JP2009182203A - 半導体装置およびその製造方法 - 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、安定したエアギャップを形成できる半導体装置を提供する。
【解決手段】基板１と、この基板１上に形成された第１の絶縁膜２と、この第１の絶縁膜２上に形成された複数の金属配線３と、この金属配線３および上記第１の絶縁膜２を覆う第２の絶縁膜４と、この第２の絶縁膜４上に形成された第３の絶縁膜５とを有する。一対の隣り合う金属配線３の間に、溝部７内に、エアギャップ６が設けられている。金属配線３の間隔ＬＷが所定の間隔ＬＷに対する変動量に応じ、上記第２の絶縁膜４の膜厚は調整されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、更に詳しくは、多層配線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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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。図７に示すように、この半導体装置１１０では、シリコン基板でなる基板１０１を、選択的に被覆して複数の配線層１０２が設けられている。基板１０１の表面には、トランジスタ素子の半導体素子が形成されフィールド酸化膜もしくは層間絶縁膜を有する。配線層１０２の表面には、ＴｉＮ膜などの反射防止膜１０３が設けられている。第１の酸化シリコン膜１４１は、配線層１０２および基板１０１を被覆し、配線間隔が規定値のところに空孔１１６を有している。配線間隔が、規定値より大きいところには、空孔１１６は、設けられていない。

空孔１１６は、反射防止膜１０３の表面を越えてはいない。第１の酸化シリコン膜１４１は、第２の酸化シリコン膜１４２に被覆されている。第２の酸化シリコン膜１４２には、空孔が設けられておらず、ＣＭＰ法により平坦化処理されている。

第１、第２の酸化シリコン膜１４１、１４２の積層膜でなる層間絶縁膜を選択的に被覆して、複数の上層配線層１０５が設けられている。上層配線層１０５の表面には、反射防止膜１０６がある。

上層配線層１０５および第２の酸化シリコン膜１４２を覆うように、第３の酸化シリコン膜１７１が設けられている。第３の酸化シリコン膜１７１には、隣接する上層配線層１０５間の間隔が規定値に設定された部分にのみ、空孔１１７が、設けられている。配線間隔が規定値より大きい所には、空孔１１７は設けられていない。空孔１１７は、反射防止膜１０６の表面を越えてはいない。

第３の酸化シリコン膜１７１は、第４の酸化シリコン膜１７２に被覆されている。第４の酸化シリコン膜１７２には、空孔が設けられておらず、ＣＭＰ法により平坦化処理されている。

次に、上記半導体装置１１０の製造方法について説明する。

まず、図８Ａに示すように、基板１０１全面にＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金膜などの金属膜をスパッタ法などにより成膜し、次いで、窒化チタン（ＴｉＮ）などの反射防止膜１０３を成膜し、パターニングすることにより配線層１０２を形成する。

次に、図８Ｂに示すように、第１の酸化シリコン膜１４１を、高密度プラズマ発生源を備えたバイアスＣＶＤ法（ここではバイアスＥＣＲ−ＣＶＤ法）により、堆積させる。このとき、配線間隔が規定値より狭い所には、反射防止膜１０３を超えない高さの位置に空孔１１６が形成され、配線間隔が規定値より広い所には、空孔が形成されないようにする。

ここで、成膜条件の設定により、配線間隔が規定値より狭い所でも空孔が発生せず、逆に広いところに空孔が発生し、また、空孔が大きくなりすぎて、反射防止膜１０３を超える高さの位置に、空孔が存在するようになる。

配線間隔が規定値より広いところでは、配線間の静電容量を空孔により低下させる必要がなく（動作速度上問題がない）、また、配線層の支持強度を十分強く保つ必要があるため、空孔が存在してはならない。

また、反射防止膜１０３を超える高さの位置に空孔が存在すれば、後に適用される化学的機械的研磨（ケミカルメカニカルポリッシング、以下ＣＭＰ）の際に使用される水などが空孔に侵入して、半導体装置の信頼性を損なうおそれがあり、反射防止膜１０３を超える高さの位置に空孔が存在してはならない。

空孔１１６を含む第１の酸化シリコン膜１４１を成膜した後、プラズマＣＶＤ法により、図８Ｃに示すように、第２の酸化シリコン膜１４２を堆積させる。第１の酸化シリコン膜１４１を成膜するバイアスＣＶＤ法でもよいし、その他のプラズマＣＶＤ法でもよいが、いずれにせよ、第１の酸化シリコン膜１４１の形成時よりも速い成膜速度で成膜する。

なお、第１の酸化シリコン膜１４１では、空孔１１６を配線間隔が規定値より狭い所で反射防止膜１０３を超えない高さの位置に生成させるため、成膜速度を速くすることが困難である。よって、生産性向上のために、第１の酸化シリコン膜１４１の上に第２の酸化シリコン膜１４２をより速い成膜速度で成膜する。

そして、ＣＭＰ法を用いて、図８Ｄに示すように、平坦化させた第２の酸化シリコン膜１４２を形成する。その後、全く同様にして、図８Ｅに示すように、上層配線層１０５を形成し、空孔１１７のある第３の酸化シリコン膜１７１と、第４の酸化シリコン膜１７２とを、形成する。

このように、高周波バイアス電力、ガス成分比および流量を制御することにより、配線間隔が所定値を越えない部分にのみ、配線層の高さに達しない空孔を形成することができる。
特許第２８５３６６１号公報

しかしながら、上記従来の半導体装置では、製造工程のばらつきにより配線間隔に変動が発生して、配線の間隔が広くなった場合、空孔の形成ができず、線間容量の増大を招き不良品となる半導体装置が発生していた。

そこで、この発明の課題は、エアギャップにより配線間の寄生容量を低減しつつ、安定したエアギャップを形成でき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。

上記課題を解決するため、この発明の半導体装置は、
基板と、
この基板上に形成された第１の絶縁膜と、
この第１の絶縁膜上に形成されると共に互いに間隔をあけて配列された複数の金属配線と、
隣り合う上記金属配線の間に溝部を形成するようにこの金属配線を覆う第２の絶縁膜と、
この第２の絶縁膜上に形成された第３の絶縁膜と
を備え、
少なくとも一対の隣り合う金属配線の間に、上記溝部内に、エアギャップが設けられ、
このエアギャップが設けられた一対の金属配線において、この一対の金属配線に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、この一対の金属配線の間隔に応じて、制御されていることを特徴としている。

この発明の半導体装置によれば、少なくとも一対の隣り合う金属配線の間に、エアギャップが設けられているので、金属配線間の寄生容量を小さくすることができる。また、このエアギャップが設けられた一対の金属配線において、この一対の金属配線に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、この一対の金属配線の間隔に応じて、制御されているので、精度良くエアギャップが形成されており、寄生容量の変動を抑えることができる。例えば、間隔が広くなるほど、第２の絶縁膜の膜厚を厚くして、エアギャップの位置を一定に保持する。

また、一実施形態の半導体装置では、上記金属配線の側面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚以下である。

この実施形態の半導体装置によれば、上記金属配線の側面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚以下であるので、隣り合う金属配線の間に形成された溝部のアスペクト比の調整が容易となる。

また、一実施形態の半導体装置では、上記金属配線の側面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚の３０％〜７０％である。

この実施形態の半導体装置によれば、上記金属配線の側面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚の３０％〜７０％であるので、隣り合う金属配線の間に形成された溝部のアスペクト比の調整が容易となる。

また、一実施形態の半導体装置では、上記エアギャップは、上記第３の絶縁膜に囲まれている。

この実施形態の半導体装置によれば、上記エアギャップは、上記第３の絶縁膜に囲まれているので、上記隣り合う金属配線が、上記エアギャップを介して、短絡することを確実に防止する。

また、一実施形態の半導体装置では、
上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚ｔ_capは、
ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_std
ｐ_diff ：第２の絶縁膜の膜厚変動係数
LW_meas ：エアギャップが設けられた一対の金属配線の間隔の測定値
LW_std ：隣り合う金属配線の間隔の規程値
ｔ_std ：第２の絶縁膜の膜厚の規程値
で与えられている。

この実施形態の半導体装置によれば、上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚ｔ_capは、ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_stdで与えられているので、上記第２の絶縁膜の膜厚の決定が容易となる。

上記課題を解決するため、この発明の半導体装置の製造方法は、
基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
複数の金属配線を、互いに間隔をあけて配列するように、上記第１の絶縁膜上に形成する工程と、
エアギャップを設ける領域に相当する隣り合う上記金属配線の間の間隔を測定する工程と、
この測定された間隔に応じて第２の絶縁膜の膜厚を決定する工程と、
この第２の絶縁膜にて上記金属配線を覆って、隣り合う上記金属配線の間に溝部を形成する工程と、
この第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成すると共に、上記エアギャップを設ける領域に相当する隣り合う金属配線の間に、上記溝部内に、エアギャップを設ける工程と
を備えることを特徴としている。

この発明の半導体装置の製造方法によれば、上記エアギャップを設ける領域に相当する隣り合う金属配線の間に、エアギャップを設けるので、金属配線間の寄生容量を小さくすることができる。また、上記エアギャップを設ける領域に相当する隣り合う金属配線の間の間隔を測定して、この測定された間隔に応じて第２の絶縁膜の膜厚を決定するので、精度良くエアギャップを形成できて、寄生容量の変動を抑えることができる。例えば、間隔が広くなるほど、第２の絶縁膜の膜厚を厚くして、エアギャップの位置を一定に保持する。

また、一実施形態の半導体装置の製造方法では、上記金属配線の側面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚の３０％〜７０％である。

この実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記金属配線の側面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚の３０％〜７０％であるので、隣り合う金属配線の間に形成される溝部のアスペクト比の調整が容易となる。

したがって、所望する領域の溝部のみに、エアギャップを設けることができて、エアギャップの作り分けが容易になる。

また、一実施形態の半導体装置の製造方法では、上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚は、隣り合う上記金属配線の間隔に応じて事前に取得されたテーブルにて、与えられる。

この実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚は、隣り合う上記金属配線の間隔に応じて事前に取得されたテーブルにて、与えられるので、上記第２の絶縁膜の膜厚の決定が容易となる。

また、一実施形態の半導体装置の製造方法では、
上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚ｔ_capは、
ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_std
ｐ_diff ：第２の絶縁膜の膜厚変動係数
LW_meas ：エアギャップが設けられた一対の金属配線の間隔の測定値
LW_std ：隣り合う金属配線の間隔の規程値
ｔ_std ：第２の絶縁膜の膜厚の規程値
で与えられている。

この実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚ｔ_capは、ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_stdで与えられているので、上記第２の絶縁膜の膜厚の決定が容易となる。

また、一実施形態の半導体装置の製造方法では、上記第２の絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により、形成される。

また、一実施形態の半導体装置の製造方法では、上記第３の絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により、形成される。

この発明の半導体装置によれば、少なくとも一対の隣り合う金属配線の間に、エアギャップが設けられているので、金属配線間の寄生容量を小さくすることができる。また、このエアギャップが設けられた一対の金属配線において、この一対の金属配線に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、この一対の金属配線の間隔に応じて、制御されているので、精度良くエアギャップが形成されており、寄生容量の変動を抑えることができる。

この発明の半導体装置の製造方法によれば、上記エアギャップを設ける領域に相当する隣り合う金属配線の間に、エアギャップを設けるので、金属配線間の寄生容量を小さくすることができる。また、上記エアギャップを設ける領域に相当する隣り合う金属配線の間の間隔を測定して、この測定された間隔に応じて第２の絶縁膜の膜厚を決定するので、精度良くエアギャップを形成できて、寄生容量の変動を抑えることができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、この発明の半導体装置の一実施形態である平面図を示している。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。図１と図２に示すように、この半導体装置１０は、基板１と、この基板１上に形成された第１の絶縁膜２と、この第１の絶縁膜２上に形成された複数の金属配線３と、この金属配線３および上記第１の絶縁膜２を覆う第２の絶縁膜４と、この第２の絶縁膜４上に形成された第３の絶縁膜５とを有する。

上記複数の金属配線３は、互いに間隔ＬＷをあけて配列されている。隣り合う上記金属配線３の間には、上記第２の絶縁膜４によって、溝部７が形成されている。この溝部７には、上記第３の絶縁膜５が配置されている。

少なくとも一対の隣り合う金属配線３の間に、上記溝部７内に、エアギャップ６が設けられている。上記エアギャップ６は、上記第３の絶縁膜５に囲まれている。

このエアギャップ６が設けられた一対の金属配線３において、この一対の金属配線３に形成された上記第２の絶縁膜４の膜厚は、この一対の金属配線３の間隔ＬＷに応じて、制御されている。例えば、間隔ＬＷが広くなるほど、第２の絶縁膜４の膜厚を厚くする。

上記基板１は、例えば、シリコン基板のような半導体基板である。この基板１上には、例えば、トランジスタ、メモリ、抵抗やキャパシタ等の素子が形成されていてもよく、それらは、層間絶縁膜により覆われていてもよい。

上記第１の絶縁膜２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ず、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣ、ＳｉＯＦ等からなる膜である。

上記金属配線３は、上記第１の絶縁膜２上に設けられた金属膜３１と、金属膜３１の上面に設けられた反射防止膜３２とを有する。なお、この反射防止膜３２は、設けなくてもよい。

上記反射防止膜３２は、金属配線３を加工するためのリソグラフィー工程およびエッチング工程において良好な形状を得ることを目的として形成されるが、他の目的として金属配線３のアスペクト比を調整してもよい。反射防止膜３２は、ＳｉＯＮ膜、有機膜等である。

上記金属膜３１は、当該分野で通常使用される材料からなる配線であれば特に限定されず、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からなる配線である。

さらに、上記金属膜３１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２と、金属膜３１を覆う第２の絶縁膜４との密着性を確保しつつ、所望の導電性を確保できる。金属膜３１の膜厚は、特に限定されないが、２００〜５００ｎｍとすることができる。

上記金属配線３の幅は、金属配線３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、１００〜８００ｎｍである。

上記金属配線３は、第１の絶縁膜２上に、所定間隔で少なくとも一対設けられる。所定間隔は、金属配線３間に、エアギャップ６を含む領域と、配線間絶縁膜４，５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、金属配線３の幅と同程度にすることができる。上記金属配線３は、所定間隔で少なくとも一対設けられてさえすれば、その本数、形状等は限定されない。

ここで、配線間におけるエアギャップ６を含む領域では、一方の金属配線３の側壁から他方の金属配線３の側壁に向かって、第２の絶縁膜４、エアギャップ６を含む第３の絶縁膜５および第２の絶縁膜４の組み合わせからなる。

一方、配線間における配線間絶縁膜４，５のみからなる領域において、一方の金属配線３の側壁から他方の金属配線３の側壁に向かって、第２の絶縁膜４および第３の絶縁膜５の組み合わせからなる。

上記第２の絶縁膜４および上記第３の絶縁膜５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、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣ、ＳｉＯＦ等である。

上記第２の絶縁膜４は、例えば、上記第３の絶縁膜５と同じか、または、上記第３の絶縁膜５よりも低い比誘電率を有する。このような比誘電率を有することで、金属配線３間の寄生容量を更に低減できる。

上記第２の絶縁膜４の比誘電率は、例えば、２．５〜４．５の範囲であり、上記第３の絶縁膜５の比誘電率は、例えば、３．５〜４．５の範囲である。第２の絶縁膜４と第３の絶縁膜５との組み合わせとして、第２の絶縁膜４／第３の絶縁膜５で表して、ＰＣＶＤ−ＳｉＯ／ＨＤＰ−ＣＶＤ−ＳｉＯ、低誘電率層間絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）／ＨＤＰ−ＣＶＤ−ＳｉＯＦ等がある。なお、ＨＤＰは、高密度プラズマの略である。

上記第２の絶縁膜４の膜厚は、一対の金属配線３間を満たさない膜厚に限定され、例えば一対の金属配線３間隔が２００ｎｍの場合は、１０〜２００ｎｍとなる。また、上記第２の絶縁膜４の膜厚は、エアギャップ６を含む領域においては、一対の金属配線３間距離に応じて、対向する第２の絶縁膜４距離が規定の寸法となるように調整されている。

具体的には、金属配線３の延在方向に直交する方向の断面において、エアギャップ６を含む領域の溝部７ａのアスペクト比は、配線間絶縁膜４，５のみからなる領域の溝部７ｂのアスペクト比の１．１倍以上の大きさとしている。

ここで、エアギャップ６を含む領域の溝部７ａのアスペクト比とは、溝部７ａの深さ／溝部７ａの幅の比であり、言い換えると、エアギャップ６を含む第３の絶縁膜５の底面から金属配線３の上面の第２の絶縁膜４の上面までの高さ／第３の絶縁膜５の幅の比である。

配線間絶縁膜４，５のみからなる領域の溝部７ｂのアスペクト比とは、溝部７ｂの深さ／溝部７ｂの幅の比であり、言い換えると、第３の絶縁膜５の底面から金属配線３の上面の第２の絶縁膜４の上面までの高さ／第３の絶縁膜５の幅の比である。

上記第３の絶縁膜５の膜厚は、一対の金属配線３間を満たし、それにプラグを形成しうる膜厚である。上記第３の絶縁膜５は、例えば、金属配線３の上面から、５０〜５００ｎｍの膜厚となるように、調整される。

上記金属配線３の側面に形成された上記第２の絶縁膜４の膜厚は、上記金属配線３の上面に形成された上記第２の絶縁膜４の膜厚以下であってもよい。例えば、金属配線３側面の第２の絶縁膜４の膜厚は、金属配線３上面の第２の絶縁膜４の膜厚の３０％〜７０％である。

また、上記金属配線３の上面に形成された上記第２の絶縁膜４の膜厚ｔ_capは、
ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_std
ｐ_diff ：第２の絶縁膜４の膜厚変動係数
LW_meas ：エアギャップ６が設けられた一対の金属配線３の間隔ＬＷの測定値
LW_std ：隣り合う金属配線３の間隔ＬＷの規程値
ｔ_std ：第２の絶縁膜４の膜厚の規程値
で与えられてもよい。

上記構成の半導体装置１０によれば、少なくとも一対の隣り合う金属配線３の間に、エアギャップ６が設けられているので、金属配線３間の寄生容量を小さくすることができる。また、このエアギャップ６が設けられた一対の金属配線３において、この一対の金属配線３に形成された上記第２の絶縁膜４の膜厚は、この一対の金属配線３の間隔ＬＷに応じて、制御されているので、精度良くエアギャップ６が形成されており、寄生容量の変動を抑えることができる。例えば、間隔ＬＷが広くなるほど、第２の絶縁膜４の膜厚を厚くして、エアギャップ６の位置を一定に保持する。

また、上記金属配線３側面の上記第２の絶縁膜４の膜厚は、上記金属配線３上面の上記第２の絶縁膜４の膜厚以下であってもよく、隣り合う金属配線３の間に形成された溝部７のアスペクト比の調整が容易となる。

また、上記金属配線３側面の上記第２の絶縁膜４の膜厚は、上記金属配線３上面の上記第２の絶縁膜４の膜厚の３０％〜７０％であってもよく、隣り合う金属配線３の間に形成された溝部７のアスペクト比の調整が一層容易となる。

また、上記エアギャップ６は、上記第３の絶縁膜５に囲まれているので、上記隣り合う金属配線３が、上記エアギャップ６を介して、短絡することを確実に防止する。

また、上記金属配線３上面の上記第２の絶縁膜４の膜厚ｔ_capは、ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_stdで与えられてもよく、上記第２の絶縁膜４の膜厚の決定が容易となる。

次に、上記半導体装置１０の製造方法について説明する。

図３Ａに示すように、基板１の上に第１の絶縁膜２を堆積する。例えば、第１の絶縁膜２は、以下の条件で形成したＳｉＮ膜（比誘電率７．０）とする。
成膜設備：プラズマＣＶＤ
基板温度：３５０〜５００℃
膜厚：１０〜２００ｎｍ
ガス１：ＳｉＨ_４ ５０〜４００ＳＣＣＭ
ガス２：ＮＨ_３ ５０〜１０００ＳＣＣＭ
ガス３：Ｎ_２ 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２上に金属膜３１を堆積する。例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｃｕ、ＴｉＮの順にそれぞれ２０ｎｍ、３０ｎｍ、４００ｎｍ、５０ｎｍを堆積して、金属膜３１とする。さらに、反射防止膜３２として ＳｉＮ膜を形成する。

その後、図３Ｂに示すように、公知のフォト、エッチング技術を用いて、金属膜３１および反射防止膜３２を金属配線３に加工する。加工した後、所定の位置における金属配線間の距離を計測しておく。

次に、図３Ｃに示すように、第１の絶縁膜２および金属配線３を覆うように、第２の絶縁膜４を堆積する。例えば、第２の絶縁膜４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：プラズマＣＶＤ
基板温度：３５０〜５００℃
膜厚：１０〜１５０ｎｍ
ガス１：ＴＥＯＳ ４００〜１０００ｍｇ
ガス２：Ｏ_２ ３００〜１０００ＳＣＣＭ
ガス３：Ｈｅ ３００〜１０００ＳＣＣＭ
ソースパワー（１３．５６ＭＨｚ）：３００〜１５００Ｗ
真空度：３〜１５Ｔｏｒｒ

この第２の絶縁膜４により、隣接する金属配線３の間に、溝部７を形成する。また、金属配線３の側面に形成される第２の絶縁膜４の膜厚は、金属配線３の間隔ＬＷの１／２未満とし、エアギャップ６の大きさに応じて膜厚調整を行う。このとき、隣り合う金属配線３の間隔ＬＷのデータを基に、第２の絶縁膜４の膜厚を決定する。この決定には、事前に、金属配線３の側面に形成される第２の絶縁膜４の膜厚と、金属配線３の上面に形成される第２の絶縁膜４の膜厚を求めたテーブルを元に、行なわれる。あるいは、金属配線３の上面に形成される第２の絶縁膜４の膜厚と、金属配線３の側面に形成される第２の絶縁膜４の膜厚との間に、一定の相関関係が認められている場合には、テーブルではなく計算式による算出で決定してよい。

次に、図２に示すように、第２の絶縁膜４および金属配線３を覆うように、第３の絶縁膜５を形成する。例えば、第３の絶縁膜５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：ＳｉＨ_４ ５０〜２００ＳＣＣＭ
ガス２：Ｏ_２ 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５を形成することで、金属配線３の間の溝部７が所定のアスペクト比以上であれば、エアギャップ６が形成される。

例えば、成膜チャンバーに、ＳｉＨ_４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、金属配線３の間の溝部７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。

ここでは、溝部７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、第３の絶縁膜５の平坦化を行い、第３の絶縁膜５の表面の段差を防止して、第３の絶縁膜５上に形成される上層の金属配線の断線の発生を抑制できる。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４に、上記半導体装置１０の製造方法のフローチャートを示す。

まず、基板１を準備し（ステップＳ１）、この基板１上に素子を形成し（ステップＳ２）、基板１上に第１の絶縁膜２を形成する（ステップＳ３）。

その後、第１の絶縁膜２上に金属膜３１を形成し（ステップＳ４）、複数の金属配線３を、互いに間隔をあけて配列するように、第１の絶縁膜２上に形成する（ステップＳ５）。この金属配線３のパターンは、公知のフォト、エッチング技術を用いて、形成される。

そして、金属配線３のパターン間の寸法を測定する（ステップＳ６）。つまり、エアギャップ６を設ける領域に相当する隣り合う上記金属配線３の間の間隔ＬＷを測定する。

その後、この測定された間隔ＬＷに応じて第２の絶縁膜４の膜厚を決定する（ステップＳ７）。この第２の絶縁膜４にて上記金属配線３を覆って、隣り合う上記金属配線３の間に溝部７を形成する（ステップＳ８）。つまり、第２の絶縁膜４の膜厚は、一対の金属配線３の間隔ＬＷを計測した結果に基づいて、制御される。例えば、間隔ＬＷが広くなるほど、第２の絶縁膜４の膜厚を厚くする。

そして、この第２の絶縁膜４上に第３の絶縁膜５を形成すると共に、上記エアギャップ６を設ける領域に相当する隣り合う金属配線３の間に、上記溝部７内に、エアギャップ６を設ける（ステップＳ９）。つまり、金属配線３を覆うように配線間に絶縁膜４，５を形成することで、エアギャップ６を含む領域と、配線間絶縁膜４，５のみからなる領域とを、形成する。その後、第３の絶縁膜５の表面を平坦化に処理する（ステップＳ１０）。

なお、上記金属配線３側面の上記第２の絶縁膜４の膜厚を、上記金属配線３上面の上記第２の絶縁膜４の膜厚の３０％〜７０％としてもよく、隣り合う金属配線３の間に形成される溝部７のアスペクト比の調整が容易となる。したがって、所望する領域の溝部７のみに、エアギャップ６を設けることができる。

また、上記金属配線３上面の上記第２の絶縁膜４の膜厚を、隣り合う上記金属配線３の間隔ＬＷに応じて事前に取得されたテーブルにて、与えるようにしてもよく、上記第２の絶縁膜４の膜厚の決定が容易となる。

また、上記金属配線３の上面に形成される上記第２の絶縁膜４の膜厚ｔ_capを、ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_stdで与えるようにしてもよく、上記第２の絶縁膜４の膜厚の決定が容易となる。

また、第１の絶縁膜２は、特に限定されず、例えば、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。金属配線３は、特に限定されず、例えば、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタ法等により金属膜３１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。

また、配線間の絶縁膜４，５の形成方法は、エアギャップ６を含む領域と、配線間の絶縁膜４，５のみからなる領域とを、作り分けることができる方法であればよい。

具体的には、第３の絶縁膜５の形成時に、同時に、エアギャップ６を形成する方法である。エアギャップ６は、第３の絶縁膜５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、金属配線３の延在方向に直交する方向において、第２の絶縁膜４の形成厚を調整することで、第３の絶縁膜５を形成する溝部７のアスペクト比を、エアギャップ６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。

すなわち、エアギャップ６の形成を所望する領域においてのみ、第２の絶縁膜４を、一対の金属配線３が向かい合う側面の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６が形成される。この条件では、エアギャップ６の作り分けがより容易となる。

また、第２の絶縁膜４は、金属配線３の側面に形成されていればよく、金属配線３の間の第１の絶縁膜２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６がより下方に形成され、金属配線３層間の寄生容量を低減できる。

また、第１の絶縁膜２が、同一のエッチング条件下で、第２の絶縁膜４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６を含む領域を形成する際の第２の絶縁膜４の除去において、第１の絶縁膜２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６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。

例えば、第１の絶縁膜２のドライエッチング速度は、第２の絶縁膜４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。上記ドライエッチング速度を満たす第１の絶縁膜２／第２の絶縁膜４の組み合わせとしては、ＳｉＮ／ＳｉＯ、ＳｉＮ／ＳｉＯＦ等がある。

上記構成の半導体装置の製造方法によれば、上記エアギャップ６を設ける領域に相当する隣り合う金属配線３の間に、エアギャップ６を設けるので、金属配線３間の寄生容量を小さくすることができる。また、上記エアギャップ６を設ける領域に相当する隣り合う金属配線３の間の間隔ＬＷを測定して、この測定された間隔ＬＷに応じて第２の絶縁膜４の膜厚を決定するので、精度良くエアギャップ６を形成できて、寄生容量の変動を抑えることができる。

ここで、隣り合う金属配線３の間の間隔ＬＷが変化する場合を説明する。

図５Ａおよび図５Ｂに、比較例を示す。図５Ａに示すように、半導体装置１１１の間隔ＬＷが、図２の半導体装置１０の間隔ＬＷに比べて、広く変化した場合、第２の絶縁膜４の膜厚が図２と同じであれば、溝部７のアスペクト比は小さくなって、エアギャップ６が上方に形成される。一方、図５Ｂに示すように、半導体装置１１２の間隔ＬＷが、図２の半導体装置１０の間隔ＬＷに比べて、狭く変化した場合、第２の絶縁膜４の膜厚が図２と同じであれば、溝部７のアスペクト比は大きくなって、エアギャップ６が下方に形成される。

これに対して、本発明のように、隣り合う金属配線３の間の間隔ＬＷに基づいて、第２の絶縁膜４の膜厚を制御すると、図６Ａに示すように、半導体装置１１の間隔ＬＷが、図２の半導体装置１０の間隔ＬＷに比べて、広く変化した場合、第２の絶縁膜４の膜厚を厚くすることで、溝部７のアスペクト比を一定に保って、エアギャップ６の位置を一定に保持できる。一方、図６Ｂに示すように、半導体装置１２の間隔ＬＷが、図２の半導体装置１０の間隔ＬＷに比べて、狭く変化した場合、第２の絶縁膜４の膜厚を薄くすることで、溝部７のアスペクト比を一定に保って、エアギャップ６の位置を一定に保持できる。つまり、間隔ＬＷが広くなるほど、第２の絶縁膜４の膜厚を厚くして、エアギャップ６の位置を一定に保持する。

本発明の半導体装置の一実施形態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法の第３工程を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法のフローチャートである。 金属配線の間隔を広く変化した場合の比較例としての半導体装置の断面図である。 金属配線の間隔を狭く変化した場合の比較例としての半導体装置の断面図である。 金属配線の間隔を広く変化した場合の本発明の半導体装置の断面図である。 金属配線の間隔を狭く変化した場合の本発明の半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置の製造方法の第１工程を示す断面図である。 従来の半導体装置の製造方法の第２工程を示す断面図である。 従来の半導体装置の製造方法の第３工程を示す断面図である。 従来の半導体装置の製造方法の第４工程を示す断面図である。 従来の半導体装置の製造方法の第５工程を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 第１の絶縁膜
３ 金属配線
３１ 金属膜
３２ 反射防止膜
４ 第２の絶縁膜
５ 第３の絶縁膜
６ エアギャップ
７ 溝部
７ａ エアギャップを含む領域の溝部
７ｂ 配線間絶縁膜のみからなる領域の溝部
１０，１１，１２ 半導体装置
ＬＷ 間隔

Claims (11)

1. 基板と、
   この基板上に形成された第１の絶縁膜と、
   この第１の絶縁膜上に形成されると共に互いに間隔をあけて配列された複数の金属配線と、
   隣り合う上記金属配線の間に溝部を形成するようにこの金属配線を覆う第２の絶縁膜と、
   この第２の絶縁膜上に形成された第３の絶縁膜と
   を備え、
   少なくとも一対の隣り合う金属配線の間に、上記溝部内に、エアギャップが設けられ、
   このエアギャップが設けられた一対の金属配線において、この一対の金属配線に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、この一対の金属配線の間隔に応じて、制御されていることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   上記金属配線の側面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚以下であることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、
   上記金属配線の側面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚の３０％〜７０％であることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載の半導体装置において、
   上記エアギャップは、上記第３の絶縁膜に囲まれていることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載の半導体装置において、
   上記金属配線の上面に形成された上記第２の絶縁膜の膜厚ｔ_capは、
   ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_std
   ｐ_diff ：第２の絶縁膜の膜厚変動係数
   LW_meas ：エアギャップが設けられた一対の金属配線の間隔の測定値
   LW_std ：隣り合う金属配線の間隔の規程値
   ｔ_std ：第２の絶縁膜の膜厚の規程値
   で与えられていることを特徴とする半導体装置。
6. 基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
   複数の金属配線を、互いに間隔をあけて配列するように、上記第１の絶縁膜上に形成する工程と、
   エアギャップを設ける領域に相当する隣り合う上記金属配線の間の間隔を測定する工程と、
   この測定された間隔に応じて第２の絶縁膜の膜厚を決定する工程と、
   この第２の絶縁膜にて上記金属配線を覆って、隣り合う上記金属配線の間に溝部を形成する工程と、
   この第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成すると共に、上記エアギャップを設ける領域に相当する隣り合う金属配線の間に、上記溝部内に、エアギャップを設ける工程と
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
   上記金属配線の側面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚は、上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚の３０％〜７０％であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
   上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚は、隣り合う上記金属配線の間隔に応じて事前に取得されたテーブルにて、与えられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項６から８の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
   上記金属配線の上面に形成される上記第２の絶縁膜の膜厚ｔ_capは、
   ｔ_cap＝ｐ_diff（LW_std−LW_meas）＋ｔ_std
   ｐ_diff ：第２の絶縁膜の膜厚変動係数
   LW_meas ：エアギャップが設けられた一対の金属配線の間隔の測定値
   LW_std ：隣り合う金属配線の間隔の規程値
   ｔ_std ：第２の絶縁膜の膜厚の規程値
   で与えられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 請求項６から９の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
    上記第２の絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により、形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 請求項６から１０の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法において、
    上記第３の絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により、形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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