TWI449105B

TWI449105B - 層間絕緣膜、配線構造、電子裝置與前述各項之製造方法

Info

Publication number: TWI449105B
Application number: TW096142448A
Authority: TW
Inventors: 大見忠弘; 安田聖治; 井之口敦智; 松岡孝明; 川村剛平
Original assignee: 國立大學法人東北大學
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2014-08-11
Also published as: WO2008056748A1; JP5320570B2; JPWO2008056748A1; US7923819B2; US20100032844A1; TW200839871A

Description

層間絕緣膜、配線構造、電子裝置與前述各項之製造方法

本發明係關於半導體元件、半導體晶片裝載基板、配線基板等基板之多層配線構造，尤其關於層間絕緣膜之構造，並關於具有該多層配線構造之半導體裝置、配線基板，及含此等之電子裝置。再者，本發明係關於該多層配線構造之製造方法，以及具有該多層配線構造之半導體裝置、配線基板，及含此等之電子裝置之製造方法。

以往，為使在半導體基板上等之多層配線構造中的配線層間絕緣，形成有層間絕緣膜。

像這種多層配線構造中，不能忽視由於配線間之寄生電容及配線電阻造成之信號延遲的問題，且要求使用帶低介電常數(Low－k)之層間絕緣膜。

於相關技術之半導體裝置，形成有多數半導體元件之半導體基板上所設置之層間絕緣膜構造，具備：阻障覆蓋層(barrier cap layer)，由碳化矽(SiC)等所構成；含碳氧化矽(SiOC)膜，形成於阻障覆蓋層之上；導通(VIA)孔，設於此SiOC膜；PAR(低介電常數矽(si))層；設於此PAR層之溝；硬遮罩，覆蓋此等之氧化矽(SiO₂ )所構成。於導通孔，填埋有銅(Cu)等金屬，並形成電極或配線，且此等之上端，溝內填埋有Cu等而形成配線。

像這種層間絕緣膜，因為氟碳膜(以下稱為CFx膜)具有2.5左右之極低的介電常數k，故能減小配線間之寄生電容，受到重視。但是，CFx膜對水非常不耐，且密合性差。因此，CFx膜，形成於矽碳氮化物(SiCN)層、矽氮化物(SiN)層、SiO₂ 層或SiC層等基底層上。

以往，CFx膜，例如係專利文獻1所示，電漿產生用氣體使用氦氣(He)、氖氣(Ne)、氬氣(Ar)、氙氣(Xe)、氪氣(Kr)，將氟碳氣體(以下稱為CFx氣體，此CFx氣體，例如有C₅ F₈ 氣體等)，使用電漿處理裝置來成膜。並且，於專利文獻1，為了調整產生電漿之電子密度，將稀有氣體與稀釋用的氮氣、氫氣、氨氣併用，藉此能得到良好密合性與成膜形狀。

專利文獻1：日本特開2002－220668號公報

另一方面，半導體元件上之配線構造，尤其，含層間絕緣膜之配線構造，要求使介電常數更降低。然而，關於將作為層間絕緣膜之CFx膜之介電常數更降低方面，至目前為止並未有任何提案。又，層間絕緣膜使用CF膜之情形，希望CFx膜之其他電氣特性，尤其是絕緣耐壓提高、漏電流降低。

因此，本發明之一技術課題，為提供一種能以低介電常數且良好再現性形成之安定半導體裝置等的層間絕緣膜，及具備該層間絕緣膜之配線構造。

又，本發明之另一技術課題，為提供製造前述層間絕緣膜與前述配線構造之方法。

本發明為解決上述課題，係基於以下新穎見解而成，例如於層間絕緣膜，藉由使形成於半導體基板之基底層上的氟碳膜含氮，而使介電常數k下降、絕緣耐壓提高且漏電流降低。

亦即依照本發明之一態樣，可得到一層間絕緣膜，具備形成於基底層上之氟碳膜，其特徵在於：前述氟碳膜含氮。

又，依照本發明之另一態樣，可得到一多層配線構造，具備前述任一層間絕緣膜，其特徵在於：前述層間絕緣膜具備：導通孔及溝渠中至少之一；導體層，埋設於導通孔及溝渠中至少之一；及，阻障層，設於前述導體層之周圍。

又，依照本發明又另一態樣，能得到一種層間絕緣膜之製造方法，係製造形成於基底層上之具氟碳膜的層間絕緣膜，其特徵在於：使前述氟碳膜含氮。

又，依照本發明之另一態樣，可得到一種多層配線構造之製造方法，係製造在形成於基底層上之具多數氟碳膜之層間絕緣膜填埋金屬導體所形成之多層配線構造，其特徵在於：使前述氟碳膜含氮。

又，依照本發明之又另一態樣，可得到一種配緣構造，具備形成於基底層上之具氟碳膜之層間絕緣膜以及填埋於前述層間絕緣膜而形成之導體，其特徵在於：前述氟碳膜含氮。

又，依照本發明又另一態樣，可得到一種配線構造之製造方法，該配線構造具備形成於基底層上之具氟碳膜之層間絕緣膜、填埋於前述層間絕緣膜所形成導體，其特徵在於：前述氟碳膜含氮。

又，依照本發明又另一態樣，可得到一種電子裝置，具備形成於基底層上之具氟碳膜的層間絕緣膜，及填埋於前述層間絕緣膜所形成之配線構造，其特徵在於：前述氟碳膜含氮。

再者，依照本發明之又另一態樣，可得到一種電子裝置之製造方法，該電子裝置具備形成於基底層上之具氟碳膜的層間絕緣膜，及填埋於前述層間絕緣膜所形成之導體，其特徵在於：使前述氟碳膜含氮。

(實施發明之最佳形態)

說明本發明之實施例前，為容易理解本發明，對於相關技術之半導體裝置之層間絕緣膜構造加以說明。

圖1顯示相關技術之半導體裝置之層間絕緣膜構造。若參照圖1，相關技術之半導體裝置中，設置於形成有多數半導體元件之半導體基板(未圖示)上之層間絕緣膜構造(僅顯示配線層間之連接部分1個部位)100，具備：阻障覆蓋層71，由碳化矽(SiC)等所構成；含碳氧化矽(SiOC)膜72，形成於阻障覆蓋層71之上；導通(VIA)孔8，設於此SiOC膜72；PAR(低介電常數矽(Si)層73；溝9，設於此PAR層73；覆蓋此等氧化矽(SiO₂ )所構成之硬遮罩74。於導通孔8，填埋有銅(Cu)等金屬，並形成電極或配線8，並在此等之上端，於溝9內填埋有Cu等，形成配線11。

其次，對於本發明更詳細說明。

本發明之層間絕緣膜，具有形成於基底層上之氟碳膜。此氟碳膜含氮。

前述基底層，較佳為由形成於基體上之SiCN層、SiN層、SiCO層、SiO₂ 層、SiC層及CH_y 層[y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)層中至少1種所構成。

又，氟碳膜之厚度以50~500nm較佳。

又，氟碳膜之含氮量，以0.5至6原子%之範圍較佳。此氟碳膜，以氟/碳原子比(F/C)為0.8至1.1，較佳為0.8~0.9之範圍內含氟及碳，且含氮0.1至10原子%較佳。

且此氟碳膜之介電常數k，以1.5~2.2為佳，1.5~2.0較佳。

又，前述氟碳膜，可在以氬氣、氙氣及氪氣中至少之一所產生之電漿中，以化學氣相沉積使用含碳及氟至少1種之氣體及含氮氣體形成。

此含氮氣體，較佳為包含氮氣及三氟化氮氣體其中之一或兩者。

再者，形成於前述氟碳膜上之SiCN、SiN、SiCO、SiO₂ 、SiC及CH_y [y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)其中之一或多數所構成層較佳。

又，本發明之多層配線構造，具備前述任一層間絕緣膜。前述層間絕緣膜，較佳為具備：導通孔及溝渠其中至少一者；埋設於前述導通孔及溝渠中至少一者之導體層；及設於前述導體層周圍之阻障層。

又，本發明之層間絕緣膜之製造方法，係將形成於基底層上之具氟碳膜之層間絕緣膜予以成膜，包含使前述氟碳膜含氮。

此層間絕緣膜之製造方法中，前述氟碳膜，較佳為以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍含有氟及碳且含氮0.1至10原子%。又，前述氟碳膜以含氮0.5至6原子%較佳。

又，前述氟碳膜之厚度，以50~500nm較佳。

又，前述氟碳膜之介電常數k，以1.5~2.2為佳，前述氟碳膜之介電常數以1.5~2.0更佳。

又，前述層間絕緣膜之製造方法中，較佳為在基體上，形成由SiCN層、SiN層、SiCO層、SiO₂ 層、SiC層及CH_y 層[y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)層之中至少一種所構成之前述基底層。

再者，於前述層間絕緣膜之製造方法，又較佳為，在前述氟碳膜上，形成由SiCN、SiN、SiCO、SiO₂ 、SiC及CH_y [y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)之中一或多數所構成之層。

又，於前述層間絕緣膜之製造方法，前述氟碳膜，較佳為在使用氬氣、氙氣及氪氣之中至少1種產生之電漿中，使用含碳及氟至少1種之氣體及含氮之氣體，以化學氣相沉積形成。

又，前述含氮氣體，較佳為含氮氣(N₂ )及三氟化氮(NF₃ )氣體其中之一或兩者。

又，本發明之多層配線構造之製造方法，係製造於形成於基底層上之具備多數氟碳膜之層間絕緣膜中填埋金屬導體所形成多層配線構造，包含使前述氟碳膜含氮。

又，前述氟碳膜，厚度以50~500nm為佳，原子比以氟/碳為0.8至1.1之範圍含氟及碳且含氮0.1至10原子%較佳。

又，前述氟碳膜以含氮0.5至6原子%較佳。

又，前述氟碳膜之介電常數k，以1.5~2.2為佳，1.5~2.0更佳。

又，前述氟碳膜，較佳為於使用氬氣、氙氣及氪氣至少之一產生之電漿中，使用含碳及氟至少1種之氣體及含氮之氣體，以化學氣相沉積形成。在此，前述含氮氣體，較佳為含氮氣及三氟化氮氣體其中之一或兩者。

又，本發明之多層配線構造之製造方法中，較佳為，於基體上形成由SiCN層、SiN層、SiCO層、SiO₂ 層、SiC層，及CH_y 層[y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)層中至少1種所構成之前述基底層。

又，於前述多層配線構造之製造方法中，較佳於，進一步於前述氟碳膜上，形成由SiCN、SiN、SiCO、SiO₂ 、SiC及CH_y [y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)其中之一或多數所構成之層。

本發明之配線構造，具備形成於基底層上之具氟碳膜之層間絕緣膜，及填埋於前述層間絕緣膜所形成之導體。於此配線構造，前述氟碳膜含氮。

又，前述氟碳膜，厚度以50~500nm為佳，並以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍含有氟及碳且含有氮0.1至10原子%較佳。

又，前述氟碳膜，較佳為含氮0.5至6%原子。

又，前述氟碳膜之介電常數k，以1.5~2.2為佳，1.5~2.0更佳。

又，此氟碳膜，較佳為於使用氬氣、氙氣及氪氣中至少1種產生之電漿中，使用含碳及氟中至少1種之氣體及含氮之氣體，以化學氣相沉積形成，前述含氮氣體，較佳為含氮氣及三氟化氮氣體其中之一或兩者。

又，於前述任一配線構造中，前述基底層，較佳為由形成於基體上之SiCN層、SiN層、SiCO層、SiO₂ 層、SiC層，及CH_y 層[y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)層中至少1種所構成。

又，較佳為，進一步具備形成於前述絕緣膜上之SiCN、SiN、SiCO、SiO₂ 、SiC及CH_y [y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)中一或多數所構成之層。

又，本發明之配線構造之製造方法，係製造具備形成於基底層上之具氟碳膜的層間絕緣膜以及填埋於前述層間絕緣膜所形成之導體的配線構造，前述氟碳膜含有氮。

又，前述氟碳膜，較佳為氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍含氟及碳，且含氮為0.1至10原子%。

又，前述氟碳膜以含氮0.5至6原子%較佳。

又，前述氟碳膜之介電常數k，以1.5~2.2為佳，1.5~2.0更佳。

又，前述氟碳膜之厚度，以50~500nm較佳。

又，前述氟碳膜，較佳為於使用氬氣、氙氣及氪氣中至少1種產生之電漿中，使用含碳及氟中至少1種之氣體及含氮之氣體，以化學氣相沉積形成，前述含氮氣體，較佳為含氮氣及三氟化氮氣體其中之一或兩者。

又，前述配線構造之製造方法中，前述基底層，較佳為形成於基體上之SiCN層、SiN層、SiCO層、SiO₂ 層、SiC層，及CH_y 層[y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)層中至少1種所構成。

又，本發明之電子裝置，具備形成於基底層上之具氟碳膜之層間絕緣膜以及填埋於前述層間絕緣膜而形成之配線構造，前述氟碳膜含有氮。

又，前述氟碳膜以含氮0.5至6原子%較佳。

又，前述氟碳膜之介電常數k，以1.5~2.2為佳，1.5~2.0更佳。

又，前述電子裝置中，前述基底層，較佳為形成於基體上之 SiCN層、SiN層、SiCO層、SiO₂ 層、SiC層，及CH_y 層[y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)層中至少1種所構成。

又，前述電子裝置中，較佳為，進一步具備形成於前述絕緣膜上之SiCN、SiN、SiCO、SiO₂ 、SiC及CH_y [y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)中一或多數所構成之層。

又，依照本發明，可得到一種電子裝置，其特徵在於：於前述任一電子裝置中，前述氟碳膜之厚度，為50~500nm。

又，本發明之電子裝置之製造方法，具備形成於基底層上之具氟碳膜之層間絕緣膜以及填埋於前述層間絕緣膜而形成之導體，使前述氟碳膜含有氮。

又，前述氟碳膜之厚度，以50~500nm較佳。

又，前述氟碳膜，較佳為以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍含氟及碳，且含氮為0.1至10原子%。

又，前述氟碳膜以含氮0.5至6原子%較佳。

又，前述氟碳膜之介電常數k，以1.5~2.2為佳，1.5~2.0更佳。

又，前述電子裝置中，前述基底層，較佳為形成於基體上之SiCN層、SiN層、SiCO層、SiO₂ 層、SiC層，及CH_y 層[y＝0.8~1.2]等碳氫化合物(CH)層中至少1種所構成。

依照以上說明之本發明，能提供介電常數2.0以下之低介電常數且安定的半導體裝置之層間絕緣膜，及其製造方法。

又，依照本發明，能提供具備絕緣耐壓提高且漏電流降低之層間絕緣膜之配線構造，及其製造方法。

實施例

以下對於本發明之實施例，參照圖式進行說明。

圖2顯示本發明之實施例形態之配線構造剖面圖。如圖2所示，於半導體裝置，設置在形成有多數半導體元件之半導體基板(未圖示)上的多層配線構造(僅顯示配線層間之連接部分1個部位)10，係在碳氮化矽(SiCN)所構成阻障覆蓋層1之上，形成氟碳膜(以下，稱為CFx膜)所構成之層間絕緣膜2。

設置有貫通層間絕緣膜2與阻障覆蓋層1之導通孔7。於此導通孔7，形成有Cu所構成之電極或配線8。

再者，於層間絕緣膜2上，隔著SiCN所構成之第1接著層3，形成有氟碳膜所構成之第2層間絕緣膜4。再者，於此第2層間絕緣膜4上隔著SiCN所構成之第2接著層5，形成有氧化矽(SiO₂ )所構成之硬質遮罩6。

又，從硬質遮罩6至層間絕緣膜2設有溝9，Cu所構成之配線導體11填埋於此溝中。

在此，阻障覆蓋層1，及第1及第2接著層3、5之SiCN，介電常數為4.0~4.5，但是該等阻障覆蓋層、接著層可使用k較3.0為小之碳氫化合物，或接著層可使用更薄之k=3.0之SiCO膜。在此，k為3.0以下之碳氫化合物，例如：從丁炔與氬電漿以20~30nm之厚度形成非晶性碳膜(CHy：y＝0.8~1.2)。又，介電常數雖上升，但是，當然也可使用SiN、SiC及SiO₂ 等作為阻障覆蓋層層、接著層。

又，層間絕緣膜，由k=2.0之氟碳(CFx)膜所構成，但亦能形成k=1.5左右之氟碳膜。像這種氟碳膜，可藉由使含氮得到。再者，硬質遮罩層6使用k=4.0之SiO₂ 膜，但也可製作k小於3.0之SiCO膜。

又，硬質遮罩6可藉由k=3.0以下之碳氫化合物形成。例如，此種的碳氫化合物，有上述碳氫化合物膜。

圖3顯示本發明之其他實施例經簡化之多層配線構造剖面圖。如圖3所示，在半導體裝置中，形成有多數半導體元件之半導體基板(未圖示)上所設置之多層配線構造(僅顯示配線層間之連接部分1個部位)20，係在碳氫化合物CH_y 層[y＝0.8~1.2]所構成阻障覆蓋層21之上，形成氟碳CFx膜[x＝0.8~1.1]所構成層間絕緣膜22，於其上形成有其他阻障層25。阻障層25也可使用碳氫化合物CH_y 層[y＝0.8~1.2]。貫通此等阻障覆蓋層21與層間絕緣膜22下部，設有導通孔27。於此導通孔27，形成有Cu所構成之電極或配線28’。貫通層間絕緣膜22殘部(上部)與阻障層25，設有溝29，Cu所構成之配線導體28，填埋於此溝29。在此，阻障覆蓋層21及阻障層25，由k=3.0或較小之碳氫化合物CH_y 層所構成，層間絕緣膜22，由k=2.0~1.5之氟碳(CFx)膜所構成，因此，能使總合的介電常數較以往的構造大幅減小。

圖4顯示本發明實施例之電漿處理裝置30概略剖面圖。若參照圖4，微波41經由導波管42，從在電漿處理裝置30之腔室壁38上部隔著絕緣體板31設置之輻射狀線槽孔天線(radial line slot antenna，RLSA)32透過其下之絕緣體板31及噴淋板33，放射到電漿產生區域34。激發電漿之電漿激發用氣體，通過氣體導入管43將氬氣(或氪氣、氙氣)等稀有氣體從上段噴淋板33對於電漿產生區域34均勻地吹出，並於此處利用放射的微波激發電漿。

微波激發電漿處理裝置30之擴散電漿區域，設有下段噴淋板35。

在此，若對於上段噴淋板33通過導入管43使流過氙氣、氪氣或氬氣，對於下段噴淋板35從導入管46流出SiH₄ 氣體，則能在基板，例如矽晶圓36之表面形成矽(SiO₂ )膜。又，若從上段噴淋板33流出氙氣、氪氣或氬氣，從下段噴淋板35流出三甲基矽烷氣體，則形成SiC膜，再者，從上段噴淋板33使氪氣、氙氣或氬氣流過，並從下段噴淋板35使SiH₄ 氣體與氮氣流過，則形成SiN膜。

又，若從上段噴淋板33使氪氣、氙氣或氬氣流過，並從下段噴淋板35使C_x F_y (C₅ F₈ 、C₄ F₈ 等)氣體流過，則能形成氟碳膜。本發明中，與C_x F_y 氣體同時使含氮氣體例如氮氣、三氟化氮氣體及氨氣氣體中至少之一流過。

又，處理室37內之廢氣，通過未圖示排氣埠，而通到排氣管路內，並各導入泵浦。又，處理室37內之基板，例如，矽晶圓36之支持台，與高頻(RF)電源39連接。

其次，對於本發明之實施例的CFx成膜處理詳加說明。

若參照圖2，於本發明之實施例之CFx成膜處理，首先就阻障覆蓋層1而言，係將SiCN或SiCO使用SiH₄ /C₂ H₄ /N₂ 或O₂ 等之電漿處理形成。又，當然也可將矽烷氣體(SiH₄ )/乙烯氣體(C₂ H₄ )取代成有機矽烷。

其次，於此阻障覆蓋層1上，使用氟碳氣體(CFx)作為反應氣體，並進一步添加氮氣，以氬電漿形成膜厚50~500m之CFx膜作為層間絕緣膜2。

在此，作為反應氣體之氟碳氣體，可使用通式C_n F_2n (惟，n為2~8之整數)或以C_n F_2n－2 (n為2~8之整數)表示之不飽和脂肪族氟化物。例如，以C₅ F₈ 之通式表示之八氟戊炔、八氟戊二烯、八氟環戊烯、八氟甲基丁二烯、八氟甲基丁炔、含氟環戊烯或氟環丙烷之氟化碳、含氟環丁烯或氟環丁烷之氟化碳。

其次，回到圖2，對於圖示之配線構造之製造方法加以說明。

如圖2所示，形成阻障覆蓋層1作為基底層，並形成第1層間絕緣膜2。藉由將此第1層間絕緣膜2蝕刻，形成導通孔7。其次，於此導通孔7之內壁，就防止電極金屬擴散到層間絕緣膜之阻障層7’而言，將鎳之氟化物，較佳為二氟化鎳(以NiF₂ 表示)之膜，以物理氣相沉積(PVD)形成鎳膜，並將其氟化處理，或以金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)直接形成。

其次，同樣地，就接著層5所構成之基底層而言，形成SiCN層或含碳氧化矽(SiCO)層，並於其上形成層間絕緣膜4。於此層間絕緣層4上，進一步就接著層5構成之基底層而言，形成SiCN層或SiCO層，並於該基底層之上，形成SiO₂ 或SiCO層作為硬質遮罩層6。在此，SiO₂ 層，可從圖4所示電漿處理裝置30之上段噴淋板33導入氬氣與氧氣之混合氣體，並對於下段噴淋板35導入SiH₄ 氣體即可。又，SiCO層可與前述基底層同樣地形成。

其次，藉由蝕刻形成溝9，並於溝9之內壁面，形成NiF₂ 阻障層9’，於此溝9充填Cu作為金屬，能形成配線導體11而完成配線構造10。

其次，對於圖3之配線構造之製造方法加以說明。為製造此構造，首先，連續形成阻障覆蓋層21、層間絕緣膜22，及其他阻障層25。此連續形成，係於圖4所示電漿處理裝置30內，對上段噴淋板33流過氙氣、氪氣或氬氣，從下段噴淋板35流過C₄ H₆ 丁烘氣體，而形成碳氫化合物CH_y 層21膜，接著，將從下段噴淋板35流過之氣體轉換成C₅ F₈ 氣體及氮氣之混合氣體，進行化學氣相沉積形成氮添加氟碳膜22，接著將從下段噴淋板35流過之氣體轉換為C₄ H₆ 氣體，進行化學氣相沉積形成碳氫化合物CH_y 層25。其次，形成貫通阻障覆蓋層21與層間絕緣膜22下部之導通孔27，及貫通層間絕緣膜22殘部(上部)與阻障層25之溝29，將此等之內壁以與圖2同樣方法，各以阻障層27’及29’被覆。導通孔27與溝29之形成，首先，可形成溝29並於其內壁上選定厚度遮蔽，將導通孔27開孔，亦可貫通與導通孔27相同內徑之孔，接著將導通孔27部分之內部遮蔽，並使上部之孔加寬成溝29。之後，將Cu充填於導通孔27與溝29，形成導體28及28’，完成層間配線構造20。

其次，對於本發明之實施例之含氮層間絕緣膜之物性進一步詳細說明。

圖5顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜添加氮造成之介電常數k之變化。圖5所示之CFx膜，於圖4裝置中，上部電極與下部電極間的間隙定為53mm，下部噴淋板使用開口部之開口率 25%者，顯示於37.24Pa、2700W之條件下，於C₅ F₈ =50sccn、氬氣=480sccm、使氮氣之流量變化時，各基板溫度定為200℃、350℃、400℃、450℃、500℃時之介電常數k值之變化。

如圖5所示，隨著氮氣流量(sccm)增加，k值成直線地降低，k=1.7或更小，又，若基板溫度升高，則測定到於350℃可得到接近k=1.6之low－k值。

圖6顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成之絕緣破壞電場強度(MV/cm)變化。圖6所示CFx膜，係與圖5所示者以相同條件成膜。如圖6所示，於未添加氮之情形，耐壓為1.8~1.9MV/cm，相對於此，不論基板溫度為200℃、350℃、400℃、450℃、500℃，耐壓都增加到2.6MV/cm以上，且隨氮氣流量(sccm)增加之程度，耐壓性升到4.0MV/cm，可以理解因為氮添加而使電特性提高。

圖7顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成漏電流(A)之變化。圖7所示CFx膜，係與圖5所示者以相同條件成膜。若參照圖7，未添加氮之部分之漏電流為1.3×10^－8 ~1.8×10^－8 A，相對於此，不論基板溫度為200℃、350℃、400℃、450℃、500℃，漏電流均減少到1.4×10^－9 以下，且隨氮氣流量(sccm)增加，漏電流減少到4×10^－10 ，可理解由於添加氮造成電特性提高。

圖8顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成之沉積速度nm/min之變化。圖8所示之CFx膜，係與圖5所示者以相同條件成膜。如圖8所示可知，基板溫度上升到200℃、350℃、400℃、450℃、500℃，或使氮氣流量(sccm)增加，沉積速度減少。

圖9顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成介電常數k值與絕緣破壞電場強度(MV/cm)間之關係。圖9所示之CFx膜，係與圖5所示者於相同條件成膜。如圖9所示可知，於基板溫度200℃、350℃、400℃、450℃、500℃任一者，隨著k值下降之程度，耐壓性提高。

下述表1顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成之膜中組成比例。

如上述表1所示，於CFx膜之組成比，在任一條件，均在氟/碳(x=0.80~0.90)之範圍內。又，膜中之含氮量，以0.1~10原子%較佳，若為0.5~6%原子，降低介電常數為有效的。圖5至圖9所示例中，如上述表1所示，在任一條件，氮之含量為3~5原子%。

若參照圖10至14，顯示本發明之實施例中，含氮氟碳膜之其他例特性及組成。此處所示含氮氟碳膜，係於圖4之裝置中，以280毫托耳(mTorr，亦即37.2Pa)之壓力，以1500W之微波輸出條件，將基板溫度設定為350℃，氬氣之流量設為480sccm，C₅ F₈ 之流量設為50sccm，含氮氣體使用氮氣、三氟化氮氣體或兩者之混合氣體(氮氣/三氟化氮氣體=1/1)，並使含氮氣體之流量變化而成膜。

如圖10所示，若使用三氟化氮氣體，則能以較少流量(6~8sccm)，得到低介電常數，使用氮氣則此程度之流量得不到低介電常數，但若流量增多則測定到能於14~16sccm之流量得到低介電常數。若使用兩者之混合氣體，則有在中間之傾向。

參照圖11，可知若使用三氟化氮氣體則能以較少流量(6~8sccm)得到高耐壓(3.50MV/cm左右)，氮氣以此程度之流量得不到高耐壓，但若流量增多，可得到較高耐壓。若使用兩者之混合氣體，則有在中間之傾向。

參照圖12可知，三氟化氮氣體可於較少流量(8sccm)使漏電流減小，氮氣體於此程度之流量得不到低漏電流，但是若流量加多，則能使漏電流減少。若使用兩者之混合氣體，也有在中間的傾向。

圖13及圖14顯示將以上述方式製作之含氮氟碳膜，各使用氮氣及三氟化氮氣體成膜者，以X光電子分析裝置(ESCA)分析之結果。圖13顯示相對於氮氣及三氟化氮氣體之各流量，原子組成，亦即碳及氟之構成比(左縱軸)與氮之構成比(右縱軸)，圖14顯示相對於氮氣及三氟化氮氣體之各流量之氟/碳比。參照圖13可知，於使用氮氣成膜之情形，碳原子%為50%多，氟原子%為44%左右，氮隨氣體流量增多而於12sccm在膜中含有4.3原子%左右，但是於使用三氟化氮氣體成膜之情形，氟原子%隨著流量增加到50%多，因此，碳原子%從50多隨著流量減少到不滿50，氮在膜中僅有0.5原子%左右。參照圖14可知，於使用氮氣成膜之情形，氟/碳比為0.8~0.85左右，但使用三氟化氮氣體成膜之情形，氟/碳比可高到1.04左右。

圖15至圖17顯示就上述條件之中，壓力為200毫托耳(mTorr)(=26.6Pa)及400毫托耳(mTorr)(=53.2Pa)，未流過三氟化氮氣體之情形及流過7毫升之情形之結果，圖15顯示於未流過三氟化氮之情形，Si上之CF膜剖面SEM照片。

圖16顯示流過三氟化氮之情形，Si上之CF膜剖面SEM照片。

圖17顯示於成膜後，使溫度(右縱軸)以圖之變化提高之情形，從膜脫氣之程度。可知與未流過三氟化氮之情形相比，若流過三氟化氮，則脫氣會有若干增加。

圖18，與圖17同樣顯示與圖10至14相同條件成膜之CF膜的脫氣，顯示改變三氟化氮氣體之流量之情形及流過氮氣之情形。圖19為圖18之部分擴大圖。從該等可知，於流過氮氣10毫升之情形，脫氣最少。

產業利用性

如以上之說明，本發明之CFx膜所構成之層間絕緣膜及其製造方法、配線構造及其製造方法，最適於具備低介電常數、高耐壓並且低漏電流之層間絕緣膜及配線構造之半導體裝置、配線基板，或含此等之電子裝置。

本申請案係基於2006年11月9日提申之日本專利申請案特願第2006－304534號及2007年2月19日提申之日本專利申請案特願第2007－38584號主張優先權，其揭示已載入於此。

1‧‧‧阻障覆蓋層

2‧‧‧層間絕緣膜

3‧‧‧第1接著層

4‧‧‧層間絕緣膜

5‧‧‧接著層

6‧‧‧硬質遮罩

7‧‧‧導通孔

7’‧‧‧阻障層

8‧‧‧導通孔

9‧‧‧溝

9’‧‧‧阻障層

10‧‧‧配線構造

11‧‧‧配線(導體)

20‧‧‧配線構造

21‧‧‧阻障覆蓋層

22‧‧‧層間絕緣膜

25‧‧‧阻障層

27‧‧‧導通孔

27’‧‧‧阻障層

28‧‧‧配線(導體)

28’‧‧‧配線(導體)

29‧‧‧溝

29’‧‧‧阻障層

30‧‧‧電漿處理裝置

31‧‧‧絕緣體板

32‧‧‧輻射狀線槽孔天線(RLSA)

33‧‧‧噴淋板

34‧‧‧電漿產生區域

35‧‧‧噴淋板

36‧‧‧矽晶圓

37‧‧‧處理室

38‧‧‧腔室壁

39‧‧‧高頻(RF)電源

41‧‧‧微波

42‧‧‧導波管

43‧‧‧氣體導入管

46‧‧‧導入管

71‧‧‧阻障覆蓋層

72‧‧‧含碳氧化矽(SiOC)膜

73‧‧‧PAR(低介電常數矽(Si)層)

74‧‧‧硬遮罩

100‧‧‧層間絕緣膜構造

圖1顯示習知技術之半導體裝置之層間絕緣膜構造。

圖2顯示本發明之實施例中，配線構造例之剖面圖。

圖3顯示本發明之實施例中，配線構造之另一例。

圖4顯示本發明之實施例中，電漿處理裝置之概略剖面圖。

圖5顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成介電常數k值之變化。

圖6顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成絕緣破壞電場強度(MV/cm)之變化。

圖7顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成之漏電流(A)變化。

圖8顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成之沉積速度(nm/min)變化。

圖9顯示本發明之實施例中，層間絕緣膜之氮添加造成之k值與絕緣破壞電場強度(MV/cm)間之關係。

圖10顯示本發明之實施例中，含氮氟碳膜之其他例之特性及組成。

圖11顯示本發明之實施例中，含氮氟碳膜之其他例之特性及組成。

圖12顯示本發明之實施例中，含氮氟碳膜之其他例之特性及組成。

圖13顯示本發明之實施例中，含氮氟碳膜之其他例之特性及組成。

圖14顯示本發明之實施例中，含氮氟碳膜之其他例之特性及組成。

圖15A顯示圖10至圖14所示條件之中，壓力定為200毫托耳(26.6Pa)，且不流過三氟化氮氣體之情形(0毫升)，Si上之CF膜之剖面SEM照片。

圖15B顯示圖10至圖14所示條件之中，壓力定為400毫托耳(53.2Pa)，且不流過三氟化氮氣體之情形(0毫升)，各自在Si上之CF膜之剖面SEM照片。

圖16A顯示圖10至圖14所示條件之中，壓力定為200毫托耳(26.6Pa)，且使三氟化氮流過7毫升之情形，Si上之CF膜之剖面SEM照片。

圖16B顯示圖10至圖14所示條件之中，壓力定為400毫托耳(53.2Pa)，且使三氟化氮流過7毫升之情形，Si上之CF膜之剖面SEM照片。

圖17顯示圖10至圖14條件之中，壓力定為200毫托耳(26.6Pa)及400毫托耳((53.2Pa)，且使三氟化氮氣體流過7毫升之情形與不流過之情形，在成膜後，溫度(右縱軸)與脫氣之程度。

圖18為與圖17同樣地，顯示從與圖10至14以相同條件成膜之CF膜之脫氣，於改變三氟化氮氣體流量之情形及流過氮氣之情形。

圖19顯示圖18之部分擴大圖。

7‧‧‧導通孔

7，‧‧‧阻障層

8‧‧‧導通孔

9‧‧‧溝

9，‧‧‧阻障層

11‧‧‧配線(導體)

71‧‧‧阻障覆蓋層

72‧‧‧含碳氧化矽(SiOC)膜

73‧‧‧PAR(低介電常數矽(Si)層)

74‧‧‧硬遮罩

100‧‧‧層間絕緣膜構造

Claims

一種層間絕緣膜，具備直接形成於基底層上之氟碳膜，其特徵在於：該氟碳膜以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍內含氟及碳，且含氮0.1至10原子%；該基底層，係由SiCO、SiO₂ 及以CH_y [y=0.8~1.2]所示之碳氫化合物(CH)中的至少1種或多種所構成。
如申請專利範圍第1項之層間絕緣膜，其中，該氟碳膜含氮0.5至6原子%。
如申請專利範圍第1項之層間絕緣膜，其中，該氟碳膜之介電常數k為1.5~2.2。
如申請專利範圍第3項之層間絕緣膜，其中，該氟碳膜之介電常數k為1.5~2.0。
如申請專利範圍第1項之層間絕緣膜，其中，該基底層形成於基體上。
如申請專利範圍第1項之層間絕緣膜，其中，更具備形成於該氟碳膜上之SiCN、SiN、SiCO、SiO₂ 、SiC，及以CH_y [y=0.8~1.2]所示的碳氫化合物(CH)其中之一或多數所構成之層。
如申請專利範圍第1項之層間絕緣膜，其中，該氟碳膜之厚度為50-500nm。
一種多層配線構造，具備申請專利範圍第1項之層間絕緣膜，其特徵在於該層間絕緣膜具備：導通孔及溝渠其中至少1種；導體層，埋設於該導通孔及溝渠至少其中之一；及阻障層，設於該導體層周圍。
一種層間絕緣膜之製造方法，係用以形成具有直接形成於基底層上之氟碳膜的層間絕緣膜，其特徵在於：該氟碳膜以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍內含氟及碳，且含氮0.1至10原子%；該基底層，係由SiCO、SiO₂ 及以CH_y [y=0.8~1.2]所示之碳氫化合物(CH)中的至少1種或多種所構成。
如申請專利範圍第9項之層間絕緣膜之製造方法，其中，該氟碳膜係於使用氬氣、氙氣及氪氣中至少1種產生之電漿中，使用含碳及氟至少1種之氣體及含氮氣體，以化學氣相沉積形成。
如申請專利範圍第10項之層間絕緣膜之製造方法，其中，該含氮氣體包含氮氣及三氟化氮氣體其中之一或兩者。
一種多層配線構造之製造方法，係於具有直接形成於基底層上之多數氟碳膜的層間絕緣膜填埋金屬導體而形成該多層配線構造，其特徵在於：由SiCO、SiO₂ 及以CH_y [y=0.8~1.2]所示之碳氫化合物(CH)中的至少1種形成該基底層的同時，在該氟碳膜中以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍內含氟及碳，且含氮0.1至10原子%。
如申請專利範圍第12項之多層配線構造之製造方法，其中，該氟碳膜係於使用氬氣、氙氣及氪氣中至少1種產生之電漿中，使用含碳及氟至少1種之氣體及含氮氣體，以化學氣相沉積形成。
如申請專利範圍第13項之多層配線構造之製造方法，其中，該含氮氣體包含氮氣及三氟化氮氣體其中之一或兩者。
一種配線構造，包含具有直接形成於基底層上之氟碳膜的層間絕緣膜、以及填埋於該層間絕緣膜而形成之導體，其特徵在於：該基底層，係由SiCO層、SiO₂ 層及以CH_y 層[y=0.8~1.2]所示之碳氫化合物(CH)層中的至少1種或多種所構成；該氟碳膜以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍內含氟及碳，且含氮0.1至10原子%。
如申請專利範圍第15項之配線構造，其中，該氟碳膜含氮0.5至6原子%。
如申請專利範圍第15項之配線構造，其中，該氟碳膜之介電常數k為1.5~2.2。
如申請專利範圍第17項之配線構造，其中，該氟碳膜之介電常數k為1.5~2.0。
如申請專利範圍第15項之配線構造，其中，該基底層形成於基體上。
如申請專利範圍第15項之配線構造，其中，更具備形成於該層間絕緣膜上之由SiCN、SiN、SiCO、SiO₂ 、SiC，及以CH_y [y=0.8~1.2]所示的碳氫化合物(CH)其中之一或多數所構成之層。
如申請專利範圍第15項之配線構造，其中，該氟碳膜之厚度為50~500nm。
一種配線構造之製造方法，所製造之該配線構造具備具有直接形成於基底層上之氟碳膜的層間絕緣膜、及填埋於該層間絕緣膜而形成之導體，其特徵在於：由SiCO、SiO₂ 及以CH_y [y=0.8~1.2]所示之碳氫化合物(CH)中的至少1種形成該基底層的同時，在該氟碳膜中以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍內含氟及碳，且含氮0.1至10原子%。
如申請專利範圍第22項之配線構造之製造方法，其中，於基體上形成該基底層。
如申請專利範圍第22項之配線構造之製造方法，其中，更具備形成於該層間絕緣膜上之由SiCN、SiN、SiCO、SiO₂ 、SiC及CH_y [y=0.8~1.2]所示的碳氫化合物(CH)其中之一或多數所構成之層。
如申請專利範圍第22項之配線構造之製造方法，其中，該氟碳膜係於使用氬氣、氙氣及氪氣中至少1種產生之電漿中，使用含碳及氟至少1種氣體及含氮氣體，以化學氣相沉積形成。
如申請專利範圍第25項之配線構造之製造方法，其中，該含氮氣體，包含氮氣及三氟化氮氣體其中之一或兩者。
一種電子裝置，具備具有直接形成於基底層上之氟碳膜的層間絕緣膜、以及填埋於該層間絕緣膜而形成之配線構造，其特徵在於：該基底層，係由SiCO層、SiO₂ 層及以CH_y 層[y=0.8~1.2]所示之碳氫化合物(CH)層中的至少1種形成，該氟碳膜以氟/碳原子比為0.8至1.1之範圍內含氟及碳，且含氮0.1至10原子%。