(57)【要約】【課題】特許文献１、２に記載の技術の場合には、いずれも層間絶縁膜毎に熱あるいは電子ビームによる改質（キュア）を行う必要があり、更に特許文献１の場合のように各層間絶縁膜がそれぞれ積層膜の場合には更に積層膜の各層毎に熱あるいは電子ビームによるキュアを必要があるため、下層の層間絶縁膜ほど熱履歴を多く重ね、有機材料であることと相俟って層間絶縁膜の低誘電性の劣化か顕著になり、所望の低誘電特性が得られない。【解決手段】本発明の積層膜の製造方法は、積層された第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２膜に電子ビームＢを照射してこれらのＳＯＤ膜５１、５２を同時に改質する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の膜に電子線を照射してこれらの複数の膜を同時に改質することを特徴とする積層膜の改質方法。
【請求項２】
基板表面に液状の第１の低誘電率材料を塗布して下層膜を形成する工程と、上記下層膜の表面に液状の第２の低誘電率材料を塗布して上層膜を形成する工程と、これらの積層膜に電子線を照射してこれらの積層膜を同時に改質することを特徴とする積層膜の改質方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の積層膜の改質方法によって得られる積層膜であって、第１の低誘電率材料と第２の低誘電率材料は、それぞれケイ素−酸素−炭素−水素系の異なる密度を有する低誘電体組成物からなる特徴とする積層膜。
【請求項４】
上記第１の低誘電率材料からなる下層膜は多孔質であることを特徴とする請求項３に記載の積層膜。
【請求項５】
第１、第２の低誘電体組成物は、メチルシルセスキオキサンであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の積層膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層膜の改質方法及び積層膜に関し、更に詳しくは、積層膜の改質処理のスループットを高めることができると共に機械的強度及び層間の密着強度を高めることができる積層膜の改質方法及び積層膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高集積化及び高速化に伴い、配線構造が微細化し、配線間の絶縁膜による寄生容量の低減が益々重要になって来ている。そこで、近年、微細な配線構造の配線間の絶縁膜による寄生容量を低減させるために低誘電率の有機系材料及び無機系材料が種々開発され、これらの有機材料がＬｏｗ−ｋ材として層間絶縁膜や保護膜等に使用されている。このＬｏｗ−ｋ膜材は、例えばスピンコータ及びベーク炉を用いて被処理体の表面に塗布及び熱処理して使用されるＳＯＤ(Spin on dielectrics)膜として知られている。しかしながら、ＳＯＤ膜は液体材料を塗布して形成する膜であり、更に一部のＳＯＤ膜は気孔率を高めて低誘電率を得ているため、機械的強度に劣る。
【０００３】
そこで、ＳＯＤ膜にＣＶＤ膜などで被覆して機械的強度を確保するようにしている。例えば、図６の（ａ）に示す下地層１上にスピン塗布法によってＬｏｗ−ｋ材料を塗布した後、同図の（ｂ）に示すように所定の熱処理を行ってＳＯＤ膜２を形成し、更に、同図に（ｃ）に示すようにＣＶＤ法によってＳＯＤ膜２上にＣＶＤ膜３をハードマスクとして形成して積層膜を形成して機械的強度を得ている。ところが、図６に示す積層膜の場合には、ＳＯＤ膜２とＣＶＤ膜３の材質が異なるため、これら両者間の密着性が悪く、後工程であるレジスト膜剥離工程や化学機械研磨（ＣＭＰ）工程等によって剥離する虞がある。また、ＣＶＤ膜３は、ＳＯＤ膜２よりも誘電率が高く、積層膜全体としては誘電率が高くなるという問題もある。
【０００４】
そこで、特許文献１には、スピン塗布法のみによって絶縁膜材料を積層し、絶縁層膜間の密着性を高めた低誘電率材料からなる積層膜が提案されている。また、特許文献２には基盤上に低誘電性の高分子誘電体組成物層を一層形成し、この高分子誘電体組成物層を電子ビームに暴露して高分子誘電体組成物層を部分的に硬化する方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９３８９９号公報
【特許文献２】特表２０００−５１１００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２に記載の技術の場合には、いずれも層間絶縁膜毎に熱あるいは電子ビームによる改質（キュア）を行う必要があり、更に特許文献１の場合のように各層間絶縁膜がそれぞれ積層膜の場合には更に積層膜の各層毎に熱あるいは電子ビームによるキュアを必要があるため、スループットが悪いという課題があった。更に、層間絶縁膜が多層に渡るため、下層の層間絶縁膜ほど熱履歴を多く重ね、層間絶縁膜の低誘電性の劣化が顕著になり、所望の低誘電特性が得られないという課題があった。また、スピン塗布法による層間絶縁膜の場合には機械的強度に劣るという課題もあった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、積層膜の改質処理のスループットを高めることができると共に低誘電性の劣化を防止することができ、更に積層膜での層間の密着性を高めて層間剥離を格段に抑制することができることは勿論のこと、層間絶縁膜の機械的強度を向上させることができる積層膜の改質方法及び積層膜を提案することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に記載の積層膜の改質方法は、積層された複数の膜に電子線を照射してこれらの複数の膜を同時に改質することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載の積層膜の改質方法は、基板表面に液状の第１の低誘電率材料を塗布して下層膜を形成する工程と、上記下層膜の表面に液状の第２の低誘電率材料を塗布して上層膜を形成する工程と、これらの積層膜に電子線を照射してこれらの積層膜を同時に改質することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載の積層膜は、請求項１または請求項２に記載の積層膜の改質方法によって得られる積層膜であって、第１の低誘電率材料と第２の低誘電率材料は、それぞれケイ素−酸素−炭素−水素系の異なる密度を有する低誘電体組成物からなる特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項４に記載の積層膜は、請求項３に記載の発明において、上記第１の低誘電率材料からなる下層膜は多孔質であることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の請求項５に記載の積層膜は、請求項３または請求項４に記載の発明において、メチルシルセスキオキサンであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の請求項１〜請求項５に記載の発明によれば、積層膜の改質処理のスループットを高めることができると共に低誘電性の劣化を防止することができ、更に積層膜での層間の密着性を高めて層間剥離を格段に抑制することができることは勿論のこと、層間絶縁膜の機械的強度を向上させることができる積層膜の改質方法及び積層膜を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図１〜図５に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。本発明の積層膜の製造方法では、例えば図１、図２に示す電子ビーム処理装置が用いられる。この電子ビーム処理装置を用いて積層膜の各膜を同時に一括して改質することにより、改質処理のスループットを格段に高めることができ、しかも積層膜の各膜間の密着性を向上させることができる。また、積層膜は、低誘電性を実現する多孔質からなる下層膜と、機械的強度を確保する高密度の上層膜（ハードマスク）とからなり、電子ビーム処理によって機械的強度が高まる。そこでまず、本実施形態で用いられる電子ビーム処理装置について説明し、次いで、本実施形態の積層膜について説明する。
【００１５】
本実施形態に用いられる電子ビーム処理装置１０は、例えば図１に示すように、アルミニウム等によって減圧可能に形成された処理容器１１と、この処理容器１１内の底面中央に配設され且つ被処理体（ウエハ）Ｗを載置する載置台１２と、この載置台１２と対向する処理容器１１の上面に同心円状に配列して取り付けられた複数（例えば、１９本）の電子ビームユニット１３と、載置台１２及び電子ビームユニット１３等を制御する制御装置１４とを備え、制御装置１４の制御下で電子ビームユニット１３から載置台１２上のウエハＷ全面に電子ビームを照射してウエハＷに形成された上下二層のＳＯＤ膜からなる積層膜を改質する。この改質処理を以下ではＥＢキュアとして説明する。
【００１６】
上記載置台１２の下面には昇降機構１５が連結され、昇降機構１５のボールネジ１５Ａを介して載置台１２が昇降する。載置台１２の下面と処理容器１１の底面は伸縮自在なステンレス製のベローズ１６によって連結され、ベローズ１６によって処理容器１１内の気密を保持している。また、処理容器１１の周面にはウエハＷの搬出入口１１Ａが形成され、この搬出入口１１Ａにはゲートバルブ１７が開閉可能に取り付けられている。更に、処理容器１１には搬出入口１１Ａの上方に位置するガス供給口１１Ｂが形成され、処理容器１１の底面にはガス排気口１１Ｃが形成されている。そして、ガス供給口１１Ｂにはガス供給管１８を介してガス供給源（図示せず）が接続され、またガス排気口１１Ｃにはガス排気１９を介して真空排気装置（図示せず）が接続されている。尚、図１において、１６Ａはベローズカバーである。
【００１７】
更に、上記載置台１２は上面にヒータ１２Ａを有し、このヒータ１２Ａは必要に応じてウエハＷを所望の温度まで加熱するために用いられる。また、１９本の電子ビームユニット１３は、例えば図２に示すように、処理容器１１上面の中心に配置された１本の第１電子ビーム管１３Ａと、第１電子ビーム管１３Ａの周りに同心円状に配置された６本の第２電子ビーム管１３Ｂと、これらの第２電子ビーム管１３Ｂの周りに同心円状に配置された１２本の第３電子ビーム管１３Ｃとから構成され、第１、第２、第３電子ビーム管１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃをそれぞれブロック毎に制御することができる。第１、第２、第３電子ビーム管１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、それぞれ処理容器１１内に露出して配置された電子ビームの透過窓を有している。透過窓は例えば透明石英ガラスによって封止されている。そして、透過窓の下方にはグリッド状の検出機構２０が対向配置され、この検出機構２０に衝突する電子に基づいて照射量を検出し、検出信号が制御装置１４に入力する。制御装置１４は検出機構２０の検出信号に基づいて同心円状に配置された第１、第２、第３電子ビーム管１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃの出力をそれぞれブロック毎に制御する。
【００１８】
而して、本発明の積層膜の製造方法は、本実施形態の電子ビーム処理装置１０を用いて積層膜を構成する上下二層のＳＯＤ膜を同時に一括してＥＢキュアする点に特徴がある。積層膜を構成するＳＯＤ膜は、低誘電率材料によって形成されている。ＳＯＤ膜を形成する低誘電率材料としては、シロキサン系（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）としてＳｉ、Ｏ、Ｈを含むＨＳＱ（Hydrogen-silsesquioxane）、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ、Ｈを含むＭＳＱ（Methyl-Hydrogen-silsesquioxane）などがあり、また、有機系としてはポリアリレンエーテル系のＦＬＡＲＥ（ハネウエル社製）、ポリアリレンハイドロカーボン系のＳＩＬＫ（ダウ・ケミカル社製）、Ｐａｒｙｌｅｎｅ、ＢＣＢ、ＰＴＦＥ、フッ素化ポリイミド等がある。ＭＳＱ系の有機材料としては、例えば、ジェイエスアール社製のＭＳＱ系組成物等がある。
【００１９】
本実施形態ではジェイエスアール社製のＭＳＱ系組成物を低誘電率材料として用いて例えば図３に示すように積層膜５０を形成する。この積層膜５０は、第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２からなり、スピン塗布法を用いて下地層６０上に低誘電率材料である第１のＭＳＱ系組成物によって形成されている。第１のＳＯＤ膜５１を形成するＭＳＱ系組成物は、低密度で多孔質の絶縁膜を形成して低誘電性を発現する。第２のＳＯＤ膜５２を形成する第２のＭＳＱ系組成物は、高密度で緻密な絶縁膜（ハードマスク）を形成して積層膜５０に機械的強度を付与する。
【００２０】
積層膜５０を形成する場合には、まず、図３の（ａ）に示す下地層（例えば、シリコン窒化膜）６０上に、スピンコータを用いて第１のＭＳＱ組成物を塗布した後、このＭＳＱ組成物を乾燥して溶媒を除去して、同図の（ｂ）に示すように第１のＳＯＤ膜５１を形成する。次いで、スピンコータを用いて第１のＳＯＤ膜５１上に第２のＭＳＱ組成物を塗布した後、このＭＳＱ組成物の溶媒を除去して、同図の（ｃ）に示すように第２のＳＯＤ膜５２を積層形成して、積層膜５０を得る。第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２は、同質のＭＳＱ系組成物によって形成されているため、なじみ易く密着性が良い。本実施形態では図３の（ｄ）に示すように、この積層膜５０に電子ビームを照射してＥＢキュアを施す。
【００２１】
即ち、図３の（ｄ）に示すように積層膜１０に電子ビームＢを照射し、電子ビームＢが第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２を透過すると、第１、第２のＭＳＱ系組成物は電子ビームＢから活性化エネルギーを得てそれぞれ架橋反応する。電子ビームＢの透過深さは制御装置１４によって適宜制御することができる。この際、第１、第２のＭＳＱ系組成物はそれぞれの膜内で架橋するばかりでなく、第１、第２のＭＳＱ系組成物の界面でも互いに架橋反応し、第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２間の層間剥離を格段に抑制することができる。また、第１のＭＳＱ系組成物は、多孔質であるが電子ビームＢによる架橋反応で気孔が小さくなって機械的強度も多少強くなる。
【００２２】
電子ビーム処理装置１０は、例えば以下のように動作する。積層膜５０が形成されたウエハＷを搬送機構のアーム（図示せず）を介して電子ビーム処理装置１０まで搬送すると、ゲートバルブ１７を開き、搬送機構のアームが搬出入口１１ＡからウエハＷを処理容器１１内へ搬送し、処理容器１１内で待機する載置台１２上にウエハＷを引き渡す。その後、搬送機構のアームが処理容器１１から退避し、ゲートバルブ１７を閉じ、処理容器１１内を気密状態にする。この間に昇降機構１５を介して載置台１２が上昇し、ウエハＷと電子ビームユニット１３との間隔を所定距離に保つ。
【００２３】
然る後、制御装置１４の制御下で、排気装置を介して処理容器１１内の空気を排気すると共にガス供給源から処理容器１１内へ例えば希ガス（例えば、アルゴンガス）を供給し、処理容器１１内の空気をアルゴンガスで置換し、処理容器１１内で電子ビームユニット１３の第１、第２、第３電子ビーム管１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃそれぞれの出力を同一に設定して電子ビームＢを照射し、下記の処理条件でウエハＷ表面の積層膜５０のＥＢキュアを行った。
【００２４】
また、表１に示すように、二種類の第１のＳＯＤ膜（表１では、「ＩＬＤ」として表示した。）と一種類の第２のＳＯＤ膜（表１では、「ＨＭ」として表示した。）についてＥＢキュア（表１ではＥＢとして示した）を行った。表１に示すように、第１のＳＯＤ膜には多孔質のＭＳＱ系組成物Ａ、Ｂ（以下、「ＭＳＱ−Ａ」、「ＭＳＱ−Ｂ」と称す。）を用い、第２のＳＯＤ膜５２には第１のＳＯＤ膜より密度が大きい非多孔質のＭＳＱ系組成物Ｃ（以下、「ＭＳＱ−Ｃ」と称す。）を用いた。そして、本実施形態では、これらのＭＳＱ膜を個別に形成し、それぞれのＭＳＱ膜についてＥＢキュアを行った後、ＳＯＤ膜として用いられる三種類のＳＭＱ膜のＲ．Ｉ．、ｋ値、孔径、硬さ及び弾性係数を測定し、その結果を表１に示した。
【００２５】
また、図４は、ＭＳＱ-Ｂ膜を熱キュアした場合（同図中、■、●で示してある。）と、熱キュアしたＭＳＱ−Ｂを更にＥＢキュアした場合（同図中、□、○で示してある。）の結果を示している。同図には、ＭＳＱ−Ｂ膜の収縮率、ｋ値及び弾性係数を測定し、この測定結果を、収縮率とｋ値及び弾性係数の関係として示してある。
【００２６】
[処理条件]
第１のＳＯＤ膜材料：ＭＳＱ−Ａ、Ｂ（ジェイエスアール社製）
第２のＳＯＤ膜材料：ＭＳＱ−Ｃ（ジェイエスアール社製）
第１のＳＯＤ膜の平均膜厚：２０００オングストローム
第２のＳＯＤ膜の平均膜厚：１０００オングストローム
処理容器内圧力：１０Ｔｏｒｒ
ウエハ温度：３５０℃
アルゴンガス流量：標準状態で３Ｌ／分
電子ビーム管とウエハの間隔：７５ｍｍ
電子ビーム管
印加電圧：１３ｋＶ
管電流：２５０μＡ
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示す結果によれば、低誘電率特性が得られる多孔質材料のＭＳＱ系組成物であるＭＳＱ−Ａ、ＭＳＱ−Ｂからなる膜（以下、「ＭＳＱ−Ａ膜」、「ＭＳＱ−Ｂ膜」と称す。）は、Ｒ．Ｉ．、ｋ値、硬さ及び弾性係数のいずれも第１のＳＯＤ膜としては好ましいことが判った。即ち、第１のＳＯＤ膜としては、１．２５以上のＲ．Ｉ．値、２．４以下のｋ値、０．８ＧＰａ以上の硬さ、及び５ＧＰａ以上の弾性係数を有することが好ましいが、ＭＳＱ−Ａ膜及びＭＳＱ−Ｂ膜は、表１に示す結果からも明らかなように、いずれも第１のＳＯＤ膜としての特性を備えていることが判った。これらのＭＳＱ膜のうちでも、孔径の大きいＭＳＱ−Ａ膜は、ｋ値が小さく、低誘電性が重視される場合の第１のＳＯＤ膜として好ましいが、機械的強度に関連する指標であるＲ．Ｉ．、硬さ及び弾性係数が小さく機械的強度がやや小さい。一方、孔径の小さいＭＳＱ−Ｂは、ｋ値がＭＳＱ−Ａよりやや大きいがＲ．Ｉ．、硬さ及び弾性係数がＭＳＱ−Ａよりやや大きいため、機械的強度が重視される場合の第１のＳＯＤ膜としてはＭＳＱ−Ｂの方がＭＳＱ−Ａより好ましいことが判った。このように多孔質のＭＳＱ膜のｋ値と機械的強度は相反する特性であるため、要求される積層膜としてのｋ値及び機械的強度の特性に基づいて、ｋ値と機械的強度の特性を適宜設定されたＭＳＱ膜を第１のＳＯＤ膜として用いることが望ましい。
【００２９】
また、表１に示す結果によれば、非多孔質材料となるＭＳＱ系組成物であるＭＳＱ−Ｃからなる膜（以下、「ＭＳＱ−Ｃ膜」と称す。）は、Ｒ．Ｉ．、硬さ及び弾性係数がいずれもＭＳＱ−Ａ膜、ＭＳＱ−Ｂ膜より格段に大きく、ｋ値も２．８８であることが判った。第２のＳＯＤ膜としては、密度が大きく、機械的強度に優れた非多孔質ＭＳＱ膜が好ましく、また、積層膜としての低誘電性を劣化させないためにも第２のＳＯＤ膜自体のｋ値も小さいことが必要であり、この条件を満たすためには第２のＳＯＤ膜としては、２．９以下のｋ値、１．３５以上のＲ．Ｉ．値、１．５ＧＰａ以上の硬さ、１０ＧＰａ以上の弾性係数を有することが好ましい。ＭＳＱ−Ｃ膜は、表１に示す結果からも明らかなように、上述の第２のＳＯＤ膜としての特性を備えていることが判った。
【００３０】
また、図４に示す結果によれば、ＭＳＱ−Ｂ膜の収縮率が１０％までのＥＢキュアではｋ値が数％とあまり上昇しないにも拘らず、機械的強度が約２倍程度上昇することが判った。更に、このＥＢキュアが過剰になってＭＳＱ−Ｂの収縮率が１０％を超えると、機械的強度も上昇するが、これに伴ってｋ値も上昇することが判った。この結果から、過剰なＥＢキュアは機械的強度を上昇させることができるが、ｋ値も上昇するため、積層膜をＥＢキュアする場合には各膜毎にＥＢキュアを行うことで下層膜が過剰にＥＢキュアされることがないようにＥＢキュアを一回だけ行うことが有効であることが判った。
【００３１】
第１のＳＯＤ膜をＭＳＱ−Ｂで形成し、第２のＳＯＤ膜をＭＳＱ−Ｃで形成した積層膜に対して一括ＥＢキュアを行った後、光学顕微鏡（ＳＥＭ）で積層膜の断面を撮像し、ＳＥＭ像を観察したところ、ＭＳＱ−Ｂ膜とＭＳＱ−Ｃ膜の境界での両材料の混合や多孔質材料であるＭＳＱ−Ｂの孔内へのＭＳＱ−Ｃの浸透が認められなかった。第１のＳＯＤ膜としてＭＳＱ−Ａを用いた場合にも同様の結果が得られた。また、図５に示すＣｕ配線７０のシングルダマシン構造を積層膜５０に形成してＣＭＰ処理によってＣｕ配線７０を研磨したところ、第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２間の層間剥離は認められなかった。尚、ＭＳＱ−ＢとＭＳＱ−Ｃの積層膜のＭＩＳＣＡＰ構造におけるｋ値は２．６であり、積層膜としての低誘電性の劣化も認められなかった。
【００３２】
以上説明したように本実施形態によれば、電子ビームＢを積層膜５０の第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２に照射して第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２を同時に一括して改質するため、積層膜５０の改質処理のスループットを格段に高めることができる。また、熱処理を伴わないため、熱履歴による第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２、特に第１のＳＯＤ膜５１の誘電率の劣化を格段に抑制し、あるいは防止することができ、多層膜になるほど効果的で、所望の低誘電率を得ることができる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、積層膜５０の第１、第２のＳＯＤ膜５１、５２間の密着性を高めることができると共に機械的強度を高めることができ、後工程のレジスト膜剥離工程やＣＭＰ工程における層間剥離を確実に防止することとができる。
【００３４】
上記実施形態では層間絶縁膜を例に挙げて説明したが、塗布膜の積層膜であれば本発明を適用することができる。例えば、積層膜の一つの膜としてＳＯＧ（スピンオングラス）膜、レジスト膜あるいは反射膜が形成されていても良い。また、塗布膜以外のＣＶＤ膜、スパッタ膜、メッキ膜などの膜であっても電子ビーム照射による硬化、組織変化等の膜改質が可能な膜であれば、本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、例えば層間絶縁膜等の積層膜を形成する場合に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の積層膜の製造方法に好適に用いられる電子ビーム処理装置を示す構成図である。
【図２】図１に示す電子ビーム処理装置の電子ビーム管の配列の一例を示す平面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の積層膜の製造工程を示す概念図である。
【図４】第１のＳＯＤ膜の収縮率とｋ値及び弾性係数との関係を示すグラフである。
【図５】積層膜に形成されたシングルダマシン構造の配線構造を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は従来の積層膜の製造工程を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０    電子ビーム処理装置
１３    電子ビームユニット（複数の電子ビーム管）
１４    制御装置
Ｗ    ウエハ（被処理体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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