JP3218210B2

JP3218210B2 - ランドレスバイアホールとガス誘電体を備えた多層間接続構造の形成方法

Info

Publication number: JP3218210B2
Application number: JP30448097A
Authority: JP
Inventors: 世偉孫
Original assignee: 聯華電子股▲分▼有限公司
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2017-11-06
Also published as: JPH11163523A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多層間接合構造を
含む集積回路デバイスの形成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近代の集積回路は，半導体基板上やその
内部に形成される電界効果型トランジスター（ＦＥＴ）
あるいはバイポーラのようなデバイスと，そのデバイス
と接触して形成される多層間接続構造を含む。多層間接
続構造は，基板に形成されるデバイスの異なるもの同士
の間に接続を提供するものであり，集積回路の斬新な設
計において重要になってきている。多くの集積回路にお
いて，多層間接続構造は，平行に延出する１個あるいは
それ以上の配線アレイを含み，デバイスが密に装填され
たアレイにおいてデバイス間に接続を提供する。そのよ
うなデバイスのアレイは，集積回路メモリーやその他の
斬新な回路設計に典型的なものである。

【０００３】近接して隔てられた平行な配線は，隣接す
る配線間に望ましくないレベルの容量性および誘導性の
結合をもたらす。特に，平行配線のアレイを介しての高
いデータ送信速度に対してその影響がある。すなわち，
そのような容量性および誘導性の結合は，データ送信速
度を遅らせるとともにエネルギー消費を増加させ，集積
回路の特性を狭めることになる。いくつかの斬新な回路
設計においては，回路の層間接続構造に関係するその送
信速度の遅延とエネルギー消費は，回路特性において重
大な問題になる。

【０００４】近代の層間接続構造の複雑さは，集積回路
設計においてコストがかさむ要因となっている。種々の
要因が集積回路内の層間接続構造の均整のとれた費用を
さらに増加させる恐れがある。例えば，上記した結合の
問題を改善するために，多層間接続構造に異なる層間誘
電体材料および金属導体間誘電体材料を代用する提案が
進められている。隣接する配線間の容量性および誘導性
の結合が配線を引き離す誘電体材料によって抑えられる
のである。

【０００５】ＴＥＯＳソースガスから化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ）によって蒸着されるシリコン酸化物のような誘電体
材料は比較的高い誘電定数を有している。この誘電材料
を低い誘電定数を有する誘電材料で置き換えることが提
案されている。高い誘電定数を有する材料を低い誘電定
数を有する材料で置き換えることにより特性が改善され
るのである。理論的には最低の誘電定数はガスあるいは
真空誘電体により得られる。これらの誘電体材料は，コ
ストの上昇とプロセスの困難性という問題をかかえてお
り，今日に到るまで十分に満足して採用されているとは
いえない。

【０００６】空気誘電体を使用している多層間接続構造
のある有望な試みは，Anandらによる「ある実行可能な
ガス誘電体層間接続プロセス」（ＶＬＳＩ技術に関する
１９９６シンポジウム，技術論文ダイジェスト82-83 ）
に記載されている。その層間接続構造およびその構造を
作成する方法が図１〜図５に示されている。その配線構
造の概略図が図１に描かれている。図１には，種々のデ
バイス（図示せず）が表面に形成され，層間誘電体１２
により覆われた基板１０が示されている。第１層の配線
２０，２２が層間誘電体１２の表面に沿って延出し，エ
アギャップ３２によって引き離されている。一般的な誘
電体材料に比較して，エアギャップの使用は，隣接する
第１層配線（２０，２２）間の結合の最低レベルを保証
する。

【０００７】第１層のエアギャップはその底部で層間誘
電体１２によって境界が定義され，その上部でシリコン
酸化物３０の薄層によって境界が定義されている。第１
層配線から第２層配線４６に垂直に延出する層間接続部
３６が形成されている。第１層配線２２と第２層配線４
６は，垂直な層間接続部３６を囲むバイアホール層エア
ギャップ４２によって垂直方向に引き離されている。エ
アギャップ４２はその上端と下端とにおいてそれぞれシ
リコン酸化物の薄層３０，４０によって境界が定義され
る。これらのバイアホール層エアギャップ４２は，一般
的な固体誘電体材料に比較して，第１層配線（２０，２
２）と第２層配線４６との間の容量性および誘導性の結
合を減少させる。同様な構成により，上端と下端とにお
いてそれぞれシリコン酸化物の薄層５０，４０によって
境界が定義されている第２層エアギャップ５２は，第２
層配線４６間に設けられ，第２層配線間の容量性および
誘導性の結合のレベルを減少させている。

【０００８】図１に描かれているものは，高密度集積回
路設計に使用される多層間接続構造に関係する信号遅延
およびエネルギー消費の問題の幾つかを改善している点
において重要である。図１に示される構造を製造するの
に使用された方法もまた重要であり，それを図２〜図５
に基づいて以下に示す。すなわち，図２に示すように，
デバイスが基板１０内部および基板上に所望の配置で形
成され，その後，基板が層間誘電体１２によってカバー
される。バイアホールが層間誘電体１２を介して形成さ
れ，基板に形成されているデバイス（図示せず）への接
続を提供する。第１層配線はバイアホールを満たすよう
に形成されるか，あるいは，層間接続部と接触するよう
に形成されるだろう。第１層配線は，修正食刻プロセス
(a Modified Damascene Process)により形成される。

【０００９】まず，炭素の層が層間誘電体の表面に蒸着
され，それから，通常のフォトリソグラフィー技術を使
用してフォトレジストマスク（図示せず）がその炭素層
１４の表面に設けられる。次に，第１層配線の配置に対
応するパターンに炭素層の表面が露出される。異方向性
エッチングが実施され，炭素層１４に溝１６が形成され
る。図２に示すような構造を得るためにマスクは除去さ
れる。次に，図２の構造上に金属が析出され，過剰の金
属が除去されて，図３に示すような第１層配線２０およ
び２２を得る。

【００１０】続いて，シリコン酸化物の薄層３０が第１
層配線２０および２２上および炭素膜１４の上に形成さ
れる。シリコン酸化物の薄層３０は，およそ５００Åの
厚みにスパッタリングにより蒸着されることが好ましい
とされている。次に，この構造体は酸素雰囲気を保持し
ている炉内に放置され，およそ２時間，４００〜４５０
℃の温度で加熱される。この雰囲気において，酸素は容
易にシリコン酸化物薄層３０を介して拡散し，炭素膜１
４と反応して，二酸化炭素ガスを生成し，再びシリコン
酸化物薄層３０を介して拡散し外部に放出される。この
熱処理を２時間行なった結果，全炭素被膜１４が除去さ
れ，酸化物層３０と層間誘電体１２の間にエアギャップ
３２が残り，図４に示されるように，第１層配線２０と
２２との間がエアギャップにより分離される。

【００１１】このプロセスは図５に示すような多層間接
続構造を製造するために繰り返される。すなわち，炭素
のバイアホール層が蒸着され，垂直層間接続が形成され
るべきバイアホールの位置を決めるためパターン化され
る。バイアホール内の炭素が除去され，金属が堆積さ
れ，エッチバックが行われ，バイアホール内に垂直層間
接続が形成される。その後，酸化物薄層４０が炭素層上
に蒸着される。炭素焼失処理が実施され，炭素層を除去
し，垂直層間接続部３６の間，および酸化物層３０，４
０の間にバイアホール層エアギャップ４２を形成する。

【００１２】さらに，第２層において炭素層４４が蒸着
され，第２層の配線溝を設けるためにパターン化され
る。酸化物層４０は垂直層間接続部３６上で適切に除去
される。配線溝を金属で満たして，垂直層間接続部を介
して第１層配線と接触する第２層配線４６を形成する。
シリコン酸化物層５０（図５）は，炭素層４４上にスパ
ッタリングにより形成される，そして炭素焼失処理が実
施され，第２層配線４６間にエアギャップ５２を形成
し，図１に描かれた構造体が完成する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図１に描かれた構造の
形成方法が，その容易性及び信頼性に関して，隣接する
配線間を分離する誘電体材料として空気を使用している
他の層間接続構造体の形成方法と比較される場合，それ
はシンプルで信頼性のあるプロセスである。しかしなが
ら，図１の構造を形成するためのプロセスには，ある特
定の製造プロセスとは両立困難な側面が存在する。高密
度集積回路デバイスにとって重要なその他の要件と両立
しうる多層間接続構造を形成する方法の提供が望まれて
いる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明においては，集積
回路デバイスを形成するために，第１配線が犠牲材料の
層によって第２配線から横方向に引き離されるように配
線パターンが絶縁層上に形成される。犠牲材料層の上面
が第１配線および第２配線の上面よりも低く位置するよ
うに犠牲材料層の一部を除去した後，キャッピング材料
の層が第１配線および第２配線の上面，さらに犠牲材料
層の上面に形成される。消耗反応がキャッピング材料層
を介して実施され，犠牲材料層の少なくとも一部をさら
に除去し，第１配線と第２配線との間にキャッピング材
料層によって上部境界が定義される空気誘電体を形成す
る。

【００１５】さらに，本発明においては，集積回路デバ
イスを形成するために，個々の配線が犠牲材料の層によ
って横方向に離されるように配線パターンが絶縁層上に
形成される。キャッピング材料層が配線パターン上およ
び犠牲材料の上面に設けられた後，消耗反応がキャッピ
ング材料層を介して実施され，犠牲材料層の少なくとも
一部が除去される。除去された犠牲材料層の跡が空気誘
電体として使用される。

【００１６】また，消耗反応後に，キャッピング材料と
は異なる組成を有するエッチング停止材料の層がキャッ
ピング材料層上に形成され，エッチング停止材料と異な
る組成を有する金属導体間誘電体層がエッチング停止層
上に形成される。金属導体間誘電体層を介してのエッチ
ング，エッチング停止層におけるエッチングの停止，エ
ッチング停止層を介してのエッチング，およびキャッピ
ング層を介してのエッチングによりバイアホールが形成
される。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１に描かれている従来の多層間
接続構造は，その内部において隣接する配線およびその
他の導体を分離する誘電体材料としてのエアギャップを
使用している。エアギャップ３２は，第１層の配線２０
および２２の間の絶縁物として機能する。空気の低い誘
電率（Ｋ〜１）は，固体の誘電体材料を使用している場
合の誘電率（２〜４）の改善をもたらす。

【００１８】図１の接続構造は，高密度集積回路設計に
必要とされる隣接する配線間の容量性および誘導性の結
合を減少させるという効果を有する。この構造の容量性
および誘導性の結合レベルは，従来型の層間接続構造に
比較して抑えられるので，図１の構造を含む高密度集積
回路の電力消費および作動速度は改善されるだろう。し
かしながら，図１の従来型の接続構造には，そのような
高密度集積回路への応用を妨げるある一面が存在する。
図１の構造は，しばしば高密度集積回路設計の特長とも
いえるランドレスバイアホールの形成と両立させること
が困難である。

【００１９】従来型の図１の構造では，垂直の層間接続
が形成されるべき領域において，配線を拡大することに
より配線の層間接続部の形成を容易にしている。この拡
大されたパッド領域は図１にみられる。すなわち，層間
接続部３６が形成されている第１層配線の領域２０の大
きな幅を層間接続の形成とは関係のない第１層配線レベ
ルの領域２２と比較してみれば明らかである。第１層配
線のそのようなパッド領域は，層間接続部３６を設ける
ためのリソグラフィープロセスにおいて起りうるわずか
な誤差を許容するためのものである。

【００２０】もし，図１の構造において，第１層配線の
拡大された領域が形成されなかったなら，垂直の層間接
続部とその下の第１層配線部とはともに同じ寸法を有す
ることになる。その結果，バイアスルーホールを形成す
る際に，パターンの配置のわずかなずれやその他のリソ
グラフィエラーにより，エアギャップ３２上から酸化物
層３０が除去されたり，あるいは，エアギャップ３２上
の酸化物層３０が破壊されたりするだろう。そして，そ
の後のクリーニング処理時において，酸化物層の破損を
介してエアギャップ内が汚染されてしまうだろう。さら
に，その後の金属析出プロセスにおいて，破損した酸化
物層を介して空気誘電体層内に金属が析出してしまい，
第１層配線間に短絡を引き起こしてしまう可能性があ
る。このように，図１の構造および図１の構造を形成す
るための方法には，ランドレスバイアホールの形成と空
気誘電体層の形成とを両立させることが困難である。

【００２１】パターン配置ミスやリソグラフィーエラー
をさけるため，必要以上に大きいパッド領域を形成する
ことは，集積回路の設計ルールが狭まるにつれて望まし
くないものになってきている。そのような拡大されたパ
ッド領域が，設計ルールが許すかぎりできるだけ配線間
を近接して配置することを妨げるからである。したがっ
て，設計ルールに適したバイアホールと配線を形成する
ことが望まれる。これは，層間接続構造におけるランド
レスバイアホールの形成が望まれていることを意味して
いる。

【００２２】本発明の主たる目的は，ランドレスバイア
ホールの形成と，隣接する配線間の誘電体材料としての
エアギャップの使用とを両立する多層間接続構造の形成
方法を提供することである。特に，本発明の好ましい形
態においては，炭素の層を蒸着し，パターン溝を形成
し，パターン溝を金属で満たし，シリコン酸化物の層を
金属パターン上および炭素層上に蒸着し，炭素焼失処理
を実施して配線間から炭素層を除去してエアギャップを
形成する。また，エッチング停止層が，金属導体間絶縁
層のようなさらなる層の形成に先立って金属パターン上
および酸化物層上に設けられることが好ましい。

【００２３】酸化物層上にエッチング停止層を設けるこ
とにより，金属導体間絶縁層を構成する材料が何である
かにかかわらず，バイアホールのランドレス領域におい
てバイアホールエッチングプロセスをエアギャップ内に
到達させることなく，バイアホールを金属導体間絶縁層
を介して酸化物層に信頼性よく形成することができる。
このように，本発明に基づく方法は，高密度集積回路デ
バイスの形成に使用されるプロセスに馴染みやすいもの
である。

【００２４】図６〜図９を引用して，本発明をさらに詳
細に説明する。本発明に基づく多層間接続構造の形成
は，図１の層間接続構造の形成に関して述べたのと類似
した手法で始められる。すなわち，表面に種々のデバイ
スが形成されている半導体基板６０が形成され，基板お
よび種々のデバイスが中間層誘電体６２によってカバー
される。中間層誘電体６２は，典型的にはシリコンの酸
化物であるが，例えば，ＣＶＤシリコン酸化物の単層，
酸化物層とＳＯＧ(Spin On Glass) 層の組み合わせ等を
使用することもできる。バイアホールは，中間層誘電体
６２を介して形成される。金属あるいはポリシリコンの
内部接続が，第１層配線を形成するプロセスの一部とし
て，あるいはそれとは別のプロセスにより設けられる。

【００２５】中間層誘電体６２は炭素層でカバーされ
る。この炭素層は，例えば，メタン（ＣＨ₄）ガスある
いはアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂)ガスを使用しての高密度プラ
ズマＣＶＤ（ＨＰＣＶＤ）プロセスにより蒸着できる。
この蒸着を実施するにあたって最適なシステムは，米国
カリフォルニア州サンタクララのApplied Material Cop
oration社から販売されているものが利用可能であり，
詳細については省略する。炭素層６４は第１層配線に最
適な厚み，例えば，５０００Å〜１２０００Åの厚みに
蒸着される。フォトレジストマスク，さらに好ましく
は，シリコン酸化物あるいはシリコン窒化物からなる硬
質膜のマスクが，第１層配線が形成されるべき領域にお
いて炭素層を露出させながら，炭素層６４上に設けられ
る。

【００２６】異方向性エッチングが実施され，炭素層６
４に溝が形成される。その後，エッチングマスクが除去
される。金属が炭素層６４上および溝内に供給される。
第１層配線に使用される金属としては，アルミニウムや
耐火金属，あるいはそのような金属や異なる導電材料の
多層化合物を使用できる。炭素の除去により形成される
エアーギャップによって分離される第１層配線およびそ
の他の導体は，４００〜４５０℃の温度での炭素焼失プ
ロセスに耐えるものであることが好ましい。エッチバッ
クプロセス，より好ましくは化学的機械的研摩（ＣＭ
Ｐ）プロセスのいずれかにより，炭素層６４の表面から
過剰な金属が除去される。それにより，図６に示される
第１層配線６６が得られる。第１層配線６６の上面は，
炭素層６４の上面と面一になっていることが好ましく，
これはＣＭＰプロセスによって容易に得られる。

【００２７】次に，図６の構造体を炭素焼失用システ
ム，あるいはエッチングシステムにセットし，炭素層６
４に酸素プラズマエッチングプロセスを施すことによ
り，炭素層６４の一部を炭素層の上面から取り除く。そ
の結果，図７に示すように，第１層配線の上面から数百
Å後退した上面を有する炭素領域６８が形成される。次
に，酸化物のキャッピング層７０が炭素領域６８上およ
び第１層配線６６上に蒸着される。キャッピング層７０
は第１層配線６６の側面の一部に沿っても延出してい
る。キャッピング層７０を部分的に金属配線の壁に沿っ
て延出するように形成することは，第１層配線の上面を
露出するために行なわれるエッチングプロセスにおいて
そのプロセスの誤差許容度を増加させる。また，このキ
ャッピング層７０は，ランドレスバイアホールの形成を
容易にする。

【００２８】本説明においては，主に酸化よりなる炭素
の焼失反応をキャッピング層７０を介して実施し，犠牲
炭素層６８を除去して第１層配線間に図８に示すような
エアギャップ７４を形成している。エアギャップが形成
されたことで，キャッピング層７０はエアギャップ７４
の上部の広がりを制限し，その後に蒸着される層を支持
する。キャッピング層７０は，後に蒸着される層の構造
的な支持を担うための強度を有するように十分な厚みを
有するとともに，焼失反応プロセスにとって最適な厚み
となるように形成されることが好ましい。

【００２９】先行技術(Anand et al.)において議論した
ように，キャッピング層７０の厚みとしては，およそ５
００Å程度であることが好ましい。酸化物のキャッピン
グ層７０を形成するための特に好ましい方法としては，
ポリマー材料を含む液体から析出，硬化させ，平面化さ
れた酸化物層を得るものがある。尚，この液体は酸素を
含むことが好ましい。例えば，ＨＳＱ(hydrogen silses
quioxane) として知られる材料を，液体状態で図７の構
造体上に供給し，およそ４００℃の温度で約９０分間窒
素雰囲気中でアニールすることにより酸化物のキャッピ
ング層７０（名目上はＳｉＯ_3/2）が形成される。

【００３０】液体ＨＳＱ上で回転させ，ＨＳＱを硬化さ
せる酸化物キャッピング層７０の形成方法は，酸化物層
の平滑化された表面を自動的に形成することができると
いう長所を有する。これが，硬化前に液体ポリマーＨＳ
Ｑを供給するのにスピンオンプロセス(spin on proces
s) が使用される理由である。誘電体材料の層を形成す
るために析出させ，硬化させることができるその他のポ
リマー材料や液体材料，あるいは誘電体材料の層を形成
するために固化させることができるその他のポリマー材
料や液体材料が，ＨＳＱ材料の代わりに使用可能であ
る。キャッピング層形成に使用される液体としては，飽
和溶液からの材料の析出のような化学反応，あるいはプ
ロセスが液体中に生じ，それにより材料が供給されて酸
化物のキャッピング層が形成されるようなものが選択さ
れるだろう。

【００３１】キャッピング層７０の平滑な表面が自然に
形成されないプロセス，例えば，ＣＶＤやＨＤＰＣＶＤ
のようなプロセスによって形成されるなら，平滑な平面
を形成するための平面化プロセスが実施されることが好
ましい。例えば，ＣＶＤ酸化物が使用されるなら，さら
なるプロセスを開始する前にＣＶＤ酸化物が化学的機械
的研磨（ＣＭＰ）プロセスによって平面化されることが
好ましい。平坦化された平面は，後に行なわれるバイア
ホールエッチングステップにおいてそのプロセスマージ
ン（そのプロセスの誤差許容度）をさらに増加させる。

【００３２】炭素焼失プロセスが酸化物キャッピング層
７０の下から炭素層６８を除去するために実施される。
例えば，この焼失プロセスは，酸素雰囲気中，４００℃
〜４５０℃の温度で酸化物層を介して炭素層の厚みを完
全に消耗するのに十分な時間，例えば，１〜２時間，に
わたって実施される。最終的に，このプロセスによって
第１層配線６６がエアーギャップ７４によって隣接する
第１層配線６６から分離される。エアギャップ７４は上
部においてキャッピング層によって境界が定義され，下
部においては中間層誘電体６２によって境界が定義され
る。

【００３３】エアーギャップは第１層配線間に誘電性の
孤立空間を形成し，隣接する第１層配線６６の間に比較
的低いレベルの容量性および誘導性の結合をもたらす。
この実施の形態においては，炭素が犠牲材料であり，こ
の犠牲材料は酸化物キャッピング層を介して行われる酸
化反応によって消耗除去される。酸化物キャッピング層
は，本発明において期待される特性を兼ね備えている。
すなわち，キャピング層は過度の損傷を受けることな
く，酸化消耗反応を容易に進行させることができる。犠
牲材料，キャッピング層，および消耗反応については，
同等の作用および効果が達成できるものであれば上記以
外のシステムも利用可能である。

【００３４】本明細書において使用されているキャッピ
ング層，犠牲層および消耗反応という単語は，本発明に
おける機能にちなんで名付けられたものである。例え
ば，消耗反応は，より具体的には，犠牲層をキャッピン
グ層の下から除去するためのキャッピング層を介しての
反応あるいはプロセスを意味している。尚，本発明の特
定の長所を達成できるような代わりのシステムが採用可
能である。例えば，フォトレジスト材料が，類似のキャ
ッピング層の使用と焼失消耗反応の下で炭素犠牲材料の
代わりに使用されるだろう。フォトレジストは本発明の
多くの同じ長所を達成するだろう。

【００３５】尚，総括的にみれば，炭素は汚染の程度が
少ないこと，酸化焼失反応により炭素を二酸化炭素に完
全に変換することができること，さらに揮発性反応の副
産物が少ないこと等の理由により，犠牲材料としてはフ
ォトレジストよりも炭素の方が好ましいと言えるだろ
う。にもかかわらず，ある特定の場合には，消耗される
炭素の量が少なく，消耗反応がより迅速に進行するとい
う理由によりフォトレジストが採用されるだろう。

【００３６】次に，図８に示すように，エッチング停止
層７２がキャッピング層７０上に形成されるだろう。通
常，エッチング停止層は，キャッピング層とは異なる組
成であることが好ましい。重要なのは，エッチング停止
層の上に形成される層，例えば，金属導体間誘電体層と
は十分に組成が異なるようにエッチング停止層が選択さ
れることである。エッチング停止層は，金属導体間誘電
体あるいはその他の層を介して実施されるバイアホール
エッチングプロセスにおけるエッチングストッパーとし
て機能する。よく使用されるものとして，金属導体間誘
電体層がシリコンの酸化物であり，エッチング停止層が
シリコンの窒化物である。例えば，シリコン窒化物でな
るエッチング停止層はＣＶＤ法により厚みがおよそ２０
０Å〜５００Åの厚みになるように蒸着されるだろう。
窒化物層の厚さは，最適なエッチング停止機能を提供す
るのに必要な厚さ以上にならないように決定される。

【００３７】エッチング停止層の形成過程において窒化
物の蒸着がゆっくりであること，エッチング停止層７２
を介して穴を形成するのに必要なバイアホールエッチン
グプロセスにおいて過剰の窒化物は不必要に長いエッチ
ング時間を必要とすること等の理由により，過剰の厚さ
の窒化物の形成は望ましくない。金属導体間誘電体層が
酸化物キャッピング層と組成に関して十分に異なってい
るような場合，酸化物キャッピング層がエッチング停止
層として役に立つだろう。金属導体間誘電体材料として
酸化物が使用される場合，酸化物キャピング層と共にシ
リコン窒化物エッチング停止層を使用することが望まし
い。

【００３８】エッチング停止層を蒸着した後，追加の配
線層が第１層配線とエアギャップを形成するのに行なっ
たのと同様な手法を繰り返すことにより形成されるだろ
う。すなわち，エッチング停止層は炭素層によってカバ
ーされ，炭素層は配線形成のためにパターン化され，さ
らなるプロセスが上記と同様の手法に基づいて進められ
る。したがって，金属導体間誘電体，バイアホール，垂
直結合部および第２層配線を形成するためのプロセスに
ついては，以下の説明で十分に理解されるだろう。尚，
種々のエアギャップ，炭素あるいはその他の材料が，第
１層配線と第２層配線との間を接続するための垂直接続
部が形成される金属導体間誘電体層中に含まれても良い
ことを留意すべきである。

【００３９】図８に示されるように，金属導体間誘電体
層７６は，例えば，ＴＥＯＳソースガスからシリコン酸
化物を合成するＣＶＤ法により，エッチング停止層７２
の表面上に蒸着される。例えば，従来のフォトリソグラ
フィによってエッチングマスクになるように形成される
フォトレジスト層を設けることにより，バイアホールマ
スクが金属導体間誘電体層７６上に設けられる。バイア
ホールエッチングはＬＡＭレインボ−(LAM Rainbow) シ
ステムを含む多くの誘電体エッチング剤の使用により実
施されるだろう。

【００４０】酸化物と窒化物との間のエッチングプロセ
スの選択性をユーザーが調節しやすいという理由でＬＡ
Ｍレインボ−システムを使用することは特に好ましい。
これは，良好なプロセス制御性を保ちながら，一連の連
続するプロセスステップを採用している単一のプロセス
システムにおいて，バイアホールエッチングの種々のス
テージを実行するのに有利である。バイアホールエッチ
ングは，エッチング剤により金属導体間誘電体層を介し
て行なわれる。使用されるエッチング剤は，金属導体間
誘電体層を介してのバイアホールエッチングの少なくと
も終了間際において，エッチング停止層を急激にエッチ
ングすることなく，酸化物を選択的にエッチングするこ
とが好ましい。

【００４１】比較的高いエッチング速度であるが選択性
の低いエッチングプロセスがバイアホールエッチングプ
ロセスの初期段階として行われ，それに続いて選択性が
向上されエッチング速度を遅くしたエッチングプロセス
を第２段階として行なうことも好ましい。例えば，第１
段階として，高速で低選択性のバイアホールエッチング
プロセスがＣＦ₄を含むソースガスのプラズマを使用し
て実施され，第２段階では，低速でより選択性の高いエ
ッチングプロセスがＣ₂Ｆ₆あるいはＣ₃Ｆ₈を含むガ
スを使用して実施されるだろう。バイアホールエッチン
グプロセスの第１段階は，金属導体間誘電体層を介して
部分的にエッチングするのに使用され，エッチングプロ
セスがエッチング停止層に近づく前に中止される。バイ
アホールエッチングプロセスはそれから選択性の高いエ
ッチングにより継続され，エッチング停止層において停
止される。上記以外の最適なエッチングシステムがこの
技術分野に従事している者に知られており，それらにつ
いても利用可能である。

【００４２】金属導体間誘電体層７６が厚みのばらつき
を有するとともに，固定された時間のエッチングプロセ
スの結果を予測不可能で信頼性の乏しいものにするよう
なエッチング特性のばらつきを有するため，エッチング
停止層を設けることと適切なエッチングシステムを採用
することがバイアホールエッチングを実施するにあたっ
て重要である。バイアホールを完成させるため行なわれ
るその後のエッチングステップは，より薄い層を介して
進行する。この薄い層を介してのエッチングは，厚い金
属導体間誘電体層を介してのエッチングプロセスの場合
よりもより注意深く制御される必要がある。さらに，エ
ッチング停止層とキャッピング層は平面化されているの
で，実施されるエッチングプロセスは，膜厚にばらつき
のある金属導体間誘電体層に対して行なうよりも予測可
能で均一なものとなる。

【００４３】バイアホールが第１層金属配線６６に向か
って垂直に延出するように金属導体間誘電体層７６を介
して形成された後，バイアホールエッチングがエッチン
グ停止層７２とキャッピング層７０を介して第１層配線
６６の表面に達するように継続される。窒化物のエッチ
ング停止層７２に関して言えば，このエッチング停止層
は窒化物エッチング剤，たとえば，ＳＦ6ソースガスか
ら得られるプラズマの使用により除去される。酸化物キ
ャッピング層７０の一部は，バイアホール内において，
通常の酸化物エッチング剤を使用しての一定時間のエッ
チングプロセスにより除去される。薄い，平面化された
酸化物キャッピング層７０を介してこのエッチングは，
制御が容易であり，配線６６の表面を十分に清浄化する
がキャッピング層７０を介して完全にエッチングするこ
とを避けるように進行する。図９においては，バイアホ
ールのほとんどが第１配線６６上に配置されているが，
バイアホールの一部は第１配線６６上に配置されないよ
うな構造になっている。

【００４４】本発明において，第１層配線の壁に沿って
下方向に部分的に延出するキャッピング層の形成は，バ
イアホールエッチングプロセスを完成させるのに十分な
マージンを提供する。換言すれば，バイアホールエッチ
ングプロセスを行なう位置に多少の誤差が発生しても，
キャッピング層が破損して，バイアホールとエアーギャ
ップ７４が連通してしまうような不良を防ぐのに十分な
誤差許容度を提供できるのである。すでに説明したよう
に，この構造上の特徴は，キャッピング層の蒸着に先だ
って炭素犠牲層の一部をエッチバックするか，あるいは
第１層配線の側壁の一部を露出させるために炭素層の上
面を凹ませることにより得られる。

【００４５】プロセスはバイアホールが形成された後も
続き，配線６６の表面が浄化され，バイアホールを満た
すために金属プラグ７８が形成される。金属プラグはア
ルミニウムで形成されることが好ましいが，ＷＦ₆をソ
ースガスとするＣＶＤプロセスによりタングステンで形
成されてもよい。多くの場合，プラグ形成は，チタンや
窒化チタンのような接着剤あるいは接着層をバイアホー
ル内および金属導体間誘電体層７６の表面上に形成する
ことからはじまる。スパッタリングあるいはＣＶＤプロ
セスにより接着剤あるいは接着層が形成された後，タン
グステンがＣＶＤプロセスに供給され，バイアホール内
がタングステンプラグで満たされる。そして，化学的機
械的研摩（ＣＭＰ）あるいはエッチバックプロセスを行
なって，タングステンプラグ７８の垂直延出部を形成す
るとともに，金属導体間誘電体層７６の表面から過剰の
タングステンを除去する。この研摩あるいはエッチバッ
クプロセスは接着剤層の不必要な部分を除去するための
ものである。

【００４６】さらなるプロセスが，図９に示される配線
８０のような第２層配線を形成するために続けられる。
第２層配線は，ブランケット金属蒸着および通常のフォ
トリソグラフィあるいは食刻プロセス(damascene proce
ss) によって形成されるだろう。本発明は，好ましい実
施の形態を説明するためのものであり，このプロセスお
よび構造への変更および修正が本発明の基本技術を変更
することなくこの技術分野に従事する者によって実施さ
れるだろう。例えば，本明細書では，発明を理解しやす
くするため隣接する第１層配線と第２層配線の形成につ
いて説明を行なっているが，本発明は，多層間接合構造
のすべての層あるいはそのうちのいくつかについても同
様に当てはまるものである。このように，本発明は特定
の実施例に限定されるものではなく，本発明の範囲は続
くクレームから決定されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は，隣接する配線を分離する誘電体材料と
してエアギャップを含む従来の多層間接続構造を示す概
略図である。

【図２】図２は，図１の多層間接続構造の形成方法を示
す概略図である。

【図３】図３は，図２の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。

【図４】図４は，図３の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。

【図５】図５は，図４の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。

【図６】図６は，本発明の実施例に基づく多層間接続構
造の形成方法を示す概略図である。

【図７】図７は，図６の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。

【図８】図８は，図７の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。

【図９】図９は，図８の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。

【符号の説明】

６０半導体基板６２ 0中間層誘電体６６第１層配線７４エアギャップ７０キャッピング層７２エッチング停止層７６金属導体間誘電体層７８金属プラグ８０第２層配線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１配線が犠牲材料層によって第２配線か
ら横方向に離されるように絶縁層上に配線パターンを設
け，犠牲材料層の上面が前記第１および第２配線の上面
より下に位置するように前記犠牲材料層の一部を除去
し，その後前記第１および第２配線上，および犠牲材料
層の上面にキャッピング材料層を設け，前記キャッピン
グ材料層を介しての前記犠牲材料層の消耗反応により犠
牲材料層の少なくとも一部をさらに除去し，第１配線と
第２配線との間にキャッピング材料層によって上部境界
が定義される空気誘電体を形成することを特徴とする集
積回路デバイスの形成方法。
【請求項２】前記キャッピング材料は酸化物であり，前
記消耗反応が酸化プロセスであることを特徴とする請求
項１記載の形成方法。
【請求項３】前記犠牲材料は，炭素を含むことを特徴と
する請求項２記載の形成方法。
【請求項４】前記犠牲材料は，本質的に炭素からなるこ
とを特徴とする請求項３記載の形成方法。
【請求項５】前記消耗反応を第１配線と第２配線の間の
前記犠牲材料層のすべてを除去するまで継続することを
特徴とする請求項４記載の形成方法。
【請求項６】前記キャッピング材料層は，第１配線およ
び第２配線上に液体の層を供給し，固体酸化物層に硬化
させることにより形成されることを特徴とする請求項２
記載の形成方法。
【請求項７】前記液体はＨＳＱ(hydrogen silsesquioxa
ne) であることを特徴とする請求項６記載の形成方法。
【請求項８】前記キャッピング材料層は，スピンオンプ
ロセス(spin on process) において前記第１配線および
第２配線上に液体を供給することにより形成されること
を特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項９】前記液体内のキャッピング材料を硬化して
前記キャッピング材料層を形成することを特徴とする請
求項８記載の形成方法。
【請求項１０】前記液体はポリマー材料を含むことを特
徴とする請求項８記載の形成方法。
【請求項１１】前記液体は酸素を含むことを特徴とする
請求項９記載の形成方法。
【請求項１２】前記キャッピング層は第１配線および第
２配線の上面をカバーし，キャッピング層は平面化され
ていることを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項１３】前記犠牲材料層をパターン化して溝を形
成し，前記溝内および犠牲材料層上に金属を供給し，過
剰の金属を除去して犠牲材料層内に前記配線パターンを
形成することを特徴とする請求項１記載の形成方法。
【請求項１４】前記の過剰金属の除去ステップは，化学
的機械的研摩によって実施されることを特徴とする請求
項１３記載の形成方法。
【請求項１５】前記消耗反応後に，前記キャッピング材
料とは異なる組成を有するエッチング停止材料の層をキ
ャッピング材料層上に設け，前記エッチング停止材料と
は異なる組成を有する金属導体間誘電体層を前記エッチ
ング停止材料層上に設け，前記金属導体間誘電体層を介
してのエッチング，前記エッチング停止材料層における
エッチングの停止，前記エッチング停止材料層を介して
のエッチング，および前記キャッピング材料層を介して
のエッチングによりバイアホールを形成することを特徴
とする請求項１記載の形成方法。
【請求項１６】前記キャッピング層を介してのエッチン
グステップは，第１配線の表面を清浄化するが，キャッ
ピング材料層の全厚みを介してはエッチングしないこと
を特徴とする請求項１５記載の形成方法。
【請求項１７】バイアホールのほとんどが第１配線上に
配置されるが，バイアホールの一部は第１配線上に配置
されないことを特徴とする請求項１６記載の形成方法。
【請求項１８】前記金属導体間誘電体層を介してのエッ
チングプロセスが，比較的早い速度のエッチングプロセ
スである第１ステージと比較的高い選択性を有するエッ
チングプロセスである第２ステージでなることを特徴と
する請求項１６記載の形成方法。
【請求項１９】前記キャッピング材料は酸化物であり，
前記エッチング停止材料は窒化物であることを特徴とす
る請求項１５記載の形成方法。
【請求項２０】前記金属導体間誘電体材料は酸化物を含
むことを特徴とする請求項１９記載の形成方法。
【請求項２１】個々の配線が犠牲材料によって横方向に
離されるように絶縁層上に配線パターンを形成し，前記
配線パターン上および犠牲材料の上面にキャッピング層
を設け，前記キャッピング層を介しての犠牲材料層の消
耗反応により犠牲材料層の少なくとも一部を消耗させて
消耗した犠牲材料層の跡に空気誘電体を残し，前記消耗
反応後にキャッピング層上にエッチング停止層を設け，
エッチング停止層とは異なる組成を有する金属導体間誘
電体材料層をエッチング停止層上に設け，金属導体間誘
電体層を介してのエッチング，エッチング停止層におけ
るエッチングの停止，エッチング停止層を介してのエッ
チング，およびキャッピング層を介してのエッチングに
よりバイアホールを形成することを特徴とする集積回路
デバイスの形成方法。
【請求項２２】前記エッチング停止層は，前記キャッピ
ング層とは異なる組成を有することを特徴とする請求項
２１記載の形成方法。
【請求項２３】前記キャッピング層を介してのエッチン
グステップは，配線の表面を清浄化するが，キャッピン
グ層の全厚みを介してはエッチングしないことを特徴と
する請求項２１記載の形成方法。
【請求項２４】前記キャッピング材料層は，第１配線お
よび第２配線上に液体の層を供給し，酸化物を含む固体
層に硬化させることにより形成されることを特徴とする
請求項２１記載の形成方法。
【請求項２５】前記液体はＨＳＱ(hydrogen silsesquio
xane) であることを特徴とする請求項２４記載の形成方
法。
【請求項２６】前記キャッピング層は酸化物であり，前
記消耗反応が酸化プロセスであることを特徴とする請求
項２１記載の形成方法。
【請求項２７】前記犠牲材料は，炭素を含むことを特徴
とする請求項２６記載の形成方法。
【請求項２８】前記犠牲材料は本質的に炭素からなるこ
とを特徴とする請求項２７記載の形成方法。
【請求項２９】前記消耗反応をキャッピング層の下の前
記犠牲材料層のすべてを除去するまで継続することを特
徴とする請求項２６記載の形成方法。
【請求項３０】前記エッチング停止層の形成に先立っ
て，犠牲材料層の上面が前記配線の上面より下に位置す
るように前記犠牲材料層の一部を除去することを特徴と
する請求項２１記載の形成方法。
【請求項３１】前記犠牲材料は炭素であり，前記キャッ
ピング層が酸化物であり，前記エッチング停止層が窒化
物であることを特徴とする請求項３０記載の形成方法。
【請求項３２】前記バイアホールは金属プラグで満たさ
れていることを特徴とする請求項２１記載の形成方法。
【請求項３３】前記金属プラグは，第１層の配線を第２
層の配線に接続することを特徴とする請求項３２記載の
形成方法。
【請求項３４】前記金属プラグは，タングステンを含む
ことを特徴とする請求項３３記載の形成方法。
【請求項３５】前記キャッピング材料層の形成ステップ
は，スピンオンプロセス(spin on process) において前
記配線上に液体を供給することを含むことを特徴とする
請求項２１記載の形成方法。
【請求項３６】前記キャッピング材料層の形成ステップ
は，前記配線上に液体を供給することを含み，その液体
を固化させてキャッピング材料層が形成されることを特
徴とする請求項２１記載の形成方法。
【請求項３７】前記液体はポリマー材料を含むことを特
徴とする請求項３５記載の形成方法。
【請求項３８】前記液体は酸素を含むことを特徴とする
請求項３６記載の形成方法。