JPH1012730A - 半導体集積回路装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体集積回路装置及びその製造方法

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JPH1012730A
JPH1012730A JP8167386A JP16738696A JPH1012730A JP H1012730 A JPH1012730 A JP H1012730A JP 8167386 A JP8167386 A JP 8167386A JP 16738696 A JP16738696 A JP 16738696A JP H1012730 A JPH1012730 A JP H1012730A
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semiconductor integrated
film
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Local Oxidation Of Silicon (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体集積回路装置の配線間の静電容量の低減
を図り回路動作速度の高速化を実現する。 【解決手段】配線間隔の狭いパターンの所の層間絶縁膜
中に空孔16,17を作成する。これにより配線間隔の
狭い所の静電容量を低減し回路動作の高速化を行う。層
間絶縁膜を高密度プラズマCVD法により堆積速度を制
御することにより可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路装
置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】第1の従来例について説明する。
【0003】図4は従来の層間絶縁膜を用いた一般的な
多層配線構造を有する半導体集積回路装置の配線部分を
示す断面図であり、図において101はシリコン基板に
トランジスタなどを形成した表面に絶縁膜を有する基板
である。上部に反射防止膜103を有した配線層102
は基板101上に配置され、層間絶縁膜104は配線層
102およびその反射防止膜103を被覆している。上
部に反射防止膜106を備えた上層配線層105は層間
絶縁膜104上に配置される。層間絶縁膜107は上層
配線層105および反射防止膜103を被覆している。
【0004】また図5(a)〜(c)は図4の配線構造
を有する半導体集積回路装置の製造方法について説明す
るための断面順工程図であり図において図4と同一符号
は同一または相当部分を示す。
【0005】まずトランジスタ等の半導体素子が形成さ
れフィールド酸化膜もしくは層間絶縁膜を表面に有する
シリコン基板でなる基板101上に導電膜をスパッタ法
等で形成し、これをパターニングして図5(a)に示す
ように所定の配線層102を形成する。通常パターニン
グするためには反射防止膜103が必要なことが多い。
この後反射防止膜103を備えた配線層102を埋め込
むようにウェーハ全面に層間絶縁膜104をCVD法等
により図5(b)に示すように形成する。続いてCMP
(化学的機械的研磨)を用いて層間絶縁膜104を平坦
化する。そして層間絶縁膜104上に導電膜をスパッタ
法などにより形成し、これをパターニングして上部に反
射防止膜106を備えた上層配線層105を形成する。
反射防止膜106を備えた上層配線層105を埋め込む
ようにウェーハ全面にCVD法などにより層間絶縁膜1
07を形成すると図5(c)のような二層配線構造が作
成できる。
【0006】このように作成された図4の半導体集積回
路装置では層間絶縁膜104は配線層102と上層配線
層105の間に配置され配線層102の配線間および配
線層102と上層配線層105を電気的に分離し、また
層間絶縁膜107は上層配線層105の上部にこれを覆
うように配置され上層配線層105の配線間を電気的に
分離している。
【0007】次に、第2の従来例について説明する。
【0008】図6は特開平5−283542号公報に示
される半導体集積回路装置の多層配線構造を示す断面図
である。図6において201は101と同様の基板であ
る。第一のキャップ用絶縁膜208は基板201上に配
置され、層間絶縁膜204はキャップ用絶縁膜208上
に配置され、キャップ用絶縁膜209は層間絶縁膜20
8上に配置され、配線層202はキャップ用絶縁膜20
9上に配置される。キャップ用絶縁膜210は配線層2
02を覆うように配線層202およびキャップ用絶縁膜
209上に配置される。層間絶縁膜207はキャップ用
絶縁膜210上に配置され、キャップ用絶縁膜212は
層間絶縁膜207上に配置され、上層配線層205はキ
ャップ用絶縁膜212上に配置される。空孔213、2
15はそれぞれ層間絶縁膜204、207中の全体に分
散して配置される。
【0009】また、図7(a)〜(e)は図6の配線構
造を有する半導体集積回路装置の製造方法について説明
するための断面順工程図であり、図において図6と同一
符号は同一または相当部分を示す。
【0010】まず半導体素子を形成し表面に絶縁膜を有
するシリコン基板でなる基板201上全面に図7(a)
に示すようにキャップ用絶縁膜208として酸化シリコ
ン膜等をCVD法あるいばスパッタ法により形成する。
次に図7(b)に示すようにキャップ用絶縁膜208上
にサブミクロン径のAlの微粒子214を混合した酸化
シリコン系低温形成ガラス塗布材料を塗布し、加熱固化
させてサブミクロン径の微粒子214を含む層間絶縁膜
204aを形成する。次に層間絶縁膜204a本体はエ
ッチングせずサブミクロン径の微粒子214はエッチン
グするNaOH,KOH等のエッチャントを用いて21
4を除去し図7(c)に示すように空孔213を有する
層間絶縁膜204を形成する。次に図7(d)に示すよ
うにキャップ用絶縁膜209をCVD法あるいはスパッ
タ法により形成する。その後キャップ用絶縁膜209上
に金属膜をスパッタ法等により形成し、これをパターニ
ングして図7(e)に示すように配線層202を形成す
る。その後、図6に示すキャップ用絶縁膜210、層間
絶縁膜207、キャップ用絶縁膜212および上層配線
層205を図7(a)〜(e)と全く同様の工程によっ
て形成すると多層配線構造が作成される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】第1の従来例のよう
に、一般的な層間絶縁膜を用いるものにあっては配線間
隔がサブミクロンと狭いところでは寄生する静電容量に
より回路動作の高速化が困難になるという問題が近年深
刻になってきている。配線間の静電容量は層間絶縁膜の
誘電率に比例し、配線間隔に反比例するので回路動作の
高速化と半導体集積回路装置の高集積化を両立させるた
めには層間絶縁膜の誘電率を低下させることが必要であ
る。
【0012】この課題を解決するために第2の従来例の
ように層間絶縁膜中に微粒子を混合しその微粒子を選択
的にエッチング除去して層間絶縁膜中全体に微細な空孔
を形成させ層間絶縁膜の誘電率を低下させる方法が考え
られた。
【0013】しかしこの構造は層間絶縁膜中に微粒子を
混在させその微粒子をエッチング除去して空孔を形成し
なければならずさらに層間絶縁膜の上下にキャップ用絶
縁膜を配置しなければならないので、作成工程が繁雑で
ある。また配線高さより高いところに空孔が存在するの
で層間絶縁膜平坦化に有効なCMP(化学的機械的研
磨)を適用するためには層間絶縁膜の上部のキャップ用
絶縁膜のみを研磨しなければならない。なぜならばこの
構造は配線の高さよりも高い位置にも空孔が存在するの
で層間絶縁膜にCMPを適用するとCMPの際に使用さ
れる水などにより配線が腐食され半導体集積回路装置の
信頼性をそこなうおそれがあるからである。そのためC
MPを適用するためには層間絶縁膜の上部のキャップ用
絶縁膜を非常に厚く成膜する必要があり、そのため生産
性が低下する。また層間絶縁膜中に微粒子を混在せるの
で配線の微細化が進んだ現在では静電容量の低減が必要
な配線間隔の狭いところには微粒子が入り込めず静電容
量の低減が必要ではない配線間隔の広いところにのみ空
孔が存在する可能性があり、微細配線の寄生容量の低減
には必ずしも適していない。
【0014】本発明の目的は微細配線の配線間静電容量
の低減が容易に行なえる層間絶縁膜を有する半導体集積
回路装置及びその製造方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明半導体集積回路装
置は、半導体基板上の第1の絶縁膜を選択的に被覆する
複数の配線層と、前記配線層の設けられた第1の絶縁膜
を被覆する層間絶縁膜とを有する半導体集積回路装置に
おいて、前記層間絶縁膜は、互いに隣接する2つの配線
層間の距離である配線間隔が所定値を越えない部分にの
み前記配線層の高さに達しない空孔が設けられて配線間
の静電容量が低減されているというものである。
【0016】この場合、層間絶縁膜が空孔のある第2の
絶縁膜とこれを被覆する第3の絶縁膜とを有していても
よい。
【0017】又、配線層で挟まれた部分の断面積の少く
とも5%の断面積の空孔であるのが好ましい。
【0018】更に又、層間絶縁膜の表面が化学的機械的
研磨法により平坦化され、上層配線層で選択的に被覆さ
れていてもよい。
【0019】あるいは、層間絶縁膜はフッ素原子を含有
する低誘電率膜であってもよい。
【0020】本発明半導体集積回路装置の製造方法は、
半導体基板上の第1の絶縁膜を選択的に被覆する複数の
配線層を形成し、互いに隣接する2つの配線層間の距離
である配線間隔が所定値を越えない部分にのみ前記配線
層の高さに達しない空孔を有する第2の絶縁膜を高密度
プラズマCVD法により形成する工程を有するというも
のである。
【0021】この場合、第2の絶縁膜を形成した後、よ
り成長速度の小さなプラズマCVD法で第3の絶縁膜を
堆積して空孔抑止膜を形成する工程を追加することがで
きる。
【0022】又、高周波バイアスを印加しつつECRプ
ラズマを発生させて第2の絶縁膜を堆積するバイアスC
VD法が好ましい。
【0023】更に、第2の絶縁膜としては酸化シリコン
膜を使用することができる。
【0024】本発明半導体集積回路装置は、配線間隔が
所定値を越えない部分にのみ前記配線層の高さに達しな
い空孔が設けられているので層間絶縁膜としての機械的
強度やパッシベーション機能の犠牲を抑制して実効的に
低誘電率化を企ることができる。
【0025】又、本発明半導体集積回路装置の製造方法
は、バイアスCVD法により第2の絶縁膜を形成するの
で、段差被覆性を制御することにより配線間隔の狭い所
にのみ空孔を形成することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図1は本発明の第1の実施の形態の半導体
集積回路装置を示す断面図である。
【0027】トランジスタ素子の半導体素子が形成され
フィールド酸化膜もしくは層間絶縁膜を表面に有するシ
リコン基板でなる基板1を選択的に被覆して複数の配線
層2が設けられている。配線層2の表面にはTiN膜な
どの反射防止膜3が設けられている。基板1表面から反
射防止膜3表面までの高さ(配線層の高さ)は0.8μ
m、配線間隔(隣接する2つの配線層2間の距離)は最
も狭いところで0.4μmに設計されている。酸化シリ
コン膜4−1は、表面に反射防止膜3を有する配線層2
の設けられた基板1を被覆し、配線間隔0.4μmのと
ころに空孔16を有している。配線間隔が0.4μmよ
り大きいところには空孔16は設けられていない。空孔
16は反射防止膜3の表面を越えてはいない。酸化シリ
コン膜4−1を被覆して、CMP法により平坦化処理さ
れ空孔の設けられていない酸化シリコン膜4−2が設け
られている。酸化シリコン膜4−1,4−2の積層膜で
なる層間絶縁膜を選択的に被覆して複数の上層配線層5
が設けられている。上層配線層5の表面には反射防止膜
6があり、全体で高さは0.8μmに設計されている。
表面に反射防止膜6を有する上層配線層5が設けられた
酸化シリコン膜4−2を被覆して酸化シリコン膜7−1
が設けられている。隣接する2つの上層配線層5間の距
離である配線間隔は最も狭い所で0.4μmに設定さ
れ、酸化シリコン膜7−1には、その部分にのみ空孔1
7が設けられている。配線間隔が0.4μmより大きい
所には空孔17は設けられていない。空孔17は反射防
止膜6の表面を越えてはいない。酸化シリコン膜7−1
を被覆して、CMP法により平坦化処理され空孔の設け
られていない酸化シリコン膜7−2が設けられている。
【0028】次に第1の実施の形態の製造方法について
説明する。まず、図2(a)に示すように、基板1全面
にAl−Si−Cu合金膜などの金属膜をスパッタ法な
どにより約0.7μm成膜し、次いで窒化チタン(Ti
N)などの反射防止膜3(厚さ75nm)成膜し、パタ
ーニングすることにより配線層2を形成する。配線間隔
は最も狭いところで0.4μmに設定する。
【0029】次に、図2(b)に示すように酸化シリコ
ン膜4−1を高密度プラズマ発生源を備えたバイアスC
VD法(ここではバイアスECR−CVD法)により堆
積させる。このとき配線間隔が0.4μmより狭い所に
は反射防止膜3を超えない高さの位置に空孔16が形成
され、配線間隔が0.4μmより広い所には空孔が形成
されないようにする。このような構造を作成する条件は
成膜ガスとしてシランガス(SiH4 )と酸素ガス(O
2 )の体積比が1:1〜2、シランガスとアルゴンガス
の体積比が1:0.6〜2.8の組成をもつシラン、酸
素、アルゴンの混合ガスを用い、高密度プラズマ発生源
の電力(2.45GHzのマイクロ波電力)が1.0k
W〜3.0kWの膜質の良い2酸化シリコンが形成でき
る条件のとき成膜ガスの流量とバイアス電力(13.5
6MHzのRF電力)を5.7〜17kW/cm2 の範
囲で調整することにより得られる。例えばシランガス流
量が100sccm,酸素ガス流量が200sccm,
アルゴンガス流量が100sccmでマイクロ波電力が
1.75kW、バイアス電力が13kW/cm2 のとき
配線間隔が0.4μmの所に断面楕円状で長軸が約0.
25μm、短軸が0.12μm程度の空孔が生成でき
る。
【0030】成膜ガスの流量が低すぎる時、またバイア
ス電力が高すぎる時は配線間隔が0.4μmより狭い所
でも空孔が発生せず、逆に成膜ガス流量が高すぎる時、
またバイアス電力が低すぎるときは配線間隔が0.4μ
mより広いところに空孔が発生したり空孔が大きくなり
すぎて反射防止膜3を超える高さの位置に空孔は存在す
るようになるが配線間隔が0.4μmより広いところは
配線間の静電容量を空孔により低下させる必要がなく
(動作速度上問題がない)、また配線層の支持強度を十
分強く保つ必要があるため、空孔が存在してはならな
い。
【0031】また、反射防止膜3を超える高さの位置に
空孔が存在するならば後に適用される化学的機械的研磨
(ケミカルメカニカルポリッシング、以下CMP)の際
に使用される水などが空孔に侵入して半導体集積回路装
置の信頼性を損なうおそれがあるため、反射防止膜3を
超える高さの位置に空孔が存在してはならない。空孔1
6の断面が楕円状で、長軸が約0.25μm、短軸が
0.12μm程度のとき2つの配線層で挟まれた部分の
誘電率は2酸化シリコン膜の誘電率よりも約8%低い値
となる。空孔16を含む酸化シリコン膜4−1を成膜し
た後、プラズマCVD法により、図2(c)に示すよう
に、酸化シリコン膜4−2aを堆積させる。酸化シリコ
ン膜4−1を成膜するバイアスCVD法でもよいし、そ
の他のプラズマCVD法でもよいが、いずれにせよ、酸
化シリコン膜4−1の形成時よりも速い成膜速度で成膜
する。酸化シリコン膜4−1は空孔16を配線間隔が
0.4μmより狭い所で反射防止膜3を超えない高さの
位置に生成させるため成膜速度を速くすることが困難で
ある。よって生産性向上のために酸化シリコン膜4−1
の上に酸化シリコン膜4−2aをより速い成膜速度で成
膜する。
【0032】その後CMP法を用いて、図2(d)に示
すように平坦化させた酸化シリコン膜4−2を形成す
る。その後、全く同様にして、図(e)に示すように上
層配線層5(反射防止膜6を有する)を形成し、空孔1
7のある酸化シリコン膜7−1酸化シリコン膜7−2の
形成を行なう。
【0033】このように、高周波バイアス電力、ガス成
分比及び流量を制御することにより、配線間隔が所定値
を越えない部分にのみ配線層の高さに達しない空孔を形
成することができる。従って寄生容量が大きくなる配線
間隔の狭い所の層間絶縁膜の実効的誘電率を低減できる
ため高速の半導体集積回路装置を実現できる。
【0034】また、配線間の静電容量が小さい配線間隔
の広い所には空孔が存在しないため回路動作速度を低下
させることなく充分な配線支持強度が得られる。
【0035】また配線層より低い高さの所にのみ空孔が
存在するので層間絶縁膜のパッシベーション機能の犠牲
を抑制でき、化学的機械的研磨による平坦化が容易に適
用できるので容易に多層配線構造が実現できる。
【0036】次に、第2の実施の形態について説明す
る。図3を参照すると本発明の第2の実施の形態の半導
体集積回路装置は、基板1の表面を選択的に被覆して複
数の配線層2Aが設けられその表面には、片側で20〜
80nm張り出して反射防止膜3Aが設けられている。
これは、配線層のパターニング時にサイドエッチングさ
れることを図式的に表現している。このようなサイドエ
ッチングはエッチング方法や条件によって生じる。例え
ば、酸化シリコン膜などのハードマスクを使用して反応
性イオンエッチングを行なってパターニングする場合、
不揮発性の反応生成物で既エッチング部の側壁を保護す
ることによって異方性エッチングを行なうことが十分に
行えないことがある。
【0037】第1の実施の形態における酸化シリコン膜
4−1の形成と同様にして空孔16Aを有する酸化シリ
コン膜4−11を形成する。ただし、第1の実施の形態
では酸化シリコン膜4−1は反射防止膜3の表面よりあ
る程度厚く堆積させたが、本実施の形態では、酸化シリ
コン膜4−11をまず、配線間隔が狭い部分で反射防止
膜3Aの表面と同程度かやつ低くなるところまで成長さ
せ、次に、成長速度を低くして(空孔が発生し難い条件
にして)酸化シリコン膜4−12(空孔抑止膜)を形成
する。酸化シリコン膜4−11と4−12の合計厚さが
酸化シリコン膜4−1と同じ程度になるようにする。こ
のようにして、配線層2Aが反射防止膜3Aの庇を有す
る場合、空孔が反射防止膜を越える高さの位置に発生す
るのを防止できる。次に、プラズマCVD法で酸化シリ
コン膜4−2を堆積する。酸化シリコン膜4−11,4
−12の成長速度よりも大きい速度で成膜して生産性向
上を企る。
【0038】次に、CMP法により平坦化処理を行な
う。上層配線層5A、反射防止膜6A、酸化シリコン膜
7−11(空孔17−Aを有している)、7−12,7
−2の形成はそれぞれ配線層2A,反射防止膜3A,酸
化シリコン膜4−11(空孔16Aを有している)、4
−12,4−2の形成に準じる。
【0039】本実施の形態は、空孔が反射防止膜を越え
る高さの位置に発生するのを確実に防止できる利点があ
る。
【0040】以上、高密度プラズマとしてECR(電子
サイクロトロン共鳴)プラズマを使用したCVD法を例
にあげて説明したが、その他にヘリコン波プラズマや誘
導結合プラズマ(TCP)を用いてもよい。
【0041】又、シランガス、酸素ガス及びアルゴンガ
スの混合ガスを使用する場合について説明したが、一般
にシランガス又はテトラエチルオルソシリケイト(TE
OS)ガスの少なくともいずれかと、アルゴンガス,ヘ
リウムガス,酸素ガス,オゾンガス,亜酸化窒素ガス,
一酸化窒素ガス又は二酸化窒素ガスの少なくともいずれ
か一つとでなる混合ガスを用いてもよい。
【0042】更に又、2酸化シリコンを用いる場合につ
いて説明したが、フッ素原子を原子濃度で2〜15%含
む2酸化シリコンを主成分となる絶縁膜を用いると、誘
電率を10%前後低くできるので一層効果的である。こ
のような絶縁膜はシランガスまたはテトラエチルオルソ
シリケイト(TEOS)のうち少なくともいずれか一つ
と、酸素ガス、アルゴンガス、亜酸化窒素ガス、一酸化
窒素ガス又は二酸化窒素ガスのうち少なくともいずれか
一つと、四フッ化メタン又は六フッ化エタンのうち少な
くともいずれか一つとの混合ガスを用いるバイアスCV
D法などのプラズマCVD法で形成できる。あるいは四
フッ化シリコンと、酸素ガス、アルゴンガス、亜酸化窒
素ガス、一酸化窒素ガス又は二酸化窒素ガスのうち少な
くともいずれか一つとの混合ガスを用いるプラズマCV
D法で形成できる。
【0043】
【発明の効果】以上のように本発明によれば配線間の狭
いパターンの所に空孔を備えているので、配線間の実効
的誘電率を低減できるため高速の半導体集積回路装置を
実現できる。
【0044】また、配線間の静電容量が小さい配線間の
広いパターンの所には空孔が存在しないため回路動作速
度を低下させることなく充分な配線支持強度が得られ
る。
【0045】また配線より低い高さの所にのみ空孔が存
在するので化学的機械的研磨による平坦化が容易に適用
され、容易に多層配線構造が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の半導体集積回路装
置を示す断面図。
【図2】第1の実施の形態の製造方法について説明する
ための(a)〜(e)に分図して示す工程順断面図。
【図3】本発明の第2の実施の形態について説明するた
めの断面図。
【図4】第1の従来例の半導体集積回路装置を示す断面
図。
【図5】第1の従来例の製造方法について説明するため
の(a)〜(c)に分図して示す工程順断面図。
【図6】第2の従来例の半導体集積回路装置を示す断面
図。
【図7】第2の従来例の製造方法について説明するため
の(a)〜(e)に分図して示す工程順断面図。
【符号の説明】
1,101,201 基板 2,2A,102,202 配線層 3,3A,103 反射防止膜 4−1,4−11,4−12,4−2,4−2a 酸
化シリコン膜 104,204 層間絶縁膜 5,5A,105,205 上層配線層 6,6A,106 反射防止膜 7−1,7−11,7−12,7−2,7−2a 酸
化シリコン膜 107,207 層間絶縁膜 208,209,210,212 キャップ用絶縁膜 213 空孔 214 微粒子 215 空孔 16,16A 空孔 17,17A 空孔

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上の第1の絶縁膜を選択的に
    被覆する複数の配線層と、前記配線層の設けられた第1
    の絶縁膜を被覆する層間絶縁膜とを有する半導体集積回
    路装置において、前記層間絶縁膜は、互いに隣接する2
    つの配線層間の距離である配線間隔が所定値を越えない
    部分にのみ前記配線層の高さに達しない空孔が設けられ
    て配線間の静電容量が低減されていることを特徴とする
    半導体集積回路装置。
  2. 【請求項2】 層間絶縁膜が空孔のある第2の絶縁膜と
    これを被覆する第3の絶縁膜とを有する請求項1記載の
    半導体集積回路装置。
  3. 【請求項3】 配線層で挟まれた部分の断面積の少なく
    とも5%の断面積の空孔である請求項1又は2記載の半
    導体集積回路装置。
  4. 【請求項4】 層間絶縁膜の表面が化学的機械的研磨法
    により平坦化され、上層配線層で選択的に被覆されてい
    る請求項1乃至3記載の半導体集積回路装置。
  5. 【請求項5】 層間絶縁膜はフッ素原子を含有する低誘
    電率膜である請求項1乃至4記載の半導体集積回路装
    置。
  6. 【請求項6】 半導体基板上の第1の絶縁膜を選択的に
    被覆する複数の配線層を形成し、互いに隣接する2つの
    配線層間の距離である配線間隔が所定値を越えない部分
    にのみ前記配線層の高さに達しない空孔を有する第2の
    絶縁膜を高密度プラズマCVD法により形成する工程を
    有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方
    法。
  7. 【請求項7】 第2の絶縁膜を形成した後、より成長速
    度の小さなプラズマCVD法で第3の絶縁膜を堆積して
    空孔抑止膜を形成する工程を有する請求項6記載の半導
    体集積回路装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 高周波バイアスを印加しつつECRプラ
    ズマを発生させて第2の絶縁膜を堆積する請求項6又は
    7記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  9. 【請求項9】 第2の絶縁膜は酸化シリコン膜である請
    求項6,7又は8記載の半導体集積回路装置の製造方
    法。
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