JP4263053B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、ダマシン構造を有する多層配線構造の半導体装置の製造方法に関し、特に、CMP工程に耐える十分な機械的強度を維持しつつ、配線容量を効果的に低減することが出来る半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device with a multilayer wiring structure having a damascene structure, in particular, while maintaining sufficient mechanical strength to withstand the CMP process, the production of effective semiconductor device that can be reduced wiring capacitance Regarding the method .
近年、半導体装置の高性能化及び回路規模の増大化の要求に対応するため、配線の高密度化及び多層化が求められている。この配線の高密度化及び多層化を実現する技術として、絶縁膜に形成されたビアホールや配線溝内に導電性材料を埋め込んで金属配線を形成する、いわゆるダマシン法が実用化されている。 In recent years, in order to meet the demand for higher performance of a semiconductor device and an increase in circuit scale, higher wiring density and multilayering are required. As a technique for realizing high-density and multi-layered wiring, a so-called damascene method in which a conductive material is embedded in a via hole or wiring groove formed in an insulating film to form a metal wiring has been put into practical use.
ところが、配線の高密度化及び多層化に伴って、隣接する金属配線それぞれを流れる信号の相互作用に起因する電気信号の遅延、つまりRC遅延が発生し、これに伴う半導体装置の動作速度の低下及び消費電力の増大の問題が無視できなくなってきている。そこで、配線抵抗及び配線間容量を低減してRC遅延を抑制するべく、様々な検討がなされている。 However, as the wiring density increases and the number of layers increases, an electrical signal delay caused by the interaction of signals flowing through adjacent metal wirings, that is, an RC delay occurs, resulting in a decrease in the operating speed of the semiconductor device. In addition, the problem of increased power consumption cannot be ignored. Therefore, various studies have been made to reduce the wiring resistance and the capacitance between the wirings to suppress the RC delay.
配線抵抗を低減するために、配線材料として従来のアルミニウムに代えて、抵抗値の小さなCuを用いる技術が実用化されている。また、配線間容量を低減するために、配線を収容する配線溝が形成された絶縁膜(配線層間絶縁膜)の材料に比誘電率の小さな材料を適用することが試みられており、従来から配線層間絶縁膜として用いられていたシリコン酸化膜(比誘電率k:4.0〜4.5)に代えて、比誘電率kがシリコン酸化膜より小さな絶縁膜(low-k膜)の適用が検討されている。この場合、配線間容量の有効な低減のためには、配線層間絶縁膜の比誘電率kを例えば3.0以下に低減することが望ましい。 In order to reduce the wiring resistance, a technique using Cu having a small resistance value in place of conventional aluminum as a wiring material has been put into practical use. In addition, in order to reduce the inter-wiring capacity, it has been attempted to apply a material having a low relative dielectric constant to the material of the insulating film (wiring interlayer insulating film) in which the wiring groove that accommodates the wiring is formed. Instead of the silicon oxide film (relative dielectric constant k: 4.0 to 4.5) used as the wiring interlayer insulating film, an insulating film (low-k film) having a relative dielectric constant k smaller than that of the silicon oxide film is applied. Is being considered. In this case, in order to effectively reduce the capacitance between the wirings, it is desirable to reduce the relative dielectric constant k of the wiring interlayer insulating film to, for example, 3.0 or less.
水素化シスセスキオキサンやメチルシスセスキオキサンに代表される、シルセスキオサン系の材料は、比誘電率kが3.0以下の小さな比誘電率を有し、配線層間絶縁膜の材料として注目されている。また、ポリアリルエーテルなどの有機系絶縁膜には、更に、比誘電率kが2.7以下という極めて小さな比誘電率を有するものがある。しかし、有機系絶縁膜は、一般的に機械的強度が非常に低いので、配線層間絶縁膜に適用した場合、CMP等の工程に際して配線層に損傷が生じる恐れがある。 Silsesquiosan-based materials, such as hydrogenated cissesquioxane and methyl cissesquioxane, have a small relative dielectric constant of a relative dielectric constant k of 3.0 or less, and are attracting attention as materials for wiring interlayer insulation films. ing. Further, some organic insulating films such as polyallyl ether have a very small relative dielectric constant of a relative dielectric constant k of 2.7 or less. However, since the organic insulating film generally has a very low mechanical strength, when applied to a wiring interlayer insulating film, the wiring layer may be damaged during a process such as CMP.
図7に、特許文献1に記載された従来の多層配線構造の半導体装置を示す。半導体装置30は、デュアルダマシン構造を有する半導体装置であって、シリコン基板31上に形成されたMOSトランジスタ等の素子上に順次に積層された、シリコン酸化膜から成る第1の配線層間絶縁膜、シリコン窒化膜から成る保護膜33、メチルシルセスキオキサンから成るビア層間絶縁膜34、シリコン酸化膜から成るエッチストッパ膜35、比誘電率k=2.7のポリアリルエーテルから成る絶縁膜(第2の配線層間絶縁膜)36を備える。なお、第2の配線層間絶縁膜36上には、半導体装置30の製造工程においてCMP法による研磨工程の際にハードマスクとして形成された酸化シリコン膜37がそのまま残されている。
FIG. 7 shows a conventional semiconductor device having a multilayer wiring structure described in Patent Document 1. In FIG. The
第1の配線層間絶縁膜中には下層配線38が、保護膜33、ビア層間絶縁膜34、及びエッチストッパ35中にはビアプラグ39が、第2の配線層間絶縁膜中には上層配線40が、それぞれ埋め込まれている。ビアプラグ39と上層配線40とは同一の工程で埋め込まれており、下層配線38、ビアプラグ39、及び上層配線40は何れもCuで構成されている。
A
上記特許文献によれば、上層配線を埋め込む第2の配線層間絶縁膜を低い比誘電率を有する有機系絶縁膜で形成し、これを高い機械的強度を有する酸化シリコン膜で保護することにより、高い機械的強度を有する半導体装置を得ている。
上記特許文献記載の半導体装置では、上記のように、配線層間絶縁膜を低い比誘電率を有する有機系絶縁膜で形成し、これを酸化シリコン膜で保護することによって、配線間容量を低減させている。しかし、この構造では、機械的強度を得るために設けられた酸化シリコン膜が高い比誘電率を有するので、配線間容量の低減が不十分であるという問題があった。 In the semiconductor device described in the patent document, as described above, the wiring interlayer insulating film is formed of an organic insulating film having a low relative dielectric constant, and this is protected with a silicon oxide film, thereby reducing the capacitance between the wirings. ing. However, in this structure, the silicon oxide film provided for obtaining the mechanical strength has a high relative dielectric constant, so that there is a problem that the inter-wiring capacitance is not sufficiently reduced.
本発明は、上記に鑑み、ダマシン構造を有する多層配線構造の半導体装置の製造方法であって、CMP工程に耐える十分な機械的強度を維持しつつ、配線容量を効果的に低減することが出来る半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure having a damascene structure, and can effectively reduce wiring capacity while maintaining sufficient mechanical strength to withstand a CMP process. An object is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、金属配線を収容する収容溝がそれぞれ形成された複数の配線層間絶縁膜と、隣接する2つの前記配線層間絶縁膜に挟まれてビアプラグを収容するビア層間絶縁膜とを備える多層配線構造の半導体装置において、
前記配線層間絶縁膜及びビア層間絶縁膜の内少なくとも1つの絶縁膜が、有機系絶縁膜と、該有機系絶縁膜上に形成され、水素基又はアルキル基を側鎖として有するシロキサンを主成分とするポリマー、又は、水素基又はアルキル基を側鎖として有するシルセスキオキサンを主成分とするポリマーで形成される絶縁膜(以下、低誘電率無機系絶縁膜と呼ぶ)とを備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a plurality of wiring interlayer insulating films each having a receiving groove for storing a metal wiring, and via plugs sandwiched between two adjacent wiring interlayer insulating films. In a semiconductor device having a multilayer wiring structure including a via interlayer insulating film to be accommodated,
At least one of the wiring interlayer insulating film and the via interlayer insulating film includes an organic insulating film and a siloxane having a hydrogen group or an alkyl group as a side chain as a main component formed on the organic insulating film. Or an insulating film (hereinafter referred to as a low dielectric constant inorganic insulating film) formed of a polymer mainly composed of silsesquioxane having a hydrogen group or an alkyl group as a side chain. It is said.
本発明に係る半導体装置では、前記配線層間絶縁膜及びビア層間絶縁膜の内少なくとも1つの絶縁膜が、有機系絶縁膜と、該有機系絶縁膜上に形成され、本発明で定義される低誘電率無機系絶縁膜とを備えることにより、この配線層間絶縁膜又はビア層間絶縁膜の低誘電率無機系絶縁膜が、CMP工程に耐える十分な機械的強度を維持することができる。また、有機系絶縁膜と低い比誘電率を有する低誘電率無機系絶縁膜とにより、配線間容量を効果的に低減し、電気信号のRC遅延を抑制することができる。更に、有機系絶縁膜が低誘電率無機系絶縁膜との間で良好な密着性を有するので、層間剥がれを抑制し、半導体装置の機械的強度を更に高めることができる。 In the semiconductor device according to the present invention, at least one insulating film of the wiring interlayer insulating film and the via interlayer insulating film is formed on the organic insulating film and the organic insulating film, and is defined by the present invention. By providing the dielectric constant inorganic insulating film, the low dielectric constant inorganic insulating film of the wiring interlayer insulating film or via interlayer insulating film can maintain sufficient mechanical strength to withstand the CMP process. Further, the organic insulating film and the low dielectric constant inorganic insulating film having a low relative dielectric constant can effectively reduce the interwiring capacitance and suppress the RC delay of the electric signal. Furthermore, since the organic insulating film has good adhesion to the low dielectric constant inorganic insulating film, it is possible to suppress interlayer peeling and further increase the mechanical strength of the semiconductor device.
更に、配線層間絶縁膜又はビア層間絶縁膜の下部が有機系絶縁膜で構成されることにより、この配線層間絶縁膜又はビア層間絶縁膜の下側に隣接する無機系絶縁膜やエッチストッパ膜との間で高いエッチ選択比を得ることができる。従って、配線溝又はビアホールの形成の際のエッチストップ性を高めて、良好な配線又はビアプラグの形状を得ることが出来る。 Further, the lower part of the wiring interlayer insulating film or via interlayer insulating film is composed of an organic insulating film, so that an inorganic insulating film and an etch stopper film adjacent to the lower side of the wiring interlayer insulating film or via interlayer insulating film High etch selectivity can be obtained. Accordingly, it is possible to improve the etch stop property at the time of forming the wiring trench or the via hole and obtain a favorable wiring or via plug shape.
低誘電率無機系絶縁膜の例として、水素化シルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)、メチルシルセスキオキサン(MSQ:Methyl Silsesquioxane)、水素化メチルシルセスキオキサン(HMSQ:Hydrogen Methyl Silsesquioxane)、又は、これらのうちの複数種を適当な比率で重合したものを挙げることができる。低誘電率無機系絶縁膜の内で側鎖にアルキル基を有する材料は、本発明で有機無機ハイブリッド膜とも呼ぶ。 Examples of low dielectric constant inorganic insulating films include hydrogen silsesquioxane (HSQ), methyl silsesquioxane (MSQ), methyl silsesquioxane (HMSQ). Or what polymerized several types of these in a suitable ratio can be mentioned. The material having an alkyl group in the side chain in the low dielectric constant inorganic insulating film is also referred to as an organic-inorganic hybrid film in the present invention.
低誘電率無機系絶縁膜は、塗布法などを用いて形成することができる。低誘電率無機系絶縁膜の膜厚は、100nm以上200nm以下であることが望ましい。低誘電率無機系絶縁膜の膜厚が100nm未満であるとCMP工程に耐える機械的強度が不足し、200nmを越えると配線間容量が増大するからである。また、低誘電率無機系絶縁膜の膜厚は、CMP工程に耐える十分な機械的強度を維持するために、有機系絶縁膜の膜厚と同じか、又はそれ以上の値に設定することが望ましい。 The low dielectric constant inorganic insulating film can be formed by a coating method or the like. The film thickness of the low dielectric constant inorganic insulating film is desirably 100 nm or more and 200 nm or less. This is because if the thickness of the low dielectric constant inorganic insulating film is less than 100 nm, the mechanical strength that can withstand the CMP process is insufficient, and if it exceeds 200 nm, the capacitance between wirings increases. In addition, the film thickness of the low dielectric constant inorganic insulating film may be set to a value equal to or greater than the film thickness of the organic insulating film in order to maintain sufficient mechanical strength to withstand the CMP process. desirable.
本発明の好適な実施態様では、前記有機系絶縁膜が芳香族を主成分とするポリマーで形成される。低誘電率有機系絶縁膜は、k=2.0〜2.5という極めて低い比誘電率を有するので、本発明の有機系絶縁膜として好適に適用できる。低誘電率有機系絶縁膜の例として、ポリアリルエーテルを挙げることができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the organic insulating film is formed of a polymer containing aromatic as a main component. Since the low dielectric constant organic insulating film has a very low relative dielectric constant of k = 2.0 to 2.5, it can be suitably applied as the organic insulating film of the present invention. An example of the low dielectric constant organic insulating film is polyallyl ether.
本発明の好適な実施態様では、配線層間絶縁膜が前記有機系絶縁膜及び低誘電率無機系絶縁膜を備えており、該配線層間絶縁膜の下側に隣接するビア層間絶縁膜が無機系絶縁膜である。これにより、配線層間絶縁膜に配線溝を形成する際の、良好なエッチストップ性を得ることができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the wiring interlayer insulating film includes the organic insulating film and the low dielectric constant inorganic insulating film, and the via interlayer insulating film adjacent to the lower side of the wiring interlayer insulating film is inorganic. It is an insulating film. Thereby, it is possible to obtain a good etch stop property when forming a wiring groove in the wiring interlayer insulating film.
本発明の好適な実施態様では、配線層間絶縁膜が前記有機系絶縁膜及び低誘電率無機系絶縁膜を備えており、該配線層間絶縁膜の下側に隣接するビア層間絶縁膜が、第1絶縁膜及び該第1絶縁膜上に形成された第2絶縁膜を備え、前記第2絶縁膜と前記有機系絶縁膜との間のエッチ選択比が前記第1絶縁膜と前記有機系絶縁膜との間のエッチ選択比よりも高い材料で形成される。これにより、本発明の半導体装置の製造に際して、第2絶縁膜の上面でエッチングをより確実に停止させることができるので、より良好な形状を有する配線溝を得ることができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the wiring interlayer insulating film includes the organic insulating film and the low dielectric constant inorganic insulating film, and the via interlayer insulating film adjacent to the lower side of the wiring interlayer insulating film includes A first insulating film and a second insulating film formed on the first insulating film, wherein an etch selectivity between the second insulating film and the organic insulating film is the first insulating film and the organic insulating film; It is formed of a material having a higher etch selectivity with respect to the film. Thereby, when manufacturing the semiconductor device of the present invention, the etching can be stopped more reliably on the upper surface of the second insulating film, so that a wiring groove having a better shape can be obtained.
本発明に係る半導体装置によれば、配線層間絶縁膜及びビア層間絶縁膜の内少なくとも1つの絶縁膜が、有機系絶縁膜と、該有機系絶縁膜上に形成され、本発明で定義される低誘電率無機系絶縁膜とを備えることにより、この配線層間絶縁膜又はビア層間絶縁膜の低誘電率無機系絶縁膜が、CMP工程に耐える十分な機械的強度を維持することができる。また、有機系絶縁膜と低い比誘電率を有する低誘電率無機系絶縁膜とにより、配線間容量を効果的に低減し、電気信号のRC遅延を抑制することができる。更に、有機系絶縁膜が低誘電率無機系絶縁膜との間で良好な密着性を有するので、層間剥がれを抑制し、半導体装置の機械的強度を更に高めることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, at least one of the wiring interlayer insulating film and the via interlayer insulating film is formed on the organic insulating film and the organic insulating film, and is defined by the present invention. By providing the low dielectric constant inorganic insulating film, the low dielectric constant inorganic insulating film of the wiring interlayer insulating film or via interlayer insulating film can maintain sufficient mechanical strength to withstand the CMP process. Further, the organic insulating film and the low dielectric constant inorganic insulating film having a low relative dielectric constant can effectively reduce the interwiring capacitance and suppress the RC delay of the electric signal. Furthermore, since the organic insulating film has good adhesion to the low dielectric constant inorganic insulating film, it is possible to suppress interlayer peeling and further increase the mechanical strength of the semiconductor device.
更に、上記配線層間絶縁膜又はビア層間絶縁膜の下部が有機系絶縁膜で構成されることにより、上記配線層間絶縁膜又はビア層間絶縁膜の下側に隣接する無機系絶縁膜やエッチストッパ膜との間で高いエッチ選択比を得ることができる。従って、配線溝又はビアホールの形成の際のエッチストップ性を高めて、良好な配線又はビアプラグの形状を得ることが出来る。 Further, the lower part of the wiring interlayer insulating film or via interlayer insulating film is composed of an organic insulating film, so that an inorganic insulating film or an etch stopper film adjacent to the lower side of the wiring interlayer insulating film or via interlayer insulating film is formed. High etch selectivity can be obtained. Accordingly, it is possible to improve the etch stop property at the time of forming the wiring trench or the via hole and obtain a favorable wiring or via plug shape.
以下、図面を参照し、本発明に係る実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態例に係る多層配線構造の半導体装置の構成を示す断面図である。多層配線構造とは、2層以上の配線層を積層して形成した構造である。半導体装置100は、デュアルダマシン構造を有する半導体装置であり、シリコン基板10上に形成されたMOSトランジスタ等の素子上に順次に積層された、第1の配線層間絶縁膜12、キャップ層13、ビア層間絶縁膜14、第2の配線層間絶縁膜を構成する芳香族系有機ポリマー膜15及びメチルシルセスキオキサン膜16を備える。
Hereinafter, with reference to the drawings, the present invention will be described in more detail based on exemplary embodiments according to the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device having a multilayer wiring structure according to a first embodiment of the present invention. The multilayer wiring structure is a structure formed by laminating two or more wiring layers. The
芳香族系有機ポリマー膜15は、膜厚が100nm〜200nm程度に形成され、また、メチルシルセスキオキサン膜16は、膜厚が100nm〜200nm程度に形成される。ここで、メチルシルセスキオキサン膜16は、CMP工程に耐える十分な機械的強度を維持するために、芳香族系有機ポリマー膜15と同じか又はこれより大きな膜厚に設定するのが好ましい。キャップ層13は、膜厚が50nm程度のSiCN膜又はSiC膜から成る。ビア層間絶縁膜14は、膜厚が150nm〜300nmの、低誘電率無機系絶縁膜及びSiO2膜などの無機系絶縁膜から成る。
The aromatic
第1の配線層間絶縁膜12には、下層配線溝11が形成され、この下層配線溝11には、Cuから成る下層配線11aが埋め込まれている。第2の配線層間絶縁膜15、16には、上層配線溝22が形成され、上層配線溝22には、Cuから成る上層配線24aが埋め込まれている。キャップ層13及びビア層間絶縁膜14には、内径が80nm〜200nm程度のビアホール23が形成され、ビアホール23には、Cuから成るビアプラグ24bが埋め込まれている。ビアプラグ24bは、上層の配線層24aと下層の配線層11aとを接続している。ビアプラグ24bと上層配線24aとは同一の工程で形成される。
A
図2(a)〜(d)、図3(e)〜(h)は、本実施形態例に係る半導体装置の製造方法を段階的に示す断面図である。以下、本実施形態例に係る半導体装置100を、デュアルハードマスクを用いて製造する例について説明する。まず、シリコン基板10上に、MOSトランジスタ等の素子を形成し、次いで、その上に、下層配線溝11が形成された第1の配線層間絶縁膜12を形成する。下層配線溝11は、下層配線11aを収容する。
2A to 2D and FIGS. 3E to 3H are cross-sectional views showing the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment step by step. Hereinafter, an example in which the
次いで、キャップ層13、ビア層間絶縁膜14、芳香族系有機ポリマー膜15及びメチルシルセスキオキサン膜16から成る2層構造の第2の配線層間絶縁膜、第1のハードマスク形成層17a、並びに、第2のハードマスク形成層18aを順次に形成する(図2(a))。第1のハードマスク形成層17a、及び、第2のハードマスク形成層18aは、相互に高いエッチ選択比を有する材料で形成され、例えば、SiO2膜及びSiN膜をそれぞれ用いることができる。
Next, a second wiring interlayer insulating film having a two-layer structure including a
次いで、図2(b)に示すように、第2のハードマスク形成層18a上にフォトレジストを塗布し、得られたフォトレジスト膜に上層配線パターンを露光、現像して転写し、第1のフォトレジストマスク19とする。続いて、第1のフォトレジストマスク19をマスクとして、第2のハードマスク形成層18aを選択的にエッチングし、上層配線パターンを有する第2のハードマスク18を形成し、次いで、第1のフォトレジストマスク19を除去する(図2(c))。
Next, as shown in FIG. 2B, a photoresist is applied onto the second hard
次に、図2(d)に示すように、第2のハードマスク18上に、有機BARC(Bottom Anti-Reflective Coating:下層反射防止膜、図示せず)を塗布し、この上にフォトレジストを塗布する。続いて、得られたフォトレジスト膜にビアパターンを露光、現像して転写し、第2のフォトレジストマスク20とし、これをマスクとして第1のハードマスク形成層17aを選択的にエッチングし、ビアパターンを有する第1のハードマスク17を形成する。これによって、第1のハードマスク17及び第2のハードマスク18からなるデュアルハードマスクを得る。
Next, as shown in FIG. 2D, an organic BARC (Bottom Anti-Reflective Coating: not shown) is applied on the second
次いで、図3(e)に示すように、第1のハードマスク17をマスクとして、メチルシルセスキオキサン膜16及び芳香族系有機ポリマー膜15を選択的にエッチングする。この際、エッチングガスとして、芳香族系有機ポリマー膜15のエッチングには、CHF3、CF4などのフルオロカーボン(Fluorocarbon)系のガスにAr、N2などを混合した混合ガス(以下、第1のエッチングガスと呼ぶ)を用い、メチルシルセスキオキサン膜16のエッチングには、H2、N2、O2、又はこれらの混合ガス(以下、第2のエッチングガスと呼ぶ)を用いる。第1のエッチングガスは低誘電率有機系絶縁膜をエッチングするエッチレートが200〜300nm/min程度であり、第2のエッチングガスは低誘電率無機系絶縁膜をエッチングするエッチレートが200〜300nm/min程度である。
Next, as shown in FIG. 3E, the
第1のエッチングガスは、低誘電率無機系絶縁膜を含む無機系絶縁膜をエッチングするエッチレートが50nm/min以下と小さく、また、第2のエッチングガスは、低誘電率有機系絶縁膜を含む有機系絶縁膜をエッチングするエッチレートが50nm/min以下と小さい。従って、それぞれのエッチングガスに対して無機系絶縁膜と有機系絶縁膜との間で高いエッチ選択比を得ることができる。このため、無機系絶縁膜で構成されるビア層間絶縁膜14の上面で精度良くエッチングを停止させることができる。続いて、第2のハードマスク18上に残存した第2のフォトレジストマスク20及びBARC膜を除去することにより、芳香族系有機ポリマー膜15及びメチルシルセスキオキサン膜16に、所定の径を有するビアホール形成孔21を形成することができる。
The first etching gas has a small etching rate of 50 nm / min or less for etching an inorganic insulating film including a low dielectric constant inorganic insulating film, and the second etching gas is a low dielectric constant organic insulating film. The etch rate for etching the organic insulating film is as low as 50 nm / min or less. Therefore, a high etching selectivity can be obtained between the inorganic insulating film and the organic insulating film with respect to each etching gas. For this reason, the etching can be accurately stopped on the upper surface of the via interlayer insulating
次に、図3(f)に示すように、第2のハードマスク18をマスクとして、第1のハードマスク17、メチルシルセスキオキサン膜16、及び芳香族系有機ポリマー膜15を選択的にエッチングすると共に、ビアホール形成孔21の断面形状に沿ってビア層間絶縁膜14及びキャップ層13を選択的にエッチングする。
Next, as shown in FIG. 3F, the first
選択エッチングに際して、芳香族系有機ポリマー膜15のエッチングには、第1のエッチングガスを用い、メチルシルセスキオキサン膜16及びビア層間絶縁膜14のエッチングには、第2のエッチングガスを用いる。これにより、ビアホール形成孔21の形成工程と同様に、それぞれのエッチングガスに対して低誘電率有機系絶縁膜とビア層間絶縁膜14との間で高いエッチ選択比を得ることができる。このため、ビア層間絶縁膜14の上面で正確にエッチングを停止させることができる。この選択エッチング工程によって、芳香族系有機ポリマー膜15及びメチルシルセスキオキサン膜16に上層配線溝22が、また、ビア層間絶縁膜14及びキャップ層13にビアホール23が形成される。
In the selective etching, the first etching gas is used for etching the aromatic
更に、図3(g)に示すように、全面にCuを堆積し、上層配線溝22及びビアホール23内にCuから成る配線材料24を埋め込む。引き続き、CMP(化学機械研磨)法により、第1のハードマスク17及び第2のハードマスク18を除去する。このCMP法による研磨は、メチルシルセスキオキサン膜16の上面に達するまで行う。これにより、図3(h)に示すように、上層配線溝22内に形成された上層配線24aと、この上層配線24aと下層配線20とを接続するビアプラグ24bとを有するデュアルダマシン構造の半導体装置100が得られる。
Further, as shown in FIG. 3G, Cu is deposited on the entire surface, and a
本実施形態例の半導体装置100によれば、芳香族系有機ポリマー膜15が低い比誘電率を有し、メチルシルセスキオキサン膜16が低い比誘電率及び高い機械的強度を有する。従って、メチルシルセスキオキサン膜16によって第2の配線層間絶縁膜全体として、CMP工程に耐える十分な機械的強度を維持しつつ、芳香族系有機ポリマー膜15及びメチルシルセスキオキサン膜16によって配線間容量を効果的に低減し、電気信号のRC遅延を抑制することができる。
According to the
本実施形態例の半導体装置100によれば、ビア層間絶縁膜14を構成する無機系絶縁膜と芳香族系有機ポリマー膜15との間で高いエッチ選択比が得られる。従って、ビア層間絶縁膜14と第2の配線層間絶縁膜との間に従来設けられていたエッチストッパ膜を省いても良好な配線形状が得られる。更に、芳香族系有機ポリマー膜15がメチルシルセスキオキサン膜16及びビア層間絶縁膜14を構成する無機系絶縁膜との間で良好な密着性を有するので、層間剥がれを防止し、半導体装置100の機械的強度を更に高めることができる。
According to the
図4は、本発明の第2実施形態例に係る半導体装置を示す断面図である。半導体装置101は、図1に示した第1実施形態例の半導体装置とは、ビア層間絶縁膜14と芳香族系有機ポリマー膜15との間に膜厚が50nm程度のエッチストッパ膜25が設けられていることを除いては、第1実施形態例の半導体装置と同様の構成を有している。エッチストッパ膜25としては、例えば、SiC膜、SiN膜、又は、SiO2膜が用いられる。
FIG. 4 is a sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The
本実施形態例の半導体装置101の製造方法は、第1実施形態例の半導体装置の製造方法と下記の点において異なる。まず、図2(a)に示した工程において、ビア層間絶縁膜14と芳香族系有機ポリマー膜15との間に、エッチストッパ膜25を介在させる。図3(e)に示した第1のハードマスク17を用いたエッチングでは、エッチストッパ膜25の上面でエッチングを停止させる。図3(f)に示した第2のハードマスク18を用いたエッチングでは、エッチストッパ膜25の上面で上層配線溝22を形成するエッチングを停止させる。
The manufacturing method of the
本実施形態例の半導体装置101では、ビア層間絶縁膜14と芳香族系有機ポリマー膜15との間に、エッチストッパ膜25を介在させることにより、エッチストッパ膜25と芳香族系有機ポリマー膜15との間では、ビア層間絶縁膜14と芳香族系有機ポリマー膜15との間よりも高いエッチ選択比が得られる。従って、エッチストッパ膜25の上面で更に精度良くエッチングを停止させることができるので、より良好な形状を有する上層配線溝22が形成できる。また、芳香族系有機ポリマー膜15がエッチストッパ膜25との間で良好な密着性を有するので、層間剥がれを防止し、良好な機械的強度を維持することができる。
In the
図5は、本発明の第3実施形態例に係る半導体装置を示す断面図である。本実施形態例の半導体装置102は、ビア層間絶縁膜が、膜厚が100〜200nmの芳香族系有機ポリマー膜26と、この上に形成された、膜厚が100〜200nmのメチルシルセスキオキサン層27とから構成され、キャップ層13の膜厚が20nm以下に形成されていることを除いては、第1実施形態例の半導体装置と同様の構成を有している。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. In the
本実施形態例の半導体装置102の製造方法は、第1実施形態例の半導体装置の製造方法と下記の点において異なる。まず、図2(a)に示した工程において、キャップ層13の膜厚を20nm以下に形成し、且つビア層間絶縁膜14に代えて、芳香族系有機ポリマー層26及びメチルシルセスキオキサン層27を形成する。図3(f)に示した工程において、第2の配線層間絶縁膜におけるメチルシルセスキオキサン層16及びビア層間絶縁膜におけるメチルシルセスキオキサン層27のエッチングには、第1のエッチングガスを用いて、これらのエッチングを同時に行う。また、第2の配線層間絶縁膜における芳香族系有機ポリマー層15及びビア層間絶縁膜における芳香族系有機ポリマー層26のエッチングには、第2のエッチングガスを用いて、これらのエッチングを同時に行う。
The manufacturing method of the
本実施形態例の半導体装置102は、第1実施形態例の半導体装置の奏する効果の他に下記の効果を奏する。即ち、メチルシルセスキオキサン層27によってビア層間絶縁膜全体として、CMP工程に耐える十分な機械的強度を維持しつつ、芳香族系有機ポリマー膜26及びメチルシルセスキオキサン層27によって配線間容量を効果的に低減し、電気信号のRC遅延を抑制することができる。また、キャップ層13と芳香族系有機ポリマー層26との間で高いエッチ選択比が得られるので、キャップ層13の膜厚を従来より小さくしても良好なビア形状が得られる。更に、芳香族系有機ポリマー層26がメチルシルセスキオキサン層との間で良好な密着性を有するので、層間剥がれを防止し、半導体装置102の機械的強度を更に高めることができる。
The
図6は、本発明の第4実施形態例に係る半導体装置を示す断面図である。本実施形態例の半導体装置103は、ビア層間絶縁膜が、膜厚が100〜200nmの芳香族系有機ポリマー膜26と、この上に形成された、膜厚が100〜200nmのメチルシルセスキオキサン層27とから構成され、キャップ層13の膜厚が20nm以下に形成されていることを除いては、第2実施形態例の半導体装置と同様の構成を有している。
FIG. 6 is a sectional view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In the
本実施形態例の半導体装置103の製造方法は、第2実施形態例の半導体装置の製造方法と下記の点において異なる。まず、図2(a)に示した工程において、キャップ層13の膜厚を20nm以下に形成し、且つビア層間絶縁膜14に代えて、芳香族系有機ポリマー層26及びメチルシルセスキオキサン層27を形成する。図3(f)に示した工程において、第2の配線層間絶縁膜におけるメチルシルセスキオキサン層16及びビア層間絶縁膜におけるメチルシルセスキオキサン層27のエッチングには、第1のエッチングガスを用いて、これらのエッチングを同時に行う。また、第2の配線層間絶縁膜における芳香族系有機ポリマー層15及びビア層間絶縁膜における芳香族系有機ポリマー層26のエッチングには、第2のエッチングガスを用いて、これらのエッチングを同時に行う。本実施形態例の半導体装置103は、第2実施形態例の半導体装置の奏する効果の他に、第3実施形態例の半導体装置の奏する効果と同様の効果を奏する。
The manufacturing method of the
尚、第1実施形態例〜第4実施形態例に記載した、芳香族系有機ポリマー膜としては、例えば、ポリアリルエーテルを用いることができる。また、第1実施形態例〜第4実施形態例では、低誘電率無機系絶縁膜として、メチルシルセスキオキサン膜16、27を用いた例を示したが、これに代えて、他の低誘電率無機系絶縁膜、例えば、水素化シルセスキオキサン膜、水素化メチルシルセスキオキサン膜、又は、これらのうちの複数種を適当な比率で重合したものを用いることが出来る。
For example, polyallyl ether can be used as the aromatic organic polymer film described in the first to fourth embodiments. In the first embodiment to the fourth embodiment, the example using the
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明に係る半導体装置は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した半導体装置も、本発明の範囲に含まれる。例えば、第1〜第4実施形態例では、第2の配線層間絶縁膜が低誘電率有機系絶縁膜とこの低誘電率有機系絶縁膜上に形成された低誘電率無機系絶縁膜との2層で構成されるものとした。しかし、第2の配線層間絶縁膜以外の他の配線層間絶縁膜についても、低誘電率有機系絶縁膜と低誘電率無機系絶縁膜の2層構造で構成されるものとしてもよい。 As described above, the present invention has been described based on the preferred embodiment. However, the semiconductor device according to the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment. Semiconductor devices that have been modified and changed are also included in the scope of the present invention. For example, in the first to fourth embodiments, the second wiring interlayer insulating film is composed of a low dielectric constant organic insulating film and a low dielectric constant inorganic insulating film formed on the low dielectric constant organic insulating film. It shall consist of two layers. However, the wiring interlayer insulating film other than the second wiring interlayer insulating film may also be configured by a two-layer structure of a low dielectric constant organic insulating film and a low dielectric constant inorganic insulating film.
10:シリコン基板
11:下層配線溝
11a:下層配線
12:第1の配線層間絶縁膜
13:キャップ層
14:ビア層間絶縁膜
15:芳香族系有機ポリマー膜
16:メチルシルセスキオキサン膜
17:第1のハードマスク
18:第2のハードマスク
19:第1のフォトレジストマスク
20:第2のフォトレジストマスク
21:ビアホール形成孔
22:上層配線溝
23:ビアホール
24:配線材料
24a:上層配線
24b:ビアプラグ
25:エッチストッパ膜
26:芳香族系有機ポリマー膜
27:メチルシルセスキオキサン膜
31:半導体基板
32:第1の配線層間絶縁膜
33:保護膜
34:ビア層間絶縁膜
35:エッチストッパ膜
36:絶縁膜
37:酸化シリコン膜
38:下層配線
39:ビアプラグ
40:上層配線
10: Silicon substrate 11: Lower
Claims (7)
前記ビア層間絶縁膜上に有機系絶縁膜を形成する工程と、前記有機系絶縁膜上に水素基又はアルキル基を側鎖として有するシロキサンを主成分とするポリマー、又は、水素基又はアルキル基を側鎖として有するシルセスキオキサンを主成分とするポリマーで形成される絶縁膜を形成する工程とにより配線層間絶縁膜を形成する工程と、
前記ビア層間絶縁膜及び前記配線層間絶縁膜にビアホール及び配線溝をそれぞれ形成する工程と、
前記ビアホール及び配線溝に配線材料を埋め込む工程と、
化学機械研磨法により前記配線材料を、前記シロキサンを主成分とするポリマー又はシルセスキオキサンを主成分とするポリマーで形成される絶縁膜の上面に達するまで研磨を行う工程とを含み、
前記シロキサンを主成分とするポリマー又はシルセスキオキサンを主成分とするポリマーで形成される絶縁膜の膜厚を、前記有機系絶縁膜の膜厚以上に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a via interlayer insulating film on the silicon substrate;
A step of forming an organic insulating film on the via interlayer insulating film, and a polymer mainly comprising siloxane having a hydrogen group or an alkyl group as a side chain on the organic insulating film, or a hydrogen group or an alkyl group. Forming a wiring interlayer insulating film by forming an insulating film formed of a polymer mainly composed of silsesquioxane as a side chain; and
Forming via holes and wiring grooves in the via interlayer insulating film and the wiring interlayer insulating film, respectively ;
Burying a wiring material in the via hole and the wiring groove ;
Polishing the wiring material by a chemical mechanical polishing method until reaching the upper surface of an insulating film formed of a polymer containing siloxane as a main component or a silsesquioxane as a main component,
An insulating film formed of a polymer containing siloxane as a main component or a polymer containing silsesquioxane as a main component is formed to have a thickness greater than that of the organic insulating film. Production method.
前記配線層間絶縁膜上に第1のハードマスク層を形成する工程と、
前記第1のハードマスク層上に第2のハードマスク層を形成する工程と、
前記第2のハードマスク層上にフォトレジスト膜による配線パターンを形成し、エッチングを行って前記第2のハードマスク層に配線パターンを形成する工程と、
前記エッチングされた第2のハードマスク層上にフォトレジスト膜によるビアパターンを形成し、前記第1のハードマスク層をエッチングする工程と、
前記エッチングされた第1のハードマスク層を用いて前記配線層間絶縁膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされた第2のハードマスク層を用いて前記第1のハードマスク層、前記配線層間絶縁膜及び前記ビア層間絶縁膜をエッチングする工程とを含む、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Forming each said via hole and wiring groove in the via layer insulating film and the wiring interlayer insulating film,
Forming a first hard mask layer on the wiring interlayer insulating film;
Forming a second hard mask layer on the first hard mask layer;
Forming a wiring pattern of a photoresist film on the second hard mask layer and performing etching to form a wiring pattern on the second hard mask layer;
Forming a via pattern of a photoresist film on the etched second hard mask layer, and etching the first hard mask layer;
Etching the wiring interlayer insulating film using the etched first hard mask layer;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: etching the first hard mask layer, the wiring interlayer insulating film, and the via interlayer insulating film using the etched second hard mask layer. Method.
SiCN膜又はSiC膜から成る20nm以下の膜厚のキャップ膜を形成する工程と、
前記キャップ膜上に芳香族系有機ポリマー膜を形成する工程と、
前記芳香族系有機ポリマー膜上に膜厚が100nm〜200nmのメチルシルセスキオキサン膜を形成する工程とを含む、請求項1〜5の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the via interlayer insulating film includes:
Forming a cap film having a film thickness of 20 nm or less comprising a SiCN film or a SiC film;
Forming an aromatic organic polymer film on the cap film;
Forming a methylsilsesquioxane film having a thickness of 100 nm to 200 nm on the aromatic organic polymer film. 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, comprising:
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