具有低介電常數絕緣膜的半導體器件及其製造方法
2023-06-17 02:02:21 3
專利名稱：具有低介電常數絕緣膜的半導體器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件和一種製造這種半導體器件的方法。本發明特別涉及一種使用低介電常數材料的SOG(旋塗玻璃)膜作為層間絕緣膜的一部分的半導體器件及製造這種器件的方法。
通常，SOG絕緣膜是通過旋轉鍍膜的方法形成的。用這種SOG膜作為層間絕緣膜的一部分的技術常常被用來消除因布線圖案引起的襯底表面的不均勻性。
然而，在使用矽材料的傳統SOG膜中，存在以下問題。即，首先(1)因為在烘烤過程中巨大的收縮很容易產生裂縫。第二(2)因為當一旦使用旋轉鍍膜方法，SOG膜的厚度最多為200nm，所以需要使用多次旋轉鍍膜方法以形成一層較厚的SOG膜。第三(3)具有低介電常數的另一材料需要減小布線圖案之間的電容，因為SOG膜的介電常數近似等於由CVD方法形成的SiO2的介電常數。由於這些理由，因此提出使用HSQ(三氧化氫矽(HSiO3/2)n)(Hydrogen Silsesquoxane)的SOG膜來解決上述問題。
圖1A到1D是在一種製造方法中用SOG膜作為層間絕緣膜的一部分的半導體器件的橫截面圖。這種方法在「亞微米到0.5μm範圍內流體氧化物的平面特性」(ULSI應用中的高級合金和互連繫統，1995,pp.121-125)中被提到過的。
如圖1A所示，用TEOS(四乙氧矽烷)做材料源通過等離子CVD方法在矽襯底501上形成一層二氧化矽膜502作為下層間絕緣膜。在金屬布線圖案503形成在層間絕緣膜502之後，用TEOS(四乙氧矽烷)做材料源通過等離子CVD方法形成一層內襯氧化膜504來覆蓋金屬503。
隨後，如圖1B所示，通過旋轉鍍膜HSQ來長一層HSG-SOG膜505。然後，烘烤HSG-SOG膜。
接下來，如圖1C所示，用TEOS做材料源通過等離子CVD方法在HSG-SOG膜上形成一層二氧化矽膜506。
接著，如圖1D所示，通過CMP(化學機械拋光)方法拋光二氧化矽膜506以便形成上層間絕緣膜507。
應該注意到，相似的製造方法在日本公開專利申請(JP-A-平7-2240460和JP-A-平8-111458)中描述過。
然而，在上面提到的層間絕緣膜的結構中存在一個問題。也就是，由於使用TEOS系統材料源在烘烤HSQ膜的過程中水分從下二氧化矽膜中揮發，致使HSQ膜的介電常數變大。在一對比實驗中，在形成對比樣品時，它的所有層間絕緣膜都是使用高密度等離子體通過CVD方法形成的二氧化矽。在如圖1A-1D所示的普通樣品和對比樣品中，金屬布線圖案被形成成具有0.3μm的間隔。當測量兩個樣品的金屬布線圖案之間的電容時，普通樣品金屬布線圖案之間的電容為對比樣品金屬布線圖案之間的電容的110％。也就是，具有低介電常數膜的HSQ的介電常數大於二氧化矽的介電常數。這應該是因為在烘烤HSQ時從下膜逸出的水分進入HSQ，因此Si-H偶合減弱而Si-OH偶合增強。隨Si-H偶合減弱和Si-OH偶合增強，HSQ的介電常數也增大。眾所周知，當HSQ在有氧的情況下烘烤，HSQ的介電常數變大。因此，應該考慮到同樣的現象會發生。
當HSQ膜被上絕緣膜覆蓋時，HSQ膜相對於下絕緣膜來說並沒有受到上絕緣膜很大的影響。然而，在和上絕緣膜相連的部分HSQ膜中，Si-OH偶合增大而Si-H偶合降低。
本發明的目的是為了解決上面提到的問題。因此，本發明的一個目的是提供一種半導體器件。在這種半導體器件中，通過抑制在烘烤過程中來自和低介電常數膜相連的另一絕緣膜的水分，防止象HSQ膜一類的低介電常數膜中的Si-H偶合降低。
本發明的另一個目的是提供能夠防止所包含的象HSG一類的低介電常數膜的介電常數增大的半導體器件。
本發明的又一目的是提供製造上述半導體器件的方法。
為了達到本發明的目的，半導體器件包括形成在半導體襯底上的第一絕緣膜。布線圖案部分地形成在第一層間絕緣膜上。形成第二絕緣膜來覆蓋第一絕緣膜和布線圖案。第三絕緣膜形成在第二絕緣膜上。在這種情況下，至少第一絕緣膜的部分上表面含有百分比低於第二絕緣膜的水分。
這種半導體器件還可以包含一層用來覆蓋第一絕緣膜和布線圖案的內襯絕緣膜。在這種情況下，第二絕緣膜形成在內襯絕緣膜上。
第二絕緣膜的相對介電常數小於3.5，且第二絕緣膜包含Si-H偶合。
第一絕緣膜的上表面部分含有百分比低於0.02wt％的水分。在這種情況下，用包含PSG膜和BPSG膜的二氧化矽膜、氮氧化矽(SiON)、氮化矽膜和包含二氧化矽膜的氟等材料之一來生成第二絕緣膜。
最好至少是第三絕緣膜的下表面部分含有百分比低於0.02wt％的水分。用包含PSG膜和BPSG膜的二氧化矽膜、氮氧化矽(SiON)膜、氮化矽膜和含氟二氧化矽膜其中之一來形成第三絕緣膜。
為了達到本發明的另一個目的，一種製造半導體器件的方法包括以下步驟在半導體襯底上形成第一絕緣膜以便使至少第一絕緣膜的上表面部分含有第一水分含量百分比。
在第一絕緣膜上形成布線圖案。
形成第二絕緣膜以覆蓋第一絕緣膜和布線圖案，第二絕緣膜具有低於第一水分含量百分比的第二水分含量百分比；並且在第二絕緣膜上形成第三絕緣膜。
在這種情況下，用HSQ(三氧化氫矽(HSiO3/2)n)或聚矽氨烷通過旋塗方法形成第二絕緣膜。為了形成第二絕緣膜，對通過旋塗方法在預定溫度預定時間下形成的第二絕緣膜進行第一熱處理。因此，在第一熱處理後，第二水分含量百分比是經第一熱處理後的水分含量百分比。
同樣，第一絕緣膜可以用SiH4氣或含有Si-H偶合的有機矽烷源作為反應氣體通過CVD方法形成。用SiO2、含有P或B的SiO2、Si3N4、SiON和SiOF其中之一來形成第一絕緣膜。這種方法包括在形成第二絕緣膜的步驟之前對第一絕緣膜進行第二熱處理的步驟。因此，第一水分含量百分比是在第二熱處理之後的水分含量百分比。
為了達到本發明的又一目的，製造半導體器件的方法包括以下步驟在半導體襯底上形成第一絕緣膜；在第一絕緣膜上形成布線圖案；
形成內襯絕緣膜以覆蓋第一絕緣膜和布線圖案以便使至少布線圖案絕緣膜的上表面部分具有含有第一水分含量百分比；在內襯絕緣膜上形成第二絕緣膜，第二絕緣膜具有低於第一水分含量百分比的第二水分含量百分比；並且在第二絕緣膜上形成第三絕緣膜。
用SiH4氣或具有Si-H偶合的有機矽烷源作為反應氣體通過CVD方法形成內襯絕緣膜是最好不過的。同樣，用SiO2、含有P或B的SiO2、Si3N4、SiON和SiOF其中之一形成內襯絕緣膜。
這種方法還可以包括在形成第二絕緣膜之前對內襯絕緣膜進行第三熱處理過程的步驟。因此，第一水分含量百分比是經第三熱處理後的水分含量百分比。
圖1A-1D是在普通製造方法中半導體器件的橫截面圖；圖2是根據本發明第一實施例的半導體器件結構的橫截面圖；圖3A-3D是在一種製造方法中根據本發明第一實施例的半導體器件的橫截面圖；圖4是根據本發明第二實施例的半導體器件的橫截面圖；圖5A-5D是在一種製造方法中根據本發明第二實施例的半導體器件的橫截面圖。
下面，將參照附圖詳細描述本發明半導體器件。
圖2是根據本發明第一實施例的半導體器件結構的橫截面圖。第一層間絕緣膜102形成在上面形成電晶體一類元件的矽襯底102上。金屬布線圖案103形成在第一層間絕緣膜102上。具有低介電常數的SOG膜105通過HSQ的旋塗形成在第一層間絕緣膜102上以覆蓋第一層間絕緣膜102和金屬布線圖案103。用CVD方法形成層間絕緣膜106以覆蓋SOG膜105。CVD絕緣膜106通過化學機械拋光(CMP)方法以使表面光滑。第二絕緣膜107包括低介電常數SOG膜105和形成在SOG膜105上的CVD絕緣層106。
在這種情況下，在本發明中，含有第一層間絕緣膜102的水分含量百分比，特別是第一層間絕緣膜102的上層部分的水分含量百分比被抑制為低於低介電常數SOG膜的水分含量百分比。同樣，根據需要，CVD絕緣層106的水分含量百分比被抑制為低於低介電常數SOG膜105的水分百分比。
第二金屬布線圖案(沒有示出)可以形成在第二層間絕緣膜107上。類似地，也可以形成一組或多組層間絕緣膜和金屬布線圖案。
連接低介電常數SOG膜105和CVD絕緣層106的第一層間絕緣膜的上部可以是用SiH4氣為材料氣體通過等離子體CVD方法形成的膜。也就是，該膜可以是包含PSG和BPSG的二氧化矽(SiO2)膜、氮氧化矽(SiON)膜、氮化矽(Si3N4)膜或含氟氧化矽(SiOF)膜。
同樣，可以用N2O氣和包含Si-H偶合的有機矽烷源比如TMS(三甲氧基矽烷)和TES(三乙氧基矽烷)，通過等離子體CVD方法形成這種膜。在這種情況下，這種膜可以是包含PSG和BPSG的二氧化矽膜。在SiH4的情況下，需要使用採用ICP(電感偶合等離子體)系統的高密度等離子體CVD方法。然而，在有機矽烷材料源的情況下，可以採用雙頻平行盤等離子體CVD系統。
在低介電常數SOG膜象HSG膜被烘烤後，含有低介電常數SOG105的水分含量百分比降低到大約0.02wt％。因此，需要第一層間絕緣膜102和連接SOG的CVD絕緣膜106的水分含量百分比等於或小於0.02wt％。CVD絕緣膜也符合這種條件。
在形成低介電常數膜SOG膜105之前，在形成層間絕緣膜102之後或形成金屬布線圖案103之後，進行熱處理。熱處理是在溫度等於或高於400攝氏度(低介電常數SOG膜的烘烤溫度)下進行的。因此，第一層間絕緣膜102的水分含量百分比被預先降低了。所以，可以得到好的結果。
可以用旋塗HSQ形成低介電常數SOG膜105。然而替代的，也可以用另一種材料形成HSG-SOG膜105。在這種情況下，SOG膜必需包含Si-H偶合且具有等於或小於3.5的相對介電常數。例如，可以用具有Si-H偶合的聚矽氨烷形成SOG膜。
下面，將詳細描述根據本發明的第一實施例的半導體器件的製造方法。圖3A-3D是按工藝排續的本發明第一實施例的半導體器件的橫截面圖。
參照圖3A，作為第一層間絕緣膜的二氧化矽302形成在其上形成電晶體一類元件的矽襯底301上，其厚度大約為7000埃。在這種情況下，用SiH4、O2和氬等氣體通過平行盤等離子體CVD方法形成二氧化矽。隨後，澱積TiN/Al-Cu/TiN/Ti疊層導電膜並且形成金屬布線圖案303。
接下來，如圖3B所示，用MIBK(甲基異丁酮)溶液溶解HSQ並且該溶液被旋轉塗敷在第一層間絕緣膜302和金屬布線圖案303上。然後，這樣形成的襯底放在熱盤上在大約150、200和350℃下分別烘烤一分鐘。接著，襯底放入垂直擴散爐並且在400℃下在氮氣中烘烤1小時。因此，形成膜厚大約為4000埃的HSQ-SOG膜305。在這種情況下，下二氧化矽膜302是在用SiH4通過象平行盤設備和等離子體CVD方法形成的，它的水分含量百分比低於HSQ膜305的水分含量百分比。在烘烤之後，用TDS(熱吸收譜計)測量二氧化矽膜302的水分含量百分比，並且和HSQ膜305的水分含量百分比比較。結果，發現在烘烤之後二氧化矽302的水分含量百分比大約是HSQ膜305的水分含量百分比的85％。因此，在烘烤HSQ膜時水分決沒有從低二氧化矽302進入HSQ膜305。這樣，烘烤可以在於燥環境進行。因此，可以形成介電常數不增大的HSQ-SOG膜305。
接下來，如圖3C所示，通過平行盤等離子體CVD設備採用SiH4氣在HSQ-SOG膜305上形成具有低水分含量百分比的二氧化矽膜306。這時，二氧化矽膜306象二氧化矽302一樣具有的厚度為14000埃左右。
下面，如圖3D所示，用CMP方法拋光二氧化矽膜306以便使在金屬布線圖案上保留的二氧化矽膜306大約為7000埃。這樣，形成了第二層間絕緣膜(305,306)。
如上所述，形成了層間絕緣膜和金屬布線圖案，並且測量布線圖案之間的電容。在這種情況下，布線圖案之間的間距為0.3μm。為了比較，形成一比較樣品以便通過高密度等離子體CVD方法在二氧化矽上形成整個第二層間絕緣膜。比較結果表明本發明的半導體器件的布線圖案之間的電容比比較樣品的電容小25％。
圖4是根據本發明第二實施例的半導體器件結構的橫截面圖。參照圖4，其中具有與圖2中參考數字後兩位數字相同的參考數字代表與圖2中相同的部件。
第一實施例和第二實施例的不同點是形成一薄內襯絕緣層204來覆蓋第一層間絕緣膜202和金屬布線圖案203。內襯絕緣層204的水分含量百分比被抑制得等於低介電常數SOG膜205的水分含量百分比。可以用上面提到形成CVD絕緣層106的相同方法形成內襯絕緣層204。當在等於或高於低介電常數SOG膜205的烘烤溫度(大約400℃)下進行熱處理時可以得到比較好的結果，以致在形成內襯絕緣層204之後和形成低介電常數膜SOG膜205之前絕緣層的水分含量百分比被預先地降低。
形成內襯絕緣層204作為低介電常數SOG膜205的下層膜，該下層膜具有低水分含量百分比。因此，在第二實施例中，第一層間絕緣膜202不必是具有低水分含量百分比的膜。然而，內襯絕緣層204形成的比較薄。因此，為了抑制低介電常數SOG膜205的介電常數，最好至少第一層間絕緣膜202上層部分是水分含量百分比較低的膜。通過插入絕緣層204，布線圖案之間的電容變大。然而，布線圖案之間的漏電流卻增大了。同樣，可以改善低介電常數SOG膜和金屬布線圖之間的不匹配。
圖5A-5D是按工藝排列的根據本發明第二實施例的半導體器件的橫截面圖。
參照圖5A，象第一實施例一樣，作為第一層間絕緣膜的二氧化矽形成在其上形成電晶體一類元件的矽襯底401上，它的厚度大約為7000埃。在這種情況下，用SiH4通過ICP高密度等離子體CVD設備形成二氧化矽。接著，澱積TiN/Al-Cu/TiN/Ti薄導電膜並且製圖以形成金屬布線圖案403。然後，用SiH4、NH3、N2O等氣體通過平行盤等離子體CVD設備在第一層間絕緣膜402和金屬布線圖案403上形成厚度為1000埃的SiON膜。
接下來如圖5B所示，用MIBK溶液溶解HSQ並且該溶液被旋轉塗敷在內襯絕緣膜404上。然後，這樣形成的襯底放在熱盤上在大約150、200和350℃下分別烘烤一分鐘。接著，襯底放入垂直擴散爐並且在400℃下在氮氣中烘烤1小時。這樣形成了HSQ-SOG膜405。
接下來如圖5C所示，象第一實施例一樣，用SiH4通過平行盤等離子體CVD設備在HSQ-SOG膜405上形成具有低水分含量百分比的厚度為14000埃的二氧化矽膜406。
在第二實施例中，用SiH4氣形成的SiON膜是形成在HSQ-SOG膜下，用SiH4氣形成的二氧化矽是形成HSQ-SOG膜上。SiON膜和二氧化矽膜都含有低水分含量百分比。因為這種原因，在烘烤過程中，水分並不進入HSQ膜中。因此介電常數不會變大。當測量第二實施例中的布線圖案之間的電容時，電容比上面提到的對比樣品的電容降低了18％。
下面，將根據本發明第三實施例描述半導體器件。在第三實施例中製造這種半導體器件的方法實質上和第二實施例中的方法相同。第三實施例和第二實施例的不同點是內襯絕緣層是用含有Si-H偶合的有機矽烷代替SiON膜來形成的二氧化矽。即在本實施例中，用TMS和N2O氣體通過雙頻平行盤等離子體CVD設備形成內襯氧化膜。因此，在第三實施例中，也可以象第二實施例一樣，實現低介電常數膜結構。
如上所述，根據本發明，當形成象HSQ-SOG膜一類的低介電常數膜時，具有低水分含量百分比的絕緣層被用作HSQ-SOG膜的下層。因此，在烘烤過程中，防止水分進入HSQ膜是可能的。因此，根據本發明，可以抑制低介電常數膜的Si-H偶合變成Si-OH偶合，致使低介電常數膜的介電常數增大。
同樣，如果在低介電常數膜上形成具有低水分含量百分比的絕緣層，低介電常數膜的介電常數可以更加穩定。
再者，當用具有低水分含量百分比的內襯絕緣層覆蓋金屬布線圖案時，除了上面提到的效果外，低介電常數膜與金屬布線圖案的配合可以得到改善。因此，低介電常數膜的剝落可以得到抑制。
用部分-H族被鹼族替代的SiH4或有機矽烷通過高密度等離子體CVD方法形成HSQ-SOG的下層。這樣形成的二氧化矽具有比較低的水分含量百分比。因此，即使在旋轉塗敷HSQ後烘烤襯底，水分也不會從下層逸出，水分也不會進入HSQ-SOG膜中。
權利要求
1．一種半導體器件，其中包括形成在半導體襯底上的第一絕緣膜；部分地形成在所述第一層間絕緣膜上的布線圖案；用來覆蓋所述第一絕緣膜和所述布線圖案的第二絕緣膜；和形成在所述第二絕緣膜上的第三絕緣膜；其中至少所述第一絕緣膜的上表面部分的水分含量百分比低於所述第二絕緣膜的水分含量百分比。
2．根據權利要求1所述的半導體器件，其特徵在於還包括用來覆蓋所述第一絕緣膜和所述布線圖案的內襯絕緣膜，所述第二絕緣膜形成在所述內襯絕緣膜上。
3．根據權利要求1或2所述的半導體器件，其特徵在於所述第二絕緣膜具有小於3.5的相對介電常數。
4．根據權利要求1或2所述的半導體器件，其特徵在於所述絕緣膜含有Si-H偶合。
5．根據權利要求1或2所述的半導體器件，其特徵在於所述低於絕緣膜的上表面的一部分具有低於0.02wt％的水分含量百分比。
6．根據權利要求5所述的半導體器件，其特徵在於所述第二絕緣膜是用包含PSG膜和BPSG膜的二氧化矽膜、氮氧化矽(SiON)膜、氮化矽膜和包含氟二氧化矽膜中的一種形成的。
7．根據權利要求1或2所述的半導體器件，其特徵在於至少所述第三絕緣膜的下表面部分含有低於0.02wt％的水分含量百分比。
8．根據權利要求7所述的半導體器件，其特徵在於所述第三緣膜是用包含PSG膜和BPSG膜的二氧化矽膜、氮氧化矽(SiON)膜、氮化矽和含氟二氧化矽膜中的一種形成的。
9．一種製造半導體器件的方法，其特徵在於包括以下步驟在半導體襯底上形成第一絕緣膜致使所述第一絕緣膜的至少上表面部分具有第一水分含量百分比；在所述第一絕緣膜上形成布線圖案；形成第二絕緣膜以覆蓋所述第一絕緣膜和所述布線圖案，所述第二絕緣膜具有低於所述第一水分含量百分比的第二水分含量百分比；並且在所述第二絕緣膜上形成第三絕緣膜。
10．根據權利要求9所述的方法，其特徵在於所述形成第二絕緣膜的步驟包括用三氧化氫矽(HSiO3/2)或聚矽氨烷通過旋轉鍍膜方法形成所述第二絕緣膜。
11．根據權利要求10所述的方法，其特徵在於所述形成第二絕緣膜的步驟包括在預定溫度對通過旋轉鍍膜方法形成的所述第二絕緣膜進行預定時間的第一熱處理，其中所述第二水分含量百分比是在所述熱處理之後的水分含量百分比。
12．根據權利要求9至11中的任何一項所述的方法，其特徵在於所述形成第一絕緣膜的步驟包括用含有Si-H偶合的SiH4氣或有機矽烷源作為反應源通過CVD方法形成所述第一絕緣膜。
13．根據權利要求12所述的方法，其特徵在於所述第一絕緣膜是用SiO2、含有P或B的SiO2、Si3N4、SiON、SiOF其中之一形成的。
14．根據權利要求12所述的方法，其特徵在於還包括在形成所述第二絕緣膜之前對所述第一絕緣膜進行第二熱處理的步驟，其中所述第一水分含量百分比是在所述第二熱處理之後的水分含量百分比。
15．一種製造半導體器件的方法，其特徵在於包括以下步驟在半導體襯底上形成第一絕緣膜；在所述第一絕緣膜上形成布線圖案；形成內襯絕緣膜來覆蓋所述第一絕緣膜和所述布線圖案以便至少使所述內襯絕緣膜的上表面部分具有第一水分含量百分比；在所述內襯絕緣膜上形成第二絕緣膜，所述第二絕緣膜具有低於所述第一水分含量百分比的第二水分含量百分比；並且在所述第二絕緣膜上形成第三絕緣膜。
16．根據權利要求15所述的方法，其特徵在於所述形成內襯絕緣膜的步驟包括用含有Si-H偶合的SiH4氣體或有機矽烷源作為反應源通過CVD方法形成所述內襯絕緣膜。
17．根據權利要求16所述的方法，其特徵在於所述內襯絕緣膜是用SiO2、含有P或B的SiO2、Si3N4、SiON、SiOF其中之一形成的。
18．根據權利要求16所述的方法，其特徵在於還包括在形成所述第二絕緣膜步驟之前對所述內襯絕緣膜進行第三熱處理的步驟，其中所述第一水分含量百分比是在所述第三熱處理之後的水分含量百分比。
全文摘要
一種半導體器件包括形成在半導體襯底(101)上的第一絕緣膜(102)。布線圖案(103)部分地形成在第一層間絕緣膜(102)上。形成第二絕緣膜(105)用來覆蓋第一絕緣膜(102)和布線圖案(103)。第三絕緣膜(106)形成在第二絕緣膜(105)上。在這種情況下,至少第一絕緣膜(102)的上表面部分具有低於第二絕緣膜(105)的水分含量百分比。
文檔編號H01L21/312GK1224239SQ9910019
公開日1999年7月28日 申請日期1999年1月18日 優先權日1998年1月19日
發明者宇佐美達矢, 小田典明 申請人:日本電氣株式會社