JP2002246465A

JP2002246465A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2002246465A
Application number: JP2001044104A
Authority: JP
Inventors: Isamu Nishimura; 勇西村
Original assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Current assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-08-30
Anticipated expiration: 2021-02-20
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Abstract

(57)【要約】【課題】配線間の容量を低減させて遅延時間を最小限
に抑えるとともに、配線の酸化を抑止する。【解決手段】半導体基板１上に積層された複数の階層
のうちの所定の階層に所定形状の配線膜４が形成された
半導体装置であって、隣接する配線膜４間に空間領域１
０を形成している。空間領域１０の形成を成膜の最終工
程後のウエットエッチングにより行うため、層間絶縁膜
の劣化、配線膜の酸化を抑止して空間領域１０を形成す
ることができ、配線容量を低減させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特にダマシン法により形成された銅
（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の金属配線を備え
た半導体装置に適用して好適である。

【０００２】

【従来の技術】近時における半導体装置の微細化、多層
化に伴い、各配線層間の容量に起因する配線遅延の発生
を低減することが必要不可欠となりつつある。このた
め、各配線層間に形成する層間絶縁膜として低誘電率膜
を用い、配線間の容量を低減させることが行われてい
る。一方、配線材料については、従来のアルミニウム
（Ａｌ）配線に代わって、銅、銀、金等の低抵抗金属配
線が用いられるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、層間絶
縁膜の容量は層間絶縁膜の材料によって定まるため、容
量を低減させることにも一定の限界があった。また、ダ
マシン法等のプロセスにより層間絶縁膜と配線からなる
層を形成して多層配線を積層していくと、プロセス中に
層間絶縁膜の劣化が生じ、誘電率の上昇が起きたり、層
間絶縁膜中へ銅等の配線材料が拡散するために耐圧劣化
が生じていた。また、銅等の低抵抗金属を配線として用
いた場合、層間絶縁膜へ銅等の金属が拡散することを防
止するためにバリアメタルの形成が必要不可欠となり、
微細化が進むにつれて実効的な配線抵抗が大きくなると
いう問題が生じていた。

【０００４】この発明は上述のような問題を解決するた
めになされたものであり、この発明の目的は、配線間の
容量を低減させて遅延時間を最小限に抑えるとともに、
配線材料の拡散、酸化等の劣化を最小限に抑え、信頼性
を向上させた半導体装置及びその製造方法を提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体装置
は、半導体基板上に積層された複数の階層のうちの所定
の階層に所定形状の配線膜が形成された半導体装置であ
って、隣接する前記配線膜間に空間領域が形成されてい
るものである。

【０００６】また、前記所定の階層において前記配線膜
の周囲を囲むように前記配線膜と同一材料からなる遮蔽
構造が設けられ、当該遮蔽構造にエッチング液の侵入口
が形成されているものである。

【０００７】また、前記侵入口の横幅は、最上配線層を
覆う絶縁膜の膜厚の２倍以下であることを特徴としたも
のである。

【０００８】また、前記配線膜の上面及び下面が拡散防
止膜によって覆われているものである。

【０００９】また、前記空間領域を埋めた層間絶縁膜が
前記侵入口から侵入したエッチング液により除去される
ことにより前記空間領域が形成されているものである。

【００１０】また、前記侵入口が最上配線被覆絶縁膜に
よって封止されており、前記空間領域が真空状態に保た
れているものである。

【００１１】また、前記配線膜が銅、銀及び金のうちの
いずれかの材料から構成されているものである。

【００１２】また、前記所定の階層が複数層連続して形
成され、上下方向に隣接する階層の前記配線膜同士が接
続されているものである。

【００１３】また、前記遮蔽構造の外側に前記所定の階
層の深さまで達する溝が形成されているものである。

【００１４】また、前記遮蔽構造に前記侵入口が形成さ
れていない階層を備え、当該階層に前記空間領域が形成
されていないものも含む。

【００１５】また、この発明の半導体装置の製造方法
は、半導体基板の上に形成された第１の絶縁膜上に所定
形状の配線膜及び当該配線膜間を埋め込む層間絶縁膜を
形成する第１の工程と、前記層間絶縁膜及び前記配線膜
上に第２の絶縁膜を形成する第２の工程と、前記配線膜
が形成された領域の外側からエッチング液を侵入させて
前記層間絶縁膜を除去し、隣接する前記配線膜間に空間
領域を形成する第３の工程とを有するものである。

【００１６】また、前記層間絶縁膜を無機ＳＯＧ膜とし
たものである。

【００１７】また、前記第１の工程において、絶縁膜に
配線形成のための溝を加工し、その溝に配線材料を埋め
込み、その後、研磨により溝以外の配線材料を除去し、
配線と配線間膜を有する構造を形成する。前記配線膜の
形成とともに、前記配線膜の周囲に前記配線膜と同一材
料からなり前記エッチング液の侵入口を備えた遮蔽構造
を形成する。

【００１８】また、前記侵入口から前記配線膜に向かっ
て前記エッチング液を侵入させるものである。

【００１９】また、前記配線膜を銅、銀及び金のうちの
いずれかの材料により形成するものである。

【００２０】また、最上層配線を覆う絶縁膜がシリコン
窒化膜からなるものである。

【００２１】また、前記エッチング液は、銅、銀又は金
及びシリコン窒化膜に対する無機ＳＯＧ膜の選択比が大
きいエッチング液である。

【００２２】また、前記第３の工程後、第３の絶縁膜を
形成して前記侵入口を封止して前記空間領域を略真空状
態とする第４の工程を更に有するものである。

【００２３】また、前記第２の工程後、前記第３の工程
前に、前記遮蔽構造の周囲に前記配線膜の深さまで達す
る溝を形成する第５の工程を更に有し、前記第３の工程
において、前記溝から前記侵入口へエッチング液を流す
ものである。

【００２４】また、前記第１の工程において、ダマシン
法により前記第１の絶縁膜上に前記配線膜及び前記層間
絶縁膜を形成するものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながらこの発
明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の半導体
装置の主要部の断面構成を示す概略断面図である。図１
に示すように、この半導体装置は各種半導体素子が形成
されたシリコン基板１上にシリコン酸化膜等の絶縁膜２
が形成され、絶縁膜２上に配線金属の拡散防止膜３、配
線膜４、拡散防止膜３、絶縁膜６が順次形成されたもの
である。

【００２６】配線膜４は、銅、銀、金等の低抵抗金属材
料からなる所定膜厚の配線膜であって、各配線膜４の間
は所定の距離だけ離間している。そして、各配線膜４の
間に空間領域１０が形成されている。空間領域１０は略
真空状態に保たれており、各配線膜４の側面は空間領域
１０に露出している。

【００２７】配線膜４の上面及び下面に形成された拡散
防止膜３，５は、プラズマＣＶＤ法により形成されたシ
リコン窒化膜等の絶縁膜から成り、配線膜４が下層及び
上層の絶縁膜２，６へ拡散することを抑えるとともに、
水分をブロックして配線膜４が酸化することを抑止す
る。また、拡散防止膜３は後述する無機ＳＯＧ膜７を形
成する際の下地膜としても機能する。また、絶縁膜６は
シリコン酸化膜等の絶縁膜が単層若しくは多層に形成さ
れた膜である。

【００２８】ここで、図１はシリコン基板１上の任意の
層における配線膜４及び空間領域１０を例示している
が、多層に亘って配線膜４及び空間領域１０からなる層
を形成することもできる。また、配線膜４及び空間領域
１０を形成した層を一層おきに形成し、その間に上下の
配線膜４間を接続するコンタクト層を設けてもよい。

【００２９】以上のように構成された半導体装置におい
ては、配線膜４間に真空状態の空間領域１０を形成して
いるため、各配線膜４間の容量を最小限に抑えることが
可能となる。従って、配線膜４間が近接している場合で
あっても、容量に起因した信号の遅延を最小限に抑える
ことができ、高速動作を達成することが可能となる。

【００３０】また、層間絶縁膜を配線膜４間に残さない
ことにより、多層配線のプロセス中、例えばＣＭＰ法に
よる研磨工程の際に劣化した層間絶縁膜の影響を除去す
ることができる。更に、配線膜４の拡散経路となる層間
絶縁膜を無視できるため、バリアメタル膜を薄膜化若し
くは不要とすることができ、低抵抗配線を形成すること
ができる。また、ダマシンプロセスにおけるＣＭＰ工程
が全て終了した後に無機ＳＯＧ膜７を除去するため、配
線形成工程中においては配線膜４の間に無機ＳＯＧ膜７
が充填された状態となり、対ＣＭＰ機械耐性を確保する
ことができる。そして、配線膜４の上下面に拡散防止膜
３を形成して配線膜４と他の膜が接触する部位を覆うこ
とにより、配線膜４が酸化することを確実に抑えること
ができる。

【００３１】次に、図２〜図４を参照しながら、この発
明の半導体装置の具体的な製造方法を説明する。ここで
は、図１の半導体装置における配線膜４が１層おきに形
成され、上下の層の配線膜４間がコンタクト層としての
配線膜５によって接続された半導体装置を例示し、この
半導体装置の製造方法を図面に基づいて説明する。

【００３２】先ず、図２に示すように、半導体基板１の
表面にトランジスタ等の半導体素子（不図示）を形成し
た後、半導体基板１上を覆うようにシリコン酸化膜等の
絶縁膜２を形成する。絶縁膜２は単層の膜であっても多
層の膜であってもよい。

【００３３】次に、絶縁膜２上にプラズマＣＶＤ法によ
り一層目の拡散防止膜３を形成し、その後、一層目の無
機ＳＯＧ（Spin on Glass）膜７を形成する。この際、
拡散防止膜３は無機ＳＯＧ膜７を形成するための下地膜
として機能する。その後、通常のダマシンプロセスによ
り無機ＳＯＧ膜７中に配線膜４を埋め込む。具体的に
は、無機ＳＯＧ膜７に所定形状の溝を形成した後、溝内
を含む無機ＳＯＧ膜７上に配線膜４を形成し、ＣＭＰ法
による研磨を行うことにより、溝内に配線膜４を埋め込
む。これにより、絶縁膜２上に第１層目の配線層が形成
される。

【００３４】次の第２層目においても同様に、拡散防止
膜３を形成した後、ダマシンプロセスにより無機ＳＯＧ
膜７中に金属膜を形成するが、２層目では１層目の配線
膜４と３層目に形成する配線膜４とを接続するためのビ
アホール８を無機ＳＯＧ膜７中に形成し、これを充填す
る配線膜５を形成する。

【００３５】以降、１層目と２層目の工程を繰り返して
多層配線を形成する。この際、各層のダマシンプロセス
において、溝形成の際に下層の配線膜４又は配線膜５が
露出するまで無機ＳＯＧ膜７及び拡散防止膜３を除去す
ることにより、多層の配線膜４がビアホール８を充填し
た配線膜５によって接続された多層配線構造２０を形成
することができる。

【００３６】また、各層の配線膜４，５の形成と並行し
て、多層配線構造２０の外周部に各層の配線膜４，５と
同じ材料を用いて遮蔽構造９を形成する。遮蔽構造９も
配線膜４，５の形成の際のダマシンプロセスにより形成
する。この遮蔽構造９には、後述するように各層におい
て多層配線構造２０の内部と外部とを接続するためのス
リット９ａが設けられており、スリット９ａはウェット
エッチングの際のエッチング液の侵入口となる。

【００３７】次に、図２に示すように、多層配線構造２
０の外側に積層された無機ＳＯＧ膜７、拡散防止膜３を
ドライエッチングにより選択的に除去して、多層配線構
造２０を囲むように溝１１を形成する。この際、第１層
目の配線膜４の下面の階層位置に到達するまで、無機Ｓ
ＯＧ膜７及び拡散防止膜３を除去する。溝１１は、多層
配線構造２０を挟むように両側に平行に形成してもよ
い。また、多層配線構造２０を半導体チップ１個分の領
域とし、スクライブラインと併用して溝１１を形成して
もよい。これにより、溝１１の内壁面に無機ＳＯＧ膜７
及び拡散防止膜３が露出する。

【００３８】次に、図３に示すように、溝１１から多層
配線構造２０の内部に向かってエッチング液を浸透させ
て、ウエットエッチングを行うことにより多層配線構造
２０に形成された無機ＳＯＧ膜７を除去する。この際、
エッチング液は多層配線構造２０の周囲に形成された遮
蔽構造９のスリット９ａから多層配線構造２０の内側に
向かって浸透し、多層配線構造２０内の各層における無
機ＳＯＧ膜７が外側から除去されていく。無機ＳＯＧ膜
７は特定のエッチング液に対して非常にエッチングスピ
ードが速いという特性を有するため、多層配線構造２０
の外側からエッチング液を侵入させても確実に無機ＳＯ
Ｇ膜７を除去することが可能である。そして、無機ＳＯ
Ｇ膜７のエッチングスピードが速いため、その他のチッ
プ構成材料との選択比を確保することができ、無機ＳＯ
Ｇ膜７のみを除去することができる。そして、配線膜４
金及び拡散防止膜３をほとんどエッチングしないエッチ
ング液を使用することで、配線膜４，５の酸化を抑止で
きる。

【００３９】図４は、ウエットエッチングの終了後の多
層配線構造２０を示している。図４に示すように、ウエ
ットエッチングにより多層配線構造２０内の無機ＳＯＧ
膜７は全て除去され、各層の配線膜４，５間に空間領域
１０が形成される。また、拡散防止膜３はウエットエッ
チングされないため、各層の配線膜４，５の上下面のう
ち、上下の層と直接接触しない表面に残存する。そし
て、多層配線構造２０の外周に形成された遮蔽構造９及
びこれに形成されたスリット９ａが露出する。なお、各
層のうちの任意の層において無機ＳＯＧ膜７を残存させ
て空間領域１０を形成しない場合には、その層の遮蔽構
造９にスリット９ａを形成しないようにする。これによ
り、その層へのエッチング液の侵入を防いで無機ＳＯＧ
膜７を残存させることができる。

【００４０】次に、減圧状態で多層配線構造２０を覆う
ようにパッシベーション膜を形成し、多層配線構造２０
の上面及び側面を覆うことにより、多層配線構造２０を
キャピングする。これにより、スリット９ａが覆われ、
内部に形成された空間領域１０を略真空状態に保った状
態で多層配線構造２０が密閉される。スリット９ａを確
実にキャッピングするためには、スリット９ａの幅を各
層の配線膜４，５、遮蔽構造９の膜厚の１／２以下とす
ることが望ましい。

【００４１】以上説明したように、この発明の実施の形
態によれば、配線膜４間に真空状態の空間領域１０を形
成することにより、各配線膜４間の容量を最小限に抑え
ることが可能となる。従って、容量に起因した信号遅延
を最小限に抑えることができ、デバイスの高速動作を達
成することが可能となる。また、配線膜４の側面が空間
領域１０に面しており、配線膜４と他の膜との接触を最
小限に抑えることができ配線膜４の横方向への拡散を抑
止できる。また、配線膜４の上下面には拡散防止膜３を
形成しているため、配線膜４の上下面においても酸化、
拡散を確実に抑えることができる。

【００４２】更に、ダマシンプロセスにおけるＣＭＰ工
程が全て終了した後に、ウエットエッチングにより無機
ＳＯＧ膜７を除去するため、配線形成工程中においては
配線膜４の間に無機ＳＯＧ膜７が充填された状態とな
り、対ＣＭＰ機械耐性を確保することができる。

【００４３】また、配線間に層間絶縁膜を有しない構造
をとる場合、各配線形成工程毎に層間膜を除去すること
も想定できるが、ＣＭＰ法による研磨工程で機械的強度
が不足するという懸念がある。本実施の形態では、成膜
の最終工程後に無機ＳＯＧ膜７を除去するためＣＭＰ研
磨に対する強度を確保でき、更に、各工程毎の層間絶縁
膜除去を不要としたため、酸素による灰化処理に起因し
た配線の酸化防止のためのバリアメタルの形成を不要と
することができ、配線抵抗を低減することが可能とな
る。

【００４４】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を奏する。

【００４５】隣接する配線膜間に空間領域を形成したこ
とにより、配線膜間の容量を低減させて遅延時間を最小
限に抑えるとともに、配線膜の酸化、配線膜が他の膜へ
拡散することを抑止することができ、配線膜の信頼性を
高めることができる。

【００４６】配線膜の周囲を囲むように設けた遮蔽構造
にエッチング液の侵入口を形成したことにより、侵入口
から配線膜に向かってエッチング液を流して当該空間領
域の形成を容易に行うことができる。

【００４７】侵入口の横幅を最上配線層保護膜の膜厚の
２倍以下としたことにより、侵入口を確実に封止するこ
とができ、空間領域を真空に保つことが可能となる。

【００４８】配線膜を銅、銀及び金のうちのいずれかの
材料から構成したことにより配線膜の低抵抗化を図るこ
とができる。

【００４９】配線膜の上面及び下面を拡散防止膜で覆う
ことにより、配線膜の上面及び下面において配線膜が酸
化若しくは拡散することを抑止できる。

【００５０】空間領域を埋めた層間絶縁膜を侵入口から
侵入させたエッチング液により除去して当該空間領域を
形成するため、配線膜の形成後の最終工程で空間領域の
形成を行うことができる。

【００５１】侵入口を絶縁膜によって封止し、空間領域
を略真空状態に保つことにより、配線膜間の容量を低減
させるとともに、配線膜の側面が酸化することを抑止で
きる。

【００５２】配線膜を備えた階層を複数層連続して形成
し、上下方向に隣接する階層の配線膜同士を接続したこ
とにより、各層で配線層間が空間領域により離間した多
層配線構造を形成することができる。

【００５３】遮蔽構造の外側に配線膜が形成された階層
の深さまで達する溝を形成したことにより、溝から侵入
口に向かってエッチング液を流すことが可能となる。

【００５４】遮蔽構造に侵入口が形成されていない階層
を設けたことにより、空間領域を必要としない階層に空
間領域を形成しないことができる。

【００５５】層間絶縁膜を無機ＳＯＧ膜としたことによ
り、エッチング速度を高めることができ、配線膜が形成
された層の横方向から層間絶縁膜を除去して空間領域を
形成することができる。

【００５６】銅、銀又は金及びシリコン窒化膜に対する
無機ＳＯＧ膜の選択比が大きいエッチング液を用いるこ
とにより、銅、銀又は金からなる配線膜の目減りを抑え
るとともに、配線膜の上面及び下面にシリコン窒化膜を
残存させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の半導体装置の構成を
示す概略断面図である。

【図２】この発明の実施の形態の半導体装置の製造方
法を示す斜視図である。

【図３】図２に続いて、この発明の実施の形態の半導
体装置の製造方法を示す斜視図である。

【図４】図３に続いて、この発明の実施の形態の半導
体装置の製造方法を示す斜視図である。

【符号の説明】

１シリコン基板、２，６絶縁膜、３拡散防止
膜、４，５配線膜、７無機ＳＯＧ膜、８ビ
アホール、９遮蔽構造、９ａスリット、１０
空間領域、１１溝、２０多層配線構造。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F033 HH11 HH13 HH14 JJ11 JJ13 JJ14 KK11 KK13 KK14 MM01 QQ09 QQ11 QQ19 QQ35 QQ37 QQ48 RR04 RR06 RR09 RR30 SS13 SS15 XX10 XX20 XX24 XX27 XX28 5F043 AA37 GG03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に積層された複数の階層の
うちの所定の階層に所定形状の配線膜が形成された半導
体装置であって、隣接する前記配線膜間に空間領域が形成されていること
を特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記所定の階層において前記配線膜の周
囲を囲むように前記配線膜と同一材料からなる遮蔽構造
が設けられ、当該遮蔽構造にエッチング液の侵入口が形
成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。
【請求項３】前記侵入口の横幅が最上配線層の保護膜
の膜厚の２倍以下であることを特徴とする請求項２記載
の半導体装置。
【請求項４】前記配線膜の上面及び下面が拡散防止膜
によって覆われていることを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】前記空間領域を埋めた層間絶縁膜が前記
侵入口から侵入したエッチング液により除去されること
により前記空間領域が形成されていることを特徴とする
請求項２〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】前記侵入口が絶縁膜によって封止されて
おり、前記空間領域が略真空状態に保たれていることを
特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の半導体装
置。
【請求項７】前記配線膜が銅、銀及び金のうちのいず
れかの材料から構成されていることを特徴とする請求項
１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】前記所定の階層が複数層連続して形成さ
れ、上下方向に隣接する階層の前記配線膜同士が接続さ
れていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記
載の半導体装置。
【請求項９】前記遮蔽構造の外側に前記所定の階層の
深さまで達する溝が形成されていることを特徴とする請
求項２〜８のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１０】前記遮蔽構造に前記侵入口が形成され
ていない階層を備え、当該階層に前記空間領域が形成さ
れていないことを特徴とする請求項８又は９記載の半導
体装置。
【請求項１１】半導体基板の上に形成された第１の絶
縁膜上に所定形状の配線膜及び当該配線膜間を埋め込む
層間絶縁膜を形成する第１の工程と、前記層間絶縁膜及び前記配線膜上に第２の絶縁膜を形成
する第２の工程と、前記配線膜が形成された領域の外側からエッチング液を
侵入させて前記層間絶縁膜を除去し、隣接する前記配線
膜間に空間領域を形成する第３の工程とを有することを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】前記層間絶縁膜が無機ＳＯＧ膜である
ことを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１３】前記第１の工程において、前記配線膜
の形成とともに、前記配線膜の周囲に前記配線膜と同一
材料からなり前記エッチング液の侵入口を備えた遮蔽構
造を形成し、前記配線膜間及び前記配線膜と前記遮蔽構
造の間を前記層間絶縁膜で埋め込むことを特徴とする請
求項１１又は１２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】前記侵入口から前記配線膜に向かって
前記エッチング液を侵入させることを特徴とする請求項
１３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】前記配線膜を銅、銀及び金のうちのい
ずれかの材料により形成することを特徴とする請求項１
１〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】前記第１及び第２の絶縁膜がシリコン
窒化膜からなることを特徴とする請求項１１〜１５のい
ずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】前記エッチング液は、銅、銀又は金及
びシリコン窒化膜に対する無機ＳＯＧ膜の選択比が大き
いエッチング液であることを特徴とする請求項１６記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】前記第３の工程後、第３の絶縁膜を形
成して前記侵入口を封止して前記空間領域を略真空状態
とする第４の工程を更に有することを特徴とする請求項
１３〜１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】前記第２の工程後、前記第３の工程前
に、前記遮蔽構造の周囲に前記配線膜の深さまで達する
溝を形成する第５の工程を更に有し、前記第３の工程において、前記溝から前記侵入口へエッ
チング液を流すことを特徴とする請求項１３〜１８のい
ずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】前記第１の工程において、ダマシン法
により前記第１の絶縁膜上に前記配線膜及び前記層間絶
縁膜を形成することを特徴とする請求項１１〜１９のい
ずれかに記載の半導体装置の製造方法。