JP4538995B2

JP4538995B2 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP4538995B2
Application number: JP2001218363A
Authority: JP
Inventors: 俊一澁木; 利昭長谷川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: JP2003031652A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくは有機絶縁膜への水分の透過を抑えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩの微細化にともない、銅配線と低誘電率絶縁膜とを組み合わせた構造が必須となっている。このなかでも、低誘電率膜として有機膜を使った構造が試みられている。これは、例えば、Proceedings of the IEEE 2000 International Technology Conference p.270-272 党Copper Dual Damascene Interconnects with Very Low-k Dielectrics Targeting for 130nm Node媒に詳細に開示されている。この文献の中で記述される絶縁膜は、同文献のp.271-Figure 1(D)に示されているように、すなわち、図９に示すように、ビアホール１１１が形成されるビア層１０１にＳｉＯ₂膜を用い、その上に配線溝１３１が形成される配線層１２１が形成され、この配線層１２１は、有機絶縁膜である低誘電率膜１２３とＳｉＯ₂膜１２５とを積層して形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ビア層が吸湿性を持つＳｉＯ₂膜で形成されているため、このＳｉＯ₂膜からの水の脱ガスによって、上層の有機絶縁膜が吸湿を起こす。有機膜は一般に吸湿により加水分解を起こして変質する。この変質によって有機絶縁膜の耐熱性が劣化する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置およびその製造方法である。
【０００５】
本発明の半導体装置は、第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜上に、該第１の絶縁膜に比べて誘電率が低い有機絶縁膜としてポリアリールエーテル、アリールエーテル系樹脂、芳香族ポリマー、フッ素添加ポリイミドおよびフッ素樹脂のうちの一つもしくはこれらのうちの複数を用いた膜を形成した半導体装置において、前記第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜上に、前記有機絶縁膜への水の透過を防止する第２の絶縁膜として、ビスマス・ストロンチウム・タンタレートまたはチタン酸ジルコン酸鉛により膜を形成し、前記第１の絶縁膜は接続孔を形成する接続層として用い、前記第２の絶縁膜及び前記有機絶縁膜を配線が形成される配線層として用いるものである。
【０００７】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜を形成する第１工程と、前記第１の絶縁膜上に該第１の絶縁膜に比べて誘電率が低い有機絶縁膜としてポリアリールエーテル、アリールエーテル系樹脂、芳香族ポリマー、フッ素添加ポリイミドおよびフッ素樹脂のうちの一つもしくはこれらのうちの複数を用いた膜を形成する第２工程と、を有する半導体装置に製造方法において、前記第２の工程において、前記第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜上に、前記有機絶縁膜への水の透過を防止する第２の絶縁膜として、ビスマス・ストロンチウム・タンタレートまたはチタン酸ジルコン酸鉛により膜を形成し、前記第１の絶縁膜を接続孔が形成される接続層として形成し、前記第２の絶縁膜及び前記有機絶縁膜を配線が形成される配線層として形成する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置に係る一実施の形態を、図１の概略構成断面図によって説明する。
【００１０】
図１に示すように、基体１１上には無機絶縁膜からなる第１の絶縁膜１２が形成されている。この第１の絶縁膜１２は、例えば無機材料である酸化シリコン膜からなり、接続孔（例えばビアコンタクト）が形成される接続層となる。上記酸化シリコン膜は吸湿性を有することが知られている。この第１の絶縁膜１２上には、上層への水の透過を減少させる第２の絶縁膜１３が形成されている。この第２の絶縁膜１３は、例えば窒化シリコン膜からなり、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚からなる。上記第２の絶縁膜１３上には有機絶縁膜１４が形成されている。上記第２の絶縁膜１３および上記有機絶縁膜１４で配線が形成される配線層を構成している。
【００１１】
上記有機絶縁膜１４は、ポリアリールエーテルのようなアリールエーテル系樹脂、芳香族ポリマー、ポリイミド、フッ素添加ポリイミド、フッ素樹脂およびベンゾシクロブテンのうちの一つもしくはこれらのうちの複数を用いた積層体で形成することができる。上記アリールエーテル系樹脂としては、例えばアライドシグナル社製のＦＬＡＲＥ、ダウケミカル社製のＳｉＬＫ、シューマッカー社製のＶＥ等が知られている。ここではＳｉＬＫを用いた。
【００１２】
上記第１の絶縁膜１２には接続孔（例えばビアホール）１５が形成され、上記第２の絶縁膜１３および上記有機絶縁膜１４には配線溝１６が形成されている。上記配線溝１６および接続孔１５の内面にはバリアメタル層２１が形成され、そのバリアメタル層２１を介して上記接続孔１５の内部には導電体からなるプラグ２２が形成され、上記配線溝１６の内部には上記バリアメタル層２１を介して導電体からなるもので上記プラグ２２に接続する配線２３が形成されている。上記プラグ２２および上記配線２３は一体に形成されたものであっても、別体に形成されたものであっても良く、例えば銅のような金属材料からなる。
【００１３】
上記半導体装置では、吸湿性を有する第１の絶縁膜１２上に、上層への水の透過を減少させる第２の絶縁膜１３を介して有機絶縁膜１４が形成されている絶縁膜構造となっていることから、第１の絶縁膜１２が吸水性を有するＳｉＯ₂膜で形成されていても、第２の絶縁膜１３が上層への水の透過を抑えるため、第１の絶縁膜１２より上層の有機絶縁膜１４に水が到達しない。そのため、水による有機絶縁膜１４の変質を防ぐことができる。
【００１４】
次に、図２に示すような試料１〜５を用意し、水分の透過を調べた。
【００１５】
図２の（１）に示すように、試料１は、厚さが３００ｎｍの熱酸化膜３１上に厚さが４００ｎｍのプラズマ酸化シリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜３２を形成したものである。
【００１６】
図２の（２）に示すように、試料２は、厚さが３００ｎｍの熱酸化膜３１上に厚さが４００ｎｍのプラズマ酸化シリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜３２を形成し、さらに厚さが２５０ｎｍの有機絶縁膜（例えばＳｉＬＫを用いた）３４を形成したものである。
【００１７】
図２の（３）に示すように、試料３は、厚さが３００ｎｍの熱酸化膜３１上に厚さが４００ｎｍのプラズマ酸化シリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜３２を形成し、さらに厚さが３０ｎｍのプラズマ窒化シリコン（ｐ−ＳｉＮ）膜３３を形成したものである。
【００１８】
図２の（４）に示すように、試料４は、厚さが３００ｎｍの熱酸化膜３１上に厚さが４００ｎｍのプラズマ酸化シリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜３２、厚さが２５０ｎｍの有機絶縁膜３４（例えばＳｉＬＫ膜）、厚さが３００ｎｍのプラズマ酸化シリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜３５を順に積層形成したもので、プラズマ酸化シリコン膜３５と有機絶縁膜３４とに溝３６を形成したものである。
【００１９】
図２の（５）に示すように、試料５は、厚さが３００ｎｍの熱酸化膜３１上に厚さが４００ｎｍのプラズマ酸化シリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜３２、厚さが３０ｎｍのプラズマ窒化シリコン（ｐ−ＳｉＮ）膜３３、厚さが２５０ｎｍの有機絶縁膜（例えばＳｉＬＫを用いた）３４、厚さが３００ｎｍのプラズマ酸化シリコン（ｐ−ＳｉＯ）膜３５を順に積層形成したもので、プラズマ酸化シリコン膜３５と有機絶縁膜３４とに溝３６を形成したものである。
【００２０】
次に、上記試料１〜５についてＴＤＳ（Thermal Decomposition Spectroscopy）によりデータを取得した。その結果を図３〜図７によって説明する。各図において、縦軸はイオン電流を表し、横軸は測定温度を表す。また各図ではMass. No.＝１８の水の脱ガスに注目する。
【００２１】
試料１は、図３に示すように、Mass. No.＝１８のピークが大きくでており、プラズマ酸化シリコン膜３２が吸水していることがわかる。
【００２２】
試料２は、図４に示すように、Mass. No.＝１８のピークが上記試料１よりも大きくでており、有機絶縁膜３４のＳｉＬＫ膜が変質していることがわかる。
【００２３】
試料３は、図５に示すように、Mass. No.＝１８のピークが上記試料１よりも小さくなっており、プラズマ窒化シリコン膜３３によりプラズマ酸化シリコン膜３２の脱ガスが抑制されていることがわかる。
【００２４】
試料４は図６に示すように、試料５は図７に示すように、試料４より試料５のほうが、Mass. No.＝１８のピークが小さくなっている。このことから、プラズマ窒化シリコン膜３３によって上層の有機絶縁膜（例えばＳｉＬＫ膜）３４の変質が抑えられ、試料５は良好な絶縁膜構造となっていることがわかる。
【００２５】
上記実施の形態では、水の透過を抑える第２の絶縁膜１３として窒化シリコンを用いたが、その代わりに窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等の水の透過を抑える膜を用いることができる。
【００２６】
また上記実施の形態では、第１の絶縁膜１２として吸湿性を持つ酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用いたが、本発明では吸湿性を有する全ての膜が対象となる。このような吸湿性を有する膜の一例としては、フッ素含む酸化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）、ホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）、ＳＯＧ（Spin on glass）等がある。
【００２７】
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施の形態を、図８の概略構成断面図によって説明する。ここでは、一例として、上記説明した本発明の構成を取り入れた絶縁膜構造に対して２層ハードマスク法を用いて溝配線を形成する方法について説明する。
【００２８】
図８の（１）に示すように、基体１１上に、バリア層５１、接続孔が形成される接続層となる第１の絶縁膜１２、上層への水の透過を防止する第２の絶縁膜１３、および配線が形成される配線層となる有機絶縁膜１４を順に積層形成する。
【００２９】
上記バリア層５１は、一例として厚さが５０ｎｍの窒化シリコン(ＳｉＮ)膜で形成する。上記第１の絶縁膜１２は、一例として厚さが５００ｎｍのＳｉＯ₂膜で形成する。上記第２の絶縁膜１３は、一例として厚さが３０ｎｍの窒化シリコン（ＳｉＮ）膜で形成する。上記有機絶縁膜１４は、一例として厚さが４００ｎｍのポリアリールエーテル系樹脂（例えばＳｉＬＫ）膜で形成する。
【００３０】
上記有機絶縁膜１４は、ポリアリールエーテルの他に、アリールエーテル系樹脂、芳香族ポリマー、ポリイミド、フッ素添加ポリイミド、フッ素樹脂およびベンゾシクロブテンのうちの一つもしくはこれらのうちの複数を用いた積層体で形成することができる。
【００３１】
次いで、上記有機絶縁膜１４上に第１のハードマスク層５２を、例えば２００ｎｍの厚さの酸化シリコン膜で形成する。さらに、第２のハードマスク層５３を、例えば２００ｎｍの厚さの窒化シリコン膜で形成する。次いで、第２のハードマスク層５３上にレジスト膜（図示せず）を形成し、リソグラフィー技術によって配線溝パターンをレジスト膜に形成する。そして、このレジストパターンをマスクに用いて第２のハードマスク層５３のエッチングを行い、第２のハードマスク層５３に配線溝パターン５４を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【００３２】
次いで、図８の（２）に示すように、上記第２のハードマスク層５３上および配線溝パターン５４上にレジスト膜７１を形成し、リソグラフィー技術によってレジスト膜７１に接続孔パターン７２を形成する。
【００３３】
そして、図８の（３）に示すように、上記接続孔パターン７２を形成した上記レジスト膜７１をマスクに用いて、第１のハードマスク層５２のエッチングを行い、第１のハードマスク層５２に接続孔パターン５５を延長形成する。
【００３４】
次に、図８の（４）に示すように、上記第１、第２のハードマスク５２、５３を用いて上記有機絶縁膜１４のエッチングを行い、上記接続孔パターン７２を延長形成する。このエッチングでは上記レジスト膜７１〔図８の（４）参照〕も同時にエッチングされて除去される。
【００３５】
次に、図８の（５）に示すように、第１のハードマスクをマスクとして第２の絶縁膜１３をエッチングした後、上記第２のハードマスク５３を用いて第１のハードマスク層５２をエッチングし、配線溝パターン５４を延長形成する。そのとき、上記有機絶縁膜１４がマスクとなって、第１の絶縁膜１２に接続孔パターン５５を転写した接続孔１５を形成する。このエッチングでは、第２の絶縁膜である窒化シリコンをエッチングするが、その膜厚は３０ｎｍであるため、窒化シリコンからなる第２のハードマスク層５３は１００ｎｍ以上の厚さが残る。そのため、第２のハードマスク層５３は第１のハードマスク５２のエッチング時にマスクとして十分に機能する。
【００３６】
次に、図８の（６）に示すように、上記第２、第１のハードマスク５３、５２を用いて上記有機絶縁膜１４をエッチングし、配線溝１６を形成する。
【００３７】
次いで、図８の（７）に示すように、窒化シリコンのエッチングを行い、接続孔１５底部のバリア層５１をエッチングして、接続孔１５を基体１１に到達させる。このエッチングでは、オーバエッチングを行うため、窒化シリコンからなる第２のハードマスク層５３〔図８の（６）参照〕および配線溝１６内に露出する第２の絶縁膜１３もエッチングによって除去される。その後、図示はしないが、第１のハードマスク層５２をエッチングして除去してもよい。ここでは、第１のハードマスク層５２を除去しない場合を説明する。
【００３８】
次に、図８の（８）に示すように、上記配線溝１６および接続孔１５の内面にバリア層２１を、例えば窒化タンタル（ＴａＮ）を３０ｎｍの厚さに堆積して形成する。このバリア層２１は第１のハードマスク５２上にも形成される。
【００３９】
次いで、バリア層２１の表面に銅シード層を例えば１００ｎｍの厚さに形成した後、銅めっきにより銅を例えば１．００μｍの厚さに堆積して銅膜２５を形成する。この成膜により、上記配線溝１６および接続孔１５は銅により埋め込まれる。その後、第１のハードマスク５２上の余剰な銅膜２５を、例えば化学的機械研磨によって除去する。
【００４０】
その結果、図８の（９）に示すように、配線溝１６および接続孔１５の内部は銅により埋め込まれることから、配線溝１６には銅からなる配線２３が形成され、接続孔１５には基体１１と上記溝配線２３に接続するもので銅からなるプラグ２２が形成される。
【００４１】
上記実施の形態では、一例として、上記第１の絶縁膜１２にはＳｉＯ₂〔ノンドープトシリケートガラス（ＮＳＧ）〕を用い、上記第２の絶縁膜１３には窒化シリコン（ＳｉＮ）を用い、上記有機絶縁膜１４にはポリアリールエーテル系樹脂（例えばＳｉＬＫ）を用い、上記第１のハードマスク層５２にはＳｉＯ₂（ＮＳＧ）を用い、上記第２のハードマスク層５３には窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いた。
【００４２】
各層の材質については、接続層となる第１の絶縁膜１２では、ＮＳＧ以外にＰＳＧ、ＢＰＳＧ、比誘電率が３．５程度のＦＳＧ（フッ素シリケートガラス）なども用いることができる。また、有機絶縁膜１４は酸化シリコンに比べて誘電率が低いため、配線の寄生容量が減少して信号遅延を低減させることができるため、高性能半導体装置への適用が検討されているものである。
【００４３】
各層の材料の組み合わせは、上記説明したような２層ハードマスク法を適用することができるものであれば、上記例に限らない。
【００４４】
なお、酸化シリコン、窒化シリコンの成膜には、一例としてシラン系ガスを用いた平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いた。有機絶縁膜の成膜には、一例として回転塗布装置を用いた。リソグラフィーの露光装置には、一例としてＮＡ＝０．６０のＫｒＦ露光装置を用いた。窒化シリコンのエッチングには、エッチングガスにトリフルオロメタン（ＣＨＦ₃）と酸素（Ｏ2 ）とアルゴン（Ａｒ）とを用いた平行平板型プラズマエッチング装置を用いた。
【００４５】
上記実施の形態では、水の透過を防止する第２の絶縁膜１３として、窒化シリコンを用いたが、水を透過しない全ての膜、例えば各種無機膜、有機膜、金属酸化物等を用いることができ、例えば、ビスマス・ストロンチウム・タンタレート（ＢＳＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）等を用いることができる。
【００４６】
上記材料のエッチングは、一例として、ＢＳＴ、ＰＺＴは塩素とアルゴンとの混合ガスを用い、酸化アルミニウムは三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）と塩素（Ｃｌ₂）とアルゴン（Ａｒ）との混合ガスを用い、酸化タンタルはサルファーヘキサフルオライド（ＳＦ₆）と酸素（Ｏ₂）との混合ガスを用いることによってエッチングが可能である。これらエッチングを行うエッチング装置としては、高密度プラズマエッチング装置として、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma）エッチング装置、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ:Electron Cyclotron Resonance）プラズマエッチング装置等を用いることができる。
【００４７】
上記半導体装置の製造方法では、吸湿性を有する第１の絶縁膜１２上に、上層への水の透過を減少させる第２の絶縁膜１３を介して有機絶縁膜１４を形成することから、第１の絶縁膜１２が吸水性を有するＳｉＯ₂膜で形成しても、第２の絶縁膜１３が上層への水の透過を抑えるため、第１の絶縁膜１２より上層の有機絶縁膜１４に水が到達しない。そのため、水による有機絶縁膜１４の変質が防止される。
【００４８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置によれば、該第１の絶縁膜に比べて誘電率が低い有機絶縁膜としてポリアリールエーテル、アリールエーテル系樹脂、芳香族ポリマー、フッ素添加ポリイミドおよびフッ素樹脂のうちの一つもしくはこれらのうちの複数を用いた膜を形成した半導体装置において、第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜上に、有機絶縁膜への水の透過を防止する第２の絶縁膜として、ビスマス・ストロンチウム・タンタレートまたはチタン酸ジルコン酸鉛により膜を形成し、第１の絶縁膜は接続孔を形成する接続層として用い、第２の絶縁膜及び有機絶縁膜を配線が形成される配線層として用いるため、第２の絶縁膜が上層への水の透過を防止するため、第１の絶縁膜より上層の有機絶縁膜に水が到達しない。そのため、水による有機絶縁膜の変質を防ぐことができ、信頼性の高い絶縁膜構造となっている。また、有機絶縁膜の内部に形成した配線の寄生容量が減少して信号遅延を低減させることもできます。
【００４９】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜を形成する第１工程と、第１の絶縁膜上に該第１の絶縁膜に比べて誘電率が低い有機絶縁膜としてポリアリールエーテル、アリールエーテル系樹脂、芳香族ポリマー、フッ素添加ポリイミドおよびフッ素樹脂のうちの一つもしくはこれらのうちの複数を用いた膜を形成する第２工程と、を有する半導体装置に製造方法において、第２の工程において、第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜上に、有機絶縁膜への水の透過を防止する第２の絶縁膜として、ビスマス・ストロンチウム・タンタレートまたはチタン酸ジルコン酸鉛により膜を形成し、第１の絶縁膜を接続孔が形成される接続層として形成し、第２の絶縁膜及び有機絶縁膜を配線が形成される配線層として形成するため、第２の絶縁膜が上層への水の透過が防止されて、第１の絶縁膜より上層の有機絶縁膜に水が到達しないようになる。そのため、水による有機絶縁膜の変質が防止されるので、信頼性の高い絶縁膜構造を半導体装置に適用することができる。また、有機絶縁膜の内部に形成した配線の寄生容量が減少して信号遅延を低減させることもできます。、
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図２】水分量を調べる試料の概略構成断面図である。
【図３】試料１のＴＤＳ測定における加熱温度による水分量を示す図である。
【図４】試料２のＴＤＳ測定における加熱温度による水分量を示す図である。
【図５】試料３のＴＤＳ測定における加熱温度による水分量を示す図である。
【図６】試料４のＴＤＳ測定における加熱温度による水分量を示す図である。
【図７】試料５のＴＤＳ測定における加熱温度による水分量を示す図である。
【図８】本発明の半導体装置に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図９】低誘電率膜の有機絶縁膜を備えた従来の絶縁膜構造を示す概略構成断面図である。
【符号の説明】
１２…第１の絶縁膜、１３…第２の絶縁膜、１４…有機絶縁膜

Claims

第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜上に、該第１の絶縁膜に比べて誘電率が低い有機絶縁膜としてポリアリールエーテル、アリールエーテル系樹脂、芳香族ポリマー、フッ素添加ポリイミドおよびフッ素樹脂のうちの一つもしくはこれらのうちの複数を用いた膜を形成した半導体装置において、
前記第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜上に、前記有機絶縁膜への水の透過を防止する第２の絶縁膜として、ビスマス・ストロンチウム・タンタレートまたはチタン酸ジルコン酸鉛により膜を形成し、
前記第１の絶縁膜は接続孔を形成する接続層として用い、
前記第２の絶縁膜及び前記有機絶縁膜を配線が形成される配線層として用いる半導体装置。
第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜を形成する第１工程と、前記第１の絶縁膜上に該第１の絶縁膜に比べて誘電率が低い有機絶縁膜としてポリアリールエーテル、アリールエーテル系樹脂、芳香族ポリマー、フッ素添加ポリイミドおよびフッ素樹脂のうちの一つもしくはこれらのうちの複数を用いた膜を形成する第２工程と、を有する半導体装置に製造方法において、
前記第２の工程において、前記第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜上に、前記有機絶縁膜への水の透過を防止する第２の絶縁膜として、ビスマス・ストロンチウム・タンタレートまたはチタン酸ジルコン酸鉛により膜を形成し、
前記第１の絶縁膜を接続孔が形成される接続層として形成し、
前記第２の絶縁膜及び前記有機絶縁膜を配線が形成される配線層として形成する半導体装置の製造方法。