JP2009164372A - Semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、多層配線構造を有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a semiconductor device having a multilayer wiring structure and a manufacturing method thereof.
近年、半導体装置の微細化に伴い、半導体装置を構成する複数の素子同士の間隔及び該素子同士を結ぶ配線の間隔が小さくなってきている。このため、配線における配線間容量が増大して、信号の伝搬速度が低下するという問題が顕在化している。 In recent years, with the miniaturization of a semiconductor device, the interval between a plurality of elements constituting the semiconductor device and the interval between wirings connecting the elements have been reduced. For this reason, the problem that the inter-wiring capacity | capacitance in wiring increases and the propagation speed of a signal falls has become obvious.
そこで、特許文献1に示されているように、配線同士の間に空隙部(エアギャップ)を設けることにより、配線間容量を低下させる方法が検討されている。
Therefore, as shown in
以下、特許文献1に示されている従来の配線の製造方法について、図5(a)〜図5(c)を参照しながら説明する。
Hereinafter, a conventional wiring manufacturing method disclosed in
まず、図5(a)に示すように、半導体基板(図示せず)の上に形成された層間絶縁膜1の上に犠牲膜2を形成する。続いて、犠牲膜2に複数の配線形成用溝を形成し、その後、各配線形成用溝にバリア膜4及び銅膜5を順次堆積することにより、それぞれバリア膜4及び銅膜5からなる複数の配線6を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5(b)に示すように、各配線6を含め犠牲膜2の上の全面に多孔質膜7を堆積する。
Next, as shown in FIG. 5B, a
次に、図5(c)に示すように、加熱等により犠牲膜2を分解して除去することにより、各配線6同士の間にエアギャップ8を形成する。以上の方法により、エアギャップ8を有する配線構造を得ることができる。
しかしながら、前記従来の配線の形成方法は、下記のような種々の問題を有している。 However, the conventional wiring forming method has the following various problems.
まず、従来の形成方法においては、エアギャップ8の下端部の高さは各配線6の下端部の高さとほぼ同一となる。このため、図6に示すように、配線間の電気力線はエアギャップ8だけでなく、層間絶縁膜1及び多孔質膜7をも通過する。その結果、エアギャップ8を形成しているにもかかわらず、配線6の配線間容量が十分に低下しないという問題がある。
First, in the conventional forming method, the height of the lower end portion of the
次に、従来の形成方法では、図7に示すように、配線同士の間隔が広い領域においては多孔質膜7を支持する構造がなくなってしまうため、機械的強度が低くなる。すなわち、機械的強度が低い多孔質膜7は変形して破壊されてしまう。その結果、エアギャップ8の内部に異物が侵入して、配線間に意図しない導通が発生する等の半導体装置の歩留まりが低下するという問題がある。
Next, in the conventional forming method, as shown in FIG. 7, the structure for supporting the
また、従来の製造方法においては、各配線6の上面に多孔質膜7が形成されている。このため、図8に示すように、多孔質膜7の内部を酸化性物質が拡散して、配線6が酸化されてしまい、その結果、配線6の抵抗が増大する等の半導体装置の歩留まりが低下するという問題もある。
In the conventional manufacturing method, the
本発明は、前記従来の問題を解決し、その目的は、歩留まりの低下がなく、配線間容量を実用上十分に低減できる配線構造を有する半導体装置を得られるようにすることにある。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a wiring structure in which the yield can be reduced and the inter-wiring capacitance can be sufficiently reduced in practice.
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置を、絶縁膜における配線同士の間に形成される空隙部(エアギャップ)を配線の底部よりも深く形成する構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor device is configured such that a gap (air gap) formed between wirings in an insulating film is formed deeper than the bottom of the wiring.
具体的に、本発明に係る半導体装置は、半導体基板の上に形成された第1の絶縁膜と、第1の絶縁膜に形成された複数の溝部に形成された、導電性部材からなる複数の配線とを備え、第1の絶縁膜における複数の配線の隣り合う配線同士の間には、第1の絶縁膜が除去されてなる空隙部が選択的に形成されており、空隙部の下端部の位置は、各配線の下端部の位置よりも低いことを特徴とする。 Specifically, a semiconductor device according to the present invention includes a first insulating film formed on a semiconductor substrate, and a plurality of conductive members formed in a plurality of grooves formed in the first insulating film. And a gap formed by removing the first insulating film is selectively formed between adjacent wirings of the plurality of wirings in the first insulating film, and a lower end of the gap is formed. The position of the part is lower than the position of the lower end part of each wiring.
本発明の半導体装置によると、第1の絶縁膜における複数の配線の隣り合う配線同士の間に選択的に形成された空隙部の下端部の位置は、各配線の下端部の位置よりも低いため、隣り合う配線同士の間の電気力線の大部分が空隙部を通過するので、配線間容量を実用上十分に低下させることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the position of the lower end portion of the gap portion that is selectively formed between adjacent wires of the plurality of wires in the first insulating film is lower than the position of the lower end portion of each wire. For this reason, most of the lines of electric force between the adjacent wirings pass through the gap, so that the capacity between the wirings can be sufficiently reduced in practice.
本発明の半導体装置において、空隙部における下端部の幅及び上端部の幅は、空隙部と隣接する配線同士の間隔と同一であることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the width of the lower end portion and the width of the upper end portion in the gap portion are the same as the interval between wirings adjacent to the gap portion.
本発明の半導体装置において、空隙部は、第1の絶縁膜における複数の配線同士の間隔が最も大きい領域を除く領域に形成されていることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the gap is formed in a region excluding a region where the interval between the plurality of wirings in the first insulating film is the largest.
本発明の半導体装置において、第1の絶縁膜における空隙部の下側部分の誘電率は、第1の絶縁膜における配線の下側部分の誘電率よりも低いことが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the dielectric constant of the lower portion of the gap in the first insulating film is preferably lower than the dielectric constant of the lower portion of the wiring in the first insulating film.
本発明の半導体装置において、第1の絶縁膜にはダミービアが形成されていることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that a dummy via is formed in the first insulating film.
本発明の半導体装置は、第1の絶縁膜の上に、各配線及び空隙部を覆うように形成された保護膜をさらに備えていることが好ましい。 The semiconductor device of the present invention preferably further includes a protective film formed on the first insulating film so as to cover each wiring and the gap.
本発明の半導体装置において、保護膜は、SiCN若しくはSiCOからなる単層膜、又はSiCNとSiCOとの積層膜であることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the protective film is preferably a single layer film made of SiCN or SiCO, or a laminated film of SiCN and SiCO.
本発明の半導体装置は、保護膜の上に形成された第2の絶縁膜をさらに備え、第2の絶縁膜には、複数の配線のいずれかと選択的に接続されるビアと、複数の配線のいずれとも接続されないダミービアとが形成されており、ダミービアは第1の層間絶縁膜にまで達していることが好ましい。 The semiconductor device of the present invention further includes a second insulating film formed on the protective film, and the second insulating film includes a via selectively connected to any of the plurality of wirings and the plurality of wirings. It is preferable that a dummy via that is not connected to any of the first and second layers is formed, and the dummy via reaches the first interlayer insulating film.
この場合に、ダミービアと空隙部との間隔の最小値は、ダミービアの最小径と空隙部の最小幅との和の4分の1の値に設定されていることが好ましい。 In this case, it is preferable that the minimum value of the gap between the dummy via and the gap is set to a value that is a quarter of the sum of the minimum diameter of the dummy via and the minimum width of the gap.
さらに、この場合に、ダミービアと空隙部との間隔の最大値は、ダミービアの最小径と空隙部の最小幅との和の値に設定されていることが好ましい。 Further, in this case, the maximum value of the distance between the dummy via and the gap is preferably set to the sum of the minimum diameter of the dummy via and the minimum width of the gap.
さらに、この場合に、ダミービアと配線との間隔の最小値は、ダミービアの最小径と配線の最小幅との和の4分の1の値に設定されていることが好ましい。 Further, in this case, it is preferable that the minimum value of the distance between the dummy via and the wiring is set to a value that is a quarter of the sum of the minimum diameter of the dummy via and the minimum width of the wiring.
また、本発明の半導体装置は、複数の配線の上に、各配線と接して形成されたキャップ膜をさらに備えていることが好ましい。 The semiconductor device of the present invention preferably further includes a cap film formed on and in contact with each wiring on the plurality of wirings.
この場合に、キャップ膜は、Co、Mn、W、Ta若しくはRu、又はCo、Mn、W、Ta及びRuから選択された1種類以上の金属を含む合金、又はCo、Mn、W、Ta若しくはRuの酸化物、又はCuSiNからなり、キャップ膜は導電性を有していることが好ましい。 In this case, the cap film is made of Co, Mn, W, Ta, or Ru, or an alloy containing one or more metals selected from Co, Mn, W, Ta, and Ru, or Co, Mn, W, Ta, or Ru. The cap film is preferably made of Ru oxide or CuSiN and has conductivity.
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に第1の絶縁膜を形成する工程(a)と、第1の絶縁膜の上部に複数の配線形成用溝部を形成し、形成した配線形成用溝部に導電膜を埋め込むことにより、複数の配線を形成する工程(b)と、第1の絶縁膜における配線同士の間に空隙形成用溝部を選択的に形成する工程(c)と、空隙形成用溝部に犠牲膜を形成する工程(d)と、第1の絶縁膜の上に各配線及び犠牲膜を覆うように保護膜を形成する工程(e)と、空隙形成用溝部から犠牲膜を除去することにより、第1の絶縁膜における配線同士の間に空隙部を形成する工程(f)とを備え、工程(c)において、空隙形成用溝部の下端部の位置が配線の下端部の位置よりも低くなるように空隙形成用溝部を形成することを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a first insulating film on a semiconductor substrate, and a plurality of wiring forming groove portions formed on the first insulating film, thereby forming the wiring A step (b) of forming a plurality of wirings by embedding a conductive film in the forming groove, and a step (c) of selectively forming a gap forming groove between the wirings in the first insulating film; A step (d) of forming a sacrificial film in the gap forming groove, a step (e) of forming a protective film on the first insulating film so as to cover each wiring and the sacrificial film, and a sacrifice from the gap forming groove A step (f) of forming a gap between the wirings in the first insulating film by removing the film, and in step (c), the position of the lower end of the gap forming groove is the lower end of the wiring The gap forming groove is formed so as to be lower than the position of the portion.
本発明の半導体装置の製造方法によると、第1の絶縁膜に対して、空隙形成用溝部の下端部の位置が配線の下端部の位置よりも低くなるように空隙形成用溝部を形成するため、隣り合う配線同士の間の電気力線の大部分が空隙部を通過するので、配線間容量を実用上十分に低下させることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the gap forming groove is formed in the first insulating film so that the position of the lower end of the gap forming groove is lower than the position of the lower end of the wiring. Since most of the lines of electric force between the adjacent wirings pass through the gap, the capacity between the wirings can be sufficiently reduced in practical use.
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(f)において、犠牲膜は加熱により分解して除去することが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the step (f), the sacrificial film is preferably decomposed and removed by heating.
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(f)において、空隙部における下端部の幅及び上端部の幅は、空隙部と隣接する配線同士の間隔と同一となるように形成することが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the step (f), it is preferable that the width of the lower end portion and the width of the upper end portion in the gap portion are the same as the interval between the wiring adjacent to the gap portion. .
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(c)において、空隙形成用溝部は、第1の絶縁膜における複数の配線同士の間隔が最も大きい領域を除く領域に形成することが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the step (c), the gap forming groove is preferably formed in a region excluding a region where the interval between the plurality of wirings in the first insulating film is the largest.
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(f)において、第1の絶縁膜における空隙部の下側部分の誘電率は、第1の絶縁膜における配線の下側部分の誘電率よりも低いことが好ましい。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in step (f), the dielectric constant of the lower portion of the gap in the first insulating film is lower than the dielectric constant of the lower portion of the wiring in the first insulating film. It is preferable.
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(e)と工程(f)との間に、保護膜の上に第2の絶縁膜を形成する工程(g)と、該工程(g)の後に、第2の絶縁膜及び保護膜を貫通して複数の配線のいずれかと接続されるようにビアを選択的に形成すると共に、第2の絶縁膜及び保護膜を貫通して複数の配線のいずれとも接続されないようにダミービアを形成する工程(h)とをさらに備えており、ダミービアは第1の層間絶縁膜にまで達していることが好ましい。 The semiconductor device manufacturing method of the present invention includes a step (g) of forming a second insulating film on the protective film between the step (e) and the step (f), and after the step (g). The via is selectively formed so as to be connected to any of the plurality of wirings through the second insulating film and the protective film, and any of the plurality of wirings through the second insulating film and the protective film. And a step (h) of forming a dummy via so as not to be connected to each other, and the dummy via preferably reaches the first interlayer insulating film.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、工程(b)と工程(c)との間に、複数の配線の上に、各配線と接するようにキャップ膜を形成する工程(i)をさらに備えていることが好ましい。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention further includes a step (i) of forming a cap film on the plurality of wirings so as to be in contact with each wiring between the steps (b) and (c). It is preferable to provide.
この場合に、キャップ膜は、Co、Mn、W、Ta若しくはRu、又はCo、Mn、W、Ta及びRuから選択された1種類以上の金属を含む合金、又はCo、Mn、W、Ta若しくはRuの酸化物、又はCuSiNからなり、キャップ膜は導電性を有していることが好ましい。 In this case, the cap film is made of Co, Mn, W, Ta, or Ru, or an alloy containing one or more metals selected from Co, Mn, W, Ta, and Ru, or Co, Mn, W, Ta, or Ru. The cap film is preferably made of Ru oxide or CuSiN and has conductivity.
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、歩留まりの低下がなく且つ配線間容量を実用上十分に低減できる配線構造を有する半導体装置を実現することができる。 According to the semiconductor device and the method for manufacturing the same according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device having a wiring structure in which the yield is not lowered and the inter-wiring capacitance can be sufficiently reduced practically.
(一実施形態)
本発明の一実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の一実施形態に係る半導体装置の要部の断面構成を示している。
(One embodiment)
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a main part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、例えば、シリコン(Si)からなる半導体基板100の主面上には、誘電率が酸化シリコン(SiO2)よりも低いSiOCからなる第1の層間絶縁膜101が形成され、該第1の層間絶縁膜101の上部には、互いに間隔をおいて形成された複数の下部配線105が形成されている。各下部配線105は、側面と底面とに例えばタンタル(Ta)及び窒化タンタル(TaN)をこの順に積層してなるバリア膜103とその内側に形成された銅膜104とから構成される。なお、第1の層間絶縁膜101には、SiOCを用いたが、SiOCに限られず、誘電率が相対的に低い多孔質性の絶縁膜を用いることができる。また、半導体基板100には、図示はしていないが、トランジスタ及び抵抗器等の複数の半導体素子が形成されている。
As shown in FIG. 1, for example, a first
複数の下部配線105のうちの一部であって、互いに隣り合う下部配線105同士の間には、第1の層間絶縁膜101が除去されてなる空隙部(エアギャップ)101cが選択的に形成されている。ここで、本実施形態の特徴として、空隙部101cの下端部の位置は、下部配線105の下端部の位置よりも低く、さらに、空隙部101cにおける下端部の幅及び上端部の幅は、下部配線105同士の間隔と同一である。各空隙部101cの側面上及び底面上には、第1の層間絶縁膜101に空隙部101cを形成するための犠牲膜の充填用の溝部をエッチングにより形成する際に、第1の層間絶縁膜101における溝部の底面上及び壁面上に生じたダメージ層が改質されてなる改質層101Bが形成されている。なお、ダメージ層101A及び改質層101Bについては後述する。
A gap (air gap) 101c formed by removing the first
第1の層間絶縁膜101の上には、各下部配線105及び各空隙部101cを覆うように、例えばSiCNとSiCOとをこの順に積層してなり、銅の絶縁膜中への拡散を防止する保護膜としてのライナ膜110が形成されている。ライナ膜110の上には、SiOCからなる第2の層間絶縁膜111が形成されている。ここで、SiOCとSiCOとの違いは、SiOCはSi−Oの骨格がベースで、Si−Oの骨格に−CH3基が結合している。一方、SiCOはSiがベースで、ベースのSiにOが結合している。Si−Oの骨格に−CH3基が結合したSiOCの方が、SiCOよりも骨格ベースの違いにより、密度が小さい。
On the first
第2の層間絶縁膜111には、下部配線105と同一の構成を有するバリア膜116と銅膜117とからなる上部配線118が選択的に形成されている。下部配線105と上部配線118とは、第2の層間絶縁膜111及びライナ膜110を選択的に貫通するスルーホールを通して電気的に接続されている。また、第2の層間絶縁膜111、ライナ膜110及び第1の層間絶縁膜101には、下部配線105のいずれとも接続されないダミービア118Aが形成されており、ダミービア118Aは、第1の層間絶縁膜101にまで達している。
In the second
以下、前記のように構成された半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor device configured as described above will be described with reference to the drawings.
図2(a)〜図2(g)及び図3(a)〜図3(e)は本発明の一実施形態に係る半導体装置の要部の製造方法の工程順の断面構成を示している。 2 (a) to 2 (g) and FIGS. 3 (a) to 3 (e) show cross-sectional structures in order of steps of a method for manufacturing a main part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. .
まず、図2(a)に示すように、例えば化学気相堆積(CVD)法により、複数の半導体素子が形成された半導体基板(図示せず)の主面上に、SiOCからなる第1の層間絶縁膜101を堆積する。
First, as shown in FIG. 2A, a first SiOC layer is formed on a main surface of a semiconductor substrate (not shown) on which a plurality of semiconductor elements are formed by, for example, chemical vapor deposition (CVD). An interlayer insulating
次に、図2(b)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチングにより、第1の層間絶縁膜101に、互いに間隔をおいた下部配線形成用の複数の配線溝101aを選択的に形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, a plurality of
次に、図2(c)に示すように、スパッタ法及びめっき法により、第1の層間絶縁膜101の上に各配線溝101aを含む全面にわたって、Ta/TaNからなるバリア膜103及び銅膜104を順次堆積する。その後、化学機械研磨(CMP)法により、第1の層間絶縁膜101の上の配線溝101aを除く領域に堆積されたバリア膜103及び銅膜104を除去することにより、側面及び底面がバリア膜103により覆われ且つ銅膜104からなる下部配線105を形成する。なお、本実施形態においては、バリア膜103にTaとTaNとの積層膜を用いたが、Ta膜及びTaN膜のいずれか一方でも構わない。また、配線溝101aに埋め込む導電膜に銅(Cu)を用いたが、銅に限られず、銀(Ag)若しくはアルミニウム(Al)又はこれらの合金等を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 2C, the
次に、図2(d)に示すように、リソグラフィ法により、第1の層間絶縁膜101の上に複数の下部配線105のうちの一部の配線間の第1の層間絶縁膜101を選択的に開口する開口パターンを有するレジストパターン106を形成する。なお、レジストパターン106の好ましい形状については後述する。
Next, as shown in FIG. 2D, the first
次に、図2(e)に示すように、フッ化炭素(CF)系のガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターン106をマスクとして、第1の層間絶縁膜101の一部を除去して、空隙形成用溝部101bを形成する。このとき、空隙形成用溝部101bにおける底面の基板面からの高さが下部配線105の底面の基板面からの高さよりも低くなるようにドライエッチングの条件を設定する。なお、バリア膜103及び銅膜104は、フッ化物の蒸気圧が低いため、エッチングされずに残存する。また、本エッチングの副作用として、第1の層間絶縁膜101に含まれるSi−CH3結合の一部がSi−OH結合に置換されるため、空隙形成用溝部101bの底面上及び壁面上にダメージ層101Aが形成される。
Next, as shown in FIG. 2E, a part of the first
次に、図2(f)に示すように、第1の層間絶縁膜101の上に各下部配線105及び空隙形成用溝部101bを含む全面にわたって、ポリマーからなる犠牲膜109を塗布する。その後、CMP法により、第1の層間絶縁膜101の上の空隙形成用溝部101bを除く領域に形成された犠牲膜109を除去することにより、空隙形成用溝部101bに犠牲膜109を埋め込む。なお、犠牲膜109の好ましい特性(物性)及び好ましい材料については後述する。
Next, as shown in FIG. 2F, a polymer
次に、図2(g)に示すように、CVD法により、第1の層間絶縁膜101の上に各下部配線105及び犠牲膜109を含む全面にわたって、SiCN膜及びSiCO膜を順次堆積してライナ膜110を形成する。
Next, as shown in FIG. 2G, a SiCN film and a SiCO film are sequentially deposited on the entire surface including the
次に、図3(a)に示すように、CVD法により、ライナ膜110の上にSiOCからなる第2の層間絶縁膜111を堆積する。
Next, as shown in FIG. 3A, a second
次に、図3(b)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、第2の層間絶縁膜111に、互いに間隔をおいた上部配線形成用の複数の配線溝111aを選択的に形成する。このとき、配線溝111aの一部においてライナ膜110を除去することにより、その下の下部配線105を露出してビアホール111bを形成する。さらに、下部配線105を露出しない位置にもダミービアホール111cを形成する。従って、ダミービアホール111cに導電膜が埋め込まれて形成されるダミービアは下部配線105とは接続されない。すなわち、ダミービアは電気回路としては機能しない。また、ダミービアホール111cの底部は、第1の層間絶縁膜101にまで到達している。なお、ダミービアホール111cの好ましい配置方法については後述する。
Next, as shown in FIG. 3B, a plurality of
次に、図3(c)に示すように、半導体基板を加熱して、空隙形成用溝部101bに埋め込まれていた犠牲膜109を分解して除去する。これにより、下部配線105の間に空隙部101cが形成される。このとき、ダメージ層101Aに含まれるSi−OH結合の一部がSi−CH3結合に置換される結果、ダメージ層101Aが改質層101Bに変化する。なお、ダメージ層101Aが改質層101Bに変化する現象については後に詳しく説明する。また、犠牲膜109の分解生成物の一部は、ダメージ層101A及び第1の層間絶縁膜101を拡散し、ダミービアホール111cを介して外部に排出される。
Next, as shown in FIG. 3C, the semiconductor substrate is heated to decompose and remove the
次に、図3(d)に示すように、スパッタ法及びめっき法により、第2の層間絶縁膜111の上に各配線溝111a、ビアホール111b及びダミービアホール111cを含む全面にわたって、Ta/TaNからなるバリア膜116及び銅膜117を順次堆積する。その後、CMP法により、第2の層間絶縁膜111の上の配線溝111a、ビアホール111b及びダミービアホール111cを除く領域に堆積されたバリア膜116及び銅膜117を除去することにより、側面及び底面がバリア膜116により覆われ且つ銅膜117からなる上部配線118を形成する。
Next, as shown in FIG. 3 (d), Ta / TaN is formed on the entire surface including the
次に、図3(e)に示すように、図2(g)から図3(d)の工程を順次繰り返すことにより、多層配線構造120を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 3E, the
このように、本実施形態の半導体装置及びその製造方法によると、例えば、空隙部(エアギャップ)101cの底面の位置が、下部配線105の底面の位置よりも低くなっている。このため、下部配線105同士の電気力線の大部分が空隙部101cを通過するので、下部配線105の間の配線間容量を実用上十分に低くすることができるという第1の効果がある。
Thus, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present embodiment, for example, the position of the bottom surface of the gap (air gap) 101 c is lower than the position of the bottom surface of the
また、本実施形態によると、例えば、下部配線105同士の間隔が広い領域では、空隙部101cを形成しないようにすることができる。このため、空隙部101cを塞ぐように形成されている膜、すなわち、従来例の多孔質膜又は本実施形態のライナ膜110の変形若しくは破壊を抑止することができるという第2の効果がある。
Further, according to the present embodiment, for example, in the region where the interval between the
また、本実施形態によると、下部配線105等の上面に、多孔質膜7ではなくライナ膜110を堆積しているため、酸化性物質の拡散による下部配線105の酸化を抑制できるという第3の効果をも有している。
Further, according to the present embodiment, since the
なお、上記の第1の効果及び第2の効果の何れか一方を選択的に発揮するような半導体装置の製造方法でも構わない。すなわち、本実施形態において、エアギャップを塞ぐように形成されている膜として、ライナ膜110ではなく、多孔質膜を用いてもよい。この場合は、ダミービアホール111cを形成する必要がなくなる代わりに、第3の効果を得ることはできない。しかしながら、第1の効果及び第2の効果を優先する場合には、そのような半導体装置の製造方法でも構わない。但し、空隙部101cを塞ぐように形成されている膜としてライナ膜110を用い、且つダミービアホール111cを形成することによって空隙部101cを形成する方が、第3の効果をも得ることができるため、より望ましいことはいうまでもない。
Note that a method for manufacturing a semiconductor device that selectively exhibits one of the first effect and the second effect may be used. That is, in this embodiment, a porous film may be used instead of the
また、図2(c)に示す工程と図2(d)に示す工程との間(図2(e)に示す工程と図2(f)に示す工程との間、又は図2(f)に示す工程と図2(g)に示す工程との間でも構わない)に、下部配線105と接触するように、該下部配線105の上にキャップ膜を形成することが望ましい。このように、例えば下部配線105の上にキャップ膜を形成することにより、下部配線105がドライエッチングによる苛酷な状況に曝され事態を防ぐことができる。ここで、キャップ膜としては、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、タングステン(W)、タンタル(Ta)若しくはルテニウム(Ru)、又はCo、Mn、W、Ta及びRuから選択された1種類以上の金属を含む合金、又はCo、Mn、W、Ta若しくはRuの酸化物、又は銅添加窒化シリコン(CuSiN)からなり、該キャップ膜は導電性を有していることが必要である。
Further, between the step shown in FIG. 2C and the step shown in FIG. 2D (between the step shown in FIG. 2E and the step shown in FIG. 2F, or FIG. 2F). It is desirable to form a cap film on the
また、第2の層間絶縁膜111を形成した後に、ダミービアホール111cを形成したが、ライナ膜(保護膜)110を形成した後で且つ第2の層間絶縁膜111を形成する前に、ダミービアホール111cのみを第1の層間絶縁膜101及びライナ膜110に形成してもよい。このようにしても、ダミービアホール111cを形成した後で且つ第2の層間絶縁膜111を形成する前に、犠牲膜109の分解生成物の一部を、ダメージ層101A及び第1の層間絶縁膜101に拡散させることにより、ダミービアホール111cを介して外部に排出することができる。
In addition, the dummy via
以下に、図2(d)に示す工程におけるレジストパターン106の具体的な形成方法について、図4(a)〜図4(d)を参照しながら説明する。レジストパターン106の形状は、下記のような手順により決定することが好ましい。
Hereinafter, a specific method of forming the resist
まず、図4(a)に示すように、下部配線105の配置情報により、各下部配線105同士の間隔がSmaxよりも大きい領域を抽出し、抽出された図形集合をAとする。
First, as shown in FIG. 4A, an area where the interval between the
次に、図4(b)に示すように、図形集合Aに含まれる個々の図形の各辺を、図形集合Aの外側方向にΔSだけ移動させる。これにより、図形集合Aが占有する領域を拡大し、拡大された図形集合をBとする。 Next, as shown in FIG. 4B, each side of each figure included in the figure set A is moved in the outward direction of the figure set A by ΔS. As a result, the area occupied by the graphic set A is enlarged, and the enlarged graphic set is designated as B.
次に、図4(c)に示すように、ビアホール111bの配置情報から、ビアホール形成領域を抽出し、抽出されたビアホール形成領域の外側方向に各ビアホール形成領域をΔΦだけ移動させることにより、ビアホール形成領域が占有する領域を拡大して、図形集合Cを作成する。
Next, as shown in FIG. 4C, via hole formation regions are extracted from the arrangement information of the via
次に、図4(d)に示すように、図形集合Bと図形集合Cとの和集合を取って、図形集合Dとする。 Next, as shown in FIG. 4D, the union of the graphic set B and the graphic set C is taken to obtain a graphic set D.
以上の方法により、図形集合Dを除く領域に開口パターンを有するレジストパターン106を形成する。
By the above method, a resist
ここで、Smaxは、複数の下部配線105のうち、互いに隣り合う配線同士の間隔の最小値の3倍程度に設定することが好ましい。Smaxをこのように設定することにより、下部配線105の間隔が狭い領域においてのみ配線間に空隙部(エアギャップ)が形成されるため、例えば下部配線105の配線間容量を確実に低減することができる。また、互いに隣り合う下部配線105同士の間隔がSmaxよりも大きい領域においては、配線間に空隙部が形成されずに、第1の層間絶縁膜101が残存する。その結果、多層配線構造120の機械的強度を高めることができる。すなわち、配線間容量が実用上十分に低く、且つ、機械的強度が実用上十分に高い多層配線構造を実現することができる。
Here, it is preferable to set Smax to be about three times the minimum value of the interval between adjacent wirings among the plurality of
また、ΔSは、複数の下部配線105のうちの配線幅が最小である配線の半分程度に設定することが好ましい。ΔSをこのように設定することにより、下部配線105及びレジストパターン106をマスクとして、空隙形成用溝部101bを自己整合的に形成することができる。このため、リソグラフィ法及びエッチング法を施す際に、寸法に誤差が発生したとしても、多層配線構造120の形状にはほとんど影響がない。その結果、レジストパターン106の形成のためのリソグラフィの寸法精度を低く設定することができるので、半導体装置を製造する際のコストを低く抑えることができる。
Further, ΔS is preferably set to about half of the wiring having the smallest wiring width among the plurality of
また、ΔΦは、(空隙形成用溝部101bの最小幅+ビアホール111bの最小の径)/4の値に設定することが好ましい。ΔΦがこの設定値よりも小さくなると、各工程の仕上がりの変動、すなわち、空隙形成用溝部101bの寸法変動、ダミービアホール111cの寸法変動、及び空隙形成用溝部101bとビアホール111bとの合わせずれ等によって、空隙形成用溝部101bとビアホール111bとが互いに接続してしまうおそれがあるためである。なお、空隙形成用溝部101bとビアホール111bとが接続すると、図3(d)に示す工程において、バリア膜116又は銅膜117が空隙部101cの内部に進入して、下部配線105同士の意図しない導通を引き起こすため、半導体装置の歩留まりが低下してしまう。
ΔΦ is preferably set to a value of (minimum width of the gap forming
次に、ダミービアホール111cの好ましい配置方法について説明する。
Next, a preferred arrangement method of the dummy via
まず、ダミービアホール111cは、犠牲膜109の上側ではなく第1の層間絶縁膜101、その上側に形成されたライナ膜110及び第2の層間絶縁膜111に配置することが好ましい。なぜなら、ダミービアホール111cが犠牲膜109の上側に配置されてしまうと、図3(d)に示す工程において、バリア膜116又は銅膜117が空隙部101cの内部に進入してしまうからである。
First, it is preferable that the dummy via
また、ダミービアホール111cの空隙形成用溝部101bに近い側と、空隙形成用溝部101bのダミービアホール111cに近い側との距離Xの下限を(ダミービアホール111cの最小の径+空隙形成用溝部101bの最小の幅)/4の値に設定することが好ましい。
Further, the lower limit of the distance X between the side of the dummy via
これは、ダミービアホール111cの空隙形成用溝部101bに近い側と、空隙形成用溝部101bのダミービアホール111cに近い側との距離Xが上記の設定値よりも小さくなると、各工程の仕上がりの変動、すなわち、ダミービアホール111cの寸法変動、空隙形成用溝部101bの寸法変動、及びダミービアホール111cと空隙形成用溝部101bの合わせずれ等により、ダミービアホール111cと空隙形成用溝部101bとが接続してしまうおそれがあるからである。
This is because when the distance X between the side of the dummy via
また、ダミービアホール111cの空隙形成用溝部101bに近い側と、空隙形成用溝部101bのダミービアホール111cに近い側との距離Xの上限を(ダミービアホール111cの最小の径+空隙形成用溝部101bの最小の幅)の値に設定することが好ましい。
Further, the upper limit of the distance X between the side of the dummy via
これは、ダミービアホール111cの空隙形成用溝部101bに近い側と、空隙形成用溝部101bのダミービアホール111cに近い側との距離Xが上記の設定値よりも大きくなると、空隙形成用溝部101bとダミービアホール111cとの距離が離れすぎてしまう。その結果、犠牲膜109の分解生成物がダミービアホール111cを介して外部に排出されにくくなり、犠牲膜109の熱分解が十分に進行しないおそれがあるからである。つまり、ダミービアホール111cは、犠牲膜109の熱分解が十分に進行する程度の距離に形成される必要がある。
This is because, when the distance X between the side of the dummy via
また、ダミービアホール111cの下部配線105に近い側と、下部配線105のダミービアホール111cに近い側との距離Yの下限は、(ダミービアホール111cの最小の径+下部配線105の最小の幅)/4の値に設定することが好ましい。
The lower limit of the distance Y between the side of the dummy via
これは、ダミービアホール111cの空隙形成用溝部101bに近い側と、下部配線105のダミービアホール111cに近い側との距離Yが上記の設定値より小さくなると、各工程の仕上がりの変動、すなわち、ダミービアホール111cの寸法変動、下部配線105の寸法変動、及びダミービアホール111cと下部配線105との合わせずれ等により、ダミービアホール111cと下部配線105とが互いに接続してしまい、半導体装置の動作不良を引き起こすおそれがあるからである。
This is because when the distance Y between the side of the dummy via
なお、上述した距離Xの上限及び下限並びに距離Yの下限は望ましい値であり、設計上の事情等により、これに限定されることはない。 The upper and lower limits of the distance X and the lower limit of the distance Y described above are desirable values, and are not limited to these due to design circumstances.
次に、ダメージ層101Aを改質層101Bに変化させることの効果について説明する。既に述べたように、ダメージ層101Aにおいては、SiOCに含まれるSi−CH3結合の一部が、Si−OH結合に置換されている。従って、このダメージ層101Aは、SiOCとSiO2との中間的な性質を有しており、誘電率の面でもSiOCよりも大きくなっている。このため、ダメージ層101Aを残存したままにしておくと、下部配線105等の配線間容量が増大するという問題が生じる。そこで、上記のように、ダメージ層101Aに含まれているSi−OH結合を再びSi−CH3に置換して、SiOCにより近い改質層101Bに変化させることによって、下部配線105等の配線間容量を低く抑えることが好ましい。
Next, the effect of changing the damaged
以上のレイアウトは、下部配線105を含む第1の層間絶縁膜101と該第1の層間絶縁膜101の上の第2の層間絶縁膜111に形成されるビアホール111b及びダミービアホール111cについて説明したが、第2の層間絶縁膜111に形成される上部配線118と、該上部配線118と接続されるさらに上層のビアホール及びダミービアホールについても同様である。
In the above layout, the first
次に、犠牲膜109に求められる特性及び好ましい材料について説明する。上記の説明より明らかなように、犠牲膜109に求められる特性は以下の2点である。第1に加熱により分解して空隙部101cを形成することができ、第2に分解生成物がダメージ層101Aを改質層101Bに変化させられることである。
Next, characteristics required for the
従って、犠牲膜109の材料には、[化1]又は[化2]に示すような官能基を有する架橋性ポリマーを用いることが好ましい。なお、[化1]、[化2]の一例としては、ヘキサメチルジシラザン{(CH3)3Si−NH−Si(CH3)3}等がある。
Therefore, it is preferable to use a crosslinkable polymer having a functional group as shown in [Chemical Formula 1] or [Chemical Formula 2] as the material of the
構造設計を適切に行った架橋性ポリマーは、300℃〜400℃の温度で分解することが知られている。また、[化1]又は[化2]に示すような官能基を付加すると、熱分解により、[化3]又は[化4]のような物質が発生する。 It is known that a crosslinkable polymer having an appropriately designed structure decomposes at a temperature of 300 ° C to 400 ° C. Moreover, when a functional group as shown in [Chemical Formula 1] or [Chemical Formula 2] is added, a substance such as [Chemical Formula 3] or [Chemical Formula 4] is generated by thermal decomposition.
これは、[化3]に示された構造を有する物質は、[化5]に示すような反応によって、Si−OH基をSi−CH3基に置換する作用があり、[化4]に示された構造を有する物質は、[化6]に示すような反応によって、Si−OH基をSi−CH3基に置換する作用があるためである。 This is because the substance having the structure shown in [Chemical Formula 3] has an action of substituting the Si—OH group for the Si—CH 3 group by the reaction shown in [Chemical Formula 5]. This is because the substance having the structure shown has the effect of substituting the Si—OH group for the Si—CH 3 group by the reaction shown in [Chemical Formula 6].
なお、[化5]及び[化6]の化学式に付した(s)は固相を表し、(g)は気相を表す。 In addition, (s) attached | subjected to the chemical formula of [Chemical Formula 5] and [Chemical Formula 6] represents a solid phase, and (g) represents a gas phase.
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、歩留まりの低下がなく且つ配線間容量を実用上十分に低減できる配線構造を有する半導体装置を実現することができ、特に多層配線構造を有する半導体装置及びその製造方法等に有用である。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention can realize a semiconductor device having a wiring structure in which the yield is not lowered and the inter-wiring capacitance can be sufficiently reduced in practice, and in particular, a semiconductor device having a multilayer wiring structure and It is useful for its manufacturing method.
100 半導体基板
101 第1の層間絶縁膜
101a 配線溝
101b 空隙形成用溝部
101c 空隙部(エアギャップ)
101A ダメージ層
101B 改質層
103 バリア膜
104 銅膜
105 下部配線
106 レジストパターン
107 犠牲膜
110 ライナ膜(保護膜)
111 第2の層間絶縁膜
111a 配線溝
111b ビアホール
111c ダミービアホール
116 バリア膜
117 銅膜
118 上部配線
118A ダミービア
120 多層配線構造
100
101A
111 Second
Claims (21)
前記第1の絶縁膜に形成された複数の溝部に形成された、導電性部材からなる複数の配線とを備え、
前記第1の絶縁膜における前記複数の配線の隣り合う配線同士の間には、前記第1の絶縁膜が除去されてなる空隙部が選択的に形成されており、
前記空隙部の下端部の位置は、前記各配線の下端部の位置よりも低いことを特徴とする半導体装置。 A first insulating film formed on the semiconductor substrate;
A plurality of wirings made of a conductive member formed in a plurality of grooves formed in the first insulating film,
A gap formed by removing the first insulating film is selectively formed between adjacent wirings of the plurality of wirings in the first insulating film,
The position of the lower end part of the said cavity part is lower than the position of the lower end part of each said wiring, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
前記第2の絶縁膜には、前記複数の配線のいずれかと選択的に接続されるビアと、前記複数の配線のいずれとも接続されないダミービアとが形成されており、前記ダミービアは、前記第1の層間絶縁膜にまで達していることを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体装置。 A second insulating film formed on the protective film;
The second insulating film is formed with a via that is selectively connected to any of the plurality of wirings and a dummy via that is not connected to any of the plurality of wirings. The semiconductor device according to claim 6, wherein the semiconductor device reaches the interlayer insulating film.
前記第1の絶縁膜の上部に複数の配線形成用溝部を形成し、形成した前記配線形成用溝部に導電膜を埋め込むことにより、複数の配線を形成する工程(b)と、
前記第1の絶縁膜における前記配線同士の間に空隙形成用溝部を選択的に形成する工程(c)と、
前記空隙形成用溝部に犠牲膜を形成する工程(d)と、
前記第1の絶縁膜の上に前記各配線及び犠牲膜を覆うように保護膜を形成する工程(e)と、
前記空隙形成用溝部から前記犠牲膜を除去することにより、前記第1の絶縁膜における前記配線同士の間に空隙部を形成する工程(f)とを備え、
前記工程(c)において、前記空隙形成用溝部の下端部の位置が前記配線の下端部の位置よりも低くなるように前記空隙形成用溝部を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film on the semiconductor substrate (a);
A step (b) of forming a plurality of wirings by forming a plurality of wiring forming groove portions on the first insulating film and embedding a conductive film in the formed wiring forming groove portions;
A step (c) of selectively forming a gap forming groove between the wirings in the first insulating film;
Forming a sacrificial film in the gap forming groove (d);
Forming a protective film on the first insulating film so as to cover the wirings and the sacrificial film (e);
A step (f) of forming a void portion between the wirings in the first insulating film by removing the sacrificial film from the void forming groove portion,
In the step (c), the gap forming groove is formed so that the position of the lower end of the gap forming groove is lower than the position of the lower end of the wiring.
前記保護膜の上に第2の絶縁膜を形成する工程(g)と、
前記工程(g)の後に、前記第2の絶縁膜及び保護膜を貫通して前記複数の配線のいずれかと接続されるようにビアを選択的に形成すると共に、前記第2の絶縁膜及び保護膜を貫通して前記複数の配線のいずれとも接続されないようにダミービアを形成する工程(h)とをさらに備えており、前記ダミービアは、前記第1の層間絶縁膜にまで達していることを特徴とする請求項14〜18のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 Between the step (e) and the step (f),
Forming a second insulating film on the protective film (g);
After the step (g), a via is selectively formed so as to pass through the second insulating film and the protective film and to be connected to any of the plurality of wirings, and the second insulating film and the protective film are formed. And a step (h) of forming a dummy via so as not to be connected to any of the plurality of wirings through the film, and the dummy via reaches the first interlayer insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 14 to 18.
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