JP2000307000A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2000307000A
JP2000307000A JP11458499A JP11458499A JP2000307000A JP 2000307000 A JP2000307000 A JP 2000307000A JP 11458499 A JP11458499 A JP 11458499A JP 11458499 A JP11458499 A JP 11458499A JP 2000307000 A JP2000307000 A JP 2000307000A
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protective film
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Tetsuya Yamaguchi
哲哉 山口
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ひっぱり応力による配線の歪みを防止し、配線
間結合容量の低減された半導体装置を提供することを目
的とする。 【解決手段】最上層配線18とパッシベーション膜23
の間にダミープレート20を有し、半導体基板1、ゲー
ト配線5、配線9、配線13、配線18及びダミープレ
ート20がSiN膜で覆われており、配線間に層間絶縁
膜を有しないことを特徴とする半導体装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は配線間絶縁膜の一部
を除去した半導体装置の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】LSIの微細化により、MOSFETの
ソースからドレインへ向かう信号伝達遅延時間、すなわ
ちゲート遅延(Gate Delay)の短縮が実現さ
れている。そしてMOSFETのゲート長(ゲート配線
幅)は0.1μm近傍まで縮小されている。しかし0.
25μmより短いゲート長を有するトランジスタの動作
速度は配線遅延(Interconnecot Del
ay)によって顕著に律速されるようになる。配線遅延
の原因は配線間結合容量である。隣り合った配線間の単
位面積あたりの結合容量Cはフリンジ容量等の補正項を
無視した平行平板近似において、C=εε/Tと表
せられる。ここでTは配線間距離、εは真空の誘電
率、εは層間絶縁膜の比誘電率である。配線間結合容
量Cを低減するために、配線間距離Tを長くする、ある
いは層間絶縁膜の比誘電率εを下げることが考えられ
る。LSIの微細化による配線間距離Tの短縮のため、
層間絶縁膜の比誘電率εを下げる必要がある。現在用
いられているLSIの層間絶縁膜は膜中にポア(空孔)
を設けて密度を小さくし、比誘電率を低くしている。比
誘電率は以下の値である。SiO(酸化膜)は3.
9、PSG(phospho−silicate gl
ass)は3.5〜3.8、FSG(fluorine
−doped spin−on glass)は3.
6、HSQ(Hydrogen SilsesQuio
xane,HSiO)は3.2である。これらを用いた
従来の半導体装置の構造について説明する。図11は従
来の半導体装置の構造を示す断面図である。Nウェル領
域及びPウェル領域を有するシリコン基板51上にゲー
ト酸化膜52を形成し、ゲート酸化膜52上にゲート配
線53を有している。ゲート配線53はSiOからな
る酸化膜54により被膜されている。被膜されたゲート
配線53上及びシリコン基板51上に表面の平坦化され
たFSGからなる層間絶縁膜55が形成されている。層
間絶縁膜55上にはAl−Cuの合金からなる配線56
が形成されている。配線56はTiNからなるバリヤメ
タル(図示せず)で被膜されている。配線56上には表
面の平坦化されたFSGからなる層間絶縁膜59が形成
されており、層間絶縁膜59内部にAl−Cuの合金か
らなる配線60が配線56と立体交差するように形成さ
れている。配線60と配線56を接続するようにタング
ステンプラグ(W−プラグ)からなるコンタクトホール
58が形成されている。層間絶縁膜59上の配線61は
配線56と平行に形成されており、配線61上にPSG
からなるパッシベーション膜62が形成されている。
【0003】次に従来の半導体装置の製造方法について
説明する。シリコン基板51上にCVD法によりダミー
酸化膜を形成する。イオン注入によりNウェル領域及び
Pウェル領域を形成し、熱酸化工程を行う。ダミー酸化
膜を除去し、熱酸化によりゲート酸化膜52を形成す
る。ゲート酸化膜52上にCVD法によりポリシリコン
を形成した後、リンをイオン注入によりドープする。パ
ターニングされたフォトレジストを用いてRIE法によ
りポリシリコンを加工し、ゲート配線53を形成する。
ゲート配線53はSiO酸化膜54により被膜する。
酸化膜54により被膜された配線53上及びゲート酸化
膜52上に層間絶縁膜55をCVD法により堆積した
後、CMP法(化学機械研磨法)により表面を平坦化す
る。RIE法により層間絶縁膜55上に配線形成のため
の溝を形成し、スパッタ法により溝内部にTiNからな
るバリアメタルを成膜する。Al−Cuの合金をスパッ
タ法により溝内部に形成して配線56とする。配線56
上部も同様にバリヤメタルを形成して配線56全体を被
膜する。以下層間絶縁膜及び配線形成は同様の方法を用
いている。バリヤメタルで被膜された配線56上にFS
Gからなる層間絶縁膜63を形成し、この膜中にコンタ
クトホール形成のための穴をRIE法により形成する。
穴内部にバリヤメタルを成膜し、CVD法によりW−プ
ラグを形成して、コンタクトホール58とする。コンタ
クトホール58及び層間絶縁膜63上に、更に層間絶縁
膜64を形成する。配線60形成のための溝をコンタク
トホール58上の層間絶縁膜64に形成し、溝内部にバ
リアメタルを成膜し、配線60を形成する。配線60及
び層間絶縁膜64上に層間絶縁膜65を形成し、表面を
平坦化する。層間絶縁膜65上にバリヤメタルで被膜さ
れた配線61を形成し、更にその上部にCVD法により
PSGからなるパッシベーション膜62を形成する。
【0004】比誘電率を低減するために層間絶縁膜を除
去し、配線下部に自重を支えるための支柱を設けた従来
の第二の半導体装置の構造も考案されている。図12は
従来の第二の半導体装置の構造を示す断面である。Ga
As基板71上にメタル配線72を形成し、メタル配線
72上にメタル配線73を形成している。メタル配線7
2とメタル配線73の間には層間絶縁膜74を形成して
いる。さらに、メタル配線73上にメタル配線75を形
成している。メタル配線75とメタル配線73の間には
層間絶縁膜が存在しない領域Air−Gapを有してお
り、この点が従来の第一の半導体装置と異なる。メタル
配線75はコンタクトホールを支柱として、ブリッジ状
に形成している。このメタル配線75の構造をAir−
Bridgeという。 Air−Bridgeの形成方
法について説明する。図13から図17はAir−Br
idgeの形成方法を示している。図13に示すよう
に、メタル配線73上及びレジストからなる層間絶縁膜
74上にパターニングされたレジスト層76を形成し、
レジスト層76上にめっき法によりAu薄膜77を形成
する。図14において、 Au薄膜77上にパターニン
グされたレジスト層78を形成し、その後めっき法によ
りRh/Au/Rh構造を有する配線75を形成する。
図15において、レジスト層78を除去し、更にレジス
ト層76を除去して Air−Bridgeを形成す
る。なおレジスト層74は層間絶縁膜74である。
【0005】更に層間絶縁膜を除去した従来の第三の半
導体装置の構造も考案されている。本従来例は配線間に
支柱を不要とし、パッシベーション膜に多孔質のポーラ
ス膜を用いている点で第二の従来例と異なる。図16は
従来の第三の半導体装置の構造を示す断面である。シリ
コン基板91、ゲート配線93、酸化膜92及び酸化膜
94、配線96及び配線100及び配線101、バリヤ
メタル(図示せず)、コンタクトホール98は従来の第
一の半導体装置と同様の構造であり、製造方法も同様で
ある。配線間には何も形成されていない領域95と領域
99が存在する。製造の過程において領域95と領域9
9には層間絶縁膜95及び層間絶縁膜99を形成する。
層間絶縁膜95及び層間絶縁膜99は炭素(C)からな
る膜を用いてCVD法により形成する。パッシベーション
膜102は多孔質のポーラス膜を用いてCVD法により配
線101上に形成する。酸素雰囲気中で熱処理を行い、
パッシベーション膜102を介してチップ内部へ酸素ガ
スを注入する。そして層間絶縁膜95及び層間絶縁膜9
9の炭素と酸素ガスを反応させて二酸化炭素を発生さ
せ、層間絶縁膜95及び層間絶縁膜99を除去する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら半導体装
置の配線にはひっぱり応力が働いている。例えばAlか
らなる配線のひっぱり応力は200MPaであり、極め
て大きい値を示す。密度の大きい層間絶縁膜は、配線を
固定してひっぱり応力による配線の歪みを防止できる。
しかし、従来の第二及び第三の半導体装置においては、
ひっぱり応力が配線に歪みを生じさせる。例えば従来の
第三の半導体装置において、図16に示した領域95及
び領域99のため配線96に水平方向の力が生じる。こ
の力の方向へコンタクトホール98が引っ張られて歪み
や折れを生じる。あるいはチップ内温度の変化によりチ
ップ内材質は膨張収縮するが、各材質の膨張係数の相違
も配線のひっぱり応力を増大させる原因となる。従来の
第一乃至第二の半導体装置において、配線とパッシベー
ション膜の間に配線間結合容量が発生してしまう。従来
の第二あるいは第三の半導体装置において、層間絶縁膜
の除去により、配線及びトランジスタ以下の半導体基板
は直接大気と接触することになり、大気中の水蒸気によ
ってダメージをうけてしまう。そこで本発明は、ひっぱ
り応力による配線の歪みを防止し、配線間結合容量の低
減された半導体装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明における半導体装
置は、半導体素子の形成された半導体基板と、前記半導
体基板上に形成された第一の配線と、前記第一配線の空
間を隔てた上部に形成された、第二の配線と、前記第二
の配線上に形成された支柱とを具備し、前記半導体基
板、前記第一及び第二の配線、前記支柱が、ひっぱり応
力による配線の歪みを防止する保護膜で覆われているこ
とを特徴とする。あるいは半導体素子の形成された半導
体基板と、前記半導体基板上に形成された第一の酸化膜
と、前記酸化膜上に形成された第一の配線と、前記第一
の配線と前記第一の酸化膜とを覆うように形成された第
一の保護膜と、前記第一の保護膜の空間を隔てた上部に
形成された、第二の配線と、前記第二の配線全体を覆う
第二の保護膜と、前記第二の保護膜の空間を隔てた上部
に形成された、第三の配線と、前記第二の配線及び前記
第三の配線を接続する接続部と、前記第三の配線及び前
期接続部を被膜する第三の保護膜と、前記第三の保護膜
の空間を隔てた上部に形成された、第四の配線と、前記
第四の配線全体を覆う第四の保護膜と、前記第四の保護
膜上に形成された支柱と、前記支柱全体を覆う第五の保
護膜とを有することを特徴とする。
【0008】前記支柱はポリシリコンからなり、配線上
に形成される足部と、足部上に形成された平面部からな
ることを特徴とする。そして前記保護膜はSiNからな
ることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明における実施の形態を図示
の実施例によって説明する。図1は本実施例における半
導体装置のチップ内部の構造を示す断面図である。本実
施例は配線及びコンタクトホールをSiN膜で被膜し、
パッシベーション膜と配線の間に支柱を具備するダミー
プレートを有する点で従来例と異なる。なお、ダミープ
レートもSiN膜で被膜されている。本実施例の半導体
装置の構造は、Nウェル領域及びPウェル領域を有する
シリコン基板1上にゲート酸化膜2を形成している。ゲ
ート酸化膜2上にゲート配線5を有している。ゲート配
線5及びゲート酸化膜2はSiN膜4で被膜されてい
る。被膜されたゲート配線5上及びゲート酸化膜2上に
は何も形成されていない領域6を有する。領域6上には
SiN膜7、TiNからなるバリヤメタル8、Al−C
uの合金からなる配線9、バッファ酸化膜10が順次形
成されている。配線9上にW−プラグからなるコンタク
トホール12が形成されており、配線9と立体交差する
ように形成された配線13とを接続している。なお配線
13は配線9と同様にAl−Cuの合金からなる。コン
タクトホール12及び配線13はTiNのバリヤメタル
3で被膜されている。バリヤメタル3で被膜された配線
13及びコンタクトホール12と、配線9を覆うよう
に、SiN膜11が形成されている。SiN膜11上に
は何も形成されていない領域15を有している。領域1
5上にSiN膜16、TiNからなるバリヤメタル1
7、配線18、SiN膜19が順次形成されている。以
上の構造を有するチップ上にポリシリコンからなるダミ
ープレート20が形成されており、ダミープレートの表
面全体はSiN膜21、SiN膜22で被膜されてい
る。ダミープレート20上にPSGからなるパッシベー
ション膜23が形成されている。図2は半導体基板1上
に形成された配線形成部24及びダミープレート20
と、パッシベーション膜23の構造を示す断面図であ
る。Al−Cuの合金部分25とW−プラグ部分26か
らなるVia−Ring27は配線形成部24の内部へ
のパッシベーション膜の浸入を防ぐ目的で、外周を覆う
ように形成されている。ダミープレート20及びVia
−Ring27を覆うようにパッシベーション膜23が
形成されている。
【0010】本実施例における半導体装置の製造方法に
ついて説明する。半導体基板1上にCVD法によりダミ
ー酸化膜を形成する。イオン注入によりNウェル領域及
びPウェル領域を形成し、熱酸化工程を行う。ダミー酸
化膜を除去し、熱酸化によりゲート酸化膜2を形成す
る。バッファ酸化膜2上にCVD法によりポリシリコン
を形成した後、リンをイオン注入によりドープする。パ
ターニングされたフォトレジストを用いてRIE法によ
りポリシリコンを加工し、ゲート配線5を形成する。ゲ
ート酸化膜2及びゲート配線5上にSiN膜4をプラズ
マCVD法により形成する。CVD法によりSiN膜4
上に層間絶縁膜を形成し、CMP法(化学的機械研磨
法)により表面を平坦化する。層間絶縁膜上にパターニ
ングされたフォトレジストを形成し、RIE法により配
線のための溝を形成する。プラズマCVD法により溝内
部にSiN膜4を、スパッタ法によりSiN膜4上にバ
リヤメタル8を順次形成する。そして溝内部を埋めるよ
うにバリヤメタル8上にメッキ法により配線9を形成す
る。配線9上にはバリヤメタル8を形成して全体を覆
う。プラズマCVD法により配線9上にバッファ酸化膜
10を形成する。次にSiN膜11で被覆されたコンタ
クトホール12及び配線13を配線9上に形成するため
の製造方法について説明する。図3から図10はその製
造工程を示す断面図である。バッファ酸化膜10上にプ
ラズマCVD法によりSiN膜31を形成し、更にCV
D法によりSiOからなる層間絶縁膜32を形成す
る。更にパターニングされたレジスト層33を層間絶縁
膜32上に形成する(図3)。レジスト層33をマスクと
してRIE法により層間絶縁膜32に開口領域34を形
成し、更にレジスト層35を層間絶縁膜32上及びに開
口領域34上に形成する(図4)。レジスト層35をマス
クとしてRIE法によりSiN膜31に開口領域36を
形成し、開口領域及34び36上と、層間絶縁膜32上
にプラズマCVD法によりSiN膜37を形成する(図
5)。更にレジスト層をマスクとしてRIE法により開
口領域36下部のSiN膜37及びバッファ酸化膜10
を除去する(図6)。スパッタ法により開口領域34内部
及び36内部にバリヤメタル3を被膜する。その後CV
D法により開口領域36にW−プラグを埋め込む。そし
てスパッタ法により開口領域34にAl−Cuの合金を
形成し、CMP法により表面を研磨してSiN膜37表
面と一致させる(図7)。過酸化水素処理によりAl−C
uの合金の上面を一部酸化し、酸化物を塩酸処理により
取り除いて凹部を形成する。スパッタ法により凹部にT
iNを形成し、CMP法により表面を研磨してSiN膜
37表面と一致させ、バリヤメタル3が形成される(図
8)。SiN膜37上及びバリヤメタル3上にプラズマ
CVD法によりSiN膜38を形成する(図9)。パター
ニングされたレジスト層をSiN膜38上に形成し、R
IE法により配線13及びコンタクトホール12の形成
された領域以外のSiN膜38、SiN膜37、層間絶
縁膜32、SiN膜31を除去する。これにより、バリ
ヤメタル3で被膜されたコンタクトホール12及び配線
13とバッファ酸化膜10は、SiN膜11で覆われる
(図10)。その後、図1に示したSiN膜11上にCV
D法により層間絶縁膜を形成する。層間絶縁膜は領域1
5に形成される。層間絶縁膜上にパターニングされたレ
ジストを形成し、RIE法によりエッチングを行って配
線18のための溝を形成する。プラズマCVD法により
溝内部にSiN膜16を形成し、スパッタ法によりSi
N膜16上にバリヤメタル17、配線18を順次形成す
る。配線18上にもバリヤメタル17を形成して全体を
覆う。プラズマCVD法によりバリヤメタル17上にS
iN膜19、層間絶縁膜を順次形成する。CMP法によ
り層間絶縁膜の表面を研磨して平坦化した後、ダミープ
レート20を形成するために、パターニングされたレジ
ストをマスクとして層間絶縁膜をエッチングし、複数の
開口領域を形成する。スパッタ法により開口領域内部及
び層間絶縁膜上をSiN膜21で被膜し、ポリシリコン
をCVD法により堆積してダミープレート20を形成す
る。プラズマCVD法によりダミープレート20上にS
iN膜22を形成する。次にフッ化アンモニウムにより
すべての層間絶縁膜を等方的にエッチング除去する。除
去される層間絶縁膜はSiN膜4とSiN膜7の間、S
iN膜11とSiN膜16の間、SiN膜19とSiN
膜21の間に形成されているものである。フッ化アンモ
ニウムはダミープレート20の側面を通ってチップ内部
へと注入される。フッ化アンモニウムにより溶解した層
間絶縁膜は同様にダミープレート20の側面から排出さ
れる。なおVia−Ring27はチップ内部の形成と
同時に順次形成している。ダミープレート20及びVi
a−Ring27を覆うようにCVD法によりパッシベ
ーション膜23を形成する。
【0011】本実施例において、すべての配線を密度の
高いSiN膜で被膜することにより、ひっぱり応力によ
る配線の歪みを防止することができる。SiN膜はフッ
化アンモニウムに対して高い耐性を示すため、配線及び
シリコン基板及びダミープレートの、層間絶縁膜除去に
伴って生じる浸食を防止する。更にSiN膜は水蒸気を
通さず、ナトリウムの拡散を防止し、引っかき傷に対し
て強いという保護膜としての機能を備えている。したが
って配線やシリコン基板は大気中の水蒸気や、軽い衝撃
等によりダメージを受けない。ダミープレートとパッシ
ベーション膜との間に形成されたSiN膜は、両者の密
着性をよくする。本実施例において、ダミープレートを
形成することにより、最上層の配線とダミープレートと
の間に空間を確保できる。したがって、最上層の配線と
ダミープレートとの間の配線間結合容量は低減される。
ポリシリコンからなるダミープレートは強い強度を有す
るため、上方からの圧力に対してチップを保護する。更
にダミープレートはチップ上面を覆うため、パッシベー
ション膜を形成する際にその材料であるPSGのチップ
内部への侵入を防止する。本実施例における半導体装置
のチップ内部の構造はこの限りではなく、例えば更に配
線の形成された構造でも良い。配線の長い領域に渡って
コンタクトホールが存在しない場合、配線の支柱として
伝導性のないダミーコンタクトホールの形成が可能であ
る。本実施例における半導体装置のチップ内部の製造方
法は上記実施例に限定されるものではない。
【0012】本実施例において、保護膜としてSiNを
用いたが、フッ化アンモニウム耐性を有し、配線の歪み
を防止するために高密度の材料であればよい。配線はA
l−Cuの合金の代わりに、AlまたはCuを用いるこ
とも可能である。バリヤメタルはTiNの代わりにTi
を用いることも可能である。層間絶縁膜はSiOの代
わりにフッ化アンモニウムに溶解する材料を用いること
も可能である。上面にバッファ酸化膜の形成されていな
い配線はバッファ酸化膜を形成してもよい。
【0013】
【発明の効果】本発明の半導体装置の構造において、ひ
っぱり応力による配線の歪みの防止及び配線間結合容量
の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における半導体装置のチップ内
部の構造を示す断面図、
【図2】本発明の実施例における半導体装置の構造を示
す断面図、
【図3】本発明の実施例における半導体装置の製造方法
を示す断面図、
【図4】本発明の実施例における半導体装置の製造方法
を示す断面図、
【図5】本発明の実施例における半導体装置の製造方法
を示す断面図、
【図6】本発明の実施例における半導体装置の製造方法
を示す断面図、
【図7】本発明の実施例における半導体装置の製造方法
を示す断面図、
【図8】本発明の実施例における半導体装置の製造方法
を示す断面図、
【図9】本発明の実施例における半導体装置の製造方法
を示す断面図、
【図10】本発明の実施例における半導体装置の製造方
法を示す断面図、
【図11】従来の第一の半導体装置のチップ内部の構造
を示す断面図、
【図12】従来の第二の半導体装置のチップ内部の構造
を示す断面図、
【図13】従来の第二の半導体装置におけるAir−B
ridgeの製造方法を示す断面図、
【図14】従来の第二の半導体装置におけるAir−B
ridgeの製造方法を示す断面図、
【図15】従来の第二の半導体装置におけるAir−B
ridgeの製造方法を示す断面図、
【図16】従来の第三の半導体装置のチップ内部の構造
を示す断面図。
【符号の説明】
1…シリコン基板 2、10…バッファ酸化膜 3、8、17…バリヤメタル 4、7、11、16、19、21、22…SiN膜 5…ゲート配線 9、13、18…配線 12…コンタクトホール 20…ダミープレート 23…パッシベーション膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F033 HH08 HH09 HH11 HH18 HH33 JJ18 JJ19 JJ33 KK08 KK09 KK11 KK18 KK33 MM02 MM08 MM11 MM12 MM13 MM15 NN06 NN07 PP06 PP15 PP26 QQ09 QQ10 QQ13 QQ19 QQ21 QQ37 QQ48 QQ89 RR06 RR14 RR30 SS15 VV01 XX19 XX24

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体素子の形成された半導体基板と、前
    記半導体基板上に形成された第一の配線と、前記第一配
    線の空間を隔てた上部に形成された、第二の配線と、前
    記第二の配線上に形成された支柱と、を具備し、前記半
    導体基板、前記第一及び第二の配線、前記支柱が、ひっ
    ぱり応力による配線の歪みを防止する保護膜で覆われて
    いることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】半導体素子の形成された半導体基板と、前
    記半導体基板上に形成された第一の酸化膜と、前記酸化
    膜上に形成された第一の配線と、前記第一の配線と前記
    第一の酸化膜とを覆うように形成された第一の保護膜
    と、前記第一の保護膜の空間を隔てた上部に形成され
    た、第二の配線と、前記第二の配線全体を覆う第二の保
    護膜と、前記第二の保護膜の空間を隔てた上部に形成さ
    れた、第三の配線と、前記第二の配線及び前記第三の配
    線を接続する接続部と、前記第三の配線及び前期接続部
    を被膜する第三の保護膜と、前記第三の保護膜の空間を
    隔てた上部に形成された、第四の配線と、前記第四の配
    線全体を覆う第四の保護膜と、前記第四の保護膜上に形
    成された支柱と、前記支柱全体を覆う第五の保護膜と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】前記支柱はポリシリコンからなり、配線上
    に形成される足部と、足部上に形成された平面部からな
    ることを特徴とする請求項1あるいは請求項2に記載の
    半導体装置。
  4. 【請求項4】前記保護膜はSiNからなることを特徴と
    する請求項1あるいは請求項2に記載の半導体装置。
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