JP2005203806A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配線間容量を低減することができ、しかも機械的強度に優れた半導体装置を得る。
【解決手段】 同一配線層内に空洞領域１１０と絶縁膜１０５からなる領域とが設けられており、同一配線層において配線間隔が一定以下の領域では配線１０８間の領域全体が空洞領域であり、該空洞領域は単一の絶縁膜１０９で塞がれている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置、特にその配線技術に関するものである。

近年、コンピュータや通信機器の重要部分には大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されており、このＬＳＩ単体の性能向上が機器全体の高性能化を達成するキーポイントとなっている。ＬＳＩ単体の性能を向上させるためには、集積度を高めること、つまり素子を微細化することが重要である。

しかし、素子の微細化が極端に進むと、配線間の容量及び配線抵抗が増大するため、ＬＳＩの性能（高速動作など）を向上させることが容易ではなくなる。従って、マイクロプロセッサなどの高速動作が要求されるＬＳＩの性能を向上させるためには、集積回路の内部配線の寄生抵抗及び寄生容量を減少させることが不可欠である。

内部配線の寄生抵抗の減少は、抵抗率が低い材料を用いて内部配線を構成することにより達成できる。現在では、アルミニウム合金に比べて抵抗率が３０％以上低い銅を内部配線に用いることが一部で実用化されている。

一方、内部配線の寄生容量としては、次の二つがあげられる。第１は、同一の配線層（配線レベル）に存在する配線間に生じる容量、すなわち左右の配線間に生じる容量である。この容量は、配線間の間隔を広げること或いは配線の厚さを減らすことにより減少させることが可能である。第２は、異なる配線層に存在する配線間に生じる容量、すなわち上下の配線間に生じる容量である。この容量は、下側の配線上に形成される層間絶縁膜の厚さを増すことにより減少させることが可能である。

しかし、配線間隔を広げると素子の集積度を低下させることになり、配線の厚さを減らすと配線抵抗が増大することになる。また、層間絶縁膜の厚さを増すことも多層配線においては総膜厚の増大につながる。

現在では、内部配線の寄生容量を減少させるために、比誘電率の低い絶縁膜を使用することが行われている。例えば、フッ素を含むプラズマＴＥＯＳ膜は比誘電率が約３．３であり、フッ素を含まないＴＥＯＳ膜に比べて比誘電率を約１５％減少させることができる。しかし、集積度の向上に伴い、低誘電率の絶縁膜を用いてもＬＳＩの性能向上を十分に達成できなくなってきている。

そこで、近年、同一配線層（配線レイヤ）に存在する配線間の領域を空洞にすることで、配線間の寄生容量を低減する試みがなされている。この技術は、予め配線間にカーボン膜を充填しておき、このカーボン膜を配線間を橋渡しする絶縁膜を通してガス化することにより、配線間を空洞にするものである。

しかし、上述した同一配線層に存在する配線間の領域を空洞化する技術では、次のような問題が生じる。第１は、配線間隔の広い領域を橋渡しする支え用の絶縁膜がたわみ、上層側の配線がショートする等の問題である。この問題は、カーボン膜をガス化した後、支え用の絶縁膜の強度が弱くなり、自重や上層側の膜の重さに耐えられくなるという、機械的強度の低下に起因する。第２は、配線以外の領域全てを空洞にすることにより、チップに切り出した際に周辺の保護がなされないという問題である。

また、異なる配線層間に存在する層間領域を空洞化する場合にも、空洞化することによって機械的強度が低下するという問題が生じる。

このように、集積回路内の配線間容量を低減するために、配線間の領域を空洞にするという提案がなされているが、空洞化することによって機械的強度が低下するという問題があった。

本発明は、上記従来の課題に対してなされたものであり、配線間容量を低減することができ、しかも機械的強度に優れた半導体装置を提供することを目的としている。

本発明に係る半導体装置は、同一配線層内に空洞領域と絶縁膜からなる領域とが設けられており、前記同一配線層において配線間隔が一定以下の領域では配線間の領域全体が空洞領域であり、該空洞領域は単一の絶縁膜で塞がれていることを特徴とする。

本発明によれば、同一配線層（配線レイヤ）に形成された配線間に空洞領域と絶縁膜からなる領域とが設けられているので、空洞領域によって配線間容量を低減することができるとともに、絶縁膜からなる領域によって機械的強度を確保することができる。特に、配線間容量が問題となる配線間隔の狭い領域では空洞領域を主体とし、機械的強度が問題となる配線間隔の広い領域では絶縁膜からなる領域を主体とすることにより、配線間容量の低減と機械的強度の向上を効果的に達成することができる。

前記発明において、前記空洞領域は、同一配線層に形成された互いに隣接する配線間の領域のうち少なくとも配線に近い側の領域に設けられていることが好ましい。これは、互いに隣接する配線間の領域において、該領域の全体が空洞領域であっても一部が空洞領域であってもよいことを意味する。具体的には、配線間隔が一定以下の領域では配線間の領域全体を空洞領域とし、配線間隔が一定以上の領域では配線横の領域を空洞領域としてそれ以外の領域を絶縁膜からなる領域とする、といった態様があげられる。

なお、前記発明において、空洞領域の内部には、少なくとも酸素と二酸化炭素を含む混合ガス或いは空気が満たされていることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の主面側の配線層に配線を形成するとともに配線間の領域に絶縁膜及び空洞形成用材料膜を形成する工程と、前記空洞形成用材料膜を選択的に除去して空洞領域を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の具体的な方法としては、以下の態様があげられる。

半導体基板の主面側の配線層に空洞形成用材料膜を形成する工程と、前記空洞形成用材料膜の絶縁膜充填用領域を除去する工程と、この除去された領域に充填用絶縁膜を形成する工程と、前記空洞形成用材料膜の絶縁膜非充填用領域の一部を除去して配線溝を形成する工程と、この配線溝に配線材料を充填して配線を形成する工程と、前記配線、充填用絶縁膜及び空洞形成用材料膜が形成された配線層上に支え用絶縁膜を形成する工程と、この支え用絶縁膜を形成する工程の後に空洞形成用材料膜を除去して空洞領域を形成する工程とを有する。

半導体基板の主面側の配線層に空洞形成用材料膜を形成する工程と、前記空洞形成用材料膜の絶縁膜非充填用領域の一部を除去して配線溝を形成する工程と、この配線溝に配線材料を充填して配線を形成する工程と、前記空洞形成用材料膜の絶縁膜充填用領域を除去する工程と、この除去された領域に充填用絶縁膜を形成する工程と、前記配線、充填用絶縁膜及び空洞形成用材料膜が形成された配線層上に支え用絶縁膜を形成する工程と、この支え用絶縁膜を形成する工程の後に空洞形成用材料膜を除去して空洞領域を形成する工程とを有する。

なお、前記発明において、空洞形成用材料膜は、酸化によってガス化する材料を用いて形成されることが好ましく、また、配線に用いる配線材料を成膜する際の温度で固体であることが好ましい。

また、前記発明において、空洞形成用材料膜は炭素膜であり、この炭素膜を灰化除去することにより、空洞領域内に少なくとも酸素と二酸化炭素を含む混合ガスを充填させることが好ましい。

また、前記発明の各態様において、絶縁膜非充填用領域のパターンは配線溝のパターンを太らせたパターンであることが好ましい。この場合、第１の方法として、空洞形成用材料膜の絶縁膜充填用領域を除去する工程で用いるフォトマスクの絶縁膜非充填用領域に対応するパターンに、配線溝を形成する工程で用いるフォトマスクの配線溝に対応するパターンを太らせたものを用いる方法があげられる。また、第２の方法として、空洞形成用材料膜の絶縁膜充填用領域を除去する工程で用いるフォトマスクに、配線溝を形成する工程で用いるフォトマスクを用い、このフォトマスクを用いてレジストにパターンを転写する際にオーバー露光となる条件で露光を行う方法があげられる。

本発明に係る半導体装置は、異なる配線層間に、空洞領域と絶縁膜からなる領域とが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、異なる配線層（配線レイヤ）間に空洞領域と絶縁膜からなる領域とが設けられているので、空洞領域によって異なる配線層間の配線間容量を低減することができるとともに、絶縁膜からなる領域によって機械的強度を確保することができる。

前記発明において、前記空洞領域は、異なる配線層に形成された対向する配線間に対応する領域に設けられていることが好ましい。このように、配線間容量が問題となる対向する配線間に対応する領域では空洞領域を主体とし、それ以外の領域では絶縁膜からなる領域を主体とすることにより、配線間容量の低減と機械的強度の向上を効果的に達成することができる。

なお、前記発明において、空洞領域の内部には、少なくとも酸素と二酸化炭素を含む混合ガス或いは空気が満たされていることが好ましい。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の主面側の第１の配線層に第１の配線を形成する工程と、前記第１の配線が形成された層の上層側に絶縁膜及び空洞形成用材料膜を形成する工程と、少なくとも前記絶縁膜が形成された層の上層側の第２の配線層に第２の配線を形成する工程と、前記第２の配線を形成する工程の前又は後に前記空洞形成用材料膜を選択的に除去して空洞領域を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の具体的な方法としては、以下の態様があげられる。

半導体基板の主面側の第１の配線層に第１の配線を形成する工程と、第１の配線が形成された層上に第１の支え用絶縁膜を形成する工程と、第１の支え用絶縁膜上に第１の空洞形成用材料膜を形成する工程と、第１の空洞形成用材料膜の絶縁膜充填用領域を除去する工程と、この除去された領域に第１の充填用絶縁膜を形成する工程と、第１の空洞形成用材料膜の絶縁膜非充填用領域の一部を除去して接続孔を形成する工程と、この接続孔に導電材料を充填して接続用導電部を形成する工程と、前記接続用導電部、充填用絶縁膜及び空洞形成用材料膜が形成された層上の第２の配線層に前記接続用導電部に接続される第２の配線を形成するとともに第２の配線間の領域に第２の充填用絶縁膜及び第２の空洞形成用材料膜を形成する工程と、第２の配線が形成された層上に第２の支え用絶縁膜を形成する工程と、第１及び第２の空洞形成用材料膜を同時に除去して第１及び第２の空洞領域を形成する工程とを有する。

半導体基板の主面側の第１の配線層に第１の配線を形成する工程と、第１の配線が形成された層上に第１の支え用絶縁膜を形成する工程と、第１の支え用絶縁膜上に第１の空洞形成用材料膜を形成する工程と、第１の空洞形成用材料膜の絶縁膜充填用領域を除去する工程と、この除去された領域に第１の充填用絶縁膜を形成する工程と、第１の空洞形成用材料膜の絶縁膜非充填用領域の一部を除去して接続孔を形成する工程と、この接続孔に導電材料を充填して接続用導電部を形成する工程と、前記接続用導電部、充填用絶縁膜及び空洞形成用材料膜が形成された層上に第２の支え用絶縁膜を形成する工程と、第１の空洞形成用材料膜を除去して第１の空洞領域を形成する工程と、第２の支え用絶縁膜上の第２の配線層に前記接続用導電部に接続される第２の配線を形成するとともに第２の配線間の領域に第２の充填用絶縁膜及び第２の空洞形成用材料膜を形成する工程と、第２の配線が形成された層上に第３の支え用絶縁膜を形成する工程と、第２の空洞形成用材料膜を除去して第２の空洞領域を形成する工程とを有する。

なお、前記発明において、空洞形成用材料膜は、酸化によってガス化する材料を用いて形成されることが好ましく、また、接続用導電材料を成膜する際の温度で固体であることが好ましい。

また、前記発明において、空洞形成用材料膜は炭素膜であり、この炭素膜を灰化除去することにより、空洞領域内に少なくとも酸素と二酸化炭素を含む混合ガスを充填させることが好ましい。

また、前記発明の各態様において、絶縁膜非充填用領域は第１の配線と第２の配線が対向する（重なる）領域に対応する領域であることが好ましい。この場合、第１の空洞形成用材料膜の絶縁膜充填用領域を除去する工程で用いるフォトマスクの絶縁膜非充填用領域に対応するパターンとして、第１の配線を形成するために用いるフォトマスクの第１の配線に対応するパターンと、第２の配線を形成するために用いるフォトマスクの第２の配線に対応するパターンとの重なる部分に対応したパターンを用いることが好ましい。

本発明によれば、同一配線層内に空洞領域と絶縁膜からなる領域とが設けられているので、空洞領域によって配線間容量を低減することができるとともに、絶縁膜からなる領域によって機械的強度を確保することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１（ａ）〜（ｆ）に示した工程断面図を参照して説明する。本実施形態は、多層配線構造における同一配線層内の配線間の領域を、空洞領域と絶縁膜が形成された領域によって構成するものである。なお、図では、素子分離及びＭＯＳＦＥＴの形成工程等は省略し、主として多層金属配線の形成に係る工程について示している。

まず、図１（ａ）に示すように、素子分離及びＭＯＳＦＥＴ等が形成された半導体基板（シリコン基板等）１０１の主面側に、絶縁分離膜１０２を堆積し、さらに後の工程で気化させるカーボン膜１０３を堆積する。続いて、カーボン膜１０３上にレジストを塗布した後、領域１０４ａにはレジスト１０４を残し、それ以外の領域１０４ｂにはレジスト１０４が残らないようにパターニングする。このときのレジスト１０４のパターニングは、配線パターンを０．３μｍ太らせるようにデータ加工したフォトマスクを用いて行うようにする。これにより、隣接する配線間の間隔が０．６μｍ以下となる領域では、配線に対応するパターン間がつながったようなレジストパターンが形成される。

次に、図１（ｂ）に示すように、レジストパターン１０４をマスクとして、ドライエッチング等によりカーボン膜１０３を加工する。このとき、レジスト１０４をマスクとして加工する方法以外にも、レジストパターンをハードマスクに転写しておき、ハードマスクをマスクとしてドライエッチング加工してもカーボン膜１０３を同様に加工することができる。レジスト１０４を除去した後、基板全面にＳＯＧ膜１０５を塗布する。

次に、図１（ｃ）に示すように、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）を行い、カーボン膜１０３上のＳＯＧ膜１０５を除去するとともに、カーボン膜１０３間のＳＯＧ膜１０５をカーボン膜１０３と同じ高さになるように平坦化する。続いて、レジスト１０６を塗布した後、配線パターン形成用のフォトマスクを用いてレジスト１０６をパターニングし、配線溝に対応した溝パターン１０７を形成する。

次に、図１（ｄ）に示すように、レジスト１０６をマスクとして、ドライエッチングによりカーボン膜１０３に配線溝を形成する。配線溝を形成した後、レジストを除去し、基板全面に配線金属となるアルミニウム−銅合金膜１０８を堆積する。

次に、図１（ｅ）に示すように、ＣＭＰによる平坦化を行う。すなわち、配線溝以外のアルミニウム−銅合金膜１０８をＣＭＰによって除去し、配線溝内のみにアルミニウム−銅合金膜１０８を残置させる。その後、支えとなる支え絶縁膜１０９を基板全面に堆積する。ここでは、支え絶縁膜１０９として塗布型の無機ＳＯＧ膜を用いる。

次に、図１（ｆ）に示すように、酸素アニールによりカーボン膜１０３をアッシング除去して空洞１１０を形成する。アニールは、４００℃で１２０分、酸素雰囲気で行う。空洞１１０内には、酸素と二酸化炭素を主成分とする混合ガスが満たされることになる。本工程により、アルミニウム−銅合金膜１０８からなる配線横の領域には幅０．３μｍの空洞１１０が形成される。また、隣接する配線間の間隔が０．６μｍ以下となる領域ではＳＯＧ膜１０５のない空洞１１０のみが形成される。

以上の工程により、配線間容量が問題となる配線間隔の狭い領域では主として空洞によって配線間が分離され、配線間隔の広い領域では主として絶縁膜によって配線間が分離されることになる。したがって、配線間隔が狭い（特に０．２μｍ以下）領域を有する集積回路に適用することにより、配線間容量を大幅に低減することが可能となり、また配線間隔の広い領域での機械的強度を増すことが可能となる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態も、多層配線構造における同一配線層内の配線間の領域を、空洞領域と絶縁膜が形成された領域によって構成するものである。なお、図面については第１の実施形態で用いたものを使用することができるため、図１（ａ）〜（ｆ）を参照して本実施形態の製造工程を説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、素子分離及びＭＯＳＦＥＴ等が形成された半導体基板（シリコン基板等）１０１の主面側に、絶縁分離膜１０２を堆積し、さらに後の工程で気化させるカーボン膜１０３を堆積する。続いて、カーボン膜１０３上にレジストを塗布した後、領域１０４ａにはレジスト１０４を残し、それ以外の領域１０４ｂにはレジスト１０４が残らないようにパターニングする。このときのレジスト１０４のパターニングは、配線パターン形成用のフォトマスクを用いて、配線パターンを形成するときとは反対のタイプのフォトレジストを用いて行う。本実施形態では、配線パターンの形成にはポジ型のレジストを用いるため、本工程ではネガ型のレジストを用いる。そして、通常の露光量よりも多い露光量でレジスト１０４をオーバー露光することで、隣接する配線間の間隔が狭い領域では、配線に対応するパターン間がつながったようなレジストパターンが形成される。露光量を調整することによりオーバー露光される領域の幅を調整することも可能である。

以後の図１（ｂ）〜（ｆ）の工程は、第１の実施形態と同様であり、ここではこれらの工程についての説明は省略する。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様、配線間容量が問題となる配線間隔の狭い領域では主として空洞によって配線間が分離され、配線間隔の広い領域では主として絶縁膜によって配線間が分離されることになる。また、本実施形態では、工程（ａ）でレジストパターン１０４を形成する際に、第１の実施形態とは異なり、配線パターン形成用のマスクをそのまま用いることができるという利点がある。

（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施形態について、図２（ａ）〜（ｆ）に示した工程断面図を参照して説明する。本実施形態も、多層配線構造における同一配線層内の配線間の領域を、空洞領域と絶縁膜が形成された領域によって構成するものである。なお、図では、素子分離及びＭＯＳＦＥＴの形成工程等は省略し、主として多層金属配線の形成に係る工程について示している。

まず、図２（ａ）に示すように、素子分離及びＭＯＳＦＥＴ等が形成された半導体基板（シリコン基板等）２０１の主面側に、絶縁分離膜２０２を堆積し、さらに後の工程で気化させるカーボン膜２０３を堆積する。続いて、レジスト２０４を塗布した後、配線パターン形成用のマスクを用いてレジスト２０４をパターニングし、配線溝に対応した溝パターン２０５を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、レジスト２０４をマスクとして、ドライエッチングによりカーボン膜２０３に配線溝を形成する。配線溝を形成した後、レジストを除去し、基板全面に配線金属となるアルミニウム−銅合金膜２０６を堆積する。

次に、図２（ｃ）に示すように、ＣＭＰによる平坦化を行う。すなわち、配線溝以外のアルミニウム−銅合金膜２０６をＣＭＰによって除去し、配線溝内のみにアルミニウム−銅合金２０６を残置させる。続いて、レジストを塗布した後、領域２０７ａにはレジスト２０７を残し、それ以外の領域２０７ｂにはレジスト２０７が残らないようにパターニングする。このときのレジスト２０７のパターニングは、配線パターンを０．３μｍ太らせるようにデータ加工したフォトマスクを用いて行うようにする。これにより、隣接する配線間の間隔が０．６μｍ以下となる領域では、配線に対応するパターン間がつながったようなレジストパターンが形成される。

次に、図２（ｄ）に示すように、レジストパターン２０７をマスクとして、ドライエッチング等によりカーボン膜２０３を加工する。このとき、レジスト２０７をマスクとして加工する方法以外にも、レジストパターンをハードマスクに転写しておき、ハードマスクをマスクとしてドライエッチング加工してもカーボン膜２０３を同様に加工することができる。レジスト２０７を除去した後、基板全面にＳＯＧ膜２０８を塗布する。

次に、図２（ｅ）に示すように、ＣＭＰを行い、カーボン膜２０３上及びアルミニウム−銅合金膜２０６上のＳＯＧ膜２０８を除去するとともに、カーボン膜２０３間のＳＯＧ膜２０８をカーボン膜２０３と同じ高さになるように平坦化する。その後、支え絶縁膜２０９を基板全面に堆積する。ここでは、支え絶縁膜２０９として塗布型の無機ＳＯＧ膜を用いる。

次に、図２（ｆ）に示すように、酸素アニールによりカーボン膜２０３をアッシング除去して空洞２１０を形成する。アニールは、４００℃で１２０分、酸素雰囲気で行う。空洞２１０内には、酸素と二酸化炭素を主成分とする混合ガスが満たされることになる。本工程により、アルミニウム−銅合金膜２０６からなる配線横の領域には幅０．３μｍの空洞２１０が形成される。また、隣接する配線間の間隔が０．６μｍ以下となる領域ではＳＯＧ膜２０８のない空洞２１０のみが形成される。

以上の工程により、配線間容量が問題となる配線間隔の狭い領域では主として空洞によって配線間が分離され、配線間隔の広い領域では主として絶縁膜によって配線間が分離されることになる。

（実施形態４）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態も、多層配線構造における同一配線層内の配線間の領域を、空洞領域と絶縁膜が形成された領域によって構成するものである。なお、図面については第３の実施形態で用いたものを使用することができるため、図２（ａ）〜（ｆ）を参照して本実施形態の製造工程を説明する。

図２（ａ）〜（ｂ）の工程は、第３の実施形態と同様であり、ここではこれらの工程についての説明は省略する。

図２（ｂ）の工程の後、図２（ｃ）に示すように、ＣＭＰによる平坦化を行う。すなわち、配線溝以外のアルミニウム−銅合金膜２０６をＣＭＰによって除去し、配線溝内のみにアルミニウム−銅合金膜２０６を残置させる。続いて、レジストを塗布した後、領域２０７ａにはレジスト２０７を残し、それ以外の領域２０７ｂにはレジスト２０７が残らないようにパターニングする。このときのレジスト２０７パターニングは、配線パターン形成用のフォトマスクを用いて、配線パターンを形成するときとは反対のタイプのフォトレジストを用いて行う。本実施形態では、配線パターンの形成にはポジ型のレジストを用いるため、本工程ではネガ型のレジストを用いる。そして、通常の露光量よりも多い露光量でレジスト２０７をオーバー露光することで、隣接する配線間の間隔が狭い領域では、配線に対応するパターン間がつながったようなレジストパターンが形成される。露光量を調整することによりオーバー露光される領域の幅を調整することも可能である。

以後の図２（ｄ）〜（ｆ）の工程は、第３の実施形態と同様であり、ここではこれらの工程についての説明は省略する。

本実施形態においても、第３の実施形態と同様、配線間容量が問題となる配線間隔の狭い領域では主として空洞によって配線間が分離され、配線間隔の広い領域では主として絶縁膜によって配線間が分離されることになる。また、本実施形態では、工程（ｃ）でレジストパターン２０７を形成する際に、第３の実施形態とは異なり、配線パターン形成用のマスクをそのまま用いることができるという利点がある。

（実施形態５）
次に、本発明の第５の実施形態について、図３（ａ）〜（ｆ）に示した工程断面図を参照して説明する。本実施形態は、多層配線構造における異なる配線層間の領域を、空洞領域と絶縁膜が形成された領域によって構成するものである。なお、図では、素子分離及びＭＯＳＦＥＴの形成工程等は省略し、主として多層金属配線の形成に係る工程について示している。

まず、図３（ａ）に示すように、前述した実施形態１〜４で説明したいずれかの方法により、下層側の配線領域を形成する。ここで、３０１は半導体基板（シリコン基板等）、３０２は絶縁分離膜、３０３は下層側の配線となるアルミニウム−銅合金膜、３０４はＳＯＧ膜、３０５は支え絶縁膜、３０６はカーボン膜をアッシング除去した後の空洞である。

次に、図３（ｂ）に示すように、基板全面にカーボン膜３０７を堆積後、レジスト３０８の塗布及びパターニングを行う。このとき、下層配線（ｎ層）と上層配線（ｎ＋１層）とが重なる部分に対応する領域３０８ａにレジストを残し、それ以外の領域３０８ｂのレジストを除去するようにする。具体的には、上層配線のマスクデータと下層配線のマスクデータを演算処理して、両配線のＡＮＤ部分に対応した領域のマスクを作製し、このマスクを用いてレジスト３０８のパターニングを行う。

次に、図３（ｃ）に示すように、レジスト３０８をマスクとしてカーボン膜３０７をドライエッチングによって加工する。このとき、レジストをマスクとして加工する方法以外にも、レジストパターンをハードマスクに転写しておき、ハードマスクをマスクとしてドライエッチング加工してもカーボン膜３０７を同様に加工することができる。レジスト３０８を除去した後、基板全面にＳＯＧ膜３０９を塗布する。

次に、図３（ｄ）に示すように、カーボン膜３０７上のＳＯＧ膜３０９をＣＭＰ等の方法で除去し、カーボン膜３０７とＳＯＧ膜３０９の高さを揃えて平坦化する。その後、レジスト３１０を塗布し、層間接続孔のマスクとなるようにレジスト３１０をパターニングする。

次に、図３（ｅ）に示すように、レジスト３１０をマスクとしてカーボン膜３０７をドライエッチングによって加工し、層間接続孔を形成する。このとき、レジストをマスクとして加工する方法以外にも、レジストパターンをハードマスクに転写しておき、ハードマスクをマスクとしてドライエッチング加工してもカーボン膜３０７を同様に加工することができる。レジスト３１０を除去した後、基板全面にプラグとなるアルミニウム−銅合金膜３１１を堆積する。このとき、リフロースパッタ等の方法を用いて、層間接続孔にアルミニウム−銅合金膜３１１が充填されるようにする。

次に、図３（ｆ）に示すように、層間接続孔以外のアルミニウム−銅合金膜３１１をＣＭＰ等の方法によって除去する。その後、実施形態１〜４で説明したいずれかの方法と同様の方法を用い、上層側の配線領域にカーボン膜（図示せず）、ＳＯＧ膜３１２、アルミニウム−銅合金膜３１３からなる上層側の配線、さらに上層側の支え絶縁膜３１４等を形成する。その後、上下の配線層間に形成されたカーボン膜及び同一配線層に形成された配線間のカーボン膜を同時にアッシング除去し、空洞３１５及び３１６とする。アニールは、４００℃で１２０分、酸素雰囲気で行う。空洞内には、酸素と二酸化炭素を主成分とする混合ガスが満たされることになる。

以上の工程を行うことにより、配線間容量の問題となる上下の配線が重なる領域では主として空洞によって配線間が分離され、上下の配線が重ならない領域では主として絶縁膜によって上下の配線層間が分離されることになる。

（実施形態６）
次に、本発明の第６の実施形態について、図４（ａ）〜（ｆ）に示した工程断面図を参照して説明する。本実施形態も、多層配線構造における異なる配線層間の領域を、空洞領域と絶縁膜が形成された領域によって構成するものである。なお、図では、素子分離及びＭＯＳＦＥＴの形成工程等は省略し、主として多層金属配線の形成に係る工程について示している。

まず、図４（ａ）に示すように、前述した実施形態１〜４で説明したいずれかの方法により、下層側の配線領域を形成する。ここで、４０１は半導体基板（シリコン基板等）、４０２は絶縁分離膜、４０３は下層側の配線となるアルミニウム−銅合金膜、４０４はＳＯＧ膜、４０５は支え絶縁膜、４０６はカーボン膜をアッシング除去した後の空洞である。その後、基板全面にカーボン膜４０７を堆積後、レジスト４０８の塗布及びパターニングを行う。このとき、下層配線（ｎ層）と上層配線（ｎ＋１層）とが重なる部分に対応する領域４０８ａにレジストを残し、それ以外の領域４０８ｂのレジストを除去するようにする。具体的には、上層配線のマスクデータと下層配線のマスクデータを演算処理して、両配線のＡＮＤ部分に対応した領域のマスクを作製し、このマスクを用いてレジスト４０８のパターニングを行う。

次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト４０８をマスクとしてカーボン膜４０７をドライエッチングによって加工する。このとき、レジストをマスクとして加工する方法以外にも、レジストパターンをハードマスクに転写しておき、ハードマスクをマスクとしてドライエッチング加工してもカーボン膜４０７を同様に加工することができる。レジスト４０８を除去した後、基板全面にＳＯＧ膜４０９を塗布する。

次に、図４（ｃ）に示すように、カーボン膜４０７上のＳＯＧ膜４０９をＣＭＰ等の方法で除去し、カーボン膜４０７とＳＯＧ膜４０９の高さを揃えて平坦化する。その後、レジスト４１０を塗布し、層間接続孔のマスクとなるようにレジスト４１０をパターニングする。

次に、図４（ｄ）に示すように、レジスト４１０をマスクとしてカーボン膜４０７をドライエッチングによって加工し、層間接続孔を形成する。このとき、レジストをマスクとして加工する方法以外にも、レジストパターンをハードマスクに転写しておき、ハードマスクをマスクとしてドライエッチング加工してもカーボン膜４０７を同様に加工することができる。レジスト４１０を除去した後、基板全面にプラグとなるアルミニウム−銅合金膜４１１を堆積する。このとき、リフロースパッタ等の方法を用いて、層間接続孔にアルミニウム−銅合金膜４１１が充填されるようにする。

次に、図４（ｅ）に示すように、層間接続孔以外のアルミニウム−銅合金膜４１１をＣＭＰ等の方法によって除去し、さらに基板全面に支え絶縁膜４１２として塗布膜を形成する。その後、酸素アニールによりカーボン膜４０７をアッシング除去し、空洞４１３を形成する。アニールは、４００℃で１２０分、酸素雰囲気で行う。空洞内には、酸素と二酸化炭素を主成分とする混合ガスが満たされることになる。

次に、図４（ｆ）に示すように、実施形態１〜４で説明したいずれかの方法と同様の方法を用い、上層側の配線領域にカーボン膜（図示せず）、ＳＯＧ膜４１４、アルミニウム−銅合金膜４１５からなる上層側の配線、さらに支え絶縁膜４１６を形成する。その後、上層側の配線層の配線間に形成されたカーボン膜をアッシング除去し、空洞４１７を形成する。

本実施形態においても、第５の実施形態と同様、配線間容量の問題となる上下の配線が重なる領域では主として空洞によって配線間が分離され、上下の配線が重ならない領域では主として絶縁膜によって上下の配線層間が分離されることになる。

（実施形態７）
次に、本発明の第７の実施形態について、図５（ａ）〜（ｆ）に示した工程断面図を参照して説明する。本実施形態は、多層配線構造における同一配線層内の配線間の領域を、空洞領域と絶縁膜が形成された領域によって構成するものである。なお、図では、素子分離及びＭＯＳＦＥＴの形成工程等は省略し、主として多層金属配線の形成に係る工程について示している。

まず、図５（ａ）に示すように、素子分離及びＭＯＳＦＥＴ等が形成された半導体基板（シリコン基板等）５０１の主面側に、絶縁分離膜５０２を堆積し、さらに後の工程で気化させるカーボン膜５０３を堆積する。続いて、カーボン膜５０３上にレジストを塗布した後、配線パターン間隔が狭くなる領域５０４ａにはレジスト５０４を残し、配線を形成しない領域及び配線パターン間隔が広くなる領域５０４ｂにはレジスト５０４が残らないようにパターニングする。このときのレジスト５０４のパターニングは、配線パターンのデータを参考にして作製されたフォトマスクを用いて行うようにする。

次に、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン５０４をマスクとして、ドライエッチング等によりカーボン膜５０３を加工する。このとき、レジスト５０４をマスクとして加工する方法以外にも、レジストパターンをハードマスクに転写しておき、ハードマスクをマスクとしてドライエッチング加工してもカーボン膜５０３を同様に加工することができる。レジスト５０４を除去した後、基板全面にＳＯＧ膜５０５を塗布する。

次に、図５（ｃ）に示すように、ＣＭＰを行い、カーボン膜５０３上のＳＯＧ膜５０５を除去するとともに、カーボン膜５０３間のＳＯＧ膜５０５をカーボン膜５０３と同じ高さになるように平坦化する。続いて、レジスト５０６を塗布した後、配線パターン形成用のフォトマスクを用いてレジスト５０６をパターニングし、配線溝に対応した溝パターン５０７を形成する。

次に、図５（ｄ）に示すように、レジスト５０６をマスクとして、ドライエッチングによりカーボン膜５０３に配線溝を形成する。配線溝を形成した後、レジストを除去し、基板全面に配線金属となるアルミニウム−銅合金膜５０８を堆積する。

次に、図５（ｅ）に示すように、ＣＭＰによる平坦化を行う。すなわち、配線溝以外のアルミニウム−銅合金膜５０８をＣＭＰによって除去し、配線溝内のみにアルミニウム−銅合金膜５０８を残置させる。その後、支え絶縁膜５０９を基板全面に堆積する。ここでは、支え絶縁膜５０９として塗布型の無機ＳＯＧ膜を用いる。

次に、図５（ｆ）に示すように、酸素アニールによりカーボン膜５０３をアッシング除去して空洞５１０を形成する。アニールは、４００℃で１２０分、酸素雰囲気で行う。空洞５１０内には、酸素と二酸化炭素を主成分とする混合ガスが満たされることになる。

以上の工程により、配線間容量が問題となる配線間隔の狭い領域では空洞によって配線間が分離され、配線間隔の広い領域では主として絶縁膜によって配線間が分離されることになる。

なお、上記各実施形態では、空洞形成用のカーボン膜を酸素アニールによってアッシング除去するようにしたが、高温下（例えば３５０℃程度）でカーボンを水素ラジカルと反応させてカーボン膜を除去するようにしてもよい。また、空洞形成用の膜としてカーボン膜の代わりにポリイミド膜を用い、酸素アニールによってポリイミド膜をアッシング除去するようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、配線間の絶縁膜として塗布膜であるＳＯＧ膜を用いたが、ＣＶＤ等によって成膜するシリコン酸化膜等を用いてもよい。また、支え絶縁膜にも無機塗布膜以外の絶縁膜を用いることが可能である。さらに、配線金属もアルミニウム−銅合金に限らず、金、銀、銅といった金属やタングステン、モリブデン等の高融点金属を用いることが可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。

本発明の第１及び第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程について示した工程断面図。 本発明の第３及び第４の実施形態に係る半導体装置の製造工程について示した工程断面図。 本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製造工程について示した工程断面図。 本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製造工程について示した工程断面図。 本発明の第７の実施形態に係る半導体装置の製造工程について示した工程断面図。

符号の説明

１０１、２０１、３０１、４０１、５０１…半導体基板
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２…絶縁分離膜
１０３、２０３、３０７、４０７、５０３…カーボン膜
１０４、１０６、２０４、２０７、３０８、３１０、４０８、４１０、５０４、５０６…レジスト
１０５、２０８、３０４、３０９、３１２、４０４、４０９、４１４、５０５…ＳＯＧ膜
１０７、２０５、５０７…溝パターン
１０８、２０６、３０３、３１１、３１３、４０３、４１１、４１５、５０８…Ａｌ−Ｃｕ合金膜
１０９、２０９、３０５、３１４、４０５、４１２、４１６、５０９…支え絶縁膜
１１０、２１０、３０６、３１５、３１６、４０６、４１３、４１７、５１０…空洞

Claims (1)

1. 同一配線層内に空洞領域と絶縁膜からなる領域とが設けられており、前記同一配線層において配線間隔が一定以下の領域では配線間の領域全体が空洞領域であり、該空洞領域は単一の絶縁膜で塞がれていることを特徴とする半導体装置。

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