JP3211950B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
Description
造方法に関し、特に、HSQ(HydrogenSil
sesquoxane:(HSiO3/2 )n )等の低誘
電率材料を用いたSOG(spin on glass )膜を層間絶
縁膜の一部に有する半導体装置とその製造方法に関する
ものである。
るSOG膜を層間絶縁層の一部に用いる手法が、配線層
などにより形成された基板表面の凹凸を緩和する有力な
手段として多用されている。しかし、従来のシラノール
系の材料を用いたSOG膜では、ベーク時の堆積収縮
が大きいためクラックが入りやすい、1回に形成でき
るSOG膜の膜厚が高々200nmであるため、厚いS
OG膜を得るには多数回のスピン塗布が必要となり工数
が増加する、誘電率はCVDSiO2 のそれとほぼ同
じであるため、配線間容量の低減化のためにはより低い
誘電率の材料が求められる、等が問題となっていた。こ
れらの問題を解決しうるものとして、HSQを用いたS
OG膜が提案され注目を集めている。
ization and Interconnect
Systems for ULSI Applicat
ions in 1995のpp.121−125にて
提案された、HSQからなるSOG膜を層間絶縁膜の一
部に用いた半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図
である。シリコン基板501上に、TEOS(Tetraeth
oxysilane )を材料ガスとするプラズマCVD法によ
り、下層の層間絶縁膜となるシリコン酸化膜502を堆
積し、その上に金属配線503を形成した後、TEOS
系材料を用いたプラズマCVD法により、ライナー酸化
膜504を形成する〔図5(a)〕。その後にHSQを
スピン塗布してHSQ−SOG膜505を形成し、焼成
する〔図5(b)〕。続いて、TEOSを用いたプラズ
マCVD法によりシリコン酸化膜506を形成し〔図5
(c)〕、その表面をCMPにより平坦化して上層の層
間絶縁膜507を得る〔図5(d)〕。なお、同様の製
法は、特開平7−240460号公報、特開平8−11
1458号公報にも記載されている。
層間絶縁膜の構造では、HSQの焼成時に下地のTEO
S系材料を用いたシリコン酸化膜からの水分の離脱が原
因でHSQ膜の誘電率が上昇してしまうという問題点が
あった。実験として、上記図5の構造と、層間絶縁膜の
全体を、高密度プラズマを用いたCVD法により堆積し
たシリコン酸化膜にて形成したものとを作成し、両者の
0.3ミクロンスペースの配線間容量を測定したとこ
ろ、前者の配線間容量が後者のそれの110%となって
しまう結果が得られた。すなわち、低誘電率膜である筈
のHSQ膜の方がシリコン酸化膜より誘電率が高くなっ
てしまう。これはHSQ焼成時に下地膜などから発生す
る水分がHSQ膜に侵入し、Si−H結合を減少させS
i−OH結合を増加させているためと考えられる。HS
Q膜の誘電率は、Si−H結合の量が少ないほど高くS
i−OH結合が多いほど高くなる傾向があり、HSQは
酸素を含む雰囲気で焼成するとその誘電率が高くなるこ
とが知られているが、これと同じ現象が起こっているも
のと推定される。HSQ膜に対する被覆膜の場合は下地
膜ほどは影響しないが、被覆膜に接触するHSQ膜の部
分では同様にSi−H成分の減少が起こりSi−OH結
合の増加が生じている。
を解決することであって、その目的は、HSQなどのS
i−H結合を含む低誘電率膜が焼成時に隣接する絶縁膜
から侵入してくる水分の影響によりSi−H結合が減少
してSi−OH結合が増加することを防止して、HSQ
膜などの低誘電率膜の誘電率が上昇することのないよう
にすることである。
め、本発明によれば、半導体基板上の第1の層間絶縁膜
上に配線層が形成され、その上に、Si−H結合を有す
る低誘電率絶縁層を含む第2の層間絶縁膜が形成されて
いる半導体装置において、前記低誘電率絶縁層の下層に
直接接して形成されている絶縁層はSiON膜であるこ
とを特徴とする半導体装置、が提供される。
と、 (2)前記第1の層間絶縁膜上に配線層を形成する工程
と、 (3)HSQ(ハイドロジェンシルセスキオキサン)ま
たはポリシラザン〔(SiHa Nb )n ;a=1〜3、
b=0〜1〕を用いたSOG膜とその上を被覆するCV
D絶縁層とを有し、前記第1の層間絶縁膜および前記配
線層上を被覆する第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
を具備する半導体装置の製造方法であって、前記第1の
層間絶縁膜の少なくとも最上層の部分に、SiH 4 を反
応ガスとしてCVD法にてSiON膜を形成することを
特徴とする半導体装置の製造方法、が提供される。
層には、SiH4 若しくはその一部の−H基をアルキル
基に置換した有機シランなどを用いた高密度プラズマC
VD法などにより形成された水分含有率の低いシリコン
酸化膜が用いられている。そのため、HSQをスピン塗
布した後のホットプレートによるベーキングとその後の
焼成炉内での焼成を経ても下地層からの水分の離脱は起
こらず、HSQ−SOG膜内に水分が侵入することはな
い。従って、HSQ膜内でのSi−H結合の減少および
Si−OH結合の増加は起こらず、低誘電率を維持した
状態のHSQ膜を形成することができる。続いて、その
上を覆う絶縁膜も水分量が少ないものを用いれば、この
上部絶縁膜とHSQ膜との界面周辺部での膜の劣化を防
止することができるため、HSQ膜の誘電率を一層安定
化することができる。また、ポリシラザンを用いた低誘
電率のSOG膜についても同様である。
て図面を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実
施の形態を示す断面図である。トランジスタなどが作り
込まれたシリコン基板101上に第1の層間絶縁膜10
2が形成されており、その上に金属配線103が形成さ
れている。その上部にはHSQなどをスピン塗布して形
成した低誘電率SOG膜105が形成されており、その
上をCVD絶縁層106が覆っている。このCVD絶縁
層106の表面は化学機械的研磨(CMP)が施されて
平坦化されている。低誘電率SOG膜105とその上に
形成されたCVD絶縁層106とにより第2の層間絶縁
膜107が形成されている。ここで、第1の層間絶縁膜
102(の少なくとも最上層の部分)の水分含有率は、
本発明に従って、低誘電率SOG膜105のそれよりも
低く抑えられている。また、必要に応じてCVD絶縁層
106の水分含有率も、低誘電率SOG膜105のそれ
よりも低く抑えられる。図示されていないが、第2の層
間絶縁膜107上には第2の金属配線が形成される。そ
の上に、同様にして、層間絶縁膜と金属配線とを1ない
し複数組形成することができる。
1の層間絶縁膜の最上層の部分およびCVD絶縁層10
6は、SiH4 ガスを用いたプラズマCVD法により形
成されたシリコン酸化膜(PSG、BPSGなどを含
む)、シリコン酸化窒化膜、シリコン窒化膜、フッ素含
有シリコン酸化膜であることができ、またSi−H結合
を含む有機シラン、例えばTMS(Trimethoxysilane)
やTES(Triethoxysilane )とN2 Oガスとを用いた
プラズマCVD法により形成されたシリコン酸化膜(P
SG、BPSGなどを含む)であることができる。成膜
方法は、SiH4系の場合にはICP(誘導結合型プラ
ズマ)方式を用いた高密度プラズマCVD法がよいが、
有機シラン系材料の場合には平行平板型の2周波のプラ
ズマCVD法がよい。
105の焼成後の水分含有率は0.02wt%程度であ
るので、このSOG膜に接触する第1の層間絶縁膜やC
VD絶縁層の水分含有率は0.02wt%以下であるこ
とが望ましいが上記方法により得られたCVD絶縁層は
この条件を満たしている。第1の層間絶縁膜102の形
成後若しくは金属配線103の形成後、低誘電率膜SO
G膜105の形成に先立って、低誘電率SOG膜の焼成
温度(400℃程度)と同程度若しくはそれ以上の温度
で熱処理を施して第1の層間絶縁膜の水分の含有率を下
げておくと一層よい結果を得ることができる。低誘電率
SOG膜は、HSQをスピン塗布して得ることができる
が、これに代えて他の材料を用いて形成したSOG膜で
あってもSi−H結合を含む比誘電率が3.5以下の絶
縁膜であればよい。例えば、ポリシラザンを用いたSO
G膜でSi−H結合を残したものなどでもよい。
断面図である。同図において、第1の実施の形態を示す
図1の部分と同等の部分には下2桁が共通する参照番号
が付せられている。この実施の形態の第1の実施の形態
と相違する点は、第1の層間絶縁膜202と金属配線2
03の表面を覆って薄いライナー絶縁層204が形成さ
れている点である。このライナー絶縁層204の水分含
有率は低誘電率SOG膜205のそれより低く抑えられ
ている。このライナー絶縁層204は、先に説明したC
VD絶縁層106の成膜方法と同様の方法を用いて形成
することができる。ライナー絶縁層204の成膜後、低
誘電率膜SOG膜205の形成に先立って、低誘電率S
OG膜の焼成温度(400℃程度)と同程度若しくはそ
れ以上の温度で熱処理を施してライナー絶縁層の水分の
含有率を下げておくと一層よい結果を得ることができ
る。
イナー絶縁層204が水分含有率の低い膜になされたこ
とにより、本実施の形態では、第1の層間絶縁膜202
は必ずしも水分含有率の低い膜としなくてもよい。しか
し、ライナー絶縁層204が薄い膜として形成されるた
め、より確実に低誘電率SOG膜205の誘電率の上昇
を抑えるには、第1の層間絶縁膜202の少なくとも最
上層の部分は低水分含有率の膜とすることが好ましい。
このライナー絶縁層204を挿入したことにより配線間
容量は増大するが、配線間のリークを減少させ、また低
誘電率SOG膜の金属配線への密着性の不足を改善する
ことができる。
詳細に説明する。 [第1の参考例] 図3は、本発明の第1の参考例を説明するための工程順
の断面図である。トランジスタなどの素子が形成された
シリコン基板301上に、第1の層間絶縁膜となるシリ
コン酸化膜302を約7000Åの膜厚に形成した。こ
こで、このシリコン酸化膜は、SiH4 、O2 、Arの
ガスを使用し、平行平板型プラズマCVD装置により成
膜を行った。次に、TiN/Al−Cu/TiN/Ti
の積層導電膜を堆積しこれをパターニングして金属配線
303を形成した〔図3(a)〕。
ン)の溶媒で溶解されたHSQをスピン塗布し、ホット
プレートで約150、200、350℃でそれぞれ1分
ずつベークを行った。次いで、縦形拡散炉内に搬入し4
00℃の窒素雰囲気で1時間程度の焼成を行って膜厚約
4000ÅのHSQ−SOG膜305を形成した〔図3
(b)〕。ここで、下地のシリコン酸化膜302は、H
SQ膜305よりも水分含有率が低くなる成膜条件(S
iH4 ガスを用いた平行平板型装置によるプラズマCV
D法)にて成膜されており、その膜中に含まれる水分量
が少ない。このシリコン酸化膜302をTDS(昇温脱
ガス分析)にて水分含有率を測定し焼成後のHSQ膜の
それと比較したところHSQの約85%程度の水分含有
率であることが分かった。そのため、HSQの焼成時に
下地のシリコン酸化膜から水分が侵入することがなく、
乾燥した雰囲気中にて焼成を行うことが可能になり、H
SQ−SOG膜305をその誘電率を上昇させることな
く形成することが可能になる。
2の場合と同様に、SiH4 ガスを使用し、平行平板型
プラズマCVD装置により水分含有率の低いシリコン酸
化膜306を約14000Åの膜厚に形成した〔図3
(c)〕。その後CMPを約7000Å実施し金属配線
303上に約7000Å残るように平坦化を行い第2の
層間絶縁膜(305、306)を作成した〔図3
(d)〕。
形成し、0.3ミクロンスペースの配線間容量を測定し
た。比較のため、第2の層間絶縁膜全体を高密度プラズ
マCVD法にて堆積したシリコン酸化膜により形成した
ものを作成した。本参考例のものは、比較例に対し約2
5%の配線間容量の低減を示した。
の断面図である。第1の参考例の場合と同様に、トラン
ジスタなどの作り込まれたシリコン基板401上に、S
iH4 ガスを用いたICPの高密度プラズマCVD法に
より第1の層間絶縁膜となるシリコン酸化膜402を約
7000Åの膜厚に堆積した。その上にTiN/Al−
Cu/TiN/Tiからなる積層導電膜を堆積しこれを
パターニングして金属配線403を形成し、さらにその
上に、SiH4 、NH3 、N2 Oガスを用い平行平板型
プラズマCVD装置により膜厚約1000ÅのSiON
膜404を形成した〔図4(a)〕。続いて、HSQを
スピン塗布しホットプレートで150、200、350
℃でそれぞれ1分ずつベークを行った後、縦型拡散炉内
にて400℃の窒素雰囲気で1時間の熱処理を行ってH
SQ−SOG膜405を形成した〔図4(b)〕。
ガスを用いたCVD法により、シリコン酸化膜406を
約14000Åの膜厚に形成し〔図4(c)〕、CMP
により平坦化して膜厚約7000Åとして第2の層間絶
縁膜(404、405、406)を得た〔図4
(d)〕。この実施例では、HSQ−SOG膜の下面に
SiH4 ガスを用いたSiON膜が、上面にSiH4 ガ
スをを用いたシリコン酸化膜が形成され、共に低水分含
有率の膜であることにより焼成時にHSQ膜に水分が侵
入しないため、その誘電率が上昇することはない。本実
施例での配線間容量を測定したところ先の比較例に対し
18%の容量低減を実現できた。
例の工程は第1の実施例とほぼ同様である。本参考例の
第1の実施例と相違する点は、HSQ−SOG膜下に形
成されるライナー絶縁層が、SiON膜に代えSi−H
結合をもつ有機シランを用いて成膜したシリコン酸化膜
となされた点である。すなわち、本参考例では、TMS
とN2 Oガスを使用した2周波の平行平板型プラズマC
VD装置によりライナー酸化膜を形成した。本参考例に
より、第1の実施例と同様の低誘電率膜構造が実現でき
た。
−SOG膜などの低誘電率膜を形成するに際し、その下
地層に水分含有率の低い絶縁層を配置したものであるの
で、HSQなどの焼成時にこれに水分が侵入することを
防止することができる。したがって、本発明によれば、
低誘電率膜のSi−H結合がSi−OH結合に変換され
るのを抑制することができ、低誘電率膜の誘電率の上昇
を抑えることができる。また、低誘電率膜の上層にも水
分含有率の低い絶縁層を形成することにより、低誘電率
膜の誘電率を一層安定化させることができる。また、金
属配線表面を水分含有率の低いライナー絶縁層にて被覆
した実施例によれば、上記の効果に加え、低誘電率膜の
金属配線に対する密着性を改善することができ、低誘電
率膜の剥離を抑制することができる。
面図。
面図。
の断面図。
の断面図。
板 102、202 第1の層間絶縁膜 302、402、502 シリコン酸化膜 103、203、303、403、503 金属配線 204 ライナー絶縁層 404 SiON膜 504 ライナー酸化膜 105、205 低誘電率SOG膜 305、405、505 HSQ−SOG膜 106、206 CVD絶縁層 306、406、506 シリコン酸化膜 107、207 第2の層間絶縁膜 507 層間絶縁膜
Claims (12)
- 【請求項1】 半導体基板上の第1の層間絶縁膜上に配
線層が形成され、その上に、Si−H結合を有する低誘
電率絶縁層を含む第2の層間絶縁膜が形成されている半
導体装置において、前記低誘電率絶縁層の下層に直接接
して形成されている絶縁層はSiON膜であることを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記第2の層間絶縁膜は、低誘電率絶縁
層とその上を被覆するCVD絶縁層の2層膜、若しく
は、前記第1の層間絶縁膜および前記配線層の表面を被
覆するSiON膜であるライナー絶縁層と、低誘電率絶
縁層と、その上を被覆するCVD絶縁層の3層膜によっ
て構成され、前記CVD絶縁層の水分含有率が前記低誘
電率絶縁層のそれより低いことを特徴とする請求項1記
載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記第2の層間絶縁膜は、前記第1の層
間絶縁膜および前記配線層の表面を被覆するSiON膜
であるライナー絶縁層と、低誘電率絶縁層と、その上を
被覆するCVD絶縁層の3層膜によって構成され、前記
第1の層間絶縁膜の最上層の部分の絶縁層の水分含有率
が前記低誘電率絶縁層のそれより低いことを特徴とする
請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記CVD絶縁層の水分含有率は0.0
2wt%以下であることを特徴とする請求項2に記載の
半導体装置。 - 【請求項5】 (1)半導体基板上に第1の層間絶縁膜
を形成する工程と、 (2)前記第1の層間絶縁膜上に配線層を形成する工程
と、 (3)HSQ(ハイドロジェンシルセスキオキサン)ま
たはポリシラザンを用いたSOG膜とその上を被覆する
CVD絶縁層とを有し、前記第1の層間絶縁膜および前
記配線層上を被覆する第2の層間絶縁膜を形成する工程
と、 を具備する半導体装置の製造方法において、前記第1の
層間絶縁膜の少なくとも最上層の部分に、SiH 4 を反
応ガスとしてCVD法にてSiON膜を形成することを
特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 (1)半導体基板上に第1の層間絶縁膜
を形成する工程と、 (2)前記第1の層間絶縁膜上に配線層を形成する工程
と、 (3)前記第1の層間絶縁膜および前記配線層上を被覆
するライナー絶縁層と、その上を被覆するHSQ(ハイ
ドロジェンシルセスキオキサン)またはポリシラザンを
用いたSOG膜と、その上を被覆するCVD絶縁層とを
有する第2の層間絶縁膜を形成する工程と、 を具備する半導体装置の製造方法において、前記ライナ
ー絶縁層として、SiH 4 を反応ガスとしてCVD法に
てSiON膜を形成することを特徴とする半導体装置の
製造方法。 - 【請求項7】 前記第1の層間絶縁膜の少なくとも最上
層の部分はSiH4またはSi−H結合をもつ有機シラ
ンを反応ガスとして用いるCVD法にて形成されること
を特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】 前記CVD絶縁層がSiH4 またはSi
−H結合をもつ有機シランを反応ガスとして用いるCV
D法にて形成されることを特徴とする請求項5または6
記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】 SiH4 またはSi−H結合をもつ有機
シランを反応ガスとして用いてCVD法にて成膜される
前記絶縁層がSiO2 (P、Bを含有するものを含
む)、Si3 N4 、SiON、SiOFの中から選択さ
れた材料により形成されることを特徴とする請求項7ま
たは8記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】 前記SiH 4 を反応ガスとしてSiO
N膜を形成するCVD法、または、前記SiH 4 または
Si−H結合をもつ有機シランを反応ガスとして用いる
CVD法は、平行平板プラズマCVD法またはICP型
のプラズマCVD法であることを特徴とする請求項5、
6、7または8記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項11】 前記CVD絶縁層は、堆積後その表面
がCMP法により平坦化されることを特徴とする請求項
5または6記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項12】 前記第1の層間絶縁膜の形成後、また
は、前記ライナー絶縁層の形成後、前記SOG膜の形成
に先立ってSOG膜の焼成温度と同程度若しくはそれ以
上の温度での熱処理が加えられることを特徴とする請求
項5または6記載の半導体装置の製造方法。
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