JP3729226B2 - 半導体集積回路装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置に関し、特に、半導体集積回路装置の高速動作に有効な半導体集積回路装置及びその製造方法に関する。
【0002】
半導体集積回路の多層配線における信号の伝搬速度は、配線抵抗と配線間の寄生容量により決定される。半導体集積回路の高集積化により配線間隔が狭くなり、配線間の寄生容量が増大している。同一配線層内の配線間の寄生容量は、各配線を薄くすることにより低減できるが、配線を薄くすると配線抵抗の増大を伴うため、半導体集積回路装置の動作速度の高速化には繋がらない。
【0003】
配線を薄くすることなく寄生容量を低下させるためには、層間絶縁膜の誘電率の低減を図ることが不可欠である。今後、配線間隔が0.5μm以下となると、層間絶縁膜の誘電率が信号伝搬速度を大きく左右し、半導体集積回路装置の性能を支配する大きな要素となることが予想される。
【0004】
【従来の技術】
半導体集積回路装置に使用される層間絶縁膜としては、化学気相成長(CVD)によるシリコン酸化膜、フォスフォシリケートガラス(PSG)等が主流である。これらの膜の比誘電率は、その膜形成条件によって変動するが、最も誘電率の低いシリコン熱酸化膜でも4.0程度である。また、スピンオングラス(SOG)により形成した絶縁膜は吸湿性が高く、その比誘電率は5以上である。
【0005】
近年、低誘電率絶縁材料としてテフロン系もしくはハイドロカーボン系の高分子材料が注目されている。しかし、テフロン系材料は、耐熱性や他材料との密着性の点で実用化が困難である。また、ハイドロカーボン系材料は、酸化されやすく、酸化されることで吸湿による誘電率の変動があるため実用化が困難である。
【0006】
CVD法で形成される無機膜にフッ素原子を導入して低誘電率化を図る試みがなされているが、フッ素導入量が多くなると吸湿性が増すため、その実用的な誘電率はせいぜい3.5程度である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、低誘電率の絶縁膜を有する半導体集積回路装置及びその製造方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、主表面上に複数の配線が形成された基板と、前記基板の主表面の上に、前記配線を覆うように形成され、籠状の分子構造部分を有する組成物を含む絶縁膜とを有し、前記籠状の分子構造部分の各々は、立方体の8個の頂点に対応する位置にSi原子が配置され、相互に隣り合う頂点に位置するSi原子がO原子を介して結合した分子構造を有し、該籠状の分子構造部分の頂点に位置するSi原子の一部は、O原子を介して他の籠状の分子構造部分と結合し、他のSi原子は、H原子と結合している半導体集積回路装置が提供される。
【0009】
籠状分子構造部分の中央には、電子雲の薄い空間が画定される。このため、密な材料に比べて低い誘電率を得やすい。
【0010】
本発明の他の観点によると、主表面上に複数の配線が形成された基板の該主表面の上に、籠状シロキサンからなるポリマを溶解した樹脂溶液を塗布する工程と、前記基板を、前記籠状シロキサンからなるポリマの複数のSi−H構造の一部がSi−OH構造になる温度で熱処理する工程と、前記基板を、前記籠状シロキサンからなるポリマのSi−OH構造部分同士を架橋させる工程とを有し、前記熱処理する工程において、前記架橋させる工程後の架橋された前記籠状シロキサンからなるポリマの水素原子の含有量が、架橋前における水素原子の含有量の50〜80%となるように熱処理する半導体集積回路装置の製造方法が提供される。
【0011】
籠状シロキサンを架橋させて得られたポリマは、その籠状分子構造に起因して低い誘電率を有する。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、本発明の実施例による低誘電率の絶縁膜を用いた配線構造の製造方法について説明する。
【0013】
シリコン基板1の主表面上に、SiO2 からなる絶縁膜2が形成されている。絶縁膜2の上に、相互に平行に配置された複数のAl配線3が形成されている。Al配線3の厚さは0.6μm、幅及び間隔は0.4μmである。
【0014】
Al配線3を覆うように、低誘電率の絶縁膜4を形成する。以下、絶縁膜4の形成方法について説明する。
【0015】
容量1リットルの4つ口フラスコに、硫酸130gと発煙硫酸30gを添加し、常温下で、トルエン160gを50分かけて滴下した後、30分間反応させる。反応により生成したトルエンスルホン酸水和物のトルエン溶液に、20重量%のトリクロルシランのトルエン溶液(トルエン200g、トリクロルシラン40g)を、常温下で180分かけて添加する。添加終了後1時間放置した後、分液ロートで下層の硫酸及びトルエンスルホン酸水和物を除去する。
【0016】
続いて、50重量%の硫酸70mlで洗浄し、トルエンスルホン酸水和物を析出させた後、吸引濾過を行いトルエンスルホン酸水和物を除去する。硫酸による洗浄と濾過をもう1度繰り返す。この溶液を炭酸カルシウムで中和し、吸引濾過により炭酸カルシウムを除去する。硫酸マグネシウムを添加して12時間放置することにより脱水を行う。吸引濾過により硫酸マグネシウムを除去する。
【0017】
フィルタにてミクロゲルを除去し、ロータリエバポレータを用いて乾燥させる。ベンゼンに溶解させ、凍結乾燥を施す。
【0018】
このようにして得られた粉末の中から、アセトニトリルに可溶な籠状分子構造の成分と、アセトニトリルに不溶な梯子状分子構造の成分を分離する。籠状分子構造を有することの検証は、例えばゲルパーミエーションクロマトグラフにより分子量の少ない領域に現れたピークに対応する組成物を、IR分析することにより行うことができる。梯子状分子構造を有する場合には、波数1070cm-1と1130cm-1に吸収ピークが現れるのに対し、籠状分子構造を有する場合には、波数1130cm-1近傍に1本の吸収ピークが現れる。分離した籠状分子構造の成分を用い、濃度100ppmの硝酸水溶液で処理し、分子間架橋させる。このようにして、籠状分子構造部分を含む分子量3000〜5000の籠状シロキサンからなる樹脂が得られる。
【0019】
この樹脂20gを80gのメチルイソブチルケトンに溶解し、20重量%の樹脂溶液を得る。得られた樹脂溶液を0.2μmのメンブランフィルタで濾過し、試料樹脂溶液とする。
【0020】
図1(A)に示すAl配線3の形成された基板上に、試料樹脂溶液を、回転数3000rpm、時間30秒の条件でスピン塗布する。この条件は、平坦なシリコン基板上において約0.8μmの膜厚が得られる条件である。スピン塗布後、温度250℃、3分間の条件で熱処理を施す。
【0021】
その後、大気中で、温度350℃、1分間の条件で熱処理を施す。この熱処理中に、樹脂中の一部のSi−H構造部分が酸化されSi−OH構造に変化する。続いて、O2 濃度10ppm以下のN2 雰囲気中で、温度400℃、30分間の熱処理を施す。この熱処理中に、樹脂中のSi−OH構造部分同士が架橋する。この架橋により、溶剤に溶解しにくい籠状シロキサンからなる絶縁膜4が形成される。
【0022】
絶縁膜4の表面のSi−H構造部分が少なくなると、水を吸収しやすくなり、誘電率上昇の要因になる。このため、Si−H構造部分をSi−OH構造に変化させるための熱処理を、架橋後の水素原子含有量が架橋前の含有量の50〜80%となる条件で行っておくことが好ましい。
【0023】
図1(B)に示すように、絶縁膜4に、Al配線3の一部の上面を露出させる直径0.4μmのビアホール5を形成する。ビアホール5の形成は、例えばCF4 とCHF3 との混合ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)により行う。ビアホール5内を埋め込むようにスパッタリングにより2層目のAl層5を形成し、温度450℃でリフローさせる。
【0024】
ビアホール5の部分を観察したところ、黒ずみはなくボイドの発生は見られなかった。また、1層目の配線3と2層目の配線5との導通不良も見られなかった。
【0025】
図2は、籠状シロキサンの分子構造の一例を示す。籠状シロキサンは、立方体の8個の頂点に対応する位置にSi原子が配置され、各辺の中点に対応する位置にO原子が配置された籠状構造部分を含んで構成される。籠状構造部分のSi原子の一部は、O原子を介して他の籠状構造部分のSi原子に結合している。
【0026】
各籠状構造部分の中央部には、電子雲の薄い空間が形成される。このため、この籠状構造部分が結合されて形成された樹脂は、低い誘電率を有すると期待される。また、籠状構造の殻を構成する各面の中央には、水分子が透過できない程度の大きさの孔しか開いていない。従って、籠状構造の中央の空間には、水分子が侵入しない。このため、水分子の侵入による誘電率の上昇を防止できる。
【0027】
また、基板表面の凹部の埋込が可能なスピン塗布による成膜することができるため、基板表面の狭い凹部を再現性よく埋め込むことができる。
【0028】
図1(B)に示すように、複数のAl配線3は低誘電率の籠状シロキサンからなる絶縁膜4で覆われている。このため、Al配線3の各々の間の寄生容量を低減することができる。
【0029】
次に、図3を参照して、他の実施例による配線構造の製造方法について説明する。
【0030】
図3(A)に示すように、図1(A)で説明した方法と同様の方法で、シリコン基板1、絶縁膜2、Al配線3が形成された基板上に厚さ0.8μmで塗布可能な条件で絶縁膜4を形成する。絶縁膜4の上に、原料として例えばSiH4 とO2 を用いた化学気相堆積(CVD)により、厚さ約1.5μmのSiO2 膜10を形成する。
【0031】
図3(B)に示すように、SiO2 膜10の表面を、化学機械研磨(CMP)により平坦化する。研磨剤として、例えばSS−25(CABOT社製)を用いる。このようにして、籠状シロキサンからなる絶縁膜4とSiO2 膜10との2層構造を有する層間絶縁膜が得られる。
【0032】
籠状シロキサンからなる絶縁膜4を直接化学機械研磨して表面の平坦化を行うと、表面のSi−H構造が消滅し吸湿しやすくなる。このため、絶縁膜4の誘電率上昇の要因になる。絶縁膜4の上にSiO2 膜10を形成し、SiO2 膜10の表面を研磨することにより、絶縁膜4の低誘電率を保ったまま表面の平坦化を行うことができる。
【0033】
図3(C)に示すように、絶縁膜4とSiO2 膜10との2層を貫通するビアホール11を形成し、2層目のAl配線12を堆積する。本実施例においても、図1の場合と同様に、ビアホール11の部分に黒ずみはなくボイドの発生は見られなかった。また、1層目の配線3と2層目の配線12との導通不良も見られなかった。
【0034】
本実施例の場合も、Al配線3が低誘電率の絶縁膜4で覆われているため、図1(B)の場合と同様に、各Al配線3の間の寄生容量を低減することができる。
【0035】
図4は、籠状シロキサンからなる絶縁膜を含む金属/酸化膜/半導体(MOS)構造の断面図を示す。Bをドーズ量5×1015cm-2の条件でドープされてp型とされたシリコン基板20の表面上に、籠状シロキサンからなる厚さ0.8μmの絶縁膜21と、CVDにより形成された厚さ1.5μmのSiO2 膜22が積層されている。絶縁膜21及びSiO2 膜22は、それぞれ図3(A)で説明した絶縁膜4及びSiO2 膜10と同様の方法で形成される。SiO2 膜22の上に、金属膜23が形成されている。
【0036】
図4に示すMOS構造の静電容量から絶縁膜21の比誘電率を測定したところ、約2.3であった。なお、SiO2 膜22の比誘電率を約4.2と仮定した。このように、籠状シロキサンからなる樹脂を用いることにより、低誘電率の絶縁膜を得ることができる。
【0037】
図5は、籠状シロキサンからなる絶縁膜を使用したリングオシレータを示す。図5(A)はリングオシレータの1段の概略図を示し、図5(B)は図5(A)の一点鎖線B5−B5における断面図を示す。リングオシレータの1段は、CMOS構成のインバータ31と、その出力端子に接続されたAl配線32により構成される。配線32は千鳥状にレイアウトされ、次段のインバータの入力端子に接続される。配線32の全長は450μmであり、1つの折れ曲がり部から次の折れ曲がり部までの長さL1 は30μm、ピッチL2 は1.0μm、配線32の幅は0.5μm、厚さは0.6μmである。Al配線32は、籠状シロキサンからなる樹脂膜33で覆われ、その上にSiO2 膜34が形成されている。配線32の上面からSiO2 膜34の上面までの厚さは0.5μmである。図5(A)に示す回路を100段直列に接続してリングオシレータを形成した。
【0038】
図5(A)及び図5(B)の構成を有するリングオシレータの発振周波数を、図5(B)の層間絶縁膜としてCVDによるSiO2 膜のみを用いたリングオシレータの発振周波数と比較したところ、約20%の速度向上が見られた。これは、図5(A)に示す配線32の部分の寄生容量の低減によるものと考えられる。
【0039】
上記実施例では、絶縁膜として籠状シロキサンからなる樹脂を用いた場合を説明したが、籠状の分子構造部を有する他の低誘電率組成物を用いてもよい。例えば、絶縁膜材料として、フラーレン構造等の籠状ハイドロカーボンを用いてもよい。
【0040】
なお、籠状の分子構造部の殻が水分子を透過させない構成を有する組成物を用いることが好ましい。水分子の侵入を防止することにより、誘電率の上昇を抑制することができる。籠状シロキサンの場合には、籠状の分子構造の殻を構成する各原子環は8個の原子により構成されている。籠状構造部分の中央の空間への水分子の侵入を防止するためには、各原子環の原子数が12以下の組成物を用いることが好ましい。
【0041】
また、籠状シロキサンの各籠状構造部分は、点対称の構造を有する。低い誘電率の絶縁膜を形成するためには、籠状シロキサンのように、各籠状構造部分が点対称の構造を有する組成物を用いることが好ましい。
【0042】
また、上記実施例では、籠状シロキサンを架橋させたポリマを絶縁膜として使用したが、籠状シロキサン等の籠状の分子構造部分を有する低誘電率組成物をバインダ樹脂に混入して用いてもよい。バインダ樹脂として、例えばハシゴ状分子構造を有するシルセスキオキサン、ポリイミド系樹脂、ベンゾシクロブテン(ダウケミカル社製のBCB)等を用いることができる。
【0043】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、籠状分子構造部分を含む低誘電率組成物を用い、低誘電率の絶縁膜を形成することができる。低誘電率の絶縁膜を多層配線の層間絶縁膜に用いることにより、配線間の寄生容量を低減し、信号伝搬遅延を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による配線構造の製造方法を説明するための配線層の断面図である。
【図2】籠状シロキサンの分子構造の一例を示す分子構造図である。
【図3】本発明の他の実施例による配線構造の製造方法を説明するための配線層の断面図である。
【図4】籠状シロキサンからなる絶縁膜を含むMOS構造の断面図である。
【図5】リングオシレータの1段の概略図、及び配線部分の断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 絶縁膜
3 配線
4 籠状シロキサンからなる絶縁膜
5、11 ビアホール
10 SiO2 膜
12 配線層
20 シリコン基板
21 籠状シロキサンからなる絶縁膜
22 SiO2 膜
23 金属膜
31 インバータ
32 配線
Claims (4)
- 主表面上に複数の配線が形成された基板と、
前記基板の主表面の上に、前記配線を覆うように形成され、籠状の分子構造部分を有する組成物を含む絶縁膜とを有し、
前記籠状の分子構造部分の各々は、立方体の8個の頂点に対応する位置にSi原子が配置され、相互に隣り合う頂点に位置するSi原子がO原子を介して結合した分子構造を有し、該籠状の分子構造部分の頂点に位置するSi原子の一部は、O原子を介して他の籠状の分子構造部分と結合し、他のSi原子は、H原子と結合している半導体集積回路装置。 - 前記絶縁膜が、さらに、前記組成物を拘束するバインダ樹脂を含む請求項1に記載の半導体集積回路装置。
- さらに、前記絶縁膜の上に、無機材料により形成された他の絶縁膜を有する請求項1または2に記載の半導体集積回路装置。
- 主表面上に複数の配線が形成された基板の該主表面の上に、籠状シロキサンからなるポリマを溶解した樹脂溶液を塗布する工程と、
前記基板を、前記籠状シロキサンからなるポリマの複数のSi−H構造の一部がSi−OH構造になる温度で熱処理する工程と、
前記基板を、前記籠状シロキサンからなるポリマのSi−OH構造部分同士を架橋させる工程と
を有し、前記熱処理する工程において、前記架橋させる工程後の架橋された前記籠状シロキサンからなるポリマの水素原子の含有量が、架橋前における水素原子の含有量の50〜80%となるように熱処理する半導体集積回路装置の製造方法。
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