JP2000306998A

JP2000306998A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000306998A
Application number: JP11112266A
Authority: JP
Inventors: Koji Yokoyama; 孝司横山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: JP3309907B2

Abstract

(57)【要約】【課題】層間絶縁膜に比誘電率の小さい材料が用いら
れ配線の信号伝播遅延が改善されて高速動作が可能であ
りながら、放熱性が改善され故障が低減された高信頼性
の半導体装置を提供する。【解決手段】層間絶縁膜を介して上層配線と下層配線
を有し、上層配線と下層配線とを電気的に接続する接続
部を有する半導体装置において、接続部と同一材料から
なる熱伝導部を、層間絶縁膜上面に達するように下層配
線上に絶縁性薄膜を介して形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータを始めとして電子機
器の性能向上が著しいが、さらなる性能の向上が求めら
れている。これらの電子機器の性能は、使用するＬＳＩ
の性能に大きく影響を受けるため、高性能のＬＳＩが必
要とされている。特に、ＬＳＩの信号処理の高速化の要
求は年々高まっている。

【０００３】ＬＳＩの信号処理速度は、主にトランジス
タ自体の動作速度および配線での信号伝播遅延時間の大
小で決まってくる。従来、大きく影響を及ぼしていたト
ランジスタの動作速度は、トランジスタのサイズを縮小
化することで向上させてきた。しかし、設計ルールが
０．２５ミクロンより小さなＬＳＩでは、後者の配線の
信号伝播遅延に関する影響が大きく現れはじめている。
特に配線層が４層を超える多層配線構造を有するＬＳＩ
デバイスにおいては、その影響は大きい。

【０００４】そこで、配線の信号伝播遅延を改善する方
法として、従来のシリコン酸化膜よりも比誘電率の小さ
い層間絶縁膜を使用し、配線間や配線層間の容量を低減
する方法が検討されている。比誘電率の小さい絶縁膜と
して、ベンゾシクロブテン、パリレン、フッ素化ポリア
リルエーテル、フッ素化アモルファスカーボン等の有機
系材料或いはフィラー材料によるポーラス膜、空孔を有
するシリコン酸化膜等のポーラス膜の検討が進められて
いる。

【０００５】従来の半導体装置の製造方法を図９を用い
て説明する。まず、トランジスタ等の形成してあるシリ
コン基板１０１上に、バリアメタル層１０２を介して第
１の配線１０３を形成する。こ第１の配線１０３上に反
射防止膜１０４を形成した後、基板全面に、プラズマＣ
ＶＤ法や塗布法によって、ベンゾシクロブテン、パリレ
ン、フッ素化ポリアリルエーテル、フッ素化アモルファ
スカーボン等の有機系材料或いはフィラー材料によるポ
ーラス膜、空孔を有するシリコン酸化膜等のポーラス膜
からなる層間絶縁膜１０５を形成する。この層間絶縁膜
１０５に第１配線１０３に達するようにコンタクト孔を
形成し導電性材料を埋め込んでコンタクト部１０６を形
成する。層間絶縁膜のコンタクト部上に第２配線１０７
を形成し、第２配線と第１配線１０３とを電気的に導通
させる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、層間絶
縁膜に、シリコン酸化膜に代えて比誘電率の小さい上記
絶縁材料を用いた従来の半導体装置は、この絶縁材料の
熱伝導率が低いため、配線やトランジスタで発生する熱
がデバイス内に溜り、デバイス故障の原因につながる。

【０００７】これらの絶縁材料は、シリコン酸化膜の熱
伝導率１．２Ｗｍ^-1Ｋ^-1と比較すると小さく、例えば有
機系のパリレンからなる膜では０．２５Ｗｍ^-1Ｋ^-1程度
であり、空孔を有するシリコン酸化膜からなるポーラス
膜を使用した場合では、空孔の割合に従い１．２Ｗｍ^-1
Ｋ^-1から０．１Ｗｍ^-1Ｋ^-1程度にまで低下していく。一
般に、比誘電率が小さいものほど熱伝導率が低下する傾
向にある。ＬＳＩデバイスの開発は、現在、消費電力を
低減させトランジスタ単体の発熱量を低下させる動きに
あるが、集積度が大幅に増加しているため、総熱量は増
加の傾向にある。さらに配線総数の増加により配線層で
の発熱量も増加している。このような状況下で熱伝導性
の低い低誘電率材料を使用すると、放熱性の低下により
デバイスが故障しやすくなり信頼性を大きく低下させる
ことになる。

【０００８】そこで本発明の目的は、層間絶縁膜に比誘
電率の小さい材料が用いられ配線の信号伝播遅延が改善
されて高速動作が可能でありながら、放熱性が改善され
故障が低減された高信頼性の半導体装置およびその製造
方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、層間絶縁
膜を介して上層配線と下層配線を有し、上層配線と下層
配線とを電気的に接続する接続部を有する半導体装置に
おいて、接続部と同一材料からなる熱伝導部が、層間絶
縁膜上面に達するように下層配線上に絶縁性薄膜を介し
て形成されていることを特徴とする半導体装置に関す
る。

【００１０】第２の発明は、下層絶縁膜に形成された溝
に導電性金属材料が埋め込まれて形成された下層配線
と、下層配線および下層絶縁膜上に形成された層間絶縁
膜上に形成された上層配線を有し、上層配線と下層配線
とを電気的に接続する接続部を有する半導体装置におい
て、接続部と同一材料からなる熱伝導部が、層間絶縁膜
上面に達するように下層配線上に絶縁性薄膜を介して形
成され、該絶縁性薄膜は下層絶縁膜上にも形成されてい
ることを特徴とする半導体装置に関する。

【００１１】第３の発明は、層間絶縁膜を介して上層配
線と下層配線を有し、上層配線と下層配線とを電気的に
接続する接続部を有する半導体装置において、接続部と
同一材料からなる熱伝導部が下層配線上に層間絶縁膜上
面に達するように形成され、層間絶縁膜上面に熱伝導部
が露出した熱伝導部露出領域が絶縁性薄膜に覆われ、該
絶縁性薄膜に覆われた熱伝導部露出領域を含む層間絶縁
膜上の領域に放熱用配線が形成されていることを特徴と
する半導体装置に関する。

【００１２】第４の発明は、上記第１の発明の半導体装
置の製造方法であって、下層配線材料層上に、後に形成
する層間絶縁膜の材料よりエッチングレートの小さい材
料からなり層間絶縁膜のエッチングの際エッチングスト
ッパ膜として機能する絶縁性薄膜を形成する工程と、該
絶縁性薄膜を、少なくとも熱伝導部形成領域の部分を残
し少なくとも接続部形成領域の部分を除去するようにパ
ターニングする工程と、層間絶縁膜を形成する工程と、
開口パターンを有するフォトレジストをマスクとして層
間絶縁膜をエッチングし、接続部用の開孔を下層配線に
達するように形成すると同時に、熱伝導部用の開孔を前
記絶縁性薄膜に達するように形成する工程と、接続部用
および熱伝導部用の開孔を導電性金属材料で同時に埋め
込んで接続部と熱伝導部を形成する工程を有する半導体
装置の製造方法に関する。

【００１３】第５の発明は、前記絶縁性薄膜をパターニ
ングした後、配線パターンを有するフォトレジストをマ
スクとして前記下層配線材料層をパターニングして下層
配線を形成し、その後に層間絶縁膜を形成する上記第４
の発明の半導体装置の製造方法に関する。

【００１４】第６の発明は、前記下層配線が、下層絶縁
膜に形成した溝を導電性金属材料で埋め込んで形成した
埋め込み配線であり、前記絶縁性薄膜は、下層配線およ
び下層絶縁膜上を含む全面に形成され、前記絶縁性薄膜
のパターニング工程において、少なくとも下層絶縁膜上
および熱伝導部形成領域の部分を残し少なくとも接続部
形成領域の部分を除去するようにパターニングする上記
第４の発明の半導体装置の製造方法に関する。

【００１５】第７の発明は、上記第１の発明の半導体装
置の製造方法であって、絶縁性薄膜が上に積層された下
層配線を形成する工程と、層間絶縁膜を形成する工程
と、層間絶縁膜上にフォトレジスト層を形成し、該フォ
トレジスト層に、後のエッチングで熱伝導部用の開孔径
が接続部用の開孔径よりも小さくなるような開口パター
ンを形成する工程と、該開口パターンを有するフォトレ
ジストをマスクとして接続部用の開孔が下層配線に達
し、熱伝導部用の開孔が下層配線には達せず前記絶縁性
薄膜には達するようにドライエッチングを行う工程と、
接続部用および熱伝導部用の開孔を導電性金属材料で同
時に埋め込んで接続部と熱伝導部を形成する工程を有す
る半導体装置の製造方法に関する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を挙げて詳細に説明する。

【００１７】（実施の形態１）本実施形態の半導体装置
の構成を図１を用いて説明する。この構成の主な特徴
は、第１配線３上に、第２配線７との電気的接続のため
の接続部６と同じ材料からなる放熱用の熱伝導部９を有
し、この熱伝導部９はエッチングストッパー膜８により
第１配線３と電気的に遮断されていることにある。

【００１８】このエッチングストッパー膜８の材料に
は、層間絶縁膜５の材料よりエッチングレートが小さい
絶縁性材料を使用し、接続部６形成用の開孔と同時に熱
伝導部９形成用の開孔を層間絶縁膜５にエッチングによ
り形成する際にエッチングストッパーとして機能するよ
うな絶縁性材料を用いる。層間絶縁膜５がシリコン酸化
物からなる場合はシリコン窒化物を、カーボンを主材料
とする場合はシリコン酸化物を使用することが好まし
い。

【００１９】接続部６および熱伝導部９は、層間絶縁膜
５にエッチングにより形成された開孔に、ＣＶＤ法やス
パッタ法でタングステンやアルミニウム等の金属を埋設
して形成される。金属は絶縁膜と比較すると非常に大き
な熱伝導率を有しており、例えばアルミニウムは２４０
Ｗｍ^-1Ｋ^-1程度、タングステンは１８０Ｗｍ^-1Ｋ^-1程度
であるため、放熱用の熱伝導部９をこれらの金属で形成
すれば、大きな放熱効果を達成できる。さらに熱伝導部
９は、熱伝導性に優れる同様な金属からなる放熱用配線
１０に接続されているため、放熱性をより高めることが
できる。

【００２０】次に、本実施形態の製造方法を図２を用い
て説明する。層間絶縁膜５として空孔を多数有するシリ
コン酸化膜からなるポーラス膜を使用し、エッチングス
トッパー膜８としてシリコン窒化膜を使用する例を示
す。

【００２１】まず、トランジスタ等の形成してあるシリ
コン基板１上に、第１配線３を形成するためにＴｉ、Ｔ
ｉＮ等のバリアメタル層２０２を厚さ３０〜２００ｎ
ｍ、Ａｌ又はＡｌ−Ｃｕ合金からなる配線材料層２０３
を厚さ３００〜８００ｎｍ、ＴｉＮからなるリソグラフ
ィー時の反射防止膜２０４を厚さ１０〜１００ｎｍに連
続的にスパッタ形成する。その上に、後に形成する層間
絶縁膜５に使用する絶縁材料と異なる材料からなるエッ
チングストッパー用絶縁膜２０５をＣＶＤ法等により厚
さ５０〜２００ｎｍに形成する（図２（ａ））。このエ
ッチングストッパー用絶縁膜２０５は、後に層間絶縁膜
５に熱伝導部９用の開孔２０９を形成する際、エッチン
グストッパーとしての役割を果たすものであり、層間絶
縁膜５の材料よりもエッチングレートが小さい材料を選
択する。本実施形態のように、層間絶縁膜５に空孔を多
数有するシリコン酸化膜からなるポーラス膜を用いた場
合は、エッチングストッパー用絶縁膜２０５には、この
ポーラス膜材料よりもエッチングレートが小さいシリコ
ン窒化膜を使用することが好ましい。

【００２２】続いて、フォトレジストを塗布し、後に熱
伝導部９が形成される領域を覆うようにリソグラフィー
でパターニングしてフォトレジストパターン２０６を形
成し（図２（ｂ））、このフォトレジストパターン２０
６をマスクとして反射防止膜２０４が現れるまで絶縁膜
（シリコン窒化膜）２０５をエッチングし、続いてフォ
トレジストパターン２０６を剥離する。このようにし
て、エッチングストッパー膜８が得られる（図２
（ｃ））。

【００２３】次に、再びフォトレジストを塗布し、フォ
トリソグラフィーで第１配線の形状にパターニングする
（図２（ｄ））。このパターニングされたフォトレジス
ト２０７をマスクとして、反射防止膜２０４以下の金属
系材料層をエッチングし、その後フォトレジスト２０７
を剥離する。これにより、シリコン窒化物からなるエッ
チングストッパー膜８を配した第１配線３が形成される
（図２（ｅ））。

【００２４】引き続き、層間絶縁膜５を厚さ２００〜２
０００ｎｍに形成する（図２（ｆ））。本実施形態で
は、層間絶縁膜５として空孔を多数有するシリコン酸化
膜からなるポーラス膜を塗布法により形成する例を示
す。ここでは示さないが、この層間絶縁膜５上にプラズ
マＣＶＤ法等で形成された厚さ１００〜２０００ｎｍの
通常のシリコン酸化膜等の絶縁膜を形成してもよい。ま
た、層間絶縁膜５を形成する前に厚さ２０〜１００ｎｍ
のシリコン酸化膜等の絶縁膜を形成してもよい。

【００２５】次に、第１配線と第２配線とを電気的に接
続する接続部６と、放熱用の熱伝導部９を同時に形成す
る工程について説明する。

【００２６】まず、層間絶縁膜５上にフォトレジストを
塗布後パターニングしてフォトレジストパターン２０８
を形成し、続いてこのパターン２０８をマスクとして層
間絶縁膜５をエッチングして開孔２０９、２１０を形成
する（図２（ｇ））。このエッチング工程において、熱
伝導部用の開孔２０９については、シリコン窒化膜から
なるエッチングストッパー膜８でエッチングが止まるた
め、次の工程でこの開孔２０９を金属材料で埋め込んで
金属プラグ（熱伝導部９）を形成しても熱伝導部９は第
１配線３とは電気的に接続されない。一方、接続部用の
開孔２１０では、エッチングを第１配線３に達するまで
行うため、接続部６と第１配線３とは電気的に接続可能
となる。

【００２７】続いて、フォトレジストパターン２０８を
除去後、タングステンやＡｌ等のプラグ用金属をＣＶＤ
やスパッタ等で開孔２０９、２１０を埋め込んで、接続
部６と熱伝導部９を形成する。次いで、接続部６に接す
るように層間絶縁膜５上に第２配線７を形成し、また、
熱伝導部９と接するように層間絶縁膜５上に放熱用配線
１０を形成する（図２（ｈ））。さらに配線を多層化す
る場合には、同様の工程を繰り返す。

【００２８】以上に説明した方法により、上下配線の電
気的接続用の接続部６と放熱用の熱伝導部９を一度に形
成できるため、デバイスから発生する熱をＬＳＩデバイ
ス外に効率良く放出できる構成を容易に形成できる。

【００２９】なお、本実施形態においては、層間絶縁膜
５として空孔を多数有するシリコン酸化膜からなるポー
ラス膜を用い、エッチングストッパー膜８としてシリコ
ン窒化膜を用いたが、本発明はこれに限定されるもので
はない。シリコン酸化膜やフィラー材料等の無機系材料
を層間絶縁膜に使用する場合は、ベンゾシクロブテン、
パリレン、フッ素化ポリアリルエーテル、フッ素化アモ
ルファスカーボン、アモルファスカーボン等の有機系材
料をエッチングストッパー膜８に使用することもでき
る。また、層間絶縁膜に上記有機系材料を使用した場合
には、上記無機系材料をエッチングストッパー膜８に使
用できる。この他にエッチングストッパー膜８の材料と
して、酸化アルミニウムや酸化タンタル等の金属酸化物
を使用することもできる。これらの材料の組み合わせ
は、層間絶縁膜材料とエッチングストッパー膜材料のエ
ッチング選択比により決定され、層間絶縁膜にエッチン
グにより熱伝導部用の開孔と接続部用の開孔を同時に形
成する際、接続部用の開孔２１０が第１配線に達するエ
ッチング条件下で熱伝導部用の開孔２０９がエッチング
ストッパー膜８で止まるような組み合わせであればよ
い。

【００３０】以上のようにして、第１配線３上に熱伝導
率の良い金属材料による熱伝導部９を設け、さらに放熱
用配線１０を設けることで、ＬＳＩデバイス中で発生す
る熱を効率よくデバイス外部に放出できる。これによ
り、熱伝導率の低い低誘電率膜を層間絶縁膜に使用して
も、熱に起因したデバイスの動作不良を防止できる。

【００３１】また、第１配線３と熱伝導部９が接触する
部分に、エッチングストッパーとして機能する絶縁性薄
膜（エッチングストッパー膜８）を形成することで、放
熱用の熱伝導部９と上下配線の電気的接続用の接続部６
を一度に形成できるため、半導体装置を容易に製造する
ことができる。

【００３２】（実施の形態２）本実施形態の半導体装置
の構成および製造方法を図３を用いて説明する。本実施
形態では、実施形態１の構成における特定のパターンを
有するエッチングストッパー膜８に代えて通常の絶縁膜
を第１配線形成用の配線材料層上に形成し、この絶縁膜
と配線材料層を同時にパターニングして絶縁膜３０５が
上部に積層された第１配線３を形成し（図３（ａ））、
次いで層間絶縁膜５を形成する（図３（ｂ））。そし
て、第１配線３上の層間絶縁膜５に熱伝導部用と接続部
用の開孔３０９、３１０を同時に形成する工程におい
て、エッチング時のマイクロローディング効果を利用す
るため、図３（ｃ）に示すように、フォトレジスト３０
６の接続部形成用開口パターン３０８に対して熱伝導部
形成用開口パターン３０７の開口径を小さくする。この
ような開口パターンを有するフォトレジスト３０６をマ
スクとして層間絶縁膜５をドライエッチングすることに
よって、図３（ｄ）に示すように接続部用開孔３１０が
第１配線３に達するように形成されたとき、熱伝導部用
開孔３０９は第１配線３に達しないで絶縁膜３０５には
達するようにエッチングされる。なお、本実施の形態の
ように第１配線３上に反射防止膜４等の導電性を有する
薄膜が形成されている場合は、この導電性薄膜に達しな
いように熱伝導部用開開孔３０９を形成することが必要
である。このようにして形成された構成により、熱伝導
部９の電気的絶縁を確保しつつ、デバイス中の熱を効率
よく放出でき、また、このような構成を容易に製造する
ことができる。

【００３３】次に、本実施形態の製造方法をさらに説明
する。

【００３４】まず、実施形態１と同様にして、トランジ
スタ等の形成してあるシリコン基板上に、第１配線３を
形成するためにＴｉ、ＴｉＮ等のバリアメタル層を厚さ
３０〜２００ｎｍ、Ａｌ又はＡｌ−Ｃｕ合金からなる配
線材料層を厚さ３００〜８００ｎｍ、ＴｉＮからなるリ
ソグラフィー時の反射防止膜を厚さ１０〜１００ｎｍに
連続的にスパッタ形成する。その上に、シリコン酸化膜
からなる絶縁膜をプラズマＣＶＤ法等で厚さ１０〜２０
０ｎｍに成膜する。その後、フォトリソグラフィー工程
においてシリコン酸化膜からなる絶縁膜と同時に配線材
料層をパターニングして絶縁膜３０５が上部に積層され
た第１配線３を形成する（図３（ａ））。

【００３５】この第１配線３及び基板１上に、ＣＶＤ法
あるいは塗布法により層間絶縁膜５を２００ｎｍ〜２０
００ｎｍ形成する（図３（ｂ））。層間絶縁膜材料とし
ては、空孔を多数有するシリコン酸化膜やフィラー材料
からなるポーラス膜、ハイドロジェンシルセスキオキサ
ン膜、ベンゾシクロブテン膜、フッ素化ポリアリルエー
テル膜、フッ素化アモルファスカーボン膜、パリレン膜
等の低誘電率の材料を使用することができる。上記の層
間絶縁膜５上にさらに通常のシリコン酸化膜を形成して
もよい。

【００３６】次に、第１配線と第２配線とを電気的に接
続する接続部６と、放熱用の熱伝導部９を同時に形成す
る工程について説明する。

【００３７】まず、層間絶縁膜５上にフォトレジストを
塗布後パターニングして、接続部６および熱伝導部９を
形成するための開口パターン３０８及び３０７を有する
レジストパターン３０６を形成する。ここで、熱伝導部
形成用の開口パターン３０７は、最小寸法の接続部形成
用の開口パターン３０８に比較して開口径が小さくなる
ようにする（図３（ｃ））。このときの開口径比は、ド
ライエッチング時のマイクロローディング効果を考慮し
て、後のエッチングにより形成される接続部用開孔３１
０が第１配線３に達するエッチング条件下で、熱伝導部
が第１配線と電気的に接続しないように（ここでは熱伝
導部用開孔３０９が反射防止膜４に達しないように）且
つ絶縁膜３０５に達するように熱伝導部用開孔３０９が
形成される開口径比に設定する。その際、絶縁膜３０５
の厚さは絶縁性が保たれる範囲でできだけ薄いことが好
ましいが、このフォトレジスト層３０６の開口径比に応
じて適宜、厚さを調整してもよい。例えば、接続部形成
用の開口パターン３０８の径を２５０ｎｍとした場合
は、熱伝導部形成用の開口パターン３０７の径を２００
〜２２０ｎｍ程度にすることが好ましい。

【００３８】続いて、このフォトレジストパターン３０
６をマスクとして層間絶縁膜５をエッチングして開孔３
０９、３１０を形成する。開孔３１０が第１配線３に達
したところでエッチングを停止すると、径の小さい開孔
３０９は絶縁膜３０５で停止し、第１配線３及び反射防
止膜４まで到達しない。この開孔３０９は第１配線上の
比較的熱伝導性の良いシリコン酸化膜からなる絶縁膜３
０５には達しているため、効率よく熱が伝播可能な構成
にできる（図３（ｄ））。このように、エッチングによ
り開孔を形成する工程おいて、開孔径にエッチングレー
トが依存するというマイクロローディング効果を利用す
ることにより、マスクの開口パターンの開口寸法でエッ
チングレートを制御して所望の開孔深さにすることがで
きるため、容易に、接続部形成用の開孔３１０と熱伝導
部形成用の開孔３０９を同時に形成できる。

【００３９】続いて、フォトレジストパターン３０６を
除去後、タングステンやＡｌ等のプラグ金属をＣＶＤや
スパッタ等で開孔３０９、３１０を埋め込んで、接続部
６と熱伝導部９を形成する。次いで、接続部６に接する
ように層間絶縁膜５上に第２配線７を形成し、また、熱
伝導部９と接するように層間絶縁膜５上に放熱用配線１
０を形成する（図３（ｅ））。さらに配線を多層化する
場合には、同様の工程を繰り返す。

【００４０】以上に説明した方法により、上下配線の電
気的接続用の接続部６と放熱用の熱伝導部９を一度に形
成できるため、デバイスから発生する熱をＬＳＩデバイ
ス外に効率良く放出できる構成を容易に形成できる。

【００４１】以上のようにして、第１配線３上に熱伝導
率の良い金属材料による熱伝導部９を設け、さらに放熱
用配線１０を設けることで、ＬＳＩデバイス中で発生す
る熱を効率よくデバイス外部に放出できる。これによ
り、熱伝導率の低い低誘電率膜を層間絶縁膜に使用して
も、熱に起因したデバイスの動作不良を防止できる。

【００４２】また、放熱用の熱伝導部９と上下配線の電
気的接続用の接続部６を一度に形成でき、さらに、第１
配線３と熱伝導部９との間に形成される絶縁膜について
特別なパターニングを行う必要がないため、半導体装置
を容易に製造することができる。

【００４３】（実施の形態３）本実施形態の半導体装置
の構成を図４を用いて説明する。本実施形態は、基板上
の絶縁膜に形成された溝へ銅等の配線金属材料を埋め込
んで形成される埋め込み配線構造に適用された例であ
る。

【００４４】本実施形態の主な特徴は、実施形態１の構
成と同様に、埋め込み型の第１配線３上に第２層間絶縁
膜４０２の材料よりエッチングレートの小さい絶縁膜材
料からなるエッチングストッパー膜８を形成することに
ある。その際、本実施形態においては、埋め込み配線構
造の特徴を生かして、全面に形成した絶縁膜４０５をパ
ターニングして、第１配線３上にエッチングストッパー
膜８を設けると同時に、第１層間絶縁膜４０１上に絶縁
膜４０５を残すことが好ましい。これにより、後の工程
において、第２層間絶縁膜４０２をエッチングして接続
部用および熱伝導部用の開孔４０９、４１０を形成する
際、接続部形成用および熱伝導部形成用のマスク開口パ
ターンがズレた場合でも、第１層間絶縁膜４０１がエッ
チングされることを防止することができる。

【００４５】次に、本実施形態の製造方法を図５を用い
て示す。層間絶縁膜として空孔を多数有するシリコン酸
化膜からなるポーラス膜を用い、エッチングストッパー
膜８としてシリコン窒化膜を使用する例を示す。

【００４６】まず、トランジスタ等の形成してあるシリ
コン基板１上に、銅あるいは銅合金をからなる埋め込み
配線構造を形成する。埋め込み配線として第１配線３を
形成する方法としては、まず、基板１上に第１層間絶縁
膜４０１を形成し、この第１層間絶縁膜をパターニング
して溝を形成し、全面にＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ等からな
るバリアメタル層をＣＶＤ法やスパッタ法で厚さ１０〜
１００ｎｍに形成し、次いで電気鍍金法等で銅あるいは
銅合金を厚さ２００ｎｍ〜１０００ｎｍに形成する。引
き続き、第１層間絶縁膜４０１上の銅あるいは銅合金お
よびバリアメタル層を化学的機械的研磨法で研磨して平
坦化し、第１配線３を形成する（図５（ａ1、ａ2））。
ここで、図５（ａ1）は図５（ａ2）のＡ−Ａ線断面図で
ある。

【００４７】次に、第２層間絶縁膜４０２とは異なる材
料からなる絶縁膜４０５を、ＣＶＤ法等により厚さ１０
ｎｍ〜２００ｎｍに成膜する（図５（ｂ））。この絶縁
膜４０５は、後に第２層間絶縁膜４０２に熱伝導部９用
の開孔４０９を形成する際、エッチングストッパーとし
ての役割を果たすものであり、第２層間絶縁膜４０２よ
りもエッチングレートが小さい材料を選択する。本実施
形態のように、第２層間絶縁膜に空孔を多数有するシリ
コン酸化膜からなるポーラス膜を用いた場合は、絶縁膜
４０５には、このポーラス膜よりもエッチングレートが
小さいシリコン窒化膜を使用することが好ましい。

【００４８】続いて、フォトレジストを塗布し、フォト
リソグラフィーでパターニングして後に熱伝導部９が形
成される領域上にフォトレジストパターン４０６を形成
し、このレジストパターン４０６をマスクとしてエッチ
ングし、エッチングストッパー８を形成する（図５
（ｃ））。その際、エッチングストッパー８を形成する
とともに第１層間絶縁膜４０１上にも絶縁膜４０５を残
すことが好ましい。これにより、後の工程において、第
２層間絶縁膜４０２をエッチングして接続部用および熱
伝導部用の開孔４０９、４１０を形成する際、接続部形
成用および熱伝導部形成用のマスク開口パターンがズレ
た場合でも、第１層間絶縁膜４０１がオーバーエッチン
グされることを防止することができる。この様子を、図
５（ｅ）の平面図である図６に示す。この平面図では第
２層間絶縁膜およびレジストパターン４０８を省略して
いる。この平面図から、熱伝導部用開孔位置４０９ａ及
び接続部用開孔位置４０８ａがそれぞれエッチングスト
ッパー膜８及び第１配線３の領域からズレても、エッチ
ングの際、絶縁膜４０５によってその下層の第１層間絶
縁膜４０１が保護されることが分かる。

【００４９】続いて、フォトレジストパターン４０６を
剥離した後、第２層間絶縁膜４０２をＣＶＤ法あるいは
塗布法で厚さ２００〜２０００ｎｍに形成する（図５
（ｄ））。ここでは示さないが、この層間絶縁膜４０２
上にプラズマＣＶＤ法等で通常のシリコン酸化膜等を形
成してもよい。

【００５０】次に、第１配線と第２配線とを電気的に接
続する接続部６と、放熱用の熱伝導部９を同時に形成す
る工程について説明する。

【００５１】まず、フォトレジストを塗布後パターニン
グしてフォトレジストパターン４０８を形成し、続いて
このパターン４０８をマスクとして第２層間絶縁膜４０
２をエッチングして開孔４０９、４１０を形成する（図
５（ｅ））。このエッチング工程において、熱伝導部用
の開孔４０９については、シリコン窒化膜からなるエッ
チングストッパー膜８でエッチングが止まるため、次の
工程でこの開孔４０９を金属材料で埋め込んで金属プラ
グ（熱伝導部９）を形成しても熱伝導部９は第１配線３
とは電気的に接続されない。。一方、接続部用の開孔４
１０では、エッチングを第１配線３に達するまで行うた
め、接続部６と第１配線３とは電気的に接続可能とな
る。続いて、フォトレジストパターン４０８を除去
後、タングステンやＡｌ等のプラグ用金属をＣＶＤやス
パッタ等で開孔４０９、４１０を埋め込んで、接続部６
と熱伝導部９を形成する（図５（ｆ））。次いで、接続
部６に接するように第２層間絶縁膜４０２上に第２配線
７を形成し、また、熱伝導部９と接するように第２層間
絶縁膜４０２上に放熱用配線１０を形成する。さらに配
線を多層化する場合には、同様の工程を繰り返す。

【００５２】以上に説明した方法により、上下配線の電
気的接続用の接続部６と放熱用の熱伝導部９を一括形成
でき、デバイスから発生する熱をＬＳＩデバイス外に効
率良く放出できる構成を容易に形成できる。

【００５３】なお、本実施形態においては、第２層間絶
縁膜４０２として空孔を多数有するシリコン酸化膜から
なるポーラス膜を用い、エッチングストッパー膜８とし
てシリコン窒化膜を用いたが、本発明はこれに限定され
るものではない。シリコン酸化膜やフィラー材料等の無
機系材料を第２層間絶縁膜に使用する場合は、ベンゾシ
クロブテン、パリレン、フッ素化ポリアリルエーテル、
フッ素化アモルファスカーボン、アモルファスカーボン
等の有機系材料をエッチングストッパー膜８に使用する
こともできる。また、第２層間絶縁膜に上記有機系材料
を使用した場合には、上記無機系材料をエッチングスト
ッパー膜８に使用できる。この他にエッチングストッパ
ー膜８の材料として、酸化アルミニウムや酸化タンタル
等の金属酸化物を使用することもできる。これらの材料
の組み合わせは、層間絶縁膜材料とエッチングストッパ
ー膜材料のエッチング選択比により決定され、層間絶縁
膜にエッチングにより熱伝導部用の開孔と接続部用の開
孔を同時に形成する際、接続部用の開孔４１０が第１配
線に達するエッチング条件下で熱伝導部用の開孔４０９
がエッチングストッパー膜８で止まるような組み合わせ
であればよい。

【００５４】以上のようにして、第１配線３上に熱伝導
率の良い金属材料による熱伝導部９を設け、さらに放熱
用配線１０を設けることで、ＬＳＩデバイス中で発生す
る熱を効率よくデバイス外部に放出できる。これによ
り、熱伝導率の低い低誘電率膜を第２層間絶縁膜４０２
に使用しても、熱に起因したデバイスの動作不良を防止
できる。また、第１配線３と熱伝導部９が接触する部
分に、エッチングストッパーとして機能する絶縁性薄膜
（エッチングストッパー膜８）を形成することで、放熱
用の熱伝導部９と上下配線の電気的接続用の接続部６を
一度に形成できるため、半導体装置を容易に製造するこ
とができる。

【００５５】さらに、エッチングストッパー膜８を形成
する際に絶縁膜４０５を第１層間絶縁膜４０１上に残し
た場合は、第２層間絶縁膜に熱伝導部用および接続部用
の開孔４０９、４１０を形成する際、マスクの開口パタ
ーンが所望の位置からズレても第１層間絶縁膜４０１の
オーバーエッチングを防ぐことができる。

【００５６】（実施の形態４）本実施形態の半導体装置
の構成を図７を用いて説明する。この構成の主な特徴
は、第１配線３上に、第２配線７との電気的接続のため
の接続部６と同じ材料からなる放熱用の熱伝導部９を有
し、この熱伝導部９は層間絶縁膜５上で絶縁膜７０５に
より第１配線３と電気的に遮断されていることにある。
すなわち、熱伝導部９及び接続部６の何れも第１配線３
に接続されている。なお、熱伝導部９は、第１配線３と
電気的に接続される必要はないため、第１配線３上に反
射防止膜４のような熱伝導性に大きな影響を与えない薄
膜が形成されている場合は、この薄膜、すなわち本実施
の形態では反射防止膜４に接続していればよい。

【００５７】層間絶縁膜５には、前記の他の実施形態で
挙げたような、空孔を多数有するシリコン酸化膜から成
るポーラス膜や、フッ素化アモルファルカーボン膜等の
誘電率の低い膜を使用する。

【００５８】絶縁膜７０５は、シリコン窒化膜等のでき
るだけ密度の大きい材料からなる絶縁膜を使用すること
が好ましい。この絶縁膜７０５は、電気的絶縁が達成さ
れる最低限度の膜厚にすることが好ましく、絶縁膜７０
５を薄膜化することで効率よく熱を放熱用配線１０に伝
導することができる。

【００５９】次に、本実施形態の装置の製造方法につい
て図８を用いて説明する。層間絶縁膜５として空孔を多
数有するシリコン酸化膜からなるポーラス膜を使用し、
絶縁膜７０５としてシリコン窒化膜を使用する例を示
す。

【００６０】まず、トランジスタ等の形成してあるシリ
コン基板１上に第１配線３を形成するためにＴｉ、Ｔｉ
Ｎ等のバリアメタル層を厚さ３０〜２００ｎｍ、Ａｌ又
はＡｌ−Ｃｕ合金からなる配線材料層を厚さ３００〜８
００ｎｍ、ＴｉＮからなるリソグラフィー時の反射防止
膜を厚さ１０〜１００ｎｍに連続的にスパッタ形成す
る。

【００６１】次に、フォトレジストを塗布し、フォトリ
ソグラフィーで第１配線の形状にパターニングし、この
パターニングされたフォトレジストをマスクとして反射
防止膜以下の金属系材料層をエッチングし、その後フォ
トレジストマスクを剥離除去する。

【００６２】引き続き、層間絶縁膜５を厚さ２００〜２
０００ｎｍに形成する。本実施形態では、層間絶縁膜５
として空孔を多数有するシリコン酸化膜からなるポーラ
ス膜を塗布法により形成する例を示す。ここでは示さな
いが、この層間絶縁膜５上にプラズマＣＶＤ法等で厚さ
１００〜２０００ｎｍの通常のシリコン酸化膜等の絶縁
膜を形成してもよい。また、層間絶縁膜５を形成する前
に厚さ２０〜１００ｎｍのシリコン酸化膜等の絶縁膜を
形成してもよい。

【００６３】以上の工程は、エッチングストッパー膜８
を形成するための工程を行わない以外は実施形態１と同
様にして行われる。次に、第１配線と第２配線とを電気
的に接続する接続部６と、放熱用の熱伝導部９を同時に
形成する工程について説明する。

【００６４】まず、層間絶縁膜５上にフォトレジストを
塗布後パターニングしてフォトレジストパターン８０８
を形成し、続いてこのレジストパターン８０８をマスク
として層間絶縁膜５をエッチングして開孔８０９、８１
０を形成する（図８（ａ））。その際、これら熱伝導部
用の開孔８０９及び接続部用の開孔８１０のいずれも第
１配線３に達するまでエッチングを行う。ここで、熱伝
導部９は第１配線３と電気的に接続する必要はないた
め、第１配線３上に反射防止膜４のような熱伝導性に大
きな影響を与えない薄膜が設けられている場合は、熱伝
導部用の開孔８０９は、必ずしも第１配線３に達する必
要はなく、この薄膜、すなわち本実施形態では反射防止
膜４に達していればよい。

【００６５】続いて、層間絶縁膜５上のフォトレジスト
パターン８０８を除去後、タングステンやＡｌ等のプラ
グ金属をＣＶＤやスパッタ等で開孔８０９、８１０を埋
め込むように成膜し、エッチバック或いは化学的機械研
磨法で層間絶縁膜５上の金属を削ることで、接続部６と
熱伝導部９を形成する。

【００６６】次に、ＣＶＤ法でシリコン窒化膜を５〜１
０ｎｍ程度全面に成膜し、次いで電気的接続をしないよ
うに熱伝導部９の露出面を覆うようにリソグラフィー及
びエッチング法によりパターニングして絶縁膜７０５を
形成する（図８（ｂ））。

【００６７】続いて、接続部６に接するように層間絶縁
膜５上に第２配線７を形成し、また、熱伝導部９上に絶
縁膜７０５を介して放熱用配線１０を形成する（図８
（ｃ））。

【００６８】なお、絶縁膜７０５は接続部６が形成され
る領域以外であれば、層間絶縁膜５上の任意の領域に形
成してもよい。また、絶縁膜７０５の材料は、シリコン
窒化膜以外に、シリコン酸化膜、カーボン含有絶縁膜、
酸化タンタルや酸化アルミニウム等の金属酸化物などの
絶縁材料を使用できる。

【００６９】以上に説明した方法により、上下配線の電
気的接続用の接続部６と放熱用の熱伝導部９を一度に形
成できるため、デバイスから発生する熱をＬＳＩデバイ
ス外に効率良く放出できる構成を容易に形成できる。

【００７０】以上のようにして、第１配線３上に熱伝導
率の良い金属材料による熱伝導部９を設け、さらに放熱
用配線１０を設けることで、ＬＳＩデバイス中で発生す
る熱を効率よくデバイス外部に放出できる。これによ
り、特に熱伝導率の低い低誘電率膜を層間絶縁膜に使用
しても、熱に起因したデバイスの動作不良を防止でき
る。

【００７１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、層間絶縁膜に比誘電率の小さい材料が用いられ
配線の信号伝播遅延が改善されて高速動作が可能であ
り、且つ、放熱性が改善され故障が低減された高信頼性
の半導体装置を提供できる。また、このような半導体装
置を簡便に製造する方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の一実施形態の概略断面図
である。

【図２】本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態を
説明するための工程断面図である。

【図３】本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態を
説明するための工程断面図である。

【図４】本発明の半導体装置の一実施形態の概略断面図
である。

【図５】本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態を
説明するための工程断面図である。

【図６】本発明の半導体装置の構成を説明するための平
面図である。

【図７】本発明の半導体装置の一実施形態の概略断面図
である。

【図８】本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態を
説明するための工程断面図である。

【図９】従来の半導体装置の概略断面図である。

【符号の説明】

１、１０１基板２、１０２バリアメタル層３、１０３第１配線４、１０４反射防止膜５、１０５層間絶縁膜６、１０６接続部７、１０７第２配線８エッチングストッパー膜９熱伝導部１０放熱用配線２０２バリアメタル層２０３配線材料層２０４反射防止膜２０５絶縁膜２０６フォトレジストパターン２０７フォトレジストパターン２０８フォトレジストパターン２０９熱伝導部用開孔２１０接続部用開孔３０５絶縁膜３０６フォトレジストパターン３０７、３０８開口パターン３０９熱伝導部用開孔３１０接続部用開孔４０１第１層間絶縁膜４０２第２層間絶縁膜４０５絶縁膜４０８フォトレジストパターン４０９熱伝導部用開孔４１０接続部用開孔７０５絶縁膜８０８フォトレジストパターン８０９熱伝導部用開孔８１０接続部用開孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】層間絶縁膜を介して上層配線と下層配線
を有し、上層配線と下層配線とを電気的に接続する接続
部を有する半導体装置において、接続部と同一材料から
なる熱伝導部が、層間絶縁膜上面に達するように下層配
線上に絶縁性薄膜を介して形成されていることを特徴と
する半導体装置。
【請求項２】下層絶縁膜に形成された溝に導電性金属
材料が埋め込まれて形成された下層配線と、下層配線お
よび下層絶縁膜上に形成された層間絶縁膜上に形成され
た上層配線を有し、上層配線と下層配線とを電気的に接
続する接続部を有する半導体装置において、接続部と同
一材料からなる熱伝導部が、層間絶縁膜上面に達するよ
うに下層配線上に絶縁性薄膜を介して形成され、該絶縁
性薄膜は下層絶縁膜上にも形成されていることを特徴と
する半導体装置。
【請求項３】前記熱伝導部は、層間絶縁膜上に形成さ
れた放熱用配線に接続されている請求項１又は２記載の
半導体装置。
【請求項４】前記絶縁性薄膜が、前記層間絶縁膜の材
料よりエッチングレートが小さい絶縁性材料からなる請
求項１、２又は３記載の半導体装置。
【請求項５】層間絶縁膜を介して上層配線と下層配線
を有し、上層配線と下層配線とを電気的に接続する接続
部を有する半導体装置において、接続部と同一材料から
なる熱伝導部が下層配線上に層間絶縁膜上面に達するよ
うに形成され、層間絶縁膜上面に熱伝導部が露出した熱
伝導部露出領域が絶縁性薄膜に覆われ、該絶縁性薄膜に
覆われた熱伝導部露出領域を含む層間絶縁膜上の領域に
放熱用配線が形成されていることを特徴とする半導体装
置。
【請求項６】請求項１記載の半導体装置の製造方法で
あって、下層配線材料層上に、後に形成する層間絶縁膜
の材料よりエッチングレートの小さい材料からなり層間
絶縁膜のエッチングの際エッチングストッパ膜として機
能する絶縁性薄膜を形成する工程と、該絶縁性薄膜を、
少なくとも熱伝導部形成領域の部分を残し少なくとも接
続部形成領域の部分を除去するようにパターニングする
工程と、層間絶縁膜を形成する工程と、開口パターンを
有するフォトレジストをマスクとして層間絶縁膜をエッ
チングし、接続部用の開孔を下層配線に達するように形
成すると同時に、熱伝導部用の開孔を前記絶縁性薄膜に
達するように形成する工程と、接続部用および熱伝導部
用の開孔を導電性金属材料で同時に埋め込んで接続部と
熱伝導部を形成する工程を有する半導体装置の製造方
法。
【請求項７】前記絶縁性薄膜をパターニングした後、
配線パターンを有するフォトレジストをマスクとして前
記下層配線材料層をパターニングして下層配線を形成
し、その後に層間絶縁膜を形成する請求項６記載の半導
体装置の製造方法。
【請求項８】前記下層配線が、下層絶縁膜に形成した
溝を導電性金属材料で埋め込んで形成した埋め込み配線
であり、前記絶縁性薄膜は、下層配線および下層絶縁膜
上を含む全面に形成され、前記絶縁性薄膜のパターニン
グ工程において、少なくとも下層絶縁膜上および熱伝導
部形成領域の部分を残し少なくとも接続部形成領域の部
分を除去するようにパターニングする請求項６記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項９】請求項１記載の半導体装置の製造方法で
あって、絶縁性薄膜が上に積層された下層配線を形成す
る工程と、層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜上
にフォトレジスト層を形成し、該フォトレジスト層に、
後のエッチングで熱伝導部用の開孔径が接続部用の開孔
径よりも小さくなるような開口パターンを形成する工程
と、該開口パターンを有するフォトレジストをマスクと
して接続部用の開孔が下層配線に達し、熱伝導部用の開
孔が下層配線には達せず前記絶縁性薄膜には達するよう
にドライエッチングを行う工程と、接続部用および熱伝
導部用の開孔を導電性金属材料で同時に埋め込んで接続
部と熱伝導部を形成する工程を有する半導体装置の製造
方法。