含まれる水分及び水酸基が減少す
ることを示している。
【００４４】図９は有機ＳＯＧ膜８及び改質ＳＯＧ膜８
ａの吸湿性を調べる目的で、有機ＳＯＧ膜８(no treatm
ent)、有機ＳＯＧ膜８を酸素プラズマに晒したもの(O2
Plasma)及び改質ＳＯＧ膜８ａ(Ar+)をクリーンルーム内
で大気中に放置し、膜中の水分を評価した結果を示して
いる。膜中の水分量は、ＦＴ−ＩＲ法(Fourier Transfo
rm Infrared Spectroscopy)を用いて、赤外吸収スペク
トルのＯ−Ｈ基に関する吸収（３５００cm-1付近）の面
積強度を指標とした。イオン注入条件は、加速エネルギ
ー：１４０KeV、ドーズ量：１×１０15atoms/cm2であ
る。
【００４５】酸素プラズマに晒した場合、処理前後での
水分増加だけでなく、１日後でも水分が増加しているこ
とが分かる。一方、改質ＳＯＧ膜８ａは、イオン注入後
に増加していないだけでなく、クリーンルーム内で大気
に放置しても、有機ＳＯＧ膜８に比べて水分の増加は小
さい。即ち、改質ＳＯＧ膜８ａは、有機ＳＯＧ膜８に比
べて吸湿性が低いことが分かる。
【００４６】図１０は改質ＳＯＧ膜８ａ及び有機ＳＯＧ
膜８の水分の透過性を調べる目的で、プレッシャー・ク
ッカー試験（ＰＣＴ）（加湿試験のことで、本実施形態
では、条件として、１２０℃、２気圧の飽和水蒸気雰囲
気で行った）した結果を示している。ＦＴ−ＩＲ法を用
いて、有機ＳＯＧ膜８中のＯ−Ｈに関する吸収ピーク
（３５００cm-1付近）の面積強度を求め、ＰＣＴ時間と
の関係をプロットした。
【００４７】イオン注入法を用いて表面だけを改質した
試料（Ａｒ+２０KeV）を作製し、膜全体を改質したもの
（Ａｒ+１４０KeV）や改質しなかったもの（有機ＳＯＧ
膜８：Untreatment）と比較した結果、以下のことが分
かった。 （１）改質していない有機ＳＯＧ膜８をＰＣＴした場
合、３５００cm-1付近（Ｏ−Ｈ基に関する）の吸収強度
が劇的な増加を示す。
【００４８】（２）改質ＳＯＧ膜８ａでは、３５００cm
-1付近（Ｏ−Ｈ基に関する）の吸収強度の増加は小さ
い。膜表面だけを改質した試料でも、膜全体を改質した
ものと同程度である。以上の結果から、イオンを注入す
ることで、水分の透過性を抑制する層を形成できること
が分かる。
【００４９】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく、以下のように実施しても同様の作用効果を得
ることができる。 １）工程４〜工程６のいずれか又は全ての工程の後に、
改質ＳＯＧ膜８ａやシリコン酸化膜１２を全面エッチバ
ックしたり、（例えば、化学的・機械的研磨法（Chemic
al Mechanical Polishing：ＣＭＰ 法）を用いて）研磨
したりする。これにより、膜の平坦性が向上する。この
場合、予め膜厚を若干厚く設定しておいて、エッチバッ
クや研磨により所定の膜厚にすることが望ましい。
【００５０】２）シリコン酸化膜１１（スペーサ６）に
代えて、シリコン窒化膜、高融点金属、高融点金属化合
物など注入されたイオンが金属配線５中のＡｌＳｉＣｕ
合金に達するのを阻止することのできる材質を用いる。
特に、高融点金属やその化合物を用いると、配線の信頼
性向上、コンタクト部の信頼性向上という利点がある。
【００５１】高融点金属とは、チタンが代表的である
が、モリブデン、タングステン、タンタル、ハフニウ
ム、ジルコニウム、ニオブ、バナジウム、レニウム、ク
ロム、プラチナ、イリジウム、オスミウム、ロジウムを
も含むものである。尚、特性の良さ、入手の容易さなど
の実用的見地から、スペーサ６としては、シリコン酸化
物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン、タン
グステン、チタンタングステン合金、チタン窒化物、タ
ングステン窒化物が適している。
【００５２】３）シリコン酸化膜１１（スペーサ６）に
代えて、金属配線５の最上層として用いたＴｉＮ／Ｔｉ
層を兼用させてもよい。この場合は、ＴｉＮ／Ｔｉ層の
膜厚を、イオンが金属配線５中のＡｌＳｉＣｕ合金に達
するのを阻止することのできる程度に設定する必要があ
る。尚、ＴｉＮ／Ｔｉ層に代えて、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｗ、
ＴｉＷ、ＷＮXの各単層又は積層構造を用いてもよい。
【００５３】４）有機ＳＯＧ膜８に代えて無機ＳＯＧ膜
を用い、この無機ＳＯＧ膜にイオン注入を行う。この場
合には、無機ＳＯＧ膜に含まれる水分及び水酸基を減少
させることができる。 ５）シリコン酸化膜７、１１、１２などのシリコン酸化
膜に代えて、プラズマＣＶＤ法以外の方法（常圧ＣＶＤ
法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、光励起Ｃ
ＶＤ法、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法、ＰＶＤ法など）によって
形成されたシリコン酸化膜を用いる。
【００５４】６）上記実施形態では、有機ＳＯＧ膜８に
注入するイオンとしてアルゴンイオンを用いたが、結果
として有機ＳＯＧ膜８を改質するものであればどのよう
なイオンを用いてもよい。具体的には、アルゴンイオ
ン、ホウ素イオン、窒素イオンなどの質量の比較的小さ
いイオンが適しているが、これら以外にも以下に示すイ
オンも十分に効果が期待できる。
【００５５】：アルゴン以外の不活性ガスイオン（ヘリ
ウムイオン、ネオンイオン、クリプトンイオン、キセノ
ンイオン、ラドンイオン）。不活性ガスは有機ＳＯＧ膜
８と反応しないため、イオン注入によって悪影響が生じ
る恐れが全くない。 ：ホウ素及び窒素以外のIII b,IV b,Ｖ b,VI b,VII bの
各族の元素単体イオン及びそれらの化合物イオン。特
に、酸素、アルミ、イオウ、塩素、ガリウム、ゲルマニ
ウム、ヒ素、セレン、臭素、アンチモン、ヨウ素、イン
ジウム、スズ、テルル、鉛、ビスマスの元素単体イオン
及びそれらの化合物イオン。
【００５６】この中で、金属元素イオンについては、イ
オン注入後の有機ＳＯＧ膜８の誘電率を低く抑えること
ができる。 ：IVa族,Ｖa族の元素単体イオン及びそれらの化合物イ
オン。特に、チタン、バナジウム、ニオブ、ハフニウ
ム、タンタルの元素単体イオン及びそれらの化合物イオ
ン。IVa族,Ｖa族の元素の酸化物は誘電率が高いため、
イオン注入後の有機ＳＯＧ膜８の誘電率も高くなるが、
特に低い誘電率の層間絶縁膜が要求される場合以外には
実用上問題ない。
【００５７】：各イオンを複数種類組み合わせて用い
る。この場合、各イオンの相乗作用により更に優れた効
果を得ることができる。 ７）上記実施形態では、有機ＳＯＧ膜８にイオンを注入
しているが、イオンに限らず、電子、原子、分子、粒子
でもよい（本発明ではこれらを総称して不純物とす
る）。
【００５８】８）スパッタリングの方法として、マグネ
トロンスパッタリング以外に、ダイオードスパッタリン
グ、高周波スパッタリング、四極スパッタリング等のよ
うなものであってもよい。 ９）スパッタエッチングの方法として、不活性ガスを用
いる以外に、反応性ガス（例えばＣＣｌ4、ＳＦ6）を用
いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ、反応性
イオンミリングとも呼ばれる）を用いてもよい。
【００５９】
【発明の効果】本発明にあっては、第１の絶縁膜に不純
物を含有させることにより、膜が改質されて、膜に含ま
れる水分や水酸基が減少し且つ膜が吸水しにくくなるの
で、これら水分による周辺素子への悪影響を防止するこ
とができる。更に、導電層の上に層内に不純物が侵入す
ることを実質的に防止するための膜を設けたことによ
り、この膜により不純物が導電層に到達しにくい。
【００６０】従って、平坦性及び絶縁特性に優れた絶縁
膜を得ると共に、半導体装置としての信頼性を高めるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の断面図で
ある。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造過程
を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造過程
を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造過程
を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態を説明するための特性図であ
る。
【図６】本発明の実施形態を説明するための特性図であ
る。
【図７】本発明の実施形態を説明するための特性図であ
る。
【図８】本発明の実施形態を説明するための特性図であ
る。
【図９】本発明の実施形態を説明するための特性図であ
る。
【図１０】本発明の実施形態を説明するための特性図で
ある。
【図１１】従来例の不具合点を説明するための半導体装
置の断面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板 ５ 金属配線（導電層） ６ スペーサ（侵入防止膜） ７ シリコン酸化膜（第２の絶縁膜） ８ 有機ＳＯＧ膜（第１の絶縁膜） ８ａ 改質ＳＯＧ膜 ９ アルゴンイオン（不純物） １０ 金属配線層（導電層） １２ シリコン酸化膜（第３の絶縁膜）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−26055（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−234149（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−317358（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−241891（ＪＰ，Ａ) 米国特許5429990（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/31 - 21/3213 H01L 21/768

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に形成された導電層の上に第１の
    絶縁膜としてのＳＯＧ膜を形成する工程と、この第１の
    絶縁膜に不純物イオンを注入することにより膜中に含ま
    れる水分や水酸基が減少するよう改質する工程とを備
    え、 前記第１の絶縁膜を形成する工程に先立ち、前記導電層
    の上に、前記第１の絶縁膜に注入される不純物が導電層
    内に侵入することを実質的に防止するための膜を形成す
    る工程を更に備え、 前記導電層と前記膜とは同一のマスクでパターニングさ
    れていることを特徴とした 半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記侵入防止膜は、シリコン酸化物、シ
    リコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン、タングステ
    ン、チタンタングステン合金、チタン窒化物、タングス
    テン窒化物からなるグループより選ばれた少なくとも１
    つの材料を含むことを特徴とした請求項１に記載の半導
    体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記第１の絶縁膜を形成する工程に先立
    って、デバイス表面に第２の絶縁膜を形成する工程を行
    うことを特徴とした請求項１に記載の半導体装置の製造
    方法。
  4. 【請求項４】 前記第２の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜
    よりも吸湿性の低い膜からなることを特徴とした請求項
    ３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記第１の絶縁膜に不純物を導入する工
    程の後に、前記第１の絶縁膜の上に第３の絶縁膜を形成
    することを特徴とした請求項１に記載の半導体装置の製
    造方法。
  6. 【請求項６】 前記不純物を導入する工程は、イオン注
    入法などのように、不純物に運動エネルギーを与えて前
    記第１の絶縁膜に導入する工程であることを特徴とした
    請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記不純物は、アルゴン、ボロン、窒
    素、リンからなるグループより選ばれた少なくとも一つ
    の元素を含むことを特徴とした請求項６に記載の半導体
    装置の製造方法。
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