JPH1070119A - 絶縁膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 配線剥がれの発生を抑制するとともに、良好
な平坦性を有しかつコンタクトホールのアスペクト比を
小さくできる絶縁膜を形成する。 【解決手段】 本発明の絶縁膜である第３絶縁膜２は、
基体１上に塗布されたシリコン−水素結合を構造中に含
む無機系絶縁膜の形成材料からなる塗膜を前焼成した後
に本焼成することにより形成されるものである。この第
３絶縁膜２は、少なくともシリコン−水素結合を含み、
かつ上記前焼成後の塗膜に残留しているシリコン−水素
結合の量に対して４０％以下の量のシリコン−水素結合
が残留しているものからなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の多層
配線構造に用いる絶縁膜に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の絶縁膜としては、シリコン−水素
結合を構造中に有する例えばスピンオンガラス（ＳＯ
Ｇ）膜のような塗布型絶縁膜が知られている。そして、
この塗布型絶縁膜を用いた層間絶縁膜の形成では、図４
に示すように、化学的気相成長技術（ＣＶＤ技術）によ
って形成される絶縁膜５２、５４を塗布型絶縁膜５３の
上下に設けて挟み込む構造にすることが一般的に行われ
ている。これは、例えば塗布型絶縁膜５３が有機ＳＯＧ
膜である場合、有機ＳＯＧ膜上に配線を直接形成しよう
とすると、配線の加工工程で用いるレジストマスクを剥
離するための酸素ラジカルによって有機ＳＯＧ膜が収縮
し、クラックが発生するといったような不具合が生じる
ためである。なお、ＣＶＤ技術によって形成される絶縁
膜としては、例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ膜）、フッ
素が添加された酸化シリコン膜（ＳｉＯＦ膜）、窒化シ
リコン膜（ＳｉＮ膜）、テトラエトキシシランを用いた
プラズマ酸化膜（Ｐ−ＴＥＯＳ膜）等が用いられてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、塗布型絶縁
膜の上層に形成された絶縁膜（以下、これをキャップ層
と記す）は、段差被覆性が悪い。このため、塗布型絶縁
膜を形成した直後よりも、キャップ層を形成した後の方
が表面の平坦性が悪くなる。よって、層間絶縁膜の平坦
性を良好にするには、下層の塗布型絶縁膜の塗布形状を
十分に平坦性良くしておくことが必要になる。しかしな
がら、塗布型絶縁膜の塗布形状を平坦性良く形成するこ
とは、塗布型絶縁膜を厚く塗布することにつながる。結
果的に、得られる層間絶縁膜が厚くなり、図４に示すよ
うに層間絶縁膜５５の下層の配線５１に達するコンタク
トホール５６を層間絶縁膜５５に形成する場合に、深い
コンタクトホール５６になる。

【０００４】コンタクトホール５６が深いと、層間絶縁
膜５５上に配線を形成する場合に、コンタクトホール５
６の内面が配線材料で十分に覆われず、断線といったよ
うな不具合が生じて電気的信頼性が低下する。またコン
タクトホール５６が深い場合には、図４に示すように、
コンタクトホール５６の径が下方から上方に向けて大き
くなるようにコンタクトホール５６上部付近にテーパを
付けることがある。ところが、キャップ層５４より塗布
型絶縁膜５３の方がエッチングレートが速いため、この
方法では塗布型絶縁膜５３がサイドエッチングされると
いった不具合が発生する。

【０００５】また、層間絶縁膜の平坦性を良好にするた
めに、塗布型絶縁膜上に直接配線を形成するのは、塗布
型絶縁膜が有機系である場合に前述した理由から望まし
くない。一方、塗布型絶縁膜が無機系であると、無機系
のものは酸素ラジカルに対して耐性があるため、塗布型
絶縁膜上に直接配線を形成することが可能であるといっ
た知見が得られている。しかしながら無機系の塗布型絶
縁膜はポーラスであるため、塗布型絶縁膜上に配線を覆
うようにしてＳｉＮのような保護膜を形成した際、その
保護膜の圧縮応力によって、塗布型絶縁膜内に破壊が生
じて配線が剥がれるといった不都合が発生する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る絶縁膜は、
基体上に塗布されたシリコン−水素結合を構造中に含む
無機系絶縁膜の形成材料からなる塗膜を前焼成した後に
本焼成することにより形成されるものにおいて、少なく
ともシリコン−水素結合を含み、かつ前焼成後の塗膜に
残留しているシリコン−水素結合の量に対して４０％以
下の量のシリコン−水素結合が残留しているものであ
る。

【０００７】この発明の絶縁膜は、前焼成後の塗膜に残
留しているシリコン−水素結合の量に対し、少なくとも
シリコン−水素結合を含みかつ４０％以下の量のシリコ
ン−水素結合が残留しているものからなっている。よっ
て、本焼成に際して、シリコン−水素結合が分解されシ
リコン−酸素化される架橋反応が十分に進んだ緻密なも
のになる。また、無機系絶縁膜の形成材料を用いて形成
されたものであるから、酸素ラジカルに対して耐性を有
する。そのため、この発明の絶縁膜を多層配線構造に用
いた場合には、絶縁膜上へのキャップ層の形成が不要に
なる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る絶縁膜の実施
形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る絶
縁膜の一実施形態を示す断面図であり、本発明を多層配
線構造の第２層間絶縁膜を構成する第３絶縁膜に適用し
た例を示したものである。図１に示すように第３絶縁膜
２は、基体１上に形成されている。

【０００９】この実施形態において、基体１は、シリコ
ン（Ｓｉ）基板１１、第１層間絶縁膜である第１絶縁膜
１２、第１配線１３および第２絶縁膜１４によって構成
されたものである。すなわちＳｉ基板１１上に第１絶縁
膜１２が形成され、第１絶縁膜１２に第１配線１３が形
成されている。さらに第１絶縁膜１２上に、第１配線１
３を覆うように第２絶縁膜１４が形成されて、基体１が
構成されている。Ｓｉ基板１１は、トランジスタや抵抗
等の素子が形成されたものである。また第１配線１３は
アルミニウム（Ａｌ）やその合金等からなり、ここでは
６００ｎｍ程度の厚さに形成されている。また第２絶縁
膜１４は、第３絶縁膜２とともに第２層間絶縁膜を構成
するもので、例えばＰ−ＴＥＯＳ膜が３００ｎｍ程度の
厚さに形成されたものからなっている。

【００１０】このような基体１上に形成された第３絶縁
膜２は、基体１の最上層である第２絶縁膜１４上に、シ
リコン−水素結合（以下、Ｓｉ−Ｈ結合と記す）を構造
中に含む無機系絶縁膜の形成材料を塗布して塗膜を形成
し、この塗膜を前焼成した後に本焼成することによって
形成されたものである。また第３絶縁膜２は、少なくと
もＳｉ−Ｈ結合を含み、かつ前焼成後の塗膜に残留して
いるＳｉ−Ｈ結合の量を１００％とした場合に対し、本
焼成後において４０％以下の量のＳｉ−Ｈ結合が残留し
ているものからなっている。

【００１１】なお、上記前焼成は、窒素パージされたホ
ットプレートを用いたいわゆるプリベークと呼ばれる熱
処理である（以下、前焼成をプリベークと記す）。ここ
では、約１５０℃で１分程度間、約２００℃で１分程
度、約３００℃で１分程度の加熱処理をプリベークとし
ている。またＳｉ−Ｈ結合の量は、フーリエ変換−赤外
吸収分光測定器（ＦＴ−ＩＲ測定器）を用いて測定され
る値としている。Ｓｉ−Ｈ結合を構造中に含む無機系絶
縁膜の形成材料には、例えばＳｉＯとＳｉＨとを主成分
とした無機ＳＯＧ形成用の形成材料が用いられる。また
この実施形態において第３絶縁膜２は、例えば２００ｎ
ｍ〜２５０ｎｍ程度に形成されている。

【００１２】図１に示す多層配線構造において、上記の
第３絶縁膜２は、前述したように第２絶縁膜１４ととも
に第２層間絶縁膜を構成している。そして、これら第３
絶縁膜２および第２絶縁膜１４には、第１配線１３に達
するコンタクトホール３が形成されている。また第３絶
縁膜２上とともにコンタクトホール３内には第２配線４
が形成されており、コンタクトホール３内の第２配線４
によってコンタクト部５が形成されている。第２配線４
は、例えばＡｌやその合金等からなっている。さらに第
２配線４上には、保護膜６が形成されている。保護膜６
は、例えばプラズマＣＶＤ技術によって形成されたＳｉ
Ｎ膜からなっている。

【００１３】ところで、第３絶縁膜２が、少なくともＳ
ｉ−Ｈ結合を含みかつ４０％以下の量のＳｉ−Ｈ結合が
残留しているものであるとするは、以下の知見による。
すなわち、本発明者は、第３絶縁膜２に残留しているＳ
ｉ−Ｈ結合の量（以下、残留Ｓｉ−Ｈ結合の量と記す）
と、第３絶縁膜２上にＳｉＮ膜からなる保護膜６を形成
した後の配線剥がれの発生数（個）との関係を実験によ
り調べた。図２はその実験結果を示すグラフである。

【００１４】図２からも認められるように、残留Ｓｉ−
Ｈ結合の量が６５％以上の場合に、保護膜６の形成後、
第３絶縁膜２上の第２配線４が剥がれが多数観察され
た。また残留Ｓｉ−Ｈ結合の量が４０％以下であると、
第２配線４が剥がれがほとんど認められなかった。よっ
て、第２配線４の剥がれが発生する境目は残留Ｓｉ−Ｈ
結合の量が５０％〜６０％の範囲にあると思われる。ま
た、残留Ｓｉ−Ｈ結合の量が４０％を越えると、本焼成
でＳｉ−Ｈ結合が分解されＳｉ−Ｏ化される架橋反応が
進まず第３絶縁膜２が緻密にならない。このため、第３
絶縁膜２上の保護膜６の圧縮応力によって、第３絶縁膜
２内に破壊が生じ易くなり、第２配線４が剥がれが多数
発生したと考えられる。一方、残留Ｓｉ−Ｈ結合の量が
４０％以下であると、上記架橋反応が十分に進んで緻密
な第３絶縁膜２形成されることから、第２配線４の剥が
れがほとんど発生しないと考えられる。

【００１５】以上の知見から、少なくともＳｉ−Ｈ結合
を含みかつ本焼成後に４０％以下の量のＳｉ−Ｈ結合が
残留しているもので第３絶縁膜２を構成しているのであ
る。なお、残留Ｓｉ−Ｈ結合の量を４０％以下にする
と、膜収縮が大きいため、そのストレスによって第３絶
縁膜２にクラックが発生し易くなる。このため、第１配
線１３間に溜まる第３絶縁膜２の最大膜厚を約１μｍ以
下にし、また第１配線１３の段差を約８００ｎｍ以下に
抑えれば、さらにクラックの発生を抑制できるといった
効果も得ることができる。

【００１６】次に、第３絶縁膜２の形成方法を図３に示
す工程図を用いて説明する。この実施形態では、第３絶
縁膜２の形成に先立ち、図３（ａ）に示す基体１を用意
する。前述したように基体１は、Ｓｉ基板１１上に第１
絶縁膜１２を介して第１配線１３が形成され、さらに第
１絶縁膜１２上に第１配線１３を覆って第２絶縁膜１４
が形成されてなるものである。第１配線１３は、段差が
６００ｎｍ程度になる厚さに形成されている。また第２
絶縁膜１４は例えばプラズマＣＶＤ技術によって形成さ
れたＰ−ＴＥＯＳ膜からなり、３００ｎｍ程度の厚さに
形成されている。

【００１７】Ｐ−ＴＥＯＳ膜からなる第２絶縁膜１４を
形成する場合の一条件例を以下に示す。 反応ガスおよび流量：ＴＥＯＳ／Ｏ₂ ＝８００ｓｃｃｍ
／６００ｓｃｃｍ 雰囲気圧力 ：１．１３ｋＰａ 基板温度 ：４００℃ ＲＦ電力 ：７００Ｗ

【００１８】次に、基体１上にＳｉ−Ｈ結合を構造中に
含む無機絶縁膜の形成材料を例えばスピンコータを用い
て塗布し、得られた塗膜をプリベークした後に本焼成し
て、図３（ｂ）に示すように基体１上に第３絶縁膜２を
形成する。プリベークは、例えばホットプレートを用い
て、約１５０℃で１分程度間、約２００℃で１分程度、
約３００℃で１分程度、塗膜を加熱処理することによっ
て行う。

【００１９】また本焼成は、例えば熱処理炉を用いて行
う。この際、少なくともＳｉ−Ｈ結合を含み、かつプリ
ベーク後の塗膜に残留しているＳｉ−Ｈ結合の量に対
し、本焼成後に塗膜に残留しているＳｉ−Ｈ結合の量が
４０％以下になるように本焼成を行う。この残留Ｓｉ−
Ｈ結合の量は、本焼成中の処理温度、処理雰囲気の酸素
濃度、焼成時間によって自由にコントロールすることが
できる。また残留Ｓｉ−Ｈ結合の量の測定は、ＦＴ−Ｉ
Ｒ測定器を用いて行う。上記ように本焼成を行うのは、
前述したように、本焼成後の第３絶縁膜２に残留してい
るＳｉ−Ｈ結合の量が上記範囲であると、第３絶縁膜２
上が緻密に形成され、この上層に形成される第２配線４
の剥がれが防止されるためである。

【００２０】熱処理炉によって、厚さ２５０ｎｍ程度の
塗膜を残留Ｓｉ−Ｈ結合の量が４０％になるように本焼
成して、第３絶縁膜２を形成する場合の一条件例を以下
に示す。なお、この場合、第３絶縁膜２の形成材料に
は、無機ＳＯＧ膜の形成材料〔例えばＦＯＸ１４（Dowc
orning社製）〕を用いている。 本焼成温度：４００℃ 本焼成時間：６０分 また容積２６ｄｍ³ の熱処理炉に、窒素ガスを０．４Ｓ
ＬＭの流量で供給することにより、熱処理炉内の酸素濃
度を徐々に減少させて本焼成を行う。

【００２１】次に、図３（ｃ）に示すように、酸素イオ
ンを主反応種とした酸素プラズマ７による処理を第３絶
縁膜２に施す。これは、次工程のリソグラフィ工程の際
に用いる現像液によって、第３絶縁膜２にクラックが発
生するのを防止するために行うものである。その後はリ
ソグラフィ技術およびエッチング技術によって、図３
（ｄ）に示すように、第３絶縁膜２および第２絶縁膜１
４に第１配線１３に達するコンタクトホール３を形成す
る。この際、例えば第３絶縁膜２に形成されるコンタク
トホール３の上部にテーパが付くような条件でエッチン
グを行う。

【００２２】次に、通常のスパッタリング技術によっ
て、第３絶縁膜２上とともにコンタクトホール３の内面
を覆うようにして配線材料膜を形成する。続いてリソグ
ラフィ技術およびエッチング技術によって、配線材料膜
をパターニングし、図３（ｅ）に示すように第２配線４
を得る。そして、図３（ｆ）に示すように例えばプラズ
マＣＶＤ技術によって、第２配線４を覆う状態で第３絶
縁膜２上にＳｉＮからなる保護膜６を形成する。以上の
工程によって、図１に示す多層配線構造が形成される。

【００２３】以上のように本実施形態によれば、第３絶
縁膜２が、少なくともＳｉ−Ｈ結合を含みかつ４０％以
下の量のＳｉ−Ｈ結合が残留しているものからなってい
るので、緻密に形成されている。よって、第３絶縁膜２
上に形成された保護膜６によって、圧縮応力が加わって
も第３絶縁膜２が破壊され難く、第２配線４の剥がれを
抑制することができる。

【００２４】また第３絶縁膜２は無機系ＳＯＧ膜からな
るので、酸素ラジカルに対して耐性がある。そのため、
従来のように第３絶縁膜２上にキャップ層を設けなくて
もよいので、平坦性の良好な第２層間絶縁膜を実現する
ことができる。またキャップ層を設ける必要がないこと
から、コンタクトホール３を浅く形成でき、また図１に
示すようにサイドエッチングを生じさせることなくコン
タクトホール３の上部にテーパを付けることもできる。
この結果、コンタクトホール３の内部においてアスペク
ト比を下げることができるため、コンタクトホール３の
内面を配線材料が十分に覆うコンタクト部５を得ること
ができる。したがって、断線といったような配線不良の
ない多層配線構造を得ることができる。

【００２５】さらにキャップ層を設ける必要がないた
め、キャップ層を形成する工程およびＳＯＧ層をエッチ
バックして平坦性を改善する工程を削減できるものにな
る。したがって第３絶縁膜２を用いれば、従来に比べて
少ない工程数で電気的信頼性が高い多層配線構造を実現
することができる。また製造コストの低減を図ることが
できる。なお、本実施形態では、２層の配線を備えた多
層配線構造の層間絶縁膜に本発明を適用したが、１層の
配線を備えた配線構造の絶縁膜や、３層以上の配線を備
えた多層配線構造の層間絶縁膜に本発明を適用してもよ
いのはもちろんである。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る絶縁膜
によれば、少なくともシリコン−水素結合を含みかつ４
０％以下の量のシリコン−水素結合が残留していること
から、緻密に形成されているので、絶縁膜上に配線を直
接形成し、この絶縁膜上に圧縮応力の強い膜を形成した
場合に、この膜による配線剥がれを抑制することができ
る。また無機系絶縁膜の形成材料からなることから、従
来、絶縁膜上に設けていたキャップ層を不要にすること
ができるので、良好な平坦性を有し、かつアスペクト比
の小さいコンタクトホールを形成できる絶縁膜を実現す
ることができる。よって、コンタクトホールの内面を十
分に覆う配線を形成することが可能であるので、電気的
信頼性の向上を図ることができる。さらにキャップ層を
設ける必要がないため、従来比べて工程数を削減するこ
とができる。したがって、本発明の絶縁膜は、半導体装
置の高集積化を図るうえで非常に有効なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る絶縁膜の一実施形態を示す要部側
断面図である。

【図２】残留Ｓｉ−Ｈ結合の量と配線剥がれとの関係を
示すグラフである。

【図３】（ａ）〜（ｆ）は実施形態に係る絶縁膜の形成
方法の一実施形態を示す工程図である。

【図４】本発明の課題を説明する図である。

【符号の説明】

１ 基体 ２ 第３絶縁膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に塗布されたシリコン−水素結合
   を構造中に含む無機系絶縁膜の形成材料からなる塗膜を
   前焼成した後に本焼成することにより形成される絶縁膜
   において、 前記絶縁膜は、少なくともシリコン−水素結合を含み、
   かつ前記前焼成後の塗膜に残留しているシリコン−水素
   結合の量に対して４０％以下の量のシリコン−水素結合
   が残留しているものであることを特徴とする絶縁膜。