JP3887175B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、絶縁膜に形成された溝内に導電材料を埋め込むことで形成される配線技術に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の高集積化、微細化の要求に伴い、多層配線構造や微細配線等が求められ、また、半導体装置の低消費電力化および高速化などの要求より、配線材料の低抵抗化等も要求されるようになってきている。
【０００３】
これらの要求を実現するため、従来では、基板表面上に形成された層間絶縁膜に溝パターンを形成し、その溝内に導電材料、例えば銅（Ｃｕ）を含む導電材料を埋め込んだ後、溝上部にある不要な導電材料を化学機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法により除去して配線を形成する、いわゆるダマシン法と呼ばれる技術が用いられている。
【０００４】
また、従来の半導体装置では、このダマシン法により形成された第１配線上に、同じくダマシン法によって第２配線、第３配線を形成し、これらの配線を積層して設けることで多層配線構造を有する半導体装置を実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年における半導体装置の高集積化への要求は、ますます厳しいものとなっており、更なる配線の多層配線化や配線幅の微細化が求められるようになっている。
【０００６】
その為、従来の半導体装置では、配線ピッチの縮小化による配線間容量の増加が顕著になり、これらの配線間容量の増加による半導体素子の動作速度の遅延が大きな課題となってきた。つまり、上述した従来の多層配線構造の半導体装置では、要求される高速化に十分応えることが困難になりつつある。
【０００７】
そこで、近年、ダマシン法を用いた半導体装置の各配線間の層間絶縁膜として、低い誘電率（比誘電率ε＝２．５未満）を有した、例えば有機系物質等が添加された低誘電率絶縁膜を用いることが試みられている。
【０００８】
しかし、このような低誘電率絶縁膜を層間絶縁膜として用いる場合、低い比誘電率を得ることが可能となるものの、従来用いられていたシリコン酸化膜に比べ、膜の緻密さが大きく劣っている為、多層配線構造を有する半導体装置の層間絶縁膜として、十分な機械的強度および熱伝導性を得ることができないという新たな課題が生じていた。
【０００９】
そこで本発明は、低誘電率絶縁材料からなる層間絶縁膜を用いた半導体装置において、十分な機械的強度と熱伝導性を有する層間絶縁膜を提供し、更なる高集積化および高速化を実現する半導体装置およびその半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置の代表的なものによれば、シラノール系化合物で構成されると共に複数の溝を有する第１の絶縁膜が基板上に形成され、溝内に埋め込まれる複数の第１配線を有する半導体装置において、第１絶縁膜は、複数の第１配線に接して設けられる複数の第１多孔質体と、第１多孔質体間に設けられる第１非多孔質体とを有し、第１非多孔質体は、第１絶縁膜にアルキルシロキサンポリマーを含有した状態であり、第１多孔質体は、第１非多孔質体のアルキルシロキサンポリマーを選択的に除去することにより空隙が形成されたものであり、第１非多孔質体及び第１多孔質体直上には、キャップ絶縁膜が形成されていることを特徴とし構成されるものである。
【００１１】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の代表的なものによれば、シラノール系化合物にアルキルシロキサンポリマーを含有させた第１絶縁膜を基板表面上に形成し、第１絶縁膜直上にキャップ絶縁膜を形成し、第１絶縁膜に溝を設ける工程と、溝内に導電材料を埋め込み、第１配線を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法において、溝を設ける工程の後、第１絶縁膜のうち、溝の側部及び底部に当たる第１絶縁膜のアルキルシロキサンポリマーを六フッ化タングステンによって除去することで第１多孔質体を設ける工程を有し、第１の絶縁膜のうち第１配線に接しない部分はアルキルシロキサンポリマーが含有されていることを特徴として構成されるものである。
【００１２】
これらの構成により本発明によれば、基板上の絶縁膜に設けられた溝内に形成される配線の側面および底面に接する部分に選択的に低い誘電率を有する多孔質体が設けられ、複数の配線によって生じる配線間容量を低減するとともに、十分な機械的強度および熱伝導性を有した層間絶縁膜が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１および図２は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、図１は本実施形態の半導体装置の断面図、図２（ａ）〜（ｄ）は本実施形態の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【００１５】
図１に示されるように、本実施形態における半導体装置は、例えば、ロジック系デバイスを構成する複数の素子が形成されている半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成される第１絶縁膜の第1層間絶縁膜２１とから構成される。
【００１６】
また、第１層間絶縁膜２１には、複数の溝からなる溝パターン７０が設けられ、それらの溝パターン７０内の各々に、例えば、銅（Ｃｕ）等を含む導電材料よりなる導電膜が埋め込まれることで、複数の第１配線４１が形成されている。
【００１７】
本実施形態において、複数の第１配線４１は、それぞれ離間して設けられた第３、第４、第５および第６配線を含んでいる。ここで、それぞれの配線は第３配線から第４配線までの距離が第５配線から第６配線までの距離よりも近くなる位置に設けられている。
【００１８】
本実施形態における半導体装置では、各第１配線４１の間に存在する第１層間絶縁膜２１のうち、第１配線４１に接する部分に第１層間絶縁膜２１の一部を多孔質化して形成した第１多孔質体５１が設けられている。
【００１９】
特に、隣接する配線との間隔が狭い第３および第４配線間には、第３および第４配線間の第１層間絶縁膜２１が多孔質化されることで形成された多孔質体５１３が第３および第４配線それぞれに接するよう設けられている。また、隣接する配線との間隔が広い第５および第６配線間には、第５配線に接する第１層間絶縁膜２１の一部が多孔質化されて形成された第１多孔質体５１５と、第６配線に接する第１層間絶縁膜２１の一部が多孔質化されて形成された第１多孔質体５１６とが、多孔質化されない第１層間絶縁膜２１である非多孔質体９１を介して、それぞれ設けられている。
【００２０】
加えて、本実施形態における半導体装置では、第１層間絶縁膜２１および第１配線４１上に形成された、シリコン窒化膜６０および第2絶縁膜の第２層間絶縁膜２２が形成されている。この第２層間絶縁膜２２とシリコン窒化膜６０には、内部に上層配線４２ａが形成される溝部と、溝部底面より第１配線４１に達する接続孔とからなる開口部８０が形成されている。
【００２１】
開口部８０内には、第１配線４１と同様に、銅（Ｃｕ）等を含む導電膜より形成される上層配線４２ａと接続プラグ４２ｂとからなる第２配線４２が形成されている。また、第２配線４２が形成される第２層間絶縁膜２２のうち、第２配線４２が接する部分に第２層間絶縁膜２２の一部を多孔質化することで形成された第２多孔質体５２が設けられている。
【００２２】
このように本実施形態の半導体装置では、第１配線４１および第２配線４２とからなる多層配線構造を有した半導体装置となっている。
【００２３】
ここで、本発明において、各配線に接する部分に形成されている第１および第２多孔質体５１，５２は微小空隙が多数含まれた絶縁膜から構成されるものである。本実施形態では、添加物質が約７０％程度含まれた絶縁膜から形成される複数の微小空隙が全体の略７０％程度を占める絶縁膜により形成されている。
【００２４】
また、本実施形態における半導体装置では、第１配線４１および第1キャップ絶縁膜３１上に、プラズマＣＶＤ法等により形成されたシリコン窒化膜６０が設けられている。これは、第１配線４１を構成する配線材料の酸化や拡散を防止するために設けられるものである。本実施形態で用いたシリコン窒化膜のほか、シリコンカーバイト膜等を用いてもよい。
【００２５】
次に、第１の実施形態における半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は第１の実施形態における半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。なお、図２において、図１における同一物には同じ符号が用いられている。
【００２６】
まず、本実施形態における半導体装置では、図２（ａ）に示すように、例えば、ロジック系デバイスを構成する複数の素子が形成された半導体基板１０上に、添加物質として、例えば、アルキルシロキサンポリマーのメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）を約７０％程度添加した低誘電率絶縁膜からなる第１層間絶縁膜２１が約５００ｎｍ〜７００ｎｍ程度形成される。本実施形態においては、ＭＳＱを添加物質として用いたが、ＭＳＱ以外のアルキルシロキサンポリマーとして、メチルハイドリドシルセスキオキサン（ＭＨＳＱ）等を添加物質として用いることが可能である。
【００２７】
ここで、半導体基板１０上に形成される第１層間絶縁膜２１のＭＳＱ添加シリコン酸化膜は、スピンオングラス（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ：ＳＯＧ）として一般的に用いられているシラノール系ＳＯＧと、ＭＳＱを混ぜ合わせて塗布されることで形成される。
【００２８】
ＭＳＱ添加シリコン酸化膜が塗布された後、通常のＳＯＧ工程と同様に、１００℃、２００℃、３００℃程度の温度中でホットプレートベークがそれぞれ１分程行なわれ、半導体基板１０上に第１層間絶縁膜２１が形成される。更に、４００℃〜４５０℃程度のキュアーが炉内で３０分程度行なわれ、後の熱処理工程の際に悪影響を与える恐れのある、第１層間絶縁膜２１中の不純物が除去される。
【００２９】
その後、第１層間絶縁膜２１上に第１キャップ絶縁膜３１であるシリコン酸化膜がＴｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ酸素（ＴＥＯＳ Ｏ２）プラズマにより約１００ｎｍ程度形成される。これは、通常の無機系膜上に用いることを前提としているホトレジストでマスクを形成し、溝パターン７０を形成する場合、有機物質のＭＳＱを含む第１層間絶縁膜２１のみでは、ホトレジストとの十分な密着性を得ることができない為であり、第１キャップ絶縁膜３１を第１層間絶縁膜２１上に形成することで、溝パターン７０を形成する際のホトレジストと第１層間絶縁膜２１との密着性を向上させている。
【００３０】
なお、本実施形態では、第１層間絶縁膜２１を形成した後、第１キャップ絶縁膜３１をＴＥＯＳ Ｏ２プラズマによって形成している。しかし、第１キャップ絶縁膜３１はＴＥＯＳ Ｏ２プラズマにより形成されたシリコン酸化膜に限られるものではなく、第１層間絶縁膜２１形成後、溝パターン７０が形成される前に、低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射を行ない、第１層間絶縁膜２１表面を酸化することで、第１層間絶縁膜２１表面に緻密化した改質膜を約５０ｎｍ程度形成し、この改質膜を第１キャップ絶縁膜として用いてもよい。改質膜により形成されるキャップ絶縁膜は、ＴＥＯＳ Ｏ２プラズマにより形成されるシリコン酸化膜からなるキャップ絶縁膜とほぼ同等の膜である。
【００３１】
ここで、改質膜を形成する酸素イオン照射条件は、ＲＦ電力：数１００〜数１０００Ｗ、圧力：数１０〜数１００Ｔｏｒｒである。ここで、改質膜の膜厚を薄くする場合は低圧（例えば、１００ｍＴｏｒｒ以下）の条件で酸素イオンの照射を行ない、また、膜厚を厚くする場合は高圧（１００ｍＴｏｒｒ以上）の条件で照射を行なう。
【００３２】
このように、第１キャップ絶縁膜３１として、低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射により形成された改質膜を用いるようにすると、ＴＥＯＳ Ｏ２プラズマにより形成されたキャップ絶縁膜に比べて約１／２程度薄膜化することが可能となる。その為、改質膜をキャップ絶縁膜として用いると、低誘電率膜ではないキャップ絶縁膜をより薄く構成することが可能となる。結果、より配線間容量を低減した半導体装置を提供することができる。また、改質膜によるキャップ絶縁膜を用いる場合では、ＴＥＯＳ Ｏ２プラズマによるシリコン酸化膜を形成する際に必要な、気体の入れ替え工程が不要となる。結果、より少ない工程数によりキャップ絶縁膜を形成することが可能となる。
【００３３】
第１キャップ絶縁膜３１が形成された後、第１キャップ絶縁膜３１上には、ホトレジストが塗布される。その後、このホトレジストをマスクにしてエッチングを行い、第１層間絶縁膜２１に溝パターン７０を形成する。
【００３４】
ここで、ＭＳＱ添加シリコン酸化膜のエッチング特性は、通常のシリコン酸化膜の特性と大きくは変化しない。その為、本実施形態では、従来のエッチング方法により溝パターン７０の形成が行われる。
【００３５】
溝パターン７０を形成した後、第１層間絶縁膜２１上に残存したホトレジストは、低圧状態におけるＯ２雰囲気中の酸素イオン照射を用いた異方性アッシングにより除去する。このホトレジスト除去時における酸素イオン照射条件は、ＲＦ電力：数１００〜数１０００Ｗ、圧力：数１０〜数１００ｍＴｏｒｒである。
【００３６】
なお、本実施形態では、低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射を用いた異方性アッシングによりホトレジストを除去したが、通常用いられている等方性アッシングによりホトレジストを除去することも可能である。
【００３７】
但し、メチル基を含むＭＳＱが添加されたシリコン酸化膜が層間絶縁膜として用いられた本実施形態では、通常の等方性アッシングを用いたホトレジストの除去を行なうと、ホトレジストを除去するＯ２プラズマによって第１層間絶縁膜２１の表面が酸化され、層間絶縁膜内部に水分が生成される恐れがある。この層間絶縁膜に生成する水分は非常に高い比誘電率を有しており、結果、水分を含む層間絶縁膜では低誘電率化を図ることが困難となってしまう。そのため、本実施形態におけるホトレジストの除去では、異方性のアッシングである低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射により行われることが望ましい。
【００３８】
また、異方性アッシングを用いたホトレジストの除去の場合、圧力条件によっては、低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射により溝パターン７０の底部にも約１０ｎｍ程度の改質膜が形成され、多孔質化されない部分が設けられる恐れがある。この為、各配線底面に接する多孔質体を設ける際には、約１０ｍＴｏｒｒの圧力条件下での異方性アッシングを行い、更に、この後、０．５％フッ酸（ＨＦ）で１０秒間の表面処理を施すことが望ましい。
【００３９】
次に、図２（ｂ）に示すように、後に複数の溝パターン７０内に導電材料を埋め込むことで形成される第１配線４１の側面および底面に接する部分に約１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第１多孔質体５１が設けられる。
【００４０】
本実施形態では、各溝パターン７０を形成した後、溝パターン７０を含む第１層間絶縁膜２１を六フッ化タングステン（ＷＦ６）ガスに曝し、ＷＦ６とＭＳＱとを反応させ、溝パターン７０周囲の第１層間絶縁膜２１に含まれるＭＳＱ成分のみを除去することで、複数の溝パターン７０間の第１層間絶縁膜２１の一部を選択的に多孔質化して第１多孔質体５１を形成する。
【００４１】
ここで、本第１の実施形態で用いたアルキルシロキサンポリマーとＷＦ6による反応について説明する。図３はアルキルシロキサンポリマーにおけるＷＦ6によるエッチングレートを示す図である。縦軸には各ポリマーとＷＦ6とのエッチングレート、横軸にはエネルギーおよび温度が示されている。また、ここでＥａとは、各物質における活性化エネルギーを示している。また、図３におけるＷＦ6のエッチング条件は、温度３００℃〜４３０℃、圧力１．７Ｔｏｒｒ、ガス流量ＷＦ6（１５ｃｃｍ）、Ａｒ（３０００ｃｃｍ）、Ｎ2（３００ｃｃｍ）であり、アルキルシロキサンポリマーとしては、ＭＳＱ、ＭＨＳＱが用いられている。
【００４２】
この図３より、アルキルシロキサンポリマーであるＭＳＱやＭＨＳＱはＷＦ6と反応してエッチングされることがわかる。そこで、本発明では、これらのメチルシロキサン系ポリマーを添加した第１層間絶縁膜２１を半導体基板１０上に形成し、第１層間絶縁膜２１に複数の溝パターン７０を形成した後、各溝パターン７０周囲の第１層間絶縁膜２１に添加されたメチルシロキサン系ポリマーをＷＦ6により除去することで、各溝パターン７０間の第１層間絶縁膜の一部を選択的に多孔質化して第１多孔質体５１を形成している。その為、本実施形態における半導体装置において、各溝パターン７０側面および底面に十分に多孔質化された、第１多孔質体５１を形成するためには、よりエッチングされ易いＭＨＳＱを添加した第１層間絶縁膜を用いるとよい。
【００４３】
本実施形態では、それぞれの溝パターン７０の側面から第１層間絶縁膜２１に含まれるＭＳＱとＷＦ６との反応を進行させ、溝パターン７０周囲のＭＳＱを除去することで、第１多孔質体５１を形成している。その為、各溝パターン７０から離れた第１層間絶縁膜２１では、ＷＦ６とＭＳＱとの反応が起きず、第１層間絶縁膜２１中のＭＳＱが除去されることはない。結果、各溝パターン７０間の間隔が広い場合においては、ＭＳＱが除去されない第１層間絶縁膜２１である非多孔質体９１を介して第１多孔質体５１が各溝パターン７０の周囲に設けられる。
【００４４】
なお、本実施形態における製造方法によると、溝パターン７０側面より約４００ｎｍ程度の第１多孔質体５１を形成することが可能である。その為、第１層間絶縁膜２１に設けられる複数の溝パターン７０うち、各溝パターン７０間の間隔が狭い部分、例えば、各溝パタ−ン７０の間隔が約８００ｎｍ程度以内である部分では、それぞれの溝パターン７０の側面から第１層間絶縁膜２１に含まれるＭＳＱとＷＦ６の反応が進む。結果、各溝パターン７０間の第１層間絶縁膜２１全体が多孔質化され、間隔の狭い溝パターン間全体に多孔質体が設けられるようになる。つまり、各溝パターン７０の間隔が狭く、配線間容量が増加する部分に選択的により低い誘電率を有した層間絶縁膜を提供することが可能となる。
【００４５】
この後、溝パターン７０内にバリアメタルを形成し、バリアメタル上に配線を形成する導電材料、例えば銅（Ｃｕ）を含む膜を成膜し、この導電膜によって溝パターン７０を埋め込む。その後、溝パターン７０上部および第１層間絶縁膜２１上に成膜された導電膜をＣＭＰ法等により除去し、溝パターン７０内に導電膜を残存させることで、複数の第１配線４１を形成する。
【００４６】
また、本実施形態では、第１配線４１形成後、図２（ｃ）に示されるように、多層配線構造を有する半導体装置を実現するため、第１配線４１が形成された後に第１配線４１および第１層間絶縁膜２１上に配線の酸化や拡散を防止するためのシリコン窒化膜６０を形成する。そして、そのシリコン窒化膜６０上に、第２絶縁膜である第２層間絶縁膜２２、そして第２キャップ絶縁膜３２を順次形成する。ここで、第２層間絶縁膜２２には、第１層間絶縁膜２１と同様に、ＭＳＱ等が添加された有機系低誘電率絶縁膜が用いられている。
【００４７】
この後、第１配線４１が形成される方法と同様にして、第２キャップ絶縁膜３２上にホトレジストが塗布される。そのホトレジストをマスクとしてエッチングを行い、第１配線４１上の第２層間絶縁膜２２に開口部８０が形成される。ここで、開口部８０とは、後に導電材料が埋め込まれることで第２配線４２が形成される溝部と、溝部底面より第１配線４１に達する接続孔とから構成されている。
【００４８】
また、開口部８０が形成された後に行われる、ホトレジストの除去は、溝パターン７０を形成した場合と同様の理由により、低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射を用いた異方性アッシングにより行われることが望ましい。
【００４９】
また、開口部８０の形成の際も、先の溝パターン７０の形成時と同様に、異方性アッシングを用いたホトレジストの除去を行うことにより、開口部８０の溝部底部に約１０ｎｍ程度の改質膜が形成されてしまう恐れがある。その為、上層配線の底面に接する多孔質体を設ける為に、ホトレジストの除去は約１０ｍＴｏｒｒの圧力条件下での異方性アッシングで行い、更に、第２多孔質体５２を設ける前に、０．５％フッ酸（ＨＦ）で１０秒間の表面処理を施すことが望ましい。
【００５０】
次に、図２（ｄ）に示すように、後に開口部８０内の溝部に導電材料を埋め込むことで形成される上層配線４２ａおよび接続孔に形成される接続プラグ４２ｂとからなる第２配線４２の側面と底面とに約１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第２多孔質体５２が設けられる。
【００５１】
本実施形態では、開口部８０を形成した後、開口部８０を含む第２層間絶縁膜２２を六フッ化タングステン（ＷＦ６）ガスに曝し、ＷＦ６とＭＳＱとを反応させ、開口部８０周囲の第２層間絶縁膜２２に含まれるＭＳＱ成分のみを除去することで、開口部８０間の第２層間絶縁膜２２の一部を選択的に多孔質化し、第２多孔質体５２を形成する。
【００５２】
この後、開口部８０内にバリアメタルを形成し、バリアメタル上に配線を形成する導電材料、例えば銅（Ｃｕ）を含む膜を成膜し、この導電膜により開口部８０を埋め込む。その後、開口部８０上部および第２層間絶縁膜２２上に成膜された導電膜をＣＭＰ法等により除去し、開口部８０内にのみ導電膜を残存させることで、第２配線４２を形成する。つまり、本実施形態では、まず溝部と接続孔とからなる開口部８０を形成し、開口部８０内に導電膜を埋め込み、上層配線４２ａと接続プラグ４２ｂを同時に形成する、デュアルダマシン法が用いられている。このようにして、第１の実施形態における半導体装置が製造される。
【００５３】
なお、本実施形態においては、第１および第２の層間絶縁膜２１，２２としてＭＳＱやＭＨＳＱ等のＷＦ6と反応するアルキルシロキサンポリマーを含む低誘電率絶縁膜を例に挙げて説明したが、Ｏ2プラズマと反応する有機ポリマーである、ポリアリルエーテル等が添加された低誘電率絶縁膜により形成されていてもよい。
【００５４】
以上詳細に説明した通り、第１の実施形態では、後に配線が形成される、溝パターンおよび開口部を層間絶縁膜に設けた後、層間絶縁膜をWF6ガスに曝し、層間絶縁膜に含まれた添加物質ＭＳＱとＷＦ６とを反応さることで、溝パターンおよび開口部周囲の層間絶縁膜に含まれた添加物質ＭＳＱを除去し、半導体基板１０上の絶縁膜のうち、第１、第２配線４１，４２の側面および底面に接する、選択的に低い誘電率を有する多孔質体５１，５２を設けている。
【００５５】
特に、水平方向に複数の配線が設けられた本実施形態の半導体装置では、隣接する配線との間隔が狭い配線間には、配線間にある絶縁膜全体が多孔質化されて形成された多孔質体がそれぞれの配線の側面に接するよう設けられ、また、隣接する配線との間隔が広い配線間では、各配線側面に接する多孔質体と、それらの多孔質体間に設けられる非多孔質体とが設けられている。
【００５６】
この為、本実施形態では、デバイス動作の遅延に関係する水平方向における配線間容量の増加において、特に、配線間容量が増加してしまう間隔の狭い配線間に、通常の低誘電率絶縁膜よりも更に低い誘電率を有する多孔質体が設けられている。また、それほど配線間容量が増加しない、間隔が広い配線間では、各配線に接する多孔質体間に多孔質体に比べて十分な機械的強度および熱伝導性を有した非多孔質体が設けられる。
【００５７】
結果、本実施形態における半導体装置によれば、配線間容量の低減に関し、支配的なパラメーターとなる水平方向の隣接配線間容量を低減することが可能となると同時に、層間絶縁膜の機械的強度および熱伝導性の低下も最低限に抑えることが可能となる。
【００５８】
具体的に本発明を用いた半導体装置では、これらの多孔質体を有することで、比誘電率ε＝１．８７程度の層間絶縁膜を実現することを可能としている。
【００５９】
また、本第１の実施形態における半導体装置の製造方法では、溝パターンおよび開口部を形成した後に各配線の側面および底面に接する層間絶縁膜に含まれる添加物質を除去することで多孔質体を設けるようにした。この為、本実施形態における製造方法では、層間絶縁膜に添加される添加物質の添加量を変えることで、配線容量の低減、機械的強度および熱伝導性の維持に深く関わる多孔質体に含まれる空隙数を調節することが可能となる。結果、最適な配線容量、機械的強度および熱伝導性を有する半導体装置を容易に提供することが可能である。
【００６０】
つまり、本実施形態によると、ダマシン法によって形成され、低誘電率絶縁材料からなる層間絶縁膜を有する半導体装置において、層間絶縁膜における配線容量を低減しつつ、層間絶縁膜の機械的強度および熱伝導性が確保された層間絶縁膜を提供することができるため、高集積化が進む半導体装置においても、十分なデバイスの高速動作を実現することが可能となる。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。
【００６２】
図４および図５は、本発明の第２の実施形態を示す図であり、図４は本実施形態の半導体装置の断面図、図５（ａ）〜（ｄ）は本実施形態の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。なお、図４及び図５においても、第１の実施形態と同一物には同じ符号が用いられている。
【００６３】
本第２の実施形態における半導体装置において、先述した第１の半導体装置との違いとしては、第１配線および第２配線を構成する上層配線の各底面に接する部分に、多孔質化されない非多孔質体が設けられている構造をしている点である。
【００６４】
図4に示すように、第２の実施形態における半導体装置では、第1の実施形態と同様の複数の素子が形成された半導体基板１０と、半導体基板１０上に、例えばプラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜１１と、そのシリコン酸化膜１１上に形成された第１層間絶縁膜２１とから構成されている。ここで、シリコン酸化膜１１上に形成される第１層間絶縁膜２１には、第１の実施形態の半導体装置と同様に添加物質としてＭＳＱが含まれた絶縁膜が用いられている。
【００６５】
第１層間絶縁膜２１には、シリコン酸化膜１１に至る複数の溝パターン７０が設けられ、それらの溝パターン７０内の各々に、例えば、Ｃｕを含む導電材料よりなる導電膜が埋め込まれることにより、複数の第１配線４１が形成されている。また、第１層間絶縁膜２１および第１配線４１上には、第１キャップ絶縁膜３１が形成されている。
【００６６】
このように、本実施形態における半導体装置では、各第１配線４１の底面に設けられる、除去されるべき添加物質を含まないシリコン酸化膜１１上に、添加物質を含む第１層間絶縁膜２１が形成された構成をしている。その為、各第１配線４１の底面に接する部分では、シリコン酸化膜１１が第１非多孔質体として設けられる。更に、各第１配線４１の間に存在する第１層間絶縁膜２１のうち、第１配線４１の側面に接する部分では、溝パターン７０周囲に含まれる添加物質が除去されることで、第１層間絶縁膜２１の一部を多孔質化して形成する第１多孔質体５１が設けられる。
【００６７】
加えて、本実施形態においても、第１配線４１および第１キャップ絶縁膜３１上には、シリコン窒化膜６０および第２層間絶縁膜２２が順次形成され、第２層間絶縁膜２２に第２配線４２が形成されることで、第１の実施形態の半導体装置と同様、多層配線構造を有した半導体装置となっている。
【００６８】
但し、本実施形態では、第２層間絶縁膜２２は、除去されるべき添加物質を含む第３層間絶縁膜２３と、例えば、プラズマＣＶＤ法等によって形成され、除去されるべき添加物質を含まないシリコン膜１２と、第３層間絶縁膜２３と同様、除去されるべき添加物質を含む第４層間絶縁膜２４とから構成された三層構造を有している。
【００６９】
また、本実施形態では、第２層間絶縁膜２２に設けられる開口部８０は、第４層間絶縁膜２４に形成され、シリコン酸化膜１２に至る溝部と、シリコン酸化膜１２、第３層間絶縁膜２３およびシリコン窒化膜６０に形成され、溝部底面より第１配線４１に達する接続孔とにより構成されている。
【００７０】
開口部８０内には、第１の実施形態の場合と同様、Ｃｕを含む導電膜が埋め込まれ、上層配線４２ａと接続プラグ４２ｂとにより構成される第２配線４２が形成されている。
【００７１】
このように本実施形態では、第１配線４１および第２配線４２の側面に、除去される添加物質であるＭＳＱを含む膜２１，２２，２３がそれぞれ形成されており、また、第１配線４１および第２配線の上層配線４２ａの底面には、除去される添加物質を含まない、シリコン酸化膜１１，１２が形成された構造となっている。
【００７２】
次に、第２の実施形態における半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。なお、第２の実施形態の半導体装置は、先に説明した第１の実施形態における半導体装置の製造方法と、ほぼ同様な工程により形成される。
【００７３】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は第１の実施形態における半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。なお、図５においても、第１の実施形態における同一物に同じ符号が用いられている。
【００７４】
まず、図５（ａ）に示すように、複数の素子が形成された半導体基板１０上に、ＭＳＱ等の添加物質を含まない絶縁膜である、例えばプラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜１１が約１００ｎｍ程度形成され、その後、そのシリコン酸化膜１１上に、例えば、ＷＦ６との反応により除去されるＭＳＱ等の添加物質を含む第１層間絶縁膜２１を約５００ｎｍ〜７００ｎｍ程度形成する。その後、第１層間絶縁膜２１上に第１のキャップ絶縁膜３１が約１００ｎｍ程度形成される。
【００７５】
第１キャップ絶縁膜３１を形成した後、第１のキャップ絶縁膜３１上にはホトレジストが塗布される。その後、そのホトレジストをマスクにしてエッチングを行い、第１層間絶縁膜２１にシリコン酸化膜１１に至る複数の溝パターン７０を形成する。そして、溝パターン７０形成後、第１層間絶縁膜２１上に残存したホトレジストを、先の第１の実施形態と同様の理由により、低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射を用いた異方性アッシングにより除去する。
【００７６】
このようにしてホトレジストを除去した後、図５（ｂ）に示すように、後に各溝パターン７０内に導電材料が埋め込まれることで形成される第１配線４１の側面に接する部分に約１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第１多孔質体５１を設ける。
【００７７】
本第２の実施形態では、第１の実施形態における製造方法と同様に、各溝パターン７０を設けた後、溝パターン７０側面の第１層間絶縁膜２１および溝パターン７０の底面のシリコン酸化膜１１をＷＦ６に曝すことにより、ＷＦ６と第１層間絶縁膜２１に含まれるＭＳＱとを反応させて除去することで、溝パターン７０側面に選択的に約１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第１多孔質体を設けている。この際、ＭＳＱを含まないシリコン酸化膜１１では多孔質化は生じない為、溝パターン７０底面に多孔質体が設けられることはない。つまり、第１配線４１底面には、シリコン酸化膜１１よりなる非多孔質体が設けられる。
【００７８】
この後、図５（ｃ）に示されるように、本実施形態では、溝パターン７０内には、第１の実施形態の場合と同様にして、第１配線４１が形成され、更に、第１配線４１または第１層間絶縁膜２１上に、配線材料の酸化や拡散を防止するシリコン窒化膜６０が形成される。
【００７９】
そして、シリコン窒化膜６０上に、後の反応により除去される添加物質、例えばＭＳＱが添加された第３層間絶縁膜２３と、ＭＳＱを含まないシリコン酸化膜１２と、第３層間絶縁膜と同様にＭＳＱが添加された第４層間絶縁膜２４とが順次形成される。本実施形態の半導体装置においては、これらの膜により第２層間絶縁膜２２を構成している。更に、第２層間絶縁膜２２を形成した後、第２層間絶縁膜２２を構成する第４層間絶縁膜２４上には、ホトレジストとの密着性を向上させる為のキャップ絶縁膜３２が形成される。
【００８０】
次に、先の第１配線４１を形成する方法と同様にして、第２キャップ絶縁膜３２上にホトレジストを塗布する。そのホトレジストをマスクとしてエッチングを行い、第２層間絶縁膜２２に第１配線に至る開口部８０を形成する。
【００８１】
ここで、第２層間絶縁膜２２に設けられる開口部８０は、まず、第４層間絶縁膜２４シリコン酸化膜１２に至る溝部が設けられ、溝部底面より第１配線４１に達する接続孔が設けられることにより形成される。
【００８２】
開口部８０を形成した後、ホトレジストを低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射を用いた異方性アッシングにより除去する。
【００８３】
その後、図５（ｄ）に示されるように、溝部、接続孔とからなる開口部８０側面の第２および第３層間絶縁膜２２，２３と、溝部底面のシリコン酸化膜１２を、例えば、ＷＦ６ガスに曝し、開口部８０側面の各層間絶縁膜２３，２４に含まれたＭＳＱとＷＦ６とを反応させることで、開口部８０側面に接する第３および第４の層間絶縁膜２３，２４付近のＭＳＱ成分を除去する。これにより、開口部８０側面の第３および第４層間絶縁膜２３，２４の一部に約１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の第２多孔質体５２が選択的に形成される。この際、溝部底面のＭＳＱを含まないシリコン酸化膜１２では、第１多孔質体５１を形成する場合と同様に、膜の多孔質化は生じず、上層配線４２ａが形成される溝部底面に多孔質体が設けられることはない。つまり、上層配線４２ａ底面には、シリコン酸化膜１２よりなる非多孔質体が設けられる。
【００８４】
この後、開口パターン８０内に、第１の実施形態の場合と同様にして、上層配線４２ａおよび接続プラグ４２ｂが形成され、第２配線４２が設けられる。これにより、第２の実施形態における半導体装置が製造される。
【００８５】
つまり、第２の実施形態における半導体装置では、各配線の側面および底面のそれぞれに多孔質体が形成される第１の実施形態の半導体装置とは異なり、デバイス動作の遅延を引き起こす、水平方向での配線間容量の低減に大きく寄与する配線側面の層間絶縁膜のみに多孔質領域を形成し、機械的強度および熱伝導性の維持に大きく寄与する配線の底面に非多孔質体を設けている。結果、第２の実施形態の半導体装置では、各配線底面に高い熱伝導性を有する非多孔質体が設けられている為、先程説明した第１の実施形態における半導体装置に比べて、各配線の底面部分における熱の逃げ道が十分確保される。特に、本第２の実施形態の半導体装置では、デバイスが動作することで発生する配線からの熱をデバイス外に効率よく放出することが可能となり、例えば発熱量の多い素子が形成されている場合に非常に有効となる。
【００８６】
加えて、本実施形態では、更なる層間絶縁膜の低誘電率化を図る為、シリコン酸化膜１１，１２に、フッ素（F）を添加したシリコン酸化膜等の低誘電率膜を用いることも可能である。
【００８７】
但し、ここで、シリコン酸化膜１１，１２に添加される添加物質は、後に行われる添加物質の除去による多孔質体の形成工程で除去されない物質、本第2の実施形態においては、ＷＦ６と反応しない物質でなければならない。
【００８８】
ここで、図５（ａ）〜（ｂ）では、第２の実施形態における半導体装置の一例として、半導体基板１０および第３層間絶縁膜２３上にプラズマＣＶＤ法により、後に除去される添加物質を含まないシリコン酸化膜１１，１２を予め成膜し、そのシリコン酸化膜１１，１２上に各配線を形成していくことで、第１配線および第２配線の上層配線の底面に多孔質化されない、非多孔質体を設け、更に、各配線の側面に多孔質体５１，５２を選択的に設けた半導体装置およびその製造方法を示した。
【００８９】
しかし、本実施形態における半導体装置においては、各配線底面に設けられる非多孔質体として、必ずしもプラズマＣＶＤ法により予め形成されたシリコン酸化膜１１，１２を用いる必要はなく、図６に示されるように、ホトレジストを除去する低圧状態でのＯ２雰囲気中の反応性イオンエッチングを行い、溝パターン７０または開口部８０の溝部底面の各層間絶縁膜の表面を酸化することで、設けられた各層間絶縁膜表面を緻密化した改質膜１３，１４を非多孔質体として用いてもよい。
【００９０】
ここで、溝パターン７０または開口部８０の溝部底面に形成される改質膜１３，１４とは、低圧状態でのＯ２雰囲気中の反応性イオンエッチングにより、添加物質であるＭＳＱが除去され、緻密化された層間絶縁膜のことである。
【００９１】
改質膜１３，１４を非多孔質体として用いる場合においては、改質膜１３，１４形成後、各層間絶縁膜をＷＦ６ガスに曝し、ＷＦ６と各配線周囲に接する層間絶縁膜に含まれるＭＳＱとを反応させ、ＭＳＱを除去することで多孔質体を設けるすようにする。
【００９２】
この際、各配線の底面が接する改質膜１３，１４には、除去されるべきＭＳＱが含まれていない為、各配線底面は多孔質化されず、各配線底面に非多孔質体が形成される。このようにして、改質膜１３，１４を用いた場合においても、各配線底面に接する非多孔質体および側面に接する多孔質体が、それぞれ設けられた第２の実施形態の半導体装置を提供することが可能となる。
【００９３】
また、ホトレジストの除去による酸素イオン照射によって形成される改質膜１３，１４を非多孔質体として用いる場合では、ホトレジストの除去を行う酸素イオン照射により、各配線底面に接する層間絶縁膜表面の酸化も同時に行わなければならない。その為、図６に示されるような半導体装置を製造する場合においては、シリコン酸化膜１１，１２を非多孔質体として用いる半導体装置を製造する際に用いる、ホトレジストのみを除去する圧力条件より高い圧力下で酸素イオンの照射を行う必要がある。具体的な圧力条件としては、５００ｍＴｏｒｒ程度であることが望ましい。
【００９４】
つまり、ホトレジストの除去を行なう、低圧酸素プラズマによる酸素イオン照射により、各配線が形成されるパターン底面に多孔質化されない膜を形成することが可能となるため、プラズマＣＶＤ法による形成方法とは異なり、半導体基板１０および第３の層間絶縁膜２３上に予めシリコン酸化膜を形成する必要がなく、より少ない工程で各配線底面に非多孔質体、各配線側面に多孔質体５１，５２が設けられた第２の実施形態における半導体装置を製造することが可能となる。
【００９５】
また、本発明において、各配線の周囲に設けられる多孔質体は、添加物質を含む層間絶縁膜からの添加物質の除去により形成されるものに限られず、各層間絶縁膜に形成した溝または開口部の側壁および底面に設けるようにしてもよい。
【００９６】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明によれば、層間絶縁膜に配線や接続プラグの側面または底面接する層間絶縁膜に選択的に多孔質体を設け、各配線に接する多孔質体以外は多孔質化されない非多孔質体を設けるようにしたので、十分な機械的強度と熱伝導性を有する層間絶縁膜を提供することが可能となる。また、特に本発明では、配線や接続プラグの側面に接して多孔質体を設けるため、各配線間の配線間容量の低減に関し、最も支配的なパラメーターである間隔の狭い配線間の水平方向の配線間容量を飛躍的に低減することが可能となる。結果、高集積化された半導体装置においても高速動作を可能とする半導体装置を提供することができる。
【００９７】
加えて、本発明による半導体装置の製造法方によれば、例えばアルキルシロキサンポリマー等の物質が添加された層間絶縁膜を半導体基板上に形成し、配線が埋め込まれる各溝や開口部を形成した後、添加された物質と反応するガスやプラズマを曝すことで、各配線周囲に接する層間絶縁膜に含まれる添加物質を除去して各配線周囲により低い比誘電率を有する多孔質体を選択的に形成することが可能となる。その為、配線間容量の低減に関し、支配的なパラメーターである水平方向の配線間容量、特に最も支配的なパラメーターである、間隔が狭く配置された配線間における配線間容量の低減を図ることが可能となる。また、本実施形態においては、配線間容量の低減に関して、それ程支配的とはならない、間隔が広く配置された配線間において、十分な機械的強度や熱伝導性を有する非多孔質体が設けられているため、十分な配線間容量の低減を図りつつ、多層配線全体としての機械的強度の低下および熱伝導性の低下を最低限に抑制することが可能となる。
【００９８】
加えて、本発明における半導体装置の製造方法においては、層間絶縁膜に添加される添加物質の添加量により多孔質体に含まれる空隙の数を決定することが可能となる。結果、層間絶縁膜に添加する添加物質の添加量を調整することにより、最適な配線間容量、機械的強度および熱伝導性を有する半導体装置を容易に提供することが可能となる。
【００９９】
つまり、本実施形態によると、ダマシン法によって形成され、低誘電率絶縁材料からなる層間絶縁膜を有する半導体装置において、層間絶縁膜における配線間容量を低減しつつ、層間絶縁膜の機械的強度および熱伝導性が確保された半導体装置を提供することができるため、高集積化が進む半導体装置においても、十分なデバイスの高速動作を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態を示す半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図３】 メチルシロキサン系ポリマーのＷＦ6によるエッチングレートを示す図である。
【図４】第２の実施形態を示す半導体装置の断面図である。
【図５】第２の実施形態を示す半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態の異なる形態における半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体基板
２１ 第１層間絶縁膜
２２ 第２層間絶縁膜
３１ 第１キャップ絶縁膜
３２ 第２キャップ絶縁膜
４１ 第１配線
４２ 第２配線
４２ａ 上層配線
４２ｂ 接続プラグ
５１，５１３〜５１５ 第１多孔質体
５２ 第２多孔質体
６０ シリコン窒化膜
７０ 溝パターン
８０ 開口部
９１〜９２ 非多孔質体

Claims (12)

  1. シラノール系化合物で構成されると共に複数の溝を有する第１の絶縁膜が基板上に形成され、前記溝内に埋め込まれる複数の第１配線を有する半導体装置において、前記第１絶縁膜は、前記複数の第１配線に接して設けられる複数の第１多孔質体と、前記第１多孔質体間に設けられる第１非多孔質体とを有し、
    前記第１非多孔質体は、前記第１絶縁膜にアルキルシロキサンポリマーを含有した状態であり、前記第１多孔質体は、前記第１非多孔質体の前記アルキルシロキサンポリマーを選択的に除去することにより空隙が形成されたものであり、
    前記第１非多孔質体及び前記第１多孔質体直上には、キャップ絶縁膜が形成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、前記複数の第１配線は離間して設けられた第３、第４、第５および第６配線とを含み、前記第３配線と前記第４配線との距離は、前記第５配線と前記第６配線との距離よりも短く、前記第３配線と前記第４配線との間の前記第１絶縁膜には、前記第３および前記第４配線の双方に接する前記第１多孔質体が設けられ、前記第５配線と前記第６配線との間の前記第１絶縁膜には、前記第５配線に接する前記第１多孔質体と、前記第６配線に接する前記第１多孔質体と、前記第５および前記第６配線に接する前記第１多孔質体間に設けられた第１非多孔質体とを有することを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２記載の半導体装置において、前記第３配線および前記第４配線間の距離は、８００nm以下であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１記載の半導体装置は、更に、前記第１絶縁膜および前記複数の第１配線上に形成される第２絶縁膜と、前記複数の第１配線上の前記第２絶縁膜に形成される開口部と、前記開口部内に埋め込まれ、前記複数の第１配線と電気的に接続される第２配線とを有し、前記第２配線が形成される前記第２絶縁膜のうち、前記第２配線に接して設けられる第２多孔質体と、前記第２多孔質体に接して設けられる第２非多孔質体とを有することを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項４記載の半導体装置において、前記第２多孔質体は複数の空隙を有する前記第２絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項５記載の半導体装置において、前記開口部は、溝部と、前記溝部底面より前記複数の第１配線に達する接続孔とから構成され、前記第２配線は、前記溝部内に埋め込まれる上層配線と、前記上層配線と前記複数の第１配線とを電気的に接続する接続プラグとからなり、前記第２配線の側面に接して設けられる前記第２多孔質体と、前記第２多孔質体に接して設けられる第２非多孔質体と、前記上層配線の底面が接する前記第２絶縁膜に設けられる、第３非多孔質体とを有することを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１または請求項４いずれか記載の半導体装置において、前記多孔質体は、全体の７０％が多孔質化された絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
  8. シラノール系化合物にアルキルシロキサンポリマーを含有させた第１絶縁膜を基板表面上に形成し、前記第１絶縁膜直上にキャップ絶縁膜を形成し、前記第１絶縁膜に溝を設ける工程と、前記溝内に導電材料を埋め込み、第１配線を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記溝を設ける工程の後、前記第１絶縁膜のうち、前記溝の側部及び底部に当たる前記第１絶縁膜の前記アルキルシロキサンポリマーを六フッ化タングステンによって除去することで第１多孔質体を設ける工程を有し、前記第１の絶縁膜のうち前記第１配線に接しない部分は前記アルキルシロキサンポリマーが含有されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 請求項８記載の半導体装置の製造方法において、前記溝を設ける工程は、前記第１絶縁膜上に第１ホトレジストを形成する工程と、前記第１ホトレジストをマスクにして前記第１絶縁膜に前記溝を形成する工程と、前記第１ホトレジストを除去するとともに前記溝底面の第１絶縁膜を酸化することで、前記溝底面を緻密化する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 請求項９記載の半導体装置の製造方法において、前記第１ホトレジストを除去する工程は、５００ｍＴｏｒｒ未満での酸素イオン照射により行われていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 請求項９記載の半導体装置の製造方法は、更に、前記基板表面上に第３絶縁膜を形成する工程を有し、前記第３絶縁膜上に前記第１絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. シラノール系化合物にアルキルシロキサンポリマーを含有させた第１絶縁膜を基板表面上に形成し、前記第１絶縁膜直上にキャップ絶縁膜を形成し、前記第１絶縁膜にそれぞれ離間した複数の第１、第２、第３および第４溝を形成する工程と、前記複数の第１、第２、第３および第４溝内に導電材料を埋め込み、第１、第２、第３および第４配線を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法において、前記第１溝と前記第２溝は、前記第３溝と前記第４溝との距離よりも短い距離離間して配置されており、前記溝を形成する工程の後、前記第１絶縁膜の前記アルキルシロキサンポリマーを六フッ化タングステンによって除去することで多孔質体を形成する工程を有し、
    当該工程では、前記第１溝と前記第２溝とに接する第１の多孔質体を形成し、かつ、前記第３溝と前記第４溝の間に、前記第３溝に接する第２の多孔質体と、前記第４溝に接する第３の多孔質体とを形成し、前記第２の多孔質体と前記第３の多孔質体の間に存在する第１絶縁膜においては前記アルキルシロキサンポリマーが除去されないことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
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