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JP2010004049A - 低誘電率膜特性の回復 - Google Patents

低誘電率膜特性の回復 Download PDF

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Abstract

【課題】 低誘電率膜の誘電率を回復させる方法を記載する。
【解決手段】 複数の孔を持つ多孔質誘電体層を基板上に形成する。その後、複数の孔を添加剤で充填して、塞がれた多孔質誘電体層を得る。最後に、複数の孔から添加剤を除去する。
【選択図】 図2

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、2008年6月23日出願の米国仮出願第61/074,984号の利益を主張し、この全体の開示内容は本明細書に援用されている。
発明の背景
1)発明の分野
[0002]本発明は、半導体処理の分野におけるものである。
2)関連技術の説明
[0003]過去数十年間、集積回路における特徴部の縮小化は、ますます増加する半導体産業を支える原動力であった。前よりも一層小さな特徴部の縮小化は、半導体チップの限られた実質面積に対する機能単位の密度の増加を可能にする。例えば、トランジスタのサイズの縮小は、マイクロプロセッサについて増加した数の論理デバイスと記憶デバイスの組み込みを可能にし、複雑さが増加した製品の製造に役立つ。
[0004]しかしながら、縮小化は影響を含まないものではなかった。マイクロ電子回路の基本構造ブロックの寸法が減少し、一定の領域に製造される非常に多くの基本構造ブロックが増加するので、基本構造ブロック間の相互接続配線の制約は計り知れないものになった。例えば、金属相互接続部は、集積回路の製造において、大規模な電気回路に様々な電子デバイスや半導体デバイスを接続する手段として用いられる。このような金属相互接続部の製造時に考慮される二つの重要な要因は、金属相互接続部間に生じる、各金属相互接続部の電気抵抗(R)と結合容量(C)、即ち、クロストークである。これらの要因のいずれもが金属相互接続部の効率を妨げる。従って、いわゆる“RC遅延”を軽減するために、金属相互接続部の電気抵抗と容量の双方を低減させることは望ましいことである。
[0005]過去数十年間、マイクロプロセッサについて見られるような集積回路の性能は、ライン処理スキームの“バックエンド”に銅相互接続部を組み込むことによって著しく向上してきた。このような銅相互接続部の存在は、アルミニウム相互接続部に対して、相互接続部の電気抵抗を著しく低下させ、伝導と効率の改善に役立つ。
[0006]金属相互接続部間に生じる結合容量を減少させる試みは、金属相互接続部を内蔵する低k(k<3.9)誘電体層の使用を含んでおり、ここで、kは誘電体層の誘電率である。しかしながら、このような膜の組み込みは、困難であることが分かっている。例えば、このような低k誘電体層の堆積後に行われる処理ステップは、望ましくないことにその誘電率を上げ、金属ライン間のクロストークを増加させることになる。
[0007]従って、低誘電率膜特性を回復させる方法を本明細書に記載する。
図1は、本発明の実施形態による、低誘電率膜の形成時、化学機械的研磨操作後、回復後を示すフーリエ変換赤外スペクトルである。 図2は、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示すフローチャートである。 図3Aは、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示す断面図である。 図3Bは、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示す断面図である。 図3Cは、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示す断面図である。 図3Dは、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示す断面図である。 図3Eは、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示す断面図である。 図3Fは、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示す断面図である。 図3Gは、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示す断面図である。 図4は、本発明の実施形態による、ポロゲンを示す分子式である。 図5は、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示すフローチャートである。
詳細な説明
[0013]低誘電率膜を回復させる方法を説明する。以下の説明において、本発明の完全な理解を得るために、製造条件や材料状態のような多くの特定の詳細を示す。本発明がこれらの特定の詳細を含めずに実施されてもよいことは当業者に明らかである。他の場合において、集積回路の設計配置又はフォトレジスト現像プロセスのような周知の特徴部は、本発明を不必要に不明瞭にならないように詳細に記載しない。更に、図に示された様々な実施形態は説明的例示であり、必ずしも一定の比率の縮尺で示されていないことは理解されるべきである。
[0014]低誘電率膜の誘電率を回復させる方法を本明細書に開示する。基板上に複数の孔を持つ多孔質誘電体層を形成することができる。本発明の実施形態によれば、その後、複数の孔を添加剤で充填して、塞がれた多孔質誘電体層を得る。最後に、複数の孔から添加剤を除去することができる。特定の実施形態において、化学機械的研磨技術を用いて、複数の孔を添加剤で充填する。
[0015]低誘電率(<3.9)膜は、しばしば様々なプロセス操作中に望ましくない膜特性の変化の影響を受けやすい。例えば、本発明の実施形態によれば、多孔質低誘電率層の孔は、化学機械的研磨に用いられるスラリーに含まれる添加剤にさらされるときに塞がれる。添加剤によって孔が塞がれる場合、多孔質誘電体層の誘電率が有害なことに増大することになる。従って、本発明の実施形態によれば、多孔質誘電体層の誘電率は、化学機械的プロセス操作中に多孔質誘電体層の孔を塞ぐ添加剤を除去することによって実質的に回復する。一実施形態において、添加剤は、熱プロセス、紫外線プロセス又はプラズマプロセスのようなこれらに限定されない手法によって除去される。
[0016]低誘電率膜の誘電率は、化学機械的研磨プロセス操作後に回復させることができる。図1は、本発明の実施形態による、低誘電率膜の形成時、化学機械的研磨操作後、回復後を示すフーリエ変換赤外スペクトル100である。
[0017]図1を参照すると、フーリエ変換赤外スペクトル100には、低誘電率膜について波数(cm−1)の関数として相対吸光度のプロットが含まれている。ライン106は、形成後(例えば、堆積や硬化後)の低誘電率膜のスペクトルを示し、ライン102は、化学機械的研磨プロセス操作後の低誘電率膜のスペクトルを示し、ライン104は、回復プロセス後の低誘電率膜のスペクトルを示す。便宜上、ライン102、104、106は、重ね合わせずにずらして示されている。
[0018]それぞれのライン102、104、106は、一つの炭素原子についてC−Hの一つの結合による−CH領域と、一つの炭素原子についてC−Hの三つの結合による−CH領域を含む。本発明の実施形態によれば、ライン106は、形成したままの多孔質誘電体膜の−CH基と−CH基の濃度が低いことを意味している。しかしながら、ライン102は、C−Hの一つの結合を有する添加剤にさらした際に、多孔質誘電体膜の−CH基の相対濃度が著しく増加していることを意味している。一実施形態において、−CH基の数の増加は、多孔質誘電体膜の孔に添加剤が取り込まれたことによる。ライン104は、多孔質誘電体膜の孔から添加剤を除去した際に、多孔質誘電体膜が実質的に回復して、ライン106で示されたものと同様のスペクトルを得ることができることを意味している。
[0019]低誘電率膜の誘電率は、金属相互接続部の製造に用いられる化学機械的研磨プロセス操作後に回復することができる。図2は、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示すフローチャート200である。図3A−図3Gは、本発明の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示す断面図である。
[0020]図3Aを参照すると、基板302を得る。基板302は、半導体製造プロセスに耐えるのに適したいかなる材料から構成されてもよい。実施形態において、基板302は、IV族ベースの材料、例えば、結晶シリコン、ゲルマニウム又はシリコン−ゲルマニウムのこれらに限定されない材料から構成される。他の実施形態において、基板302は、III−V族材料から構成される。基板302は、また、絶縁層を含んでもよい。一実施形態において、絶縁層は、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、又は高k誘電体層のようなこれらに限定されない材料から構成される。基板302は、その上に配置された集積回路を含んでもよい。例えば、本発明の実施形態によれば、基板302は、複数の半導体デバイスの上に絶縁層を含む。一実施形態において、複数の半導体デバイスは、複数のN型とP型のトランジスタである。
[0021]図3Bを参照すると、誘電体層304は、基板302の上に形成される。誘電体層304は、すでに低誘電率を示すいかなる誘電材料からも或いは低誘電率膜に変換され得るものから構成されてもよい。例えば、本発明の実施形態によれば、誘電体層304は、ポロゲンがその中に含有した誘電材料から構成される。一実施形態において、ポロゲンは、その後のプロセス操作で誘電体層304から除去して、多孔質低誘電率誘電体層を形成する。図4は、本発明の実施形態による、ポロゲン400を示す分子式である。特定の実施形態において、誘電体層304は、炭素ドープ二酸化シリコン、ホウ素ドープ酸化シリコン又はホウ素ドープ窒化シリコンのようなこれらに限定されない材料、また、その中に含有した、分子ポロゲン400のような分子ポロゲンを含む材料から構成される。具体的な実施形態において、誘電体層304は、分子ポロゲンを有する炭素ドープ二酸化シリコンから構成され、前駆物質としてジエトキシメチルシランを用いて分子ポロゲン400のような分子ポロゲンと共に化学気相堆積技術によって形成される。別の実施形態において、誘電体層は、すでに多孔質材料として形成される。一実施形態において、誘電体層304は、約150−200ナノメートルの厚さに形成される。
[0022]フローチャート200の操作202と対応する図3Cを参照すると、複数の孔308が誘電体層304内に形成されて、多孔質誘電体層306を得る。本発明の実施形態によれば、複数の孔308は、誘電体層304からポロゲンを除去することによって形成される。一実施形態において、誘電体層304は、炭素ドープ二酸化シリコンから構成され、複数の孔308は、分子ポロゲン400のような分子ポロゲンを誘電体層304から除去することによって形成される。特定の実施形態において、分子ポロゲンを除去する際に、複数の孔308のそれぞれの孔の直径は、約2−5ナノメートルである。一実施形態において、多孔質誘電体層306の誘電率は、約2.6未満である。一実施形態において、多孔質誘電体層306の誘電率は、約2.4である。
[0023]図3Dを参照すると、多孔質誘電体層306をパターン形成して、トレンチ312がその中に形成されたパターン形成多孔質誘電体層310を得る。多孔質誘電体層306をパターン形成して、多孔質誘電体層306の膜特性を低下させずに明瞭なトレンチ312を得るのに適したいかなる手法によってもパターン形成多孔質誘電体層310を得る。本発明の実施形態によれば、多孔質誘電体層306をパターン形成して、リソグラフィとエッチングプロセスによってパターン形成多孔質誘電体層310を得る。一実施形態において、リソグラフィ操作は、248ナノメートルリソグラフィ、193ナノメートルリソグラフィ、157ナノメートルリソグラフィ、極端紫外線(EUV)リソグラフィ、液浸リソグラフィ又は直接描画リソグラフィのようなこれらに限定されないリソグラフィプロセスにフォトレジスト層をさらすことによって多孔質誘電体層306の上にパターン形成フォトレジスト層を形成することを含む。一実施形態において、エッチング操作は、四フッ化炭素(CF)、酸素(O)、臭化水素(HBr)、又は塩素(Cl)のようなこれらに限定されないガスを用いる異方性エッチングプロセスを含む。具体的な実施形態において、多孔質誘電体層306の上面の上にキャップ層が形成されて、誘電体層306のパターン形成を援助して、パターン形成多孔質誘電体層310を得ることができるが、図示されていない。
[0024]図3Eを参照すると、金属層314は、パターン形成誘電体層310の上とトレンチ312の中に堆積される。金属層314は、パターン形成多孔質誘電体層310内のトレンチ312を実質的に且つ一様に充填するのに適したいかなる手法によって堆積されてもよい。一実施形態において、金属層314は、銅、アルミニウム、又はタングステンのようなこれらに限定されない材料から構成される。本発明の実施形態によれば、金属層314の堆積は、二つの異なるプロセスステップにおいて行われる。最初に、銅シード層のようなこれに限定されない核形成部分が形成される。次に、バルク銅層のようなこれに限定されない充填金属部分が形成される。一実施形態において、金属層314の合計の厚さは、厚さが約150−200ナノメートルのトレンチ312の部分を含む、約600ナノメートルである。
[0025]フローチャート200の操作204と対応する図3Fを参照すると、複数の孔308は、添加剤320で充填して、塞がれた多孔質誘電体層318を得る。本発明の実施形態によれば、複数の孔308は、化学機械的研磨操作中に添加剤320で充填される。一実施形態において、化学機械的研磨操作を図3Eの構造に適用して、パターン形成多孔質誘電体層310の上に配置される場合がある金属層314といかなるキャップ材料からも余分な材料を除去し、図3Fに示されるように、塞がれた多孔質誘電体層318の上面をさらす。従って、実施形態において、金属構造316が形成され、塞がれた多孔質誘電体層318領域によって分離される。本発明の実施形態によれば、添加剤320を含むスラリーを化学機械的研磨操作に用いるので、複数の孔308を添加剤320で充填して、パターン形成多孔質誘電体層310をスラリーにさらす結果として塞がれた多孔質誘電体層318を得る。一実施形態において、スラリーは、シリカと、過酸化水素と、添加剤320から構成される。特定の実施形態において、添加剤320は、その分子構造内にC−H基を含有する。複数の孔308を添加剤320で充填して塞がれた多孔質誘電体層318を得る際に、パターン形成多孔質誘電体層310の誘電率は望ましくなく増加することになる。例えば、本発明の実施形態によれば、多孔質誘電体層306、つまり、パターン形成多孔質誘電体層310の誘電率は約2.4であり、塞がれた多孔質誘電体層318の誘電率は約3を超える。
[0026]フローチャート200の操作206と対応する図3Gを参照すると、添加剤320を塞がれた多孔質誘電体層318から除去して、回復した複数の孔322を得る。従って、本発明の実施形態によれば、回復した多孔質誘電体層324が形成される。
[0027]添加剤320を塞がれた多孔質誘電体層318から除去して、図3Cの多孔質誘電体層306の誘電率に比べて、回復した多孔質誘電体層324の誘電率を実質的に回復させるのに適したいかなる手法によっても回復した複数の孔322を得ることができる。実施形態において、塞がれた多孔質誘電体層318を約250−350℃の温度で約10〜60分間加熱することにより、添加剤320を除去して、回復した複数の孔322を得る。一実施形態において、加熱は、約1気圧のアルゴンガス雰囲気中約300℃の温度で約30分間行われる。他の実施形態において、塞がれた多孔質誘電体層318を紫外線に約5−20分間さらすことにより、添加剤320を除去して、回復した複数の孔322を得る。一実施形態において、約1トールの圧力で約400℃の温度においてさらすことが行われる。他の実施形態において、塞がれた多孔質誘電体層318を約1−8トールの圧力においてプラズマで処理することにより、添加剤320を除去して、回復した複数の孔322を得る。一実施形態において、アンモニア−アルゴン又はアンモニア−ヘリウム雰囲気のようなこれらに限定されない雰囲気中で処理が行われる。
[0028]塞がれた多孔質誘電体層318から添加剤320を除去する際に、回復した多孔質誘電体層324の誘電率は、塞がれた多孔質誘電体層318より低くてもよい。本発明の実施形態によれば、塞がれた多孔質誘電体層318から添加剤320を除去する際に、回復した多孔質誘電体層324の誘電率は、塞がれた多孔質誘電体層318より少なくとも約0.3だけ低くてもよい。一実施形態において、塞がれた多孔質誘電体層318の誘電率は約3を超え、回復した多孔質誘電体層324の誘電率は約2.6未満である。回復した多孔質誘電体層324の誘電率は、多孔質誘電体層306の誘電率と実質的に同じであってもよい。本発明の実施形態によれば、回復した多孔質誘電体層324の誘電率は、多孔質誘電体層306の誘電率より最大でも約10%高い。一実施形態において、回復した多孔質誘電体層324の誘電率は約2.6であり、多孔質誘電体層306の誘電率は約2.4である。
[0029]回復した多孔質誘電体層324の誘電率を回復する際に、処理ステップが更に行われてもよい。例えば、本発明の実施形態によれば、新たな誘電体層が回復した多孔質誘電体層324の上に形成され、新たな一連の金属構造がその中に形成されて、金属相互接続部の層状構造を得る。一実施形態において、上記誘電率回復プロセスは、引き続いて形成されるそれぞれの誘電体層に対して行われて、金属構造の追加の層を内蔵する。
[0030]本発明の他の態様において、誘電体層における複数の孔の添加剤による充填を阻止することが好ましい場合がある。例えば、添加剤の除去が困難である場合があるので、容易に除去可能なプレースホルダーポロゲンを添加剤の代わりに用いて、誘電体膜における複数の孔を充填することができる。プレースホルダーポロゲンは、多孔質誘電体層を添加剤にさらす間の添加剤の望ましくない取り込みを阻止し、その後のより効果的な回復プロセスを可能にする。図5は、本発明の別の実施形態による、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法における一連の操作を示すフローチャート500である。
[0031]フローチャート500の操作502を参照すると、複数の孔を持つ多孔質誘電体層を基板上に形成する。基板は、図3Aの基板302に関して記載されたような材料から構成され、記載されたような配置を持つ。多孔質誘電体層は、図3Cの多孔質誘電体層306に関して記載された材料から構成され、手法によって形成されてもよい。複数の孔のそれぞれの孔の寸法は、図3Cの複数の孔308に関して記載されたものと同様のものでもよい。
[0032]フローチャート500の操作504を参照すると、複数の孔をプレースホルダーポロゲンで充填して、塞がれた多孔質誘電体層を得る。本発明の実施形態によれば、プレースホルダーポロゲンは、多孔質誘電体膜の特性を回復させる場合、添加剤と比べて除去が容易である。従って、プレースホルダーポロゲンは、多孔質誘電体層内の複数の孔を一時的に充填するとともに化学機械的研磨スラリー中に存在する添加剤による複数の孔の充填を阻止するのに適したいかなる材料から構成されてもよい。プレースホルダーポロゲンは、効率のよい充填を可能にするのに適したいかなる手法によっても複数の孔に取り込むことができる。一実施形態において、プレースホルダーポロゲンは、湿式化学処理、乾式ガス処理、又はプラズマ処理のようなこれらに限定されない手法によって複数の孔に取り込まれる。別の実施形態において、プレースホルダーポロゲンは、誘電体層の堆積時に誘電体層に取り込まれる。この実施形態において、多孔質膜は、最初に、添加剤にさらされた後に生成されるだけである。
[0033]フローチャート500の操作506を参照すると、塞がれた多孔質誘電体層は、添加剤を含む化学機械的研磨スラリーにさらされる。本発明の実施形態によれば、プレースホルダーポロゲンは、添加剤が多孔質誘電体層の複数の孔を充填することを阻止する。添加剤は、図3Fの添加剤320に関して記載されたいかなる材料から構成されてもよい。
[0034]フローチャート500の操作508を参照すると、プレースホルダーポロゲンを複数の孔から除去して、多孔質誘電体層の誘電率のような膜特性を回復させる。プレースホルダーポロゲンは、添加剤の除去に関して記載されたいかなる手法によっても複数の孔から除去して、図3Gの回復された複数の孔322を形成することができる。
[0035]このように、低誘電率膜の誘電率を回復させる方法を開示してきた。本発明の実施形態によれば、複数の孔を持つ多孔質誘電体層は、基板上に形成される。複数の孔を添加剤で充填して、塞がれた多孔質誘電体層を得る。その後、添加剤を複数の孔から除去する。一実施形態において、化学機械的研磨技術を用いて、複数の孔が添加剤で充填される。
302…基板、304…誘電体層、306…多孔質誘電体層、308…孔、310…パターン形成多孔質誘電体層、312…トレンチ、314…金属層、316…金属構造、318…塞がれた多孔質誘電体層、320…添加剤、322…孔、324…回復した多孔質誘電体層。

Claims (15)

  1. 低誘電率膜の誘電率を回復させる方法であって:
    基板上に、複数の孔を持つ多孔質誘電体層を形成するステップと;
    前記複数の孔を添加剤で充填して、塞がれた多孔質誘電層を得るステップと;
    前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップと;
    を含む、前記方法。
  2. 前記複数の孔を前記添加剤で充填するステップが、化学機械的研磨技術を用いる工程を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層を約250−350℃の温度で約10−60分間加熱する工程を含む、請求項2に記載の方法。
  4. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層を紫外線に約5−20分間さらす工程を含む、請求項2に記載の方法。
  5. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層をプラズマで約1−8トールの圧力において処理する工程を含む、請求項2に記載の方法。
  6. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層の誘電率を少なくとも約0.3だけ低下させるものである、請求項1に記載の方法。
  7. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層の誘電率を約3を超える誘電率から約2.6未満に低下させるものである、請求項6に記載の方法。
  8. 前記多孔質誘電体層が、炭素ドープ二酸化シリコンを含み、前記添加剤が、ポリエチレングリコールを含む、請求項1に記載の方法。
  9. 前記基板上に前記多孔質誘電体層を形成するステップであって:
    化学気相堆積プロセスにおいてジエトキシメチルシランとポロゲンを用いることにより誘電体層を形成する工程と;
    前記誘電体層から前記ポロゲンを除去することにより前記複数の孔を形成する工程と;
    を含む、請求項8に記載の方法。
  10. 前記複数の孔のそれぞれの孔の直径が、約2−5ナノメートルである、請求項9に記載の方法。
  11. 低誘電率膜の誘電率を回復させる方法であって:
    基板上に複数の孔を持つ多孔質誘電体層を形成するステップと;
    前記多孔質誘電体層をパターン形成して、トレンチを得るステップと;
    前記多孔質誘電体層の上方と前記トレンチの中に金属層を堆積させるステップと;
    化学機械的研磨技術を用いることにより、前記金属を研磨して、前記多孔質誘電体層の上面をさらすステップであって、該研磨中に前記複数の孔を添加剤で充填して、塞がれた多孔質誘電体層を得る、前記ステップと;
    前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップと;
    含む、前記方法。
  12. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層を約250−350℃の温度で約10−60分間加熱する工程を含む、請求項11に記載の方法。
  13. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層を紫外線に約5−20分間さらす工程を含む、請求項11に記載の方法。
  14. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層をプラズマで約1−8トールの圧力において処理する工程を含む、請求項11に記載の方法。
  15. 前記複数の孔から前記添加剤を除去するステップが、前記塞がれた多孔質誘電体層の誘電率を少なくとも約0.3だけ低下させるものである、請求項11に記載の方法。
JP2009149030A 2008-06-23 2009-06-23 低誘電率膜特性の回復 Expired - Fee Related JP5653596B2 (ja)

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