JP2015061032A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ダマシン配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a wiring structure and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a damascene wiring structure and a manufacturing method thereof.
近年、半導体装置は、高集積化に伴い、特許文献1に開示されるような多層配線構造が用いられている。また、小型化、微細化の傾向は加速される一方である。しかしながら、この小型化、微細化は、配線間隔の狭小化を招き、配線間の既成容量を増大させ、信号遅延を増大させるという問題を引き起こすことになる。
2. Description of the Related Art In recent years, a multilayer wiring structure as disclosed in
この信号遅延の問題に対処するために、特許文献2には、配線間の寄生容量を低減する目的で電極または配線層間に空洞を形成する方法が開示されている。空洞は、固体物質である絶縁膜よりも比誘電率が低いので配線の寄生容量低減に寄与することができる。
In order to cope with this problem of signal delay,
また、半導体装置の高速動作の要求に対処するため、配線には低抵抗の銅(Cu)が用いられ、下層配線に接続するビアプラグとビアプラグ上に配置される配線を同時に形成するCuデュアルダマシン法が用いられている。Cuデュアルダマシン法には、ビアプラグが埋設されるビアホールを先に形成するビアファースト法と、配線が埋設される配線溝(トレンチ)を先に形成するトレンチファースト法と、がある。特許文献3には、ビアファースト法の一例が開示され、特許文献4にはトレンチファースト法の一例が開示されている。
Further, in order to cope with a demand for high-speed operation of a semiconductor device, a copper dual damascene method in which low resistance copper (Cu) is used for wiring and a via plug connected to a lower layer wiring and a wiring arranged on the via plug are simultaneously formed. Is used. The Cu dual damascene method includes a via first method in which a via hole in which a via plug is embedded is formed first, and a trench first method in which a wiring groove (trench) in which a wiring is embedded is formed first.
特許文献2に記載された方法は、同一方向に延在して隣接する配線を形成した後、配線上にステップカバレージの悪い絶縁膜を形成すると、隣接する配線間の上部空間が絶縁膜で閉塞され、その結果として配線間の内部に空洞が発生する現象を利用している。特許文献2の方法では、間隔の狭い配線間には空洞を形成することができるが、間隔の広い配線間には空洞を形成できないという配線パターン依存性があり、全ての配線に対して空洞を形成できない問題があった。また、特許文献2の方法は、特許文献3に記載されたCuデュアルダマシン構造には適用できない問題があった。
In the method described in
第1の観点における半導体装置は、半導体基板上に配置される第1配線と、前記第1配線の上面に接続されるビアホールを埋設するビアプラグと、前記ビアプラグの上面に接続され第1方向に延在するトレンチを埋設する第2配線と、を有し、前記トレンチを構成する2つの側面に各々配置されるトレンチエアーギャップと、前記ビアホールを構成する側面に配置されるビアエアーギャップと、を備える構成を有する。 A semiconductor device according to a first aspect includes a first wiring disposed on a semiconductor substrate, a via plug burying a via hole connected to the upper surface of the first wiring, and an upper surface of the via plug connected in the first direction. A second wiring for burying an existing trench, and a trench air gap disposed on each of two side surfaces constituting the trench, and a via air gap disposed on a side surface constituting the via hole. It has a configuration.
他の観点における半導体装置は、半導体基板上に配置される第1配線と、前記第1配線の上面に接続されるビアホールを埋設するビアプラグと、前記ビアプラグの上面に接続され第1方向に延在するトレンチを埋設する第2配線と、前記トレンチを構成する2つの側面に各々配置されるトレンチエアーギャップと、前記ビアホールを構成する側面に配置されるビアエアーギャップと、を備え、前記トレンチの側面に配置されるトレンチエアーギャップの少なくとも一部と、前記ビアホールの側面に配置されるビアエアーギャップの少なくとも一部と、は上下方向に面一の構成を有する。 In another aspect, a semiconductor device includes: a first wiring disposed on a semiconductor substrate; a via plug embedded in a via hole connected to an upper surface of the first wiring; and a first plug connected to the upper surface of the via plug and extending in a first direction. A second wiring for burying the trench, a trench air gap disposed on each of two side surfaces constituting the trench, and a via air gap disposed on the side surface constituting the via hole, At least a part of the trench air gap arranged at the side and at least a part of the via air gap arranged at the side surface of the via hole have a configuration that is flush with the vertical direction.
また、半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1配線および第1層間絶縁膜を形成する工程と、前記第1配線上に第2層間絶縁膜および第3層間絶縁膜を順次形成する工程と、前記第3層間絶縁膜にトレンチを、前記第2層間絶縁膜にビアホールを形成する工程と、を有し、前記第3層間絶縁膜にトレンチを、前記第2層間絶縁膜にビアホールを形成する工程は、前記トレンチの側面の少なくとも一部と、前記ビアホールの側面の少なくとも一部と、が面一となるように形成する工程からなる。 The method for manufacturing a semiconductor device includes a step of forming a first wiring and a first interlayer insulating film on a semiconductor substrate, and a step of sequentially forming a second interlayer insulating film and a third interlayer insulating film on the first wiring. And forming a trench in the third interlayer insulating film and forming a via hole in the second interlayer insulating film, and forming a trench in the third interlayer insulating film and forming a via hole in the second interlayer insulating film. The step of forming includes a step of forming such that at least a part of the side surface of the trench and at least a part of the side surface of the via hole are flush with each other.
本発明によれば、ダマシン構造の配線において、トレンチを埋設する配線の側面と、トレンチの下に位置するビアホールを埋設するビアプラグの側面と、のいずれにもエアーギャップを配置する構成とすることができる。これにより、隣接配線間および隣接ビアプラグ間の寄生容量を低減して半導体装置の高速動作化を図れる。また、配線およびビアプラグ自体に接して個々に付随するエアーギャップを配置できるので、配線パターンのレイアウトに依存することなく、いずれの配線パターンに対してもエアーギャップを形成することができる。 According to the present invention, in the damascene structure wiring, the air gap is arranged on both the side surface of the wiring in which the trench is embedded and the side surface of the via plug in which the via hole located under the trench is embedded. it can. Thereby, the parasitic capacitance between adjacent wirings and between adjacent via plugs can be reduced, and the semiconductor device can be operated at high speed. In addition, since the air gap associated therewith can be arranged in contact with the wiring and the via plug itself, the air gap can be formed for any wiring pattern without depending on the layout of the wiring pattern.
以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。また、XYZ座標系を設定し、各構成の配置を説明する。この座標系において、Z方向は半導体基板の表面に垂直な方向であり、X方向は半導体基板の表面と水平な面においてZ方向と直交する方向であって、Y方向は半導体基板の表面と水平な面においてX方向と直交する方向である。このように、Y方向とX方向とは、互いに直交している。X方向は第1方向とも呼ばれ、Y方向は第2方向とも呼ばれ、Z方向は第3方向とも呼ばれる。 In the following drawings, the scale and number of each structure are different from each other in order to make each configuration easy to understand. In addition, an XYZ coordinate system is set and the arrangement of each component will be described. In this coordinate system, the Z direction is a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, the X direction is a direction perpendicular to the Z direction in a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate, and the Y direction is horizontal to the surface of the semiconductor substrate. This is a direction orthogonal to the X direction on a smooth surface. Thus, the Y direction and the X direction are orthogonal to each other. The X direction is also called the first direction, the Y direction is also called the second direction, and the Z direction is also called the third direction.
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本第1実施形態では、トレンチファースト法を用いたCuデュアルダマシン法をベースに、トレンチ内に埋設される配線の側面、およびビアホール内に埋設されるビアプラグの側面のいずれにもエアーギャップ(Air Gap:以下、AGとも記す)を有する配線構造を備えた半導体装置およびその製造方法について説明する。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the first embodiment, based on the Cu dual damascene method using the trench first method, an air gap (air gap) is formed on both the side surface of the wiring buried in the trench and the side surface of the via plug buried in the via hole. Hereinafter, a semiconductor device having a wiring structure having AG and a manufacturing method thereof will be described.
最初に、図1の平面図、図2の断面図を参照して、本第1実施形態の半導体装置について説明する。 First, the semiconductor device of the first embodiment will be described with reference to the plan view of FIG. 1 and the cross-sectional view of FIG.
図2(a)、(b)、(c)は、図1におけるA−A’断面図、B−B’断面図、C−C’断面図に各々対応している。 2A, 2B, and 2C correspond to the A-A 'cross-sectional view, B-B' cross-sectional view, and C-C 'cross-sectional view in FIG. 1, respectively.
トランジスタなどの半導体素子が形成された半導体基板1の上に、シリコン酸化膜からなる第1層間絶縁膜2と、第2層間絶縁膜4に埋設されY方向(第2方向)に延在する第1配線3と、が設けられている。第1配線3は下層配線であり、タングステン(W)、Cu、アルミニウム(Al)などで構成される。また、第1配線3は下層導体とのコンタクトプラグであっても良い。第1配線3の上には、例えば厚さ50nm第2層間絶縁膜4が配置される。さらに、第2層間絶縁膜4上に、例えば厚さ100nmのシリコン酸化膜からなる第3層間絶縁膜5が配置される。第2層間絶縁膜4は、第3層間絶縁膜5を構成するシリコン酸化膜に対してエッチングの選択性が確保できるシリコン酸窒化膜(SiON膜)やシリコン炭窒化膜(SiCN膜)が用いられる。また、第3層間絶縁膜5のエッチング終点検知を可能とするBPSG膜などの不純物含有シリコン酸化膜であっても良い。
A first
第3層間絶縁膜5には、Y方向に垂直な方向となるX方向(第1方向)に延在する配線溝(以下、トレンチと記す)7が配置され、トレンチ7内には第2配線20Aが埋設されている。トレンチ7の底面に接してZ方向(第3方向)に延在し第1配線3の上面に接続するビアホール9が配置され、ビアホール9内には第1ビアプラグ20Bが埋設されている。第1ビアプラグ20Bによって、第2配線20Aと下層に位置する第1配線3とが接続される。第2配線20Aおよび第1ビアプラグ20Bは一体構成で配置され、いずれもCu拡散バリヤ膜20a上にCu膜20bが積層されて構成される。第2配線20Aおよび第1ビアプラグ20Bは、アルミニウムで構成されても良い。
The third
第2配線20Aおよび第3層間絶縁膜5の上面にはキャップ絶縁膜12が配置される。第2配線20A上に位置するキャップ絶縁膜12には、第2配線20Aの上面に接続される第2ビアプラグ13が配置される。さらに、第2ビアプラグ13の上面に接続される第3配線14が配置される。第2ビアプラグ13および第3配線14は、一体化されたアルミニウム配線で構成することができる。また、第2配線20Aと同様に、Cu拡散バリヤとCu配線の組み合わせで構成しても良い。これにより、第1配線3、第2配線20A、第3配線14からなる多層配線構造が構成される。
A
上記構成において、図1および図2(a)、(c)に示すように、第2配線20Aが埋設されX方向に延在するトレンチ7は、Y方向に対向する第1側面5aと第2側面5bを有している。トレンチ7のY方向の幅W2、すなわち第1側面5aと第2側面5bとの間の間隔は60nmとする。第1側面5aと第2配線20Aの間には第1エアーギャップ(AG)11aが配置されている。また、第2側面5bと第2配線20Aの間には第2エアーギャップ(AG)11bが配置されている。
In the above configuration, as shown in FIG. 1 and FIGS. 2A and 2C, the
トレンチ7を構成する2つの側面5a,5bに各々配置される、第1AG11aと第2AG11bとの組み合わせは、トレンチエアーギャップとも呼ばれる。
The combination of the
一方、図1および図2(a)、(b)に示すように、トレンチ7の底面に接するビアホール9は、Y方向に対向するビア第1側面4aおよびビア第2側面4bと、X方向に対向するビア第3側面4cおよびビア第4側面4dと、を有している。第1側面5aとビア第1側面4aは面一の連続する側面となっている。また、第2側面5bとビア第2側面4bも面一の連続する側面を構成している。このように、本第1実施形態の半導体装置は、トレンチ7と、トレンチ7の底面に接して下方に延在するビアホール9を有し、トレンチ7を構成する側面の少なくとも一部はビアホール9を構成する側面の少なくとも一部と面一の連続する側面を構成することを特徴の一つとしている。これにより、ビア第1側面4aと第1ビアプラグ20Bの間に配置されるエアーギャップ(AG)は第1AG11aに包含され、ビア第2側面4bと第1ビアプラグ20Bの間に配置されるエアーギャップ(AG)は第2AG11bに包含される構成となる。
On the other hand, as shown in FIG. 1 and FIGS. 2A and 2B, the via
ビア第3側面4cおよびビア第4側面4dには、各々対応する第3エアーギャップ(AG)11cおよび第4エアーギャップ(AG)11dが配置される。ビアホール9の周囲に位置する第1AG11a、第3AG11c、第2AG11b、第4AG11dは、ビアホール9の平面視コーナー部において各々接続されており、一つのリング状エアーギャップ(AG)を構成している。第1AG11aおよび第2AG11bの各々のY方向の幅と、第3AG11cおよび第4AG11dの各々のX方向の幅と、は全て同じ幅で構成される。ここでは、その幅は、例えば10nmで構成される。
Corresponding third air gap (AG) 11c and fourth air gap (AG) 11d are arranged in via
ビアホール9を構成する側面4a,4b,4c,4dに各々配置される、第1乃至第4のAG11a,11b,11c,11dの組み合わせは、ビアエアーギャップとも呼ばれる。
A combination of the first to
上記のように、トレンチ7の第1側面5aとビアホール9のビア第1側面4aは平面視で重なる位置に配置され、トレンチ7の第2側面5bとビアホール9のビア第2側面4bも平面視で重なる位置に配置される。したがって、ビアホール9のY方向の幅W2は、トレンチ7のY方向の幅W2と等しく、60nmとなっている。ビアホール9のY方向の位置は、トレンチ7のY方向の位置に整合している。ビアホール9のX方向の幅W3、すなわちビア第3側面4cとビア第4側面4dとの間の間隔は60nmとする。
As described above, the
図1に示すように、第1配線3のX方向の幅W1は、ビアホール9のX方向の幅W3よりも大きいサイズで構成する。ここでは80nmとする。これにより、リソグラフィのパターン重ね合わせ精度のマージンを考慮しても、平面視においてビアホール9を第1配線3の上面のX方向の端部からはみ出すことなく第1配線3内に配置することができる。
As shown in FIG. 1, the width W1 of the
かくして、本第1実施形態の半導体装置は、半導体基板(1)上に配置される第1配線(3)と、第1配線(3)の上面に接続されるビアホール(9)を埋設するビアプラグ(20B)と、ビアプラグ(20B)の上面に接続され一方向に延在するトレンチ(7)を埋設する第2配線(20A)と、を有し、トレンチ(7)を構成する2つの側面(5a,5b)に各々配置されるトレンチエアーギャップ(11a,11b)と、ビアホール(9)を構成する側面(4a,4b,4c,4d)に配置されるビアエアーギャップ(11a,11b,11c,11d)と、を有して構成されている。 Thus, in the semiconductor device of the first embodiment, the first wiring (3) disposed on the semiconductor substrate (1) and the via plug (9) connected to the upper surface of the first wiring (3) are embedded. (20B) and a second wiring (20A) for burying a trench (7) that is connected to the upper surface of the via plug (20B) and extends in one direction, and two side surfaces that constitute the trench (7) ( 5a, 5b) and the via air gaps (11a, 11b, 11c) disposed on the side surfaces (4a, 4b, 4c, 4d) constituting the via holes (9). 11d).
別言すれば、本第1実施形態の半導体装置は、半導体基板(1)上に配置される第1配線(3)と、第1配線(3)の上面に接続されるビアホール(9)を埋設するビアプラグ(20B)と、ビアプラグ(20B)の上面に接続され一方向に延在するトレンチ(7)を埋設する第2配線(20A)と、トレンチ(7)を構成する2つの側面(5a,5b)に各々配置されるトレンチエアーギャップ(11a,11b)と、ビアホール(9)を構成する側面(4a,4b,4c,4d)に配置されるビアエアーギャップ(11a,11b,11c,11d)と、を備え、トレンチ(7)の側面(5a,5b)に配置されるトレンチエアーギャップ(11a,11b)の少なくとも一部と、ビアホール(9)の側面(4a,4b,4c,4d)に配置されるビアエアーギャップ(11a,11b,11c,11d)の少なくとも一部と、は上下方向に面一で構成される。 In other words, the semiconductor device of the first embodiment includes a first wiring (3) disposed on the semiconductor substrate (1) and a via hole (9) connected to the upper surface of the first wiring (3). A via plug (20B) to be buried, a second wiring (20A) to bury a trench (7) connected to the upper surface of the via plug (20B) and extending in one direction, and two side surfaces (5a) constituting the trench (7) , 5b) and via air gaps (11a, 11b, 11c, 11d) arranged on the side surfaces (4a, 4b, 4c, 4d) constituting the via holes (9). ), And at least part of the trench air gap (11a, 11b) disposed on the side surface (5a, 5b) of the trench (7), and the side surface (4a, 4b, 4c, 4d) of the via hole (9) In Via an air gap which is location (11a, 11b, 11c, 11d) and at least a portion of, it is composed of flush in the vertical direction.
以上のように、本第1実施形態の半導体装置では、第2配線20Aと、第2配線の下に連続する第1ビアプラグ20Bと、を有し、第2配線20Aの二つの側面5a,5bおよび第1ビアプラグ20Bの4つの側面4a,4b,4c,4dのいずれにもAGを配置しているので、隣接する配線間および隣接するビアプラグ間に起因する配線の寄生容量を低減して半導体装置の高速動作化に寄与することができる。また、本第1実施形態では配線自体の側面に付随させてAGを配置するので、配線のレイアウトパターンに制約されることなくいずれの配線にもAGを配置することができる。
As described above, the semiconductor device according to the first embodiment includes the
なお、本第1実施形態ではビアホール9を平面視矩形のパターンで示したが、これに限るものではなく、平面視円形のパターンであっても同様に構成することができる。
In the first embodiment, the via
次に、図3〜図16を参照しながら、本第1実施形態における半導体装置の製造方法について説明する。各々の図における(a)図は図1のA−A’断面図、(b)図は図1のB−B’断面図、(c)図は図1のC−C’断面図を示している。また、(d)図は対応する工程の平面図を示している。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. In each figure, (a) is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1, (b) is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 1, and (c) is a cross-sectional view taken along line CC ′ of FIG. ing. FIG. 4D shows a plan view of the corresponding process.
(第1配線形成工程)
最初にビアプラグが接続される下層配線となる第1配線形成工程が実施される。
(First wiring formation process)
First, a first wiring forming process is performed to be a lower layer wiring to which a via plug is connected.
図3(a)、(b)に示すように、トランジスタなどの半導体素子が形成された半導体基板1の上に、第1層間絶縁膜2を形成する。第1層間絶縁膜2には例えばシリコン酸化膜(SiO膜)を用いる。なお、半導体基板1にはシリコン単結晶基板を用いるものとするが、これに限るものではない。第1層間絶縁膜2内に、Y方向(第2方向)に延在し、Y方向に垂直なX方向(第1方向)の幅がW1の第1配線3を形成する。W1は例えば80nmとする。第1配線3は、アルミニウム配線やCu配線などの配線に限らず、タングステン(W)膜やシリコン膜で構成されるコンタクトプラグであっても良い。また、第1配線3は、半導体基板1自体であっても良い。第1配線3は、厚さや平面形状などに特別な制限があるものではない。
As shown in FIGS. 3A and 3B, a first
(層間絶縁膜形成工程)
次に、層間絶縁膜形成工程が実施される。
(Interlayer insulation film formation process)
Next, an interlayer insulating film forming step is performed.
図3(a)に示すように、第1配線3の上面および第1層間絶縁膜2の上面に、厚さが例えば50nmの第2層間絶縁膜4と、厚さが例えば150nmの第3層間絶縁膜5と、を順次積層形成する。
As shown in FIG. 3A, a second
第2層間絶縁膜4は、例えば酸窒化シリコン膜(SiON膜)を用いる。第2層間絶縁膜4は、SiON膜の他、炭窒化シリコン膜(SiCN膜)などを用いることができる。また、第2層間絶縁膜4は、ボロン、リンなどの不純物含有シリコン酸化膜(BPSG)などを用いることができる。第2層間絶縁膜4は、後述の配線溝(トレンチ)形成工程において、第3層間絶縁膜5をエッチングする際に残存させることが可能な材料であることが好ましい。すなわち、第2層間絶縁膜4は、第3層間絶縁膜5に対してエッチング選択比が確保できる、もしくは第3層間絶縁膜5のエッチング終点を検知できる材料であれば好ましい。
For example, a silicon oxynitride film (SiON film) is used as the second
第3層間絶縁膜5は、例えばシリコン酸化膜(SiO)を用いる。第3層間絶縁膜5は、シリコン酸化膜より誘電率の低い低誘電率材料を用いても良い。第3層間絶縁膜5をSiO膜で構成した場合、第2層間絶縁膜4として用いるSiON膜、SiCN膜、BPSG膜などには第3層間絶縁膜5には含有されていない元素が含有されている。したがって、それらの元素に起因するプラズマ発光をモニターすることにより第3層間絶縁膜5のエッチング終点を検知し、第2層間絶縁膜4を残存させることができる。また、SiON膜やSiCN膜などは、SiO膜に対してエッチングの選択比を確保することも可能である。
For example, a silicon oxide film (SiO) is used for the third
(トレンチ形成工程)
次に、第3層間絶縁膜5にトレンチを形成するトレンチ形成工程が実施される。
(Trench formation process)
Next, a trench forming step for forming a trench in the third
まず、図3(a)、(d)に示すように、第3層間絶縁膜5の上面に第1マスク膜6を形成する。第1マスク膜6は、第1反射防止膜(第1BARC膜)、第1Si含有有機膜などに加え最上層に形成される第1感光性有機膜(第1ホトレジスト膜)からなる。第1マスク膜6は、他に、Siなどからなる無機のハードマスク膜を含んでも良い。
First, as shown in FIGS. 3A and 3D, a
次に、図3(a)、(d)に示すように、リソグラフィと異方性ドライエッチング法により、第1マスク膜6に、X方向に延在しY方向の幅W2が例えば60nmとなるトレンチパターン6aを形成する。トレンチパターン6aは、幅W2の全体がX方向に延在する第1配線3の上面に直交して重なるように形成する。
Next, as shown in FIGS. 3A and 3D, the
次に、図3(a)、(b)、(d)に示すように、トレンチパターン6aをマスクとし、フッ素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチング法により第3層間絶縁膜5をエッチングする。これにより、Y方向に対向し第3層間絶縁膜5からなる第1側面5a、および第2側面5bを有しX方向に延在するトレンチ7が形成される。トレンチ7は後述の工程で配線が埋設される配線溝となる。トレンチ7の底面には第2層間絶縁膜4の上面が露出する。
Next, as shown in FIGS. 3A, 3B, and 3D, the third
次に、第1マスク膜6を除去する。
Next, the
(ビアホール形成工程)
次に、トレンチ7の下方に連続し第1配線3の上面に接続するビアホール形成工程が実施される。
(Via hole formation process)
Next, a via hole forming step is performed which continues below the
まず、図4(a)、(b)、(c)に示すように、トレンチ7内を埋設し、第3層間絶縁膜5の上面51を覆う第2BARC膜8(トレンチ埋設膜8)を回転塗布法により形成する。第2BARC膜8の上面81は、第3層間絶縁膜5の上面51より0〜50nm高い位置となるように形成する。
First, as shown in FIGS. 4A, 4 </ b> B, and 4 </ b> C, the inside of the
次に、図4(b)、(c)に示すように、第2BARC膜8の上面に第2マスク膜8cとなる第2Si含有有機膜8aおよび第2ホトレジスト膜8bを順次積層形成する。リソグラフィ法により第2ホトレジスト膜8bに第1ビアホールパターン8Aを形成する。
Next, as shown in FIGS. 4B and 4C, a second Si-containing
本第1実施形態の第1ビアホールパターン8Aは、図4(d)に示すように、X方向に延在するトレンチ7の少なくとも第1側面5aおよび第2側面5bに跨って形成されることが必要である。このため、ここでは、第1ビアホールパターン8Aを、Y方向に配置される複数のトレンチ7に跨って延在するラインパターンで形成した。第1ビアホールパターン8Aをトレンチ7の延在方向に直交するY方向にラインパターンで形成することにより、いずれの第1側面5a、第2側面5bも確実に第1ビアホールパターン8A内に位置することとなる。
As shown in FIG. 4D, the first via hole pattern 8A of the first embodiment is formed across at least the
なお、第1ビアホールパターン8Aは、ラインパターンに限らず、トレンチ7をY方向の中央に含み、第1側面5aおよび第2側面5bに跨る個別の矩形パターンで形成しても良い。
The first via hole pattern 8A is not limited to the line pattern, and may be formed as an individual rectangular pattern including the
第1ビアホールパターン8Aは、X方向の幅W3が下層の第1配線3のX方向の幅W1より小さいサイズで形成され、且つ第1配線のX方向の幅W1からはみ出さない位置で重なるように形成される。これにより、後述のビアホールは、第1配線3の上面に接続され、第1配線3の上面からはみ出して形成されることを回避することができる。ここでは第1ビアホールパターン8Aの幅W3を60nmとした。
The first via hole pattern 8A is formed so that the width W3 in the X direction is smaller than the width W1 in the X direction of the
次に、第2ホトレジスト膜8bをマスクとして、第2Si含有有機膜8aを異方性ドライエッチングし、第2Si含有有機膜8aに第1ビアホールパターン8Aを転写する。これにより、図4(a)、(b)、(c)、(d)に示すように、第1ビアホールパターン8Aである第2マスク膜パターン8Aが形成され、そのパターン内には第2BARC膜8の上面が露出する。
Next, using the
次に、図5(a)、(b)、(c)、(d)に示すように、第1ビアホールパターン8A内に露出する第2BARC膜8を、酸素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチング法によりエッチングし、第2ビアホールパターン8Bを形成する。酸素含有プラズマでは、第2ホトレジスト膜8bおよび第2BARC膜8などの有機膜はエッチングされるが、第3層間絶縁膜5および第2層間絶縁膜4を構成するシリコン酸化膜などの無機膜はエッチングされない。また、第2Si含有有機膜8aもエッチングされない。
Next, as shown in FIGS. 5A, 5B, 5C, and 5D, the
したがって、上記の酸素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチング法によるエッチングを施すと、第2Si含有有機膜8aで覆われていない第1ビアホールパターン内の第2BARC膜8のみが選択的に除去される。これにより、トレンチ7を埋設していた第2BARC膜8が除去され、トレンチ7内には第2層間絶縁膜4の上面が露出する。また、Y方向に隣接するトレンチ7の間には第3層間絶縁膜5の上面が露出することとなる。
Therefore, when the anisotropic dry etching method using the oxygen-containing plasma is performed, only the
したがって、第2ビアホールパターン8Bは、図5(d)に示すように、Y方向に対向し第3層間絶縁膜5からなる第1側面5aおよび第2側面5bと、X方向に対向し第2BARC膜8からなる第3側面8dおよび第4側面8eと、で区画される平面視矩形のホールパターンとなる。
Therefore, as shown in FIG. 5D, the second via
次に、図6(a)、(b)、(c)、(d)に示すように、第2Si含有有機膜8aを除去する。さらに第2BARC膜8の上面をエッチバックする。これにより、図6(c)、(d)に示すように、第1ビアホールパターン8A以外の領域に位置する第3層間絶縁膜5の上面51を露出させる。第2ビアホールパターン8B以外の領域に位置するトレンチ7内は第2BARC膜8で埋設されている。
Next, as shown in FIGS. 6A, 6B, 6C, and 6D, the second Si-containing
次に、図7(a)、(b)、(c)、(d)に示すように、第3層間絶縁膜5および第2BARC膜8をマスクとして、第2ビアホールパターン8b内に露出している第2層間絶縁膜4をエッチングする。このエッチングは、フッ素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチングにより実施される。この時、シリコン酸化膜で構成される第3層間絶縁膜5も同時にエッチングされる。
Next, as shown in FIGS. 7A, 7B, 7C and 7D, the third
もし、図6の段階で、第1ビアホールパターン8A以外の領域に位置する第3層間絶縁膜5の上面51を露出させなかった場合、結果的に第1ビアホールパターン8Aの内外に位置する第3層間絶縁膜5にエッチング段差が生じてしまい、後の工程実施に障害となってしまう。しかし、本第1実施形態では、図6の段階で第3層間絶縁膜5の上面を全面に渡って露出させているので、全面同時にエッチングされることとなりエッチング段差は生じない。
If the
これにより、第2ビアホールパターン8B内に位置する第2層間絶縁膜4がエッチングされビアホール9が形成される。ビアホール9は、第2層間絶縁膜4に形成され、Y方向に対向するビア第1側面4aおよびビア第2側面4bと、X方向に対向するビア第3側面4cおよびビア第4側面4dと、で区画される平面視矩形のホールとなる。ビア第1側面4aはトレンチ7の第1側面5aに一致し、ビア第2側面4bはトレンチ7の第2側面5bに一致する。
Thereby, the second
このように、本第1実施形態のビアホール9のY方向の両端部は、トレンチ7のY方向の端部に一致する構成となる。すなわち、ビアホール9は、Y方向の幅がトレンチ7のY方向の幅に等しく、トレンチ7のY方向の位置からはみ出すことなく完全に重なって形成される。本第1実施形態のビアホール9は、第1ビアホールパターン8Aをトレンチ7の延在方向に直交する方向にラインで形成することにより、トレンチ7内に自己整合で形成される。ビアホール9の底面には第1配線3の上面が露出する。
As described above, both end portions in the Y direction of the via
次に、図8(a)、(b)、(c)、(d)に示すように、トレンチ7内に残存する第2BARC膜8を酸素含有プラズマにより除去する。これにより、X方向に延在し配線が埋設形成されるトレンチ7の下方に連続し、下層の第1配線3に接続するビアホール9が形成される。トレンチ7において、ビアホール9以外の領域の底面は第2層間絶縁膜4の上面で構成される。また、図8(a)に示すように、トレンチ7を構成する第1側面5aはビア第1側面4aと面一となり、第2側面5bはビア第2側面4bと面一となっている。
Next, as shown in FIGS. 8A, 8B, 8C, and 8D, the
かくして、本第1実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板(1)上に第1配線(3)および第1層間絶縁膜(2)を形成する工程と、第1配線(3)上に第2層間絶縁膜(4)および第3層間絶縁膜(5)を順次形成する工程と、第3層間絶縁膜(5)にトレンチ(7)を、第2層間絶縁膜(4)にビアホール(9)を形成する工程と、を有し、第3層間絶縁膜(5)にトレンチ(7)を、第2層間絶縁膜(4)にビアホール(9)を形成する工程は、トレンチ(7)の側面(5a,5b)の少なくとも一部と、ビアホール(9)の側面(4a,4b,4c,4d)の少なくとも一部と、が面一となるように形成する工程からなる。 Thus, the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment includes the steps of forming the first wiring (3) and the first interlayer insulating film (2) on the semiconductor substrate (1), and the first wiring (3). Sequentially forming a second interlayer insulating film (4) and a third interlayer insulating film (5), a trench (7) in the third interlayer insulating film (5), and a via hole in the second interlayer insulating film (4). Forming the trench (7) in the third interlayer insulating film (5) and forming the via hole (9) in the second interlayer insulating film (4). ) At least a part of the side surfaces (5a, 5b) and at least a part of the side surfaces (4a, 4b, 4c, 4d) of the via hole (9).
すなわち、本第1実施形態の半導体装置の製造方法は、配線が埋設されるトレンチ7を形成する工程と、トレンチ7の底面に連続するビアホール9を形成する工程と、を有し、ビアホール9は側面4a,4b,4c,4dの少なくとも一部がトレンチ7の側面5a,5bの少なくとも一部と面一となるように形成されることを特徴の一つとしている。
That is, the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment includes a step of forming the
(サイドウォール膜形成工程)
次に、トレンチ7の2つの側面5a,5bおよびビアホール9の4つの側面4a,4b,4c,4dにサイドウォール膜を形成するサイドウォール膜形成工程が実施される。
(Sidewall film forming process)
Next, a sidewall film forming step for forming sidewall films on the two
図9(a)、(b)に示すように、トレンチ7の内面およびビアホール9の内面を含む全面にシリコン窒化膜からなる厚さ10nmの犠牲膜10を形成する。CVD(Chemical Vapor Deposition)法、もしくはALD(Atomic Layer Deposition)法で形成するシリコン窒化膜は段差被覆性に優れるのでいずれの部分にも同じ膜厚で形成される。
As shown in FIGS. 9A and 9B, a 10 nm thick
これにより、トレンチ7の第1側面5aおよび第2側面5bと、ビアホール9のビア第1側面4a、ビア第2側面4b、ビア第3側面4cおよびビア第4側面4dと、トレンチ7内に位置する第2層間絶縁膜4の上面と、第3層間絶縁膜5の上面と、が犠牲膜10で覆われる。
Thus, the
次に、図10(a)、(b)に示すように、フッ素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチング法により、犠牲膜10をエッチバックする。これにより水平面上に形成された犠牲膜10は除去される。すなわち、トレンチ7内に位置する第2層間絶縁膜4の上面および第3層間絶縁膜5の上面に形成された犠牲膜10が除去される。
Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, the
これにより、トレンチ7の第1側面5aには、犠牲膜10からなる第1サイドウォール膜10aが、第2側面5bには第2サイドウォール膜10bが形成される。また、ビア第1側面4aにはビア第1サイドウォール膜10c、ビア第2側面4bにはビア第2サイドウォール膜10d、ビア第3側面4cにはビア第3サイドウォール膜10e、ビア第4側面4dにはビア第4サイドウォール膜10f、が各々形成される。第1サイドウォール膜10aおよびビア第1サイドウォール膜10cは面一で連続するように形成される。第2サイドウォール膜10bおよびビア第2サイドウォール膜10dも面一で連続するように形成される。さらに、ビアホール9の側面に形成される4つのサイドウォール膜10c、10e、10d、10fは水平方向で連続する構成となる。
As a result, the
したがって、後述のエアーギャップ形成工程において犠牲膜の溶液エッチングを行うと、第1サイドウォール膜10aおよび第2サイドウォール膜10bの上面から下方に向かってエッチングが進行し、ビア第1サイドウォール膜10cおよびビア第2サイドウォール膜10dに達した段階で水平方向に連続するビア第3サイドウォール膜10eおよびビア第4サイドウォール膜10fをもエッチング除去することが可能となる。
Therefore, when solution etching of the sacrificial film is performed in the air gap formation step described later, etching proceeds downward from the upper surfaces of the
もし、後述の比較例(図17)で詳述するように、ビアホール9のY方向の幅がトレンチ7のY方向の幅より狭く形成された場合には、ビアホール9の端部とトレンチ7の端部との間に第2層間絶縁膜4からなる水平面部分が発生してしまう。水平面部分に形成される犠牲膜は前述のエッチバック工程で除去されてしまう。したがって、第1サイドウォール膜10aと、ビア第1サイドウォール膜10cと、は面一とならず不連続となって、エッチング溶液の進行を妨げるのでビアホール9内にエアーギャップを形成できない問題が発生する。
If the width of the via
(第1ビアプラグおよび第2配線形成工程)
次に、サイドウォール膜が形成されたトレンチ7およびビアホール9内を埋設するように第1ビアプラグおよび第2配線形成工程を実施する。
(First via plug and second wiring formation step)
Next, a first via plug and second wiring formation process is performed so as to fill the
図11(a)、(b)に示すように、周知の方法によりCu拡散バリヤ膜20aとCu膜20bを形成する。
As shown in FIGS. 11A and 11B, a Cu
次に、図12(a)、(b)に示すように、第3層間絶縁膜5の上面に形成されたCu拡散バリヤ膜20aとCu膜20bとを化学機械研磨(CMP)法により除去する。これにより、トレンチ7内には第2配線20Aが形成され、トレンチ7の下方に連続するビアホール9内には第1ビアプラグ20Bが形成される。また、第3層間絶縁膜5の上面51と面一となる第1サイドウォール膜10aの上面および第2サイドウォール膜10bの上面が各々露出する。
Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, the Cu
(エアーギャップ形成工程)
次に、サイドウォール膜を除去してエアーギャップを形成するエアーギャップ形成工程を実施する。
(Air gap formation process)
Next, an air gap forming step for removing the sidewall film to form an air gap is performed.
図13(a)、(b)に示すように、第1サイドウォール膜10aの上面および第2サイドウォール膜10bの上面が各々露出している半導体基板を155〜165℃に加熱した燐酸溶液に浸漬し、シリコン窒化膜からなるサイドウォール膜を溶液エッチング法により選択的に除去する。溶液エッチングは等方的に進行する。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the semiconductor substrate with the upper surface of the
溶液エッチングの最初の段階では、トレンチ7を構成する2つの側面5a、5bに形成されている第1サイドウォール膜10aおよび第2サイドウォール膜10bの各々の上面から下方に向かってエッチングが進行する。エッチングがビア第1サイドウォール膜10cおよびビア第2サイドウォール膜10dに達した後の第2段階では、ビア第1サイドウォール膜10cおよびビア第2サイドウォール膜10dのエッチングと同時に、横方向に連続して形成されているビア第3サイドウォール膜10eおよびビア第4サイドウォール膜10fのエッチングも進行する。
In the first stage of solution etching, etching proceeds downward from the upper surface of each of the first and
これにより、トレンチ7を構成する第1側面5aとCu拡散バリヤ膜20aとの間に位置する第1AG11aが形成され、第2側面5bとCu拡散バリヤ膜20aとの間に位置する第2AG11bが形成される。ビア第1側面4aとCu拡散バリヤ膜20aとの間に位置するビア第1AGは第1AG11aとして形成され、ビア第2側面4bとCu拡散バリヤ膜20aとの間に位置するビア第2AGは第2AG11bとして形成される。また、ビア第3側面4cとCu拡散バリヤ膜20aとの間に位置するビア第3AG11cと、ビア第4側面4dとCu拡散バリヤ膜20aとの間に位置するビア第4AG11dが形成される。
As a result, the
上記のように、トレンチ7の側面に形成されるサイドウォール膜の少なくとも一部と、トレンチ7の下方に連続するビアホール9の側面に形成されるサイドウォール膜の少なくとも一部と、を面一で連続形成することにより、エッチングを進行させる溶液のトレンチ7からビアホール9に至る通路を確保することが可能となりビアホールの他の側面にもAGを形成することができる。
As described above, at least part of the sidewall film formed on the side surface of the
一方、トレンチ7の側面に形成されるサイドウォール膜とビアホール9の側面に形成されるサイドウォール膜とが不連続となっている場合には、溶液の通路が形成されないのでビアホール9の側面にAGを形成することはできない。
On the other hand, when the side wall film formed on the side surface of the
(キャップ絶縁膜形成工程)
次に、第3層間絶縁膜5の上面に開口しているAGの上部を閉塞させるキャップ絶縁膜形成工程を実施する。
(Cap insulation film formation process)
Next, a cap insulating film forming step for closing the upper portion of the AG opened on the upper surface of the third
図14(a)、(b)に示すように、段差被覆性の悪いプラズマCVD法を用いて厚さ50nmのシリコン酸化膜からなるキャップ絶縁膜12を形成する。第1および第2AG11a、11bのY方向の幅は10nmとなっているので、段差被覆性の悪いキャップ絶縁膜12を50nm形成すると、第1および第2AG11a、11bの開口部はキャップ絶縁膜12で閉塞され、内部には空洞(AG)が残存する。
As shown in FIGS. 14A and 14B, a
(第2ビアプラグおよび第3配線形成工程)
次に、第2配線20Aの上層配線となる第3配線を形成する第2ビアプラグおよび第3配線形成工程を実施する。
(Second via plug and third wiring formation step)
Next, a second via plug and third wiring forming step for forming a third wiring to be an upper layer wiring of the
図1の平面図および図15(c)、(b)に示すように、X方向に延在する第2配線20A上の任意の位置にキャップ絶縁膜12の開口13aをリソグラフィと異方性ドライエッチング法により形成する。これにより、第2配線20Aの上面が露出する。
As shown in the plan view of FIG. 1 and FIGS. 15C and 15B, the
次に、図16(c)、(b)に示すように、金属導体を全面に形成した後、CMP法によりキャップ絶縁膜12の上面に形成された金属導体を除去する。これにより、第2ビアプラグ13が形成される。
Next, as shown in FIGS. 16C and 16B, after forming a metal conductor on the entire surface, the metal conductor formed on the upper surface of the
次に、図1および図2(b)、(c)に示すように、全面にアルミニウム膜を形成し、リソグラフィとドライエッチング法によりパターニングして第2ビアプラグ13に接続する第3配線14を形成する。なお、第2ビアプラグ13および第3配線14を第1ビアプラグ20Bおよび第2配線20Bと同様にCuデュアルダマシン法で形成することもできる。
Next, as shown in FIG. 1 and FIGS. 2B and 2C, an aluminum film is formed on the entire surface, and patterned by lithography and dry etching to form a
以上、説明したように、第1実施形態の半導体装置の製造方法によれば、トレンチ7の第1側面5aとトレンチ7の下方に連続して配置されるビアホール9のビア第1側面4aとを面一とし、トレンチ7の第2側面5bとビアホール9のビア第2側面4bとを面一となるように形成している。これにより、第1側面5aを覆う第1サイドウォール膜10aとビア第1側面4aを覆う第3サイドウォール膜10aとを面一で形成することができる。また、第2側面5bを覆う第2サイドウォール膜10bとビア第2側面4bを覆う第4サイドウォール膜10dとを面一で形成することができる。したがって、サイドウォール膜を除去することにより、トレンチ7からビアホール9に至る連続した第1AG11a、第2AG11bを形成すると共に、ビアホール9の他の側面にも第3AG11c、第4AG11dを同時に形成することができる。AGは誘電率が極めて小さいので、配線間の寄生容量を低減して半導体装置の高速動作に寄与できる。
As described above, according to the method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment, the
(比較例)
図17は、実施形態1の比較例として、特許文献3に開示されているデュアルダマシン構造を用い、サイドウォール膜10a、10b、10c、10d、10fが形成された段階の鳥瞰図を示している。本比較例では、トレンチ7の底面に連続するビアホール9が、トレンチ7のY方向の中央部に配置されている。このため、トレンチ7を構成しY方向に対向する第1側面5aおよび第2側面5bと、ビアホール9を構成しY方向に対向するビア第1側面4aおよびビア第2側面4bとが、平面視で重なる部分を有していない。
(Comparative example)
FIG. 17 shows a bird's eye view at a stage where the
この結果、図9、図10と同様にサイドウォール膜を形成すると、第1側面5aに第1サイドウォール膜10aが形成され、第2側面5bに第2サイドウォール膜10bが形成される。また、ビアホール9内には、ビア第1側面4aにビア第1サイドウォール膜10cが形成され、ビア第2側面4bにビア第2サイドウォール膜10dが形成される。さらに、ビア第4側面4dにビア第4サイドウォール膜10fが形成される。
As a result, when the sidewall film is formed as in FIGS. 9 and 10, the
しかし、第1側面5aとビア第1側面4aとは幅W4だけ離間しており、その間には第2層間絶縁膜4の上面4uが露出している。したがって、第1サイドウォール膜10aとビア第1サイドウォール膜10cとは連続していない。そのため、第2配線20Aおよび第1ビアプラグ20Bを形成した後、図13の方法にしたがってAGを形成すると、トレンチ7の第1側面5a、第2側面5bには第1AG、第2AGが各々形成されるが、第1ビアプラグ20Bの側面にはAGが形成されない。
However, the
すなわち、本比較例は、トレンチ7と、トレンチ7の底面に接して下方に延在するビアホール9を有しているが、トレンチ7を構成する側面の少なくとも一部とビアホール9を構成する側面の少なくとも一部とが面一の連続する側面となる構成を有していない。
In other words, the present comparative example has the
[第2実施形態]
上記第1実施形態では、トレンチ7を構成する2つの側面の両方に第1ビアホール9を構成する2つの側面が各々面一となる構成および製造方法について説明した。本第2実施形態では、トレンチ7を構成する1つの側面と第1ビアホール9を構成する1つの側面とが面一の連続する側面を構成する例について説明する。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the configuration and the manufacturing method have been described in which the two side surfaces constituting the first via
なお、上記第1実施形態は、トレンチファースト法にのみ適用できるが、本第2実施形態はトレンチファースト法、ビアファースト法のいずれにも適用することができる。 The first embodiment can be applied only to the trench first method, but the second embodiment can be applied to either the trench first method or the via first method.
図18は、図17と同様にサイドウォール犠牲膜を形成した段階における本第2実施形態の一構成例を鳥瞰図で示している。 FIG. 18 is a bird's-eye view showing a configuration example of the second embodiment at the stage where the sidewall sacrificial film is formed as in FIG.
第1配線3の上面を露出する第1ビアホール9が配置され、第1ビアホール9の上端に接続しX方向に延在するトレンチ7が配置されている。トレンチ7は、Y方向に対向する第1側面5aおよび第2側面5bを有している。ビアホール9は、ビア第1側面4a、ビア第2側面4b、ビア第4側面4dを有している。第1側面5aには第1サイドウォール膜10aが形成され、第2側面5bには第2サイドウォール膜10bが形成される。ビア第1側面4aにはビア第1サイドウォール膜10c、ビア第2側面4bにはビア第2サイドウォール膜10d、ビア第4側面4dにはビア第4サイドウォール膜10f、が各々形成される。第1側面5aとビア第1側面4aとは面一の連続する側面で形成される。
A first via
したがって、第1サイドウォール膜10aおよびビア第1サイドウォール膜10cを面一の連続するサイドウォール膜として形成することができる。ビア第1サイドウォール膜10cには、ビア第4サイドウォール膜10fおよび図示されないビア第3サイドウォール膜10eがY方向に連続して形成され、さらにビア第2サイドウォール膜10dが連続して形成される。ビア第2側面4bは第2側面5bに面一となっていないので、ビア第2サイドウォール膜10dと第2サイドウォール膜10bとはY方向に離間して形成される。
Therefore, the
上記の構成では、第2配線20Aおよび第1ビアプラグ20Bを形成した後、サイドウォール膜除去工程を実施すると、第1サイドウォール膜10aの上面からエッチングが進行し、ビア第1サイドウォール膜10cに到達した段階で、横方向に連続するビア第3サイドウォール膜10e、ビア第4サイドウォール膜10fにもエッチングが進行し、さらにビア第2サイドウォール膜10dもエッチングされる。したがって、トレンチ7の一側面5aと第1ビアホールの一側面4aとの一側面同士が面一となっている構成であってもトレンチ7の2つの側面と第1ビアホール9の4側面に同時にAGを形成することができる。
In the above configuration, after the
上記第1実施形態ではトレンチ7のY方向の幅と、第1ビアホール9のY方向の幅と、が同じサイズで構成される制約が生じるが、本第2実施形態では各々の幅を任意に変更してレイアウトすることができる。
In the first embodiment, there is a restriction that the width of the
図18のような構成は、第1ビアホール9の形成マスクとして、複数の配線20Aに跨ってY方向に延在するラインパターンではなく、個別のホールパターンを用いることにより達成することができる。
The configuration as shown in FIG. 18 can be achieved by using an individual hole pattern as a formation mask for the first via
図19(a)、(b)は、第1ビアホール9の形成マスクに個別のホールパターンを用いる場合の例を模式的に示している。図19(a)はトレンチファースト法の例を、図19(b)はビアファースト法の例を示している。
FIGS. 19A and 19B schematically show an example in which an individual hole pattern is used for the formation mask of the first via
まず、図19(a)を参照して、トレンチファースト法の例について説明する。 First, an example of the trench first method will be described with reference to FIG.
上記第1実施形態と同様にX方向に延在するトレンチ7を第3層間絶縁膜5に形成する。トレンチ7は、Y方向に対向する第1側面5aと第2側面5bを有している。その後、トレンチ7をBARC膜などのトレンチ埋設材25で埋設し、表面を平坦化する。次に、全面に、ハードマスク膜を含み、最上面にホトレジスト膜を有するマスク膜30を形成する。
As in the first embodiment, a
次に、リソグラフィと異方性ドライエッチング法によりマスク膜30に矩形のビアホールパターン9aを形成する。ビアホールパターン9aは、Y方向に対向するビアパターン第1側面30aおよびビアパターン第2側面30bと、X方向に対向するビアパターン第3側面30cおよびビアパターン第4側面30dと、を有している。マスク膜30をマスクとする異方性ドライエッチング法により、第3層間絶縁膜5およびトレンチ埋設材25と、第2層間絶縁膜4と、を貫通し第1配線3に達するビアホール9が形成される。
Next, a rectangular via
ビアパターン第1側面30aおよびビアパターン第2側面30bの位置は、各々ビアホール9のビア第1側面4aおよびビア第2側面4bの位置に対応している。また、ビアパターン第3側面30cおよびビアパターン第4側面30dの位置は、各々ビアホール9のビア第3側面4cおよびビア第4側面4dの位置に対応している。
The positions of the via pattern
図19(a)では、トレンチ7の第1側面5aとビアパターン第1側面30aとがX方向に平行に延在している。さらに、第1側面5aがビアパターン第1側面30aとビアパターン第2側面30bとの間に位置するようにマスク膜30が形成されている。第1側面5aとビアパターン第1側面30aとが平面視で重なっていても良い。このように、ビアホールパターン9aを配置することにより、トレンチ7を構成する側面の少なくとも一部とビアホール9を構成する側面の少なくとも一部とは面一の構成で形成することができる。
In FIG. 19A, the
ビアホール9を形成した後、マスク膜30およびトレンチ埋設材25を除去する。次に、上記第1実施形態と同様に、サイドウォール膜を形成すると図18の構成が形成される。
After the via
したがって、サイドウォール膜を面一で形成でき、さらにAGを面一で形成することができる。 Therefore, the sidewall film can be formed flush and the AG can be formed flush.
図19(a)の場合、ビアパターン第2側面30bは、第2側面5bに対して平面視重なりを有していない。したがって、第2側面5b側にはビアホール9に対して面一となる側面は形成されないが、第1側面5a側に形成される面一の側面を通じてビアホール9の全ての側面にAGを形成することができる。
In the case of FIG. 19A, the via pattern
図19(a)では、第1側面5a側にビアホール9との面一側面を形成するマスクパターン30の例を示したが、これに限るものではなく第2側面5b側に面一側面を形成しても良い。
FIG. 19A shows an example of the
次に、図19(b)を参照して、ビアファースト法の例について説明する。 Next, an example of the via first method will be described with reference to FIG.
図19(b)では、第3層間絶縁膜5、第2層間絶縁膜4を貫通し、第1配線3に達するビアホール9を先に形成する。ビアホール9は、Y方向に対向するビア第1側面4aおよびビア第2側面4bと、X方向に対向するビア第3側面4cおよびビア第4側面4dと、を有している。
In FIG. 19B, a via
ビアホール9を形成した後、ビアホール9内をBARC膜などのビアホール埋設材25bで埋設し、表面を平坦化する。次に、全面に、ハードマスク膜を含み、最上面にホトレジスト膜を有するマスク膜40を形成する。次に、リソグラフィと異方性ドライエッチング法によりマスク膜40にX方向に延在するラインのトレンチパターン7aを形成する。
After the via
トレンチパターン7aは、Y方向に対向するトレンチパターン第1側面40aおよびトレンチパターン第2側面40bとを有している。マスク膜40をマスクとする異方性ドライエッチング法により、第3層間絶縁膜5およびビアホール埋設材25bをエッチングし第2層間絶縁膜4に達するトレンチ7が形成される。
The
トレンチパターン第1側面40aおよびトレンチパターン第2側面40bの位置は、各々トレンチ7の第1側面5aおよび第2側面5bの位置に対応している。
The positions of the trench pattern
図19(b)では、ビアホール9のビア第1側面4aとトレンチパターン第1側面40aとがX方向に平行に延在している。さらに、トレンチパターン第1側面40aがビア第1側面4aとビア第2側面4bとの間に位置するようにマスク膜40が形成されている。ビア第1側面4aとトレンチパターン第1側面40aとが平面視で重なっていても良い。
In FIG. 19B, the via
このように、トレンチパターン7aを配置しても第3層間絶縁膜5および第2層間絶縁膜4を貫通し面一となるビア第1側面4aが既に形成されているので、トレンチ7を構成する側面の少なくとも一部とビアホール9を構成する側面の少なくとも一部とは面一の構成で形成することができる。ビア第1側面4a自体が面一の側面を構成している。
Thus, even if the
トレンチ7を形成した後、マスク膜40およびビアホール埋設材25bを除去する。次に、上記第1実施形態と同様に、サイドウォール膜を形成すると図18の構成が形成される。したがって、サイドウォール膜を面一で形成でき、さらにAGを面一で形成することができる。
After the
図19(b)の場合、トレンチパターン第2側面40bは、ビア第2側面4bに対して平面視重なりを有していない。したがって、ビア第2側面4b側にはトレンチ7に対して面一となる側面は形成されないが、ビア第1側面4a側に形成される面一の側面を通じてビアホール9の全ての側面にAGを形成することができる。
In the case of FIG. 19B, the trench pattern
図19(b)では、ビア第1側面4a側にトレンチ7との面一側面を形成するマスクパターン40の例を示したが、これに限るものではなくビア第2側面4b側に面一側面を形成しても良い。
FIG. 19B shows an example of the
[第3実施形態]
上記第2実施形態の製造方法によれば、トレンチ7の下に連続して形成されるビアホール9の位置を任意に配置できるので、図1に示した第1実施形態の配線レイアウトとは異なる配線レイアウトを構成することができる。
[Third Embodiment]
According to the manufacturing method of the second embodiment, since the position of the via
図20の平面図を参照して、本発明の第3実施形態に係る半導体装置について説明する。 A semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the plan view of FIG.
例えば、Y方向の一方に延在する複数の第1配線(下層配線)3Aと、Y方向の他の一方に延在する複数の第1配線(下層配線)3Bが配置される。複数の第1配線3Aの個々の配線および第1配線3Bの個々の配線は、各々平行にY方向に延在している。複数の第1配線3Aの各々は、ダマシン構造からなりX方向に延在する第1トレンチ7Aに埋設された上層の第1集合配線20A1に接続されている。同様に、複数の第1配線3Bの各々は、ダマシン構造からなりX方向に延在する第2トレンチ7Bに埋設された上層の第2集合配線20A2に接続されている。
For example, a plurality of first wirings (lower layer wirings) 3A extending in one direction in the Y direction and a plurality of first wirings (lower layer wirings) 3B extending in the other direction in the Y direction are arranged. The individual wires of the plurality of
第1集合配線20A1と複数の第1配線3Aは、個々の第1配線3Aに対応する第1ビアホール9Aを埋設する第1ビアプラグ20B1を介して接続されている。第1トレンチ7Aおよび第2トレンチ7Bは、いずれもY方向に対向する第1側面5aおよび第2側面5bを有している。第1側面5aには第1AG11aが配置され、第2側面5bには第2AG11bが配置されている。第1集合配線20A1に接続する複数の第1ビアプラグ20B1は、いずれもY方向に対向するビア第1AG11eおよびビア第2AG11fと、X方向に対向するビア第3AG11cおよびビア第4AG11dを有している。ビア第2AG11fは、第2AG11bと面一の構成となっている。ビア第1AG11eは、第1AG11aから離間して配置され面一の構成にはなっていない。すなわち、第1集合配線20A1に接続される複数の第1ビアプラグ20B1は、いずれも第1トレンチ7Aの一方の側面5bに配置された第2AG11bに面一となるAGを有する構成となっている。
The first collective wiring 20A1 and the plurality of
一方、第2集合配線20A2に接続されるビアプラグ20Bは、上記の第1ビアプラグ20B1と、ビア第1AG11eが第1AG11aと面一となる構成を有する第2ビアプラグ20B2と、を有している。第2集合配線20A2では、第1ビアプラグ20B1と、第2ビアプラグ20B2と、がX方向に交互に配置される構成となっている。ビアプラグ20Bを平面視で千鳥状に配置することにより、各々隣接するビアプラグの対向面積を減少させることができ、寄生容量をより低減することができる。
On the other hand, the via
上記第2実施形態の構成をベースとする本第3実施形態によれば、ビアプラグのY方向の幅と、ビアプラグの上面に接続される配線のY方向の幅を一致させる必要がないので、配線レイアウトの自由度をより向上させることができる。 According to the third embodiment based on the configuration of the second embodiment, it is not necessary to match the width in the Y direction of the via plug and the width in the Y direction of the wiring connected to the upper surface of the via plug. The degree of freedom in layout can be further improved.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it is included in the range.
1 半導体基板
2 第1層間絶縁膜
3 第1配線
3A 第1配線(下層配線)
3B 第1配線(下層配線)
4 第2層間絶縁膜
4a ビア第1側面
4b ビア第2側面
4c ビア第3側面
4d ビア第4側面
5 第3層間絶縁膜
5a 第1側面
5b 第2側面
51 上面
6 第1マスク膜(第1BARC膜、第1Si含有有機膜、第1ホトレジスト膜)
6a トレンチパターン
7 配線溝(トレンチ)
7a トレンチパターン
7A 第1トレンチ
7B 第2トレンチ
8 第2BARC膜(トレンチ埋設膜)
81 上面
8a 第2Si含有有機膜
8b 第2ホトレジスト膜
8c 第2マスク膜
8A 第1ビアホールパターン(第2マスク膜パターン)
8B 第2ビアホールパターン
8d 第3側面
8e 第4側面
9 ビアホール
9a ビアホールパターン
9A 第1ビアホール
10 犠牲膜
10a 第1サイドウォール膜
10b 第2サイドウォール膜
10c ビア第1サイドウォール膜
10d ビア第2サイドウォール膜
10e ビア第3サイドウォール膜
10f ビア第4サイドウォール膜
11a 第1エアーギャップ(AG)
11b 第2エバーギャップ(AG)
11c 第3エアーギャップ(AG)
11d 第4エアーギャップ(AG)
12 キャップ絶縁膜
13 第2ビアプラグ
13a 開口
14 第3配線
20a Cu拡散バリヤ膜
20b Cu膜
20A 第2配線
20A1 第1集合配線
20A2 第2集合配線
20B 第1ビアプラグ(ビアプラグ)
20B1 第1ビアプラグ
20B2 第2ビアプラグ
25 トレンチ埋設材
25b ビアホール埋設材
30 マスク膜
30a ビアパターン第1側面
30b ビアパターン第2側面
30c ビアパターン第3側面
30d ビアパターン第4側面
40 マスク膜
40a トレンチパターン第1側面
40b トレンチパターン第2側面
DESCRIPTION OF
3B 1st wiring (lower layer wiring)
4 2nd
81
8B Second via
11b Second Ever Gap (AG)
11c 3rd air gap (AG)
11d 4th air gap (AG)
12
20B1 First via plug 20B2 Second via
Claims (14)
前記第1配線の上面に接続されるビアホールを埋設するビアプラグと、
前記ビアプラグの上面に接続され第1方向に延在するトレンチを埋設する第2配線と、
を有し、
前記トレンチを構成する2つの側面に各々配置されるトレンチエアーギャップと、
前記ビアホールを構成する側面に配置されるビアエアーギャップと、
を共に備えることを特徴とする半導体装置。 A first wiring disposed on the semiconductor substrate;
A via plug for burying a via hole connected to the upper surface of the first wiring;
A second wiring embedded in a trench connected to the upper surface of the via plug and extending in the first direction;
Have
A trench air gap disposed on each of two side surfaces constituting the trench;
A via air gap disposed on a side surface of the via hole;
A semiconductor device comprising:
前記ビアホールを構成する側面は、前記第2方向に対向するビア第1側面およびビア第2側面と、前記第1方向に対向するビア第3側面およびビア第4側面とから成る、
請求項2に記載の半導体装置。 The via hole is composed of a rectangular pattern in plan view,
Side surfaces constituting the via hole are composed of via first side surfaces and via second side surfaces facing the second direction, and via third side surfaces and via fourth side surfaces facing the first direction.
The semiconductor device according to claim 2.
前記第1側面と前記第2配線との間に配置される第1エアーギャップと、
前記第2側面と前記第2配線との間に配置される第2エアーギャップと、
から成り、
前記ビアエアーギャップは、
前記ビア第1側面と前記ビアプラグとの間に配置される前記第1エアーギャップと、
前記ビア第2側面と前記ビアプラグとの間に配置される前記第2エアーギャップと、
前記ビア第3側面と前記ビアプラグとの間に配置される第3エアーギャップと、
前記ビア第4側面と前記ビアプラグとの間に配置される第4エアーギャップと、
から成る、
請求項3に記載の半導体装置。 The trench air gap is
A first air gap disposed between the first side surface and the second wiring;
A second air gap disposed between the second side surface and the second wiring;
Consisting of
The via air gap is
The first air gap disposed between the via first side surface and the via plug;
The second air gap disposed between the via second side surface and the via plug;
A third air gap disposed between the via third side surface and the via plug;
A fourth air gap disposed between the via fourth side surface and the via plug;
Consisting of,
The semiconductor device according to claim 3.
前記第1配線の上面に接続されるビアホールを埋設するビアプラグと、
前記ビアプラグの上面に接続され第1方向に延在するトレンチを埋設する第2配線と、
前記トレンチを構成する2つの側面に各々配置されるトレンチエアーギャップと、
前記ビアホールを構成する側面に配置されるビアエアーギャップと、を備え、
前記トレンチの側面に配置されるトレンチエアーギャップの少なくとも一部と、前記ビアホールの側面に配置されるビアエアーギャップの少なくとも一部と、は上下方向に面一で構成されることを特徴とする半導体装置。 A first wiring disposed on the semiconductor substrate;
A via plug for burying a via hole connected to the upper surface of the first wiring;
A second wiring embedded in a trench connected to the upper surface of the via plug and extending in the first direction;
A trench air gap disposed on each of two side surfaces constituting the trench;
A via air gap disposed on a side surface of the via hole, and
At least a part of the trench air gap disposed on the side surface of the trench and at least a part of the via air gap disposed on the side surface of the via hole are configured to be flush with each other. apparatus.
前記ビアホールを構成する側面は、前記第2方向に対向するビア第1側面およびビア第2側面と、前記第1方向に対向するビア第3側面およびビア第4側面とから成る、
請求項8に記載の半導体装置。 The via hole is composed of a rectangular pattern in plan view,
Side surfaces constituting the via hole are composed of via first side surfaces and via second side surfaces facing the second direction, and via third side surfaces and via fourth side surfaces facing the first direction.
The semiconductor device according to claim 8.
前記第1側面と前記第2配線との間に配置される第1エアーギャップと、
前記第2側面と前記第2配線との間に配置される第2エアーギャップと、
から成り、
前記ビアエアーギャップは、
前記ビア第1側面と前記ビアプラグとの間に配置される前記第1エアーギャップと、
前記ビア第2側面と前記ビアプラグとの間に配置される前記第2エアーギャップと、
前記ビア第3側面と前記ビアプラグとの間に配置される第3エアーギャップと、
前記ビア第4側面と前記ビアプラグとの間に配置される第4エアーギャップと、
から成る、
請求項9に記載の半導体装置。 The trench air gap is
A first air gap disposed between the first side surface and the second wiring;
A second air gap disposed between the second side surface and the second wiring;
Consisting of
The via air gap is
The first air gap disposed between the via first side surface and the via plug;
The second air gap disposed between the via second side surface and the via plug;
A third air gap disposed between the via third side surface and the via plug;
A fourth air gap disposed between the via fourth side surface and the via plug;
Consisting of,
The semiconductor device according to claim 9.
前記第1配線上に第2層間絶縁膜および第3層間絶縁膜を順次形成する工程と、
前記第3層間絶縁膜にトレンチを、前記第2層間絶縁膜にビアホールを形成する工程と、
を有し、
前記第3層間絶縁膜にトレンチを、前記第2層間絶縁膜にビアホールを形成する工程は、前記トレンチの側面の少なくとも一部と、前記ビアホールの側面の少なくとも一部と、が面一となるように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 wiring and a first interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
Sequentially forming a second interlayer insulating film and a third interlayer insulating film on the first wiring;
Forming a trench in the third interlayer insulating film and forming a via hole in the second interlayer insulating film;
Have
In the step of forming a trench in the third interlayer insulating film and a via hole in the second interlayer insulating film, at least a part of the side surface of the trench and at least a part of the side surface of the via hole are flush with each other. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a semiconductor device.
前記トレンチおよび前記ビアホール内を埋設するように、それぞれ、第1ビアプラグおよび第2配線を形成する工程と、
前記サイドウォール膜を除去して、エアーギャップを形成する工程と、
を更に有する、請求項12に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a sidewall film on a side surface of the trench and a side surface of the via hole;
Forming a first via plug and a second wiring so as to embed the trench and the via hole, respectively;
Removing the sidewall film to form an air gap;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, further comprising:
前記キャップ絶縁膜に開口を形成し、該開口に第2ビアプラグを形成する工程と、
前記キャップ絶縁膜の上面に、前記第2ビアプラグに接続する第3配線を形成する工程と、
を更に有する、請求項13に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a cap insulating film that closes an upper portion of the air gap opening on the upper surface of the third interlayer insulating film;
Forming an opening in the cap insulating film, and forming a second via plug in the opening;
Forming a third wiring connected to the second via plug on the upper surface of the cap insulating film;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, further comprising:
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|---|
US11127748B2 (en) | 2019-03-05 | 2021-09-21 | Toshiba Memory Corporation | Semiconductor device having contact electrode extending through void |
-
2013
- 2013-09-20 JP JP2013195566A patent/JP2015061032A/en active Pending
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