JP3665935B2 - 絶縁膜の形成方法および半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、絶縁膜の形成方法及びこれを用いて形成される半導体装置に関する。具体的には、絶縁膜として、ＦＳＧ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃａ Ｇｌａｓｓ）を用いた絶縁膜の形成方法及びこれを用いて形成される半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この発明は、典型例としては、半導体装置におけるメタル配線層とメタル配線層との間に形成する絶縁膜に関するものである。以下、図面を用いて、従来のメタル配線層の間に形成された絶縁膜について説明する。
【０００３】
図３は、従来のメタル配線層とメタル配線層との間に形成された絶縁膜について説明するための断面模式図である。
図３に示すように、基板２の上にはメタル配線層１０が形成されている。また、その間に層間絶縁膜を挟み、メタル配線層２０が形成され、メタル配線層１０とメタル配線層２０は、コンタクトプラグ３０で接続されている。ところで、メタル配線層１０あるいはメタル配線層２０を通る信号の遅延を左右する要因としては、ＲＣ遅延（ＲＣ Ｄｅｌａｙ）がある。このＲＣ遅延は、ＲＣ積に左右される。ここで、Ｒは、メタル配線の抵抗であり、Ｃは配線間の容量である。このＲＣ遅延を防止するためには、ＲＣ積、即ち、ここでは、メタル配線層１０あるいはメタル配線層２０の抵抗Ｒと絶縁膜の容量Ｃとの積を小さくすればよい。
【０００４】
ＲＣ積の一方の要素である容量Ｃを小さくするためには、絶縁膜の誘電率を小さくする必要がある。そこで、近年、絶縁膜として、Ｆ（フッ素）の添加されたシリコン酸化膜であるＦＳＧ膜（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃａ Ｇｌａｓｓ）４が使用されるようになっている。このＦＳＧ膜４の誘電率は約３．７であり、従来使用されていたＵＳＧ膜の誘電率４．１に比較して小さい。従って、ＦＳＧは絶縁膜の容量Ｃを小さくするために有効な絶縁膜である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＦＳＧ膜４は、誘電率を下げるために、シリコン酸化膜中にＦを添加した膜である。また、ＦＳＧ膜の誘電率をある程度下げるためには、酸化膜中に高濃度にＦを添加する必要がある。しかし、Ｆは、濃度が高くなると、基板が大気中に放置された時の大気中の水分や、あるいは、ＣＭＰ研磨の時に用いられる水分により、急激に吸湿する場合がある。ＦＳＧ膜が吸湿すると、後の熱処理などの工程において、Ｆが水分と反応して、ＨＦとなって遊離してしまい、その結果、メタル配線の密着性劣化や、腐蝕、ＦＳＧ膜の誘電率上昇といった問題を引き起こす可能性がある。ＦＳＧ膜上のメタル配線の密着性が悪くなると、メタル配線がはがれてしまうことがある。また、メタル配線が腐蝕すると、配線抵抗や、ＶＩＡ抵抗が高まってしまう。
【０００６】
一方、Ｆの遊離を防止する方法として、一般的に、ＦＳＧ膜の上に、ＵＳＧ膜を成膜しておく手段が用いられる場合がある。しかし、Ｆの遊離を防止するためには、ＵＳＧ膜はある程度の厚さを必要とする。このため、誘電率の低いＦＳＧ膜を用いても、結果的には、絶縁膜全体が厚くなり誘電率が上がってしまう。
【０００７】
従って、この発明は、ＦＳＧ膜からのＦの遊離を効果的に防止しつつ、かつ、絶縁膜全体の誘電率を低くすることを可能にすることを目的として提案するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の絶縁膜の形成方法は、基板の上にＦＳＧ膜を形成する工程と、
前記ＦＳＧ膜の上に、１００Å以下の膜厚の窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜の上に、ＵＳＧ膜を形成する工程とを備えるものである。
【０００９】
また、この発明の絶縁膜の形成方法は、前記窒化膜を形成する工程を、前記ＦＳＧ膜を窒化処理することにより行うものである。
【００１０】
また、この発明の絶縁膜の形成方法は、前記ＦＳＧ膜、前記窒化膜、及び前記ＵＳＧ膜の形成を、１つの処理槽内で連続して行うものである。
【００１１】
次にこの発明の半導体装置は、ＦＳＧ膜と、
前記ＦＳＧ膜の表面に形成された、膜厚１００Å以下の窒化膜と、
前記窒化膜の表面に形成されたＵＳＧ膜とを含むものである。
【００１２】
また、この発明の半導体装置は、前記窒化膜が、ＦＳＧ膜を窒化処理した膜であるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００１４】
実施の形態
図１は、この発明の実施の形態において形成される絶縁膜の状態を示す断面模式図である。
図１において、符号２は、基板、符号１０及び符号２０は、メタル配線層を示す。また、符号１２及び符号２２は、Ｔｉ膜、符号１４及び符号２４は、ＴｉＮ膜、符号１６及び符号２６は、Ａｌ−Ｃｕ膜、符号１８及び符号２８は、ＴｉＮ膜を示す。
メタル配線層１０は、Ｔｉ膜１２、ＴｉＮ膜１４、Ａｌ−Ｃｕ膜１６、ＴｉＮ１８を含んで構成され、基板２の上に形成されている。また、メタル配線層２０は、Ｔｉ膜２２、ＴｉＮ膜２４、Ａｌ−Ｃｕ膜２６、ＴｉＮ２８を含んで構成され、後に説明する絶縁膜の上に形成されている。
【００１５】
符号３０は、コンタクトプラグを示す。コンタクトプラグ３０は、メタル配線層１０とメタル配線層２０を接続するものである。
【００１６】
符号４は、ＦＳＧ（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃａ Ｇｌａｓｓ）膜を示す。ＦＳＧ膜４は、メタル配線１０の形成された基板２の表面を覆うようにして形成されている。ここで、ＦＳＧとは、意図的にフッ素を含有させたシリコン酸化膜を意味する。ＦＳＧの誘電率は、約３．７である。
符号６は、ＦＳＧ窒化膜を示す。ＦＳＧ窒化膜６はＦＳＧ膜４の上に形成されている。ＦＳＧ窒化膜６は、１００Å以下の厚さで形成されている薄い膜である。
符号８は、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜を示す。ＵＳＧ膜８は、ＦＳＧ窒化膜６の上に形成されている。ここで、ＵＳＧとは、特段に不純物を含まないシリコン酸化膜を意味する。ＵＳＧの誘電率は、約４．１である。
【００１７】
ＦＳＧ膜４、ＦＳＧ窒化膜６、ＵＳＧ膜８を含んで、絶縁膜が形成される。このように、絶縁膜にＦＳＧ膜４とＵＳＧ膜８とを含ませるのは、誘電率の低いＦＳＧ膜４を含ませることにより、誘電率を下げ、ＲＣ遅延をなくすためである。
【００１８】
次に、図１に示すような、絶縁膜の形成方法について説明する。
図２は、この発明の実施の形態における絶縁膜の形成方法を説明するための断面模式図である。
【００１９】
図２（ａ）に示すように、基板２の上面には、Ｔｉ膜１２、ＴｉＮ膜１４、Ａｌ−Ｃｕ膜１６、ＴｉＮ膜１８からなるメタル配線層１０を形成する。
【００２０】
また、メタル配線層１０を形成した基板２の表面に、ＦＳＧ膜４を形成する。
ここでは、まず、基板２を高密度プラズマＣＶＤ（あるいはプラズマＣＶＤ）処理槽（図示せず）に装着する。その後、プラズマＣＶＤ処理槽内に、ＳｉＨ_４ガスとＯ_２ガスとＳｉＦ_４ガスとを導入する。これらのガスは、処理槽内のプラズマ中で反応して、ＳｉＯＦからなるＦＳＧ膜４が形成される。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＦＳＧ膜４の上に、ＦＳＧ窒化膜６を形成する。
ここでは、同一の処理槽内に、窒素を含むガスを導入する。この窒素を含むガスは処理槽内でプラズマ化し、ＦＳＧ膜４の表面で反応する。その結果、ＦＳＧ膜４の表面は窒化処理され、ＦＳＧ膜４上層にＦＳＧ窒化膜６が形成される。また、ここで、形成される窒化膜２は、１００Å以下の薄い膜となる。
【００２２】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＦＳＧ窒化膜６の上に、ＵＳＧ膜８を形成する。
ここでは、同一の処理槽内において、ＳｉＨ_４ガスとＯ_２ガスとを導入して、上述の方法でＳｉＯ_２からなるＵＳＧ膜８を形成する。
【００２３】
このように、ＦＳＧ膜４、ＦＳＧ窒化膜６、ＵＳＧ膜８を形成し、絶縁膜が形成される。
【００２４】
次に、図２（ｄ）に示すように、絶縁膜に、コンタクトプラグ３０を形成する。
ここでは、まず、絶縁膜にエッチングを施し、メタル配線層１０に達するコンタクトホールを形成する。その後、タングステン等の導電部材を堆積し、ＣＭＰにより平坦化する。このようにして、コンタクトプラグを形成する。
【００２５】
次に、図１に示すように、コンタクトプラグの上部に、Ｔｉ膜２２、ＴｉＮ膜２４、Ａｌ−Ｃｕ膜２６、ＴｉＮ膜２８からなるメタル配線層２０を形成する。
【００２６】
このようにして、メタル配線や、絶縁膜、コンタクトプラグ等を繰り返し形成することにより、半導体装置は形成される。
【００２７】
このようにすれば、１つの処理槽内で、ＦＳＧ膜、ＦＳＧ窒化膜、ＵＳＧ膜を一度に形成することができる。従って、ＦＳＧ膜の表面が、直接大気中に放置されることや、ＣＭＰ研磨の際に、スラリーに直接触れることを、有効に抑えることができる。従って、ＦＳＧ膜が、大気、あるいはスラリーに含まれる水分を吸湿することを抑えることができ、後の熱処理におけるＨＦの遊離を効果的に抑えることができる。
【００２８】
また、ＦＳＧ膜４の表面には、薄いＦＳＧ窒化膜６が形成されている。ＦＳＧ膜４が、多少吸湿した状態で熱処理が施されても、ＦＳＧ窒化膜６により、ＦＳＧ膜４からのＦやＨＦの遊離を抑えることができる。
【００２９】
なお、この実施の形態では、１つの高密度プラズマＣＶＤ（あるいはプラズマＣＶＤ）処理槽で、ＦＳＧ膜４の成膜、そのプラズマ窒化処理、及びＵＳＧ膜の成膜を、インシテュ（in-situ）で行う。しかし、この発明において、これらの各膜は、連続して１つの処理槽内で形成される場合に限るものではなく、例えば、それぞれの工程に応じて、異なる３つの処理槽で形成されるものであってもよい。また、各膜が、プラズマＣＶＤ法によって形成される場合に限るものでもなく、他の方法に形成されたものであってもよい。
【００３０】
また、この実施の形態では、窒化膜６として、ＦＳＧ膜に窒化処理をして成膜したＦＳＧ窒化膜を使用したが、これに限るものではなく、この発明の範囲内で、他の方法で形成するＦＳＧ窒化膜や、他の窒化膜であってもよい。
更に、この実施の形態では、ＦＳＧ窒化膜の厚さを１００Å以下と薄くした。これは、絶縁膜全体に占めるＦＳＧ膜の割合を大きくするためであるが、これに限るものではない。
【００３１】
また、この実施の形態では、Ｔｉ膜２１、ＴｉＮ膜２２、Ａｌ−Ｃｕ膜２３、ＴｉＮ膜２４によって構成されているメタル配線層２０を用いて説明したが、このような構成に限るものではなく、他のメタル配線層であってもよい。
【００３２】
なお、この発明において、ＦＳＧとは、意図的にフッ素を含有させたシリコン酸化膜を意味する。また、ＵＳＧとは、特段に不純物を含まないシリコン酸化膜を意味する。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ＦＳＧ膜とＵＳＧ膜との間に形成された窒化膜により、ＦＳＧ膜からＨＦが遊離するのを有効に防止することができる。従って、メタル配線層の密着性の劣化や、腐蝕、誘電率の上昇による金属抵抗の増大を抑えることができる。
【００３４】
また、この発明によれば、ＦＳＧ膜の表面に窒化膜を形成する。従って、ＦＳＧ膜が直接、大気や、ＣＭＰ研磨において用いるスラリー中の水分に触れることを抑えることができる。従って、ＦＳＧ膜の吸湿を抑えることができ、ＦＳＧ膜からＨＦが遊離することを抑えることができる。
【００３５】
また、この窒化膜は薄くても、有効にＦやＨＦの遊離を防止することができる。従って、絶縁膜に締めるＵＳＧ膜の割合を小さくし、誘電率の低いＦＳＧ膜の割合を高く保つことができる。従って、絶縁膜全体の誘電率を下げることができ、ＲＣ遅延を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態において形成される絶縁膜の状態を示す断面模式図である。
【図２】 この発明の実施の形態における絶縁膜の形成方法を説明するための断面模式図である。
【図３】 メタル配線層間に形成された従来の絶縁膜について説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
２ 基板
４ ＦＳＧ膜
６ ＦＳＧ窒化膜
８ ＵＳＧ膜
１０ メタル配線層
１２ Ｔｉ膜
１４ ＴｉＮ膜
１６ Ａｌ−Ｃｕ膜
１８ ＴｉＮ膜
２０ メタル配線層
２２ Ｔｉ膜
２４ ＴｉＮ膜
２６ Ａｌ−Ｃｕ膜
２８ ＴｉＮ膜
３０ コンタクトプラグ

Claims (5)

1. 基板の上にＦＳＧ膜を形成する工程と、
   前記ＦＳＧ膜の上に、１００Å以下の膜厚の窒化膜を形成する工程と、
   前記窒化膜の上に、ＵＳＧ膜を形成する工程とを備えることを特徴とする絶縁膜の形成方法。
2. 前記ＦＳＧ膜、前記窒化膜、及び前記ＵＳＧ膜の形成は、１つの処理槽内で連続して行うことを特徴とする請求項１に記載の絶縁膜の形成方法。
3. 前記窒化膜を形成する工程は、
   前記ＦＳＧ膜を窒化処理することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁膜の形成方法。
4. ＦＳＧ膜と、
   前記ＦＳＧ膜の表面に形成された、膜厚１００Å以下の窒化膜と、
   前記窒化膜の表面に形成されたＵＳＧ膜とを含む絶縁膜を備えることを特徴とする半導体装置。
5. 前記窒化膜は、ＦＳＧ膜を窒化処理した膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。

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