專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及半導(dǎo)體裝置及其制造方法，特別是關(guān)于低介電率的無機(jī)介電體膜。
(1)在無機(jī)絕緣膜即二氧化硅膜中添加氟。
(2)形成低介電率的有機(jī)材料作為母體材料。
(3)有意識地形成多孔膜。
然而，在方法(1)中，由于引起絕緣膜耐熱性的惡化，氟的添加量的原子比至多為數(shù)％，這樣，與歷來的二氧化硅系層間絕緣膜相比，存在著其比介電率只能下降10％～15％的問題。
而且，在方法(2)中，由于使用了有機(jī)材料，所以與歷來的二氧化硅系層間絕緣膜相比，其耐濕性與機(jī)械強(qiáng)度非常差，因此存在著使半導(dǎo)體元件可靠性下降的問題。
進(jìn)而，在方法(3)中，由于多孔結(jié)構(gòu)是隨機(jī)的，所以層間絕緣膜的機(jī)械強(qiáng)度明顯下降，在組裝時容易損壞，成為半導(dǎo)體元件可靠性下降的原因。
還有，在大多數(shù)情況下多孔結(jié)構(gòu)是非封閉的，非封閉的層間絕緣膜的耐濕性明顯下降，成為半導(dǎo)體元件可靠性下降的原因。
進(jìn)而，隨著半導(dǎo)體裝置向微細(xì)化與高集成化進(jìn)展，不僅布線層間的電容，而且布線間的電容也成為嚴(yán)重的問題。
在這樣的歷來的絕緣膜中，存在有不能使介電率充分地降低，而且機(jī)械強(qiáng)度也不充分的問題。
進(jìn)而，本發(fā)明的目的還于，提供一種半導(dǎo)體裝置，在半導(dǎo)體裝置微細(xì)化與高集成化時，能夠同時降低布線層間的電容以及布線間的電容。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具有以下特征，包含在基板上形成兩種以上不同尺寸的空孔，至少第一尺寸的空孔周期排列的周期多孔結(jié)構(gòu)的無機(jī)絕緣膜。
而且理想的是所述無機(jī)絕緣膜具有包含第一與第二尺寸的空孔，所述第二空孔隨機(jī)排列的特征。
而且理想的是所述無機(jī)絕緣膜具有包含第一與第二尺寸的空孔，所述第一與第二尺寸的空孔每一種都周期排列，有復(fù)合的周期多孔結(jié)構(gòu)的特征。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，由于包含有不同尺寸的空孔，且具有至少第一尺寸的空孔周期排列的周期多孔結(jié)構(gòu)的無機(jī)絕緣膜，所以能夠包含更多的空孔。由于空孔的介電率很低，所以能夠使介電率大幅度地下降，可能使絕緣膜達(dá)到極限的低介電率化。而且由于具有多種的周期多孔結(jié)構(gòu)，所以能夠使孔的開口部在一定區(qū)域內(nèi)以相互封閉的形式存在，使機(jī)械強(qiáng)度提高，從而得到可靠性高的絕緣膜。
而且理想的是所述無機(jī)絕緣膜具有以下特征所述無機(jī)絕緣為所述第一尺寸的圓柱形空孔周期排列，且由多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域、與層狀的空孔在基板表面垂直方向上周期排列，且具有多個小孔的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域重復(fù)排列。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，具有帶有小孔的骨骼結(jié)構(gòu)，能夠包含更多的空孔，可以使介電率進(jìn)一步下降。而且，根據(jù)圓柱形空孔周期排列的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域、與在基板表面垂直方向上周期排列的層狀的空孔的重復(fù)排列，特別是在作為層間絕緣膜利用的情況下，空孔能夠具有對于上層結(jié)構(gòu)及下層結(jié)構(gòu)都無開口部的封閉結(jié)構(gòu)，能夠起到耐濕性優(yōu)異、可靠性高的有效低介電率薄膜的作用。而且，能夠得到均勻的電氣特性。
而且，由于在區(qū)域的每個不同方向都定向排列有多孔結(jié)構(gòu)，所以空孔的開口部可能會相互封閉，所以具有與致密膜相當(dāng)?shù)膬?yōu)異的耐濕性，而且，由周期性的結(jié)構(gòu)，可能得到機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異、介電率極低的低介電率薄膜。進(jìn)而，由于層間的空間由鄰接的層所支撐，所以能夠使通常被認(rèn)為不穩(wěn)定的層狀周期多孔形狀變得穩(wěn)定，構(gòu)筑具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。
而且理想的是所述無機(jī)絕緣膜具有以下特征所述無機(jī)絕緣膜，是由所述第一尺寸的圓柱形空孔周期排列，且由多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)印⑴c層狀的空孔在基板表面上周期平行排列，且具有多個小孔的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)?，在基板表面上平行重?fù)疊層所構(gòu)成。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，特別是在作為層間絕緣膜利用的情況下，由于具有對于上層結(jié)構(gòu)及下層結(jié)構(gòu)都無開口部的封閉結(jié)構(gòu)，所以能夠在上述效果的基礎(chǔ)上，增加作為耐濕性優(yōu)異、可靠性高的有效低介電率薄膜的作用。
而且理想的是所述無機(jī)絕緣膜具有以下特征所述無機(jī)絕緣膜，是存在于半導(dǎo)體基板或在半導(dǎo)體基板上形成的第一層布線導(dǎo)體與在其上層形成的第二布線導(dǎo)體之間的層間絕緣膜。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，由于能夠形成低電容的絕緣膜，所以能夠降低寄生電容，使半導(dǎo)體裝置達(dá)到高速化。
理想的是所述層間絕緣膜具有以下特征所述層間絕緣膜，是由在所述第一層布線導(dǎo)體上形成，具有與所述第一層布線導(dǎo)體相連接的接觸孔的第一層間絕緣膜，與填充在所述第一層間絕緣膜上形成的第二層布線導(dǎo)體的布線間區(qū)域的第二層間絕緣膜所構(gòu)成，所述第一層間絕緣膜由層狀的空孔周期排列，具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所形成的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，由于在包圍接觸孔的區(qū)域周期排列有層狀的空孔，而且由具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域，所以能夠使層間的電容進(jìn)一步降低。
而且理想的是所述層間絕緣膜具有以下特征所述層間絕緣膜，是由在所述第一層布線導(dǎo)體上形成，具有與所述第一層布線導(dǎo)體相連接的接觸孔的第一層間絕緣膜、與填充在所述第一層間絕緣膜上形成的第二層布線導(dǎo)體的布線間區(qū)域的第二層間絕緣膜所構(gòu)成，所述第一層間絕緣膜由層狀的空孔周期排列，具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成，同時，所述第二層間絕緣膜是由圓柱狀空孔周期排列，且由多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，由于在包圍接觸孔的區(qū)域周期排列有層狀的空孔，而且由具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域，所以能夠使層間的電容進(jìn)一步降低。另一方面，由于在構(gòu)成線間絕緣膜的上層布線區(qū)域的線間方向上排列有圓柱狀空孔，所以能夠使線間方向的電容進(jìn)一步大幅度降低。而且理想的是通過使用圓柱狀空孔的排列方向與布線方向相平行的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域，可以消除布線間短路的問題，提供可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
而且理想的是所述層間絕緣膜具有以下特征所述層間絕緣膜，是由在所述第一層布線導(dǎo)體上形成，具有與所述第一層布線導(dǎo)體相連接的接觸孔的第一層間絕緣膜，與填充在所述第一層間絕緣膜上形成的第二層布線導(dǎo)體的布線間區(qū)域的第二層間絕緣膜所構(gòu)成，所述第一層間絕緣膜由在所述基板表面平行形成的空孔周期排列，具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成，同時，所述第二層間絕緣膜是由在所述基板表面基本垂直形成的層狀空孔周期排列，且由多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第三多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，由于在包圍接觸孔的區(qū)域周期排列有與基板表面相平行的層狀空孔，而且由具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域，所以能夠使層間的電容進(jìn)一步降低。另一方面，由于在構(gòu)成線間絕緣膜的上周期排列有與基板表面基本垂直的圓柱狀空孔，所以能夠使線間方向的電容進(jìn)一步大幅度降低。而且還可以消除布線間短路的問題，提供可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體制造方法中，層間絕緣膜的制造工序具有以下特征。包括生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列成分比的前驅(qū)體溶液的工序；使所述前驅(qū)體溶液升溫，使其開始交聯(lián)反應(yīng)的預(yù)備交聯(lián)工序；將在所述預(yù)備交聯(lián)工序中開始了交聯(lián)反應(yīng)的所述前驅(qū)體溶液與基板相接觸的接觸工序；以及將與所述前驅(qū)體溶液相接觸的基板燒成，使所述界面活性劑分解去除的工序。
根據(jù)所述方法，由于使用了具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體，所以能夠形成自身具有小孔的骨骼結(jié)構(gòu)，可以在維持其機(jī)械強(qiáng)度的同時進(jìn)一步降低介電率。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體制造方法中，層間絕緣膜的制造工序具有以下特征。包括生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列成分比的前驅(qū)體溶液的工序；使所述前驅(qū)體溶液與基板相接觸的接觸工序；使所述前驅(qū)體溶液升溫，使其開始交聯(lián)反應(yīng)的預(yù)備交聯(lián)工序；以及將所述基板燒成，使所述界面活性劑分解去除的工序。
根據(jù)所述方法，由于使用了具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體，所以能夠形成自身具有小孔的骨骼結(jié)構(gòu)，可以在維持其機(jī)械強(qiáng)度的同時進(jìn)一步降低介電率。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體制造方法中，形成絕緣膜的工序具有以下特征。包括生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列的第一成分比的前驅(qū)體溶液的工序；生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列的第二成分比的前驅(qū)體溶液的工序；使所述第一及第二前驅(qū)體溶液升溫，使其開始交聯(lián)反應(yīng)的預(yù)備交聯(lián)工序；將在所述預(yù)備交聯(lián)工序中開始了交聯(lián)反應(yīng)的所述第一及第二前驅(qū)體溶液與基板相接觸的接觸工序；以及將與所述第一及第二前驅(qū)體溶液相接觸的基板燒成，使所述界面活性劑分解去除的工序。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，能夠在維持其機(jī)械強(qiáng)度的同時進(jìn)一步降低介電率，可以提供具有控制性極好、機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異、介電率極低的絕緣膜。而且，由圓柱形空孔周期排列的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)?、與層狀的空孔在基板表面上平行周期排列的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)?，在基板表面上平行重?fù)疊層的層間絕緣膜，能夠容易形成具有兩種以上不同周期結(jié)構(gòu)的層間絕緣膜。
而且由于在低溫下能夠形成，所以即使在作為集成電路的層間絕緣膜使用的情況下，也可以不對基底產(chǎn)生影響，形成可靠性高的層間絕緣膜。而且還由于不需要在加熱到500℃以上的工序而形成，所以還可以采用鋁的布線。
而且，由于是通過與液體的接觸而形成，所以可在微細(xì)的區(qū)域形成高精度的模式，使可靠性進(jìn)一步提高。
進(jìn)而，還可以通過對前驅(qū)體溶液濃度的調(diào)整而適宜地變更孔隙度，因此可以以極好的操作性形成具有所希望介電率的絕緣體薄膜。
而且，在本發(fā)明的方法中，還具有所述第一及第二前驅(qū)體溶液在與基板表面接觸時，已經(jīng)開始預(yù)備交聯(lián)反應(yīng)的特征。
根據(jù)所述方法，能夠容易、高效地形成具有兩種以上周期性空孔的無機(jī)絕緣膜。
希望所述接觸工序，具有將基板在第一及第二前驅(qū)體溶液中順次反復(fù)浸漬的特征。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，能夠形成批量生產(chǎn)性好、由不同的多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域疊層所得到的低介電率絕緣膜。
而且，理想的是所述接觸工序，具有包含將基板在第一前驅(qū)體溶液中浸漬，以所希望的速度提升的工序，與將基板在第二前驅(qū)體溶液中浸漬，以所希望的速度提升的工序的特征。
而且，理想的是所述接觸工序，具有將第一及第二前驅(qū)體溶液在基板上順次反復(fù)涂敷的特征。
進(jìn)而，理想的是所述接觸工序，具有將第一及第二前驅(qū)體溶液在基板上滴下，使所述基板旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂敷的特征。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，能夠容易地調(diào)整膜厚及孔隙度，能夠形成批量生產(chǎn)性好、低介電率的絕緣膜。
而且在本發(fā)明的方法中，由于選擇了二氧化硅誘導(dǎo)體，能夠使孔隙度進(jìn)一步提高。
圖2是表示多層布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置的制造工序。
圖3是表示本發(fā)明中實(shí)施例1中絕緣膜形成工序的說明圖。
圖4是表示本發(fā)明中實(shí)施例1中層間絕緣膜的說明圖。
圖5是表示本發(fā)明中實(shí)施例1中層間絕緣膜結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖6是表示本發(fā)明中實(shí)施例2中半導(dǎo)體裝置的說明圖。
圖7是表示使用由本發(fā)明中實(shí)施例3的方法所形成的絕緣膜的FRAM。
圖8是表示圖7中FRAM的制造工序。
圖9是表示本發(fā)明中實(shí)施例3中絕緣膜形成工序的說明圖。


圖10是表示本發(fā)明中實(shí)施例4中絕緣膜形成工序的說明圖。
圖12是表示本發(fā)明中第五實(shí)施例中絕緣膜形成工序的說明圖。
圖中1S-硅基板；12-第一布線層；13a-第一層間絕緣膜；13b-第二層間絕緣膜；13S-第二層間絕緣膜；14-第二布線層；H-接觸孔；h-小孔；1-硅基板；2-元件分離絕緣膜；3-柵絕緣膜；4-柵電極；5-源區(qū)域；6-排出區(qū)域；7-絕緣膜；8-接觸孔；9-下部電極；10-強(qiáng)介電體膜；11-上部電極。
實(shí)施例1作為本發(fā)明的實(shí)施例1，對使用具有含多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)的低介電率絕緣膜作為層間絕緣膜的多層布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置加以說明。
如圖1所示，該半導(dǎo)體裝置的特征為，由2層結(jié)構(gòu)層間絕緣膜的低介電率絕緣膜所構(gòu)成，具有與第一布線層12相接觸的接觸孔H的第一層間絕緣膜13a在基板上周期排列，使層狀的空孔與基板表面平行，由包含多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域所構(gòu)成的同時，由具有填充在所述第一層間絕緣膜13a上形成的上層側(cè)的第二布線層14的布線間區(qū)域的第二層間絕緣膜13b，與具有圓柱狀空孔周期排列、含有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域所構(gòu)成。
也就是說，在由硅基板1S表面上形成的元件分離絕緣膜(圖中未表示)所包圍的元件區(qū)域表面所形成的第一布線層12，與第二布線層14之間，形成絕緣膜的下層側(cè)在基板上周期排列，使層狀的空孔與基板表面平行，作為具有包含多個小孔h的骨骼結(jié)構(gòu)的第一層間絕緣膜13a，在上層側(cè)的第二布線層的布線模式間區(qū)域形成的作為線間絕緣膜的第二層間絕緣膜13b，圓柱狀空孔周期排列，且含有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域所構(gòu)成。
關(guān)于其它部分，由于是通常的結(jié)構(gòu)，其圖示與說明省略。
在圖2(a)到(d)中，對該層間絕緣膜的制造工序進(jìn)行說明。
首先，如圖2(a)所示，采用通常的方法，在硅基板1S上，形成所希望的半導(dǎo)體區(qū)域，形成第一布線層。
接著，使用本發(fā)明的方法，形成由在基板上平行周期排列的第二周期多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域(使層狀的空孔與基板表面相平行)所構(gòu)成的中級多孔二氧化硅薄膜(圖2(b))。
也就是說，如圖3(a)所示，首先將作為界面活性劑的陽離子型十六(烷)三甲基銨溴化物(CTABC16H33N+(CH3)3Br-)、與作為二氧化硅誘導(dǎo)體的氫硅氧烷(HSQ)、與作為酸催化劑的鹽酸(HCl)，溶解與水/酒精的混合溶劑中，在混合容器中調(diào)制前驅(qū)體溶液。該前驅(qū)體溶液的下料摩爾比如下，設(shè)溶劑為100，則取界面活性劑為0.5、二氧化硅誘導(dǎo)體為0.01、酸催化劑為2進(jìn)行混合，如圖3(b)所示，在該混合溶劑中浸漬形成了所述第一布線層12的基板，將混合容器密閉，加熱至30～150℃，保溫1～120小時，使二氧化硅誘導(dǎo)體通過加水分解重縮合反應(yīng)而聚合(預(yù)備交聯(lián)工序)，界面活性劑則形成周期的自凝聚體。
該自凝聚體一個分子為如圖4(a)所示的C16H33N+(CH2)3Br-，多個分子凝聚在一起形成如圖4(b)所示的球狀的微團(tuán)結(jié)構(gòu)，隨著由高粘度化引起的凝聚度的提高(圖4(C))，形成如圖4(d)所示的空孔定向排列的層狀結(jié)構(gòu)體。
隨后將基板取出，經(jīng)洗凈、干燥后，在氮?dú)鈿夥罩屑訜嶂?00℃，保溫3小時，進(jìn)行燒成，使鑄型的界面活性劑完全熱分解去除，得到純粹的中級多孔二氧化硅薄膜。
這樣，就形成如圖2(b)所示的層狀空孔在基板表面平行排列的第一層間絕緣膜13a。圖4(f)表示了其放大說明圖。這里形成如圖4(d)所示的高濃度自凝聚體，對其進(jìn)行燒成，可以形成具有包含多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)，層狀空孔排列的無機(jī)絕緣膜。
而且，如圖2(c)所示，在該第一層間絕緣膜13a上形成貫穿孔H，用通常的方法，形成第二布線層14。
其后，形成第二層間絕緣膜13b，其形成工序與所述第一層間絕緣膜13a的形成工序相同，僅前驅(qū)體溶液的成分發(fā)生了變化。這里，該前驅(qū)體溶液的下料摩爾比如下，設(shè)溶劑為100，則取界面活性劑為0.05、二氧化硅誘導(dǎo)體為0.1。其它工序基本完全相同而形成。
這樣，就形成具有周期性的如圖2(d)所示的圓柱狀的空孔，且獲得具有包含多個小孔骨骼結(jié)構(gòu)的第二層間絕緣膜13b。
這里，通過把以C16H33N+(CH2)3Br-為一個分子的多個分子凝聚在一起而形成的球狀微團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高濃度化，形成空孔定向排列的圓筒體，形成如圖4(C)所示的自凝聚體，經(jīng)過燒成，得到如圖4(f)的放大圖中所示的，由圓柱狀空孔周期排列的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域所構(gòu)成的第二層間絕緣膜13b。
圖5是表示在該狀態(tài)下界面結(jié)構(gòu)狀態(tài)的說明圖。由該圖可明確地知道，由空孔形成層狀，且具有包含多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)的多孔薄膜所構(gòu)成的第一層間絕緣膜13a、及圓柱狀的空孔周期排列，且具有包含多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)的第二層間絕緣膜13b而構(gòu)成。
設(shè)置有這樣形成的多層布線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置中，由于層間絕緣膜在包圍接觸孔H的區(qū)域構(gòu)成了層狀空孔周期排列的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域，所以能夠降低層間的電容。而且，由于層狀的空孔在構(gòu)成層間絕緣膜的上層布線區(qū)域的布線間平行排列，所以能夠降低布線間的電容。而且由于該上層側(cè)的第二層間絕緣膜即線間絕緣膜中，圓柱狀空孔的排列方向與第二布線層14中布線模式的布線方向相平行，所以不會發(fā)生布線間短路的問題，從而能夠提供可靠性高的半導(dǎo)體裝置。
實(shí)施例2
還有，在所述實(shí)施例1中，由兩層結(jié)構(gòu)的低介電率絕緣膜構(gòu)成層間絕緣膜，由層狀空孔在基板表面平行周期排列的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域構(gòu)成下層側(cè)，同時，由圓柱狀空孔周期排列的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域構(gòu)成上層側(cè)。但也可以由與基板表面垂直，與主布線相平行走向的第三多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域，來取代具有圓柱狀空孔的結(jié)構(gòu)區(qū)域，以構(gòu)成上層側(cè)。
該結(jié)構(gòu)表示在圖6中。即，如圖6所示，該半導(dǎo)體裝置具有以下特征，由兩層結(jié)構(gòu)的低介電率絕緣膜構(gòu)成層間絕緣膜，具有與第一布線層12相接觸的接觸孔H的第一層間絕緣膜13a，是由層狀空孔與基板表面平行周期排列，且具有包含多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域所構(gòu)成，同時，填充在所述第一層間絕緣膜13a上形成的上層側(cè)第二布線層14的布線間區(qū)域的第二層間絕緣膜13S，是由基本與基板表面垂直的層狀空孔周期排列的第三多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域所構(gòu)成。
也就是說，在由在硅基板1s的表面上形成的元素分離膜(圖中未表示)所包圍的元件區(qū)域表面上所形成的第一布線層12與第二布線層14之間，形成的層間絕緣膜的下層側(cè)，作為層狀空孔在基板表面平行周期排列的第一層間絕緣膜13a，作為上層側(cè)的第二布線層的布線模式間絕緣膜而形成的第二層間絕緣膜13S，是由基本與基板表面垂直，與主布線平行走向的第三多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域所構(gòu)成。
關(guān)于其它部分與所述實(shí)施例1中基本同樣地形成，所以其圖示及說明這里省略。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，由于在含有多個空孔的基礎(chǔ)上，又成為包含多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)，所以能夠進(jìn)一步降低線間電容，進(jìn)而，由于是與主布線平行走向，所以在布線間存在有多層的絕緣壁，能夠有效地防止布線間的短路。
實(shí)施例3作為本發(fā)明的實(shí)施例3，對使用低介電率薄膜作為層間絕緣膜FRAM加以說明。
如圖7(a)所示，由于該FRAM是由在硅基板1表面形成的元件分離絕緣膜2所包圍的元件區(qū)域內(nèi)所形成的轉(zhuǎn)換晶體管、與強(qiáng)介電體電容器所構(gòu)成，在本發(fā)明中的轉(zhuǎn)換晶體管與強(qiáng)介電體電容器的下部電極9之間，以使用本發(fā)明的低介電率薄膜作為層間絕緣膜為特征，所以如圖7(b)中的主要部分的立體圖所示，該低介電率薄膜的特征為，是由圓柱狀空孔周期排列，具有包含多個小孔h的骨骼結(jié)構(gòu)的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域7c所構(gòu)成。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，特別是在作為層間絕緣膜利用的情況下，由于具有對于上層結(jié)構(gòu)及下層結(jié)構(gòu)都無開口部的封閉結(jié)構(gòu)，所以能夠在上述效果的基礎(chǔ)上，增加作為耐濕性優(yōu)異、可靠性高的有效低介電率薄膜的作用。
其它都用通常的方法而形成。該轉(zhuǎn)換晶體管，與在硅基板表面通過柵絕緣膜3而形成的柵電極、夾持該柵電極而形成的源區(qū)域5以及排出區(qū)域6、在該排出區(qū)域6中通過接觸孔8而與下部電極9相連接。另一方面，源排出區(qū)域與比特線BL相連接。
另一方面，強(qiáng)介電體電容器是在下部電極9與上部電極11之間，夾持由PZT所構(gòu)成的強(qiáng)介電體薄膜10所形成。
圖8(a)到(d)是對該FRAM的制造工序加以說明。
首先，用通常的方法，在硅基板1的表面通過柵絕緣膜3而形成的柵電極4，同時，形成進(jìn)行不純物擴(kuò)散的源區(qū)域5以及排出區(qū)域6，作為柵電極的面罩(圖8(a))。
接著，采用本發(fā)明的方法，形成包含多個在基板上平行，且定向周期排列的周期多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域的中級多孔二氧化硅薄膜(圖8(b))。
也就是說，如圖3(a)所示，首先將作為界面活性劑的陽離子型十六(烷)三甲基銨溴化物(CTABC16H33N+(CH3)3Br-)、與作為二氧化硅誘導(dǎo)體的甲基硅氧烷(MSQ)、與作為酸催化劑的鹽酸(HCl)，溶解與水/酒精的混合溶劑中，在混合容器中調(diào)制前驅(qū)體溶液。該前驅(qū)體溶液的下料摩爾比如下，設(shè)溶劑為100，則取界面活性劑為0.05、二氧化硅誘導(dǎo)體為0.1、酸催化劑為2進(jìn)行混合，準(zhǔn)備第二前驅(qū)體溶液。而且，如圖9所示，將這樣形成的第一與第二前驅(qū)體溶液，從各自的注口，滴下到裝載在旋轉(zhuǎn)器上，以500～5000rpm的速度旋轉(zhuǎn)的基板1的表面，得到中級多孔二氧化硅薄膜。接著加熱至30～150℃，保溫1～120小時，使二氧化硅誘導(dǎo)體通過加水分解重縮合反應(yīng)而聚合(預(yù)備交聯(lián)工序)，界面活性劑則形成周期的自凝聚體作為鑄型，形成中級多孔二氧化硅薄膜。在預(yù)備交聯(lián)工序中，希望溫度為60～120℃，更希望為70～90℃，時間更希望為12～72小時。
最后，與所述實(shí)施例1同樣，經(jīng)過燒成，使界面活性劑完全熱分解、去除，形成純粹的中級多孔二氧化硅薄膜。
這樣，就形成了本發(fā)明實(shí)施例的低介電率薄膜7，但在實(shí)際中由于形成了比特線BL，所以該低介電率薄膜必須分兩次形成?？梢允褂肂L線形成之前與形成之后不同成分的前驅(qū)體溶液，形成空孔排列不同的2層結(jié)構(gòu)的層間絕緣膜。
而且，在所述實(shí)施例中，是在將前驅(qū)體溶液涂敷于基板之后而進(jìn)行的預(yù)備交聯(lián)，但也可以在實(shí)行預(yù)備交聯(lián)后再將前驅(qū)體溶液涂敷于基板。根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，由于前驅(qū)體溶液與前驅(qū)體溶液不容易混合，能夠維持相互的狀態(tài)，所以能更容易地形成具有多個周期多孔結(jié)構(gòu)的層間絕緣膜。
其后，如圖8(b)所示，采用通常的方法，在該低介電率薄膜7上形成接觸孔8。而且，在該接觸孔內(nèi)形成由濃縮為高濃度的多晶硅層所構(gòu)成的埋入插頭。隨后，以銥作為靶材，使用氬氣與氧氣的混合氣體生成氧化銥層。進(jìn)而再以鉑作為靶材在其上層形成鉑層。這樣，如圖8(c)所示，形成厚度為50nm左右的氧化銥層與厚度為200nm左右的鉑層，由光刻法將氧化銥層與鉑層形成圖案，得到下部電極9。
接著，在該下部電極9上，用溶膠-凝膠法形成作為強(qiáng)介電體膜的PZT膜。作為出發(fā)原料，使用Pb(CH3COO)2·3H2O，Zr(i-OC4H9)4，Ti(I-OC3H7)4的混合溶液。將該混合溶液旋轉(zhuǎn)涂層后，在150℃干燥，在干燥空氣中400℃、30分鐘燒成。將此過程重復(fù)5次之后，再在氧氣氣氛中進(jìn)行700℃以上的熱處理。這樣，形成250nm的強(qiáng)介電體薄膜10。還有，這里PbZrxTi1-xO3中，以x為0.52(以下表示為PZT(52/48))形成PZT膜(圖8(d))。
進(jìn)而，在強(qiáng)介電體薄膜10上，有濺射而形成氧化銥與銥的疊層膜11。該氧化銥層與銥層的疊層膜，成為上部電極11。這里形成的銥層與氧化銥層的總厚度為200nm。這樣，就可以得到強(qiáng)介電體電容器，形成如圖7所示的FRAM。
根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，由于層間絕緣膜是由中級多孔二氧化硅薄膜組成的低介電率薄膜所構(gòu)成所以可降低由層間絕緣膜引起的電容，能夠形成轉(zhuǎn)換特性良好、可高速動作的ERAM。
而且，由于具有周期的多孔結(jié)構(gòu)，可以提高其機(jī)械強(qiáng)度，所以可得到可靠性高的絕緣膜。而且，由于是由具有圓柱狀空孔周期排列，包含多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域所構(gòu)成，所以可形成機(jī)械強(qiáng)度高、介電率低的絕緣膜，能夠使設(shè)備的動作高速化。所以可得到長壽命的層間絕緣膜。
而且，關(guān)于第一前驅(qū)體溶液的成分，并不限于所述實(shí)施例中的組成。但希望在溶劑為100時，取界面活性劑為0.01～0.1、二氧化硅誘導(dǎo)體為0.01～0.5、酸催化劑為0～5。通過使用所述組成的前驅(qū)體溶液，能夠形成具有圓柱狀空孔的低介電率絕緣膜。
而且，關(guān)于第二前驅(qū)體溶液的成分，并不限于所述實(shí)施例中的組成。但希望在溶劑為100時，取界面活性劑為0.01～10、二氧化硅誘導(dǎo)體為0.5～10、酸催化劑為0～5。通過使用所述組成的前驅(qū)體溶液，能夠形成具有層狀空孔的低介電率絕緣膜。
而且，在所述實(shí)施例中，作為界面活性劑使用了陽離子型十六(烷)三甲基銨溴化物(CTABC16H33N+(CH3)3Br-)，但也并不限于此，當(dāng)然也可以使用其它類型的界面活性劑。
但是，如果使用鈉離子等堿性離子作為觸媒，會引起半導(dǎo)體材料性能的惡化，所以希望使用陽離子型的界面活性劑，使用酸催化劑作為觸媒。作為酸催化劑，除了鹽酸之外，還可以使用硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、以及H4SO4等。
而且，作為二氧化硅誘導(dǎo)體，也不限于HSQ與MSQ，只要的具有6圓環(huán)以上的硅氧烷的材料均可。
還有，作為溶劑是使用的水/酒精混合溶劑，但也可以僅使用水。
進(jìn)而還有，作為燒成氣氛是使用的氮?dú)?，但也可以使用減壓，也可以使用大氣。希望使用由氮?dú)馀c氫氣的混合氣體所構(gòu)成的發(fā)泡氣體，由此能夠使耐濕性提高，漏電電流降低。
而且，關(guān)于界面活性劑、二氧化硅誘導(dǎo)體、酸催化劑、以及溶劑的混合比例，也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏?br> 還有，在預(yù)備交聯(lián)工序中，是在30～150℃，保持1～120小時，希望溫度為60～120℃，更希望為90℃。
而且，在燒成工序中，是采用400℃。1小時。但也可以在300～500℃，1～5小時進(jìn)行。所希望的溫度為350～450℃。
實(shí)施例4在所述實(shí)施例1中，中級多孔二氧化硅薄膜的形成，是通過在前驅(qū)體溶液中的浸漬而進(jìn)行的，但也不限于浸漬，也可以采用如圖10所示的浸蘸涂層的方法。
也就是說。使基板垂直于所調(diào)制的前驅(qū)體溶液的液面，以1mm/s～10m/s的速度沉入溶液中，靜置1秒～1小時。
經(jīng)過所希望的時間后，再將基板以1mm/s～10m/s的速度上升，從溶液中取出。
最后，與所述實(shí)施例1相同，經(jīng)過燒成，使界面活性劑完全熱分解、去除，得到純粹的雙重多孔二氧化硅薄膜。
實(shí)施例5作為本發(fā)明的第五實(shí)施例，形成如圖11所示的在周期排列的空孔之間小孔隨機(jī)分布的膜也是有效的。
還有，在形成前驅(qū)體溶液時，根據(jù)界面活性劑與具有6圓環(huán)結(jié)構(gòu)的二氧化硅誘導(dǎo)體的比率的變化，可以改變所得結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)。
例如，當(dāng)CATB/MSQ等界面活性劑與二氧化硅誘導(dǎo)體的分子比為0.3～0.8時，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)(立方cubic)。該分子比為0.1～0.5時，形成圓柱狀空孔定向排列的低介電率絕緣膜。而當(dāng)該分子比較大，為0.5～2時，則形成層狀空孔定向排列的低介電率絕緣膜。
還有，在所述實(shí)施例中，是關(guān)于使用旋轉(zhuǎn)器進(jìn)行涂敷的方法進(jìn)行的說明，但也可以使用刷子進(jìn)行涂敷的方法。
此外，在所述實(shí)施例中，是FRAM的層間絕緣膜進(jìn)行的說明，但也可以適用于使用硅的種種半導(dǎo)體設(shè)備、以使用HEMT等化合物半導(dǎo)體的設(shè)備為主的高速設(shè)備、微波IC等高頻設(shè)備、FMFIS型的高集成強(qiáng)介電體存儲器、使用軟片盒等的微波傳送線路或多層布線基板等。
由以上的說明可知，根據(jù)本發(fā)明，能夠容易地得到控制性良好、機(jī)械強(qiáng)度高、介電率極低的絕緣膜。
而且，特別是能夠得到作為層間絕緣膜的有效低介電率薄膜。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于包含形成在基板表面上的、包括兩種以上不同尺寸的空孔、其中至少第一尺寸的空孔具有周期排列的周期多孔結(jié)構(gòu)的無機(jī)絕緣膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述無機(jī)絕緣膜包含第一與第二尺寸的空孔，所述第二空孔隨機(jī)排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述無機(jī)絕緣膜包含第一與第二尺寸的空孔，所述第一與第二尺寸的空孔每一種都周期排列，具有復(fù)合的周期多孔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述無機(jī)絕緣膜為，所述第一尺寸的圓柱形空孔周期排列，且把由具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)?，和層狀的空孔在基板表面上平行周期排列，且具有多個小孔的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)?，在基板表面上平行重?fù)疊層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述無機(jī)絕緣膜，是存在于半導(dǎo)體基板或在半導(dǎo)體基板上形成的第一層布線導(dǎo)體與在其上層形成的第二布線導(dǎo)體之間的層間絕緣膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述層間絕緣膜，是由在所述第一層布線導(dǎo)體上形成，具有與所述第一層布線導(dǎo)體相連接的接觸孔的第一層間絕緣膜，與填充在所述第一層間絕緣膜上形成的第二層布線導(dǎo)體的布線間區(qū)域的第二層間絕緣膜所構(gòu)成，所述第一層間絕緣膜由周期性排列的層狀空孔，具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述層間絕緣膜，是由在所述第一層布線導(dǎo)體上形成，具有與所述第一層布線導(dǎo)體相連接的接觸孔的第一層間絕緣膜，與填充在所述第一層間絕緣膜上形成的第二層布線導(dǎo)體的布線間區(qū)域的第二層間絕緣膜所構(gòu)成，所述第一層間絕緣膜由周期性排列的層狀的空孔，具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成，同時，所述第二層間絕緣膜是由周期性排列的圓柱形空孔，且由多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第一多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述層間絕緣膜，是由在所述第一層布線導(dǎo)體上形成，具有與所述第一層布線導(dǎo)體相連接的接觸孔的第一層間絕緣膜，與填充在所述第一層間絕緣膜上形成的第二層布線導(dǎo)體的布線間區(qū)域的第二層間絕緣膜所構(gòu)成，所述第一層間絕緣膜由在所述基板表面平行形成的空孔周期排列，具有多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第二多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成，同時，所述第二層間絕緣膜是由在所述基板表面基本垂直形成的周期性排列的層狀空孔，且由多個小孔的骨骼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的第三多孔結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)铀鶚?gòu)成。
9.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于絕緣膜的形成工藝包括生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列成分比的前驅(qū)體溶液的工序；使所述前驅(qū)體溶液升溫，使其開始交聯(lián)反應(yīng)的預(yù)備交聯(lián)工序；將在所述預(yù)備交聯(lián)工序中開始了交聯(lián)反應(yīng)的所述前驅(qū)體溶液與基板相接觸的接觸工序；以及將與所述前驅(qū)體溶液相接觸的基板燒成，把所述界面活性劑分解去除的工序。
10.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于絕緣膜的形成工藝包括生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列成分比的前驅(qū)體溶液的工序；使所述前驅(qū)體溶液與基板相接觸的接觸工序；使所述前驅(qū)體溶液升溫，使其開始交聯(lián)反應(yīng)的預(yù)備交聯(lián)工序；以及將所述基板燒成，使所述界面活性劑分解去除的工序。
11.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于絕緣膜的形成工藝包括生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列的第一成分比的前驅(qū)體溶液的工序；生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列的第二成分比的前驅(qū)體溶液的工序；使所述第一及第二前驅(qū)體溶液升溫，使其開始交聯(lián)反應(yīng)的預(yù)備交聯(lián)工序；將在所述預(yù)備交聯(lián)工序中開始了交聯(lián)反應(yīng)的所述第一及第二前驅(qū)體溶液與基板相接觸的接觸工序；以及將與所述第一及第二前驅(qū)體溶液相接觸的基板燒成，把所述界面活性劑分解去除的工序。
12.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于絕緣膜的形成工藝包括生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列的第一成分比的前驅(qū)體溶液的工序；生成包含具有6圓環(huán)以上的硅氧烷骨骼的二氧化硅誘導(dǎo)體與界面活性劑，具有空孔周期排列的第二成分比的前驅(qū)體溶液的工序；使所述第一及第二前驅(qū)體溶液與基板相接觸的接觸工序；對與所述第一及第二前驅(qū)體溶液相接觸的基板加熱，使其開始交聯(lián)反應(yīng)的預(yù)備交聯(lián)工序；以及將與所述基板燒成，把所述界面活性劑分解去除的工序。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述接觸工序，是將基板在第一及第二前驅(qū)體溶液中順次反復(fù)浸漬的工序。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述接觸工序包含將基板在第一前驅(qū)體溶液中浸漬，以所希望的速度提升的工序和將基板在第二前驅(qū)體溶液中浸漬，以所希望的速度提升的工序。
15.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述接觸工序，是將第一及第二前驅(qū)體溶液在基板上順次反復(fù)涂敷的工序。
16.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述接觸工序是將第一及第二前驅(qū)體溶液滴流在基板上，同時使所述基板旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂敷的工序。
全文摘要
本發(fā)明是一種半導(dǎo)體裝置，通過構(gòu)成具有周期性排列的空孔、并且具有多個小孔骨骼構(gòu)造的多孔結(jié)構(gòu)體的無機(jī)絕緣膜，可提供介電率極低，且機(jī)械強(qiáng)度高的絕緣膜。從而能夠提供一種即使在半導(dǎo)體裝置的微細(xì)化及高集成化的情況下，也能夠降低布線層間電容與布線間電容的半導(dǎo)體裝置。
文檔編號H01L21/8246GK1463471SQ02802065
公開日2003年12月24日 申請日期2002年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月29日
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