JP2002050688A

JP2002050688A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2002050688A
Application number: JP2000235931A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Masuda; 員拓増田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2002-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】配線容量が低減された半導体装置およびその
製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、第１の配線層１４
の上に設けられた、第１の配線層１４に達する開口部６
０を有する層間絶縁層２０を含む。開口部６０は、スル
ーホール６２と、スルーホール６２と連続する配線溝６
４とを有する。スルーホール６２においてコンタクト層
９２が設けられ、配線溝６４において第２の配線層９４
が設けられている。層間絶縁層２０は、第１の絶縁層３
０と、第１の絶縁層３０の上に設けられた第２の絶縁層
５０と、第１の絶縁層３０と第２の絶縁層５０との間に
設けられた中間層４０とを有する。第１の絶縁層３０
は、有機系材料からなる多孔質膜である。

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、特に、多層配線を有する半導体装
置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【背景技術】近年、半導体装置の微細化に伴い、配線層
が多層にわたって形成されるようになってきている。こ
のため、半導体装置の製造プロセスにおいて、配線層間
を電気的に接続するコンタクト層（以下「コンタクト
層」という）と、配線層とを形成するためのプロセス数
が、半導体装置の全製造プロセス数に占める割合が大き
くなってきている。したがって、現在、配線層およびコ
ンタクト層の形成方法は、半導体装置の製造プロセスに
おいて重要な位置を占めるようになっている。この配線
層およびコンタクト層を、簡易かつ同時に形成する技術
として、いわゆるデュアルダマシン法がある。以下、こ
のデュアルダマシン法の一例を説明する。

【０００３】図４に、このデュアルダマシン法を利用し
た配線層およびコンタクト層の製造工程を模式的に示
す。

【０００４】まず、図４（ａ）を参照しながら説明す
る。拡散層１１２が形成されているシリコン基板１１０
上に第１の絶縁膜１２０を形成する。次いで、第１の絶
縁膜１２０上に窒化シリコン膜１３０を形成する。窒化
シリコン膜１３０上にレジスト層Ｒ３を形成する。レジ
スト層Ｒ３は、後述のコンタクトホール１５０を形成し
ようとする領域の上方において開口部１７０を有する。
次いで、窒化シリコン膜１３０をエッチングする。

【０００５】次に、図４（ｂ）を参照しながら説明す
る。レジスト層Ｒ３を除去した後、窒化シリコン膜１３
０および第１の絶縁膜１２０の上に第２の絶縁膜１４０
を形成する。第２の絶縁膜１４０上にレジスト層Ｒ４を
形成する。レジスト層Ｒ４は、後述の溝部１５２を形成
しよとする領域の上方において開口部１８０を有する。
レジスト層Ｒ４をマスクとして第２の絶縁膜１４０をエ
ッチングして溝部１５２を形成し、さらに窒化シリコン
膜１３０をマスクとして第１の絶縁膜１２０をエッチン
グしてコンタクトホール１５０を形成する。

【０００６】次に、図４（ｃ）を参照しながら説明す
る。レジスト層Ｒ４を除去した後、導電物をコンタクト
ホール１５０および溝部１５２を含む全面に堆積する。
その後、全面をＣＭＰ法により研磨し、埋め込み配線層
１６０を形成する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、配線
容量が低減された半導体装置およびその製造方法を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（半導体装置）本発明の
半導体装置は、導電層の上に設けられた、該導電層に達
する開口部を有する層間絶縁層を含み、前記開口部は、
スルーホールと、該スルーホールと連続する配線溝とを
有し、前記スルーホールにおいてコンタクト層が設けら
れ、前記配線溝において配線層が設けられ、前記層間絶
縁層は、第１の絶縁層と、該第１の絶縁層の上に設けら
れた第２の絶縁層と、該第１の絶縁層と該第２の絶縁層
との間に設けられた中間層とを有し、前記第１の絶縁層
は、有機系材料からなる多孔質膜である。

【０００９】ここで、「導電層」には、半導体基板の表
面に形成された、半導体素子（たとえばゲート電極，拡
散層）および配線層、ならびに、層間絶縁層の上に形成
された配線層を含む。

【００１０】本発明においては、第１の絶縁層は、有機
系材料からなる。有機系材料は、一般に、酸化シリコン
に比べて低比誘電率を示すものが多く存在し、この場合
では比誘電率が好ましくは３以下のものに着目して適用
する。このため、本発明によれば、第１の絶縁層が酸化
シリコンからなる場合に比べて、配線容量を低減させる
ことができる。

【００１１】また、第１の絶縁層は、多孔質膜からな
る。第１の絶縁層が多孔質膜であることにより、第１の
絶縁層の密度が低減されている。このため、第１の絶縁
層の比誘電率は低減されている。その結果、本発明によ
れば、配線容量を低減させることができる。

【００１２】本発明は、次の態様のうち、いずれかの態
様をとることが好ましい。

【００１３】（１）第１に、前記中間層は、酸化シリコ
ン系材料からなる多孔質膜である態様である。中間層が
酸化シリコン系材料からなることにより、中間層が窒化
シリコンからなる場合に比べて、中間層の比誘電率を低
減することができる。また、中間層が多孔質膜であるこ
とにより、中間層が多孔質膜でない場合に比べて、中間
層の比誘電率を低減することができる。このため、より
配線容量を低減することができる。

【００１４】（２）第２に、前記第２の絶縁層は、有機
系材料からなる多孔質膜である態様である。第２の絶縁
層が有機系材料からなる多孔質膜であることで、第２の
絶縁層が酸化シリコンからなる場合に比べて、第２の絶
縁層の比誘電率を低減することができる。このため、よ
り配線容量を低減することができる。

【００１５】（半導体装置の製造方法）本発明の半導体
装置は、たとえば次のようにして形成されることができ
る。

【００１６】本発明の半導体装置の製造方法は、（Ａ）
導電層の上に、該導電層に達する開口部を有する層間絶
縁層を形成する工程であって、前記開口部は、スルーホ
ールと、該スルーホールと連続する配線溝とを有し、お
よび（Ｂ）前記スルーホールにおいてコンタクト層を形
成し、前記配線溝において配線層を形成する工程を含
み、前記工程（Ａ）は、以下の工程（ａ）〜（ｆ）を含
む。（ａ）前記導電層の上に、第１の絶縁層を形成する工程
であって、前記第１の絶縁層は、有機系材料からなる多
孔質膜であり、（ｂ）前記第１の絶縁層の上に、中間層
を形成する工程、（ｃ）前記中間層をパターニングする
工程、（ｄ）前記中間層の上に、第２の絶縁層を形成す
る工程、（ｅ）前記第２の絶縁層の所定の部分を除去し
て、前記配線溝を形成する工程、および（ｆ）前記中間
層をマスクとして、前記第１の絶縁層を除去して、前記
スルーホールを形成する工程。

【００１７】本発明の半導体装置の製造方法は、中間層
ならびに第２の絶縁層の材質として、本発明の半導体装
置の項で説明したものと同様のものを適用することがで
きる。

【００１８】前記工程（ａ）および工程（ｂ）は、スピ
ンコート法により行われることが好ましい。これによっ
て、第１の絶縁層と中間層との形成において、スピンコ
ーター１台での連続処理が可能となる。このため、工程
数を短縮でき、その結果、製造コストを削減することが
できる。

【００１９】中間層が酸化シリコン系材料からなる多孔
質膜である場合には、次のようにして、第１の絶縁層お
よび中間層を形成することが好ましい。

【００２０】前記工程（Ａ）は、さらに、前記導電層の
上に、第１の絶縁層の前駆体を形成する工程（ｇ）、前
記第１の絶縁層の前駆体の上に、中間層の前駆体を形成
する工程（ｈ）を含み、前記第１の絶縁層および前記中
間層は、前記第１の絶縁層の前駆体および前記中間層の
前駆体を熱処理することにより形成される。

【００２１】これによって、１回の熱処理で、第１の絶
縁層および中間層を形成することができるため、工程数
を短縮することができる。

【００２２】前記工程（ｇ）および（ｈ）は、スピンコ
ート法により行われることが好ましい。これによって、
第１の絶縁層の前駆体と、中間層の前駆体との形成が、
スピンコーター１台での連続処理が可能となる。このた
め、工程数を短縮でき、その結果、製造コストを削減す
ることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照しながら説明する。

【００２４】（半導体装置）以下、実施の形態に係る半
導体装置について説明する。図１は、実施の形態にかか
る半導体装置を模式的に示す断面図である。

【００２５】半導体基板（たとえばシリコン基板）１０
の表面には、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子、配線層お
よび素子分離領域（図示せず）が形成されている。半導
体基板１０上には、第１の層間絶縁層１２が形成されて
いる。第１の層間絶縁層１２の上には、所定のパターン
を有する第１の配線層１４が形成されている。第１の層
間絶縁層１２の所定の部分に、コンタクトホール（図示
せず）が形成されている。コンタクトホールは、半導体
基板１０の表面に形成された半導体素子または配線層
と、第１の配線層１４とを接続している。コンタクトホ
ール内には、コンタクト層（図示せず）が形成されてい
る。コンタクト層は、たとえば、タングステンプラグ，
アルミニウム合金層あるいは銅層からなる。

【００２６】第１の配線層１４および第１の層間絶縁層
１２の上には、第２の層間絶縁層２０が形成されてい
る。第２の層間絶縁層２０は、第１の絶縁層３０、中間
層４０および第２の絶縁層５０が順次積層して構成され
る。第１の絶縁層３０は、有機材料からなる多孔質膜で
構成されている。有機材料は、比誘電率が３以下である
ことが好ましい。この有機材料の具体例としては、ポリ
アリーレンエーテルを主体としたAllied Signal製FLARE
（登録商標）、Dow Chemical製Silk（登録商標）、ＢＣ
Ｂ（Benzocyclobutene）を挙げることができる。中間層
は、酸化シリコン系材料からなる多孔質膜で構成されて
いる。第２の絶縁層５０の構成は、特に限定されない
が、有機材料からなる多孔質膜であることが好ましい。
この有機材料の具体例としては、第１の絶縁層３０にお
いて説明したものを挙げることができる。

【００２７】第２の層間絶縁層２０の所定の部分には、
開口部６０が形成されている。開口部６０は、第１の配
線層１４の上面に達している。開口部６０は、スルーホ
ール６２と、配線溝６４とからなる。スルーホール６２
は、第１の絶縁層３０および中間層４０において、形成
されている。配線溝６４は、第２の絶縁層５０におい
て、形成されている。

【００２８】開口部６０内には、埋め込み配線層９０が
形成されている。埋め込み配線層９０は、コンタクト層
９２と、第２の配線層９４とを有する。すなわち、スル
ーホール６２においてコンタクト層９２が形成され、配
線溝６４において第２の配線層９４が形成されている。

【００２９】（作用効果）以下、本実施の形態に係る半
導体装置１００の作用効果について説明する。

【００３０】（ａ）本実施の形態においては、第１の絶
縁層３０は、有機材料からなる。有機材料は、一般に、
比誘電率が酸化シリコンに比べて低いものが多くあり、
比誘電率が好ましくは３以下のものに着目して適用す
る。このため、本実施の形態によれば、第１の絶縁層３
０が酸化シリコンからなる場合に比べて、配線容量を低
減することができ、ＲＣ配線遅延を抑えることができ
る。

【００３１】さらに、第１の絶縁層３０は、多孔質膜で
構成されている。このため、第１の絶縁層３０は密度が
低くなっているため、第１の絶縁層３０の比誘電率は低
減されている。このため、本実施の形態によれば、第１
の絶縁層が多孔質膜でない場合に比べて、配線容量を低
減することができ、ＲＣ配線遅延を抑えることができ
る。

【００３２】（ｂ）本実施の形態においては、中間層４
０は、酸化シリコン系の材料からなる。このため、中間
層が窒化シリコンからなる場合に比べて、中間層の比誘
電率を低減することができる。このため、本実施の形態
によれば、中間層４０が窒化シリコンからなる場合に比
べて、配線容量を低減することができ、ＲＣ配線遅延を
抑えることができる。

【００３３】さらに、中間層４０は、多孔質膜で構成さ
れている。このため、中間層４０の密度が低くなってい
るため、中間層４０の比誘電率が低減されている。この
ため、本実施の形態によれば、中間層が多孔質化されて
いない場合に比べて、配線容量を低減することができ、
ＲＣ配線遅延を抑えることができる。

【００３４】（半導体装置の製造方法）次に、実施の形
態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図２
および図３は、本実施の形態に係る半導体装置の製造工
程を模式的に示す断面図である。

【００３５】（１）まず、図２（ａ）を参照しながら説
明する。半導体基板１０の表面に、一般的な方法によ
り、半導体素子（たとえばＭＯＳＦＥＴ）、配線層およ
び素子分離領域（図示せず）を形成する。次に、この半
導体基板１０上に、第１の層間絶縁層１２を形成する。
次に、第１の層間絶縁層１２に、コンタクトホール（図
示せず）を形成し、コンタクトホール内に、公知の方法
により、コンタクト層（図示せず）を形成する。

【００３６】次に、第１の層間絶縁層１２の上に、所定
のパターンを有する第１の配線層１４を形成する。

【００３７】（２）次に、図２（ｂ）に示すように、第
１の層間絶縁層１２および第１の配線層１４の上に、第
１の絶縁層３０および中間層４０を、順次形成する。第
１の絶縁層３０および中間層４０は、たとえば、次のよ
うにして形成することができる。

【００３８】第１の層間絶縁層１２および第１の配線層
１４の上に、第１の絶縁層３０の前駆体（図示せず）を
形成する。第１の絶縁層３０の前駆体としては、熱分解
−揮発する温度特性が異なる２種類の有機ポリマーをハ
イブリッドさせたものや、有機ポリマーとＳｉＯ₂系材
料を混在させ、ＨＦ蒸気によりＳｉＯ₂部分を欠落させ
多孔を形成するものを挙げることができる。第１の絶縁
層３０の前駆体の形成方法は、特に限定されないが、ス
ピンコート法が好ましい。第１の絶縁層３０の前駆体の
膜厚は、たとえば、３００〜６００ｎｍである。

【００３９】次に、第１の絶縁層３０の前駆体の上に、
中間層４０の前駆体（図示せず）を形成する。中間層４
０の前駆体としては、たとえば、触媒化成工業株式会社
のＩＰＳシリーズのような従来のシラノール：Ｓｉ
_n（ＯＨ）_mをベースとするＳＯＧ材料に熱分解性のある
有機ポリマーを混在させているものを挙げることができ
る。中間層４０の前駆体の形成方法は、特に限定されな
いが、スピンコート法が好ましい。第１の絶縁層３０の
前駆体と、中間層４０の前駆体との形成は、両者ともス
ピンコート法により行うことが好ましい。これにより、
第１の絶縁層３０の前駆体と、中間層４０の前駆体との
形成が、スピンコーター１台での連続処理が可能とな
る。このため、工程数を短縮でき、結果として、製造コ
ストを削減することができる。中間層４０の前駆体の膜
厚は、たとえば３０〜１００ｎｍである。

【００４０】次に、第１の絶縁層３０の前駆体および中
間層４０の前駆体を熱処理して、それらの前駆体におけ
る溶媒を気化させ、または、それらの前駆体における構
成分子を熱分解し、気孔３２を形成する。こうして、第
１の絶縁層３０および中間層４０を形成することができ
る。

【００４１】（３）次に、中間層４０の上に、所定のパ
ターンを有する第１のレジスト層Ｒ１を形成する。すな
わち、第１のレジスト層Ｒ１は、スルーホール６２を形
成しようとする領域の上方において、開口されている。

【００４２】次に、図２（ｃ）に示すように、第１のレ
ジスト層Ｒ１をマスクとして、中間層４０をエッチング
する。中間層のエッチング方法は、公知の方法をとるこ
とができる。その後、第１のレジスト層Ｒ１を除去す
る。

【００４３】（４）次に、図３（ａ）に示すように、中
間層４０の上に、第２の絶縁層５０を形成する。第２の
絶縁層５０の形成方法としては、第２の絶縁層５０が有
機材料からなる多孔質膜で構成される場合を例にとる
と、たとえば、第２の絶縁層５０の前駆体を形成し、そ
の前駆体を熱処理することにより、第２の絶縁層５０を
形成することができる。第２の絶縁層５０の前駆体の具
体例は、第１の絶縁層３０の前駆体と同様である。第２
の絶縁層５０の前駆体は、たとえば塗布法、好ましくは
スピンコート法により形成されることができる。第２の
絶縁層５０の膜厚は、デバイスの設計により異なるが、
たとえば３００〜６００ｎｍである。また、必要に応じ
て、第２の絶縁層５０をＣＭＰ法により平坦化すること
ができる。

【００４４】次に、第２の絶縁層５０の上に、所定のパ
ターンを有する第２のレジスト層Ｒ２を形成する。第２
のレジスト層Ｒ２は、配線溝６４を形成したい領域の上
方において、開口されている。

【００４５】（５）次に、図３（ｂ）に示すように、第
２のレジスト層Ｒ２をマスクとし、かつ、中間層をエッ
チングストッパとして、第２の絶縁層５０をエッチング
し、配線溝６４を形成する。そして、中間層４０をマス
クとして、第１の絶縁層３０をエッチングし、スルーホ
ール６２を形成する。エッチング方法としては、たとえ
ば反応性イオンエッチングを挙げることができる。こう
して、第２の層間絶縁層３０において、開口部６０が形
成される。その後、第２のレジスト層Ｒ２を除去する。

【００４６】（６）次に、図３（ｃ）に示すように、ス
ルーホール６２および配線溝６４を充填するようにし
て、第２の絶縁層５０の上に、第２の導電層８０を形成
する。第２の導電層８０の形成方法としては、たとえば
ＣＶＤ法，スパッタ法を挙げることができる。第２の導
電層８０の材質としては、導電性を有する材質であれば
特に限定されない。第２の導電層８０の材質の具体例と
しては、たとえばアルミニウム，タングステン，銅，ア
ルミニウムと銅との合金を挙げることができる。

【００４７】（７）次に、第２の導電層８０はＣＭＰ法
により平坦化され、図１に示すように、埋め込み配線層
９０が完成する。すなわち、スルーホール６２において
コンタクト層９２が形成され、配線溝６４において第２
の配線層９４が形成される。こうして、本実施の形態に
係る半導体装置１００が完成する。

【００４８】［変形例］本発明は、上記の実施の形態に
限定されず、本発明の要旨を超えない範囲で種々の変更
が可能である。たとえば、次の変更が可能である。

【００４９】上記実施の形態においては、デュアルダマ
シン法により、第２層目の層間絶縁層にコンタクト層と
配線層とを形成する場合について説明した。しかし、本
発明は、半導体基板の表面に形成された第１層目の層間
絶縁層、あるいは、第２層目より上の層間絶縁層におい
ても適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る半導体装置を模式的に示す断
面図である。

【図２】実施の形態に係る半導体装置の製造工程を模式
的に示す断面図である。

【図３】実施の形態に係る半導体装置の製造工程を模式
的に示す断面図である。

【図４】従来例に係る半導体装置の製造方法の工程を模
式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１０基板１２第１の層間絶縁層１４第１の配線層２０第２の層間絶縁層３０第１の絶縁層４０中間層５０第２の絶縁層６０開口部６２スルーホール６４配線溝７０ボイド８０導電層９０埋め込み配線層９２コンタクト層９４第２の配線層１００半導体装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F033 HH08 HH09 HH11 HH19 JJ01 JJ08 JJ09 JJ11 JJ19 KK00 KK01 MM02 PP06 PP15 QQ09 QQ10 QQ13 QQ25 QQ37 QQ48 RR04 RR21 RR29 SS22 TT04 XX24 5F058 AD04 AD05 AF04 AH02 BA20 BD01 BD04 BD07 BF46 BJ02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電層の上に設けられた、該導電層に達
する開口部を有する層間絶縁層を含み、前記開口部は、スルーホールと、該スルーホールと連続
する配線溝とを有し、前記スルーホールにおいてコンタクト層が設けられ、前
記配線溝において配線層が設けられ、前記層間絶縁層は、第１の絶縁層と、該第１の絶縁層の
上に設けられた第２の絶縁層と、該第１の絶縁層と該第
２の絶縁層との間に設けられた中間層とを有し、前記第１の絶縁層は、有機系材料からなる多孔質膜であ
る、半導体装置。
【請求項２】請求項１において、前記中間層は、酸化シリコン系材料からなる多孔質膜で
ある、半導体装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記第２の絶縁層は、有機系材料からなる多孔質膜であ
る、半導体装置。
【請求項４】（Ａ）導電層の上に、該導電層に達する
開口部を有する層間絶縁層を形成する工程であって、前
記開口部は、スルーホールと、該スルーホールと連続す
る配線溝とを有し、および（Ｂ）前記スルーホールにお
いてコンタクト層を形成し、前記配線溝において配線層
を形成する工程を含み、前記工程（Ａ）は、以下の工程（ａ）〜（ｆ）を含む、
半導体装置の製造方法。（ａ）前記導電層の上に、第１の絶縁層を形成する工程
であって、前記第１の絶縁層は、有機系材料からなる多孔質膜であ
り、（ｂ）前記第１の絶縁層の上に、中間層を形成する
工程、（ｃ）前記中間層をパターニングする工程、
（ｄ）前記中間層の上に、第２の絶縁層を形成する工
程、（ｅ）前記第２の絶縁層の所定の部分を除去して、
前記配線溝を形成する工程、および（ｆ）前記中間層を
マスクとして、前記第１の絶縁層を除去して、前記スル
ーホールを形成する工程。
【請求項５】請求項４において、前記中間層は、酸化シリコン系材料からなる多孔質膜で
ある、半導体装置の製造方法。
【請求項６】請求項４または５において、前記工程（ａ）および工程（ｂ）は、スピンコート法に
より行われる、半導体装置の製造方法。
【請求項７】請求項５において、前記工程（Ａ）は、さらに、前記導電層の上に、第１の
絶縁層の前駆体を形成する工程（ｇ）、前記第１の絶縁層の前駆体の上に、中間層の前駆体を形
成する工程（ｈ）を含み、前記第１の絶縁層および前記中間層は、前記第１の絶縁
層の前駆体および前記中間層の前駆体を熱処理すること
により形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項８】請求項７において、前記工程（ｇ）および（ｈ）は、スピンコート法により
行われる、半導体装置の製造方法。
【請求項９】請求項４〜８のいずれかにおいて、前記第２の絶縁層は、有機系材料からなる多孔質膜であ
る、半導体装置の製造方法。