(57)【要約】【課題】  低誘電率層間構造を有する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  有機物薄膜とオープンポアを有する無機系薄膜の積層膜からなる層間絶縁膜を有する多層配線を形成した後、オープンポアを通して有機膜を分解・除去することにより配線金属と無機系薄膜のみを残し、中空構造を有し低誘電率層間構造を有する半導体装置を提供する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、有機絶縁膜と、オープンポアを有する無機系膜とからなる多層積層構造を有する層間絶縁膜を、前記有機絶縁膜が前記基板側に隣接するよう形成する工程と、
前記層間絶縁膜の所要箇所に溝もしくは接続孔を形成する工程と、
前記溝もしくは接続孔に埋め込み金属配線を形成する工程と、
前記オープンポアを有する無機系膜のオープンポアを通して前記有機膜をエッチング除去する工程を少なくとも備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記無機系膜が、少なくともメチル基と珪素を有する物質の塗布膜あるいはＣＶＤ膜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。
【請求項３】
前記有機絶縁膜のエッチング除去工程が、少なくとも水素原子あるいは酸素原子のいずれか一つを含むガスによりエッチング除去する工程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。
【請求項４】
前記有機絶縁膜のエッチング除去工程が、電子線照射により有機膜をエッチング除去すると工程であることを特徴とする請求項１記戟の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記有機絶縁膜が、パリレン（−ＣＨ２−Ｃ６Ｈ４−ＣＨ２−）ｎ、あるいはフッ素化キシリレン（−ＣＦ２−Ｃ６Ｈ４−ＣＦ２−）ｎのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法に係わり、特に低抵抗・低容量の多層配線構造を形成するためのＣｕ配線と低誘電率膜を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化に伴い、配線抵抗の上昇、配線間、配線層間の容量が上昇し、その結果、信号の伝搬速度が低下し半導体デバイスの特性を悪化させるという問題が発生している。
その改善策として、配線にＣｕを、層間絶縁膜に低誘電率膜を用いることにより抵抗・容量の低下を図っている。この低誘電率膜としては、従来ＳｉＯ２中にメチル基を導入した無機材料のＳｉＯＣ膜、ポリアリルエーテル誘導体等の有機膜の開発が行われている。これらの薄膜の誘電率は２．６〜２．９程度であり、この誘電率は、現在の半導体装置に要求される特性としては十分ではないことから、次世代に向けたさらなる低誘電率化の検討が行われており、その１手法として、層間絶縁膜内に空孔を導入することで膜の密度を下げ誘電率２．０〜２．４の膜を実現するための開発が進められている。
【０００３】
しかしながら、層間絶縁膜に空孔を導入すると、膜の機械的強度が低下して、製造工程中に基板上に形成された膜が割れやすくなったり、空孔に吸着するガスや薬剤による膜特性が劣化したり、劣化対策としての後処理が必要であったりするため、これらの空孔を有する膜を半導体装置の製造に適用することが困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、低誘電率・低容量である空孔を有する層間絶縁膜を備えた半導体装置を、簡便で、かつ歩留まりよく製造する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、有機材料を主たる層間絶縁膜として用い、一旦配線構造を形成した後、前記有機材料を、オープンポアを通して、除去することで、低誘電率・低容量の層間絶縁構造を提供するものである。
【０００６】
すなわち、本発明は、基板上に、有機絶縁膜と、オープンポアを有する無機系膜とからなる多層積層構造を有する層間絶縁膜を、前記有機絶縁膜が前記基板側に隣接するよう形成する工程と、
前記層間絶縁膜の所要箇所に溝もしくは接続孔を形成する工程と、
前記溝もしくは接続孔に埋め込み金属配線を形成する工程と、
前記オープンポアを有する無機系膜のオープンポアを通して前記有機膜をエッチング除去する工程を少なくとも備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【０００７】
前記本発明において、前記無機系膜が、少なくともメチル基と珪素を有する物質の塗布膜あるいはＣＶＤ膜であることが好ましい。
【０００８】
また、前記本発明において、前記有機絶縁膜のエッチング除去工程が、少なくとも水素原子あるいは酸素原子のいずれか一つを含むガスによりエッチング除去する工程であるか、あるいは、電子線照射により有機膜をエッチング除去すると工程であることが好ましい。
【０００９】
さらに、前記本発明において、前記有機絶縁膜が、パリレン（−ＣＨ２−Ｃ６Ｈ４−ＣＨ２−）ｎ、あるいはフッ素化キシリレン（−ＣＦ２−Ｃ６Ｈ４−ＣＦ２−）ｎのいずれかであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明によれば、低誘電率及び低容量を実現することができる空孔を導入した層間絶縁膜を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態について、そのプロセスを示す図１を用いて説明する。
【００１２】
本実施の形態のプロセスは、図１（ａ）に示すように、半導体基板もしくはその表面に能動素子を形成した基板１１（以下被処理基板という）の表面に、エッチストップ層１２を形成する。このエッチストップ層１２は、以下の有機絶縁膜１３をエッチングする際に、被処理基板１１表面がエッチング剤によって浸食されるのを防止するための層であり、この材料として例えばＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２などのような無機膜を用いることができる。このエッチストップ層は、ＣＶＤ法によって形成することができ、その厚さは、１０〜５０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００１３】
次いで、このエッチストップ層１２の表面に、有機絶縁膜１３を形成する。この有機絶縁膜１３は、後の工程で除去され空孔となる層であり、エッチングの容易な材料で形成することが好ましい。具体的には、非フッ素系重合体膜であるＳｉＬＫ（商品名：ダウケミカル社）、あるいは、Ｆｌａｒｅ（商品名：ハネウエル社）、あるいは、ポリイミド膜などを用いることができる。さらに、この有機絶縁膜材料としては、パリレン（−ＣＨ２−Ｃ６Ｈ４−ＣＨ２−）ｎ、あるいはフッ素化キシリレン（−ＣＦ２−Ｃ６Ｈ４−ＣＦ２−）ｎのいずれかを用いることもできる。これらの材料は、電子線照射によってエッチング除去することできるため好ましい。
これらの材料を用いた有機絶縁膜の膜厚は、１００〜１０００ｎｍ程度の厚さが好ましく、この有機絶縁膜は、塗布法によって形成することができる。
【００１４】
次いで、この有機絶縁膜１３表面に、オープンポアを有する無機系膜１４を形成する。このオープンポアとは、この無機系膜の表裏面を貫通する直径数ｎｍの微細孔であり、この貫通孔としては、ガスが流通し得る程度の径を有するものが好ましい。このオープンポアを有する膜の膜厚としては、１０〜１００ｎｍ程度が好ましい。
【００１５】
このオープンポアを有する無機系膜としては、メチル基と珪素原子を有する物質を用いることが望ましく、このような物質として具体的には、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン膜）系の無機ＳＯＤ膜として知られているナノグラス（商品名：ハネウエル社）や、ＬＫＤ５１０９（商品名：ＪＳＲ社）、ＡＬＣＡＰ（商品名：旭化成工業社）などを用いることができる。このオープンポアを有する無機系膜を形成するには、これらの材料を前記有機絶縁膜１３表面に塗布するか、あるいはＣＶＤ法によって成膜した後、３５０〜４００℃で３０〜６０分間、大気圧の窒素ガスのような低酸素雰囲気中で加熱処理して上記物質の一部を分解・重合することによって、オープンポアを有する無機系膜とすることができる。
【００１６】
次いで、前記オープンポアを有する無機系膜１４の表面には、前記オープンポアを有する無機系膜１４を保護するためのＳｉＯ２のような表面保護膜１５を形成することが好ましい。前記表面保護膜１５の厚さとしては、１０〜１００ｎｍ程度が好ましい。
【００１７】
次いで、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィー工程及びドライエッチング工程によって、前記層間絶縁膜１３，１４に溝もしくは接続孔１６ａ，１６ｂを形成する。この工程においては、前記表面保護膜１５上にレジストを塗布し、パターニングを行った後、前記有機絶縁膜１３、前記オープンポアを有する無機系膜１４及び表面保護膜１５に溝もしくは接続孔を形成する。次いで、このホールの底部にあるエッチストップ層１２をエッチング除去する。これによって、被処理基板１１表面の所要領域を露出させる。
【００１８】
次いで、前記溝もしくは接続孔１６ａ，１６ｂを含む表面にＴａやＴａＮなどからなるバリアメタル層１７を形成した後、Ｃｕシード層１８を形成する。
前記バリアメタル層１７は、前記ホールに充填されるコンタクト金属であるＣｕが、配線工程中の加熱温度によって半導体材料、あるいは絶縁材料中に拡散するのを防止するもので、例えばＴａターゲットを用いたスパッタ法や、Ｔａターゲットとアルゴンと窒素ガスの混合ガスを用いた反応性スパッタ法によって層形成することができる。
【００１９】
また、このＣｕシード層は、次工程でホール内表面にＣｕ層を形成するが、これに先立って、Ｃｕの析出を容易にするために行うものである。このＣｕシード層としては、Ｃｕターゲットを用いたスパッタ法によって形成した層であってもよいし、バリアメタル層１７表面にパラジウム触媒を付着して形成することもできる。このパラジウム触媒は、次工程のＣｕ層の形成を無電解メッキで行う際に、Ｃｕの析出を促進させる機能を有する。
【００２０】
次いで、図１（ｃ）に示すように、バリアメタル層１７及びＣｕシード層１８を形成した溝もしくは接続孔１６ａ，１６ｂの表面に、Ｃｕを析出させて、前記溝もしくは接続孔１６ａ，１６ｂ内にＣｕ１９ａを埋め込む。前工程において、スパッタ法によってＣｕの層を形成した場合には、電解メッキ法によってＣｕを析出させることが好ましく、一方、パラジウム処理によってＣｕシード層を形成した場合には、無電解Ｃｕメッキ法によってＣｕを析出させることが適している。この工程において、前記溝もしくは接続孔１６ａ，１６ｂ内及び表面保護膜１５表面に、Ｃｕ層１９を形成する。
【００２１】
次いで、前記工程で形成したＣｕ層１９を、ＣＭＰ法などの手段により研磨し、表面のＣｕ層１９及び表面保護膜１５を除去し、オープンポアを有する無機系膜１４を表面に露出させる（図１（ｄ））。
【００２２】
次いで、図１（ｅ）に示すように、有機絶縁膜１３を分解除去して、この有機絶縁膜１３が占めていた領域を空孔とする。この工程において、有機絶縁膜を分解除去する手段として、この被処理基板をアッシング装置内に載置して、アッシングすることにより、前記工程によって、表面に露出したオープンポアを有する無機膜１４のオープンポアを経由してアッシングガスを有機膜１３と接触させ、この有機膜１３を選択的にエッチング除去することもできるし、この被処理基板表面に電子線を照射して有機絶縁膜を分解除去することもできる。
【００２３】
前記アッシング装置を用いて有機絶縁膜を分解除去するには、アッシングガスとして、少なくとも水素原子あるいは酸素原子を有するガスを用いることができる。具体的には、ＮＨ３や、水素ガス、または酸素ガスを用いることが好ましい。
アッシングガスとして、酸素ガスを用いる場合には、オープンポアを有する無機系膜１４が酸化されるため、誘電率は上昇するが、同時にこの無機系膜がＳｉＯ２膜となり機械的強度が増加するため、半導体装置の配線構造の設計によっては好ましい場合もある。これらのガスは純粋なガスとして用いてもよいし、過激な反応となる場合には、アルゴンガスのような不活性の希釈ガスを混合して用いてもよい。
【００２４】
また、有機絶縁膜を分解除去する手段として、電子線照射を行う場合には、有機絶縁膜を有する基板を、例えば、４００℃に加熱し、圧力１００ｍｍＴｏｒｒにて、電子管（ウシオ電機製：Ｍｉｎ・ＥＢ）を複数設置した電子線照射ユニットを用い６０ｋＶ、５μＣ／ｃｍ２・ｓｅｃの照射レートにて、多層配線の形成された基板全面に１０分間電子線を照射することで膜を除去することができる。
【００２５】
以上の各工程を経ることによって、図１（ｅ）に示すように、被処理基板１１上に、エッチストップ層１２、空間１７、オープンポアを有する無機系膜１４、及び溝もしくは接続孔となるホール１６ａ，１６ｂ、及びその内部のバリアメタル層１７、Ｃｕコンタクト金属あるいは配線金属１９ａからなる構造を形成することができる。
【００２６】
さらに、上記工程、すなわち、エッチストップ層形成、有機絶縁膜形成工程、オープンポアを有する無機膜形成工程、表面保護膜形成工程、溝もしくは接続孔形成工程、金属層形成工程、研磨工程、有機絶縁膜エッチング工程を繰り返し、多層配線を有する半導体装置を形成することができる。
【００２７】
すなわち、上記図１（ｅ）までの工程によって形成された構造体の上に、図１（ｆ）に示すように、接続部２０、エッチストップ層２１、有機絶縁膜２２、オープンポアを有する無機系膜２３、及び表面保護膜２４を、それぞれ上記した方法により形成した後、図１（ｇ）に示すようにエッチストップ層２１、有機絶縁膜２２、オープンポアを有する無機系膜２３などに溝もしくは接続孔を形成し、コンタクト金属あるいは配線金属を溝もしくは接続孔に充填し、さらに有機絶縁膜２２をエッチング除去する工程を１回もしくは複数回繰り返して、多層配線を有する半導体装置を形成する。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
以下、図１を用いて、実施例１を説明する。
まず、エッチストップ膜としてプラズマＣＶＤ法にてＳｉＣ膜１２を３０ｎｍの厚さで形成した後、有機膜ＳｉＬＫ（ダウケミカル社）を用いて有機絶縁膜１３を形成した。膜厚は、１００ｎｍとした。この上に、ＭＳＱ系の無機ＳＯＤ材料としてナノグラス（ハネウェル社）を用いて、オープンポアを有する膜１４を５０ｎｍの厚さに形成した。その表面に、オープンポアを保護する無機膜ＳｉＯ２１５を８０ｎｍの厚さに形成した（図１（ａ））。
【００２９】
次いで、通常のリソグラフィー工程とドライエッチング工程により溝あるいは接続孔１６ａ，１６ｂを形成した。このホール１６ａ，１６ｂ内面に、バリヤメタル（Ｔａ，ＴａＮ）と、Ｃｕシード層をＰＶＤ法により形成し（図１（ｂ））、Ｃｕメッキにより溝あるいは孔内部にコンタクト金属となるＣｕを埋め込んだ（図１（ｃ））。
【００３０】
次いで、ＣＭＰにより、Ｃｕとバリアメタルを、ホール部分に選択的に残し、不要部分を除去した。同時にＳｉＯ２からなる無機膜１５も除去し、オープンポアを有する無機系膜１４が表面に出るようにした（図１（ｄ））。その後、アッシング装置を用い、ＮＨ３ガスにてオープンポアを通して有機膜をエッチング除去した（図１（ｅ））。
さらに、上層用のエッチストップ膜、有機膜、オープンポアを有する膜、保護無機膜を形成し（図１（ｆ））、この工程を繰り返して多層配線を有する積層化した半導体装置を製造した。上層の有機膜の膜厚は、１．５〜２．０μｍとした。
【００３１】
（実施例２）
有機絶縁膜として、ＣＶＤ法で形成した（−ＣＦ２−Ｃ６Ｈ４−ＣＦ２−）ｎを基本構造とする弗素化ポリキシリレンを用い、実施例１と同様の工程で配線構造を形成したのち、アッシング装置に代えて、下記条件の減圧下で電子線を照射することによって前記有機絶縁膜を分解除去した。
【００３２】
すなわち、１５０ｍｍ厚の弗素化ポリキシリレン膜に対して、オープンポア膜にナノグラス（ハネウェル社）５０ｎｍを用いたて、基板を４００℃に加熱し、圧力１００ｍｍＴｏｒｒにて、ウシオ電機製の電子管（Ｍｉｎ・ＥＢ）を複数設置した電子線照射ユニットを用い６０ｋＶ、５μＣ／ｃｍ２・ｓｅｃの照射レートにて、電子線を多層配線の形成された基板全面に１０分間照射することで完全に膜を除去することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の半導体製造方法のプロセスを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１…基板
１２…エッチストップ層
１３…有機絶縁膜
１４…オープンポアを有する無機系膜
１５…表面保護膜
１６ａ，１６ｂ…溝もしくは接続孔
１７…バリアメタル層
１８…Ｃｕシード層
１９…Ｃｕ金属層
１９ａ…埋め込み金属配線
２０…接続部
２１…エッチストップ層
２２…有機絶縁膜
２３…オープンポアを有する無機系膜
２４…表面保護膜
２５ａ…金属配線
【図１】
2005183730.tif 000002