(57)【要約】【課題】  数十〜数百ｎｍ厚と言ったＬｏｗ−ｋ膜の剥離性や損傷度の評価基準となる物性、特に、弾性率を正確に求めることが出来、ＣＭＰ工程やワイヤーボンディング工程における不良品の発生率（膜の剥離や損傷）に関する定量的な情報を得ることが出来る技術を提供することである。【解決手段】    膜Ａの特性を測定する方法であって、  膜Ａよりも高硬度な膜Ｂを該膜Ａの上に設けて複合膜を形成する成膜工程、及び前記成膜工程の後で前記膜Ｂ上から該複合膜の特性を測定する測定工程を具備し、  前記膜Ｂの厚さが幾つかの場合において同様に行って膜Ｂの厚さが０の場合における膜Ａの特性を算出する膜特性測定方法。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜Ａの特性を測定する方法であって、
膜Ａの上に設けられた該膜Ａより高硬度な膜Ｂの上から膜強度を測定する
ことを特徴とする膜特性測定方法。
【請求項２】
膜Ａの特性を測定する方法であって、
膜Ａよりも高硬度な膜Ｂを該膜Ａの上に設けて複合膜を形成する成膜工程と、
前記成膜工程の後、前記膜Ｂ上から該複合膜の特性を測定する測定工程
とを具備することを特徴とする膜特性測定方法。
【請求項３】
膜Ａの特性を測定する方法であって、
膜Ａよりも高硬度な膜Ｂを該膜Ａの上に設けて複合膜を形成する成膜工程、及び前記成膜工程の後で前記膜Ｂ上から該複合膜の特性を測定する測定工程を具備し、
前記膜Ｂの厚さが幾つかの場合において同様に行って膜Ｂの厚さが０の場合における膜Ａの特性を算出することを特徴とする膜特性測定方法。
【請求項４】
圧子が膜に押込まれることで測定が行われることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかの膜特性測定方法。
【請求項５】
圧子が膜に１０ｎｍ〜２００ｎｍの深さ押込まれることで測定が行われることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかの膜特性測定方法。
【請求項６】
ナノインデンテーション法によって測定が行われることを特徴とする請求項１〜請求項５いずれかの膜特性測定方法。
【請求項７】
膜Ｂは弾性率が１０ＧＰａ以上のものであることを特徴とする請求項１〜請求項６いずれかの膜特性測定方法。
【請求項８】
膜Ａは比誘電率が３以下のものであることを特徴とする請求項１〜請求項７いずれかの膜特性測定方法。
【請求項９】
膜Ａと膜Ｂとの和が０．１〜１μｍであることを特徴とする請求項１〜請求項８いずれかの膜特性測定方法。
【請求項１０】
膜の弾性率を測定する方法であることを特徴とする請求項１〜請求項９いずれかの膜特性測定方法。
【請求項１１】
膜Ａの特性を測定する為に用いられる測定用試料であって、
膜Ａの上に該膜Ａより高硬度な膜Ｂが設けられたものである
ことを特徴とする膜特性測定用試料。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１０いずれかの膜特性測定方法に用いられる測定用試料であって、
膜Ａの上に該膜Ａより高硬度な膜Ｂが設けられたものである
ことを特徴とする膜特性測定用試料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体ウェハのＣＭＰ（化学・機械研磨）工程やワイヤーボンディング工程における半導体ウェハの膜剥離や膜破壊、特に、低誘電率絶縁膜、所謂、Ｌｏｗ−ｋ膜の特性を測定する為の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスにおける演算処理速度の高速化を実現する為には、デバイスにおける信号遅延を低減することが重要である。この信号遅延は、半導体素子における信号遅延と配線遅延の和で表される。ところで、近年、配線ピッチの微細化が急速に進んでいる。この為、配線遅延の影響が信号遅延を上回るようになって来た。この配線遅延は、配線抵抗Ｒと配線間容量Ｃとの積、所謂、ＲＣに比例する。従って、配線遅延を低減する為、配線抵抗や配線間容量を低減する必要がある。このようなことから、配線材料として、低抵抗なＣｕが選ばれるようになった。又、配線間を埋める絶縁材として、低誘電率絶縁材（Ｌｏｗ−ｋ材）の検討が行なわれている。
【０００３】
さて、誘電率を小さくする為、膜内部にポア（空孔）を導入したり、極性の大きいフッ素を導入することが考えられている。特に、ポアを導入する手法が盛んに研究され、比誘電率が２．５以下のものも実現されている。
【０００４】
しかしながら、ポア構造の膜は、その機械的強度が弱い。かつ、これに伴って、ポア構造膜と該ポア構造膜の上・下膜との密着性が低下していることが判ってきた。
【０００５】
ところが、このことは大きな問題である。すなわち、上記のような膜であった場合、即ち、上記特性のようなポア構造膜が配線間絶縁膜として採用された場合、例えば配線膜形成工程、特に、ＣＭＰ工程やパッケージ工程において膜剥離や膜損傷が起き易く、中でも、ワイヤーボンディング工程では、膜剥離が起き易いことが判って来た。
【０００６】
そこで、ポア構造膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）の機械的強度についての検討が十分になされなければならないものの、その評価を如何すれば良いかが確立されていない。
【０００７】
尚、例えば特開２００１−３４９８１５号公報に単一材料の薄膜の物性（弾性率）測定方法が提案されている。すなわち、ナノインデンテーション法を用いて弾性率を測定することが提案されている。この提案によれば、薄膜の弾性率の高精度化を目的として、それなりの効果が奏されているようである。
【特許文献１】特開２００１−３４９８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、比誘電率が３以下のＬｏｗ−ｋ膜の弾性率を求めようとした場合、特に、実際の配線間絶縁膜として用いられている如きの薄膜でのＬｏｗ−ｋ膜の弾性率を求めようとした場合、その機械的強度は非常に弱い。従って、ナノインデンテーション法による硬度や弾性率測定時の接触端子の押し込みにより、膜自身が変形してしまい、その結果、押し込み時の表面位置の検出が困難となり、測定データが不明瞭になってしまうことが判って来た。
【０００９】
かつ、比誘電率が３以下のＬｏｗ−ｋ膜は、実デバイスにおいて使用される膜厚が３００ｎｍ以下と薄い。従って、このような厚さの薄膜をシリコン基板上に成膜してナノインデンテーション法による評価を行なった場合、実は、下地である硬度の高いシリコン基板の影響を強く受けており、数値が真実の値から離れているようであることも判って来た。すなわち、数値に信頼性が欠けていることが判って来た。
【００１０】
従って、本発明が解決しようとする課題は、正しい物性値が得られる技術を提供することである。特に、配線間絶縁膜としてのＬｏｗ−ｋ膜の剥離性や損傷度の評価基準となる物性、特に、弾性率を正確に求められる技術を提供することである。中でも、数十〜数百ｎｍ厚と言ったＬｏｗ−ｋ膜の剥離性や損傷度の評価基準となる物性、特に、弾性率を正確に求められる技術を提供することである。そして、半導体デバイスにおける配線間絶縁膜の材料開発において非常に役立つ情報が簡便に得られ、特に、ＣＭＰ工程やワイヤーボンディング工程における不良品の発生率（膜の剥離や損傷）に関する定量的な情報が得られるようになる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題についての検討が本発明者によって鋭意推し進められて行く中に、数十〜数百ｎｍ厚と言ったＬｏｗ−ｋ膜（Ａ）の上に高硬度な膜（Ｂ）を積層し、そしてナノインデンテーション法による評価を行なった場合、この場合には複合膜（Ａ＋Ｂ）の弾性率が得られ、かつ、測定対象は複合膜（Ａ＋Ｂ）であるからＬｏｗ−ｋ膜（Ａ）が薄膜であるが故の問題点は無いであろうこと、そしてこのような複合膜におけるＢ膜の厚さを幾つか変えた場合に得た弾性率とＢ膜の厚さとは或る関数関係に有るのでは無いかとの啓示を得るに至り、そうであるならば外挿法によってＢ膜が０の場合、即ち、数十〜数百ｎｍ厚の薄膜であるＬｏｗ−ｋ膜（Ａ）の弾性率が得られるのでは無いかと考えるに至った。
【００１２】
すなわち、Ｓｉ基板上に設けたＬｏｗ−ｋ薄膜の強度を測定するに際して、十分な硬度や弾性率を有するキャップ膜を積層して測定した場合、Ｌｏｗ−ｋ薄膜の上層のキャップ膜は測定端子との接触で変形することが無く、測定のスタートポイントが明らかであり、かつ、キャップ膜による硬度や弾性率の影響は測定端子が圧子として材料に侵入するに伴って影響度を変え、その影響量が最小になるであろうとの啓示を得るに至ったのである。
【００１３】
そして、この考えに基づいて数十〜数百ｎｍ厚のＬｏｗ−ｋ膜（Ａ）の弾性率を求め、又、この弾性率についての検証を行った処、上記技術思想が正しいものであることの裏付けが得られた。
【００１４】
上記知見に基づいて本発明が達成されたものである。
すなわち、前記の課題は、膜Ａの特性を測定する方法であって、
膜Ａの上に設けられた該膜Ａより高硬度な膜Ｂの上から膜強度を測定する
ことを特徴とする膜特性測定方法によって解決される。
【００１５】
又、膜Ａの特性を測定する方法であって、
膜Ａよりも高硬度な膜Ｂを該膜Ａの上に設けて複合膜を形成する成膜工程と、
前記成膜工程の後、前記膜Ｂ上から該複合膜の特性を測定する測定工程
とを具備することを特徴とする膜特性測定方法によって解決される。
【００１６】
又、膜Ａの特性を測定する方法であって、
膜Ａよりも高硬度な膜Ｂを該膜Ａの上に設けて複合膜を形成する成膜工程、及び前記成膜工程の後で前記膜Ｂ上から該複合膜の特性を測定する測定工程を具備し、
前記膜Ｂの厚さが幾つかの場合において同様に行って膜Ｂの厚さが０の場合における膜Ａの特性を算出することを特徴とする膜特性測定方法によって解決される。
【００１７】
上記膜特性測定方法は、特に、圧子が膜に押込まれることで測定が行われる膜特性測定方法である。更には、圧子が膜に１０ｎｍ〜２００ｎｍの深さ押込まれることで測定が行われる膜特性測定方法である。中でも、ナノインデンテーション法によって測定が行われる膜特性測定方法である。
【００１８】
本発明において、膜Ａの上に積層される膜Ｂは、膜Ａの硬度よりも高硬度なものであれば良いが、特に、弾性率が１０ＧＰａ以上のものが好ましい。中でも、２０ＧＰａ以上のものが好ましい。上限値に格別な制約は無いが、現実的には、７０ＧＰａ程度のものである。
【００１９】
本発明において、膜Ａは、基本的には、如何なるものであっても良い。しかしながら、硬度が高いものであれば、本発明の手法を用いずとも、それなりに正確な物性が得られる。本発明の手法を採用しなければ正しい物性値が得られないのは、内部がポア構造の膜の場合である。すなわち、比誘電率が３以下のものである。特に、比誘電率が２．５以下のものである。下限値に格別な制約は無いが、比誘電率は１より大きいものである。更に、厚さが１０〜１０００ｎｍ（特に、３０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下。）のものである。
【００２０】
本発明において、膜Ａと膜Ｂとの複合膜は、その厚さが０．１〜１μｍ程度であることが好ましい。
【００２１】
又、前記の課題は、膜Ａの特性を測定する為に用いられる測定用試料であって、
膜Ａの上に該膜Ａより高硬度な膜Ｂが設けられたものである
ことを特徴とする膜特性測定用試料によって解決される。
【００２２】
特に、上記の膜特性測定方法に用いられる測定用試料であって、
膜Ａの上に該膜Ａより高硬度な膜Ｂが設けられたものである
ことを特徴とする膜特性測定用試料によって解決される。
【００２３】
特に、膜Ａの上に積層される膜Ｂは、膜Ａの硬度より高硬度なことを要件とするが、特に、弾性率が１０ＧＰａ以上のものが好ましいが、２０ＧＰａ以上のものが中でも特に好ましい。上限値に格別な制約は無いが、現実的には、７０ＧＰａ程度のものである。
【００２４】
膜Ａは、特に、比誘電率が３以下のものである。特に、比誘電率が２．５以下のものである。下限値に格別な制約は無いが、比誘電率は１より大きいものである。更に、厚さが１０〜１０００ｎｍのものが好ましい。特に、厚さが３０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下のものが好ましい。
【００２５】
そして、膜Ａと膜Ｂとの複合膜は、その厚さが０．１〜１μｍ程度であることが好ましい。中でも、２００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下のものが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によればＬｏｗ−ｋ薄膜の弾性率が正確に得られる。特に、配線間絶縁膜としてのＬｏｗ−ｋ膜の剥離性や損傷度の評価基準となる弾性率が正確に求められる。
【００２７】
すなわち、半導体デバイスにおける配線間絶縁膜の材料開発において非常に役立つ情報が簡便に得られ、特に、ＣＭＰ工程やワイヤーボンディング工程における不良品の発生率（膜の剥離や損傷）に関する定量的な情報が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明になる膜（半導体デバイスにおける配線間絶縁膜）特性（弾性率）測定方法は、膜（１０〜１０００ｎｍ厚の配線間絶縁膜）Ａの特性を測定する方法である。そして、膜Ａの上に設けられた該膜Ａより高硬度な膜（例えば、キャップ膜）Ｂの上から膜強度（弾性率）を測定する方法である。特に、膜（配線間絶縁膜）Ａよりも高硬度な膜（例えば、キャップ膜）Ｂを該膜Ａの上に設けて複合膜を形成する成膜工程と、前記成膜工程の後、前記膜Ｂ上から該複合膜の特性を測定する測定工程とを具備する。更には、膜（配線間絶縁膜）Ａよりも高硬度な膜（例えば、キャップ膜）Ｂを該膜Ａの上に設けて複合膜を形成する成膜工程、及び前記成膜工程の後で前記膜Ｂ上から該複合膜の特性を測定する測定工程を具備し、前記膜Ｂの厚さが幾つかの場合において同様に行って膜Ｂの厚さが０の場合における膜Ａの特性を算出する方法である。膜特性測定方法は、特に、圧子が膜に押込まれることで測定が行われる方法である。更には、圧子が膜に１０ｎｍ〜２００ｎｍの深さ押込まれることで測定が行われる方法である。中でも、ナノインデンテーション法によって測定が行われる方法である。膜Ａの上に積層される膜Ｂは、膜Ａの硬度よりも高硬度なものであれば良いが、特に、弾性率が１０ＧＰａ以上のものである。中でも、２０ＧＰａ以上のものである。上限値に格別な制約は無いが、現実的には、７０ＧＰａ程度のものである。積層する膜Ｂの厚さは、積層した複合膜の厚さが０．１〜１μｍ程度となるものである。中でも、３０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である。
【００２９】
本発明になる測定用試料は、膜（１０〜１０００ｎｍ厚の配線間絶縁膜）Ａの特性（弾性率）を測定する為に用いられる測定用試料である。特に、上記の膜特性測定方法に用いられる測定用試料である。そして、膜Ａの上に該膜Ａより高硬度な膜Ｂが設けられたものである。膜Ｂは上記特徴の膜である。
【００３０】
以下、更に詳しく説明する。
図１は、本発明で用いられるナノインデンテーション法の概略図である。
【００３１】
用いられる測定サンプルとして、Ｓｉ基板上に所定の膜、即ち、Ｌｏｗ−ｋ膜が、その上にキャップ膜が積層されたものが用いられる。特に、ＣＭＰ工程やワイヤーボンディング工程を経て得られる半導体素子と同様な構造を持つものが測定サンプルとして用意される。これは、実際の半導体素子の製造に出来るだけ近い形態で行なわれる方がより正確な情報が得られるであろうと言う観点からのものである。従って、試験（測定：評価）しようとするＬｏｗ−ｋ膜上のキャップ膜については、半導体素子に採用されるキャップ膜が使用される。Ｌｏｗ−ｋ膜上に積層されるキャップ膜としては、例えばＳｉＯ膜が挙げられる。尚、ＳｉＯ膜の他にも、例えばＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯＣ膜などを用いることが出来る。又、対象であるＬｏｗ−ｋ膜の厚さは、配線間絶縁膜としての厚さであることが好ましい。更に、膜の形成前後に実施する処理も、実際にＣＭＰやワイヤーボンディングを行う場合のものと同様に行われていることが好ましい。このような処理の例としては、例えばプラズマ処理、密着助剤の使用、逆スパッタによる膜表面の粗面化などが挙げられる。
【００３２】
図２は、インデンテーションを行った際の弾性率を示すグラフである。
図１に示される通り、測定サンプルが圧子にて押し込まれる。インデンテーションの測定端子には、微小な振動が与えられており、その測定端子が測定サンプルの表面に達して測定が開始される。従来であれば、Ｓｉ基板上には測定対象であるＬｏｗ−ｋ膜しか無い。この為、スタート時点がはっきりしないので、測定にバラツキが大きくなる傾向が有った。更には、得られた曲線のどの部分を計測値として採用すべきかが定かでは無かった。図２においても、比較的押込量の少ない領域では、圧子が十分入った領域で、測定値が横向きになる領域が有るものの、これらを定量的に定めるのは容易ではない。
【００３３】
そこで、図３に示される如く、Ｓｉ基板上に設けられた１５０ｎｍ厚のＬｏｗ−ｋ膜（絶縁膜）上にＳｉＯからなるキャップ（Ｃａｐ）膜がＣＶＤにより積層された場合において、ナノインデンテーション法を用いて弾性率を測定（ＭＴＳ社製のナノインデンターＤＣＭ−ＳＡ２を用いて測定）したので、その結果を図４に示す。すなわち、図４に示される如く、押込初期には、その値がどんどん下がって来る。それは、初期の値はＣａｐ膜の値であり、Ｃａｐ膜が破られて下層の測定対象であるＬｏｗ−ｋ膜に達すると、その機械的強度の影響が出てきて下がると推測される。更に端子が押し込まれると、値は上昇し、結局、最小値を有する二次曲線のカーブが得られる。この最小値が複合膜の弾性率である。尚、最小値は曲線を微分することで容易に得られる。
【００３４】
そして、Ｃａｐ膜の厚みを変えた測定サンプルを用意し、同様な測定を行った。
【００３５】
このようにして得られた複合膜の弾性率とＣａｐ膜の厚さとの関係を図示したのが図５である。この図５において、Ｃａｐ膜の厚さが０の位置に外挿すれば、Ｃａｐ膜が無い場合での弾性率、即ち、所定厚のＬｏｗ−ｋ膜の弾性率が得られる。
【００３６】
そして、本手法により求めたバルクなＬｏｗ−ｋ膜の弾性率と他の手法で求められた弾性率とを比べた場合、同等なものであった。従って、本手法により得られた値は正しいものであることが判る。
尚、Ｌｏｗ−ｋ膜が二層以上の場合でも同様である。
【００３７】
次に、上記の如きの積層（Ｌｏｗ−ｋ膜＋Ｃａｐ膜）構造の測定サンプルを四種類用意した。尚、サンプルＡにおけるＬｏｗ−ｋ材の比誘電率は３．０、サンプルＢにおけるＬｏｗ−ｋ材の比誘電率は２．４、サンプルＣにおけるＬｏｗ−ｋ材の比誘電率は２．３、サンプルＤにおけるＬｏｗ−ｋ材の比誘電率は２．３であった。そして、上記と同様にして複合弾性率を測定した。又、各サンプルについて、ワイヤーボンディングにおける引張試験を行った。このようにして得られた結果を基にして、複合弾性率と引張試験の結果（破壊強度）との関係を図６に示す。これによれば、両者の相関性が高いことが判る。すなわち、複合弾性率が高い値のサンプルＡ，Ｂではワイヤーボンディングの引っ張り試験でも強い値を示したのに対して、複合弾性率が低いサンプルＣ，Ｄはワイヤーボンディングの引っ張り試験でも低い値を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ナノインデンテーション法の概略図
【図２】弾性率−押込深さのグラフ
【図３】本発明の膜特性測定用試料の概略図
【図４】本発明になる複合弾性率−押込深さのグラフ
【図５】複合弾性率−キャップ膜の膜厚のグラフ
【図６】ワイヤーボンディング試験−複合弾性率のグラフ                                       代  理  人  宇  高    克  己
【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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