KR100337036B1 - Semiconductor device of multi-layer interconnection having an improved interlayer insulating film, and process for forming the same - Google Patents

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Abstract

유전율이 낮은 층간절연 HSQ(수소 실세스퀴옥산)막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치에서, 상기 HSQ막의 하부에 있으며 상기 HSQ막과 직접 접하는 표면층은 소수성 표면층으로 형성된다. 따라서 상기 HSQ막이 소성되는 경우, 수분이 하부 표면층으로부터 배출되지 않는 결과 HSQ막의 저 유전율은 결코 상승하지 않는다.In a semiconductor device having a multi-layer interconnection structure having an interlayer insulating HSQ (hydrogen silsesquioxane) film having a low dielectric constant, the surface layer below the HSQ film and in direct contact with the HSQ film is formed of a hydrophobic surface layer. Therefore, when the HSQ film is fired, the low dielectric constant of the HSQ film never rises as a result of no moisture being discharged from the lower surface layer.

Description

개선된 층간절연막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR DEVICE OF MULTI-LAYER INTERCONNECTION HAVING AN IMPROVED INTERLAYER INSULATING FILM, AND PROCESS FOR FORMING THE SAME}TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION A semiconductor device having a multi-layered wiring structure having an improved interlayer insulating film and a method for manufacturing the same.

본 발명은 다층 배선구조의 반도체 장치에 관한 것으로서, 특히 개선된 층간절연막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a multilayer wiring structure, and more particularly, to a semiconductor device having a multilayer wiring structure having an improved interlayer insulating film and a manufacturing method thereof.

반도체 장치의 동작속도는 배선저항(R)과 인접한 배선 사이의 기생 정전용량(C)의 적(product)의 증가에 따라 낮아진다. 여기서 배선 사이의 기생용량은 '금속간 정전용량'('inter-metal capacitance') 이라고 부를 것이다. 인접한 배선 사이의 간격이 좁을수록 금속간 정전용량(C)은 인접한 배선 사이의 간격에 반비례하여 증가한다. 따라서, 반도체 장치의 동작속도를 향상시키기 위해서 금속간 정전용량(C)을 줄이는 것이 중요하다. 상기의 관점으로부터 인접한 미세 배선 사이에 유전율이 비교적 낮은 층간절연막(저-κ 물질)을 형성하는 것이 광범위하게 사용되고 있다. HSQ(수소 실세스퀴옥산)막은 유전율이 비교적 낮은 층간절연막의 일례로서 인용될 수 있다. 유전율이 낮은 층간절연막으로서 상기 HSQ막을 사용한 예는 EP-A2-0790645호, EP-A2-0810648호, JP-A-10-335458호 및 본 출원의 양수인과 동일한 양수인에게 양도된 1998년 6월 1일에 출원한 대응 미국특허출원 제09/088,048호에 개시되어 있고 그 내용은 본 출원에 인용문으로 병합되어 있다.The operating speed of the semiconductor device decreases as the product of the parasitic capacitance C between the wiring resistance R and the adjacent wiring increases. Here the parasitic capacitance between the wires will be called 'inter-metal capacitance'. As the spacing between adjacent wirings becomes narrower, the intermetallic capacitance C increases in inverse proportion to the spacing between adjacent wirings. Therefore, it is important to reduce the intermetallic capacitance C in order to improve the operating speed of the semiconductor device. From the above point of view, it is widely used to form an interlayer insulating film (low-k material) having a relatively low dielectric constant between adjacent fine wirings. The HSQ (hydrogen silsesquioxane) film can be cited as an example of an interlayer insulating film having a relatively low dielectric constant. Examples of using the HSQ film as a low dielectric constant interlayer insulating film include EP-A2-0790645, EP-A2-0810648, JP-A-10-335458, and June 1, 1998, assigned to the same assignee as the assignee of the present application. The corresponding U.S. patent application Ser. No. 09 / 088,048, filed on May, is incorporated herein by reference.

이하, 종래의 기술에 따라 인접한 배선 사이에 유전율이 낮은 층간절연막을 형성하는 공정이 도 3의 A 내지 도 3의 C를 참조하여 기술될 것이다.Hereinafter, a process of forming an interlayer insulating film having a low dielectric constant between adjacent wirings according to the conventional art will be described with reference to FIGS. 3A to 3C.

도 3의 A에 있어서, 참조번호 301은 트랜지스터를 포함하는 여러 회로소자가 형성된 반도체 기판상에 층간절연막으로서 형성된 플라즈마 SiO2막을 나타낸다. 금속막은 상기 플라즈마 SiO2막(301)상에 형성되고, 그 후, 리소프라피 공정에 의해 패터닝되어 서로 인접한 다수의 금속배선(302)을 형성한다.In Fig. 3A, reference numeral 301 denotes a plasma SiO 2 film formed as an interlayer insulating film on a semiconductor substrate on which various circuit elements including transistors are formed. A metal film is formed on the plasma SiO 2 film 301 and then patterned by a lithoplast process to form a plurality of metal wires 302 adjacent to each other.

도 3의 B에 도시된 바와 같이, 라이너막(303)으로서 PETEOS(plasma enhannced tetraethyloxysilane : 플라즈마 촉진형 테트라에틸옥시실란)막이 약 100nm의 두께로 전면상에 형성된다. 그 후, 도 3의 C에 도시된 바와 같이, HSQ막(304)이 약 400nm의 두께로 전면상에 형성되어 금속배선(302) 사이의 틈을 채운다.As shown in FIG. 3B, a plasma-enhanced tetraethyloxysilane (PETOS) film is formed on the entire surface as a liner film 303 with a thickness of about 100 nm. Thereafter, as shown in FIG. 3C, an HSQ film 304 is formed on the entire surface with a thickness of about 400 nm to fill the gap between the metal wires 302.

그러나, 전술한 공정에서 TEOS는 Si(CH2H5O)4로 표시되고 PETEOS막(303)은 내부에 수분을 함유하고 있다. 따라서, HSQ막(304)이 소성되는 경우, 수분은 PETEOS막으로부터 배출되어 그 결과 소성된 HSQ막은 4 이하의 유전율을 갖는 고 유전막이 되어 버린다.However, in the above-described process, TEOS is represented by Si (CH 2 H 5 O) 4 and the PETEOS film 303 contains moisture therein. Therefore, when the HSQ film 304 is fired, moisture is discharged from the PETEOS film, and as a result, the fired HSQ film becomes a high dielectric film having a dielectric constant of 4 or less.

따라서, 본 발명의 목적은 인접한 배선 사이의 저 유전율의 층간절연막을 형성하는 공정에서 수소 실세스퀴옥산막의 유전율을 증가시킴이 없이 수소 실세스퀴옥산막을 형성하는 것에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to form a hydrogen silsesquioxane film without increasing the dielectric constant of the hydrogen silsesquioxane film in the step of forming an interlayer insulating film of low dielectric constant between adjacent wirings.

본 발명의 또다른 목적은 저 유전율을 유지하는 개선된 층간절연용 수소 실세스퀴옥산막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a semiconductor device having a multi-layered wiring structure including a hydrogen silsesquioxane film for improved interlayer insulation that maintains a low dielectric constant and a method of manufacturing the same.

전술한 목적들은 적어도 수소 실세스퀴옥산막을 포함하는 층간절연막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치에 의해 본 발명에 따라 달성되는 것으로서, 층간절연막의 수소 실세스퀴옥산막 하부의 절연막은 수소 실세스퀴옥산막과 직접 접촉하는 소수성 표면을 구비한다.The above objects are achieved according to the present invention by a semiconductor device of a multi-layered wiring structure having an interlayer insulating film comprising at least a hydrogen silsesquioxane film, wherein the insulating film under the hydrogen silsesquioxane film of the interlayer insulating film is hydrogen silses. It has a hydrophobic surface in direct contact with the quoxane membrane.

특히, 본 발명에 따른 반도체 장치의 일 실시예에서, 플라즈마 SiO2막(301)은 층간절연막으로서 반도체 기판상에 형성되고, 다수의 금속배선은 플라즈마 SiO2막상에 형성된다. 소수성 라이너막은 금소배선 및 플라즈마 SiO2막을 피복하도록 형성되고, 수소 실세스퀴옥산막은 소수성 라이너막상에 적층되어 금속배선 사이의 틈을 채운다. 보다 양호하게는 라이너막은 플라즈마 SiO2막으로 형성되고 소수화 처리가 플라즈마 SiO2막에 대해 실행되어 플라즈마 SiO2막은 Si-H 결합 또는 Si-CH3결합의 소수기를 가지는 막으로 전환된다.In particular, in one embodiment of the semiconductor device according to the present invention, the plasma SiO 2 film 301 is formed on the semiconductor substrate as an interlayer insulating film, and a plurality of metal wirings are formed on the plasma SiO 2 film. The hydrophobic liner film is formed to cover the gold wiring and the plasma SiO 2 film, and the hydrogen silsesquioxane film is laminated on the hydrophobic liner film to fill the gap between the metal wirings. And more preferably is converted into a film with the liner film is formed in a plasma SiO 2 film is a hydrophobic treatment executed for the plasma SiO 2 film the plasma SiO 2 film Si-H bond or Si-CH 3 bond group of the prime number.

다른 양호한 실시예에서, 플라즈마 SiO2막은 층간절연막으로서 반도체 기판상에 형성되고, 다수의 금속배선은 플라즈마 SiO2막상에 형성된다. 소수화 처리가 실행되어 금속배선으로 피복되어 있지 않는 플라즈마 SiO2막의 노출된 표면은 소수성 표면으로 전환된다. 수소 실세스퀴옥산막은 플라즈마 SiO2막상에 적층되어 금속배선 사이의 틈을 채운다. 전술한 제1의 실시예와 유사하게, 플라즈마 SiO2막의 소수성 표면은 Si-H 결합 또는 Si-CH3결합의 소수기를 갖는 표면층으로 전환된다.In another preferred embodiment, the plasma SiO 2 film is formed on the semiconductor substrate as an interlayer insulating film, and a plurality of metallizations are formed on the plasma SiO 2 film. The hydrophobization treatment is performed to convert the exposed surface of the plasma SiO 2 film, which is not covered with metallization, to a hydrophobic surface. The hydrogen silsesquioxane film is laminated on the plasma SiO 2 film to fill the gaps between the metal wires. Similar to the first embodiment described above, the hydrophobic surface of the plasma SiO 2 film is converted into a surface layer having hydrophobic groups of Si—H bonds or Si—CH 3 bonds.

전술한 특징에서, 소수화 처리는 라이너막 또는 하부 절연막에 대해 행해지므로 수소 실세스퀴옥산막이 소성될 때 라이너막 또는 하부 절연막으로부터 수분이발생되지 않는 결과 수소 실세스퀴옥산막의 유전율은 증가하지 않고 따라서 금속간 정정용량은 산화막으로 형성된 층간절연막에 비해 감소된다.In the above-described feature, the hydrophobization treatment is performed on the liner film or the lower insulating film, so that no moisture is generated from the liner film or the lower insulating film when the hydrogen silsesquioxane film is fired, so that the dielectric constant of the hydrogen silsesquioxane film does not increase and thus The intermetal correction capacitance is reduced as compared with the interlayer insulating film formed of the oxide film.

본 발명의 다른 특징에 따라서, 층간절연층을 구비한 다층 배선구조의 반도체를 제조하는 방법이 제공되어 있는데, 상기 제조방법은 반도체 기판상에 형성된 하부 절연막의 적어도 일부에 대하여 소수화 처리를 실행하는 공정과, 상기 하부 절연막의 적어도 일부상에 층간절연막으로서 수소 실세스퀴옥산막을 형성하는 공정을 포함하고 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor having a multi-layered wiring structure having an interlayer insulating layer, the method of performing a hydrophobization treatment on at least a portion of the lower insulating film formed on the semiconductor substrate And forming a hydrogen silsesquioxane film as at least a portion of the lower insulating film as an interlayer insulating film.

특히, 본 발명에 따른 공정은 상기 반도체 기판상에 형성된 층간절연막상에 다수의 금속배선을 형성하는 공정과, 상기 다수의 금속배선을 피복하기 위해 상기 층간절연막상에 절연라이너막을 형성하는 공정과, 상기 절연라이너막을 소수성 절연라이너막으로 전환하도록 절연라이너막에 대해 소수화 처리를 실행하는 공정과, 상기 다수의 금속배선 사이의 틈을 채우도록 소수성 절연라이너막상에 수소 실세스퀴옥산막을 형성하는 공정을 포함하고 있다.In particular, the process according to the present invention comprises the steps of forming a plurality of metal wirings on the interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate, and forming an insulating liner film on the interlayer insulating film to cover the plurality of metal wirings; Performing a hydrophobization treatment on the insulating liner film so as to convert the insulating liner film into a hydrophobic insulating liner, and forming a hydrogen silsesquioxane film on the hydrophobic insulating liner film to fill gaps between the plurality of metal wirings. It is included.

또한, 본 발명에 따른 공정은 상기 반도체 기판상에 형성된 층간절연막상에 다수의 금속배선을 형성하는 공정과, 상기 층간절연막의 노출된 표면상에 소수성 표면층을 형성하도록 다수의 금속배선으로 피복되지 않은 상기 층간절연막의 노출된 표면에 대해 소수화 처리를 실행하는 공정과, 상기 다수의 금속배선 사이를 채우도록 소수성 절연막상에 수소 실세스퀴옥산막을 형성하는 공정을 포함하고 있다.Further, the process according to the present invention is a process of forming a plurality of metal wirings on an interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate, and not covered with a plurality of metal wirings to form a hydrophobic surface layer on the exposed surface of the interlayer insulating film. And performing a hydrophobization treatment on the exposed surface of the interlayer insulating film, and forming a hydrogen silsesquioxane film on the hydrophobic insulating film so as to fill between the plurality of metal wirings.

전술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 본 발명의 양호한 실시예로부터 자명해 질 것이다.The above objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 1은 개선된 층간절연용 수소 실세스퀴옥산(hydrogen silsesquioxane)막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치를 제조하기 위한 본 발명에 따른 제1 실시예의 제조공정을 도시하는 반도체 장치의 부분 단면도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a partial sectional view of a semiconductor device showing a manufacturing process of a first embodiment according to the present invention for producing a semiconductor device having a multilayer wiring structure having an improved hydrogen silsesquioxane film for interlayer insulation.

도 2는 개선된 층간절연용 수소 실세스퀴옥산막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치를 제조하기 위한 본 발명에 따른 제1 실시예의 제조공정을 도시하는 반도체 장치의 부분 단면도.Fig. 2 is a partial sectional view of a semiconductor device showing the manufacturing process of the first embodiment according to the present invention for producing a semiconductor device having a multi-layered wiring structure having an improved hydrogen silsesquioxane film for interlayer insulation.

도 3은 종래의 기술에 의한 다층 배선구조의 반도체 장치를 제조하는 일 예를 도시하는 반도체 장치의 부분 단면도.3 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device, showing an example of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure according to the prior art.

도 4는 종래의 기술에 의한 다층 배선구조의 반도체 장치의 부분 단면도.4 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device having a multilayer wiring structure according to the prior art.

<도면의 주요부호에 대한 간단한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>

본 발명에 따라 다층 배선구조의 반도체 장치를 제조하는 방법을 설명하기 전에, 본 발명이 적용될 수 있는 다층 배선구조의 반도체 장치에 대한 설명이 이루어질 것이다.Before explaining a method for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure according to the present invention, a description will be given of a semiconductor device having a multilayer wiring structure to which the present invention can be applied.

도 4는 종래의 기술에 의한 다층 배선구조의 반도체 장치에 관한 부분 단면도로서, 전술한 JP-A-10-335458호 및 대응 미국특허출원 제09/088,048호에 종래의 기술로서 개시되어 있다. 도시된 다층 배선구조의 반도체 장치는 반도체 기판(1)의 주표면에 형성된 필드 산화막(소자 분리영역)(2)을 구비한 반도체 기판(1)을 포함하고 있다. 필드 산화막(2)에 의해 구획된 상기 반도체 기판(1)의 일 소자 형성영역에서, 확산층(3)이 형성되고 하나의 MOS 트랜지스터가 상기 확산층(3)에 형성된다.Fig. 4 is a partial sectional view of a semiconductor device having a multilayer wiring structure according to the prior art, which is disclosed as the prior art in the aforementioned JP-A-10-335458 and corresponding US patent application Ser. No. 09 / 088,048. The semiconductor device having the multilayer wiring structure shown includes a semiconductor substrate 1 having a field oxide film (element isolation region) 2 formed on the main surface of the semiconductor substrate 1. In one element formation region of the semiconductor substrate 1 partitioned by the field oxide film 2, a diffusion layer 3 is formed and one MOS transistor is formed in the diffusion layer 3.

상기 확산층(3)의 표면상에서 게이트 산화막(22)이 형성되고 게이트 전극(23)은 상기 게이트 산화막(22)상에 형성된다. 측벽 산화막(24)은 상기 게이트 전극(23)의 각각의 측벽상에 형성된다. 한쌍의 소스/드레인 영역(21)은 상기 게이트 전극(23)의 대향측의 상기 확산막(3)의 표면영역에서 형성된다.A gate oxide film 22 is formed on the surface of the diffusion layer 3 and a gate electrode 23 is formed on the gate oxide film 22. A sidewall oxide film 24 is formed on each sidewall of the gate electrode 23. A pair of source / drain regions 21 are formed in the surface region of the diffusion film 3 on the opposite side of the gate electrode 23.

제 0 레벨의 층간절연막은 상기 게이트 전극(23), 기판(1)의 주표면 및 필드 산화막(2)을 피복하도록 형성된다. 한 쌍의 콘택트 홀(5)은 소스/드레인 영역(21)에 각각 도달하도록 층간절연막(4)을 통하여 관통하여 형성된다. 콘택트 홀(5) 각각의 내부 표면은 배리어 금속(6)으로 채워지고, 콘택트 홀(5) 각각은 예컨대 텅스텐 플러그(7)로 채워진다.The interlayer insulating film of the zero level is formed so as to cover the gate electrode 23, the main surface of the substrate 1 and the field oxide film 2. A pair of contact holes 5 are formed through the interlayer insulating film 4 so as to reach the source / drain regions 21, respectively. The inner surface of each of the contact holes 5 is filled with a barrier metal 6, and each of the contact holes 5 is filled with a tungsten plug 7, for example.

예컨대 알루미늄으로 된 제 1 레벨의 금속배선(8)은 한 쌍의 제 1 레벨의 배선(8)이 콘택트 홀(5)에 채워진 텅스턴 플러그(7)상에 위치하도록 층간절연막(4)상에 형성된다. 제 1 산화막(9)은 전면상에 적층되어 제 1 레벨의 배선(8)을 피복하는 얇은 라이너막을 형성한다. HSQ막(10)은 전면상에 적층되어 금속배선(8) 사이의 틈을 채우고 금속배선(8)을 피복한다. 추가로, 제2 산화막(11)은 HSQ막상에 적층된다. 그리하여, 제 1 레벨의 층간절연막이 형성되어 평탄화된 상부면을 갖는다.The metal wiring 8 of the first level, for example made of aluminum, is placed on the interlayer insulating film 4 such that the pair of first levels of wiring 8 are positioned on the tungsten plug 7 filled in the contact hole 5. Is formed. The first oxide film 9 is stacked on the entire surface to form a thin liner film covering the wiring 8 of the first level. The HSQ film 10 is laminated on the front surface to fill the gap between the metal wirings 8 and to cover the metal wirings 8. In addition, the second oxide film 11 is laminated on the HSQ film. Thus, a first level interlayer insulating film is formed to have a flattened top surface.

비아 홀(12)은 소스/드레인 영역(21)에 각각 접속된 한 쌍의 제 1 레벨의 배선(8)의 하나에 도달하도록 제 1 레벨의 층간절연막(제 2 산화막(11)과 HSQ막(10))을 통해 관통하여 형성된다. 비아 홀(12)의 내부 표면은 배리어 금속(13)으로 채워지고, 비아 홀(12)은 예컨대 텅스텐 플러그(14)로 채워진다.The via hole 12 has a first level interlayer insulating film (second oxide film 11 and HSQ film) so as to reach one of a pair of first level wirings 8 respectively connected to the source / drain regions 21. 10)) through. The inner surface of via hole 12 is filled with barrier metal 13, and via hole 12 is filled with tungsten plug 14, for example.

또한, 예컨대 알루미늄 합금으로 된 제 2 레벨의 금속배선(15)은 제 2 레벨의 배선(15)의 하나가 비아 홀(12)에 채워진 텅스텐 플러그(14)상에 위치하도록 제 1 레벨의 층간절연막(제 2 산화막(11))상에 형성된다. 제 2 레벨의 층간절연막(16)은 전면상에 적층되어 금속배선(15) 사이의 틈을 채우고 금속배선(15)을 피복한다.Further, for example, the second level metal wiring 15 made of aluminum alloy is interlayer insulating film of the first level so that one of the second level wiring 15 is located on the tungsten plug 14 filled in the via hole 12. (Second oxide film 11). A second level interlayer insulating film 16 is stacked on the entire surface to fill the gaps between the metal wires 15 and to cover the metal wires 15.

이하, 개선된 층간절연용 수소 실세스퀴옥산막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치를 제조하는 본 발명에 따른 공정의 제1의 실시예가 도 1을 참조하여 기술될 것이다.Hereinafter, a first embodiment of the process according to the present invention for manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure having an improved hydrogen silsesquioxane film for interlayer insulation will be described with reference to FIG.

도 1의 A는 트랜지스터를 포함하는 다양한 회로소자(도 1의 A에 도시되지 않음)가 형성되고 다수의 금속배선(102)이 상기 플라즈마 SiO2막(101)상에 형성되어 있는 반도체 기판(도 1의 A에 도시되지 않음)상에 플라즈마 SiO2막(101)이 층간절연막으로 형성되어 있는 조건을 도시하고 있다. 상기 금속배선(102)은 예컨대 상기 플라즈마 SiO2막(101)상에 금속막을 형성한 후 상기 금속막을 리소그라피 공정에 의해 패터닝하여 형성될 수 있다.FIG. 1A is a semiconductor substrate in which various circuit elements (not shown in A of FIG. 1) including a transistor are formed and a plurality of metal wires 102 are formed on the plasma SiO 2 film 101 (FIG. A condition is shown in which the plasma SiO 2 film 101 is formed of an interlayer insulating film on (not shown in A of 1). The metal wire 102 may be formed by, for example, forming a metal film on the plasma SiO 2 film 101 and then patterning the metal film by a lithography process.

여기서, 플라즈마 SiO2막(101)은 도 4에 도시된 반도체 기판(1)의 주표면상의 제 0 레벨의 층간절연막(4)(즉, 최하 레벨의 층간절연용 플라즈마 SiO2막), 또는 도 4에 도시된 제 1 레벨의 층간절연막(10+11), 또는 제 2 또는 그 이상의 고레벨의 층간절연막에 대응한다고 생각할 수 있다. 따라서, 금속배선(102)은 도 4에 도시된 제 0번째 레벨의 층간절연막(4)상에 형성된 제 1 레벨의 금속배선(8), 또는 도 4에 도시된 제 1 레벨의 층간절연막(10+11)상에 형성된 제 2 레벨의 층간절연막(15), 또는 제 2 또는 그 이상의 고레벨의 층간절연막상에 형성된 보다 고 레벨의 금속배선에 대응한다고 생각할 수 있다.Here, the plasma SiO 2 film 101 is a zero level interlayer insulating film 4 (i.e., the lowest level interlayer insulating film SiO 2 film) on the main surface of the semiconductor substrate 1 shown in FIG. It may be considered that it corresponds to the first level interlayer insulating film 10 + 11 shown in Fig. 4 or the second or more high level interlayer insulating film. Accordingly, the metal wiring 102 is formed of the metal wiring 8 of the first level formed on the interlayer insulating film 4 of the 0th level shown in FIG. 4, or the interlayer insulating film 10 of the first level shown in FIG. It can be considered that it corresponds to the second level interlayer insulating film 15 formed on +11) or the higher level metal wiring formed on the second or more high level interlayer insulating film.

그 후, 도 1의 B에 도시된 바와 같이, 라이너막(103)으로서, PETEOS(plasma enhanced tetraethyloxysilane : 플라즈마 촉진형 테트라에틸옥시실란)막이 약 100nm의 두께로 형성된다. 여기서, 라이너막(103)의 두께는 금속배선(102)의 높이보다 충분히 짧다.Thereafter, as shown in FIG. 1B, as the liner film 103, a plasma enhanced tetraethyloxysilane (PETOS) film is formed to a thickness of about 100 nm. Here, the thickness of the liner film 103 is sufficiently shorter than the height of the metal wiring 102.

여기서, 도 1의 C에 도시된 바와 같이, 수소 플라즈마 처리가 13.56MHz의 고주파 전압을 사용하여 평행평판형 플라즈마 장치에 의해 상기 PETEOS막(103)에 대해 실행된다. 상기 공정과 더불어, Si-H 결합의 소수기가 상기 PETEOS막(103)의 표면상에 형성될 뿐만 아니라 또한 PETEOS막(103)에 함유된 수분이 상당히 감소된다. 결과적으로, 소수성 라이너막(104)이 형성되어 거의 수분을 흡수하지 않는다.Here, as shown in Fig. 1C, hydrogen plasma processing is performed on the PETEOS film 103 by a parallel plate type plasma apparatus using a high frequency voltage of 13.56 MHz. In addition to the above process, not only a hydrophobic group of Si—H bond is formed on the surface of the PETEOS film 103, but also the moisture contained in the PETEOS film 103 is considerably reduced. As a result, the hydrophobic liner film 104 is formed to absorb almost no moisture.

그 후, 도 1 D에 도시된 바와 같이, HSQ막(105)이 약 400nm의 두께로 전면상에 형성되어 금속배선(102) 사이의 틈을 채우고 금속배선(102)을 피복한다. 또한, 적층된 HSQ막(105)은 소성된다. 그리하여, 층간절연체가 형성된다.Thereafter, as shown in FIG. 1D, an HSQ film 105 is formed on the entire surface with a thickness of about 400 nm to fill the gap between the metal wires 102 and to cover the metal wires 102. In addition, the stacked HSQ films 105 are fired. Thus, an interlayer insulator is formed.

전술한 공정에서, PETEOS막으로 형성된 라이너막(104)은 소수성이므로, 라이너막(104)은 수분을 거의 흡수하지 않는다. 또한, 라이너막(104)에 함유된 수분은 상당히 낮다. 따라서, HSQ막(105)이 소성되는 경우에 수분은 상기 라이너막(104)으로부터 배출되지 않아 수분이 HSQ막(105)에 흡수되지 않는다. 결과적으로, HSQ막(105)의 유전율은 3정도로 낮게 유지된다.In the above-described process, since the liner film 104 formed of the PETEOS film is hydrophobic, the liner film 104 hardly absorbs moisture. In addition, the moisture contained in the liner film 104 is quite low. Therefore, when the HSQ film 105 is fired, moisture is not discharged from the liner film 104 so that moisture is not absorbed by the HSQ film 105. As a result, the dielectric constant of the HSQ film 105 is kept low by about three.

상기 실시예에서, 소수화 처리에 사용되는 플라즈마 가스는 수소를 함유하고 있을 뿐 아니라 플라즈마 배츨을 안정화 시키기 위해 아르곤 및 암모니아 등과 같은 불활성가스가 첨가될 수 있다. 또한, 평행평판형 플라즈마 장치가 사용된다. 그러나, ECR(electron cycrotron resonance) 플라즈마 장치, ICP(inductively-coupled plasma) 장치 및 헬리콘(helicon) 플라즈마 소스 장치와 같은 고밀도의 플라즈마 장치를 사용한다면 처리시간을 단축하는 것이 가능하다.In the above embodiment, the plasma gas used for the hydrophobization treatment contains hydrogen as well as an inert gas such as argon and ammonia may be added to stabilize the plasma discharge. In addition, a parallel plate plasma apparatus is used. However, it is possible to shorten the processing time by using a high density plasma apparatus such as an electron cycrotron resonance (ECR) plasma apparatus, an inductively-coupled plasma (ICP) apparatus, and a helicon plasma source apparatus.

이하, 개선된 층간절연용 수소 실세스퀴옥산막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치를 제조하는 본 발명에 따른 제2의 실시예가 도 2의 A 내지 도 2의 C를참조하여 기술될 것이다. 상기 제2의 실시예는 라이너막(103)이 형성되어 있지 않고, HMDS(hexamethyl disilazane)공정이 소수화 처리로서 사용된다는 점에서 차이가 난다.Hereinafter, a second embodiment according to the present invention for manufacturing a semiconductor device having a multi-layered wiring structure having an improved hydrogen silsesquioxane film for interlayer insulation will be described with reference to FIGS. 2A-2C. The second embodiment differs in that the liner film 103 is not formed and the HMDS (hexamethyl disilazane) process is used as the hydrophobization treatment.

도 2의 A는 도 1의 A와 유사한 도면이다. 즉, 도 2의 A는 트랜지스터를 포함하는 다양한 회로소자(도시되지 않음)가 형성되고 다수의 금속배선(202)이 상기 플라즈마 SiO2막(201)상에 형성되어 있는 도시되지 않은 반도체 기판상에 플라즈마 SiO2막(101)이 층간절연층으로 형성되어 있는 조건을 도시하고 있다.FIG. 2A is a view similar to A of FIG. 1. That is, A of FIG. 2 shows a semiconductor substrate (not shown) including transistors and a plurality of metal wires 202 are formed on a semiconductor substrate (not shown) formed on the plasma SiO 2 film 201. The conditions in which the plasma SiO 2 film 101 is formed of an interlayer insulating layer are shown.

여기서, 도 2의 B에 도시된 바와 같이, HMDS공정이 행해진다. 상기 공정과 더불어, Si-CH3결합의 소수기가 다수의 금속배선(202)으로 피복되지 않는 플라즈마 SiO2막(201)의 노출부상에 형성될 뿐만 아니라, 상기 플라즈마 SiO2막(201)의 노출부에 함유된 수분은 상당히 감소한다. 결과적으로, 약 50nm의 두께이며 단지 감소된 수분의 양만을 함유하는 소수성 표면층(203)은 플라즈마 SiO2막(201)의 노출된 표면상에 형성된다. 상기 소수성 표면층(203)은 거의 수분을 흡수하지 않는다.Here, as shown in FIG. 2B, an HMDS process is performed. In addition to the above process, not only the hydrophobic groups of the Si—CH 3 bonds are formed on the exposed portions of the plasma SiO 2 film 201 which are not covered by the plurality of metal wires 202, but also the exposure of the plasma SiO 2 film 201. The moisture contained in the parts is significantly reduced. As a result, hydrophobic surface layer 203 having a thickness of about 50 nm and containing only a reduced amount of moisture is formed on the exposed surface of plasma SiO 2 film 201. The hydrophobic surface layer 203 absorbs little moisture.

상기 HMDS공정은 플라즈마 SiO2막(201)의 노출부(소수성인 부분)를 (CH3)3Si-NH-Si(CH3)3로 표시되는 HMDS(hexamethyl disilazane)의 증기에 노출시킴으로서 실행된다. 결과적으로, 플라즈마 SiO2막(201)의 노출부의 적어도 표면층은 소수성이 된다.The HMDS process is performed by exposing the exposed portion (hydrophobic portion) of the plasma SiO 2 film 201 to the vapor of hexamethyl disilazane (HMDS), represented by (CH 3 ) 3 Si-NH-Si (CH 3 ) 3 . . As a result, at least the surface layer of the exposed portion of the plasma SiO 2 film 201 becomes hydrophobic.

여기서, 이하의 화학반응이 플라즈마 SiO2막(201)의 노출부의 표면층에서 발생한다.Here, the following chemical reaction occurs in the surface layer of the exposed portion of the plasma SiO 2 film 201.

2Si-OH+(CH3)3Si-NH-Si(CH3)3→ 2Si-O-Si-(CH3)3+NH3 2Si-OH + (CH 3 ) 3 Si-NH-Si (CH 3 ) 3 → 2Si-O-Si- (CH 3 ) 3 + NH 3

그 후, 도 2의 C에 도시된 바와 같이, HSQ막(204)이 두께가 약 400nm로 전면상에 형성되어 금속배선(202) 사이의 틈을 채우고 금속배선(202)을 피복한다. 또한, 형성된 HSQ막(204)은 소성된다. 그 후, 층간절연체가 형성된다.Thereafter, as shown in FIG. 2C, an HSQ film 204 is formed on the entire surface with a thickness of about 400 nm to fill the gap between the metal wires 202 and to cover the metal wires 202. In addition, the formed HSQ film 204 is fired. After that, an interlayer insulator is formed.

전술한 공정에서, 플라즈마 SiO2막의 노출된 표면은 소수성 표면층(203)으로 상에 형성되어 거의 수분을 흡수하기 않고 상당히 낮은 정도의 수분만을 함유하게 된다. 따라서, HSQ막(204)이 소성 되는 경우, 수분은 플라즈마 SiO2막의 노출된 표면으로부터 배출되지 않아 수분은 상기 HSQ막(204)에 흡수되지 않는다. 결과적으로, HSQ막(204)의 유전율은 3정도로 낮게 유지된다.In the process described above, the exposed surface of the plasma SiO 2 film is formed on the hydrophobic surface layer 203 so that it absorbs almost no moisture and contains only a very low degree of moisture. Therefore, when the HSQ film 204 is fired, moisture is not discharged from the exposed surface of the plasma SiO 2 film so that the moisture is not absorbed by the HSQ film 204. As a result, the dielectric constant of the HSQ film 204 is kept low by about three.

여기서, 본 본야의 기술자라면 제1의 실시예에서 수소 플라즈마 공정 대신에 HMDS공정이 라이너막(103)에 대해 실행될 수 있으며 제 2의 실시예에서 HMDS공정 대신에 수소 플라즈마 공정이 플라즈마 SiO2막의 노출된 표면에 대해 실시될 수 있다는 것을 당연히 알수 있을 것이다.Here, those skilled in the present field may, in the first embodiment, perform the HMDS process on the liner film 103 instead of the hydrogen plasma process, and in the second embodiment, the hydrogen plasma process instead of the HMDS process may expose the plasma SiO 2 film. It will of course be appreciated that this may be done for a given surface.

위에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면, HSQ막의 하부에 위치하며 상기 HSQ막과 직접 접하는 표면층은 소수성 표면층으로 형성된다. 따라서, HSQ막이 소성되는 경우, 수분은 하부의 표면층으로부터 배출되지 않는 결과 HSQ막의 저 유전율이 결코 상승하지 않는다.As seen from above, according to the present invention, the surface layer located under the HSQ film and in direct contact with the HSQ film is formed of a hydrophobic surface layer. Therefore, when the HSQ film is fired, moisture is not discharged from the lower surface layer, and as a result, the low dielectric constant of the HSQ film never rises.

이상, 본 발명을 그 가장 적합한 실시예에 따라서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예의 구성에만 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예의 구성으로부터 여러가지의 수정 및 변경을 한 것도 또한 본 발명의 범위에 포함된다.As mentioned above, although this invention was demonstrated according to the most suitable Example, this invention is not limited only to the structure of the said Example, A various correction and change from the structure of the said Example are also included in the scope of the present invention.

Claims (14)

적어도 수소 실세스퀴옥산(hydrogen silsesquioxane)막을 포함하는 층간절연막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치에 있어서,A semiconductor device having a multilayer wiring structure comprising an interlayer insulating film including at least a hydrogen silsesquioxane film, 상기 층간절연막의 상기 수소 실세스퀴옥산막의 하부에 있는 절연막은 상기 수소 실세스퀴옥산막과 직접 접속하는 소수성 표면층을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.And an insulating film under the hydrogen silsesquioxane film of the interlayer insulating film is provided with a hydrophobic surface layer directly connected to the hydrogen silsesquioxane film. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 반도체 기판상에 형성된 플라즈마 SiO2막과 상기 플라즈마 SiO2막상에 형성된 다수의 금속배선을 또한 포함하며,And a plasma SiO 2 film formed on the semiconductor substrate and a plurality of metal interconnections formed on the plasma SiO 2 film, 상기 수소 실세스퀴옥산막 하부의 상기 절연막은 상기 금속배선 및 상기 플라즈마 SiO2막을 피복하도록 형성된 소수성 라이너막으로 형성되며,The insulating film under the hydrogen silsesquioxane film is formed of a hydrophobic liner film formed to cover the metal wiring and the plasma SiO 2 film, 상기 수소 실세스퀴옥산막은 상기 금속배선 사이의 간격을 채우도록 상기 소수성 라이너막상에 적층되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.And the hydrogen silsesquioxane film is laminated on the hydrophobic liner film so as to fill the gap between the metal wirings. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 소수성 라이너막은 Si-H 결합 또는 Si-CH3결합의 소수기를 갖는 플라즈마 SiO2라이너막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.And the hydrophobic liner film is formed of a plasma SiO 2 liner film having a hydrophobic group of a Si—H bond or a Si—CH 3 bond. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 반도체 기판상에 형성된 플라즈마 SiO2막과 상기 플라즈마 SiO2막상에 형성된 다수의 금속배선을 또한 포함하며,And a plasma SiO 2 film formed on the semiconductor substrate and a plurality of metal interconnections formed on the plasma SiO 2 film, 상기 수소 실세스퀴옥산막 하부의 상기 절연막은 상기 다수의 금속배선으로 피복되지 않는 상기 플라즈마 SiO2막의 노출부로 형성되며,The insulating film under the hydrogen silsesquioxane film is formed of an exposed portion of the plasma SiO 2 film not covered with the plurality of metal wires, 상기 플라즈마 SiO2막의 상기 노출부는 소수성 표면층을 구비하며,The exposed portion of the plasma SiO 2 film has a hydrophobic surface layer, 상기 수소 실세스퀴옥산막은 상기 금속배선 사이의 간격을 채우도록 상기 플라즈마 SiO2막의 상기 소수성 표면층상에 적층되는 것을 특징으로하는 반도체 장치.And the hydrogen silsesquioxane film is laminated on the hydrophobic surface layer of the plasma SiO 2 film to fill the gap between the metal wirings. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 소수성 표면층은 상기 플라즈마 SiO2막의 상기 노출부의 표면층으로 형성되고 Si-H 결합 또는 Si-CH3결합의 소수기를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.And the hydrophobic surface layer is formed of the surface layer of the exposed portion of the plasma SiO 2 film and has a hydrophobic group of Si—H bond or Si—CH 3 bond. 층간절연막을 구비한 다층 배선구조의 반도체 장치의 제조방법에 있어서,A method of manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure having an interlayer insulating film, 반도체 기판상에 형성된 하부 절연막의 적어도 일부에 소수화 처리를 행하는 공정과,Performing a hydrophobization treatment on at least a portion of the lower insulating film formed on the semiconductor substrate, 상기 하부 절연막의 상기 적어도 일부상에 층간절연막으로 수소 실세스퀴옥산을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.And forming hydrogen silsesquioxane as an interlayer insulating film on said at least part of said lower insulating film. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 하부 절연막의 상기 적어도 일부는 플라즈마 SiO2막으로 형성되며, 상기 소수화 처리는 상기 플라즈마 SiO2막을 수소 플라즈마에 노출시킴으로서 실행되어 상기 플라즈마 SiO2막은 Si-H 결합의 소수기를 갖는 막으로 전환되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.The at least part of the lower insulating film is formed of a plasma SiO 2 film, and the hydrophobization treatment is performed by exposing the plasma SiO 2 film to hydrogen plasma to convert the plasma SiO 2 film into a film having a hydrophobic group of Si—H bond. A method for manufacturing a semiconductor device. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 하부 절연막의 상기 적어도 일부는 플라즈마 SiO2막으로 형성되며, 상기 소수화 처리는 상기 플라즈마 SiO2막을 헥사메틸 디실라잔(hexamethyl disilazane)의 증기에 노출시킴으로서 실행되어 상기 플라즈마 SiO2막은 Si-CH3결합의 소수기를 갖는 막으로 전환되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.Said at least a portion of the lower insulating film is formed of a plasma SiO 2 film, and the hydrophobic treatment is executed to stop the plasma SiO 2 sikimeuroseo exposed to a vapor of hexamethyldisilazane (hexamethyl disilazane) the plasma SiO 2 film Si-CH 3 A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by converting to a film having a hydrophobic group of bonds. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 반도체 기판상에 형성된 층간절연막상에 다수의 금속배선을 형성하는 공정과,Forming a plurality of metal wirings on the interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate; 상기 다수의 금속배선을 피복하도록 상기 층간절연막상에 플라즈마 SiO2라이너막을 형성하는 공정과,Forming a plasma SiO 2 liner film on the interlayer insulating film to cover the plurality of metal wires; 상기 플라즈마 SiO2라이너막을 소수성 절연라이너막으로 전환하기 위해 상기 플라즈마 SiO2라이너막에 대해 상기 소수화 처리를 실행하는 공정을 또한 포함하며,And performing the hydrophobization treatment on the plasma SiO 2 liner film to convert the plasma SiO 2 liner film into a hydrophobic insulating liner film, 상기 수소 실레스퀴옥산막은 상기 다수의 금속배선 사이의 틈을 채우도록 상기 소수성 절연라이너막상에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.And the hydrogen silesquioxane film is formed on the hydrophobic insulating liner film so as to fill a gap between the plurality of metal wirings. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 소수화 처리는 상기 플라즈마 SiO2라이너막을 수소 플라즈마에 노출시킴으로 실행되어 상기 플라즈마 SiO2라이너막의 적어도 일 표면은 Si-H 결합의 소수기를 갖는 막으로 전환되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.And wherein said hydrophobization treatment is performed by exposing said plasma SiO 2 liner film to hydrogen plasma so that at least one surface of said plasma SiO 2 liner film is converted to a film having a hydrophobic group of Si—H bond. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 소수화 처리는 상기 플라즈마 SiO2라이너막을 헥사메틸 디실라잔(hexamethyl disilazane)의 증기에 노출시킴으로 실행되어 상기 플라즈마 SiO2라이너막의 적어도 일 표면은 Si-CH3결합의 소수기를 갖는 막으로 전환되는것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.The hydrophobic treatment is to be converted into a film having been run sikimeuro exposed film the plasma SiO 2 liner in steam of hexamethyldisilazane (hexamethyl disilazane) The plasma SiO 2 liner film at least one surface is an small number of Si-CH 3 bond A method for manufacturing a semiconductor device. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 반도체 기판상에 형성된 플라즈마 SiO2막상에 다수의 금속배선을 형성하는 공정과,Forming a plurality of metal wires on the plasma SiO 2 film formed on the semiconductor substrate; 상기 금속배선으로 피복되지 않는 상기 플라즈마 SiO2막의 노출부에 대해 상기 소수화 처리를 행하는 공정을 또한 포함하고,Further comprising the step of performing the hydrophobization treatment on the exposed portion of the plasma SiO 2 film not covered with the metal wiring, 그 결과 상기 플라즈마 SiO2막의 상기 노출부의 적어도 일 표면층은 소수성 표면층으로 전환되고,As a result, at least one surface layer of the exposed portion of the plasma SiO 2 film is converted into a hydrophobic surface layer, 상기 수소 실세스퀴옥산은 상기 금속배선 사이의 간격을 채우도록 상기 플라즈마 SiO2막상에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.And the hydrogen silsesquioxane is formed on the plasma SiO 2 film to fill the gap between the metal wirings. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 소수화 처리는 상기 플라즈마 SiO2막의 상기 노출부를 수소 플라즈마에 노출시킴으로서 실행되어 상기 플라즈마 SiO2막의 상기 노출부의 상기 표면층은 Si-H 결합의 소수기를 갖는 막으로 전환되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.The hydrophobization treatment is performed by exposing the exposed portion of the plasma SiO 2 film to hydrogen plasma so that the surface layer of the exposed portion of the plasma SiO 2 film is converted to a film having a hydrophobic group of Si—H bond. Way. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 소수화 처리는 상기 플라즈마 SiO2의 상기 노출부를 헥사메틸 디실라잔(hexamethyl disilazane)의 증기에 노출시킴으로서 실행되어 상기 플라즈마 SiO2막의 상기 노출부의 상기 표면층은 Si-CH3결합의 소수기를 갖는 막으로 전환되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.The hydrophobic treatment is a film having a small number of the plasma the exposed parts of hexamethyldisilazane is executed sikimeuroseo exposed to the vapor above the surface layer wherein the plasma SiO 2 film the exposed portion of the (hexamethyl disilazane) of SiO 2 is Si-CH 3 bond Method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the switching.
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