(57)【要約】【課題】信号処理速度が速く、かつ、配線膜の信頼性が高い半導体装置を提供することである。【解決手段】膜２に凹部３を形成する凹部形成工程を具備する半導体装置の製造方法において、  前記凹部形成工程の後、電磁波硬化性薬剤を該凹部の内面側に設ける電磁波硬化性薬剤在工程と、前記電磁波硬化性薬剤在工程の後、電磁波を照射して該電磁波硬化性薬剤を硬化させる硬化工程とを具備する。【選択図】図１
2009218347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜に凹部を形成する凹部形成工程を具備する半導体装置の製造方法において、
前記凹部形成工程の後、電磁波硬化性薬剤を該凹部の内面側に設ける電磁波硬化性薬剤在工程と、
前記電磁波硬化性薬剤在工程の後、電磁波を照射して該電磁波硬化性薬剤を硬化させる硬化工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
電磁波が光であることを特徴とする請求項１の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
膜が多孔質系絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
電磁波硬化性薬剤が、ポリイミド系、エポキシ系、フェノール系、ポリベンズオキサゾール系、及びポリベンゾイミダゾール系の高分子化合物の群の中から選ばれる薬剤であることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかの半導体装置の製造方法。
【請求項５】
多孔質系絶縁膜と、前記多孔質系絶縁膜に設けられた凹部と、前記凹部に充填された導電材とを具備した半導体装置において、
前記充填された導電材に対向する凹部表面には電磁波硬化性薬剤による電磁波照射硬化層が形成されて前記多孔質系絶縁膜の凹部表面が強化されてなる
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の配線層やビア（接続孔）層の材料には、ＳｉＯ等の無機系絶縁材料が用いられて来た。しかしながら、半導体チップの信号処理の高速化や低消費電力化の要求から、配線間容量を低減する目的で、誘電率の低い有機系絶縁材料が広く使われ始めている。
【０００３】
ところで、ＳｉＯ等の無機系絶縁材料よりも誘電率が小さな有機系絶縁材料は、一般的に、機械的強度が弱い。特に、膜中に微細な空孔（ポア）を導入したポーラス（多孔質系）絶縁材料の機械的強度の低下は顕著である。この為、信号処理速度の観点から導入されたポーラス絶縁膜は、信頼性の低下を招いている問題点が指摘されている。
【０００４】
このような観点から、即ち、絶縁膜内に空孔を導入して多孔質化（ポーラス化）すると、膜全体の機械的強度が大幅に低下し、成膜以降の工程で平坦化の為に行なわれる研磨工程（ＣＭＰ：Chemical Mechanical polishing）において膜が損傷する問題を解決する為、（ａ）Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ或いはその他のシリカ骨格構造にＳｉ−ＣＨｎ（ｎ＝１、２、３）結合を含む絶縁膜を基板上に形成する工程と、（ｂ）減圧雰囲気中、又は不活性ガス及び窒素を主に含む減圧雰囲気中で前記絶縁膜に紫外線を照射して、前記絶縁膜中のＳｉ−ＣＨｎ結合からＣＨｎ基を切り離す工程と、（ｃ）前記切り離されたＣＨｎ基を前記絶縁膜中から排出する工程とを有することを特徴とする低誘電率絶縁膜の形成方法が提案（特開２００４−３６５０８号公報）されている。すなわち、先ず、基板上にプラズマ励起化学気相成長法やスピン塗布法など既存の成膜方法を用いて、非多孔質或いは多孔質でも空孔サイズが数ｎｍ以下と小さい、かつ、機械的強度が十分なＳｉ−Ｏ−Ｓｉの骨格構造にＳｉ−ＣＨ３結合を含む絶縁膜を形成する。或いは、非多孔質或いは多孔質でも空孔サイズが数ｎｍ以下と小さい、かつ、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ以外のＳｉ−Ｏのシリカ骨格構造にＳｉ−ＣＨ３結合を含む絶縁膜であって、減圧雰囲気中での紫外線照射により機械的強度を向上させ得る絶縁膜を形成する。続いて、減圧雰囲気中、又は不活性ガス及び窒素を主に含む減圧雰囲気中での紫外線照射により絶縁膜中のＳｉ−ＣＨ３結合からＣＨ３基を切り離し、切り離されたＣＨ３基を絶縁膜中から排出させる。例えば、紫外線照射時に同時に基板を加熱することで、切り離されたＣＨ３基の排出を促進させる。これにより、非多孔質絶縁膜の場合、膜を多孔質化させることが出来、多孔質絶縁膜の場合、小さい空孔をより大きくすることが出来ると謳われている。つまり、この提案の技術は、予め、機械的強度の大きなＳｉＯ系の絶縁膜を形成しておき、この絶縁膜に新たに或いは大きな空孔を形成することで誘電率を低下させようとしたものである。
【特許文献１】特開２００４−３６５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
さて、前記提案の技術思想は、機械的強度の強い絶縁膜に空孔を形成して誘電率の低下を図ろうとしたものである。
【０００６】
ところが、空孔を形成したが故に機械的強度が低下したのである。
【０００７】
従って、前記提案の技術思想では前記問題点を十分には解決できない。
【０００８】
よって、本発明が解決しようとする課題は、誘電率が低く、かつ、機械的強度を有する絶縁膜を提供することである。すなわち、信号処理速度が速く、かつ、配線膜の信頼性が高い半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する為の検討を、鋭意、推し進めて行く中に、配線やビアを形成する為、絶縁膜にドライエッチングやアッシング等の処理を行って加工されたトレンチ（溝）やビア（孔）等の凹部は、この凹部内面側の表面にドライエッチングやアッシングによる膜強度の低いダメージ層が形成されており、これが為に、最終的に、配線やビア構造の機械的強度が低下するに至ることが判って来た。そして、ドライエッチング或いはアッシングによって形成されたダメージ層は絶縁膜表面の露出層であり、内部の層がダメージを受けているものでは無く、従ってこの表面層のみを改善してやれば良いことが判って来た。そして、上記表面層における改質のみであれば、絶縁膜における空孔を大きく犠牲にする必要が無く、よって誘電率を悪化させなくなる。
【００１０】
上記知見を基にして本発明がなされたものである。
すなわち、前記の課題は、
多孔質系絶縁膜と、前記多孔質系絶縁膜に設けられた凹部と、前記凹部に充填された導電材とを具備した半導体装置において、
前記充填された導電材に対向する凹部表面には電磁波硬化性薬剤による電磁波照射硬化層が形成されて前記多孔質系絶縁膜の凹部表面が強化されてなる
ことを特徴とする半導体装置によって解決される。
【００１１】
又、膜に凹部を形成する凹部形成工程を具備する半導体装置の製造方法において、
前記凹部形成工程の後、電磁波硬化性薬剤を該凹部の内面側に設ける電磁波硬化性薬剤在工程と、
前記電磁波硬化性薬剤在工程の後、電磁波を照射して該電磁波硬化性薬剤を硬化させる硬化工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決される。
【００１２】
特に、多孔質系絶縁膜に凹部を形成する凹部形成工程を具備する半導体装置の製造方法において、
前記凹部形成工程の後、電磁波硬化性薬剤を該凹部の内面側に設ける電磁波硬化性薬剤在工程と、
前記電磁波硬化性薬剤在工程の後、電磁波を照射して該電磁波硬化性薬剤を硬化させる硬化工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決される。
【００１３】
上記本発明において、電磁波硬化性薬剤は、特に、ポリイミド系、エポキシ系、フェノール系、ポリベンズオキサゾール系、及びポリベンゾイミダゾール系の高分子化合物の群の中から選ばれる薬剤である。特に、紫外線硬化型有機樹脂である。或いは、電子線硬化型有機樹脂である。そして、照射される電磁波は、特に、光である。特に、波長が１００ｎｍ〜５００ｎｍの光である。例えば、紫外線である。或いは、電子線である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、エッチング或いはアッシング処理などによって絶縁膜に設けられた凹部の表面層に電磁波硬化性薬剤が設けられ、この電磁波硬化性薬剤による硬化層によって絶縁膜が改善（改質）される。例えば、ＣＭＰが行なわれても、絶縁膜が損傷し難い。そして、信頼性に富む半導体装置が得られる。かつ、絶縁膜全体における誘電率を低下させるものでは無いから、信号処理速度が速い高性能な半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は半導体装置に関するものである。この半導体装置は、多孔質系絶縁膜と、前記多孔質系絶縁膜に設けられた凹部（トレンチ（溝）或いはビア（孔）など）と、前記凹部に充填された導電材とを具備する。そして、前記充填された導電材に対向する凹部表面に電磁波硬化性薬剤による電磁波照射硬化層が形成されて前記多孔質系絶縁膜の凹部表面が強化されてなる。
【００１６】
上記本発明の半導体装置の製造方法は、膜に凹部を形成する凹部形成工程を具備する。特に、多孔質系絶縁膜に凹部を形成する凹部形成工程を具備する。そして、前記凹部形成工程の後、電磁波硬化性薬剤を該凹部の内面側に設ける電磁波硬化性薬剤在工程を具備する。前記電磁波硬化性薬剤在工程の後、電磁波を照射して該電磁波硬化性薬剤を硬化させる硬化工程を具備する。
【００１７】
上記本発明において、電磁波硬化性薬剤は、特に、ポリイミド系、エポキシ系、フェノール系、ポリベンズオキサゾール系、及びポリベンゾイミダゾール系の高分子化合物の群の中から選ばれる薬剤である。特に、紫外線硬化型有機樹脂である。或いは、電子線硬化型有機樹脂である。但し、紫外線硬化型有機樹脂の方が好ましい。この種の薬剤は、例えば浸漬、はけ塗り、或いはスピンコート法などの塗布の手法で設けられる。或いは、蒸気の形態で供給して設けることも考えられる。但し、塗布の手法が最も簡単である。これによって、表面層に薬剤薄膜層が設けられる。勿論、膜が多孔質系であるから、薬剤は内部にも少しは侵入することが考えられる。照射される電磁波は、特に、光である。特に、波長が１００ｎｍ〜５００ｎｍの光である。例えば、紫外線である。或いは、電子線である。但し、電子線を用いるよりも紫外線を用いた方が他の部分に対する損傷度が小さいことから、紫外線を用いることが好ましい。
【００１８】
以下、更に具体的に説明する。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明になる半導体装置の製造方法の第１実施形態を説明する工程図である。
【００１９】
図１中、１は基板（図示せず）の上に設けられた下地膜、２は下地層１の上に設けられた絶縁膜、３はドライエッチングやアッシング処理によって絶縁膜２に形成されたトレンチ或いはビアホール等の凹部、４は凹部３をドライエッチングやアッシング処理して形成するに際して生じたダメージ層、５はダメージ層４の表面あるいは内部に浸透した薬剤の層、６は前記薬剤が電磁波の照射によって硬化（改質）した硬化層である。尚、電磁波照射前の薬剤層５は、薬剤が硬化してないから、物理的（機械的）特性は向上していないが、電磁波照射後の薬剤層６は、薬剤が硬化しているから、物理的（機械的）特性は向上している。
【００２０】
更に詳しく説明すると次の通りである。
先ず、図１（ａ）に示される通り、基板上に下地膜１が設けられる。尚、下地膜は無くても良く、或いは多層配線の下層であっても良い。そして、下地膜は、例えば無機系材料、有機系材料、その他にも有機樹脂（ポリマー）系絶縁膜材料などで構成される。或いは、金属材料などで構成される場合もある。下地膜１の形成方法としては、塗布法、或いはＣＶＤ法やＰＶＤ法など適宜な手法が採用できる。
【００２１】
次に、下地膜１上に、例えば絶縁膜２が設けられる。膜２は、例えばＳｉＯ２等のシリコン酸化物、ＳｉＮ，ＳｉＣＮ等のシリコン窒化物、ＳｉＣ等のシリコン炭化物で構成される。又、前記無機系材料のみならず、Ｓｉ含有のＳｉＯＣ，ＭＳＱ，ＭＨＳＱ，ＦＳＧ，ＳｉＯＦ等の有機系絶縁材料、ポリイミド系材料、フッ素系材料、ポリアリルエーテル系材料、ポリベンゾオキサゾール系材料等が用いられる。特に、誘電率が、例えば２．４以下と言った如くに小さな多孔質系有機材料が好ましい例として挙げられる。上記のような絶縁材料による絶縁膜２の厚さは如何なる厚さでも良い。但し、半導体装置における配線層の厚さを考慮すると、約５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。
【００２２】
そして、図１（ｂ）に示される通り、膜２に対して、エッチングやアッシング等の適宜な手法を施すことで、トレンチ或いはビアホール等の配線膜用の凹部３が形成される。尚、エッチング等によって、凹部３の表面にはダメージ層４が生じている。
【００２３】
次に、図１（ｃ）に示される通り、電磁波（紫外線とか電子線）が照射されると硬化する特性の薬剤が凹部３の内表面に設けられる。例えば、ポリイミド系、エポキシ系、フェノール系、ポリベンズオキサゾール系、及びポリベンゾイミダゾール系の高分子化合物を含む薬剤が設けられる。特に、紫外線硬化型樹脂を含む薬剤が凹部３の内表面に設けられる。尚、設ける手法としては、例えば上記薬剤を含む塗料を塗布する方法、或いは上記薬剤を含む溶液を窒素などの気体でバブリングして薬剤をベーパー（霧）化することで表面に吹き付ける方法、ＣＶＤ等で成膜する方法が考えられる。これ等の方法で薬剤が凹部３の内表面に設けられると、薬剤の一部はダメージ層４に侵入して行く。薬剤が存在する領域を、図１（ｃ）中、符号５で示す。尚、薬剤層が必要以上に厚く出来ている場合には、例えばエッチング、アッシング、或いは溶解などによって除去しても良い。
【００２４】
この後、図１（ｄ）に示される通り、電磁波が照射される。例えば、紫外線が照射され、薬剤が硬化する。そして、ダメージ層４は、機械的強度や耐熱性が向上した硬化層６となる。ここで、照射電磁波としては電子線や光が用いられる。但し、光の方が好ましい。特に、波長が１００ｎｍ〜５００ｎｍの波長の光を用いるのが好ましい。中でも、紫外線（波長が１２０ｎｍ〜４００ｎｍ程度の光）を照射するのが好ましい。この点から、薬剤は、当然、紫外線硬化型のものが好ましい。すなわち、波長が１２０ｎｍ〜４００ｎｍ程度の紫外線はエネルギーが１０ｅＶ程度以下であり、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ等の骨格構造に悪影響を与え難いからである。
【００２５】
上記のようにして絶縁膜２のエッチング等による特性劣化が改質された後、Ｃｕ等の配線材料が凹部３内に充填され、そしてＣＭＰ加工などの一連の工程を経て、半導体装置が得られる。
【００２６】
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、本発明になる半導体装置の製造方法の第２実施形態を説明する工程図である。
【００２７】
図２中、１は基板（図示せず）の上に設けられた下地膜、２は下地層１の上に設けられた絶縁膜、３はドライエッチングやアッシング処理によって絶縁膜２に形成されたトレンチ或いはビアホール等の凹部、４は凹部３をドライエッチングやアッシング処理して形成するに際して生じたダメージ層、５ａは凹部３内に充填された薬剤層、５は充填された薬剤がダメージ層４内の隙間（孔）に侵入した薬剤の層、６は前記薬剤が電磁波の照射によって硬化（改質）した硬化層である。尚、電磁波照射前の薬剤層５は、薬剤が硬化してないから、物理的（機械的）特性は向上していないが、電磁波照射後の薬剤層６は、薬剤が硬化しているから、物理的（機械的）特性は向上している。
【００２８】
尚、図２においては、図２（ｃ）に示される通り、大量の薬剤が凹部３内に投入された例であるから、所定時間後に、余分な薬剤を除去するようにしたものである。この除去した後が図２（ｄ）であり、これは図1（ｃ）に相当する。
【００２９】
［実施例１］
下地膜１を無機系絶縁材料であるＳｉＯ２で、絶縁膜２を有機系絶縁材料であるポーラスＭＳＱ系のLow-k材料を用いて３００ｎｍの膜厚で構成した。そして、ビアファースト・デュアルダマシン加工を行った。先ず、ドライエッチングによりビアを加工し、アッシング後に紫外線硬化型ポリイミドを成分として含むギャップフィル材料を塗布し、ビアを埋め込んだ。この後、ビアに接続する為のトレンチをビア上方に形成し、ビア中の残存ギャップフィル材料をアッシングで除去した。そして、上方から、２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長を含む紫外線を３００秒に亘って照射した。
この後、Ｃｕ等のメタル充填、ＣＭＰ工程、ＣＶＤ工程を経て配線を完成させ、半導体装置を得た。
【００３０】
このようにして得られた半導体装置を、温度サイクル試験（−５０℃／５分〜１２５℃／５分）を５００回行った。
そして、試験後において、ビア部分を断面ＴＥＭ観察した処、ポリイミドを含まない通常のギャップフィル材料を用いて加工を行った場合よりも、ビア周辺のクラックやボイド（空隙）の数が低減していることが確認された。これは、ビア内面のダメージ層に浸透したポリイミド成分が紫外線により硬化し、ビア構造自体の機械的強度が高まった為と考えられる。
【００３１】
［実施例２］
下地膜１を無機系絶縁材料であるＳｉＣＮで、絶縁膜２を有機系絶縁材料であるポーラスＭＳＱ系のLow-k材料を用いて１５０ｎｍの膜厚で構成した。そして、９０ｎｍ径のビアをウェハ全面にエッチング加工後、ポリベンズオキサゾール系の高分子化合物を含む溶液をベーパー（霧）化し、ウェハ全面に吹き付け、溶剤成分を低温ベークで飛ばした後、上方から２００ｎｍ〜４００ｎｍの波長を含む紫外線を照射した。
この後、Ｃｕ等のメタル充填、ＣＭＰ工程、ＣＶＤ工程を経て配線を完成させ、半導体装置を得た。
【００３２】
このようにして得られた半導体装置を、温度サイクル試験（−５０℃／５分〜１２５℃／５分）を５００回行った。
そして、試験後において、ビア部分を断面ＴＥＭ観察した処、ベーパー処理を行わない場合よりも、ビア周辺のクラックやボイド（空隙）の数が低減していることが確認された。これは、ビア内面のダメージ層に浸透したポリベンズオキサゾール成分が紫外線により硬化し、ビア構造自体の機械的強度が高まった為と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態になる半導体装置の製造工程図
【図２】本発明の第２実施形態になる半導体装置の製造工程図
【符号の説明】
【００３４】
１        下地膜
２        絶縁膜
３        ドライエッチングやアッシング処理によって形成された凹部
４        ダメージ層
５        ダメージ層４の表面あるいは内部に浸透した薬剤の層
６        電磁波の照射によって薬剤が硬化（改質）した硬化層
特許出願人  次世代半導体材料技術研究組合  
代  理  人      宇    高      克    己  
【図１】
2009218347.tif 000003
【図２】
2009218347.tif 000004