JP2006261440A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 半導体装置100は、半導体基板(不図示)と、半導体基板の上部に設けられ、銅含有金属により構成される第一配線108と、第一配線108の上部に設けられ、第一配線108に接続する導電性の第一プラグ114と、第一配線108の上部において、第一プラグ114が設けられた領域以外の領域に設けられたCuシリサイド層111と、第一プラグ114の上部に設けられたCuシリサイド層117と、第一配線108の側面から第一プラグ114の側面にわたって形成されるとともに、第一配線108の側面と、第一配線108の上部と、第一プラグ114の側面とを被覆する第一ポーラスMSQ膜105と、を含む配線構造を有する。
【選択図】 図1
Description
半導体基板と、
前記半導体基板の上部に設けられ、銅含有金属により構成される第一配線と、
前記第一配線の上部に設けられ、前記第一配線に接続する導電性のプラグと、
前記第一配線の上部において、前記プラグが設けられた領域以外の領域に設けられた第一キャップメタル膜と、
前記プラグの上部に設けられたプラグ保護膜と、
前記第一配線の側面から前記プラグの側面にわたって形成されるとともに、前記第一配線の側面と、前記第一配線の上部と、前記プラグの側面とを被覆する絶縁膜と、
を含む配線構造を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
半導体基板の上部に第一犠牲層間絶縁膜を形成し、該第一犠牲層間絶縁膜中に銅含有金属膜を埋設して第一配線を形成する工程と、
前記第一犠牲層間絶縁膜の上部に第二犠牲層間絶縁膜を形成し、該第二犠牲層間絶縁膜を選択的に除去して孔を形成し、前記孔の底部から前記第一配線の上面の一部を露出させ、前記孔に銅含有金属膜を埋設し、前記第一配線の上面の一部に接続するプラグを形成する工程と、
プラグを形成する前記工程の後、前記第二犠牲層間絶縁膜を除去し、前記第一配線の上面を露出させる工程と、
第一配線の上面を露出させる前記工程の後、前記第一配線の上部と前記プラグの上部とにキャップメタル膜を同時に形成する工程と、
キャップメタル膜を同時に形成する前記工程の後、前記第一犠牲層間絶縁膜を除去して前記第一配線の側面を露出させて、前記第一配線の側面と前記第一配線の上部と前記プラグの側面とを被覆する絶縁膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
図1および図2は、本実施形態の半導体装置の構成を示す断面図である。図2に示した半導体装置110は、図1に示した半導体装置100において、配線とビアとの接続部分に目ずれが生じた場合の構成を示している。
図1に示した半導体装置100は、半導体基板(不図示)と、半導体基板の上部に設けられ、銅含有金属により構成される第一配線108と、第一配線108の上部に設けられ、第一配線108に接続する導電性のプラグ(第一プラグ114)と、第一配線108の上部において、第一プラグ114が設けられた領域以外の領域に設けられた第一キャップメタル膜(Cuシリサイド層111)と、第一プラグ114の上部に設けられたプラグ保護膜(Cuシリサイド層117)と、第一配線108の側面から第一プラグ114の側面にわたって形成されるとともに、第一配線108の側面と、第一配線108の上部と、第一プラグ114の側面とを被覆する絶縁膜(第一ポーラスMSQ膜105)と、を含む配線構造を有する。
本実施形態では、第一キャップメタルが、第一配線108の上部に設けられたCuシリサイド層111であり、これは第一配線108の上部がシリサイド化された膜である。第一プラグ114と第一配線108とは直接接しており、第一プラグ114との非接触部において、第一配線108の上部が選択的にシリサイド化されている。
また、プラグ保護膜は、Cuシリサイド層111と同一材料からなる第二キャップメタル膜すなわちCuシリサイド層117である。Cuシリサイド層117は、後述するように、Cuシリサイド層111と同一工程で形成される。第一プラグ114の上部に、Cuシリサイド層117を介して第一プラグ114に接続する第二配線124を有する。
また、半導体装置100は、第一ポーラスMSQ膜105の下層にあって、第一配線108の側面下部に接するとともに、第一ポーラスMSQ膜105よりも膜密度の高い第一補強絶縁膜(第一SiC膜103)を有する。また、第一SiC膜103に代えて、SiN膜またはSiON膜を用いてもよい。
第一ポーラスMSQ膜105は、第一配線108の側面から第一プラグ114の側面にわたって連続一体に設けられている。第一ポーラスMSQ膜105は、第一配線108の配線間および第一プラグ114間に埋設された中実の膜である。
第一ポーラスMSQ膜105は、低誘電率材料により構成されるとともに、上部(シリコン基板から遠い側)の膜密度が下部よりも高い膜である。また、第一ポーラスMSQ膜105は、上部の機械的強度が下部より高い膜である。また、第一ポーラスMSQ膜105は、構成元素として炭素を含む低誘電率材料により構成されるとともに、上部の炭素濃度が下部より低い膜である。
第一ポーラスMSQ膜105は、電子線照射または紫外線照射されてなる膜である。
低誘電率材料の赤外吸収スペクトルにおいて、1150cm-1近傍にピークを有する赤外吸収帯のピーク強度I1が、第一ポーラスMSQ膜105の下部よりも上部において小さい。この吸収帯は、Cage(かご)型Si−O構造を反映する吸収帯である。なお、1150cm-1近傍とは、たとえば1100〜1200cm-1である。
低誘電率材料の赤外吸収スペクトルにおいて、1050cm-1近傍にピークを有する赤外吸収帯のピーク強度I2が、第一ポーラスMSQ膜105の下部よりも上部において大きい。この吸収帯は、Ladder(梯子)型Si−O構造を反映する吸収帯である。なお、1050cm-1近傍とは、たとえば1000〜1100cm-1である。
低誘電率材料の赤外吸収スペクトルにおいて、3000cm-1近傍にピークを有する赤外吸収帯のピーク強度I3が、第一ポーラスMSQ膜105の下部よりも上部において小さい。この吸収帯は、C−H結合を反映する吸収帯であり、I3が大きいほど、膜中の炭素濃度が高い。なお、3000cm-1近傍とは、たとえば2950〜3050cm-1である。
なお、本明細書において、「ピーク強度」とは、赤外吸収スペクトル中の赤外吸収帯、つまり吸収曲線とそのベースラインとで囲まれる領域において、ピーク位置の吸光度から、ピーク位置の波数におけるベースラインの吸光度を差し引いた値である。それぞれの赤外吸収帯のベースラインは、通常、以下の範囲内でひくことができる。
I1:1000〜1100cm-1
I2:1100〜1200cm-1
I3:3050〜2800cm-1
半導体装置100は、このような配線構造が複数積層されており、下層の配線構造の第一プラグ114が、当該配線構造の上部に設けられた上層の配線構造の第一の配線(第二配線124)に接続している。
また、半導体装置100は、Cuシリサイド層117の上部に設けられ、第一プラグ114に接続され、銅含有金属により構成される第二の配線(第二配線124)と、第一ポーラスMSQ膜105の上層にあって、第二配線124の側壁下部に接するとともに、第一ポーラスMSQ膜105よりも膜密度の高い第二の補強絶縁膜(第二SiC膜119)と、を有する。第二SiC膜119の上部には第二ポーラスMSQ膜121が設けられ、第二SiC膜119は第二ポーラスMSQ膜121よりも膜密度が高い膜である。
半導体装置100は、シリコン基板(不図示)上に、SiO2膜101、第一SiC膜103、第一ポーラスMSQ膜105、第二SiC膜119および第二ポーラスMSQ膜121がこの順に積層された構成である。
また、本実施形態の製造方法は、第一ポーラスMSQ膜105を形成する工程の後、Cuシリサイド層117をマスクとして第一ポーラスMSQ膜105の機械的化学研磨を実施し、第一プラグ114の上部に設けられたCuシリサイド層117において、研磨をとめる工程を含む。
また、本実施形態の製造方法は、第一ポーラスMSQ膜105を形成する工程の後、第一ポーラスMSQ膜105の上部に第三犠牲層間膜(不図示)を形成し、第三犠牲層間絶縁膜中に銅含有金属膜を埋設して、第一プラグ114に接続する第二配線124を形成する工程を含む。
Cuシリサイド層117とCuシリサイド層117とを同時に形成する工程は、第一配線108の上部および第一プラグ114の上部を同時にシリサイド化する工程である。
第一犠牲SiO2膜141を形成する前に、半導体基板の上部に補強絶縁膜(第一SiC膜103)を形成し、第一配線108を形成する工程が、第一犠牲SiO2膜141と第一SiC膜103とを順次選択的に除去して第一犠牲SiO2膜141と第一SiC膜103とを貫通する溝部を形成し、溝部中に銅含有金属膜を埋設する工程を含む。
まず、図3に示したように、SiO2膜101上に、SiC系の補強絶縁膜として、第一SiC膜103を約20〜50nm形成し、次に、第一犠牲層間膜として、70〜200nm程度の膜厚の第一犠牲SiO2膜141を形成する。リソグラフィー技術を用いて第一犠牲SiO2膜141の加工を行い、さらに第一SiC膜103をエッチバックして、配線溝を形成する。
半導体装置100においては、第一配線108の上面の一部の領域が第一プラグ114に接続されているとともに、残りの領域にCuシリサイド層111が設けられている。そして、第一配線108と第一プラグ114との間にキャップメタル膜が形成されておらず、これらが直接接する構成となっている。このため、第一配線108上部を確実に保護しつつ第一配線108と第一プラグ114との間の接続抵抗を効果的に低減させることができる。背景技術の項で図22を参照して前述した半導体装置210においては、配線上にキャップメタルが設けられ、さらにその上にバリアメタルが存在するため、ビア抵抗が増加するが、本実施形態の構成によれば、第一配線108および第一プラグ114を形成した後で、メタルキャップ工程が行われるため、ビア抵抗の増加を抑制することができる。
MHSQ(メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン)等の水素化メチルポリシロキサン;
OSG(Organo−Silicate Glass);および
CDO(Carbon Doped Oxide)が挙げられる。
梯子型水素化シロキサン等のラダーオキサイドが挙げられる。このうち、梯子型水素化シロキサンとは、梯子型の分子構造を有するポリマーのことであり、配線遅延防止の観点から誘電率2.9以下のものが好ましく、また膜密度が低いものが好ましい。たとえば、膜密度が1.50g/cm2以上1.58g/cm2以下、633nmの屈折率が1.38以上1.40以下であることが好ましい。こうした膜材料の具体例としてラダーオキサイドとよばれるL−OxTM(商標)(以下単にL−Oxと示す。)等を例示することができる。なお、L−Oxをポーラス化した絶縁材料を用いることもできる。
サイトップ(登録商標)等のフッ素系樹脂;
SiLK(登録商標)等の非フッ素系芳香族含有有機樹脂;
ポリアリールエーテル(PAE);および
ポリフェニレン等の有機樹脂の膜を用いることもできる。
第一の実施形態においては、第一ポーラスMSQ膜105および第二ポーラスMSQ膜121が中実である構成を示したが、第一配線108の側壁から第一プラグ114の側壁にわたって設けられ、第一配線108の側壁と、第一配線108の上部と、第一プラグ114の側壁とを覆うように形成された絶縁膜中にエアギャップが設けられている構成とすることもできる。また、第二配線124の側壁から第二プラグ130の側壁にわたって設けられた絶縁膜についても、同様に、エアギャップを有する構成とすることができる。本実施形態では、このような態様について説明する。
本実施形態においても、第一配線108の側面から第一プラグ114の側面にわたって連続一体の第一SiO2膜151が設けられている。そして、第一SiO2膜151は、第一配線108および第一プラグ114を形成した後、形成される。第二SiO2膜153の層についても同様の構成となっている。そして、配線上部のうち、プラグ形成領域以外の領域にキャップメタルが設けられている。さらに、第一配線108および第二配線124の側面下部がそれぞれ第一SiC膜103および第二SiC膜119によって支持されている。このため、第一の実施形態と同様の効果が得られる。
第二の実施形態に記載の半導体装置において、第一SiC膜103および第二SiC膜119を有しない構成とすることもできる。
第一および第二の実施形態に記載において、プラグ上にキャップメタルが設けられていない構成としてもよい。以下、第一の実施形態の構成の場合を例に説明するが、第二の実施形態に本実施形態の構成を適用することもできる。
101 SiO2膜
103 第一SiC膜
105 第一ポーラスMSQ膜
107 バリアメタル膜
108 第一配線
109 第一Cu配線
110 半導体装置
111 Cuシリサイド層
112 バリアメタル膜
113 バリアメタル膜
114 第一プラグ
115 第一Cuビア
116 第一Cuビア
117 Cuシリサイド層
118 第一プラグ
119 第二SiC膜
121 第二ポーラスMSQ膜
123 バリアメタル膜
124 第二配線
125 第二Cu配線
127 Cuシリサイド層
128 バリアメタル膜
129 バリアメタル膜
130 第二プラグ
131 第二Cuビア
132 第二Cuビア
133 Cuシリサイド層
134 第二プラグ
137 目ずれ部
139 目ずれ部
141 第一犠牲SiO2膜
143 犠牲SiC膜
145 第二犠牲SiO2膜
147 ビアホール
150 半導体装置
151 第一SiO2膜
152 半導体装置
153 第二SiO2膜
155 エアギャップ
157 エアギャップ
159 非選択的成長物
160 半導体装置
162 半導体装置
170 半導体装置
172 半導体装置
Claims (20)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上部に設けられ、銅含有金属により構成される第一配線と、
前記第一配線の上部に設けられ、前記第一配線に接続する導電性のプラグと、
前記第一配線の上部において、前記プラグが設けられた領域以外の領域に設けられた第一キャップメタル膜と、
前記プラグの上部に設けられたプラグ保護膜と、
前記第一配線の側面から前記プラグの側面にわたって形成されるとともに、前記第一配線の側面と、前記第一配線の上部と、前記プラグの側面とを被覆する絶縁膜と、
を含む配線構造を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜の下層にあって、前記第一配線の側面下部に接するとともに、前記絶縁膜よりも膜密度の高い第一補強絶縁膜を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1または2に記載の半導体装置において、
前記第一キャップメタル膜が、前記第一配線の上部がシリサイド化された膜であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置において、前記プラグ保護膜が、前記第一キャップメタル膜と同一材料からなる第二キャップメタル膜であることを特徴とする半導体装置。
- 請求項4に記載の半導体装置において、
前記第二キャップメタル膜を介して前記プラグに接続する第二配線が、前記プラグの上部に設けられたことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置において、
前記プラグの上部に設けられて、前記プラグに接する第二配線と、
前記第二配線の側面下部に接するとともに、前記絶縁膜よりも膜密度の高い第二補強絶縁膜と、
を有し、
前記プラグ保護膜が、前記第二補強絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至6いずれかに記載の半導体装置において、前記絶縁膜の材料が低誘電率材料であって、前記絶縁膜の上部の膜密度が下部よりも高いことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至6に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜が、低誘電率材料により構成されるとともに、前記絶縁膜の上部の機械的強度が下部より高いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至6いずれかに記載の半導体装置において、
前記絶縁膜が、構成元素として炭素を含む低誘電率材料により構成されるとともに、前記絶縁膜の上部の炭素濃度が下部より低いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項7乃至9いずれかに記載の半導体装置において、
前記絶縁膜が、電子線照射または紫外線照射されてなる膜であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項10に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜が、ポリオルガノシロキサン膜、水素化シロキサン膜、またはこれらの膜がポーラス化された膜であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至6いずれかに記載の半導体装置において、前記絶縁膜中にエアギャップが設けられていることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至12いずれかに記載の半導体装置において、
複数の前記配線構造が積層されており、
下層の前記配線構造の前記プラグが、上層の前記配線構造の前記第一配線に接続することを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板の上部に第一犠牲層間絶縁膜を形成し、該第一犠牲層間絶縁膜中に銅含有金属膜を埋設して第一配線を形成する工程と、
前記第一犠牲層間絶縁膜の上部に第二犠牲層間絶縁膜を形成し、該第二犠牲層間絶縁膜を選択的に除去して孔を形成し、前記孔の底部から前記第一配線の上面の一部を露出させ、前記孔に銅含有金属膜を埋設し、前記第一配線の上面の一部に接続するプラグを形成する工程と、
プラグを形成する前記工程の後、前記第二犠牲層間絶縁膜を除去し、前記第一配線の上面を露出させる工程と、
第一配線の上面を露出させる前記工程の後、前記第一配線の上部と前記プラグの上部とにキャップメタル膜を同時に形成する工程と、
キャップメタル膜を同時に形成する前記工程の後、前記第一犠牲層間絶縁膜を除去して前記第一配線の側面を露出させて、前記第一配線の側面と前記第一配線の上部と前記プラグの側面とを被覆する絶縁膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項14に記載の半導体装置の製造方法において、絶縁膜を形成する前記工程の後、前記絶縁膜の機械的化学研磨を実施し、前記プラグの上部に設けられた前記キャップメタル膜において、研磨をとめる工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項14または15に記載の半導体装置の製造方法において、絶縁膜を形成する前記工程の後、前記絶縁膜および前記キャップメタル膜を機械的化学研磨することにより、前記プラグの上部に設けられた前記絶縁膜と、前記プラグの上部に設けられた前記キャップメタル膜とを除去する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項16に記載の半導体装置の製造方法において、
プラグの上部に設けられたキャップメタル膜を除去する前記工程の後、前記絶縁膜の上部に、絶縁性のプラグ保護膜を設ける工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項14乃至17いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
絶縁膜を形成する前記工程の後、前記絶縁膜の上部に第三犠牲層間膜を形成し、該第三犠牲層間絶縁膜中に銅含有金属膜を埋設して、前記プラグに接続する第二配線を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項14乃至18いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、キャップメタル膜を同時に形成する前記工程が、前記第一配線の上部および前記ビアの上部を同時にシリサイド化する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項14乃至19いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
第一犠牲層間絶縁膜を形成する前に、前記半導体基板の上部に補強絶縁膜を形成し、
第一配線を形成する前記工程が、前記第一犠牲層間絶縁膜と前記補強絶縁膜とを順次選択的に除去して前記第一犠牲層間絶縁膜と前記補強絶縁膜とを貫通する溝部を形成し、前記溝部中に前記銅含有金属膜を埋設する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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