JPH09312334A

JPH09312334A - 層間絶縁膜の形成方法

Info

Publication number: JPH09312334A
Application number: JP12661996A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Hasegawa; 利昭長谷川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 1997-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】導電性パターン（配線）の側壁に空洞の形成
する方法では、空洞が形成される部分と空洞が形成され
ない部分とが生じ、また配線間を空洞で形成すると配線
間で放電が発生して絶縁耐圧が劣化した。【解決手段】第１工程で、基板11上に形成した酸化シ
リコン膜12上に導電性パターン13を形成した後、酸化シ
リコン膜12の表面にシランカップリング剤14を塗布し、
第２工程で、基板11上に、導電性パターン13を覆う状態
に有機膜15を形成し、第３工程で、有機膜15のガラス転
移温度以上熱分解温度よりも低い温度で、上記有機膜15
をアニーリングした後冷却して、導電性パターン13と有
機膜15との間に空間17を形成する。

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、特に
０．２５μｍ以下の設計ルールの半導体装置の層間絶縁
膜の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の微細化、低消費電力化およ
び高速化などの要求にともない、層間絶縁膜の低誘電率
化が提案されている。その一つに基板上に導電性パター
ン（例えば配線）を形成した後、その配線を覆う状態に
層間絶縁膜となる有機膜を形成する方法が提案されてい
る。この方法では、上記有機膜を形成する際に、有機膜
と配線との間に空洞が形成される場合もあった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
製造方法による空洞の形成では、ウエハ上において空洞
が形成される部分と空洞が形成されない部分とが生じ、
空洞の形成に関しては不安定であった。このように、空
洞を利用した配線構造は提案されてはいるが、その形成
方法は未だ開発途上であり、確立されていない。また、
配線間を空洞として形成すると、配線間の絶縁耐圧が不
十分になり、配線間で放電が発生する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた層間絶縁膜の形成方法である。す
なわち、第１工程で、表面が酸化シリコン系膜の基板上
に導電性パターンを形成した後、酸化シリコン系膜にシ
ランカップリング剤を塗布する。次いで第２工程で、基
板上に、導電性パターンを覆う状態に有機膜を形成す
る。続いて第３工程で、有機膜を、この有機膜のガラス
転移温度以上この有機膜の熱分解温度よりも低い温度で
アニーリングを行った後冷却して、導電性パターンと有
機膜との間に空間を形成することを特徴とする層間絶縁
膜の形成方法である。

【０００５】また、上記導電性パターンは並列に形成さ
れていて、上記第３工程によって導電性パターンの側壁
と有機膜との間に空間を形成するとともに、導電性パタ
ーン間に有機膜からなる壁を形成することを特徴とする
層間絶縁膜の形成方法である。

【０００６】上記層間絶縁膜の形成方法では、シランカ
ップリング剤を塗布することから、導電性パターンと有
機膜との密着性はほとんど変わらずに、酸化シリコン系
膜と有機膜との密着性が高くなるので、両者の密着性の
差は拡大する。それにより、導電性パターンの側壁から
有機膜の剥がれを確実に起こすことが可能になる。そし
て有機膜のガラス転移温度以上熱分解温度よりも低い温
度でこの有機膜をアニーリングして膨張させ、その後冷
却を行うことにより、有機膜に体積収縮が生じて、密着
性の比較的弱い導電性パターンの側壁と有機膜との間に
空間が生じることになる。このように、酸化シリコン系
膜に比較して導電性パターンのほうが有機膜は剥がれ易
くなること、および有機膜の熱膨張係数が大きいことを
利用して、その有機膜の熱収縮により導電性パターンの
側壁には空間が確実に形成されることになる。したがっ
て、導電性パターン間の容量を減少させる方法として理
論的に最も効果がある比誘電率がおよそ１．０の空間が
容易に形成される。

【０００７】また、導電性パターンが並列に形成され、
各導電性パターンの側壁に空間を形成する方法では、上
記説明した理由により導電性パターンの側壁と有機膜と
の間には空間が形成される。その際、導電性パターン間
のほぼ中央部には有機膜が残る状態になり、それが有機
膜の壁となる。この壁が形成されることによって、導電
性パターン間が空間を挟んで相対することがなくなるの
で、空間を介して導電性パターン間での放電は起きなく
なる。したがって、導電性パターン間の絶縁耐圧は確保
される。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の第１例を図１
によって説明する。

【０００９】図１の（１）に示すように、一般的な化学
的気相成長（以下、ＣＶＤという、ＣＶＤはChemical V
apour Depositionの略）法によって、基板（例えばシリ
コン基板）１１上に酸化シリコン系膜として酸化シリコ
ン膜１２を例えば５００ｎｍの厚さに形成する。このＣ
ＶＤ法では、原料ガスに、モノシラン（ＳｉＨ₄）と酸
素（Ｏ₂）とを用いた。または上記酸化シリコン膜１２
の形成をプラズマＣＶＤ法によって行ってもよい。その
際には、原料ガスに例えばテトラエトキシシラン（ＴＥ
ＯＳ）と酸素とを用いる。

【００１０】次いでスパッタリングによって、上記酸化
シリコン膜１２上に導電層を形成した後、リソグラフィ
ック技術とエッチングとによって上記導電層をパターニ
ングして、導電性パターン１３を形成した。この導電層
は、ここでは一例として、シリコンを含有するアルミニ
ウムで形成した。

【００１１】続いて酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）ガスを用いた
プラズマを照射して、基板１１上の酸化シリコン膜１２
の表面を水酸基で終端する。このプラズマ照射は、例え
ば平行平板型のプラズマ発生器を用い、１３．５６ＭＨ
ｚのＲＦパワーを３００Ｗで印加した。その際、イオン
の方向性から導電性パターン１３の側壁には水酸基（−
ＯＨ）はでき難く、導電性パターン１３間の酸化シリコ
ン膜１２の表面に水酸基ができる。

【００１２】次に図１の（２）に示すように、回転塗布
法によって、上記酸化シリコン膜１２の表面にシランカ
ップリング剤１４として、ナノフルオロヘキシトリクロ
ロシラン〔ＣＦ₃（ＣＦ₂）_nＣＨ₂ＳｉＣｌ₃；ただ
し、ｎ≧２とする〕もしくはナノフルオロヘキシトリメ
トキシシラン〔ＣＦ₃（ＣＦ₂）_nＣＨ₂Ｓｉ（ＯＭ
ｅ）₃；ただし、ｎ≧２とし、Ｍｅはメチル基を表す〕
を塗布する。なお、この図面では、酸化シリコン膜１２
上のシランカップリング剤１４を示し、導電性パターン
１３の表面に塗布されたシランカップリング剤１４の図
示は省略した。

【００１３】次に図１の（３）に示すように、減圧ＣＶ
Ｄ法によって、上記酸化シリコン膜１２上に上記導電性
パターン１３を覆う状態に有機膜１５を形成する。ここ
では有機膜１５として、フロロカーボンの１種であるポ
リパラキシリレンを例えば５００ｎｍの厚さに成膜し
た。この減圧ＣＶＤ法では、原料ガスに例えばジパラキ
シリレン（Di-Para-Xylylene) を用い、ＣＶＤ時には原
料ガスを２００℃に加熱して昇華させ、６５０℃でキシ
リレンモノマーに分解し、１５０℃に加熱した基板１１
上に導入した。

【００１４】次いで図１の（４）に示すように、一般的
なＣＶＤ法によって、有機膜１５上に酸化シリコン膜１
６を例えば５００ｎｍの厚さに形成する。このＣＶＤ法
では、原料ガスに、モノシランと酸素とを用いた。また
は上記酸化シリコン膜１６の形成を原料ガスに例えばテ
トラエトキシシランと酸素とを用いたプラズマＣＶＤ法
によって行ってもよい。

【００１５】続いて不活性な雰囲気として窒素ガス雰囲
気でアニーリングを行う。このアニーリングでは、アニ
ーリング温度をポリパラキシリレンのガラス転移温度
（一例として２５０℃）以上熱分解温度（一例として４
００℃）よりも低い温度に設定し、ここでは一例として
３５０℃に設定した。その後、例えば５０℃／分〜１０
０℃／分の範囲の冷却速度で冷却した。このとき、有機
膜１５の熱収縮によってこの有機膜１５は導電性パター
ン１３面から剥がれる一方、酸化シリサイド膜１２面で
は密着性が高いため剥がれない。その結果、導電性パタ
ーン１３の側壁と有機膜１５との間に空間１７が形成さ
れた。

【００１６】上記層間絶縁膜の形成方法では、シランカ
ップリング剤を塗布してから上記有機膜１５を形成する
ことから、導電性パターン１３と有機膜１５との密着性
はほとんど変わらずに、酸化シリコン膜１２と有機膜１
５との密着性は高くなる。そのため、両者の密着性の差
は拡大する。それにより、導電性パターン１３の側壁か
ら有機膜１５の剥がれを確実に起こすことが可能にな
る。

【００１７】また有機膜１５のガラス転移温度以上熱分
解温度よりも低い温度でこの有機膜１５をアニーリング
することから、有機膜１５は膨張する。その後、有機膜
１５が収縮するような冷却速度で冷却することから、有
機膜１５は体積収縮を生じ、さらに密着性の比較的弱い
導電性パターン１３の側壁と有機膜１５との間に空間１
７が生じる。

【００１８】このように、酸化シリコン膜１２に比較し
て導電性パターン１３の方が有機膜１５は剥がれ易くな
ること、および有機膜１５の熱膨張係数が大きいことを
利用して、その有機膜１５の熱収縮により導電性パター
ン１３の側壁には空間１７が確実に形成されることにな
る。したがって、導電性パターン１３間の容量を減少さ
せる方法として理論的に最も効果がある比誘電率がおよ
そ１．０の空間が容易に形成される。

【００１９】また前記図１に示すように、導電性パター
ン１３が並列に形成され、各導電性パターン１３の側壁
に空間１７を形成する方法では、上記説明した理由によ
り導電性パターン１３の側壁には有機膜１５の熱収縮に
より空間１７が形成される。そのため、導電性パターン
１３間のほぼ中央部には有機膜１５が残る状態になり、
それが有機膜１５の壁１８となる。この壁１８が形成さ
れることによって空間１７の耐圧は確保される。

【００２０】次に実施形態の第２例として、有機膜１５
にフロロカーボンの１種であるポリテトラフルオロエチ
レンを用いる層間絶縁膜の形成方法を以下に説明する。
この第２例では、有機膜１５の形成方法とこの有機膜１
５のアニーリング以外は、上記第１例で説明した方法と
同様である。したがって、ここでは有機膜１５の形成方
法とそのアニーリングのみを説明する。

【００２１】前記第１例で説明したようにシランカップ
リング剤を塗布した後、回転塗布法によって、酸化シリ
コン膜１２上に導電性パターン１３を覆う状態に有機膜
１５を形成する。ここでは有機膜１５として、（１）式
で表されるようなポリテトラフルオロエチレンを、例え
ば５００ｎｍの厚さに成膜した。上記ポリテトラフルオ
ロエチレンとしては、例えばアモルファステフロンと呼
ばれる物が知られている。

【００２２】

【化１】

【００２３】上記回転塗布法では、ポリテトラフルオロ
エチレンをフロロカーボン系の溶剤に溶かし、粘度を３
０ｃｐに調整した。それを回転塗布法により基板１１上
に塗布して、厚さが５００ｎｍの上記有機膜を形成し
た。その時の回転数は３０００ｒｐｍとした。その後、
不活性な雰囲気として窒素ガス雰囲気中で１００℃、２
分間のベーキングを行った。なお、上記フロロカーボン
系の溶剤としては、例えばフロリナートと呼ばれる物が
知られている。

【００２４】その後、上記第１例と同様にして、有機膜
１５上に酸化シリコン膜１６を例えば５００ｎｍの厚さ
に形成した後、不活性な雰囲気として窒素ガス雰囲気で
アニーリングを行った。このアニーリングでは、アニー
リング温度をポリテトラフルオロエチレンのガラス転移
温度（一例として１６０℃）以上、その熱分解温度（一
例として４５０℃）よりも低い温度に設定し、ここでは
一例として３５０℃に設定した。その後、例えば５０℃
／分〜１００℃／分の範囲の冷却速度で冷却した。この
とき、有機膜１５の熱収縮によってこの有機膜１５は導
電性パターン１３面から剥がれる一方、酸化シリサイド
膜１２面では密着性が高いため剥がれない。その結果、
導電性パターン１３の側壁と有機膜１５との間に空間１
７が形成された。

【００２５】この第２例では、上記第１例で説明した作
用の他に、有機膜１５を回転塗布法によって形成したこ
とにより、酸化シリコン膜１２の表面にシランカップリ
ング剤を塗布した効果が十分に発揮される。すなわち、
前記第１例に比較して、有機膜１５を形成する際にシラ
ンカップリング剤が蒸発することが少なくなるためであ
る。

【００２６】次に実施形態の第３例として、有機膜１５
にフロロカーボンの１種であるシクロポリマライズドフ
ロリネーテッドポリマーを用いる層間絶縁膜の形成方法
を以下に説明する。この第３例では、有機膜１５の形成
方法とこの有機膜１５のアニーリング以外は、上記第１
例で説明した方法と同様である。したがって、ここでは
有機膜１５の形成方法とそのアニーリングのみを説明す
る。

【００２７】前記第１例で説明したようにシランカップ
リング剤を塗布した後、回転塗布法によって、酸化シリ
コン膜１２上に導電性パターン１３を覆う状態に有機膜
１５を形成する。ここでは有機膜１５として、（２）式
で表されるようなフロロカーボン系のシクロポリマライ
ズドフロリネーテッドポリマーを用い、例えば５００ｎ
ｍの厚さに成膜した。上記シクロポリマライズドフロリ
ネーテッドポリマーとしては、例えばサイトップと呼ば
れる物が知られている。

【００２８】

【化２】

【００２９】上記回転塗布法では、シクロポリマライズ
ドフロリネーテッドポリマーをフロロカーボン系の溶剤
に溶かし、粘度を３０ｃｐに調整した。それを回転塗布
法により基板１１上に塗布して、厚さが５００ｎｍの上
記有機膜を形成した。その時の回転数は３０００ｒｐｍ
とした。その後、不活性な雰囲気として窒素ガス雰囲気
中で１００℃、２分間のベーキングを行った。

【００３０】その後、上記第１例と同様にして、有機膜
１５上に酸化シリコン膜１６を例えば５００ｎｍの厚さ
に形成した後、不活性な雰囲気として窒素ガス雰囲気で
アニーリングを行った。このアニーリングでは、アニー
リング温度をシクロポリマライズドフロリネーテッドポ
リマーのガラス転移温度（一例として１２０℃）以上、
その熱分解温度（一例として４２０℃）よりも低い温度
に設定し、ここでは一例として３５０℃に設定した。そ
の後、例えば５０℃／分〜１００℃／分の範囲の冷却速
度で冷却した。このとき、有機膜１５の熱収縮によって
この有機膜１５は導電性パターン１３面から剥がれる一
方、酸化シリサイド膜１２面では密着性が高いため剥が
れない。その結果、導電性パターン１３の側壁と有機膜
１５との間に空間１７が形成された。

【００３１】次に実施形態の第４例として、有機膜１５
にフロロカーボンの１種であるフッ化ポリアリルエーテ
ルを用いる層間絶縁膜の形成方法を以下に説明する。こ
の第４例では、有機膜１５の形成方法とこの有機膜１５
のアニーリング以外は、上記第１例で説明した方法と同
様である。したがって、ここでは有機膜１５の形成方法
とそのアニーリングのみを説明する。

【００３２】前記第１例で説明したようにシランカップ
リング剤を塗布した後、回転塗布法によって、酸化シリ
コン膜１２上に導電性パターン１３を覆う状態に有機膜
１５を形成する。ここでは有機膜１５として、（３）式
で表されるようなフッ化ポリアリルエーテルを例えば５
００ｎｍの厚さに成膜して形成した。上記フッ化ポリア
リルエーテルとしては、例えばフレア（ＦＬＡＲＥ）と
呼ばれる物が知られている。

【００３３】

【化３】

【００３４】上記回転塗布法では、フッ化ポリアリルエ
ーテルをフロロカーボン系の溶剤に溶かし、粘度を３０
ｃｐに調整した。それを回転塗布法により基板１１上に
塗布して、厚さが５００ｎｍの上記有機膜を形成した。
その時の回転数は３０００ｒｐｍとした。その後、不活
性な雰囲気として窒素ガス雰囲気中で１００℃、２分間
のベーキングを行った。

【００３５】その後、上記第１例と同様にして、有機膜
１５上に酸化シリコン膜１６を例えば５００ｎｍの厚さ
に形成した後、不活性な雰囲気として窒素ガス雰囲気で
アニーリングを行った。このアニーリングでは、アニー
リング温度をフッ化ポリアリルエーテルのガラス転移温
度（一例として２６０℃）以上、その熱分解温度（一例
として４６０℃）よりも低い温度に設定し、ここでは一
例として３５０℃に設定した。その後、例えば５０℃／
分〜１００℃／分の範囲の冷却速度で冷却した。このと
き、有機膜１５の熱収縮によってこの有機膜１５は導電
性パターン１３面から剥がれる一方、酸化シリサイド膜
１２面では密着性が高いため剥がれない。その結果、導
電性パターン１３の側壁と有機膜１５との間に空間１７
が形成された。

【００３６】次に実施形態の第５例として、有機膜１５
にフロロカーボンの１種であるフッ化ポリイミドを用い
る層間絶縁膜の形成方法を以下に説明する。この第４例
では、有機膜１５の形成方法とこの有機膜１５のアニー
リング以外は、上記第１例で説明した方法と同様であ
る。したがって、ここでは有機膜１５の形成方法とその
アニーリングのみを説明する。

【００３７】前記第１例で説明したようにシランカップ
リング剤を塗布した後、回転塗布法によって、酸化シリ
コン膜１２上に導電性パターン１３を覆う状態に有機膜
１５を形成する。ここでは有機膜１５としてフッ化ポリ
イミドを例えば５００ｎｍの厚さに成膜して形成した。
上記回転塗布法では、フッ化ポリイミドをフロロカーボ
ン系の溶剤に溶かし、粘度を３０ｃｐに調整した。それ
を回転塗布法により基板１１上に塗布して、厚さが５０
０ｎｍの上記有機膜を形成した。その時の回転数は３０
００ｒｐｍとした。その後、不活性な雰囲気として窒素
ガス雰囲気中で１００℃、２分間のベーキングを行っ
た。

【００３８】その後上記第１例と同様にして、有機膜１
５上に酸化シリコン膜１６を例えば５００ｎｍの厚さに
形成した後、不活性な雰囲気として窒素ガス雰囲気でア
ニーリングを行った。このアニーリングでは、アニーリ
ング温度をフッ化ポリイミドのガラス転移温度（一例と
して２００℃）以上、その熱分解温度（一例として４２
０℃）よりも低い温度に設定し、ここでは一例として３
５０℃に設定した。その後、例えば５０℃／分〜１００
℃／分の範囲の冷却速度で冷却した。このとき、有機膜
１５の熱収縮によってこの有機膜１５は導電性パターン
１３面から剥がれる一方、酸化シリサイド膜１２面では
密着性が高いため剥がれない。その結果、導電性パター
ン１３の側壁と有機膜１５との間に空間１７が形成され
た。

【００３９】上記第３例〜第５例においても、上記第２
例と同様の作用が得られる。また、上記有機膜１５とし
て有機ＳＯＧ（Spin on glass ）を用いることも可能で
ある。

【００４０】なお、上記各材料のガラス転移温度および
熱分解温度は、各材料中に添加物を入れることにより変
化する。したがって、添加物が添加されているような場
合には、適宜、アニーリングの温度条件は変更される。

【００４１】なお、上記説明した有機膜１５は、炭素原
子およびフッ素原子を含有することで誘電率を下げてい
る。そのような材料では、誘電率が１．５〜２．５程度
のものが実現されつつある。上記材料としては、前記実
施形態で説明したフロロカーボンポリマー、ポリイミ
ド、ポリパラキシリレンの他に有機ＳＯＧ等が知られて
いる。これらの材料は、炭素原子をアルキル基として含
むことで材料の密度を下げること、および分子自体の分
極率を低くすることで、低誘電率になっていると言われ
ている。また、上記材料は、単に誘電率が低いだけでは
なく、半導体装置を構成する材料として必要不可欠な耐
熱性を有している。例えばポリイミドはイミド結合を有
することで、ポリパラキシリレン、フロロカーボンポリ
マー等はベンゼン環を有することで、有機ＳＯＧはシロ
キサン構造を有することで、それぞれ耐熱性を有してい
る。

【００４２】そして、低誘電率膜の誘電率の低減に対す
る要望は、ＵＬＳＩの微細化が進むにつれて益々強くな
ってきている。その中で現在の実用化されそうな低誘電
率膜は、次世代の膜として有望視されている有機フロロ
カーボン膜であり、その誘電率は２．０程度である。

【００４３】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
酸化シリコン系膜にシランカップリング剤を塗布するの
で、導電性パターンと有機膜との密着性はほとんど変わ
らずに、酸化シリコン系膜と有機膜との密着性を高くす
ることができる。そのため、有機膜をアニーリングした
後冷却した際に、導電性パターンの側壁から有機膜が剥
がれ易くなるので、導電性パターンの側壁に確実に空間
を形成することが可能になる。また、導電性パターンの
側壁に空間が形成された際、導電性パターン間のほぼ中
央部には有機膜が残る状態になり、それが有機膜の壁と
なる。この壁が形成されるので導電性パターン間の絶縁
耐圧を確保することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる実施形態の説明図である。

【符号の説明】

１１基板１２酸化シリコン膜１３導電性
パターン１４シランカップリング剤１５有機膜１７
空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面が酸化シリコン系膜の基板上に導電
性パターンを形成した後、前記酸化シリコン系膜の表面
にシランカップリング剤を塗布する第１工程と、前記基板上に、前記導電性パターンを覆う状態に有機膜
を形成する第２工程と、前記有機膜を、該有機膜のガラス転移温度以上該有機膜
の熱分解温度よりも低い温度でアニーリングを行った後
冷却して、前記導電性パターンと前記有機膜との間に空
間を形成する第３工程とを備えたことを特徴とする層間
絶縁膜の形成方法。
【請求項２】請求項１記載の層間絶縁膜の形成方法に
おいて、前記導電性パターンを形成した後で前記シランカップリ
ング剤を塗布する前に、前記酸化シリコン系膜の表面を
水酸基で終端することを特徴とする層間絶縁膜の形成方
法。
【請求項３】請求項１記載の層間絶縁膜の形成方法に
おいて、前記導電性パターンは並列に形成されていて、前記第３工程によって前記導電性パターンの側壁と前記
有機膜との間に空間を形成するとともに、前記導電性パ
ターン間に前記有機膜からなる壁を形成することを特徴
とする層間絶縁膜の形成方法。
【請求項４】請求項２記載の層間絶縁膜の形成方法に
おいて、前記導電性パターンは並列に形成されていて、前記第３工程によって前記導電性パターンの側壁と前記
有機膜との間に空間を形成するとともに、前記導電性パ
ターン間に前記有機膜からなる壁を形成することを特徴
とする層間絶縁膜の形成方法。