JP4034524B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フッ素を添加したシリコン酸化膜を層間絶縁膜として用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化・高速化に伴い、配線間容量および層間容量の低減化が求められており、そのために金属配線の低抵抗化技術および層間絶縁膜の低誘電率化技術の開発が進んでいる。
【0003】
層間絶縁膜の低誘電率化技術としては、従来から使用されてきたシリコン酸化膜にフッ素を添加した膜(以下、FSG膜という。)と呼ばれている絶縁膜の導入が知られている。
【0004】
図4に、FSG膜を用いた従来の多層配線構造を示す。図4において、71はTEOS酸化膜、72はTi/TiN膜、73はAl配線、74はTi/TiN膜、75はFSG膜、76はSiON膜、77はTi/TiN膜、78は最上層のAl配線、79はTi/TiN膜、80はTEOS酸化膜、81はSiN膜をそれぞれ示している。
【0005】
FSG膜75は、熱工程で、フッ素を放出する。そのため、FSG膜75上に配線層77〜79を直接形成すると、放出したフッ素が配線層77〜79中に拡散し、FSG膜75と配線層77〜79の密着性が低下する。特に、最上配線層である配線層77〜79は、ワイヤーボンディングするために強い密着性が要求されるため、密着性の低下は大きな問題となる。そこで、図4に示したように、FSG膜75をガス透過性が低い膜であるSiON膜76でキャップしている。
【0006】
最上配線層である配線層77〜79下にガス透過性の少ないSiON膜76を用いると、配線層77〜79を形成した後に行われる熱処理工程により、TEOS酸化膜71中から脱水縮合した水(H2 O)が、SiON膜76が存在するために、抜けられずに高圧であぶられる。
【0007】
その結果、FSG膜75中のSi−F結合が上記水によって加水分解反応を起こし、腐食性のHFが発生する。このHFによってFSG膜75とSiON膜76との界面に空洞ができ、FSG膜75とSiON膜76の密着性が低下し、最悪の場合、FSG膜75とSiON膜76との界面で剥離が生じる。さらに、下層の配線層72〜74中にHFが拡散し、配線層72〜74が腐食し、配線抵抗が上昇するという問題も生じる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、FSG膜中から放出するフッ素起因の問題を解決するために、FSG膜をガス透過性の低いSiON膜でキャップすると、最上配線層の形成後の熱処理工程でTEOS酸化膜から発生し、抜けられずに高圧であぶられたH2 Oによって、FSG膜中のSi−F結合が加水分解反応を起こし、腐食性のHFが発生するという問題がある。
【0009】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、配線間の層間絶縁膜にフッ素を含む絶縁膜を用いた場合における同膜中からのフッ素の放出およびFを含む物質の発生を防止できる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成されたTEOS酸化膜と、このTEOS酸化膜上に形成された第1の配線と、前記TEOS酸化膜上に前記第1の配線を覆うように形成され、フッ素を含む絶縁膜と、このフッ素を含む絶縁膜上に形成された第2の配線と、この第2の配線と前記フッ素を含む絶縁膜との間に選択的に前記フッ素を含む絶縁膜に接して形成されたSiON膜とを備えていることを特徴とする。
【0011】
上記本発明に係る半導体装置において、請求項2〜請求項4に記載の限定事項を同時に2つ以上備えていても良い。
【0012】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にTEOS酸化膜を形成する工程と、このTEOS酸化膜上に第1の配線を形成する工程と、前記TEOS酸化膜上に前記第1の配線を覆うようにフッ素を含む絶縁膜を形成する工程と、このフッ素を含む絶縁膜上にSiON膜を前記フッ素を含む絶縁膜に接して形成する工程と、前記SiON膜上に第2の配線となる導電膜を形成する工程と、前記導電膜および前記SiON膜をエッチングし、前記フッ素を含む絶縁膜上に前記導電膜からなる第2の配線を形成するとともに、前記SiON膜を前記第2の配線下のみに残置させる工程とを有することを特徴とする。
【0013】
本発明では、フッ素を含む絶縁膜上の全体ではなく、第2の配線下のフッ素を含む絶縁膜上にだけに、SiON膜を設ける。そのため、第2の配線の形成後の熱処理によりTEOS酸化膜で発生したガスは、フッ素を含む絶縁膜から外部に放出できる。したがって、TEOS酸化膜中で発生したガスとフッ素を含む絶縁膜中のフッ素とが反応し、Fを含む物質が発生することを防止できる。また、第2の配線下のフッ素を含む絶縁膜はSiON膜によりキャップされるので、配線中へのフッ素の拡散は防止され、第2の配線の密着性の低下を防止できる。
【0014】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
【0016】
図1および図2は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0017】
まず、図1(a)に示すように、周知の方法に従って、RIE(Reactive Ion Etching)配線を図示しないSi基板上に形成する。図において、1はTEOS酸化膜、2はTi/TiN膜、3はAl配線、4はTi/TiN膜をそれぞれ示している。上記Si基板にはMOSトランジスタ等の素子が集積形成されている。
【0018】
次に、図1(b)に示すように、下層の配線層2〜4を覆うようにFSG膜5を全面に堆積するとともに、表面を平坦にした後、FSG膜5上にアンドープのSiON膜6、Ti/TiN膜7、Al膜8、Ti/TiN膜9を順次堆積する。FSG膜5は例えばプラズマCVD法を用いて堆積する。FSG膜5の比誘電率は例えば4.0以下である。
【0019】
次に、図1(c)に示すように、Ti/TiN膜9上にフォトレジストパターン10を形成した後、フォトレジストパターン10をマスクにして、Ti/TiN膜9、Al膜8、Ti/TiN膜7、SiON膜6をRIE法によりエッチングし、最上層の配線層6〜9を形成する。このとき、SiON膜6はAl配線8下には存在するが、その他の領域には存在しない。これが従来との構造上の相違点である。
【0020】
次に、フォトレジストパターン7をアッシングにより剥離した後、図2(d)に示すように、配線層6〜9を覆うように全面にTEOS酸化膜11を堆積するとともに、表面を平坦にする。
【0021】
この後、最上層の配線層6〜9の信頼性向上のために、400℃、20分の熱処理を行う。このとき、TEOS酸化膜1中から脱水結合したH2 Oは、SiON膜6が形成されていない領域のFSG膜5から外部に抜けることができる。
【0022】
したがって、FSG膜5中のSi−F結合の加水分解反応は起こらず、腐食性のHFは発生しない。さらに、HFに起因する種々の問題、すなわちFSG膜5とSiON膜6との間に空洞が発生することによるFSG膜5とSiON膜6の密着性の低下、配線層6〜9の剥離、下層の配線層2〜4の配線抵抗の上昇などの問題も当然に生じない。
【0023】
また、配線層6〜9下のFSG膜5はSiON膜6によりキャップされているので、上記熱処理でFSG膜5中から放出したフッ素が配線層6〜9中に拡散し、FSG膜5と配線層6〜9との密着性が低下するという問題は生じない。
【0024】
次に、図2(e)に示すように、TEOS酸化膜11上にSiN膜12を堆積するとともに、表面を平坦にする。
【0025】
この後、Si基板に形成されているMOSトランジスタ等の素子の信頼性向上のために、400℃、60分の熱処理を行う。
【0026】
このとき、TEOS酸化膜1中から脱水縮合したH2 Oは、SiON膜6が形成されていない領域のFSG膜5およびその上のSiN膜12から外部に抜けることができるので、図1(c)の工程の場合と同様に、HFは発生しない。
【0027】
また、図1(c)の工程の場合と同様に、配線層6〜9下のFSG膜5はSiON膜6でキャップされているので、上記熱処理でFSG膜5中から放出したフッ素によって、FSG膜5と配線層6〜9との密着性が低下するという問題も生じない。
【0028】
図2(e)の工程の後は、最上層の配線層6〜9に対するヴィアホールをSiN膜12に開口し、ワイヤーボンディングを取る等の周知のプロセスが続く。
【0029】
図3に、本発明および従来のAlの多層配線層構造のそれぞれについて、ワイヤーボンディングによるパッド剥がれ強度試験を試した結果を示す。図から、従来よりもSiON膜が少ない本発明の多層配線構造でも、従来と同じワイヤーボンディング強度が得られることが分かる。
【0030】
また、断面SEM観察によりFSG膜5とSiON膜6との界面を調べたところ、何ら異常がないことを確認した。
【0031】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、フッ素を含む絶縁膜としてFSG膜5(SiOF膜)を使用したが、SiONF膜を使用しても良い。また、TEOS酸化膜1,11の代わりに、アンドープのSiN膜、シリコン酸化膜を使用しても良い。
【0032】
また、上記実施形態では、ライナー膜としてTi/TiN膜を用いたが、Nb膜等の他の膜を使用しても良い。
【0033】
さらに、Al配線3,8に用いるAl膜は、純Al膜でも良いし、あるいはCuを少量添加したAlCu膜でも良い。
【0034】
また、上記実施形態では、最上層の各配線層6〜9を2つの下層の配線層2〜4の間に形成したが、本発明の効果を高めるためには、最上層の各配線層6〜9を下層の配線層2〜4直上に形成することが好ましい。
【0035】
さらまた、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【0036】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、配線間の層間絶縁膜にフッ素を含む絶縁膜を用いた場合における同膜中からのフッ素の放出およびフッ素を含む物質の発生を防止できる半導体装置およびその製造方法を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図2】図1に続く同半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図3】本発明および従来のAlの多層配線構造のそれぞれについて、ワイヤーボンディングによるパッド剥がれ強度試験を試した結果を示す図
【図4】従来の層間絶縁膜にFSG膜を用いた多層構造のAl配線を示す断面図
【符号の説明】
1…TEOS酸化膜(第1の絶縁膜)
2…Ti/TiN膜
3…Al配線(第1の配線)
4…Ti/TiN膜
5…FSG膜(第2の絶縁膜)
6…SiON膜(第3の絶縁膜)
7…Ti/TiN膜
8…Al膜(Al配:第2の配線)
9…Ti/TiN膜
10…フォトレジストパターン
11…TEOS酸化膜
12…SiN膜
Claims (7)
- 半導体基板上に形成されたTEOS酸化膜と、
このTEOS酸化膜上に形成された第1の配線と、
前記TEOS酸化膜上に前記第1の配線を覆うように形成され、フッ素を含む絶縁膜と、
このフッ素を含む絶縁膜上に形成された第2の配線と、
この第2の配線と前記フッ素を含む絶縁膜との間に選択的に前記フッ素を含む絶縁膜に接して形成されたSiON膜と
を具備してなることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1および第2の配線は、Al配線であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記フッ素を含む絶縁膜は、SiOF膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2の配線は最上層の配線であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体基板上にTEOS酸化膜を形成する工程と、
このTEOS酸化膜上に第1の配線を形成する工程と、
前記TEOS酸化膜上に前記第1の配線を覆うようにフッ素を含む絶縁膜を形成する工程と、
このフッ素を含む絶縁膜上にSiON膜を前記フッ素を含む絶縁膜に接して形成する工程と、
前記SiON膜上に第2の配線となる導電膜を形成する工程と、
前記導電膜および前記SiON膜をエッチングし、前記フッ素を含む絶縁膜上に前記導電膜からなる第2の配線を形成するとともに、前記SiON膜を前記第2の配線下のみに残置させる工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記フッ素を含む絶縁膜をプラズマCVD法により形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の配線およびその下に残置された前記SiON膜を覆うTEOS酸化膜を形成する工程の後に熱処理を行うことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
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