(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相成長法によって、基板上に形成したアルミニウム系配線からなる複数の導電層および前記複数の導電層間の溝を被覆する状態に、容量結合型プラズマＣＶＤ法により、２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含みかつＳｉ−Ｈ結合を有する酸化シリコンを堆積して、保護膜を形成する第１工程と、
前記複数の導電層および前記複数の導電層間の溝を埋め込みかつ前記保護膜を被覆する状態に低誘電体層を形成する第２工程とからなり、
前記複数の導電層間の溝が前記保護膜および前記低誘電体層で埋め込まれるように前記保護膜を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に形成することを特徴とする半導体装置に用いられる絶縁膜構造の製造方法。
【請求項２】
気相成長法によって、基板上に形成したアルミニウム系配線からなる複数の導電層および前記複数の導電層間の溝を被覆する状態に、容量結合型プラズマＣＶＤ法により、２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含みかつＳｉ−Ｈ結合を有する酸化シリコンを堆積して、保護膜を形成する第１工程と、
窒素を含む雰囲気中における窒化処理によって前記保護膜の表層に１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚さの窒化層を形成する第２工程と、
前記複数の導電層および前記複数の導電層間の溝を埋め込みかつ前記窒化層を被覆する状態に低誘電体層を形成する第３工程とからなり、
前記複数の導電層間の溝が前記保護膜、前記窒化層および前記低誘電体層で埋め込まれるように前記保護膜を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に形成することを特徴とする半導体装置に用いられる絶縁膜構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置に用いられる絶縁膜構造の製造方法に関するもので、特には、０．２５μｍ以下のデバイスプロセスを用いる半導体装置に用いられる絶縁膜構造の製造方法の分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に形成した導電層（例えば金属配線）間に低誘電体材料を埋め込んだ従来の絶縁膜構造では、導電層を被覆する状態に窒化シリコンからなる保護膜が形成され、さらに導電層による段差を埋め込みかつ保護膜を被覆する状態に低誘電体層が形成されている構造であった。
また、上記保護膜はＣＶＤ−ＳｉＯ2 膜で形成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記絶縁膜構造では保護膜に窒化シリコン膜を用いているため、絶縁膜の誘電率が高くなる。そのため、低誘電率（誘電率の値が１．５〜２．５程度）を要求する絶縁膜構造（例えば層間絶縁膜）には使えない。
また保護膜をＣＶＤ−ＳｉＯ2 膜で形成する絶縁膜構造では、十分な耐水性を維持するためにＣＶＤ−ＳｉＯ2 膜を２００ｎｍ以上の膜厚に形成する必要がある。ところが０．３５μｍルールのような微細な設計ルールでは、保護膜の膜厚が２００ｎｍあると、保護膜だけで配線間の溝を埋めてしまう。これでは、保護膜上に低誘電体層を形成しても、保護膜の誘電率が高いため、配線間の容量が設計値通りに低減することはできない。したがって、誘電率の比較的高い保護膜はできる限り薄く形成する必要がある。
【０００４】
本発明は、耐水性に優れた薄い保護膜を有する半導体装置に用いられる絶縁膜構造の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
半導体装置に用いられる絶縁膜構造の製造方法は、気相成長法によって、基板上に形成したアルミニウム系配線からなる複数の導電層および前記複数の導電層間の溝を被覆する状態に、容量結合型プラズマＣＶＤ法により、２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含みかつＳｉ−Ｈ結合を有する酸化シリコンからなる保護膜を形成する第１工程と、複数の導電層および前記複数の導電層間の溝を埋め込みかつ保護膜を被覆する状態に低誘電体層を形成する第１工程とからなり、複数の導電層間の溝が保護膜および低誘電体層で埋め込まれるように保護膜を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に形成する。
または、気相成長法によって、基板上に形成したアルミニウム系配線からなる複数の導電層および前記複数の導電層間の溝を被覆する状態に、容量結合型プラズマＣＶＤ法により、２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含みかつＳｉ−Ｈ結合を有する酸化シリコンからなる保護膜を形成する第１工程と、窒素を含む雰囲気中で保護膜の表層を窒化することによって１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚さの窒化層を形成する第２工程と、複数の導電層および前記複数の導電層間の溝を埋め込みかつ窒化層を被覆する状態に低誘電体層を形成する第３工程とからなり、複数の導電層間の溝が保護膜、窒化層および低誘電体層で埋め込まれるように上記保護膜を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に堆積して形成する。
【０００７】
【作用】
上記半導体装置に用いられる絶縁膜構造の製造方法では、２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含みかつＳｉ−Ｈ結合を有する酸化シリコンからなる保護膜を形成することから、保護膜は耐水性を有する。つまり、保護膜は（Ｓｉ−Ｈ）＋Ｈ2 Ｏ→（Ｓｉ−ＯＨ）＋Ｈ2 のようにＳｉ−Ｈボンドが反応することによって水を取り込み、外部から侵入してくる水がデバイスに影響を及ぼすのを排除する。そして、水素の含有量が２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 よりも少ないものでは十分な耐水性が得られない。一方１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 を超えると水素原子は飽和状態になるのでそれを超えるような量は含有できない。よって水素原子の含有量は上記範囲に設定されなければならない。
【０００８】
なお、上記のように水素原子を多く含む酸化シリコン膜は、電気的特性のうち特に耐圧特性が低いので従来は膜質が悪い膜とされていた。しかしながら、本発明の製造方法による絶縁膜構造では、絶縁膜の極一部分にしか用いていないため、絶縁膜の耐圧特性に影響を及ぼすことはない。
【０００９】
上記保護膜を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に形成したことから、０．３５μｍルールのような微細な設計ルールであっても、配線間の溝を保護膜だけで埋め込むようなことがなくなる。そのため、保護膜上に低誘電体層を形成した際に、配線間に低誘電体層が埋め込まれる。
【００１０】
また保護膜は被覆性に優れた膜になる。これは、原料原子の基板へ付着確率が水素原子を多くすることで小さくなるために、被覆性がよくなることに起因する。例えば、モノシラン（ＳｉＨ4 ）と酸素（Ｏ2 ）とを原料ガスに用いた気相成長法によってＳｉＯ2 膜を形成する場合には、ストイキメトリックになる条件より酸素に比較してモノシランを多くすることで、モノシラン分子が基板に吸着する確率が低くなる。そのため、保護膜の被覆性が向上する。
【００１１】
また、窒素を含む雰囲気中で保護膜の表層を窒化することによって１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の窒化層を形成する製造方法では、シリコン（Ｓｉ）−窒素（Ｎ）結合によって水分子を一層通し難くなる。これはＳｉ−Ｎ結合の結合距離が水分子の大きさよりも短いためである。また誘電率が高い窒化層を形成しても上記範囲の膜厚であれば絶縁膜を低誘電率化するにはほとんど影響はない。なお、１．０ｎｍよりも薄い厚さでは十分な耐水性が得られない。また２．０ｎｍを超えると、絶縁膜の低誘電率化に影響がでてくる。よって、窒化層は上記範囲の膜厚に形成されなければならない。
【００１２】
【実施例】
請求項１に係る本発明の実施例（第１実施例）により形成される絶縁膜構造を、図１の要部断面図によって説明する。
【００１３】
基板１１上には、導電層１２が形成されている。この導電層１２は、例えばアルミニウム系配線からなる。そして上記導電層１２には保護膜１３が被覆されている。この保護膜１３は、２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含み、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に形成されている酸化シリコン膜からなる。
さらに上記導電層１２によって形成される段差１２Ａを埋め込みかつ上記保護膜１３を被覆する状態に低誘電体層１４が形成されている。またこの低誘電体層１４は、誘電率が１．０〜２．５程度のものである。そのような材料としては、フッ素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＦ）、有機ＳＯＧ（Spin on glass ）、ポリイミド、ポリパラキシリレンがある。
このように絶縁膜１は、保護膜１３と低誘電体層１４とで構成される。
【００１４】
上記保護膜１３は、２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含みかつＳｉ−Ｈ結合を有する酸化シリコンからなることから、耐水性を有する。つまり、保護膜１３は（Ｓｉ−Ｈ）＋Ｈ2 Ｏ→（Ｓｉ−ＯＨ）＋Ｈ2 のようにＳｉ−Ｈボンドが反応することによって水を取り込み、外部から侵入してくる水がデバイスに影響を及ぼすのを排除する。なお、水素の含有量が２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 よりも少ないのものでは十分な耐水性が得られない。一方１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 を超えると水素原子は飽和状態になるのでそれを超えるような量は含有できない。よって水素原子の含有量は上記範囲に設定されている。
なお、上記水素原子を多く含む酸化シリコン膜は、電気的特性のうち特に耐圧特性が低いので、従来は膜質が悪い膜とされている。しかしながら、保護膜１３を絶縁膜１の極一部分にしか用いていないため、絶縁膜１の耐圧特性に影響を及ぼすことはない。
【００１５】
また上記保護膜１３を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に設定して形成されていることから、０．３５μｍ〜０．２５μｍルールのような微細な設計ルールであっても、導電層１２間の溝を保護膜１３だけで埋め込むようなことがなくなる。そのため、保護膜１３上に低誘電体層１４を形成した際に、導電層１２間に低誘電体層１４が形成されることになる。
【００１６】
次に、請求項２に係る本発明の実施例（第２実施例）により形成される絶縁膜構造を、図２の要部断面図によって説明する。
図に示すように、この絶縁膜構造は、上記第１実施例で説明した保護膜１３と低誘電体膜１４とからなる絶縁膜構造において、上記保護膜１３の表層には、その表層を窒化したもので膜厚が１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の窒化層１５が形成されている。すなわち、窒化層１５は、保護膜１３と低誘電体膜１４との間に例えば３〜４原子層程度の膜厚に形成されていることになる。
【００１７】
上記第２実施例により形成される絶縁膜構造は、保護膜１３の表層を窒化した窒化層１５が形成されていることから、窒化層１５はＳｉ−Ｎボンドを有する。このＳｉ−Ｎ結合の結合距離は水（Ｈ2 Ｏ）分子の大きさよりも短いため、窒化層１５は水分子をほとんど通さない。そのため、保護膜１３に侵入しようとする水の量が制限される。しかしながら、窒化層１５の膜厚は制限を受ける。つまり、上記窒化層１５の膜厚は１．０ｎｍよりも薄い厚さでは十分な耐水性が得られない。また２．０ｎｍを超えると、絶縁膜１の低誘電率化に影響がでてくる。よって、窒化層１５は上記１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の膜厚に形成されなければならない。
なお、窒化シリコン膜の誘電率は高いが、本実施例では保護膜１３の表層のみに窒化層１５を形成しているので、誘電率の上昇は、低誘電率の絶縁膜構造を形成する上でほとんど問題にはならない。
【００１８】
次に、請求項１に係る本発明の実施例（第１実施例）を、図３の製造工程図によって説明する。図では、上記図１で説明したのと同様に各構成部品には同一符号を付す。
【００１９】
図３の（１）に示すように、基板１１上には、アルミニウム系配線からなる導電層１２が形成されている。
【００２０】
次いで、容量結合型のプラズマＣＶＤ装置（図示省略）を用い、原料ガスには、例えばシリコン原子を含むガスとして流量が５０ｓｃｃｍのモノシラン（ＳｉＨ4 ）、酸素を含むガスとして流量が３０ｓｃｃｍの酸素（Ｏ2 ）、希釈ガスとして流量が２０ｓｃｃｍのヘリウム（Ｈｅ）を混合したものを用いる。また成長条件としては、成膜雰囲気の圧力を１００Ｐａ、基板温度を３５０℃、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１．０Ｗ／ｃｍ2 に設定して、気相成長を行った。
【００２１】
その結果図３の（２）に示すように、基板１１上に導電層１２を覆う状態にして５０ｎｍの膜厚の保護膜１３を形成した。このような条件にて形成された保護膜１３には、水素原子が５０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 程度含まれている。
水素原子の濃度は、酸素（Ｏ2 ）流量とモノシラン（ＳｉＨ4 ）流量の比によって決定する。おおむね、酸素（Ｏ2 ）：モノシラン（ＳｉＨ4 ）＝１：１のときに水素原子濃度が１０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 を超え、酸素（Ｏ2 ）流量が減少するにつれて水素原子濃度が上昇する。
【００２２】
その後図３の（３）に示すように、導電層１２によって形成される段差１２Ａを埋め込みかつ上記保護膜１３を被覆する状態に低誘電体層１４を形成する。
この低誘電体層１４は、誘電率が１．０〜２．５程度のもので形成され、例えば、プラズマ重合法、回転塗布法、蒸着法およびＣＶＤ法のいずれかの成膜技術によって成膜される。ここでは、ポリキシレン〔−（Ｃ2 Ｈ5 −Ｃ6 Ｈ4 −Ｃ2 Ｈ5 ）−〕を用いたＣＶＤ法によって形成した。ポリキシレンは比誘電率が２．５（６０Ｈｚ）と低く、耐熱性が３００℃程度ある。
または、例えばフッ素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＦ）ならば例えば液相ＣＶＤ法によって形成される。また有機ＳＯＧ（Spin on glass ）、ポリイミド、ポリパラキシリレン等で形成される場合には、塗布法および熱処理（例えばベーキングおよびアニーリング）によって形成される。
このようにして保護膜１３と低誘電体層１４とで構成される絶縁膜１が形成される。
【００２３】
次いで図示はしないが、ＣＶＤ法によって上記低誘電体膜（１４）上にＳｉＯ2 膜を成膜する。このＳｉＯ2 膜は、例えばスパッタリング，回転塗布法等の他の成膜方法によっても形成することもできる。多層配線を構成する場合には、このＳｉＯ2 膜上に上層配線を形成する。
【００２４】
上記製造方法では、気相成長法によって、基板１１上に形成した導電層１２を被覆する状態に２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含みかつＳｉ−Ｈ結合を有する酸化シリコンからなる保護膜１３を形成することから、保護膜１３は耐水性に優れた膜になる。なお、水素の含有量が２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 未満のものでは十分な耐水性が得られない。一方１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 を超える場合には、飽和状態になる。このため、水素原子の含有量は上記範囲に設定した。
また水素原子を多くすることで原料原子が基板へ付着する確率が小さくなる。そのため、保護膜１３の被覆性がよくなる。例えば、モノシラン（ＳｉＨ4 ）と酸素（Ｏ2 ）とを原料ガスに用いた気相成長法によってＳｉＯ2 膜を形成する場合には、ストイキメトリックになる条件より酸素に比較してモノシランを多くすることで、モノシラン分子が基板１１および導電層１２に吸着する確率が低くなる。
【００２５】
次に、請求項２に係る本発明の実施例（第２実施例）を、図４の製造工程図によって説明する。図では、上記図２，図３で説明したのと同様に構成部品には同一符号を付す。
【００２６】
図４の（１）に示すように、基板１１上には、アルミニウム系配線からなる導電層１２が形成されている。そして上記図３の（２）で説明したのと同様にして、水素原子を含む酸化シリコンからなる保護膜１３を例えば３０ｎｍの膜厚に形成する。
【００２７】
その直後に、図４の（２）に示すように、例えば、窒素を含むガスとして流量が１００ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ3 ）と、希釈ガスとして流量が５０ｓｃｃｍのヘリウム（Ｈｅ）とを混合したものを、上記保護膜１３を形成した装置に導入して、上記保護膜１３の表層を窒化する。このときの窒化条件としては、窒化雰囲気の圧力を１００Ｐａ、基板温度を３５０℃、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１．０Ｗ／ｃｍ2 に設定した。
上記条件の基で窒化を行った結果、保護膜１３の表層に１．０ｎｍの膜厚の窒化層１５が形成された。
【００２８】
なお、窒化の度合いはアンモニア（ＮＨ3 ）の流量にはほとんど依存せず、５０ｓｃｃｍ以上では、一定であった。
また上記保護膜１３の表層の窒化法は、上記方法に限定されない。例えばアンモニア（ＮＨ3 ），ヒドラジン（Ｎ2 Ｈ4 ），アジ化水素（ＨＮ3 ）等のガスを用いた熱窒化法、窒素をプラズマ化してその窒素ラジカルを用いるプラズマ窒化法等で、上記窒化を行うことも可能である。
【００２９】
その後、上記図３の（３）で説明したのと同様にして、低誘電体膜１４を形成する。その結果、図４の（３）に示すように、導電層１２を覆う保護膜１３とこの保護膜１３の表層に形成した窒化層１５と導電層１２の段差部１２Ａを埋め込む状態に形成した低誘電体膜１４とからなる絶縁膜１が形成される。
【００３０】
上記窒化層１５を形成する製造方法では、保護膜１３の表層を窒化することによって１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の窒化層１５を形成することから、シリコン（Ｓｉ）−窒素（Ｎ）結合によって水分子を一層通し難くなる。また誘電率が高い窒化層１５を形成しても上記範囲の膜厚であれば絶縁膜１を低誘電率化するのにはほとんど影響はない。なお、窒化層１５は１．０ｎｍよりも薄い厚さでは十分な耐水性が得られない。また２．０ｎｍを超えると、絶縁膜１の低誘電率化に影響がでてくる。よって、窒化層１５は上記範囲の膜厚に形成した。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１に係る本発明によれば、２０Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以上１００Ｚａｔｏｍ／ｃｍ3 以下の水素原子を含みかつＳｉ−Ｈ結合を有する酸化シリコンからなる保護膜を形成するので、保護膜は耐水性に優れた膜になるとともに、水素原子を導入することにより原料原子が基板へ付着する確率が小さくなるために被覆性の向上が図れる。したがって、導電層（例えば配線）が低誘電体膜の水分放出による影響を受けなくなるので、信頼性の向上、歩留りの向上が図れる。また保護膜の膜厚を薄く形成できるので、導電層（例えば配線）間に低誘電体膜を埋め込むことができる。したがって、本発明により形成される絶縁膜構造を用いたデバイスは、高速化、低消費電力化が図れる。また保護膜を１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の膜厚に形成したので、０．３５μｍルールのような微細な設計ルールであっても、配線間の溝を保護膜だけで埋め込むようなことがなくなる。そのため、保護膜上に低誘電体層を形成した際に、配線間に低誘電体層が埋め込むことができる。
【００３２】
請求項２に係る本発明によれば、窒素を含む雰囲気中で保護膜の表層を窒化するので、膜厚が１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の窒化層を形成することができる。そのため、絶縁膜の低誘電率化に対してほとんど影響を与えることなく、十分な耐水性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  請求項１に係る本発明による絶縁膜の一例の要部断面図である。
【図２】  請求項２に係る本発明による絶縁膜の一例の要部断面図である。
【図３】  請求項１に係る本発明の第１実施例を示した製造工程図である。
【図４】  請求項２に係る本発明の第２実施例を示した製造工程図である。
【符号の説明】
１  絶縁膜
１１  基板
１２  導電層
１３  保護膜
１４  低誘電体層
１５  窒化層
【図１】
0003789501.tif 000002
【図２】
0003789501.tif 000003
【図３】
0003789501.tif 000004
【図４】
0003789501.tif 000005