JP2001217312A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空配線における内部応力による配線の変形
を抑制することで、隣接する配線間で生じていたショー
ト不良の問題を解決し、微細配線にも適用可能で、か
つ、低インピーダンス、低インダクタンスな中空配線構
造を提供する。 【解決手段】 基板１１上に形成された壁状の第１の絶
縁膜１２と前記第１の絶縁膜１２に支持された配線１３
と、前記第１の絶縁膜１２を前記基板１１との間に挟
み、かつ前記基板１１との間に空間１７を設けて形成さ
れた第２の絶縁膜１５とを備えたものである。

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
その製造方法に関し、詳しくは、多層配線の各配線を部
分的に絶縁膜で支持する層間構造を有する半導体装置お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】配線を形成した層間絶縁膜をエッチング
によって除去することで、空間に配線のみを配設する技
術や、層間絶縁膜をエッチングによって除去した後に、
除去した層間絶縁膜よりも低い誘電率を有する絶縁膜を
充填する技術が提案されている。これらの技術では、隣
接する配線間に働く表面張力を抑制して、表面張力が起
因して発生する配線の変形を防ぐことが重要であるとい
われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術において配線間に働く表面張力を低減しても、
配線自体が持つ内部応力が存在しているため、配線の変
形を防いでいた層間絶縁膜を除去したときに、配線はそ
の内部応力を緩和しようとして変形する。この現象は、
配線を微細に形成した場合や、金属配線が異種の金属の
積層構造で構成されている場合に、顕著に出現する。こ
のような配線の変形は、主に配線の反りや歪みなどが起
因しており、これによって隣接する配線がショートする
などの不良を生じる。このような理由から、層間絶縁膜
を除去していわゆる中空配線を形成する技術を、微細配
線に適用することは困難であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた半導体装置およびその製造方法で
ある。

【０００５】半導体装置は、基板上に形成された壁状の
第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜に支持された配線
と、前記第１の絶縁膜を前記基板との間に挟み、かつ前
記基板との間に空間を設けて形成された第２の絶縁膜と
を備えたものである。

【０００６】上記半導体装置では、壁状に形成された第
１の絶縁膜によって配線が支持されていることから、内
部応力による配線の変形は第１の絶縁膜によって抑えら
れている。また、第２の絶縁膜は、壁状に形成された第
１の絶縁膜を基板との間に挟む状態で、かつ基板との間
に空間を設けた状態に形成されていることから、基板上
に形成された第１の絶縁膜、第２の絶縁膜および誘電率
がほぼ１に近い空間で構成される層間絶縁膜として機能
する絶縁領域は、空間を形成しないで第１の絶縁膜で形
成したものよりも低誘電率なものとなる。また、配線は
第１の絶縁膜に支持されている部分以外は空間中を配設
されることになる。よって、配線のインピーダンスおよ
びインダクタンスが低減される。

【０００７】半導体装置の製造方法は、基板上に第１の
絶縁膜が形成されていて前記第１の絶縁膜中に配線が形
成されている基体を用意し、前記第１の絶縁膜上に前記
第１の絶縁膜のエッチングマスクとなる材料で第２の絶
縁膜を形成する工程と、前記第２の絶縁膜に複数の開口
部を形成する工程と、前記第２の絶縁膜をマスクにして
前記各開口部から前記第１の絶縁膜をエッチングし、前
記配線を支持する状態に前記第１の絶縁膜を壁状に残し
て前記基板と前記第２の絶縁膜との間に空間を形成する
工程とを備えた製造方法である。

【０００８】上記半導体装置の製造方法では、第１の絶
縁膜上に形成した第２の絶縁膜に複数の開口部を形成
し、その開口部より第１の絶縁膜をエッチングして基板
と第２の絶縁膜との間に配線を支持する状態に第１の絶
縁膜を壁状に残すとともに空間を形成することから、配
線は第１の絶縁膜に支持されるとともに、空間に配設さ
れることになる。したがって、第１の絶縁膜によって内
部応力による配線の変形は抑えられ、第１の絶縁膜中に
配設された状態の従来の配線よりもインピーダンスおよ
びインダクタンスが低減された配線構造になる。また、
開口部より第１の絶縁膜をエッチングして配線を支持す
る壁状の第１の絶縁膜を形成することから、開口部の配
置位置によって第１の絶縁膜の形成位置を決定すること
ができる。そのため、配線形状に合わせて開口部の形成
位置を決めることで、種々の形状の配線を壁状の第１の
絶縁膜で支持することが可能になる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の半導体装置に係る実施の
形態を、図１によって説明する。図１では、（１）に概
略構成を示す模式断面図を示し、（２）に第１の絶縁膜
のレイアウト図を示す。なお、図（１）は図（２）に示
すＢ−Ｂ線断面であり、図（２）は図（１）に示すＡ−
Ａ線断面である。

【００１０】図１に示すように、基板１１上には、壁状
に第１の絶縁膜１２が例えば基板１１表面の上方より見
て格子状に形成されている。この第１の絶縁膜１２は例
えばシリコン系絶縁膜（一例としては、酸化シリコン
膜、酸化シリコンを主成分とする絶縁膜、窒化シリコン
膜等）からなる。

【００１１】また上記基板１１上には、上記第１の絶縁
膜１２に所定個所を支持された配線１３が多層（この例
では３層）に形成されている。上記配線１３は、例え
ば、第１層目の配線１３１、第２層目の配線１３２およ
び第３層目の配線１３３で構成されていて、基板１１の
所定の位置と第１層目の配線１３１とは第１プラグ１４
１で接続され、第１層目の配線１３１と第２層目の配線
１３２とは第２プラグ１４２で接続され、第２層目の配
線１３２と第３層目の配線１３３とは第３プラグ１４３
で接続されている。

【００１２】上記各配線１３１〜１３３は、例えば銅も
しくは銅合金からなり、各配線１３１〜１３３の底面お
よび側面には銅配線の密着性を確保しかつ銅の拡散を防
止するためのバリア膜（図示せず）が例えば窒化タンタ
ル（ＴａＮ）膜で形成され、各配線１３１〜１３３の上
面には銅の拡散を防止する拡散防止膜が例えば窒化チタ
ン（ＴｉＮ）膜（図示せず）で形成されている。

【００１３】上記第１の絶縁膜１２上には、この第２の
絶縁膜１２のエッチングマスクとなる材料で第２の絶縁
膜１５が形成されている。一例として、上記第１の絶縁
膜１２が酸化シリコンで形成されている場合には第２の
絶縁膜１５は窒化シリコン膜で形成されている。上記第
２の絶縁膜１５には開口部１６が形成されている。この
開口部１６の大きさ、開口部１６同士の間隔は、配線１
３のレイアウトに対応して、壁状の第１の絶縁膜１２に
よって配線１３が支持されるように、適宜決定される。

【００１４】したがって、上記基板１１、壁状に形成さ
れた第１の絶縁膜１２および第２の絶縁膜１５によって
囲まれた領域が空間１７となっている。この空間１７は
上記開口部１６に通じている。

【００１５】上記半導体装置では、壁状に形成された第
１の絶縁膜１２によって配線１３が支持されていること
から、内部応力による配線１３の変形は第１の絶縁膜１
２によって抑えられている。また、第２の絶縁膜１５
は、壁状に形成された第１の絶縁膜１２を基板１１との
間に挟む状態で、かつ基板１１との間に空間１７を設け
た状態に形成されていることから、基板１１上に形成さ
れた第１の絶縁膜１２、第２の絶縁膜１５および誘電率
がほぼ１に近い空間１７で構成される層間絶縁膜として
機能する絶縁領域は、空間１７を形成しないで第１の絶
縁膜１２で形成したものよりも低誘電率なものとなる。
また、配線１３は壁状の第１の絶縁膜１２に支持されて
いる部分以外は上記空間１７中を配設されることにな
る。よって、配線１３のインピーダンスおよびインダク
タンスが低減される。

【００１６】次に、本発明の製造方法に係る実施の形態
を、図２、図３および前記図１によって説明する。な
お、図２、図３では前記図１によって説明した構成部品
と同様のものには同一符号を付与する。

【００１７】図２の（１）に示すように、基板１１上に
は第１の絶縁膜１２が形成され、この第１の絶縁膜１２
中には配線１３が多層（この例では３層）に形成されて
いる。すなわち、第１層目の配線１３１、第２層目の配
線１３２、第３層目の配線１３３が順次形成され、基板
１１の所定の位置と第１層目の配線１３１とは第１プラ
グ１４１で接続され、第１層目の配線１３１と第２層目
の配線１３２とは第２プラグ１４２で接続され、第２層
目の配線１３２と第３層目の配線１３３とは第３プラグ
１４３で接続されている。また上記第１の絶縁膜１２は
上記第３層目の配線１３３を覆っている。このような構
成の基体１０を用意する。

【００１８】なお、上記各配線１３１〜１３３は、例え
ば銅もしくは銅合金からなり、それら配線１３１〜１３
３の底面および側面にはバリアメタル層（図示せず）が
例えば窒化タンタル（ＴａＮ）膜で形成され、各配線１
３１〜１３３の上面には酸化防止膜が例えば窒化チタン
（ＴｉＮ）膜（図示せず）で形成されている。上記バリ
アメタル層、酸化防止膜の成膜方法は、スパッタリン
グ、化学的気相成長法、蒸着法等の既存の成膜技術によ
る。また、上記第１の絶縁膜１２は例えば酸化シリコン
系絶縁膜からなる。

【００１９】次いで、図２の（２）に示すように、上記
第１の絶縁膜１２上に、この第１の絶縁膜１２のエッチ
ングマスクとなる材料で第２の絶縁膜１５を形成する。
一例として、第２の絶縁膜１５は窒化シリコン膜で形成
される。

【００２０】続いて図３の（３）に示すように、通常の
レジスト塗布技術によって、上記第２の絶縁膜１５上に
レジスト膜２１を形成する。その後通常のリソグラフィ
ー技術によって、上記レジスト膜２１にレジスト開口部
２２を形成する。さらにレジスト膜２１をマスクに用い
たエッチングによって、上記第２の絶縁膜１５をエッチ
ングし、開口部１６を形成する。このエッチングでは、
例えばエッチングガスにトリフルオロメタン（ＣＨ
Ｆ₃ ）を用い、ドライエッチングにより上記部開口部１
６を形成する。ここでは、一例として、開口部１６の大
きさを３μｍ角（設計寸法）に形成し、また近接する開
口部１６との間隔ｄを１００μｍ（設計寸法）とした。
上記開口部１６の大きさ、開口部１６同士の間隔は、配
線１３のレイアウトに対応して、その後に形成される壁
状の第１の絶縁膜１２によって配線１３が支持されるよ
うに、適宜決定される。

【００２１】その後、上記レジスト膜２１を例えば酸素
プラズマ処理によって除去する。

【００２２】次に、上記第２の絶縁膜１５をマスクにし
て上記第１の絶縁膜１２をエッチングする。このエッチ
ングでは、一例として、エッチングガスにテトラフルオ
ロメタン（ＣＨ₄ ）を用いた等方性エッチングを行う。

【００２３】図３に示すように、この等方性エッチング
では、被エッチング体となる第１の絶縁膜１２の厚さが
１０μｍ以下の場合、基板１１と第２の絶縁膜１５との
間におけるエッチングの進行表面は、エッチングが進行
するにしたがい、エッチング表面Ｓ１、エッチング表面
Ｓ２、エッチング表面Ｓ３のように基板１１表面Ｓｓｕ
ｂに対して垂直になっていく。なお、図３では、配線１
３の図示は省略した。

【００２４】上記エッチングの結果、前記図１に示した
ように、第１絶縁膜１２中に各開口部１６から空間１７
が形成され、各空間１７間には、エッチングされずに残
った壁状の第１の絶縁膜１２が基板１１の上方より見て
格子状に形成されている。そして、上記壁状の第１の絶
縁膜１２によって各配線１３が支持され、各配線１３は
空間１７中にも配設されている。

【００２５】上記半導体装置の製造方法では、第１の絶
縁膜１２上に形成した第２の絶縁膜１５に複数の開口部
１６を形成し、その開口部１６より第１の絶縁膜１２を
エッチングして基板１１と第２の絶縁膜１５との間に配
線１３を支持する状態に第１の絶縁膜１２を壁状に残す
とともに空間１７を形成することから、配線１３は第１
の絶縁膜１２に支持されるとともに、空間１７に配設さ
れることになる。したがって、空間１７に配設された部
分では、実効的な層間誘電率は１に近いので、理想的な
低容量配線となる。すなわち、第１の絶縁膜１２中に配
設された状態のものよりもインピーダンスおよびインダ
クタンスが低減された配線構造に形成される。

【００２６】また、開口部１６より第１の絶縁膜１２を
エッチングして配線１３を支持する壁状の第１の絶縁膜
１２を形成することから、開口部１６の配置位置によっ
て第１の絶縁膜１２の形成位置を決定することができ
る。そのため、配線形状に合わせて開口部１６の形成位
置を決めることで、種々の形状の配線１３を壁状の第１
の絶縁膜１２で支持することが可能になる。

【００２７】また、誘電率の低い多孔質絶縁膜中に配線
を埋め込みながら形成するダマシンプロセスによって、
同等に低い寄生抵抗を有する配線構造を形成しようとす
る場合に直面する、多孔質絶縁膜の微細加工の困難性、
多孔質絶縁膜の吸湿の問題、フォトレジストなどの選択
的除去の困難性、多孔質絶縁膜状への金属膜形成の困難
性、金属膜の熱処理中における多孔質絶縁膜の不安定性
等の問題から解放される。

【００２８】さらに従来の酸化シリコン膜に配線を埋め
込むダマシンプロセスによって、最後の数工程を付加す
るだけで、誘電率が１に近い低寄生容量の配線構造を実
現することが可能になり、低コストにして高い特性（低
インピーダンス、低インダクタンス）を有する配線を実
現できる。

【００２９】前記図３に示したエッチング表面Ｓ３のよ
うに基板１１表面に対して垂直になるまでには、第１の
絶縁膜１２の膜厚にもよるが、隣接する開口部同士の間
隔ｄ（図２参照）を例えば５０μｍ程度にする必要があ
る。ところが、間隔ｄを５０μｍより狭くする必要があ
る場合には、開口部１６より異方性エッチングにより第
１の絶縁膜１２をエッチングした後、等方性エッチング
によって第１の絶縁膜１２をエッチングすることによっ
て、開口部１６の間隔を狭くしても基板１１の表面に対
してほぼ垂直な壁状の第１の絶縁膜１２を形成すること
が可能になる。

【００３０】また、開口部１６の形状によって、空間の
レイアウト形状を種々の形状に形成することが可能にな
る。例えば、開口部１６の形状を、例えば、三角形、四
角形、六角形、八角形等の形状に形成することにより、
空間形状も角部は丸みに形成されるが、開口部１６の形
状に対応して略三角形、略四角形、略六角形、略八角形
等の形状になる。

【００３１】また、図４に示すように、壁状の第１の絶
縁膜１２の間隔ｄが例えば１００μｍの場合であって、
例えば１００μｍ以上の長さの配線１３が存在していた
場合であっても、その配線１３は最大でも、１００μｍ
ごとに壁状の第１の絶縁膜１２によって支持固定され
る。そのため、空間１７を形成するために第１の絶縁膜
１２を除去した後であっても、配線の内部応力によって
配線１３が変形することはない。

【００３２】また、空間１７に配線１３が配設された状
態では配線１３の機械的強度が不十分な場合には、図５
の概略構成断面図に示すように、開口部１６から空間１
７に第１の絶縁膜１２よりも低誘電率な絶縁材料３１を
充填してもよい。このように、空間１７に多孔質絶縁
膜、有機絶縁膜等の低誘電率な絶縁材料３１を充填する
ことで配線１３の機械的強度を高めることも可能にな
る。この低誘電率な絶縁材料３１を充填する工程におい
ても、上記壁状の第１の絶縁膜１２は、配線１３の変形
や倒壊を防ぐ機能を有する。

【００３３】上記実施の形態で説明した配線１３の材料
は銅や銅合金に限定されることはなく、アルミニウム、
アルミニウム合金、金、タングステン、金属シリサイド
等の半導体装置の配線に用いられるすべての材料を用い
ることが可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の半導体装
置によれば、壁状に形成した第１の絶縁膜によって配線
を支持しているので、中空配線における内部応力による
配線の変形を第１の絶縁膜によって抑制することができ
る。かつ、空間には、第１の絶縁膜によって支持された
配線が配設されるので、低インピーダンス、低インダク
タンスな中空配線構造を提供することができる。

【００３５】本発明の半導体装置の製造方法によれば、
第１の絶縁膜で配線を支持した状態で、第１の絶縁膜を
除去しつつ配線を支持する壁状の第１の絶縁膜を形成す
ることができるので、配線の内部応力による変形を第１
の絶縁膜によって抑制しつつ、空間を形成して、中空配
線構造を形成することができる。これによって、機械的
強度の高い中空配線を実現でき、寄生抵抗の低い配線構
造を実現できる。よって、低インピーダンス、低インダ
クタンスな配線構造を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置に係る実施の形態を説明す
る図であって、（１）は概略構成を示す模式断面図であ
り、（２）は第１の絶縁膜のレイアウト図である。

【図２】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形
態を示す製造工程断面図である。

【図３】第１の絶縁膜のエッチング過程を説明する概略
構成断面図である。

【図４】長い配線の支持例を示すレイアウト図である。

【図５】別の実施の形態を説明する概略構成断面図であ
る。

【符号の説明】

１１…基板、１２…第１の絶縁膜、１３…配線、１５…
第２の絶縁膜、１７…空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F033 HH08 HH09 HH11 HH12 HH13 HH19 HH25 HH32 HH33 KK08 KK09 KK11 KK12 KK13 KK19 KK25 KK32 KK33 MM05 MM08 MM12 MM13 PP06 PP15 PP19 QQ09 QQ11 QQ16 QQ18 RR04 RR06 RR21 RR30 XX24

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された壁状の第１の絶縁膜
   と、 前記第１の絶縁膜に支持された配線と、 前記第１の絶縁膜を前記基板との間に挟み、かつ前記基
   板との間に空間を設けて形成された第２の絶縁膜とを備
   えたことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記空間は前記第１の絶縁膜によって複
   数の空間に区分されていることを特徴とする請求項１記
   載の半導体装置。
3. 【請求項３】 基板上に第１の絶縁膜が形成されていて
   前記第１の絶縁膜中に配線が形成されている基体を用意
   し、前記第１の絶縁膜上に前記第１の絶縁膜のエッチン
   グマスクとなる材料で第２の絶縁膜を形成する工程と、 前記第２の絶縁膜に複数の開口部を形成する工程と、 前記第２の絶縁膜をマスクにして前記各開口部から前記
   第１の絶縁膜をエッチングし、前記配線を支持する状態
   に前記第１の絶縁膜を壁状に残して前記基板と前記第２
   の絶縁膜との間に空間を形成する工程とを備えたことを
   特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記空間を形成した後、 前記空間に前記第１の絶縁膜よりも誘電率が低い絶縁材
   料を充填する工程を備えたことを特徴とする請求項３記
   載の半導体装置の製造方法。