JP2008166726A - 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 Download PDF

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Abstract

【課題】必要な領域にのみエアギャップを有し、エアギャップに起因する機械的強度の低下を抑える半導体装置、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の実施の形態による半導体装置は、表面に半導体素子を有する半導体基板と、前記半導体基板上に形成された配線構造を含む層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に形成されたメタルリングと、前記層間絶縁膜の前記メタルリングの片側の領域に形成されたエアギャップと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線層にエアギャップを有する半導体装置、およびその製造方法に関する。
近年の半導体装置の微細化に伴い、配線層の配線間容量、特に同層の配線間容量が増大する傾向にある。配線間容量が増加すると、回路の寄生的な容量が増加するため、半導体装置の動作速度の低下に繋がる。この配線間容量を低減するために、配線間にエアギャップを設けたエアギャップ構造を有する半導体装置が知られている。
エアギャップ構造により配線間容量を低減し、且つエアギャップ構造に起因する配線の形状変化を抑えた半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に係る半導体装置は、各配線層のエアギャップを介して配置された配線が、上下の層間絶縁膜に挟まれた構造を有し、各配線の形状変化を抑えることができる。
しかし、この特許文献１に係る半導体装置によると、配線の形状変化を抑えることができても、エアギャップを形成する領域を特定することができないため、半導体装置全体の機械的強度の低下を十分に抑えることができない。
特開平１０−２９４３１６号公報
本発明の目的は、必要な領域にのみエアギャップを有し、エアギャップに起因する機械的強度の低下を抑える半導体装置、およびその製造方法を提供することにある。
本発明の一態様は、表面に半導体素子を有する半導体基板と、前記半導体基板上に形成された配線構造を含む層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に形成されたメタルリングと、前記層間絶縁膜の前記メタルリングの片側の領域に形成されたエアギャップと、を有することを特徴とする半導体装置を提供する。
また、本発明の一態様は、表面に半導体素子を有する半導体基板上に層間絶縁膜を形成工程と、前記層間絶縁膜内にメタルリングを含む配線構造を形成する工程と、前記メタルリングの内側の前記層間絶縁膜の少なくとも一部を、前記層間絶縁膜の上層に形成された絶縁膜を通して露出させる反応物排出孔を形成する工程と、前記メタルリングの内側の前記層間絶縁膜をエッチングにより前記反応物排出孔を介して除去する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
本発明によれば、必要な領域にのみエアギャップを有し、エアギャップに起因する機械的強度の低下を抑える半導体装置、およびその製造方法を提供することができる。
〔第１の実施の形態〕
（半導体装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の有する所定の配線層の平面図である。また、図２は、図１の破線Ａ−Ａにおける半導体装置の断面図である。
半導体装置１０は、表面に半導体素子を有する半導体基板（図示しない）と、半導体基板上に積層された複数の配線層を有し、その複数の配線層のうち、配線層１１ｃの平面図を図１に示し、配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの４層の断面図を図２に示す。なお、半導体装置１０の有する配線層の層数は４層に限られない。
配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、第１の層間絶縁膜１７と、第１の層間絶縁膜１７上に形成された第２の層間絶縁膜１８と、第２の層間絶縁膜１８内に所定のレイアウトで形成された配線１２と、第１の層間絶縁膜１７内に形成された上下層の配線１２同士を電気的に接続するビア２１と、第２の層間絶縁膜１８上に形成された第１のキャップ膜１９と、配線１２および第１のキャップ膜１９の上面に形成された第２のキャップ膜２０と、を有する。
第２の層間絶縁膜１８は、ポリアリーレン、ベンゾオキサゾール等の有機絶縁材料からなる。
第１の層間絶縁膜１７は、ＳｉＯＣ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＦ等の第２の層間絶縁膜１８とのエッチング選択比を大きく取ることのできる絶縁材料からなる。
配線１２は、例えば、Ｃｕからなる。また、配線１２内の金属の隣接する層間絶縁膜への拡散を防ぐためのバリアメタル（図示しない）を表面に有する。
ビア２１は、配線１２と同じ材料からなり、バリアメタル（図示しない）を表面に有する。
第１のキャップ膜１９は、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＣ等の絶縁材料からなり、配線１２を形成する際のＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）による平坦化処理のためのストッパや、後述するエアギャップ１５上の層間絶縁膜の保持部材として用いられる。
第２のキャップ膜２０は、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ等の絶縁材料からなり、配線１２内の金属の上層の層間絶縁膜への拡散を防ぐ。なお、第２のキャップ膜２０は、配線１２の上面にのみ形成されるものであってもよい。
また、配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃには、メタルリング１３が形成される。メタルリング１３は、閉ループ形状を有する配線１２、または配線１２およびビア２１により形成することができる（図２は、配線１２およびビア２１により構成されるメタルリング１３を示す）。メタルリング１３の閉ループ内では、第２の層間絶縁膜１８が除去されてエアギャップ１５が形成されている。これらのエアギャップ１５が形成される領域をエアギャップ領域１４、それ以外のエアギャップの形成されない領域を非エアギャップ領域１６として、図１、２に示す。
配線層１１ｄは、メタルリング１３およびエアギャップ１５を含まない配線層であり、配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃの第１および第２の層間絶縁膜１７、１８の代わりに第３の層間絶縁膜２２を有する。その他の構成は配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃと同様である。
第３の層間絶縁膜２２は、ＳｉＯＣ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＦ等の絶縁材料からなる。第１の層間絶縁膜１７と同じ材料を用いてもよい。
また、半導体装置１０には、エアギャップ１５を形成するための後述する反応物排出孔２３を塞ぐための蓋材２４が形成される。
蓋材２４には、金属やセラミックペースト、モールド用樹脂、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯＣ膜、有機膜を用いることができる。また、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯＣ膜、有機膜等をその薬液（前駆体液）が塗布時に比較的高い粘性を有するＳＯＤ法、ＳＯＧ法により形成したＳＯＤ（Spin on Dielectric）膜、ＳＯＧ（Spin on glass）膜等を用いることができる。蓋材２４は、反応物排出孔２３の入り口を塞げばよく、その形状は図２に示したものに限られない。
（半導体装置の製造方法）
図３Ａ（ａ）〜（ｂ）、図３Ｂ（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。
まず、図３Ａ（ａ）に示すように、図示しない半導体基板上に配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを形成する。配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、メタルリング１３を含む。
次に、図３Ａ（ｂ）に示すように、リソグラフィ法とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の異方性エッチングにより、メタルリング１３に囲まれた領域に、配線層１１ａの第２の層間絶縁膜１８が露出する深さまで反応物排出孔２３を形成する。なお、後のエアギャップ１５を形成する工程の効率を上げるため、複数の反応物排出孔２３を形成してもよい。
また、配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの反応物排出孔２３を形成する領域に、配線１２およびビア１４のパターンを利用して金属の柱を予め形成しておき、この金属の柱を例えば過酸化水素と塩酸を用いて除去することにより反応物排出孔２３を形成してもよい。
次に、図３Ｂ（ｃ）に示すように、反応物排出孔２３を介して酸素、窒素、水素等のラジカルをエッチャントとして用いたダウンフロー型ケミカルドライエッチング等の等方性エッチングを施し、閉ループ形状のメタルリング１３に囲まれた領域の第２の層間絶縁膜１８を除去する。これにより、配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃにエアギャップ１５が形成される。エッチングにより生じた反応物は、反応物排出孔２３を介して排出される。なお、ウェットエッチングにより第２の層間絶縁膜１８を除去した場合は、例えば、液体である反応物を加熱することにより気化させ、反応物排出孔２３を介して排出する。
次に、図３Ｂ（ｄ）に示すように、蓋材２４を用いて反応物排出孔２３を塞ぐ。蓋材２４は、その薬液が塗布時にエアギャップ１５にあまり流れ込まない程度の粘性を有するような方法を用いて形成する。
なお、蓋材２４を配線層１１ｄの第３の層間絶縁膜２２と同じ材料から同時に形成してもよい。この場合、配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃを形成して、配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃにエアギャップ１５を形成した後、配線層１１ｄの第３の層間絶縁膜２２を形成する。これにより、第３の層間絶縁膜２２の材料が反応物排出孔２３に入り込み、蓋材２４となる。また、段差被覆性の低い成膜条件で第３の層間絶縁膜２２を形成することにより、反応物排出孔２３の入り口付近のみを塞ぐことができる。
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態によれば、エアギャップ１５をメタルリング１３に囲まれた領域にのみ形成し、エアギャップ領域１４と非エアギャップ領域１６を作り分けることができる。これにより、エアギャップ１５の必要ない領域（配線間容量の低減を強く求めない領域）の機械的強度を保ち、半導体装置１０全体の機械的強度の低下を抑えることができる。
なお、メタルリング１３の内側の領域においては、配線１２は閉ループ形状をとらないことが好ましい。閉ループ形状を有する配線１２はメタルリングとして働き、その内側が外部と遮断されるため、エアギャップ１５を形成するためには、閉ループ形状の内側に反応物排出孔２３を別個に設けなければならないからである。
〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態は、半導体装置１０の製造方法において第１の実施の形態と異なる。半導体装置１０の構成等、第１の実施の形態と同様の点については説明を省略する。
図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、図示しない半導体基板上に第１の配線層１１ａを形成する。
次に、図４（ｂ）に示すように、メタルリング１３に囲まれた領域の第２の層間絶縁膜１８上の第１および第２のキャップ膜１９、２０を除去して、反応物排出孔２３を形成する。
次に、図４（ｃ）に示すように、反応物排出孔２３を介して等方性エッチングを施し、閉ループ形状のメタルリング１３に囲まれた領域の第２の層間絶縁膜１８を除去する。これにより、配線層１１ａにエアギャップ１５が形成される。
次に、図４（ｄ）に示すように、配線層１１ａ上に配線層１１ｂを形成する。
次に、図４（ｅ）に示すように、配線層１１ａと同様に、配線層１１ｂにエアギャップ１５を形成する。その後、同様に配線層１１ｂ上にエアギャップ１５を含む配線層１１ｃを形成し、その上にエアギャップ１５を含まない配線層１１ｄを形成することで、半導体装置１０を形成する。
（第２の実施の形態の効果）
本発明の第２の実施の形態によれば、１つの配線層を形成する毎にエアギャップ１５を形成するため、反応物排出孔２３が上層の配線層により塞がれ、蓋材２４を用いる必要がない。
〔第３の実施の形態〕
本発明の第３の実施の形態は、配線１２およびビア２１からなる配線構造の構成において第１の実施の形態と異なる。他の部材の構成等、第１の実施の形態と同様の点については説明を省略する。
図５（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施の形態に係る配線およびビアの製造方法を示す断面図である。なお、図５（ａ）〜（ｅ）においては、１つの配線１２およびビア２１の周辺を拡大して示すが、これらの配線１２およびビア２１の構成は、半導体装置１０の任意の領域の配線１２、ビア２１およびメタルリング１３の構成に適用することができる。
まず、図５（ａ）に示すように、第１のキャップ膜１９および第２の層間絶縁膜１８の配線１２を形成する領域をエッチングにより除去し、配線溝２５を形成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２、ＳｉＯＣＨ等の第２の層間絶縁膜１８とのエッチング選択比を大きく取ることのできる絶縁材料（第１の層間絶縁膜１７と同じ材料を用いてもよい）を配線溝２５の内面に堆積させ、保護膜２６を形成する。
次に、図５（ｃ）に示すように、異方性エッチングにより、配線溝２５の底面および第１のキャップ膜１９の上面の保護膜２６を除去する。
次に、図５（ｄ）に示すように、Ｃｕ等を堆積させた後にＣＭＰ等による平坦化処理を行うことにより、配線溝２５内に配線１２を形成する。
次に、図５（ｅ）に示すように、形成した配線１２および第１のキャップ膜１９の上に第２のキャップ膜２０を形成した後、同様の方法で上層のビア２１および配線１２を形成する。
（第３の実施の形態の効果）
本発明の第３の実施の形態によれば、配線１２およびビア２１の側面に保護膜２６が形成されるため、エアギャップ形成時やエアギャップ形成後における配線１２およびビア２１の酸化や、その他の化学変化に対する耐性が向上する。
〔第４の実施の形態〕
本発明の第４の実施の形態は、メタルリング１３の内側に別のメタルリング１３ａが形成される点において第１の実施の形態と異なる。他の部材の構成等、第１の実施の形態と同様の点については説明を省略する。
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の有する所定の配線層の平面図である。
図６に示すように、配線層のメタルリング１３に囲まれた領域内に、他のメタルリング１３ａが形成されている。メタルリング１３の内側でメタルリング１３ａの外側となる領域はエアギャップ領域１４であり、反応物排出孔２３を塞いだ蓋材２４が設けられている。一方、メタルリング１３ａの内側は非エアギャップ領域１６であり、エアギャップ１５が存在しない。そのため、エアギャップ１５による機械的強度の低下が生じない。
なお、メタルリング１３ａの内側には、配線１２が形成されても、形成されなくてもよい。また、メタルリング１３ａの内側に、さらに別のメタルリングが形成されてもよい。
（第４の実施の形態の効果）
本発明の第４の実施の形態によれば、メタルリング１３の内側の領域において配線間容量の低減の必要性の少ない領域が存在する等の場合、その領域にメタルリング１３ａを形成することにより、メタルリング１３ａをエアギャップ領域１４の機械的強度を保持する柱として用いることができる。なお、機械的強度の保持にメタルリング１３ａを用いる場合、メタルダミーパターンを用いて機械的強度の保持を図る場合と比べて、メタル部分の面積が小さいため、特に上下の配線層の配線間における電気容量の増加を抑えることができる。
〔第５の実施の形態〕
本発明の第５の実施の形態は、任意の配線層の任意の領域にエアギャップを形成する点において第１の実施の形態と異なる。他の部材の構成等、第１の実施の形態と同様の点については説明を省略する。
（半導体装置の構成）
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の有する所定の配線層の平面図である。また、図８は、図７の破線Ｂ−Ｂにおける半導体装置の断面図であり、図９は、図７の破線Ｃ−Ｃにおける半導体装置の断面図である。
図７に示す回路ブロック２７ａ、２７ｂの間で、高速な信号の送受信が行われる場合、回路ブロック２７ａ、２７ｂを繋ぐ配線１２の配線間容量の低減が求められる。
図８に示すように、回路ブロック２７ａ、２７ｂを繋ぐ配線１２は、主に配線層１１ａのメタルリング１３の内側を通り、メタルリング１３の形成されない配線層１１ｃを通って、メタルリング１３の外側にある回路ブロック２７ａ、２７ｂに接続される。そのため、配線層１１ａのメタルリング１３の内側の領域にエアギャップ１５が形成されている。一方、配線層１１ｂには配線１２が通る領域が少ないので、機械的強度を優先して、エアギャップ１５がほとんど形成されていない。
また、図９に示すように、配線層１１ｂ、１１ｃにおける反応物排出孔２３を塞いだ蓋材２４の周りには、メタルリング１３ｂが形成されている。
なお、配線層１１ｂのメタルリング１３は無くてもよい。また、配線層１１ｂ、１１ｃの第１および第２の層間絶縁膜１７、１８の代わりに第３の層間絶縁膜２２を用いてもよい。
（半導体装置の製造方法）
図１０Ａ（ａ）〜（ｂ）、図１０Ｂ（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。図１０Ａ（ａ）〜（ｂ）、図１０Ｂ（ｃ）〜（ｄ）に示した断面は、図９に示した断面に対応する。
まず、図１０Ａ（ａ）に示すように、図示しない半導体基板上に配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃを形成する。メタルリング１３は配線層１１ａ、１１ｂに含まれ、メタルリング１３ｂは配線層１１ｂ、１１ｃに含まれる。
次に、図１０Ａ（ｂ）に示すように、異方性エッチングにより、メタルリング１３ｂに囲まれた領域に、配線層１１ａの第２の層間絶縁膜１８が露出する深さまで反応物排出孔２３を形成する。
次に、図１０Ｂ（ｃ）に示すように、反応物排出孔２３を介して等方性エッチングを施し、配線層１１ａにおけるメタルリング１３に囲まれた領域、および配線層１１ｂ、１１ｃにおけるメタルリング１３ｂに囲まれた領域の第２の層間絶縁膜１８を除去する。これにより、配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃにエアギャップ１５が形成される。エッチングにより生じた反応物は、反応物排出孔２３を介して排出される。なお、配線層１１ｂ、１１ｃのメタルリング１３ｂの大きさを変えることにより、配線層１１ｂ、１１ｃに形成されるエアギャップ１５の大きさを調節することができる。
次に、図１０Ｂ（ｄ）に示すように、蓋材２４を用いて反応物排出孔２３を塞ぐ。
（第５の実施の形態の効果）
本発明の第５の実施の形態によれば、メタルリング１３ｂの内側に反応物排出孔２３を形成することにより、配線層１１ｂ、１１ｃにおいてメタルリング１３ｂに囲まれた領域にのみエアギャップ１５を形成することができる。これにより、任意の配線層の任意の領域にのみエアギャップ１５を形成することができる。
なお、本実施の形態においては、回路ブロック２７ａ、２７ｂに繋がる配線１２がメタルリング１３の内側の領域から上層の配線層に引き出されるが、下層の配線層に引き出される構成であってもよい。
〔第６の実施の形態〕
本発明の第６の実施の形態は、配線１２ではなく、回路ブロック２７ａ、２７ｂをエアギャップ領域１４に備える点において第５の実施の形態と異なる。他の部材の構成等、第５の実施の形態と同様の点については説明を省略する。
図１１は、本発明の第６の実施の形態に係る半導体装置の有する所定の配線層の平面図である。
図１１に示すように、回路ブロック２７ａ、２７ｂがメタルリング１３の内側のエアギャップ領域１４に形成されている。また、回路ブロック２７ａ、２７ｂを繋ぐ配線１２は、メタルリング１３の内側の領域から下層の配線層に引き出され、その下層の配線層を通る。なお、回路ブロック２７ａ、２７ｂを繋ぐ配線１２は、メタルリング１３の内側の領域から上層の配線層に引き出される構成であってもよい。
（第６の実施の形態の効果）
本発明の第６の実施の形態によれば、回路ブロック２７ａ、２７ｂの配線間容量の低減を重視する場合、これを実現することができる。
〔第７の実施の形態〕
本発明の第７の実施の形態においては、上記各実施の形態における蓋材２４の変形例について説明する。
図１２は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。図１２に示した断面は、図２に示した第１の実施の形態にかかる半導体装置１０の断面に対応する。また、図１２は、反応物排出孔２３付近を拡大して示してある。
蓋材２８には、ＳＯＤ膜、ＳＯＧ膜等のように、その薬液が塗布時に高い粘性を有するような方法により形成した膜を用いることが好ましい。この場合、蓋材２８を反応物排出孔２３の深い位置まで埋め込まずに、図１２に示すように、反応物排出孔２３の開口部近傍のみを埋めるような形状に形成することができる。仮に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の、薬液が塗布時にあまり高い粘性を有さないような方法により、蓋材２８を反応物排出孔２３の開口部近傍のみを埋めるような形状に形成しようとした場合、蓋材２８が開口部を塞ぎきれず、さらにはエアギャップ１５内に入り込むおそれがある。
なお、蓋材２８の材料としては、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯＣ膜、有機膜等を用いることができる。また、蓋材２８の薬液の粘性は、溶媒の材料を選択すること等により調節することができる。
蓋材２８がこのような反応物排出孔２３の開口部近傍のみを埋めるような形状を有する場合、蓋材２８を反応物排出孔２３の深い位置まで埋め込む場合と比較して、エアギャップ１５内に蓋材２８が入り込んでエアギャップ１５の体積を小さくするおそれが少なくなる。
また、ＳＯＤ法、ＳＯＧ法等のように、その薬液が塗布時に高い粘性を有するような方法により蓋材２８を形成した場合、蓋材２８の空孔径を分子サイズの比較的小さい水分が内部を通過できるような大きさにすることができる。この場合、半導体装置１０を真空中で高温に保持することにより、各層間絶縁膜、エアギャップ１５等に含まれる水分を反応物排出孔２３、蓋材２８を介して外部に排出することができる。そこで、蓋材２８を反応物排出孔２３の開口部近傍のみを埋めるような形状に形成に形成した場合、蓋材２８を反応物排出孔２３の深い位置まで埋め込む場合と比較して、水分が通過する蓋材２８内部の距離が短いため、より効率的に水分を外部に排出することができる。各層間絶縁膜、エアギャップ１５等に含まれる水分は、半導体装置１０内における寄生容量の増加、エレクトロマイグレーション、ストレスマイグレーションの発生等の問題を引き起こすおそれがあるため、より多くの水分を外部に排出することが好ましい。なお、逆に、蓋材２８の上層の絶縁膜を形成する際に用いる成膜ガスは、分子サイズが水分よりも大きいため、蓋材２８を通過して内部に侵入するおそれは少ない。
また、蓋材２８は、図１２に示すようにフリンジ部２８ｆを有してもよいし、有さなくてもよい。フリンジ部２８ｆを有さない場合は、蓋材２８の上面の高さが、配線層１１ｄの第２のキャップ膜２０の上面の高さとほぼ一致する。
図１３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。図１３（ａ）〜（ｄ）に示した断面は、図１２に示した本実施の形態に係る半導体装置１０の断面に対応し、蓋材２８近傍を拡大したものである。
まず、図３Ｂ（ｃ）に示した配線層１１ａ、１１ｂ、１１ｃにエアギャップ１５を形成するまでの工程を、第１の実施の形態と同様に行う。
次に、図１３（ａ）に示すように、ＳＯＤ法等により、蓋材２８を形成する。このとき、蓋材２８は反応物排出孔２３の開口部近傍を埋め、かつ第２のキャップ膜２０上に堆積される。
次に、図１３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法等により、蓋材２８上に所定のパターンを有するレジスト２９を形成する。
次に、図１３（ｃ）に示すように、レジスト２９をマスクとして、ＲＩＥ等により蓋材２８にエッチングを施し、レジスト２９のパターンを転写する。
次に、図１３（ｄ）に示すように、レジスト２９を除去した後、ＣＶＤ法等により、蓋材２８および第２のキャップ膜２０上にＳｉＯＣ等の絶縁材料からなる絶縁膜３０を形成する。なお、絶縁膜３０を形成する前に、半導体装置１０を真空中で高温に保持することにより、各層間絶縁膜、エアギャップ１５等に含まれる水分を反応物排出孔２３、蓋材２８を介して外部に排出してもよい。
なお、フリンジ２８ｆを有さない蓋材２８を形成する場合は、図１３（ａ）に示した、ＳＯＤ法、ＳＯＧ法等により蓋材２８を形成する工程を行った後、蓋材２８に対して、ＲＩＥによる全面エッチバック、またはＣＭＰによる平坦化を行う。ＲＩＥによる全面エッチバックを行う場合は、エッチング実施時間を調節することにより、第２のキャップ膜２０の蓋材２８に隣接する部分の上面が露出するまで蓋材２８のエッチングを行い、蓋材２８の上面の高さと第２のキャップ膜２０の上面の高さがほぼ一致する用にする。一方、ＣＭＰによる平坦化を行う場合は、第２のキャップ膜２０の上面をストッパとして用いて、蓋材２８を平坦化する。
また、上記の蓋材２８の製造方法の例は、蓋材２８に比較的空孔率の大きい材料を用いた場合、物理的強度が弱まるおそれがあるため、蓋材２８の必要のない部分をパターニングにより除去したものである。しかし、蓋材２８の物理的強度に問題がない場合は、蓋材２８のパターニングを行わずに、第２のキャップ膜２０上に位置する部分を残したままでもよい。
また、蓋材２８と絶縁膜３０を一体に形成してもよい。この場合、図１３（ａ）に示した、ＳＯＤ法、ＳＯＧ法等により蓋材２８を形成する工程において、蓋材２８を絶縁膜３０の厚さの分だけ厚く形成する。蓋材２８のパターニングは行わない。
また、反応物排出孔２３が複数隣接して形成されている場合は、複数の反応物排出孔２３の開口部近傍に共通して１つの蓋材２８が設けられてもよい。
また、蓋材２８の材料とレジスト２９の材料のエッチング選択比が小さい場合には、蓋材２８とレジスト２９の間に、蓋材２８およびレジスト２９に対するエッチング選択比が大きい材料からなる付加膜３１を形成してもよい。この付加膜３１を用いる蓋材２８の形成方法を図１４（ａ）〜（ｄ）に示す。
まず、図１４（ａ）に示すように、図１３（ａ）に示した、ＳＯＤ法、ＳＯＧ法等により蓋材２８を形成する工程を行った後、ＣＶＤ法等により、蓋材２８上に付加膜３１を形成する。
次に、図１４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法等により、付加膜３１上に所定のパターンを有するレジスト２９を形成する。
次に、図１４（ｃ）に示すように、レジスト２９をマスクとして、ＲＩＥ等により付加膜３１にエッチングを施し、レジスト２９のパターンを転写する。
次に、図１４（ｄ）に示すように、付加膜３１をマスクとして、ＲＩＥ等により蓋材２８にエッチングを施し、付加膜３１のパターンを転写した後、付加膜３１および第２のキャップ膜２０上に絶縁膜３０を形成する。なお、レジスト２９は蓋材２８をパターニングする前または後に除去する。また、絶縁膜３０を形成する前に、付加膜３１を除去してもよい。
（第７の実施の形態の効果）
本発明の第７の実施の形態によれば、蓋材２８をＳＯＤ法、ＳＯＧ法等の薬液が塗布時に高い粘性を有するような方法で形成することにより、反応物排出孔２３の開口部近傍のみを埋めるような形状に形成することができる。これにより、エアギャップ１５内に蓋材２８が入り込むことを抑え、各層間絶縁膜、エアギャップ１５等に含まれる水分をより効率的に外部に排出することができる。
〔他の実施の形態〕
なお、上記各実施例は一実施例に過ぎず、本発明はこれらに限定されずに、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
例えば、第１の層間絶縁膜１７にＳｉＣ膜、第２の層間絶縁膜１８にＳｉＯ２膜を用いることができる。この場合、第２の層間絶縁膜１８のエッチングに用いるエッチャントとして、フッ酸、フッ化アンモニウム等を用いることができる。
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。例えば、第２の実施の形態に係る半導体装置１０の製造方法、第３の実施の形態に係る配線１２およびビア２１の構成は、他の実施の形態に係る半導体装置１０に適用することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の有する所定の配線層の平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の図１の破線Ａ−Ａにおける断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。 （ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施の形態に係る配線およびビアの製造方法を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の有する所定の配線層の平面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の有する所定の配線層の平面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の図７の破線Ｂ−Ｂにおける断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の図７の破線Ｃ−Ｃにおける断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。 （ｃ）〜（ｄ）は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る半導体装置の有する所定の配線層の平面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を表す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体装置の他の製造方法を表す断面図である。
符号の説明
１０ 半導体装置。 １２ 配線。 １３、１３ａ、１３ｂ メタルリング。 １５ エアギャップ。 １７ 第１の層間絶縁膜。 １８ 第２の層間絶縁膜。 ２１ ビア。 ２３ 反応物排出孔。 ２７ａ、２７ｂ 回路ブロック。 ２８ 蓋材。

Claims (6)

  1. 表面に半導体素子を有する半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された配線構造を含む層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜内に形成されたメタルリングと、
    前記層間絶縁膜の前記メタルリングの片側の領域に形成されたエアギャップと、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記配線構造を含む前記層間絶縁膜は、ビアを含む第１の層間絶縁膜および前記ビアと接続した配線を含む第２の層間絶縁膜が積層して形成され、
    前記メタルリングは、前記第２の層間絶縁膜内に形成された閉ループ形状を有する配線を含み、
    前記エアギャップは、前記第２の層間絶縁膜における前記閉ループ形状を有する配線の閉ループ内の領域に形成された、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記層間絶縁膜内の前記メタルリングの内側の領域に、他のメタルリングを更に有し、
    前記エアギャップは、前記層間絶縁膜内の前記メタルリングと前記他のメタルリングの間の領域に形成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記層間絶縁膜内の前記メタルリングの前記片側の領域に形成された配線は、前記層間絶縁膜の上層または下層の前記メタルリングを含まない他の層間絶縁膜内に形成された配線を介して、前記メタルリングの他の側の領域に形成された回路に接続される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  5. 表面に半導体素子を有する半導体基板上に層間絶縁膜を形成工程と、
    前記層間絶縁膜内にメタルリングを含む配線構造を形成する工程と、
    前記メタルリングの内側の前記層間絶縁膜の少なくとも一部を、前記層間絶縁膜の上層に形成された絶縁膜を通して露出させる反応物排出孔を形成する工程と、
    前記メタルリングの内側の前記層間絶縁膜をエッチングにより前記反応物排出孔を介して除去する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 前記メタルリングの内側の前記層間絶縁膜を除去する工程の後、前記反応物排出孔の少なくとも開口部近傍を埋めるように蓋材を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
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