JPH09507617A - 積層低誘電率技術 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体装置において金属相互接続部（１２）の第１の層を互いから分離し、さらに、金属相互接続部（１２）の第１の層への電気的接続をなすための金属相互接続部（２８）の第２の上に載る層から第１の層を分離する、積層誘電体構造が設けられる。積層誘電体構造は、（ａ）金属相互接続部の第１の層において金属相互接続部（１２）間の間隙を充填する有機塗布ガラス材料の層（１８）と、（ｂ）金属相互接続部（２８）の第２の層を支持するよう平坦化を与えるための無機塗布ガラス材料の層（２６）と、（ｃ）有機塗布ガラス層（１８）と無機塗布ガラス層（２６）とを分離する、化学的に気相成長させられる酸化物（２０）の層とを含む。この積層誘電体構造は、垂直方向において３．３６〜３．４６の大きさのキャパシタンスを与え、水平方向においては約３．２のキャパシタンスを与える。これは、現在市場で入手可能な材料を用いて、先行技術の単一誘電体層に対し１０〜１５％の低減である。

Description

【発明の詳細な説明】 積層低誘電率技術 技術分野 この発明は一般に半導体技術において用いられる金属相互接続部に関し、より 特定的にはキャパシタンスにおける低減を伴うマイクロメートル未満の金属相互 接続部の製造に関する。 背景技術 半導体業界はこの３０年間アルミニウム−二酸化シリコンベースのシステムに 依存してきた。性能に対する要求が留まることなく増大する中で、このシステム は今後の要件を支持するには十分ではないようにみえる。その最良の材料が空気 そのものである低誘電率技術が、アルミニウムベースのシステムに新しい息を吹 込むために提案されている。導体システムをアルミニウムベースから銅ベースへ 切換えるためにいくつかの提案がなされている。 提案される解決法の大部分は、コンピュータモデル化および紙上においてはう まく働く。ここでの議論は、この技術の実用面に焦点をあてる。ここで取組まれ る主な問題は、市場に出す時期、実現化の費用、および投資における収益である 。 情報産業および娯楽産業は、集積回路設計者および製造業者に対する増大し続 ける性能向上要求に対する推進力を与えている。これらの産業において堅牢であ ったアルミニ ウム−二酸化シリコンシステムは、それらの厳しい要求を支える活力がなくなり つつあるようにみえる。消費者はより高い性能およびより高い信頼性を要求して いる。表１に示される種々のシステムの性能についてのまとめに基づくと、それ は表１に示される種々のシステムの性能に重要であることか明らかであり、性能 を増すためにベーシックなＡｌ−ＳｉＯ₂システムから離れることが重要である ことは明らかである。 空気の比誘電率は１であるため、提案される最良のシステムはエアギャップ（ エアブリッジ）メタライゼーションシステムである。これは、おそらく得られ得 る最もよいＲＣ遅延を与える。しかしながら、このシステムは製造するのが困難 でありかつ品質を保証するのが困難である。 最適ＲＣ遅延を維持するためにはキャパシタンスを低減 することが必要である。しかしながら、金属相互接続部間の間隔を狭くするとキ ャパシタンスの増大が生じる。したがって、最適ＲＣ遅延を維持しながらマイク ロメートル未満の金属相互接続部の製造を可能にする機構が必要とされる。 発明の開示 この発明に従うと、半導体装置において金属相互接続部の第１の層を互いから 分離し、かつその金属相互接続部を金属相互接続部の第１の層への電気的接触を なすための金属相互接続部の第２の上に載る層からさらに分離する、積層誘電体 構造が設けられる。積層誘電体構造は、 （ａ） 金属相互接続部の第１の層間の間隙を充填する有機塗布ガラス材料の 層と、 （ｂ） 金属相互接続部の第２の層を支持するよう平坦化を与えるための無機 塗布ガラス材料の層と、 （ｃ） 有機塗布ガラス層と無機塗布ガラス層とを分離する、化学的に気相成 長させられる（ＣＶＤ）酸化物の層とを含む。 有機／無機塗布ガラス材料の多層を用いて局所的および全体的な平坦性を与え る場合、ＣＶＤ層は構造的支持を与えるために各そのような層を分離するよう堆 積される。 積層誘電体構造は、垂直方向において３．３６〜３．４６の大きさのキャパシ タンスを与え、水平方向においては約３．２のキャパシタンスを与える。これは 、現在ある市 場で入手可能な材料を用いながら、先行技術の単一誘電体層に対して１０〜１５ ％の低減である。 この発明の他の目的、特徴、および利点は、図中における同じ参照符号は同じ 特徴を表わす、以下の詳細な説明および添付の図面を考慮すれば明らかとなるで あろう。 図面の簡単な説明 この記載において言及される図面は、特に示される場合を除き、尺度決めする よう描かれてはいないものであるとして理解されるべきである。さらに、図面は 、この発明に従って製造される集積回路の一部のみを示すことが意図される。 唯一の図は、装置を第２の接続層まで示す、この発明の積層誘電体構造の断面 図である。 この発明を実施するためのベストモード ここで、この発明を実施するために発明者が現在目的とするベストモードを示 す、この発明の特定の実施例を詳細に参照する。さらに、代替的に実施例が、適 用可能なように簡単に記載される。 この発明に従うと、有機および無機タイプの両方の塗布ガラス（ＳＯＧ）材料 は、半導体装置を製造するプロセスにおいて化学的に気相成長させられる（ＣＶ Ｄ）酸化物に関連して用いられる。有機ＳＯＧは、基本的には、アライド１１１ （Allied 111）等の、半導体装置の製造に現在用いられるポリシロキサンである 。しかしながら、半導体装 置の処理に広く用いられるどのようなポリシロキサンが用いられてもよい。アラ イド１１１等の古い材料は全て相対的に高誘電率の材料である。 アライド・ケミカル（Allied Chemical）および日立化成の両方から入手可能 である新しい有機シロキサンＳＯＧ材料は、相対的に低い誘電率（約２．６）を 明らかに示す。これらの新しい材料はシルセスキオキサンと呼ばれ、アライド・ ケミカルの名称はＸＴ−１５であり、日立化成の名称はＨＳＧ−２２０９Ｓ−Ｒ ７である。シルセスキオキサンは、古い有機ＳＯＧ材料よりも高い炭素濃度を達 成するよう、メチル、エチル、ブチル、または他のアルキル官能性を有する。こ の高い炭素濃度のために、これらの材料はビアの開口中に露出され得ず、という のも、ビアの形成中にフォトレジストを除去するために用いられるＯ₂プラズマ が炭素を酸化して、アルミニウムを含む相互接続部に途切れ目を作るからである 。したがって、ビア開口中に材料が露出される場合には、特に注意が必要である 。注意を怠ると、ビアが汚染される。一方で、これらの新しい材料は、十分な間 隙充填品質を有し、金属間隔の間を充填することができる。 高い箇所の上にＳＯＧ材料が確実に全く残らないようにするために、炉硬化の 後にＳＯＧ材料のエッチバックが必要とされる。エッチバックは非常に短くても よく、堆積されたのと同じ量を除去するよう計算される。ＳＯＧ材料は、 その性質から、高い領域においてよりも低いところにある領域においてより厚く 堆積する傾向であり、したがって、エッチバックは、高い箇所の上に残っている ＳＯＧ材料を取除くだけてあり、低い所にある領域からは少量しか取除かない。 シリコンの割合が高いＳｉＯ₂層を含むライナーは、典型的には装置を湿気か ら遮蔽するために必要とされる。このようなライナーは、ウェハ全体を覆うよう に堆積され、湿気バリアとして働く。ライナーは化学的に気相成長させられる（ ＣＶＤ）酸化物であり、典型的には、約１０００Åの厚みの、プラズマ強化の、 化学的に気相成長させられる（ＰＥＣＶＤ）層である。一方、ＣＶＤ酸化物ライ ナーの厚みは、それが電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によって堆積される場 合には、わずか５００Åしか必要としない。どちらのＣＶＤ酸化物が用いられて もよいか、好ましくは、ＰＥＣＶＤ酸化物が用いられ、以下の議論はＰＥＣＶＤ 酸化物に向けられる。しかしながら、同じ考慮がＥＣＲ ＣＶＤ酸化物にも当て はまることが理解される。 シリコンの割合が高いＳｉＯ₂層は、その屈折率に基づいて、純粋なＳｉＯ₂か ら区別される。純粋なＳｉＯ₂の場合、屈折率は約１．４６〜１．５である。優 良な、信頼性のあるＳＯＧ層では、屈折率は１．６より大きくあることが必要で ある。これはＳｉＯ₂層により多くのシリコンを取入れることにより達成され、 十分なシリコンが存在す るかどうかの判断はその層の屈折率の測定によって容易になされる。 ビアの形成が有機ＳＯＧ材料を通ってエッチングしてそれをビアにおいて露出 させないことを保証することだけが必要である。プラズマ強化のＣＶＤにより堆 積されるような薄いＣＶＤ酸化物は、金属空間においてこの層を遮蔽するために 用いられる。ジェイコブ・ディー・ハスケル（Jacob D．Haskell）に対して発行 されかつこの発明と同じ譲受人に譲渡された一連の米国特許（米国特許第４，９ ７４，０５５号、第４，９７７，１０８号、第５，０２８，５５５号、第５，０ ５５，４２７号、第５，０５７， ９０２号、および第５，０８１，５１６号） に開示されクレームされるような典型的な製造機構の場合、この発明に従って薄 いＳｉＯ₂ライナーが用いられかつシロキサンベースのＳＯＧが金属空間におい て挟まれるならば、平均誘電率は約３．２である。 無機ＳＯＧは層間誘電体を全体的に平坦化するのに用いられる。そのような無 機ＳＯＧの例は、ケイ酸塩と水素化シルセスキオキサンとを含む。この材料は、 ダウ・コーニング（Dow Corning）「流動性酸化物（“Flowable Oxide”）」ま たはトウキョウ・オカ（ToKyo OKa）タイプ７であってもよい。これらは非エッ チバックタイプＳＯＧである。これらの無機ＳＯＧの報告された誘電率は約３． ２である。応力クラックを避けるため、引伸ばされる最大量 はトポグラフィウェハでわずか６０００Åである。これらの無機ＳＯＧ層は本来 伸張性があり、全ＳＯＧ厚み（有機のものに無機のものを加えたもの）は約１μ ｍを超えるべきではない。有機ＳＯＧ層と無機ＳＯＧ層との間のＰＥＣＶＤ層は 応力を軽減するよう働く。 無機ＳＯＧ材料の特性は、無機ＳＯＧ材料が低いところにある領域にすべて流 れて高い領域にはほんのわずかにしか残らないというものである。例外は、大き な金属パット領域（図示せず）においてであろう。硬化後、別の薄いＰＥＣＶＤ 酸化物が、無機ＳＯＧ層を遮蔽するよう堆積されて、湿気バリアとして働く。第 ２の無機ＳＯＧ層／ＰＥＣＶＤ被覆が正しい層間誘電体厚を与えるために再度用 いられて、したがって、現在の最新技術の単一誘電体材料と比較した場合に低い 誘電率を有する積層絶縁構造を与える。 完成された構造が唯一の図に示される。シリコン基板１０は、誘電体領域１４ によって分離される、複数の金属相互接続部１２を含む第１の相互接続層を支持 する。金属相互接続部１２は半導体基板１０においてドープされた領域（図示せ ず）と接触する。典型的には、アルミニウム、もしくはシリコンでドープされた アルミニウム、チタンまたは銅を含む金属相互接続部１２を形成し規定した後、 露出しているすべての領域はまずシリコン酸化物の第１のＰＥＣＶＤ層１６で被 覆される。シリコン酸化物層１６は、金属相互接続部１２間の領域１４の底部を 被覆し（つまり、 シリコン基板１０を被覆し）、ならびに金属相互接続部の側部および頂部を被覆 する。 次に、有機塗布ガラス材料の層１８が形成され、これは金属接続部１２間で領 域１４を部分的に充填する。第２のＰＥＣＶＤシリコン酸化物層２０は、ＰＥＣ ＶＤで被覆された金属相互接続部１２上と有機ＳＯＧ層１８上とにおいて覆うよ うに堆積される。第１の無機ＳＯＧ層２２が次いで第２のＰＥＣＶＤ層２０上に 覆うように堆積される。第３のＰＥＣＶＤシリコン酸化物層２４が次いで第１の 無機ＳＯＧ層２２上に覆うように堆積される。第２の無機ＳＯＧ層２６は平坦化 のために第３のＰＥＣＶＤ層２４上に覆うように堆積される。 第２の相互接続層２８が次いで第２の無機ＳＯＧ層２６上に形成されパターニ ングされて、金属相互接続部１２の第１の層に載る。 この発明の実用化において有用な典型的なエッチバック条件は１：１に近い比 に対して最適化された従来的な酸化物エッチングプロセス、つまり、酸化物ライ ナー層と同じ速度でＳＯＧをエッチングすることを含む。よりよい平坦性制御の ために、わずかに速い酸化物エッチング速度が好ましい。典型的な化学的性質は 、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＡｒおよびＯ₂である。エッチバックの量は、ビア開口領域 にＳＯＧが確実に露出しないように、高い箇所からＳＯＧを除去するよう最適化 される。 誘電率は、トポグラフィの関数であり、垂直方向においては３．３６〜３．４ ６の範囲にありかつ水平方向においては約３．２である。これは、現在市場で入 手可能な材料を用いて、先行技術のアプローチに対し１０〜１５％の間でＲＣ低 減を与える。 この技術の場合、新しいツーリングは必要なく、必要な材料は現在入手可能で ある。 この発明のプロセスは、現在あるうちで最もよい現在入手可能な低誘電率材料 を使用し、それらをそれらの特性に従って使用する。ゆえに、これらのプロセス の統合は、積層誘電体構造を形成するのに必要なさらなる多数のステップのため かなり煩雑である。一方で、それらの材料はそれらの能力以上には前に出されず 、比較的低い誘電体構造が得られる。 産業上の利用性 ０．５μｍ未満の半導体技術に対する積層低誘電体アプローチは、シリコン処 理における使用を見出すことが期待される。 この発明の好ましい実施例の上の記載は、例示および説明の目的で提示された ものである。それは、網羅的であることが意図されるものではなく、また開示さ れる形式そのものにこの発明が限定されることを意図するものでもない。明らか に、多くの修正物および変形物が当業者には明らかである。この発明は、ＭＯＳ またはバイポーラプロセスに おける他の製造技術において実施されるであろうということが考えられる。同様 に、記載される処理工程は、同じ結果を達成するために、他のステップと相互に 交換可能であるかもしれない。本実施例はこの発明の原理およびその実用上の適 用例を最もよく説明するために選択され記載され、それによって、目的とされる 特定の使用に適合される、種々の実施例に対するおよび種々の修正を伴うこの発 明を当業者が理解することを可能にする。この発明の範囲は添付の請求の範囲お よびそれらの均等物によって定義されることが意図される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体装置において金属相互接続部の第１の層を互いから分離し、かつ金属 相互接続部（１２）の前記第１の層への電気的接続をなすための金属相互接続部 （２８）の第２の上に載る層から金属相互接続部（１２）の前記第１の層を分離 するための積層誘電体構造であって、前記積層誘電体構造は、 （ａ） 金属相互接続部（１２）の前記第１の層において金属相互接続部間の 間隙を充填する有機塗布ガラス材料（１８）の層と、 （ｂ） 金属相互接続部（２８）の前記第２の層を支持するために平坦化を与 えるための無機塗布ガラス材料（２６）の層と、 （ｃ） 前記有機塗布ガラス層と前記無機塗布ガラス層とを分離する、化学的 に気相成長させられる酸化物の層（２０）とを含む、積層誘電体構造。 ２．前記有機塗布ガラス材料（１８）は炭素を多く含有するシロキサンから本質 的になる、請求項１に記載の積層誘電体構造。 ３．前記有機塗布ガラス層（１８）は前記金属相互接続部（１２）の厚みの約１ ／２の厚みを有する、請求項２に記載の積層誘電体構造。 ４．前記無機塗布ガラス材料（２６）はケイ酸塩または水 素化シルセスキオキサンから本質的になる、請求項１に記載の積層誘電体構造。 ５．前記無機塗布ガラス層（２６）は約６０００Å未満の厚みを有する、請求項 ４に記載の積層誘電体構造。 ６．前記化学的に気相成長させられる酸化物層（２０）はシリコンの割合か大き い二酸化シリコンを含む、請求項１に記載の積層誘電体構造。 ７．前記化学的に気相成長させられる酸化物層（２０）は約５００〜１０００Å の範囲の厚みを有する、請求項６に記載の積層誘電体構造。 ８．前記積層誘電体構造は、 （ａ） 酸化物により被覆される金属相互接続部を形成するために、前記第１ の金属相互接続層（１２）のすべての露出した金属表面と露出した半導体（１０ ）表面とを被覆する、第１の、プラズマ強化の、化学的に気相成長させられる酸 化物層（１６）と、 （ｂ） 前記金属相互接続部（１２）間の空間を部分的に充填し、露出した、 前記酸化物により被覆される金属相互接続部（１２）の頂部を残す、有機塗布ガ ラス材料（１８）と、 （ｃ） 前記酸化物により被覆される金属相互接続部（１２）の前記頂部上と 前記有機塗布ガラス層（１８）上とにおける、第２の、プラズマ強化の、化学的 に気相成長させられる層（２０）と、 （ｄ） 前記第２の、プラズマ強化の、化学的に気相成長させられる酸化物層 （２０）を被覆する、第１の無機塗布ガラス層（２２）と、 （ｅ） 前記第１の無機塗布ガラス層（２２）を被覆する、第３の、プラズマ 強化の、化学的に気相成長させられる酸化物層（２４）と、 （ｆ） 前記第３の、プラズマ強化の、化学的に気相成長させられる層（２４ ）を被覆する、平坦な第２の無機塗布ガラス層（２６）と、 （ｇ） 前記第２の無機塗布ガラス層（２６）の上の、金属相互接続部（２８ ）の前記第２の層とを含む、請求項１に記載の積層誘電体構造。 ９．請求項１の前記半導体装置において金属相互接続部（１２）の前記第１の層 間においてキャパシタンスを低減するためのプロセスであって、金属相互接続部 （１２）の前記第１の層は、互いからと、前記誘電体材料によって、金属相互接 続部（１２）の前記第１の層への接触をなすための金属相互接続部（２８）の前 記第２の、上に載る層とから分離され、前記プロセスは、 （ａ） 金属相互接続部の前記第１の層において金属相互接続部（１２）間の 間隙を充填する前記有機塗布ガラス材料の前記層（１８）を形成するステップと 、 （ｂ） 前記有機塗布ガラス層（１８）上に、前記化学的に気相成長させられ る酸化物の前記層（２０）を形成す るステップと、 （ｃ） 金属相互接続部（２８）の前記第２の層を支持するよう平坦化を与え るために、前記化学的に気相成長させられる酸化物（２０）上に前記無機塗布ガ ラス材料の前記層（２６）を形成するステップとを含む、請求項１の前記半導体 装置の金属相互接続部（１２）の前記第１の層間のキャパシタンスを低減するた めのプロセス。 １０．（ａ） 酸化物により被覆される金属相互接続部（１２）を形成するため に、前記第１の金属相互接続層（１２）のすべての露出した金属表面と露出した 半導体（１０）表面との上に、前記第１の、プラズマ強化の、化学的に気相成長 させられる酸化物層（１６）を形成するステップと、 （ｂ） 金属相互接続部（１２）の前記第１の層間の空間を部分的に充填し、 かつ、露出する、前記酸化物により被覆される金属相互接続部（１２）の頂部を 残す有機塗布ガラス材料（１８）を形成するステップと、 （ｃ） 前記酸化物により被覆される金属相互接続部（１２）の前記頂部上と 前記有機塗布ガラス層（１８）上とに、第２の、プラズマ強化の、化学的に気相 成長させられる層（２０）を形成するステップと、 （ｄ） 前記第２の、プラズマ強化の、化学的に気相成長させられる酸化物層 （２０）上に、第１の無機塗布ガラス層（２２）を形成するステップと、 （ｅ） 前記第１の無機塗布ガラス層（２２）上に、第３の、プラズマ強化の 、化学的に気相成長させられる酸化物層（２４）を形成するステップと、 （ｆ） 前記第３の、プラズマ強化の、化学的に気相成長させられる層（２４ ）上に、第２の平坦化される無機塗布ガラス層（２６）を形成するステップと、 （ｇ） 前記第２の無機塗布ガラス層（２６）の上に金属相互接続部（２８） の前記第２の層を形成するステップとを含む、請求項９に記載のプロセス。