JPH1074755A - マイクロエレクトロニク構造および形成方法 - Google Patents
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Abstract
た方法および、特に多層配線を必要とする、過程を提供
する。 【解決手段】 配線14が最初に基板10上にパターン
化されエッチングされる。ヒドロジンシルセスキオキサ
ン(HSQ)等の低k材料がウエーハ表面を横切してス
ピンコートされ配線間の領域を埋める。SiO2 20等
のキャッピング層が低k材料の頂部に形成される。次
に、HSQが加熱硬化される。次に、薄いSiO2 平坦
化層22を形成して平坦化することができる。別の実施
例では、HSQおよびSiO2 プロセスステップを繰り
返して多層HSQとすることができる。
Description
間隔の狭い配線間の容量やシリコントレンチ分離の容量
を低減する方法および構造に関する。特に、本発明はヒ
ドロジンシルセスキオキサン(HSQ)薄膜の硬化中の
クラックを抑制して高温処理に対する抵抗力を得、HS
Qの多孔度を増して比誘電率を低減する方法に関連して
いる。
に要求してきており、デバイス上のさまざまな回路を配
線するのに、7層もの、多層配線を必要とするものが多
い。間隔が狭いと隣接配線間の容量が増加するため、デ
バイスのジオメトリが収縮して密度が増加すると隣接配
線間の容量およびクロストークが一層問題となる。した
がって、比誘電率の低い材料を使用してこの傾向を相殺
し間隔の狭い配線間の容量を低くすることが次第に望ま
しくなってきている。
が、2つの要素、すなわち配線対基板、すなわち配線対
グランド容量および配線間容量が支配的である。デザイ
ンルールが0.25ミクロン以上の超大規模集積の場
合、性能は配線RC遅延により支配され、配線間容量は
総容量に最も寄与する。例えば、幅/間隔が0.3ミク
ロン以下にスケールダウンされると、総容量がその90
%以上を構成する配線間容量により決まってしまうほど
層間容量が低くなってしまうことが理論的なモデリング
により示されている。したがって、配線間容量を低減す
るだけで総容量は非常に効果的に低減される。
的にはおよそ4.0の比誘電率を有するSiO2 であ
る。この材料を比誘電率の低い材料と置換することが望
ましい。ここで使用するように、低い比誘電率すなわち
低kは比誘電率がおよそ3.5よりも低い、好ましくは
3よりも低い、さらに好ましくはおよそ2以下の材料を
意味する。残念ながら、比誘電率の低い材料は既設の集
積回路構造および過程へ集積化するのを困難にする性質
を有している。ポリシルセスキオキサン、パリレン、ポ
リイミド、ベンゾシクロブタンおよびアモルファステフ
ロン等の多くのポリマー材料が低い比誘電率を有してい
る。他の好ましい材料は典型的にテトラエトキシシラン
(TEOS)保存溶液から作られるエーロゲルやキセロ
ゲルである。SiO2 に較べて、これらの好ましい低k
材料は典型的には機械的強度が低く、寸法安定度が悪
く、温度安定度が悪く、吸湿度および浸透度が高く、接
着性が悪く、熱膨張係数が大きく応力レベルが不安定で
ある。これらの属性により、ポリマーや他の比誘電率の
低い材料をそれだけで集積回路過程や構造においてSi
O2 の替わりに使用することは問題である。
3,866(ti−21880)には、HSQおよび他
の比誘電率の低い材料を集積する方法および構造が開示
されている。この出願には低k材料と従来の誘電体の交
番する層からなる多層誘電体スタックを作り出すことが
開示されている。低k膜の層間に挿入した安定化層によ
りより脆い低k材料が衝撃に耐えるようにされる。
I−19738)には、HSQをメサ分離構造として集
積する方法および構造が開示されている。
たような望ましくない性質を有する、比誘電率の低い材
料を集積回路として集積する改良された方法および、特
に多層配線を必要とする、過程が提供される。本発明は
特にヒドロジンシロセスキオキサン(HSQ)等の低k
膜の機械的強度およびクラック抵抗を改善することに関
連している。
硬化温度、硬化環境、硬化時間、および膜厚等の要因に
影響されることが観察されている。これらの条件を制御
することによりクラック抑制はある程度成功している。
ここに開示するのは、よりロバストな製作過程および実
質的にクラックの無い厚いHSQ層を達成するために、
従来技術の方法のプロセスステップを配列し直してHS
Qのクラックをさらに低減する方法である。一般的に、
本発明の過程はHSQを硬化する前に浸透性の機械的に
安定な薄膜で被覆することである。
てエッチングされる。ヒドロジンシロセスキオキサン
(HSQ)等の低k材料がウエーハ表面を横切してスピ
ンコーティングされ、配線間の領域を埋める。HSQは
従来技術の構造で得られるものよりも厚くするのが有利
である。次に、SiO2 等の誘電体安定化キャップ層が
HSQの頂部に形成される。次に、HSQをホットプレ
ート上で加熱して硬化させる。次に、薄いSiO2 平坦
化層を形成して平坦化することができる。別の実施例で
は、HSQおよびSiO2 プロセスステップを繰り返し
て多層HSQとすることができる。
てプロセスステップが付加されないことである。プロセ
スステップは本質的に逐次配列し直され、したがって新
過程の利益を付加するのにコストは付加されない。
て高温(>450℃)過程を使用できることである。例
えば、酸化膜高濃度化およびリフロー等の、高温炉硬化
が可能となり誘電体の無欠性が改善される。
使用して後続する過程の前に酸化膜を“回復”できるこ
とである。
マから保護されるため、必要ならば、不純物により酸素
プラズマアッシングを使用できることである。また、本
発明は前記した参照出願の方法と組み合わせることがで
きる。
を示し、HSQ18は半導体基板10上の配線14間に
堆積されている。HSQはいくつかの周知の方法の1
つ、および前記参照出願に記載された方法により形成す
ることができる。薄い誘電体キャップ層すなわち安定化
層20がHSQ層を被覆している。キャップ層に続いて
付加低k材料層を形成することができる。次に、平坦化
金属間誘電体層22により金属間領域を完成することが
できる。
造で表される本発明の実施例を形成する一連のステップ
を示す。図2aに誘電体層12で被覆された半導体基板
10を示す。本発明の図示する実施例は集積回路上の配
線間の容量を低減することに向けられている。これらの
配線は典型的にはシリコン結晶等の半導体材料のウエー
ハの表面上に作られるアクティブデバイスの頂面上に配
置されるため、半導体基板10は通常半導体デバイスの
アクティブコンポーネントを構成するさまざまな半導体
材料のいくつかの層を含んでいる。簡単にするために、
これらの層およびデバイスは図示しない。誘電体層12
は半導体基板10として一まとめに示す下層のコンポー
ネントや他の材料から金属配線14を絶縁するのに適し
た任意の材料とすることができる。
しくは平坦な誘電体層12上に堆積させて形成される。
アルミニウムはレジストでマスクし、パターン化して周
知のいくつかの方法の中の一方法によりエッチングする
ことができる。この手順により、図2aに示すような金
属配線14が得られる。本発明の方法はアスペクト比の
高い金属を使用し、配線金属の厚さは幅よりも大きい。
アスペクト比の高い配線は、高密度回路の狭い間隔を維
持しながら配線抵抗を低減するのに有用である。配線と
下層回路間の接続はビアおよびプラグ16により表され
る。ビアの数および位置は下層回路の設計によって決ま
る。
成したHSQ18を示す。好ましくは、HSQ18は、
図2bに示す、金属配線14間の重要な領域を埋めるの
に十分な厚さでスピンコートプロセスにより形成され
る。好ましい材料はおよそ3よりも小さい比誘電率を有
するポリヒドロジンシルセスキオキサン(HSQ)であ
る。この材料はダウ−コーニング社で製造され、FOX
のトレードマークで販売され、またアライドシグナル社
からもHSSOのトレードマークで販売されている。次
に、HSQは好ましくはスピンコータ上のホットプレー
トベークによりおよそ300℃で部分硬化される。
な安定化キャップ層20が形成される。キャップ層はマ
イクロクラックの核形成および伝搬を防止し、O2 およ
びH 2 0炉硬化を可能とし、クラックを生じることなく
より厚いHSQ層を可能とし、平坦化を改善する。キャ
ップ層の厚さはHSQの強度および厚さに従って最適化
することができる。キャップ層は濃密なプラズマSiO
2 ,プラズマSi3 N 4 ,フッ化SiO2 もしくは他の
適切な誘電体とすることができる。ビアエッチに使用す
るのと同じCFに基づく化学作用をエッチングに使用す
るため、プラズマCVDSiO2 キャップ層が好まし
い。キャップ層の厚さは好ましくは1,000−3,0
00Å,最も好ましくはおよそ2,000Åである。
ることができる。キャップ層はマイクロクラックの核形
成および伝搬の防止を助け、O2 およびH2 0炉硬化を
可能とし、クラックを生じることなくより厚いHSQ層
を可能とし、平坦化を改善する。
00Åの薄いSiO2 層間誘電体22を形成して平坦化
することができる。層間誘電体を平坦化した後で、図1
に示すような構造となる。好ましい実施例では、層間誘
電体はプラズマCVD(PECVD)により堆積され化
学機械研磨(CMP)により平坦化されるSiO2 であ
る。後に詳述するように、本発明は従来の誘電体材料間
に低誘電体材料を配置することにより、SiO2 と比誘
電率の低い材料の利点を組み合わせるものである。構造
的安定性、粘着性、熱伝導率等がSiO2 その他の適切
な誘電体により改善される。
ねられた多層配線を形成することができる。多層の例を
図3に示す。典型的な多層配線は層間のビアおよびコン
タクト16が必要である。これらのビアは通常、周知の
方法で層間誘電体が形成され平坦化された後で作られ
る。
ライナー層24はHSQが配線14と接触しないように
するために使用することができる。ライナー層はCVD
シリコン酸化膜等のエッチストッピングすなわち保護オ
ーバコート層とすることができる。次に、HSQ材料ラ
イナー層の上のウエーハ表面上でスピンコートされる。
ているが、重要な特徴に注目願いたい。本発明の方法に
より、HSQは従来よりも厚く形成することができる。
厚さが増すために、金属配線層間に比誘電率のより低い
材料を有することにより配線容量を低減することがで
き、同じ金属層上の配線間のフリンジング容量も低減す
ることができる。従来技術の方法を使用する従来技術の
構造では、最大平面フィールド厚26はおよそ4,00
0Åであり、配線28上の最大HSQはおよそ1,00
0Åであった。従来技術の方法を使用すれば、これらの
最大値の上に形成されるHSQには著しいクラック問題
が生じた。本発明の実施例は4,000Åよりも大きい
フィールド厚26および1,000Åよりも大きい配線
28上のHSQを含んでいる。
施例は本発明の方法をS/N60(TI−19738)
の構造に応用している。この応用はHSQが分離溝内に
配置されて耐高温トレンチ埋込みを行うことを開示して
いる。この構造では、炉硬化の前にHSQへキャップ層
を施すと有利であることも判った。特に、キャップ層に
より有害な影響を及ぼすことなくHSQ層を厚くするこ
とができ、層厚は1μmよりも厚くすることができる。
また、キャップ層によりHSQのO2 及ぼすH 2 0炉硬
化を行うことができHSQ層の収縮が低減される。
ランジスタ32等の隣接アクティブデバイスを分離する
分離溝30を有している。窒化膜キャップ22は溝形成
エッチングのハードマスクであると共に酸化膜平坦化の
CMPストッパである。好ましくは、次に基板はHSQ
18によりスピンコートされる。好ましくは、次にHS
Q18はスピンコータ上でホットプレートベークにより
部分硬化される。好ましくはPETEOSであるキャッ
ピング層20が前記したように形成される。キャッピン
グ層を形成した後で、HSQは150℃のN2 ,O2 も
しくは850℃のH2 0内で安全に炉硬化される。炉硬
化は好ましくは15−100分、最も好ましくはおよそ
30分行われる。
この実施例ではポリメタル誘電体層としてHSQ層が使
用されている。図5からお判りのように、シリコン基板
10は1つ以上のゲート34を有している。ゲートは隣
接アクティブデバイスを分離する分離溝30を含んでい
る。好ましくは、基板表面にはHSQ18がスピンコー
トされる。好ましくは、次にHSQ18はスピンコータ
上でホットプレートベークにより部分硬化される。好ま
しくはPETEOSであるキャッピング層20が前記し
たように形成される。キャッピング層の形成後、HSQ
は1050℃のN2 ,O2 もしくは850℃のH2 0内
で安全に炉硬化される。好ましくは、炉硬化は15−1
00分、最も好ましくはおよそ30分である。この実施
例は前記した他方の実施例と組み合わせて使用すること
ができる。
出願人による出願に開示された構造および技術と組み合
わせて使用とするものである。
が、この説明は制約的意味合いを有するものではない。
当業者ならば、説明を読めば、他の実施例だけでなく例
示した実施例のさまざまな修正および組合せが自明であ
ろう。このような修正や実施例は全て特許請求の範囲に
入るものとする。
関連しており、本開示の一部としてここに組み入れられ
ている。出願 TIケース 出願日 表題 S/N08/137,658 TI-18509 10/15/93 配線間容量を低減する平坦化構造 S/N08/298,807 TI-19532 08/03/94 メタルリード間の配線容量改善 S/N08/455,765 TI-18929AA 05/31/95 比誘電率の低い絶縁体を埋込んだ平坦 化多層配線方式 S/N60/005132 TI-20784 10/12/95 集積回路用低容量配線構造 S/N60/ TI-21907 10/25/95 高熱伝導配線構造 S/N60/ TI-21909 12/04/95 分解ポリマーを使用した集積回路用低 容量配線構造 S/N60/013,866 TI-21880 03/22/96 比誘電率の低い材料を使用した集積回 路用低容量配線構造 S/N60/ TI-19738 07/30/96 流動性酸化膜を埋込材料として使用し たシリコンオンインスレータ技術用メ サ分離埋込過程
る。 (1) マイクロエレクトロニク構造の形成方法であっ
て、該方法は、(イ)半導体基板を設けるステップと、
(ロ)前記基板上にヒドロジンシルセスキオキサン層を
形成するステップと、(ハ)前記ヒドロジンシルセスキ
オキサン層にキャッピング層を形成するステップと、
(ニ)ヒドロジンシルセスキオキサン層を炉で硬化する
ステップと、からなる方法。
成方法であって、該方法は、(イ)金属配線を有する半
導体基板を設けるステップと、(ロ)前記基板の前記配
線上にヒドロジンシルセスキオキサン層を形成するステ
ップと、(ハ)前記ヒドロジンシルセスキオキサン層に
キャッピング層を形成するステップと、(ニ)ヒドロジ
ンシルセスキオキサン層を炉で硬化するステップと、か
らなる方法。
であって、前記ヒドロジンシルセスキオキサンは前記基
板上の配線間に形成される方法。
に、前記ヒドロジンシルセスキオキサンを形成する前に
前記導電性配線上にライナー層を設ける付加ステップを
含む方法。
であって、前記ヒドロジンシルセスキオキサンは前記基
板上の分離溝内に形成される方法。
であって、前記キャッピング層はSiO2 およびS3 N
4 ,およびフッ化SiO2 の群から選択される方法。
であって、前記炉硬化はCx Hy ,C x Fy ,N2 ,O
2 ,H2 Oおよびフォーミングガス(H2 とN2 の混
合)からの環境を有する方法。
炉硬化は400℃よりも高い温度を有する方法。
炉硬化は800℃よりも高い温度を有する方法。
法であって、堆積に続いて前記誘電体を平坦化する付加
ステップを含み、次にステップ(イ)から(ニ)を繰り
返して多層配線構造を作り出す方法。
あって、(イ)半導体基板と、(ロ)およそ4,000
Åよりも大きい厚さを有する、前記基板上の実質的にク
ラックの無いヒドロジンシルセスキオキサン層と、から
なる構造。
前記ヒドロジンシルセスキオキサンは前記基板上の配線
間に形成される構造。
前記ヒドロジンシルセスキオキサンは前記基板上の分離
溝内に形成される構造。
前記キャッピング層はSiO2 およびS3 N4 ,および
フッ化SiO2 の群から選択される構造。
前記ヒドロジンシルセスキオキサンは前記基板上のデバ
イスゲート上にポリメタル誘電体として形成される構
造。
する改良された方法および、特に多層配線を必要とす
る、過程が提供される。実施例では、配線14が最初に
基板10上にパターン化されエッチングされる。ヒドロ
ジンシルセスキオキサン(HSQ)等の低k材料がウエ
ーハ表面を横切してスピンコートされ配線間の領域を埋
める。SiO2 20等のキャッピング層が低k材料の頂
部に形成される。次に、HSQが加熱硬化される。次
に、薄いSiO2 平坦化層22を形成して平坦化するこ
とができる。別の実施例では、HSQおよびSiO2 プ
ロセスステップを繰り返して多層HSQとすることがで
きる。
面図。
た本発明のもう1つの好ましい実施例の断面図。
Claims (2)
- 【請求項1】 マイクロエレクトロニク構造の形成方法
であって、該方法は、 (イ)半導体基板を設けるステップと、 (ロ)前記基板上にヒドロジンシルセスキオキサン層を
形成するステップと、 (ハ)前記ヒドロジンシルセスキオキサン層にキャッピ
ング層を形成するステップと、 (ニ)ヒドロジンシルセスキオキサン層を炉で硬化する
ステップと、からなる方法。 - 【請求項2】 マイクロエレクトロニク構造であって、 (イ)半導体基板と、 (ロ)およそ4,000Åよりも大きい厚さを有する、
前記基板上の実質的にクラックの無いヒドロジンシルセ
スキオキサン層と、からなる構造。
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