JP5355892B2 - 配線構造並びに半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
配線構造並びに半導体装置及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
図30は、多孔質層間絶縁膜を用いた従来技術による多層配線の製造方法を示す。予め形成されたCu配線層上(図示せず)に、SiCN等のCuに対する拡散バリア性を有するバリア絶縁膜1、ビア層間絶縁膜2、SiO2等のエッチングストッパー3、配線層間絶縁膜4、SiO2等のハードマスク5を順次積層する(図30(a))。次いで、図30(b)に示すように、フォトレジストと反応性エッチングを用いて、配線溝6とビアホール7からなるデュアルダマシン溝を形成する。デュアルダマシン溝の形成方法には、ビアを先に開口し、開口したビア上面にフォトレジストを塗布して配線用のトレンチ溝を形成するビアファーストプロセスと、配線溝を先に開口し、開口した配線溝上面にフォトレジストを塗布してビアホールを形成するトレンチファーストプロセスがある。次に、図30(c)に示すように、ビアホール7の底のバリア絶縁膜1をエッチバックした後、開口部内壁およびハードマスク表面5の全面に渡ってTa/TaN等のバリアメタル10を堆積し、その後、その上層に電界めっき法によってCu膜11を堆積する。ハードマスク上に堆積した余分なバリアメタルとCu膜は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程によって除去および平坦化される(図30(d))。
多孔質層間絶縁膜を用いた多層配線構造では、プロセスおよびデバイス信頼性に関する様々な課題が顕在化しており、これらを克服するための多くの提案がなされている。
例えば、図31に示すように、多孔質層間絶縁膜をエッチング後、開口部を形成した後の多孔質層間絶縁膜23(ビア層間絶縁膜2または配線層間絶縁膜4)の側壁は、露出した空孔部19の影響でバリアメタル10の被覆性および密着性が低下してしまう。このため、水分や種々のプロセスガス、Cuの拡散により、デバイス特性が劣化する要因になる。この問題に対して、特開2004−193326号公報(特許文献1)では、エッチング後の配線溝側壁に露出した空孔を非孔質ポリアニルエーテルにて閉塞し、バリアメタルの被覆性を改善することで、多孔質層間絶縁膜中へのCu拡散を抑制している。同様に、特開2001−85522号公報(特許文献2)では、エッチング後の多孔質層間絶縁膜の側壁に露出した空孔内に水酸基よりも嵩高い原子団を含侵させて空孔を通じたメタルや水分、ガスの膜中への流入を抑制している。
特開2000−183052号公報(特許文献3)には、層間絶縁膜と下地基板との密着性を強化するための手法として、層間絶縁膜の下層基板に対して逆スパッタリングという物理的衝撃を与えることで、下地基板表面にダングリングボンドを形成し、その上に形成される層間絶縁膜との密着性を向上させるという製造方法が記載されている。また、同じく特許文献3には、密着性改善方法として、層間絶縁膜と下地基板との間に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を密着層として挿入する方法が記載されている。
特開2005−79307号公報(特許文献4)には、多孔質層間絶縁膜の高強度化を目的として、電子線を照射しながら塗膜を焼成する多孔質層間絶縁膜の製造方法が開示されている。上記特許文献4では、1.5nm程度の空孔径を有した多孔質層間絶縁膜において、15GPaの膜強度(弾性率)を達成している。
第1の課題は、多孔質層間絶縁膜中への水分やエッチングガス、メタルの拡散である。水は分極率が極めて高い分子(比誘電率が約70)であるため、空孔を介して膜中に取り込まれた場合には誘電率が大幅に増加する。また、フッ素系のエッチングガスが膜中に浸透した場合には、膜中の水分等と反応してフッ化水素を形成し、多孔質層間絶縁膜中に大きなボイドが形成されたり、配線形成後にそれらが再放出してCu等の金属配線材料を腐食させる要因になる。さらに、Cu等のメタルが空孔を介して層間絶縁膜中に拡散した場合には、リーク電流増大等の配線信頼性の劣化要因になる。
特許文献1および2はこれらの課題を解決するために考案されたものである。特許文献1に記載の従来技術では、エッチング後のトレンチ側壁に露出した空孔を非孔質ポリアニルエーテルにて閉塞するため、バリアメタルの被覆性を改善することに対して有効である。しかし、これらの埋め込み材料はバリアメタルとの密着性が弱いため、プロセス中の熱サイクル履歴が多くなるに従って、剥離が発生し、ピンホールが発生する。特に、多層配線形成プロセスでは同一プロセスを複数回繰り返すため、下層に予め形成した配線部は配線層数に比例した熱履歴を受け、ピンホールがより発生しやすくなる。
特許文献2では、エッチング後に露出した多孔質層間絶縁膜側壁の空孔に対して、Si(NCO)4等のOH基よりも嵩高い原子団を供給しうる化合物を、気体状にて20℃の温度で供給し、閉塞させている。しかし、これらの空孔内に進入した原子団は膜の内部まで空孔を介して進入する可能性がある。つまり、誘電率を低下させるために導入した空孔の多くが、高い分極率を有するシリコンや酸素、窒素の結合体で満たされることになり、この結果、層間絶縁膜の誘電率を大幅に増加させる要因になる。また、これらの嵩高い原子団は周辺材料と比較して化学的に不安定であるため、多層配線プロセス中に脱離し、再び水分やガスの供給経路になる可能性がある。さらに、上記特許文献1および2は、膜中に吸蔵したエッチングガスを除去しない状態で側壁の空孔を閉塞させる。このため、膜中に残存したフッ素は多孔質層間絶縁膜にボイドを発生させたり、多層配線プロセス中で再放出し、配線材料を腐食する要因になる。
第2の課題は、多孔質層間絶縁膜と隣接膜との密着性の劣化である。トランジスタの微細化と集積化に対応した配線構造の多層化は、積層膜を構成する異種材料界面での応力集中が増大する。このため、特に多孔質層間絶縁膜とこれに隣接する膜との密着性は劣化する傾向にある。プロセスの観点からは、CMP工程でのハードマスクと多孔質層間絶縁膜との密着性が重要である。また、ダイシングやパッケージング、ワイヤボンディングなどの半導体素子の実装工程でも大きな応力が負荷されるため、密着強度の改善は重要な課題である。
特許文献3はこれらの課題を解決するために考案されたものであるが、特許文献3記載の従来技術では、密着層としてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を下地と層間絶縁膜の界面に挿入している。しかし、これらの密着層は誘電率が極めて高い材料であるため、結果的に配線構造全体の実効的な誘電率を大幅に増加させることになる。また、下地上にシリコンのダングリングボンドを形成するプロセスも開示している。しかし、ダングリングボンド形成後は層間絶縁膜を形成するために基板を大気中に開放するため、結果的に下地表面にはシリコン酸化膜が形成され、誘電率を増加させることになる。
第3の課題は、膜強度の劣化である。多孔質層間絶縁膜は膜中に空孔を導入しているため、必然的に膜強度が劣化する。先述したように、配線多層化とボンディング等の実装工程では強い応力や機械的な衝撃が配線構造内に加わる。このため、機械的に脆弱な多孔質層間絶縁膜は膜破壊を発生する。特許文献4はこれらの課題を解決するために考案されたものである。特許文献4記載の従来技術は、電子線照射により塗膜の焼成時間を大幅に短縮し、かつ高強度化を実現している。しかし、塗膜による空孔形成は空孔の核となる揮発性分子を焼成段階で揮発させる。このため、空孔は貫通孔になりやすく、空孔径制御が困難であるという欠点がある。つまり、ガスが水分、メタルの拡散効果が大きい。したがって、膜強度の改善と空孔に起因した拡散現象の抑制を両立することが困難となる。
以上のように、空孔起因の拡散現象の抑制、密着性の改善、膜強度の改善、の3つの課題を同時に満たす配線構造並びに半導体装置及びその製造方法は提案されていなかった。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、半導体装置の実効的な誘電率を上昇させることなく、多孔質層間絶縁膜の空孔が起因する拡散現象、隣接膜との密着性、および膜強度の劣化を回避した高信頼性の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する。
上記配線構造において、前記第2の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は1nm以下であることを特徴とする。また、上記配線構造において、前記第1の多孔質層間絶縁膜の構成元素は、前記第2の多孔質層間絶縁膜の構成元素と同一であることを特徴とする。さらに、上記配線構造において、前記第1および第2の多孔質層間絶縁膜は炭素と水素を含有したシリコン酸化膜からなることを特徴とする。
上記配線構造において、前記第2の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率は前記第1の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率よりも小さく、かつ前記第2の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対する酸素原子数比率は前記第1の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対する酸素原子数比率よりも大きいことを特徴とする。
上記配線構造において、前記第2の多孔質層間絶縁膜は前記金属配線材料を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜の側壁に形成されることを特徴とし、前記第2の多孔質層間絶縁膜の膜厚は5nm以上であることを特徴とする。
上記配線構造において、前記ビアプラグ側面を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線側面を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に第3の多孔質層間絶縁膜が形成されることを特徴とする。また、前記ビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に形成される前記第3の多孔質層間絶縁膜は5nm以上30nm以下であることを特徴とする。
上記配線構造において、前記ビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に形成された5nm以上30nm以下の前記第3の多孔質層間絶縁膜と、前記金属配線材料を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜の側壁に5nm以上の前記第2の多孔質層間絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
上記配線構造において、前記第3の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は、前記第1の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きく、かつ、前記第2の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は、1nm以下で、前記第3の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいことを特徴とする。
上記配線構造において、前記配線溝および前記ビアホールの開口径が上方から下方に向けて小さくなるテーパー形状であることを特徴とする。
上記配線構造において、前記ビアプラグ側面を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜の全体もしくは、前記配線側面を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜の全体、またはその両方に、第4の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記第4の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は前記第1の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいことを特徴とする。
上記配線構造において、前記配線側面を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜が環状SiO結合を含む材料からなり、かつ前記環状SiO結合の側鎖にハイドロカーボンが結合していることを特徴とする。また、前記環状SiO結合は6員環もしくは8員環を形成していることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、上述の配線構造が複数層構造を形成し、該複数層配線構造にトランジスタが実装されたことを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、複数層構造の配線に実装されたトランジスタを有する半導体装置を製造する方法であって、半導体素子上にバリア絶縁膜及び多孔質層間絶縁膜が形成され、前記多孔質層間絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線材料を埋設して形成された配線およびビアプラグを有する半導体装置の製造工程において、前記バリア絶縁膜を開口する前に前記多孔質層間絶縁膜の少なくとも一部に電子線もしくは紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする。
前記半導体装置の製造方法において、前記多孔質層間絶縁膜をエッチングし、開口部を形成した後に、上記開口部側壁に、電子線もしくは紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする。
また、前記半導体装置の製造方法において、ビアプラグ側面を取り囲む層間絶縁膜(以下、ビア層間絶縁膜)の成膜後、もしくは、配線側面を取り囲む層間絶縁膜(以下、配線層間絶縁膜)の成膜後、またはその両方の成膜工程後に電子線もしくは紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする。
さらに、前記半導体装置の製造方法において、ビア層間絶縁膜の成膜後、もしくは、配線層間絶縁膜の成膜後、またはその両方の成膜工程後に電子線もしくは紫外線を照射する第1の照射工程と、上記配線層間絶縁膜およびビア層間絶縁膜をエッチングし、開口部を形成した後に、上記開口部側壁に、電子線もしくは紫外線を照射する第2の照射工程と、を含むことを特徴とする。
前記半導体装置の製造方法において、前記電子線を照射する工程における、電子の到達エネルギーは0.25keV以上20keV以下であり、紫外線を照射する工程における、紫外光の波長は150から275nmであることを特徴とする。
また、前記半導体装置の製造方法において、前記電子線もしくは紫外線を照射する工程時の半導体装置の基板温度は、200℃から450℃に設定することを特徴とし、さらに、前記半導体装置の製造方法において、電子線もしくは紫外線を照射する工程時に、半導体装置の基板を傾斜し、かつ回転させながら、照射を行うことを特徴とする。
さらに、前記半導体装置の製造方法において、少なくとも前記配線側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜は、前記ビアプラグ側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜よりも空孔径が小さい絶縁膜、もしくは前記ビア層間絶縁膜よりもシリコン原子に対するカーボン原子数比率が大きな絶縁膜を適用することを特徴とする。前記配線層間絶縁膜は、空孔径は0.5nm以下であること、シリコン原子数に対するカーボン原子数比率は3以上であることを特徴とする。また、前記配線層間絶縁膜は環状SiO結合を含む材料からなり、かつ前記環状SiO結合の側鎖にハイドロカーボンが結合していることを特徴とする。前記環状SiO結合は6員環もしくは8員環を形成していることを特徴とする。
図2は電子線および紫外線照射装置の概略図である。
図3は多孔質絶縁膜の比誘電率と膜強度の紫外線照射時間依存性を示すグラフである。
図4は電子線照射および紫外線照射後の比誘電率と膜強度の関係を示すグラフである。
図5は電子線照射および紫外線照射後の密着性評価結果を示すグラフである。
図6は電子線照射および紫外線照射後の膜強度と密着強度の比誘電率依存性を示すグラフである。
図7はFTIRスペクトルの紫外線照射時間依存性を示すグラフである。
図8は電子線照射および紫外線照射による平均空孔径の膜強度依存性を示すグラフである。
図9は多孔質膜の高強度化機構を示した概略図である。
図10は多孔質絶縁膜中に拡散する水の吸蔵量と誘電率増加量の平均空孔径依存性を示すグラフである。
図11は本発明の第1の実施の形態を示す断面構造図である。
図12は本発明の第1の実施の形態を示す断面構造の拡大図である。
図13は本発明の第1の実施の形態を示す断面構造図(垂直開口形状)である。
図14は本発明の第1の実施の形態を示す断面構造図(テーパー形状)である。
図15は本発明の第1の実施の形態を示す断面構造図(傾斜回転)である。
図16は電子エネルギーと相互作用の関係を示すグラフである。
図17は電子進入深さの電子エネルギー依存性を示すグラフである。
図18は本発明の第2の実施の形態を示す半導体装置の製造方法に関する断面構造図である。
図19は本発明の第2の実施の形態を示す断面構造の拡大図である。
図20は本発明の第2の実施の形態を示す断面構造図である。
図21は本発明の第3の実施の形態を示す半導体装置の製造方法に関する断面構造図である。
図22は本発明の第3の実施の形態を示す断面構造図である。
図23は本発明の第3の実施の形態を示す断面構造図である。
図24は本発明の第4の実施の形態を示す断面構造である。
図25は膜Aおよび膜Bの膜収縮率の電子線照射時間依存性である。
図26は膜Aおよび膜Bの膜収縮率の上層膜厚依存性である。
図27は膜Aおよび膜Bの高強度化機構を示した概略図である。
図28は膜Aおよび膜BのFTIRスペクトルのUV波長依存性である。
図29は膜Aおよび膜BのUV照射時の脱ガス特性である。
図30は従来技術による半導体装置の製造方法に関する断面構造図である。
図31は従来技術による配線断面構造の拡大図である。
(第1の実施の形態)
図1を参照すると、本発明の第1の実施の形態として半導体装置の製造方法に関する断面図が示されている。図1(a)に示すように、まず、Cuに対する拡散耐性を有するバリア絶縁膜1上に、ビア層間絶縁膜2、エッチングストッパー3、配線層間絶縁膜4、ハードマスク5を順次堆積する。ここで、バリア絶縁膜1は、Cuに対する強い拡散耐性を有する材料が適している。たとえば、SiCNやSiN、SiC、SiOC、ベンゾシクロブテン等が望ましい。
また、ビア層間絶縁膜2および配線層間絶縁膜4は、平均的な空孔径が1nm未満で、カーボンと水素を含有したシリコン酸化膜(SiOCH)を用いる。なお、ビアおよび配線層間絶縁膜は上記条件を満たしていれば異種材料であっても良い。層間絶縁膜の形成方法は、塗布法とCVD法の2種類が一般的である。塗布法は、膜の骨格となる主たるモノマー中に、空孔の核となる揮発性分子を含有させてスピンコートした後に揮発性分子を焼成段階で揮発させるため、空孔は通常1nm以上の不均一な貫通孔になりやすく、空孔径制御が困難であることが特徴である。一方、CVD法によって形成される層間絶縁膜は1nm未満の均一な空孔制御が可能である。したがって、ビアおよび配線層間絶縁膜には、CVD法による絶縁膜を用いることが好適である。なお、ここでは、0.6nmの平均空孔径を含有する多孔質膜を用いた。
エッチングストッパー3については、多孔質層間絶縁膜に対してエッチング選択比の高い材料を用いる。例えば、SiO2、SiCN、SiN、SiC、SiOC等が挙げられるが、配線構造の実効誘電率を低減するためには、できるだけ誘電率の低い材料を選択することが望ましい。また、ハードマスク5はCMP(Chemical Mechanical Polishing)耐性に優れた材料を用いる(例えばSiO2、SiCN、SiN、SiC、SiOC等が挙げられる)。
次いで、図1(b)に示すように、フォトレジストとフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、ビアホール7および配線溝6からなるデュアルダマシン溝を形成する。デュアルダマシン溝の形成方法には、ビアを先に開口し、開口したビア上面にフォトレジストを塗布して配線用の配線溝を形成するビアファーストプロセスと、配線溝(トレンチ)を先に開口し、開口した配線溝上面にフォトレジストを塗布してビアホールを形成するトレンチファーストプロセスがあるが、本発明の場合にはどちらの手法を用いても同様な効果が得られる。
次に、図1(c)に示すように、基板の上方から電子線もしくは紫外線8を照射し、5nm以上の多孔質変質層9を形成する。上記多孔質変質層9は、電子線および紫外線照射前に層間絶縁膜中に含まれる空孔径よりも大きく、1nm以下であることを特徴とする。
次に、図1(d)に示すように、ビアホール底のバリア絶縁膜1をエッチバックした後、多孔質変質層9で覆われたビアホール7および配線溝6、そしてハードマスク表面5の全面に渡ってバリアメタル10としてTa/TaNの積層膜をPVD(Physical Vapor Deposition)法によって、それぞれ形成する。バリアメタル10は、上記の他に、Ti等の金属およびその窒化物、またはそれらの積層したものでも良い。また、成膜手法としてはPVD以外に、ALD(Atomic Layer Deposition)等の方法を採用することも可能である。バリアメタル形成後は、大気中に暴露することなく連続してスパッタリング法にてCuシード層を堆積し、その後、その上層にめっき法によりCu膜11を堆積する。このようにして、ビアホール7に金属配線材料が埋設されてビアプラグが形成され、配線溝6に金属配線材料が埋設されて配線が形成される。
次に、図1(e)に示すように、ハードマスク5上に堆積した余分なバリアメタルとCu膜は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程によって除去および平坦化される(図1(d))。なお、Cu膜には必要に応じてTi、Al、Sn、Ag等の異種金属を含有したCu合金を用いてもよい。
なお、本実施の形態におけるビア層間絶縁膜2及び配線層間絶縁膜3は、本発明の第1の多孔質層間絶縁膜に相当し、本実施の形態における多孔質変質層9は、本発明の第2の多孔質層間絶縁膜に相当する。ビア層間絶縁膜2及び配線層間絶縁膜3に紫外線又は電子線を照射して多孔質変質層9を形成しているため、ビア層間絶縁膜2と多孔質変質層9、配線層間絶縁膜4と多孔質変質層9、の構成元素は同一である。このような層間絶縁膜は、半導体素子上に形成される。また、本発明における上下、上方等の語は、図1に示すような製造状態における上下等を示す。
次に、本発明の特徴である電子線もしくは紫外線照射による多孔質変質層の形成法と効果およびその機構について、基礎的な実験データに基に説明する。図2は電子線もしくは紫外線照射装置12の概略図である。電子線8および紫外線8は、サンプル15の上方に設置される電子線源もしくは紫外線源から照射窓13を介して半導体素子上に形成された層間絶縁膜に照射される。半導体基板はヒータステージ14によって加熱可能である。また、装置内は真空ポンプ16によって排気される。また、装置内はガス導入口17から不活性ガス等を導入することが可能である。電子線および紫外線の照射エネルギー、照射量、照射時間は適宜調整することが可能である。
上記構成の装置にて、図1(c)のビアホールおよび配線溝の開口部側壁に電子線もしくは紫外線を照射し、5nm以上の多孔質改質層を形成する。
開口部側壁に形成される上記多孔質変質層の特徴は、以下の通りである。第1に、多孔質変質層の機械的強度が高いことである。第2に、多孔質変質層と隣接膜との密着性が高いことである。第3に、多孔質変質層中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率が減少し、かつシリコン原子数に対する酸素原子数比率が増加するように制御されていることである。第4に、多孔質変質層に含有する平均空孔径が1nm以下であり、かつ層間絶縁膜の平均空孔径よりも大きくなるように制御されていることである。第5に、ビアホールおよび配線溝の側壁近傍に吸着したエッチングガスが効果的に除去されていることである。
以下では、上記の特徴を裏付ける基礎的な実験結果を基に多孔質変質層導入による本発明の効果を詳細に説明する。
第1の特徴に関して、図3は、紫外線を照射した際の多孔質絶縁膜の比誘電率と膜強度の照射時間依存性である。ここでは、シリコン基板上に、先述したCVD法によって形成したカーボンと水素を含むSiOCH膜を200nm形成したサンプルを用いた。平均空孔径は0.6nmである。誘電率は紫外線の照射時間が3分間程度の場合にはほとんど依存せずに一定であるが、3分以上の照射時間では徐々に増加する傾向を示した。一方、膜強度は照射時間とともに大きく増加した。
図4は、図3の結果をもとに比誘電率と膜強度の関係をプロットしたグラフである。なお、図4には電子線照射による結果も合わせて示している。紫外線と電子線照射による誘電率の膜強度依存性は良く対応しており、同一の効果が得られることを示している。図中の黒丸(●)は電子線および紫外線照射を行っていない比誘電率3.1のSiOCH組成の絶縁膜である。同一膜強度(13GPa)にて、これらの絶縁膜を比較した場合、電子線もしくは紫外線を照射した多孔質絶縁膜の比誘電率は2.7程度であり、大幅な低誘電率化を達成することが可能になる。したがって、電子線もしくは紫外線の照射は、低誘電率を維持しながら多孔質絶縁膜の機械的強度を大幅に向上することができる。
第2の特徴に関して、図5は積層構造(エッチストッパー/多孔質絶縁膜/バリア絶縁膜)の電子線および紫外線照射による密着強度を評価した結果である。エッチスストッパーとしてSiO2を用い、バリア絶縁膜としてSiCNを用いた。なお、上層のSiO2は多孔質絶縁膜に電子線もしくは紫外線を照射した後に形成した。密着強度はm−ELT(modified Edge Lift−off Test)にて評価した。剥離箇所は、全て多孔質絶縁膜/バリア絶縁膜界面であり、相対的にこの界面の密着性が低い。しかしながら、電子線および紫外線照射によって、多孔質絶縁膜/バリア絶縁膜界面の密着強度は1.5倍程度まで増加した。図6は膜強度と密着強度の比誘電率依存性である。図中の黒丸(●)は電子線および紫外線照射を行っていないCVD法によるSiOCH組成の絶縁膜である。電子線もしくは紫外線を照射することで、低誘電率にて膜強度と密着性の大幅な改善が確認された。
第3の特徴に関して、図7はFTIR(Fourier Transform Infrared)を用いた膜組成の紫外線照射時間依存性である。スペクトルは紫外線照射時間が増加するほど、上方にシフトさせて図示している。照射前のFTIRスペクトルには、カーボンと水素がメチル基(CH3)をなしてシリコン原子に結合するSi−CH3ピーク(1270cm−1)と膜の主たる骨格であるSiO−Si結合に帰属したピーク(1000−1200cm−1)が見られる。紫外線照射時間が増加すると、上記Si−CH3ピークが減少して、新たにSiH結合に帰属するピーク(2200cm−1)が増加する傾向を示す。つまり、紫外線の照射エネルギーによってメチル基が解離し脱離するとともに、解離した水素原子の一部がシリコンのダングリングボンドを終端していることを意味する。
また、図7中の挿入図に示すように、SiO−Siの2つに分裂したピークは照射時間とともにケージ型の結合からネットワーク型のSiO−Siに変化する。この変化は、孤立した短距離SiO−Siの結合がクロスリンクして強固な長距離のネットワークを形成することを示している。これらのメチル基の脱離とSiO−Siのネットワーク化は電子線照射の場合にも同様に見られた。また、光電子分光スペクトル(XPS)によって、照射後の多孔質変質層中の原子組成を評価した結果、表1に示すように、両照射共通にシリコン原子数に対するカーボン原子数比率は減少し、かつシリコン原子数に対する酸素原子数比率が増加する傾向を示した。これらの原子組成比は、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)に搭載されるEDX(Energy Dispersive X−ray)やEELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)等の手法を用いることで、微細配線構造内に形成された多孔質変質層の化学組成分析を行うことで確認することも可能である。
第5の特徴に関して、エッチング後の側壁近傍にはエッチングガスであるフッ素系のガスが吸着しているが、これらは5nm以上の多孔質変質層を形成する過程で効果的に除去することが可能である。このような除去効果の要因としては電子や紫外光による脱離のアシスト効果と空孔径が増加することによる脱離経路の増加が挙げられる。フッ素系エッチングガスの除去によって金属配線材料との反応による腐食等の問題を回避することができる。
以上、5つの特徴について説明したように、電子線もしくは紫外線照射による層間絶縁膜開口部の多孔質変質層の形成は、図11にも示すように、低誘電率を維持しつつ配線材料11を取り囲むように高強度化した変質層9が支柱のように形成される。このため、ワイヤボンディング等の機械的な衝撃に対して強い耐性を示す。なお、多孔質変質層の機械強度は、ガス拡散耐性の観点から、1nm以下の平均空孔径によって制約を受ける。即ち、図8に示したように約17.5GPaがその上限になる。従来と比較すると、3.5倍の機械強度を有する支柱が配線材料を取り囲んでいることになる。
また、密着性に関しては、図11中の楕円領域18で囲んでいる配線構造の領域全てが高密着性化する。図12に多孔質変質層9付近の断面拡大図を示す。層間絶縁膜とバリアメタルとの密着性に関しては、多孔質変質層9を形成することで、変質層を形成しない場合と比較して、空孔19の増大に伴う微細な凹凸が形成されるため、図12に示すようなアンカー効果によってバリアメタル10との密着性を改善することができる。また、本発明では多孔質変質層の平均空孔径を1nm以下に設定しているため、従来例(図31)に示したようなバリアメタルの被覆性不良は生じることはない。また、CMP工程における剥離箇所はバリアメタルに隣接したハードマスクと配線層間絶縁膜のエッジ部分であった。しかし、多孔質変質層を形成することで、この界面の密着性も大きく改善し、配線試作を行う上では充分なCMP耐性を確保することができる。また、層間絶縁膜とバリア絶縁膜との密着性は、先述したように縦方向の積層構造の中で最も密着性の低い界面であるが、およそ1.5倍の高強度化を達成することができる(図5)。
このように、本発明の効果は、低誘電率を維持しながら、高膜強化、高密着性化、空孔に起因した拡散現象の抑制、金属配線材料腐食等の問題を回避し、高信頼性の配線構造即ち半導体装置を形成することが可能である。
次に、上記効果を得るための最適な電子線および紫外線照射条件について説明する。微細かつアスペクト比の高い配線溝とビアホールの各側壁に多孔質変質層を形成するには、電子線および紫外線を上記側壁に対して効果的に照射する必要がある。紫外線は発散光であるため、垂直形状に形成された開口部側壁にも到達し、変質層の形成が容易である。電子線照射の場合は電子ビームの指向性は強いが、図13に示すように絶縁膜であるハードマスク15表面に電子20がチャージアップする。このため、開口部近傍に入射した電子は軌道が曲げられ、開口部側壁にも到達し、8nm程度の多孔質変質層を形成することができる。ただし、より側壁への照射効果を高めるには、図14に示すようなテーパー形状のビアホールおよび配線溝を形成することも可能である。また、図15に示すように、半導体装置の基板を傾斜し、回転させながら電子線を照射することでも効果的に側壁部に多孔質変質層を形成すること、および制御することが可能である。例えば、配線溝の最小幅がビアホールの幅と同一の場合、ビアホール底からトレンチ溝上部までの高さをh、両者の溝幅をwとすると、tanθ>w/hを満たす入射角θにて照射を行うことで、ビアホール底部にも充分な照射効果を得ることができる。なお、ここでは半導体装置の基板を傾斜させた場合を示したが、電子線源自体を傾斜させて照射しても良い。また、図14および図15に示した電子線の照射方法は紫外線照射時に適用しても良い。
電子線および紫外線の照射エネルギーは、多層膜絶縁膜中のメチル基の脱離とSiO−Si結合の組み換えが生じるだけの充分なエネルギーを加える必要がある。SiOの結合エネルギーは、周辺の結合種の種類やそれらの結合状態によって変化するが、概ね4.5eVから8.5eVで、Si−CH3の結合エネルギーよりも大きい。したがって、SiOの結合エネルギーに相当するエネルギーを実質的に与えれば、多孔質変質層を形成することができる。紫外線の場合は、上記SiOの結合エネルギーに相当する150から275nmの波長を有する紫外光を照射することが望ましい。
一方、電子線照射エネルギーに関しては、電子ビームの指向性をある程度確保するために通常、数keV程度の高エネルギーになり、物質との相互作用は紫外線のような光照射の場合とは異なる。図16は電子エネルギーを変化させた場合の電子と物質との相互作用の一般的な関係である。電子のエネルギーが増加するにしたがって相互作用は促進されるが、あるエネルギー以上では電子は物質と相互作用することなく、通過する。例えば、SiOCH組成の多孔質絶縁膜の場合では、50keV以上のエネルギーを持つ電子線照射では多孔質変質層が形成されないことを実験的に確認した。よって、電子エネルギーの上限は50keVとなる。
また、電子のSiOCH組成の絶縁膜への進入深さは、モンテカルロシュミレーションの結果から、図17に示すように、電子エネルギーの増加とともに増加する。本発明にて効果が得られる5nm以上の多孔質変質層を形成するには、少なくとも電子の進入長を5nm以上にする必要がある。つまり、電子のエネルギーの下限は0.25keVに制御することが望ましい。したがって、半導体装置の基板(変質させる各絶縁膜)に到達する際の電子エネルギーは、0.25keV以上で50keV以下が適している。ただし、電子エネルギーが過度に増加すると、図13に示したようなチャージアップによる開口部内での電子軌道の変化が生じにくくなる。このため、電子エネルギーの設定としては、0.25keV以上20keV以下がより望ましい。
なお、図17にも示したように、上限エネルギーである20keVの電子線が照射された場合、電子は基板深くまで進入するが、多孔質変質層の形成過程ではメチル基の脱離が不可欠である。このため、メチル基が脱離しやすい開口部側壁、即ち多孔質絶縁膜が露出している配線溝およびビアホール側壁から選択的に変質層が形成されることになる。
紫外線照射の場合も同様な機構により、開口部側壁から多孔質変質層が形成される。多孔質変質層の膜厚は、電子線照射の場合はドーズ量や電子加速電圧、基板温度、処理時間を適宜制御することによって調整することができる。また、紫外線照射の場合には上記範囲内での波長、パワー密度、基板温度、処理時間を適宜制御することによって調整することができる。
また、電子線および紫外線照射時の基板温度の設定に関しては、解離したメチル基を膜中から脱離するために高温にする必要がある。処理時間の観点からは高温の方が短時間で処理が終了するため、スループットの向上になる。しかし、高温になりすぎると、多層配線構造における微細なビア中のCuが過度の熱ストレスを受けて断線する場合もあるため、温度の上限は450℃以下に制約される。以上のように、高スループット化と配線信頼性の観点から、基板温度は200℃から450℃が好適である。また、照射時の雰囲気は真空でも良いが、基板からの脱ガスによる装置内壁への炭化水素等の堆積を軽減するために、ガス導入口からArやHe等の不活性ガスを導入することが望ましい。
図1(a)に示すように、まずCuに対する拡散耐性を有するバリア絶縁膜1として30nmのSiCN上に、SiOCH組成でかつ0.6nmの平均空孔径を含有したビア層間絶縁膜2をCVD法にて150nm形成し、その上にエッチングストッパー3としてSiO2を30nm形成する。その上層に、SiOCH組成でかつ0.6nmの平均空孔径を含有する配線層間絶縁膜4をCVD法にて150nm形成し、ハードマスク5としてSiO2を30nm順次堆積する。ここでは、配線層間絶縁膜4とビア層間絶縁膜2は同一材料用いた。
次いで、図1(b)に示すように、フォトレジストとフッ素系ガスCF4を用いた反応性イオンエッチングによるビアファーストプロセスを用いてビアホール7およびトレンチ溝6からなるデュアルダマシン溝を形成する。ビア径と配線幅は100nmである。
次に、図1(c)に示すように基板の上方から電子線もしくは紫外線8を照射し、5nm以上の多孔質変質層9を開口部側壁に形成する。電子線照射を行う場合の条件は、電子のエネルギーを7keVに制御し、5分間の処理を行った。また、紫外線照射を行う場合の条件は、中心波長が222nmの紫外光を用いて5分間の処理を行った。両照射ともに、基板温度は350℃で、6650PaのHeガス中にて処理を行った。
次に、図1(d)に示すように、ビアホール7の底のバリア絶縁膜SiCNをエッチバックした後、多孔質変質層9で覆われたビアホール7および配線溝6、そしてハードマスク表面5の全面に渡ってバリアメタル10としてTa/TaNの積層膜をPVD(Physical Vapor Deposition)法によって、それぞれ10nm、5nm形成する。バリアメタル形成後は、そのまま大気中に暴露することなくスパッタリング法を用いて厚さ50nmのCuシード層を堆積し、その後、その上層にめっき法によりCu膜11を堆積する。
次に、図1(e)に示すように、ハードマスク5上に堆積した余分なバリアメタルとCu膜は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程によって除去および平坦化される(図1(d))。
なお、本実施例では電子線照射工程もしくは紫外線照射工程をバリア絶縁膜SiCNのエッチバック工程前に行っているが、上記照射工程はバリア絶縁膜のエッチバック工程後に行うことも可能である。ただし、前記照射工程をバリア絶縁膜のエッチバック後に行った場合には、照射工程時に発生するアウトガスがエッチバックにより開口されたバリア絶縁膜1の下層Cu膜(図示せず)表面に付着し、Cu表面を変質させる。さらに、照射工程をバリア絶縁膜のエッチバック後に行った場合には、バリア絶縁膜のエッチバック前にビア層間絶縁膜2と配線層間絶縁膜4の開口部側壁が高強度化されていない。このために、エッチバック時にこれらの側壁にサイドエッチングが入りやすくなり、寸法シフトが増大する。したがって、電子線照射工程もしくは紫外線照射工程はバリア絶縁膜SiCNのエッチバック工程前に行うことが望ましい。
配線構造形成後の断面構造をTEMにて観察した結果、ビアおよびトレンチ側壁には8nmから15nm程度の変質層9が観察された。この変質層9をより詳細に観察すると、0.8から1.0nmの直径を有する空孔が確認された。また、EELSによって多孔質変質層9の化学組成分析を行った結果、多孔質変質層9は多孔質層間絶縁膜2、4中と比較して、Siのスペクトルに対する酸素のスペクトルが相対的に増加し、またシリコンのスペクトルに対するカーボンのスペクトルは相対的に減少することが確認された。また、上記配線構造を6層形成し、LSIデバイスとして実装したが、プロセス中の膜剥離等の不具合は見られず、従来に比べ歩留まりが30%以上改善した。また、電気特性に関しても実効誘電率はほとんど変わらずに、安定した配線特性を示すことを確認した。
(第2の実施の形態)
図18は本発明における第2の実施の形態を説明するための半導体装置製造方法に関する断面構造図である。
図18(a)に示すように、まずCuに対する拡散耐性を有するバリア絶縁膜1上に、ビア層間絶縁膜2を形成する。バリア絶縁膜1は、Cuに対する強い拡散耐性を有する材料が適している。たとえば、SiCNやSiN、SiC、SiOC、ベンゾシクロブテン等が望ましい。ビア層間絶縁膜2は、平均的な空孔径が1nm未満で、カーボンと水素を含有したシリコン酸化膜(SiOCH)を用いる。ここでは、CVD法によって形成した平均空孔径が0.6nmの多孔質層間絶縁膜を用いた。
上記ビア層間絶縁膜2を形成後、図18(b)に示すように、基板の上方から電子線もしくは紫外線8を照射し、ビア層間絶縁膜2全体にわたって第1の多孔質変質層21を形成する。上記第1の多孔質変質層21に含まれる空孔は、電子線および紫外線8照射前に多孔質層間絶縁膜中に元々含まれる空孔径よりも大きく、1nm未満であることを特徴とする。
次に、図18(c)に示すように、エッチングストッパー3、配線層間絶縁膜4、ハードマスク5を順次堆積する。エッチングストッパー3については、多孔質層間絶縁膜に対してエッチング選択比の高い材料を用いる。例えば、SiO2、SiCN、SiN、SiC、SiOC等があるが、配線構造の実効誘電率を低減するためには、できるだけ、誘電率の低い材料を選択することが望ましい。ここでは、CVD法によって形成したSiO2を用いた。また、配線層間絶縁膜4は、平均空孔径が1nm未満で、カーボンと水素を含有したシリコン酸化膜(SiOCH)を用いる。配線層間絶縁膜4は、上記条件を満たしていればビア層間絶縁膜と異なる材料であっても良い。ハードマスク5はCMP(Chemical Mechanical Polishing)耐性に優れた材料を用いる(例えば、SiO2、SiCN、SiN、SiC、SiOC等が挙げられる)。
次いで、図18(d)に示すように、フォトレジストとフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、ビアホール7および配線溝6からなるデュアルダマシン溝を形成する。デュアルダマシン溝の形成方法には、ビアを先に開口し、開口したビア上面にフォトレジストを塗布して配線用の配線溝(トレンチ)を形成するビアファーストプロセスと、配線用トレンチ溝を先に開口し、開口したトレンチ溝上面にフォトレジストを塗布してビアホールを形成するトレンチファーストプロセスがあるが、本発明の場合にはどちらの手法を用いても同様な効果が得られる。
次に、図18(e)に示すように、基板の上方から電子線もしくは紫外線8を照射し、5nm以上の第2の多孔質変質層9を開口部側壁に形成する。上記第2の多孔質変質層21は、第1の多孔質変質層9に含まれる平均空孔径よりも大きく、かつ1nm以下であることを特徴とする。上記多孔質変質層9の形成工程では、図14および図15に示したテーパー形状の開口部の適用や傾斜回転法を用いることで、より照射効果を高めることができる。
次に、図18(f)に示すように、ビアホール7の底のバリア絶縁膜1をエッチバックした後、多孔質変質層で覆われたビアホール7およびトレンチ溝6、そしてハードマスク表面5の全面に渡ってバリアメタル10としてTa/TaNの積層膜をPVD(Physical Vapor Deposition)法によって、それぞれ形成する。バリアメタル10は、上記の他に、Ti等の金属およびその窒化物、またはそれらの積層したものでも良い。また、成膜手法としてはPVD以外に、ALD(Atomic Layer Deposition)等の方法を採用することも可能である。バリアメタル10形成後は、そのまま大気中に暴露することなくスパッタリング法を用いてCuシード層を堆積し、その後、その上層にめっき法によりCu膜11を堆積する。
次に、図18(g)に示すように、ハードマスク上5に堆積した余分なバリアメタルとCu膜は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程によって除去および平坦化される。なお、Cu膜には必要に応じてTi、Al、Sn、Ag等の異種金属を含有したCu合金を用いてもよい。
なお、本実施の形態におけるビア層間絶縁膜2及び配線層間絶縁膜3は、本発明の第1の多孔質層間絶縁膜に相当し、本実施の形態における第2の多孔質変質層9は、本発明の第2の多孔質層間絶縁膜に相当する。また、ビア層間絶縁膜2の全体に形成される第1の多孔質変質層21は、本発明の第4の多孔質変質層に相当する。
本実施の形態と先述した第1の実施の形態との違いは、多孔質変質層がビアおよびトレンチ開口部側面だけではなくビア層間絶縁膜21全体にも形成されている点である。このようなビア層間絶縁膜21全体に渡る電子線および紫外線の照射は、バリア絶縁膜とビア層間絶縁膜とのとの密着性をより強化することができる。第1の実施の形態では、図11に示したように、ビア層間絶縁膜2とバリア絶縁膜1との密着性を確保する領域がビア層間絶縁膜2底部周辺のごく一部に限られたが、本実施の形態ではビア層間絶縁膜2とバリア絶縁膜1の全界面に拡張している。ビア層間絶縁膜2とバリア絶縁膜1の界面は、多孔質層間絶縁膜に隣接する界面の中で最も弱いため、配線多層化や実装工程における過度の膜ストレスによって剥離が発生する主要箇所である。特に、スーパーコンピュータ用のMPU素子等では10層以上の積層配線とチップサイズの増加により、ビア層間絶縁膜2とバリア絶縁膜1の界面にはより大きな力学的負荷が生じる。本実施の形態を適用することにより、上記ハイエンドデバイスにおいても充分な信頼性を有する多層配線構造を提供することが可能になる。また、多孔質変質層を施したビア層間絶縁膜21上層に形成されるエッチストッパーとの界面についても、図19に示すように多孔質変質層21を形成することで、空孔19の平均径が増加する。このため、変質層21を形成しない場合と比較して、多孔質層間絶縁膜21上に微細凹凸が形成される。したがって、アンカー効果によってエッチストッパー3とビア層間絶縁膜(多孔質変質層)21との密着性も改善することができる。さらに、ハードマスク5と配線層間絶縁膜4の密着性は第1の実施の形態で述べたように、側壁に形成される多孔質変質層9によって強化されるため、充分なCMP耐性も確保することができる。以上のように、多孔質変質層9、21はデバイスの種類や用途に応じて層間絶縁膜の一部もしくは全体に形成しても良く、例えば、図20に示すようにビア層間絶縁膜2に加えて配線層間絶縁膜4全体に多孔質変質層21を形成しても良い。
(第3の実施の形態)
図21は本発明における第3の実施の形態を説明するための半導体装置製造方法に関する断面構造図である。
図21(a)に示すように、まずCuに対する拡散耐性を有するバリア絶縁膜1上に、ビア層間絶縁膜2を形成する。バリア絶縁膜1は、Cuに対する強い拡散耐性を有する材料が適している。たとえば、SiCNやSiN、SiC、SiOC、ベンゾシクロブテン等が望ましい。ビア層間絶縁膜2は、平均的な空孔径が1nm未満で、カーボンと水素を含有したシリコン酸化膜(SiOCH)を用いる。ここでは、CVD法によって形成した平均空孔径が0.6nmの多孔質層間絶縁膜を用いた。
上記ビア層間絶縁膜2を形成後、図21(b)に示すように、基板の上方から電子線もしくは紫外線8を照射し、前記ビア層間絶縁膜2の表面に第1の多孔質変質層21を形成する。上記第1の多孔質変質層21は、膜厚が5nm以上で30nm以下であり、多孔質層間絶縁膜2中に元々含まれる空孔径よりも大きく、1nm未満であることを特徴とする。
次に、図21(c)に示すように、配線層間絶縁膜4を堆積する。配線層間絶縁膜4は、CVD法によって形成した1nm未満の平均空孔径を含有するSiOCH組成の多孔質絶縁膜である。なお、配線層間絶縁膜4は、上記条件を満たしていれば、ビア層間絶縁膜2と異なる材料であっても良い。次に、上記配線層間絶縁膜4の上方から電子線もしくは紫外線8を照射し、前記配線層間絶縁膜4の表面に第2の多孔質変質層22を形成する。上記第2の多孔質変質層22は、第1の多孔質変質層21と同様に、膜厚が5nm以上で30nm以下であり、多孔質層間絶縁膜中に元々含まれる空孔径よりも大きく、1nm未満であることを特徴とする。
次いで、図21(d)に示すように、フォトレジストとフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、ビアホール7および配線溝6からなるデュアルダマシン溝を形成する。デュアルダマシン溝の形成方法には、ビアを先に開口し、開口したビア上面にフォトレジストを塗布して配線用のトレンチ溝を形成するビアファーストプロセスと、配線溝(トレンチ)を先に開口し、開口したトレンチ溝上面にフォトレジストを塗布してビアホールを形成するトレンチファーストプロセスがあるが、本発明の場合にはどちらの手法を用いても同様な効果が得られる。
次に、図21(e)に示すように基板の上方から電子線もしくは紫外線8を照射し、ビアホール7および配線溝6の開口部側壁に5nm以上の第3の多孔質変質層9を形成する。上記第3の多孔質変質層9は、第1および第2の多孔質変質層に含まれる平均空孔径よりも大きく、かつ1nm以下であることを特徴とする。上記、第1、第2、第3の多孔質変質層の形成工程では、図14および図15に示したテーパー形状の開口部の適用や傾斜回転法を用いることで、より照射効果を高めることもできる。
次に、図21(f)に示すように、ビアホール7の底のバリア絶縁膜10をエッチバックした後、多孔質変質層で覆われたビアホール7および配線溝6、そして第2の多孔質変質層22が形成された配線層間絶縁膜4の全面に渡ってバリアメタル10としてTa/TaNの積層膜をPVD(Physical Vapor Deposition)法によって、それぞれ形成する。バリアメタル10は、上記の他に、Ti等の金属およびその窒化物、またはそれらの積層したものでも良い。また、成膜手法としてはPVD以外に、ALD(Atomic Layer Deposition)等の方法を採用することも可能である。バリアメタル10形成後は、そのまま大気中に暴露することなくスパッタリング法を用いてCuシード層を堆積し、その後、その上層にめっき法によりCu膜11を堆積する。
次に、図21(g)に示すように、第2の多孔質変質層22が形成された配線層間絶縁膜4上に堆積した余分なバリアメタルとCu膜は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)工程によって除去および平坦化される。なお、Cu膜には必要に応じてTi、Al、Sn、Ag等の異種金属を含有したCu合金を用いてもよい。
なお、本実施の形態におけるビア層間絶縁膜2及び配線層間絶縁膜3は、本発明の第1の多孔質層間絶縁膜に相当し、本実施の形態における第3の多孔質変質層9は、本発明の第2の多孔質層間絶縁膜に相当する。また、ビア層間絶縁膜2の表面に形成される第1の多孔質変質層21及び配線層間絶縁膜4の表面に形成される第2の多孔質変質層22は、本発明の第3の多孔質変質層に相当する。
本実施の形態の第1および第2の多孔質変質層の形成は、第1の実施の形態でも述べたように、電子線照射に関しては電子エネルギーを0.25keVから20keVに制御し、ドーズ量や基板温度、処理時間を適宜最適化することで所望の膜厚の多孔質変質層を形成することが可能である。また、紫外線照射に関しても波長やパワー密度、処理時間、基板温度を適宜最適化することで所望の膜厚の多孔質変質層を形成することが可能である。
本実施の形態と先述した第1実施の形態の違いは、エッチストッパー3とハードマスク5が多孔質変質層にて代用されている点である。エッチストッパー3やハードマスク5には、SiO2やSiCN、SiN等の多孔質絶縁膜に対してエッチング選択比が確保できる材料およびCMP耐性を有する高強度な材料が適している。しかし、これらの材料は誘電率が高いため、配線構造全体の実効的な誘電率を増加させることになる。具体的に、SiO2の誘電率は4.2、SiCNは49、SiNは7.5程度である。例えば、比誘電率が2.7(平均空孔径0.8nm、膜強度15GPa)の多孔質変質層21、22をエッチストッパーとハードマスクとしてそれぞれ30nm形成した場合、SiO2をエッチストッパーとハードマスクに用いた場合と比較して、実効的な誘電率を約11%低減させることが可能である。
このように、本実施の形態によれば、従来用いていた高誘電率のエッチストッパーやハードマスクを低誘電率でかつ高強度、高安定性の多孔質変質層で置き換えることにより、多層配線における寄生容量を大幅に低減することができる。したがって、本実施の形態による多層配線を、配線層数が少なく、かつチップサイズの小さい携帯電話やモバイル機器等のローパワーが要求される半導体デバイスに適用することで、高信頼性と高性能化を両立させることができる。
また、本実施の形態は、図22や図23に示すように、第2の実施の形態と組み合わせることも可能である。図22は、ビア層間絶縁膜2の全体に紫外線または電子線を照射して多孔質変質層21とし、配線層間絶縁膜4の上部(表面)に紫外線または電子線を照射して多孔質変質層22を形成した例である。図23は、ビア層間絶縁膜2の全体に紫外線または電子線を照射して多孔質変質層21とし、配線層間絶縁膜4の全体にも紫外線または電子線を照射して多孔質変質層21とした例である。
(第4の実施の形態)
第1から第3の実施の形態では、1組のビアと配線部を有するデュアルダマシンプロセスについて述べたが、実際の多層配線構造では電子線もしくは紫外線を照射する際に、その下層にも配線構造が形成される。したがって、電子線もしくは紫外線照射時に電子や紫外光の深さ制御が不十分な場合には下層の層間絶縁膜に過度のキュア(オーバーキュア)を付加することになる。特に、ビア層間絶縁膜全体にわたって電子線や紫外線を照射し、ビア層間絶縁膜2とバリア絶縁膜1との密着性を改善する場合(図18、図22、図23)には、図24に示すようにあらかじめ形成した配線層間絶縁膜4にオーバーキュアの影響を及ぼす場合がある。先述したように、電子線もしくは紫外線の層間絶縁膜中への進入長は照射条件を適宜調整することで制御することが可能である。しかし、微細化の進行に伴う層間絶縁膜の薄膜化や層間絶縁膜のウェハー面均一性が劣化している場合には侵入長の制御が難しくなり下層へのオーバーキュアが問題となる。本実施の形態は上記オーバーキュアの影響を軽減するための手法である。
第1から第3の実施の形態では主に0.6nmの空孔径を有するSiOCH組成の絶縁膜をビアおよび配線層間絶縁膜として用いたが、キュアに対する感度の異なる2種類の絶縁膜をビアおよび配線層間絶縁膜に適用することでオーバーキュアの影響を回避することができる。
図25は上記2つ膜表面に直接電子線を照射した場合の膜収縮率の処理時間依存性である。明らかに、配線層間絶縁膜用の膜Bの方が膜収縮が小さく、電子線に対する感度が低い。また、図26は実際の配線形成プロセスを模擬して下層膜へのオーバーキュアの影響を評価した結果である。ここでは、図25で示したように電子線を5分間照射した場合の下層膜(AもしくはB)の膜収縮をX線反射率測定によって評価した。膜Aおよび膜Bに直接電子線を照射した場合の膜収縮率は先述したように、膜Bの方が膜収縮は小さい。次に、膜Aおよび膜B上にバリア絶縁膜を30nm形成し、その上層から電子線を照射した場合には、下層膜Aはおよそ9.4%収縮するのに対して、膜Bはほとんど収縮しない。さらに、膜Aおよび膜B上にバリア絶縁膜(30nm)と膜Aを形成し、電子線を照射した場合には最下層Aの膜収縮は7.1%である。一方、最下層に膜Bを適用した場合にはほとんど膜収縮を生じないことがわかる。つまり、表2に示した2つの絶縁膜をビアおよび配線層間絶縁膜に適用することでオーバーキュアの影響を効果的に低減することが可能である。この結果は紫外線を照射した場合にも同様に観察された。膜Aと膜Bはいずれも紫外光の波長が短いほどキュアの効果は大きく、先述したように150から275nmの波長、より望ましくは150から180nmが適している。
上記カーボン原子含有量が多く、空孔径の小さな膜Bを配線層間絶縁膜に用いることでオーバーキュアが抑制される機構は図27に示すように、6員環を有するSiO結合が多くのハイドロカーボンを介して局在する。このために、隣接するSiO結合間距離が大きく、SiO−Siのクロスリンク化が膜Aに比べて生じにくいことが挙げられる。図28に示すように、SiO−Siのクロスリンク化の指標となるFTIRのネットワーク型のSiO−Siピーク強度は膜Aの方が短波長のUV光を照射した場合に顕著に増加する。したがって、ハイドロカーボンの含有量が多いほどキュアに対する感度を低くすることができる。さらに、膜Bは空孔径が0.4nmと極めて小さいために、高強度化(SiO−Siクロスリンク化)で重要となるハイドロカーボンの空孔内への脱離を抑制することができる。
図29は膜Aおよび膜Bに直接UV光を照射した場合の脱ガス特性を評価した結果である。UVキュアによって明らかに膜からのハイドロカーボンの脱離が検出される。具体的に、膜AからはCH3(15m/e)とCH4(16m/e)、膜BからはC2H4が主な脱離種として検出される。しかしながら、図24にも示したようにビア層間絶縁膜2に電子線もしくは紫外線を照射する際には下層配線絶縁膜4は緻密なハードマスク5とバリア絶縁膜1によって外気と遮断されている。空孔径が比較的大きな膜Aは膜中の空孔内にもハイドロカーボンを放出し、SiO結合の組み換えを生じるが、膜Bは空孔径が小さいために空孔内へのガス放出は抑制されることになる。したがって、配線層間絶縁膜には空孔径が小さい、もしくはシリコン原子に対するカーボン原子数比率が大きな絶縁膜を適用することでオーバーキュアの影響を回避しつつビア層間絶縁膜の高強度、高密着性化を実現することが可能である。
本発明の効果が得られる配線層間絶縁膜の空孔径およびシリコン原子数に対するカーボン原子数比率は、各評価手法の誤差を考慮すると概ね、空孔径は0.5nm以下で、シリコン原子数に対するカーボン原子数比率は3以上である。また、膜の材料はSiO結合を有し、膜中のSiO構造はランダムでも良いが、6員環や8員環等の環状構造を有することによってSiO結合をハイドロカーボンを介してより局在させることができる(SiO−Siクロスリンク化を抑制できる)ため、本発明の効果が得られやすい。なお、上記特性を有する配線層間絶縁膜はビア層間絶縁膜Aと比較して膜強度の改善効果は若干低下するが、エッチング開口部側壁の残留エッチングガスの除去、隣接膜との高密着性化等の本発明の効果を充分に達成することができる。
以上の結果から、配線層間絶縁膜とビア層間絶縁膜に膜特性(空孔径、カーボン含有量)の異なる絶縁膜を適用することで、更なる高信頼性と高性能化を実現することができる。
Claims (20)
- 半導体素子上にバリア絶縁膜及び空孔を含有した第1の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記第1の多孔質層間絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線材料を埋設して形成された配線およびビアプラグを有する半導体装置の配線構造において、
前記第1の多孔質層間絶縁膜に第2の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記第2の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は前記第1の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいが、1nm以下に制約され、
前記第2の多孔質層間絶縁膜は前記第1の多孔質層間絶縁膜の側壁に前記金属配線材料を取り囲む支柱として形成されており、
前記第2の多孔質層間絶縁膜と前記金属配線材料との間には、バリアメタルが形成されており、
前記第2の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径の増大に伴うアンカー効果により前記第2の多孔質層間絶縁膜と前記バリアメタルとの間の密着性を向上させることを特徴とする配線構造。 - 請求項1に記載の配線構造において、
前記第1の多孔質層間絶縁膜の構成元素は、前記第2の多孔質層間絶縁膜の構成元素と同一であることを特徴とする配線構造。 - 請求項1又は2に記載の配線構造において、
前記第1および第2の多孔質層間絶縁膜は炭素と水素を含有したシリコン酸化膜からなることを特徴とする配線構造。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の配線構造において、
前記第2の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率は前記第1の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対するカーボン原子数比率よりも小さく、かつ前記第2の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対する酸素原子数比率は前記第1の多孔質層間絶縁膜中のシリコン原子数に対する酸素原子数比率よりも大きいことを特徴とする配線構造。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の配線構造において、
前記金属配線材料を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜の側壁に形成される前記第2の多孔質層間絶縁膜の膜厚は5nm以上であることを特徴とする配線構造。 - 請求項1乃至5のいずれか一項記載の配線構造において、
前記ビアプラグ側面を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線側面を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に第3の多孔質層間絶縁膜が形成され、
前記第3の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は、前記第1の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きく、かつ、
前記第2の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径は、1nm以下で、前記第3の多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きいことを特徴とする配線構造。 - 請求項6に記載の配線構造において、
前記ビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に形成される前記第3の多孔質層間絶縁膜は5nm以上30nm以下であることを特徴とする配線構造。 - 請求項6又は7に記載の配線構造において、
前記ビア層間絶縁膜の表面層もしくは、前記配線層間絶縁膜の表面層、またはその両方の表面層に形成された5nm以上30nm以下の前記第3の多孔質層間絶縁膜と、前記金属配線材料を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜の側壁に5nm以上の前記第2の多孔質層間絶縁膜が形成されていることを特徴とする配線構造。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の配線構造において、
前記配線溝および前記ビアホールの開口径が上方から下方に向けて小さくなるテーパー形状であることを特徴とする配線構造。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の配線構造において、
前記配線側面を取り囲む前記第1の多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜が環状SiO結合を含む材料からなり、かつ前記環状SiO結合の側鎖にハイドロカーボンが結合していることを特徴とする配線構造。 - 請求項10記載の配線構造において、
前記環状SiO結合は6員環もしくは8員環を形成していることを特徴とする配線構造。 - 請求項1乃至11のいずれか一項に記載の配線構造が複数層構造を形成し、該複数層配線構造にトランジスタが実装されたことを特徴とする半導体装置。
- 複数層構造の配線に実装されたトランジスタを有する半導体装置を製造する方法であって、
半導体素子上にバリア絶縁膜及びSiOCH組成の多孔質層間絶縁膜が形成され、前記多孔質層間絶縁膜に形成された配線溝およびビアホールに金属配線材料を埋設して形成された配線およびビアプラグを有する半導体装置の製造工程において、
前記多孔質層間絶縁膜をエッチングして、前記多孔質層間絶縁膜内に開口部を形成する工程と、
前記開口部を形成した後に、前記開口部の側壁に電子線もしくは紫外線を照射することにより、前記側壁に多孔質変質層を形成する工程と、
前記多孔質変質層を形成した後に、前記バリア絶縁膜を開口する工程を有し、
前記多孔質変質層に含有される空孔の径は、前記電子線もしくは紫外線を照射する前に前記多孔質層間絶縁膜に含有される空孔の径よりも大きく、
前記電子線を照射する工程における電子の到達エネルギーは0.25keV以上20keV以下であり、
前記紫外線を照射する工程における紫外光の波長は150nmから275nmであり、
前記電子線もしくは紫外線を照射する工程時の前記半導体装置の基板温度は、200℃から450℃に設定され、
前記電子線もしくは前記紫外線を照射する工程時に、前記半導体装置の基板を傾斜し、かつ回転させながら、照射を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ビアプラグ側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜の成膜後、もしくは、前記配線側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜の成膜後、またはその両方の成膜工程後に電子線もしくは紫外線を照射する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項14に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ビア層間絶縁膜の成膜後、もしくは、前記配線層間絶縁膜の成膜後、またはその両方の成膜工程後に電子線もしくは紫外線を照射する第1の照射工程と、
前記配線層間絶縁膜および前記ビア層間絶縁膜をエッチングし、開口部を形成した後に、前記開口部側壁に、電子線もしくは紫外線を照射する第2の照射工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項13乃至15のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
少なくとも前記配線側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜である配線層間絶縁膜は、前記ビアプラグ側面を取り囲む前記多孔質層間絶縁膜であるビア層間絶縁膜よりも空孔径が小さい絶縁膜、もしくは前記ビア層間絶縁膜よりもシリコン原子に対するカーボン原子数比率が大きな絶縁膜を適用することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項16に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線層間絶縁膜は、空孔径が0.5nm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項16又は17に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線層間絶縁膜は、シリコン原子数に対するカーボン原子数比率が3以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項16乃至18のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線層間絶縁膜は環状SiO結合を含む材料からなり、かつ前記環状SiO結合の側鎖にハイドロカーボンが結合していることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項19記載の半導体装置の製造方法において、
前記環状SiO結合は6員環もしくは8員環を形成していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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