層間絕緣膜和布線結構以及它們的製造方法

2023-05-26 11:31:56

專利名稱：層間絕緣膜和布線結構以及它們的製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體元件、半導體晶片搭載基板、布線基板等基板的多層布線結構，特別是層間絕緣膜的結構，還涉及具有該多層布線結構的半導體裝置、布線基板、和含有它們的電子裝置。進而，本發明涉及該多層布線結構的製造方法、以及具有該多層布線結構的半導體裝置、布線基板、和含有它們的電子裝置的製造方法。

背景技術：
以往，為了使半導體基板等上的多層布線結構中的布線層間絕緣，而形成有層間絕緣膜。
在採用這樣的多層布線結構的半導體裝置中，無法忽視由布線間的寄生電容和布線電阻所導致的信號延遲問題，要求採用具有低電容率(Low-k)的層間絕緣膜。
作為這種低電容率(Low-k)的材料，氟碳膜受到關注。另外，能在層間絕緣膜中使用的氟碳膜在專利文獻1中被提出來。專利文獻1公開了通過使用具有1個以上雙鍵、或者1個三鍵的成膜氣體來形成由氟碳聚合物構成的層間絕緣膜，而能控制膜密度的技術方案。還公開了分子結構具有1個雙鍵的氟碳系的成膜氣體容易在等離子體中解離，能夠形成高密度且平坦的膜的技術方案。另一方面，公開了使用分子結構具有三鍵的成膜氣體而形成的氟碳聚合物膜，是兼具密度高的性質和硬的性質的膜。
另一方面，在專利文獻2中，作為層間絕緣膜的材料，提出了具有極低的介電常數k的氟碳膜。具體而言，專利文獻2公開了由通過含有氮而使介電常數k降低至1.5～2.2的氟碳膜形成的層間絕緣膜。因此，專利文獻2明確了以原子比F/C計為0.8～1.1範圍含有F和C，並且含有氮0.1～10原子％。通過將這樣的氟碳膜作為層間絕緣膜使用，期待能夠降低布線間的寄生電容。
專利文獻1特開2002-220668號公報 專利文獻2特願2007-38584號

發明內容
如上所述，氟碳膜由於其低電容率而被期待在半導體元件上的布線結構、特別是在含有層間絕緣膜的布線結構中作為層間絕緣膜使用。在這樣的情況下，專利文獻1公開了通過選擇成膜氣體而能將平坦且高密度的膜進行成膜的技術方案，但並未示出將氟碳膜實際應用於半導體裝置的層間絕緣膜的具體例。因此，專利文獻1對於將氟碳膜實際作為層間絕緣膜使用時存在的具體問題，沒有任何提及。
另外，在專利文獻2中，示出了利用氟碳膜形成層間絕緣膜的例子。然而，表明了在實際利用氟碳膜形成層間絕緣膜時，無法得到層間絕緣膜所要求的平坦性。
即，表明了在利用氟碳膜形成層間絕緣膜時，氟碳膜的表面成為具有凹凸的粗糙面，得不到作為層間絕緣膜的充分特性。實際上，氟碳膜的表面平坦度以Ra值計為1.72nm左右、以P-V(峰谷)值計為17.94nm左右，為了進一步降低電容率而添加氮(N)時，平坦度進一步惡化。如果在該氟碳膜上形成屏障膜，則會成為反映出氟碳膜具有凹凸的粗糙面的表面。進而，通常的屏障膜的k為4.0以上，為了降低層間絕緣膜的綜合電容率，需要k更小的屏障膜。
因此，本發明技術課題之一在於提供能實現優異的平坦性、並且是低電容率且能再現性良好地形成的穩定的半導體裝置等的層間絕緣膜，和含有層間絕緣膜的布線結構。
另外，本發明的另一技術課題在於提供製造上述層間絕緣膜和上述布線結構的方法。
根據本發明的第1方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜被設置在下部電極、或布線層與上部布線層之間，至少部分含有介電常數k為2.5以下的絕緣性塗布膜。
根據本發明的第2方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜被設置在下部電極、或布線層與上部布線層之間，含有氟碳膜作為主要的絕緣膜，在所述氟碳膜上設有絕緣性塗布膜。
根據本發明的第3方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第2方式所述的層間絕緣膜，其中，所述氟碳膜含有F和C，且以原子比計F/C為0.8～1.1。
根據本發明的第4方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第2或3方式所述的層間絕緣膜，其中，所述氟碳膜的介電常數k為1.8～2.2。
根據本發明的第5方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第2～4方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述氟碳膜的厚度為50～500nm。
根據本發明的第6方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第2～5方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的厚度為所述氟碳膜的厚度的1/10以下。
根據本發明的第7方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第2～5方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的厚度為所述氟碳膜的厚度的1/5以下。
根據本發明的第8方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第2～5方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的厚度為所述氟碳膜的厚度的1/3以下。
根據本發明的第9方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第2～8方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述氟碳膜是在等離子體中使用含有C和F的氣體中的至少一種氣體、通過CVD而形成的，所述等離子體是使用Ar氣、Xe氣和Kr氣中的至少一種氣體產生的。
根據本發明的第10方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第1方式所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是主要的絕緣膜。
根據本發明的第11方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第2～9方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的介電常數k為2.5以下。
根據本發明的第12方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第1～11方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的表面平坦度以Ra計為1nm以下，以峰谷(P-V)值計為20nm以下。
根據本發明的第13方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第1～12方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜含有Si、C和O，且以原子比計為O＞Si＞1/2C。以下，有時將層間絕緣性塗布膜及其組成分別簡化為SiCO塗布膜或者SiCO層、以及SiCO來進行說明。
根據本發明的第14方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第1～13方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是將液體狀的塗布膜乾燥並焙烤而得的膜，所述液體狀的塗布膜含有金屬有機化合物和金屬無機化合物中的至少一方與溶劑。
根據本發明的第15方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第1～13方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是將液體狀的塗布膜乾燥並在600℃以下焙烤而得的膜，所述液體狀的塗布膜含有金屬有機化合物和金屬無機化合物中的至少一方與溶劑。
根據本發明的第16方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第1～13方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是將液體狀的塗布膜乾燥並在400℃以下焙烤而得的膜，所述液體狀的塗布膜含有金屬有機化合物和金屬無機化合物中的至少一方與溶劑。
根據本發明的第17方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第1～16方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是SiO的重複單元為主骨架、且其組成由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、x≤1)所表示的一種或二種以上的氧化物構成的絕緣體膜。
根據本發明的第18方式，可得到具有如下特徵的層間絕緣膜根據第1～17方式中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜具有其表面被氮化而成的氮化表面層。
根據本發明的第19方式，可得到具有如下特徵的多層布線結構具有第1～18方式中任一項所述的層間絕緣膜，所述層間絕緣膜中具有通孔和槽中的至少一方、埋設於所述通孔和槽中的至少一方的導體層、和設置於所述導體層周圍的屏障層。
根據本發明的第20方式，可得到具有如下特徵的多層布線結構具有層間絕緣膜，其中，所述層間絕緣膜含有絕緣體膜，所述絕緣體膜由塗布膜得到，所述塗布膜由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、x≤1)所表示的一種或二種以上的氧化物構成。
根據本發明的第21方式，可得到具有如下特徵的多層布線結構根據第20方式的多層布線結構，其中，所述層間絕緣膜具有所述絕緣體膜和氟碳膜(CFx)。
根據本發明的第22方式，可得到具有如下特徵的多層布線結構根據第20方式的多層布線結構，其中，所述層間絕緣膜是由所述絕緣體膜形成的。
根據本發明的第23方式，可得到具有如下特徵的多層布線結構含有多個層間絕緣膜，其中，所述多個層間絕緣膜中的至少一層含有絕緣體膜，所述絕緣體膜由塗布膜得到，所述塗布膜由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、x≤1)所表示的一種或二種以上的氧化物構成。
根據本發明的第24方式，可得到具有如下特徵的多層布線結構的製造方法通過塗布液體狀的材料，並使該塗布的膜乾燥，而形成含有介電常數k為2.5以下的絕緣體膜的層間絕緣膜，所述液體狀的材料含有通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、x≤1)所表示的一種或二種以上的氧化物。
根據本發明的第25方式，可得到具有如下特徵的多層布線結構的製造方法所述多層布線結構含有層間絕緣膜，其中，形成所述層間絕緣膜的工藝具有如下工序通過塗布液體狀的材料，並使該塗布的膜乾燥，而形成含有介電常數k為2.5以下的絕緣體膜的所述層間絕緣膜，所述液體狀的材料含有通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、x≤1)所表示的一種或二種以上的氧化物。
根據本發明的第26方式，可得到具有如下特徵的電子裝置含有層間絕緣膜，其中，所述層間絕緣膜是由塗布膜得到的絕緣體膜，所述塗布膜由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、x≤1)所表示的一種或二種以上的氧化物構成。
根據本發明的第27方式，可得到具有如下特徵的電子裝置的製造方法所述電子裝置含有層間絕緣膜，其中，形成所述層間絕緣膜的工藝具有如下工序通過塗布液體狀的材料，並使該塗布的膜乾燥，而形成含有介電常數k為2.5以下的絕緣體膜的所述層間絕緣膜，所述液體狀的材料含有通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、x≤1)所表示的一種或二種以上的氧化物。
根據本發明，塗布液體狀的塗布膜後，通過使其乾燥而形成層間絕緣膜，因此，可以將其表面維持為極平坦，可以不需要後處理的CMP工藝進行平坦化。



[圖1]顯示本發明的一實施方式中所述的多層布線結構的截面圖。
[圖2]顯示在製造圖1所示的多層布線結構時使用的微波激發等離子體處理裝置的截面示意圖。
[圖3]說明本發明其它實施方式中所述的多層布線結構的截面圖。
[圖4]說明本發明另外的其它實施方式的多層布線結構的截面圖。
[圖5]說明含有本發明的實施方式中所述的層間絕緣膜的半導體裝置的一例的截面圖。
[圖6]說明含有本發明的實施方式中所述的層間絕緣膜的半導體裝置的其它例子的截面圖。
符號說明 1屏障蓋層 2第1層間絕緣膜 3第1粘合層 4第2層間絕緣膜 5第2粘合層 6硬質罩 121 氟碳膜(CFx膜) 122 絕緣性塗布膜 141 氟碳膜 142 絕緣性塗布膜 7通孔 7′、9′ 屏障層 8電極 9槽 10、20 多層布線結構 11 布線導體(Cu) 21 屏障蓋層 22 由SiCO形成的層間絕緣膜 25 屏障層 27 通孔 28 布線 29 槽 27′ 屏障層 28′ 布線導體 29′ 屏障層 30 等離子體處理裝置 31 絕緣體板 32 天線 33 上段簇射極板(Shower Plate) 34 等離子體發生區域 35 下段簇射極板 37 處理室 41 微波 43氣體導入管
具體實施例方式 以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
圖1是顯示本發明的一實施方式中所述的布線結構的截面圖。圖1中示出的半導體裝置具有在形成有多個半導體元件的半導體基板(未圖示)上設置的多層布線結構(僅示出布線層間的連接部分1處)10。另外，圖示的多層布線結構10設置於設在半導體基板上的由碳氮化矽(SiCN)形成的屏障蓋層1上，含有第1層間絕緣膜2和第2層間絕緣膜4，這些層間絕緣膜2和4將形成為多層的布線層和/或導電區域相互絕緣分離。
第1層間絕緣膜2中設有將該第1層間絕緣膜2和屏障蓋層1貫通的通孔7。該通孔7中，形成有由Cu構成的電極或布線8。進而，在第1層間絕緣膜2上隔著由SiCN形成的第1粘合層3形成有由氟碳膜形成的第2層間絕緣膜4。在第2層間絕緣膜4上隔著由SiCN形成的第2粘合層5設有由氧化矽(SiO2)形成的硬質罩6。
另外，從硬質罩6到第1層間絕緣膜2為止設有槽9，由Cu構成的布線導體11被埋入該槽中。另外，在通孔7和槽(trench)8的內壁上，形成有對構成布線導體8和11的Cu形成屏障的由NiF2形成的屏障層7′、9′。
在此，屏障蓋層1、第1粘合層3和第2粘合層5的SiCN的介電常數k為4.0～4.5，作為這些屏障蓋層1、粘合層3、5，可以使用k比3.0小的碳氫膜；作為粘合層3、5，還可以使用更薄的k＝3.0的SiCO膜。在此，作為k＝3.0以下的碳氫，可以舉出由丁炔和Ar等離子體將無定形碳膜(CHyy＝0.8～1.2)以20～30nm的厚度成膜的情形。需要說明的是，雖然電容率會上升，但當然也可以使用SiN、SiC和SiO2等作為屏障蓋層1、粘合層3、5。
進而，使用k＝4.0的SiO2膜作為硬質罩層6，但也可以使用k小於3.0的SiCO膜。另外，作為硬質罩6，可以用k＝3.0以下的碳氫來形成。例如，作為這種碳氫，可以舉出上述的碳氫膜。
圖1中示出的第1層間絕緣膜2是由氟碳(以下，稱為CFx)膜121、和在該CFx膜121上形成的絕緣性塗布膜122形成的，同樣，第2層間絕緣膜4也是由CFx膜141、和在該CFx膜上形成的絕緣性塗布膜142形成的。
在此，形成第1層間絕緣膜2和第2層間絕緣膜4的CFx膜121和141是由k＝2.0的氟碳(CFx)膜形成的，但這樣的CFx膜121、141中也可以含有氮。CFx膜121、141的介電常數k希望在1.8～2.2的範圍。
進而，形成第1層間絕緣膜2和第2層間絕緣膜4的絕緣性塗布膜122和142，是通過旋塗將含有塗敷劑的混合劑塗布在CFx膜121、141上並進行乾燥(加熱烘烤)而形成的。塗布並乾燥後的絕緣性塗布膜122和142的表面具有1nm以下的Ra。另外，此時的峰谷(P-V)值為20nm以下。
在該例中，通過旋塗將含有塗敷劑、溶劑和其它成分的混合劑塗布到CFx膜121、141上，從而製成絕緣性塗布膜122、142。
作為該絕緣性塗布膜122、142的例子，可以舉出含有塗敷劑和溶劑的液體狀的塗布膜，所述塗敷劑由金屬有機化合物和金屬無機化合物中的至少一方形成。此時，作為溶劑可以例示出甲醇、乙醇等醇系溶劑、甲基乙基酮、甲基異丁基酮等酮系溶劑、乙二醇單乙醚、丙二醇單甲醚等二元醇酯系溶劑、水等，另外，作為塗敷劑可以使用以CxSiOy(x為0以上2以下的值、y為2-x/2)的形式含有C、Si和O的化合物。該化合物以SiO的重複單元為主骨架。
在此，作為形成第1層間絕緣膜2和第2層間絕緣膜4的絕緣性塗布膜122、142的具體例，可以舉出介電常數k為2.4的(CH3SiO3/2)x(SiO2)1-x。以下，將(CH3SiO3/2)x(SiO2)1-x簡稱為SiCO塗布膜。另外，該SiCO塗布膜中的Si、C和O的原子比如上式所示，為O＞Si＞1/2C。
另外，第1層間絕緣膜2和第2層間絕緣膜4中所含的CFx膜121、141的厚度為50～500nm，另外，在這些CFx膜121、141上塗敷的絕緣性塗布膜122、142的厚度比CFx膜的厚度薄，例如，為CFx膜121、141的厚度的1/3以下，優選為1/5以下，更優選為1/10以下。
參照圖2，對用於將圖1所示的層間絕緣膜2、4中的CFx膜121、141進行成膜的微波激發等離子體處理裝置30進行說明。在圖2中，微波41經過波導管42，被送到隔著絕緣體板31設置在等離子體處理裝置30的腔壁38上部的徑向線縫隙天線(RLSA)32，進而，從該RLSA32透過其下方的絕緣體板31和上段簇射極板33，放射到等離子體發生區域34。作為激發等離子體的等離子體激發用氣體的Ar氣(或Kr氣、Xe氣)等稀有氣體，介由氣體導入管43，從上段簇射極板33均勻吹送到等離子體發生區域34，在那裡通過所放射的微波而激發等離子體。
在圖示的微波激發等離子體處理裝置30的擴散等離子體區域中，設置有下段簇射極板35，在下段簇射極板35的下部，被處理物(此處，為晶片36)被設在基臺上。
在此，如果從上段簇射極板33流出Kr、Xe或Ar氣體，從下段簇射極板35流出CxFy(C5F8，C4F8等)氣體，則可在晶片36上形成氟碳膜。另外，處理室37內的排氣，介由未圖示的排氣口，通過排氣管道內而被分別導向泵。
如上所述，利用微波激發等離子體處理裝置30而成膜有CFx膜121的晶片，從微波激發等離子體處理裝置30中取出後，在成膜的CFx膜121上利用旋塗來塗布上述含有塗敷劑的混合劑，進而，通過在400℃等溫度下進行烘烤，而成膜為絕緣性塗布膜122，形成第1層間絕緣膜2。
接著，如圖1所示，將作為屏障蓋層的基底層1和第1層間絕緣膜2蝕刻，形成通孔7。接著，在該通孔7的內壁，通過PVD使鎳成膜並對其實施氟化處理、或者通過MOCVD而直接形成鎳的氟化物、優選二氟化鎳(以NiF2表示)膜作為防止電極金屬向層間絕緣膜擴散的屏障層7′。
接著，作為由粘合層形成的基底層3，形成SiCN層，並在其上形成含有CFx層141和絕緣性塗布層142的第2層間絕緣膜4。
形成第2層間絕緣膜4的CFx膜141是利用圖2所示的微波激發等離子體處理裝置形成的，另外，絕緣性塗布膜142與絕緣性塗布膜122一樣，是將含有塗敷劑等的SiCO塗布膜用塗布劑旋塗並烘烤而成膜的。
接著，在第2層間絕緣層4上形成SiCN層或SiCO層作為粘合用的基底層5，在該基底層5上形成SiO2或SiCO層作為硬質罩層6。在此，SiO2層可以由圖2所示的等離子體處理裝置30的上段簇射極板33導入Ar和O2的混合氣體，並將SiH4氣體導入到下段簇射極板35。這些粘合層3、5也可以省略。此時，SiCO塗布膜122、142兼為粘合層。
進而，通過對多層布線結構10進行蝕刻來形成槽9，在槽9的內壁面形成NiF2屏障層9′，在該槽9中填充作為金屬的Cu，形成布線導體11，而完成布線結構10。
圖3是顯示本發明其它實施方式中所述的多層布線結構的截面圖，在此，示出了比圖1所示的多層布線結構還簡略化的多層布線結構。在圖3中也與圖1一樣，僅示出了在形成有多個半導體元件的半導體基板(未圖示)上設置的多層布線結構中的一部分。
圖示的多層布線結構20，在由碳氫CHy層[y＝0.8～1.2]形成的屏障蓋層21上具有由絕緣性塗布膜構成的層間絕緣膜22。進而，在層間絕緣膜22上形成有其它屏障層25。在該實施方式中，使用碳氫CHy層[y＝0.8～1.2]作為屏障層25。另外，屏障蓋層21和屏障層25並不限於上述的碳，可以使用由各種材料形成的層。
如圖3所示，以貫通屏障蓋層21和層間絕緣膜22的下部的方式設有通孔27。該通孔27中形成有由Cu形成的電極或布線28。以貫通層間絕緣膜22的餘部(上部)和屏障層25的方式設有槽29，由Cu形成的布線導體28′埋入該槽29中。
在此，形成屏障蓋層21和屏障層25的碳氫層(即，CHy層)具有3.0或其以下的介電常數k。
形成圖示的層間絕緣膜22的絕緣性塗布膜，與圖1所示的絕緣性塗布膜122、142一樣，優選由具有2.5以下的介電常數k的絕緣性塗布膜來形成。因此，由絕緣性塗布膜形成的層間絕緣膜22，優選使用具有2.4的介電常數k、且用通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(其中，n＝1～3、x≤1)表示的上述的SiCO塗布膜。
這樣，在該實施方式中，由於僅利用介電常數k小、且具有高平坦性的絕緣性塗布膜來形成層間絕緣膜22，因此，與以往的層間絕緣膜相比，可使介電常數k大幅降低。另外，由於可將規定該絕緣性塗布膜的平坦性的Ra設在1nm以下，因而層間絕緣膜22的表面的平坦性也能大幅改善。因此，可以維持層間絕緣膜22上層疊的電極、元件等的平坦性。進而，由於圖示的實施方式是用絕緣性塗布膜單層來形成層間絕緣膜22，因而與圖1所示的多層布線結構相比，具有可將製造工藝簡化的優點。
參照圖4，對本發明其它實施方式中所述的多層布線結構進行說明。圖示的多層布線結構含有在下部布線結構上設置的由SiCO塗布膜形成的屏障蓋層21、在該屏障蓋層21上設置的層間絕緣膜22、在層間絕緣膜22上形成的其他屏障層25。在該實施方式中，屏障層25也由上述的絕緣性塗布膜(即，SiCO塗布膜)來形成，另一方面，圖示的層間絕緣膜22是由氟碳(CFx)形成的。
另外，如圖所示，以貫通屏障蓋層21和層間絕緣膜22(下部)的方式設有通孔27。在該通孔27中形成有由Cu形成的電極或布線28。以貫通層間絕緣膜22的餘部(上部)和屏障層25的方式設有槽29，由Cu形成的布線導體28′被埋入該槽29中。另外，在通孔27和槽29的內壁形成有屏障層27′和29′。
進而，在圖示的例子中，形成有通孔27的屏障層21的表面和暴露於通孔27的內壁，被將SiCO塗布膜21的表面氮化而成的表面氮化膜41覆蓋。另一方面，由絕緣性塗布膜(SiCO塗布膜)形成的屏障層25的表面和暴露於溝槽29的內壁上，也形成有將SiCO塗布膜25的表面氮化而成的表面氮化膜42，進而，在表面氮化膜42的上面，設有由多孔質SiCO塗布膜形成的多孔質絕緣性塗布膜43。
圖示的多層布線結構如下形成。首先，利用塗布液的塗布、烘烤而設置SiCO塗布膜21，將其表面氮化而形成厚度為3～5nm的表面氮化膜41。形成表面氮化膜41後，利用上述的等離子體CVD而形成由氟碳(CFx)形成的層間絕緣膜22，在其表面上塗布SiCO塗布液並在400℃進行焙烤而形成由SiCO塗布膜形成的屏障層25，將其表面氮化而形成厚度為3～5nm的表面氮化膜42。在其上，形成厚度為0.7～1.3μm左右的由多孔質SiCO塗布膜形成的多孔質絕緣性塗布膜43。
接著，在多孔質絕緣塗布膜43、屏障層25、層間絕緣膜22、屏障層21上形成槽29和通孔27，將暴露於其內壁的屏障層25、21的側面氮化而形成厚度為3～5nm的表面氮化膜。接著，在通孔27和槽29的內壁，與上述的例子一樣，形成有屏障層27′、29′。
在該狀態下，作為電極和布線層，如圖所示，以埋入通孔27和槽29的方式，濺射Cu，而形成布線導體28、28′。此時，在多孔質絕緣性塗布膜43的表面也形成有厚度為100μm左右的Cu層。
接著，使用含有乙二醇35％的緩衝氫氟酸作為蝕刻液，剝離除去Cu。即，用上述的蝕刻液將多孔質絕緣性塗布膜43在約2分鐘內溶解、除去。蝕刻多孔質絕緣性塗布膜43時，該多孔質絕緣性塗布膜43上的Cu層也被除去。其結果為，Cu層僅殘留在槽29和通孔27內，形成電極或布線28、28′。
在圖示的結構中，屏障層25上的表面氮化膜42作為對蝕刻液的蝕刻阻止物而起作用，並且通過使用多孔質絕緣性塗布膜43，而能迅速進行蝕刻。厚度為3～5nm的表面氮化膜42可耐受氫氟酸2～5分鐘。另外，通過用氮化膜41、42來覆蓋屏障層21、25，可以防止形成該屏障層21、25的SiCO塗布膜吸附水分而生成有機物。
進而，如上所述，通過使用含有乙二醇的緩衝氫氟酸作為蝕刻液，也可以防止形成電極或布線28的Cu的表面變粗糙。
在上述說明的實施方式中，由於可以通過用化學方法進行剝離(以下，稱為化學剝離)來形成布線，因而可以不使用以往採用的CMP(化學機械研磨)來進行布線的形成。另外，化學剝離與CMP相比，可以用1/10左右的成本進行，因而，可以大幅降低製造工藝的成本。進而，化學剝離與CMP相比，可以大範圍且均勻地進行剝離，因而具有能應用於大面積的半導體裝置這樣的優點。
參照圖5，對具有含氟碳(CFx)膜和絕緣性塗布膜的層間絕緣膜的半導體裝置的具體例進行說明。圖示的半導體裝置具有通過對半導體基板(在此為矽基板)打入P(磷)而形成的n阱51、和通過打入B(硼)而形成的p阱52，在兩n阱51和p阱52之間、以及各n阱51和p阱52內設有淺槽(ST)54、56，各淺槽54、56的內壁和底部被絕緣薄膜覆蓋。在被絕緣薄膜覆蓋的淺槽58內分別埋設有由SiO2形成的絕緣膜58。
該絕緣膜58如下形成在塗布上述的SiCO塗布膜後，在900℃左右的高溫下進行熱處理，從而將SiCO塗布膜改性為SiO2，由此形成。這樣，根據在塗布絕緣性塗布膜後、進行改性而形成絕緣膜58的方法，由於絕緣性塗布膜本身在塗布的狀態下具有流動性，因而不依賴於半導體基板的凹凸，而維持表面平坦性。因此，熱處理後、在改性為SiO2之後，該SiO2也保持表面平坦性。因此，沒有必要利用CMP等將改性後的SiO2表面平坦化。
另一方面，如以往那樣，在具有凹凸的半導體基板表面上直接形成SiO2膜時，由於半導體基板表面的凹凸直接作為SiO2膜表面的凹凸反映出來，因而有必要利用CMP將該SiO2膜表面平坦化。如本發明這樣，通過將SiCO塗布膜改性而形成SiO2膜的方法，由於沒有必要利用CMP進行平坦化，因而可以顯著簡化半導體裝置的製造工序。
在圖示的例子中，在用淺槽54、56包圍的n阱51內，形成有2個p型MOS電晶體60、62，另外，用淺槽54、56包圍的p阱52內形成有2個n型MOS電晶體64、66。若具體說明，對於MOS電晶體60、62，在將SiO2埋設於淺槽54、56中後，在n阱51內具有通過打入硼等而形成的p型元件區域70、71和72，由氮化矽膜(Si3N4)形成的柵極絕緣膜73、74，和由金屬形成的柵極電極77、78。圖示的MOS電晶體60、62的柵極絕緣膜73、74以及柵極電極77、78的側壁被絕緣膜覆蓋。
另外，在p阱52內形成的n型MOS電晶體64、66具有通過打入砷等而形成的n型元件區域80、81、82，由氮化矽膜形成的柵極絕緣膜83、84，和柵極電極87、88。這些柵極絕緣膜83、84、柵極電極87、88的側壁也被絕緣膜覆蓋。
進而，在MOS電晶體60、62、64、66的柵極電極77、78、87、88上，分別形成有柵極電極布線91、92、93、94。在此，柵極電極布線91～94是在塗布由上述的SiCO塗布膜形成的第1絕緣性塗布膜100並焙烤後，通過選擇性地蝕刻而暴露出的柵極電極77、78、87、88上形成的。在此，形成第1絕緣性塗布膜100的SiCO塗布膜的介電常數k為2.4。
另外，在第1絕緣性塗布膜100上選擇性地設有布線層102、103、104、105，這些布線層102、103、104、105分別與MOS電晶體60、62、64、66的元件區域70、72、80、82電連接。即，第1絕緣性塗布膜100形成第1層間絕緣膜。
此時，布線層102、103、104、105被埋設於用SiCO塗布膜形成的第2絕緣性塗布膜110中。即，布線層102、103、104、105形成在選擇性地蝕刻了第2絕緣性塗布膜110的區域，它們與元件區域70、72、80、82電連接。用SiCO塗布膜形成的第2絕緣性塗布膜110作為第2層間絕緣膜而起作用，其介電常數k為2.4。
在圖示的例子中，第2絕緣性塗布膜110和布線層102～105上形成有第1屏障層112，該第1屏障層112也是用介電常數k為2.4的SiCO塗布膜來形成的。
接著，在屏障層112上，形成有介電常數k為1.9這樣非常低的氟碳(CFx)膜作為第3層間絕緣膜114。這樣，用氟碳膜形成的第3層間絕緣膜114的介電常數k比形成屏障層112的SiCO塗布膜的介電常數k還低。
在該第3層間絕緣膜114上，依次形成有第2屏障層116、第4層間絕緣膜118、和第3屏障層120。在此，第2和第3屏障層116與第1屏障層112一樣，是由介電常數k為2.4的SiCO塗布膜來形成的，另外，第4層間絕緣膜118用氟碳(CFx)膜形成。
第1～第3屏障層112、116和120，是通過旋塗SiCO塗布液後，在400℃左右的較低溫度下進行焙烤而形成的。另外，第3和第4層間絕緣膜114、118是在微波激發等離子體處理裝置內利用CVD而形成的。如圖示的例子那樣，通過旋塗塗布SiCO塗布膜來形成第3屏障層120時，可以得到厚度非常均勻的第3屏障層120。這是因為，由SiCO塗布膜形成的絕緣性塗布膜可以在10～50nm的厚度範圍內進行控制。
如圖示那樣，布線層103、104、105與形成於通過第1～第3屏障層112、116、120、和第3及第4層間絕緣膜114、118而形成的槽中的Cu布線電連接。在由氟碳(CFx)膜形成的層間絕緣膜114、118上設有對於Cu的屏障膜，來防止Cu向層間絕緣膜的擴散。另外，還表明由SiCO塗布膜形成的第1～第3屏障層112、116和120也對Cu和氟形成有效的屏障。
參照圖6，對具有用絕緣性塗布膜構成的層間絕緣膜的半導體裝置的具體例進行說明。在圖6中，用與圖5相同的參考編號表示的部分，是與圖5共同的部分。即，圖6中示出的半導體裝置，在使用SiCO塗布膜製成第1和第2層間絕緣膜100和110這一點上，與圖5相同，但在第2層間絕緣膜110上形成的第3和第4層間絕緣膜122和124也由以SiCO塗布膜形成的絕緣性塗布膜來形成這一點上，與圖5的半導體裝置不同。在該構成中，利用SiCO塗布膜形成第3和第4層間絕緣膜122和124，因而無需圖5所示的屏障層112、116和120。
在該構成中，由於都是用介電常數k為2.4的SiCO塗布膜來形成第1～第4層間絕緣膜100、110、122、124，因此，如圖5所示那樣，與使用介電常數k為1.9的氟碳膜的情況相比，介電常數k變得有些高，但可以去掉將氟碳膜成膜的工序，具有能簡化製造工序這樣的優點。
在圖5和6所示的例子中，作為第1～第4層間絕緣膜100、110、122、124，以使用相同SiCO塗布膜的情形進行說明，但本發明並不受其任何限定，也可以使用互為不同型式的SiCO塗布膜來形成。例如，要求快的蝕刻速度的層間絕緣膜可以利用多孔質的SiCO塗布膜形成，或者也可以利用在厚度方向使成分發生改變的成分梯度膜來形成。
需要說明的是，在上述的實施例中，示出了使用由(CH3SiO3/2)x(SiO2)1-x(式中，0≤x≤1.0)組成的塗布膜的例子，但也可以代替該式的CH3SiO3/2而使用例如(CH3)2SiO、(CH3)3SiO1/2等、或它們的混合物。即，本發明的特徵是使用由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、0≤x≤1.0)所表示的組合物一種或二種以上構成的塗布膜。在此，上述通式的最初「O」的下標為2-(n/2)。
產業上的可利用性 如以上所說明，本發明由於使用介電常數為2.5以下的絕緣性塗布膜來作為層間絕緣膜的一部分或全部，因而不僅可以應用於含有層間絕緣膜的各種半導體裝置、液晶顯示裝置等中，還可以應用於含有層間絕緣膜的各種布線結構以及電子裝置中。
權利要求
1.一種層間絕緣膜，其特徵在於，被設置在下部電極、或布線層與上部布線層之間，至少部分含有介電常數k為2.5以下的絕緣性塗布膜。
2.一種層間絕緣膜，其特徵在於，被設置在下部電極、或布線層與上部布線層之間，含有氟碳膜作為主要的絕緣膜，在所述氟碳膜上設有絕緣性塗布膜。
3.根據權利要求2所述的層間絕緣膜，其中，所述氟碳膜含有F和C，且以原子比計F/C為0.8～1.1。
4.根據權利要求2或3所述的層間絕緣膜，其中，所述氟碳膜的介電常數k為1.8～2.2。
5.根據權利要求2～4中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述氟碳膜的厚度為50～500nm。
6.根據權利要求2～5中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的厚度為所述氟碳膜的厚度的1/10以下。
7.根據權利要求2～5中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的厚度為所述氟碳膜的厚度的1/5以下。
8.根據權利要求2～5中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的厚度為所述氟碳膜的厚度的1/3以下。
9.根據權利要求2～8中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述氟碳膜是在等離子體中使用含有C和F的氣體中的至少一種氣體、通過CVD而形成的，所述等離子體是使用Ar氣、Xe氣和Kr氣中的至少一種氣體產生的。
10.根據權利要求1所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是主要的絕緣膜。
11.根據權利要求2～9中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的介電常數k為2.5以下。
12.根據權利要求1～11中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜的表面平坦度以Ra計為1nm以下，以峰谷值計為20nm以下。
13.根據權利要求1～12中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜含有Si、C和O，且以原子比計為O＞Si＞1/2C。
14.根據權利要求1～13中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是將液體狀的塗布膜乾燥並焙烤而得的膜，所述液體狀的塗布膜含有金屬有機化合物和金屬無機化合物中的至少一方與溶劑。
15.根據權利要求1～13中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是將液體狀的塗布膜乾燥並在600℃以下焙烤而得的膜，所述液體狀的塗布膜含有金屬有機化合物和金屬無機化合物中的至少一方與溶劑。
16.根據權利要求1～13中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是將液體狀的塗布膜乾燥並在400℃以下焙烤而得的膜，所述液體狀的塗布膜含有金屬有機化合物和金屬無機化合物中的至少一方與溶劑。
17.根據權利要求1～16中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜是SiO的重複單元為主骨架、且其組成由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x所表示的一種或二種以上的氧化物構成的絕緣體膜，通式中，n＝1～3、x≤1。
18.根據權利要求1～17中任一項所述的層間絕緣膜，其中，所述絕緣性塗布膜具有其表面被氮化而成的氮化表面層。
19.一種多層布線結構，其特徵在於，具有權利要求1～18中任一項所述的層間絕緣膜，所述層間絕緣膜中具有通孔和槽中的至少一方、埋設於所述通孔和槽中的至少一方的導體層、和設置於所述導體層周圍的屏障層。
20.一種多層布線結構，具有層間絕緣膜，其特徵在於，所述層間絕緣膜含有絕緣體膜，所述絕緣體膜由塗布膜得到，所述塗布膜由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x所表示的一種或二種以上的氧化物構成，通式中，n＝1～3、x≤1。
21.根據權利要求20所述的多層布線結構，其中，所述層間絕緣膜具有所述絕緣體膜和氟碳膜CFx。
22.根據權利要求20所述的多層布線結構，其中，所述層間絕緣膜是由所述絕緣體膜形成的。
23.一種多層布線結構，含有多個層間絕緣膜，其特徵在於，所述多個層間絕緣膜中的至少一層含有絕緣體膜，所述絕緣體膜由塗布膜得到，所述塗布膜由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x所表示的一種或二種以上的氧化物構成，通式中，n＝1～3、x≤1。
24.一種層間絕緣膜的製造方法，其特徵在於，通過塗布液體狀的材料，並使該塗布的膜乾燥，而形成含有介電常數k為2.5以下的絕緣體膜的層間絕緣膜，所述液體狀的材料含有通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x所表示的一種或二種以上的氧化物，通式中，n＝1～3、x≤1。
25.一種多層布線結構的製造方法，所述多層布線結構含有層間絕緣膜，其中，形成所述層間絕緣膜的工藝具有如下工序通過塗布液體狀的材料，並使該塗布的膜乾燥，而形成含有介電常數k為2.5以下的絕緣體膜的所述層間絕緣膜，所述液體狀的材料含有通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x所表示的一種或二種以上的氧化物，通式中，n＝1～3、x≤1。
26.一種電子裝置，含有層間絕緣膜，其特徵在於，所述層間絕緣膜是由塗布膜得到的絕緣體膜，所述塗布膜由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x所表示的一種或二種以上的氧化物構成，通式中，n＝1～3、x≤1。
27.一種電子裝置的製造方法，所述電子裝置含有層間絕緣膜，其特徵在於，形成所述層間絕緣膜的工藝具有如下工序通過塗布液體狀的材料，並使該塗布的膜乾燥，而形成含有介電常數k為2.5以下的絕緣體膜的所述層間絕緣膜，所述液體狀的材料含有通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x所表示的一種或二種以上的氧化物，通式中，n＝1～3、x≤1。
全文摘要
本發明使用絕緣性塗布膜形成層間絕緣膜，所述絕緣性塗布膜具有2.5以下的介電常數k，且由通式((CH3)nSiO2-n/2)x(SiO2)1-x(式中，n＝1～3、x≤1)所表示的一種或二種以上的氧化物構成。利用旋塗塗布得到的絕緣性塗布膜不反映基底的凹凸，是平坦的，而且，經熱處理的膜的表面粗糙度以Ra計為1nm以下，以P-V值計為20nm以下。含有絕緣性塗布膜的層間絕緣膜無需CMP工藝，僅通過蝕刻就可以形成布線結構及電極。
文檔編號H01L23/522GK101779279SQ20088010308
公開日2010年7月14日 申請日期2008年8月14日 優先權日2007年8月16日
發明者大見忠弘, 松岡孝明, 井口敦智, 綿貫耕平, 小池匡, 足立龍彥 申請人:國立大學法人東北大學, 東京毅力科創株式會社, 宇部興產株式會社, 宇部日東化成株式會社