JP3897908B2

JP3897908B2 - 低比誘電性絶縁膜の形成方法、層間絶縁膜及び半導体装置

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Publication number: JP3897908B2
Application number: JP16762898A
Authority: JP
Inventors: 正行飯島; 昌敏佐藤; 禎之浮島; 善和高橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-06-16
Also published as: JP2000003910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体装置の層間絶縁膜に用いられる低比誘電性絶縁膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の層間絶縁膜としては、回転塗布法によるＳＯＧ（Spin on Glass)膜やＣＶＤ法（化学蒸着法：Chemical Vapor Deposition）によるＳｉＯ₂膜が主に用いられている。これらの方法によって形成された層間絶縁膜の比誘電率は約４となるが、最近はＬＳＩの高集積化の進展により層間絶縁膜の低比誘電率化が大きな課題とされており、比誘電率が４以下の層間絶縁膜が要求されるようになっている。
【０００３】
このような要求に対しては、近年、プラズマＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ₂膜にフッ素を添加したＳiＯＦ膜が提案されており、この膜によれば層間絶縁膜の比誘電率を３.７〜３.２程度に抑えることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、半導体装置の配線材料として、銅（Ｃｕ）が注目されているが、上述した従来の層間絶縁膜を銅配線に用いた場合には、次のような問題があった。
すなわち、上述した層間絶縁膜の材料は、いずれも酸素原子（Ｏ）を多く含むため、配線材料である銅原子と接触した場合に界面で酸化銅が形成されやすく、その結果、銅が膜中に拡散して最悪の場合には隣接する配線にまで達して配線間で導通が起こることが知られている。
【０００５】
この問題を解決するため、従来、層間絶縁膜と銅配線との界面にいわゆる銅に対するバリア層を形成することが一般的に行われている。このようなバリア層としては、チタンナイトライド（ＴｉＮ）やチタンナイトライドとチタン（Ｔｉ）の複合膜等が知られている。
【０００６】
しかしながら、このチタンナイトライドは接触抵抗が大きく、しかも、パターンを形成した層間絶縁膜の側壁にも緻密な膜を形成する必要があるため技術的に困難な点が多いという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、銅に対して拡散しにくい特性を有し、特に半導体装置の層間絶縁膜に好適な低比誘電性絶縁膜の形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、蒸着重合によって形成されるポリイミド膜の中でも、イミド環以外の分子中に酸素原子を含まないモノマーを用いて作成したポリイミド膜が銅の拡散が起こりにくい性質を有することを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
かかる知見に基づいてなされた請求項１記載の発明は、銅配線と接触する部位に絶縁膜としてポリイミド膜を形成する方法であって、真空中で原料モノマーとしてジアミンモノマーと酸成分モノマーを蒸発させ、これらを基体上で蒸着重合させてポリイミド膜を形成する際に、上記原料モノマーとして、イミド環以外に酸素原子を含まないモノマーを用いることを特徴とする低比誘電性絶縁膜の形成方法である。
【００１０】
請求項１記載の発明の場合、原料モノマーとして、イミド環以外に酸素原子を含まないモノマーを用いて蒸着重合を行うことによって、イミド環以外の酸素と銅との反応がなく、拡散が起こりやすい酸化銅が形成されないため、ポリイミド膜中への銅の拡散が起こらなくなる。
【００１１】
この場合、ジアミンモノマーとしては、請求項２記載の発明のように、4,4′-ジアミノジフェニルメタン(ＭＤＡ)、4,4′-ビス(4-アミノフェノキシ)ビフェニル、1,4-ビス(４-アミノフェノキシ)ベンゼン、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン(ＢＡＰＰ)、3,3′-ジメチル-4,4′-ジアミノビフェニル(ＯＴＤ)、3,3′-ビス(トリフルオロメチル)-4,4′-ジアミノビフェニル、3,3′-ジメトキシ-4,4′-ジアミノビフェニル、2,2′-ビス(トリフルオロメチル)-4,4′-ジアミノビフェニル(ＴＦＤＢ）のいずれかを用いることができる。
【００１２】
一方、酸成分モノマーとしては、ピロメリト酸二無水物(ＰＭＤＡ)、2,2′-ビス(3,4-フェニルカルボキシル)-ヘキサフルオロプロパン二無水物(６ＦＤＡ)、4,4′-ビフタル酸二無水物、ナフタレン-1,4,5,8-テトラカルボン酸二無水物のいずれかを用いることができる。
【００１３】
これらのうちでも、ジアミンモノマーとしては、2,2′-ビス(トリフルオロメチル)-4,4′-ジアミノビフェニル(ＴＦＤＢ）が、また、酸成分モノマーとしては、ピロメリト酸二無水物(ＰＭＤＡ)が、ポリイミドにしたときの耐熱性の蒸気圧が近く、成膜しやすくて組成を合わせやすい点から好適に用いることができる。
【００１４】
なお、本発明においては、圧力が３×１０^-3Ｐａ程度の真空中で蒸着重合を行うことが好ましい。
【００１５】
また、本発明においては、基体上に蒸着膜を形成した後に、加熱処理を行うことが好ましい。すなわち、加熱処理を行うことによって、重合反応が完了するため、その耐熱性が向上する。
【００１６】
この場合、加熱処理の温度は４００℃程度とし、その時間は３０分程度とすることが好ましい。処理雰囲気は、大気、不活性ガス又は真空中のどちらでもよいが、膜の表面を水や酸素と反応させないためには、真空中が最も効果的である。
【００１７】
なお、半導体装置を作成する際には、上記加熱処理工程において、半導体装置の製造プロセスの最高温度以上に加熱すれば、その後のプロセスにおける高分子成分の分解を防ぐことができる。
【００１８】
一方、請求項３記載の発明は、半導体基体上に形成された金属配線層の間に請求項１又は２のいずれか１項記載の方法による低比誘電性絶縁膜が形成されていることを特徴とする層間絶縁膜である。
【００１９】
また、請求項４記載の発明は、半導体基体上に形成された金属配線層の間に請求項３記載の層間絶縁膜が形成され、前記金属配線層と前記層間絶縁膜とが直接接触していることを特徴とする半導体装置である。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、低比誘電率化した絶縁膜によって層間絶縁膜を構成しているので、金属配線層間で形成されるコンデンサーの容量が極めて小さくなることに加え、銅に対して拡散しにくい層間絶縁膜を得ることができる。
【００２１】
その結果、請求項４記載の発明のように、例えば、銅からなる金属配線層と層間絶縁膜とが直接接触している場合であっても、層間絶縁膜中への銅の拡散が起こらないので、バリア層としてＴｉＮ膜やＴｉＮとＴｉとの複合膜を形成する必要がなく、その結果、金属配線層間の接触抵抗を小さくすることができるとともに、半導体装置の製造プロセスの簡素化を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するための成膜装置の一例の概略構成を示すものである。
図１に示すように、この成膜装置１は、マルチチャンバー方式の枚葉式の装置であり、図示しない搬送ロボットが組み込まれているコア室２の周囲に、Ｓｉウェハー等の基板（基体）８の出し入れを行うためのＬ／ＵＬ（ロード／アンロード）室３と、蒸着重合を行うための第１の処理室４と、加熱処理を行うための第２の処理室５と、銅等のスパッタリングを行うための第３の処理室６とが配設され、これらはすべて図示しないゲートバルブを介して連結されている。
【００２３】
また、これらコア室２、Ｌ／ＵＬ室３、第１〜第３の処理室４〜６は、図示しない真空ポンプ等を有する真空排気系に連結されている。さらに、基板８は、コア室２内に配置されるロボットによってＬ／ＵＬ室３から第１〜第３の処理室４〜６へを自由に搬送できるようになっている。
【００２４】
図２は、図１に示す成膜装置１の第１の処理室４の概略構成を示すものである。
図２に示すように、第１の処理室４の上方には、２種類の原料モノマーＡ、Ｂの蒸発源４０Ａ、４０Ｂが導入管４１Ａ、４１Ｂを介して接続されている。各蒸発源４０Ａ、４０Ｂのハウジング４２Ａ、４２Ｂには、それぞれ蒸発用容器４３Ａ、４３Ｂが設けられる。そして、蒸発用容器４３Ａ、４３Ｂの内部には、ポリイミド膜を形成するための原料モノマーＡ、Ｂとして、イミド環以外に酸素原子を含まないジアミンモノマーと酸成分モノマーとがそれぞれ注入されている。
【００２５】
ここで、イミド環以外に酸素原子を含まないジアミンモノマーとしては、例えば、3,3′-ジメチル-4,4′-ジアミノビフェニル（ＯＴＤ）、2,2′-ビス(トリフルオロメチル)-4,4′-ジアミノビフェニル(ＴＦＤＢ）等が用いられる。
【００２６】
一方、イミド環以外に酸素原子を含まない酸成分モノマーとしては、例えば、ピロメリト酸二無水物（ＰＭＤＡ）、2,2′-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物(６ＦＤＡ)等が用いられる。
【００２７】
さらに、各蒸発用容器４３Ａ、４３Ｂの近傍には、各原料モノマーＡ、Ｂを加熱するためのヒーター４４Ａ、４４Ｂが設けられる。
【００２８】
一方、各導入管４１Ａ、４１Ｂの周囲にはヒーター４９が巻き付けられ、これによって原料モノマーＡ、Ｂの温度を制御できるように構成されている。また、各導入管４１Ａ、４１Ｂの途中には、各原料モノマーＡ、Ｂの供給量を調整するためのバルブ４５Ａ、４５Ｂが設けられ、これらを開閉することにより、蒸着重合膜の形成時に膜厚を制御できるようになっている。
【００２９】
図２に示すように、基板８は、第１の処理室４内の下部の基板８を加熱又は冷却するための加熱冷却手段４６の上に支持される。この加熱冷却手段４６は、図示しない冷媒の循環によって２０℃程度の温度に保持されるように構成されている。
【００３０】
そして、第１の処理室４の上部には、下方に向って広がるように形成された混合槽４７が設けられている。この混合槽４７の内壁には、原料モノマーＡ、Ｂの蒸気を加熱するためのヒーター４８が設けられている。
【００３１】
図３（ａ）は、図１の成膜装置１の第２の処理室５の概略構成を示すものである。
図３（ａ）に示すように、第２の処理室５内には、基板８を加熱又は冷却するための加熱冷却手段５０が設けられている。この加熱冷却手段５０は、基板８の温度を半導体装置の製造時の温度より広い範囲（２０〜５００℃）に制御できるように構成されている。
【００３２】
図３（ｂ）は、図１の成膜装置１の第３の処理室６の概略構成を示すものである。
図３（ｂ）に示すように、第３の処理室６には、直流二極方式のスパッタリング装置が設けられる。すなわち、第３の処理室６の上部に、直流電源６０に接続された電極６１が配設され、この電極６１にスパッタリングターゲット６２として例えば銅ターゲットが保持されている。そして、処理すべき基板８は、第３の処理室６の下部において加熱冷却手段６３によって支持されている。
また、この第３の処理室６内には、導入管６４を介して例えばアルゴンガス（Ａｒ）等の不活性ガスが導入されるようになっている。
【００３３】
このような構成を有する成膜装置１を用いて絶縁膜を形成するには、まず、基板８をＬ／ＵＬ室３から第１の処理室４内に搬送し、各バルブ４５Ａ、４５Ｂを開いて原料モノマーＡ、Ｂを第１の処理室４内に導入し、蒸着重合によって基板８上にポリアミド酸膜を形成する。
【００３４】
この場合、まず、各バルブ４５Ａ、４５Ｂを閉じた状態で第１の処理室４内の圧力を３×１０^-3Ｐａ程度の高真空に設定し、ヒーター４４Ａ、４４Ｂによって各原料モノマーＡ、Ｂを所定の温度に加熱する。
【００３５】
そして、各原料モノマーＡ、Ｂが所定の温度に達して所要の蒸発量が得られた後に、各バルブ４５Ａ、４５Ｂを開き、所定の蒸発速度で各原料モノマーＡ、Ｂを上方から基板８上に蒸着、堆積させ、ポリアミド酸膜を形成した後に各バルブ４５Ａ、４５Ｂを閉じる。この場合、原料モノマーＡ、Ｂの蒸発速度は、化学量論比で１：１となるように制御する。また、加熱冷却手段４６によって基板８の温度を所定の温度（３０℃程度）に制御する。
【００３６】
その後、第２の処理室５において、基板８上のポリアミド酸膜に対し、加熱冷却手段５０を用いて４００℃程度まで加熱し、その状態を３０分間程度保持するようにする。また、この加熱処理は例えば真空中で行う。
【００３７】
なお、必要に応じ、第３の処理室６に基板８を搬送し、スパッタリングによって基板８上に銅電極を形成する。
【００３８】
以上述べたように本実施の形態によれば、銅の拡散が起こらない安定した特性を有する低比誘電率のポリイミド膜を簡易な工程で得ることができる。
【００３９】
図４(ａ)〜(ｆ)は、本発明を用いて半導体装置を作成する工程の一例を示すものである。
まず、図４(ａ)に示すように、例えばシリコン(Ｓｉ)からなる半導体基板２１と、この半導体基板２１の表面に形成され所定の位置に窓開けがされたシリコン熱酸化膜２２と、その上に成膜されパターニングが施された第１層目の銅配線（金属配線層）２３とを有する基板３１を用意する。
【００４０】
この基板３１を所定の温度に加熱しつつ、上述した蒸着重合法により、基板３１の表面にポリアミド酸膜２４Ａを所望の厚みに全面成膜する(図４(ｂ))。
【００４１】
さらに、上述の条件で加熱処理（イミド化処理）を行い、耐熱性の高いポリイミドからなる層間絶縁膜２４を形成する(図４(ｃ))。
【００４２】
次いで、その層間絶縁膜２４の表面に対し、レジストプロセスにより所定のパターニングが施されたレジスト膜２５を形成し(図４(ｄ))、ドライエッチングを行うことにより、レジスト膜２５の窓開け部分２５ａに露出した層間絶縁膜２４ａを除去する(図４(ｄ)(ｅ))。そして、上述のレジスト膜２５を除去した後、配線薄膜を全面成膜し、パターニングを施して第２層目の銅配線（金属配線層）２６を形成する。
【００４３】
これにより、層間絶縁膜２４が除去された窓開け部分２７において第１層目の銅配線２３と第２層目の銅配線２６とが電気的に接続され、多層配線を有する半導体装置３５を得ることができる(図４(ｆ))。
【００４４】
本実施の形態によれば、低比誘電率化したポリイミド膜によって層間絶縁膜２４を構成しているので、第１層目の銅配線２３と第２層目の銅配線２６との間で形成されるコンデンサーの容量が非常に小さくなり、半導体装置３５の動作速度を大幅に向上させることができる。
【００４５】
また、本実施の形態によれば、銅の拡散が起こらない安定した層間絶縁膜２４を有する半導体装置３５を真空中のプロセスのみによる簡易な工程で得ることができる。
【００４６】
特に本実施の形態によれば、第１及び第２の銅配線２３、２６と層間絶縁膜２４とが直接接触している場合であっても、層間絶縁膜２４中への銅の拡散が起こらないので、バリア層としてＴｉＮ膜やＴｉＮとＴｉとの複合膜を形成する必要がなく、その結果、第１及び第２の銅配線２３、２６間の接触抵抗を小さくすることができるとともに、半導体装置３５の製造プロセスの簡素化を図ることができる。
【００４７】
なお、本発明は半導体装置の層間絶縁膜のみならず、種々の絶縁膜に適用することができる。ただし、本発明は半導体装置の層間絶縁膜に適用した場合により効果的となるものである。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例を比較例とともに詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１〜図３（ａ）（ｂ）に示す成膜装置１を用いて基板８上に比誘電率測定用の素子を作成した。
【００４９】
まず、６インチサイズで導電率が１(Ω・ｃｍ)のシリコン（Ｓｉ）からなる基板８を第１の処理室４内に搬入し、蒸着重合によって上記基板８上にポリアミド酸膜を形成する。
【００５０】
ここで、原料モノマーＡ、Ｂとしては、ＯＴＤとＰＭＤＡを用い、高真空中（３×１０^-3Ｐａ）においてＯＴＤは１２２.０＋０.１℃、ＰＭＤＡについては１２３.０＋０.１℃の温度で同時に蒸発させ、各原料モノマーＡ、Ｂの蒸発速度を制御した。
【００５１】
この場合、ＯＴＤとＰＭＤＡの組成比は、膜中での化学量論比で１：１となるように制御した。また、基板８の温度は３０℃に保持した。
【００５２】
このようにしてポリアミド酸膜を作成した後、基板８を第２の処理室５内に搬入し、ポリアミド酸膜に対して４００℃、３０分の加熱処理（イミド化処理）を行った。この時点におけるポリイミド膜の厚みは２００ｎｍであった。
【００５３】
このような加熱処理を行った後、基板８を第３の処理室６内に搬入し、ゲートバルブを閉じておき、基板８の温度を２０℃に保ち、スパッタリング中の第３の処理室６内の圧力はアルゴンガス（Ａｒ）を導入して３×１０^-３Ｐａとし、スパッタリングによって上記ポリイミド膜上に厚さ１０ｎｍの銅電極を形成し、比誘電率測定用の素子を作成した。
【００５４】
この素子について温度４５０℃、６０分の条件でアニール処理を行った後、目視で観察したところ、外見上の変化は認められなかった。
また、この素子について二次イオン質量分析計による深さ分析を行ったところ、ポリイミド膜中に銅は検出されなかった。
【００５５】
一方、アニール処理後の素子は絶縁破壊も認められず、この素子についてアニール処理の前後において比誘電率を測定したところ、ともに３.１であった。
この場合、比誘電率の値は、横河ヒューレットパッカード社製のマルチ・フリケンシＬＣＲメータ（モデル４２７５Ａ）を使用して静電容量を測定し、計算によって求めた。
【００５６】
＜比較例＞
ポリイミド膜の原料モノマー（ジアミンモノマー）Ａとして、4,4′-ジアミノジフェニルエーテル(ＯＤＡ)を用い、このＯＤＡを１２２.０℃の温度で蒸発させた他は、実施例１と同様の条件で比誘電率測定用の素子を作成した。
【００５７】
この素子について実施例１と同様の条件でアニール処理を行ったところ、ポリイミド膜の上下の電極間で導通が発生し、ポリイミド膜中に銅が拡散していることが認められた。
【００５８】
＜実施例２＞
ポリイミド膜の原料モノマーＡ、Ｂとして、６ＦＤＡとＴＦＤＢを用い、６ＦＤＡは１６７.０＋０.１℃、ＴＦＤＢについては１６３.０＋０.１℃の温度で蒸発させた他は、実施例１と同様の条件で比誘電率測定用の素子を作成した。
【００５９】
この素子について実施例１と同様の条件でアニール処理を行った後に目視で観察したところ、外見上の変化は認められず、また、この素子について二次イオン質量分析計による深さ分析を行ったところ、ポリイミド膜中に銅は検出されなかった。
【００６０】
実施例２の素子についても、アニール処理後の絶縁破壊は認められなかった。また、実施例１と同様の条件でアニール処理の前後における比誘電率を測定したところ、ともに２.８であった。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、銅配線と層間絶縁膜とが直接接触している場合であっても、層間絶縁膜中への銅の拡散が起こらないので、バリア層としてＴｉＮ膜やＴｉＮとＴｉとの複合膜を形成する必要がなく、その結果、金属配線層間の接触抵抗を小さくすることができるとともに、半導体装置の製造プロセスの簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための成膜装置の一例の概略構成図
【図２】図１の成膜装置における第１の処理室の概略構成図
【図３】(ａ)：図１の成膜装置における第２の処理室の概略構成図
(ｂ)：図１の成膜装置における第３の処理室の概略構成図
【図４】(ａ)〜(ｆ)：本発明を用いて半導体装置を作成する工程の一例を示す工程図
【符号の説明】
１…成膜装置２…コア室３…Ｌ／ＵＬ室４…第１の処理室５…第２の処理室６…第３の処理室８…基板（基体）２１…半導体基板２２…シリコン熱酸化膜２３…第１層目の銅配線２４Ａ…ポリアミド酸膜２４…層間絶縁膜２５…レジスト膜２６…第２層目の配線２８…第２層目の配線３１…基板３５…半導体装置Ａ、Ｂ…原料モノマー

Claims

銅配線と接触する部位に絶縁膜としてポリイミド膜を形成する方法であって、
真空中で原料モノマーとしてジアミンモノマーと酸成分モノマーを蒸発させ、これらを基体上で蒸着重合させて上記ポリイミド膜を形成する際に、上記原料モノマーとして、イミド環以外に酸素原子を含まないモノマーを用いることを特徴とする低比誘電性絶縁膜の形成方法。
ジアミンモノマーとして、4,4′-ジアミノジフェニルメタン、4,4′-ビス(4-アミノフェノキシ)ビフェニル、1,4-ビス(４-アミノフェノキシ)ベンゼン、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、3,3′-ジメチル-4,4′-ジアミノビフェニル、3,3′-ビス(トリフルオロメチル)-4,4′-ジアミノビフェニル、3,3′-ジメトキシ-4,4′-ジアミノビフェニル、3,3′-ビス(トリフルオロメチル)-4,4′-ジアミノビフェニルのいずれかと、
酸成分モノマーとして、ピロメリト酸二無水物、2,2′-ビス(3,4-フェニルカルボキシル)-ヘキサフルオロプロパン二無水物、4,4′-ビフタル酸二無水物、ナフタレン-1,4,5,8-テトラカルボン酸二無水物のいずれかを用いることを特徴とする請求項１記載の低比誘電性絶縁膜の形成方法。
半導体基体上に形成された金属配線層の間に請求項１又は２のいずれか１項記載の方法による低比誘電性絶縁膜が形成されていることを特徴とする層間絶縁膜。
半導体基体上に形成された金属配線層の間に請求項３記載の層間絶縁膜が形成され、
前記金属配線層と前記層間絶縁膜とが直接接触していることを特徴とする半導体装置。