JP3277990B2 - 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
方法に関し、特に、水素化シルセスキオキサン(Hydrog
en Silsesquioxance、以後、一部を除いてHSQと略
す)を層間材料として用いかつ多層配線層を有する半導
体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】多層配線層を有する半導体装置は、近年
の微細化に伴って、配線ピッチが小さくなってきてい
る。配線ピッチが小さくなると、隣接する配線間の距離
が小さくなり、配線容量と呼ばれる隣接する配線間の容
量が上昇するので、動作速度の低下や、消費電力の増大
を生じる。これに対し、層間絶縁膜として、従来から用
いられてきたシリコン酸化膜に代わって、低い比誘電率
を有する膜(低比誘電率膜)を使用することが提案され
ている。低比誘電率膜を用いれば、配線ピッチが小さい
半導体装置であっても、小さい配線容量を実現できる。
【0003】既に、様々な材料の低比誘電率膜が研究お
よび開発されている。HSQは、1400℃以上の温度
に対して耐熱性を有するなどの理由から、最も有望な低
比誘電率膜の材料の一つである。
【0004】HSQを層間絶縁膜として用いた従来の半
導体装置の製造方法は、例えば、T.Zoes,B.A
hlburn,K.Erz,andM.Marsde
n,“Planarization Performa
nce of Flowable Oxide in
the Sub−0.5 μm Regime”,Co
nference Proceedings ULSI
XI 1996 Materials Resear
ch Society p.121−125 (199
6)に記載されている。
【0005】以下、この文献に記載された方法に同様な
従来の半導体装置の製造方法を、図7(a)および
(b)ならびに図8(a)および(b)を参照して説明
する。
【0006】図7(a)を参照して、約0.8μmの膜
厚のBPSG(Boro-Phospho-Sillcate Glass )からな
る第1の層間絶縁膜1上に、下から順に、約30nmの
膜厚のチタンおよび約100nmの膜厚の窒化チタンか
らなる第1の高融点金属2、約0.5μmの膜厚のAl
Cuからなる第1のアルミニウム3、ならびにフォト・
リソグラフィー工程における反射防止膜である膜厚約5
0nmの第1の窒化チタン4をスパッタ法により形成す
る。次に、フォト・リソグラフィー工程および反応性イ
オンエッチングによりパターニングを行い、第1の高融
点金属2、第1のアルミニウム3、および第1の窒素化
チタン4からなる第1の配線層を形成する。この後、約
50nmの膜厚の第1のプラズマ酸化膜5をプラズマC
VD法により形成する。さらに、HSQを含む層間絶縁
膜(以後、一部を除いて、単にHSQと記す)であるH
SQ6を、第1の配線層上における膜厚が約0.4μm
になるように塗布およびベークして形成する。さらに、
その上に膜厚約1.4μmの第2のプラズマ酸化膜7を
プラズマCVD法により形成する。化学的および機械的
研磨の少くとも一方を行い、HSQ6および第2のプラ
ズマ酸化膜7の第1の配線層上での膜厚の合計を約0.
8μmにする。
【0007】次に、図7(b)に示すように、第1のヴ
ィア・ホール8をフォト・リソグラフイー工程および反
応性イオンエッチングにより開口する。そして、第1の
ヴィア・ホール8内に、下から順に、約30nmの膜厚
のチタンおよび約100nmの膜厚の窒化チタンからな
る第2の高融点金属9をスパッタ法により形成し、さら
に、WF6 等を原料ガスとして用いたCVD法によりタ
ングステン10を約0.5μm成長した後にエッチング
バックによりヴィア・ホール8内のみに残す。次に、全
体に、膜厚約0.5μmの第2のアルミニウム11およ
び膜厚約50nmの第2の窒化チタン12をスパッタ法
により形成する。さらに、フォト・リソグラフイー工程
および反応性イオンエッチングによりパターニングする
ことにより、第2の高融点金属9、第2のアルミニウム
11、および第2の窒化チタン12からなる第2の配線
層を形成する。
【0008】次に、図8(a)に示すように、約50n
mの膜厚の第3のプラズマ酸化膜14を、例えばSiH
4 とMnの混合ガスを用いたプラズマCVD法により形
成する。この後、HSQ15を第2の配線層上にて膜厚
約0.4μmとなるように塗布およびベークして形成す
る。さらに、その上に膜厚約1.4μmの第4のプラズ
マ酸化膜16をプラズマCVD法により形成する。そし
て、化学的および機械的研磨の少くとも一方により第2
の配線層上にてHSQ15および第4のプラズマ酸化膜
16の膜厚の合計が約0.8μmになるようにする。次
に、第2のヴィア・ホール17をフォト・リソグラフイ
ー工程および反応性イオンエッチングにより開口する。
そして、第2のヴィア・ホール17内に、下から順に、
約30nmの膜厚のチタンおよび約100nmの膜厚の
窒化チタンからなる第3の高融点金属18をスパッタ法
により形成し、さらに、タングステンをWF6 等を原料
ガスとして用いたCVD法により約0.5μm成長した
後にエッチングバックによりヴィア・ホール17内のみ
に残す。次に、全体に、膜厚約0.5μmの第3のアル
ミニウム19および膜厚約50nmの第3の窒化チタン
20をスパッタ法により形成する。そして、フォト・リ
ソグラフィー工程および反応性イオンエッチングにより
パターニングすることにより、第3の高融点金属18、
第3のアルミニウム19、および第3の窒化チタン20
からなる第3の配線層を形成する。
【0009】次に、図8(b)に示すように、膜厚約
0.8μmのプラズマ酸化膜および膜厚約0.3μmの
プラズマSiONからなるカバー膜22を形成する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】HSQは有望な低比誘
電率膜の材料であるけれども、上述した従来の半導体装
置の製造方法の過程にて、HSQの比誘電率が上昇する
という現状にある。
【0011】詳しくは、上記方法中に含まれる加熱工程
に因り、HSQ中の水素が熱拡散し、HSQ中のSi−
H結合の幾つかが破壊され、例えばSi−OH結合等に
変わってしまう。このため、HSQ中のSi−H結合の
数が減少し、HSQの比誘電率が上昇する。
【0012】本発明の課題は、配線ピッチが小さくても
配線容量が小さい半導体装置を製造できる半導体装置の
製造方法を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、水素化
シルセスキオキサンを含む層間絶縁膜を介して積層され
た複数の配線層を有する半導体装置の製造方法におい
て、前記層間絶縁膜上に前記配線層を形成した後に、そ
の半導体装置に水素イオンを注入する工程と、その半導
体装置をアニールする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が得られる。
【0014】本発明によればまた、水素化シルセスキオ
キサンを含む層間絶縁膜を介して積層された第1および
第2の配線層を有する半導体装置の製造方法において、
前記第1の配線層を形成する工程と、その半導体装置上
に前記層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に
選択的にヴィア・ホールを開口する工程と、その半導体
装置上に前記第2の配線層を形成する工程と、その半導
体装置に水素イオンをイオン注入する工程と、その半導
体装置をアニールする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が得られる。
【0015】本発明によればさらに、積層された第1層
乃至第n層(nは2以上の自然数)の配線層と、重なり
合う配線層の少くとも1つの層間に形成された水素化シ
ルセスキオキサンを含む層間絶縁膜とを有する半導体装
置の製造方法において、第n層の配線層を積層およびパ
ターニングした後に、その半導体装置に水素イオンをイ
オン注入する工程と、その半導体装置をアニールする工
程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法が
得られる。
【0016】本発明によればまた、前記層間絶縁膜を形
成する工程は、その下層の配線層を含む表面に第1の無
機絶縁膜を形成するステップと、その半導体装置上に水
素化シルセスキオキサンを塗布して該半導体装置をベー
クするステップと、その半導体装置上に第2の無機絶縁
膜を形成するステップと、その半導体装置上に化学的研
磨および機械的研磨の少くとも一方を施すステップとを
含む前記半導体装置の製造方法が得られる。
【0017】本発明によればさらに、アニールする前記
工程は、水素を含む雰囲気中で行う前記半導体装置の製
造方法が得られる。
【0018】本発明によれば、前記水素イオンをイオン
注入する工程では、イオン注入するべき半導体装置での
前記層間絶縁膜の膜数に応じて、イオン注入のエネルギ
およびドーズ量を加減する前記半導体装置の製造方法が
得られる。
【0019】本発明によれば、前記水素イオンをイオン
注入する工程では、イオン注入するべき半導体装置の表
面から前記層間絶縁膜までの距離に応じて、イオン注入
のエネルギを加減する前記半導体装置の製造方法が得ら
れる。
【0020】
【作用】本発明による半導体装置の製造方法は、HSQ
を含む層間絶縁膜を形成する工程と、この後に配線層を
形成する工程との後に、水素イオンをイオン注入する工
程と、アニールする工程とを有している。
【0021】これにより、加熱工程によりSi−H結合
の幾つかが破壊されてSi−H結合の数が減少したHS
Qに対して水素が補充され、破壊されたSi−H結合が
再構築され、Si−H結合の数が再び上昇する。これに
より、HSQの比誘電率が再び下がり、配線容量が低減
され、ひいては速い動作速度と低い消費電力が実現され
る。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態による半導体装置の製造方法を説明する。
【0023】[実施の形態1]図1(a)および
(b)、図2(a)および(b)、ならびに図3(a)
および(b)は、本発明の実施の形態1による半導体装
置の製造方法を示す図である。尚、これら図面におい
て、従来例と同一部または同様部には、図7および図8
と同符号を付している。
【0024】図1(a)を参照して、約0.8μmの膜
厚のBPSGからなる第1の層間絶縁膜1上に、下から
順に、約30nmの膜厚のチタンおよび約100nmの
膜厚の窒化チタンからなる第1の高融点金属2、約0.
5μmの膜厚のAlCuからなる第1のアルミニウム
3、ならびにフォト・リソグラフイー工程における反射
防止膜である膜厚約50nmの第1の窒化チタン4をス
パッタ法により形成する。次に、フォト・リソグラフィ
ー工程および反応性イオンエッチングによりパターニン
グを行い、第1の高融点金属2、第1のアルミニウム
3、および第1の窒素化チタン4からなる第1の配線層
を形成する。この後、約50nmの膜厚の第1のプラズ
マ酸化膜5を、プラズマCVD法により形成する。さら
に、第1の配線層上における膜厚が約0.4μmになる
ようにHSQ6を塗布およびベークして形成する。さら
に、その上に膜厚約1.4μmの第2のプラズマ酸化膜
7をプラズマCVD法により形成する。化学的および機
械的研磨の少くとも一方を行い、HSQ6および第2の
プラズマ酸化膜7の第1の配線層上での膜厚の合計を約
0.8μmにする。
【0025】次に、図1(b)に示すように、第1のヴ
ィア・ホール8をフォト・リソグラフィー工程および反
応性イオンエッチングにより開口する。そして、第1の
ヴィア・ホール8内に、下から順に、約30nmの膜厚
のチタンおよび約100nmの膜厚の窒化チタンからな
る第2の高融点金属9をスパッタ法により形成し、さら
に、WF6 等を原料ガスとして用いたCVD法によりタ
ングステン10を約0.5μm成長した後にエッチング
バックにより第1のヴィア・ホール8内のみに残す。次
に、全体に、膜厚約0.5μmの第2のアルミニウム1
1および膜厚約50nmの第2の窒化チタン12をスパ
ッタ法により形成する。さらに、フォト・リソグラフイ
ー工程および反応性イオンエッチングによりパターニン
グすることにより、第2の高融点金属9、第2のアルミ
ニウム11、および第2の窒化チタン12からなる第2
の配線層を形成する。
【0026】次に、図2(a)に示すように、水素イオ
ン13を例えばエネルギ50keVかつドーズ量約1×
1016/cmの条件でイオン注入する。次に、温度
約400℃で約10分間のアニールを施す。このときの
アニール雰囲気としては、水素と窒素との混合ガスが好
ましい。
【0027】次に、図2(b)に示すように、約50n
mの膜厚の第3のプラズマ酸化膜14を、プラズマCV
D法により形成する。次に、HSQ15を第2の配線層
上にて約0.4μmの膜厚となるように塗布およびベー
クして形成する。さらに、その上に、約1.4μmの膜
厚の第4のプラズマ酸化膜16をプラズマCVD法によ
り形成する。そして、第4のプラズマ酸化膜16を化学
的および機械的研磨の少くとも一方により第2の配線層
上にてHSQ15と第4のプラズマ酸化膜16の膜厚の
合計が約0.8μmとなるようにする。
【0028】この後、第2のヴィア・ホール17をフォ
ト・リソグラフイー工程および反応性イオンエッチング
により開口する。第2のヴィア・ホール17内には、下
から順に、約30nmの膜厚のチタンおよび約100n
mの膜厚の窒化チタンからなる第3の高融点金属18を
スパッタ法により形成し、さらに、タングステンをWF
6 等を原料ガスとしたCVD法により約0.5μm成長
した後にエッチングバックによりヴィア・ホール17内
のみに残す。次に、全体に、約0.5μmの膜厚の第3
のアルミニウム19および約50nmの膜厚の第3の窒
化チタン20をスパッタ法により形成する。そして、フ
ォト・リソグラフィー工程および反応性イオンエッチン
グによりパターニングすることにより、第3の高融点金
属18、第3のアルミニウム19、および第3の窒化チ
タン20からなる第3の配線層を形成する。
【0029】次に、図3(a)に示すように、水素イオ
ン21を例えばエネルギ50keVかつドーズ量約1×
1016/cmの条件でイオン注入する。次に、温度
約400℃で約10分間のアニールを施す。このときの
アニール雰囲気としては、水素と窒素との混合ガスが好
ましい。
【0030】次に、図3(b)に示すように、膜厚約
0.8μmのプラズマ酸化膜および約0.3μmプラズ
マSiONからなるカバー膜22を形成する。
【0031】以上説明した本発明の実施の形態1におい
ては、HSQ6を形成し、さらにその上層の第2の配線
層を形成した後に、水素イオン13をイオン注入し、さ
らにアニールを行っている。このため、HSQ6中に
て、ベーク工程により破壊されたSi−H結合が再構築
され、上昇していた比誘電率が再び減少する。同様に、
HSQ15を形成し、さらにその上層の第3の配線層を
形成した後に、水素イオン21をイオン注入し、さらに
アニールを行っている。ため、HSQ15中にて、ベー
ク工程により破壊されたSi−H結合が再構築され、上
昇していた比誘電率が再び減少する。
【0032】この効果を、図4を参照して、説明する。
図4は、実施の形態1と比較例としての図7および図8
に示した従来例とによる各HSQの比誘電率を比較して
示す図である。図4を参照して、従来例では、HSQへ
の加熱工程により第1の配線層と第2の配線層との間の
HSQ6の比誘電率の上昇が著しい。最終的にカバー膜
22を付けた段階で、比誘電率が約3.7まで上昇して
いる。また、第2の配線層と第3の配線層との間のHS
Q15の比誘電率は、約3.4まで上昇している。これ
に対し、本発明の実施の形態1では、HSQ6およびH
SQ15共に、約3.1に抑えられている。
【0033】[実施の形態2]図5(a)および(b)
ならびに図6(a)および(b)は、本発明の実施の形
態2の製造方法を示す断面図である。尚、これら図面に
おいて、実施の形態1と同一部または同様部には、図1
〜図4と同符号を付している。
【0034】まず、図5(a)は、図1(a)および
(b)に示した実施の形態1と同じ製造工程により第2
の配線層までを形成した状態を示しており、ここまでの
製造工程は説明を省略する。
【0035】次に、図5(b)に示すように、約50n
mの膜厚の第3のプラズマ酸化膜14を、例えばSiH
4 とNH3 の混合ガスを用いたプラズマCVD法により
形成する。次に、HSQ15を第2の配線層上にて約
0.4μmの膜厚となるように塗布およびベークして形
成する。さらに、その上に膜厚約1.4μmの第4のプ
ラズマ酸化膜16をプラズマCVD法により形成する。
次に、第4のプラズマ酸化膜16を化学的および機械的
研磨の少くとも一方により、HSQ15と第4のプラズ
マ酸化膜16の膜厚の合計が第2の配線層上にて約0.
8μmとなるようにする。
【0036】さらに、第2のヴィア・ホール17をフォ
ト・リソグラフィー工程および反応性イオンエッチング
により開口する。第2のヴィア・ホール17内には、下
から順に、約30nmの膜厚のチタンおよび約100n
mの膜厚の窒化チタンからなる第3の高融点金属18を
スパッタ法により形成し、さらに、タングステンをWF
6 等を原料ガスとして用いたCVD法により約0.5μ
m成長した後にエッチングバックによりヴィア・ホール
17内のみに残す。次に、全体に、約0.5μmの膜厚
の第3のアルミニウム19と約50nmの膜厚の第3の
窒化チタン20をスパッタ法により形成する。さらに、
フォト・リソグラフィー工程および反応性イオンエッチ
ングによりパターニングすることにより、第3の高融点
金属18、第3のアルミニウム19、および第3の窒化
チタン20からなる第3の配線層を形成する。
【0037】次に、図6(a)に示すように、水素イオ
ン13を、エネルギ約100keVかつドーズ量約1×
1016/cmの条件でイオン注入する。このとき、
水素イオン13は、特に第1の配線層と第2の配線層と
の間のHSQ6中に多く注入される。次に、温度約40
0℃で約10分間のアニールを施す。このときのアニー
ル雰囲気としては、水素と窒素との混合ガスが好まし
い。
【0038】最後に、図6(b)のように、約0.8μ
mの膜厚のプラズマ酸化膜および約0.3μmの膜厚の
プラズマSiONからなるカバー膜22を形成する。
【0039】実施の形態2においては、水素イオンの注
入は、最上の配線層(本例では、第2の配線層)まで形
成し終えた後に、一回のみ行う。このため、実施の形態
1に比べて工程数が少い。しかしながら、最も比誘電率
の上昇が大きい最下層のHSQ6に対しても、水素イオ
ンが注入され、減少しているSi−H結合の数を再び上
昇させることが可能である。
【0040】
【発明の効果】本発明による半導体装置の製造方法は、
HSQを含む層間絶縁膜上に配線層を形成した後に、そ
の半導体装置に水素イオンを注入する工程と、その半導
体装置をアニールする工程とを有しているため、配線ピ
ッチが小さくても配線容量が小さい半導体装置を製造で
きる。
【0041】即ち、加熱工程によりSi−H結合の幾つ
かが破壊されてSi−H結合の数が減少した層間絶縁膜
に対して水素が補充され、破壊されたSi−H結合が再
構築され、Si−H結合の数が再び上昇する。これによ
り、HSQの比誘電率が再び下がり、配線容量が低減さ
れ、ひいては速い動作速度と低い消費電力が実現され
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)および(b)は、本発明の実施の形態1
による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図2】(a)および(b)は、本発明の実施の形態1
による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図3】(a)および(b)は、本発明の実施の形態1
による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図4】HSQの比誘電率について、本発明の実施の形
態1と従来例とを比較して示す図である。
【図5】(a)および(b)は、本発明の実施の形態2
による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図6】(a)および(b)は、本発明の実施の形態2
による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図7】(a)および(b)は、従来例による半導体装
置の製造方法を示す断面図である。
【図8】(a)および(b)は、従来例による半導体装
置の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
1 第1の層間絶縁膜 2 第1の高融点金属 3 第1のアルミニウム 4 第1の窒化チタン 5 第1のプラズマ酸化膜 6、15 HSQ 7 第2のプラズマ酸化膜 8 第1のヴィア・ホール 9 第2の高融点金属 10 タングステン 11 第2のアルミニウム 12 第2の窒化チタン 13、21 水素イオン 14 第3のプラズマ酸化膜 16 第4のプラズマ酸化膜 17 第2のヴィア・ホール 18 第3の高融点金属 19 第3のアルミニウム 20 第3の窒化チタン 22 カバー膜

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素化シルセスキオキサンを含む層間絶
    縁膜を介して積層された複数の配線層を有する半導体装
    置の製造方法において、前記層間絶縁膜上に前記配線層
    を形成した後に、その半導体装置に水素イオンを注入す
    る工程と、その半導体装置をアニールする工程とを有す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 水素化シルセスキオキサンを含む層間絶
    縁膜を介して積層された第1および第2の配線層を有す
    る半導体装置の製造方法において、前記第1の配線層を
    形成する工程と、その半導体装置上に前記層間絶縁膜を
    形成する工程と、前記層間絶縁膜に選択的にヴィア・ホ
    ールを開口する工程と、その半導体装置上に前記第2の
    配線層を形成する工程と、その半導体装置に水素イオン
    をイオン注入する工程と、その半導体装置をアニールす
    る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。
  3. 【請求項3】 積層された第1層乃至第n層(nは2以
    上の自然数)の配線層と、重なり合う配線層の少くとも
    1つの層間に形成された水素化シルセスキオキサンを含
    む層間絶縁膜とを有する半導体装置の製造方法におい
    て、第n層の配線層を積層およびパターニングした後
    に、その半導体装置に水素イオンをイオン注入する工程
    と、その半導体装置をアニールする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。
  4. 【請求項4】 前記層間絶縁膜を形成する工程は、その
    下層の配線層を含む表面に第1の無機絶縁膜を形成する
    ステップと、その半導体装置上に水素化シルセスキオキ
    サンを塗布して該半導体装置をベークするステップと、
    その半導体装置上に第2の無機絶縁膜を形成するステッ
    プと、その半導体装置上に化学的研磨および機械的研磨
    の少くとも一方を施すステップとを含む請求項1乃至3
    のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 アニールする前記工程は、水素を含む雰
    囲気中で行う請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体
    装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記水素イオンをイオン注入する工程で
    は、イオン注入するべき半導体装置での前記層間絶縁膜
    の膜数に応じて、イオン注入のエネルギを加減する請求
    項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記水素イオンをイオン注入する工程で
    は、イオン注入するべき半導体装置の表面から前記層間
    絶縁膜までの距離に応じて、イオン注入のエネルギを加
    減する請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置の
    製造方法。
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