JP4419025B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、多孔質化された絶縁膜にダマシン構造の多層配線構造を備えた半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の微細化、高集積化に伴い、配線の時定数に起因する電気信号の遅れが深刻な問題となっている。そこで、多層配線構造で用いられる導電層には、アルミニウム(Al)系合金の配線に代わり、低電気抵抗の銅(Cu)配線が導入されるようになっている。Cuは、従来の多層配線構造に使われているAlなどの金属材料とは異なって、ドライエッチングによるパターンニングが困難なため、絶縁膜に配線溝を形成し、配線溝にCu膜を埋め込むことにより配線パターンを形成するダマシン法が一般にCu多層配線構造に適用されている。特に、デュアルダマシン法は、接続孔と配線溝とを形成した上で、Cu埋め込みを接続孔と配線溝とに同時に行う方法であって、工程数の削減に有効であることから注目されている。
また、高集積半導体装置では、配線間容量の増大が半導体装置の動作速度の低下を招くために、低誘電材料を層間絶縁膜に用いて配線間容量の増大を抑制した微細な多層配線が使用されている。低誘電率層間絶縁膜の材料としては、従来から比較的実績のある誘電率3.5程度のフッ素含有酸化シリコン(FSG)に加えて、ポリアリールエーテル(PAE)に代表される有機系のポリマーや、ハイドロゲンシルセキオサン(HSQ)、メチルシルセスキオキサン(MSQ)に代表される無機系材料などの比誘電率2.7前後の低誘電材料が挙げられる。更に、近年では、それらを多孔質化させて比誘電率を2.3前後とした低誘電率材料の適用も試みられている。
絶縁膜の多孔質化に関しては、マトリックスと呼ばれる骨格形成用材料にポロジェンと呼ばれる空孔形成用材料を混ぜ込む形で成膜を行った後、熱処理のみによりポロジェンを除去する方法(例えば、特許文献1参照)、または電子線照射と熱処理によりポロジェンを除去する方法(例えば、特許文献2参照)が報告されている。
特開2004−235548号公報 特開2002−334873号公報
しかし、多孔質化された層間絶縁膜を用いた場合には、配線間容量は低減されるものの、機械的強度が著しく低く、また、一般的に下層および上層の膜との密着性も低い、という問題がある。このため、デュアルダマシン法により、Cuの埋め込み配線を形成する際に、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing(CMP))法により、不要な配線パターンを除去する工程において、多孔質化された層間絶縁膜と上層または下層との界面剥がれや、パッケージングの際のダイシング割れや、ボンディングの際の層間クラック等が生じ易い。
以上のことから、本発明は、多孔質化された層間絶縁膜を用い、機械的強度の低下および上層または下層との密着性の低下が抑制された半導体装置およびその製造方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、基板上に設けられ、空孔形成材料の分解除去により多孔質化された絶縁膜と、絶縁膜上に設けられた被覆絶縁膜と、被覆絶縁膜および絶縁膜に、基板に達する状態で設けられた導電層パターンとを有し、絶縁膜は、空孔形成材料が残存した状態の非多孔質領域を有することを特徴としている。
このような半導体装置によれば、多孔質化された絶縁膜が非多孔質領域を有することで、全領域が多孔質化された絶縁膜を備えた半導体装置と比較して、非多孔質領域を有する分、絶縁膜の密度が高くなるとともに、上層および下層との接触面積も広くなる。これにより、絶縁膜の機械的強度の低下および上層または下層との密着性の低下が抑制される。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、基板上に空孔形成材料を含有する非多孔質性の絶縁膜を形成する工程を行う。次に、絶縁膜の上層側から空孔形成材料が分解除去されるのを防ぐように、絶縁膜上に被覆絶縁膜を形成する工程を行う。次いで、被覆絶縁膜および絶縁膜に、基板に達する溝パターンを形成する工程を行う。続いて、熱処理を行なうことにより、溝パターン側から絶縁膜中の空孔形成材料を分解除去することで、絶縁膜を多孔質化する工程を行う。その後、溝パターンを導電材料で埋め込むことで、導電層パターンを形成する工程を行う。
このような半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜の上層側から空孔形成材料が分解除去されるのを防ぐように、被覆絶縁膜を形成した後、溝パターン側から絶縁膜中の空孔形成材料を分解除去することで、絶縁膜を多孔質化するため、溝パターンから離れた絶縁膜の領域は、空孔形成材料が残存し非多孔質の状態で維持される。これにより、上述したような絶縁膜中に非多孔質領域を有する多孔質化された絶縁膜を備えた半導体装置が製造される。
以上、説明したように、本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、絶縁膜の機械的強度の低下および上層または下層との密着性の低下が抑制されることから、配線信頼性を向上させることができ、半導体装置の高品質化および高性能化が図れる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態例は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の実施形態の一例であり、デュアルダマシン構造に係わる。
図1に示すように、素子領域等(図示省略)が形成された半導体基板上に例えば酸化シリコン(SiO2)からなる下地絶縁膜が形成された下地基板1上に、ポリアリールエーテル(PAE)膜2と炭素含有酸化シリコン(SiOC)膜3とからなる積層膜が設けられている。この積層膜には、下地基板1に達する状態の配線溝4が設けられており、配線溝4内に例えばタンタル(Ta)からなるバリアメタル5を介して、例えばCuからなる埋め込み配線(配線)6が設けられている。
また、配線6上およびSiOC膜3上には、炭窒化シリコン(SiCN)層7a、炭化シリコン(SiC)層7b、SiCN層7cを下層から順次積層してなるエッチング阻止膜7が設けられている。エッチング阻止膜7は、エッチング防止機能を有するだけでなく、Cu配線6の拡散防止膜および酸化防止膜としても機能する。なお、ここでは、エッチング阻止膜7を3層構造で形成する例について説明したが、SiCN層またはSiC層の単層であってもよい。
上記エッチング阻止膜7上には、多孔質化された絶縁膜からなる第1絶縁膜8と、例えばPAE等の有機系の絶縁膜からなる第2絶縁膜9と、例えばSiO2からなる第1マスク10’とが順次積層されている。そして、第1マスク10’、第2絶縁膜9、第1絶縁膜8およびエッチング阻止膜7には、下層の配線6に達する状態で、溝パターン13が設けられており、溝パターン13には、バリアメタル膜14を介して導電層パターン15’が設けられている。この導電層パターン15’は、下層配線6に達する状態で、第1絶縁膜8とエッチング阻止膜7に設けられるヴィア15a’と、ヴィア15a’の上部に連通する状態で、第1マスク10’と第2絶縁膜9に設けられる配線15b’とで構成される。
また、配線15b’上および第1マスク10’上には、SiCN層16a、炭化シリコン(SiC)層16b、SiCN層16cを下層から順次積層してなるエッチング阻止膜16が設けられている。
ここで、第1絶縁膜8は、空孔形成材料(ポロジェン)Aを含有する非多孔性の例えばSiOC膜を成膜した後、ポロジェンAの分解除去により多孔質化された膜である。そして、本発明の特徴的な構成としては、第1絶縁膜8にポロジェンAが残存した状態の非多孔質領域8Aを備えていることを特徴としている。これにより、第1絶縁膜8の密度が高くなるため、強度が高くなり、また、上層の第2絶縁膜9および下層のエッチング阻止膜7(SiCN層7c)との接触面積が広くなることで、密着性の悪化が抑制される。
ここで、この半導体装置が導電層パターン15’、特に配線15b’が密に配置された第1の領域1Aと、第1の領域1Aよりも導電層パターン15’が疎に配置された第2の領域1Bとを有する場合、上記非多孔質領域8Aは、第2の領域1Bの導電層パターン15’間の中央部に配置されることが好ましい。これにより、配線間容量の増大し易い導電層パターン15’が密な第1の領域1Aでは、導電層パターン15’間の第1絶縁膜8が多孔質化されることで、誘電率が低くなるため、配線間容量の増大が防止される。また、導電層パターン15’が疎に配置された第2の領域1Bでは、配線間容量の増大は問題にならないため、配線間容量の増大を防止しつつ、第1絶縁膜8の強度を高くするとともに、密着性の悪化が抑制される。
そして、上記非多孔質領域8Aと第1絶縁膜8が完全に多孔質化された多孔質領域8Bの誘電率の差は20%以上、密度の差は0.2g/cm3以上であることが好ましい。このように構成されることで、導電層パターン15’が密な第1の領域1Aでは、配線間容量の増大を確実に防止できるとともに、導電層パターン15’が密な第1の領域1Bにおいて、密度を高くすることで、第1絶縁膜8の強度を高くすることが可能となる。
なお、ここでは、第1絶縁膜8を多孔質性のSiOC膜で形成することとしたが、多孔質性のPAEで形成してもよい。
また、本実施形態における第2絶縁膜9は、請求項の被覆絶縁膜に相当する。第2絶縁膜9は、後述する製造方法で詳細に説明するように、第1絶縁膜8中のポロジェンAを分解除去する工程において、第1絶縁膜8の上層側からポロジェンAが分解除去されるのを防止する。このため、第2絶縁膜9は、非多孔質性の絶縁膜で形成されることが好ましい。
ここでは、第2絶縁膜9を、PAEで構成することとするが、特に限定されるものではなく、SiOCで構成されてもよい。
ここで、上記非多孔質領域8Aと、ポロジェンAが分解除去され、完全に多孔質化された多孔質領域8Bの誘電率と強度の関係を図2のグラフに示す。このグラフに示すように、誘電率が2.8の非多孔質領域8Aの強度は、誘電率2.4の多孔質領域8Bの強度と比較して60%程度高くなることが確認された。また、非多孔質領域8Aの密度は1.3g/cm3、多孔質領域8Bの密度は1.1g/cm3であった。
上述した半導体装置は、次のような方法により製造される。
まず、図3(a)に示すように、素子領域等(図示省略)が形成された半導体基板上に例えばSiO2からなる下地絶縁膜が形成された下地基板1上に、PAE膜2とSiOC膜3とを順次積層する。次いで、この積層膜に設けられた配線溝4に、Taからなるバリアメタル5を介して、Cuからなる導電材料を埋め込むことで、配線6を形成する。続いて、配線6上およびSiOC膜3上に、SiCN層7a、SiC層7b、SiCN層7cを下層から順次積層してなるエッチング阻止膜7を形成する。ここまでの構成が請求項の基板に相当する。
次に、図3(b)に示すように、エッチング阻止膜7上に、ポロジェンAを含有した例えばSiOC膜からなる第1絶縁膜8を90nmの膜厚で成膜する。この際、第1絶縁膜8はポロジェンAを含有した状態と、ポロジェンAを分解除去した後の誘電率の差が20%以上となるように、ポロジェンAを含有させることが好ましい。
次いで、第1絶縁膜8上に、例えばPAE等の有機系の低誘電材料からなる第2絶縁膜9を90nmの膜厚で形成する。
続いて、第2絶縁膜9上に、例えばSiO2層からなる第1マスク形成層10、例えばSiCN層からなる第2マスク形成層11、例えばSiO2層からなる第3マスク形成層12を順次積層形成する。これらの膜厚は、第1マスク形成層10が150nm、第2マスク形成層11が50nm、第3マスク形成層12が50nmでそれぞれ形成されることとする。この3層マスクを用いた接続孔パターンと配線溝パターンの形成方法については、特開2004−63859号公報および2003 Symposium on VLSI Technology P.107で詳細に説明されている。
ここで、SiO2層からなる第1マスク形成層10と第3マスク形成層12とは、例えばシリコン源としてモノシラン(SiH4)を用い、酸化剤として一酸化二窒素(N2O)ガスを用いたプラズマCVD法により成膜することができる。
次いで、図3(c)に示すように、第3マスク形成層12上に、配線溝パターンを有するレジストマスクR1を形成する。
次に、図4(d)に示すように、レジストマスクR1(前記図3(c)参照)をマスクとして用いたドライエッチング法により、SiO2層からなる第3マスク形成層12(前記図3(c)参照)をエッチングして、第3マスク12’を形成する。ここで、レジストマスクR1を用いて第3マスク形成層12をエッチングする際には、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用いることとする。その後、例えば酸素(O2)プラズマをベースとしてアッシング処理と有機アミン系の薬液処理を施すことにより、レジストマスクRおよびエッチング処理の際に生じた残留付着物を完全に除去する。
次に、第3マスク12’上を含む第2マスク形成層21上に、接続孔パターンを有するレジストマスクR2を形成する。この際、レジストマスクR2に設けられた接続孔パターンの少なくとも一部が、第3マスク12’の開口部内に重なるように、レジストマスクR2をパターン形成する。
続いて、図4(e)に示すように、接続孔パターンを有するレジストマスクR2(前記図4(d)参照)をマスクとしたドライエッチング法により、第3マスク12’、第2マスク形成層11、第1マスク形成層10をエッチングし、さらに第2絶縁膜9をエッチングする。これにより、第1絶縁膜8の表面を露出させる接続孔13aを開口する。
上記エッチングにおいて、第3マスク12’から第1マスク形成層10までのエッチングは、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用い、例えばエッチングガスとしてCHF3、酸素(O2)およびArを用い、ガス流量比(CHF3:O2:Ar)を5:1:50、バイアスパワーを1000W、基板温度を40℃に設定する。
また、第2絶縁膜9のエッチングも、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用いて行う。なお、レジストマスクR2は第2絶縁膜9をエッチング加工する際に、同時に除去される。そして、このエッチングによって残存する第3マスク12’は、配線溝パターンのマスクとなる。また、第2マスク形成層12のエッチングによってパターン形成された第2マスク11’は、接続孔パターンのマスクとなる。
次に、図4(f)に示すように、配線溝パターンを有する第3マスク12’をエッチングマスクとしたドライエッチング法により、第2マスク11’に配線溝パターンを形成する。また、このエッチングにより、接続孔13aは第1絶縁膜8の途中まで掘り下げられる。
続いて、図5(g)に示すように、第3マスク12’(前記図4(f)参照)および第2マスク11’をエッチングマスクとして用いたドライエッチングにより、第1マスク10’に配線溝パターンを形成する。
このドライエッチングにおいては、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を使用し、エッチングガスとして、例えばC48、CO、窒素(N2)、Arを用い、ガス流量比(C48:CO:N2:Ar)を3:10:200:500、バイアスパワーを1000W、基板温度を20℃に設定する。
このようなエッチング条件下では、エッチングの進行にともない、第3マスク12’は除去される。そして、第3マスク12’が除去された後には、第2マスク11’がエッチングマスクとして機能する。また、上記エッチングに並行して、接続孔パターンの設けられた第1マスク10’をマスクとして、接続孔13はエッチング阻止膜7まで掘り下げられる。そして、第1マスク10’に配線溝パターンが設けられた後には、接続孔パターンの設けられた第2絶縁膜9がマスクとして機能する。この場合、エッチング阻止膜7の最上層であるSiCN層7cは除去され、接続孔13はエッチング阻止膜7の中間層であるSiC層7bの途中までさらに掘り下げられる。
続いて、図5(h)に示すように、配線溝パターンを有する第2マスク11’を用い、第1マスク10’の配線溝パターンの底部に残存する第2絶縁膜9をエッチングする。これにより、第1マスク10’に形成された配線溝パターンを掘り下げて、第2マスク11’と第1マスク10’と第2絶縁膜9とに配線溝13bが形成された状態となる。以上のようにして、接続孔13aと配線溝13bとからなる溝パターン13が形成される。
また、このエッチングにより、接続孔13の底部に残存したSiC層7bは除去されるため、エッチング阻止膜7の最下層であるSiCN層7aのみが接続孔13の底部に残存した状態となる。
続いて、図5(i)に示すように、接続孔13の底部に残存するエッチング阻止膜7の最下層であるSiCN層7aをエッチング除去して、下層のCu配線6の表面を露出する。このドライエッチングにおいては、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、例えばエッチングガスとしてCH22、O2、Arを用い、ガス流量比(CH22:O2:Ar)を2:1:5、バイアスパワーを100Wに設定する。
その後、例えばファーネスアニールといった400℃以下の熱処理を行う。この際、第1絶縁膜8は非多孔質性の第2絶縁膜9で覆われているため、ポロジェンAは溝パターン13側から分解除去される。このため、溝パターン13の近傍にあるポロジェンAは除去されるが、溝パターン13から離れた領域のポロジェンAは、第2絶縁膜9で覆われているため、除去されずに残存する。これにより、溝パターン13が密に形成された領域では、第1絶縁膜8が確実に多孔質化され、溝パターン13が疎に形成された領域における、溝パターン13間の中央部に非多孔質領域8Aが形成される。ここで、後述するように、溝パターン13には、導電材料が埋め込まれ、導電層パターンが形成されることから、非多孔質領域8Aは、導電層パターンが疎に形成された領域の導電層パターン間の中央部に形成される。
以上の後、薬液を用いた後処理およびRFスパッタリング処理により、配線溝14や接続孔13の側壁に残留するエッチング付着物を除去し、接続孔13底部に露出したCu配線6のCu変質層を正常なCu層に転化する。
その後、図6(j)に示すように、例えばスパッタリング法により、溝パターン13の内壁を覆う状態で、第2マスク11’上に、Taからなるバリアメタル膜14を成膜する。続いて、上記溝パターン13を埋め込む状態で、バリアメタル膜14上にCuからなる導電膜15を電解メッキ法またはスパッタリング法により堆積し、配線溝13bと接続孔13aの埋め込みを同時に行う。
次に、図6(k)に示すように、CMP法により、配線パターンとして不要な導電膜15(前記図6(j)参照)、バリアメタル膜14とともに第2マスク11’、第1マスク10’を途中まで除去する。これにより、接続孔13aにCuからなるヴィア15a’を形成するとともに配線溝13bにCu配線15b’を形成し、溝パターン13の内部にヴィア15a’とCu配線15b’とからなる導電層パターン15’を形成する。
その後、下層のCu配線6上と同様に、配線15b’上を含む第1マスク10’上に、例えばSiCN層16a/SiC層16b/SiCN層16cからなるエッチング阻止膜16を形成する。この後の工程は図3(b)〜図6(k)を用いて説明した工程を繰り返すことで、デュアルダマシン法による多層配線構造を形成することができる。
このような半導体装置およびその製造方法によれば、第1絶縁膜8上に、被覆絶縁膜として、非多孔性の第2絶縁膜9を形成した後、溝パターン13側から第1絶縁膜8中のポロジェンAを分解除去し、第1絶縁膜8を多孔質化するため、溝パターン13から離れた第1絶縁膜8の領域は、非多孔質のまま維持される。これにより、導電層パターン15’の疎な領域1Bにおける導電層パターン15’間の第1絶縁膜8の中央部に非多孔質領域8Aを有する半導体装置が製造される。これにより、第1絶縁膜8の強度を高くすることができるとともに、第1絶縁膜8の密着性の低下が抑制される。したがって、配線信頼性を向上させることができ、半導体装置の高品質化および高性能化が図れる。
(変形例1)
なお、上記実施形態においては、第2絶縁膜9が被覆絶縁膜として機能する例について説明したが、図7に示すように、第1絶縁膜8と第2絶縁膜9との間に、被覆絶縁膜20が設けられていてもよい。ここで、被覆絶縁膜20としては、非多孔質性の低誘電率材料膜であることが好ましく、5nmから15nmの膜厚で設けられることとでする。ここでは、例えばSiOCからなる被覆絶縁膜20が15nmの膜厚で設けられることとする。このように、被覆絶縁膜20を介在させた場合には、被覆絶縁膜20が第1絶縁膜8の上層側からのポロジェンAの分解除去を防止するため、第2絶縁膜9を例えばSiOC或いは、PAE等の多孔質性の絶縁膜で形成することが好ましい。
この場合には、被覆絶縁膜20、第1絶縁膜8およびエッチング阻止膜7にヴィア15a’が設けられた状態となり、実施形態と同様の方法で形成される。
このような半導体装置およびその製造方法であっても、第1絶縁膜8上に被覆絶縁膜20を形成することで、実施形態と同様の効果を奏する。また、本変形例1の半導体装置によれば、第2絶縁膜9に多孔質性の絶縁膜を用いることで、配線間容量をさらに低減することができる。
なお、上述した実施形態および変形例1では、デュアルダマシン構造の例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されず、シングルダマシンにも適用可能である。
本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための断面図である。 絶縁膜中の非多孔質領域の多孔質領域の誘電率と強度の関係を示すグラフである。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程断面図(その1)である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程断面図(その2)である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程断面図(その3)である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程断面図(その4)である。 本発明の半導体装置に係る実施形態の変形例1を説明するための断面図である。
符号の説明
1…下地基板、8…第1絶縁膜、8A…非多孔質領域、9…第2絶縁膜、A…空孔形成材料、13…溝パターン、13a…接続孔、13b…配線溝、15’…導電層パターン、15a’…ヴィア、15b’…配線

Claims (2)

  1. 基板上に、空孔形成材料を含有する非多孔質性の絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜の上層側から前記空孔形成材料が分解除去されるのを防ぐように、前記絶縁膜上に被覆絶縁膜を形成する工程と、
    前記被覆絶縁膜および前記絶縁膜に、前記基板に達する溝パターンを形成する工程と、
    熱処理を行なうことにより、前記溝パターン側から、前記絶縁膜中の前記空孔形成材料を分解除去することで、前記絶縁膜を多孔質化する工程と、
    前記溝パターンに導電材料を埋め込むことで、導電層パターンを形成する工程とを有し、
    前記絶縁膜には、前記溝パターンが疎に形成された領域と、この領域よりも当該溝パターンが密に形成された領域とが設けられ、
    前記絶縁膜を多孔質化する工程では、前記溝パターンが疎に形成された領域における当該溝パターン間の中央に前記空孔形成材料が残存した状態の非多孔質領域を形成する
    半導体装置の製造方法。
  2. 前記溝パターンを形成する工程では、前記基板に達する状態で前記絶縁膜に設けられた接続孔と、当該接続孔の上部に連通する状態で前記被覆絶縁膜に設けられた配線溝とを形成する
    請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
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