(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハ上に第一の絶縁層、第二の絶縁層および第三の絶縁層を含む多層絶縁膜を形成する方法であって、
原料ガスをアルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとしてプラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく、酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層を形成する工程と、
原料ガスをモノシランガス、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとしてプラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく、第一の絶縁層の上部に接するようにＳｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層を形成する工程と、
第二の絶縁層の上部に接するように、無機材料からなる第三の絶縁層を形成する工程と、
を有することを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第二の絶縁層は、ハイドロジェンシルセスキオキサンまたはヒドリドオルガノシロキサンであることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項５】
原料ガスをアルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとしてプラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく、半導体基板上に酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層を形成する工程と、
原料ガスをモノシランガス、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとしてプラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく、第一の絶縁層の上部に接するように、Ｓｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層を形成する工程と、
第二の絶縁層の上部に接するように、無機材料からなる第三の絶縁層を形成する工程と、
第一の絶縁層、第二の絶縁層および第三の絶縁層をエッチングして凹部を形成する工程と、
該凹部を埋め込むように全面に導電膜を形成する工程と、
化学的機械的研磨またはエッチングにより、凹部外の領域に形成された導電膜を除去する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の半導体装置の製造方法であって、前記第二の絶縁層は、ハイドロジェンシルセスキオキサンまたはヒドリドオルガノシロキサンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板上に多層絶縁膜が設けられ、該多層絶縁膜中に配線が形成された半導体装置であって、
該多層絶縁膜は、酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層と、
該第一の絶縁層の上部に接して形成されたヒドリドオルガノシロキサンからなる第二の絶縁層と、
該第二の絶縁層の上部に接して形成された無機材料からなる第三の絶縁層と、
を含んでなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置であって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の半導体装置であって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
一表面に多層絶縁膜が形成された半導体ウェーハであって、該多層絶縁膜は、
酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層と、
該第一の絶縁層の上部に接して形成されたヒドリドオルガノシロキサンからなる第二の絶縁層と、
該第二の絶縁層の上部に接して形成された無機材料からなる第三の絶縁層と、
を含んでなることを特徴とする半導体ウェーハ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体ウェーハであって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする半導体ウェーハ。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の半導体ウェーハであって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする半導体ウェーハ。
【請求項１５】
半導体ウェーハ上に第一の絶縁層、第二の絶縁層および第三の絶縁層を含む多層絶縁膜を形成する方法であって、
酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層を形成する工程と、
第一の絶縁層の上部に接するように、ヒドリドオルガノシロキサンからなる第二の絶縁層を形成する工程と、
第二の絶縁層の上部に接するように、無機材料からなる第三の絶縁層を形成する工程と、
を有することを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項１８】
請求項１５乃至１７のいずれかに記載の多層絶縁膜の形成方法であって、プラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく、前記第一の絶縁層および前記第二の絶縁層を形成することを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第一の絶縁層の形成に用いる原料ガスを、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとし、第二の絶縁層の形成に用いる原料ガスを、モノシランガス、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとすることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項２０】
請求項１５乃至１７のいずれかに記載の多層絶縁膜の形成方法であって、半導体ウェーハ上に前記有機低誘電率材料を含む溶液を回転塗布した後、熱処理を行うことにより第一の絶縁層を形成し、次いで２００℃以上５００℃以下の雰囲気下で加熱処理を行い、その後、プラズマＣＶＤ法を用いて第二の絶縁層を形成することを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【請求項２１】
半導体基板上に、酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層を形成する工程と、
第一の絶縁層の上部に接するように、ヒドリドオルガノシロキサンからなる第二の絶縁層を形成する工程と、
第二の絶縁層の上部に接するように、無機材料からなる第三の絶縁層を形成する工程と、
第一の絶縁層、第二の絶縁層および第三の絶縁層をエッチングして凹部を形成する工程と、
該凹部を埋め込むように全面に導電膜を形成する工程と、
化学的機械的研磨またはエッチングにより、凹部外の領域に形成された導電膜を除去する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
半導体基板上に、側面に側壁絶縁膜が設けられたゲート電極を形成し、該ゲート電極の両側の半導体基板表面領域に一対の不純物拡散領域を形成する工程と、
全面に酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層を形成する工程と、
第一の絶縁層の上部に接するように、ヒドリドオルガノシロキサンからなる第二の絶縁層を形成する工程と、
第二の絶縁層の上部に接するように、無機材料からなる第三の絶縁層を形成する工程と、
第一の絶縁層、第二の絶縁層および第三の絶縁層をエッチングして接続孔を設け、該接続孔の底部に前記不純物拡散領域を露出させるとともに該接続孔の側面に前記側壁絶縁膜を露出させる工程と、
該接続孔を埋め込むように全面に導電膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２３】
請求項２１または２２に記載の半導体装置の製造方法であって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２４】
請求項２１乃至２３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２５】
請求項２１乃至２４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、プラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく、前記第一の絶縁層および前記第二の絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の半導体装置の製造方法であって、前記第一の絶縁層の形成に用いる原料ガスを、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとし、第二の絶縁層の形成に用いる原料ガスを、モノシランガス、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２７】
請求項２１乃至２４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、半導体ウェーハ上に前記有機低誘電率材料を含む溶液を回転塗布した後、熱処理を行うことにより第一の絶縁層を形成し、次いで２００℃以上５００℃以下の雰囲気下で加熱処理を行い、その後、プラズマＣＶＤ法を用いて第二の絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低誘電率膜の形成された半導体ウェーハ、低誘電率膜中に配線等の形成された半導体装置、およびこれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、素子の高速動作性に対する要請から、配線間容量を小さくする低誘電率材料を利用する技術が、盛んに検討されている。
【０００３】
以下、図６〜７を参照して、低誘電率材料を用いたダマシン銅配線の形成プロセスについて説明する。
【０００４】
まず図６（ａ）のように、シリコン基板上に形成された下層配線層（不図示）の上にシリコン窒化膜１を成膜した後、この上にＭＳＱ（Methyl Silsesquioxane  メチルシルセスキオキサン）膜２を成膜する。ＭＳＱ膜２の成膜は、回転塗布法等により行う。次いでこの上に酸化シリコンからなるシリコン酸化膜４を成膜する。シリコン酸化膜４は、次工程で用いるレジストを剥離する際の酸素プラズマアッシングに対する耐性を高め、また、吸湿による誘電率上昇を防止する等の目的で形成される。つづいて、シリコン酸化膜４の上に不図示のレジストマスクを形成した後、ドライエッチングにより、ＭＳＱ膜２およびシリコン酸化膜４中に、シリコン窒化膜１に達する配線溝を形成する（図６（ｃ））。
【０００５】
次にスパッタリング法等により、全面にバリアメタル膜５を形成する（図７（ａ））。次に全面に銅膜６を形成した後、ＣＭＰによる平坦化を行い、配線溝内に銅膜６を残してダマシン配線を完成する（図７（ｂ））。
【０００６】
以上の手順により得られる半導体装置は、配線間が低誘電率のＭＳＱ膜２によって充填されているため、クロストークを有効に防止できる。ところが、有機材料からなるＭＳＱ膜２の上に無機材料からなるシリコン酸化膜４が形成されているため、これらの膜の界面の密着性が悪く、後工程で図５のように剥離が発生しやすい。低誘電率を得るためにはＭＳＱ膜２の有機成分を増加させるのが有利であり、一方、シリコン酸化膜４についてはアッシング耐性等の要請から無機材料とすることが望ましい。このため、これらの膜の親和性が不良となり、界面で剥離が発生しやすくなるのである。このような剥離が生じると、配線工程における歩留まり低下の原因となる。
【０００７】
このような剥離を防止するため、ＭＳＱ膜２に代えて有機成分を含まないＨＳＱ（Hydrogen Silisesquioxane  ハイドロジェンシルセスキオキサン）等の材料を用いることも考えられるが、この場合、ＭＳＱを用いた場合に比較して誘電率が上昇する。
【０００８】
また、剥離防止のため、ＭＳＱ膜成膜後、その表面に対してオゾン処理、ＵＶ−オゾン処理または酸素プラズマ処理等を行い、密着性を向上させることも検討されてきた。しかし、これらの方法では、膜中に水分が侵入したり絶縁膜の誘電率が上昇する上、膜の表面が荒れて残渣が生じるといった問題が発生する。そこで、このような問題の生じない、密着性向上手段が望まれていた。
【０００９】
一方、微細加工技術に対する要求水準が高まる中、層間絶縁膜形成後の平坦化プロセスの重要性が益々高まりつつある。良好な平坦度が得られないと、露光の焦点がずれ、フォトレジストの加工が困難になるだけでなく、そのフォトレジストをマスクにした後のエッチング工程でのエッチング残りが多発することになる。層間絶縁膜の平坦性を高めるため、従来、メタル配線工程の前工程の絶縁膜材料として、リフロー性を有するＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等が用いられてきた。以下、図８〜９を参照して、ＢＰＳＧを用いた従来のメモリ系デバイスの形成プロセスについて説明する。
【００１０】
まず図８（ａ）に示すように、シリコン半導体基板上にワード線を兼ねるゲート電極６０を形成する。以下、この状態に至るまでの工程の概略を説明する。はじめにｐ-形シリコン単結晶からなる半導体基板５１の表面に選択酸化によりフィールド絶縁膜５３を形成する。次にリンをイオン注入し、ｐ型ウエル領域５２を形成する。つづいて熱酸化処理により酸化シリコン膜６１を形成した後、その上に多結晶シリコン膜６２、ＷＳｉ膜６３、シリコン窒化膜６４を成膜する。次いでこれらの膜をエッチングによりパターニングしてゲート電極６０を形成する。つづいてシリコン窒化膜を成膜後、異方性エッチングを行い、ゲート電極６０側面に窒化シリコンからなる側壁絶縁膜６５を形成する。つづいて、イオン注入を行うことにより不純物拡散層５４を形成する。以上の工程により図８（ａ）の状態となる。
【００１１】
次にＣＶＤ法により、ＢＰＳＧ膜５５を成膜する。成膜後、窒素アニールによるリフローを行う。その後、バッファードフッ化水素（ＢＨＦ）を用いてエッチバックを行い、ＢＰＳＧ膜５５表面を平坦化する（図８（ｂ））。
【００１２】
次に、ＢＰＳＧ膜５５の表面にパターニングされたフォトレジスト（不図示）を設けた後、これをマスクとしてＢＰＳＧ膜５５をドライエッチングにより加工し、コンタクトホール５７を形成する（図９（ａ））。このとき側壁絶縁膜６５がエッチング阻止膜として機能し、接続孔５７がセルフアラインに形成される。次いでバッファードフッ酸を用いて不純物拡散層５４上の自然酸化膜を除去する。
【００１３】
その後、接続孔５７を埋め込むように多結晶シリコン膜７２を形成した後、リンを添加する。さらにタングステンシリサイド（ＷＳｉ）膜７３およびシリコン酸化膜７４を堆積した後、エッチングによりビット線を形成する（図９（ｂ））。
【００１４】
ところが、近年においては高集積化の要請からゲート電極（ワード線）の間隔が０．２μｍ以下ときわめて狭くなっているため、層間絶縁膜材料として、優れたギャップフィル性が求められる。特に、上記したプロセスのように、ゲート電極の側壁絶縁膜によりコンタクト孔と配線層の間の絶縁を確保する、いわゆるセルフアラインーコンタクト技術の採用が必須となるような高集積化プロセスにおいては、絶縁材料の埋め込み性に対する要求水準もきわめて高いものとなる。絶縁膜材料としてＢＰＳＧを用いる従来技術では、かかる要求に応えることは困難であり、よりギャップフィル性の優れる材料を用いることが必須となる。このような要求を満たす絶縁膜として、ＨＳＱ等の無機ＳＯＧ膜や、ＭＳＱ等の有機ＳＯＧ膜が考えられる。ところが、ＨＳＱは薬液耐性が低いため、バッファードフッ酸による自然酸化膜を除去工程でサイドエッチングが進行し、設計通りの形状のコンタクトホールを形成することが困難となる。また、ＨＳＱ以外の無機ＳＯＧ膜は、一般にクラックが発生しやすいという問題がある。以上のことから、ＭＳＱ等の有機ＳＯＧ膜が、最も好適に用いられる。ＭＳＱ等の有機低誘電率膜は、狭いギャップに対する埋め込み性に優れ、しかも良好な平坦性が得られる。
【００１５】
ところが、ＭＳＱ等の有機低誘電率材料を用いた場合、アッシング耐性等を付与するため、その上に酸化シリコン等からなる無機保護膜を形成することが必要となる。この結果、前述したようにＭＳＱ膜と無機保護膜との間の剥離の発生が問題となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑み、有機低誘電率材料の持つ優れた誘電特性、平坦性およびギャップフィル特性を損なうことなく、低誘電率膜と保護膜との界面密着性を改善することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、以下の事項により特定される。
【００１８】
［１］半導体基板上に多層絶縁膜が設けられ、該多層絶縁膜中に配線が形成された半導体装置であって、該多層絶縁膜は、酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層と、該第一の絶縁層の上部に接して形成されたＳｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層と、該第二の絶縁層の上部に接して形成された無機材料からなる第三の絶縁層と、を含んでなることを特徴とする半導体装置。
【００１９】
［２］［１］に記載の半導体装置であって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする半導体装置。
【００２０】
［３］［１］または［２］に記載の半導体装置であって、前記第二の絶縁層は、ハイドロジェンシルセスキオキサンおよび／またはヒドリドオルガノシロキサンであることを特徴とする半導体装置。
【００２１】
［４］［１］乃至［３］いずれかに記載の半導体装置であって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする半導体装置。
【００２２】
［５］一表面に多層絶縁膜が形成された半導体ウェーハであって、該多層絶縁膜は、酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層と、該第一の絶縁層の上部に接して形成されたＳｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層と、該第二の絶縁層の上部に接して形成された無機材料からなる第三の絶縁層と、を含んでなることを特徴とする半導体ウェーハ。
【００２３】
［６］［５］に記載の半導体ウェーハであって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする半導体ウェーハ。
【００２４】
［７］［５］または［６］に記載の半導体ウェーハであって、前記第二の絶縁層は、ハイドロジェンシルセスキオキサンおよび／またはヒドリドオルガノシロキサンであることを特徴とする半導体ウェーハ。
【００２５】
［８］［５］乃至［７］いずれかに記載の半導体ウェーハであって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする半導体ウェーハ。
【００２６】
［９］半導体ウェーハ上に第一の絶縁層、第二の絶縁層および第三の絶縁層を含む多層絶縁膜を形成する方法であって、酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層を形成する工程と、第一の絶縁層の上部に接するように、Ｓｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層を形成する工程と、第二の絶縁層の上部に接するように、無機材料からなる第三の絶縁層を形成する工程と、を有することを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【００２７】
［１０］［９］に記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【００２８】
［１１］［９］または［１０］に記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第二の絶縁層は、ハイドロジェンシルセスキオキサンおよび／またはヒドリドオルガノシロキサンであることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【００２９】
［１２］［９］乃至［１１］いずれかに記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【００３０】
［１３］［９］乃至［１２］いずれかに記載の多層絶縁膜の形成方法であって、プラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく、前記第一の絶縁層および前記第二の絶縁層を形成することを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【００３１】
［１４］［１３］に記載の多層絶縁膜の形成方法であって、前記第一の絶縁層の形成に用いる原料ガスを、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとし、第二の絶縁層の形成に用いる原料ガスを、モノシランガス、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとすることを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【００３２】
［１５］［９］乃至［１２］いずれかに記載の多層絶縁膜の形成方法であって、半導体ウェーハ上に前記有機低誘電率材料を含む溶液を回転塗布した後、熱処理を行うことにより第一の絶縁層を形成し、次いで２００℃以上５００℃以下の雰囲気下で加熱処理を行い、その後、プラズマＣＶＤ法を用いて第二の絶縁層を形成することを特徴とする多層絶縁膜の形成方法。
【００３３】
［１６］半導体基板上に、酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層を形成する工程と、第一の絶縁層の上部に接するように、Ｓｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層を形成する工程と、第二の絶縁層の上部に接するように、無機材料からなる第三の絶縁層を形成する工程と、第一の絶縁層、第二の絶縁層および第三の絶縁層をエッチングして凹部を形成する工程と、該凹部を埋め込むように全面に導電膜を形成する工程と、化学的機械的研磨またはエッチングにより、凹部外の領域に形成された導電膜を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００３４】
［１７］半導体基板上に、側面に側壁絶縁膜が設けられたゲート電極を形成し、該ゲート電極の両側の半導体基板表面領域に一対の不純物拡散領域を形成する工程と、全面に酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる第一の絶縁層を形成する工程と、第一の絶縁層の上部に接するように、Ｓｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層を形成する工程と、第二の絶縁層の上部に接するように、無機材料からなる第三の絶縁層を形成する工程と、第一の絶縁層、第二の絶縁層および第三の絶縁層をエッチングして接続孔を設け、該接続孔の底部に前記不純物拡散領域を露出させるとともに該接続孔の側面に前記側壁絶縁膜を露出させる工程と、該接続孔を埋め込むように全面に導電膜を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００３５】
［１８］［１６］または［１７］に記載の半導体装置の製造方法であって、前記第一の絶縁層は、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００３６】
［１９］［１６］乃至［１８］いずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、前記第二の絶縁層は、ハイドロジェンシルセスキオキサンおよび／またはヒドリドオルガノシロキサンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００３７】
［２０］［１６］乃至［１９］いずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、前記第三の絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００３８】
［２１］［１６］乃至［２０］いずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、プラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく、前記第一の絶縁層および前記第二の絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００３９】
［２２］［２１］に記載の半導体装置の製造方法であって、前記第一の絶縁層の形成に用いる原料ガスを、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとし、第二の絶縁層の形成に用いる原料ガスを、モノシランガス、アルキルシランガスおよび酸化性ガスを含む混合ガスとすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００４０】
［２３］［１６］乃至［２０］いずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、半導体ウェーハ上に前記有機低誘電率材料を含む溶液を回転塗布した後、熱処理を行うことにより第一の絶縁層を形成し、次いで２００℃以上５００℃以下の雰囲気下で加熱処理を行い、その後、プラズマＣＶＤ法を用いて第二の絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００４１】
上記本発明によれば、第一の絶縁層として有機低誘電率材料を用いているため、配線間のクロストークを防止でき、また、狭いギャップを絶縁膜材料により好適に埋め込むことができる。そして、第一の絶縁層と第三の絶縁層との間に、Ｓｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層を介在させているため、層間密着性が良好となり、各層の界面剥離を効果的に防止することができる。このため、プロセスの歩留まりを向上できるとともに、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００４２】
なお、［１６］記載の発明における凹部とは、配線溝、接続孔等、任意の形状のものを含む。また、［１７］記載の発明においては、不純物拡散領域を形成するためのイオン注入は、ゲート電極パターン形成後に行われるが、側壁絶縁膜形成前後のいずれの段階で行っても良い。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明における第一の絶縁層は、酸化シリコンよりも低い誘電率を有する有機低誘電率材料からなる。好ましくは比誘電率３．５以下、より好ましくは比誘電率３．０以下のものが用いられ、たとえば、オルガノポリシロキサンまたは芳香族含有有機樹脂が好ましく用いられる。
【００４４】
オルガノポリシロキサンとは、有機官能基を有するポリシロキサンであり、誘電特性および加工性に優れることから、アルキルシルセスキオキサンやヒドリドアルキルシロキサン等が好ましく用いられる。たとえば下記繰り返し単位(I)および（III）からなるメチルシルセスキオキサン、または、繰り返し単位(I)、(II)および（III）等からなるメチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン（以下、適宜、「ＭＨＳＱ」という。）が好ましく用いられ、このうち、誘電特性および加工性がより優れるメチルシルセスキオキサンが特に好ましく用いられる。
【００４５】
【化１】
0004368498.tif 000002
【００４６】
なお、ＭＨＳＱを用いる場合、(I)、(II)および（III）の合計に対する（Ｉ）のモル比は、好ましくは０．５以上、より好ましくは０．７以上とする。（Ｉ）の含有率が低すぎると誘電率を充分に低くすることが困難であり、また、加工性が損なわれる場合がある。
【００４７】
芳香族含有有機樹脂としては、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）、ジビニルシロキサン−ビス−ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等を例示することができる。これらは、比誘電率が低い上、耐熱性も比較的良好である。
【００４８】
本発明における第二の絶縁層は、Ｓｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる。たとえば上記した繰り返し単位(II)および（III）からなるハイドロジェンシルセスキオキサン、または、繰り返し単位(I)、(II)および（III）等からなるＭＨＳＱが好ましく用いられる。これらのポリマーは、分子中にＳｉ−Ｈ基を有するため、有機低誘電率絶縁膜からなる第一の絶縁層、および、無機材料からなる第三の絶縁層との密着性に優れる。これらの層との密着性に優れる理由は必ずしも明らかではないが、Ｓｉ−Ｈが脱水素化して反応活性部位が形成され、第一および第三の絶縁層の構成材料と反応を起こすことによるものと推察される。
【００４９】
なお、ＭＨＳＱを用いる場合、(I)、(II)および（III）の合計に対する(II)のモル比は、好ましくは０．２以上、より好ましくは０．５以上とする。このような範囲とすることで、より充分な層間密着性を得ることができる。
【００５０】
本発明における第三の絶縁層は、レジストを剥離する際の酸素プラズマアッシングに対する耐性を高め、ＣＭＰを行う際のスクラッチ耐性を高め、また、吸湿による誘電率上昇を防止する等の目的で形成される。第三の絶縁層は、たとえば、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンからなる群から選ばれる一または二以上の材料からなるものとすることが好ましい。
【００５１】
本発明における多層絶縁膜は、上記した第一、第二および第三の絶縁層を含んでなるが、これらの層のうち、第一の絶縁層が最も最も厚いことが好ましい。本発明は、第一の絶縁層を構成する有機低誘電率材料の優れた誘電特性、平坦性およびギャップフィル特性を有効活用するものだからである。なお、本発明における多層絶縁膜において、第二の絶縁層中に、ＭＳＱ等からなる他の材料層が挿入されていてもよい。
【００５２】
本発明における第一の絶縁層は、プラズマＣＶＤ法、スピンコート法等により形成することができる。プラズマＣＶＤ法による場合は、原料ガスとして、アルキルシランガスおよび酸化性ガスの混合ガスを用いる。アルキルシランガスとしては、モノメチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシランまたはテトラメチルシラン等が挙げられ、これらを単独で使用、または２種以上を併用することができる。このうち、トリメチルシランが好適に用いられる。
酸化性ガスとは、アルキルシランに対する酸化作用を示すガスであって、分子中に酸素元素を含むものが用いられる。たとえば、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ、ＣＯ２およびＯ２からなる群から選ばれる一または二以上のガスを用いることができ、このうち、酸化力の強さが適度であることから、ＮＯおよびＮＯ２が好ましく用いられる。一方、第一の絶縁層をスピンコート法により形成する場合は、所定の回転速度で回転するウェーハ上に層材料の溶解した溶液を滴下して塗布し、次いで多段階の熱処理を行って乾燥、固化を行うことにより成膜する。
【００５３】
本発明における第二の絶縁層は、第一の絶縁層と同様、プラズマＣＶＤ法、スピンコート法等により形成することができる。より高度の密着性が必要となる場合は、プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。
【００５４】
プラズマＣＶＤ法による場合は、原料ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ4）ガス、アルキルシランガスおよび酸化性ガスの混合ガスを用いることが好ましい。アルキルシランガスとしては、モノメチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシランまたはテトラメチルシラン等が挙げられ、これらを単独で使用、または２種以上を併用することができる。このうちトリメチルシランが好適に用いられる。酸化性ガスとは、アルキルシランに対する酸化作用を示すガスであって、分子中に酸素元素を含むものが用いられる。たとえば、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ、ＣＯ２およびＯ２からなる群から選ばれる一または二以上のガスを用いることができ、このうち、酸化力の強さが適度であることから、ＮＯおよびＮＯ２が好ましく用いられる。
【００５５】
一方、第一の絶縁層をスピンコート法により形成する場合は、所定の回転速度で回転するウェーハ上に層材料の溶解した溶液を滴下して塗布し、次いで多段階の熱処理を行って乾燥、固化を行うことにより成膜する。
【００５６】
本発明における第三の絶縁層は、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法により形成することができる。原料ガスとしては、たとえば、モノシラン（ＳｉＨ4）ガスおよび酸化性ガスの混合ガス、あるいは、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）等を用いることができる。
【００５７】
本発明においては、上記第一および第二の絶縁層の形成を、下記(i)または(ii)の方法により行うことが好ましい。
(i)プラズマＣＶＤ法を用い、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことなく第一の絶縁層、第二の絶縁層を形成する方法。
(ii)半導体ウェーハ上に前記有機低誘電率材料を含む溶液を回転塗布した後、熱処理を行うことにより第一の絶縁層を形成し、次いで２００℃以上５００℃以下、好ましくは３５０℃以上５００℃以下の雰囲気下で加熱処理を行い、その後、第二の絶縁層を形成する方法。
【００５８】
上記(i)の方法では、プラズマ雰囲気から半導体ウェーハを取り出すことがないため、第二の絶縁層に含まれるＳｉ−Ｈ基の反応性が低下することを防止でき、また、形成された層の吸湿を防止でき、この結果、第二の絶縁層と他の層との密着性が特に良好となる。
【００５９】
上記(ii)の方法では、第一の絶縁層を回転塗布法により形成するため、狭いギャップ間にも確実に絶縁材料を形成することができる。このため、従来技術の項で説明したゲート電極上の層間絶縁膜形成プロセス（図８）等に好適に適用することができる。また、この方法では、第一の絶縁層を形成後、所定の温度で加熱処理を行うため、第一の絶縁層と第二の絶縁層との間の密着性が更に良好となる。この理由は必ずしも明らかでないが、第一の絶縁層表面に吸着した水等が揮発すること、第一の絶縁層表面の活性が高まること等により、第二の絶縁層の構成材料との反応がより円滑に進行するためと考えられる。なお、この熱処理は、減圧下、たとえば１〜１００Ｐａの雰囲気で行うことが好ましく、処理時間は、通常、１〜１０分程度とする。
【００６０】
本発明において、「配線」とは、トランジスタ等の素子を電気的に接続するものの総称として用いており、メモリ素子におけるゲート電極を兼ねるワード線等も含む。本発明は、多層絶縁膜に設けられた複数の凹部に導電膜が埋め込まれてなるダマシン配線構造や、ゲート電極上にセルフアラインコンタクトを設ける構造に適用した場合、特に効果的である。
【００６１】
【実施例】
実施例１
本実施例では、ダマシン銅配線が積層されてなる多層配線構造を備えた半導体装置を作製する際のプロセスの一例を示す。
【００６２】
ロジック系デバイス等においては、図４のように複数の配線層が積層された多層配線構造がしばしば採用される。シリコン基板４０上の第一層（素子形成層）にゲート電極４２および不純物拡散層４１からなるトランジスタが形成され、その上に、層間絶縁膜４５中に設けられた銅配線４４が多層に積層した構造となっている。各銅配線間は層間接続プラグ４３により接続されている。
【００６３】
本実施例では、このような多層配線を構成する各配線層の詳細な構造を図１のようにした。図１に示す配線構造は、シリコン窒化膜１上に、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）膜２、ＭＨＳＱ（メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン）膜３、およびシリコン酸化膜４がこの順で積層された多層絶縁膜が形成されている。この多層絶縁膜中に、複数の配線溝が形成され、その内部にＴａからなるバリアメタル膜５を介して銅膜６が埋め込まれた構造となっている。銅膜６の厚みは２００〜５００ｎｍ程度である。
【００６４】
以下、図１の配線構造を形成するプロセスについて図面を参照して説明する。まず図２（ａ）のように、下層配線層（不図示）の上にプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜１（膜厚５０ｎｍ）を成膜した後、この上にＭＳＱ膜２（膜厚２５０ｎｍ）を成膜した。ＭＳＱ膜２成膜時の原料ガスは、トリメチルシランおよびＮ2Ｏの混合ガスを用いた。ＭＳＱ膜２は、下記繰り返し単位（Ｉ）および(III)からなる構造を有する。
【００６５】
【化２】
0004368498.tif 000003
【００６６】
ＭＳＱ膜２の成膜後、その上にプラズマＣＶＤ法によりＭＨＳＱ膜３（膜厚５０ｎｍ）を形成した（図２（ｂ））。原料ガスは、モノシラン（ＳｉＨ4）、トリメチルシランおよびＮ2Ｏの混合ガスを用いた。ＭＨＳＱ膜３は、上記繰り返し単位(I)、(II)および(III)からなる構造を有する。原料ガスの組成比から、(I)、(II)および（III）の合計に対する(II)のモル比は、０．５〜０．６である。
【００６７】
つづいてＭＨＳＱ膜３上にプラズマＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜４（膜厚１００ｎｍ）を形成した（図２（ｃ））。原料ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ４）およびＮ２Ｏの混合ガスを用いた。
【００６８】
以上のようにして、ＭＳＱ膜２、ＭＨＳＱ膜３およびシリコン酸化膜４が積層してなる多層膜を形成した。これらは、プラズマ装置内のプラズマ雰囲気からウェーハを取り出すことなく、原料ガスを変えて一連の工程で成膜を行った。その後、この多層膜をドライエッチングし、シリコン窒化膜１に達する配線溝を形成した（図２（ｄ））。
【００６９】
つづいて、スパッタリング法により、全面にＴａからなるバリアメタル膜５を形成した（図３（ａ））。次にめっき法により、全面に銅膜６を形成した（図３（ｂ））。銅膜６の形成はＣＶＤ法やスパッタリング法等により行うこともできるが、カバレッジの良好なめっき法またはＣＶＤ法によることが好ましい。銅膜６形成後、全面をＣＭＰにより平坦化し、配線溝内に銅膜６を残してダマシン配線を完成した。
【００７０】
以上のプロセスにより得られた半導体装置は、配線間が低誘電率のＭＳＱ膜２によって充填されているためクロストークの問題が少なく、また、ＭＳＱ膜２とシリコン酸化膜４の間にＭＨＳＱ膜３が介在しているため、層間密着性が良好であった。
【００７１】
実施例２
まず図１０（ａ）に示すように、シリコン半導体基板上にワード線を兼ねるゲート電極６０を形成した。以下、この状態に至るまでの工程の概略を説明する。はじめにｐ-形シリコン単結晶からなる半導体基板５１の表面に選択酸化によりフィールド絶縁膜５３を形成した。次にリンをイオン注入し、ｐ型ウエル領域５２を形成した。つづいて熱酸化処理により酸化シリコン膜６１を形成した後、その上に多結晶シリコン膜６２、ＷＳｉ膜６３、シリコン酸化膜を成膜した。これらの膜をエッチングによりパターニングしてゲート電極６０を形成した。つづいてシリコン窒化膜を成膜後、異方性エッチングを行い、ゲート電極６０側面に窒化シリコンからなる側壁絶縁膜６５を形成した。ついでイオン注入を行うことにより不純物拡散層５４を形成した。以上の工程により図１０（ａ）の状態となる。
【００７２】
次に回転塗布法によりＭＳＱ膜２（膜厚３００ｎｍ）を成膜した。すなわち、ゲート電極パターンの形成されたウェーハを回転させながら、メチルシルセスキオキサン溶液を滴下し、回転塗布した後、８０℃、１００℃、１２０℃のステップキュアを行い、溶媒を乾燥させるとともにメチルシルセスキオキサンを固化させ、ＭＳＱ膜２を形成した。ＭＳＱは、狭いギャップに対する埋め込み性に優れるため、図１０（ｂ）に示すように狭い間隔でゲート電極パターンが形成された領域上にも良好な埋め込み性で絶縁膜を形成することができる。
【００７３】
以上のようにしてＭＳＱ膜２を成膜した後、上記処理を施したウェーハを成膜装置内に配置し、次いで４５０℃の雰囲気下で１０分程度放置した。その後、プラズマＣＶＤ法により、ＭＨＳＱ膜３（膜厚５０ｎｍ）およびシリコン酸化膜４（膜厚１００ｎｍ）を成膜した（図１０（ｃ））。これらは、プラズマ装置内のプラズマ雰囲気からウェーハを取り出すことなく、原料ガスを変えて一連の工程で成膜を行った。ＭＨＳＱ膜３成膜時の原料ガスは、モノシラン（ＳｉＨ4）、トリメチルシランおよびＮ２Ｏの混合ガスとし、シリコン酸化膜４成膜時の原料ガスは、モノシラン（ＳｉＨ4）およびＮ2Ｏの混合ガスとした。原料ガスの組成比から、前記繰り返し単位(I)、(II)および（III）の合計に対する(II)のモル比は、０．５〜０．６である。
【００７４】
以上のようにしてＭＳＱ膜２、ＭＨＳＱ膜３およびシリコン酸化膜４が積層してなる多層膜を形成した後、この上にパターニングされたフォトレジスト（不図示）を設け、これをマスクとしてＭＳＱ膜２、ＭＨＳＱ膜３およびシリコン酸化膜４をドライエッチングにより加工し、接続孔５７を形成した。このとき側壁絶縁膜６５がエッチング阻止膜として機能し、接続孔５７がセルフアラインに形成される。次いでバッファードフッ酸を用いて不純物拡散層５４上の自然酸化膜を除去した。
【００７５】
その後、接続孔５７を埋め込むように多結晶シリコン膜７２を形成した後、リンを添加した。さらにＤＣマグネトロン・スパッタ法により、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）膜７３およびシリコン酸化膜７４を堆積した。その後、多結晶シリコン膜７２、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）膜７３およびシリコン酸化膜７４を、ＲＩＥによりエッチングしてビット線を形成した（図１１（ｂ））。
【００７６】
以上のプロセスにより得られた半導体装置は、層間絶縁膜としてギャップフィル性および平坦性に優れるＭＳＱを用いているため、ゲート電極間の狭いギャップにおける埋め込み性が良好であり、また、ＭＳＱ膜２とシリコン酸化膜４の間にＭＨＳＱ膜３が介在しているため、層間密着性が良好であった。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第一の絶縁層として有機低誘電率材料を用いているため、配線間のクロストークを防止でき、また、狭いギャップを絶縁膜材料により好適に埋め込むことができる。そして、第一の絶縁層と第三の絶縁層との間に、Ｓｉ−Ｈ基を有するポリシロキサン化合物からなる第二の絶縁層を介在させているため、層間密着性が良好となり、各層の界面剥離を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る半導体装置の製造方法の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体装置の製造方法の一例を示す図である。
【図４】多層配線の構造を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の一例を示す図である。
【図６】従来の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。
【図７】従来の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。
【図８】従来の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。
【図９】従来の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。
【図１０】本発明に係る半導体装置の製造方法の一例を示す図である。
【図１１】本発明に係る半導体装置の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  シリコン窒化膜
２  ＭＳＱ膜
３  ＭＨＳＱ膜
４  シリコン酸化膜
５  バリアメタル膜
６  銅膜
４０  シリコン基板
４１  不純物拡散層
４２  ゲート電極
４３  層間接続プラグ
４４  銅配線
４５  層間絶縁膜
４６  パッシベーション膜
５１  半導体基板
５２  ｐ型ウエル領域
５３  フィールド絶縁膜
５４  不純物拡散層
５５  ＢＰＳＧ膜
５７  コンタクトホール
６０  ゲート電極
６１  酸化シリコン膜
６２  多結晶シリコン膜
６３  ＷＳｉ膜
６４  シリコン窒化膜
６５  側壁絶縁膜
７２  多結晶シリコン膜
７３  タングステンシリサイド膜
７４  シリコン酸化膜
【図１】
0004368498.tif 000004
【図２】
0004368498.tif 000005
【図３】
0004368498.tif 000006
【図４】
0004368498.tif 000007
【図５】
0004368498.tif 000008
【図６】
0004368498.tif 000009
【図７】
0004368498.tif 000010
【図８】
0004368498.tif 000011
【図９】
0004368498.tif 000012
【図１０】
0004368498.tif 000013
【図１１】
0004368498.tif 000014