(57)【要約】【課題】塗布法で形成する低誘電率膜のピンホール等の塗布欠陥を低減する有機ポリマー膜の形成方法及び多層配線の形成方法及び、低コストで、高歩留りが達成可能な半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】有機ポリマー膜を回転塗布によって形成する方法であって、特定の接着強化剤が塗布された基板にＵＶ処理を行い基板の臨界表面張力を大きくすることを特徴とする膜形成方法。【選択図】  なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の接着強化剤を塗布した基板にＵＶ処理を行い、次いで絶縁膜を回転塗布によって形成することを特徴とする膜形成方法。
【請求項２】
請求項１記載のＵＶ処理が  １〜１０００ｍＪ／ｃｍ２の範囲であることを特徴とする膜形成方法。
【請求項３】
請求項１及び２の方法を用いて多層配線を形成する半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機ポリマー膜形成方法及び高集積化した半導体素子に有用な多層配線の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩの高集積化が進むに従い、トランジスタを接続する配線が多層化し、また、動作スピードの向上のため、層間絶縁膜の低誘電率化が進んでいる。また、配線金属はアルミニュウムから抵抗の低い銅へと変化している。
層間絶縁膜としては、従来から比誘電率４．２程度の化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）法による酸化珪素（ＳｉＯ２  ）膜が主として用いられてきた。しかし、配線の微細化にともない、配線間容量の増大による信号遅延時間の増大が問題となり、配線間容量の低減が要求されている。そのため、より低誘電率な層間絶縁膜が求められている。有機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）膜、有機ポリマー膜は比誘電率３．０以下が達成可能であるため、ＬＳＩの層間絶縁膜への適用が盛んに検討され、一部で適用が開始されている。
【０００３】
ＬＳＩの層間絶縁膜に適用する低誘電率膜に要求される特性としては、耐熱性、プラズマ耐性、機械強度、上下層膜との接着性、面内均一塗布性等の特性があげられる。微細化したＬＳＩの多層配線工程においては、歩留りを向上させる必要があり、特にスピン塗布で膜を形成する有機ポリマー膜は、スピン回転後の塗膜上にピンホールが発生してしまい問題となっている。
【０００４】
特に、有機ポリマー溶液が低粘度化するとピンホールが大きくなり数も増えるなどの問題が顕在化している。ＬＳＩの高歩留り、高信頼性を達成するため、有機ポリマー低誘電率膜の塗布成膜性が強く望まれている。
【０００５】
有機ポリマー溶液の低粘度化によりピンホール等の塗布欠陥が増大する理由は、下地基板の臨界表面張力より有機ポリマー溶液の表面張力が極端に大きいため基板に対して有機ポリマー溶液がなじみづらいからである。
従来から行われている有機ポリマー膜の均一塗布方法としては、基板上に特定の接着強化剤等を塗布し、その上に有機ポリマー膜を形成することが提案されている。しかし、この方法では、接着強化剤の膜が薄膜なため下地基板の影響をうけ臨界表面張力が小さくなり、下地基板の種類によってピンホールが出たり出なかったりする問題があった。（例えば、特許文献１、２及び３参照）
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３３３３５５号公報
【特許文献２】
特開平８−２２２５５０号公報
【特許文献３】
特開平４−９７５４７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、有機ポリマー膜の膜形成方法であり、低コストで、高歩留りが達成可能な半導体素子の製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のものに関する。
（１）  特定の接着強化剤を塗布した基板にＵＶ処理を行い、次いで絶縁膜を回転塗布によって形成することを特徴とする膜形成方法。
（２）  上記（１）記載のＵＶ処理が  １〜１０００ｍＪ／ｃｍ２の範囲であることを特徴とする膜形成方法。
（３）  上記（１）及び（２）の方法を用いて多層配線を形成する半導体素子の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
基板上に特定の接着強化剤が塗布してある基板であって、その基板上にＵＶ処理を行い、次いで有機ポリマー膜を回転塗布により絶縁膜を形成方法。
この方法は、特定の接着強化剤が形成された下地基板の臨界表面張力が大きくなり有機ポリマー膜を均一に塗布させることができる。また、下地基板の種類が変わった場合への対応も容易である。
有機ポリマー膜としては、芳香族系ポリマー膜、とこれらのポーラス膜といった低誘電率膜が用いられる。
【００１０】
有機ポリマー膜の形成には、複数のホットプレートを有する市販のスピンコータが用いられる。回転塗布後に、ウエハを回転させながらウエハ外周部にリンス液を滴下し、塗布絶縁膜を除去するためのノズルを有し、ノズルは可動式で、塗布絶縁膜を除去する幅を任意に設定できる装置が好ましい。
【００１１】
本発明の方法を用いた場合、特定の接着強化剤が形成された下地基板の臨界表面張力は、２８ｄｙｎ／ｃｍ以上であった。本発明の方法を用いない場合には、特定の接着強化剤が形成された下地基板の臨界表面張力は、２５ｄｙｎ／ｃｍ以下であった。
【００１２】
本発明に用いる特定の接着強化剤は、ダウ・ケミカル社製のＡＰ４０００を用いた。
接着強化剤の膜形成方法は、スピンチャックにウエハを吸着させた後、ウエハを１０〜５０ｒｐｍで回転させながら、必要量の塗布液をウエハ中央に滴下する。その後２０００〜４０００ｒｐｍで３０秒程度回転させる。この時の回転数を変更することによって得られる接着強化剤の膜厚を制御することが可能である。この段階で塗布膜の溶剤が十分に揮発していれば、５００〜２０００ｒｐｍに保持してエッジリンス及び、ウエハ裏面に飛散した塗布液を除去するためのバックリンスを行う。
【００１３】
回転塗布後は、１〜３枚のホットプレートを用いて５０〜２５０℃のプリベークを行う。通常は低温から段階的に２〜３段階でベークする方法が用いられる。
【００１４】
特定の接着強化剤が形成された下地基板に照射するＵＶ照射量は、好ましくは１ｍＪ／ｃｍ２〜１０００ｍＪ／ｃｍ２の範囲であり、特に好ましいのは１０ｍＪ／ｃｍ２〜２００ｍＪ／ｃｍ２の範囲である。
【００１５】
有機ポリマー膜の回転塗布方法は、スピンチャックにウエハを吸着させた後、ウエハを１０〜５０ｒｐｍで回転させながら、必要量の塗布液をウエハ中央に滴下する。その後１０００〜６０００ｒｐｍで３０秒程度回転させる。この時の回転数を変更することによって得られる塗布絶縁膜の膜厚を制御することが可能である。この段階で塗布膜の溶剤が十分に揮発していれば、５００〜２０００ｒｐｍに保持してエッジリンス及び、ウエハ裏面に飛散した塗布液を除去するためのバックリンスを行う。
【００１６】
回転塗布後は、１〜３枚のホットプレートを用いて５０〜３５０℃のプリベークを行う。通常は低温から段階的に２〜３段階でベークする方法が用いられる。
【００１７】
塗布絶縁膜を完全に硬化させるためには、通常３５０〜４５０℃で２０〜６０分の硬化を行う。硬化には市販の縦型炉を用いることが出来る。塗布絶縁膜が有機膜及び、有機無機複合膜の場合には、硬化雰囲気を窒素雰囲気とし、酸素濃度を１００ｐｐｍ以下に制御するのが好ましい。
【００１８】
ＬＳＩの層間絶縁膜に有機ポリマー膜を用いる場合、これらの膜がウエハー表面に露出した状態では、ＬＳＩの多層配線形成プロセスで用いられるプラズマ及び、薬品により、膜質が劣化し、絶縁膜としての信頼性が低下する可能性がある。そのため、有機膜の上層に無機膜を積層するのが一般的である。無機膜としては、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜が通常用いられ、プラズマＣＶＤ法により形成するのが一般的である。また、層間絶縁膜に有機ポリマー膜を用いる場合、パターン形成後のフォトレジストの除去に通常用いられるアッシングを行うことができないため、パターン形成のエッチング時にフォトレジストを同時に除去する方法が用いられるが、上層に形成した無機膜はフォトレジストが除去された後のハードマスクとしての役割を果たす場合もある。
【００１９】
銅配線を形成するシングルダマシン法では、絶縁膜形成後、配線パターンまたは接続孔パターンのフォトレジストパターンを形成し、プラズマエッチングにより絶縁膜にパターン形成を行う。フォトレジストの形成には、有機ポリマー膜に用いた塗布装置と同等の機能を有する塗布装置が使用可能である。
【００２０】
フォトレジストのウエハ外周部を除去する方法としては、エッジリンスと周縁露光のどちらを用いても良い。
【００２１】
市販のステッパ−を用いて、フォトレジストに、配線または、接続孔のパターンを形成し、無機膜と有機ポリマー膜のエッチングを行う。エッチングには市販のエッチング装置を用いることが出来る。特定の接着強化剤が塗布された下地基板の臨界表面張力がＵＶ照射によって２８ｄｙｎ／ｃｍとなりピンホール等の塗布欠陥は起こらない。
【００２２】
有機ポリマー膜は、ＣＦ系のエッチングガスで上層の無機膜をエッチングした後、Ｎ２／Ｈ２系またはＮＨ３系のエッチングガスを用いてエッチングを行う。有機ポリマー膜のエッチング時にフォトレジストも同時にエッチングされ、エッチング完了後にはフォトレジストは完全に除去される。
【００２３】
エッチング後は、必要に応じて市販のクリーニング液によるクリーニングを行っても良い。その後、スパッタによってバリア膜と銅メッキのためのＣｕシード層を形成する。バリア膜は、下地絶縁膜との接着性向上やＣｕ膜が絶縁膜中を拡散する事を防ぐ事などを目的として形成される。Ｃｕは市販のメッキ液、メッキ装置を用いて形成することが出来る。Ｃｕ配線を形成するためのＣｕＣＭＰには、市販の研磨液と装置を用いることができる。ＣｕＣＭＰ後は連続してバリア膜のＣＭＰを行う。本発明の方法では、ＣｕＣＭＰの前にエッジ部の盛り上がりが小さいため、ＣＭＰ工程で、盛り上がりに起因する剥離が起こらない。
【００２４】
本発明の有機ポリマー膜形成方法によれば、ピンホール等の塗布欠陥を大幅に解決できるため、高集積化したＬＳＩの歩留まりを低コストで改善することが可能である。
本発明の半導体素子としては、例えば、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、マスクＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリーなどの記憶素子、マイクロプロセッサー、ＡＳＩＣなどの論理回路素子などに代表される集積回路素子が挙げられる。
【００２５】
【実施例】
【実施例１】
有機ポリマー膜として、硬化膜の比誘電率が２．６であるダウ・ケミカル社製のＳｉＬＫ  Ｉ２６０樹脂を用いてシングルダマシンを想定した多層配線形成の検討を行った。
【００２６】
基板として、ＳｉＣ１００ｎｍが製膜された８インチのシリコンウエハを用いた。塗布装置は大日本スクリーン製のＳＣＷ−８０Ａコータを用いた。ウエハをスピンチャックに吸着後、３０ｒｐｍで回転しながら、ＡＰ４０００塗布液を４ｃｃ滴下した。滴下終了後すぐに３０００ｒｐｍで２５秒回転し、続いて、５０００ｒｐｍで２０秒回転して塗布膜の溶剤を揮発させた。スピン塗布後はホットプレートを用いて２００℃／１２０秒のベークを行い、続いてクーリングプレートを用いて２３℃／９０秒のクーリングを行った。その後ウエハに１００ｍＪ／ｃｍ２のＵＶ照射を行った。ＵＶ照射後の塗布膜の臨界表面張力は２９ｄｙｎ／ｃｍであった。ＵＶ照射が完了したウェハを、再び大日本スクリーン製のＳＣＷ−８０Ａコータで、ウエハをスピンチャックに吸着後、３０ｒｐｍで回転しながら、ＳｉＬＫ  Ｉ２６０塗布液を４ｃｃ滴下した。滴下終了後すぐに３０００ｒｐｍで２５秒回転し、続いて、５０００ｒｐｍで２０秒回転して塗布膜の溶剤を揮発させた。その後回転数を１５００ｒｐｍに保持しながら、ウエハ外周部にリンス液を滴下して外周部のＳｉＬＫ樹脂を除去した。樹脂の除去幅は、Ｓｉウエハの端から３ｍｍとした。エッジリンスの際には、同時にウエハ裏面に付着した樹脂液を除去するためバックリンスを行った。
【００２７】
スピン塗布後はホットプレートを用いて３２０℃／９０秒のベークを行い、続いてクーリングプレートを用いて２３℃／９０秒のクーリングを行った。その後ウエハを縦型炉の石英ボートに挿入し、大日本スクリーン製の縦型炉ＡＶＦ８０１を用いて４００℃／３０分の硬化を行った。この時の雰囲気はＮ２雰囲気でＯ２濃度は１００ｐｐｍ以下に制御した。
【００２８】
硬化後の膜厚を干渉膜厚計を用いて屈折率１．６３で測定した結果、膜厚は２６０ｎｍであった。
硬化後の有機ポリマー膜を目視により観察した結果、ピンホールは無かった。
【００２９】
樹脂膜の硬化後に、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ２膜を積層した。装置はＰ―５０００（アプライドマテリアル製）を用い、ソースガスはＳｉＨ４と、Ｎ２Ｏを用いた。ウエハーチャック温度４００度、ＳｉＨ４／Ｎ２Ｏ＝１００ｓｃｃｍ／２０００ｓｃｃｍ、処理圧力１．２ｋＰａで、１００ｎｍのＳｉＯ２膜を積層した。
【００３０】
次いで、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行ってパターンを形成した。得られたフォトレジストパターンの膜厚は３５０ｎｍである。
【００３１】
エッチングは、平行平板型のＲＩＥ装置ＣＳＥ―１１１０（アルバック製）を用いて行った。始めに、ＣＦ４／Ｏ２を用いて、ＳｉＯ２膜のエッチングを行った。処理条件は、ＣＦ４／Ｏ２＝８０ｓｃｃｍ／２０ｓｃｃｍ、圧力５０Ｐａ、Ｒｆパワー２００Ｗ。
【００３２】
続いてＳｉＬＫ硬化膜のエッチングを行った。処理圧力４Ｐａ、エッチングガスはＮ２／Ｈ２＝１５ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍとした。この時のレジスト膜のエッチレートは１００ｎｍ／ｍｉｎであった。３５０ｎｍに対して３０％のオーバーエッチを行うため、エッチング時間を４．５ｍｉｎとし、上層のレジスト膜は完全に除去され、配線または接続孔の形成する。
【００３３】
Ｃｕ−ＣＭＰの評価を行うため、エッチング完了後のウエハにＴａＮを１０ｎｍ積層し、次いでＴａを２０ｎｍ積層し、最後にＣｕを２００ｎｍ積層した。ＴａＮ、Ｔａ、Ｃｕの製膜はスパッタで行った。Ｃｕ−ＣＭＰでは、研磨液は砥粒フリー研磨液  ＨＳ−４０００（日立化成製）、研磨パッドはＩＣ−１０００単層、格子溝パッド（ロデール製）、研磨装置は、定盤直径２４インチ、２プラテン型のメタル用研磨装置（ラップマスター社製）を用いた。研磨条件は、荷重２００ｇ／ｃｍ２、定盤回転数４０ｒｐｍ、ウエハーホルダ回転数４０ｒｐｍ、研磨液供給量２００ｃｃ／ｍｉｎ、研磨時間２分とし、プラテンは、第一プラテンを用いた。この条件でのＣｕの研磨速度は１４０ｎｍ／ｍｉｎであった。研磨後はウエハーを水で洗浄し、乾燥させた後、剥離の観察を行った。顕微鏡でウエハ全面を監察したが剥離は監察されなかった。
【００３４】
続いて、Ｔａ／ＴａＮのＣＭＰを行った。研磨液は、砥粒入りの研磨液  ＨＳ−５０００Ｘ−４（日立化成製）、研磨パッドはＩＣ−１０００単層、格子溝パッド（ロデール製）、研磨装置は、ＣｕＣＭＰと同一の研磨装置を用い、第二プラテンを用いて研磨を行った。研磨条件は、荷重２００ｇ／ｃｍ２、定盤回転数３０ｒｐｍ、ウエハーホルダ回転数３０ｒｐｍ、研磨液供給量２００ｃｃ／ｍｉｎ、研磨時間１分とした。この条件でのＴａ、ＴａＮの研磨速度は５０ｎｍ／ｍｉｎであった。研磨後は、水洗し、乾燥させて観察を行った。顕微鏡でウエハ全面を監察したが剥離は監察されなかった。
【００３５】
バリア膜研磨後にＣｕ拡散防止膜を想定したＳｉＮ膜５０ｎｍを形成することにより、シングルダマシンを想定したプロセスを完了した。
【００３６】
この後、多層化した場合に問題ないことを確認するため、上記のシングルダマシンを想定したプロセスを６回繰り返して行ったが、有機ポリマーにピンホールは確認されずまた剥離は発生しなかった。本プロセスは、ＬＳＩの多層配線形成に対して十分なマージンを有することが確認された。
【００３７】
【比較例１】
ＵＶ照射を行わなかった以外は実施例１同様に有機ポリマー膜を形成し、その後多層配線を形成した。ＣｕＣＭＰは実施例１と同条件で行い、ＳｉＬＫ塗布後塗布膜を目視により監察した。その結果、１ｍｍ角のピンホールが１０個以上観察された。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の有機ポリマー膜の膜形成方法及び多層配線形成方法によれば、有機ポリマー膜のピンホール等の塗布欠陥を容易に解決できるため、高集積化したＬＳＩの歩留まりを低コストで改善することが可能である。