JP2009130126A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エアギャップにより配線間の寄生容量を低減しつつ、ボトムボーダーレスビアによるエアギャップを介した隣接配線との短絡を防ぐことができる半導体装置を提供することを課題とする。
【解決手段】第１の絶縁膜上に所定間隔で設けられた少なくとも一対の第１の金属配線と、第１の金属配線を覆う配線間絶縁膜と、配線間絶縁膜上で、第１の金属配線と交差する第２の金属配線と、一対の第１の金属配線の一方又は両方と第２の金属配線とに接続されるプラグとを備え、配線間絶縁膜が、一対の第１の金属配線の間において、エアギャップを含む領域と、配線間絶縁膜のみからなる領域とを備え、配線間絶縁膜のみからなる領域が、プラグと接続される部位に対応する前記一対の第１の金属配線間に位置することを特徴とする半導体装置により上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、多層配線を有する半導体装置及びその製造方法に関する。

近年の半導体装置は、それに集積されている回路の高密度化に伴い、回路を構成する配線間の間隔が縮小され、また、配線が多層化されている。その結果、配線間の寄生容量が増加している。配線間の寄生容量の増加は、集積回路の動作速度を遅延させ、高速化を阻害する。また、配線相互のクロストークも問題となる。

通常、層間絶縁膜としては、比誘電率が４程度のＳｉＯ₂が用いられている。配線間の寄生容量を小さくするために、ＳｉＯ₂より低誘電率の層間絶縁膜を用いることが提案されている。例えば、膜中に微細な空孔を有する多孔質膜や、有機ＳＯＧ膜等の低誘電率膜が実用化されている。しかし、これら膜は、製造設備の変更が必要であること、加工の難易度が高いという問題があった。加えて、これら膜は、機械的強度が低いという膜の特性上の問題も多い。

配線間の寄生容量を小さくするための別の方法として、低誘電率膜を使用する代わりに、配線間にエアギャップと呼ばれる空隙を配置する方法がある。エアギャップは閉領域からなる空隙で、比誘電率がほぼ１と低い。そのため、配線間の寄生容量を低減するのに効果的である。

エアギャップを形成する方法として、特許第２８５３６６１号公報（特許文献１）の方法がある。この方法は、配線間の距離に応じてエアギャップを形成する方法である。以下、このエアギャップの形成方法について図１８〜２１を用いて説明する。

まず、図１８のように、半導体基板３０１に金属膜を堆積する。公知のフォト、エッチング技術により、金属膜から複数の第１の金属配線３０２を形成する。隣り合う第１の金属配線３０２間の距離は、設計で規定された値以上で任意に設定され、配線間距離が大きい箇所もあれば小さい箇所もある。

次に、図１９のように、第１の金属配線３０２を覆うように、第１の層間絶縁膜３０３を堆積する。このときの成膜条件を調整することによって、第１の金属配線３０２間の距離がある値以下の場合に、エアギャップ３０４を形成することができる。次に、第１の層間絶縁膜３０３の上面を公知の平坦化技術（例えば、ＣＭＰ技術）により平坦化する。

次に、図２０のように、第１の金属配線３０２と、後に形成される第２の金属配線とを接続するためのプラグ形成用の接続孔を第１の層間絶縁膜３０３に公知のフォト、エッチング技術により形成する。この後、接続孔にプラグ材料を堆積し、公知の平坦化技術（例えば、ＣＭＰ技術）によりプラグ材料層を平坦化することで接続プラグ３０５を得る。
次に、図２１のように、金属膜を堆積する。公知のフォト、エッチング技術により、金属膜から第２の金属配線３０６を形成する。

多層配線形成工程では、アライメントずれによって、図２１のように、接続する第１の金属配線３０２の縁からはみ出したボトムボーダーレスビアと呼ばれる接続プラグが形成されることがある。上記方法では、アライメントずれ時に、接続孔のエッチングによりエアギャップ３０４と接続孔とがつながることがある。この場合、プラグ材料がエアギャップに入り込んで、隣接する第１の金属配線３０２同士が短絡するという問題が生じる。参照番号３０５’は、接続孔と接続したエアギャップを、３０７は、第２の層間絶縁膜を意味する。

上記短絡を解決する方法として、特開平１１−１７００５号公報（特許文献２）の方法がある。この方法は、薄い絶縁膜で第１の金属配線を覆い、その後エアギャップを形成する方法である。以下、このエアギャップの形成方法について図２２〜２６を用いて説明する。
まず、図２２のように、半導体基板４０１に金属膜を堆積する。公知のフォト、エッチング技術により、金属膜から複数の第１の金属配線４０２を形成する。

次に、図２３のように、第１の金属配線４０２を覆うように、第２の絶縁膜４０３を堆積する。
次に、図２４に示すように、第１の金属配線４０２と第２の絶縁膜４０３とを覆うように、第３の絶縁膜４０４を堆積する。このときの成膜条件を調整することによって、第１の金属配線４０２間の距離がある値以下の場合に、エアギャップ４０５を形成することができる。次に、第２の絶縁膜４０３の上面を公知の平坦化技術（例えば、ＣＭＰ技術）により平坦化する。

次に、図２５のように、第１の金属配線４０２と、後に形成される第２の金属配線を接続するためのプラグ形成用の接続孔を第２の絶縁膜４０３と第３の層間絶縁膜４０４とからなる第１の層間絶縁膜に公知のフォト、エッチング技術により形成する。この後、接続孔にプラグ材料を堆積し、公知の平坦化技術（例えば、ＣＭＰ技術）によりプラグ材料層を平坦化することで接続プラグ４０６を得る。
次に、図２６のように、金属膜を堆積する。公知のフォト、エッチング技術により、金属膜から第２の金属配線４０７を形成する。参照番号４０６’は、接続孔と接続したエアギャップを、４０８は、第２の層間絶縁膜を意味する。
特許第２８５３６６１号公報 特開平１１−１７００５号公報

図２２〜２６の方法では、図１８〜２１の方法に比べて、第１の金属配線間の短絡を防止できる。しかし、この方法でも、より一層、微細加工が進み第１の金属配線間の距離が小さくなると、接続孔のエッチングによりエアギャップ４０５と接続孔とがつながることにより、隣接する第１の金属配線４０２同士が短絡するという問題が解決されていなかった。
以上のように、エアギャップにより配線間の寄生容量を低減しつつ、ボトムボーダーレスビアによるエアギャップを介した隣接配線との短絡を防ぐことができる半導体装置及びその製造方法を提供することが望まれていた。

かくして本発明によれば、第１の絶縁膜上に所定間隔で設けられた少なくとも一対の第１の金属配線と、
前記第１の金属配線を覆う配線間絶縁膜と、
前記配線間絶縁膜上で、前記第１の金属配線と交差する第２の金属配線と、
前記一対の第１の金属配線の一方又は両方と前記第２の金属配線とに接続されるプラグとを備え、
前記配線間絶縁膜が、前記一対の第１の金属配線の間において、エアギャップを含む領域と、配線間絶縁膜のみからなる領域とを備え、
前記配線間絶縁膜のみからなる領域が、前記プラグと接続される部位に対応する前記一対の第１の金属配線間に位置する
ことを特徴とする半導体装置が提供される。

また、本発明によれば、上記半導体装置の製造方法であって、
前記第１の絶縁膜上に所定間隔を備えた少なくとも一対の前記第１の金属配線を形成する工程と、
前記一対の第１の金属配線を覆うように前記配線間絶縁膜を形成することで、前記エアギャップを含む領域と、前記配線間絶縁膜のみからなる領域を形成する工程と、
前記プラグを形成する領域の前記配線間絶縁膜を除去し、除去部分にプラグ形成材料を埋めることでプラグを形成する工程と、
前記プラグ上及び前記配線間絶縁膜上に前記第２の金属配線を形成する工程と
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明の第１の金属配線と第２の金属配線とを含む多層配線を有する半導体装置によれば、第１の金属配線間に選択的にエアギャップを形成することができる。
そのため、第１の金属配線間の寄生容量を低減できる。また、第１の金属配線と第２の金属配線とを接続するプラグを形成する際に、アライメントのずれによってボトムボーダーレスビアが発生することを防止できる。この結果、ボトムボーダーレスビアとエアギャップとを介して隣接する第１の金属配線が短絡することを防止できる。

更に、エアギャップを含む領域において、一方の第１の金属配線の側壁から他方の第１の金属配線の側壁に向かって、第２の絶縁膜、エアギャップを含む第３の絶縁膜及び第２の絶縁膜の組み合わせ、第２の絶縁膜、エアギャップを含む第３の絶縁膜の組み合わせ、又はエアギャップを含む第２の絶縁膜のいずれかからなる構成を有し、かつ
前記配線間絶縁膜のみからなる領域において、一方の第１の金属配線の側壁から他方の第１の金属配線の側壁に向かって、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜の組み合わせ、又は第３の絶縁膜のみからなる構成を有することで、以下の効果を奏する。

即ち、第１の金属配線の間隙のエアギャップ形成前の絶縁膜からなる溝のアスペクト比（高さ÷幅）を、エアギャップの形成を望む領域で、望まない領域に比べて、大きくすることができる。その結果、第２の絶縁膜を有するエアギャップの形成を望む領域にエアギャップを選択的に形成できる。

一方、エアギャップの形成を望まない領域では、配線間絶縁膜にエアギャップが形成されないため、ミスアライメントによりボトムボーダーレスビアが発生しても、エアギャップを介して生じる、隣接する第１の金属配線同士の短絡を防止できる。

また、エアギャップを含む領域が、一方の第１の金属配線の側壁から他方の第１の金属配線の側壁に向かって、第２の絶縁膜、エアギャップを含む第３の絶縁膜及び第２の絶縁膜の組み合わせ、第２の絶縁膜、エアギャップを含む第３の絶縁膜の組み合わせ、又はエアギャップを含む第２の絶縁膜のいずれかからなる構成を有していても、同様の効果が得られる。
また、第２の絶縁膜が、前記第３の絶縁膜と同じか又は低い比誘電率を有することで、第１の金属配線間の寄生容量を更に低減できる。

また、第１の金属配線の延在方向に直交する方向において、配線間絶縁膜のみからなる領域の第３の絶縁膜の底部から第１の金属配線の上面までの高さ／第３の絶縁膜の幅比より、エアギャップを含む領域のエアギャップを含む第２の絶縁膜又はエアギャップを含む第３の絶縁膜の底部から第１の金属配線の上面までの高さ／第２又は第３の絶縁膜の幅比が１．１倍以上の大きさを有する場合にエアギャップが形成される。
なお、第２の絶縁膜が第１の金属配線の側壁のみに位置する場合においてもエアギャップを有する領域と有さない領域とのアスペクト比の差を持つ事で同様にエアギャップが形成できる。

本発明の製造方法によれば、上記寄生容量が低減され、短絡が防止された半導体装置を容易に形成できる。
また、第２の絶縁膜よりエッチング速度の遅い材料を第１の絶縁膜に用いることで、エアギャップを有する領域と有さない領域とのアスペクト比の差をより大きくできる。

また、第１の絶縁膜が窒素又は炭素を含有する膜であることで、第１の絶縁膜のエッチング速度を第２の絶縁膜より遅くできる。その結果、第２の絶縁膜を選択的に除去する工程において、エアギャップを有する領域と有さない領域とのアスペクト比の差をより大きくできる。
また、配線間絶縁膜が第２の絶縁膜を含み、第２の絶縁膜がフッ素を含有する膜であることで、第２の絶縁膜の比誘電率をより低下できる。その結果、第１の金属配線間の寄生容量をより低減できる。

本発明の半導体装置を構成する第１の絶縁膜は、当該分野で通常使用される材料からなる膜であれば特に限定されない。例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣ、ＳｉＯＦ等からなる膜が挙げられる。第１絶縁膜の厚さは、特に限定されないが、５０〜１００ｎｍとすることができ、更に薄く２０〜５０ｎｍとすることもできる。

第１の絶縁膜は、例えばシリコン基板のような半導体基板上に形成されていてもよい。また、半導体基板上に、トランジスタ、メモリ、抵抗、キャパシタ等の素子を形成し、それらを覆う層間絶縁膜上に第１の絶縁膜が形成されていてもよい。

第１の絶縁膜上に設けられる第１の金属配線は、当該分野で通常使用される材料からなる膜であれば特に限定されない。例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｔｉ等の金属、それら金属の合金、それら金属の窒化物等が挙げられる。更に、第１の金属配線は、これら金属、合金、窒化物等の積層体であってもよい。積層体としては、例えば、金属／窒化物／合金／窒化物の構成が挙げられ、より具体的には、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＡｌＣｕ／ＴｉＮのような構成が挙げられる。この構成であれば、第１の絶縁膜と、第１の金属配線を覆う第２の絶縁膜との密着性を確保しつつ、所望の導電性を確保できる。第１の金属配線の厚さは、特に限定されないが、２００〜５００ｎｍとすることができる。

第１の金属配線の幅は、第１の金属配線を流れる電流や電圧の大きさ、構成する材質により相違するが、通常、１００〜５００ｎｍである。
第１の金属配線は、第１の絶縁膜上に、所定間隔で少なくとも一対設けられる。所定間隔は、第１の金属配線間に、エアギャップを含む領域と、配線間絶縁膜のみからなる領域とを形成することができさえすれば、特に限定されない。例えば、所定間隔は、第１の金属配線の幅と同程度にすることができる。

第１の金属配線は、所定間隔で少なくとも一対設けられていさえすれば、その本数、形状等は限定されない。また、第１の金属配線を、ＳｉＯＮ膜、有機膜等の反射防止膜で覆っておいてもよい。
第１の金属配線は、配線間絶縁膜に覆われている。この配線間絶縁膜は、一対の第１の金属配線の間において、エアギャップを含む領域と、配線間絶縁膜のみからなる領域とを備えている。また、層間絶縁膜は、その中にプラグが形成されるので、プラグの形成が可能な程度の厚さを有していることが好ましい。例えば、第１の絶縁膜の表面から５００〜１５００ｎｍの厚さが挙げられる。層間絶縁膜及びプラグの上面は、平坦化されていてもよい。

配線間絶縁膜上には、第１の金属配線と交差する第２の金属配線が形成されている。第２の金属配線は、当該分野で通常使用される材料からなる膜であれば特に限定されない。例えば、上記第１の金属配線に使用できる材料をいずれも使用できる。また、第１の金属配線と同様、ＳｉＯＮ膜、有機膜等の反射防止膜で覆っておいてもよい。

また、第２の金属配線の形状は、第１の金属配線と交差しさえすれば、特に限定されない。ただし、第２の金属配線を所定間隔で少なくとも一対設け、第１の金属配線と同様に、その間にエアギャップを設けることを所望する場合は、第１の金属配線と同様の条件を満たす必要がある。

更に、層間絶縁膜中には、一対の第１の金属配線の一方又は両方と第２の金属配線とを接続するプラグが形成されている。プラグ用の材料には、当該分野で通常使用される材料をいずれも使用できる。例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｔｉ等の金属、それら金属の合金、それら金属の窒化物等が挙げられる。更に、プラグは、これら金属、合金、窒化物等の積層体であってもよい。積層体としては、例えば、窒化物／金属の構成が挙げられ、より具体的には、ＴｉＮ／Ｗのような構成が挙げられる。この構成であれば、第１の金属配線との密着性を確保しつつ、所望の導電性を確保できる。

プラグの平面形状は、第１の金属配線と第２の金属配線との導通を確保できさえすれば、特に限定されない。例えば、円、楕円、長方形、正方形、不定形等が挙げられる。この内、円及び正方形が通常使用される。第１の金属配線の延在方向に直交する方向のプラグの下端の幅は、第１の金属配線の幅と同程度とすることができる。同程度であれば、隣接する第１の金属配線同士のプラグによる短絡を防止しやすい。なお、プラグの上端の幅は、プラグの形成の容易性を考慮すると、下端の幅の１〜１．３倍であることが好ましい。

配線間絶縁膜のみからなる領域が、プラグと接続される部位に対応する一対の第１の金属配線間に位置する。つまり、プラグと接続される部位に対応する一対の第１の金属配線間には、エアギャップが形成されていない。そのため、プラグを形成したとき、エアギャップにプラグ形成材料が入ることなく、ボトムボーダーレスビアによるエアギャップを介した隣接配線との短絡を防ぐことができる。

配線間絶縁膜の構成としては、エアギャップを含む領域及び配線間絶縁膜のみからなる領域において、以下の構成が一例として挙げられる。
まず、エアギャップを含む領域において、一方の第１の金属配線の側壁から他方の第１の金属配線の側壁に向かって、
（１）第２の絶縁膜、エアギャップを含む第３の絶縁膜及び第２の絶縁膜の組み合わせ、
（２）第２の絶縁膜、エアギャップを含む第３の絶縁膜の組み合わせ、
（３）エアギャップを含む第２の絶縁膜、
からなる構成が挙げられる。

一方、配線間絶縁膜のみからなる領域において、一方の第１の金属配線の側壁から他方の第１の金属配線の側壁に向かって、
（ａ）第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜の組み合わせ、
（ｂ）第３の絶縁膜のみ、
からなる構成が挙げられる。

上記構成（１）〜（３）及び（ａ）〜（ｂ）の組み合わせは任意である。また、第２の絶縁膜を、第１の金属配線の側壁のみに位置するように形成すれば、エアギャップを一対の第１の金属配線間の底部付近まで形成できるので、より寄生容量を低減できる。
また、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜用の材料は、特に限定されず、当該分野で通常使用される材料をいずれも使用できる。例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣ、ＳｉＯＦ等からなる膜が挙げられる。

更に、第２の絶縁膜は、第３の絶縁膜と同じか又は低い比誘電率を有してもよい。この比誘電率を有することで、第１の金属配線間の寄生容量を更に低減できる。第２の絶縁膜の比誘電率は、例えば、２．５〜４．５の範囲であり、第３の絶縁膜の比誘電率は、例えば、３．５〜４．５の範囲である。具体的な、第２の絶縁膜と第３の絶縁膜との組み合わせとして、第２の絶縁膜／第３の絶縁膜で表して、ＰＣＶＤ−ＳｉＯ／ＨＤＰ−ＣＶＤ−ＳｉＯ、低誘電率層間絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）／ＨＤＰ−ＣＶＤ−ＳｉＯＦ等が挙げられる。なお、ＨＤＰは高密度プラズマの略である。

第２絶縁膜の厚さは、一対の第１の金属配線間を満たさない膜厚に限定され、例えば一対の金属配線間隔が２００ｎｍの場合は、１０〜２００ｎｍとなる。第３絶縁膜の厚さは、一対の第１の金属配線間を満たし、それにプラグを形成しうる厚さである。例えば、第１の金属配線の上面から、５０〜５００ｎｍの厚さとなるように、第３絶縁膜の全体の厚さを調製できる。

更に、第１の金属配線の延在方向に直交する方向において、配線間絶縁膜のみからなる領域の第３の絶縁膜の底部から第１の金属配線の上面までの高さ／第３の絶縁膜の幅比より、エアギャップを含む領域のエアギャップを含む第２の絶縁膜又はエアギャップを含む第３の絶縁膜の底部から前記第１の金属配線の上面までの高さ／第２または第３の絶縁膜の幅比が１．１倍以上の大きさを有する場合にエアギャップが形成される。

なお、本発明の半導体装置は、
第１の絶縁膜上に等間隔で延在する領域を有する２本の第１の金属配線と、
第１の金属配線を覆う絶縁膜と、
絶縁膜を介して前記第１の金属配線と少なくとも一部重複する第２の金属配線と、
第１の金属配線の一方又は両方と第２の金属配線とを接続するための両金属配線に接するプラグとを少なくとも含み、
平面視で、絶縁膜が、等間隔で延在する領域における２本の第１の金属配線間にエアギャップを備える領域と備えない領域を有し、
プラグが、前記備えない領域の絶縁膜と接し、
備える領域の第１の金属配線間の絶縁膜が、第１の金属配線側から第２の絶縁膜及びエアギャップを備える第３の絶縁膜からなり、
備えない領域の第１の金属配線間の絶縁膜が、第３の絶縁膜からなる構成を有してもよい。

次に、半導体装置の製造方法を説明する。
まず、第１の絶縁膜上に所定間隔を備えた少なくとも一対の前記第１の金属配線を形成する。第１の絶縁膜は、特に限定されず、プラズマＣＶＤ法、ＣＶＤ法、熱酸化法等の公知の方法で形成できる。また、第１の金属配線は、特に限定されず、公知の方法で形成できる。例えば、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタ法等により金属膜を形成した後、フォト、エッチング技術を用いてパターニングすることで形成できる。

次に、一対の第１の金属配線を覆うように配線間絶縁膜を形成することで、エアギャップを含む領域と、配線間絶縁膜のみからなる領域を形成する。
層間絶縁膜の形成方法は、エアギャップを含む領域と、配線間絶縁膜のみからなる領域を作り分けることができる方法であれば、いずれの方法も使用できる。例えば、層間絶縁膜が、第１の金属配線側から、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜の２層からなる場合、この２層を適宜使用する方法がある。

具体的には、第３の絶縁膜の形成時に、同時にエアギャップを形成する方法がある。エアギャップは、第３の絶縁膜が形成される領域のアスペクト比が大きい部分に優先的に形成される。そのため、第１の金属配線の延在方向に直交する方向において、第２の絶縁膜の形成場所を調整することで、第３の絶縁膜を形成する第１の金属配線間のアスペクト比を、エアギャップの形成を所望する領域では大きく、所望しない領域では小さくする方法がある。即ち、所望する領域においてのみ、第２の絶縁膜を一対の第１の金属配線が向かい合う側壁の一方又は両方に形成することで、アスペクト比を調整できる。なお、所望する領域のアスペクト比は、所望しない領域のアスペクト比より１．１倍以上大きくすることでエアギャップが形成される。この条件では、エアギャップの作り分けがより容易となる。更に、第２の絶縁膜は、第１の金属配線の側壁に形成されていればよく、第１の金属配線間の第１の絶縁膜上に形成されていても、形成されていなくてもよい。形成されていない場合は、エアギャップがより下方に形成され、第１の金属配線層間の寄生容量を低減できる。

なお、第１の絶縁膜が、同一のエッチング条件下で、第２の絶縁膜よりエッチングレートが遅い材料からなっていてもよい。遅い材料からなることで、エアギャップを含む領域を形成する際の第２の絶縁膜の除去において、第１の絶縁膜も同時に除去されるのを防止できる。その結果、エアギャップを有する領域と有さない領域とのアスペクト比の差をより大きくできる。第１の絶縁膜のドライエッチング速度は、第２の絶縁膜のドライエッチング速度の０．９倍以下の速度が望ましい。
例えば、上記ドライエッチング速度を満たす第１の絶縁膜と第２の絶縁膜の組み合わせとしては、ＳｉＮ／ＳｉＯ、ＳｉＮ／ＳｉＯＦ等が挙げられる。

更に、プラグを形成する領域の配線間絶縁膜を除去する。除去方法は、特に限定されず、公知のフォト、エッチング技術を使用できる。この後、除去部分にプラグ形成材料を埋めることでプラグを形成する。プラグの形成方法は、特に限定されず、例えば、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタ法等が挙げられる。また、プラグを形成後、ＣＭＰ法のような公知の平坦化技術により、プラグ及び層間絶縁膜の表面を平坦化してもよい。平坦化することで、第２の金属配線に段差が形成されることによる断線の発生を抑制できる。

次いで、プラグ上及び配線間絶縁膜上に第２の金属配線を形成することにより半導体装置を製造できる。第２の金属配線の形成方法は、特に限定されず、第１の金属配線の形成方法と同じ方法を使用できる。なお、第１の金属配線及び第２の金属配線上には、公知のＣＶＤ法、スパッタ法等により反射防止膜を形成してもよい。第２の金属配線を、層間絶縁膜としての第４の絶縁膜で覆ってもよい。

以下、実施の形態を用いて本発明をより具体的に説明する。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１の半導体装置の概略平面図を図１に、図１のＡ−Ａ’線の概略断面図を図２に示す。ここで、図１は、実施の形態１における半導体装置の配線レイアウトを模式的に示している。図２に示すように、半導体装置は、半導体基板１０１上に第１の絶縁膜１０２と、第１の絶縁膜１０２上の第１の金属配線１０３と、第２の絶縁膜１０４と第１の金属配線１０３を覆うように形成された第３の絶縁膜１０６及びエアギャップ１０７を備える領域と、第１の金属配線１０３間隙に備えられた第２の絶縁膜を有さない領域とを備えている。
次に、実施の形態１の半導体装置の製造方法について、図３〜図８を基に説明する。ここで、図３〜図８は、各工程における半導体装置の概略断面工程図である。

図３のように半導体基板１０１の上に第１の絶縁膜１０２を堆積する。例えば、ＳｉＮ膜（比誘電率７．０）を以下の条件で形成する。
成膜設備：プラズマＣＶＤ
基板温度：３５０〜５００℃
膜厚：１０〜２００ｎｍ
ガス１：ＳｉＨ₄ ５０〜４００ＳＣＣＭ
ガス２：ＮＨ₃ ５０〜１０００ＳＣＣＭ
ガス３：Ｎ₂ １〜３ＳＬＭ
ソースパワー（１３．５６ＭＨｚ）：１００〜１０００Ｗ
バイアスパワー（３５０ｋＨｚ）：５０〜５００Ｗ
真空度：１〜５Ｔｏｒｒ
（ＳＣＣＭはｓｔａｎｄｅｒｄ ｃｍ／ｍｉｎ：１気圧、２５℃、ＳＬＭはｓｔａｎｄｅｒｄ リットル／ｍｉｎ：１気圧、２５℃）

次に、第１の絶縁膜１０２上に金属膜を堆積する。例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＡｌＣｕ、ＴｉＮの順にそれぞれ２０ｎｍ、３０ｎｍ、４００ｎｍ、５０ｎｍ堆積して金属膜とする。公知のフォト、エッチング技術を用いて、金属膜を第１の金属配線１０３に加工する。
次に、図４のように第１の絶縁膜１０２と第１の金属配線１０３を覆うように第２の絶縁膜１０４を堆積する。例えば、ＳｉＯ膜（比誘電率４．２）を以下の条件で形成する。
成膜設備：プラズマＣＶＤ
基板温度：３５０〜５００℃
膜厚：１０〜１５０ｎｍ
ガス１：ＴＥＯＳ ４００〜１０００ｍｇ
ガス２：Ｏ₂ ３００〜１０００ＳＣＣＭ
ガス３：Ｈｅ ３００〜１０００ＳＣＣＭ
ソースパワー（１３．５６ＭＨｚ）：３００〜１５００Ｗ
真空度：３〜１５Ｔｏｒｒ

また、第１の金属配線の側壁に形成される第２の絶縁膜の膜厚は、第１の金属配線の間隔の１／２未満とし、エアギャップの大きさに応じて膜厚調整を行う。
次に、図５のように公知のフォト技術にて、エアギャップの形成を所望する領域を覆い、エアギャップの形成を所望しない領域を露出させたレジストパターンを形成し、このパターンをマスクとしてケミカルドライエッチにてエアギャップの形成を所望しない領域の第２の絶縁膜を除去する。その後、レジストパターンを除去する。なお、ケミカルドライエッチングは、例えば、ＣＦ系のガスを用いて行う。図５中、参照番号１０５はフォトレジストを意味する。

次に、図６のように半導体基板１０１上の第１の絶縁膜１０２と、第２の絶縁膜１０４と、第１の金属配線１０３を覆うように、第３の絶縁膜１０６を形成する。例えば、第３の絶縁膜１０６は以下の条件で形成したＳｉＯ膜（比誘電率４．２）とする。
成膜設備：ＨＤＰ−ＣＶＤ（高密度プラズマ化学気相成長法）
基板温度：３００〜５００℃
膜厚：３００〜２０００ｎｍ
ガス１：ＳｉＨ₄ ５０〜２００ＳＣＣＭ
ガス２：Ｏ₂ ５０〜３００ＳＣＣＭ
ガス３：Ａｒ ５０〜３００ＳＣＣＭ
ソースパワー（４００ｋＨｚ）：２０００〜５０００Ｗ
バイアスパワー（１３．５６ＭＨｚ）：１０００〜４０００Ｗ

ＨＤＰ−ＣＶＤ法で第３の絶縁膜１０６を形成することで、第１の金属配線間が所定のアスペクト比以上であればエアギャップ１０７が形成される。例えば、成膜チャンバーにＳｉＨ₄を１００ｓｃｃｍ、Ｏ₂を１００ｓｃｃｍ、Ａｒを３００ｓｃｃｍ導入し、周波数４５０ｋＨｚのプラズマ発生源の電力（ソースパワー）を３５００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚのバイアスパワーを２０００Ｗとする。この条件であれば、第１の金属配線間隙のアスペクト比として２．５以下の埋め込みが可能である。このとき、設計で規定される最小配線間隔を、例えば第１の金属配線の間隔が２００ｎｍ、高さが５００ｎｍ、第１の金属配線の側壁に形成される第２の絶縁膜１０４の膜厚が５０ｎｍとするとき、第２の絶縁膜を有さない領域の配線間のアスペクト比は２．５となりエアギャップが形成されない。しかし、第２の絶縁膜１０４を有する領域は、配線間のアスペクト比が５．０となりエアギャップ１０７が形成される。ここでは配線間隙のアスペクト比を２．５として成膜条件を記載したが、電力やガス流量などを変えることで所定のアスペクト比の値は０．１から４の範囲で任意に変えることができる。

次に、公知のＣＭＰ（化学的機械研磨）技術を用いて平坦化を行う。なお、平坦化処理前にプラズマＴＥＯＳ膜のような絶縁膜を堆積し、次いで平坦化処理をしてもよい。
次に、図７のように第１の金属配線１０３と第２の金属配線を接続するためのプラグ形成用の接続孔を公知のフォト、エッチング技術により形成し、公知の金属膜堆積技術により接続孔を金属で充填し、公知のＣＭＰ技術により接続孔外の金属膜を除去することでプラグ１０８を形成する。例えば、形成された接続孔にＣＶＤ法によりＴｉＮ、Ｗの順にそれぞれ１０ｎｍ、３００ｎｍ堆積し、ＣＭＰ法により接続孔外のＴｉＮ、Ｗを除去することでプラグを形成できる。このとき、第１の金属配線１０３と接続孔のアライメントにずれが生じることで、プラグがボトムボーダーレスビアとなることがある。

実施の形態１では、第１の金属配線間に第２の絶縁膜が存在せずエアギャップが形成されない領域にプラグが設けられる。よって、この領域には、ボトムボーダーレスビアが形成されないため、エアギャップを介して隣接配線が短絡するという不良を防止できる。

次に、図８のように公知のフォト、エッチング技術を用いて金属膜を加工することで第２の金属配線１０９を形成する。例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＡｌＣｕ、ＴｉＮの順にそれぞれ２０ｎｍ、３０ｎｍ、４００ｎｍ、５０ｎｍ堆積して金属膜を形成する。公知のフォト、エッチング技術を用いて金属膜を第２の金属配線１０９に加工する。

また、第１の配線金属膜上にＳｉＯＮ膜などの反射防止膜を堆積してもよい。次に、第４の絶縁膜１１０を堆積する。上記のように配線とプラグを形成する工程を経ることで、図２のように配線間にエアギャップを有する多層配線が形成できる。なお、第２絶縁膜を除去するためのエッチングガスとしてＣ₅Ｆ₈を使用した場合、第１の絶縁膜のエッチングレートは、２５ｎｍ／ｍｉｎであり、第２の絶縁膜のエッチングレートは、５００ｎｍ／ｍｉｎである。

（実施の形態２）
まず、実施の形態２の半導体装置の概略平面図を図９に、図９のＡ−Ａ’線の概略断面図を図１０に示す。ここで、図９は、実施の形態２における半導体装置の配線レイアウトを模式的に示している。図１０に示すように、半導体装置は、半導体基板２０１上に第１の絶縁膜２０２と、第１の絶縁膜２０２上の第１の金属配線２０３と、第２の絶縁膜と第１の金属配線を覆うように形成された第３の絶縁膜２０６及びエアギャップ２０７を備える領域と、第１の金属配線２０３間隙に第２の絶縁膜を有さない領域とを備えている。
次に、実施の形態２の半導体装置の製造方法について、図１１〜図１７を基に説明する。ここで、図１１〜図１７は、各工程における半導体装置の概略工程断面図である。

図１１のように半導体基板２０１の上に第１の絶縁膜２０２を堆積する。例えば、ＳｉＮ膜（比誘電率７．０）を以下の条件で形成する。
成膜設備：プラズマＣＶＤ
基板温度：３５０〜５００℃
膜厚：１０〜２００ｎｍ
ガス１：ＳｉＨ₄ ５０〜４００ＳＣＣＭ
ガス２：ＮＨ₃ ５０〜１０００ＳＣＣＭ
ガス３：Ｎ₂ １〜３ＳＬＭ
ソースパワー（１３．５６ＭＨｚ）：１００〜１０００Ｗ
バイアスパワー（３５０ｋＨｚ）：５０〜５００Ｗ
真空度：１〜５Ｔｏｒｒ
次に、第１の絶縁膜２０２上に金属膜を堆積する。例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＡｌＣｕ、ＴｉＮの順にそれぞれ２０ｎｍ、３０ｎｍ、４００ｎｍ、５０ｎｍ堆積して金属膜とする。公知のフォト、エッチング技術を用いて、金属膜を第１の金属配線２０３に加工する。

次に、図１２のように第１の絶縁膜２０２と第１の金属配線２０３を覆うように第２の絶縁膜２０４を堆積する。例えば、ＳｉＯ膜（比誘電率４．２）を以下の条件で形成する。
成膜設備：プラズマＣＶＤ
基板温度：３５０〜５００℃
膜厚：１０〜１５０ｎｍ
ガス１：ＴＥＯＳ ４００〜１０００ｍｇ
ガス２：Ｏ₂ ３００〜１０００ＳＣＣＭ
ガス３：Ｈｅ ３００〜１０００ＳＣＣＭ
ソースパワー（１３．５６ＭＨｚ）：３００〜１５００Ｗ
真空度：３〜１５Ｔｏｒｒ

また、第１の金属配線の側壁に形成される第２の絶縁膜の膜厚は、第１の金属配線の間隔の１／２未満とし、エアギャップの大きさに応じて膜厚調整を行う。
次に、図１３のように第２の絶縁膜を異方性ドライエッチングする。なお、異方性ドライエッチングは、例えば、ＣＦ系のガスを用いて行う。ここで行う異方性ドライエッチングにより第１の金属配線間の底部、配線の上部の第２の絶縁膜が除去されサイドウォール形状２０４’となる。その結果、以降形成されるエアギャップをより配線の底部に形成することが可能となる。

次に、図１４のように公知のフォト技術にて、エアギャップの形成を所望する領域を覆い、エアギャップの形成を所望しない領域を露出させたレジストパターンを形成し、このパターンをマスクとしてケミカルドライエッチにてエアギャップの形成を所望しない領域の第２の絶縁膜を除去する。その後、レジストパターンを除去する。なお、ケミカルドライエッチングは、例えば、ＣＦ系のガスを用いて行う。図１４中、参照番号２０５はフォトレジストを意味する。

次に、図１５のように半導体基板２０１上の第１の絶縁膜２０２と、第２の絶縁膜２０４と、第１の金属配線２０３を覆うように第３の絶縁膜２０６を形成する。例えば、第３の絶縁膜２０６は以下の条件で形成したＳｉＯ膜（比誘電率４．２）とする。
成膜設備：ＨＤＰ−ＣＶＤ
基板温度：３００〜５００℃
膜厚：３００〜２０００ｎｍ
ガス１：ＳｉＨ₄ ５０〜２００ＳＣＣＭ
ガス２：Ｏ₂ ５０〜３００ＳＣＣＭ
ガス３：Ａｒ ５０〜３００ＳＣＣＭ
ソースパワー（４００ｋＨｚ）：２０００〜５０００Ｗ
バイアスパワー（１３．５６ＭＨｚ）：１０００〜４０００Ｗ

ＨＤＰ−ＣＶＤ法で第３の絶縁膜２０６を形成することで、第１の金属配線間が所定のアスペクト比以上であればエアギャップ２０７が形成される。例えば、成膜チャンバーにＳｉＨ₄を１００ｓｃｃｍ、Ｏ₂を１００ｓｃｃｍ、Ａｒを３００ｓｃｃｍ導入し、周波数４５０ｋＨｚのプラズマ発生源の電力を３５００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚのバイアス電力を２０００Ｗとする。この条件であれば、第１の金属配線間隙のアスペクト比として２．５以下の埋め込みが可能である。このとき、設計で規定される最小配線間隔を、例えば金属配線間隔が２００ｎｍ、金属配線の高さが５００ｎｍ、第１の金属配線の側壁に形成される第２の絶縁膜２０４の膜厚が５０ｎｍとするとき、第２の絶縁膜を有さない領域の配線間のアスペクト比は２．５となりエアギャップが形成されない。しかし、第２の絶縁膜２０４を有する領域は、配線間のアスペクト比が５．０となりエアギャップ２０７が形成される。ここでは配線間隙のアスペクト比を２．５として成膜条件を記載したが、電力やガス流量などを変えることで所定のアスペクト比の値は０．１から４の範囲で任意に変えることができる。

次に、公知のＣＭＰ（化学的機械研磨）技術を用いて平坦化を行う。なお、平坦化処理前にプラズマＴＥＯＳ膜のような絶縁膜を堆積し、次いで平坦化処理をしてもよい。
次に、図１６のように第１の金属配線２０３と第２の金属配線を接続するためのプラグ形成用の接続孔を公知のフォト、エッチング技術により形成し、公知の金属膜堆積技術により接続孔を金属膜で充填し、公知のＣＭＰ技術により接続孔外の金属膜を除去することでプラグ２０８を形成する。例えば、形成された接続孔にＣＶＤ法によりＴｉＮ、Ｗの順にそれぞれ１０ｎｍ、３００ｎｍ堆積し、ＣＭＰ法により接続孔外のＴｉＮ、Ｗを除去することでプラグを形成できる。このとき、第１の金属配線と接続孔のアライメントにずれが生じることで、プラグがボトムボーダーレスビアとなることがある。

実施の形態２では、第１の金属配線間に第２の絶縁膜が存在せずエアギャップが形成されない領域にプラグが設けられる。よって、この領域には、ボトムボーダーレスビアが形成されないため、エアギャップを介した隣接配線が短絡するという不良を防止できる。

次に、図１７のように公知のフォト、エッチング技術を用いて金属膜を加工することで第２の金属配線２０９を形成する。例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＡｌＣｕ、ＴｉＮの順にそれぞれ２０ｎｍ、３０ｎｍ、４００ｎｍ、５０ｎｍ堆積して金属膜を形成する。公知のフォト、エッチング技術を用いて金属膜を第２の金属配線２０９に加工する。

また、第１の配線金属膜上にＳｉＯＮ膜などの反射防止膜を堆積してもよい。次に、第４の絶縁膜２１０を堆積する。上記のように配線とプラグを形成する工程を経ることで、図１０のように配線間にエアギャップを有する多層配線が形成できる。なお、第２絶縁膜を除去するためのエッチングガスとしてＣ₅Ｆ₈を使用した場合、第１の絶縁膜のエッチングレートは、２５ｎｍ／ｍｉｎであり、第２の絶縁膜のエッチングレートは、５００ｎｍ／ｍｉｎである。

以上のように、本発明によれば、配線間に選択的にエアギャップを形成して配線間の寄生容量を低減することができる。また、ボトムボーダーレスビアが形成される配線間には絶縁膜を堆積してエアギャップを介した隣接配線との短絡を防ぐことができる。このような配線間の寄生容量を低減した多層配線は、より高速な、より微細な半導体装置に係る分野に広く応用することが可能である。

実施の形態１の半導体装置の概略平面図である。 図１のＡ−Ａ’線の概略断面図である。 図１の半導体装置の概略工程断面図である。 図１の半導体装置の概略工程断面図である。 図１の半導体装置の概略工程断面図である。 図１の半導体装置の概略工程断面図である。 図１の半導体装置の概略工程断面図である。 図１の半導体装置の概略工程断面図である。 実施の形態２の半導体装置の概略平面図である。 図９のＡ−Ａ’線の概略断面図である。 図９の半導体装置の概略工程断面図である。 図９の半導体装置の概略工程断面図である。 図９の半導体装置の概略工程断面図である。

図９の半導体装置の概略工程断面図である。 図９の半導体装置の概略工程断面図である。 図９の半導体装置の概略工程断面図である。 図９の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。 従来の半導体装置の概略工程断面図である。

符号の説明

１０１ ２０１ ３０１ ４０１ 半導体基板
１０２ ２０２ 第１の絶縁膜
１０３ ２０３ ３０２ ４０２ 第１の配線金属
１０４ ２０４ ４０３ 第２の絶縁膜
１０５ ２０５ フォトレジスト
１０６ ２０６ ４０４ 第３の絶縁膜
１０７ ２０７ ３０４ ４０５ エアギャップ
１０８ ２０８ ３０５ ４０６ 接続プラグ
１０９ ２０９ ３０６ ４０７ 第２の金属配線
１１０ ２１０ 第４の絶縁膜
２０４’ サイドウォール形状
３０３ 第１の層間絶縁膜
３０５’ ４０６’ 接続孔と接続したエアギャップ
３０７ ４０８ 第２の層間絶縁膜

Claims (9)

1. 第１の絶縁膜上に所定間隔で設けられた少なくとも一対の第１の金属配線と、
   前記第１の金属配線を覆う配線間絶縁膜と、
   前記配線間絶縁膜上で、前記第１の金属配線と交差する第２の金属配線と、
   前記一対の第１の金属配線の一方又は両方と前記第２の金属配線とに接続されるプラグとを備え、
   前記配線間絶縁膜が、前記一対の第１の金属配線の間において、エアギャップを含む領域と、配線間絶縁膜のみからなる領域とを備え、
   前記配線間絶縁膜のみからなる領域が、前記プラグと接続される部位に対応する前記一対の第１の金属配線間に位置する
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記配線間絶縁膜が、
   前記エアギャップを含む領域において、一方の第１の金属配線の側壁から他方の第１の金属配線の側壁に向かって、第２の絶縁膜、エアギャップを含む第３の絶縁膜及び第２の絶縁膜の組み合わせ、第２の絶縁膜、エアギャップを含む第３の絶縁膜の組み合わせ、又はエアギャップを含む第２の絶縁膜のいずれかからなる構成を有し、かつ
   前記配線間絶縁膜のみからなる領域において、一方の第１の金属配線の側壁から他方の第１の金属配線の側壁に向かって、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜の組み合わせ、又は第３の絶縁膜のみからなる構成を有する請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２の絶縁膜が、前記第３の絶縁膜と同じか又は低い比誘電率を有する請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１の金属配線の延在方向に直交する方向において、
   前記配線間絶縁膜のみからなる領域の前記第３の絶縁膜の底部から前記第１の金属配線の上面までの高さ／前記第３の絶縁膜の幅比より、前記エアギャップを含む領域のエアギャップを含む第２の絶縁膜又はエアギャップを含む第３の絶縁膜の底部から前記第１の金属配線の上面までの高さ／前記第２又は第３の絶縁膜の幅比が１．１倍以上大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
5. 前記第２の絶縁膜が、前記第１の金属配線の側壁のみに位置する請求項２〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の絶縁膜上に所定間隔を備えた少なくとも一対の前記第１の金属配線を形成する工程と、
   前記一対の第１の金属配線を覆うように前記配線間絶縁膜を形成することで、前記エアギャップを含む領域と、前記配線間絶縁膜のみからなる領域を形成する工程と、
   前記プラグを形成する領域の前記配線間絶縁膜を除去し、除去部分にプラグ形成材料を埋めることでプラグを形成する工程と、
   前記プラグ上及び前記配線間絶縁膜上に前記第２の金属配線を形成する工程と
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記第１の絶縁膜が、同一のエッチング条件下で、前記第２の絶縁膜よりエッチングレートが遅い材料からなる請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第１の絶縁膜が窒素又は炭素を含有する膜である請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記配線間絶縁膜が第２の絶縁膜を含み、前記第２の絶縁膜がフッ素を含有する膜である請求項６〜８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。