TWI413212B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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Furusawa Takeshi
Miura Noriko
Goto Kinya
Matsuura Masazumi
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Renesas Electronics Corp
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Description

半導體裝置及其製造方法
本發明係關於半導體裝置及其製造方法，更詳言之，係關於具有低介電率絕緣膜的半導體裝置及其製造方法。
近年隨半導體裝置的細微化．高速化，已朝配線構造多層化演進。但是，隨此種細微化、高速化及多層化的演進，將因配線電阻與配線間及配線層間的寄生電容增加，而造成信號延遲問題。因為信號延遲T係與配線電阻R和寄生電容C的乘積成正比，因而為將縮小信號延遲T，便必須採取配線層低電阻化及縮小寄生電容。
為能降低配線電阻R，僅要配線材料使用更低電阻材料的話便可。具體而言，有如從習知的鋁(Al)配線轉換為銅(Cu)配線等方式。
另一方面，配線層間的寄生電容C係配線層間所設置層間絕緣膜的介電常數ε、配線層間隔d及配線層側面積S之間，具有C＝(ε．S)/d的關係。所以，為求降低寄生電容C，便必須達層間絕緣膜的低介電率化。所以，便針對較習知所採用SiO2 膜(介電常數3.9)更低介電常數的絕緣膜(以下稱「LOW－k膜」)進行探討。特別係實現介電常數3.1以下之材料的有機矽氧烷系絕緣膜，備受矚目。
有機矽氧烷系絕緣膜除利用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition Method，以下稱「CVD法」)形成之外，尚可利用旋轉塗佈法形成。不管採用何種方法所形成的絕緣膜，均屬於構造為具有在由Si－O－Si鍵結所構成主骨架上，側鏈具有Si－R(R：有機基)鍵結。其中，一般R係採用耐熱性較優越的CH3 。此外，亦有含其他成分的Si－H鍵結或Si－C－Si鍵結等的情況。而且，含有C的未反應物或反應副生成物，亦有依雜質形式殘留於絕緣膜中的情況。
利用CVD法所形成的狀況，將以使用有機矽烷與氧化性氣體者為代表。此外，已知亦有使用R2 Si(OR’)2 或R4 Si2 O(OR’)2 (其中，R、R’係指CH3 等)等烷氧基矽烷、與非活性氣體，依原料氣體長時間滯留於反應室內的條件進行成膜的方法(例如參照專利文獻1)。依該等方法所形成的有機矽氧烷系絕緣膜硬度，通常在2GPa以下。
再者，亦已知有如烷氧基矽烷使用Rn Si(OR’)3 － n (其中，R係指CH3 ，R’係指CH3 或C2 H5 ，0.75≦n≦1.5)，並與非活性氣體混合，且依在縮短在反應室內滯留時間的條件進行成膜的方法(例如參照專利文獻2)。依照此方法，將可獲得1≦(C/Si)≦2，且硬度4.4GPa的有機矽氧烷系絕緣膜。
另一方面，塗佈式有機矽氧烷系絕緣膜，已知有如介電常數3以下，且彈性率未滿50GPa的絕緣膜(例如參照專利文獻3)。此情況下，為保護打線焊接時絕緣膜不致遭受機械性損傷，因而必須在上層積層著彈性率50GPa以上的保護膜。
但是，使用LOW－k膜的銅配線形成方法，有利用金屬鑲嵌法實施的情況。此乃已知有鑒於銅在相較於鋁之下，前者的蝕刻速率較難控制，在銅不致遭受蝕刻的情況下，形成配線的技術。
金屬鑲嵌法，具體而言係在LOW－k膜上形成SiO2 膜之後，再以光阻圖案為遮罩，並對該等膜施行乾式蝕刻處理而形成開口部，並在此開口部中隔著阻障金屬膜埋藏入銅層而形成銅配線層的技術。銅層的埋藏係利用電鍍法依埋設開口部之方式，形成銅層之後，再利用化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing Method，以下稱「CMP法」)，依僅在開口部內殘留著銅層之方式，對表面施行研磨便可達成。
【專利文獻1】日本專利特開2000－349083號公報【專利文獻2】日本專利特開2001－203200號公報【專利文獻3】日本專利特開2000－340569號公報
當LOW－k膜採用有機矽氧烷系絕緣膜的情況時，為求保持表面的平坦性，便在上述的CMP步驟中，對全部的SiO2 膜與部分的有機矽氧烷系絕緣膜施行研磨。然後，再藉由採用氨等還原性氣體的電漿處理，在將銅層表面還原之同時，亦將有機矽氧烷系絕緣膜表面潔淨化。其次，在其上形成供防止銅擴散用的阻障絕緣膜。但是，在上述還原性電漿處理步驟中，因有機矽氧烷系絕緣膜中的碳將被還原，而有在有機矽氧烷系絕緣膜表面上形成改質層的問題。
因為改質層相較於原本的絕緣膜之下，電氣特性較差劣，若形成改質層的話，相鄰配線間的絕緣特性將降低。此問題將隨配線間的間隔變狹窄而趨於明顯。
相對於此，有提案在有機矽氧烷系絕緣膜上預先積層著厚厚的(100nm程度)SiO2 膜，俾使經CMP法施行研磨完成後所裸露出的面，並非有機矽氧烷系絕緣膜而是SiO2 膜的方法。因為SiO2 膜幾乎未含碳，因此依照此方法的話，即便施行還原性電漿處理仍不致形成改質層。但是，因為SiO2 膜的介電常數偏高，因此實際的配線間寄生電容C將不致降低。
再者，因為電氣特性的降低係依存於改質層的膜厚，改質層的膜厚越薄越好。若縮短還原性電漿處理的時間，雖可將改質層的膜厚變薄，但是銅層表面的還原與絕緣膜表面的潔淨化卻將嫌不足，反而將導致可靠性降低，因而最好避免。
另一方面，若屬於較不易形成改質層的絕緣膜，便不需要再於上層形成SiO2 膜。例如使用上述Rn Si(OR’)3 － n 所形成的絕緣膜便較難形成改質層。但是，此情況下，因為膜中所含碳量將變為極多，因而將無法確保光阻圖案轉印時的蝕刻選擇比。
本發明乃有鑒於此類問題而完成的。即，本發明之目的在於提供一種使用有機矽氧烷系絕緣膜的優越電氣特性半導體裝置。
再者，本發明之目的在於提供一種製造使用有機矽氧烷系絕緣膜的優越電氣特性半導體裝置之方法。
本發明之其他目的與優點，從下述說明中應可清楚明瞭。
本案第1發明的特徵在於：具備有在半導體基板上形成多層配線構造的半導體裝置；其中，此多層配線構造係具有層間絕緣膜，而該層間絕緣膜係至少其中一部分具備有介電常數為3.1以下，且硬度為2.7GPa以上的有機矽氧烷系絕緣膜；此有機矽氧烷系絕緣膜係(碳原子數/矽原子數)比在0.5以上、1.0以下。在第1絕緣膜上面，可形成由從第1絕緣膜中抽取出碳(碳原子數/矽原子數)比，在0.1以下所構成的絕緣層。此外，本說明書中，亦有將此絕緣層稱為「改質層」的情況。
再者，本案第2發明係具有多層配線構造的半導體裝置之製造方法，包括：在半導體基板上所形成的下層配線上，形成第1絕緣膜的步驟；在此第1絕緣膜上形成第2絕緣膜的步驟；在此第2絕緣膜上形成第3絕緣膜的步驟；對第3絕緣膜、第2絕緣膜及第1絕緣膜施行乾式蝕刻處理，而形成深達下層配線之開口部的步驟；在開口部內面與第3絕緣膜上形成阻障金屬膜的步驟；依埋藏開口部之方式，在阻障金屬膜上形成導電層的步驟；除開口部內部之外，將導電層、阻障金屬膜、及部分的第3絕緣膜與第2絕緣膜，利用化學機械研磨法而去除，而形成電耦接於下層配線的上層配線的步驟；以及對裸露出的第2絕緣膜與導電層表面施行還原性電漿處理的步驟。而形成第2絕緣膜的步驟係將一般式：Rw Six Oy (OR’)z (其中，R與R’係指CH3 ，w,x,z係指正整數，y係指0或正整數，(w/x)＝2)所示的烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並依500Pa以下的壓力利用電漿CVD法進行成膜的步驟。
再者，本案第3發明係具有多層配線構造的半導體裝置之製造方法，包括：在半導體基板上所形成的下層配線上，形成第1絕緣膜的步驟；在此第1絕緣膜上形成第2絕緣膜的步驟；在此第2絕緣膜上形成第3絕緣膜的步驟；對第3絕緣膜、第2絕緣膜及第1絕緣膜施行乾式蝕刻處理，而形成深達下層配線之開口部的步驟；在開口部內面與第3絕緣膜上形成阻障金屬膜的步驟；依埋藏開口部之方式，在阻障金屬膜上形成導電層的步驟；除開口部內部之外，將導電層、阻障金屬膜、及部分的第3絕緣膜與第2絕緣膜，利用化學機械研磨法而去除，而形成電耦接於下層配線的上層配線的步驟；以及對裸露出的第2絕緣膜與導電層表面施行還原性電漿處理的步驟。而形成第2絕緣膜的步驟係將一般式：Rw Six Oy (OR’)z (其中，R與R’係指CH3 ，w,x,z係指正整數，y係指0或正整數，(w/x)＝2)所示的烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並利用電漿CVD法依650Pa以上的壓力形成達既定膜厚之後，將壓力改變為500Pa以下，再更進一步進行成膜的驟。
再者，本案第4發明係具有多層配線構造的半導體裝置之製造方法，包括：在半導體基板上所形成的下層配線上，形成第1絕緣膜的步驟；在此第1絕緣膜上形成第2絕緣膜的步驟；在此第2絕緣膜上形成第3絕緣膜的步驟；在此第3絕緣膜上形成第4絕緣膜的步驟；對第4絕緣膜、第3絕緣膜、第2絕緣膜及第1絕緣膜施行乾式蝕刻處理，而形成深達下層配線之開口部的步驟；在此開口部內面與第4絕緣膜上，形成阻障金屬膜的步驟；依埋藏開口部之方式，在阻障金屬膜上形成導電層的步驟；除開口部內部之外，將導電層、阻障金屬膜、及部分的第4絕緣膜與第3絕緣膜，利用化學機械研磨法而去除，而形成電耦接於下層配線的上層配線的步驟；以及對裸露出的第3絕緣膜與導電層表面施行還原性電漿處理的步驟。而形成第2絕緣膜的步驟係形成介電常數較低於第3絕緣膜之絕緣膜的步驟；形成第3絕緣膜的步驟係將一般式：Rw Six Oy (OR’)z (其中，R與R’係指CH3 ，w,x,z係指正整數，y係指0或正整數，(w/x)＝2)所示的烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並依500Pa以下的壓力利用電漿CVD法進行成膜的步驟。
依照本案第1發明的話，因為多層配線構造具有至少其中一部分具備有介電常數3.1以下、且硬度2.7GPa以上之絕緣膜的層間絕緣膜，且此絕緣膜含有矽、碳及氧，(碳原子數/矽原子數)比在0.5以上、1.0以下，因而可將改質層膜質緻密，俾防止電氣特性降低。此外，尚可確保光阻圖案轉印時的蝕刻選擇比。
再者，依照本案第2發明的話，因為將一般式：Rw Six Oy (OR’)z 所示烷基烷氧基矽烷、非氧化性氣體，使用為原料氣體，並依500Pa以下的壓力，使用電漿CVD法形成第2絕緣膜，因而可將改質層膜質緻密，俾防止電氣特性降低。
再者，依照本案第3發明的話，因為形成第2絕緣膜的步驟係將一般式：Rw Six Oy (OR’)z 所示烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並使用電漿CVD法，依650Pa以上的壓力形成達既定膜厚之後，再將壓力改變為500Pa以下，在更進一步進行成膜的步驟，因而可將改質層膜質緻密，俾防止電氣特性降低，且亦可降低寄生電容。
再者，依照本案第4發明的話，形成第2絕緣膜的步驟係形成介電常數較低於第3絕緣膜的絕緣膜之步驟，而形成第3絕緣膜的步驟係將一般式：Rw Six Oy (OR’)z 所示烷基烷氧基矽烷、非氧化性氣體，使用為原料氣體，並依500Pa以下的壓力，利用電漿CVD法進行成膜的步驟，因而可將改質層膜質緻密，俾防止電氣特性降低，且亦可降低寄生電容。
本發明中，所謂「改質層」係定義為利用還原性電漿處理，從有機矽氧烷系絕緣膜中將碳抽取出，俾使膜中的(C原子數/Si原子數)比達0.1以下的層。此外，當將碳抽取出之時，亦可將除碳以外的其他成分一併抽取出。
依照上述定義的話，改質層的主成分係Si與0。所以，將與利用在有機矽氧烷系絕緣膜上厚厚的沉積著SiO2 膜，經利用CMP法施行研磨結束後，俾裸露出SiO2 膜的方法所形成的構造雷同。但是，本發明的改質層係與在有機矽氧烷系絕緣膜上所沉積的SiO2 膜有明確的差異。換言之，因為依存於圖案密度，CMP的侵蝕量將在數十nm程度範圍內變化，因此研磨結束後所殘存的SiO2 膜膜厚亦將隨之變化。所以，SiO2 膜膜厚的最大值與最小值之差，亦有達平均值之50%以上的情況。另一方面，因為改質層膜厚係依電漿處理的均勻性決定，因此最大值與最小值的差只不過為平均值的20%以下。
再者，本發明的改質層係以提升接著性為目的，不同於利用氧電漿處理或氦電漿處理所形成的改質層。例如當對有機矽氧烷系絕緣膜表面施行電漿處理之後，形成SiO2 膜的情況時，在該等膜的界面處將形成利用電漿處理所形成的改質層。但是，此改質層將隨後續的CMP步驟而全部被研磨去除。所以，就最終構造中並未殘存的觀點而言，將與本發明的改質層有明確的不同。
為防止因改質層之形成而發生電氣特性降低狀況，藉由將改質層形成緻密，對將膜質形成良好狀態將屬有效的方法。但是，當有機矽氧烷系絕緣膜的情況，若平均單位體積所含的Si－CH3 鍵結或雜質的反應副生成物量偏多的話，將因還原性電漿作用使C與H脫離，而大幅降低膜密度，因此將無法形成良好膜質的改質層。此外，此情況下，因為脫離後的膜密度越低，還原性電漿將越容易滲透入內部，因此改質層膜厚將變厚，導致改質屬對電氣特性所造成的影響將變大。
另一方面，Si－O－Si鍵結並被還原性電漿所分解。此外，因為Si－C－Si鍵結將利用還原性電漿，轉換為Si－N－Si鍵結或Si－O－Si鍵結，因此改質層的密度將不致大幅降低。所以，在將改質層形成緻密方面，只要減少Si－CH3 鍵結或反應生成物量，並增加Si－O－Si鍵結或Si－C－Si鏈結量的話便可。其中，僅單靠減少膜中的碳而增加Si－O－Si鍵結，雖可將改質層形成緻密，但是膜將形成接近SiO2 膜的構造。所以，介電常數將提高，明顯的已無法具LOW－k膜的作用。
由上述，本發明者發現保持著達低介電率化所需要程度的碳量，並減少Si－CH3 鍵結與反應副生成物的比率，且增加Si－C－Si鍵結的比率將屬有效方法，遂完成本發明。
但是，有機矽氧烷系絕緣膜中所含的Si－CH3 、Si－C－Si及Si－O－Si各鍵結，經由傅立葉轉換法紅外吸收分光光度測定(以下稱「FTIR」)等，將可確認其存在性。可是，該等鍵結卻頗難進行定量分析。
所以，本發明便採取以膜硬度為指標。若膜平均單位體積對鍵結產生作用的成分量增加的話，有機矽氧烷系絕緣膜的硬度將提高。在此所謂「對鍵結具有作用的成分」係指Si－O－Si鍵結與Si－C－Si鍵結。另一方面，將鍵結終結的Si－CH3 或、以雜質形式含有的反應副生成物，並未對鍵結具有作用，因此若該等的量過多的話，膜的硬度將降低。在本發明中最好屬於硬度高且介電常數低的絕緣膜。
再者，本發明的有機矽氧烷系絕緣膜係設定為碳原子數相對於矽原子數在0.5倍以上、且1.0倍以下(0.5≦(C/Si)≦1.0)。若碳過少的話，因為無法將介電常數形成在3.1以下，因而最好避免。反之，若碳過多的話，因為當對光阻圖案進行轉印之際將無法確保蝕刻選擇比，因而最好避免。
本發明的有機矽氧烷系絕緣膜。係使用一般式(1)所示烷基烷氧基矽烷的蒸氣、與非氧化性氣體的混合氣體，利用電漿CVD法形成。非氧化性氣體可使用如：He(氦)、Ar(氬)及N2(氮)等非活性氣體。該等可單獨使用亦可混合使用。
Rw Six Oy (OR’)z ………(1)式(1)中，R與R’均為CH3 。此外，w,x,z分別係指正整數，y係指0(零)或正整數，(w/x)＝2。
具體而言，Si－OR’鍵結間將鍵結並形成Si－O－Si鍵結。此外，部分的Si－CH3 鍵結將分解，而經分解者之間將鍵結而形成Si－C－Si鍵結。
在形成有機矽氧烷系絕緣膜之際，之所以採用非氧化性氣體的理由，乃是氧化性氣體的存在化將導致Si－CH3 鍵結或Si－C－Si鍵結分解。但是，隨未使用氧化性氣體，從不需要的有機成分(R’)中所產生的反應生成物，將形成雜質並容易殘留於膜中。為抑制此現象，最好降低R，的C與H含有量，亦將減少R’數。具體而言，最好將R’設定為CH3 ，且最好將數量設定為平均1個Si在2個以下[(z/x)≦2]。
例1係分別將(CH3 )2 Si(OCH3 )2 (二甲基二甲氧基矽烷)的氣體依流量200sccm，且He氣體依流量100sccm分別供應給成膜裝置內，並設定為壓力350Pa~700Pa、基板溫度375℃、RF功率1,300W進行成膜。
針對所形成膜中的鍵結使用FTIR進行調查，觀察到Si－O－Si鍵結與Si－CH3 鍵結，且Si－CH3 鍵結分解所產生Si－C－Si鍵結。此情況下，若成膜時的壓力越低，Si－CH3 鍵結將減少，取而代之，Si－C－Si鍵結將增加。
再者，經使用拉塞福背向散射分析儀(RBS)進行測定，結果膜中的碳與原子數比(C/Si)，不管條件如何均為0.84~0.86略一定狀態。
由上述例1，將形成膜厚不同的2種有機矽氧烷系絕緣膜。第1圖所示係改變壓力時的硬度與介電常數間之關係。由圖中得知，若硬度提高的話，得知介電常數亦將提高。此外，若壓力降低的話，將有介電常數與硬度提高的傾向。具體而言，若壓力達500Pa以下的話，硬度將達2.7GPa以上，若壓力達470Pa以下的話，硬度將達3.0GPa以上。反之，若壓力降低的話，雖介電常數將提高，但是在此350Pa~700Pa範圍中均呈介電常數3.1以下。此外，介電常數的測定係針對膜厚200nm試料，使用水銀探針法實施。另外，硬度的測定係針對膜厚600nm試料採用奈米壓痕法實施。
例2係使用(CH3 )4 Si2 O(OCH3 )2 與He的混合氣體，如同上述例子，形成有機矽氧烷系絕緣膜。此情況下，將可獲得壓力400Pa、介電常數2.7，且硬度3.0GPa的膜。
此外，將反應氣體從He氣體變更為Ar氣體或N2 氣體，並如同例1與例2施行成膜，所獲得膜的特性並未發現有效差。
由上述，本發明中將含有矽、碳及氧，且(碳原子數/矽原子數)比在0.5以上、1.0以下，介電常數在3.1以下，硬度2.7GPa以上的絕緣膜，使用為層間絕緣膜。此絕緣膜係將一般式Rw Six Oy (OR’)z 所示烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並利用電漿CVD法依500Pa以下的壓力形成。其中，為能將改質層的膜質形成更良好狀態，最好將介電常數3.1以下、硬度3.0GPa以上的絕緣膜，使用為層間絕緣膜。此絕緣膜係使用上述原料氣體，利用電漿CVD法依470Pa以下的壓力形成。
上述專利文獻3中，揭示介電常數3以下且具有彈性率未滿50GPa的有機SOG膜。但是，專利文獻3為防止因SOG膜的機械強度降低而發生龜裂狀況，便在SOG膜與電極墊之間設置具有50GPa以上彈性率的絕緣層。另一方面，本發明根據改質層的膜質與硬度間之關係，將比較考量硬度、介電常數及蝕刻選擇比之後，便將(碳原子數/矽原子數)比在0.5以上、1.0以下，且介電常數3.1以下，硬度2.7GPa以上的絕緣膜，使用為層間絕緣膜。所以，本發明係明確的不同於專利文獻3所揭示的發明。此外，由第1圖的關係得知，本發明換言之，係將硬度2.7GPa以上且4.0GPa以下，3.0GPa以上且4.0GPa以下的絕緣膜，使用為層間絕緣膜。
其次，針對由例1所形成膜厚100nm的有機矽氧烷系絕緣膜，使用平行平板型電漿CVD裝置施行氨電漿處理。此外，處理條件係如同依CMP法施行研磨後，所施行的還原性電漿處理。
經施行上述電漿處理30秒鐘後，便使用濃度0.5%的氫氟酸水溶液調查膜的蝕刻速率。第2圖所示係蝕刻時間、與經蝕刻去除的膜厚間之關係。由圖中得知，隨時間的經過，蝕刻速率將降低。若所去除的膜厚達B點而將改質層全部去除的話，蝕刻速率便將變為零。在蝕刻速率變為零所需要的典型時間係2分鐘程度。此外，在蝕刻前後均測定膜的FTIR光譜，並從差值求取所去除改質層的光譜，結果並未從膜中檢測出Si－CH3 等有機成分。
第3圖所示係將改質層膜厚(B)、與蝕刻速率的初始速度(B/A；其中，A係指蝕刻時間)，相對於膜硬度進行描點。由圖中得知，若硬度提高的話，改質層的膜厚將變薄。此外，因為蝕刻速率亦將同時降低，因而亦得知改質層膜質將變緻密。
由圖中得知，硬度3.6GPa的蝕刻速率為9.2nm/分。此將與利用電漿CVD法所形成的SiO2 膜蝕刻速率(11nm/分)為相同程度。此外，硬度2.7GPa以上的話，改質層膜厚將達14nm以下，若硬度達3.0GPa以上的話，改質層膜厚將達12nm以下。另外，經調查改質層膜厚的面內均勻性，結果最大值與最小值間的差值係在平均值的20%以內。換言之，依照本發明的話，藉由使用硬度2.7GPa以上的絕緣膜，便可形成具有大約5nm以上且15nm以下膜厚的改質層。
此外，第2圖與第3圖的趨向，在依上述例2條件所形成的膜亦同。
其次，在矽基板上依照例1條件，形成膜厚500nm的有機矽氧烷系絕緣膜。接著，在其上面形成膜厚30nm的SiO2 膜之後，再以光阻圖案為遮罩而形成開口部。然後，經去除光阻圖案之後，積層著氮化鉭膜與鉭膜合計20nm的阻障金屬膜，更在其上面形成銅層。然後，將全部的SiO2 膜、與部分的有機矽氧烷系絕緣膜，利用CMP法施行研磨而形成銅配線層。接著，對所裸露出的有機矽氧烷系絕緣膜與銅層表面施行氨電漿處理，並在該等上面形成SiCN膜的阻障絕緣膜。
將所獲得基板加熱至140℃，並一邊對已絕緣的相鄰配線間施加電場，一邊調查漏電流的時間變化。此外，此情況下的相鄰配線間之距離為140nm。測定發生絕緣破壞的時間且經施行統計解析，結果發現有初期故障與真正故障等2種故障模式。其中，因為真正故障具有十足的壽命，因而將初期故障判斷屬不良，並求取與硬度間之關係。結果如第4圖所示。由圖中得知，硬度越大，不良發生率將越低。具體而言，硬度2.7Gpa以上的話，良率將達97%以上，將為實用上毫無問題的水準。此外，得知若硬度達3.0GPa以上的話，良率將達100%，將可獲得更優越的可靠度。
再者，第4圖的趨向，在依上述例2條件所形成的膜亦同。
其次，參照第5圖~第14圖，針對本發明的半導體裝置之製造方法進行說明。此外，相關電晶體、擴散層及插栓形成等通常的LSI製造步驟，為求說明上的方便便予以省略，僅針對金屬配線之形成步驟進行說明。
首先，準備已形成下層配線1的半導體基板(第5圖)。半導體基板矽可使用例如矽基板。此外，為求簡便，圖中便省略下層配線1的構造。
其次，在下層配線1上，依序形成第1絕緣膜2、第2絕緣膜3及第3絕緣膜4(第5圖)。其中，第1絕緣膜2係阻障絕緣膜，可為例如SiN膜或SiCN膜等含N(氮)的絕緣膜。此外，第2絕緣膜3係本發明的有機矽氧烷系絕緣膜，此外，第3絕緣膜4係可為SiO2 膜。
在形成第3絕緣膜4之後，便形成具有既定圖案的光阻膜5(第6圖)。具體而言，在第3絕緣膜4整面上塗佈光阻(未圖示)之後，再隔著具有既定圖案的遮罩(未圖示)，對光阻照射曝光光。其次，再使用適當的顯影液對光阻施行顯影，便可形成具有既定圖案的光阻膜5。
曝光光的種類係可配合半導體裝置的設計規則而適當選擇。例如在0.25μm~0.13μm的設計規則方面，便可將KrF(氟化氪)準分子雷射(波長：248nm)使用為曝光裝置的光源，而在90nm~65nm設計規則方面，則可將ArF(氟化氬)準分子雷射(波長：193nm)使用為曝光裝置的光源。
其次，以光阻膜5為遮罩，對第3絕緣膜4與第2絕緣膜3施行第1乾式蝕刻處理。此第1乾式蝕刻處理在到達第1絕緣膜2的時候便自動結束，便將形成到達第1絕緣膜2的開口部6(第7圖)。
接著，利用低壓氧電漿去除光阻膜5之後，便以第3絕緣膜4與第2絕緣膜3為遮罩，對第1絕緣膜2施行第2乾式蝕刻處理。藉此，便形成到達下層配線1的開口部7(第8圖)。其中，開口部7可為配線溝與配線孔任一者。
再者，藉由施行低壓氧電漿處理，便將在開口部7內面形成改質層，此改質層將不同於本發明對象的「從有機矽氧烷系絕緣膜中抽取出碳，且(碳原子數/矽原子數)比達0.1以下的絕緣層」。
其次，在開口部7內面形成阻障金屬膜，然後再隔著阻障金屬膜在配線溝內部執行銅層埋藏，藉此便形成銅配線。此步驟具體而言，將可依如下述實施。
首先，在開口部7內面與第3絕緣膜4上，形成由氮化鉭膜與鉭膜所構成積層膜的阻障金屬膜8。阻障金屬膜8的膜厚係可設定為例如20nm程度。接著，在阻障金屬膜8上，依埋藏開口部7之方式，形成銅層9的導電層。藉此便可獲得第9圖所示構造。
其次，利用CMP法，施行銅層9與阻障金屬膜8的研磨。此時，為能提高表面的平坦性，亦將全部的第3絕緣膜4與部分的第2絕緣膜3施行研磨。藉此，便依僅在開口部7內部殘留著銅層9與阻障金屬膜8的狀態，形成電耦接於下層配線1的第1配線10。此外，在經研磨後的表面上將裸露出第2絕緣膜3(第10圖)。
其次，施行使用氨的還原性電漿處理，便將銅層9表面還原且將第2絕緣膜3表面潔淨化。藉此，便如第12圖所示，將第2絕緣膜3中的碳還原而形成改質層3’。改質層3’膜厚係例如12nm程度。此外，亦可取代氨改用氫，亦可使用氨與氫二者。
經由上述步驟，便可形成使用本發明有機矽氧烷絕緣膜的配線層(第11圖)。
其次，採用介層洞在前方之方式的雙/單金屬鑲嵌法金屬鑲嵌法，重複如同第5圖~第11圖的相同步驟，藉此便形成電耦接於第1配線10的第2配線11(第12圖)。而且，藉由重複相同的步驟便可形成多層配線構造。
第12圖中，在第2絕緣膜3中設置著配線溝13、以及配線溝13所對應的介層洞12。然後，在配線溝13與介層洞12中填充著銅層9便將形成第2配線11。
本實施形態中，亦可組合硬度與介電常數不同的複數有機矽氧烷系絕緣膜形成配線層。具體而言，本發明中亦可在有機矽氧烷系絕緣膜下層銜接著此絕緣膜，並形成介電常數較低於此絕緣膜的其他絕緣膜(以下簡稱「低介電率絕緣膜」)。
例如形成第2絕緣膜的步驟，亦可設定為將式(1)所示烷基烷氧基矽烷與非氧化性氣體使用為原料氣體，並採取電漿CVD法，依650Pa以上的壓力形成達既定膜厚之後，再將壓力改變為500Pa以下，並進行成膜的步驟。藉此，便可形成含有矽、碳及氧，且(碳原子數/矽原子數)比在0.5以上且1.0以下的絕緣膜，下層為介電常數2.8以下且硬度1.8GPa以下的絕緣膜，上層則為介電常數3.1以下且硬度2.7GPa以上的絕緣膜(第1圖)。此情況下，為求降低相鄰配線間的電容，最好將下層絕緣膜的介電常數設定在2.6以下。
例3係在第1配線層中，以(CH3 )4 Si2 O(OCH3 )2 為原料，依膜厚250nm形成硬度3.0GPa的有機矽氧烷系絕緣膜。其次，第2配線層中，在依400nm膜厚形成硬度0.9GPa的有機矽氧烷系絕緣膜之後，再依100nm膜厚形成硬度3.0GPa的有機矽氧烷系絕緣膜。此外，原料氣體係可如同第1絕緣膜。同樣的，相關第2配線層的上層配線層，亦可如同第2配線層般的形成。
將此模樣圖示如第13圖。第13圖不同於第12圖之處在於：第2配線層11的第2絕緣膜3係由第1有機矽氧烷系絕緣膜3a與第2有機矽氧烷系絕緣膜3b所構成。此外，第1配線層10的第2絕緣膜3係僅由第1有機矽氧烷系絕緣膜3a所構成。其中，第1有機矽氧烷系絕緣膜3a係硬度3.0GPa的絕緣膜，第2有機矽氧烷系絕緣膜3b係硬度0.9GPa的絕緣膜。改質層3’係僅形成於暴露在還原性電漿中的第1有機矽氧烷系絕緣膜3a表面上。然後，在第2配線層11更上層所形成的配線層(未圖示)，亦可具有如同第2配線層的相同構造。
依照第13圖所示構造的話，配線溝13所對應的介層洞12，係僅設置於低介電率絕緣膜的第2有機矽氧烷系絕緣膜3b其中一部分中。此外，配線溝13係設置於第2有機矽氧烷系絕緣膜3b其中一部分、與第1有機矽氧烷系絕緣膜3a中。然後，在配線溝13與介層洞12中填充著銅層9，便形成第2配線11。藉由此種構造，便如下述將可降低相鄰配線間的電容。
由第1圖得知，硬度3.0GPa時的介電常數為2.93，硬度0.9GPa時的介電常數為2.52。所以，藉由依上述設定該等膜厚，相較於僅將各配線層由具有單一硬度之有機矽氧烷系絕緣膜形成的情況下，將可實現降低10%程度的寄生電容。此外，此情況下，取代(CH3 )2 Si(OCH3 )2 ，改用(CH3 )4 Si2 O(OCH3 )2 的情況時亦同。
再者，例4係第1配線層以(CH3 )4 Si2 O(OCH3 )2 為原料，依250nm膜厚形成硬度3.0GPa的有機矽氧烷系絕緣膜。其次，在第2配線層中，依200nm膜厚形成硬度3.0GPa的有機矽氧烷系絕緣膜之後，再依200nm膜厚形成硬度0.9GPa的有機矽氧烷系絕緣膜，然後更依100nm膜厚形成硬度3.0GPa的有機矽氧烷系絕緣膜。此外，原料氣體係可如同第1絕緣膜。同樣的，相關第2配線層的上層配線層，亦可如同第2配線層般的形成。依此相較於僅將各配線層由具有單一硬度之有機矽氧烷系絕緣膜形成的情況下，將可實現降低5%程度的寄生電容。此外，此情況下，取代(CH3 )2 Si(OCH3 )2 ，改用(CH3 )4 Si2 O(OCH3 )2 的情況時亦同。
將此模樣圖示如第14圖。第14圖不同於第13圖之處在於：第2配線層11的第2絕緣膜3係由第1有機矽氧烷系絕緣膜3a、第2有機矽氧烷系絕緣膜3b、及第1有機矽氧烷系絕緣膜3a的三層構造所構成。其中，第1有機矽氧烷系絕緣膜3a係硬度3.0GPa的絕緣膜，第2有機矽氧烷系絕緣膜3b係硬度0.9GPa的絕緣膜。第1配線層10的第2絕緣膜3係僅由第1有機矽氧烷系絕緣膜3a所構成。此外，在第2配線層11更上層所形成的配線層(未圖示)，亦可具有如同第2配線層的相同構造。
依照第14圖所示構造的話，配線溝13所對應的介層洞12，係設置於第1有機矽氧烷系絕緣膜3a中。此外，配線溝13係設置於低介電率絕緣膜的第2有機矽氧烷系絕緣膜3b、與第1有機矽氧烷系絕緣膜3a中。然後，在配線溝13與介層洞12中填充著銅層9，並形成第2配線11。藉由此種構造，便如下述可抑制電阻值上昇，且可降低相鄰配線間的電容。
依照上述例1~例4，便將製得具有由5層所構成配線構造的半導體裝置。此外，例1與例2係對應於第12圖所示構造。另外，例3係對應於第13圖所示構造，例4係對應於第14圖所示構造。然後，依200℃溫度施行500小時的應力引發遷移試驗，經調查試驗前後的層間耦接電阻變化，結果例4的半導體裝置之電阻上昇率係與例1及例2的電阻上昇率為相同程度。另一方面，例3的電阻上昇率雖為例4的2倍程度，但是尚屬於實用上不致有問題的水準。
再者，本發明中，在下層配線上形成第1絕緣膜、第2絕緣膜、第3絕緣膜及第4絕緣膜之後，在對該等絕緣膜施行乾式蝕刻處理，便形成到達下層配線的開口部，經在開口部內部與第4絕緣膜上形成阻障金屬膜與導電層之後，再除開口部內部之外，將導電層、阻障金屬膜、及部分的第4絕緣膜與第3絕緣膜，利用化學機械研磨法而去除，便可形成電耦接於下層配線的上層配線。此情況下，在所裸露出的第3絕緣膜與導電層表面上，將被施行還原性電漿處理。此外，第絕緣膜係阻障絕緣膜，第3絕緣膜係本發明的有機矽氧烷系絕緣膜，第4絕緣膜係SiO2 膜。
上述情況時，形成第2絕緣膜的步驟係設定為形成介電常數較低於第3絕緣膜之絕緣膜的步驟。換言之，第2絕緣膜係僅要屬於介電常數低於第3絕緣膜之膜的話便可，並不僅限於有機矽氧烷系絕緣膜。另一方面，形成第3絕緣膜的步驟係將式(1)所示烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並依500Pa以下的壓力利用電漿CVD法進行成膜的步驟。藉此，便可獲得硬度2.7GPa以上的第3絕緣膜。此外，藉由將第3絕緣膜硬度設定在3.0GPa以上，便可將改質層的膜質形成更良好狀態。此情況下，最好將成膜時的壓力設定在470Pa以下。
依此方法的話，在第14圖中，便可獲得將第2有機矽氧烷系絕緣膜3b改變為第2絕緣膜的構造。所以，因為可將依還原性電漿處理所形成的改質層膜質形成緻密，因而將可防止半導體裝置的電氣特性降低狀況。此外，相較於僅配線層僅由具有單一硬度之有機矽氧烷系絕緣膜形成的情況下，將更加降低寄生電容。
1．．．下層配線
2．．．第1絕緣膜
3．．．第2絕緣膜
3’．．．改質層
4．．．第3絕緣膜
5．．．光阻膜
6,7．．．開口部
8．．．阻障金屬膜
9．．．銅層
10．．．第1配線
11．．．第2配線
12．．．介層洞
13．．．配線溝
3a．．．第1有機矽氧烷系絕緣膜
3b．．．第2有機矽氧烷系絕緣膜
第1圖係相關本發明的有機矽氧烷系絕緣膜，改變壓力時的硬度與介電常數間之關係圖。
第2圖係相關本發明的有機矽氧烷系絕緣膜，蝕刻時間、與經蝕刻所去除膜厚間之關係圖。
第3圖係係相關本發明的有機矽氧烷系絕緣膜，改變硬度時的改質層膜厚、與蝕刻速率初始速度間之關係圖。
第4圖係本發明中，有機矽氧烷系絕緣膜硬度與初期故障發生率間之關係圖。
第5圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第6圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第7圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第8圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第9圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第10圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第11圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第12圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第13圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。
第14圖係本發明的半導體裝置之製造方法說明圖。

Claims (16)

  1. 一種半導體裝置，包括在半導體基板上形成多層配線構造的半導體裝置，其特徵在於：該多層配線構造係具有層間絕緣膜，而該層間絕緣膜係至少其中一部分具備有介電常數為小於或等於3.1，且硬度為大於或等於2.7GPa的有機矽氧烷系絕緣膜；且該有機矽氧烷系絕緣膜係(碳原子數/矽原子數)比在大於或等於0.5、小於或等於1.0的範圍。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該有機矽氧烷系絕緣膜的硬度係大於或等於3.0GPa。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，該有機矽氧烷系絕緣膜係具有Si-CH3 鍵結、Si-O-Si鍵結及Si-C-Si鍵結。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，該多層配線構造係在該有機矽氧烷系絕緣膜上面，具有從該有機矽氧烷系絕緣膜中抽取出碳，且(碳原子數/矽原子數)比達小於或等於0.1的絕緣層。
  5. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中，該絕緣層膜厚係大於或等於5nm、小於或等於15nm的範圍。
  6. 如申請專利範圍第5項之半導體裝置，其中，該絕緣層的最大膜厚與最小膜厚差，係在該絕緣層平均膜厚的20%以內。
  7. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中，在該 絕緣層上層銜接該絕緣層形成阻障絕緣膜。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中，在該有機矽氧烷系絕緣膜下層，銜接該有機矽氧烷系絕緣膜，形成介電常數較低於該有機矽氧烷系絕緣膜的絕緣膜。
  9. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，該低介電率絕緣膜係(碳原子數/矽原子數)比在大於或等於0.5、小於或等於1.0的範圍的有機矽氧烷系絕緣膜，且介電常數為小於或等於2.8，硬度為小於或等於1.8GPa。
  10. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，該多層配線構造係具有在該有機矽氧烷系絕緣膜、與該低介電率絕緣膜的其中一部分中所設置的配線溝，以及對應該配線溝，在該低介電率絕緣膜其他部分中所設置的介層洞中，填充著導電層的構造。
  11. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，該多層配線構造係具有在該有機矽氧烷系絕緣膜與該低介電率絕緣膜中所設置的配線溝，以及對應該配線溝在該有機矽氧烷系絕緣膜中所設置的介層洞中，填充著導電層的構造。
  12. 一種半導體裝置之製造方法，具有多層配線構造的半導體裝置之製造方法，包括：在半導體基板上所形成的下層配線上，形成第1絕緣膜的步驟；在該第1絕緣膜上形成第2絕緣膜的步驟；在該第2絕緣膜上形成第3絕緣膜的步驟；對該第3絕緣膜、該第2絕緣膜及該第1絕緣膜施行 乾式蝕刻處理，而形成深達該下層配線之開口部的步驟；在該開口部內面與該第3絕緣膜上形成阻障金屬膜的步驟；依埋藏該開口部之方式，在該阻障金屬膜上形成導電層的步驟；除該開口部內部之外，將該導電層、該阻障金屬膜、及部分的該第3絕緣膜與該第2絕緣膜，利用化學機械研磨法而去除，而形成電耦接於該下層配線的上層配線的步驟；以及對裸露出的該第2絕緣膜與該導電層表面施行還原性電漿處理的步驟；其特徵在於：該形成該第2絕緣膜的步驟係將下式所示烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並依小於或等於500Pa的壓力，利用電漿CVD法進行成膜的步驟：Rw Six Oy (OR’)z 其中，R與R’係指CH3 ，w,x,z係指正整數，y係指0或正整數，(w/x)=2。
  13. 一種半導體裝置之製造方法，具有多層配線構造的半導體裝置之製造方法，包括：在半導體基板上所形成的下層配線上，形成第1絕緣膜的步驟；在該第1絕緣膜上形成第2絕緣膜的步驟；在該第2絕緣膜上形成第3絕緣膜的步驟； 對該第3絕緣膜、該第2絕緣膜及該第1絕緣膜施行乾式蝕刻處理，而形成深達該下層配線之開口部的步驟；在該開口部內面與該第3絕緣膜上形成阻障金屬膜的步驟；依埋藏該開口部之方式，在該阻障金屬膜上形成導電層的步驟；除該開口部內部之外，將該導電層、該阻障金屬膜、及部分的該第3絕緣膜與該第2絕緣膜，利用化學機械研磨法而去除，而形成電耦接於該下層配線的上層配線的步驟；以及對裸露出的該第2絕緣膜與該導電層表面施行還原性電漿處理的步驟；其特徵在於：該形成該第2絕緣膜的步驟係將下式所示烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並採取電漿CVD法依大於或等於650Pa的壓力形成達既定膜厚之後，將壓力改變為小於或等於500Pa，再更進一步進行成膜的步驟：Rw Six Oy (OR’)z 其中，R與R’係指CH3 ，w,x,z係指正整數，y係指0或正整數，(w/x)=2。
  14. 一種半導體裝置之製造方法，具有多層配線構造的半導體裝置之製造方法，包括：在半導體基板上所形成的下層配線上，形成第1絕緣膜的步驟； 在該第1絕緣膜上形成第2絕緣膜的步驟；在該第2絕緣膜上形成第3絕緣膜的步驟；在該第3絕緣膜上形成第4絕緣膜的步驟；對該第4絕緣膜、該第3絕緣膜、該第2絕緣膜及該第1絕緣膜施行乾式蝕刻處理，而形成深達該下層配線之開口部的步驟；在該開口部內面與該第4絕緣膜上，形成阻障金屬膜的步驟；依埋藏該開口部之方式，在該阻障金屬膜上形成導電層的步驟；除該開口部內部之外，將該導電層、該阻障金屬膜、及部分的該第4絕緣膜與該第3絕緣膜，利用化學機械研磨法而去除，而形成電耦接於該下層配線的上層配線的步驟；以及對裸露出的該第3絕緣膜與該導電層表面施行還原性電漿處理的步驟；其特徵在於：該形成該第2絕緣膜的步驟係形成介電常數較低於該第3絕緣膜之絕緣膜的步驟；該形成該第3絕緣膜的步驟係將下式所示烷基烷氧基矽烷、與非氧化性氣體，使用為原料氣體，並依小於或等於500Pa的壓力，利用電漿CVD法進行成膜的步驟：Rw Six Oy (OR’)z 其中，R與R’係指CH3 ，w,x,z係指正整數，y係指0 或正整數，(w/x)=2。
  15. 如申請專利範圍第12至14項中任一項之半導體裝置之製造方法，其中，該非氧化性氣體係從氦氣體、氬氣體及氮氣體所構成組群中，至少選擇1種的氣體。
  16. 如申請專利範圍第12至14項中任一項之半導體裝置之製造方法，其中，該還原性電漿處理係暴露於至少含有氨與氫的電漿中之步驟。
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