JPH08195437A

JPH08195437A - 線間容量低減用の平坦化構造

Info

Publication number: JPH08195437A
Application number: JP25097294A
Authority: JP
Inventors: Shin-Puu Jeng; − プージェングシン
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 1996-07-30

Abstract

(57)【要約】【目的】線間容量を低減する多層メタライゼーション
構成を提供する。【構成】金属相互接続層は、金属相互接続ライン（３
０、３２及び３４）、及び改良された誘電体層（１６）
を備えている。誘電体層（１６）は、二酸化ケイ素部
（１８）及び低誘電率部（２０）を備えている。低誘電
率部（２０）は、３．５未満の誘電率を有し、かつ、テ
フロンＡＦ等の有機ポリマーを備え得る。ブァイアホー
ル（２４）は二酸化ケイ素部（１８）を通して伸長し得
る。低誘電率部（２０）は、ＲＣ遅延時間を低減するよ
うに機能する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、半導体プロセ
スに関し、特に、線間容量低減に関する。

【０００２】

【従来技術の説明】多くの集積回路は、相互接続用の多
層のメタライゼーションを含んでいる。装置のジオメト
リーズが縮小し、機能密度が増大するにつれて、多層メ
タライゼーション・システム内にて、ＲＣ時定数を低減
することは避けられなくなっている。金属ラインを相互
に絶縁分離するのに一般に使用されている誘電体は、二
酸化ケイ素である。従来の酸化物エッチングは、高アス
ペクト比及びブァイアホールに対して有効である。二酸
化ケイ素はまた、熱を効果的に散逸させる。しかしなが
ら、二酸化ケイ素の誘電率は略３．９である。最近、二
酸化ケイ素を、より低い誘電率を有する有機ポリマーで
置換する試みがなされてきた。無機化合物もまた用いら
れてきた。より低い誘電率を用いることによって、ＲＣ
遅延時間が低減される。しかしながら、有機ポリマーの
熱的安定性及びエッチング性は、二酸化ケイ素のそれら
より劣っている。酸素プラズマ中の側壁パッシベーショ
ンの結合は、コンタクト及びブァイアホール用エッチン
グに対して特に臨界的である。

【０００３】

【発明の概要】第１の金属構造体及び改良された誘電体
層を有する半導体装置を開示する。該誘電体層は、金属
構造体の上及び第１の側にてこれを覆うシリコン誘電体
部と、金属構造体の第２の側の低誘電体部とを備えてい
る。該低誘電体部は、３．５を下回る誘電率を有してい
る。例えば、低誘電体部は、例えばテフロン（Ｔｅｆｌ
ｏｎ：商標名）、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリ
イミド、またはパリレン（Ｐａｒｙｌｅｎｅ：商標名）
等の有機ポリマーで構成することができる。更には、シ
ロキサン−スピンオン−ガラスまたはフッ化ガラス（ｆ
ｌｕｏｒｉｎａｔｅｄｇｌａｓｓ）等の無機化合物で
これを構成することもできる。一実施例において、誘電
体層の有機ポリマー部は、ＲＣ遅延時間を十分に低減す
るために、２つの金属相互接続ライン間に配置される。
このとき、ブァイアホールは、二酸化ケイ素部を通して
該金属相互接続ラインまで伸長し得る。

【０００４】本発明の利点は、線間容量を低減する多層
メタライゼーション構成を提供することである。

【０００５】本発明の更なる利点は、ＲＣ遅延時間を低
減する平坦化された多層メタライゼーション構成を提供
することである。

【０００６】本発明の更なる利点は、二酸化ケイ素の利
点を有すると共に、ＲＣ遅延時間を低減する多層金属装
置において誘電体層を提供することである。

【０００７】これら及び他の利点は、図面及び特許請求
の範囲と関連して明細書を参照することによって、当業
者にとって明瞭となろう。

【０００８】

【実施例】多層金属相互接続装置において、静電容量
は、図１に示すように、４つの静電容量源に分解するこ
とができる。容量Ｃ₁₂は、ライン１及びライン２間の線
間容量である。Ｃ₁₃は、ライン１及びその下方のライ
ン、即ちライン３間の中間層容量である。Ｃ₁₄は、ライ
ン１及びその対角線的に下方のライン、即ちライン４間
の中間層容量である。Ｃ₁₅は、ライン１及びアース間の
ラインアース間容量である。Ｃ₁₁は、総合容量として定
義される。各ライン１〜４の金属幅は、０．３６μｍで
ある。ライン間の間隔はまた、０．３６μｍである。金
属ライン１〜４の高さは０．６μｍである。金属ライン
間の酸化物の厚さは、０．７μｍである。容量シミュレ
ーションは、０．３５μｍの金属１設計ルールを使用し
て、図１の構造について完了した。その結果を表Ｉに示
す。

【表１】表１からわかるように、線間容量は、上記例の総合容量
の８５％を占める。勿論、線間容量の占める割合は線間
のスペースによって変化する。そのスペースが小さくな
ると、総合容量に占める線間容量の割合は増大する。従
って、線間容量を低減することは、所定の相互接続ライ
ンの総合ＲＣ遅延時間に重要な影響を及ぼす。

【０００９】本発明の好ましい実施例を、多層メタライ
ゼーション・プロセスと関連して説明する。メタライゼ
ーションの数を変え得ること及び本発明は単層金属装置
に等しく適用可能であることは、当業者にとって明瞭と
なろう。

【００１０】本発明の好ましい実施例を図２に示す。半
導体装置１０は、例えば、トランジスタ、ダイオード、
及び技術上周知の他の半導体素子（図示せず）を含み得
る。半導体装置１０はまた、他の金属相互接続層も含み
得る。絶縁体層１２は、金属相互接続層１４から半導体
装置１０の構造体を絶縁分離すべく、半導体装置１０の
表面に形成されている。絶縁体層１２は、例えば、二酸
化ケイ素等の酸化物を備え得る。図示しないコンタクト
が絶縁層１２を突き抜けて形成することができ、これに
より金属相互接続層１４と半導体装置１０が接続され
る。金属相互接続層１４は、例えば、アルミニウムまた
はチタン−タングステン／アルミニウム二重層を備え得
る。誘電体層１６は、付加的金属相互接続層（図示せ
ず）等の続いて処理形成された要素から金属相互接続層
１４を絶縁分離する。誘電体層１６は、二酸化ケイ素層
１８及び低誘電率層２０を含んでいる。低誘電率層２０
は、テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ：商標名）、ＢＣＢ、パリ
レン（Ｐａｒｙｌｅｎｅ：商標名）または３未満の誘電
率を有する他の材料等の有機ポリマーを備え得る。実施
例ではテフロンＡＦが用いられる。層２０は、容量に最
も大きな影響を与える装置１０の領域に配置されてい
る。線間容量は総合容量に大きく寄与するため、テフロ
ンＡＦ等の低誘電率材料を金属相互接続層１４の金属ラ
イン３０〜３４間に設けている。二酸化ケイ素１８は他
の場所で使用される。酸化物層２２は、有機ポリマー層
２０の表面を保護すべく、誘電体層１６を覆っている。
ブァイアホール２４は、二酸化ケイ素層１８を介して、
金属相互接続層１４まで伸長している。

【００１１】混在化有機ポリマー／二酸化ケイ素誘電体
層を有することは、幾つかの利点がある。第１に、コン
タクト・ブァイアホールを形成するのに要求されるよう
な高いアスペクト比のエッチングは、有機ポリマーによ
って行うことは困難である。逆に、こういったエッチン
グは、二酸化ケイ素に対して周知である。第２に、高電
流を金属ラインを通して流すと、或る場所で、金属ライ
ンの起き上り（ｒｉｓｅｕｐ）を引き起こし得る。こ
のことは、ヒロック／ボイド形成として知られている。
二酸化ケイ素は、有機ポリマーに比してはるかにヒロッ
ク／ボイド形成を抑圧する。第３に、低誘電率材料２０
は二酸化ケイ素に比して低い誘電率を有するので、線間
容量は低減される。第４に、金属ライン中に発生する熱
は、有機ポリマーを通すのに比して一層容易に二酸化ケ
イ素を通して消散し得る。第５に、二酸化シリコンの表
面がリソグラフィックパターンニングのために平坦化さ
れる。最後に、二酸化ケイ素層は、有機ポリマーの機械
的不安定性に対してバリアをもたらす。こうして、二酸
化ケイ素の利点は、低誘電率層２０による低減化線間容
量の利点と組み合わされる。

【００１２】本発明の好ましい実施例を図３に示す構造
体に形成することを、ここで議論する。図２は、トラン
ジスタ及び他の装置要素（図示せず）を形成した後の半
導体装置１０を示している。１つ以上の相互接続層もま
た、形成し得る。好ましい実施例では、この種相互接続
層は形成されていなかった。半導体装置１０の表面に
は、絶縁体層１２が形成されている。

【００１３】図４について説明すると、金属層を被着
し、これをエッチングして、金属相互接続層１４を形成
する。簡略化のために、図５は、金属ライン３０、３２
及び３４を備えた金属相互接続層１４を示している。し
かしながら、他のジオメトリーズは勿論のこと、多くの
他の相互接続ラインもまた、金属相互接続層１４の一部
を形成し得ることは当業者によって明瞭である。金属相
互接続層１４は、略０．５−２．０μｍの厚さを有して
いる。次に、二酸化ケイ素の層１８を、酸化物層１２及
び金属相互接続層１４全体に渡って被着する。二酸化ケ
イ素層１８は、略１．０−３．０μｍの厚さを有してい
る。二酸化ケイ素層１８は、技術上周知の技術に従っ
て、平坦化し得る。例えば化学機械研磨若しくは犠牲的
エッチバック方法（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｅｔｃｈ
−ｂａｔｈｐｒｏｃｅｓｓ）を用いることができる。

【００１４】二酸化ケイ素層１８の一部分は、図５に示
すように、金属相互接続層１４の、例えば金属ライン３
０、３２及び３４等の金属ライン間でエッチング除去さ
れる。除去される二酸化ケイ素層１８の一部分は、相互
容量に最も大きな影響を及ぼす部位であることに留意す
べきである。こうして、除去すべき部分は、金属相互接
続ジオメトリーズに応じて変化し得る。絶縁体層１２は
半導体装置１０の表面全体に残存することもまた留意す
べきである。

【００１５】図６について説明すると、低誘電率層２０
の層状体を、略１．０−５．０μｍの厚さに、構造体の
表面全体に被着する。層２０は、例えば、テフロン、Ｂ
ＣＢ、ポリイミド、過フッ化重合体またはパリレン等の
有機ポリマーを備え得る。この層２０はシロキサンスピ
ンオンガラス若しくはフッ化ガラス等の無機化合物で形
成することもできる。テフロンＡＦは、好ましい実施例
で使用される。被着後、層２０は、構造体を平坦化する
ために、リフローし得る。次に、層２０をエッチバック
して、図７に示すように、二酸化ケイ素層１８の表面に
渡って何ら層２０の材料が残存しないようにする。層２
０をエッチングする方法は、技術上周知である。例え
ば、少量のＣＦ₄ガスによる酸素プラズマエッチングを
使用し得る。層１８及び２０の組合せで、誘電体層１６
を形成する。

【００１６】図８について説明すると、酸化物２２の層
を、構造体の表面全体に被着する。酸化物層２２は、続
く加工段階の際に層２０を保護するように機能する。ま
た、図８について説明すると、従来技術に従って、コン
タクト・ブァイアホール２４を、二酸化ケイ素層１８を
通して、金属相互接続層１４までパターンニングしてエ
ッチングする。本発明の１つの利点は、より短かいＲＣ
遅延時間を達成しつつ、従来のコンタクト／ブァイアホ
ールのエッチングを使用し得ることである。このこと
は、ブァイアホールが所望される場所では二酸化ケイ素
層１８を残すが、有機ポリマー２０をＲＣ時定数に対し
てより臨界的に適切な位置で使用する事実に起因する。
最後に、金属層４２をブァイアホール２４を埋めるべく
デポジットする。

【００１７】図８の構造体を形成した後、工程を繰り返
して、図９に示すような、付加的金属相互接続層を形成
し得る。一般に、３ないし４つのこの種金属相互接続層
を形成し得る。しかしながら、本発明は、４層を上回る
相互接続部を有する装置には勿論のこと、単層または二
重層の金属相互接続部のみを有する装置に等しく適用可
能である。

【００１８】以上、本発明を例示的実施例について説明
したが、この説明は、限定的意味に解釈されようとする
ものではない。本発明の他の実施例は勿論のこと、例示
的実施例の種々の変更及び組合せは、この説明を参照し
て、当業者には明瞭となろう。従って、特許請求の範囲
は、任意のこの種変形または実施例を包含するものであ
る。

【００１９】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1) (a) 第１の金属構造体と、(b) 前記金属構造体の上
及び第１の側にてこれを覆うシリコン誘電体部、及び前
記金属構造体の第２の側の低誘電体部を有する誘電体層
であって、該低誘電体部が３．９を下回る誘電率を有し
てなる前記誘電体層と、を具備したことを特徴とする半
導体装置。 (2) 第１項記載の装置において、前記低誘電体部が有
機ポリマーからなることを特徴とする前記装置。 (3) 第２項記載の装置において、前記有機ポリマーが
テフロンＡＦからなることを特徴とする前記装置。

【００２０】(4) 第２項記載の装置において、前記有
機ポリマーがテフロン、ベンゾシクロブテン、ペリレ
ン、ポリイミド、過フッ化重合体及びこれらの誘導体か
ら選ばれた材料であることを特徴とする前記装置。 (5) 第２項記載の装置において、前記低誘電体部が
３．９を下回る誘電率の無機化合物からなるコトを特徴
とする前記装置。 (6) 第５項記載の装置において、前記無機化合物は低
誘電率のシロキサンスピンオンガラス（ｓｉｌｏｘａｎ
ｅｓｐｉｎｏｎｇｌａｓｓ）であることを特徴と
する前記装置。 (7) 第５項記載の装置において、前記無機化合物は低
誘電率のフッ化ガラス（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄｇｌ
ａｓｓ）であることを特徴とする前記装置。 (8) 第１項記載の装置において、第２の金属構造体を
更に具備し、前記誘電体層の前記低誘電体部が前記第１
及び第２の金属構造体の間に横方向に位置すると共に、
前記二酸化ケイ素部もまた前記第２の金属構造体を覆っ
て位置していることを特徴とする前記装置。

【００２１】(9) 第８項記載の装置において、(a) 前
記第１の金属構造体の上方に位置すると共に、前記二酸
化ケイ素部によって前記第１の金属構造体から分離され
ている第３の金属構造体と、(b) 前記第２の金属構造体
の上方に位置すると共に、前記二酸化ケイ素部によって
前記第２の金属構造体から分離されている第４の金属構
造体と、(c) 前記第３及び第４の金属構造体の間に位置
している有機ポリマーの層と、を更に具備したことを特
徴とする前記装置。 (10) 第１項記載の装置において、前記二酸化ケイ素部
を通して前記第１の金属構造体まで伸長するブァイアホ
ールを更に具備したことを特徴とする前記装置。 (11) 第１項記載の装置において、前記第１の金属構造
体は金属相互接続ラインを備えていることを特徴とする
前記装置。

【００２２】(12)(a) 第１の相互接続層を具備し、該第
１の相互接続層が、(i) 第１及び第２の金属相互接続
ラインと、(ii) 前記第１及び第２の金属相互接続ライ
ンの間に横方向に位置し、３．９を下回る誘電率を有す
る第１の有機ポリマー層と、(iii) 前記第１及び第２の
金属相互接続ラインを覆って位置する二酸化ケイ素の第
１の層と、を備えたことを特徴とする多層メタライゼー
ション相互接続。 (13) 第１２項記載の相互接続において、 (a) 第２の相互接続層を更に具備し、該第２の相互接続
層が、(i) 前記第１及び第２の金属相互接続ラインの
上方にそれぞれ位置する第３及び第４の金属相互接続ラ
インと、(ii) 前記第３及び第４の金属相互接続ライン
間に横方向に位置する第２の有機ポリマー層と、(iii)
前記第３及び第４の金属相互接続ラインの上方に位置す
る二酸化ケイ素の第２の層と、を備えたことを特徴とす
る前記相互接続。 (14) 第１３項記載の相互接続において、(a) 二酸化ケ
イ素の前記第１の層を通して、前記第３の金属相互接続
ラインから前記第１の金属相互接続ラインに伸長する第
１のブァイアホールと、(b) 二酸化ケイ素の前記第１の
層を通して、前記第４の金属相互接続ラインから前記第
２の金属相互接続ラインに伸長する第２のブァイアホー
ルと、を更に具備したことを特徴とする前記相互接続。

【００２３】(15) 第１２項記載の相互接続において、
前記有機ポリマーはテフロンＡＦからなることを特徴と
する前記相互接続。 (16) 第１２項記載の相互接続において、前記有機ポリ
マーはテフロン、ベンゾシクロブテン、パリレン、ポリ
イミド、過フッ化重合体及びこれらの誘導体から選ばれ
た材料であることを特徴とする前記相互接続。

【００２４】(17)(a) 半導体装置の表面上に金属の第１
の層を被着する段階と、(b) 前記第１の金属層をエッチ
ングして、第１及び第２の金属構造体を形成する段階
と、(c) 前記第１及び第２の金属構造体、並びに前記半
導体装置の前記表面全体に二酸化ケイ素の第１の層を被
着する段階と、(d) 前記第１及び第２の金属構造体の間
に位置する、前記第１の二酸化ケイ素層の第１の部分を
エッチングする段階と、(e) ３．９を下回る誘電率を有
する低誘電率材料の第１の層を被着する段階と、(f) 前
記第１の二酸化ケイ素層の表面に何ら有機ポリマーが残
存しないように、有機ポリマーの前記第１の層をエッチ
ングする段階と、を具備したことを特徴とする多層相互
接続を形成する方法。 (18) 第１７項記載の方法において、前記低誘電率材料
は有機ポリマーからなることを特徴とする前記方法。

【００２５】(19) 第１８項記載の方法において、(a)
有機ポリマーの前記第１の層及び前記二酸化ケイ素層を
覆って酸化物層を被着する段階と、(b) 前記酸化物層を
覆って金属の第２の層を被着する段階と、(c) 前記第２
の金属層をエッチングして、第３及び第４の金属構造体
を形成する段階と、を更に具備したことを特徴とする前
記方法。 (20) 第１９項記載の方法において、(a) 二酸化ケイ素
の第２の層を被着する段階と、(b) 前記第３及び第４の
金属構造体の間に位置する、二酸化ケイ素の前記第２の
層の第２の部分をエッチングする段階と、(c) 前記第１
の部分を有機ポリマーの第２の層で充填する段階と、を
更に具備したことを特徴とする前記方法。 (21) 第１８項記載の方法において、前記有機ポリマー
は、テフロンＡＦ、ＢＣＢ、及びパリレンから成る部類
中から選択した材料を備えたことを特徴とする前記方
法。

【００２６】(22) 第１７項記載の方法において、前記
低誘電率材料は無機化合物からなることを特徴とする前
記方法。 (23) 第２２項記載の方法において、前記無機化合物は
低誘電率のシロキサンスピンオンガラスであることを特
徴とする前記方法。 (24) 第２２項記載の方法において、前記無機化合物は
低誘電率のフッ化ガラスであることを特徴とする前記方
法。

【００２７】(25) 金属相互接続層は、金属相互接続ラ
イン（３０、３２及び３４）、及び改良された誘電体層
１６を具備している。誘電体層１６は、二酸化ケイ素部
１８及び低誘電率部２０を備えている。低誘電率部２０
は、３．５未満の誘電率を有し、かつ、テフロンＡＦ等
の有機ポリマーを備え得る。ブァイアホール２４は二酸
化ケイ素部１８を通して伸長し得る。低誘電率部２０
は、ＲＣ遅延を低減するように機能する。

【図面の簡単な説明】

【図１】多層相互接続システムのブロック図である。

【図２】本発明の好ましい実施例による多層相互接続装
置の断面図である。

【図３】製造の種々の段階での本発明の好ましい実施例
による多層相互接続装置の断面図である。

【図４】製造の種々の段階での本発明の好ましい実施例
による多層相互接続装置の断面図である。

【図５】製造の種々の段階での本発明の好ましい実施例
による多層相互接続装置の断面図である。

【図６】製造の種々の段階での本発明の好ましい実施例
による多層相互接続装置の断面図である。

【図７】製造の種々の段階での本発明の好ましい実施例
による多層相互接続装置の断面図である。

【図８】製造の種々の段階での本発明の好ましい実施例
による多層相互接続装置の断面図である。

【図９】製造の種々の段階での本発明の好ましい実施例
による多層相互接続装置の断面図である。

【符号の説明】

１６誘電体層１８二酸化ケイ素部２０低誘電率部２４ブァイアホール３０、３２、３４金属相互接続ライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 27/04 Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 (a) 第１の金属構造体と、 (b) 前記金属構造体の第１の側にてこれを覆うシリコン
誘電体部、及び前記金属構造体の第２の側の低誘電体部
を有する誘電体層であって、該低誘電体部が３．９を下
回る誘電率を有してなる前記誘電体層と、を具備したこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項２】 (a) 半導体装置の表面上に金属の第１の
層を被着する段階と、 (b) 前記第１の金属層をエッチングして、第１及び第２
の金属構造体を形成する段階と、 (c) 前記第１及び第２の金属構造体、並びに前記半導体
装置の前記表面全体に二酸化ケイ素の第１の層を被着す
る段階と、 (d) 前記第１及び第２の金属構造体の間に位置する、前
記第１の二酸化ケイ素層の第１の部分をエッチングする
段階と、 (e) ３．９を下回る誘電率を有する低誘電率材料の第１
の層を被着する段階と、 (f) 前記第１の二酸化ケイ素層の表面に何ら有機ポリマ
ーが残存しないように、有機ポリマーの前記第１の層を
エッチングする段階と、を具備したことを特徴とする多
層相互接続を形成する方法。