JP6960839B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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- H01L21/76838—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
- H01L21/76841—Barrier, adhesion or liner layers
- H01L21/76843—Barrier, adhesion or liner layers formed in openings in a dielectric
Description
また、非特許文献1には、樹脂の熱分解によるコンセプトにおいては、樹脂の除去温度が下がると当該樹脂の耐熱温度も下がることが開示されている。この中で、PMMAが唯一、配線工程で許容できる温度である400℃において熱除去(Thermal unstuff)できることが示されているが、PMMAの熱安定性が250℃へ低下する。このことは、PMMAによる保護工程中に250℃以上の温度がPMMAに加わり、PMMA膜が変質してしまうため保護膜としては使用が出来なくなることを意味している。
従って非特許文献1に記載された技術は、本発明のように、保護膜の除去温度を超えた熱工程が行われても、当該保護膜が保護膜として機能を有するものではない。
前記低誘電率膜の表面にトレンチをエッチングするためのトレンチ用のマスクを形成する工程と、
その後ビアをエッチングするためのビア用のマスクを形成する工程と、
前記低誘電率膜に対して、重合用の原料を供給して、前記低誘電率膜内の孔部に尿素結合を有する重合体を埋め込む埋め込み工程と、
前記低誘電率膜をエッチングしてビアを形成する工程と、
次いで前記ビア内に有機物からなる保護用の充填物を埋め込む工程と、
然る後、前記低誘電率膜をエッチングしてトレンチを形成する工程と、
次に前記充填物を除去する工程と、
前記トレンチを形成した後、前記基板を加熱して前記重合体を解重合することにより前記低誘電率膜内の孔部から前記重合体を除去する工程と、を含み、
前記孔部に前記重合体を埋め込む工程は、前記トレンチ用のマスクを形成した後、前記ビアを形成する前に行われることを特徴とする。
他の発明の半導体装置の製造方法は、基板上に形成された層間絶縁膜である多孔質の低誘電率膜にエッチングによりトレンチとビアとを形成する半導体装置の製造方法において、
前記低誘電率膜に対して、重合用の原料を供給して、前記低誘電率膜内の孔部に尿素結合を有する重合体を埋め込む埋め込み工程と、
前記低誘電率膜の表面にトレンチ用のマスクを形成する工程と、
前記低誘電率膜を前記トレンチ用のマスクを用いてエッチングしてトレンチを形成する工程と、
次いで前記トレンチ内にビア用のマスクを形成する工程と、
然る後、前記ビア用のマスクを用いて前記トレンチの底部をエッチングしてビアを形成する工程と、
次に前記ビア用のマスクを除去する工程と、
前記トレンチを形成した後、前記基板を加熱して前記重合体を解重合することにより前記低誘電率膜内の孔部から前記重合体を除去する工程と、を含み、
前記ビア用のマスクは、尿素結合を有する重合体であることを特徴とする。
更に他の発明の半導体装置の製造方法は、基板上に形成された層間絶縁膜である多孔質の低誘電率膜にエッチングによりトレンチとビアとを形成する半導体装置の製造方法において、
前記低誘電率膜に対して、重合用の原料を供給して、前記低誘電率膜内の孔部に尿素結合を有する重合体を埋め込む埋め込み工程と、
前記低誘電率膜の表面にトレンチ用のマスクを形成する工程と、
前記低誘電率膜を前記トレンチ用のマスクを用いてエッチングしてトレンチを形成する工程と、
次いで前記トレンチ内にビア用のマスクを形成する工程と、
然る後、前記ビア用のマスクを用いて前記トレンチの底部をエッチングしてビアを形成する工程と、
次に前記ビア用のマスクを除去する工程と、
前記トレンチを形成した後、前記基板を加熱して前記重合体を解重合することにより前記低誘電率膜内の孔部から前記重合体を除去する工程と、を含み、
前記埋め込み工程は、前記トレンチ用のマスクを形成する工程の後に行われることを特徴とする。
他の発明は、低誘電率膜に対して、重合用の原料を供給して低誘電率膜内の孔部に尿素結合を有する重合体(ポリ尿素)を埋め込み、エッチング後に基板を加熱して重合体を解重合するようにしている。従って低誘電率膜のエッチングを行う時には重合体により保護されている。そしてトレンチを形成した後、ビアを形成しているが、ビアを形成した後、当該ビアを形成するためにトレンチ内に形成したマスクを除去するときに、低誘電率膜内にポリ尿素が埋め込まれているので、マスク除去のためのプラズマによるダメージが抑えられる。
半導体装置において、集積回路が形成されている層が複数積層される場合、下層側の回路と上層側の回路とを接続するための配線が埋め込まれるビア(ビアホール)と各層の集積回路の一部をなす配線が埋め込まれるトレンチ(溝部)とを層間絶縁膜に形成する必要がある。
ビア及びトレンチを形成するにあたっては、層間絶縁膜にビアを形成し、次いでトレンチを形成する手法と、トレンチを形成し、次いでビアを形成する手法とがある。本願明細書では、先にビアを形成する手法をビアファーストと呼び、先にトレンチを形成する手法をトレンチファーストと呼ぶことにする。
トレンチファーストの手法においては、トレンチ202を形成し、次いでトレンチ202内に、ビア用のエッチングマスク101を形成し、このマスク101を用いて低誘電率膜20の底部をエッチングしてビア201を形成する。しかる後、トレンチ202内のマスク101をエッチングあるいはアッシングにより除去する。
本発明の第1の実施形態は、ビアファーストの手法に適用した方法である。図2〜図5は、下層側の回路部分に上層側の回路部分を形成する様子を段階的に示す説明図であり、11は下層側の例えば層間絶縁膜、12は層間絶縁膜11に埋め込まれた配線材料である銅配線、13はエッチング時のストッパーの機能を持つエッチングストッパー膜である。エッチングストッパー膜13は、例えばSiC(炭化ケイ素)やSiCN(炭化窒化ケイ素)などにより形成されている。
本実施形態の方法では、基板である半導体ウエハ(以下ウエハという)の表面に、図2(a)に示すように下層側の回路部分が形成され、この回路部分の上に低誘電率膜20が形成されている状態から処理が始まる。
イソシアネートとしては、例えば脂環式化合物、脂肪族化合物、芳香族化合物などを用いることができる。脂環式化合物としては、例えば図7(a)に示すように1,3−ビス(イソシアネートメチル)シクロヘキサン(H6XDI)を用いることができる。また脂肪族化合物としては、図7(b)に示すように、例えばヘキサメチレンジイソシアネートを用いることができる。
アミンとしては、例えば1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン(H6XDA)を用いることができる。
後段の手法を採用した場合には、ウエハWをポリ尿素が解重合する温度に加熱し、ハードマスク32の表面のポリ尿素を除去することによって図2(d)に示す状態が得られる。ポリ尿素は重合と解重合との可逆的平衡反応が成り立っており、温度が高くなると解重合重合が支配的になる。従って解重合が起こると生成されたモノマーが時間の経過と共に気化する。例えば200℃、250℃、300℃の各温度では、ポリ尿素が消失するまでの時間は300℃の場合が最も短い。
従って温度と時間とを選択することにより、低誘電率膜20内だけにポリ尿素を残すことができる。
イソシアネートの蒸気及びアミンの蒸気を用いる手法においては、ウエハWの温度は室温からポリ尿素が解重合する温度よりもわずかに低い温度までの温度範囲に設定され、例えば20℃〜200℃の温度範囲にて重合反応が促進される。
更にまた図9(a)、(b)に示すように、イソシアネートと二級アミンとを用いてもよく、この場合に生成される重合体に含まれる結合も尿素結合である。
そして尿素結合を備えた原料モノマーを重合させてポリ尿素膜を得るようにしてもよい。図10はこのような例を示し、原料モノマーに対して光、例えば紫外線を照射して光エネルギーを与えることにより重合が起こってポリ尿素膜が生成される。この場合、ウエハWに原料モノマーを供給しながら光エネルギーを与えることにより行われる。
低誘電率膜20、この例ではSiOC膜をエッチングする手法としては、C6F6ガスをプラズマ化して得たプラズマにより行うことができ、この場合、更に微量の酸素ガスを添加するようにしてもよい。
次にビア201内に有機物からなる保護用の充填物、この例ではポリ尿素からなる保護用の充填物34を埋め込む。充填物34(ポリ尿素)を埋め込む工程は、回路部分を搭載しているウエハに対して既述のように真空雰囲気で例えばイソシアネートの蒸気とアミンの蒸気とを交互に供給することにより行われる、これによりポリ尿素がビア201内に埋め込まれて充填物34が形成されると共にビア201以外のパターンマスク33の表面にも成膜される(図3(g))。しかる後、既述したようにポリ尿素が解重合する温度までウエハを加熱し、ビア201以外のパターンマスク33の表面に成膜されているポリ尿素(ポリ尿素膜)を除去する(図3(h))。
更にトレンチ用のマスクである、シリコン酸化膜31及びハードマスク32を用いて低誘電率膜20をエッチングしてトレンチ202を形成する(図4(j)。低誘電率膜20、この例ではSiOC膜をエッチングする手法としては、C6F6ガスをプラズマ化して得たプラズマにより行うことができ、この場合、更に微量の酸素ガスを添加するようにしてもよい。このエッチングにより低誘電率膜20と共にポリ尿素からなる充填物34もエッチングされる。なお、ポリ尿素のエッチング速度は低誘電率膜20のエッチング速度よりも遅いことから、低誘電率膜20を予定の深さまでエッチングしたときに充填物34がトレンチ202の底部から少し突出した状態になる。このため例えば酸素ガスをプラズマ化して得たプラズマによりアッシングし、突出した充填物34を除去してトレンチ202を平坦化することができる。
続いてウエハをポリ尿素が解重合する温度例えば350℃に加熱するとアミンに解重合して蒸発し、図4(k)に示すようにポリ尿素からなる充填物34が除去される。ウエハを加熱するにあたっては、ウエハ上に既に形成されている素子部分、特に銅配線に悪影響を与えないようにするためには、400℃未満例えば390℃以下、例えば300〜350℃で加熱することが好ましい。ポリ尿素の解重合を行う時間、例えば300℃〜400℃で加熱する時間は、素子への熱的ダメージを抑えるという観点から、例えば5分以下が好ましい。
また加熱機構としては赤外線ランプ54に限らず、載置台52に設けたヒータであってもよい。
その後、ビア201及びトレンチ202の内面に、後述の導電路である銅が層間絶縁膜20に拡散することを防止するためのバリア層、例えばTiとTiONとの積層膜からなるバリア層35を成膜する(図5(m))。しかる後、ビア201及びトレンチ202に銅36を埋め込み、余分な銅36、バリア層35、シリコン酸化膜31及びハードマスク32をCMP(Chemical Mechanical Polishing)により除去して銅配線36(銅と同じ符号を用いている)を形成する(図5(n))。次いでウエハをポリ尿素が解重合する温度例えば350℃に加熱して低誘電率膜20の孔部21に埋め込まれているポリ尿素を除去し(図5(o))、こうして上層の回路部分が形成される。
低誘電率膜20の孔部21に埋め込まれているポリ尿素を除去する工程は、この例に限られず、例えばエッチングストッパー膜13をエッチングして除去した後(図4(l))、バリア層35を成膜する前に行ってもよい。
図13及び図14に示す変形例は、ハードマスク32によりシリコン酸化膜31にトレンチに対応する開口を形成する工程の前にポリ尿素を低誘電率膜20の孔部21に埋め込む点で第1の実施形態と異なっている。即ち低誘電率膜20を形成した後、ウエハに対して既述のようにしてポリ尿素を真空蒸着する処理を行うことにより、低誘電率膜20の孔部21にポリ尿素を埋め込む(図13(a)、(b))。その後、シリコン酸化膜31を低誘電率膜20の上に成膜し、次いでハードマスク32をシリコン酸化膜31の上に形成し(図13(c))、更にSOCによりビア用のパターンマスク33を形成する(図13(d))。
第1の実施形態では、低誘電率膜20の上のシリコン酸化膜31をエッチングするときにエッチングガスに低誘電率膜20の表面が曝されるが、図13、図14の手法では、シリコン酸化膜31をエッチングするときには既に低誘電率膜20の孔部21内にポリ尿素が埋め込まれているので、エッチングガスによるダメージが低誘電率膜20に発生する懸念がない。
この場合には、低誘電率膜20の表面に充填物34の上面を露出させるアッシング工程において、除去対象の膜がSOCだけであることから、ポリ尿素の残渣が発生するおそれがないなどの利点が期待できる。
本発明の第2の実施形態は、トレンチファーストの手法に適用した方法である。図17(a)は低誘電率膜20の上に、トレンチに対応する開口が形成されたシリコン酸化膜31及びハードマスク32の積層体が形成されていると共に低誘電率膜20の孔部21内にポリ尿素が埋め込まれている状態を示している。ポリ尿素の埋め込みは、前記積層体に開口が形成された後であってもよいし、低誘電率膜20の上にシリコン酸化膜31を成膜する前の段階であってもよい。
加工用マスクは、O2(酸素)ガス、CO2(二酸化炭素)ガス、NH3(アンモニア)ガス、あるいはN2(窒素)ガスとH2(水素)ガスとの混合ガスをプラズマ化して得たプラズマにより反射防止膜37をエッチングすることにより形成することができる。
続いて既述の加工マスクを用いて、SOC膜33及びポリ尿素膜41を例えば酸素ガスをプラズマ化して得たプラズマによりアッシング(エッチング)して、ビア201に対応する部位に開口を形成する(図18(f))。このときトレンチ202の内周面に沿ってポリ尿素膜41が形成された状態になる。
次いでエッチングガスとして既述のように例えばC6F6ガスをプラズマ化して得られるプラズマにより、低誘電率膜20をエッチングしてビア201を形成する(図18(g))。次に、酸素ガスをプラズマ化して得たプラズマによりパターンマスク33をアッシングにより除去し、更にトレンチ202の内周面に沿って形成されているポリ尿素膜41を解重合により除去する(図18(h))。
既述のようにポリ尿素が解重合する温度以上の温度にウエハを加熱し、加熱温度と加熱時間を調整することにより、ポリ尿素膜41が解重合するが、このとき低誘電率膜20においてビア201の内周面に近い部位では、孔部21からポリ尿素が抜ける。
その後の工程は第1の実施形態と同様にして行われる。
図19(a)は図17(b)と同じ状態であり、この状態のウエハの表面にポリ尿素膜41を成膜し(図19(b))、次いで例えばSOCからなるパターンマスクを用いて、ポリ尿素膜41におけるビア201に対応する部位に開口を形成する(図19(c))。続いてポリ尿素膜41をマスクとして低誘電率膜20にビア201を形成する(図19(d))。しかる後、ビア201の底部のエッチングストッパー膜13を既述のようにしてエッチングする(図20(e))。
その後、ウエハを加熱してポリ尿素膜41を解重合により除去し、更に加熱を続けて低誘電率膜20の孔部21内に埋め込まれているポリ尿素を解重合により除去する(図20(f))。そして第1の実施形態の図5(m)、(n)に示すようにバリアメタル35の形成、同配線36の形成を行う。
更にトレンチ202にポリ尿素膜41を埋め込むようにウエハ上にポリ尿素膜41を成膜する(図22(e))。その後、ポリ尿素膜41の上にSOC膜を積層し、レジストによりパターニングを行ってビア201に対応する開口をSOC膜に形成したパターンマスク33を用いてポリ尿素膜41をエッチングする(図22(f))。
続いてポリ尿素膜41及びパターンマスク33を用いて低誘電率膜20をエッチングしてビア201を形成する(図22(g))。次いで既述のようにしてをアッシングして除去し、更にポリ尿素膜41を解重合により除去する(図22(h))。この後は、例えば第1の実施形態と同様の工程が行われる。
SiOCからなる多孔質の低誘電率膜を有する基板に対して、イソシアネートであるH6XDIとアミンであるH6XDAとを交互に気体の状態で3秒ずつ供給すると共にH6XDIの供給工程及びH6XDAの供給工程のうちの一方が終わってから他方が始まる前に窒素ガスによりパージする工程を12秒行い、このサイクルを100サイクル行う成膜処理を行った。この基板について、成膜処理を行う前、成膜処理を行った後、の各々の表面部についてXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopyにより組成を調べたところ、図24及び図25に示す通りであった。
図24(成膜処理前)及び図25(成膜処理後)からから分かるように成膜処理を行うことにより低誘電率膜内のC(炭素)が大幅に増加し、またN(窒素)も増加している。従って成膜処理を行うことにより、低誘電率膜の孔部内にポリ尿素が埋め込まれていることが分かる。
SiOCからなる多孔質の低誘電率膜を有する基板に対して、H6XDIとH6XDAとを交互に気体の状態で3秒ずつ供給し、H6XDIの供給工程及びH6XDAの供給工程のうちの一方が終わってからパージする工程を介在せずに直ぐに他方を行い、このサイクルを100サイクル行う成膜処理を行った。成膜処理後の基板の表面部についてXPSにより組成を調べたところ、図26に示す通りであった。
図26から分かるように、基板の表面から概ね50nmの深さまでポリ尿素膜が形成され、更に深い領域では図25と同様である。このことから低誘電率膜の内の孔部にはポリ尿素が埋め込まれているが、低誘電率膜の表面にポリ尿素膜が積層されていると認識できる。
SiOCからなる多孔質の低誘電率膜を有する基板に対して、H6XDIとH6XDAとを同時に供給して成膜処理を行った。成膜処理後の基板の表面部についてXPSにより組成を調べたところ、図27に示す通りであった。図27から分かるように、基板の表面から概ね25nmの深さまでポリ尿素膜が形成され、更に深い領域では図25と概ね同じである領域が形成されている。このことから、低誘電率膜の内の孔部にはポリ尿素が埋め込まれているが、低誘電率膜の表面には、評価試験2の場合よりも薄いポリ尿素膜が積層されていると認識できる。
評価試験1において、成膜処理後の基板を窒素ガス雰囲気下において280度で5分間加熱した。成膜処理前の基板、成膜処理後の基板について吸光度を調べた結果は図28に示す通りである。図28中、(1)〜(3)は、夫々埋め込み前、埋め込み後、加熱後に対応している。埋め込み後(2)においては、CH結合(矢印a)、CO結合(矢印b)、に対応するピークが見られるが、埋め込み前(1)及び加熱後(3)には、前記ピークは見られない。
従って、既述の成膜処理により低誘電率膜内の孔部にポリ尿素が埋め込まれていること、またポリ尿素の除去処理を行うことで、ポリ尿素が低誘電率膜の中に全く残っていないこと、が裏付けられている。
以上の結果から、原料ガスの供給の手法に応じて、ポリ尿素による低誘電率膜の孔部の埋め込みだけを行ったり、孔部の埋め込みに加えてポリ尿素膜を形成したりすることができることが分かる。
12 銅配線
13 エッチングストッパー膜
W 半導体ウエハ
20 低誘電率膜
21 孔部
31 シリコン酸化膜
32 ハードマスク
33 パターンマスク
34 充填物
35 バリア層
36 銅配線
100 充填物
201 ビア
202 トレンチ
Claims (7)
- 基板上に形成された層間絶縁膜である多孔質の低誘電率膜にエッチングによりトレンチとビアとを形成する半導体装置の製造方法において、
前記低誘電率膜の表面にトレンチをエッチングするためのトレンチ用のマスクを形成する工程と、
その後ビアをエッチングするためのビア用のマスクを形成する工程と、
前記低誘電率膜に対して、重合用の原料を供給して、前記低誘電率膜内の孔部に尿素結合を有する重合体を埋め込む埋め込み工程と、
前記低誘電率膜をエッチングしてビアを形成する工程と、
次いで前記ビア内に有機物からなる保護用の充填物を埋め込む工程と、
然る後、前記低誘電率膜をエッチングしてトレンチを形成する工程と、
次に前記充填物を除去する工程と、
前記トレンチを形成した後、前記基板を加熱して前記重合体を解重合することにより前記低誘電率膜内の孔部から前記重合体を除去する工程と、を含み、
前記孔部に前記重合体を埋め込む工程は、前記トレンチ用のマスクを形成した後、前記ビアを形成する前に行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記充填物は、尿素結合を有する重合体であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記充填物を除去する工程を行った後、ビアの底部に位置するエッチングストッパー膜をエッチングする工程を行い、
前記低誘電率膜内の孔部から前記重合体を除去する工程は、前記エッチングストッパー膜をエッチングする工程の後に行われることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 - 基板上に形成された層間絶縁膜である多孔質の低誘電率膜にエッチングによりトレンチとビアとを形成する半導体装置の製造方法において、
前記低誘電率膜に対して、重合用の原料を供給して、前記低誘電率膜内の孔部に尿素結合を有する重合体を埋め込む埋め込み工程と、
前記低誘電率膜の表面にトレンチ用のマスクを形成する工程と、
前記低誘電率膜を前記トレンチ用のマスクを用いてエッチングしてトレンチを形成する工程と、
次いで前記トレンチ内にビア用のマスクを形成する工程と、
然る後、前記ビア用のマスクを用いて前記トレンチの底部をエッチングしてビアを形成する工程と、
次に前記ビア用のマスクを除去する工程と、
前記トレンチを形成した後、前記基板を加熱して前記重合体を解重合することにより前記低誘電率膜内の孔部から前記重合体を除去する工程と、を含み、
前記ビア用のマスクは、尿素結合を有する重合体であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板上に形成された層間絶縁膜である多孔質の低誘電率膜にエッチングによりトレンチとビアとを形成する半導体装置の製造方法において、
前記低誘電率膜に対して、重合用の原料を供給して、前記低誘電率膜内の孔部に尿素結合を有する重合体を埋め込む埋め込み工程と、
前記低誘電率膜の表面にトレンチ用のマスクを形成する工程と、
前記低誘電率膜を前記トレンチ用のマスクを用いてエッチングしてトレンチを形成する工程と、
次いで前記トレンチ内にビア用のマスクを形成する工程と、
然る後、前記ビア用のマスクを用いて前記トレンチの底部をエッチングしてビアを形成する工程と、
次に前記ビア用のマスクを除去する工程と、
前記トレンチを形成した後、前記基板を加熱して前記重合体を解重合することにより前記低誘電率膜内の孔部から前記重合体を除去する工程と、を含み、
前記埋め込み工程は、前記トレンチ用のマスクを形成する工程の後に行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記重合体を埋め込む工程は、イソシアネートの蒸気及びアミンの蒸気を前記低誘電率膜内に拡散させてイソシアネートとアミンとを重合反応させる工程であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記重合体を解重合する工程は、基板を300℃〜400℃に加熱して行われることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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