JP4302505B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関するものであり、特に多層配線構造を有する半導体装置に関する。

半導体装置の代表として知られているマイクロプロセッサやメモリなどのＬＳＩ（大規模集積回路）の高集積化に伴い、トランジスタのゲート長などの素子寸法、各素子を構成する膜厚は微細化されてきた。また、これらの微細化により配線ピッチや配線を接続するためのビアのサイズも縮小化されてきている。

しかし、単純な微細化を行えば配線幅の縮小や配線膜厚の薄膜化により配線抵抗が増加し、また配線ピッチが縮小化されることにより配線間寄生容量が大きくなってしまう。これらの配線抵抗や配線間寄生容量の増加は、ともに信号伝達遅延を大きくするため、半導体装置の高速化に対して大きな障害となる。従って、近年の多層配線化技術においては、回避策として様々な方法が取られている。

まず、配線抵抗に関しては、従来のアルミニウム配線よりも抵抗の低い銅配線への移行が検討されている。銅を従来と同様にドライエッチングして配線形状に加工することは現状の技術では極めて困難なため、層間絶縁膜に配線用溝を形成し、その溝の中に銅配線を形成する、いわゆるダマシン配線と呼ばれる埋め込み配線構造が製品で使用されるようになった（例えば、特許文献１参照）。

ここで、一般的な埋め込み配線の形成方法は、層間絶縁膜に配線用の溝を形成し、この溝を埋め込むように銅膜などの金属膜を全面に形成し、配線用溝の外部に形成した金属膜を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing;以下、ＣＭＰと称する）により除去することにより行う。

しかしながら、ＣＭＰの被研磨速度が銅膜と層間絶縁膜で大きく異なるため、配線密度が大きい箇所ではエロージョンと呼ばれる、配線膜厚や層間絶縁膜が局所的に薄膜化する現象が発生しやすい。一方、隣接する配線パターンの間隔が大きく、配線密度が小さい箇所では、ディッシングと呼ばれる、層間絶縁膜が薄膜化する現象が発生しやすい。
これらのことから、配線密度や配線幅により、配線や層間絶縁膜の膜厚が不均一になり、配線抵抗を増加させたり、配線間寄生容量を増加させてしまうという欠点があった。上述の欠点を除去するため、配線密度の疎密差を小さくするようにダミーパターンを形成する技術が提供されるに至っている（例えば、特許文献２参照）。

一方、配線間寄生容量の低減に関しては、層間絶縁膜の材料として、従来のシリコン酸化膜に代わり、シリコン酸化膜よりも比誘電率が低い、いわゆる低誘電率膜の導入が不可欠となっている。
その中でも、特に比誘電率の低い多孔質膜は機械的強度や密着性が従来のシリコン酸化膜よりも低いため、ＣＭＰ中の摩擦により膜が剥離したり、膜に亀裂が入ったりするという問題が避けられない。しかしながら、従来のダミーパターン形成技術では、このような低誘電率膜へのダメージを低減することに関しての対策は十分ではなかった（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−２８４６００号公報 特開平１０−０２７７９９号公報

上述のように、低誘電率膜を層間絶縁膜として用いる半導体装置において、埋め込み配線構造を形成するとき、配線溝の外部に形成した金属膜を除去するためにＣＭＰを行う。 このとき、配線密度の疎密差や配線幅により、ＣＭＰ後の配線や層間絶縁膜の膜厚が不均一になったり、層間絶縁膜として用いた低誘電率膜が剥離したり、膜に亀裂が入ったりするという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、低誘電率膜を層間絶縁膜として用いる半導体装置において、埋め込み配線形成後の配線膜厚や層間絶縁膜の膜厚のばらつきを抑え、低誘電率膜の剥離や亀裂の発生を抑制した、優れた半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、基板上に、配線パターンを含む配線部分と配線パターンを含まない非配線部分とを有する層間絶縁膜を備え、かつ前記配線部分の前記配線パターンが埋め込み構造の配線パターンである半導体装置において、前記非配線部分の層間絶縁膜を複数の孤立領域に仕切る埋め込み構造のダミーパターンを形成し、かつ、前記複数の孤立領域のうち、前記配線部分の前記配線パターンに対向する位置の孤立領域を相対的に小さく形成したことを特徴とするものである。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、低誘電率膜を層間絶縁膜として用いる半導体装置において、埋め込み配線形成後の配線膜厚や層間絶縁膜の膜厚のばらつきを抑え、低誘電率膜の剥離や亀裂の発生を抑制した、優れた半導体装置を得ることができる。
また、前記複数の孤立領域のうち、埋め込み配線パターンに対向する位置の孤立領域を相対的に小さく形成したので、埋め込み配線パターンとダミーパターンとの間隔を小さくすることができる。

実施の形態１．
図１〜４は、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により、順を追って説明する工程説明図である。

まず、図１に示すように、半導体基板１の主面に、ＳＴＩ法（Shallow Trench Isolation）により、３００ｎｍ〜４００ｎｍの深さの素子分離２を形成する。
次に、半導体基板１の主面上に、窒化酸化シリコン膜などからなるゲート絶縁膜３を２〜３ｎｍ程度の膜厚で形成する。次に、ゲート絶縁膜３の上に、多結晶シリコンなどからなるゲート電極４を１００ｎｍ程度の膜厚で形成する。さらに、ゲート電極４およびゲート絶縁膜３をマスクとして、拡散層５を形成する。
さらに、素子分離２、拡散層５、およびゲート電極４の上に、即ち全面に下層絶縁膜６を形成する。

次に、図２に示すように、下層絶縁膜６の上にＳｉＣからなる第一ストッパー膜７をプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により５０ｎｍ程度の膜厚で形成する。さらに、第一ストッパー膜７の上に、有機シロキサン膜など、低誘電率膜からなる第一中間膜８をＳＯＤ（Spin On Dielectrics）法により２００ｎｍ程度の膜厚で形成する。さらに、第一中間膜８の上に、シリコン酸化膜からなる第一キャップ膜９をプラズマＣＶＤにより、５０ｎｍ程度の膜厚で形成する。

このとき、第一ストッパー膜７は、後に形成する溝形状形成時のドライエッチングのストッパー膜として用いる。

また、第一中間膜８は、配線間寄生容量低減のため、層間絶縁膜として広く用いられているシリコン酸化膜より比誘電率が低い、いわゆる多孔質の低誘電率膜を用いる。ここで用いた膜の比誘電率は約２．２であり、シリコン酸化膜の３．９と比較して十分に低い値である。
ここで一般に、配線間寄生容量を低減するためには、比誘電率は低いほど良いが、低くしすぎると絶縁膜としての機械的強度が弱くなる。このため、低誘電率であることと、絶縁膜としての機械的強度のバランスに留意して、比誘電率が３．０以下の低誘電率膜を用いることが好ましい。

さらに、第一キャップ膜９は、後に形成する上層の埋め込み配線の形成において、ＣＭＰを行うときに第一中間膜８が剥離したり、亀裂が入ったりするのを防止するための膜である。

なお、本実施の形態においては、第一ストッパー膜７、第一中間膜８、および第一キャップ膜９の三つの膜を積層した膜を、全体として層間絶縁膜１０と称することとする。

次に、図示しないが、第一キャップ膜９の上にレジストパターンを形成し、これをマスクとして第一キャップ膜９、第一中間膜８、および第一ストッパー膜７、すなわち層間絶縁膜１０をドライエッチングして、配線溝を形成する。

次に、図３に示すように、前述の配線溝１０ａの内面にＴａＮまたはＴｉＮからなるバリアメタル膜１１をＰＶＤ法または原子化学気相成長法（Atomic Layer Deposition；以下、ＡＬＤ法と称する）により２０〜３０ｎｍの膜厚で形成する。このとき、バリアメタル膜１１は配線溝１０ａの内面に溝を残している。
さらに、バリアメタル膜１１で形成した溝の内面に、３００〜５００ｎｍ程度の膜厚で銅膜１２を埋め込む。

次に、配線溝１０ａの外部に形成したバリアメタル膜１１、銅膜１２（図３参照）をＣＭＰにより除去し、図４に示すように、高密度配線パターン１３ａ、ダミーパターン１３ｂ、孤立配線パターン１３ｃ、およびダミーパターン１３ｄを形成する。
このとき、高密度配線パターン１３ａは層間絶縁膜１０の部分Ａに形成され、孤立配線パターン１３ｃは層間絶縁膜１０の部分Ｃに形成されている。また、ダミーパターン１３ｂは、層間絶縁膜１０の部分Ａと部分Ｃの間にある部分Ｂに形成され、ダミーパターン１３ｄは、層間絶縁膜１０の部分Ｃの右側にある部分Ｄに形成されている。
すなわち、層間絶縁膜１０の部分Ａと部分Ｃには、それぞれ高密度配線パターン１３ａ、孤立配線パターン１３ｃの配線パターンが形成されており、配線パターンを含む部分である。これに対し、層間絶縁膜１０の部分Ｂと部分Ｄには、それぞれダミーパターン１３ｂ、ダミーパターン１３ｄのみが形成され、配線パターンを含まない部分である。

ここで、図４の層間絶縁膜１０の部分Ａに形成した高密度配線パターン１３ａは、例えば集積回路（Integrated Circuit；以下、ＩＣと称する）の内部回路信号伝達などに用いられ、ここでは線幅０．１μｍ程度、隣接する配線間の間隔が０．１μｍ程度で配置されている。
また、層間絶縁膜１０の部分Ｃに形成した孤立配線パターン１３ｃは、例えばＩＣの特定箇所のウェル電圧印加などに用いられ、線幅が０．１μｍ程度である。

ここで、図４において、層間絶縁膜１０の配線パターンを含まない部分Ｂ、部分Ｄにそれぞれダミーパターン１３ｂ、ダミーパターン１３ｄが配置されている。この結果、層間絶縁膜１０の配線パターンを含む部分Ａ、部分Ｃの配線パターンと、層間絶縁膜１０の配線パターンを含まない部分Ｂ、部分Ｄのダミーパターンの密度の偏りが、層間絶縁膜１０の部分Ａ〜Ｄの全体で小さくなっている。
従って、埋め込み配線形成におけるＣＭＰのエロージョンやディッシングを抑えることができる。

以下、本実施形態のダミーパターンの配置方法について説明する。
図４における層間絶縁膜１０の配線パターンを含む部分Ａおよび部分Ｃと、層間絶縁膜１０の配線パターンを含まない部分Ｂおよび部分Ｄを含む平面構造を図５に示す。なお、この図において各配線パターンやダミーパターンの線幅、配線本数、間隔等は、図４と対応していない。

図５に示すように、層間絶縁膜１０（図４参照）の部分Ａには配線幅０．１μｍの高密度配線パターン１３ａが０．１μｍの間隔で形成されている。また、層間絶縁膜１０の部分Ｂには、全体の幅が２０μｍ程度のダミーパターン１３ｂが形成されており、層間絶縁膜１０の部分Ａの最も右側の高密度配線パターン１３ａの右端から約４μｍの間隔をおいて配置されている。
さらに、層間絶縁膜１０の部分Ｃには配線幅０．１μｍの孤立配線パターン１３ｃが形成されており、層間絶縁膜１０の部分Ｂのダミーパターン１３ｂの右端から約２μｍの間隔をおいて配置されている。
さらに、層間絶縁膜１０の部分Ｄには全体の幅が１０μm程度のダミーパターン１３ｄが形成されており、層間絶縁膜１０の部分Ｃの孤立配線パターン１３ｃの右端から約２μｍの間隔をおいて配置されている。
すなわち、本実施の形態においては、高密度配線パターン１３ａや孤立配線パターン１３ｃなどの層間絶縁膜１０の配線パターンを含む部分Ａおよび部分Ｃと、層間絶縁膜１０の配線パターンを含まない部分Ｂおよび部分Ｄとを有する層間絶縁膜１０を備えた半導体装置において、層間絶縁膜１０の部分Ｂおよび部分Ｄの層間絶縁膜１０を複数の孤立領域Ｅに仕切るダミーパターン１３ｂおよび１３ｄを形成している。

ここで、図５に示した層間絶縁膜１０（図４参照）の配線パターンを含まない部分Ｂにおいて、ダミーパターン１３ｂは、複数の孤立領域Ｅを網目状に仕切るように形成されている（層間絶縁膜１０の部分Ｄにおけるダミーパターン１３ｄについても同様である）。この場合は、複数の孤立領域Ｅが、図５における高密度配線パターン１３ａおよび孤立配線パターン１３ｃの配線方向と平行な方向および垂直な方向に一定間隔で、すなわち、複数の孤立領域Ｅが一定の間隔をおいて、マトリックス状に配置されている。
また、孤立領域Ｅの表面には、第一キャップ膜９、すなわち層間絶縁膜１０の表面が露出している（図４参照）ので、ダミーパターン１５は層間絶縁膜１０を複数の孤立領域Ｅに仕切るダミーパターンである。

このように、ダミーパターン１３ｂ、および１３ｄが層間絶縁膜１０を複数の孤立領域Ｅに仕切る構造とすることにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、層間絶縁膜１０に対するせん断応力を緩和することができる。また、層間絶縁膜１０の配線パターンを含まない部分Ｂおよび部分Ｄにおいて、孤立領域Ｅに仕切られた部分の層間絶縁膜１０に亀裂や剥離が発生した場合でも、層間絶縁膜１０の配線パターンを含む部分Ａや部分Ｃへ亀裂や剥離が波及するのを防止することができる。

また、図５の層間絶縁膜１０（図４参照）の部分Ｂの孤立領域Ｅを含むダミーパターン１３ｂの拡大図を図６に示す。孤立領域Ｅは、各辺（Ｗ）が３μｍの正方形であり、形状および大きさが全て同一に形成されている。また、孤立領域Ｅを仕切ったダミーパターン１３ｂの線幅（Ｌ）は、全て１μｍで形成されている。
なお、層間絶縁膜１０の部分Ｄの拡大図は図示しないが、層間絶縁膜１０の部分Ｂと同様に形成されている。

このように、層間絶縁膜１０の配線パターンを含まない部分Ｂおよび部分Ｄにおいて、孤立領域Ｅの形状および大きさを全て同一に形成したことにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、孤立領域Ｅの層間絶縁膜に加わる研磨圧力が均一化されるので、局所的な研磨圧力の増大による層間絶縁膜の剥離や亀裂を抑制することができる。

また、図５に示すように、層間絶縁膜１０（図４参照）の部分Ｂおよび部分Ｄにおいて、各孤立領域Ｅを一列ごとに半ブロック分シフトさせて配置するようにした。このような配置にすることにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、孤立領域Ｅの層間絶縁膜１０に加わるせん断応力に対し、シフトさせない場合と比較して、層間絶縁膜１０が構造的に強くなる。従って、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、層間絶縁膜１０の剥離や亀裂を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、孤立領域Ｅが、図５における高密度配線パターン１３ａおよび孤立配線パターン１３ｃの配線方向と平行な方向および垂直な方向に一定間隔で、すなわち、複数の孤立領域Ｅが一定の間隔をおいてマトリックス状に配置されるようにした。
この配置方法の変形例として、例えば図７に示すように、正六角形の孤立領域Ｆを形成するか、または、図８に示すように、円形の孤立領域Ｇを形成するようにしても同様の効果を得ることができる。
すなわち、図７、８に示したような形状の孤立領域であっても、埋め込み配線形成において、ＣＭＰが層間絶縁膜１０（図４参照）に及ぼすせん断応力を緩和することができるので、層間絶縁膜の剥離や亀裂を抑制することができる。このように、孤立領域の形状は、種々の変形が可能である。

なお、図７に示したように、孤立領域が正六角形であるとき、仕切られた孤立領域の密度を最密にすることができる。従って、配線容量を低減させる目的から、同一領域内に同一面積の低誘電率膜を確保する場合、他の形状の孤立領域を形成する場合よりも、ダミーパターンの線幅Ｌを相対的に大きくすることが可能である。これにより、ダミーパターンの機械的強度を向上させることができるので、層間絶縁膜の剥離や亀裂の発生を、より効果的に抑えることができる。

次に、ダミーパターンの配置方法として、別の変形例を示す。
前述のように、図５において、層間絶縁膜１０の部分Ａの最も右端の高密度配線パターン１３ａと、層間絶縁膜１０の部分Ｂのダミーパターン１３ｂの間隔は約４μｍである。すなわち、層間絶縁膜１０の部分Ａと部分Ｂには約４μｍの幅の層間絶縁膜１０の領域が存在する。
このとき、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、ディッシングやエロージョンの影響を小さくするためには、層間絶縁膜１０の部分Ａの高密度配線パターン１３ａと層間絶縁膜１０の部分Ｂのダミーパターン１３ｂとの間隔を、パターンを加工できる範囲内で、できるだけ狭くしておくのが良い。しかし、各辺が３μｍの正方形の孤立領域Ｅをダミーパターン１３ｂの左側に一列挿入するようにして間隔を狭くすると、層間絶縁膜１０の部分Ａの最も右側の高密度配線パターン１３ａとダミーパターン１３ｂの左側の部分が重なってしまうため、所望の配線パターンおよびダミーパターンが得られなくなる。
そこで、ダミーパターン１３ｂの左側に、孤立領域Ｅよりも相対的に小さい孤立領域を挿入することで、高密度配線パターン１３ａとダミーパターン１３ｂの間隔を小さくすることが可能である。

図９は、図５に示した層間絶縁膜１０（図４参照）の部分Ｂのダミーパターン１３ｂにおいて、孤立領域Ｅよりも相対的に小さい孤立領域Ｈを左側に等間隔に一列追加して、層間絶縁膜１０の部分Ａと部分Ｂの間隔が小さくなるようにしたダミーパターンの配置例を示す図である。
図１０は、図９の層間絶縁膜１０の部分Ｂのダミーパターン１３ｂの左端の部分の拡大図である。例えば、ダミーパターンの配線幅（Ｌ）が１μｍ、新たに追加した孤立領域Ｈは各辺（Ｗ２）が１μｍの正方形、その他の列の孤立領域Ｅは各辺（Ｗ１）が３μｍの正方形であるとき、層間絶縁膜１０の部分Ａの最も右端の高密度配線パターン１３ａとダミーパターン１３ｂとの間隔が図５の場合と比較して２μｍ小さくなり、図９において、その間隔は２μｍとなっている。

すなわち、本実施の形態においては、図９において、層間絶縁膜１０（図４参照）の部分Ａの最も右端の高密度配線パターン１３ａに対向して、層間絶縁膜１０の部分Ｂに形成される孤立領域Ｈを、孤立領域Ｅよりも相対的に小さく形成するようにした。このようにすることにより、層間絶縁膜１０の部分Ａの最も右端の高密度配線パターン１３ａとダミーパターン１３ｂとの間隔を小さくすることができる。
このようにして、この箇所におけるディッシングや、層間絶縁膜１０の部分Ａの高密度配線パターンに発生するエロージョンを効果的に抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、孤立領域Ｈを各辺が１μｍの正方形となるように形成したが、前述のように、埋め込み配線のＣＭＰにおいてディッシングやエロージョンの影響を抑えるため、パターン加工できる範囲において、適宜調節するようにしても良い。また、孤立領域が相対的に小さい列を右端の列にするなど、他の列に形成するようにしても良い。

この後、図示しないが、高密度配線パターン１３ａ、ダミーパターン１３ｂ、孤立配線パターン１３ｃ、およびダミーパターン１３ｄの上に、必要に応じてビア、配線層などを形成する。これらの工程は、この分野で既知であるので、詳細な説明は省略する。

なお、本実施の形態では、層間絶縁膜１０は、比誘電率が３以下の低誘電率膜である第一中間膜８を含む３層の膜である例を示したが、層間絶縁膜１０は、比誘電率が３以下の低誘電率膜の単層膜であっても良い。また、第一ストッパー膜７または第一キャップ膜９が比誘電率３以下の低誘電率膜であっても良い。

以上説明したように、本実施の形態においては、配線パターンを含む部分と配線パターンを含まない部分とを有する層間絶縁膜を備えた半導体装置において、前記配線パターンを含まない部分の層間絶縁膜を網目状の複数の孤立領域に仕切るダミーパターンを形成するようにした。
また、孤立領域の形状および大きさが全て同一でマトリックス状に形成されるようにした。
さらに、配線パターンに対向する位置の孤立領域を、他の孤立領域よりも相対的に小さく形成するようにした。

このように、配線パターンを含まない部分の層間絶縁膜を網目状の複数の孤立領域に仕切るダミーパターンを形成することにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、層間絶縁膜に対するせん断応力を緩和することができ、層間絶縁膜の剥離や亀裂の発生を抑制することができる。また、配線パターンを含まない部分において層間絶縁膜に亀裂や剥離が発生した場合でも、配線パターンを含む部分に亀裂や剥離が波及するのを防止することができる。
また、孤立領域の形状および大きさを全て同一でマトリックス状に形成することにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、絶縁膜に加わる研磨圧力が均一化されるので、局所的研磨圧力の増大による層間絶縁膜の剥離や亀裂を抑制することができる。
さらに、配線パターンに対向する位置の孤立領域を、他の孤立領域よりも相対的に小さく形成することにより、局所的なディッシングやエロージョンをより効果的に抑えることができる。
また、層間絶縁膜の配線パターンを含まない部分にダミーパターンを配置して、配線パターンとダミーパターンを合わせた全体の密度が、基板上で均一化されるようにしたので、埋め込み配線形成において、配線幅やパターンの疎密差に起因するＣＭＰのエロージョンやディッシングを抑制することができる。

このように形成することにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、層間絶縁膜の剥離や亀裂の発生を抑制することができ、亀裂や剥離が発生した場合でも、層間絶縁膜の配線パターンを含む部分に亀裂や剥離が波及するのを防止することができる。
また、配線幅やパターンの疎密差に起因するＣＭＰのエロージョンやディッシングによる配線や層間絶縁膜の膜厚のばらつきを抑えることができる。従って、配線密度や配線幅に依存して配線や層間絶縁膜の膜厚が不均一となることにより配線抵抗を増加させたり、配線間寄生容量を増加させてしまうという問題が解消される。従って、信頼性の優れた半導体装置を得ることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法について、実施の形態１における図１〜４を援用して説明する。
実施の形態２においては、半導体基板１の主面に素子分離２を形成する工程から、高密度配線パターン１３ａ、ダミーパターン１３ｂ、孤立配線パターン１３ｃ、およびダミーパターン１３ｄを形成するまでの工程（図１〜図４に相当する工程）を、実施の形態１で示した工程と同一の方法により形成する。

次に、図１１に示すように、第一キャップ膜９の上に、後に形成するダミービアのエッチングストッパー膜および銅の拡散防止膜として、ＳｉＣからなる拡散防止膜１４をプラズマＣＶＤ法により５０ｎｍ程度の膜厚で形成する。さらに、拡散防止膜１４の上に、シリコン酸化膜からなるビア絶縁膜１４ａをプラズマＣＶＤ法により２００ｎｍ程度の膜厚で形成する。
次に、層間絶縁膜１０の部分Ａ、部分Ｂ、部分Ｃ、および部分Ｄの各部分において、高密度配線パターン１３ａ、ダミーパターン１３ｂ、孤立配線パターン１３ｃ、およびダミーパターン１３ｄ（図４参照）の上に、それぞれビア１５ａ、ダミービア１５ｂ、ビア１５ｃ、およびダミービア１５ｄを形成する。

次に、図１２に示すように、ビア絶縁膜１４ａ、ビア１５ａ、ダミービア１５ｂ、ビア１５ｃ、およびダミービア１５ｄの上に、ＳｉＣからなる第二ストッパー膜１６をプラズマＣＶＤ法により５０ｎｍ程度の膜厚で形成する。さらに、第二ストッパー膜１６の上に、有機シロキサン膜など、低誘電率膜からなる第二中間膜１７をＳＯＤ法により２００ｎｍ程度の膜厚で形成する。さらに、第二中間膜１７の上に、シリコン酸化膜からなる第二キャップ膜１８をプラズマＣＶＤにより、５０ｎｍ程度の膜厚で形成する。

このとき、第二ストッパー膜１６は、後に形成する金属配線に含まれる金属の拡散防止のための膜として用いる。

また、第二中間膜１７は、配線間寄生容量低減のため、層間絶縁膜として広く用いられているシリコン酸化膜より比誘電率が低い、いわゆる多孔質の低誘電率膜を用いる。ここで用いた膜の比誘電率は約２．２であり、シリコン酸化膜の３．９と比較して十分に低い値である。
ここで一般に、配線間寄生容量を低減するためには、比誘電率は低いほど良いが、低くしすぎると絶縁膜としての機械的強度が弱くなる。このため、低誘電率であることと、絶縁膜としての機械的強度のバランスに留意して、比誘電率が３．０以下の低誘電率膜を用いることが好ましい。

さらに、第二キャップ膜１８は、後に形成する上層の埋め込み配線の形成において、ＣＭＰを行うときに第二中間膜１７が剥離したり、亀裂が入ったりするのを防止するための膜である。

なお、本実施の形態においては、第二ストッパー膜１６、第二中間膜１７、および第二キャップ膜１８の三つの膜の積層膜（複数層の膜）を、全体として上層絶縁膜１９と称することとする。

さらに、図示しないが、第二キャップ膜１８の上にレジストパターンを形成し、これをマスクとして第二キャップ膜１８、第二中間膜１７、および第二ストッパー膜１６、すなわち上層絶縁膜１９をドライエッチングして、配線溝を形成する。

次に、図１３に示すように、前述の配線溝１９ａの内面にＴａＮまたはＴｉＮからなる上層バリアメタル膜２０をＰＶＤ法またはＡＬＤ法により２０〜３０ｎｍの膜厚で形成する。このとき、上層バリアメタル膜２０は配線溝１９ａの内面に溝を残している。
さらに、上層バリアメタル膜２０で形成した溝の内面に、３００〜５００ｎｍ程度の膜厚で上層銅膜２１を埋め込む。

次に、図１４に示すように、前述の配線溝１９ａの外部に形成した上層バリアメタル膜２０、上層銅膜２１（図１３参照）をＣＭＰにより除去し、上層高密度配線パターン２２ａ、上層ダミーパターン２２ｂ、上層孤立配線パターン２２ｃ、および上層ダミーパターン２２ｄを形成する。

このとき、上層絶縁膜１９の部分Ａにおいて、上層絶縁膜１９に形成した上層高密度配線パターン２２ａは、層間絶縁膜１０に形成した高密度配線パターン１３ａ（図４参照）とビア１５ａを介して接続されている。同様に、上層絶縁膜１９の部分Ｃにおいて、上層絶縁膜１９に形成した上層孤立配線パターン２２ｃは、層間絶縁膜１０に形成した孤立配線パターン１３ｃ（図４参照）とビア１５ｃを介して接続されている。

また、上層絶縁膜１９の部分Ｂにおいて、上層絶縁膜１９に形成した上層ダミーパターン２２ｂは、層間絶縁膜１０に形成したダミーパターン１３ｂ（図４参照）とダミービア１５ｂを介して接続されている。同様に、上層絶縁膜１９の部分Ｄにおいて、上層絶縁膜１９に形成した上層ダミーパターン２２ｄは、層間絶縁膜１０に形成したダミーパターン１３ｄ（図４参照）とダミービア１５ｄを介して接続されている。

次に、本実施の形態におけるダミーパターンの配置方法について説明する。
図１４における上層絶縁膜１９の配線パターンを含む部分である部分Ａおよび部分Ｃと、上層絶縁膜１９の配線パターンを含まない部分である部分Ｂおよび部分Ｄの平面構造を図１５に示す。なお、この図において各配線パターンやダミーパターンの線幅、配線本数、間隔等は、図１４と対応していない。

図１５に示すように、上層絶縁膜１９（図１４参照）の部分Ａにおいて、配線幅０．１μｍの上層高密度配線パターン２２ａが０．１μｍの間隔で、図５に示した高密度配線パターン１３ａの上から重ね合わせるように形成されている。また、上層高密度配線パターン２２ａは、ビア１５ａを介して高密度配線パターン１３ａ（図５参照）と接続されている。
また、上層絶縁膜１９の部分Ｂには、全体の幅が２０μｍ程度の上層ダミーパターン２２ｂが形成されており、上層絶縁膜１９の部分Ａの最も右側の上層高密度配線パターン２２ａの右端から約４μｍの間隔をおいて配置されている。また、上層ダミーパターン２２ｂは、ダミービア１５ｂを介してダミーパターン１３ｂ（図５参照）と接続されている。
さらに、上層絶縁膜１９の部分Ｃには配線幅０．１μｍの上層孤立配線パターン２２ｃが形成されており、上層絶縁膜１９の部分Ｂの上層ダミーパターン２２ｂの右端から約２μｍの間隔をおいて配置されている。また、上層孤立配線パターン２２ｃは、ビア１５ｃを介して孤立配線パターン１３ｃ（図５参照）と接続されている。
さらに、上層絶縁膜１９の部分Ｄには全体の幅が１０μｍ程度の上層ダミーパターン２２ｄが形成されており、上層絶縁膜１９の部分Ｃの上層孤立配線パターン２２ｃの右端から約２μｍの間隔をおいて配置されている。また、上層ダミーパターン２２ｄは、ダミービア１５ｄを介してダミーパターン１３ｄ（図５参照）と接続されている。

このとき図１４、１５より、上層絶縁膜１９の部分Ｂにおいて、上層絶縁膜１９に形成した上層ダミーパターン２２ｂがダミービア１５ｂと接続され、さらにダミービア１５ｂは層間絶縁膜１０に形成したダミーパターン１３ｂ（図４参照）と接続されている。このように、上層絶縁膜１９の部分Ｂの上層ダミーパターン２２ｂが、ダミービア１５ｂおよびダミーパターン１３ｂと接続されていることにより、上層ダミーパターン２２ｂと、このダミーパターンに仕切られた孤立領域Ｅが補強されている。
上層絶縁膜１９の部分Ｄについても同様であり、上層ダミーパターン２２ｄが、ダミービア１５ｄおよびダミーパターン１３ｄと接続されていることにより、上層ダミーパターン２２ｄと、このダミーパターンに仕切られた孤立領域Ｅが補強されている。
このようにして補強されることにより、図１４に示した上層高密度配線パターン２２ａ、上層ダミーパターン２２ｂ、上層孤立配線パターン２２ｃ、および上層ダミーパターン２２ｄを形成するＣＭＰにおいて、上層絶縁膜１９の剥離や亀裂の発生を、より効果的に抑制することができる。

なお、本実施の形態では、下層である層間絶縁膜１０に形成したダミーパターンと、上層である上層絶縁膜１９に形成したダミーパターンとが、投影した如くに同じ大きさ、形状である場合を説明したが、上下重なるような同一の形状、大きさである必要はない。

本実施の形態の変形例として、上層ダミーパターン２２ｂをダミービア１５ｂを介してダミーパターン１３ｂ以外の他の配線パターンと接続したり、あるいは、いずれのパターンと接続しないようにしても、ダミービア１５ｂと接続していることで補強されるので、同様の効果を有する。

また、本実施の形態では、層間絶縁膜１０の上層において、他のパターンが形成された上層絶縁膜１９（図１４参照）を形成し、層間絶縁膜１０に形成したダミーパターン１３ｂと上層絶縁膜１９に形成した上層ダミーパターン２２ｂを接続するダミービア１５ｂを形成するようにした。
この変形例として、ダミーパターン１３ｂを形成した層間絶縁膜１０の下層に他のパターンを形成した他の絶縁膜を形成し、ダミーパターン１３ｂと前記他の絶縁膜に形成した他のパターンを接続するビアを形成するようにしてもよい。
この場合、層間絶縁膜１０に形成したダミーパターンとこのダミーパターンに仕切られた層間絶縁膜１０が補強される。

ここで、図１５に示した上層絶縁膜１９の配線パターンを含まない部分Ｂにおいて、上層ダミーパターン２２ｂは、複数の孤立領域Ｅを網目状に仕切るように形成されている（上層絶縁膜１９の部分Ｄにおける上層ダミーパターン２２ｄについても同様である）。この場合は、複数の孤立領域Ｅが、図１５における上層高密度配線パターン２２ａおよび上層孤立配線パターン２２ｃの配線方向と平行な方向および垂直な方向に一定間隔で、すなわち、複数の孤立領域Ｅが一定の間隔をおいて、マトリックス状に配置されている。
また、孤立領域Ｅの表面には、第二キャップ膜１８、すなわち上層絶縁膜１９の表面が露出している（図１４参照）ので、上層ダミーパターン２２ｂ、２２ｄは上層絶縁膜１９を複数の孤立領域Ｅに仕切るダミーパターンである。

このように、上層ダミーパターン２２ｂ、および２２ｄが上層絶縁膜１９を複数の孤立領域Ｅに仕切る構造とすることにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、上層絶縁膜１９に対するせん断応力を緩和することができる。また、上層絶縁膜１９の配線パターンを含まない部分Ｂおよび部分Ｄにおいて、孤立領域Ｅに仕切られた部分の上層絶縁膜１９に亀裂や剥離が発生した場合でも、上層絶縁膜１９の配線パターンを含む部分Ａや部分Ｃへ亀裂や剥離が波及するのを防止することができる。

また、図１５の上層絶縁膜１９（図１４参照）の部分Ｂの孤立領域Ｅを含む上層ダミーパターン２２ｂの拡大図を図１６に示す。孤立領域Ｅは、各辺（Ｗ）が３μｍの正方形であり、形状および大きさが全て同一に形成されている。また、孤立領域Ｅを仕切った上層ダミーパターン２２ｂの線幅（Ｌ）は、全て１μｍで形成されている。

さらに、上層絶縁膜１９の部分Ｂにおいて層間絶縁膜１０に形成したダミーパターン１３ｂ（図４参照）と、上層絶縁膜１９に形成した上層ダミーパターン２２ｂ（図１４参照）が、ダミービア１５ｂにより接続されている。また、ダミービア１５ｂは、ビア径０．７５μｍ程度の大きさで形成されている。
なお、図示しないが、上層絶縁膜１９の部分Ｄについての拡大図および寸法は上層絶縁膜１９の部分Ｂと同様であるので詳細な説明は省略する。

このように、上層絶縁膜１９の配線パターンを含まない部分Ｂおよび部分Ｄにおいて、孤立領域Ｅの形状および大きさを全て同一に形成したことにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、孤立領域Ｅの層間絶縁膜に加わる研磨圧力が均一化されるので、局所的な研磨圧力の増大による層間絶縁膜の剥離や亀裂を抑制することができる。

また、図１５に示すように、上層絶縁膜１９（図１４参照）の部分Ｂおよび部分Ｄにおいて、各孤立領域Ｅを一列ごとに半ブロック分シフトさせて配置するようにした。このような配置にすることにより、実施の形態１と同様、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、孤立領域Ｅの上層絶縁膜１９に加わるせん断応力に対し、シフトさせない場合と比較して、上層絶縁膜１９が構造的に強くなる。従って、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、上層絶縁膜１９の剥離や亀裂を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、孤立領域Ｅが、図１５における上層高密度配線パターン２２ａおよび上層孤立配線パターン２２ｃの配線方向と平行な方向および垂直な方向に一定間隔で、すわなち、複数の孤立領域Ｅが一定の間隔をおいてマトリックス状に配置されるようにした。
これに置き換えて、図１７に示すように、上層絶縁膜１９の部分Ｂ（図１４参照）において、層間絶縁膜１０（図４参照）に六角形の孤立領域Ｆを有するダミーパターン１３ｂを形成し、上層絶縁膜１９（図１４参照）に、ダミーパターン１３ｂと重ねあわせるように、六角形の孤立領域Ｆを有する上層ダミーパターン２２ｂを形成し、下層にあるダミーパターン１３ｂと上層にある上層ダミーパターン２２ｂをダミービア１５ｂで接続するようにしても良い。上層絶縁膜１９の部分Ｄについても同様である。
すなわち、図１７、１８に示したような形状の孤立領域であっても、埋め込み配線形成において、上層絶縁膜１９に及ぼすＣＭＰのせん断応力を緩和することができるので、上層絶縁膜の剥離や亀裂を抑制することができる。このように、孤立領域の形状は、種々の変形が可能である。

なお、図１７に示したように、孤立領域が正六角形であるとき、仕切られた孤立領域の密度を最密にすることができる。従って、配線容量を低減させる目的から、同一領域内に同一面積の低誘電率膜を確保する場合、他の形状の孤立領域を形成する場合よりも、ダミーパターンの線幅Ｌを相対的に大きくすることが可能である。これにより、ダミーパターンの機械的強度を向上させることができるので、上層絶縁膜の剥離や亀裂の発生を、より効果的に抑えることができる。

次に、ダミーパターンの配置方法として、別の変形例を示す。
前述のように、図１５において、上層絶縁膜１９（図１４参照）の部分Ａの最も右端の上層高密度配線パターン２２ａと、上層絶縁膜１９の部分Ｂの上層ダミーパターン２２ｂの間隔は約４μｍである。すなわち、上層絶縁膜１９の部分Ａと部分Ｂには約４μｍの幅の上層絶縁膜１９の領域が存在する。
このとき、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、ディッシングやエロージョンの影響を小さくするためには、上層絶縁膜１９の部分Ａの上層高密度配線パターン２２ａと上層絶縁膜１９の部分Ｂの上層ダミーパターン２２ｂとの間隔を、パターンを加工できる範囲内で、できるだけ狭くしておくのが良い。しかし、各辺が３μｍの正方形の孤立領域Ｅを上層ダミーパターン２２ｂの左側に一列挿入するようにして間隔を狭くすると、上層絶縁膜１９の部分Ａの最も右側の上層高密度配線パターン２２ａと上層ダミーパターン２２ｂの左側の部分が重なってしまうため、所望の配線パターンおよびダミーパターンが得られなくなる。
そこで、上層ダミーパターン２２ｂの左側に、孤立領域Ｅよりも相対的に小さい孤立領域を挿入することで、上層高密度配線パターン２２ａと上層ダミーパターン２２ｂの間隔を小さくすることが可能である。

図１９は、図１５に示した上層絶縁膜１９（図１４参照）の部分Ｂの上層ダミーパターン２２ｂにおいて、孤立領域Ｅよりも相対的に小さい孤立領域Ｈを左側に等間隔に一列追加して、上層絶縁膜１９の部分Ａと部分Ｂの間隔が小さくなるようにしたダミーパターンの配置例を示す図である。
図２０は、図１９の上層絶縁膜１９（図１４参照）の部分Ｂの上層ダミーパターン２２ｂの左端の部分の拡大図である。例えば、ダミーパターンの配線幅（Ｌ）が１μｍ、新たに追加した孤立領域Ｈは各辺（Ｗ２）が１μｍの正方形、その他の列の孤立領域Ｅは各辺（Ｗ１）が３μｍの正方形であるとき、上層絶縁膜１９の部分Ａの最も右端の上層高密度配線パターン２２ａと上層ダミーパターン２２ｂとの間隔が、図１５と比較して２μｍ小さくなり、図１９において、その間隔は２μｍとなっている。

すなわち、本実施の形態においても、図１９において、上層絶縁膜１９（図１４参照）の部分Ａの最も右端の上層高密度配線パターン２２ａに対向する孤立領域Ｈを、孤立領域Ｅよりも相対的に小さく形成するようにした。このようにすることにより、上層絶縁膜１９の部分Ａの最も右端の上層高密度配線パターン２２ａと上層ダミーパターン２２ｂとの間隔を小さくすることができる。
このようにして、この箇所におけるディッシングや、上層絶縁膜１９の部分Ａの高密度配線パターンに発生するエロージョンを効果的に抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、孤立領域Ｈが各辺１μｍの正方形となるようにしたが、前述のように、埋め込み配線のＣＭＰにおいてディッシングやエロージョンの影響を抑えるため、パターン加工できる範囲において、適宜調節するようにしても良い。また、孤立領域が相対的に小さい列を右端の列にするなど、他の列に形成するようにしても良い。

この後、図示しないが、上層高密度配線パターン２２ａ、上層孤立配線パターン２２ｃ、上層ダミーパターン２２ｂ、および上層ダミーパターン２２ｄの上に、必要に応じてビア、配線層などを形成する。これらの工程は、この分野で既知であるので、詳細な説明は省略する。

なお、本実施の形態では、上層絶縁膜１９は、比誘電率が３以下の低誘電率膜である第二中間膜１７を含む３層の膜である例を示したが、上層絶縁膜１９は、比誘電率が３以下の低誘電率膜の単層膜であっても良い。また、第二ストッパー膜１６または第二キャップ膜１８が比誘電率３以下の低誘電率膜であっても良い。

以上説明したように、本実施の形態においては、配線パターンを含む部分と配線パターンを含まない部分とを有する層間絶縁膜を備えた半導体装置において、前記配線パターンを含まない部分の層間絶縁膜を網目状の複数の孤立領域に仕切るダミーパターンを形成するようにした。
また、孤立領域の形状および大きさが全て同一でマトリックス状に形成されるようにした。
さらに、配線パターンに対向する位置の孤立領域を、他の孤立領域よりも相対的に小さく形成するようにした。

また、配線パターンを含む部分と配線パターンを含まない部分とを有する層間絶縁膜を備えた半導体装置において、前記配線パターンを含まない部分の層間絶縁膜を複数の孤立領域に仕切るダミーパターンを形成し、さらに、層間絶縁膜の上層に形成した上層絶縁膜を複数の孤立領域に仕切るダミーパターンを形成し、これらのダミーパターンをダミービアを介して接続するようにした。

このように、配線パターンを含まない部分の層間絶縁膜を複数の孤立領域に仕切るダミーパターンを形成することにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、層間絶縁膜に対するせん断応力を緩和することができ、層間絶縁膜の剥離や亀裂の発生を抑制することができる。また、配線パターンを含まない部分において層間絶縁膜に亀裂や剥離が発生した場合でも、配線パターンを含む部分に亀裂や剥離が波及するのを防止することができる。
また、孤立領域の形状および大きさを全て同一でマトリックス状に形成することにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、絶縁膜に加わる研磨圧力が均一化されるので、局所的研磨圧力の増大による層間絶縁膜の剥離や亀裂を抑制することができる。
さらに、配線パターンに対向する位置の孤立領域を、他の孤立領域よりも相対的に小さく形成することにより、局所的なディッシングやエロージョンをより効果的に抑えることができる。

また、配線パターンを含まない部分にダミーパターンを配置して、配線パターンとダミーパターンを合わせた全体の密度が、基板上で均一化されるようにしたので、埋め込み配線形成において、配線幅やパターンの疎密差に起因するＣＭＰのエロージョンやディッシングを抑制することができる。

さらに、上層絶縁膜がダミービアと接続することにより上層絶縁膜が補強されているので、上層絶縁膜に形成する埋め込み配線を形成するＣＭＰにおいて、上層絶縁膜の剥離や亀裂の発生をより効果的に抑制することができる。

このように形成することにより、埋め込み配線形成のＣＭＰにおいて、層間絶縁膜やその上層に形成した上層絶縁膜の剥離や亀裂の発生を抑制することができ、亀裂や剥離が発生した場合でも、配線パターンを含む部分に亀裂や剥離が波及するのを防止することができる。
また、配線幅やパターンの疎密差に起因するＣＭＰのエロージョンやディッシングによる配線や層間絶縁膜の膜厚のばらつきを抑えることができる。従って、配線密度や配線幅に依存して配線や層間絶縁膜の膜厚が不均一となることにより配線抵抗を増加させたり、配線間寄生容量を増加させてしまうという問題が解消される。従って、信頼性の優れた半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本発明の実施の形態１のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態１のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態１のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態１のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態１のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態１のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。 本発明の実施の形態２のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態２のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態２のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態２のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態２のダミーパターンの配置を示す平面図。 本発明の実施の形態２のダミーパターンの配置を示す平面図。

符号の説明

１ 半導体基板、７ 第一ストッパー膜、８ 第一中間膜、９ 第一キャップ膜、１０ 層間絶縁膜、１１ａ バリアメタル、１２ａ 埋め込み銅膜、１３ａ 高密度配線パターン、１３ｂ ダミーパターン、１３ｃ 孤立配線パターン、１３ｄ ダミーパターン、１４ａ ビア絶縁膜、１５ａ ビア、１５ｂ ダミービア、１５ｃ ビア、１５ｄ ダミービア、１６ 第二ストッパー膜、１７ 第二中間膜、１８ 第二キャップ膜、１９ 上層絶縁膜、２０ａ 上層バリアメタル、２１ａ 上層埋め込み銅膜、２２ａ 上層高密度配線パターン、２２ｂ 上層ダミーパターン、２２ｃ 上層孤立パターン、２２ｄ 上層ダミーパターン。

Claims (5)

1. 基板上に、配線パターンを含む配線部分と配線パターンを含まない非配線部分とを有する層間絶縁膜を備え、前記配線部分の前記配線パターンが埋め込み構造である半導体装置において、
   前記非配線部分の層間絶縁膜を複数の孤立領域に仕切る埋め込み構造のダミーパターンを形成し、かつ、前記複数の孤立領域のうち、前記配線部分の前記配線パターンに対向する位置の孤立領域を相対的に小さく形成したことを特徴とする半導体装置。
2. 前記ダミーパターンを、前記複数の孤立領域を網目に有する網状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記複数の孤立領域が一定間隔をおいてマトリックス状に配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記層間絶縁膜は、比誘電率が３以下の低誘電率膜の単層膜であるか、または、比誘電率が３以下の低誘電率膜を少なくとも一つ含む複数層の膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記低誘電率膜は、多孔質膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。

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