JP4206740B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の配線構造、特に低誘電率膜を配線層間膜としたＣｕ配線の構造を有する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットの普及に伴い、画像処理等に必要なロジックＬＳＩの高速化が求められている。半導体装置の動作速度は、トランジスタにおけるスイッチング遅延と配線における伝搬遅延とに大きく分けられる。ロジックＬＳＩは、メモリに比べて配線面積の全体に占める割合が大きいため、ロジックＬＳＩを高速化するには配線での伝搬遅延を低減する必要がある。配線での伝搬遅延は、配線抵抗と配線層間容量の積とに比例するので、配線材料に抵抗率の低い材料を、配線層間膜材料に比誘電率の低い材料を用いることで伝搬遅延を低減できる。そこで、次世代の配線材料として、従来のＡｌ或いはＡｌ合金よりも比抵抗の小さいＣｕ或いはＣｕ合金が検討されている。また、配線層間膜材料として従来のＳｉＯ２に代わり、比誘電率の低い有機系の低誘電率材料やＭＳＱ等のＳｉ含有無機多孔質の低誘電率材料が検討されている。
【０００３】
Ｃｕ或いはＣｕ合金を配線材料に用いたいわゆるＣｕ配線を形成する場合、配線層間膜を堆積後に、その表面側から反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）法等により溝を形成し、その溝を埋め込むようにＣｕ或いはＣｕ合金膜を堆積し、その後、溝の外のＣｕ或いはＣｕ合金膜を化学機械研磨（chemical mechanical polishing：ＣＭＰ）法等により除去して、配線層間膜に埋め込まれたＣｕ配線を形成する、いわゆるダマシン（damascene）法が一般的である。さらに、ダマシン法のうち、工程数の低減を目的として、ビア部分と配線部分のＣｕを同時に行うデュアルダマシン法が用いられる。
ダマシン法で形成したＣｕ配線、いわゆるＣｕダマシン配線に低誘電率層間膜を適用する場合の課題に、ＲＩＥ法やＣＭＰ法による加工が困難であることが挙げられる。ＲＩＥ法による溝の加工においては、加工のマスクパターンとなるフォトレジストやハードマスクと低誘電率材料の加工の選択比が充分でないということや、溝の側壁が溝の外側に膨らむボウイング（bowing）が生じるということや、加工後の溝側壁に除去困難なＲＩＥの反応副生成物が堆積するということ等の問題が起こる。有機系材料と無機多孔質材料とを比較した場合、有機系材料は比較的加工が容易であり、これまでに多層配線形成の報告例がある（非特許文献１）。
【０００４】
【非特許文献１】
（R. D. Goldblatt他， “A High Performance 0.13 μm Copper BEOL Technology with Low-kDielectric",International Interconnect Technology Conference 2000, pp.261-263）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、非特許文献１では、熱膨張係数がＣｕと比較して大きい有機系低誘電率材料をビア層間膜に用いているが、温度変化に対する長期信頼性に問題があることが著者等の検討により明らかとなっている。具体的には、プロセス中の熱を想定した高温熱サイクル試験や、信頼性評価時に行う試料の冷却、昇温を繰り返す冷熱試験を、熱膨張係数がＣｕと比較して大きい低誘電率材料を層間膜に用いた配線に加えた場合、ビア底のＣｕとバリアが剥離して上層配線と下層配線の導電不良を発生したり、ビア周辺の層間膜の一部分が収縮してビア部分の金属と層間膜が剥離する現象が発生する。この際の配線構造の一例を、図４４に示す。
【０００６】
この構造は、非特許文献１に示されている構造とは若干異なるものの、配線層間膜００５及びビア層間膜００６は、同様の有機ポリマー系の低誘電率材料を用いている。この低誘電率材料の膜特性として、熱膨張係数は約７０ｐｐｍ／℃、弾性率は２．７ＧＰａである。また、ビア金属及び配線金属００７はＣｕを用いており、熱膨張係数は約１７ｐｐｍ／℃、弾性率は約１０５ＧＰａ程度である。また、配線層間膜００５とビア層間膜００６の間に配線溝のエッチングストッパー層、又はビアのキャップバリア層として膜００８が存在している。この膜００８の熱膨張係数は約０．５ｐｐｍ／℃、弾性率は約７０ＧＰａ程度である。この構造に対し、実際に高温熱サイクルと冷熱試験とを行った結果を、図４５（ａ），（ｂ）に示す。高温サイクルは室温と４００℃の熱サイクルであり、冷熱試験は約−７０℃と約１５０℃の熱を繰り返し配線に印加している。この場合の高温サイクルを示した図４５（ａ）では、抵抗上昇が発生していることが分かる。また、冷熱試験前後の配線部分の断面写真を観察した図４５（ｂ）では、熱サイクル後の観察像に対して膜００８の周辺の層間膜００９中に空洞（ボイド）０１０が発生していることが分かる。
【０００７】
さらに、このような熱膨張係数が大きい低誘電率材料を配線及びビア層間膜に用いた場合に、熱サイクル信頼性のうち高温熱プロセスにおけるビア抵抗増大については、配線層間膜をフッ素含有シリコン酸化膜とすることにより抑制することができる報告がされている（M.-S. Yeh他、"ThermalInduced Failure of Organic Low-K/Cu Multilevel Interconnect"Advanced Metallization Conference 2002, Digest）。この方法ではフッ素含有シリコン酸化膜の誘電率が高いために、配線間容量の低減が不可能となる。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、信頼性の向上と生産性の向上とを図ることができる半導体装置を提供することができるようにするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第１の配線層間絶縁膜と、この第１の配線層間絶縁膜中に形成された第１の導電性金属配線と、これら第１の配線層間絶縁膜及び第１の導電性金属配線上に形成されたビア層間絶縁膜と、このビア層間絶縁膜中に形成された導電性金属ビアと、これらビア層間絶縁膜及び導電性金属ビア上に形成されたバッファ絶縁膜と、このバッファ絶縁膜上に形成された第２の配線層間絶縁膜と、この第２の配線層間絶縁膜中に形成された第２の導電性金属配線とを備え、前記第１の導電性金属配線と第２の導電性金属配線とが前記導電性金属ビアによって電気的に接続され、さらに、前記ビア層間絶縁膜が前記導電性金属ビアよりも熱膨張係数が大きく、前記バッファ絶縁膜が前記導電性金属ビアの熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率が前記ビア層間絶縁膜の弾性率の１０倍以内の値を有していることを特徴とする。
また、前記ビア層間絶縁膜には、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とが形成され、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアの熱膨張係数よりも小さい値を有する絶縁材が埋め込まれているようにすることもできる。
また、前記ビア層間絶縁膜には、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とが形成され、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアと同じ金属材が埋め込まれているようにすることもできる。
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に第１の配線層間絶縁膜を形成する工程と、この第１の配線層間絶縁膜中に第１の導電性金属配線を形成する工程と、これら第１の配線層間絶縁膜及び第１の導電性金属配線上にビア層間絶縁膜を形成する工程と、このビア層間絶縁膜中に導電性金属ビアを形成する工程と、これらビア層間絶縁膜及び導電性金属ビア上にバッファ絶縁膜を形成する工程と、このバッファ絶縁膜上に第２の配線層間絶縁膜を形成する工程と、この第２の配線層間絶縁膜中に第２の導電性金属配線を形成する工程とを有し、前記第１の導電性金属配線と第２の導電性金属配線とが前記導電性金属ビアによって電気的に接続され、さらに、前記ビア層間絶縁膜が前記導電性金属ビアよりも熱膨張係数が大きく、前記バッファ絶縁膜が前記導電性金属ビアの熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率が前記ビア層間絶縁膜の誘電率の１０倍以内の値を有していることを特徴とする。
また、前記ビア層間絶縁膜に、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とを形成し、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアの熱膨張係数よりも小さい値を有する絶縁材を埋め込む工程を有するようにすることもできる。
また、前記ビア層間絶縁膜に、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とを形成し、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアと同じ金属材を埋め込む工程を有するようにすることもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の半導体装置の第１の実施の形態を示す図である。図１の半導体装置は、基板１００１上に形成された絶縁膜１００２と、絶縁膜１００２上に形成された配線層間絶縁膜１００３と、配線層間絶縁膜１００３中に形成された導電性金属配線１００４と、配線層間絶縁膜１００３及び導電性金属配線１００４上に形成されたビア層間絶縁膜１００５と、ビア層間絶縁膜１００５中に形成された導電性金属ビア１００９と、ビア層間絶縁膜１００５及び導電性金属ビア１００９上に形成されたバッファ絶縁膜１００６と、バッファ絶縁膜１００６上に形成された配線層間絶縁膜１００７と、配線層間絶縁膜１００７中に形成された導電性金属配線１００８とを備え、導電性金属配線１００４と導電性金属配線１００８とが導電性金属ビア１００９によって電気的に接続されている。
【００１１】
ここで、ビア層間絶縁膜１００５は、導電性金属ビア１００９よりも熱膨張係数が大きい材料である。また、ビア層間絶縁膜１００５上に形成されたバッファ絶縁膜１００６は、導電性金属ビア１００９の熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率がビア層間絶縁膜１００５の低誘電率材料の弾性率の１０倍以内の値を有している。
図２は、本発明の半導体装置の第２の実施の形態を示す図である。図２の半導体装置は、基板１０上に形成された絶縁膜２０と、この絶縁膜２０上に形成された配線層間絶縁膜３０と、配線層間絶縁膜３０中に形成された導電性金属配線４０と、配線層間絶縁膜３０及び導電性金属配線４０上に形成されたビア層間絶縁膜５０と、ビア層間絶縁膜５０中に形成された導電性金属ビア８０と、ビア層間絶縁膜５０及び導電性金属ビア８０上に形成された配線層間絶縁膜６０と、配線層間絶縁膜６０中に形成された導電性金属配線７０とを備え、導電性金属配線４０と導電性金属配線７０とが導電性金属ビア８０によって接続されている。ここで、ビア層間絶縁膜５０は、導電性金属ビア８０よりも熱膨張係数が小さいものである。
【００１２】
（製造方法１）
次に、図１に示した半導体装置の製造方法について、図３〜図１０により説明する。まず、図３に示すように、半導体基板２５１上に絶縁膜２５２を形成する。この半導体基板２５１は、単結晶シリコン基板としてもよい。また、絶縁膜２５２は、ボロフォスフォシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、フォスフォシリケート・ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicate glass）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸弗化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁膜及びそれらの組み合わせから構成されるようにしてもよい。
次に、図４に示すように、絶縁膜２５２上に配線層間絶縁膜２５３を形成する。この配線層間絶縁膜２５３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるようにしてもよい。次に、図５に示すように、配線層間絶縁膜２５３に配線用溝を形成し、その配線用溝に導電性金属２５４を埋め込む。この導電性金属２５４は、銅（Ｃｕ）であるようにしてもよい。
【００１３】
次に、図６に示すように、導電性金属２５４をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２５５を形成する。その後、図７に示すように、配線層間絶縁膜２５３及び導電性金属配線２５５上にビア層間絶縁膜２５６を形成する。その後、図８に示すように、ビア層間絶縁膜２５６中に形成されたビア孔に導電性金属を埋め込み、ＣＭＰ法により除去して上下配線間を電気的に接続するための導電性金属ビア２５９を形成する。ここで、ビア層間絶縁膜２５６の熱膨張係数は導電性金属ビア２５９の熱膨張係数よりも大きいものとする。また、導電性金属ビア２５９としてＣｕを用いた場合、熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃、弾性率が１０５ＧＰａである。また、ビア層間絶縁膜２５６には、熱膨張係数が７０ｐｐｍ／℃という大きい値を有し、弾性率が２．７ＧＰａと小さい値を有する有機ポリマーを用いてもよい。次に、図９に示すように、ビア層間絶縁膜２５６及び導電性金属ビア２５９の上に、上の配線層のエッチングストップ膜や導電性金属ビア２５９の酸化防止膜となるバッファ絶縁膜２５７を形成する。ここでバッファ絶縁膜２５７の熱膨張係数は、導電性金属ビア２５９の熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率がビア層間絶縁膜２５６の低誘電率材料の弾性率の１０倍以内の値を有している。
【００１４】
また、バッファ絶縁膜２５７は、熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃、弾性率が１１ＧＰａの炭素含有シリコン酸化膜である。次に、配線層間絶縁膜２５８に配線用溝を形成して、その配線用溝に導電性金属を埋め込む。この導電性金属は銅（Ｃｕ）としてもよい。その後、導電性金属をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２６０を形成する。これにより、導電性金属配線２５５と導電性金属配線２６０とが導電性金属ビア２５９によって電気的に接続される。
ここで、配線層間絶縁膜２５３，２５８に熱膨張係数が７０ｐｐｍ／℃の有機ポリマーを用い、ビア層間絶縁膜２５６に熱膨張係数７０ｐｐｍ／℃の有機ポリマーを用い、導電性金属配線２５５，２６０にＣｕを用い、導電性金属ビア２５９に熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃のＣｕを用い、バッファ絶縁膜２５７に熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃の炭素含有シリコン酸化膜を用い、−６５℃から１５０℃繰り返しの冷熱衝撃試験を行った結果を、図１０に示す。図１０に示すように、Ｃｕと熱膨張係数の値の差が±５０％以内の絶縁膜をバッファ絶縁膜２５７として用い、且つ、ビア層間絶縁膜２５６の弾性率の１０倍以下としたことで、図４５で説明したビア抵抗の上昇やビア層間絶縁膜２５６中のボイドは確認されなかった。
【００１５】
以上のことより、ビア層間絶縁膜２５６を、導電性金属ビア２５９よりも熱膨張係数が大きい材料とし、また、ビア層間絶縁膜２５６上に形成されたバッファ絶縁膜２５７は、導電性金属ビア２５９の熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率がビア層間絶縁膜２５６の低誘電率材料の弾性率の１０倍以内の値を有しているようにしたので、熱サイクル試験耐性の高い配線構造を得ることが可能となる。
なお、図９に示した構造は、導電性金属ビア２５９と導電性金属配線２６０とを別々に形成するシングルダマシンプロセスで作製したものであるが、この例に限らず、層間膜構造が同様で導電性金属ビア２５９と導電性金属配線２６０とを同時に形成するデュアルダマシンプロセスで作製した場合でも、導電性金属ビア２５９及び導電性金属配線２６０に用いた金属と熱膨張係数のずれが±５０％以内で、且つ、ビア層間絶縁膜２５６の弾性率の１０倍以下である材料をバッファ絶縁膜２５７に用いる構造も同様の効果が得られることは自明である。また、製造方法１では２層の配線に関して示したが、３層以上の多層配線に関しても同様の効果が得られることは自明である。
【００１６】
（製造方法２）
次に、図２に示した半導体装置の製造方法について、図１１〜図１９により説明する。まず、図１１に示すように、半導体基板２０１上に絶縁膜２０２を形成する。この半導体基板２０１は、単結晶シリコン基板としてもよい。また、絶縁膜２０２はボロフォスフォシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、フォスフォシリケート・ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicate glass）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸弗化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁膜及びそれらの組み合わせから構成されるものであるようにしてもよい。
次に、図１２に示すように、絶縁膜２０２上に配線層間絶縁膜２０３を形成する。この配線層間絶縁膜２０３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであるようにしてもよい。次に、図１３に示すように、配線層間絶縁膜２０３に配線用溝を形成し、その配線用溝に導電性金属２０４を埋め込む。この導電性金属２０４は、銅（Ｃｕ）であってもよい。次に、図１４に示すように、導電性金属２０４をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２０５を形成し、その後、配線層間絶縁膜２０３及び導電性金属配線２０５上にビア層間絶縁膜２０６を形成し、さらにビア層間絶縁膜２０６中に形成されたビア孔に導電性金属を埋め込み、ＣＭＰ法により除去して上下配線間を電気的に接続する導電性金属ビア２０７を形成する。
【００１７】
ここで、ビア層間絶縁膜２０６の熱膨張係数は、導電性金属ビア２０７の熱膨張係数よりも小さいものとする。また、導電性金属ビア２０７としてＣｕを用いた場合、Ｃｕの熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃である。また、ビア層間絶縁膜２０６にはＣｕの熱膨張係数よりも小さい値を持つメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）：１４．５ｐｐｍ／℃、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨ）：１１ｐｐｍ／℃を用いる。次に、図１５に示すように、ビア層間絶縁膜２０６及び導電性金属ビア２０７上に配線層間絶縁膜２０８を形成する。この配線層間絶縁膜２０８は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。次に、図１６に示すように、配線層間絶縁膜２０８に配線用溝を形成して、その配線用溝に導電性金属２０９を埋め込む。この導電性金属２０９は、銅（Ｃｕ）である。次に、図１７に示すように、導電性金属２０９をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２１０を形成する。これにより、導電性金属配線２０５と導電性金属配線２１０とが導電性金属ビア２０７により電気的に接続される。
【００１８】
ここで、配線層間絶縁膜２０３，２０８にＨＳＱを用い、導電性金属配線２０５，２１０にＣｕを用い、導電性金属ビア２０７に熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃のＣｕを用い、ビア層間絶縁膜２０６として熱膨張係数が１４．５ｐｐｍ／℃のＭＳＱを用い、−６５℃から１５０℃繰り返しの冷熱衝撃試験を行った結果を、図１８に示す。また、ビア層間絶縁膜２０６として熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃の炭素含有シリコン酸化膜を用い、−６５℃から１５０℃繰り返しの冷熱試験を行った結果を、図１９に示す。図１８及び図１９より、Ｃｕよりも熱膨張係数が小さい低誘電率材料を、ビア層間絶縁膜２０６として用いた場合には、図４４で説明したボイドは確認されなかった。以上のことより、ビア層間絶縁膜２０６に導電性金属ビア２０７よりも熱膨張係数が小さい材料を用いることにより、熱ストレス耐性の高い配線構造を得ることが可能となる。
なお、図１７に示した構造は、導電性金属ビア２０７と導電性金属配線２１０とを別々に形成するシングルダマシンプロセスであが、層間膜構造が同様で導電性金属ビア２０７と導電性金属配線２１０とを同時に形成するデュアルダマシンプロセスであっても、導電性金属ビア２０７及び導電性金属配線２１０に用いた金属よりも熱膨張係数が小さい低誘電率材料をビア層間絶縁膜に用いた構造と同じ効果が得られることは自明である。また、製造方法２では２層の配線に関して示したが、３層以上の多層配線に関しても同様の効果が得られることは自明である。
【００１９】
（製造方法３）
次に、製造方法１の変形例である製造方法３を、図２０に示す実験結果を元に詳細に説明する。ここで、従来の図４４に示した構造では、図４５（ｂ）で示したように、ビア周辺にボイドが観察された。これは、ビア層間膜００６として導電性金属ビアよりも熱膨張係数が大きい低誘電率材料を用いているためである。製造方法３では、そのビア層間膜００６を有機ポリマーとし、導電性金属ビアをＣｕとしている。この構造に対し、図２０に示すように単位面積あたりのビアの個数を増加させることにより、冷熱試験を５００サイクル印加した後でもビア周辺の層間膜にボイドは確認されなかった。これは、ビアのピッチが大きいほど、ビアの周辺にボイドが発生しやすくなるが、単位面積あたりのビアの個数を増加させることにより、ボイドが発生し難くなるといえる。ここで、ビアのピッチとは、ビアの径とビアとビアとの間の距離の和である。このビアのピッチとボイドの発生との関係を示した実験結果のグラフを、図２１に示す。図２１から、ビアピッチが２倍以下の場合には冷熱試験後にもビア周辺にボイドが発生しないことが分かる。
つまり、製造方法３では、製造方法２で挙げたビア層間絶縁膜２０６に導電性金属ビア２０７よりも熱膨張係数が小さい低誘電率材料を用いることにより、冷熱試験に対する配線信頼性を向上させる方法を用いるのではなく、熱膨張係数が導電性金属ビア２０７よりも大きい低誘電率材料を用いた場合にも、ビアのピッチを低くすることにより配線信頼性を向上させることが可能となることを説明するものである。以下に、その製造方法３について述べる。
【００２０】
まず、図２２〜図２４に示すように半導体基板２１１上に絶縁膜２１２、配線層間絶縁膜２１３、導電性金属２１４を形成する。この半導体基板２１１は、単結晶シリコン基板としてもよい。また、絶縁膜２１２は、ボロフォスフォシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、フォスフォシリケート・ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicateglass）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸弗化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁膜及びそれらの組み合わせから構成されるものであってもよい。また、この配線層間絶縁膜２１３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。
【００２１】
次に、図２５に示すように、導電性金属２１４をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２１５を形成し、その後、配線層間絶縁膜２１３及び導電性金属配線２１５上にビア層間絶縁膜２１６を形成する。その後、ビア層間絶縁膜２１６中に形成された上下配線間を電気的に接続するビア孔２１７ａの周辺に２倍ピッチ以下で上下配線間とは電気的に接続しないダミービア孔２１８ａを形成する。この際、ダミービア孔２１８ａは上面から見ると、図２６に示すように、電気的に接続するビア孔２１７ａの周辺に２倍ピッチ以下で配置されている。このビア孔２１７ａの形状はピッチが２倍ピッチ以下であればダミービア孔２１８ａの形状にはよらないものである。次に、図２７に示すように、ビア孔２１７ａに導電性金属を埋め込み、ＣＭＰ法により除去した後、上下配線間を電気的に接続する導電性金属ビア２１７と上下配線間を電気的に接続しない導電性金属ダミービア２１８をダミービア孔２１８ａに形成する。ここで、ビア層間絶縁膜２１６の熱膨張係数は導電性金属ビア２１７の熱膨張係数よりも大きいものとする。
【００２２】
また、導電性金属ビア２１７としてＣｕを用いた場合、Ｃｕの熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃であり、ビア層間絶縁膜２１６にはＣｕの熱膨張係数よりも大きい値を持つ有機ポリマー：７０ｐｐｍ／℃を用いる。その後、図２８に示すようにビア層間絶縁膜２１６、導電性金属ビア２１７、導電性金属ダミービア２１８上に、配線層間絶縁膜２１９を形成する。この配線層間絶縁膜２１９は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。次に、配線層間絶縁膜２１９に配線用溝を形成し、その配線用溝に導電性金属２２０を埋め込む。この導電性金属２２０は、銅（Ｃｕ）である。次に、図２９に示すように、導電性金属２２０をＣＭＰ法により除去し、１層下の導電性金属配線２１５と導電性金属ビア２１７とにより電気的に接続する導電性金属配線２２１を形成する。
なお、図２９に示した構造は、導電性金属ビア２１７と導電性金属配線２２１とを別々に形成するシングルダマシンプロセスであるが、層間膜構造が同様で導電性金属ビア２１７と導電性金属配線２２１とを同時に形成するデュアルダマシンプロセスであっても、導電性金属ダミービア２１８を形成することにより、冷熱試験に対する配線信頼性を保持できることは自明である。また、製造方法３では２層の配線に関して示したが、３層以上の多層配線に関しても同様の効果が得られることは自明である。
【００２３】
（製造方法４）
次に、製造方法１の変形例である製造方法４を、製造方法３で述べた実験結果を元に説明する。まず、図３０〜図３２に示すように、半導体基板２３１上に絶縁膜２３２、配線層間絶縁膜２３３、導電性金属２３４を形成する。この半導体基板２３１は、単結晶シリコン基板であってもよい。また、絶縁膜２３２は、ボロフォスフォシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、フォスフォシリケート・ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicate glass）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸弗化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁膜及びそれらの組み合わせから構成されるものであってもよい。また、配線層間絶縁膜２３３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。
次に、図３３に示すように、導電性金属２３４をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２３５を形成し、その後、図３４に示すように、配線層間絶縁膜２３３及び導電性金属配線２３５上にビア層間絶縁膜２３６を形成する。その後、ビア層間絶縁膜２３６中に形成されたビア孔に導電性金属を埋め込み、ＣＭＰ法により除去して上下配線間を電気的に接続する導電性金属ビア２３７を形成する。ここで、ビア層間絶縁膜２３６の熱膨張係数は、導電性金属ビア２３７の熱膨張係数よりも大きいものとする。また、導電性金属ビア２３７はＣｕであり、ビア層間絶縁膜２３６は有機ポリマーである。次に、図３５に示すように、導電性金属ビア酸化防止膜２３８を形成し、続いてエッチングのマスクとなるレジスト２３９を形成、露光、現像する。次に、図３６に示すように、エッチングによりダミービア孔２４０を形成する。このダミービア孔２４０は、下層の導電性金属配線２３５までは到達していないものとし、また図３７に示すように、ダミービア孔２４０はビアの周辺から２倍ピッチ以下の部分に形成される。図３７では、導電性金属ビア２３７の４方にダミービア孔２４０を形成している場合を示しているが、ピッチが２倍ピッチ以下であればダミービア孔２４０を４方に形成する必要はない。
【００２４】
次に、図３８に示すように、ダミービア孔２４０及び導電性金属ビア酸化防止膜２３８上に配線層間絶縁膜２４１を形成する。ここで、配線層間絶縁膜２４１は、導電性金属ビア２３７の熱膨張係数よりも小さい値を有する。これは、導電性金属ビア２３７よりも熱膨張係数が大きいビア層間絶縁膜２３６中にボイドが形成されるのを防止するためである。この配線層間絶縁膜２４１は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材のＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。次に、図３９に示すように、配線層間絶縁膜２４１に配線用溝を形成し、その配線用溝に導電性金属２４２を埋め込む。この導電性金属２４２は、銅（Ｃｕ）である。次に、図４０に示すように、導電性金属２４２をＣＭＰ法により除去し、１層下の導電性金属配線２３５と導電性金属ビア２３７とにより電気的に接続される導電性金属配線２４３を形成する。
なお、図４０に示した構造は、導電性金属ビア２３７と導電性金属配線２４３とを別々に形成するシングルダマシンプロセスであるが、層間膜構造が同様で導電性金属ビア２３７と導電性金属配線２４３とを同時に形成するデュアルダマシンプロセスであっても、ダミービア孔２４０を形成することにより、熱ストレス試験に対する配線信頼性を保持できることは自明である。また、製造方法４では２層の配線に関して示したが、３層以上の多層配線に関しても同様の効果が得られることは自明である。
【００２５】
このように、本実施の形態では、図１に示したように、基板１００１上に形成された絶縁膜１００２と、絶縁膜１００２上に形成された第１の配線層間絶縁膜としての配線層間絶縁膜１００３と、配線層間絶縁膜１００３中に形成された第１の導電性金属配線としての導電性金属配線１００４と、配線層間絶縁膜１００３及び導電性金属配線１００４上に形成されたビア層間絶縁膜１００５と、ビア層間絶縁膜１００５中に形成された導電性金属ビア１００９と、ビア層間絶縁膜１００５及び導電性金属ビア１００９上に形成されたバッファ絶縁膜１００６と、バッファ絶縁膜１００６上に形成された第２の配線層間絶縁膜としての配線層間絶縁膜１００７と、配線層間絶縁膜１００７中に形成された第２の導電性金属配線としての導電性金属配線１００８とを備え、導電性金属配線１００４と導電性金属配線１００８とが導電性金属ビア１００９によって電気的に接続されているとともに、ビア層間絶縁膜１００５が導電性金属ビア１００９よりも熱膨張係数が大きく、バッファ絶縁膜１００６が導電性金属ビア１００９の熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率がビア層間絶縁膜１００５の誘電率の弾性率の１０倍以内の値を有しているようにしたので、熱サイクル試験耐性の高い配線構造を得ることが可能となり、信頼性の向上と生産性の向上とが図れる。
【００２６】
すなわち、このような構成の半導体装置では、たとえば図４１（ａ），（ｂ）に示すように、高温熱サイクルの抵抗上昇及び冷熱試験後における空洞（以下、ボイドという）の発生が見られなかった。図４１（ａ），（ｂ）は、導電性金属ビア１００９にＣｕ（熱膨張係数＝約１８ｐｐｍ／Ｋ、弾性率＝約１０５ＧＰａ）、ビア層間絶縁膜１００５に有機系低誘電率材料（熱膨張係数＝約７０ｐｐｍ／Ｋ、弾性率＝約２．７ＧＰａ）、配線層間絶縁膜１００７とビア層間絶縁膜１００５との間に熱膨張係数＝約１１ｐｐｍ／Ｋ、弾性率＝約１１ＧＰａのバッファ絶縁膜１００６を用いた構造としたときである。
ここで、バッファ絶縁膜１００６の熱膨張係数と弾性率とを変化させながら、熱信頼性を評価した結果を、図４２に示す。○は不良が未発生、黒△は不良が発生している結果を示している。この結果より、導電性金属ビア１００９の熱膨張係数の±５０％程度の値を有し、また、弾性率がビア層間絶縁膜１００５の低誘電率材料の弾性率の１０倍以下である場合に、構造の熱信頼性が向上している様子が確認された。一方で、熱膨張係数が先の値よりも小さい場合や、弾性率が先の値よりも大きい場合には、試験により劣化していることが分かる。以上の結果より、第１の観点としては、熱膨張係数が導電性金属ビア１００９と比較して充分に大きく、弾性率が導電性金属ビア１００９と比較して充分に低い低誘電率材料をビア層間絶縁膜１００５に用いた場合に、ビア層間絶縁膜１００５の上方の配線層の間に導電性金属ビア１００９の熱膨張係数の±５０％程度の差であるような値を有し、また、弾性率がビア層間絶縁膜１００５の低誘電率材料の弾性率の１０倍以下の値を持つような膜を挿入してあるような配線構造の場合、ボイドの発生がなくなる。
【００２７】
また、本実施の形態では、図２に示したように、基板１０上に形成された絶縁膜２０と、この絶縁膜２０上に形成された第１の配線層間絶縁膜としての配線層間絶縁膜３０と、配線層間絶縁膜３０中に形成された第１の導電性金属配線としての導電性金属配線４０と、配線層間絶縁膜３０及び導電性金属配線４０上に形成されたビア層間絶縁膜５０と、ビア層間絶縁膜５０中に形成された導電性金属ビア８０と、ビア層間絶縁膜５０及び導電性金属ビア８０上に形成された第２の配線層間絶縁膜としての配線層間絶縁膜６０と、配線層間絶縁膜６０中に形成された第２の導電性金属配線としての導電性金属配線７０とを備え、導電性金属配線４０と導電性金属配線７０とが導電性金属ビア８０によって接続され、さらにビア層間絶縁膜５０は、導電性金属ビア８０よりも熱膨張係数が小さいものであるようにしたので、熱ストレス耐性の高い配線構造を得ることが可能となり、信頼性の向上と生産性の向上とが図れる。
すなわち、このような構成では、たとえば図４３に示すように、導電性金属ビア８０よりも熱膨張係数が小さい低誘電率材料を有するビア層間絶縁膜５０を用いることで、高温熱サイクル及び冷熱試験後におけるボイドの発生が見られなかった。これは、ビア層間絶縁膜５０及び導電性金属ビア８０に対する熱的ストレスが緩和されたためである。
【００２８】
【発明の効果】
以上の如く本発明に係る半導体装置によれば、信頼性の向上と生産性の向上とを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の半導体装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図５】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図６】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図７】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図８】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図９】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図１０】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図１１】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１２】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１３】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１４】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１５】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１６】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１７】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１８】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１９】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図２０】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２１】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２２】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２３】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２４】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２５】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２６】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２７】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２８】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２９】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図３０】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３１】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３２】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３３】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３４】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３５】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３６】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３７】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３８】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３９】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図４０】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図４１】本発明の半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図４２】本発明の半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図４３】本発明の半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図４４】従来の半導体装置を説明するための図である。
【図４５】従来の半導体装置を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 基板
２０ 絶縁膜
３０ 配線層間絶縁膜
４０ 導電性金属配線
５０ ビア層間絶縁膜
６０ 配線層間絶縁膜
７０ 導電性金属配線
８０ 導電性金属ビア
２０１ 半導体基板
２０２ 絶縁膜
２０３ 配線層間絶縁膜
２０４ 導電性金属
２０５ 導電性金属配線
２０６ ビア層間絶縁膜
２０７ 導電性金属ビア
２０８ 配線層間絶縁膜
２０９ 導電性金属
２１０ 導電性金属配線
２１１ 半導体基板
２１２ 絶縁膜
２１３ 配線層間絶縁膜
２１４ 導電性金属
２１５ 導電性金属配線
２１６ ビア層間絶縁膜
２１７ 導電性金属ビア
２１７ａ ビア孔
２１８ 導電性金属ダミービア
２１８ａ ダミービア孔
２１９ 配線層間絶縁膜
２２０ 導電性金属
２２１ 導電性金属配線
２３１ 半導体基板
２３２ 絶縁膜
２３３ 配線層間絶縁膜
２３４ 導電性金属
２３５ 導電性金属配線
２３６ ビア層間絶縁膜
２３７ 導電性金属ビア
２３８ 導電性金属ビア酸化防止膜
２４０ ダミービア孔
２４１ 配線層間絶縁膜
２４２ 導電性金属
２４３ 導電性金属配線
２５１ 半導体基板
２５２ 絶縁膜
２５３ 配線層間絶縁膜
２５４ 導電性金属
２５５ 導電性金属配線
２５６ ビア層間絶縁膜
２５７ バッファ絶縁膜
２５８ 配線層間絶縁膜
２５９ 導電性金属ビア
２６０ 導電性金属配線
１００１ 基板
１００２ 絶縁膜
１００３ 配線層間絶縁膜
１００４ 導電性金属配線
１００５ ビア層間絶縁膜
１００６ バッファ絶縁膜
１００７ 配線層間絶縁膜
１００８ 導電性金属配線
１００９ 導電性金属ビア
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の配線構造、特に低誘電率膜を配線層間膜としたＣｕ配線の構造を有する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットの普及に伴い、画像処理等に必要なロジックＬＳＩの高速化が求められている。半導体装置の動作速度は、トランジスタにおけるスイッチング遅延と配線における伝搬遅延とに大きく分けられる。ロジックＬＳＩは、メモリに比べて配線面積の全体に占める割合が大きいため、ロジックＬＳＩを高速化するには配線での伝搬遅延を低減する必要がある。配線での伝搬遅延は、配線抵抗と配線層間容量の積とに比例するので、配線材料に抵抗率の低い材料を、配線層間膜材料に比誘電率の低い材料を用いることで伝搬遅延を低減できる。そこで、次世代の配線材料として、従来のＡｌ或いはＡｌ合金よりも比抵抗の小さいＣｕ或いはＣｕ合金が検討されている。また、配線層間膜材料として従来のＳｉＯ２に代わり、比誘電率の低い有機系の低誘電率材料やＭＳＱ等のＳｉ含有無機多孔質の低誘電率材料が検討されている。
【０００３】
Ｃｕ或いはＣｕ合金を配線材料に用いたいわゆるＣｕ配線を形成する場合、配線層間膜を堆積後に、その表面側から反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）法等により溝を形成し、その溝を埋め込むようにＣｕ或いはＣｕ合金膜を堆積し、その後、溝の外のＣｕ或いはＣｕ合金膜を化学機械研磨（chemical mechanical polishing：ＣＭＰ）法等により除去して、配線層間膜に埋め込まれたＣｕ配線を形成する、いわゆるダマシン（damascene）法が一般的である。さらに、ダマシン法のうち、工程数の低減を目的として、ビア部分と配線部分のＣｕを同時に行うデュアルダマシン法が用いられる。
ダマシン法で形成したＣｕ配線、いわゆるＣｕダマシン配線に低誘電率層間膜を適用する場合の課題に、ＲＩＥ法やＣＭＰ法による加工が困難であることが挙げられる。ＲＩＥ法による溝の加工においては、加工のマスクパターンとなるフォトレジストやハードマスクと低誘電率材料の加工の選択比が充分でないということや、溝の側壁が溝の外側に膨らむボウイング（bowing）が生じるということや、加工後の溝側壁に除去困難なＲＩＥの反応副生成物が堆積するということ等の問題が起こる。有機系材料と無機多孔質材料とを比較した場合、有機系材料は比較的加工が容易であり、これまでに多層配線形成の報告例がある（非特許文献１）。
【０００４】
【非特許文献１】
（R. D. Goldblatt他， “A High Performance 0.13 μm Copper BEOL Technology with Low-kDielectric",International Interconnect Technology Conference 2000, pp.261-263）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、非特許文献１では、熱膨張係数がＣｕと比較して大きい有機系低誘電率材料をビア層間膜に用いているが、温度変化に対する長期信頼性に問題があることが著者等の検討により明らかとなっている。具体的には、プロセス中の熱を想定した高温熱サイクル試験や、信頼性評価時に行う試料の冷却、昇温を繰り返す冷熱試験を、熱膨張係数がＣｕと比較して大きい低誘電率材料を層間膜に用いた配線に加えた場合、ビア底のＣｕとバリアが剥離して上層配線と下層配線の導電不良を発生したり、ビア周辺の層間膜の一部分が収縮してビア部分の金属と層間膜が剥離する現象が発生する。この際の配線構造の一例を、図４４に示す。
【０００６】
この構造は、非特許文献１に示されている構造とは若干異なるものの、配線層間膜００５及びビア層間膜００６は、同様の有機ポリマー系の低誘電率材料を用いている。この低誘電率材料の膜特性として、熱膨張係数は約７０ｐｐｍ／℃、弾性率は２．７ＧＰａである。また、ビア金属及び配線金属００７はＣｕを用いており、熱膨張係数は約１７ｐｐｍ／℃、弾性率は約１０５ＧＰａ程度である。また、配線層間膜００５とビア層間膜００６の間に配線溝のエッチングストッパー層、又はビアのキャップバリア層として膜００８が存在している。この膜００８の熱膨張係数は約０．５ｐｐｍ／℃、弾性率は約７０ＧＰａ程度である。この構造に対し、実際に高温熱サイクルと冷熱試験とを行った結果を、図４５（ａ），（ｂ）に示す。高温サイクルは室温と４００℃の熱サイクルであり、冷熱試験は約−７０℃と約１５０℃の熱を繰り返し配線に印加している。この場合の高温サイクルを示した図４５（ａ）では、抵抗上昇が発生していることが分かる。また、冷熱試験前後の配線部分の断面写真を観察した図４５（ｂ）では、熱サイクル後の観察像に対して膜００８の周辺の層間膜００９中に空洞（ボイド）０１０が発生していることが分かる。
【０００７】
さらに、このような熱膨張係数が大きい低誘電率材料を配線及びビア層間膜に用いた場合に、熱サイクル信頼性のうち高温熱プロセスにおけるビア抵抗増大については、配線層間膜をフッ素含有シリコン酸化膜とすることにより抑制することができる報告がされている（M.-S. Yeh他、"ThermalInduced Failure of Organic Low-K/Cu Multilevel Interconnect"Advanced Metallization Conference 2002, Digest）。この方法ではフッ素含有シリコン酸化膜の誘電率が高いために、配線間容量の低減が不可能となる。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、信頼性の向上と生産性の向上とを図ることができる半導体装置を提供することができるようにするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第１の配線層間絶縁膜と、この第１の配線層間絶縁膜中に形成された第１の導電性金属配線と、これら第１の配線層間絶縁膜及び第１の導電性金属配線上に形成されたビア層間絶縁膜と、このビア層間絶縁膜中に形成された導電性金属ビアと、これらビア層間絶縁膜及び導電性金属ビア上に形成されたバッファ絶縁膜と、このバッファ絶縁膜上に形成された第２の配線層間絶縁膜と、この第２の配線層間絶縁膜中に形成された第２の導電性金属配線とを備え、前記第１の導電性金属配線と第２の導電性金属配線とが前記導電性金属ビアによって電気的に接続され、さらに、前記ビア層間絶縁膜が前記導電性金属ビアよりも熱膨張係数が大きく、前記バッファ絶縁膜が前記導電性金属ビアの熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率が前記ビア層間絶縁膜の弾性率の１０倍以内の値を有していることを特徴とする。
また、前記ビア層間絶縁膜には、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とが形成され、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアの熱膨張係数よりも小さい値を有する絶縁材が埋め込まれているようにすることもできる。
また、前記ビア層間絶縁膜には、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とが形成され、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアと同じ金属材が埋め込まれているようにすることもできる。
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に第１の配線層間絶縁膜を形成する工程と、この第１の配線層間絶縁膜中に第１の導電性金属配線を形成する工程と、これら第１の配線層間絶縁膜及び第１の導電性金属配線上にビア層間絶縁膜を形成する工程と、このビア層間絶縁膜中に導電性金属ビアを形成する工程と、これらビア層間絶縁膜及び導電性金属ビア上にバッファ絶縁膜を形成する工程と、このバッファ絶縁膜上に第２の配線層間絶縁膜を形成する工程と、この第２の配線層間絶縁膜中に第２の導電性金属配線を形成する工程とを有し、前記第１の導電性金属配線と第２の導電性金属配線とが前記導電性金属ビアによって電気的に接続され、さらに、前記ビア層間絶縁膜が前記導電性金属ビアよりも熱膨張係数が大きく、前記バッファ絶縁膜が前記導電性金属ビアの熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率が前記ビア層間絶縁膜の誘電率の１０倍以内の値を有していることを特徴とする。
また、前記ビア層間絶縁膜に、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とを形成し、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアの熱膨張係数よりも小さい値を有する絶縁材を埋め込む工程を有するようにすることもできる。
また、前記ビア層間絶縁膜に、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とを形成し、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアと同じ金属材を埋め込む工程を有するようにすることもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の半導体装置の第１の実施の形態を示す図である。図１の半導体装置は、基板１００１上に形成された絶縁膜１００２と、絶縁膜１００２上に形成された配線層間絶縁膜１００３と、配線層間絶縁膜１００３中に形成された導電性金属配線１００４と、配線層間絶縁膜１００３及び導電性金属配線１００４上に形成されたビア層間絶縁膜１００５と、ビア層間絶縁膜１００５中に形成された導電性金属ビア１００９と、ビア層間絶縁膜１００５及び導電性金属ビア１００９上に形成されたバッファ絶縁膜１００６と、バッファ絶縁膜１００６上に形成された配線層間絶縁膜１００７と、配線層間絶縁膜１００７中に形成された導電性金属配線１００８とを備え、導電性金属配線１００４と導電性金属配線１００８とが導電性金属ビア１００９によって電気的に接続されている。
【００１１】
ここで、ビア層間絶縁膜１００５は、導電性金属ビア１００９よりも熱膨張係数が大きい材料である。また、ビア層間絶縁膜１００５上に形成されたバッファ絶縁膜１００６は、導電性金属ビア１００９の熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率がビア層間絶縁膜１００５の低誘電率材料の弾性率の１０倍以内の値を有している。
図２は、本発明の半導体装置の第２の実施の形態を示す図である。図２の半導体装置は、基板１０上に形成された絶縁膜２０と、この絶縁膜２０上に形成された配線層間絶縁膜３０と、配線層間絶縁膜３０中に形成された導電性金属配線４０と、配線層間絶縁膜３０及び導電性金属配線４０上に形成されたビア層間絶縁膜５０と、ビア層間絶縁膜５０中に形成された導電性金属ビア８０と、ビア層間絶縁膜５０及び導電性金属ビア８０上に形成された配線層間絶縁膜６０と、配線層間絶縁膜６０中に形成された導電性金属配線７０とを備え、導電性金属配線４０と導電性金属配線７０とが導電性金属ビア８０によって接続されている。ここで、ビア層間絶縁膜５０は、導電性金属ビア８０よりも熱膨張係数が小さいものである。
【００１２】
（製造方法１）
次に、図１に示した半導体装置の製造方法について、図３〜図１０により説明する。まず、図３に示すように、半導体基板２５１上に絶縁膜２５２を形成する。この半導体基板２５１は、単結晶シリコン基板としてもよい。また、絶縁膜２５２は、ボロフォスフォシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、フォスフォシリケート・ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicate glass）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸弗化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁膜及びそれらの組み合わせから構成されるようにしてもよい。
次に、図４に示すように、絶縁膜２５２上に配線層間絶縁膜２５３を形成する。この配線層間絶縁膜２５３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるようにしてもよい。次に、図５に示すように、配線層間絶縁膜２５３に配線用溝を形成し、その配線用溝に導電性金属２５４を埋め込む。この導電性金属２５４は、銅（Ｃｕ）であるようにしてもよい。
【００１３】
次に、図６に示すように、導電性金属２５４をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２５５を形成する。その後、図７に示すように、配線層間絶縁膜２５３及び導電性金属配線２５５上にビア層間絶縁膜２５６を形成する。その後、図８に示すように、ビア層間絶縁膜２５６中に形成されたビア孔に導電性金属を埋め込み、ＣＭＰ法により除去して上下配線間を電気的に接続するための導電性金属ビア２５９を形成する。ここで、ビア層間絶縁膜２５６の熱膨張係数は導電性金属ビア２５９の熱膨張係数よりも大きいものとする。また、導電性金属ビア２５９としてＣｕを用いた場合、熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃、弾性率が１０５ＧＰａである。また、ビア層間絶縁膜２５６には、熱膨張係数が７０ｐｐｍ／℃という大きい値を有し、弾性率が２．７ＧＰａと小さい値を有する有機ポリマーを用いてもよい。次に、図９に示すように、ビア層間絶縁膜２５６及び導電性金属ビア２５９の上に、上の配線層のエッチングストップ膜や導電性金属ビア２５９の酸化防止膜となるバッファ絶縁膜２５７を形成する。ここでバッファ絶縁膜２５７の熱膨張係数は、導電性金属ビア２５９の熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率がビア層間絶縁膜２５６の低誘電率材料の弾性率の１０倍以内の値を有している。
【００１４】
また、バッファ絶縁膜２５７は、熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃、弾性率が１１ＧＰａの炭素含有シリコン酸化膜である。次に、配線層間絶縁膜２５８に配線用溝を形成して、その配線用溝に導電性金属を埋め込む。この導電性金属は銅（Ｃｕ）としてもよい。その後、導電性金属をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２６０を形成する。これにより、導電性金属配線２５５と導電性金属配線２６０とが導電性金属ビア２５９によって電気的に接続される。
ここで、配線層間絶縁膜２５３，２５８に熱膨張係数が７０ｐｐｍ／℃の有機ポリマーを用い、ビア層間絶縁膜２５６に熱膨張係数７０ｐｐｍ／℃の有機ポリマーを用い、導電性金属配線２５５，２６０にＣｕを用い、導電性金属ビア２５９に熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃のＣｕを用い、バッファ絶縁膜２５７に熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃の炭素含有シリコン酸化膜を用い、−６５℃から１５０℃繰り返しの冷熱衝撃試験を行った結果を、図１０に示す。図１０に示すように、Ｃｕと熱膨張係数の値の差が±５０％以内の絶縁膜をバッファ絶縁膜２５７として用い、且つ、ビア層間絶縁膜２５６の弾性率の１０倍以下としたことで、図４５で説明したビア抵抗の上昇やビア層間絶縁膜２５６中のボイドは確認されなかった。
【００１５】
以上のことより、ビア層間絶縁膜２５６を、導電性金属ビア２５９よりも熱膨張係数が大きい材料とし、また、ビア層間絶縁膜２５６上に形成されたバッファ絶縁膜２５７は、導電性金属ビア２５９の熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率がビア層間絶縁膜２５６の低誘電率材料の弾性率の１０倍以内の値を有しているようにしたので、熱サイクル試験耐性の高い配線構造を得ることが可能となる。
なお、図９に示した構造は、導電性金属ビア２５９と導電性金属配線２６０とを別々に形成するシングルダマシンプロセスで作製したものであるが、この例に限らず、層間膜構造が同様で導電性金属ビア２５９と導電性金属配線２６０とを同時に形成するデュアルダマシンプロセスで作製した場合でも、導電性金属ビア２５９及び導電性金属配線２６０に用いた金属と熱膨張係数のずれが±５０％以内で、且つ、ビア層間絶縁膜２５６の弾性率の１０倍以下である材料をバッファ絶縁膜２５７に用いる構造も同様の効果が得られることは自明である。また、製造方法１では２層の配線に関して示したが、３層以上の多層配線に関しても同様の効果が得られることは自明である。
【００１６】
（製造方法２）
次に、図２に示した半導体装置の製造方法について、図１１〜図１９により説明する。まず、図１１に示すように、半導体基板２０１上に絶縁膜２０２を形成する。この半導体基板２０１は、単結晶シリコン基板としてもよい。また、絶縁膜２０２はボロフォスフォシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、フォスフォシリケート・ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicate glass）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸弗化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁膜及びそれらの組み合わせから構成されるものであるようにしてもよい。
次に、図１２に示すように、絶縁膜２０２上に配線層間絶縁膜２０３を形成する。この配線層間絶縁膜２０３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであるようにしてもよい。次に、図１３に示すように、配線層間絶縁膜２０３に配線用溝を形成し、その配線用溝に導電性金属２０４を埋め込む。この導電性金属２０４は、銅（Ｃｕ）であってもよい。次に、図１４に示すように、導電性金属２０４をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２０５を形成し、その後、配線層間絶縁膜２０３及び導電性金属配線２０５上にビア層間絶縁膜２０６を形成し、さらにビア層間絶縁膜２０６中に形成されたビア孔に導電性金属を埋め込み、ＣＭＰ法により除去して上下配線間を電気的に接続する導電性金属ビア２０７を形成する。
【００１７】
ここで、ビア層間絶縁膜２０６の熱膨張係数は、導電性金属ビア２０７の熱膨張係数よりも小さいものとする。また、導電性金属ビア２０７としてＣｕを用いた場合、Ｃｕの熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃である。また、ビア層間絶縁膜２０６にはＣｕの熱膨張係数よりも小さい値を持つメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）：１４．５ｐｐｍ／℃、炭素含有シリコン酸化膜（ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨ）：１１ｐｐｍ／℃を用いる。次に、図１５に示すように、ビア層間絶縁膜２０６及び導電性金属ビア２０７上に配線層間絶縁膜２０８を形成する。この配線層間絶縁膜２０８は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。次に、図１６に示すように、配線層間絶縁膜２０８に配線用溝を形成して、その配線用溝に導電性金属２０９を埋め込む。この導電性金属２０９は、銅（Ｃｕ）である。次に、図１７に示すように、導電性金属２０９をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２１０を形成する。これにより、導電性金属配線２０５と導電性金属配線２１０とが導電性金属ビア２０７により電気的に接続される。
【００１８】
ここで、配線層間絶縁膜２０３，２０８にＨＳＱを用い、導電性金属配線２０５，２１０にＣｕを用い、導電性金属ビア２０７に熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃のＣｕを用い、ビア層間絶縁膜２０６として熱膨張係数が１４．５ｐｐｍ／℃のＭＳＱを用い、−６５℃から１５０℃繰り返しの冷熱衝撃試験を行った結果を、図１８に示す。また、ビア層間絶縁膜２０６として熱膨張係数が１１ｐｐｍ／℃の炭素含有シリコン酸化膜を用い、−６５℃から１５０℃繰り返しの冷熱試験を行った結果を、図１９に示す。図１８及び図１９より、Ｃｕよりも熱膨張係数が小さい低誘電率材料を、ビア層間絶縁膜２０６として用いた場合には、図４４で説明したボイドは確認されなかった。以上のことより、ビア層間絶縁膜２０６に導電性金属ビア２０７よりも熱膨張係数が小さい材料を用いることにより、熱ストレス耐性の高い配線構造を得ることが可能となる。
なお、図１７に示した構造は、導電性金属ビア２０７と導電性金属配線２１０とを別々に形成するシングルダマシンプロセスであが、層間膜構造が同様で導電性金属ビア２０７と導電性金属配線２１０とを同時に形成するデュアルダマシンプロセスであっても、導電性金属ビア２０７及び導電性金属配線２１０に用いた金属よりも熱膨張係数が小さい低誘電率材料をビア層間絶縁膜に用いた構造と同じ効果が得られることは自明である。また、製造方法２では２層の配線に関して示したが、３層以上の多層配線に関しても同様の効果が得られることは自明である。
【００１９】
（製造方法３）
次に、製造方法１の変形例である製造方法３を、図２０に示す実験結果を元に詳細に説明する。ここで、従来の図４４に示した構造では、図４５（ｂ）で示したように、ビア周辺にボイドが観察された。これは、ビア層間膜００６として導電性金属ビアよりも熱膨張係数が大きい低誘電率材料を用いているためである。製造方法３では、そのビア層間膜００６を有機ポリマーとし、導電性金属ビアをＣｕとしている。この構造に対し、図２０に示すように単位面積あたりのビアの個数を増加させることにより、冷熱試験を５００サイクル印加した後でもビア周辺の層間膜にボイドは確認されなかった。これは、ビアのピッチが大きいほど、ビアの周辺にボイドが発生しやすくなるが、単位面積あたりのビアの個数を増加させることにより、ボイドが発生し難くなるといえる。ここで、ビアのピッチとは、ビアの径とビアとビアとの間の距離の和である。このビアのピッチとボイドの発生との関係を示した実験結果のグラフを、図２１に示す。図２１から、ビアピッチが２倍以下の場合には冷熱試験後にもビア周辺にボイドが発生しないことが分かる。
つまり、製造方法３では、製造方法２で挙げたビア層間絶縁膜２０６に導電性金属ビア２０７よりも熱膨張係数が小さい低誘電率材料を用いることにより、冷熱試験に対する配線信頼性を向上させる方法を用いるのではなく、熱膨張係数が導電性金属ビア２０７よりも大きい低誘電率材料を用いた場合にも、ビアのピッチを低くすることにより配線信頼性を向上させることが可能となることを説明するものである。以下に、その製造方法３について述べる。
【００２０】
まず、図２２〜図２４に示すように半導体基板２１１上に絶縁膜２１２、配線層間絶縁膜２１３、導電性金属２１４を形成する。この半導体基板２１１は、単結晶シリコン基板としてもよい。また、絶縁膜２１２は、ボロフォスフォシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、フォスフォシリケート・ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicateglass）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸弗化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁膜及びそれらの組み合わせから構成されるものであってもよい。また、この配線層間絶縁膜２１３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。
【００２１】
次に、図２５に示すように、導電性金属２１４をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２１５を形成し、その後、配線層間絶縁膜２１３及び導電性金属配線２１５上にビア層間絶縁膜２１６を形成する。その後、ビア層間絶縁膜２１６中に形成された上下配線間を電気的に接続するビア孔２１７ａの周辺に２倍ピッチ以下で上下配線間とは電気的に接続しないダミービア孔２１８ａを形成する。この際、ダミービア孔２１８ａは上面から見ると、図２６に示すように、電気的に接続するビア孔２１７ａの周辺に２倍ピッチ以下で配置されている。このビア孔２１７ａの形状はピッチが２倍ピッチ以下であればダミービア孔２１８ａの形状にはよらないものである。次に、図２７に示すように、ビア孔２１７ａに導電性金属を埋め込み、ＣＭＰ法により除去した後、上下配線間を電気的に接続する導電性金属ビア２１７と上下配線間を電気的に接続しない導電性金属ダミービア２１８をダミービア孔２１８ａに形成する。ここで、ビア層間絶縁膜２１６の熱膨張係数は導電性金属ビア２１７の熱膨張係数よりも大きいものとする。
【００２２】
また、導電性金属ビア２１７としてＣｕを用いた場合、Ｃｕの熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃であり、ビア層間絶縁膜２１６にはＣｕの熱膨張係数よりも大きい値を持つ有機ポリマー：７０ｐｐｍ／℃を用いる。その後、図２８に示すようにビア層間絶縁膜２１６、導電性金属ビア２１７、導電性金属ダミービア２１８上に、配線層間絶縁膜２１９を形成する。この配線層間絶縁膜２１９は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。次に、配線層間絶縁膜２１９に配線用溝を形成し、その配線用溝に導電性金属２２０を埋め込む。この導電性金属２２０は、銅（Ｃｕ）である。次に、図２９に示すように、導電性金属２２０をＣＭＰ法により除去し、１層下の導電性金属配線２１５と導電性金属ビア２１７とにより電気的に接続する導電性金属配線２２１を形成する。
なお、図２９に示した構造は、導電性金属ビア２１７と導電性金属配線２２１とを別々に形成するシングルダマシンプロセスであるが、層間膜構造が同様で導電性金属ビア２１７と導電性金属配線２２１とを同時に形成するデュアルダマシンプロセスであっても、導電性金属ダミービア２１８を形成することにより、冷熱試験に対する配線信頼性を保持できることは自明である。また、製造方法３では２層の配線に関して示したが、３層以上の多層配線に関しても同様の効果が得られることは自明である。
【００２３】
（製造方法４）
次に、製造方法１の変形例である製造方法４を、製造方法３で述べた実験結果を元に説明する。まず、図３０〜図３２に示すように、半導体基板２３１上に絶縁膜２３２、配線層間絶縁膜２３３、導電性金属２３４を形成する。この半導体基板２３１は、単結晶シリコン基板であってもよい。また、絶縁膜２３２は、ボロフォスフォシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、フォスフォシリケート・ガラス（ＰＳＧ：phosphosilicate glass）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸弗化シリコン（ＳｉＯＦ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁膜及びそれらの組み合わせから構成されるものであってもよい。また、配線層間絶縁膜２３３は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材料の有機ポリマー、ＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。
次に、図３３に示すように、導電性金属２３４をＣＭＰ法により除去して導電性金属配線２３５を形成し、その後、図３４に示すように、配線層間絶縁膜２３３及び導電性金属配線２３５上にビア層間絶縁膜２３６を形成する。その後、ビア層間絶縁膜２３６中に形成されたビア孔に導電性金属を埋め込み、ＣＭＰ法により除去して上下配線間を電気的に接続する導電性金属ビア２３７を形成する。ここで、ビア層間絶縁膜２３６の熱膨張係数は、導電性金属ビア２３７の熱膨張係数よりも大きいものとする。また、導電性金属ビア２３７はＣｕであり、ビア層間絶縁膜２３６は有機ポリマーである。次に、図３５に示すように、導電性金属ビア酸化防止膜２３８を形成し、続いてエッチングのマスクとなるレジスト２３９を形成、露光、現像する。次に、図３６に示すように、エッチングによりダミービア孔２４０を形成する。このダミービア孔２４０は、下層の導電性金属配線２３５までは到達していないものとし、また図３７に示すように、ダミービア孔２４０はビアの周辺から２倍ピッチ以下の部分に形成される。図３７では、導電性金属ビア２３７の４方にダミービア孔２４０を形成している場合を示しているが、ピッチが２倍ピッチ以下であればダミービア孔２４０を４方に形成する必要はない。
【００２４】
次に、図３８に示すように、ダミービア孔２４０及び導電性金属ビア酸化防止膜２３８上に配線層間絶縁膜２４１を形成する。ここで、配線層間絶縁膜２４１は、導電性金属ビア２３７の熱膨張係数よりも小さい値を有する。これは、導電性金属ビア２３７よりも熱膨張係数が大きいビア層間絶縁膜２３６中にボイドが形成されるのを防止するためである。この配線層間絶縁膜２４１は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＦや低誘電率材のＭＳＱ、ＨＳＱ、炭素含有シリコン酸化膜、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ及びそれらの膜の組み合わせから構成されるものであってもよい。次に、図３９に示すように、配線層間絶縁膜２４１に配線用溝を形成し、その配線用溝に導電性金属２４２を埋め込む。この導電性金属２４２は、銅（Ｃｕ）である。次に、図４０に示すように、導電性金属２４２をＣＭＰ法により除去し、１層下の導電性金属配線２３５と導電性金属ビア２３７とにより電気的に接続される導電性金属配線２４３を形成する。
なお、図４０に示した構造は、導電性金属ビア２３７と導電性金属配線２４３とを別々に形成するシングルダマシンプロセスであるが、層間膜構造が同様で導電性金属ビア２３７と導電性金属配線２４３とを同時に形成するデュアルダマシンプロセスであっても、ダミービア孔２４０を形成することにより、熱ストレス試験に対する配線信頼性を保持できることは自明である。また、製造方法４では２層の配線に関して示したが、３層以上の多層配線に関しても同様の効果が得られることは自明である。
【００２５】
このように、本実施の形態では、図１に示したように、基板１００１上に形成された絶縁膜１００２と、絶縁膜１００２上に形成された第１の配線層間絶縁膜としての配線層間絶縁膜１００３と、配線層間絶縁膜１００３中に形成された第１の導電性金属配線としての導電性金属配線１００４と、配線層間絶縁膜１００３及び導電性金属配線１００４上に形成されたビア層間絶縁膜１００５と、ビア層間絶縁膜１００５中に形成された導電性金属ビア１００９と、ビア層間絶縁膜１００５及び導電性金属ビア１００９上に形成されたバッファ絶縁膜１００６と、バッファ絶縁膜１００６上に形成された第２の配線層間絶縁膜としての配線層間絶縁膜１００７と、配線層間絶縁膜１００７中に形成された第２の導電性金属配線としての導電性金属配線１００８とを備え、導電性金属配線１００４と導電性金属配線１００８とが導電性金属ビア１００９によって電気的に接続されているとともに、ビア層間絶縁膜１００５が導電性金属ビア１００９よりも熱膨張係数が大きく、バッファ絶縁膜１００６が導電性金属ビア１００９の熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率がビア層間絶縁膜１００５の誘電率の弾性率の１０倍以内の値を有しているようにしたので、熱サイクル試験耐性の高い配線構造を得ることが可能となり、信頼性の向上と生産性の向上とが図れる。
【００２６】
すなわち、このような構成の半導体装置では、たとえば図４１（ａ），（ｂ）に示すように、高温熱サイクルの抵抗上昇及び冷熱試験後における空洞（以下、ボイドという）の発生が見られなかった。図４１（ａ），（ｂ）は、導電性金属ビア１００９にＣｕ（熱膨張係数＝約１８ｐｐｍ／Ｋ、弾性率＝約１０５ＧＰａ）、ビア層間絶縁膜１００５に有機系低誘電率材料（熱膨張係数＝約７０ｐｐｍ／Ｋ、弾性率＝約２．７ＧＰａ）、配線層間絶縁膜１００７とビア層間絶縁膜１００５との間に熱膨張係数＝約１１ｐｐｍ／Ｋ、弾性率＝約１１ＧＰａのバッファ絶縁膜１００６を用いた構造としたときである。
ここで、バッファ絶縁膜１００６の熱膨張係数と弾性率とを変化させながら、熱信頼性を評価した結果を、図４２に示す。○は不良が未発生、黒△は不良が発生している結果を示している。この結果より、導電性金属ビア１００９の熱膨張係数の±５０％程度の値を有し、また、弾性率がビア層間絶縁膜１００５の低誘電率材料の弾性率の１０倍以下である場合に、構造の熱信頼性が向上している様子が確認された。一方で、熱膨張係数が先の値よりも小さい場合や、弾性率が先の値よりも大きい場合には、試験により劣化していることが分かる。以上の結果より、第１の観点としては、熱膨張係数が導電性金属ビア１００９と比較して充分に大きく、弾性率が導電性金属ビア１００９と比較して充分に低い低誘電率材料をビア層間絶縁膜１００５に用いた場合に、ビア層間絶縁膜１００５の上方の配線層の間に導電性金属ビア１００９の熱膨張係数の±５０％程度の差であるような値を有し、また、弾性率がビア層間絶縁膜１００５の低誘電率材料の弾性率の１０倍以下の値を持つような膜を挿入してあるような配線構造の場合、ボイドの発生がなくなる。
【００２７】
また、本実施の形態では、図２に示したように、基板１０上に形成された絶縁膜２０と、この絶縁膜２０上に形成された第１の配線層間絶縁膜としての配線層間絶縁膜３０と、配線層間絶縁膜３０中に形成された第１の導電性金属配線としての導電性金属配線４０と、配線層間絶縁膜３０及び導電性金属配線４０上に形成されたビア層間絶縁膜５０と、ビア層間絶縁膜５０中に形成された導電性金属ビア８０と、ビア層間絶縁膜５０及び導電性金属ビア８０上に形成された第２の配線層間絶縁膜としての配線層間絶縁膜６０と、配線層間絶縁膜６０中に形成された第２の導電性金属配線としての導電性金属配線７０とを備え、導電性金属配線４０と導電性金属配線７０とが導電性金属ビア８０によって接続され、さらにビア層間絶縁膜５０は、導電性金属ビア８０よりも熱膨張係数が小さいものであるようにしたので、熱ストレス耐性の高い配線構造を得ることが可能となり、信頼性の向上と生産性の向上とが図れる。
すなわち、このような構成では、たとえば図４３に示すように、導電性金属ビア８０よりも熱膨張係数が小さい低誘電率材料を有するビア層間絶縁膜５０を用いることで、高温熱サイクル及び冷熱試験後におけるボイドの発生が見られなかった。これは、ビア層間絶縁膜５０及び導電性金属ビア８０に対する熱的ストレスが緩和されたためである。
【００２８】
【発明の効果】
以上の如く本発明に係る半導体装置によれば、信頼性の向上と生産性の向上とを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の半導体装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図５】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図６】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図７】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図８】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図９】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図１０】本発明の半導体装置の製造方法１を示す図である。
【図１１】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１２】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１３】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１４】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１５】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１６】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１７】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１８】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図１９】本発明の半導体装置の製造方法２を示す図である。
【図２０】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２１】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２２】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２３】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２４】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２５】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２６】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２７】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２８】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図２９】本発明の半導体装置の製造方法３を示す図である。
【図３０】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３１】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３２】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３３】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３４】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３５】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３６】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３７】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３８】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図３９】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図４０】本発明の半導体装置の製造方法４を示す図である。
【図４１】本発明の半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図４２】本発明の半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図４３】本発明の半導体装置の作用効果を説明するための図である。
【図４４】従来の半導体装置を説明するための図である。
【図４５】従来の半導体装置を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 基板
２０ 絶縁膜
３０ 配線層間絶縁膜
４０ 導電性金属配線
５０ ビア層間絶縁膜
６０ 配線層間絶縁膜
７０ 導電性金属配線
８０ 導電性金属ビア
２０１ 半導体基板
２０２ 絶縁膜
２０３ 配線層間絶縁膜
２０４ 導電性金属
２０５ 導電性金属配線
２０６ ビア層間絶縁膜
２０７ 導電性金属ビア
２０８ 配線層間絶縁膜
２０９ 導電性金属
２１０ 導電性金属配線
２１１ 半導体基板
２１２ 絶縁膜
２１３ 配線層間絶縁膜
２１４ 導電性金属
２１５ 導電性金属配線
２１６ ビア層間絶縁膜
２１７ 導電性金属ビア
２１７ａ ビア孔
２１８ 導電性金属ダミービア
２１８ａ ダミービア孔
２１９ 配線層間絶縁膜
２２０ 導電性金属
２２１ 導電性金属配線
２３１ 半導体基板
２３２ 絶縁膜
２３３ 配線層間絶縁膜
２３４ 導電性金属
２３５ 導電性金属配線
２３６ ビア層間絶縁膜
２３７ 導電性金属ビア
２３８ 導電性金属ビア酸化防止膜
２４０ ダミービア孔
２４１ 配線層間絶縁膜
２４２ 導電性金属
２４３ 導電性金属配線
２５１ 半導体基板
２５２ 絶縁膜
２５３ 配線層間絶縁膜
２５４ 導電性金属
２５５ 導電性金属配線
２５６ ビア層間絶縁膜
２５７ バッファ絶縁膜
２５８ 配線層間絶縁膜
２５９ 導電性金属ビア
２６０ 導電性金属配線
１００１ 基板
１００２ 絶縁膜
１００３ 配線層間絶縁膜
１００４ 導電性金属配線
１００５ ビア層間絶縁膜
１００６ バッファ絶縁膜
１００７ 配線層間絶縁膜
１００８ 導電性金属配線
１００９ 導電性金属ビア
Claims (6)
- 基板上に形成された第１の配線層間絶縁膜と、
この第１の配線層間絶縁膜中に形成された第１の導電性金属配線と、
これら第１の配線層間絶縁膜及び第１の導電性金属配線上に形成されたビア層間絶縁膜と、
このビア層間絶縁膜中に形成された導電性金属ビアと、
これらビア層間絶縁膜及び導電性金属ビア上に形成されたバッファ絶縁膜と、
このバッファ絶縁膜上に形成された第２の配線層間絶縁膜と、
この第２の配線層間絶縁膜中に形成された第２の導電性金属配線とを備え、
前記第１の導電性金属配線と第２の導電性金属配線とが前記導電性金属ビアによって電気的に接続され、さらに、前記ビア層間絶縁膜が前記導電性金属ビアよりも熱膨張係数が大きく、前記バッファ絶縁膜が前記導電性金属ビアの熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率が前記ビア層間絶縁膜の弾性率の１０倍以内の値を有していることを特徴とする半導体装置。 - 前記ビア層間絶縁膜には、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とが形成され、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアの熱膨張係数よりも小さい値を有する絶縁材が埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記ビア層間絶縁膜には、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とが形成され、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアと同じ金属材が埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 基板上に第１の配線層間絶縁膜を形成する工程と、
この第１の配線層間絶縁膜中に第１の導電性金属配線を形成する工程と、
これら第１の配線層間絶縁膜及び第１の導電性金属配線上にビア層間絶縁膜を形成する工程と、
このビア層間絶縁膜中に導電性金属ビアを形成する工程と、
これらビア層間絶縁膜及び導電性金属ビア上にバッファ絶縁膜を形成する工程と、
このバッファ絶縁膜上に第２の配線層間絶縁膜を形成する工程と、
この第２の配線層間絶縁膜中に第２の導電性金属配線を形成する工程とを有し、
前記第１の導電性金属配線と第２の導電性金属配線とが前記導電性金属ビアによって電気的に接続され、さらに、前記ビア層間絶縁膜が前記導電性金属ビアよりも熱膨張係数が大きく、前記バッファ絶縁膜が前記導電性金属ビアの熱膨張係数に対して±５０％程度以内の差の値を有し、且つ、その弾性率が前記ビア層間絶縁膜の誘電率の１０倍以内の値を有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ビア層間絶縁膜に、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とを形成し、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアの熱膨張係数よりも小さい値を有する絶縁材を埋め込む工程を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ビア層間絶縁膜に、前記導電性金属ビアが形成されるビア孔と、このビア孔の周囲に前記ビア孔とのピッチが前記ビア孔の径の２倍以下とされ、且つ前記第１の導電性金属配線には到達しないダミービア孔とを形成し、さらに前記ダミービア孔には前記導電性金属ビアと同じ金属材を埋め込む工程を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
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