JP5491077B2 - 半導体装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置における微細化の進展は著しい。微細化に伴い、配線層の多層化も進展している。多層配線構造では、層間絶縁膜を介した上下のライン間に寄生する静電容量（以下、ライン間容量とよぶ）が問題となっている。また、撮像センサ、とくにＣＭＯＳ型撮像センサでは、画素ピッチが縮小された際に光学的な特性を劣化させないために、各画素における光電変換素子の受光面から光電変換素子の上方におけるマイクロレンズまでの距離を縮小する必要がある。これに伴い、光電変換素子とマイクロレンズとの間に配される層間絶縁膜も薄膜化するので、ライン間容量が増加する。
それに対して、特許文献１には、第１層配線４の周囲に空間６を形成することが記載されている（特許文献１の図１参照）。具体的には、第１層配線４を形成した後、第１層配線４を覆うようにＳｉＮ膜１を形成し、さらにＳｉＮ膜１を覆うようにＳｉＯ２膜２を形成する。そして、ＳｉＯ２膜２における第１層配線４の上方の部分に小孔７を形成した後、小孔７を通してＣＦ４／Ｏ２混合ガスを用いたドライエッチングにより第１層配線４の周囲に空間６を形成する。そして、ＳｉＯ２膜２を覆うようにスピンオングラス膜９を塗布し焼結する。このとき、スピンオングラス膜３は、表面張力が高いため、小孔７から空間６中へ浸入しない。これにより、第１層配線４の周囲に空間６を保持した状態で小孔７を塞ぐことが可能になる。特許文献１によれば、このように第１層配線４の周囲に空間６を形成することにより、配線間容量の大幅な低減化を実現できるとされている。
特開平５−３６８４１号公報
特許文献１の図１には、第１層配線３と第１層配線８とを接続する第２層配線５の周囲にも空間６を形成することが示されている。ここで、第２層配線５の長さが長くなると、空間６の長さも長くなるので、特許文献１の図１に示された配線構造の機械的強度が低下する。これにより、以降の工程でＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａ１ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨法）を施すと配線構造が変形もしくは破断する可能性がある。
本発明の目的は、半導体装置において、多層配線構造におけるライン間容量を低減しながら、多層配線構造の機械的強度の低下を抑制することにある。
本発明の１つの側面に係る半導体装置は、光電変換部を含む半導体基板と、前記半導体基板の上に配された多層配線構造とを備え、前記多層配線構造は、複数の第１の導電ラインと、前記複数の第１の導電ラインを覆う絶縁膜と、前記複数の第１の導電ラインと交差するように前記絶縁膜の上に配された第２の導電ラインと、を含み、前記絶縁膜は、前記複数の第１の導電ラインと前記第２の導電ラインとが交差する複数の領域における少なくとも一部の領域にギャップを有し、前記光電変換部の上にギャップを有さず、前記第２の導電ラインに沿った方向における前記ギャップの幅は、前記第１の導電ラインの幅以下であることを特徴とする。
本発明によれば、半導体装置において、多層配線構造におけるライン間容量を低減しながら、多層配線構造の機械的強度の低下を抑制することができる。
第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの構成を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの構成を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法を示す図。 第１実施形態における光電変換装置を適用した撮像システムの構成図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の構成を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の製造方法を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の製造方法を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の製造方法を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の製造方法を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の製造方法を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の製造方法を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の製造方法を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００の製造方法を示す図。
以下、本発明の第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの構成について、図１及び図２を用いて説明する。半導体装置ＳＤは、光電変換装置１００を含む。半導体装置ＳＤの光電変換装置１００における配線構造を上面から見た模式図を図１（Ａ）に示す。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の（Ａ−Ａ’,Ｅ−Ｅ’,Ａ’’−Ａ’’’）断面を示す図である。図１（Ｂ）では、便宜的に、Ａ−Ａ’断面とＥ−Ｅ’断面とＡ’’−Ａ’’’断面とを繋げて示している。図２（Ａ）は、図１（Ａ）の（Ｂ−Ｂ’,Ｅ−Ｅ’,Ｂ’’−Ｂ’’’）断面を示す図である。図２（Ａ）では、便宜的に、Ｂ−Ｂ’断面とＥ−Ｅ’断面とＢ’’−Ｂ’’’断面とを繋げて示している。図２（Ｃ）は、図１（Ａ）の（Ｃ−Ｃ’,Ｅ−Ｅ’,Ｃ’’−Ｃ’’’）断面を示す図である。図２（Ｃ）では、便宜的に、Ｃ−Ｃ’断面とＥ−Ｅ’断面とＣ’’−Ｃ’’’断面とを繋げて示している。
半導体装置ＳＤの光電変換装置１００は、半導体基板ＳＢ及び多層配線構造ＭＬを備える。半導体基板ＳＢのウエル領域１には、複数の光電変換部２が２次元状に配されている。各光電変換部２は、光に応じた電荷を発生させる。光電変換部２は、例えば、フォトダイオードである。半導体基板ＳＢのウエル領域１には、ＭＯＳトランジスタにおけるソース電極又はドレイン電極となる拡散層５が配されている。また、半導体基板ＳＢには、素子分離部４が配されている。素子分離部４は、半導体基板ＳＢにおけるアクティブ領域を規定するとともに、複数の光電変換部２を電気的に分離したり、複数のＭＯＳトランジスタを電気的に分離したりする。
多層配線構造ＭＬは、半導体基板ＳＢの上に配されており、次の構成要素を含む。ＭＯＳトランジスタにおけるゲート電極３は、半導体基板ＳＢの表面における２つの拡散層（ソース電極及びドレイン電極）５の上に配されている。ゲート電極３は、例えば、ポリシリコンで形成されており、ライン（ポリシリコンライン）とすることもできる。絶縁膜６は、半導体基板ＳＢ及びゲート電極３を覆っており、その上面が平坦化されている。第１の配線層７は、絶縁膜６の上に配されている。第１の配線層７は、例えば、アルミニウムを主成分とする金属又は金属間化合物で形成されている。第１の配線層７は、複数の第１の導電ライン７ａ〜７ｆを含む。複数の第１の導電ライン７ａ〜７ｆのうち第１の導電ライン７ａと第１の導電ライン７ｂとは、それぞれ、光電変換部２の上方における開口領域ＯＲを規定する。絶縁膜８は、第１の配線層７における複数の第１の導電ライン７ａ〜７ｆを覆っている。絶縁膜９は、絶縁膜８を覆っている。絶縁膜９は、絶縁膜８の研磨に対して耐性を有しており、第１の導電ライン上の層間絶縁膜を研磨・平坦化する際に研磨停止層としての役割を果たす。絶縁膜９は、複数の第１の導電ライン７ａ〜７ｆのそれぞれの上方に位置する開口と光電変換部２の上方に位置する開口とを有する。絶縁膜９は、絶縁膜８、絶縁膜１１と比較して屈折率が高く、それらとの界面における光の反射を低減する役目を果たす。絶縁膜１１は、絶縁膜９を覆っている。第２の配線層１３は、絶縁膜８、絶縁膜９、及び絶縁膜１１の上に配されている。第２の配線層１３は、例えば、アルミニウムを主成分とする金属又は金属間化合物で形成されている。第２の配線層１３は、複数の第２の導電ライン１３ａ〜１３ｆを含む。複数の第２の導電ライン１３ａ〜１３ｆのうち第２の導電ライン１３ａと第２の導電ライン１３ｂとは、それぞれ、光電変換部２の上方における開口領域ＯＲを規定する。複数の第２の導電ライン１３ａ〜１３ｆのそれぞれは、半導体基板ＳＢの表面ＳＢａに垂直な方向から透視した場合に複数の第１の導電ライン７ａ〜７ｆのそれぞれと交差するように延びている。絶縁膜１４は、絶縁膜８、絶縁膜９、絶縁膜１１、及び第２の配線層１３を覆っており、その上面が平坦化されている。第３の配線層１５は、絶縁膜１４の上に配されている。
ここで、図１（Ａ）、（Ｂ）及び図２（Ａ）に示すように、複数の交差する領域ＣＲ１〜ＣＲ１２のうち交差する領域ＣＲ１，ＣＲ２には、プラグ１２ａ及び１２ｂが配されている。プラグ１２ａは、第１の導電ライン７ｅと第２の導電ライン１３ａとを電気的に接続する役割を果たす。プラグ１２ｂは、第１の導電ライン７ｆと第２の導電ライン１３ａとを電気的に接続する役割を果たす。プラグ１２ａ、１２ｂは、例えば、タングステンを主成分とする金属又は金属間化合物で形成されている。複数の交差する領域ＣＲ１〜ＣＲ１２のうち残りの交差する領域ＣＲ３〜ＣＲ１２には、エアギャップ１０が設けられている。すなわち、絶縁膜８及び絶縁膜９は、複数の交差する領域ＣＲ３〜ＣＲ１２のそれぞれにエアギャップ１０を有する。エアギャップ１０は、第１の導電ラインと第２の導電ラインとが交差していない領域に設けられていない。エアギャップ１０は、真空空間をなしている、あるいは、空気が満たされている。これにより、エアギャップ１０の誘電率は、約１であり、絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２）又はＳｉＮ）の誘電率より大幅に低減されている。すなわち、第１の導電ラインと第２の導電ラインとの間における寄生容量であるライン間容量が大きな箇所にエアギャップ１０を設け、ライン間容量が小さな箇所にエアギャップ１０を設けないようにするので、ライン間容量を効果的にかつ効率的に低減することができる。ここで、エアギャップ１０に関する構成を、図２（Ｂ）を用いて詳細に説明する。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の断面における領域Ｄを拡大した図である。第１の導電ライン７ａと第２の導電ライン１３ｃとの交差する領域ＣＲ９に設けられたエアギャップ１０における第２の導電ライン１３ｃに沿った方向の幅Ｗ１０は、第１の導電ライン７ａの幅Ｗ７ａ以下である。また、図示しないが、エアギャップ１０における第１の導電ライン７ａに沿った方向の幅は、第２の導電ライン１３ｃの幅以下である。これに応じて、エアギャップ１０の４つの側方では、支柱２７が絶縁膜６と絶縁膜１１との間を支えている。支柱２７には、絶縁膜８及び絶縁膜９が含まれている。これにより、エアギャップ１０の周囲における機械的強度、すなわち、多層配線構造ＭＬの機械的強度の低下が抑制されている。このように、本実施形態では、半導体装置ＳＤにおいて、多層配線構造ＭＬにおけるライン間容量を低減しながら、多層配線構造ＭＬの機械的強度の低下を抑制することができる。なお、上記では、光電変換装置１００を中心に説明しているため、絶縁膜９が光電変換部２の上方に開口を有するものとしているが、光電変換装置以外の半導体装置の場合にはこの構成は不要である。
次に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置ＳＤの製造方法について、図３〜図１１を用いて説明する。図３、４、６に示す断面は、図１（Ｂ）の断面に対応した断面である。図５は、図４の工程における平面図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す断面は、それぞれ、図１（Ｂ）、図２（Ａ）、（Ｃ）の断面に対応した断面である。図８は、図７の工程における平面図である。図９（Ａ）〜（Ｃ）に示す断面は、それぞれ、図１（Ｂ）、図２（Ａ）、（Ｃ）の断面に対応した断面である。図１０は、図９の工程における平面図である。図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示す断面は、それぞれ、図１（Ｂ）、図２（Ａ）、（Ｃ）の断面に対応した断面である。
図３（Ａ）の工程では、半導体基板ＳＢに素子分離部４を形成した後に、半導体基板ＳＢの表面ＳＢａにおける素子分離部４により規定されたアクティブ領域の上に、ゲート電極３を形成する。そして、ゲート電極３をマスクとして半導体基板ＳＢにイオン注入を行うことにより、半導体基板ＳＢのウエル領域１（アクティブ領域）に光電変換部２及び拡散層５を形成する。ゲート電極３と拡散層５とはＭＯＳトランジスタを構成する。その後、半導体基板ＳＢ及びゲート電極３を覆うように絶縁膜６を形成する。ＣＭＰ法を用いて絶縁膜６を研磨することにより、絶縁膜６の上面を平坦化する。次いで、例えば拡散層５の表面を露出するように、絶縁膜６にスルーホール（図示せず）を形成し、そのスルーホールに金属（例えばタングステン）を埋め込むことにより、プラグ（図示せず）を形成する。そして、絶縁膜６の上に金属積層膜（例えば、ＴｉＮ膜／ＡｌＣｕ合金膜／ＴｉＮ膜の積層膜）における各膜をスパッタリング法により順次成膜した後、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程とを経て第１の配線層７のパターンを形成する。すなわち、半導体基板ＳＢの上方に複数の第１の導電ライン７ａ〜７ｆを形成する（第１の工程）。次に、高密度プラズマＣＶＤ法を用いて第１の配線層７（複数の第１の導電ライン７ａ〜７ｆ）を覆うように絶縁膜８を形成する（第２の工程）。絶縁膜８は、例えばＳｉＯ２で形成する。その後、プラズマＣＶＤ法を用いて、絶縁膜８を覆うように絶縁膜９を形成する。絶縁膜９は、例えばＳｉＮで形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法を用いて、絶縁膜９を覆うように絶縁膜１７を形成する。絶縁膜１７は、研磨の犠牲膜となるべき膜である。絶縁膜１７は、例えばＳｉＯ２で形成する。
図３（Ｂ）の工程では、ＣＭＰ法を用いて、絶縁膜９の上面９ａが露出するまで、絶縁膜１７、絶縁膜９、及び絶縁膜８を研磨する。これにより、絶縁膜８における第１の導電ラインの上に位置する部分８ａを第１の導電ラインの幅以下の幅で露出させる。言い換えると、絶縁膜９における第１の導電ラインの上に位置する（スリット状の）開口９ｂを第１の導電ラインの幅以下の幅で形成する。それとともに、絶縁膜８における部分８ａの表面８ａ１と絶縁膜９の上面９ａとを含む平坦な上面を得る。絶縁膜９（例えばＳｉＮ膜）の研磨速度は、絶縁膜１７（例えばＳｉＯ２膜）の研磨速度の１／３以下である。すなわち、絶縁膜９は、絶縁膜１７の研磨に対して耐性を有する。このため、絶縁膜９は研磨停止層として機能するので、絶縁膜８を過度に研磨することなくかつ第１の導電ラインを研磨することなく絶縁膜１７を選択的に研磨して平坦化処理を終了することができる。絶縁膜９の膜厚は、研磨停止層として機能するのに十分な膜厚の下限値以上でありかつその上面９ａと同じ高さに上記の部分８ａが位置するような膜厚の上限値以下である。なお、図３（Ａ）に示すように研磨前は第１の導電ラインの上部に絶縁膜８及び絶縁膜９が凸形状に形成されているが、その凸形状の部分は研磨の過程で除去され平坦化後に残らない。
図３（Ｃ）の工程では、フォトリソグラフィー工程を経て、絶縁膜９の上にエッチングマスク２８を形成する。エッチングマスク２８は、光電変換部２の上方の領域に開口２８ｇを有し、溝１９（図５参照）を形成すべき領域に開口２８ａ〜２８ｄを有する。一方、エッチングマスク２８は、溝１９を形成すべきでない領域（図５における部分８ａ参照）を覆っている。エッチングマスク２８は、例えば、フォトレジスト樹脂で形成する。
図４の工程では、エッチングマスク２８と上記の研磨された絶縁膜９とをマスクとして絶縁膜８における第１の配線の上の部分８ａをエッチングする。各溝の幅が各第１の配線の幅以下になるように、絶縁膜８に複数の第１の配線７ａ〜７ｆを露出する複数の溝１９ａ〜１９ｆ’（図５参照）を形成する（第３の工程）。各溝１９ａ〜１９ｆ’は、その一部分がエアギャップ１０になるべき溝である。図４及び図５に示されるように、複数の溝１９ａ〜１９ｆ’は、複数の第１の配線７ａ〜７ｆのうち後述のプラグ１２ａ，１２ｂ（図６（Ｃ）参照）が配されるべき領域ＣＲ１，ＣＲ２を除いた領域における複数の第１の配線７ａ〜７ｆの上に形成される。上記のように、各溝１９ａ〜１９ｆ’の幅は各第１の配線７ａ〜７ｆの幅以下である。ここで、例えば、絶縁膜８がＳｉＯ２で形成されている場合、ＳｉＯ２が選択的にエッチングされるエッチングガス（例えば、Ｃ４Ｆ８＋ＣＯ＋Ａｒ＋Ｏ２）を用いてドライエッチングを実施する。この場合、絶縁膜９に対する絶縁膜８のエッチング選択比（エッチング速度比）が大きくなる。すなわち、絶縁膜９は、絶縁膜８のエッチングに対して耐性を有する。これにより、絶縁膜８における第１の配線の上に位置する部分８ａの膜厚が絶縁膜９の膜厚に比べて厚くても、絶縁膜８を選択的にエッチングすることができる。その後、エッチングマスク２８を介して絶縁膜９が選択的にエッチングされる条件でドライエッチングを実施する。例えば、絶縁膜９がＳｉＮで形成されている場合、ＳｉＮが選択的にエッチングされるエッチングガス（例えば、ＣＨ２Ｆ２＋ＣＯ＋Ｏ２）を用いてドライエッチングを実施する。これにより、絶縁膜９における光電変換部２の上方に位置した部分９ｇ（図３（Ｃ）参照）を除去する。
なお、図４の工程では、エッチングマスク２８（図３（Ｃ）参照）を介してドライエッチングを実施することにより、絶縁膜９における部分９ｇと絶縁膜８における部分８ａとを同時に除去しても良い。例えば、ＳｉＯ２が選択的にエッチングされるエッチングガス（例えば、Ｃ４Ｆ８＋ＣＯ＋Ａｒ＋Ｏ２）とＳｉＮが選択的にエッチングされるエッチングガス（例えば、ＣＨ２Ｆ２＋ＣＯ＋Ｏ２）との混合ガスを用いてドライエッチングを実施する。これにより、絶縁膜８がＳｉＯ２で形成され、絶縁膜９がＳｉＮで形成されている場合、絶縁膜９に対する絶縁膜８のエッチング選択比（エッチング速度比）が１に近くなる。この場合でも、エッチングの異方性が高ければ、絶縁膜８における部分８ａの除去とエアギャップ１０になるべき溝１９の形成とを同時に達成することができる。これにより、光電変換部２上に残存する研磨停止層（絶縁膜９）を除去する工程と溝１９を形成する工程とを共通化できる。
図６（Ａ）の工程では、プラズマＣＶＤ法を用いて、複数の溝１９ａ〜１９ｆ’のそれぞれに有機系絶縁体（第１の絶縁体）１８ａを埋め込むとともに絶縁膜９の開口９ｃに有機系絶縁体１８ｂを埋め込む。また、絶縁膜９を覆うように、有機系絶縁膜１８を形成する（第４の工程）。有機系絶縁体１８ａ及び有機系絶縁体１８ｂと有機系絶縁膜１８とは、連続的に形成される。有機系絶縁体１８ａ及び有機系絶縁体１８ｂと有機系絶縁膜１８とは、例えば、ＳｉＯＣで形成される。
図６（Ｂ）の工程では、ＣＭＰ法を用いて、絶縁膜９の上面９ａが露出するまで、有機系絶縁膜１８、絶縁膜９、及び絶縁膜８を研磨する。これにより、有機系絶縁膜１８が除去されて、有機系絶縁体１８ａが複数の溝１９ａ〜１９ｆ’の中に残り、有機系絶縁体１８ｂが開口９ｃの中に残った状態になる。このとき、絶縁膜８の研磨速度と絶縁膜９の研磨速度とが、それぞれ、有機系絶縁膜１８の研磨速度の１／５以下である。すなわち、絶縁膜９は、有機系絶縁膜１８の研磨に対して耐性を有する。このため、絶縁膜９は研磨停止層として機能するので、有機系絶縁体１８ａ及び有機系絶縁体１８ｂを残しながら有機系絶縁膜１８を選択的に研磨して平坦化処理を終了することができる。続いて、プラズマＣＶＤ法を用いて、絶縁膜８、絶縁膜９、及び有機系絶縁体１８ａを覆うように、絶縁膜１１を形成する。絶縁膜１１は、例えば、ＳｉＯ２で形成する。
図６（Ｃ）の工程では、例えば領域ＣＲ１，ＣＲ２における第１の導電ライン７ｅ，７ｆの表面を露出するように、絶縁膜８及び絶縁膜１１にスルーホール（図示せず）を形成する。そのスルーホールに埋め込まれるとともに絶縁膜１１を覆うように金属層を形成する。金属層は、例えばタングステンで形成する。そして、絶縁膜１１の表面が露出されるまで金属層を研磨することにより、プラグ１２ａ，１２ｂを形成する。このとき、絶縁膜１１における表面近傍の部分も研磨される。その後、絶縁膜１１の上に金属積層膜（例えば、ＴｉＮ膜／ＡｌＣｕ合金膜／ＴｉＮ膜の積層膜）における各膜をスパッタリング法により順次成膜する。
図７（Ａ）〜（Ｃ）は、同じ工程における断面を示す。図７の工程では、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程とを経て絶縁膜１１と金属積層膜とをパターニングすることにより、第２の配線層１３のパターンを形成する。すなわち、絶縁膜８、有機系絶縁体１８ａ、及び絶縁膜１１の上に、複数の第１の導電ライン７ａ〜７ｆと交差するように複数の第２の導電ライン１３ａ〜１３ｆを形成する（第５の工程）。有機系絶縁体１８ａの上面の一部を覆うように複数の第２の導電ライン１３ａ〜１３ｆを形成する。このとき、図７（Ｃ）及び図８に示すように、ドライエッチング工程におけるオーバーエッチング処理にて、第２の導電ラインを配しない領域の絶縁膜１１も除去し、有機系絶縁体１８ａを露出させる。第２の導電ラインを配しない領域は、図１に示す開口領域ＯＲを含む。一方、図７（Ａ）、（Ｂ）及び図８に示すように、ドライエッチング工程において第２の導電ラインがマスクとして機能するため、第２の導電ラインを配する領域の絶縁膜１１は除去されずに残っており有機系絶縁体１８ａを覆っている。
図９（Ａ）〜（Ｃ）は、同じ工程における断面を示す。図９の工程では、有機系絶縁体１８ａの絶縁膜８、絶縁膜９、及び第２の導電ラインのそれぞれに対するエッチング選択比が高くなる条件で等方性エッチングを行うことにより、有機系絶縁体１８ａを複数の溝１９ａ〜１９ｆ’から除去する（第６の工程）。有機系絶縁体１８ａの上面のうち半導体基板ＳＢの表面ＳＢａに垂直な方向から見た場合に第２の導電ラインが重ならない部分が露出した状態で等方性エッチングを行うことにより、有機系絶縁体１８ａを複数の溝１９ａ〜１９ｆ’のそれぞれから除去する。有機系絶縁体１８ａの絶縁膜８、絶縁膜９、及び第２の導電ラインのそれぞれに対するエッチング選択比は、例えばＣＦ４＋Ｏ２をエッチングガスとして用いた場合、１／２０である。このため、有機系絶縁体１８ａを選択的にエッチングすることができる。また、ドライエッチングが等方性であるため、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第２の導電ライン１３ａ，１３ｃの下にある有機系絶縁体１８ａも、回り込むエッチングガス（例えばＣＦ４＋Ｏ２）によって効果的に除去される。
なお、有機系絶縁体１８ａを等方性ドライエッチングにより除去するために、有機系絶縁体１８ａを露出させる工程を第２の配線層１３のパターニングのためのドライエッチング時のオーバーエッチングを利用して実施することができる。この場合、有機系絶縁体１８ａを露出させる工程と第２の配線層１３をパターニングする工程とを共通化することができる。
図１１（Ａ）〜（Ｃ）は、同じ工程における断面を示す。図１１の工程では、高密度プラズマＣＶＤ法を用いて、複数の溝１９ａ〜１９ｆ’における半導体基板の表面に垂直な方向から見た場合に第２の導電ライン１３ａ〜１３ｆに重ならない部分に絶縁体（第２の絶縁体）１４ａを埋め込む（図１１（Ｃ）参照）。また、複数の第２の導電ライン１３ａ〜１３ｆを覆うように絶縁膜１４を形成する。絶縁体１４ａと絶縁膜１４とは、連続的に形成される。絶縁膜１４は、例えば、ＳｉＯ２で形成される。すなわち、複数の溝１９ａ〜１９ｆ’内（溝内）の複数の第１の導電ラインと第２の導電ラインとの交差する複数の領域における一部の領域をエアギャップ１０として残すように、複数の溝１９ａ〜１９ｆ’に絶縁体（第２の絶縁体）１４ａを埋め込む。このとき、複数の溝１９ａ〜１９ｆ’のそれぞれにおける半導体基板ＳＢの表面ＳＢａに垂直な方向から見た場合に第２の導電ラインが重ならない部分に第２の絶縁体を埋め込む（第７の工程）。例えば、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複数の交差する領域ＣＲ１〜ＣＲ１２（図１参照）のうち、交差する領域ＣＲ１，ＣＲ２にプラグ１２ａ、１２ｂが配され、残りの複数の交差する領域ＣＲ３〜ＣＲ１２のそれぞれにエアギャップ１０が形成されている。このとき、各第２の導電ラインの下にある空間にはＣＶＤガスが回り込み難いために、真空空間をなしている、あるいは、空気が満たされている状態を保持したままのエアギャップ１０が第２の導電ラインの幅以下の幅で形成される。すなわち、エアギャップ１０における第１の導電ラインに沿った方向の幅が第２の導電ラインの幅以下になるように、エアギャップ１０は形成される。一方、エアギャップ１０における第２の導電ラインに沿った方向の幅は、図４の工程で各溝の幅が各第１の導電ラインの幅以下になるように形成されていることに応じて、第１の導電ラインの幅以下になっている。次に、ＣＭＰ法を用いて、絶縁膜１４を研磨することにより絶縁膜１４の上面を平坦化する。次いで、例えば第２の導電ラインの表面を露出するように、絶縁膜１４にスルーホール（図示せず）を形成し、そのスルーホールに金属（例えばタングステン）を埋め込むことにより、プラグ（図示せず）を形成する。その後、絶縁膜１４の上に金属積層膜（例えば、ＴｉＮ膜／ＡｌＣｕ合金膜／ＴｉＮ膜の積層膜）における各膜をスパッタリング法により順次成膜し、その後にフォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程とを経て第３の配線層（図示せず）のパターンを形成する。
ここで、図２（Ｂ）に示すように、第２の配線層１３と絶縁膜６との間は、絶縁膜１１を介して、絶縁膜８と絶縁膜９とに含まれる支柱２７によって支えられる構造になっている。このため、第２の配線層１３が図２（Ｂ）における横方向に長くなった場合でも、多層配線構造ＭＬの全体としての機械的強度は保持され、後の工程におけるＣＭＰ等による応力がかかった場合にも多層配線構造ＭＬが破壊されにくい。また、第１の導電ラインと第２の導電ラインとの交差する領域（例えば、交差する領域ＣＲ３〜ＣＲ１２）にエアギャップ１０が設けられているので、第１の導電ラインと第２の導電ラインとのライン間容量が低減されている。このように、本実施形態に係る製造方法によれば、多層配線構造ＭＬにおけるライン間容量を低減しながら、多層配線構造ＭＬの機械的強度の低下を抑制することができる半導体装置ＳＤを得ることができる。
次に、本発明の光電変換装置を適用した撮像システムの一例を図１２に示す。撮像システム９０は、図１２に示すように、主として、光学系、撮像装置８６及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、レンズ９２及び絞り９３を備える。撮像装置８６は、光電変換装置１００を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。シャッター９１は、光路上においてレンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像装置８６の光電変換装置１００の撮像面に被写体の像を形成する。絞り９３は、光路上においてレンズ９２と光電変換装置１００との間に設けられ、レンズ９２を通過後に光電変換装置１００へ導かれる光の量を調節する。撮像装置８６の光電変換装置１００は、光電変換装置１００の撮像面に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置８６は、その画像信号を光電変換装置１００から読み出して出力する。撮像信号処理回路９５は、撮像装置８６に接続されており、撮像装置８６から出力された画像信号を処理する。Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）を画像信号（デジタル信号）へ変換する。画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。タイミング発生部９８は、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。以上の構成により、光電変換装置１００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置ＳＤ２００を、図１３〜図２１を用いて説明する。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図１３に示すように、半導体装置ＳＤ２００は、光電変換装置２００を含む。図１３は、半導体装置ＳＤ２００における図１（Ｂ）の断面に対応する断面を示す図である。半導体装置ＳＤ２００の光電変換装置２００は、多層配線構造ＭＬ２００を備える。多層配線構造ＭＬ２００は、デュアルダマシン構造を有している。多層配線構造ＭＬ２００は、次の構成要素を含む点で第１実施形態と異なる。第１の配線層２０７は、絶縁膜２０６の中に配されている。第１の配線層２０７は、例えば、銅を主成分とする金属又は金属間化合物で形成されている。第１の配線層２０７における複数の第１の導電ライン２０７ａ〜２０７ｆは、それぞれ、シングルダマシン法にて、絶縁膜２０６に形成された溝に埋め込まれている。拡散抑制膜（拡散バリア膜）２１６は、第１の配線層２０７を覆っている。拡散抑制膜２１６は、第１の配線層２０７の材料（例えば銅）が絶縁膜２０９中へ拡散することを抑制する。第２の配線層２１３は、絶縁膜２２０の中に配されている。第２の配線層２１３は、例えば、銅を主成分とする金属又は金属間化合物で形成されている。第２の配線層２１３における複数の第２の導電ライン２１３ａ〜２１３ｆは、デュアルダマシン法にて、絶縁膜２２０に形成された溝に上記の材料が埋め込まれることにより形成されている。絶縁膜２１１は、デュアルダマシン法における第２の導電ラインを埋め込むための溝を形成するエッチングを行う際のエッチング停止層としての役割を果たす。拡散抑制膜（拡散バリア膜）２１７は、第２の配線層２１３を覆っている。拡散抑制膜２１７は、第２の配線層２１３の材料（例えば銅）が絶縁膜２２３中へ拡散することを抑制する。拡散抑制膜２１６、絶縁膜２１１、及び拡散抑制膜２１７は、それぞれ、光電変換部２の上方に位置する部分に開口を有する。
ここで、複数の交差する領域ＣＲ１〜ＣＲ１２（図１（Ａ）、（Ｂ）及び図２（Ａ）参照）のうち交差する領域ＣＲ１，ＣＲ２には、プラグ２１２ａ及び２１２ｂが配されている。プラグ２１２ａ及び２１２ｂは、それぞれ、例えば、銅を主成分とする金属又は金属間化合物で形成されている。プラグ２１２ａ及び２１２ｂは、デュアルダマシン法にて、絶縁膜２１１、絶縁膜２０９、及び拡散抑制膜２１６に形成された穴に上記の材料が埋め込まれることにより形成されている。一方、複数の交差する領域ＣＲ１〜ＣＲ１２のうち残りの交差する領域ＣＲ３〜ＣＲ１２にエアギャップ１０が設けられている点は、第１実施形態と同様である。エアギャップ１０の４つの側方では、支柱２２７が絶縁膜２０６と絶縁膜２１１との間を支えている。支柱２２７は、拡散抑制膜２１６及び絶縁膜２０９に含まれている。
また、半導体装置ＳＤ２００の製造方法が、図１４〜図２１に示すように、次の点で第１実施形態と異なる。図１４、１６に示す断面は、図１（Ｂ）の断面に対応した断面である。図１５は、図１４（Ｃ）の工程における平面図である。図１８、１９に示す断面は、それぞれ、図２（Ｃ）、図１（Ｂ）の断面に対応した断面である。図１７は、図１８、１９の工程における平面図である。図２０（Ｂ）、（Ｃ）に示す断面は、それぞれ、図２（Ｃ）、図１（Ｂ）の断面に対応した断面である。図２０（Ａ）は、図２０（Ｂ）、（Ｃ）の工程における平面図である。図２１（Ｂ）、（Ｃ）に示す断面は、それぞれ、図２（Ｃ）、図１（Ｂ）の断面に対応した断面である。図２１（Ａ）は、図２１（Ｂ）、（Ｃ）の工程における平面図である。
図１４（Ａ）の工程では、絶縁膜２０６の上面を平坦化した後、ダマシン法により第１の配線層２０７を形成する。すなわち、第１の配線層２０７の材料（例えば、銅を主成分とする金属又は金属間化合物）を埋め込むための溝を絶縁膜２０６に形成し、その材料をその溝に埋め込むことにより、第１の配線層２０７を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法を用いて、第１の配線層２０７を覆うように、拡散抑制膜２１６を形成する。拡散抑制膜２１６は、例えば、ＳｉＮで形成する。その後に、フォトリソグラフィー工程を経て、拡散抑制膜２１６における光電変換部２の上方に位置した部分をドライエッチング法により除去する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、絶縁膜２０６及び拡散抑制膜２１６を覆うように絶縁膜２０９を形成する。絶縁膜２０９は、例えば、ＳｉＯ２で形成する。そして、絶縁膜２０９の上面に生じた段差をＣＭＰ法にて研磨して平坦化する。そして、フォトリソグラフィー工程を経て、絶縁膜２０９の上にエッチングマスク２２８を形成する。エッチングマスク２２８は、溝１９（図５参照）を形成すべき領域に開口２２８ａ〜２２８ｄを有する。
図１４（Ｂ）の工程では、エッチングマスク２２８（図１４（Ａ）参照）を介して絶縁膜２０９における第１の導電ラインの上の部分をエッチングする。これにより、各溝の幅が各第１の導電ラインの幅以下になるように、絶縁膜２０９に複数の溝１９ａ〜１９ｆ’（図５参照）を形成する点は、第１実施形態と同様である。その後、図６（Ａ）の工程と同様の処理を行う。
図１４（Ｃ）の工程では、図６（Ｂ）の工程と同様の平坦化処理を行う。これにより、図１５に示すように、有機系絶縁体１８ａを露出させる。続いて、プラズマＣＶＤ法を用いて、絶縁膜２０９及び有機系絶縁体１８ａを覆うように、絶縁膜２１１を形成する。絶縁膜２１１は、例えば、ＳｉＮで形成する。絶縁膜２１１は、デュアルダマシン法における第２の導電ラインを埋め込むための穴を形成するエッチングを行う際のエッチング停止層としての役割を果たす。
図１６の工程では、プラズマＣＶＤ法を用いて、絶縁膜（第２の絶縁膜）２２０を絶縁膜２１１の上に形成する。フォトリソグラフィー工程を経て、デュアルダマシン法におけるプラグ２１２ａ，２１２ｂを埋め込むための第１の穴２２４を絶縁膜２２０、絶縁膜２１１、絶縁膜２０９、及び絶縁膜２１６に形成する。また、フォトリソグラフィー工程を経て、デュアルダマシン法における第２の導電ラインを埋め込むための第２の溝２２６を絶縁膜２２０に形成する。その後、Ｔａ膜と導電体シード膜とをスパッタリング法により形成し、メッキ法による導電体の埋め込みを第１の穴２２４及び第２の溝２２６に対して行う。導電体は、例えば、銅を主成分とする金属又は金属間化合物で形成する。そして、ＣＭＰ法による研磨・平坦化を行うことにより、プラグ２１２と第２の溝２２６に対応した第２の配線層２１３とを形成する。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、第２の配線層２１３及び絶縁膜２２０を覆うように拡散抑制膜２１７を形成する。拡散抑制膜２１７は、例えば、ＳｉＮで形成する。
図１８及び図１９は、同じ工程における断面を示す。図１８及び図１９の工程では、フォトリソグラフィー工程を経て、拡散抑制膜２１７の上にエッチングマスク２２９を形成する。エッチングマスク２２９は、光電変換部２の上方の領域に開口２２９ｇを有し、有機系絶縁体１８ａを露出するための後述の第２の穴２２５を形成すべき領域に開口２２９ａを有する。エッチングマスク２２９と第２の導電ラインとをマスクとして散抑制膜２１７、絶縁膜２２０、及び絶縁膜２１１をエッチングする。これにより、有機系絶縁体１８ａの上面のうち半導体基板の表面ＳＢａに垂直な方向から見た場合に第２の導電ラインが重ならない部分を露出するように複数の第２の穴２２５を、拡散抑制膜２１７、絶縁膜２２０、及び絶縁膜２１１に形成する（図１７参照）。このとき、拡散抑制膜２１７、絶縁膜２２０、及び絶縁膜２１１のそれぞれにおける光電変換部２の上方に位置した部分も除去されて、第３の溝２２７が形成される。
図２０（Ａ）〜（Ｃ）は、同じ工程における平面図及び断面図を示す。図２０の工程では、有機系絶縁体１８ａの拡散抑制膜２１７、絶縁膜２２０、絶縁膜２１１、及び絶縁膜２０９のそれぞれに対するエッチング選択比が高くなる条件で第２の穴２２５を介して等方性エッチングを行う。これにより、有機系絶縁体１８ａを複数の溝１９ａ〜１９ｆ’（図５参照）から除去する。このとき、拡散抑制膜２１６と絶縁膜２０９とは、それぞれ、有機系絶縁体１８ａの等方性ドライエッチングに対し高い耐性を有しているため。有機系絶縁体１８ａを選択的にエッチングすることが容易である（図２０（Ｂ）参照）。また、ドライエッチングが等方性であるため、第２の配線層２１３の下にある有機系絶縁体１８ａは、回り込むエッチングガスによって除去される（図２０（Ｃ）参照）。
図２１の工程では、高密度プラズマＣＶＤ法を用いて、絶縁体（第２の絶縁体）２２３ａを複数の第２の穴２２５に埋め込むとともに絶縁体２２３ｂを第３の溝２２７に埋め込む。また、拡散抑制膜２１７を覆うように絶縁膜２２３を形成する。すなわち、複数の溝１９ａ〜１９ｆ’における第１の導電ラインと第２の導電ラインとの交差する複数の領域における一部の領域をエアギャップ１０として残すように、複数の第２の穴２２５を介して複数の溝１９ａ〜１９ｆ’に絶縁体２２３ａを埋め込む。このとき、各第２の導電ラインの下にある空間にはＣＶＤガスが回り込み難いために、真空空間をなしている、あるいは、空気が満たされている状態を保持したままのエアギャップ１０が第２の導電ラインの幅以下の幅で形成される。すなわち、エアギャップ１０における第１の導電ラインに沿った方向の幅が第２の導電ラインの幅以下になるように、エアギャップ１０は形成される。一方、エアギャップ１０における第２の導電ラインに沿った方向の幅は、図１４（Ｂ）の工程で各溝の幅が各第１の導電ラインの幅以下になるように形成されていることに応じて、第１の導電ラインの幅以下になっている。
なお、半導体装置の製造方法において、エッチング停止層および拡散抑制膜のそれぞれにおける光電変換部の上方に位置する部分を除去する処理を、エアギャップを形成する工程を利用して実施することができる。このため、エッチング停止層および拡散抑制膜の部分を除去する処理とエアギャップを形成する処理とを別の工程で行う場合に比べて、工程数を削減できる。

Claims (6)

  1. 光電変換部を含む半導体基板と、
    前記半導体基板の上に配された多層配線構造と、
    を備え、
    前記多層配線構造は、
    複数の第１の導電ラインと、
    前記複数の第１の導電ラインを覆う絶縁膜と、
    前記複数の第１の導電ラインと交差するように前記絶縁膜の上に配された第２の導電ラインと、
    を含み、
    前記絶縁膜は、前記複数の第１の導電ラインと前記第２の導電ラインとが交差する複数の領域における少なくとも一部の領域にギャップを有し、前記光電変換部の上にギャップを有さず、
    前記第２の導電ラインに沿った方向における前記ギャップの幅は、前記第１の導電ラインの幅以下である
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１の導電ラインに沿った方向における前記ギャップの幅は、前記第２の導電ラインの幅以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 半導体基板を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の上方に複数の第１の導電ラインを形成する第１の工程と、
    前記複数の第１の導電ラインを覆うように絶縁膜を形成する第２の工程と、
    前記絶縁膜に前記複数の第１の導電ラインの上面の一部を露出する複数の溝をそれぞれ前記第１の導電ラインの幅以下の幅で形成する第３の工程と、
    前記複数の溝のそれぞれに第１の絶縁体を埋め込む第４の工程と、
    前記絶縁膜及び前記第１の絶縁体の上に、前記複数の第１の導電ラインと交差するように第２の導電ラインを形成する第５の工程と、
    前記第５の工程の後に、前記第１の絶縁体を前記複数の溝のそれぞれから除去する第６の工程と、
    前記第６の工程の後に、前記複数の溝内の前記第１の導電ラインと前記第２の導電ラインとが交差する複数の領域における少なくとも一部の領域をギャップとして残すように、前記複数の溝のそれぞれにおける前記半導体基板の表面に垂直な方向から見た場合に前記第２の導電ラインが重ならない部分に第２の絶縁体を埋め込む第７の工程と、
    を含み、
    前記第２の導電ラインに沿った方向における前記ギャップの幅は、前記第１の導電ラインの幅以下である
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 前記第６の工程では、前記第１の絶縁体の上面のうち前記半導体基板の表面に垂直な方向から見た場合に前記第２の導電ラインが重ならない部分が露出した状態で、前記第１の絶縁体の前記絶縁膜及び前記第２の導電ラインに対するエッチング選択比が高くなる条件で等方性エッチングを行うことにより、前記第１の絶縁体を前記複数の溝のそれぞれから除去する
    ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第５の工程は、
    前記絶縁膜及び前記第１の絶縁体の上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第２の絶縁膜に、前記複数の第１の導電ラインと交差するように第２の溝を形成する工程と、
    前記第２の溝に導電体を埋め込むことにより、前記第２の溝に対応した前記第２の導電ラインを形成する工程と、
    を含み、
    前記第６の工程は、
    前記第１の絶縁体の上面のうち前記半導体基板の表面に垂直な方向から見た場合に前記第２の導電ラインが重ならない部分を露出するように複数の穴を前記第２の絶縁膜に形成する工程と、
    前記絶縁膜及び前記第２の導電ラインに対する前記第１の絶縁体のエッチング選択比が高くなる条件で前記複数の穴を介して等方性エッチングを行うことにより、前記第１の絶縁体を前記複数の溝のそれぞれから除去する工程と、
    を含み、
    前記第７の工程では、
    前記複数の穴を介して前記複数の溝のそれぞれに前記第２の絶縁体を埋め込む
    ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記半導体装置は、光電変換装置を含み、
    前記半導体基板は、光電変換部を含む
    ことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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