JP2003068846A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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Abstract
れながら、配線間の絶縁膜が低誘電率化され、配線遅延
が抑制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】第1の導電層111上に第1の絶縁膜11
2を形成する工程と、第1の絶縁膜上に配線パターンで
犠牲膜124を形成する工程と、隣接する犠牲膜間の間
隔が相対的に狭い部分で、相対的に広い部分に比較して
低誘電率となるような第2の絶縁膜113を形成する工
程であって、好適にはFSG膜を形成する工程あるいは
ボイドを含む絶縁膜を形成する工程と、犠牲膜上の第2
絶縁膜を除去する工程と、犠牲膜を除去して配線溝を形
成する工程と、配線溝内に配線を形成する工程とを有す
る半導体装置の製造方法、およびそれにより製造される
半導体装置。
Description
その製造方法に関し、特に、配線容量が小さく、配線遅
延の遅延時間が短い、より高速化された半導体装置およ
びその製造方法に関する。
配線が微細化され、配線ピッチが縮小されている。これ
により、配線抵抗および配線容量が増大するため、配線
遅延の問題が顕在化している。配線遅延の解決策とし
て、Cu等に代表される低抵抗配線材料や、SiOFや
HSQ等に代表される低誘電率材料の開発が進められて
いる。
相成長(HDP CVD;high density plasma chemic
al vapor deposition)により成膜されるフッ素ドープ酸
化膜(以下、FSGとする。)を指す。また、HSQは
水素化シロキサン(hydrogensilsesquioxane)を指す。
FSG膜の場合、従来のシリコン酸化膜にFを添加する
のみで、層間絶縁膜を低誘電率化できる。したがって、
従来のプロセスに大幅な変更を加えずに、半導体装置に
導入できるという利点がある。
り、従来、配線材料として広く用いられてきたAlに比
較してCuの方がエレクトロマイグレーション耐性が高
いという報告もある。但し、Cuの微細配線を形成する
場合は、Al配線を形成する場合のように、ドライエッ
チングによる加工を行うことが難しい。Al配線は、下
地となる絶縁膜上にAl層を形成してから、下地の絶縁
膜に対してAl層のエッチング選択比が高くなるような
エッチングガスを用いて、Al層にドライエッチングを
行うことにより形成される。
対してCuが高いエッチング選択比でエッチングされる
ようなエッチングガスが存在しない。したがって、Cu
配線は、一般にダマシン(Damascene)法により形成され
る。FSG膜を層間絶縁膜として、ダマシン法によりC
uの埋め込み配線を形成する方法は、例えば特開平11
−186261号公報に開示されている。
の方法を説明する。まず、図18(a)に示すように、
所定の素子等(不図示)が形成されたSi基板201上
に、下地酸化膜202、エッチングストッパー層となる
SiN層203、および配線層分離酸化膜204を順に
堆積する。配線層分離酸化膜204としては、FSG膜
が用いられる。
ラフィー技術により配線層分離酸化膜204上にレジス
ト(不図示)を形成し、レジストをマスクとして配線層
分離酸化膜204にドライエッチングを行う。このと
き、SiN層203がエッチングストッパー層となる。
その後、露出したSiN層203を、例えばホットリン
酸を用いて除去する。これにより、配線溝205が形成
される。その後、レジストを除去する。
205内および配線層分離酸化膜204上に、バリアメ
タル層となるTaN層206を、例えばスパッタリング
により形成する。TaN層206上にCuシード層20
7を、例えばスパッタリングにより形成する。Cuシー
ド層207は、バリアメタル層とCu配線との密着性を
高める目的で設けられる。さらに、電解めっき法により
配線溝205内を埋め込むように、配線層分離酸化膜2
04上にTaN層206とCuシード層207を介して
Cuめっき層208を形成する。
機械研磨(CMP;chemical mechanical polishing)を
行い、配線溝205内にのみCuめっき層208、Cu
シード層207およびTaN層206を残す。これによ
り、Cuの埋め込み配線209が形成される。その後、
アニールを施してCuの埋め込み配線中の不純物を除去
したり、Cuのグレインサイズを大きくして、さらに低
抵抗化したりする。
水平方向の配線間容量によって決定される。したがっ
て、半導体装置の配線遅延を抑制するためには、配線間
隔(配線スペース)が狭い部分での隣接配線間容量を低
減する必要がある。
て、隣接配線間容量を低減する方法としては、配線層分
離酸化膜204であるFSG膜自体の誘電率を下げる方
法がある。しかしながら、FSG膜の誘電率を下げる目
的で、FSG膜中のF濃度を高くすると、膜中の不安定
なFが増加して、FSG膜の吸湿性が高くなったり、F
SG膜と金属層またはSiN層(エッチングストッパー
層)との密着性が悪化したりする。
miconductor World (1995) 12, p.167-169に記載されて
いる。また、後者の密着性の悪化の問題については、例
えば特開平8−321547号公報等に記載されてい
る。特に、FSG膜と金属層またはSiN層との密着性
の悪化は、アニール工程後に顕著となる。したがって、
FSG膜の密着性の悪化は、FSG膜中の不安定なFが
熱処理により拡散し、金属層またはSiN層との界面に
偏析するのが一因と推定されている。
のであり、したがって本発明は、絶縁膜の吸湿性の増加
や密着性の悪化が防止されながら、配線間の絶縁膜が低
誘電率化され、配線遅延が抑制された半導体装置および
その製造方法を提供することを目的とする。
め、本発明の半導体装置は第1の導電層と、前記第1の
導電層上に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁
膜上に形成された第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜に
配線パターンで形成された、前記第1の絶縁膜に達する
配線溝と、前記配線溝に埋め込まれた配線と、前記第1
の導電層と前記配線とを接続するように、前記第1の絶
縁膜に形成された接続孔とを有する半導体装置であっ
て、隣接する前記配線間の間隔が相対的に狭い部分の前
記第2の絶縁膜は、前記間隔が相対的に広い部分の前記
第2の絶縁膜に比較して低誘電率であることを特徴とす
る。
有するシリコン酸化膜であり、前記間隔が相対的に狭い
部分の前記第2の絶縁膜は、前記間隔が相対的に広い部
分の前記第2の絶縁膜に比較して、フッ素を高濃度で含
有する。
狭い部分の前記第2の絶縁膜は、前記配線に接しない第
1の空隙を有する。さらに好適には、前記間隔が相対的
に広い部分の前記第2の絶縁膜は、前記第1の空隙より
小さく、かつ前記配線に接しない第2の空隙を有する。
あるいは、前記間隔が相対的に広い部分の前記第2の絶
縁膜は、空隙をもたない。
線溝と前記配線との間に、前記第1の絶縁膜および前記
第2の絶縁膜の少なくとも一方と前記配線との反応を防
止するバリアメタル層をさらに有する。好適には、前記
第1の導電層は半導体基板の一部を含む。
くしなくても、配線スペースの狭い部分の絶縁膜を選択
的に低誘電率化できる。したがって、狭い配線スペース
での配線間容量を低減し、配線遅延を抑制することが可
能となる。本発明の半導体装置によれば、絶縁膜全体で
フッ素濃度を高くする必要がないことから、絶縁膜の吸
湿性の増加や、密着性の悪化が防止される。
明の半導体装置の製造方法は、前記第1の導電層上に第
1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜に、前
記第1の導電層に達する孔を形成する工程と、前記第1
の絶縁膜上の一部と前記孔上に、配線パターンで犠牲膜
を形成する工程と、前記犠牲膜を被覆する第2の絶縁膜
を形成する工程であって、隣接する前記犠牲膜間の間隔
が相対的に狭い部分で、前記間隔が相対的に広い部分に
比較して、低誘電率となるような前記第2の絶縁膜を形
成する工程と、前記犠牲膜上の前記第2絶縁膜を除去す
る工程と、前記犠牲膜を除去し、前記第2の絶縁膜に配
線溝を形成する工程と、前記配線溝内に配線を形成する
工程とを有することを特徴とする。
は、前記第2の絶縁膜を形成する工程は、化学気相成長
によりフッ素を含有するシリコン酸化膜を形成する工程
を含み、前記間隔が相対的に狭い部分で、前記間隔が相
対的に広い部分に比較して、前記第2の絶縁膜にフッ素
を高濃度で含有させる。
形成する工程において、前記間隔が相対的に狭い部分の
前記第2の絶縁膜に、前記犠牲膜に接しない第1の空隙
を形成する。さらに好適には、前記第2の絶縁膜を形成
する工程において、前記間隔が相対的に広い部分の前記
第2の絶縁膜に、前記第1の空隙より小さく、かつ前記
犠牲膜に接しない第2の空隙を形成する。あるいは、前
記第2の絶縁膜を形成する工程において、前記間隔が相
対的に広い部分の前記第2の絶縁膜に、空隙を形成しな
い。
は、前記犠牲膜を形成する前に、前記孔内に導電体から
なるプラグを形成する工程をさらに有し、前記配線を、
前記プラグに電気的に接続するように形成する。好適に
は、前記配線を形成する工程は、前記配線溝内を埋め込
むように、前記第2の絶縁膜上に配線材料層を形成する
工程と、前記第2の絶縁膜が露出するまで、前記配線材
料層の表面に化学的機械研磨を行う工程とを含む。好適
には、前記配線材料層を形成する工程において、前記配
線溝を介して前記孔内にも配線材料を埋め込む。
は、電解めっき工程を含む。本発明の半導体装置の製造
方法は、好適には、前記第1の絶縁膜を形成後、前記犠
牲膜を形成する前に、前記第1の絶縁膜と前記犠牲膜と
の層間に、前記犠牲膜に対してエッチング速度を十分に
遅くすることが可能であるエッチングストッパー層を形
成する工程をさらに有する。
容量が低減された半導体装置を製造することが可能とな
る。本発明の半導体装置の製造方法によれば、配線スペ
ースに応じて、配線間の絶縁膜を低誘電率化することが
できる。
びその製造方法の実施の形態について、図面を参照して
説明する。本発明の半導体装置の製造方法によれば、配
線の加工後に、配線を被覆するようにFSG膜を形成し
た場合、配線スペースに応じて配線間の比誘電率εが変
化することを利用して、特に配線スペースが狭い部分で
の配線容量を低減させることができる。
示す。従来のAl配線のプロセスにおいて、Al配線上
にHDPによりFSG膜を形成する場合、配線スペース
が狭くなるほど、配線間の比誘電率εが低下することが
確認されている。配線間のFSG膜の比誘電率εを直接
的に求めるのは困難であるため、配線間部の配線容量を
測定し、実測値を配線スペースに対してプロットした。
図1の実線は、実測値のプロットをフィッティングした
曲線である。
果を示し、同一の配線スペースでの配線容量が小さい方
から、順にε=3.1、ε=3.3、ε=3.5、ε=
3.7のときに対応する。配線容量の実測値とシミュレ
ーション結果とを比較することにより、配線間部の比誘
電率εを間接的に算出した。
0.3μm以上の場合は、配線容量の実測値が、シミュ
レーションでの3.5≦ε≦3.7に対応する配線容量
の範囲に分布している。それに対し、配線スペースがほ
ぼ0.25μmの場合には、配線容量の実測値が、シミ
ュレーションでの3.3≦ε≦3.5に対応する配線容
量の範囲に概ね分布している。
と、配線間の比誘電率εは低下する。これは、配線スペ
ースが狭くなるほど、CVDの過程で配線間に入射する
イオン、特にO+ の量が少なくなり、酸化反応が進行し
にくくなって、FSG膜中に取り込まれるFの量が増加
するためと考えられている。
ースが狭くなると、図2に示すように、ステップカバレ
ージが不足して、配線101間の絶縁膜102に空隙
(ボイド)103が発生しやすくなる。このようなボイ
ド103の存在によっても、配線間の比誘電率εを低下
させることができる。ボイド103の大きさや形状は、
例えば、絶縁膜102をへき開して走査電子顕微鏡で観
察することにより確認できる。なお、図2において、導
電層104は配線または半導体基板のいずれでもよい。
製造方法によれば、Cu配線が形成される部分に、予め
犠牲膜(以下、ダミー配線とする。)を形成してからF
SG膜を形成し、ダミー配線を除去することにより配線
溝を形成する。これにより、埋め込み配線を形成する場
合にも、配線スペースに応じてFSG膜の比誘電率εを
変化させることが可能となる。
Cu配線部分の断面図である。図3(a)に示すよう
に、所定の素子等(不図示)が形成されたSi基板11
1上に、下地酸化膜112が形成されている。下地酸化
膜112上に配線層分離酸化膜113としてFSG膜が
形成されている。配線層分離酸化膜113に配線溝11
4が形成されている。配線溝114内には、TaN層1
15とCuシード層116を介してCu配線117が形
成されている。
線スペースA〜CではAが最も狭く、Cが最も広い。最
も狭い配線スペースAの比誘電率εが最も低く、比誘電
率εはB、Cの順に高くなる。これにより、狭い配線ス
ペースでの配線間容量が選択的に低減され、配線遅延が
抑制される。本実施形態の半導体装置によれば、FSG
膜全体でフッ素濃度を高くする必要がなく、FSG膜の
吸湿性の増加や、密着性の悪化が防止される。
成方法を説明する。まず、図3(b)に示すように、S
i基板111上に、例えばCVDにより下地酸化膜11
2を形成する。その上層に、ダミー配線となるAl層1
21を、例えばスパッタリングにより膜厚400nmで
形成する。Al層121の上層にTiN層122を、例
えばスパッタリングにより膜厚25nmで形成する。そ
の上層に、SiON層123を例えばCVDにより膜厚
30nmで形成する。
ためのエッチングマスクとなるレジストを、リソグラフ
ィ工程により形成する際に、反射防止膜として用いられ
る。反射防止膜を設けることにより、露光の際の反射光
あるいはそれらの干渉によるパターンの歪みやずれが防
止される。
N層123との密着性を改善する目的で設けられる。S
iON層123およびTiN層122は、リソグラフィ
工程においてパターンの形成を容易とし、またパターン
を高精度に形成する目的で設けられるが、必ずしも設け
る必要はない。
フィー技術によりSiON層123上にレジスト(不図
示)を形成し、レジストをマスクとしてSiON層12
3、TiN層122およびAl層121にドライエッチ
ングを行う。これにより、ダミー配線124が形成され
る。その後、レジストを除去する。
線124上にHDPにより配線層分離酸化膜113とし
て、FSG膜を形成する。このとき、配線間のFSG膜
の膜厚は、ダミー配線124の高さよりも大きくするこ
とが望ましい。本実施形態においては、FSG膜を膜厚
500nmで堆積させた。FSG膜の成膜条件は、圧力
を4mTorr、SiF4 流量を26sccm、SiH
4 流量を40sccm、O2 流量を120sccm、A
rガス流量を65sccm、ICPパワーを4000
W、バイアスパワーを2200Wとした。
行い、ダミー配線124上に形成されたFSG膜を除去
し、ダミー配線124の表面を露出させる。ダミー配線
124の表面が露出した時点でCMPを終了することに
より、平坦な表面が得られる。
線124を構成するSiON層123とTiN層122
を、プラズマエッチングにより除去する。このエッチン
グには、エッチングガスとして例えばCF4 とO2 を用
いる。さらに、ダミー配線124のAl層121を、リ
ン酸を用いたウェットエッチングにより除去する。以上
のようにしてダミー配線124を除去することにより、
配線層分離酸化膜113に配線溝114が形成される。
14内および配線層分離酸化膜113上に、バリアメタ
ル層となるTaN層115を、例えばスパッタリングに
より膜厚25nmで形成する。TaN層115上にCu
シード層116を、例えばスパッタリングにより膜厚1
00nmで形成する。Cuシード層116は、バリアメ
タル層とCu配線との密着性を高める目的で設けられ
る。
内を埋め込むように、配線層分離酸化膜113上にTa
N層115とCuシード層116を介してCuめっき層
125を形成する。Cuめっき層125は、例えば配線
層分離酸化膜113上での膜厚が1000nm程度とな
るように、厚く形成する。
を行い、配線溝114内にのみCuめっき層125、C
uシード層116およびTaN層115を残す。これに
より、Cuの埋め込み配線117が形成される。その
後、アニールを施してCuの埋め込み配線中の不純物を
除去したり、Cuのグレインサイズを大きくして、さら
に低抵抗化したりする。
酸化膜113として、最も広い配線スペースCでの比誘
電率εが3.7のFSG膜を用いたが、図1に示す実験
結果と同様に、配線スペースが狭くなるほど、配線間部
の比誘電率εは低下した。具体的には、配線スペース
0.35μmのとき、配線間部の比誘電率εは3.7で
あったが、配線スペース0.28μmのとき、比誘電率
εは3.5となった。さらに、配線スペースが0.24
μmに縮小されると、比誘電率εは3.4となり、配線
スペースが0.22μmに縮小されると、比誘電率εは
3.3となった。
ー配線124としてAlを使用したが、ダミー配線は必
ずしも金属である必要はない。下地酸化膜112に対し
て高いエッチング選択比で加工できる材料であれば、金
属以外の材料も使用できる。例えば、SOG(spin-on
glass)膜やカーボン膜等を用いてダミー配線を形成する
ことも可能である。
合、例えばフッ酸(HF)に対するSOG膜と下地酸化
膜112とのエッチング速度の比を利用して、SOG膜
を選択的に除去できる。あるいは、O2 プラズマ処理に
より下地酸化膜112に対してSOG膜のみ選択的に除
去することもできる。また、ダミー配線としてカーボン
膜を利用する場合、例えばO2 プラズマ処理により下地
酸化膜112に対してカーボン膜のみ選択的に除去でき
る。
は、ダミー配線を加工するためのレジストを除去する際
にアッシングを行うと、ダミー配線がO2 プラズマによ
り損傷を受けることがある。このような場合は、ダミー
配線が損傷を受けにくいようなアッシング条件を適宜選
択する。例えば、SOG膜を用いてダミー配線を形成し
た後、レジストを除去する場合は、アッシングを圧力1
50mTorr、O2ガス流量60sccm、RFパワ
ー500Wで行う。
配線117のバリアメタル層としてTaN層115を用
いるが、TaN以外にTa、TiN、WN等を用いるこ
ともできる。なお、上記の本実施形態においては、Si
基板111に形成された素子等とCu配線117とを接
続する接続孔は図示していないが、このような接続孔
は、ダミー配線124を形成する前に下地酸化膜112
に形成され、金属層(プラグ)で埋め込まれる。したが
って、ダミー配線124を形成する際には、接続孔内の
プラグは原則として露出している。
ば、ダミー配線124を除去する際に、ダミー配線12
4の下部に形成された接続孔内のプラグも除去される可
能性がある。それに対し、本実施形態の半導体装置の製
造方法によれば、ダミー配線124のみ選択的に除去さ
れ、下地に形成された接続孔内のプラグは除去されな
い。
Cu配線部分の断面図である。図7(a)に示すよう
に、所定の素子等(不図示)が形成されたSi基板11
1上に、下地酸化膜112が形成されている。下地酸化
膜112には、Si基板111上の素子等と上層のCu
配線117とを接続する接続孔131が形成されてい
る。接続孔131内には金属等の導体からなるプラグ1
32が形成されている。
介して配線層分離酸化膜113が形成されている。Si
N層133は、ダミー配線を除去する際のエッチングス
トッパー層として用いられる。配線層分離酸化膜113
としてはFSG膜が用いられる。配線層分離酸化膜11
3に配線溝114が形成されている。配線溝114内に
は、TaN層115とCuシード層を介してCu配線1
17が形成されている。
実施形態1と同様に、最も狭い配線スペースAの比誘電
率εが最も低く、比誘電率εはB、Cの順に高くなる。
これにより、狭い配線スペースでの配線間容量が選択的
に低減され、配線遅延が抑制される。本実施形態の半導
体装置によれば、FSG膜全体でフッ素濃度を高くする
必要がなく、FSG膜の吸湿性の増加や、密着性の悪化
が防止される。
成方法を説明する。まず、図7(b)に示すように、S
i基板111上に、例えばCVDにより下地酸化膜11
2を形成する。リソグラフィー技術により下地酸化膜1
12上にレジスト(不図示)を形成し、レジストをマス
クとして下地酸化膜112にドライエッチングを行う。
これにより、接続孔131が形成される。その後、レジ
ストを除去する。さらに、接続孔131内を埋め込むよ
うに、下地酸化膜112上に例えばタングステン等の金
属層を形成する。その後、例えばCMPを行って、接続
孔131内にプラグ132を形成する。プラグ132の
材料としてはCuやポリシリコン等を用いることもでき
る。
膜112上に、エッチングストッパー層となるSiN層
133を、例えばCVDにより膜厚50nmで形成す
る。SiN層133の上層に、ダミー配線となるAl層
121を、例えばスパッタリングにより膜厚400nm
で形成する。
例えばスパッタリングにより膜厚25nmで形成する。
その上層に、SiON層123を例えばCVDにより膜
厚30nmで形成する。実施形態1と同様に、SiON
層123は反射防止膜として用いられ、TiN層122
はAl層121とSiON層123との密着性を改善す
る目的で設けられる。
フィー技術によりSiON層123上にレジスト(不図
示)を形成し、レジストをマスクとしてSiON層12
3、TiN層122およびAl層121にドライエッチ
ングを行う。これにより、ダミー配線124が形成され
る。その後、レジストを除去する。
1と同様に、ダミー配線124上に配線層分離酸化膜1
13としてFSG膜を形成してから、CMPを行い、ダ
ミー配線124の表面を露出させる。FSG膜の膜厚や
成膜条件は、実施形態1と同様としてよい。
線124を構成するSiON層123、TiN層122
およびAl層121を、プラズマエッチングにより除去
する。このエッチングには、エッチングガスとして例え
ばCF4 とO2 を用いる。このとき、エッチングストッ
パー層としてSiN層133が形成されていることによ
り、接続孔131内のプラグ132はエッチングされな
い。
たSiN層133を、リン酸を用いたウェットエッチン
グにより除去する。このとき、SiN層133は下地の
プラグ132に対して十分に高いエッチング選択比でエ
ッチングされるため、プラグ132はエッチングされな
い。以上のようにして、配線層分離酸化膜113に配線
溝114が形成される。
態1と同様に、配線溝114内および配線層分離酸化膜
113上に、バリアメタル層となるTaN層115を、
例えばスパッタリングにより膜厚25nmで形成する。
続いて、TaN層115上にCuシード層116を、例
えばスパッタリングにより膜厚100nmで形成する。
内を埋め込むように、配線層分離酸化膜113上にTa
N層115とCuシード層116を介してCuめっき層
125を形成する。Cuめっき層125は、例えば配線
層分離酸化膜113上での膜厚が1000nm程度とな
るように、厚く形成する。
行い、配線溝114内にのみCuめっき層125、Cu
シード層116およびTaN層115を残す。これによ
り、Cuの埋め込み配線117が形成される。その後、
アニールを施してCuの埋め込み配線中の不純物を除去
したり、Cuのグレインサイズを大きくして、さらに低
抵抗化したりする。上記の本実施形態の半導体装置の製
造方法によれば、ダミー配線を除去する際に、下層のプ
ラグがエッチングにより損傷を受けるのを防止できる。
態の半導体装置のCu配線部分の断面図である。図11
(a)に示すように、所定の素子等(不図示)が形成さ
れたSi基板111上に、下地酸化膜112が形成され
ている。下地酸化膜112上に配線層分離酸化膜113
としてNSG(non-doped silicate glass)膜が形成さ
れている。配線層分離酸化膜113に配線溝114が形
成されている。配線溝114内には、TaN層115と
Cuシード層を介してCu配線117が形成されてい
る。
スペースに応じた大きさのボイド103が、配線層分離
酸化膜113に形成される。例えば、配線スペースAは
配線スペースBより狭いため、配線スペースAに形成さ
れるボイド103の方が大きい。一方、配線スペース
A、Bよりも広い配線スペースCでは、配線層分離酸化
膜113にボイドが形成されない。以上のように、配線
スペースが狭くなるほど、形成されるボイド103が大
きくなり、これに伴って配線層分離酸化膜113の比誘
電率εが低くなる。したがって、狭い配線スペースでの
配線間容量が低減され、配線遅延が抑制される。
形成方法を説明する。まず、実施形態1と同様に、図4
(c)に示すように、下地酸化膜112上にダミー配線
124を形成する。次に、図11(b)に示すように、
ダミー配線124上にHDPにより配線層分離酸化膜1
13として、NSG膜を形成する。
13としてFSG膜を使用することも可能であるが、一
般にFSG膜はNSG膜に比較すると埋め込み性が良好
であるため、ボイド103が発生しにくい。これは、F
SG膜を形成する場合、高密度プラズマ雰囲気でフッ素
ラジカルが生成し、フッ素ラジカルがエッチングに寄与
することと関係する。
成する際には、狭い配線スペースほど大きなボイド10
3が発生し、広い配線スペースにはボイドが形成されな
いように、成膜条件を設定する。ボイド103の上端
は、ダミー配線124の上端より低い位置となるように
する。また、ボイド103とダミー配線124の側面と
が接しないようにする。
24の高さよりも大きくすることが望ましい。本実施形
態においては、NSG膜を膜厚500nmで堆積させ
た。NSG膜の成膜条件は、圧力を10mTorr、S
iH4 流量を170sccm、O2 流量を300scc
m、Arガス流量を120sccm、ICPパワーを4
000W、バイアスパワーを2500Wとした。
μmの箇所で、断面が底辺0.1μm、高さ0.25μ
m程度の二等辺三角形状となるようなボイド103が形
成された。ボイド103の頂点(上端)は、ダミー配線
124の上端から0.1μm程度、低い位置となった。
を行い、ダミー配線124上に形成されたNSG膜を除
去し、ダミー配線124の表面を露出させる。ダミー配
線124の表面が露出した時点でCMPを終了すること
により、平坦な表面が得られる。
配線124を構成するSiON層123とTiN層12
2を、プラズマエッチングにより除去する。このエッチ
ングには、エッチングガスとして例えばCF4 とO2 を
用いる。さらに、ダミー配線124のAl層121を、
例えばリン酸を用いたウエットエッチングにより除去す
る。以上のようにしてダミー配線124を除去すること
により、配線層分離酸化膜113に配線溝114が形成
される。
態1と同様に、配線溝114内および配線層分離酸化膜
113上に、バリアメタル層となるTaN層115を、
例えばスパッタリングにより膜厚25nmで形成する。
続いて、TaN層115上にCuシード層116を、例
えばスパッタリングにより膜厚100nmで形成する。
内を埋め込むように、配線層分離酸化膜113上にTa
N層115とCuシード層116を介してCuめっき層
125を形成する。Cuめっき層125は、例えば配線
層分離酸化膜113上での膜厚が1000nm程度とな
るように、厚く形成する。
Pを行い、配線溝114内にのみCuめっき層125、
Cuシード層116およびTaN層115を残す。これ
により、Cuの埋め込み配線117が形成される。その
後、アニールを施してCuの埋め込み配線中の不純物を
除去したり、Cuのグレインサイズを大きくして、さら
に低抵抗化したりする。
の上端が、ダミー配線124の上端より高い位置となっ
た場合には、図12(c)に示す工程で、ダミー配線1
24が露出するまでNSG膜にCMPを行う工程で、ボ
イド103がNSG膜の表面に露出する。したがって、
配線溝114にCuめっき層125を埋め込む工程(図
13(e)参照)で、ボイド103内にも配線が埋め込
まれることになる。
側面とが接した場合は、ダミー配線124を除去する
と、ボイド103が配線溝114に接続する。したがっ
て、配線溝114にCuめっき層125を埋め込む工程
で、ボイド103内にも配線が埋め込まれ、配線が局所
的に太くなるという問題が起こる。
によっても、配線スペースに応じて配線層分離酸化膜1
13の比誘電率εを変化させ、狭い配線スペースでの配
線間容量を低減させることができる。例えば、配線層分
離酸化膜113として、ボイドのない広い配線スペース
C(配線スペース0.4μm)での比誘電率εが4.3
であるNSG膜を用いた場合には、最も狭い配線スペー
スA(配線スペース0.2μm)での比誘電率εが3.
2となった。これにより、狭い配線スペースでの配線間
容量が低減され、配線遅延が抑制される。
いては、配線溝114内にのみCu配線117が形成さ
れ、下地酸化膜112の接続孔131内には、Cu配線
117とは別にプラグ132が形成される。それに対
し、本実施形態においては、下地酸化膜112の接続孔
131と上層の配線溝114内に、同一の工程で埋め込
み配線を形成する。
のCu配線部分の断面図である。図14(a)に示すよ
うに、所定の素子等(不図示)が形成されたSi基板1
11上に、下地酸化膜112が形成されている。下地酸
化膜112には、Si基板111上の素子等と上層のC
u配線117とを接続する接続孔131が形成されてい
る。
13としてFSG膜が形成されている。配線層分離酸化
膜113に配線溝114が形成されている。配線溝11
4およびそれに接続する接続孔131内に、TaN層1
15とCuシード層を介してCu配線117が形成され
ている。
も、実施形態1と同様に、最も狭い配線スペースAの比
誘電率εが最も低く、比誘電率εはB、Cの順に高くな
る。これにより、狭い配線スペースでの配線間容量が選
択的に低減され、配線遅延が抑制される。本実施形態の
半導体装置によれば、FSG膜全体でフッ素濃度を高く
する必要がなく、FSG膜の吸湿性の増加や、密着性の
悪化が防止される。
形成方法を説明する。まず、図14(b)に示すよう
に、Si基板111上に、例えばCVDにより下地酸化
膜112を形成する。リソグラフィー技術により下地酸
化膜112上にレジスト(不図示)を形成し、レジスト
をマスクとして下地酸化膜112にドライエッチングを
行う。これにより、接続孔131が形成される。その
後、レジストを除去する。
化膜112上にダミー配線となるSOG膜141を形成
する。SOG膜141は所望のCu配線117の高さと
同等の膜厚で形成する。本実施形態においては、下地酸
化膜112上でのSOG膜141の膜厚が450nmと
なるように、シリケートガラスを塗布した。
ラフィー技術によりSOG膜141上にレジスト(不図
示)を形成し、レジストをマスクとしてSOG膜141
にドライエッチングを行う。これにより、ダミー配線1
24が形成される。その後、レジストを除去する。アッ
シングによりレジストを除去する場合、前述したよう
に、O2 プラズマによりダミー配線が損傷を受けるのを
防ぐため、アッシング条件を適宜選択する。
配線124上に配線層分離酸化膜113としてFSG膜
を、例えば膜厚500nmで形成する。FSG膜の膜厚
や成膜条件は、実施形態1と同様としてよい。
を行い、ダミー配線124上に形成されたFSG膜を除
去し、ダミー配線124の表面を露出させる。ダミー配
線124の表面が露出した時点でCMPを終了すること
により、平坦な表面が得られる。CMPの後処理として
HFを用いた洗浄を行うと、ダミー配線124であるS
OG膜がある程度エッチングされるが、続く工程でダミ
ー配線124を除去するため、問題はない。
配線124であるSOG膜を、HFを用いたウェットエ
ッチングにより除去する。これにより、接続孔131に
接続する配線溝114が形成される。このウェットエッ
チングにおいて、FSG膜からなる配線層分離酸化膜1
13と下地酸化膜112もわずかにエッチングされる
が、これらの部分でのエッチング速度は、SOG膜にお
けるエッチング速度に比較して十分に小さい。したがっ
て、エッチング時間を適切に制限すれば、配線層分離酸
化膜113と下地酸化膜112のエッチング量を最小限
に抑え、配線溝114や接続孔131が広がるのを防止
することができる。
114内、接続孔131内および配線層分離酸化膜11
3上に、バリアメタル層となるTaN層115を、例え
ばスパッタリングにより膜厚25nmで形成する。続い
て、TaN層115上にCuシード層116を、例えば
スパッタリングにより膜厚100nmで形成する。
内および接続孔131内を埋め込むように、配線層分離
酸化膜113上にTaN層115とCuシード層116
を介してCuめっき層125を形成する。Cuめっき層
125は、例えば配線層分離酸化膜113上での膜厚が
1000nm程度となるように、厚く形成する。
層分離酸化膜113が露出するまでCMPを行い、配線
溝114内および接続孔131内にのみCuめっき層1
25、Cuシード層116およびTaN層115を残
す。これにより、Cuの埋め込み配線117が形成され
る。その後、アニールを施してCuの埋め込み配線中の
不純物を除去したり、Cuのグレインサイズを大きくし
て、さらに低抵抗化したりする。
によれば、実施形態1および2と同様に、ダミー配線1
24を形成することにより、相対的に狭い配線スペース
で配線層分離酸化膜113の比誘電率εを下げ、配線間
容量を低減して、配線遅延を抑制することができる。
配線としてSOG膜のかわりにAl層を用いることもで
きる。Al層を用いた場合、ステップカバレージが不足
して接続孔131内を埋め込むことはできないが、ダミ
ー配線は除去され、接続孔131内は最終的にCu配線
117によって埋め込まれるため問題はない。
合に、ダミー配線を加工するためのリソグラフィ工程で
合わせずれが起こると、接続孔131上の一部でAl層
がエッチングされる可能性がある。この場合、接続孔1
31が露出し、接続孔131がエッチングにより損傷を
受ける可能性がある。
G膜で埋め込んでから、その上層にダミー配線となるA
l層を形成してもよい。これにより、接続孔131がエ
ッチングの間、保護される。接続孔131内のSOG膜
は、配線溝114内および接続孔131内に埋め込み配
線を形成する前に、例えばHFを用いて除去すればよ
い。
れば、配線スペースの狭い箇所で選択的に絶縁膜の比誘
電率εが低くなり、配線間容量が低減される。したがっ
て、配線遅延が抑制され、半導体装置が高速化される。
上記の本発明の実施形態の半導体装置の製造方法によれ
ば、層間絶縁膜の吸湿性の増加や密着性の悪化を防止し
ながら、配線スペースの狭い箇所の絶縁膜を選択的に低
誘電率化することができる。
実施形態は、上記の説明に限定されない。例えば、上記
の実施形態においては、Si基板111上に単層のCu
配線117が形成される例を示したが、Si基板111
は、Si基板111上に形成された配線層に置き換える
こともできる。また、上記の実施形態のプロセスを繰り
返すことにより、多層の埋め込み配線を形成することも
できる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々の変更が可能である。
吸湿性の増加や密着性の悪化が防止されながら、配線間
の絶縁膜が低誘電率化され、配線遅延が抑制される。本
発明の半導体装置の製造方法によれば、配線スペースの
狭い部分で配線間容量を低減させることが可能となる。
配線間にFSG膜を形成した場合の配線スペースと配線
容量との関係を示す図である。
るボイドを表す模式図である。
装置の配線部分の断面図であり、図3(b)は本発明の
実施形態1に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。
に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図で
ある。
に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図で
ある。
装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
装置の配線部分の断面図であり、図7(b)は本発明の
実施形態2に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。
に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図で
ある。
に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図で
ある。
態2に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面
図である。
導体装置の配線部分の断面図であり、図11(b)は本
発明の実施形態3に係る半導体装置の製造方法の製造工
程を示す断面図である。
態3に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面
図である。
導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
導体装置の配線部分の断面図であり、図14(b)は本
発明の実施形態4に係る半導体装置の製造方法の製造工
程を示す断面図である。
態4に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面
図である。
態4に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面
図である。
態4に係る半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面
図である。
置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
4…導電層、111…Si基板、112…下地酸化膜、
113…配線層分離酸化膜、114…配線溝、115…
TaN層、116…Cuシード層、117…Cu配線、
121…Al層、122…TiN層、123…SiON
層、124…ダミー配線、125…Cuめっき層、13
1…接続孔、132…プラグ、133…SiN層、14
1…SOG膜、201…Si基板、202…下地酸化
膜、203…SiN層、204…配線層分離酸化膜、2
05…配線溝、206…TaN層、207…Cuシード
層、208…Cuめっき層、209…Cu配線。
Claims (17)
- 【請求項1】第1の導電層と、 前記第1の導電層上に形成された第1の絶縁膜と、 前記第1の絶縁膜上に形成された第2の絶縁膜と、 前記第2の絶縁膜に配線パターンで形成された、前記第
1の絶縁膜に達する配線溝と、 前記配線溝に埋め込まれた配線と、 前記第1の導電層と前記配線とを接続するように、前記
第1の絶縁膜に形成された接続孔とを有する半導体装置
であって、 隣接する前記配線間の間隔が相対的に狭い部分の前記第
2の絶縁膜は、前記間隔が相対的に広い部分の前記第2
の絶縁膜に比較して低誘電率である半導体装置。 - 【請求項2】前記第2の絶縁膜はフッ素を含有するシリ
コン酸化膜であり、前記間隔が相対的に狭い部分の前記
第2の絶縁膜は、前記間隔が相対的に広い部分の前記第
2の絶縁膜に比較して、フッ素を高濃度で含有する請求
項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】前記間隔が相対的に狭い部分の前記第2の
絶縁膜は、前記配線に接しない第1の空隙を有する請求
項1記載の半導体装置。 - 【請求項4】前記間隔が相対的に広い部分の前記第2の
絶縁膜は、前記第1の空隙より小さく、かつ前記配線に
接しない第2の空隙を有する請求項3記載の半導体装
置。 - 【請求項5】前記間隔が相対的に広い部分の前記第2の
絶縁膜は、空隙をもたない請求項3記載の半導体装置。 - 【請求項6】前記配線溝と前記配線との間に、前記第1
の絶縁膜および前記第2の絶縁膜の少なくとも一方と前
記配線との反応を防止するバリアメタル層をさらに有す
る請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項7】前記第1の導電層は半導体基板の一部を含
む請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項8】前記第1の導電層上に第1の絶縁膜を形成
する工程と、 前記第1の絶縁膜に、前記第1の導電層に達する孔を形
成する工程と、 前記第1の絶縁膜上の一部と前記孔上に、配線パターン
で犠牲膜を形成する工程と、 前記犠牲膜を被覆する第2の絶縁膜を形成する工程であ
って、隣接する前記犠牲膜間の間隔が相対的に狭い部分
で、前記間隔が相対的に広い部分に比較して、低誘電率
となるような前記第2の絶縁膜を形成する工程と、 前記犠牲膜上の前記第2絶縁膜を除去する工程と、 前記犠牲膜を除去し、前記第2の絶縁膜に配線溝を形成
する工程と、 前記配線溝内に配線を形成する工程とを有する半導体装
置の製造方法。 - 【請求項9】前記第2の絶縁膜を形成する工程は、化学
気相成長によりフッ素を含有するシリコン酸化膜を形成
する工程を含み、 前記間隔が相対的に狭い部分で、前記間隔が相対的に広
い部分に比較して、前記第2の絶縁膜にフッ素を高濃度
で含有させる請求項8記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】前記第2の絶縁膜を形成する工程におい
て、前記間隔が相対的に狭い部分の前記第2の絶縁膜
に、前記犠牲膜に接しない第1の空隙を形成する請求項
8記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項11】前記第2の絶縁膜を形成する工程におい
て、前記間隔が相対的に広い部分の前記第2の絶縁膜
に、前記第1の空隙より小さく、かつ前記犠牲膜に接し
ない第2の空隙を形成する請求項10記載の半導体装置
の製造方法。 - 【請求項12】前記第2の絶縁膜を形成する工程におい
て、前記間隔が相対的に広い部分の前記第2の絶縁膜
に、空隙を形成しない請求項10記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項13】前記犠牲膜を形成する前に、前記孔内に
導電体からなるプラグを形成する工程をさらに有し、 前記配線を、前記プラグに電気的に接続するように形成
する請求項8記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項14】前記配線を形成する工程は、前記配線溝
内を埋め込むように、前記第2の絶縁膜上に配線材料層
を形成する工程と、 前記第2の絶縁膜が露出するまで、前記配線材料層の表
面に化学的機械研磨を行う工程とを含む請求項8記載の
半導体装置の製造方法。 - 【請求項15】前記配線材料層を形成する工程におい
て、前記配線溝を介して前記孔内にも配線材料を埋め込
む請求項14記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項16】前記配線材料層を形成する工程は、電解
めっき工程を含む請求項14記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項17】前記第1の絶縁膜を形成後、前記犠牲膜
を形成する前に、前記第1の絶縁膜と前記犠牲膜との層
間に、前記犠牲膜に対してエッチング速度を十分に遅く
することが可能であるエッチングストッパー層を形成す
る工程をさらに有する請求項8記載の半導体装置の製造
方法。
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
JP2013026318A (ja) * | 2011-07-19 | 2013-02-04 | Fujitsu Ltd | 半導体装置の製造方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2001085517A (ja) * | 1999-09-13 | 2001-03-30 | Sony Corp | 半導体装置およびその製造方法 |
US6214719B1 (en) * | 1999-09-30 | 2001-04-10 | Novellus Systems, Inc. | Method of implementing air-gap technology for low capacitance ILD in the damascene scheme |
-
2001
- 2001-08-24 JP JP2001254459A patent/JP4967207B2/ja not_active Expired - Fee Related
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