JP3617283B2 - 半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Description
【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およびこれを用いた半導体装置に関し、さらに詳しくは、有機系絶縁膜と無機系絶縁膜との積層絶縁膜を用いた半導体装置における、絶縁膜の剥離を防止する際に適用して好適な半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化が進展するに伴い、多層配線構造が多用され、同一配線層内の隣り合う配線間の層間絶縁膜の幅が狭まるとともに、異なる配線層間の層間絶縁膜の厚さも薄くなっている。かかる配線間隔の縮小により、配線間容量の上昇による配線遅延等が問題となりつつある。このため半導体装置の実動作速度は１／Ｋ（Ｋはスケーリングファクタ）のスケーリング則に合致しなくなり、高集積化のメリットを充分に発揮することができない。配線間容量の上昇防止は、高集積度半導体装置の高速動作、低消費電力および低発熱等の諸要請に応えるためには、是非とも解決しなければならない要素技術の１つである。
【０００３】
従来より半導体装置の層間絶縁膜等に採用されてきた絶縁体膜材料は、ＳｉＯ２ 、ＳｉＯＮやＳｉ３ Ｎ４ 等の無機系材料が主体であった。高集積度半導体装置の配線間容量の低減方法として、例えば特開昭６３−７６５０号公報に開示されているように、これら一般的な無機系材料よりも低誘電率の材料による層間絶縁膜の採用が有効である。この低誘電率材料としては、フッ素原子を含む酸化シリコン系絶縁膜（以下ＳｉＯＦと記す）等の無機系材料と、炭素原子を含む有機系材料が代表的である。
【０００４】
ＳｉＯＦは、ＳｉＯ２ を構成するＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合をＦ原子により終端することで、その密度が低下すること、およびＳｉ−Ｆ結合やＯ−Ｆ結合の分極率が小さいこと等により低誘電率が達成される。このＳｉＯＦはその成膜やエッチングのプロセスが従来のＳｉＯ２ に類似したものであるので、現用の製造装置でも容易に採用できる。また無機系材料であるので耐熱性にも優れる。
【０００５】
一方の炭素原子を含む有機系材料による低誘電率絶縁体膜としては、有機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミド、ポリパラキシリレン（商標名パリレン）、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン等の有機高分子材料が知られている。これらの材料は炭素原子を含有することでその密度が低減され、また分子（モノマ）自体の分極率を小さくすることで低誘電率を達成している。またシロキサン結合、イミド結合あるいはベンゼン環やナフタレン環を導入することにより、ある程度の耐熱性を得ている。
これら炭化水素系の有機系材料に、さらにフッ素原子を導入することにより、比誘電率が１．５〜２．５程度と一層の低誘電率化と耐熱性の向上が得られる。かかるフッ素系樹脂の有機系材料としては、パーフルオロ基含有ポリイミドやフッ化ポリアリールエーテル、テフロン（商標名）あるいはフレア（商標名）等が知られている。これら有機低誘電率材料は、例えば「日経マイクロデバイス」誌１９９５年７月号１０５〜１１２頁に紹介されている。
【０００６】
これら比誘電率が３．５程度以下の低誘電率材料層を、隣り合う配線間はもとより異なるレベルの配線層間にも適用し、しかも低誘電率材料層をＳｉＯ２ （比誘電率４）、ＳｉＯＮ（比誘電率４〜６）やＳｉ３ Ｎ４ （比誘電率６）等の膜質に優れた絶縁体膜により挟み込む構造の積層絶縁膜を、本願出願人は特開平８−１６２５２８号公報で開示し、低誘電率と高信頼性を合わせ持つ層間絶縁膜を有する半導体装置の可能性を示した。かかる半導体装置の一例を図４を参照して説明する。
【０００７】
図４にその概略断面図を示す半導体装置は、不図示のＭＯＳトランジスタ等が作りこまれたＳｉ等の半導体基板１上に、ＳｉＯ２ 等からなる下層絶縁体膜２、Ａｌ−１％Ｓｉ等からなるラインアンドスペース状の配線１０、この配線１０をコンフォーマルに被覆する保護無機系絶縁膜２３、平坦な表面を有する有機系絶縁膜２４、およびこの有機系絶縁膜２４をさらに被覆するキャップ無機系絶縁膜２５が順次形成された構造を有する。有機系絶縁膜２４は、保護無機系絶縁膜２３とキャップ無機系絶縁膜２５により挟み込まれた積層絶縁膜となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す構造に代表される積層絶縁膜は、特にフッ素系樹脂を有機系絶縁膜に採用した半導体装置に有効である。フッ素系樹脂は耐酸化性、耐熱性、熱拡散性、耐ストレス性が必ずしも充分ではなく、フッ素系樹脂をはじめとする有機系絶縁膜単層の状態で半導体装置の層間絶縁膜に適用するのは困難である。特に機械的応力に対する耐ストレス性に関しては、従来から層間絶縁膜として用いられてきた酸化シリコン系絶縁膜に比較して不充分である。これは、ヤング率で比べると、酸化シリコン系絶縁膜の５〜１０×１０１０Ｐａに対し、フッ素系樹脂は０．１〜０．８×１０１０Ｐａ程度と桁違いに小さいことが理由として挙げられる。
【０００９】
このため、半導体装置の層間絶縁膜として有機系絶縁膜を導入する場合には、従来にはなかった新たな問題が発生する。その一つに、無機系絶縁膜に吸着あるいは含有されている水分の気化圧力による、主として無機系絶縁膜と有機系絶縁膜との間の剥離の問題がある。層間剥離の問題は、後工程での配線や層間絶縁膜の形成工程における加熱により発生し、特に水分含有量の多い酸化シリコン系絶縁膜等を使用する場合にはこの問題が顕在化する。
【００１０】
従来から層間絶縁膜として用いられてきた酸化シリコン系絶縁膜の場合には、このような気化水分は膜中を拡散して外部へ放出されるので、無機系絶縁膜同士の積層絶縁膜の場合には、層間剥離は特に問題とはならない。しかしながら有機系絶縁膜の場合は吸湿性が小さいので、無機系絶縁膜から発生した気化水分は吸湿性の小さい有機絶縁膜により閉じ込められ、その部分の内圧が上昇する。このとき、有機系絶縁膜は機械的ストレスに弱いので、その圧力によって層間薄利や、甚だしい場合には有機系絶縁膜事態の破壊が発生する。
【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑み提案するものであり、有機系絶縁膜と無機系絶縁膜との積層絶縁膜を用いた半導体装置の製造方法において、層間剥離や、有機系絶縁膜の変形あるいは破壊を防止することをその課題とする。
また本発明の他の課題は、かかる製造方法を用いた信頼性の高い高集積度の半導体装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本願の請求項１の半導体装置の製造方法は、
被処理基板上に有機系絶縁膜と無機系絶縁膜とを含む積層絶縁膜を有し、この積層絶縁膜上に配線材料を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
この配線材料を形成する工程に先立ち、
積層絶縁膜のうちの無機絶縁膜に含まれる水分を除去する熱処理工程を施し、
この後、被処理基板を大気に露出することなく、連続的に配線材料を形成することにより、前記積層絶縁膜の有機絶縁膜と無機絶縁膜との層間剥離や、前記有機絶縁膜の変形もしくは破壊を防止することを特徴とする。
【００１３】
この積層絶縁膜は接続孔を有するとともに、
この配線材料を形成する工程は、少なくともこの接続孔内を充填するコンタクトプラグ材料形成工程を含むことを特徴とする。
あるいは、この積層絶縁膜は接続孔およびこの接続孔内に充填されたコンタクトプラグを有するとともに、
この配線材料を形成する工程は、この積層絶縁膜上の上層配線材料形成工程であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、上述した課題を達成するため、本願の請求項６の半導体装置の製造方法は、
被処理基板上に、有機系絶縁膜と無機系絶縁膜とを含む積層絶縁膜、およびこの積層絶縁膜上の配線を有し、この積層絶縁膜および配線上に上層絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
この上層絶縁膜を形成する工程に先立ち、
先の積層絶縁膜のうちの無機絶縁膜に含まれる水分を除去する熱処理工程を施し、
この後、被処理基板を大気に露出することなく、連続的に先の上層絶縁膜を形成することにより、前記積層絶縁膜の有機絶縁膜と無機絶縁膜との層間剥離や、前記有機絶縁膜の変形もしくは破壊を防止することを特徴とする。
【００１５】
本発明の半導体装置は、これら半導体装置の製造方法を含んで製造されたものであることを特徴とする。
【００１６】
本発明で用いられる無機系絶縁膜としては特に限定はなく、酸化シリコン、あるいはＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ等の不純物を含む酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、ＳｉＯＦ等、一般的な半導体装置に用いられる無機系の絶縁膜であれば種類を問わない。シリカゲル（Ｘｅｒｏｇｅｌ）のような微細気泡を有する酸化シリコンでもよい。また通常の化学等量組成よりＳｉ原子を多く含む酸化シリコンでもよい。ダイアモンドライクカーボンやフッ化ダイアモンドライクカーボン等、高熱伝導率の無機系絶縁膜の採用も有効である。またこれらの絶縁膜を単層で用いても複層で用いてもよい。またその製造方法もＣＶＤ （Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ （Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいは塗布法、焼成法等の別を問わない。
【００１７】
つぎに本発明で用いられる有機系絶縁膜は、先に示した無機系絶縁膜より低誘電率のものであれば特に限定はない。有機ＳＯＧ（比誘電率３〜３．５）、ポリイミド（比誘電率３〜３．５）、ポリパラキシリレン、ベンゾシクロブテン（比誘電率約２．６）、ポリナフタレン等の炭化水素系樹脂、あるいはパーフルオロ基を導入したポリイミド（比誘電率約２．７）、フッ素添加ポリパラキシリレン（比誘電率約２．４）、フッ化ポリアリールエーテル（比誘電率２．６）、テフロン（商標名、比誘電率１．９〜２．１）、サイトップ（商品名、比誘電率２．１）あるいはフレア（商標名）等はいずれも採用できる。またこれらの絶縁膜を単層で用いても複層で用いてもよい。またその製造方法もＣＶＤ、ＰＶＤあるいは塗布形成法等の別を問わない。
【００１８】
本発明で採用する熱処理工程は、積層絶縁膜、特に無機系絶縁膜に吸着あるいは内包された水分を除去する目的であるから、無機系絶縁膜の種類や膜質により、適用温度は異なるが、概ね２００℃程度以上の温度を用いることが望ましい。例えば基板バイアス印加による高密度プラズマＣＶＤ法で成膜した場合には、膜質が緻密であり水分の吸着あるいは含有量は少ないので、２００℃程度の低温でよい。また上限としては、これも有機系絶縁膜の材料により異なるが、一般的には耐熱樹脂の熱分解あるいは変質温度以下である、４００℃程度以下の温度であることが望ましい。熱処理雰囲気は窒素や希ガスが望ましいが、配線等に対する熱酸化の虞れがなければ空気中でもよい。また常圧中でも、減圧雰囲気であってもよい。
【００１９】
つぎに作用の説明に移る。
本発明においては、透湿性の無い、あるいは少ない配線材料や層間絶縁膜を積層絶縁膜上に形成する前に、２００℃以上４００℃以下程度の熱処理を加える。この熱処理により、主として無機系絶縁膜に吸着している、あるいは内在している水分が除去される。この後、被処理基板を大気に露出することなく、連続的に配線材料や層間絶縁膜を形成すれば、これら配線材料や層間絶縁膜形成時の加熱工程で、もはや水分が気化することはない。したがって、耐ストレス性に乏しい有機系絶縁膜と無機系絶縁膜との間の剥離や、有機系絶縁膜の熱変形、破壊が防止される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置の実施の形態例につき、図面を参照しながら説明する。
まず本発明の半導体装置の製造方法を含んで製造された半導体装置を、図１に示す概略断面図を参照して説明する。
【００２１】
不図示のＭＯＳトランジスタやＢｉｐｏｌａｒトランジスタ等が作りこまれたＳｉ等の半導体基板１上に、下層絶縁膜２、Ａｌ−１％Ｓｉ等からなる下層配線１１、この下層配線１１をコンフォーマルに被覆する下層保護無機系絶縁膜３、この下層保護無機系絶縁膜３上に形成され、望ましくはその表面が平坦化されている下層有機系絶縁膜４、下層キャップ無機系絶縁膜５、同じくＡｌ−１％Ｓｉ等からなる上層配線１３、この上層配線１３をコンフォーマルに被覆する上層保護無機系絶縁膜６、この上層保護無機系絶縁膜６上に形成され、望ましくはその表面が平坦化されている上層有機系絶縁膜７、上層キャップ無機系絶縁膜８等を含み、本発明の半導体装置は大略構成されている。下層配線１１と上層配線１３は、コンタクトプラグ１２により接続されている。
【００２２】
これらのうち、下層絶縁膜２、下層保護無機系絶縁膜３、下層キャップ無機系絶縁膜５、上層保護無機系絶縁膜６および上層キャップ無機系絶縁膜８等は、酸化シリコン、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ等の不純物を含む酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、ＳｉＯＦ、ダイアモンドライクカーボンやフッ化ダイアモンドライクカーボン等の無機系絶縁材料により形成されている。上層キャップ無機系絶縁膜８に、さらに上層の配線を形成してもよい。また上層キャップ無機系絶縁膜８は最終パシベーション膜であってもよい。
【００２３】
また下層有機系絶縁膜４および上層有機系絶縁膜７は、有機ＳＯＧ、ポリイミド、ポリパラキシリレン、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン等の炭化水素系樹脂、あるいはパーフルオロ基を導入したポリイミド、フッ素添加ポリパラキシリレン、フッ化ポリアリールエーテル、テフロン（商品名）、サイトップ（商品名）あるいはフレア（商標名）等により形成されている。
【００２４】
下層配線１１および上層配線１３の材料は特に制限はなく、Ａｌ系金属、Ｃｕ系金属、Ｗ等の高融点金属や高融点金属シリサイド、高融点金属ポリサイドあるいは多結晶シリコン等、いずれの材料であってもよい。また密着層やバリア層あるいは反射防止層を組み合わせて用いてもよい。
コンタクトプラグ１２の材料も特に限定はなく、Ａｌ系金属、Ｃｕ系金属、ＷやＭｏ等の高融点金属あるいは多結晶シリコン等いずれの材料であってもよい。またＴｉやＴｉＮ等の密着層やバリア層を組み合わせて用いてもよい。
【００２５】
さて、本発明の半導体装置の製造方法が特徴とする熱処理工程は、接続孔にコンタクトプラグ１２用の配線材料を埋め込む前、上層配線１３用の配線材料を形成する前、および上層キャップ無機系絶縁膜８を形成する前にそれぞれ施す。すなわち、水分透過性のない、あるいは小さい膜を形成する前に熱処理工程を入れる。熱処理工程後は、積層絶縁膜、特に無機系絶縁膜への再度の水分の吸着を防止するため、被処理基板を大気に露出することなく、同一の熱処理チャンバ内で、あるいは真空中や乾燥窒素雰囲気中等を成膜チャンバに搬送して、連続的に配線材料層や上層の絶縁膜を成膜する。これらの熱処理により、配線材料層や上層の絶縁膜の成膜工程での加熱や、その後の熱処理工程での剥離や有機系絶縁膜の破壊等が防止される。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置の好適な実施例につき、図面を参照してさらに詳しく説明する。なお本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。
【００２７】
実施例１
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化１〕で示されるポリパラキシリレンを採用し、これをＣＶＤ法で形成して有機系絶縁膜を形成した例であり、この工程を図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００２８】
【化１】
【００２９】
まず図２（ａ）に示すように、半導体基板１として不図示のトランジスタ等が作りこまれたシリコン基板を採用し、この半導体基板１上に下層絶縁膜２としてシリコン酸化膜をＣＶＤ法により５００ｎｍの厚さに形成し、必要に応じてここに接続孔（不図示）を開口する。下層絶縁膜２の成膜方法は、一般的なＳｉＨ４ およびＯ２ ガスを用いた減圧ＣＶＤ法、あるいはＴＥＯＳ （Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）とＯ２ ガスを用いたプラズマＣＶＤ法等でよい。
【００３０】
この後、Ａｌ−１％Ｓｉ合金膜をスパッタリングにより６００ｎｍの厚さに形成し、さらに化学増幅型レジストとＫｒＦエキシマレーザステッパによるリソグラフィ、ドライエッチング等の各工程を経て０．３５μｍのラインアンドスペース状の下層配線１１を形成する。Ａｌ−１％Ｓｉ合金膜はＴｉ、ＴｉＮ等によるバリア膜や反射防止膜等を含んでいてもよい。下層配線１１は、例えば０．３５μｍの配線幅と同じく０．３５μｍのスペース幅からなる密な配線間隔領域と、１〜１０μｍ程度の広いスペース幅を有する疎な配線間隔領域とを含んでいる。
【００３１】
つぎにシリコン酸化膜からなる下層保護無機系絶縁膜３を、ＳｉＨ４ とＮ２ Ｏガスを用いたプラズマＣＶＤ法により１００ｎｍの厚さに形成する。この厚さは、被処理基板の平坦部分での成膜厚さであり、特に密な配線間隔領域の下層配線１１のスペース部分では、この成膜厚さより薄く形成される。
【００３２】
つぎに図２（ｂ）に示すように、下層保護無機系絶縁膜３上にポリパラキシリレンからなる下層有機系絶縁膜４を５００ｎｍの厚さに減圧ＣＶＤ法により形成する。
減圧ＣＶＤ条件
ジパラキシリレン昇華温度 ２００ ℃
加熱分解温度 ６００〜６５０ ℃
被処理基板温度 ０ ℃
原料のジパラキシリレンは固体粉末であるが、減圧雰囲気中２００℃程度に加熱することにより、ダイマの形のまま、気体となって昇華する。このジパラキシリレンガスは、６００〜６５０℃に加熱することにより、モノマに分解される。ジパラキシリレンガスの加熱は、例えば同じＣＶＤチャンバ内の昇華源と被処理基板間に抵抗加熱ヒータを巻回した中空加熱炉を配設し、この中空加熱炉中にジパラキシリレンガスを通過させればよい。分解されたパラキシリレンモノマはこの後１５０℃程度のガス流となり、０℃程度に冷却された被処理基板上に到達するとここで重合し、パラキシリレンポリマからなる下層有機系絶縁膜４を形成する。
【００３３】
この後、図２（ｃ）に示すように下層有機系絶縁膜４上に、下層キャップ無機系絶縁膜５としてシリコン酸化膜を平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いたプラズマＣＶＤ法により４５０ｎｍ形成する。下層キャップ無機系絶縁膜５表面の平坦性が要求される場合には、予め１０００ｎｍ程度の厚さに成膜し、この後その表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化する。この場合、下層キャップ無機系絶縁膜５は、下層配線１１上で少なくとも４５０ｎｍ残すことが望ましい。
プラズマＣＶＤ条件
ＳｉＨ４ １００ ｓｃｃｍ
Ｎ２ Ｏ １５００ ｓｃｃｍ
Ｎ２ １０００ ｓｃｃｍ
圧力 １００ Ｐａ
被処理基板温度 ３５０ ℃
プラズマパワー ５００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
ＣＭＰは、コロイダルシリカをアルカリ性水溶液に懸濁したスラリを用いればよい。
【００３４】
つぎに、通常のレジストパターニング工程、シリコン酸化膜および有機高分子膜のエッチング工程を用いて０．２５μｍの開口径を有する接続孔（ビアコンタクトホール）９を開口する。レジストマスク剥離後の状態を図３（ｄ）に示す。
【００３５】
この後通常は、接続孔９開口後、直ちにコンタクトプラグの形成工程に移るが、本実施例では、レジストマスク剥離後に窒素等の非酸化性雰囲気中で熱処理工程を加える。
熱処理条件
被処理基板温度 ３５０ ℃
時間 ３０ 分
この熱処理工程により、主として下層キャップ無機系絶縁膜５に吸着ないしは内包されている水分が除去される。
【００３６】
この後、被処理基板をＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の基板ステージ上に搬送する。搬送に当たっては真空搬送あるいは乾燥窒素雰囲気中を搬送し、大気に直接触れることによる被処理基板の再吸湿を防止する。
【００３７】
つぎにＴｉ膜を３０ｎｍ、およびＴｉＮ膜を４０ｎｍの厚さにＥＣＲプラズマＣＶＤ法により順次形成する。
Ｔｉ膜のＥＣＲプラズマＣＶＤ条件
ＴｉＣｌ４ ５ ｓｃｃｍ
Ｈ２ １２０ ｓｃｃｍ
Ａｒ ２５０ ｓｃｃｍ
マイクロ波パワー ２．８ ｋＷ（２．４５ＧＨｚ）
圧力 １０３ Ｐａ
被処理基板温度 ３５０ ℃
Ｔｉ膜およびＴｉＮ膜は、スパッタリング法や反応性スパッタリング法により形成してもよい。
【００３８】
さらに、ブランケットＣＶＤ法によりＷ（タングステン）膜を７００ｎｍの厚さに成膜する。
核形成ブランケットＣＶＤ条件
ＷＦ6 ２５ ｓｃｃｍ
ＳｉＨ4 １０ ｓｃｃｍ
圧力 １０4 Ｐａ
被処理基板温度 ４５０ ℃
膜成長ブランケットＣＶＤ条件
ＷＦ6 ６０ ｓｃｃｍ
Ｈ2 ３５０ ｓｃｃｍ
圧力 １０4 Ｐａ
被処理基板温度 ４５０ ℃
Ｗ膜の形成に替えて、Ａｌ系金属をスパッタリング等により形成して、コンタクトプラグ材料としてもよい。
【００３９】
この後、ＳＦ６ 等のフッ素系ガスを用いてＷ膜をエッチバックし、続けてＣｌ２ 等の塩素系ガスを用いてＴｉＮ膜およびＴｉ膜をエッチバックすることにより、図３（ｅ）に示すように接続孔９内にコンタクトプラグ１２を形成する。
なおエッチバックに替えて、ＣＭＰによりＷ膜、ＴｉＮ膜およびＴｉ膜を研磨して接続孔９内に埋め込み、コンタクトプラグ１２を形成してもよい。
【００４０】
通常は、コンタクトプラグ１２形成後、直ちに上層の配線材料の形成工程に移るが、本実施例では、コンタクトプラグ１２形成後に窒素等の非酸化性雰囲気中で熱処理工程を加える。
熱処理条件
被処理基板温度 ３５０ ℃
時間 ３０ 分
この熱処理工程により、主として下層キャップ無機系絶縁膜５に新たに吸着ないしは内包された水分が除去される。
【００４１】
この後、被処理基板をスパッタリング装置の基板ステージ上に搬送する。搬送に当たっては真空搬送あるいは乾燥窒素雰囲気中を搬送し、大気に直接触れることによる被処理基板の再吸湿を防止する。
【００４２】
この後、Ａｌ−１％Ｓｉ合金膜をスパッタリングにより６００ｎｍの厚さに形成し、さらに化学増幅型レジストとＫｒＦエキシマレーザステッパによるリソグラフィ、塩素系ガスによるドライエッチング等の各工程を経てラインアンドスペース状の上層配線１３を形成する。Ａｌ−１％Ｓｉ合金膜はＴｉ、ＴｉＮ等によるバリア膜や反射防止膜を含んでいてもよい。上層配線１３形成後の状態を図３（ｆ）に示す。
【００４３】
通常は、上層配線１３を形成後、直ちに上層配線１３を被覆する絶縁膜の形成工程に移るが、本実施例では、上層配線１３形成後に窒素等の非酸化性雰囲気中で熱処理工程を加える。
熱処理条件
被処理基板温度 ３５０ ℃
時間 ３０ 分
この熱処理工程により、主として下層キャップ無機系絶縁膜５に再び吸着ないしは内包された水分が除去される。
【００４４】
上層配線１３を被覆する絶縁膜として、上層保護無機系絶縁膜６、上層有機系絶縁膜７および上層キャップ無機系絶縁膜８を形成した状態が、先に図１に示した概略断面図として示される。
これらの絶縁膜は、先にその形成方法を示した下層保護無機系絶縁膜３、下層有機系絶縁膜４および下層キャップ無機系絶縁膜５の形成方法に準じて成膜することができるので、重複する説明は省略する。
この後、３層以上の多層配線を形成する場合には、上述した工程を反復すればよい。また２層配線に留める場合には、上層キャップ無機系絶縁膜８を最終パシベーション膜としてもよいし、さらに耐湿性、イオンバリア性の高い窒化シリコン膜等をさらに形成してもよい。
【００４５】
本実施例によれば、有機系絶縁膜としてポリパラキシリレンを用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００４６】
実施例２
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化２〕に示されるフッ素樹脂（商品名：テフロンＡＦ）を採用し、これをスピンコーティング法で成膜して有機系絶縁膜を形成した例であり、この工程を同じく図２、図３および図１を参照して説明する。なお〔化２〕に示される、あるいは類似のフッ素樹脂であればテフロンＡＦ（商品名）以外のものを用いてよい。
【００４７】
【化２】
【００４８】
本実施例で採用した試料は、前実施例１で図２（ａ）を参照して説明したものと同一であるので重複する説明は省略する。
つぎに下層保護無機系絶縁膜３表面にプラズマを照射してその表面エネルギを高める。プラズマ処理装置は、通常の平行平板型プラズマ処理装置を用いた。
プラズマ処理条件
Ｎ２ Ｏ ５０ ｓｃｃｍ
圧力 １０ Ｐａ
ＲＦパワー ３００ Ｗ
時間 ２ 分
続けて、カプリング剤としてＣＦ３ （ＣＦ２ ）ｎ ＣＨ２ ＳｉＣｌ３ 、あるいはＣＦ３ （ＣＦ２ ）ｎ ＣＨ２ Ｓｉ（ＯＣＨ３ ）３ 、もしくはＣＦ３ （ＣＦ２ ）ｎ ＣＨ２ Ｓｉ（ＯＨ）３ 等を溶剤に希釈した溶液をスピンコートした（ただしｎは２以上の自然数）。塗布厚は単分子層に相当する膜厚程度でよい。
【００４９】
〔化２〕で示されるフッ素樹脂をフロロカーボン系の溶媒に溶解し、カプリング剤処理した下層保護無機系絶縁膜３上にスピンコーティング法により塗布し、乾燥、キュアリングの工程を経て下層有機系絶縁膜４を５００ｎｍ成膜した。
スピンコーティング条件
粘度 ３０ ｃｐ
回転数 ３０００ ｒｐｍ
乾燥条件
温度 １００ ℃
雰囲気 窒素
圧力 大気圧
時間 ２ 分
キュアリング条件
温度 ２５０ ℃
雰囲気 窒素
圧力 大気圧
時間 ５ 分
乾燥およびキュアリングの雰囲気はＡｒ等の不活性ガスを用いてもよい。
下層有機系絶縁膜４形成後の状態を図２（ｂ）に示す。
【００５０】
この後の工程、すなわち図２（ｃ）に示す下層キャップ無機系絶縁膜５の形成工程から図３（ｆ）の上層配線１３形成工程迄は、熱処理工程も含めていずれも前実施例１に準じておこなってよい。
【００５１】
上層配線１３を被覆する絶縁膜として、上層保護無機系絶縁膜６、上層有機系絶縁膜７および上層キャップ無機系絶縁膜８を形成した状態が、先に図１に示した概略断面図として示される。
これらの絶縁膜は、下層保護無機系絶縁膜３、下層有機系絶縁膜４および下層キャップ無機系絶縁膜５の形成方法や熱処理方法に準じて形成することができる。
この後、３層以上の多層配線を形成する場合には、上述した工程を反復すればよい。また２層配線に留める場合には、上層キャップ無機系絶縁膜８を最終パシベーション膜としてもよいし、さらに耐湿性、イオンバリア性の高い窒化シリコン膜等をさらに形成してもよい。
【００５２】
本実施例によれば、有機系絶縁膜として低誘電率のフッ素樹脂を用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００５３】
実施例３
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化３〕に示されるサイトップ（商品名）を用いた他は、前実施例２に準じた製造方法により半導体装置を製造した。サイトップの成膜方法もテフロンＡＦと同様でよい。ただし〔化３〕と同じあるいは類似した構造を有する有機系絶縁膜材料であれば、サイトップ以外の樹脂を採用してよい。
【００５４】
【化３】
【００５５】
本実施例によっても、有機系絶縁膜として低誘電率のサイトップを用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００５６】
実施例４
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化４〕に示されるフッ化ポリアリールエーテル（商品名：フレア）を用いた他は、前実施例２に準じた製造方法により半導体装置を製造した。フレアの成膜方法もテフロンＡＦと同様でよい。ただし〔化４〕と同じあるいは類似した構造を有する有機系絶縁膜材料であれば、フレア以外の樹脂を採用してよい。またフッ素原子を含まないポリアリールエーテルを用いてもよい。
【００５７】
【化４】
【００５８】
本実施例によっても、有機系絶縁膜として低誘電率のフレアを用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００５９】
実施例５
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化５〕に示されるフッ化ポリイミドを用いた他は、前実施例２に準じた製造方法により半導体装置を製造した。フッ化ポリイミドの成膜方法もテフロンＡＦと同様でよい。ただし〔化５〕と同じあるいは類似した構造を有する有機系絶縁膜材料であれば、フッ化ポリイミド以外の樹脂を採用してよい。
【００６０】
【化５】
【００６１】
本実施例によっても、有機系絶縁膜として低誘電率かつ高耐熱性のフッ化ポリイミドを用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００６２】
以上、本発明を５例の実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【００６３】
例えば、無機系絶縁膜材料として酸化シリコンを例示したが、不純物を含む酸化シリコン、フッ素を含む酸化シリコン、化学等量以外の酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、あるいはダイアモンドライクカーボン等を用いることができる。
【００６４】
また有機系絶縁膜として実施例に挙げたポリパラキシリレン、テフロン（商品名）、サイトップ（商品名）、フレア（商品名）あるいはフッ化ポリイミドの他に、有機ＳＯＧや各種炭化水素樹脂、シリコーン樹脂あるいはフッ化炭素樹脂等を採用してよい。
【００６５】
またＡｌ−１％Ｓｉ合金からなる配線層により配線群が形成された被処理基板を採用したが、配線材料として多結晶シリコンや高融点金属、あるいはその積層構造の高融点金属ポリサイド等を用いてもよい。
また積層絶縁膜を最終パッシベーション膜として用いる場合にも適用できる。さらに半導体基板としてはＳｉの他にＧａＡｓ等の化合物半導体基板を用いる場合にも有効である。また半導体装置以外にも、薄膜ヘッドや薄膜インダクタ等、絶縁膜の低誘電率化が臨まれる、高周波の各種マイクロ電子デバイス等にも適用可能であることは言うまでもない。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、耐ストレス性の小さい有機系絶縁膜を、積層絶縁膜の一部に用いた半導体装置の製造工程における膜剥離の問題や、有機系絶縁膜の熱変形、破損の問題を回避することが可能となる。
したがって、本発明の半導体装置の製造方法の採用により、層間絶縁膜やパシベーション膜の低誘電率を図った高集積度半導体装置を信頼性高く提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置を示す概略断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法を示す概略断面図であり、図２に続く工程を示す。
【図４】無機系絶縁膜と有機系絶縁膜の積層絶縁膜を有する半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…下層絶縁膜、３…下層保護無機系絶縁膜、４…下層有機系絶縁膜、５…下層キャップ無機系絶縁膜、６…上層保護無機系絶縁膜、７…上層有機系絶縁膜、８…上層キャップ無機系絶縁膜、９…接続孔、１０…配線、１１…下層配線、１２…コンタクトプラグ、１３…上層配線、２３…保護無機系絶縁膜、２４…有機系絶縁膜、２５…キャップ無機系絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置に関し、さらに詳しくは、有機系絶縁膜と無機系絶縁膜との積層絶縁膜を用いた半導体装置における、絶縁膜の剥離を防止する際に適用して好適な半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化が進展するに伴い、多層配線構造が多用され、同一配線層内の隣り合う配線間の層間絶縁膜の幅が狭まるとともに、異なる配線層間の層間絶縁膜の厚さも薄くなっている。かかる配線間隔の縮小により、配線間容量の上昇による配線遅延等が問題となりつつある。このため半導体装置の実動作速度は１／Ｋ（Ｋはスケーリングファクタ）のスケーリング則に合致しなくなり、高集積化のメリットを充分に発揮することができない。配線間容量の上昇防止は、高集積度半導体装置の高速動作、低消費電力および低発熱等の諸要請に応えるためには、是非とも解決しなければならない要素技術の１つである。
【０００３】
従来より半導体装置の層間絶縁膜等に採用されてきた絶縁体膜材料は、ＳｉＯ２ 、ＳｉＯＮやＳｉ３ Ｎ４ 等の無機系材料が主体であった。高集積度半導体装置の配線間容量の低減方法として、例えば特開昭６３−７６５０号公報に開示されているように、これら一般的な無機系材料よりも低誘電率の材料による層間絶縁膜の採用が有効である。この低誘電率材料としては、フッ素原子を含む酸化シリコン系絶縁膜（以下ＳｉＯＦと記す）等の無機系材料と、炭素原子を含む有機系材料が代表的である。
【０００４】
ＳｉＯＦは、ＳｉＯ２ を構成するＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合をＦ原子により終端することで、その密度が低下すること、およびＳｉ−Ｆ結合やＯ−Ｆ結合の分極率が小さいこと等により低誘電率が達成される。このＳｉＯＦはその成膜やエッチングのプロセスが従来のＳｉＯ２ に類似したものであるので、現用の製造装置でも容易に採用できる。また無機系材料であるので耐熱性にも優れる。
【０００５】
一方の炭素原子を含む有機系材料による低誘電率絶縁体膜としては、有機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミド、ポリパラキシリレン（商標名パリレン）、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン等の有機高分子材料が知られている。これらの材料は炭素原子を含有することでその密度が低減され、また分子（モノマ）自体の分極率を小さくすることで低誘電率を達成している。またシロキサン結合、イミド結合あるいはベンゼン環やナフタレン環を導入することにより、ある程度の耐熱性を得ている。
これら炭化水素系の有機系材料に、さらにフッ素原子を導入することにより、比誘電率が１．５〜２．５程度と一層の低誘電率化と耐熱性の向上が得られる。かかるフッ素系樹脂の有機系材料としては、パーフルオロ基含有ポリイミドやフッ化ポリアリールエーテル、テフロン（商標名）あるいはフレア（商標名）等が知られている。これら有機低誘電率材料は、例えば「日経マイクロデバイス」誌１９９５年７月号１０５〜１１２頁に紹介されている。
【０００６】
これら比誘電率が３．５程度以下の低誘電率材料層を、隣り合う配線間はもとより異なるレベルの配線層間にも適用し、しかも低誘電率材料層をＳｉＯ２ （比誘電率４）、ＳｉＯＮ（比誘電率４〜６）やＳｉ３ Ｎ４ （比誘電率６）等の膜質に優れた絶縁体膜により挟み込む構造の積層絶縁膜を、本願出願人は特開平８−１６２５２８号公報で開示し、低誘電率と高信頼性を合わせ持つ層間絶縁膜を有する半導体装置の可能性を示した。かかる半導体装置の一例を図４を参照して説明する。
【０００７】
図４にその概略断面図を示す半導体装置は、不図示のＭＯＳトランジスタ等が作りこまれたＳｉ等の半導体基板１上に、ＳｉＯ２ 等からなる下層絶縁体膜２、Ａｌ−１％Ｓｉ等からなるラインアンドスペース状の配線１０、この配線１０をコンフォーマルに被覆する保護無機系絶縁膜２３、平坦な表面を有する有機系絶縁膜２４、およびこの有機系絶縁膜２４をさらに被覆するキャップ無機系絶縁膜２５が順次形成された構造を有する。有機系絶縁膜２４は、保護無機系絶縁膜２３とキャップ無機系絶縁膜２５により挟み込まれた積層絶縁膜となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す構造に代表される積層絶縁膜は、特にフッ素系樹脂を有機系絶縁膜に採用した半導体装置に有効である。フッ素系樹脂は耐酸化性、耐熱性、熱拡散性、耐ストレス性が必ずしも充分ではなく、フッ素系樹脂をはじめとする有機系絶縁膜単層の状態で半導体装置の層間絶縁膜に適用するのは困難である。特に機械的応力に対する耐ストレス性に関しては、従来から層間絶縁膜として用いられてきた酸化シリコン系絶縁膜に比較して不充分である。これは、ヤング率で比べると、酸化シリコン系絶縁膜の５〜１０×１０１０Ｐａに対し、フッ素系樹脂は０．１〜０．８×１０１０Ｐａ程度と桁違いに小さいことが理由として挙げられる。
【０００９】
このため、半導体装置の層間絶縁膜として有機系絶縁膜を導入する場合には、従来にはなかった新たな問題が発生する。その一つに、無機系絶縁膜に吸着あるいは含有されている水分の気化圧力による、主として無機系絶縁膜と有機系絶縁膜との間の剥離の問題がある。層間剥離の問題は、後工程での配線や層間絶縁膜の形成工程における加熱により発生し、特に水分含有量の多い酸化シリコン系絶縁膜等を使用する場合にはこの問題が顕在化する。
【００１０】
従来から層間絶縁膜として用いられてきた酸化シリコン系絶縁膜の場合には、このような気化水分は膜中を拡散して外部へ放出されるので、無機系絶縁膜同士の積層絶縁膜の場合には、層間剥離は特に問題とはならない。しかしながら有機系絶縁膜の場合は吸湿性が小さいので、無機系絶縁膜から発生した気化水分は吸湿性の小さい有機絶縁膜により閉じ込められ、その部分の内圧が上昇する。このとき、有機系絶縁膜は機械的ストレスに弱いので、その圧力によって層間薄利や、甚だしい場合には有機系絶縁膜事態の破壊が発生する。
【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑み提案するものであり、有機系絶縁膜と無機系絶縁膜との積層絶縁膜を用いた半導体装置の製造方法において、層間剥離や、有機系絶縁膜の変形あるいは破壊を防止することをその課題とする。
また本発明の他の課題は、かかる製造方法を用いた信頼性の高い高集積度の半導体装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本願の請求項１の半導体装置の製造方法は、
被処理基板上に有機系絶縁膜と無機系絶縁膜とを含む積層絶縁膜を有し、この積層絶縁膜上に配線材料を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
この配線材料を形成する工程に先立ち、
積層絶縁膜のうちの無機絶縁膜に含まれる水分を除去する熱処理工程を施し、
この後、被処理基板を大気に露出することなく、連続的に配線材料を形成することにより、前記積層絶縁膜の有機絶縁膜と無機絶縁膜との層間剥離や、前記有機絶縁膜の変形もしくは破壊を防止することを特徴とする。
【００１３】
この積層絶縁膜は接続孔を有するとともに、
この配線材料を形成する工程は、少なくともこの接続孔内を充填するコンタクトプラグ材料形成工程を含むことを特徴とする。
あるいは、この積層絶縁膜は接続孔およびこの接続孔内に充填されたコンタクトプラグを有するとともに、
この配線材料を形成する工程は、この積層絶縁膜上の上層配線材料形成工程であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、上述した課題を達成するため、本願の請求項６の半導体装置の製造方法は、
被処理基板上に、有機系絶縁膜と無機系絶縁膜とを含む積層絶縁膜、およびこの積層絶縁膜上の配線を有し、この積層絶縁膜および配線上に上層絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
この上層絶縁膜を形成する工程に先立ち、
先の積層絶縁膜のうちの無機絶縁膜に含まれる水分を除去する熱処理工程を施し、
この後、被処理基板を大気に露出することなく、連続的に先の上層絶縁膜を形成することにより、前記積層絶縁膜の有機絶縁膜と無機絶縁膜との層間剥離や、前記有機絶縁膜の変形もしくは破壊を防止することを特徴とする。
【００１５】
本発明の半導体装置は、これら半導体装置の製造方法を含んで製造されたものであることを特徴とする。
【００１６】
本発明で用いられる無機系絶縁膜としては特に限定はなく、酸化シリコン、あるいはＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ等の不純物を含む酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、ＳｉＯＦ等、一般的な半導体装置に用いられる無機系の絶縁膜であれば種類を問わない。シリカゲル（Ｘｅｒｏｇｅｌ）のような微細気泡を有する酸化シリコンでもよい。また通常の化学等量組成よりＳｉ原子を多く含む酸化シリコンでもよい。ダイアモンドライクカーボンやフッ化ダイアモンドライクカーボン等、高熱伝導率の無機系絶縁膜の採用も有効である。またこれらの絶縁膜を単層で用いても複層で用いてもよい。またその製造方法もＣＶＤ （Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ （Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいは塗布法、焼成法等の別を問わない。
【００１７】
つぎに本発明で用いられる有機系絶縁膜は、先に示した無機系絶縁膜より低誘電率のものであれば特に限定はない。有機ＳＯＧ（比誘電率３〜３．５）、ポリイミド（比誘電率３〜３．５）、ポリパラキシリレン、ベンゾシクロブテン（比誘電率約２．６）、ポリナフタレン等の炭化水素系樹脂、あるいはパーフルオロ基を導入したポリイミド（比誘電率約２．７）、フッ素添加ポリパラキシリレン（比誘電率約２．４）、フッ化ポリアリールエーテル（比誘電率２．６）、テフロン（商標名、比誘電率１．９〜２．１）、サイトップ（商品名、比誘電率２．１）あるいはフレア（商標名）等はいずれも採用できる。またこれらの絶縁膜を単層で用いても複層で用いてもよい。またその製造方法もＣＶＤ、ＰＶＤあるいは塗布形成法等の別を問わない。
【００１８】
本発明で採用する熱処理工程は、積層絶縁膜、特に無機系絶縁膜に吸着あるいは内包された水分を除去する目的であるから、無機系絶縁膜の種類や膜質により、適用温度は異なるが、概ね２００℃程度以上の温度を用いることが望ましい。例えば基板バイアス印加による高密度プラズマＣＶＤ法で成膜した場合には、膜質が緻密であり水分の吸着あるいは含有量は少ないので、２００℃程度の低温でよい。また上限としては、これも有機系絶縁膜の材料により異なるが、一般的には耐熱樹脂の熱分解あるいは変質温度以下である、４００℃程度以下の温度であることが望ましい。熱処理雰囲気は窒素や希ガスが望ましいが、配線等に対する熱酸化の虞れがなければ空気中でもよい。また常圧中でも、減圧雰囲気であってもよい。
【００１９】
つぎに作用の説明に移る。
本発明においては、透湿性の無い、あるいは少ない配線材料や層間絶縁膜を積層絶縁膜上に形成する前に、２００℃以上４００℃以下程度の熱処理を加える。この熱処理により、主として無機系絶縁膜に吸着している、あるいは内在している水分が除去される。この後、被処理基板を大気に露出することなく、連続的に配線材料や層間絶縁膜を形成すれば、これら配線材料や層間絶縁膜形成時の加熱工程で、もはや水分が気化することはない。したがって、耐ストレス性に乏しい有機系絶縁膜と無機系絶縁膜との間の剥離や、有機系絶縁膜の熱変形、破壊が防止される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置の実施の形態例につき、図面を参照しながら説明する。
まず本発明の半導体装置の製造方法を含んで製造された半導体装置を、図１に示す概略断面図を参照して説明する。
【００２１】
不図示のＭＯＳトランジスタやＢｉｐｏｌａｒトランジスタ等が作りこまれたＳｉ等の半導体基板１上に、下層絶縁膜２、Ａｌ−１％Ｓｉ等からなる下層配線１１、この下層配線１１をコンフォーマルに被覆する下層保護無機系絶縁膜３、この下層保護無機系絶縁膜３上に形成され、望ましくはその表面が平坦化されている下層有機系絶縁膜４、下層キャップ無機系絶縁膜５、同じくＡｌ−１％Ｓｉ等からなる上層配線１３、この上層配線１３をコンフォーマルに被覆する上層保護無機系絶縁膜６、この上層保護無機系絶縁膜６上に形成され、望ましくはその表面が平坦化されている上層有機系絶縁膜７、上層キャップ無機系絶縁膜８等を含み、本発明の半導体装置は大略構成されている。下層配線１１と上層配線１３は、コンタクトプラグ１２により接続されている。
【００２２】
これらのうち、下層絶縁膜２、下層保護無機系絶縁膜３、下層キャップ無機系絶縁膜５、上層保護無機系絶縁膜６および上層キャップ無機系絶縁膜８等は、酸化シリコン、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ等の不純物を含む酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、ＳｉＯＦ、ダイアモンドライクカーボンやフッ化ダイアモンドライクカーボン等の無機系絶縁材料により形成されている。上層キャップ無機系絶縁膜８に、さらに上層の配線を形成してもよい。また上層キャップ無機系絶縁膜８は最終パシベーション膜であってもよい。
【００２３】
また下層有機系絶縁膜４および上層有機系絶縁膜７は、有機ＳＯＧ、ポリイミド、ポリパラキシリレン、ベンゾシクロブテン、ポリナフタレン等の炭化水素系樹脂、あるいはパーフルオロ基を導入したポリイミド、フッ素添加ポリパラキシリレン、フッ化ポリアリールエーテル、テフロン（商品名）、サイトップ（商品名）あるいはフレア（商標名）等により形成されている。
【００２４】
下層配線１１および上層配線１３の材料は特に制限はなく、Ａｌ系金属、Ｃｕ系金属、Ｗ等の高融点金属や高融点金属シリサイド、高融点金属ポリサイドあるいは多結晶シリコン等、いずれの材料であってもよい。また密着層やバリア層あるいは反射防止層を組み合わせて用いてもよい。
コンタクトプラグ１２の材料も特に限定はなく、Ａｌ系金属、Ｃｕ系金属、ＷやＭｏ等の高融点金属あるいは多結晶シリコン等いずれの材料であってもよい。またＴｉやＴｉＮ等の密着層やバリア層を組み合わせて用いてもよい。
【００２５】
さて、本発明の半導体装置の製造方法が特徴とする熱処理工程は、接続孔にコンタクトプラグ１２用の配線材料を埋め込む前、上層配線１３用の配線材料を形成する前、および上層キャップ無機系絶縁膜８を形成する前にそれぞれ施す。すなわち、水分透過性のない、あるいは小さい膜を形成する前に熱処理工程を入れる。熱処理工程後は、積層絶縁膜、特に無機系絶縁膜への再度の水分の吸着を防止するため、被処理基板を大気に露出することなく、同一の熱処理チャンバ内で、あるいは真空中や乾燥窒素雰囲気中等を成膜チャンバに搬送して、連続的に配線材料層や上層の絶縁膜を成膜する。これらの熱処理により、配線材料層や上層の絶縁膜の成膜工程での加熱や、その後の熱処理工程での剥離や有機系絶縁膜の破壊等が防止される。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の半導体装置の製造方法およびこれを用いた半導体装置の好適な実施例につき、図面を参照してさらに詳しく説明する。なお本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。
【００２７】
実施例１
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化１〕で示されるポリパラキシリレンを採用し、これをＣＶＤ法で形成して有機系絶縁膜を形成した例であり、この工程を図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００２８】
【化１】
まず図２（ａ）に示すように、半導体基板１として不図示のトランジスタ等が作りこまれたシリコン基板を採用し、この半導体基板１上に下層絶縁膜２としてシリコン酸化膜をＣＶＤ法により５００ｎｍの厚さに形成し、必要に応じてここに接続孔（不図示）を開口する。下層絶縁膜２の成膜方法は、一般的なＳｉＨ４ およびＯ２ ガスを用いた減圧ＣＶＤ法、あるいはＴＥＯＳ （Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）とＯ２ ガスを用いたプラズマＣＶＤ法等でよい。
【００３０】
この後、Ａｌ−１％Ｓｉ合金膜をスパッタリングにより６００ｎｍの厚さに形成し、さらに化学増幅型レジストとＫｒＦエキシマレーザステッパによるリソグラフィ、ドライエッチング等の各工程を経て０．３５μｍのラインアンドスペース状の下層配線１１を形成する。Ａｌ−１％Ｓｉ合金膜はＴｉ、ＴｉＮ等によるバリア膜や反射防止膜等を含んでいてもよい。下層配線１１は、例えば０．３５μｍの配線幅と同じく０．３５μｍのスペース幅からなる密な配線間隔領域と、１〜１０μｍ程度の広いスペース幅を有する疎な配線間隔領域とを含んでいる。
【００３１】
つぎにシリコン酸化膜からなる下層保護無機系絶縁膜３を、ＳｉＨ４ とＮ２ Ｏガスを用いたプラズマＣＶＤ法により１００ｎｍの厚さに形成する。この厚さは、被処理基板の平坦部分での成膜厚さであり、特に密な配線間隔領域の下層配線１１のスペース部分では、この成膜厚さより薄く形成される。
【００３２】
つぎに図２（ｂ）に示すように、下層保護無機系絶縁膜３上にポリパラキシリレンからなる下層有機系絶縁膜４を５００ｎｍの厚さに減圧ＣＶＤ法により形成する。
減圧ＣＶＤ条件
ジパラキシリレン昇華温度 ２００ ℃
加熱分解温度 ６００〜６５０ ℃
被処理基板温度 ０ ℃
原料のジパラキシリレンは固体粉末であるが、減圧雰囲気中２００℃程度に加熱することにより、ダイマの形のまま、気体となって昇華する。このジパラキシリレンガスは、６００〜６５０℃に加熱することにより、モノマに分解される。ジパラキシリレンガスの加熱は、例えば同じＣＶＤチャンバ内の昇華源と被処理基板間に抵抗加熱ヒータを巻回した中空加熱炉を配設し、この中空加熱炉中にジパラキシリレンガスを通過させればよい。分解されたパラキシリレンモノマはこの後１５０℃程度のガス流となり、０℃程度に冷却された被処理基板上に到達するとここで重合し、パラキシリレンポリマからなる下層有機系絶縁膜４を形成する。
【００３３】
この後、図２（ｃ）に示すように下層有機系絶縁膜４上に、下層キャップ無機系絶縁膜５としてシリコン酸化膜を平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いたプラズマＣＶＤ法により４５０ｎｍ形成する。下層キャップ無機系絶縁膜５表面の平坦性が要求される場合には、予め１０００ｎｍ程度の厚さに成膜し、この後その表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化する。この場合、下層キャップ無機系絶縁膜５は、下層配線１１上で少なくとも４５０ｎｍ残すことが望ましい。
プラズマＣＶＤ条件
ＳｉＨ４ １００ ｓｃｃｍ
Ｎ２ Ｏ １５００ ｓｃｃｍ
Ｎ２ １０００ ｓｃｃｍ
圧力 １００ Ｐａ
被処理基板温度 ３５０ ℃
プラズマパワー ５００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
ＣＭＰは、コロイダルシリカをアルカリ性水溶液に懸濁したスラリを用いればよい。
【００３４】
つぎに、通常のレジストパターニング工程、シリコン酸化膜および有機高分子膜のエッチング工程を用いて０．２５μｍの開口径を有する接続孔（ビアコンタクトホール）９を開口する。レジストマスク剥離後の状態を図３（ｄ）に示す。
【００３５】
この後通常は、接続孔９開口後、直ちにコンタクトプラグの形成工程に移るが、本実施例では、レジストマスク剥離後に窒素等の非酸化性雰囲気中で熱処理工程を加える。
熱処理条件
被処理基板温度 ３５０ ℃
時間 ３０ 分
この熱処理工程により、主として下層キャップ無機系絶縁膜５に吸着ないしは内包されている水分が除去される。
【００３６】
この後、被処理基板をＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の基板ステージ上に搬送する。搬送に当たっては真空搬送あるいは乾燥窒素雰囲気中を搬送し、大気に直接触れることによる被処理基板の再吸湿を防止する。
【００３７】
つぎにＴｉ膜を３０ｎｍ、およびＴｉＮ膜を４０ｎｍの厚さにＥＣＲプラズマＣＶＤ法により順次形成する。
Ｔｉ膜のＥＣＲプラズマＣＶＤ条件
ＴｉＣｌ４ ５ ｓｃｃｍ
Ｈ２ １２０ ｓｃｃｍ
Ａｒ ２５０ ｓｃｃｍ
マイクロ波パワー ２．８ ｋＷ（２．４５ＧＨｚ）
圧力 １０３ Ｐａ
被処理基板温度 ３５０ ℃
Ｔｉ膜およびＴｉＮ膜は、スパッタリング法や反応性スパッタリング法により形成してもよい。
【００３８】
さらに、ブランケットＣＶＤ法によりＷ（タングステン）膜を７００ｎｍの厚さに成膜する。
核形成ブランケットＣＶＤ条件
ＷＦ6 ２５ ｓｃｃｍ
ＳｉＨ4 １０ ｓｃｃｍ
圧力 １０4 Ｐａ
被処理基板温度 ４５０ ℃
膜成長ブランケットＣＶＤ条件
ＷＦ6 ６０ ｓｃｃｍ
Ｈ2 ３５０ ｓｃｃｍ
圧力 １０4 Ｐａ
被処理基板温度 ４５０ ℃
Ｗ膜の形成に替えて、Ａｌ系金属をスパッタリング等により形成して、コンタクトプラグ材料としてもよい。
【００３９】
この後、ＳＦ６ 等のフッ素系ガスを用いてＷ膜をエッチバックし、続けてＣｌ２ 等の塩素系ガスを用いてＴｉＮ膜およびＴｉ膜をエッチバックすることにより、図３（ｅ）に示すように接続孔９内にコンタクトプラグ１２を形成する。
なおエッチバックに替えて、ＣＭＰによりＷ膜、ＴｉＮ膜およびＴｉ膜を研磨して接続孔９内に埋め込み、コンタクトプラグ１２を形成してもよい。
【００４０】
通常は、コンタクトプラグ１２形成後、直ちに上層の配線材料の形成工程に移るが、本実施例では、コンタクトプラグ１２形成後に窒素等の非酸化性雰囲気中で熱処理工程を加える。
熱処理条件
被処理基板温度 ３５０ ℃
時間 ３０ 分
この熱処理工程により、主として下層キャップ無機系絶縁膜５に新たに吸着ないしは内包された水分が除去される。
【００４１】
この後、被処理基板をスパッタリング装置の基板ステージ上に搬送する。搬送に当たっては真空搬送あるいは乾燥窒素雰囲気中を搬送し、大気に直接触れることによる被処理基板の再吸湿を防止する。
【００４２】
この後、Ａｌ−１％Ｓｉ合金膜をスパッタリングにより６００ｎｍの厚さに形成し、さらに化学増幅型レジストとＫｒＦエキシマレーザステッパによるリソグラフィ、塩素系ガスによるドライエッチング等の各工程を経てラインアンドスペース状の上層配線１３を形成する。Ａｌ−１％Ｓｉ合金膜はＴｉ、ＴｉＮ等によるバリア膜や反射防止膜を含んでいてもよい。上層配線１３形成後の状態を図３（ｆ）に示す。
【００４３】
通常は、上層配線１３を形成後、直ちに上層配線１３を被覆する絶縁膜の形成工程に移るが、本実施例では、上層配線１３形成後に窒素等の非酸化性雰囲気中で熱処理工程を加える。
熱処理条件
被処理基板温度 ３５０ ℃
時間 ３０ 分
この熱処理工程により、主として下層キャップ無機系絶縁膜５に再び吸着ないしは内包された水分が除去される。
【００４４】
上層配線１３を被覆する絶縁膜として、上層保護無機系絶縁膜６、上層有機系絶縁膜７および上層キャップ無機系絶縁膜８を形成した状態が、先に図１に示した概略断面図として示される。
これらの絶縁膜は、先にその形成方法を示した下層保護無機系絶縁膜３、下層有機系絶縁膜４および下層キャップ無機系絶縁膜５の形成方法に準じて成膜することができるので、重複する説明は省略する。
この後、３層以上の多層配線を形成する場合には、上述した工程を反復すればよい。また２層配線に留める場合には、上層キャップ無機系絶縁膜８を最終パシベーション膜としてもよいし、さらに耐湿性、イオンバリア性の高い窒化シリコン膜等をさらに形成してもよい。
【００４５】
本実施例によれば、有機系絶縁膜としてポリパラキシリレンを用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００４６】
実施例２
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化２〕に示されるフッ素樹脂（商品名：テフロンＡＦ）を採用し、これをスピンコーティング法で成膜して有機系絶縁膜を形成した例であり、この工程を同じく図２、図３および図１を参照して説明する。なお〔化２〕に示される、あるいは類似のフッ素樹脂であればテフロンＡＦ（商品名）以外のものを用いてよい。
【００４７】
【化２】
本実施例で採用した試料は、前実施例１で図２（ａ）を参照して説明したものと同一であるので重複する説明は省略する。
つぎに下層保護無機系絶縁膜３表面にプラズマを照射してその表面エネルギを高める。プラズマ処理装置は、通常の平行平板型プラズマ処理装置を用いた。
プラズマ処理条件
Ｎ２ Ｏ ５０ ｓｃｃｍ
圧力 １０ Ｐａ
ＲＦパワー ３００ Ｗ
時間 ２ 分
続けて、カプリング剤としてＣＦ３ （ＣＦ２ ）ｎ ＣＨ２ ＳｉＣｌ３ 、あるいはＣＦ３ （ＣＦ２ ）ｎ ＣＨ２ Ｓｉ（ＯＣＨ３ ）３ 、もしくはＣＦ３ （ＣＦ２ ）ｎ ＣＨ２ Ｓｉ（ＯＨ）３ 等を溶剤に希釈した溶液をスピンコートした（ただしｎは２以上の自然数）。塗布厚は単分子層に相当する膜厚程度でよい。
【００４９】
〔化２〕で示されるフッ素樹脂をフロロカーボン系の溶媒に溶解し、カプリング剤処理した下層保護無機系絶縁膜３上にスピンコーティング法により塗布し、乾燥、キュアリングの工程を経て下層有機系絶縁膜４を５００ｎｍ成膜した。
スピンコーティング条件
粘度 ３０ ｃｐ
回転数 ３０００ ｒｐｍ
乾燥条件
温度 １００ ℃
雰囲気 窒素
圧力 大気圧
時間 ２ 分
キュアリング条件
温度 ２５０ ℃
雰囲気 窒素
圧力 大気圧
時間 ５ 分
乾燥およびキュアリングの雰囲気はＡｒ等の不活性ガスを用いてもよい。
下層有機系絶縁膜４形成後の状態を図２（ｂ）に示す。
【００５０】
この後の工程、すなわち図２（ｃ）に示す下層キャップ無機系絶縁膜５の形成工程から図３（ｆ）の上層配線１３形成工程迄は、熱処理工程も含めていずれも前実施例１に準じておこなってよい。
【００５１】
上層配線１３を被覆する絶縁膜として、上層保護無機系絶縁膜６、上層有機系絶縁膜７および上層キャップ無機系絶縁膜８を形成した状態が、先に図１に示した概略断面図として示される。
これらの絶縁膜は、下層保護無機系絶縁膜３、下層有機系絶縁膜４および下層キャップ無機系絶縁膜５の形成方法や熱処理方法に準じて形成することができる。
この後、３層以上の多層配線を形成する場合には、上述した工程を反復すればよい。また２層配線に留める場合には、上層キャップ無機系絶縁膜８を最終パシベーション膜としてもよいし、さらに耐湿性、イオンバリア性の高い窒化シリコン膜等をさらに形成してもよい。
【００５２】
本実施例によれば、有機系絶縁膜として低誘電率のフッ素樹脂を用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００５３】
実施例３
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化３〕に示されるサイトップ（商品名）を用いた他は、前実施例２に準じた製造方法により半導体装置を製造した。サイトップの成膜方法もテフロンＡＦと同様でよい。ただし〔化３〕と同じあるいは類似した構造を有する有機系絶縁膜材料であれば、サイトップ以外の樹脂を採用してよい。
【００５４】
【化３】
本実施例によっても、有機系絶縁膜として低誘電率のサイトップを用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００５６】
実施例４
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化４〕に示されるフッ化ポリアリールエーテル（商品名：フレア）を用いた他は、前実施例２に準じた製造方法により半導体装置を製造した。フレアの成膜方法もテフロンＡＦと同様でよい。ただし〔化４〕と同じあるいは類似した構造を有する有機系絶縁膜材料であれば、フレア以外の樹脂を採用してよい。またフッ素原子を含まないポリアリールエーテルを用いてもよい。
【００５７】
【化４】
本実施例によっても、有機系絶縁膜として低誘電率のフレアを用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００５９】
実施例５
本実施例は、有機系絶縁膜の材料として〔化５〕に示されるフッ化ポリイミドを用いた他は、前実施例２に準じた製造方法により半導体装置を製造した。フッ化ポリイミドの成膜方法もテフロンＡＦと同様でよい。ただし〔化５〕と同じあるいは類似した構造を有する有機系絶縁膜材料であれば、フッ化ポリイミド以外の樹脂を採用してよい。
【００６０】
【化５】
本実施例によっても、有機系絶縁膜として低誘電率かつ高耐熱性のフッ化ポリイミドを用いた半導体装置における膜剥離あるいは有機系絶縁膜の変形、破損を、要所での熱処理工程の導入により、効果的に防止することができる。
【００６２】
以上、本発明を５例の実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
【００６３】
例えば、無機系絶縁膜材料として酸化シリコンを例示したが、不純物を含む酸化シリコン、フッ素を含む酸化シリコン、化学等量以外の酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、あるいはダイアモンドライクカーボン等を用いることができる。
【００６４】
また有機系絶縁膜として実施例に挙げたポリパラキシリレン、テフロン（商品名）、サイトップ（商品名）、フレア（商品名）あるいはフッ化ポリイミドの他に、有機ＳＯＧや各種炭化水素樹脂、シリコーン樹脂あるいはフッ化炭素樹脂等を採用してよい。
【００６５】
またＡｌ−１％Ｓｉ合金からなる配線層により配線群が形成された被処理基板を採用したが、配線材料として多結晶シリコンや高融点金属、あるいはその積層構造の高融点金属ポリサイド等を用いてもよい。
また積層絶縁膜を最終パッシベーション膜として用いる場合にも適用できる。さらに半導体基板としてはＳｉの他にＧａＡｓ等の化合物半導体基板を用いる場合にも有効である。また半導体装置以外にも、薄膜ヘッドや薄膜インダクタ等、絶縁膜の低誘電率化が臨まれる、高周波の各種マイクロ電子デバイス等にも適用可能であることは言うまでもない。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、耐ストレス性の小さい有機系絶縁膜を、積層絶縁膜の一部に用いた半導体装置の製造工程における膜剥離の問題や、有機系絶縁膜の熱変形、破損の問題を回避することが可能となる。
したがって、本発明の半導体装置の製造方法の採用により、層間絶縁膜やパシベーション膜の低誘電率を図った高集積度半導体装置を信頼性高く提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置を示す概略断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法を示す概略断面図であり、図２に続く工程を示す。
【図４】無機系絶縁膜と有機系絶縁膜の積層絶縁膜を有する半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…下層絶縁膜、３…下層保護無機系絶縁膜、４…下層有機系絶縁膜、５…下層キャップ無機系絶縁膜、６…上層保護無機系絶縁膜、７…上層有機系絶縁膜、８…上層キャップ無機系絶縁膜、９…接続孔、１０…配線、１１…下層配線、１２…コンタクトプラグ、１３…上層配線、２３…保護無機系絶縁膜、２４…有機系絶縁膜、２５…キャップ無機系絶縁膜
Claims (8)
- 被処理基板上に有機系絶縁膜と無機系絶縁膜とを含む積層絶縁膜を有し、前記積層絶縁膜上に配線材料を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記配線材料を形成する工程に先立ち、
前記積層絶縁膜のうちの無機絶縁膜に含まれる水分を除去する熱処理工程を施し、
この後前記被処理基板を大気に露出することなく、連続的に前記配線材料を形成することにより、前記積層絶縁膜の有機絶縁膜と無機絶縁膜との層間剥離や、前記有機絶縁膜の変形もしくは破壊を防止すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記積層絶縁膜は接続孔および前記接続孔内に充填するコンタクトプラグ材料形成工程を含むこと
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。 - 前記積層絶縁膜は接続孔および前記接続孔内に充填するコンタクトプラグを有するとともに、
前記配線材料を形成する工程は、前記積層絶縁膜上の上層配線材料形成工程であること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。 - 前記有機系絶縁膜の比誘電率は、前記無機系絶縁膜の比誘電率より小さいこと
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。 - 請求項１記載の半導体装置の製造方法を含んで製造されたことを特徴とする半導体装置。
- 被処理基板上に有機系絶縁膜と無機系絶縁膜とを含む積層絶縁膜、および前記積層絶縁膜上の配線を有し、前記積層絶縁膜および前記配線上に上層絶縁膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記上層絶縁膜を形成する工程に先立ち、
前記積層絶縁膜のうちの無機絶縁膜に含まれる水分を除去する熱処理工程を施し、
この後前記被処理基板を大気に露出することなく、連続的に前記上層絶縁膜を形成することにより、前記積層絶縁膜の有機絶縁膜と無機絶縁膜との層間剥離や、前記有機絶縁膜の変形もしくは破壊を防止すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記有機系絶縁膜の比誘電率は、前記無機系絶縁膜の比誘電率より小さいこと
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６記載の半導体装置の製造方法を含んで製造されたことを特徴とする半導体装置。
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