JP3676034B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層配線構造を含む半導体装置と、多層配線構造の形成工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化、高速化の要求から、半導体装置における多層配線層用の絶縁層材料の見直しが行われている。二酸化シリコン(SiO2)は従来から用いられてきた半導体装置の絶縁材料であるが、誘電率が 4.2と高いために配線間の寄生容量が大きく、これによって配線の信号伝播遅延時間を長くしている。信号伝播遅延の増大は半導体装置の動作速度を低下させる要因である。今後、微細化が進むと配線間の距離がますます短くなるため、寄生容量がさらに大きくなり信号伝播遅延時間の増大が問題になる。
【0003】
次に、SiO2を層間絶縁膜として用いた場合の、多層配線構造の形成方法について簡単に説明する。
まず、図10(a) に示す様に、シリコン基板101 上でパターンニングされた配線103 上にCVD(Chemical Vepor Deposition)により第一のSiO2膜104 を例えば7000Åの厚さに成長して配線を埋め込む。その第一のSiO2膜104 の膜厚は、配線密度が高い領域では薄く、パッドなどを有する配線密度が低い領域では厚くなる。続いて、第二のSiO2膜105 を例えば14000Åの厚さに形成する。これら第一及び第二のSiO2膜104,105 を層間絶縁膜として用いる。この場合、第一のSiO2膜104 の成長は、横方向の配線相互間を完全に埋め込むような条件とし、第二のSiO2膜105 の成長は凹凸があまり生じないような条件にする。
【0004】
次に、図10(b) に示すように、第二のSiO2膜105 をCMP(ChemicaI MechanicaI Polishing)によって研磨して平坦化する。続いて第一及び第二のSiO2膜104,105 にビアホール106 を開口し、さらに、ビアホール106 の底部にTiN グルーレイヤーを成長し、タングステン、アルミニウム等の導電材によりコンタクトホール106 を埋め込むプラグを成長する。CMPによって研磨したのは、第一のSiO2膜104 の成長条件では、第一のSiO2膜104 が配線密度が高い領域では薄くなり、低い領域では厚く成長するからである。これにより生じた凹凸は第二のSiO2膜105 にもまた凹凸を生じさせるからである。
【0005】
このような工程を2度繰り返すと、図10(c) に示すような二層構造のSiO2よりなる二層の配線層が形成される。
配線間の寄生容量を小さくするためには層間絶縁膜材料として誘電率の小さい物質を用いることが有効であり、これにより、信号伝播遅延時間を短くすることができる。例えば、フッ素(F)を二酸化シリコンに添加してなる酸化フッ化シリコン(SiOF)膜は誘電率が低く、この材料を多層配線の絶縁膜に適用することで、配線間の寄生容量を低減することができ、デバイスの高速化が図れる。
【0006】
これまで、SiOFは吸湿性が高く、水分を吸収すると誘電率が高くなってしまい層間絶縁用の材料として有効でなくなる。
その吸湿を抑制するために、SiOF成長時の酸素(O2)の分圧を高くし、又はSiOF成膜後にプラズマアニールを行い、又はSiOF成長時のプラズマ密度とエネルギーを制御することなどが報告されている。
【0007】
しかし、SiOFの誘電率を3.5 以下にしようとすると吸湿性が高くなるので、そのような方法によってもその吸湿を制御することが困難になる。また、その吸湿性によって水がSiOF膜中に含まれるようになると、その上に形成される金属配線が腐食されるおそれがある。
それらの問題はSiO2によるSiOF膜のキャッピングによって回避することが可能であり、そのことは既に特開平7-74245 によって提案されている。ここで提案されている多層形成方法は、従来からある平行平板型のプラズマCVD装置を用い、シリコン(Si)源としてテトラエチルオルソシリケート(TEOS)、F源にトリエトキシフルオロシラン(TEFS)又は三フッ化窒素(NF3 )を用いたものである。平行平板型のプラズマCVDやこれらの反応系は、配線間隔が広く配線のアスペクト比が低い世代(デザインルールで言えば0.35μm以前)の半導体装置に対しては適用が可能であるが、これ以後は他の技術が必須となる。
【0008】
HDP (High Density Plasma)−CVDは、配線間隔が狭くてアスペクト比が高い配線の横方向の相互間に絶縁膜を介在させるためのCVD技術である。また、その絶縁膜を平坦化するために、CMPとよばれる研磨法が適用される。デザインルール0.25μm以後の多層配線形成技術としてHDP−CVDとCMPの組み合わせが有効と考えられているが、SiOFを用いる配線間の低容量化は十分に達成されていない。
【0009】
そこで、以下に、SiOFを用いた場合の多層層間絶縁膜の形成方法について説明する。
まず、図11(a) に示す様に、シリコン基板101 の上に配線103 をパターンニングした後に、HDP−CVDによりSiOF膜110 を例えば7000Åの厚さに成長してその配線103 を覆う。そのSiOF膜110 の膜厚は、配線密度の高い領域では薄く、パッドなどを有する配線密度の低い領域では厚くなる。
【0010】
次に、図11(b) に示すようにSiO2膜111 を例えば14000Åの厚さに形成する。そのSiO2膜111 の成長は平行平板型CVDおよびHDP−CVDのどちらでもよい。図11(b) はHDP−CVDを用いた場合の絶縁膜の凹凸形状を示している。平行平板型CVDでは、配線上に形成される絶縁膜の凹凸がHDPよりも幾分なだらかになる程度で大差はない。
【0011】
このままの状態で、さらに複数の配線と層間絶縁膜を重ねると、凹凸による段差が生じやすい。そのような段差をなくすために、CMP技術が用いられる。
そこで、図11(c) に示すように、CMPによってSiO2膜111 の表面を研磨して平坦化する。このとき、密度の低い配線上のSiOF膜110 が露出しないように研磨量を設定しなければならない。これは、SiOF膜110 が露出すると、その後の工程で形成される金属膜がSiOF膜110 から剥がれ易くなるからである。
【0012】
続いて、図12(a) に示すように、SiO2膜111 及びSiOF膜110 にビアホール112 を開口し、さらにビアホール112 の底部にTiN グルーレイヤー113 を成長し、タングステンプラグ114 によってビアホール112 を埋め込む。
このような工程を2度繰り返すと、図12(b) に示すような二層の配線層が形成される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図12(b) に示すような配線構造において、配線密度の高い領域では配線密度の低い領域に比べてSiOF膜の厚さに対するSiO2膜の厚さの割合が大きくなるので、次のような問題が生じる。
即ち、横方向の配線相互間T1 はSiOF膜の介在によって寄生容量が小さくなるが、膜厚方向の配線相互間T2 は大部分がSiO2となるために、この領域での膜厚方向の配線間の寄生容量が高くなってしまう。これにより、SiOF膜による配線容量の低容量化の効果が薄れてしまう。
【0014】
これに対して、SiO2膜111のかわりにSiOF膜を用いることが考えられるが、そのSiOF膜の誘電率が3.5以下の場合にSiOF膜上に直接グルーレイヤーであるTiN 膜を成長し、さらにビアホール内を充填するタングステン(W)を成長すると、SiOF膜とTiN 膜との界面ではそれらの密着性が弱く、さらにタングステンの強い膜ストレスによりタングステン膜がSiOF膜から剥がれ易くなる。SiOF膜とTiN 膜の密着性の低下は、SiOF膜中のF とTiN とが界面で反応するために起こる。
【0015】
また、高密度配線上でのSiO2膜の割合を少なくするために、SiOF膜を厚くすることも考えられるが、これではビアホールのアスペクト比が大きくなって、プラグに欠陥が生じるおそれがある。
本発明の目的は、配線密度の高い領域における膜厚方向の配線間容量を低減し且つフッ素含有酸化シリコンを有する層間絶縁膜の上の金属膜の剥がれを防止することができる半導体装置とその製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
(手段)
上記した課題は、図3、図4に例示するように、半導体基板61上に配線63を形成する工程と、誘電率3.5以下のフッ素含有シリコン酸化膜64によって前記配線63を覆う工程と、前記フッ素含有シリコン酸化膜64上に、前記フッ素含有シリコン酸化膜64とは異なる材料の絶縁膜65を成長する工程と、前記絶縁膜65の表面から研磨を開始して前記絶縁膜65と前記フッ素含有シリコン酸化膜64を研磨して平坦化する工程と、前記絶縁膜65の面と研磨により露出した前記フッ素含有シリコン酸化膜64の上に、前記フッ素含有シリコン酸化膜64とは異なり、前記フッ素含有シリコン酸化膜64よりも吸湿性の低い材料よりなる絶縁性キャップ膜66を成長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によって解決する。この場合、前記絶縁膜65は酸化シリコンの成長によって形成されることを特徴とする。また、前記絶縁性キャップ膜66は酸化シリコン又は窒化シリコンの成長によって形成されることを特徴とする。さらに、前記絶縁性キャップ膜66を形成する前に、前記フッ化含有シリコン酸化膜64を300℃以上の温度でアニールすることを特徴とする。
【0019】
上記した課題は、図4(b) に例示するように、半導体基板61上の第一の配線領域63aと第二の配線領域63bにそれぞれ形成された配線63と、前記配線63を覆うフッ素含有シリコン酸化膜64と、前記第一の配線領域63aで前記フッ素含有シリコン酸化膜64を覆い且つ前記フッ素含有シリコン膜64とは材料の異なる絶縁膜65と、前記第二の配線領域63bで前記フッ素含有シリコン酸化膜64上に形成され、前記第一の配線領域63aで前記絶縁膜65上に形成され、且つ前記フッ素含有シリコン酸化膜64とは異なり、前記フッ素含有シリコン酸化膜よりも吸湿性の低い材料よりなる絶縁性キャップ膜66を有することを特徴とする半導体装置によって解決する。この場合、前記フッ素含有シリコン酸化膜は誘電率3.5以下であることを特徴とする。また、前記絶縁膜65はシリコン酸化膜であることを特徴とする。また、前記絶縁性キャップ膜66はシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【0020】
上記した課題は、図5(c) に例示するように、半導体基板61上の第一の配線領域63aと第二の配線領域63bにぞれぞれ形成された配線63と、前記第一の配線領域63aと前記第二の配線領域63bの前記配線63を覆う第一のフッ素含有シリコン酸化膜64aと、前記第一の配線領域63aで前記第一のフッ素含有シリコン酸化膜64aを覆い且つ前記第一のフッ素含有シリコン酸化膜64aよりもフッ素含有量が少ない第二のフッ素含有シリコン酸化膜65aと、前記第一の配線領域63aで前記第二のフッ素含有シリコン酸化膜65aの上に形成され、前記第一のフッ素含有シリコン酸化膜64aの上に形成され、且つ前記第一及び第二のフッ素含有シリコン酸化膜64a,65aとは異なる材料よりなる防湿用の絶縁性キャップ膜66aとを有することを特徴とする半導体装置により解決する。この場合、前記第一のフッ素含有シリコン酸化膜64aは誘電率3.5以下であることを特徴とする。また、前記第二のフッ素含有シリコン酸化膜65aは誘電率3.6以上であることを特徴とする。さらに、前記絶縁性キャップ膜66aは、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【0021】
上記した半導体装置において、前記半導体基板と前記配線の間には絶縁性下地膜が形成されていることを特徴とする。また、前記絶縁性キャップ膜の上にはさらに別の配線が形成されることを特徴とする。
次に、本発明の作用について説明する。
本発明によれば、配線を覆うフッ素含有シリコン酸化膜(SiOF膜)をさらに別の材料のSiO2等の絶縁膜で覆った後に、SiOF膜の一部が露出するまでその絶縁膜を研磨して平坦化した後に、露出したSiOF膜を覆う吸湿防止用の絶縁キャップ膜を形成している。
【0022】
したがって、SiOF膜は、絶縁膜と絶縁性キャップ膜によって大気からの水分の吸収が妨げられる。また、層間絶縁膜を構成するSiOF膜の上に直に金属膜が形成されることは無いので、その層間絶縁膜上に形成される金属膜の剥がれが防止される。さらに、SiOF膜が露出するまでその上の絶縁膜を研磨により薄くしているので、層間絶縁膜に占めるSiOF膜の膜厚の割合を大きくして配線間の寄生容量を効果的に低容量化できる。
【0023】
さらに、層間絶縁膜を単層又は複数のSiOF膜から形成し、少なくともその最上層を研磨することにより平坦化するとともに、その上を吸湿防止用の絶縁性キャップ膜によって覆うようにした。
したがって、絶縁性キャップ膜によって大気からのSiOF膜の水分吸収が妨げられる。しかも、層間絶縁膜を構成するSiOF膜の上に直に金属膜が形成されなくなるので、層間絶縁膜上の金属膜の剥がれを防止できる。
【0024】
さらに、SiOF膜が多層構造の場合に、最上のSiOF膜のフッ素含有量を少なくしているので、その最上のSiOF膜によって大気からの水分の吸収が抑制される。さらに、その最上のSiOF膜を研磨することによって層間絶縁膜に占める高誘電率のSiOF膜の膜厚を薄くしているので、配線間の寄生容量の効果的な低容量化を可能にする。
【0025】
【発明の実施の形態】
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の半導体装置での多層配線層形成を説明する前に、本発明の層間絶縁膜の成長に使用する平行平板型プラズマCVD装置とECR(EIectron CyclotronResonance)−CVD装置の構成の概略と、それらの装置による絶縁膜の成膜条件、および絶縁膜の誘電率の一例を説明する。
【0026】
平行平板型プラズマCVD装置
図1は、半導体装置の製造工程において使用される平行平板型プラズマCVD装置の概略図である。
平行平板型プラズマCVD装置において、密閉された反応室1の内部は真空パイプ2を経由して真空ポンプ3によって排気される。その排気による反応室1内の到達真空度は例えば0.01Torrである。反応室1の内部では、半導体ウエハーWを設置する第一の電極4が取付けられ、その第一の電極4に対向した位置には、半導体基板Wに原料ガスを噴出するシャワーヘッド5が配置されている。そのシャワーヘッド5は第二の電極として機能し、そこには例えば13.56MHzの高周波電源6が接続されている。
【0027】
また、反応室1内又は第一の電極4の下には、半導体基板Wを加熱するための加熱手段7、例えばランプが配置されている。
反応室1には、原料ガス供給配管8、第一のマスフローコントローラ9及び第一の配管10を介してC2F6ボンベ11が接続されていて、C2F6ガスの反応室1への流量はマスフローコントローラ9によって制御される。
【0028】
また、反応室1には、原料ガス供給配管8、第二のマスフローコントローラ12及び第二の配管13を介してO2ボンベ14が接続されていて、O2ガス流量はマスフローコントローラ12によって制御され。
さらに、反応室1には、原料ガス供給配管8、気化器15、液体マスフローコントローラ16及び給液管17を介してTEOS源18が接続されている。
【0029】
TEOS源18は、TEOS液19を収容する容器20と、ヘリウム源21から圧縮したヘリウム(He)ガスを容器20に送り込む第三の配管22とを有しており、容器20内のTEOS液19には給液管17が差し込まれている。そして、TEOS液19を気化器15に供給する場合には、ヘリウム源21から圧力0.5 〜1.0kg/cm2 でHeガスを第三の配管22に送り込み、容器20内の圧力によって給液管17にTEOS液19が送り込まれる。そのTEOS液19の供給量は液体マスフローコントローラ16によって制御される。
【0030】
液体マスフローコントローラ16によって制御されたTEOS液19は、気化器15内で気化されてTEOSガスとなる。
その気化器15には、第四の配管23及び第三のマスフローコントローラ24を介してHeボンベ25が接続され、Heガスの導入量は第三のマスフローコントローラ24によって制御される。気化器15に送られたHeガスは、気化器15内でTEOSガスとともに原料ガス供給配管8を介して反応室1に送り込まれる。そのHeガスは、TEOS用のキャリアガスの役目をするもので、TEOSガスの供給量を安定化させるために使用される。
【0031】
TEOSガスが流れる原料ガス供給配管8の周囲には、TEOSガスの液化を防止するためのヒーター26が巻かれており、原料ガス供給管8はヒータ26によって例えば100℃に加熱されている。
このように、バブラーを用いずに気化したガスを直に反応室1内に供給する方法をダイレクト・インジェクションと言う。なお、以下の説明では、TEOSガスの流量については、Heガスを含まない値を示している。
【0032】
上述した平行平板型プラズマCVD装置によってSiOF膜を半導体基板W上に成長する場合には、TEOSガスの供給と同時にC2F6ガス及びO2ガスを反応室1内に供給し、高周波電源6によって第一の電極4とシャワーヘッド(第二の電極)5の間に高周波電力を印加することによって反応室1内にそれぞれのガスのプラズマを発生させる。
【0033】
また、半導体基板W上にSiO2膜を形成する場合には、TEOSガスの供給と同時にO2ガスを反応室1内に供給し、高周波電源6によって第一の電極4とシャワーヘッド(第二の電極)5の間に高周波電力を印加することによって反応室1内にそれらのガスのプラズマを発生させる。
次に、SiOF成長条件の一例を表1に示し、またSiO2成長条件を表2に示す。
【0034】
【表1】

Figure 0003676034
【0035】
【表2】
Figure 0003676034
【0036】
なお、表1の条件で成長させたSiOF膜の誘電率は3.6となり、表2の条件で成長させたSiO2膜の誘電率は4.2となった。
ECR−CVD装置
第2図は本発明に関するECR-CVD 装置の概略図である。
ECR-CVD装置はプラズマ室31と反応室32を有し、プラズマ室31にはマイクロ波導波管34を介してマイクロ波電源33が接続されていて、マイクロ波電源33からマイクロ波をプラズマ室31に導入することにより、プラズマ室31内に導入したガスが励起されて、プラズマが形成するようになっている。
【0037】
また、反応室32の上方に配置したメインソレノイドコイル(MSC)35によって反応室32内に磁界を発生させることにより、反応室32内のプラズマ密度とエネルギーを増幅するようになっている。そのプラズマ密度とプラズマエネルギーは、メインソレノイドコイル35に流す電流量によって変化させることができる。
【0038】
また、プラズマ室31内には、SiO2またはSiOFの膜成長のために第一のマスフローコントローラ36、第一のガス管37を介してアルゴン源38が接続され、さらに第2のマスフローコントローラ39、第2のガス管40を介して酸素源41が接続されている。さらに、反応室32には、SiO2の膜成長のために第3のマスフローコントローラ42、第3のガス管43を介してシリコン源のSiH4ボンベ44が接続され、さらにSiOFの膜成長のために第4のマスフローコントローラ45、第4のガス管46を介してフッ素源のSiF4ボンベ47が接続されている。
【0039】
なお、第1〜第4のマスフローコントローラ36、39、42、45は、ガス流量を制御するものである。
さらに、反応室32内ではプラズマ室31の下方にプレート48が配置され、その上には、半導体基板Wを吸着するための静電チャック49が配置されている。静電チャック49には13.56MHzの高周波(RF)電源50が接続されていて、RF電極50の印加によって半導体ウエハWとプラズマ室31の間に電位が発生する。この電位よってプラズマ室31からArイオンが加速され、スパッタリング現象が起こる。スパッタリングと原料ガス(SiF4, SiH4)の堆積が半導体基板W上で協奏的に起こり、後述するように、狭い半導体基板W上の配線間に絶縁膜が埋め込まれる。静電チャック49は抵抗加熱によって例えば200℃まで加熱されているが、スパッタリングによる成膜時の温度は250℃に到達する。
【0040】
プレート48の下方にはサブソレノイドコイル(SSC)51が配置されていて、サブソレノイドコイル51はプラズマ室31から発散するプラズマを磁界によって収束させる役割をする。即ち、サブソレノイドコイル51は、そこに流される電流量によってプラズマ形状を変化させる機能を有している。
半導体ウエハWを中心に対称形状のプラズマを形成すると、膜厚分布が改善され、半導体装置に与えるブラズマダメージを軽減することができる。
【0041】
なお、反応室32にはターボモレキュラーポンブ52が接続されており、これにより反応室32内にあるガスを排気し減圧する。
そのECR−CVD装置を用いてSiOF成長を行う条件の一例を表3に示し、SiO2成長を行う条件の一例を表4に示す。
【0042】
【表3】
Figure 0003676034
【0043】
【表4】
Figure 0003676034
【0044】
ここで、表3の条件で成長させたSiOF膜の誘電率は3.5、表4の条件で成長させたSiO2膜の誘電率は4.2となった。
なお、ECR−CVD装置を用いた膜の成長は、平行平板型プラズマCVD装置を用いて膜を形成する場合に比べて高密度の配線層間を埋める能力が高い。
次に、上記した装置を用いた配線構造の形成方法を示す。なお、以下に示す膜厚は、特に領域を特定しない場合には、パッドのような幅の広い配線上の最も厚い膜厚の部分を示している。
(第1実施形態)
本発明における第一の実施形態を図3、図4に示す。
【0045】
まず、図3(a) に示すように、平行平板型のプラズマCVD装置を用いてシリコン基板(半導体基板)61上にSiO2よりなる下地絶縁膜62を5000Åの厚さに成長する。続いて、下地絶縁膜62の上に、チタン(Ti)膜を300Å、窒化チタン(TiN)膜を500Å、アルミニウム(Al)膜を6000Å、TiN 膜を500Å及びTi膜を300Åの厚さに順に成長する。このような5層の金属膜をパターニングして一層目の配線63を形成する。一層目の配線63の形成領域には、配線幅が狭く且つ配線間隔が狭い高配線密度領域63aと、その逆の低配線密度領域63bがある。
【0046】
次に、図3(b) に示すように、ECR−CVD装置を用いて一層目の配線63を覆うための第一のSiOF膜64を14000Åの厚さに成長する。ECR−CVD装置を使用すると、高配線密度領域63aでは薄く、低配線密度領域63bでは厚くなる。この第一のSiOF膜64は、上記した表3に示した条件により成長したものであって誘電率が3.5となっている。
【0047】
そのECR−CVD装置によれば、横方向の配線同士の間でArイオンによるエッチング効果を伴って膜が成長するために、横方向の配線同士の間を完全に埋め込む。これにより、第一のSiOF膜64の配線上の膜厚は、高配線密度領域63aで6000Åと薄く、低配線密度領域63bでは14000Å程度と厚くなる。
次に、図3(c) に示すように、上記した平行平板型プラズマCVD装置を用いて表2の条件で第一のSiO2膜(絶縁膜)65を7000Åの膜厚に形成する。その第一のSiO2膜65は、全体にほぼ均一の厚さに成長されるが、その上面にはSiOF膜64の凹凸が反映するので、低配線密度領域63bでの第一のSiO2膜65の上面は他の領域の第一のSiO2膜65よりも高い位置に存在することになる。
【0048】
第二のSiO2膜65を平行平板型プラズマCVD装置を用いて成長したのは、ECR−CVD装置を用いる場合よりも膜の成長が速いからである。
次に、第一のSiO2膜65をCMPによって研磨して、図3(d) に示すように、一層目の配線63の上の絶縁膜(第一のSiOF膜64及び第一のSiO2膜65)が一層目の配線63上面から9000Åとなるまで平坦化する。
【0049】
低配線密度領域63bで第一のSiOF膜64が露出する場合には、図4(a) に示すように、平行平板型プラズマCVD装置によってSiO2よりなる第一の絶縁性キャップ膜66を1000Åの厚さに成長する。
次に、図4(b) に示すように、第一のSiOF膜64及び第一のSiO2膜65をパターニングして例えば高配線密度領域63a内の1つの配線63の上にリソグラフィーによりビアホール67を開口する。続いて、ビアホール67内壁に沿ってグルーレイヤー68として窒化チタン(TiN )をスパッタリングによって成長し、続いてCVD法によってプラグ69となるタングステン(W)を成長した。それらのグルーレイヤー68とプラグ69はエッチバックによりビアホール67内に残される。ビアホール67の形成は、図のように高密度配線領域63aのみならず低密度配線領域63bに形成される。
【0050】
この後に、図3(a) 〜(d) 、図4(a),(b) の工程をもう1度繰り返して二層目の配線構造を形成する。
即ち、第一の絶縁性キャップ膜66の上に二層目の配線70を成長し、さらに二層目の配線70を覆う第二のSiOF膜71を成長し、ついで第二のSiOF膜71を覆う第二のSiO2膜72を成長する。その後に、第二のSiO2膜72及び第二のSiOF膜71をCMPにより研磨して平坦化する。さらに、研磨により露出した第二のSiOF膜71を覆うためにSiO2よりなる第二の絶縁性キャップ膜73を成長する。これにより、図4(c) に示すような断面が得られる。
【0051】
なお、そのような多層配線構造において、SiOF膜と絶縁性キャップ膜は層間絶縁として機能する。
以上で、二層構造配線の形成が終了するが、その後にさらに三、四層目の配線を形成してもよい。
上述した第一及び第二の絶縁性キャップ膜66,73は、第一及び第二のSiOF膜64,71が大気に曝されるのを防止するために形成したものである。仮に、第一の絶縁性キャップ膜66を成長せずに、第一のSiOF膜64の一部を大気に曝した状態で、コンタクトホール67形成に続いてTiN 膜とW膜を膜成長すると、第一のSiOF膜64とTiN 膜との密着性の悪さに起因して、第一のSiOF膜64とTiN 膜の界面でTiN 膜が剥がれてしまう。
【0052】
しかし、本実施形態では、CMPにより露出した第一及び第二のSiOF膜64,71の吸湿が第一及び第二の絶縁性キャップ膜66,73により阻止される。なお、SiOF膜とSiO2膜との密着性は極めて高い。
なお、第一及び第二のSiO2膜(第一、第二のキャップ膜)66,73の形成前にアニール炉(不図示)で第一及び第二のSiOF膜64,71を300℃以上の温度で加熱するか、或いは、膜成長装置内で300℃以上の温度でプレヒートを行うと、第一及び第二のSiOF膜64,71の吸湿による誘電率の増加が抑制される。本実施形態では後者の方法を30秒間行った。
(第2実施形態)
本発明における第2の実施形態を第5図に示す。
【0053】
まず、第1実施形態で説明したと同様な方法により、図5(a) に示すように、シリコン基板上61にSiO2よりなる下地絶縁膜62を成長し、その上に一層目の配線63を形成する。この一層目の配線63は、高密度配線領域63aと低密度配線領域63bとを有する。この場合の下地絶縁膜62及び一層目の配線63の成長条件について、第1実施形態と同様にする。
【0054】
その後に、一層目の配線63上にECR−CVD装置により誘電率3.5の第一のSiOF膜64aを14000Åの厚さに膜成長する。この場合、配線63上の第一のSiOF膜64aは、高密度配線領域63aで6000Åと薄く、低密度配線領域63bで14000Åと厚く成長する。これに続いて、表1の条件で、平行平板型プラズマCVD装置によって誘電率3.6の第二のSiOF膜65aを7000Åの厚さに膜成長した。
【0055】
次に、第一及び第二のSiOF膜64a,65aを研磨して一層目の配線63上での膜厚が9000ÅとなるまでCMPにより研磨する。
その後に、平坦化された第一及び第二のSiOF膜64a,65aの上にSiO2よりなる第一の絶縁性キャップ膜66aを1000Åの厚さに成長する。この第一の絶縁性キャップ66aの形成目的は、第1実施形態と同様に、第一及び第二のSiOF膜64a,65aの吸湿防止と金属膜の膜剥がれ防止のためである。
【0056】
次に、図5(d) に示すように、第一及び第二のSiOF膜64a,65a及び第一の絶縁性キャップ膜66aのうち一層目の配線63の上にリソグラフィーによりビアホール67を開口する。続いて、ビアホール67内壁に沿ってグルーレイヤー68として窒化チタン(TiN )をスパッタリングによって形成し、続いてCVD法によってプラグ69となるタングステン(W)を成長した。それらのグルーレイヤー68とプラグ69はエッチバックによりビアホール67内に残される。
【0057】
この後に、配線形成からキャップ膜形成までの工程をもう1度繰り返して二層目の配線構造を形成する。即ち、第一の絶縁性キャップ膜66aの上に二層目の配線70を成長し、さらに二層目の配線70を覆う第三のSiOF膜71aをECR−CVD装置内で成長し、ついで、その上に第四のSiOF膜72aを平行平板型プラズマCVD装置内で成長する。その後に、第三及び第四のSiOF膜71a,72aをCMPにより研磨して平坦化した後に、第三及び第四のSiOF膜71a,72aを覆うために第二のキャップ膜として第二の絶縁性キャップ膜73aを成長する。
【0058】
以上のような多層配線構造において、SiOF膜と絶縁性キャップ膜は層間絶縁として機能する。
この第2実施形態では、一層目と二層目の配線63,70の間に形成される層間絶縁膜を第一及び第二のSiOF膜64a,65aから構成したので、第1実施形態に比べて、誘電率を低下させて配線間の寄生容量が減ることになる。
【0059】
また、フッ素含有量を減らすことによって、層間絶縁膜となる上側の第二のSiOF膜65aの誘電率を下側の第一のSiOF膜64aの誘電率よりも高くしているので、層間絶縁膜の大気からの吸湿性は低下する。
なお、第一及び第二のSiOF膜64a,65a自体は、金属との膜剥がれが生じやすい。しかし、第一及び第二のSiOF膜64a,65aの上に絶縁性キャップ膜66aを形成しているので、第1実施形態と同様に、その第二のSiO2膜66aによってグルーレイヤー68の膜剥れは生じない。
(第3の実施の形態)
本発明における第3実施形態を図6、図7に基づいて説明する。
【0060】
まず、平行平板型プラズマCVD装置によって膜厚5000ÅのSiO2よりなる下地絶縁膜82をシリコン基板81の上に形成した後に、第1実施形態と同じ多層構造を有する一層目の電極83を形成する。一層目の配線83の形成領域には、配線幅が狭く且つ配線間隔が狭い高配線密度領域83aと、その逆の低配線密度領域83bがある。
【0061】
続いて、一層目の電極83及び下地絶縁膜82を覆う第一のSiOF膜84を、表3の条件で、ECR−CVD装置によって21000Åの厚さに成長する。
その後に、第一のSiOF膜84が吸湿した水分を除去するために、アニール炉で300℃以上の温度で第一のSiOF膜84を加熱するか、膜成長装置内で300℃以上の温度でプレヒートする。本実施形態では後者を30秒間行った。
【0062】
次に、図6(b) に示すように、第一のSiOF膜84をCMPにより研磨して一層目の配線83上での厚さが9000Åとなるまで平坦化する。
この後に、図6(c) に示すように、SiO2よりなる絶縁性キャップ膜85を平行平板プラズマCVD装置によって表2の条件で1000Åの厚さに成長し、これにより第一のSiOF膜84の大気からの吸湿を防止するとともにその後の工程で成長される金属膜の膜剥がれを防止する。
【0063】
次に、フォトリソグラフィーにより第一のSiOF膜84及び絶縁性キャップ膜85の一部をエッチングして、一層目の配線に繋がるビアホール86を形成する。そして、図7(a) に示すように、ビアホール86内壁に沿ってグルーレイヤー87として窒化チタン(TiN )をスパッタリングによって成長し、続いてCVD法によってプラグ88となるタングステン(W)を成長した。それらのグルーレイヤー87とプラグ88はエッチバックによってビアホール86内に残される。
【0064】
この後に、図6(a) 〜(c) に示す工程をもう1度繰り返して二層目の配線構造を形成する。即ち、第一の絶縁性キャップ膜85の上に二層目の配線90を成長し、さらに二層目の配線90を覆う第二のSiOF膜91を成長し、ついで、第二のSiOF膜91をCMPにより研磨して平坦化した後に、露出した第二のSiOF膜91を覆うためにSiO2よりなる第二の絶縁性キャップ膜92を成長する。これにより図7(b) に示すような断面構造が得られる。
【0065】
以上で、二層構造配線の形成が終了するが、その後にさらに三、四層目の配線を形成して多層配線構造としてもよい。
以上のような構成の多層配線構造によれば、一層目の配線83をSiOF膜84によって覆った後にそのSiOF膜84を研磨して平坦化し、さらに、その平坦化された面を薄い第一の絶縁性キャップ膜85によって覆うようにしたので、吸湿性が低下し、しかも層間絶縁膜の上に形成される金属の膜剥がれは防止される。
【0066】
なお、上記した3つの実施形態において、絶縁性キャップ膜をSiO2から形成しているが、Si3N4 から形成してもよい。
次に、上記した実施形態の配線容量と動作速度の改善について説明する。
第1〜3の実施形態と従来技術との配線容量の比較
配線容量を比較する試料は、一層目の配線と二層目の配線の間にある層間絶縁膜の材料以外の構成を全て同じにした。また、従来技術として図10〜図12に示した2つの製造方法によって形成された半導体装置を用いた。
【0067】
まず、図10(c) に示した、SiO2のみからなる層間絶縁膜を有する試料について配線容量を調べ、その容量を基準容量値C0 とした。ただし、図10(c) の一層目のSiO2膜は表4の条件で成長され、二層目のSiO2膜は表2の条件で成長されたものである。
そして、第1〜第3の実施形態の装置と図12 (b) に示した従来装置の配線容量が基準容量値C0 に対してどのような値(配線容量比)をとるか調べたところ図8(a) に示すような結果が得られた。
【0068】
図8(a) では、基準容量C0 を1とした場合の配線容量比を示しており、配線容量比の値が小さいほど効果的な配線容量の低下がなされている。
第2実施形態の容量比が79%と最も低い値を示した。また、第1実施形態の容量比が低く82%であった。本来であれば、一層目と二層目の配線間の層間絶縁膜の大部分が誘電率3.5のSiOFからなっている第3実施形態の容量比が最も低い値を示すと予想したが、実測の値は84%であった。この理由は、図6(c) に示すまでの工程、即ち第一のSiOF膜84を第一の絶縁性キャップ膜85により覆うまでの間に、上面が露出した第一のSiOF膜84が大気中の水分を吸湿したためであり、これは第一の絶縁性キャップ膜85の膜成長前に行ったプレヒートが十分ではなかったからである。
【0069】
水分の吸収は配線幅の狭い高密度配線の信頼性を低下させるため、0.25μm以後のデザインルールで作製される半導体装置の懸念材料となる。従って、実施形態のように、キャップ膜を形成するまでの間も、高密度配線領域の配線を覆うSiOF膜を、SiO2膜または誘電率3.6以上の吸湿の小さい別のSiOF膜により覆うことが好ましい。
【0070】
従来法図11〜図12によって作製した場合の配線間の容量比は88%と他に比べて高かった。この理由は、従来技術の欄で述べたように、層間絶縁膜の大部分がSiO2からなっているためである。この程度の容量の低下では、デバイスの動作速度の改善には繋がらない。
第1〜第3の実施の形態と2つの従来技術例の各々の試料における一層目の配線と二層目の配線の形状の概略は図8(b) に示すようであり、横方向の配線間の距離は4500Åである。また、配線の一層当たりの高さは7600Åである。一層目の配線と二層目の配線の膜厚方向の距離、即ち、層間絶縁膜の膜厚は10000Åである。
【0071】
そして、一層目の配線と二層目の配線にパッドを接続し、そのパッドに電圧を印加して配線間容量を測定した。
第1〜3の実施形態と従来技術との動作速度の比較
動作速度を比較するための試料は、一層目の配線と二層目の配線の間にある層間絶縁膜の材料以外の構成を全て同じにした。また、従来技術として、図10〜図12で示した2つの製造方法によって形成された多層配線構造を有する半導体装置を用いた。
【0072】
まず、図10に示した、SiO2のみからなる層間絶縁膜を有する試料について動作速度を調べ、その動作速度を基準速度T0 とした。
そして、第1〜第3の実施形態の装置と図10(c) 、図12(b) に示した2つの従来装置のそれぞれの動作速度を調べたところ、図9(a) に示すような結果が得られた。
【0073】
図9(a) では、図10(c) の基準動作速度T0 に対する他の資料の割合(動作速度比)を示しており、動作速度比の値が小さいほど動作速度が速いことになる。第2の実施形態と同じ方法によって作製した半導体装置の動作速度比が最も低く86%であった。続いて、第一の実施形態による半導体装置の速度比が88%であった。第3の実施形態による半導体装置の速度比は89%と第1及び第2の実施形態に比べて高い値を示した。即ち、配線容量の実験結果について述べたように、第3実施形態で形成された装置では、SiOF膜をSiO2膜でキャッピングするまでの間に吸湿が起こり、配線容量が十分低下していないことが理由に考えられる。図11、図12の従来法による半導体装置の動作速度比は94%とあまり改善されていなかった。
【0074】
以上のことから、動作速度の測定結果は配線容量の測定結果と相関がとれていることがわかった。
なお、動作速度の測定は、図9(b) に示すように、直列に200個のトランジスタを接続した試験回路の途中に上記した一層目と二層目の配線を接続して行われている。これにより試験回路の配線容量の負荷が変わり、その配線容量が大きいと動作速度が遅くなることになる。
【0075】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、配線を覆うフッ素含有シリコン酸化膜(SiOF膜)をSiO2のような絶縁膜で覆った後、SiOF膜の一部が露出するまで絶縁膜を研磨して平坦化した後に、露出したSiOF膜を覆うSiO2のような吸湿防止用の絶縁性キャップ膜を形成したので、SiOF膜は、絶縁膜によって大気からの水分の吸収が妨げられ、しかも低誘電率の層間絶縁膜からの金属膜の剥がれを防止でき、さらに、SiOF膜の直上の絶縁膜を研磨することによって層間絶縁膜に占めるSiOF膜の膜厚の割合を大きくして配線間の寄生容量を効果的に低容量化できる。
【0076】
さらに、1つの層間絶縁膜を単層又は複数のSiOF膜から形成し、少なくともその最上層を研磨することにより平坦化するとともに、その上を吸湿防止用の絶縁性キャップ膜により覆うようにしたので、フッ素含有シリコン酸化膜は、絶縁性キャップ膜によって大気からの水分の吸収が妨げられ、低誘電率の層間絶縁膜からの金属膜の剥がれを防止でき、さらに、SiOF膜を研磨することによって高密度配線領域の上の層間絶縁膜に占めるSiOF膜の膜厚を他の領域とほぼ同じ厚さににして配線間の寄生容量の効果的な低容量化を可能にする。
【0077】
また、複数のSiOF膜のうちその最上のSiOF膜のフッ素含有量を減らしてその誘電率を高くしたので、防湿用の絶縁性キャップ膜を形成する前の状態でのSiOF膜の吸湿性を抑えて、層間絶縁膜としてのSiOF膜の誘電率の増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の実施形態に使用する平行平板型プラズマCVD装置の一例を示す概要構成図である。
【図2】図2は、本発明の実施形態に提供するECR−CVD装置の一例を示す概要構成図である。
【図3】図3は、本発明の第1実施形態の半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図(その1)である。
【図4】図4は、本発明の第1実施形態の半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図(その2)である。
【図5】図5は、本発明の第2実施形態の半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図6】図6は、本発明の第3実施形態の半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図(その1)である。
【図7】図7は、本発明の第3実施形態の半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図(その2)である。
【図8】図8(a)は、本発明の第1〜第3実施形態の配線構造の試料と2つの従来例の試料との配線容量の大きさを比較するための実験結果であり、図8(b)は、それらの試料の共通した配線構造を示す図である。
【図9】図9(a)は、本発明の第1〜第3実施形態の配線構造の試料と2つの従来例の試料との動作速度を比較するための実験結果であり、図9(b)は、その試験に用いる回路図である。
【図10】第1の従来例による半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図である。
【図11】第2の従来例による半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図(その1)である。
【図12】第2の従来例による半導体装置の配線構造の製造工程を示す断面図(その2)である。
【符号の説明】
61…シリコン基板(半導体基板)、62…下地絶縁膜、63…一層目の配線、63a…高密度配線領域、63b…低密度配線領域、64…第一のSiOF膜、65…第一の絶縁膜、66…第一の絶縁性キャップ膜、64a…第一のSiOF膜、65a…第二のSiOF膜、66a…第一の絶縁性キャップ膜、67…ビアホール、68…グルーレイヤー、69…プラグ、70…二層目の配線、71…第二のSiOF膜、72…第二の絶縁膜、73…第二の絶縁性キャップ膜、71a…第三のSiOF膜、72a…第四のSiOF膜、73a…第二の絶縁性キャップ膜、81…シリコン基板(半導体基板)、82…下地絶縁膜、83…一層目の配線、83a…高密度配線領域、83b 低密度配線領域、84…第一のSiOF膜、85…第一の絶縁性キャップ膜、86…ビアホール、87…グルーレイヤー、88…プラグ、90…二層目の配線、91…第二のSiOF膜、92…第二の絶縁性キャップ膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a multilayer wiring structure and a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming the multilayer wiring structure.
[0002]
[Prior art]
In recent years, due to the demand for higher integration and higher speed of semiconductor devices, review of insulating layer materials for multilayer wiring layers in semiconductor devices has been carried out. Silicon dioxide (SiO2) Is a conventionally used insulating material for semiconductor devices. However, since the dielectric constant is as high as 4.2, the parasitic capacitance between the wirings is large, which increases the signal propagation delay time of the wirings. An increase in signal propagation delay is a factor that decreases the operating speed of the semiconductor device. In the future, as the miniaturization progresses, the distance between the wirings will become shorter and further, the parasitic capacitance becomes larger, and the increase in signal propagation delay time becomes a problem.
[0003]
Next, SiO2A method for forming a multilayer wiring structure in the case where is used as an interlayer insulating film will be briefly described.
First, as shown in FIG. 10A, a first SiO 2 film is formed on the wiring 103 patterned on the silicon substrate 101 by CVD (Chemical Vepor Deposition).2The film 104 is grown to a thickness of, for example, 7000 mm to embed wiring. Its first SiO2The film 104 is thin in a region where the wiring density is high, and is thick in a region where the wiring density having a pad or the like is low. Subsequently, the second SiO2The film 105 is formed to a thickness of 14000 mm, for example. These first and second SiO2The films 104 and 105 are used as interlayer insulating films. In this case, the first SiO2The growth of the film 104 is performed under the condition that the wiring between the lateral wirings is completely buried, and the second SiO 22The growth of the film 105 is performed under such a condition that unevenness does not occur so much.
[0004]
Next, as shown in FIG. 10 (b), the second SiO2The film 105 is polished and planarized by CMP (ChemicaI MechanicaI Polishing). Then the first and second SiO2Via holes 106 are opened in the films 104 and 105, a TiN glue layer is grown at the bottom of the via holes 106, and a plug is grown to fill the contact holes 106 with a conductive material such as tungsten or aluminum. The first SiO was polished by CMP.2Under the growth conditions of the film 104, the first SiO2This is because the film 104 is thin in a region where the wiring density is high and grows thick in a low region. The unevenness caused by this is the second SiO2This is because the film 105 is also uneven.
[0005]
If such a process is repeated twice, SiO having a two-layer structure as shown in FIG.2A two-layer wiring layer is formed.
In order to reduce the parasitic capacitance between the wirings, it is effective to use a substance having a low dielectric constant as the interlayer insulating film material, thereby shortening the signal propagation delay time. For example, a silicon oxyfluoride (SiOF) film formed by adding fluorine (F) to silicon dioxide has a low dielectric constant. By applying this material to an insulating film of a multilayer wiring, parasitic capacitance between wirings is reduced. Speeding up the device.
[0006]
  Up to now, SiOF has high hygroscopicity, and when moisture is absorbed, the dielectric constant becomes high and becomes ineffective as a material for interlayer insulation.
  In order to suppress the moisture absorption, oxygen (O2) Or after the SiOF film formationplasmaIt has been reported to perform annealing or control the plasma density and energy during SiOF growth.
[0007]
  However, if the dielectric constant of SiOF is made 3.5 or less, the hygroscopicity becomes high, and it becomes difficult to control the hygroscopicity even by such a method. Also, when water becomes contained in the SiOF film due to its hygroscopicity, it is formed on itMetal wiringThere is a risk of corrosion.
  Those problems are SiO2This can be avoided by capping of the SiOF film by the method, which has already been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-74245. The multi-layer forming method proposed here uses a conventional parallel plate type plasma CVD apparatus, using tetraethylorthosilicate (TEOS) as a silicon (Si) source and triethoxyfluorosilane (TEFS) or three fluorine as an F source. Nitrogenide (NFThree). Parallel plate type plasma CVD and these reaction systems can be applied to generations of semiconductor devices with a wide wiring spacing and low wiring aspect ratio (0.35 μm or less in terms of design rules). Other technologies are essential.
[0008]
  HDP (High Density Plasma) -CVD has narrow wiring spacing and high aspect ratioThe lateral direction of the wiringThis is a CVD technique for interposing an insulating film between each other. Further, a polishing method called CMP is applied to planarize the insulating film. Although a combination of HDP-CVD and CMP is considered to be effective as a multilayer wiring formation technique after the design rule of 0.25 μm, the capacity reduction between wirings using SiOF has not been sufficiently achieved.
[0009]
Therefore, a method for forming a multilayer interlayer insulating film when SiOF is used will be described below.
First, as shown in FIG. 11A, after patterning the wiring 103 on the silicon substrate 101, the SiOF film 110 is grown to a thickness of, eg, 7000 mm by HDP-CVD to cover the wiring 103. The film thickness of the SiOF film 110 is thin in a region where the wiring density is high, and is thick in a region where the wiring density having a pad or the like is low.
[0010]
Next, as shown in FIG.2The film 111 is formed to a thickness of 14000 mm, for example. Its SiO2The growth of the film 111 may be either parallel plate CVD or HDP-CVD. FIG. 11B shows the uneven shape of the insulating film when HDP-CVD is used. In the parallel plate type CVD, there is no big difference as long as the unevenness of the insulating film formed on the wiring becomes somewhat gentler than HDP.
[0011]
If a plurality of wirings and an interlayer insulating film are further stacked in this state, a step due to unevenness is likely to occur. A CMP technique is used to eliminate such a step.
Therefore, as shown in FIG.2The surface of the film 111 is polished and flattened. At this time, the polishing amount must be set so that the SiOF film 110 on the low-density wiring is not exposed. This is because when the SiOF film 110 is exposed, a metal film formed in a subsequent process is easily peeled off from the SiOF film 110.
[0012]
Subsequently, as shown in FIG.2A via hole 112 is opened in the film 111 and the SiOF film 110, a TiN glue layer 113 is grown on the bottom of the via hole 112, and the via hole 112 is filled with a tungsten plug 114.
If such a process is repeated twice, a two-layer wiring layer as shown in FIG. 12B is formed.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the wiring structure as shown in FIG. 12B, the SiOF film thickness in the high wiring density region is larger than that in the low wiring density region.2Since the ratio of the film thickness increases, the following problem occurs.
That is, the horizontal wiring T1The parasitic capacitance is reduced by the interposition of the SiOF film.2Is mostly SiO2Therefore, the parasitic capacitance between the wirings in the film thickness direction in this region becomes high. As a result, the effect of lowering the wiring capacitance by the SiOF film is diminished.
[0014]
  In contrast, SiO2It is conceivable to use a SiOF film instead of the film 111. When the dielectric constant of the SiOF film is 3.5 or less, a TiN film as a glue layer is grown directly on the SiOF film, and the via hole is further filled. Tungsten (W)As you grow upTheir adhesion is weak at the interface between the SiOF film and the TiN film, and the tungsten film easily peels off from the SiOF film due to the strong film stress of tungsten. The decrease in adhesion between the SiOF film and the TiN film occurs because F and TiN in the SiOF film react at the interface.
[0015]
In addition, SiO on high-density wiring2In order to reduce the ratio of the film, it is conceivable to increase the thickness of the SiOF film. However, this increases the aspect ratio of the via hole, which may cause a defect in the plug.
An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing a capacitance between wirings in a film thickness direction in a region having a high wiring density and preventing peeling of a metal film on an interlayer insulating film having fluorine-containing silicon oxide, and its manufacture It is to provide a method.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
(means)
As illustrated in FIGS. 3 and 4, the above-described problems include a step of forming the wiring 63 on the semiconductor substrate 61 and a step of covering the wiring 63 with a fluorine-containing silicon oxide film 64 having a dielectric constant of 3.5 or less. A step of growing an insulating film 65 of a material different from that of the fluorine-containing silicon oxide film 64 on the fluorine-containing silicon oxide film 64, and polishing is started from the surface of the insulating film 65 to Unlike the fluorine-containing silicon oxide film 64, the step of polishing and flattening the fluorine-containing silicon oxide film 64, the surface of the insulating film 65 and the fluorine-containing silicon oxide film 64 exposed by polishing, And a step of growing an insulating cap film 66 made of a material having a hygroscopicity lower than that of the fluorine-containing silicon oxide film 64. Resolve. In this case, the insulating film 65 is formed by growing silicon oxide. The insulating cap film 66 is formed by growing silicon oxide or silicon nitride. Further, before the insulating cap film 66 is formed, the fluorinated silicon oxide film 64 is annealed at a temperature of 300 ° C. or higher.
[0019]
As illustrated in FIG. 4B, the above-described problem is that the wiring 63 formed in each of the first wiring region 63a and the second wiring region 63b on the semiconductor substrate 61, and fluorine-containing covering the wiring 63 are included. The silicon oxide film 64, the first wiring region 63a covers the fluorine-containing silicon oxide film 64, and the fluorine-containing silicon film 64 is made of a different material, and the second wiring region 63b is the fluorine. Unlike the fluorine-containing silicon oxide film 64, which is formed on the silicon-containing silicon oxide film 64, is formed on the insulating film 65 in the first wiring region 63a, and is more hygroscopic than the fluorine-containing silicon oxide film 64. This problem is solved by a semiconductor device having an insulating cap film 66 made of a low material. In this case, the fluorine-containing silicon oxide film has a dielectric constant of 3.5 or less. The insulating film 65 is a silicon oxide film. The insulating cap film 66 is a silicon oxide film or a silicon nitride film.
[0020]
As illustrated in FIG. 5C, the above-described problem is caused by the wiring 63 formed in the first wiring region 63a and the second wiring region 63b on the semiconductor substrate 61, and the first wiring region. A first fluorine-containing silicon oxide film 64a covering the wiring 63 in the wiring region 63a and the second wiring region 63b; and the first wiring region 63a covers the first fluorine-containing silicon oxide film 64a and A second fluorine-containing silicon oxide film 65a having a fluorine content lower than that of the first fluorine-containing silicon oxide film 64a and the first wiring region 63a are formed on the second fluorine-containing silicon oxide film 65a. A moisture-proof insulating cap formed on the first fluorine-containing silicon oxide film 64a and made of a material different from that of the first and second fluorine-containing silicon oxide films 64a and 65a. This is solved by a semiconductor device including the film 66a. In this case, the first fluorine-containing silicon oxide film 64a has a dielectric constant of 3.5 or less. The second fluorine-containing silicon oxide film 65a has a dielectric constant of 3.6 or more. Further, the insulating cap film 66a is a silicon oxide film or a silicon nitride film.
[0021]
In the semiconductor device described above, an insulating base film is formed between the semiconductor substrate and the wiring. Further, another wiring is formed on the insulating cap film.
Next, the operation of the present invention will be described.
According to the present invention, a fluorine-containing silicon oxide film (SiOF film) that covers the wiring is made of another material, SiO.2Then, the insulating film is polished and planarized until a part of the SiOF film is exposed, and then an insulating cap film for preventing moisture absorption is formed to cover the exposed SiOF film.
[0022]
Therefore, the SiOF film is prevented from absorbing moisture from the atmosphere by the insulating film and the insulating cap film. Further, since the metal film is not directly formed on the SiOF film constituting the interlayer insulating film, peeling of the metal film formed on the interlayer insulating film is prevented. Furthermore, since the insulating film on the SiOF film is thinned by polishing until the SiOF film is exposed, the ratio of the SiOF film thickness to the interlayer insulating film is increased to effectively reduce the parasitic capacitance between wirings. it can.
[0023]
Further, the interlayer insulating film was formed from a single layer or a plurality of SiOF films, and at least the uppermost layer thereof was flattened by polishing, and the insulating cap film for preventing moisture absorption was covered thereon.
Therefore, the insulating cap film prevents moisture absorption of the SiOF film from the atmosphere. In addition, since the metal film is not formed directly on the SiOF film constituting the interlayer insulating film, peeling of the metal film on the interlayer insulating film can be prevented.
[0024]
Further, when the SiOF film has a multilayer structure, the fluorine content of the uppermost SiOF film is reduced, so that absorption of moisture from the atmosphere is suppressed by the uppermost SiOF film. Further, by polishing the uppermost SiOF film, the thickness of the high dielectric constant SiOF film occupying the interlayer insulating film is reduced, so that the parasitic capacitance between the wirings can be effectively reduced.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Accordingly, embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  Before explaining the formation of the multilayer wiring layer in the semiconductor device of the present invention, the outline of the configuration of the parallel plate type plasma CVD apparatus and ECR (EIectron Cyclotron Resonance) -CVD apparatus used for the growth of the interlayer insulating film of the present invention, and Of insulation film by the equipment ofFilm formationAn example of the conditions and the dielectric constant of the insulating film will be described.
[0026]
Parallel plate type plasma CVD equipment
FIG. 1 is a schematic view of a parallel plate type plasma CVD apparatus used in a semiconductor device manufacturing process.
In the parallel plate type plasma CVD apparatus, the inside of the sealed reaction chamber 1 is exhausted by a vacuum pump 3 via a vacuum pipe 2. The ultimate vacuum in the reaction chamber 1 due to the exhaust is, for example, 0.01 Torr. Inside the reaction chamber 1, a first electrode 4 for installing a semiconductor wafer W is attached, and a shower head 5 for ejecting a source gas to the semiconductor substrate W is disposed at a position facing the first electrode 4. ing. The shower head 5 functions as a second electrode, to which a high frequency power source 6 of 13.56 MHz, for example, is connected.
[0027]
In addition, heating means 7 for heating the semiconductor substrate W, for example, a lamp, is disposed in the reaction chamber 1 or under the first electrode 4.
In the reaction chamber 1, the raw material gas supply pipe 8, the first mass flow controller 9, and the first pipe 10 are used for C.2F6Cylinder 11 is connected and C2F6The flow rate of gas into the reaction chamber 1 is controlled by a mass flow controller 9.
[0028]
Further, the reaction chamber 1 is supplied with O through a source gas supply pipe 8, a second mass flow controller 12 and a second pipe 13.2The cylinder 14 is connected and O2The gas flow rate is controlled by the mass flow controller 12.
Further, a TEOS source 18 is connected to the reaction chamber 1 through a source gas supply pipe 8, a vaporizer 15, a liquid mass flow controller 16 and a liquid supply pipe 17.
[0029]
The TEOS source 18 includes a container 20 that stores the TEOS liquid 19 and a third pipe 22 that sends the compressed helium (He) gas from the helium source 21 to the container 20, and the TEOS liquid 19 in the container 20. A liquid supply pipe 17 is inserted into the pipe. When supplying the TEOS liquid 19 to the vaporizer 15, the pressure from 0.5 to 1.0 kg / cm from the helium source 21.2Then, the He gas is sent into the third pipe 22, and the TEOS liquid 19 is sent into the liquid supply pipe 17 by the pressure in the container 20. The supply amount of the TEOS liquid 19 is controlled by the liquid mass flow controller 16.
[0030]
The TEOS liquid 19 controlled by the liquid mass flow controller 16 is vaporized in the vaporizer 15 to become TEOS gas.
A He cylinder 25 is connected to the vaporizer 15 via a fourth pipe 23 and a third mass flow controller 24, and the amount of He gas introduced is controlled by the third mass flow controller 24. The He gas sent to the vaporizer 15 is sent into the reaction chamber 1 through the source gas supply pipe 8 together with the TEOS gas in the vaporizer 15. The He gas serves as a carrier gas for TEOS, and is used to stabilize the supply amount of TEOS gas.
[0031]
A heater 26 for preventing the liquefaction of the TEOS gas is wound around the raw material gas supply pipe 8 through which the TEOS gas flows. The raw material gas supply pipe 8 is heated to, for example, 100 ° C. by the heater 26.
A method of supplying the vaporized gas directly into the reaction chamber 1 without using a bubbler in this way is called direct injection. In the following description, the flow rate of the TEOS gas indicates a value not including the He gas.
[0032]
When the SiOF film is grown on the semiconductor substrate W by the parallel plate type plasma CVD apparatus described above, the COS is supplied simultaneously with the TEOS gas supply.2F6Gas and O2Gas is supplied into the reaction chamber 1, and high frequency power is applied between the first electrode 4 and the shower head (second electrode) 5 by the high frequency power source 6, whereby plasma of each gas is generated in the reaction chamber 1. generate.
[0033]
In addition, SiO on the semiconductor substrate W2In the case of forming a film, OOS is supplied simultaneously with the supply of TEOS gas.2Gases are supplied into the reaction chamber 1, and high-frequency power is applied between the first electrode 4 and the shower head (second electrode) 5 by a high-frequency power source 6, so that plasma of those gases is generated in the reaction chamber 1. generate.
Next, an example of SiOF growth conditions is shown in Table 1, and SiOF2Table 2 shows the growth conditions.
[0034]
[Table 1]
Figure 0003676034
[0035]
[Table 2]
Figure 0003676034
[0036]
The dielectric constant of the SiOF film grown under the conditions shown in Table 1 is 3.6, and the SiOF film grown under the conditions shown in Table 2 is used.2The dielectric constant of the film was 4.2.
ECR-CVD equipment
FIG. 2 is a schematic view of an ECR-CVD apparatus according to the present invention.
The ECR-CVD apparatus has a plasma chamber 31 and a reaction chamber 32, and a microwave power source 33 is connected to the plasma chamber 31 via a microwave waveguide 34, and microwaves are transmitted from the microwave power source 33 to the plasma chamber 31. By introducing into the gas, the gas introduced into the plasma chamber 31 is excited and plasma is formed.
[0037]
In addition, a plasma density and energy in the reaction chamber 32 are amplified by generating a magnetic field in the reaction chamber 32 by a main solenoid coil (MSC) 35 disposed above the reaction chamber 32. The plasma density and plasma energy can be changed by the amount of current flowing through the main solenoid coil 35.
[0038]
In the plasma chamber 31, SiO 22Alternatively, an argon source 38 is connected via a first mass flow controller 36 and a first gas pipe 37 for SiOF film growth, and an oxygen source is further connected via a second mass flow controller 39 and a second gas pipe 40. 41 is connected. Further, the reaction chamber 32 includes SiO 2.2For the film growth of the silicon source, the silicon source SiH is passed through the third mass flow controller 42 and the third gas pipe 43.FourA cylinder 44 is connected, and further a SiF as a fluorine source is passed through a fourth mass flow controller 45 and a fourth gas pipe 46 for growing a SiOF film.FourA cylinder 47 is connected.
[0039]
The first to fourth mass flow controllers 36, 39, 42, and 45 control the gas flow rate.
Furthermore, a plate 48 is disposed below the plasma chamber 31 in the reaction chamber 32, and an electrostatic chuck 49 for adsorbing the semiconductor substrate W is disposed thereon. A 13.56 MHz radio frequency (RF) power supply 50 is connected to the electrostatic chuck 49, and a potential is generated between the semiconductor wafer W and the plasma chamber 31 by application of the RF electrode 50. This potential accelerates Ar ions from the plasma chamber 31 and causes a sputtering phenomenon. Sputtering and source gas (SiFFour, SiHFour) Occurs in concert on the semiconductor substrate W, and an insulating film is embedded between the wirings on the narrow semiconductor substrate W, as will be described later. The electrostatic chuck 49 is heated to, for example, 200 ° C. by resistance heating, but the temperature during film formation by sputtering reaches 250 ° C.
[0040]
A sub-solenoid coil (SSC) 51 is disposed below the plate 48, and the sub-solenoid coil 51 serves to converge the plasma emanating from the plasma chamber 31 by a magnetic field. That is, the sub solenoid coil 51 has a function of changing the plasma shape according to the amount of current flowing therethrough.
When a symmetrical plasma is formed around the semiconductor wafer W, the film thickness distribution is improved and plasma damage to the semiconductor device can be reduced.
[0041]
Note that a turbomolecular pump 52 is connected to the reaction chamber 32, whereby the gas in the reaction chamber 32 is exhausted and decompressed.
Table 3 shows an example of conditions for performing SiOF growth using the ECR-CVD apparatus.2An example of conditions for growth is shown in Table 4.
[0042]
[Table 3]
Figure 0003676034
[0043]
[Table 4]
Figure 0003676034
[0044]
Here, the dielectric constant of the SiOF film grown under the conditions shown in Table 3 is 3.5, and the SiOF film grown under the conditions shown in Table 4 is used.2The dielectric constant of the film was 4.2.
Note that the growth of a film using an ECR-CVD apparatus has a higher ability to fill a high-density wiring layer than a case where a film is formed using a parallel plate type plasma CVD apparatus.
Next, a method for forming a wiring structure using the above-described apparatus will be described. Note that the film thickness shown below indicates the thickest film thickness portion on a wide wiring such as a pad unless a region is specified.
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention is shown in FIGS.
[0045]
First, as shown in FIG. 3A, a parallel plate type plasma CVD apparatus is used to form SiO on a silicon substrate (semiconductor substrate) 61.2A base insulating film 62 is grown to a thickness of 5000 mm. Subsequently, on the base insulating film 62, the thickness of the titanium (Ti) film is 300 mm, the thickness of the titanium nitride (TiN) film is 500 mm, the aluminum (Al) film is 6000 mm, the thickness of the TiN film is 500 mm, and the thickness of the Ti film is 300 mm. grow up. The five-layer metal film is patterned to form the first-layer wiring 63. In the formation region of the first-layer wiring 63, there are a high wiring density region 63a having a narrow wiring width and a narrow wiring interval, and a low wiring density region 63b on the contrary.
[0046]
Next, as shown in FIG. 3B, a first SiOF film 64 for covering the first-layer wiring 63 is grown to a thickness of 14,000 by using an ECR-CVD apparatus. When the ECR-CVD apparatus is used, the high wiring density region 63a is thin and the low wiring density region 63b is thick. The first SiOF film 64 is grown under the conditions shown in Table 3 above and has a dielectric constant of 3.5.
[0047]
According to the ECR-CVD apparatus, since the film grows with the etching effect by Ar ions between the lateral wirings, the space between the lateral wirings is completely buried. As a result, the film thickness of the first SiOF film 64 on the wiring is as thin as 6000 mm in the high wiring density region 63a and as thick as about 14000 mm in the low wiring density region 63b.
Next, as shown in FIG. 3 (c), the first SiO 2 film under the conditions shown in Table 2 using the parallel plate type plasma CVD apparatus described above.2A film (insulating film) 65 is formed to a thickness of 7000 mm. Its first SiO2The film 65 is grown to a substantially uniform thickness as a whole, but the upper and lower surfaces thereof reflect the unevenness of the SiOF film 64, so that the first SiO in the low wiring density region 63b is reflected.2The upper surface of the film 65 is the first SiO in the other region.2It exists in a position higher than the film 65.
[0048]
Second SiO2The reason why the film 65 is grown using the parallel plate type plasma CVD apparatus is that the film grows faster than when the ECR-CVD apparatus is used.
Next, the first SiO2The film 65 is polished by CMP, and as shown in FIG. 3D, an insulating film (first SiOF film 64 and first SiOF film on the first-layer wiring 63 is formed.2The film 65) is flattened until it reaches 9000 mm from the upper surface of the wiring 63 of the first layer.
[0049]
When the first SiOF film 64 is exposed in the low wiring density region 63b, as shown in FIG.2A first insulating cap film 66 is grown to a thickness of 1000 mm.
Next, as shown in FIG. 4B, the first SiOF film 64 and the first SiOF film 642The film 65 is patterned to open a via hole 67 by lithography, for example, on one wiring 63 in the high wiring density region 63a. Subsequently, titanium nitride (TiN) was grown as a glue layer 68 along the inner wall of the via hole 67 by sputtering, and then tungsten (W) serving as the plug 69 was grown by CVD. The glue layer 68 and the plug 69 are left in the via hole 67 by etch back. The via hole 67 is formed not only in the high density wiring region 63a but also in the low density wiring region 63b as shown in the figure.
[0050]
Thereafter, the steps of FIGS. 3A to 3D and FIGS. 4A and 4B are repeated once again to form the second-layer wiring structure.
That is, a second layer wiring 70 is grown on the first insulating cap film 66, a second SiOF film 71 covering the second layer wiring 70 is grown, and then the second SiOF film 71 is formed. Covering second SiO2A film 72 is grown. After that, the second SiO2The film 72 and the second SiOF film 71 are polished and planarized by CMP. Furthermore, in order to cover the second SiOF film 71 exposed by polishing, SiO2A second insulating cap film 73 is grown. As a result, a cross section as shown in FIG.
[0051]
In such a multilayer wiring structure, the SiOF film and the insulating cap film function as interlayer insulation.
Although the formation of the two-layer structure wiring is completed as described above, the third and fourth layer wirings may be formed thereafter.
The first and second insulating cap films 66 and 73 described above are formed to prevent the first and second SiOF films 64 and 71 from being exposed to the atmosphere. If the first insulating cap film 66 is not grown and a part of the first SiOF film 64 is exposed to the atmosphere and then the contact hole 67 is formed and then the TiN film and the W film are grown, Due to the poor adhesion between the first SiOF film 64 and the TiN film, the TiN film is peeled off at the interface between the first SiOF film 64 and the TiN film.
[0052]
However, in this embodiment, the first and second insulating cap films 66 and 73 prevent moisture absorption of the first and second SiOF films 64 and 71 exposed by CMP. SiOF film and SiO2Adhesion with the film is extremely high.
The first and second SiO2Before forming the films (first and second cap films) 66 and 73, the first and second SiOF films 64 and 71 are heated at a temperature of 300 ° C. or higher in an annealing furnace (not shown), or the films When preheating is performed at a temperature of 300 ° C. or higher in the growth apparatus, an increase in dielectric constant due to moisture absorption of the first and second SiOF films 64 and 71 is suppressed. In this embodiment, the latter method was performed for 30 seconds.
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG.
[0053]
First, by a method similar to that described in the first embodiment, as shown in FIG.2A base insulating film 62 is grown, and a first-layer wiring 63 is formed thereon. This first-layer wiring 63 has a high-density wiring region 63a and a low-density wiring region 63b. In this case, the growth conditions of the base insulating film 62 and the first-layer wiring 63 are the same as those in the first embodiment.
[0054]
Thereafter, a first SiOF film 64a having a dielectric constant of 3.5 is grown on the wiring 63 of the first layer to a thickness of 14000 mm by an ECR-CVD apparatus. In this case, the first SiOF film 64a on the wiring 63 grows as thin as 6000 cm in the high density wiring region 63a and as thick as 14000 cm in the low density wiring region 63b. Subsequently, under the conditions shown in Table 1, a second SiOF film 65a having a dielectric constant of 3.6 was grown to a thickness of 7000 mm using a parallel plate plasma CVD apparatus.
[0055]
Next, the first and second SiOF films 64a and 65a are polished and polished by CMP until the film thickness on the first-layer wiring 63 reaches 9000 mm.
Thereafter, SiO2 on the flattened first and second SiOF films 64a and 65a is formed.2A first insulating cap film 66a is grown to a thickness of 1000 mm. The purpose of forming the first insulating cap 66a is to prevent moisture absorption of the first and second SiOF films 64a and 65a and to prevent peeling of the metal film, as in the first embodiment.
[0056]
Next, as shown in FIG. 5D, a via hole 67 is opened by lithography on the first-layer wiring 63 of the first and second SiOF films 64a and 65a and the first insulating cap film 66a. . Subsequently, titanium nitride (TiN) was formed as a glue layer 68 along the inner wall of the via hole 67 by sputtering, and then tungsten (W) serving as a plug 69 was grown by CVD. The glue layer 68 and the plug 69 are left in the via hole 67 by etch back.
[0057]
Thereafter, the steps from the wiring formation to the cap film formation are repeated once again to form a second-layer wiring structure. That is, a second-layer wiring 70 is grown on the first insulating cap film 66a, and a third SiOF film 71a covering the second-layer wiring 70 is further grown in the ECR-CVD apparatus. A fourth SiOF film 72a is grown thereon in a parallel plate plasma CVD apparatus. Thereafter, the third and fourth SiOF films 71a and 72a are polished and planarized by CMP, and then the second insulating film is used as a second cap film to cover the third and fourth SiOF films 71a and 72a. The conductive cap film 73a is grown.
[0058]
In the multilayer wiring structure as described above, the SiOF film and the insulating cap film function as interlayer insulation.
In the second embodiment, since the interlayer insulating film formed between the first and second wirings 63 and 70 is composed of the first and second SiOF films 64a and 65a, compared to the first embodiment. As a result, the dielectric constant is lowered and the parasitic capacitance between the wirings is reduced.
[0059]
Further, by reducing the fluorine content, the dielectric constant of the upper second SiOF film 65a serving as the interlayer insulating film is made higher than the dielectric constant of the lower first SiOF film 64a. Hygroscopicity from the atmosphere decreases.
The first and second SiOF films 64a and 65a themselves are liable to peel off from the metal. However, since the insulating cap film 66a is formed on the first and second SiOF films 64a and 65a, the second SiOF film is the same as in the first embodiment.2The film 66a does not peel off the glue layer 68.
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0060]
First, a SiO2 film having a thickness of 5000 mm is measured by a parallel plate type plasma CVD apparatus.2After forming the underlying insulating film 82 on the silicon substrate 81, a first-layer electrode 83 having the same multilayer structure as in the first embodiment is formed. In the formation region of the first-layer wiring 83, there are a high wiring density region 83a having a narrow wiring width and a narrow wiring interval and a low wiring density region 83b on the contrary.
[0061]
Subsequently, a first SiOF film 84 covering the first-layer electrode 83 and the base insulating film 82 is grown to a thickness of 21000 mm by an ECR-CVD apparatus under the conditions shown in Table 3.
Thereafter, in order to remove moisture absorbed by the first SiOF film 84, the first SiOF film 84 is heated at a temperature of 300 ° C. or higher in an annealing furnace, or at a temperature of 300 ° C. or higher in a film growth apparatus. Preheat. In this embodiment, the latter is performed for 30 seconds.
[0062]
Next, as shown in FIG. 6B, the first SiOF film 84 is polished by CMP and flattened until the thickness on the first-layer wiring 83 reaches 9000 mm.
After this, as shown in FIG.2The insulating cap film 85 is grown to a thickness of 1000 mm under the conditions shown in Table 2 using a parallel plate plasma CVD apparatus, thereby preventing the first SiOF film 84 from absorbing moisture from the atmosphere and growing in the subsequent steps. Prevents peeling of the metal film.
[0063]
Next, a part of the first SiOF film 84 and the insulating cap film 85 is etched by photolithography to form a via hole 86 connected to the first layer wiring. Then, as shown in FIG. 7 (a), titanium nitride (TiN) was grown as a glue layer 87 along the inner wall of the via hole 86 by sputtering, and then tungsten (W) serving as a plug 88 was grown by CVD. The glue layer 87 and the plug 88 are left in the via hole 86 by etch back.
[0064]
Thereafter, the steps shown in FIGS. 6A to 6C are repeated once again to form a second-layer wiring structure. That is, a second-layer wiring 90 is grown on the first insulating cap film 85, a second SiOF film 91 covering the second-layer wiring 90 is grown, and then the second SiOF film 91 is grown. In order to cover the exposed second SiOF film 91 after polishing and planarizing by CMP2A second insulating cap film 92 is grown. As a result, a cross-sectional structure as shown in FIG. 7B is obtained.
[0065]
Although the formation of the two-layer structure wiring is completed as described above, the third and fourth layer wirings may be formed after that to form a multilayer wiring structure.
According to the multilayer wiring structure configured as described above, the first-layer wiring 83 is covered with the SiOF film 84, and then the SiOF film 84 is polished and flattened. Since it is covered with the insulating cap film 85, the hygroscopicity is lowered, and the metal film formed on the interlayer insulating film is prevented from peeling off.
[0066]
In the above three embodiments, the insulating cap film is made of SiO.2Formed from but SiThreeNFourYou may form from.
Next, the improvement of the wiring capacity and operation speed of the above embodiment will be described.
Comparison of wiring capacity between the first to third embodiments and the prior art
In the samples for comparing the wiring capacities, all the configurations other than the material of the interlayer insulating film between the first layer wiring and the second layer wiring were made the same. Further, as a conventional technique, a semiconductor device formed by the two manufacturing methods shown in FIGS.
[0067]
First, the SiO shown in FIG.2The wiring capacity of a sample having an interlayer insulating film consisting of only the above is investigated, and the capacity is determined as a reference capacity value C.0It was. However, the first layer SiO in FIG.2The film was grown under the conditions of Table 4 and the second layer of SiO2The film was grown under the conditions in Table 2.
The wiring capacitance of the devices of the first to third embodiments and the conventional device shown in FIG.0As a result of examining what value (wiring capacitance ratio) is taken with respect to the above, a result as shown in FIG. 8 (a) was obtained.
[0068]
In FIG. 8 (a), the reference capacity C0The wiring capacity ratio is shown in the case where is set to 1. The smaller the value of the wiring capacity ratio is, the more effective the wiring capacity is reduced.
The capacity ratio of the second embodiment was the lowest value of 79%. Further, the capacity ratio of the first embodiment was low and 82%. Originally, it was predicted that the capacitance ratio of the third embodiment in which most of the interlayer insulating film between the first and second wiring layers is made of SiOF having a dielectric constant of 3.5 shows the lowest value. The measured value was 84%. The reason for this is that the first SiOF film 84 whose upper surface is exposed during the steps up to the step shown in FIG. 6C, that is, until the first SiOF film 84 is covered with the first insulating cap film 85, This is because the moisture contained therein was absorbed, and this was because the preheating performed before the growth of the first insulating cap film 85 was not sufficient.
[0069]
Moisture absorption lowers the reliability of high-density wiring with a narrow wiring width, and is therefore a concern for semiconductor devices manufactured with design rules of 0.25 μm and later. Therefore, as in the embodiment, the SiOF film that covers the wiring in the high-density wiring region is made SiO 2 until the cap film is formed.2It is preferable to cover with a film or another SiOF film having a dielectric constant of 3.6 or more and low moisture absorption.
[0070]
The capacitance ratio between wirings in the case of manufacturing by the conventional method FIGS. 11 to 12 was 88%, which was higher than the others. The reason for this is that, as described in the prior art section, most of the interlayer insulating film is made of SiO.2It is because it consists of. Such a decrease in capacity does not lead to an improvement in the operation speed of the device.
The outline of the shape of the first layer wiring and the second layer wiring in each of the samples of the first to third embodiments and the two prior art examples is as shown in FIG. The distance between them is 4500 mm. The height per layer of the wiring is 7600 mm. The distance in the film thickness direction between the first-layer wiring and the second-layer wiring, that is, the film thickness of the interlayer insulating film is 10,000 mm.
[0071]
A pad was connected to the first-layer wiring and the second-layer wiring, and a voltage was applied to the pad to measure the capacitance between the wirings.
Comparison of operation speed between the first to third embodiments and the prior art
Samples for comparing operation speeds were all the same except for the material of the interlayer insulating film between the first-layer wiring and the second-layer wiring. As a conventional technique, a semiconductor device having a multilayer wiring structure formed by the two manufacturing methods shown in FIGS.
[0072]
First, the SiO shown in FIG.2The operating speed of a sample having an interlayer insulating film made of only the material is examined, and the operating speed is determined as the reference speed T0It was.
Then, when the operating speeds of the devices of the first to third embodiments and the two conventional devices shown in FIGS. 10 (c) and 12 (b) were examined, as shown in FIG. 9 (a). Results were obtained.
[0073]
In FIG. 9 (a), the reference operating speed T in FIG.0The ratio (operation speed ratio) of other materials with respect to is shown. The smaller the value of the operation speed ratio, the faster the operation speed. The operation speed ratio of the semiconductor device manufactured by the same method as in the second embodiment was the lowest, 86%. Subsequently, the speed ratio of the semiconductor device according to the first embodiment was 88%. The speed ratio of the semiconductor device according to the third embodiment was 89%, which was higher than that in the first and second embodiments. In other words, as described in the experimental results of the wiring capacitance, in the device formed in the third embodiment, the SiOF film is made of SiO2.2It is considered that moisture absorption occurs before the film is capped and the wiring capacity is not sufficiently reduced. The operation speed ratio of the semiconductor device according to the conventional method of FIGS. 11 and 12 was not improved so much as 94%.
[0074]
From the above, it was found that the measurement result of the operation speed is correlated with the measurement result of the wiring capacitance.
As shown in FIG. 9 (b), the operation speed is measured by connecting the first and second wirings in the middle of a test circuit in which 200 transistors are connected in series. . As a result, the load of the wiring capacity of the test circuit changes, and if the wiring capacity is large, the operation speed becomes slow.
[0075]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after covering the wiring with a fluorine-containing silicon oxide film (SiOF film) with an insulating film such as SiO2, the insulating film is polished until a part of the SiOF film is exposed. SiO that covers the exposed SiOF film after planarization2Since the insulating cap film for preventing moisture absorption is formed, the SiOF film prevents the moisture absorption from the atmosphere by the insulating film and prevents the metal film from peeling off from the low dielectric constant interlayer insulating film. Further, by polishing the insulating film immediately above the SiOF film, the ratio of the thickness of the SiOF film to the interlayer insulating film can be increased, and the parasitic capacitance between the wirings can be effectively reduced.
[0076]
Furthermore, one interlayer insulating film is formed from a single layer or a plurality of SiOF films, and at least the uppermost layer thereof is flattened by polishing and covered with an insulating cap film for preventing moisture absorption. The fluorine-containing silicon oxide film prevents moisture from being absorbed from the atmosphere by the insulating cap film, prevents the metal film from peeling off from the low dielectric constant interlayer insulating film, and further improves the polishing performance by polishing the SiOF film. The thickness of the SiOF film occupying the interlayer insulating film above the density wiring region is made substantially the same as that of the other regions, and the parasitic capacitance between the wirings can be effectively reduced.
[0077]
In addition, the fluorine content of the uppermost SiOF film among the multiple SiOF films has been reduced to increase its dielectric constant, thereby suppressing the hygroscopicity of the SiOF film before forming the moisture-proof insulating cap film. Thus, an increase in the dielectric constant of the SiOF film as the interlayer insulating film can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a parallel plate type plasma CVD apparatus used in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of an ECR-CVD apparatus provided in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view (No. 1) showing a step of manufacturing the wiring structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 4 is a cross-sectional view (part 2) illustrating the manufacturing process of the wiring structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a wiring structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view (No. 1) showing a manufacturing step of a wiring structure of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view (No. 2) showing the manufacturing process of the wiring structure of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 8 (a) is a result of an experiment for comparing the magnitude of the wiring capacity between the sample of the wiring structure of the first to third embodiments of the present invention and the sample of two conventional examples; FIG. 8B is a diagram showing a common wiring structure of these samples.
FIG. 9A is a result of an experiment for comparing the operation speeds of the wiring structure sample of the first to third embodiments of the present invention and the two conventional samples. b) is a circuit diagram used for the test.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a wiring structure of a semiconductor device according to a first conventional example.
11 is a sectional view (No. 1) showing a manufacturing step of a wiring structure of a semiconductor device according to a second conventional example; FIG.
FIG. 12 is a sectional view (No. 2) showing a manufacturing step of a wiring structure of a semiconductor device according to a second conventional example;
[Explanation of symbols]
61 ... Silicon substrate (semiconductor substrate), 62 ... Base insulating film, 63 ... First-layer wiring, 63a ... High-density wiring region, 63b ... Low-density wiring region, 64 ... First SiOF film, 65 ... First insulation Film 66 ... first insulating cap film 64a ... first SiOF film 65a ... second SiOF film 66a ... first insulating cap film 67 ... via hole 68 ... glue layer 69 ... plug , 70 ... second layer wiring, 71 ... second SiOF film, 72 ... second insulating film, 73 ... second insulating cap film, 71a ... third SiOF film, 72a ... fourth SiOF film 73a ... second insulating cap film, 81 ... silicon substrate (semiconductor substrate), 82 ... underlying insulating film, 83 ... first layer wiring, 83a ... high density wiring region, 83b low density wiring region, 84 ... first SiOF film, 85 ... first insulating cap film, 86 ... via hole, 8 ... glue layer, 88 ... plug, 90 ... second layer of wiring 91 ... second SiOF film, 92 ... second insulating cap film.

Claims (10)

半導体基板上に配線を形成する工程と、
誘電率3.5以下のフッ素含有シリコン酸化膜により前記配線を覆う工程と、
前記フッ素含有シリコン酸化膜上に、前記フッ素含有シリコン酸化膜とは異なる材料の絶縁膜を成長する工程と、
前記絶縁膜の表面から研磨を開始して前記絶縁膜と前記フッ素含有シリコン酸化膜を研磨して平坦化する工程と、
前記絶縁膜の面と研磨によって露出した前記フッ素含有シリコン酸化膜の上に、前記フッ素含有シリコン酸化膜とは異なり、前記フッ素含有シリコン酸化膜よりは吸湿性の低い材料よりなる絶縁性キャップ膜を成長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。
Forming a wiring on a semiconductor substrate;
Covering the wiring with a fluorine-containing silicon oxide film having a dielectric constant of 3.5 or less;
Growing an insulating film made of a material different from the fluorine-containing silicon oxide film on the fluorine-containing silicon oxide film;
Polishing the surface of the insulating film and polishing and planarizing the insulating film and the fluorine-containing silicon oxide film;
Unlike the fluorine-containing silicon oxide film, an insulating cap film made of a material that is less hygroscopic than the fluorine-containing silicon oxide film is formed on the surface of the insulating film and the fluorine-containing silicon oxide film exposed by polishing. And a step of growing the semiconductor device.
前記絶縁膜及び絶縁性キャップ膜は酸化シリコンの成長によって形成され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。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film and the insulating cap film are formed by growing silicon oxide. 前記絶縁性キャップ膜を形成する前に、前記フッ化含有シリコン酸化膜を300℃以上の温度でアニールす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。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the fluorinated silicon oxide film is annealed at a temperature of 300 [deg.] C. or higher before forming the insulating cap film. 半導体基板上の第一の配線領域と第二の配線領域にそれぞれ形成された配線と、
前記配線を覆うフッ素含有シリコン酸化膜と、
前記第一の配線領域で前記フッ素含有シリコン酸化膜を覆い、且つ前記フッ素含有シリコン膜とは材料の異なる絶縁膜と、
前記第二の配線領域で前記フッ素含有シリコン酸化膜上に形成され、前記第一の配線領域で前記絶縁膜上に形成され、且つ前記フッ素含有シリコン酸化膜とは異なり、前記フッ素含有シリコン酸化膜よりも吸湿性の低い材料よりなる絶縁性キャップ膜とを有することを特徴とする半導体装置。
Wiring formed in each of the first wiring region and the second wiring region on the semiconductor substrate;
A fluorine-containing silicon oxide film covering the wiring;
An insulating film that covers the fluorine-containing silicon oxide film in the first wiring region and is made of a material different from the fluorine-containing silicon film;
Unlike the fluorine-containing silicon oxide film, the fluorine-containing silicon oxide film is formed on the fluorine-containing silicon oxide film in the second wiring region, formed on the insulating film in the first wiring region. And an insulating cap film made of a material having a lower hygroscopic property.
前記絶縁膜はシリコン酸化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。The semiconductor device according to claim 4, wherein the insulating film is a silicon oxide film. 前記絶縁性キャップ膜はシリコン酸化膜又はシリコン窒化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。The semiconductor device according to claim 4, wherein the insulating cap film is a silicon oxide film or a silicon nitride film. 半導体基板上の第一の配線領域と第二の配線領域にそれぞれ形成された配線と、
前記第一の配線領域と前記第二の配線領域の前記配線を覆う第一のフッ素含有シリコン酸化膜と、
前記第一の配線領域で前記第一のフッ素含有シリコン酸化膜を覆い、且つ前記第一のフッ素含有シリコン酸化膜よりもフッ素含有量の少ない第二のフッ素含有シリコン酸化膜と、
前記第一の配線領域で前記第二のフッ素含有シリコン酸化膜の上に形成され、前記第二の配線領域で前記第一のフッ素含有シリコン酸化膜上に形成され、且つ前記第一及び第二のフッ素含有シリコン酸化膜とは異なり、前記第一及び第二のフッ素含有シリコン酸化膜よりも吸湿性の低い材料よりなる絶縁性キャップ膜とを有することを特徴とする半導体装置。
Wiring formed in each of the first wiring region and the second wiring region on the semiconductor substrate;
A first fluorine-containing silicon oxide film covering the wiring of the first wiring region and the second wiring region;
A second fluorine-containing silicon oxide film covering the first fluorine-containing silicon oxide film in the first wiring region and having a fluorine content lower than that of the first fluorine-containing silicon oxide film;
Formed on the second fluorine-containing silicon oxide film in the first wiring region, formed on the first fluorine-containing silicon oxide film in the second wiring region, and the first and second Unlike the fluorine-containing silicon oxide film, the semiconductor device has an insulating cap film made of a material having a lower hygroscopic property than the first and second fluorine-containing silicon oxide films.
前記第一のフッ素含有シリコン酸化膜は誘電率3.5以下であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 7, wherein the first fluorine-containing silicon oxide film has a dielectric constant of 3.5 or less. 前記第二のフッ素含有シリコン酸化膜は誘電率3.6以上であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 7, wherein the second fluorine-containing silicon oxide film has a dielectric constant of 3.6 or more. 前記絶縁性キャップ膜はシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 7, wherein the insulating cap film is a silicon oxide film or a silicon nitride film.
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