JPH11163523A - Formation of multilayer interconnection structure provided with a landless via hole and gaseous dielectric - Google Patents

Formation of multilayer interconnection structure provided with a landless via hole and gaseous dielectric

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JPH11163523A
JPH11163523A JP30448097A JP30448097A JPH11163523A JP H11163523 A JPH11163523 A JP H11163523A JP 30448097 A JP30448097 A JP 30448097A JP 30448097 A JP30448097 A JP 30448097A JP H11163523 A JPH11163523 A JP H11163523A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming multilayer interconnection structure, which has a landless via hole for interlayer connection and uses air as dielectric between the wirings. SOLUTION: A carbon layer is deposited on the surface of an insulator and a groove corresponding to a wiring pattern is formed on the surface of the carbon layer. A metal is supplied into the groove and onto the surface of the carbon layer, and a first layer wiring 66 is obtained by the subsequent chemical mechanical polishing process. Carbon ashing or etch back process is performed on the carbon layer, and the surface of the carbon layer is made lower than the wiring plane. An oxide capping layer 70 is formed on the wiring plane and on the surface of the recessed carbon layer. The carbon layer is consumed and removed by the oxidation process through the capping layer 70, and an air gap 74 is formed. Then, a silicon nitride etching stop layer 72 is formed on the surface of the capping layer 70, and a dielectric layer 76 is formed on the capping layer 70. After filing a via hole with a metal plug 78, a second layer wiring 80 is formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、多層間接合構造を
含む集積回路デバイスの形成に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the formation of an integrated circuit device including a multi-layer junction structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】近代の集積回路は,半導体基板上やその
内部に形成される電界効果型トランジスター(FET)
あるいはバイポーラのようなデバイスと,そのデバイス
と接触して形成される多層間接続構造を含む。多層間接
続構造は,基板に形成されるデバイスの異なるもの同士
の間に接続を提供するものであり,集積回路の斬新な設
計において重要になってきている。多くの集積回路にお
いて,多層間接続構造は,平行に延出する1個あるいは
それ以上の配線アレイを含み,デバイスが密に装填され
たアレイにおいてデバイス間に接続を提供する。そのよ
うなデバイスのアレイは,集積回路メモリーやその他の
斬新な回路設計に典型的なものである。
2. Description of the Related Art Modern integrated circuits are field-effect transistors (FETs) formed on or in a semiconductor substrate.
Alternatively, it includes a device such as a bipolar device and a multilayer connection structure formed in contact with the device. The multi-layer connection structure provides a connection between different types of devices formed on a substrate, and is important in a novel design of an integrated circuit. In many integrated circuits, the multi-layer interconnect structure includes one or more interconnect arrays extending in parallel, providing connections between the devices in a densely packed array of devices. Arrays of such devices are typical of integrated circuit memories and other novel circuit designs.

【0003】近接して隔てられた平行な配線は,隣接す
る配線間に望ましくないレベルの容量性および誘導性の
結合をもたらす。特に,平行配線のアレイを介しての高
いデータ送信速度に対してその影響がある。すなわち,
そのような容量性および誘導性の結合は,データ送信速
度を遅らせるとともにエネルギー消費を増加させ,集積
回路の特性を狭めることになる。いくつかの斬新な回路
設計においては,回路の層間接続構造に関係するその送
信速度の遅延とエネルギー消費は,回路特性において重
大な問題になる。
[0003] Closely spaced, parallel traces provide undesirable levels of capacitive and inductive coupling between adjacent traces. In particular, it has an effect on the high data transmission speed through the parallel wiring array. That is,
Such capacitive and inductive couplings reduce data transmission rates and increase energy consumption and reduce integrated circuit characteristics. In some novel circuit designs, their transmission speed delay and energy consumption, which are related to the interconnect structure of the circuit, become a significant problem in circuit characteristics.

【0004】近代の層間接続構造の複雑さは,集積回路
設計においてコストがかさむ要因となっている。種々の
要因が集積回路内の層間接続構造の均整のとれた費用を
さらに増加させる恐れがある。例えば,上記した結合の
問題を改善するために,多層間接続構造に異なる層間誘
電体材料および金属導体間誘電体材料を代用する提案が
進められている。隣接する配線間の容量性および誘導性
の結合が配線を引き離す誘電体材料によって抑えられる
のである。
[0004] The complexity of modern interlayer connection structures has become a costly factor in integrated circuit design. Various factors can further increase the proportionate cost of interconnect structures in integrated circuits. For example, proposals have been made to substitute different interlayer dielectric materials and dielectric materials between metal conductors for a multilayer connection structure in order to improve the above-mentioned coupling problem. Capacitive and inductive coupling between adjacent wires is suppressed by the dielectric material that separates the wires.

【0005】TEOSソースガスから化学蒸着法(CV
D)によって蒸着されるシリコン酸化物のような誘電体
材料は比較的高い誘電定数を有している。この誘電材料
を低い誘電定数を有する誘電材料で置き換えることが提
案されている。高い誘電定数を有する材料を低い誘電定
数を有する材料で置き換えることにより特性が改善され
るのである。理論的には最低の誘電定数はガスあるいは
真空誘電体により得られる。これらの誘電体材料は,コ
ストの上昇とプロセスの困難性という問題をかかえてお
り,今日に到るまで十分に満足して採用されているとは
いえない。
[0005] Chemical vapor deposition (CV) from TEOS source gas
Dielectric materials such as silicon oxide deposited according to D) have a relatively high dielectric constant. It has been proposed to replace this dielectric material with a dielectric material having a low dielectric constant. The characteristics are improved by replacing the material having a high dielectric constant with a material having a low dielectric constant. Theoretically, the lowest dielectric constant is obtained with a gas or vacuum dielectric. These dielectric materials suffer from increased costs and process difficulties, and have not been used satisfactorily to this day.

【0006】空気誘電体を使用している多層間接続構造
のある有望な試みは,Anandらによる「ある実行可能な
ガス誘電体層間接続プロセス」(VLSI技術に関する
1996シンポジウム,技術論文ダイジェスト82-83 )
に記載されている。その層間接続構造およびその構造を
作成する方法が図1〜図5に示されている。その配線構
造の概略図が図1に描かれている。図1には,種々のデ
バイス(図示せず)が表面に形成され,層間誘電体12
により覆われた基板10が示されている。第1層の配線
20,22が層間誘電体12の表面に沿って延出し,エ
アギャップ32によって引き離されている。一般的な誘
電体材料に比較して,エアギャップの使用は,隣接する
第1層配線(20,22)間の結合の最低レベルを保証
する。
One promising attempt at multi-layer interconnect structures using air dielectrics is described in Anand et al., "A Feasible Gas Dielectric Interlayer Connection Process" (1996 Symposium on VLSI Technology, Technical Paper Digest 82-83). )
It is described in. The interlayer connection structure and the method of making the structure are shown in FIGS. A schematic diagram of the wiring structure is depicted in FIG. In FIG. 1, various devices (not shown) are formed on the surface, and an interlayer dielectric 12 is formed.
A substrate 10 covered by a circle is shown. The first layer wirings 20 and 22 extend along the surface of the interlayer dielectric 12 and are separated by an air gap 32. Compared with common dielectric materials, the use of an air gap guarantees a minimum level of coupling between adjacent first-level interconnects (20, 22).

【0007】第1層のエアギャップはその底部で層間誘
電体12によって境界が定義され,その上部でシリコン
酸化物30の薄層によって境界が定義されている。第1
層配線から第2層配線46に垂直に延出する層間接続部
36が形成されている。第1層配線22と第2層配線4
6は,垂直な層間接続部36を囲むバイアホール層エア
ギャップ42によって垂直方向に引き離されている。エ
アギャップ42はその上端と下端とにおいてそれぞれシ
リコン酸化物の薄層30,40によって境界が定義され
る。これらのバイアホール層エアギャップ42は,一般
的な固体誘電体材料に比較して,第1層配線(20,2
2)と第2層配線46との間の容量性および誘導性の結
合を減少させる。同様な構成により,上端と下端とにお
いてそれぞれシリコン酸化物の薄層50,40によって
境界が定義されている第2層エアギャップ52は,第2
層配線46間に設けられ,第2層配線間の容量性および
誘導性の結合のレベルを減少させている。
The air gap of the first layer is defined at its bottom by an interlayer dielectric 12 and at its top by a thin layer of silicon oxide 30. First
An interlayer connecting portion 36 extending vertically from the layer wiring to the second layer wiring 46 is formed. First layer wiring 22 and second layer wiring 4
6 are vertically separated by a via-hole layer air gap 42 surrounding the vertical interlayer connection 36. The air gap 42 is bounded at its upper and lower ends by thin layers 30 and 40 of silicon oxide, respectively. These via hole layer air gaps 42 are formed on the first layer wiring (20, 2) as compared with a general solid dielectric material.
The capacitive and inductive coupling between 2) and the second layer wiring 46 is reduced. With a similar configuration, the second layer air gap 52, whose boundaries are defined at the upper and lower ends by thin layers 50, 40 of silicon oxide, respectively, is
It is provided between the layer wirings 46 to reduce the level of capacitive and inductive coupling between the second layer wirings.

【0008】図1に描かれているものは,高密度集積回
路設計に使用される多層間接続構造に関係する信号遅延
およびエネルギー消費の問題の幾つかを改善している点
において重要である。図1に示される構造を製造するの
に使用された方法もまた重要であり,それを図2〜図5
に基づいて以下に示す。すなわち,図2に示すように,
デバイスが基板10内部および基板上に所望の配置で形
成され,その後,基板が層間誘電体12によってカバー
される。バイアホールが層間誘電体12を介して形成さ
れ,基板に形成されているデバイス(図示せず)への接
続を提供する。第1層配線はバイアホールを満たすよう
に形成されるか,あるいは,層間接続部と接触するよう
に形成されるだろう。第1層配線は,修正食刻プロセス
(a Modified Damascene Process)により形成される。
What is depicted in FIG. 1 is important in that it addresses some of the signal delay and energy consumption issues associated with interconnect structures used in high density integrated circuit designs. Also important is the method used to fabricate the structure shown in FIG.
It is shown below based on That is, as shown in FIG.
Devices are formed in and within the substrate 10 in the desired arrangement, after which the substrate is covered by the interlayer dielectric 12. Via holes are formed through the interlayer dielectric 12 to provide connections to devices (not shown) formed in the substrate. The first layer wiring will be formed to fill the via hole or to make contact with the interlayer connection. The first layer wiring is a modified etching process
(a Modified Damascene Process).

【0009】まず,炭素の層が層間誘電体の表面に蒸着
され,それから,通常のフォトリソグラフィー技術を使
用してフォトレジストマスク(図示せず)がその炭素層
14の表面に設けられる。次に,第1層配線の配置に対
応するパターンに炭素層の表面が露出される。異方向性
エッチングが実施され,炭素層14に溝16が形成され
る。図2に示すような構造を得るためにマスクは除去さ
れる。次に,図2の構造上に金属が析出され,過剰の金
属が除去されて,図3に示すような第1層配線20およ
び22を得る。
First, a layer of carbon is deposited on the surface of the interlayer dielectric, and then a photoresist mask (not shown) is provided on the surface of the carbon layer 14 using conventional photolithographic techniques. Next, the surface of the carbon layer is exposed in a pattern corresponding to the arrangement of the first layer wiring. An anisotropic etching is performed to form a groove 16 in the carbon layer 14. The mask is removed to obtain a structure as shown in FIG. Next, metal is deposited on the structure of FIG. 2 and excess metal is removed to obtain first layer wirings 20 and 22 as shown in FIG.

【0010】続いて,シリコン酸化物の薄層30が第1
層配線20および22上および炭素膜14の上に形成さ
れる。シリコン酸化物の薄層30は,およそ500Åの
厚みにスパッタリングにより蒸着されることが好ましい
とされている。次に,この構造体は酸素雰囲気を保持し
ている炉内に放置され,およそ2時間,400〜450
℃の温度で加熱される。この雰囲気において,酸素は容
易にシリコン酸化物薄層30を介して拡散し,炭素膜1
4と反応して,二酸化炭素ガスを生成し,再びシリコン
酸化物薄層30を介して拡散し外部に放出される。この
熱処理を2時間行なった結果,全炭素被膜14が除去さ
れ,酸化物層30と層間誘電体12の間にエアギャップ
32が残り,図4に示されるように,第1層配線20と
22との間がエアギャップにより分離される。
Subsequently, a thin layer 30 of silicon oxide is applied to the first
It is formed on the layer wirings 20 and 22 and on the carbon film 14. The thin layer 30 of silicon oxide is preferably deposited by sputtering to a thickness of approximately 500 °. Next, the structure is left in a furnace holding an oxygen atmosphere for approximately 2 hours at 400-450.
Heated at a temperature of ° C. In this atmosphere, oxygen easily diffuses through the silicon oxide thin layer 30 and the carbon film 1
4 to generate carbon dioxide gas, which diffuses again through the silicon oxide thin layer 30 and is released to the outside. As a result of performing this heat treatment for 2 hours, the entire carbon film 14 is removed, an air gap 32 remains between the oxide layer 30 and the interlayer dielectric 12, and as shown in FIG. Are separated by an air gap.

【0011】このプロセスは図5に示すような多層間接
続構造を製造するために繰り返される。すなわち,炭素
のバイアホール層が蒸着され,垂直層間接続が形成され
るべきバイアホールの位置を決めるためパターン化され
る。バイアホール内の炭素が除去され,金属が堆積さ
れ,エッチバックが行われ,バイアホール内に垂直層間
接続が形成される。その後,酸化物薄層40が炭素層上
に蒸着される。炭素焼失処理が実施され,炭素層を除去
し,垂直層間接続部36の間,および酸化物層30,4
0の間にバイアホール層エアギャップ42を形成する。
This process is repeated to produce a multi-layer interconnect structure as shown in FIG. That is, a carbon via hole layer is deposited and patterned to determine the location of the via hole where the vertical interlayer connection is to be formed. Carbon in via holes is removed, metal is deposited, etch back is performed, and vertical interlayer connections are formed in via holes. Thereafter, a thin oxide layer 40 is deposited on the carbon layer. A carbon burn-off process is performed to remove the carbon layer and between the vertical interlayer connections 36 and between the oxide layers 30,4.
A via hole layer air gap 42 is formed between 0.

【0012】さらに,第2層において炭素層44が蒸着
され,第2層の配線溝を設けるためにパターン化され
る。酸化物層40は垂直層間接続部36上で適切に除去
される。配線溝を金属で満たして,垂直層間接続部を介
して第1層配線と接触する第2層配線46を形成する。
シリコン酸化物層50(図5)は,炭素層44上にスパ
ッタリングにより形成される,そして炭素焼失処理が実
施され,第2層配線46間にエアギャップ52を形成
し,図1に描かれた構造体が完成する。
Further, a carbon layer 44 is deposited on the second layer and patterned to provide a second layer wiring groove. Oxide layer 40 is suitably removed over vertical interlayer connections 36. The wiring groove is filled with metal to form a second layer wiring 46 which is in contact with the first layer wiring via the vertical interlayer connection.
A silicon oxide layer 50 (FIG. 5) is formed on the carbon layer 44 by sputtering, and a carbon burnout process is performed to form an air gap 52 between the second layer interconnects 46 and is depicted in FIG. The structure is completed.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】図1に描かれた構造の
形成方法が,その容易性及び信頼性に関して,隣接する
配線間を分離する誘電体材料として空気を使用している
他の層間接続構造体の形成方法と比較される場合,それ
はシンプルで信頼性のあるプロセスである。しかしなが
ら,図1の構造を形成するためのプロセスには,ある特
定の製造プロセスとは両立困難な側面が存在する。高密
度集積回路デバイスにとって重要なその他の要件と両立
しうる多層間接続構造を形成する方法の提供が望まれて
いる。
SUMMARY OF THE INVENTION The method of forming the structure depicted in FIG. 1 is described in terms of its simplicity and reliability as other interlayer connections using air as a dielectric material to separate adjacent wiring. When compared to the method of forming the structure, it is a simple and reliable process. However, there are aspects of the process for forming the structure of FIG. 1 that are incompatible with certain manufacturing processes. It is desired to provide a method for forming a multi-layer interconnect structure that is compatible with other requirements important for high density integrated circuit devices.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明においては,集積
回路デバイスを形成するために,第1配線が犠牲材料の
層によって第2配線から横方向に引き離されるように配
線パターンが絶縁層上に形成される。犠牲材料層の上面
が第1配線および第2配線の上面よりも低く位置するよ
うに犠牲材料層の一部を除去した後,キャッピング材料
の層が第1配線および第2配線の上面,さらに犠牲材料
層の上面に形成される。消耗反応がキャッピング材料層
を介して実施され,犠牲材料層の少なくとも一部をさら
に除去し,第1配線と第2配線との間にキャッピング材
料層によって上部境界が定義される空気誘電体を形成す
る。
According to the present invention, in order to form an integrated circuit device, a wiring pattern is formed on an insulating layer such that a first wiring is laterally separated from a second wiring by a layer of a sacrificial material. It is formed. After removing a portion of the sacrificial material layer so that the upper surface of the sacrificial material layer is lower than the upper surfaces of the first and second wirings, the capping material layer is removed from the upper surfaces of the first and second wirings and further sacrificed. It is formed on the upper surface of the material layer. A depletion reaction is performed through the capping material layer to further remove at least a portion of the sacrificial material layer to form an air dielectric between the first interconnect and the second interconnect, the upper boundary being defined by the capping material layer. I do.

【0015】さらに,本発明においては,集積回路デバ
イスを形成するために,個々の配線が犠牲材料の層によ
って横方向に離されるように配線パターンが絶縁層上に
形成される。キャッピング材料層が配線パターン上およ
び犠牲材料の上面に設けられた後,消耗反応がキャッピ
ング材料層を介して実施され,犠牲材料層の少なくとも
一部が除去される。除去された犠牲材料層の跡が空気誘
電体として使用される。
Further, in the present invention, in order to form an integrated circuit device, a wiring pattern is formed on an insulating layer such that individual wirings are laterally separated by a layer of a sacrificial material. After the capping material layer is provided on the wiring pattern and on the upper surface of the sacrificial material, a consumption reaction is performed through the capping material layer to remove at least a part of the sacrificial material layer. The trace of the removed sacrificial material layer is used as an air dielectric.

【0016】また,消耗反応後に,キャッピング材料と
は異なる組成を有するエッチング停止材料の層がキャッ
ピング材料層上に形成され,エッチング停止材料と異な
る組成を有する金属導体間誘電体層がエッチング停止層
上に形成される。金属導体間誘電体層を介してのエッチ
ング,エッチング停止層におけるエッチングの停止,エ
ッチング停止層を介してのエッチング,およびキャッピ
ング層を介してのエッチングによりバイアホールが形成
される。
After the depletion reaction, a layer of an etching stop material having a composition different from that of the capping material is formed on the capping material layer, and a dielectric layer between the metal conductors having a composition different from that of the etching stop material is formed on the etching stop layer. Formed. Via holes are formed by etching through the intermetal dielectric layer, stopping the etching in the etching stop layer, etching through the etching stop layer, and etching through the capping layer.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1に描かれている従来の多層間
接続構造は,その内部において隣接する配線およびその
他の導体を分離する誘電体材料としてのエアギャップを
使用している。エアギャップ32は,第1層の配線20
および22の間の絶縁物として機能する。空気の低い誘
電率(K〜1)は,固体の誘電体材料を使用している場
合の誘電率(2〜4)の改善をもたらす。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The conventional multi-layer connection structure depicted in FIG. 1 uses an air gap as a dielectric material inside which separates adjacent wiring and other conductors. The air gap 32 is formed by the first layer wiring 20.
And 22 function as an insulator. The low dielectric constant of air (K-1) results in an improvement in the dielectric constant (2-4) when using solid dielectric materials.

【0018】図1の接続構造は,高密度集積回路設計に
必要とされる隣接する配線間の容量性および誘導性の結
合を減少させるという効果を有する。この構造の容量性
および誘導性の結合レベルは,従来型の層間接続構造に
比較して抑えられるので,図1の構造を含む高密度集積
回路の電力消費および作動速度は改善されるだろう。し
かしながら,図1の従来型の接続構造には,そのような
高密度集積回路への応用を妨げるある一面が存在する。
図1の構造は,しばしば高密度集積回路設計の特長とも
いえるランドレスバイアホールの形成と両立させること
が困難である。
The connection structure of FIG. 1 has the effect of reducing the capacitive and inductive coupling between adjacent wires required for high density integrated circuit design. Since the capacitive and inductive coupling levels of this structure are reduced compared to conventional interconnect structures, the power consumption and operating speed of high density integrated circuits including the structure of FIG. 1 will be improved. However, the conventional connection structure of FIG. 1 has one aspect that hinders its application to such high-density integrated circuits.
It is difficult to make the structure of FIG. 1 compatible with the formation of landless via holes, which is often a feature of high-density integrated circuit design.

【0019】従来型の図1の構造では,垂直の層間接続
が形成されるべき領域において,配線を拡大することに
より配線の層間接続部の形成を容易にしている。この拡
大されたパッド領域は図1にみられる。すなわち,層間
接続部36が形成されている第1層配線の領域20の大
きな幅を層間接続の形成とは関係のない第1層配線レベ
ルの領域22と比較してみれば明らかである。第1層配
線のそのようなパッド領域は,層間接続部36を設ける
ためのリソグラフィープロセスにおいて起りうるわずか
な誤差を許容するためのものである。
In the conventional structure shown in FIG. 1, in a region where a vertical interlayer connection is to be formed, the wiring is enlarged to facilitate the formation of the interlayer connection portion of the wiring. This enlarged pad area can be seen in FIG. That is, it is clear when the large width of the first layer wiring region 20 where the interlayer connection portion 36 is formed is compared with the first layer wiring level region 22 which is not related to the formation of the interlayer connection. Such a pad region of the first layer wiring is for allowing a slight error that may occur in a lithography process for providing the interlayer connection portion 36.

【0020】もし,図1の構造において,第1層配線の
拡大された領域が形成されなかったなら,垂直の層間接
続部とその下の第1層配線部とはともに同じ寸法を有す
ることになる。その結果,バイアスルーホールを形成す
る際に,パターンの配置のわずかなずれやその他のリソ
グラフィエラーにより,エアギャップ32上から酸化物
層30が除去されたり,あるいは,エアギャップ32上
の酸化物層30が破壊されたりするだろう。そして,そ
の後のクリーニング処理時において,酸化物層の破損を
介してエアギャップ内が汚染されてしまうだろう。さら
に,その後の金属析出プロセスにおいて,破損した酸化
物層を介して空気誘電体層内に金属が析出してしまい,
第1層配線間に短絡を引き起こしてしまう可能性があ
る。このように,図1の構造および図1の構造を形成す
るための方法には,ランドレスバイアホールの形成と空
気誘電体層の形成とを両立させることが困難である。
If the enlarged area of the first layer wiring is not formed in the structure of FIG. 1, both the vertical interlayer connection part and the first layer wiring part thereunder have the same dimensions. Become. As a result, the oxide layer 30 may be removed from above the air gap 32 due to a slight misalignment of the pattern or other lithographic errors when forming the via holes, or the oxide layer on the air gap 32 may be removed. 30 will be destroyed. Then, during the subsequent cleaning process, the inside of the air gap will be contaminated through the damage of the oxide layer. Furthermore, in the subsequent metal deposition process, metal is deposited in the air dielectric layer via the damaged oxide layer,
There is a possibility of causing a short circuit between the first layer wirings. As described above, it is difficult for the structure of FIG. 1 and the method for forming the structure of FIG. 1 to achieve both the formation of the landless via hole and the formation of the air dielectric layer.

【0021】パターン配置ミスやリソグラフィーエラー
をさけるため,必要以上に大きいパッド領域を形成する
ことは,集積回路の設計ルールが狭まるにつれて望まし
くないものになってきている。そのような拡大されたパ
ッド領域が,設計ルールが許すかぎりできるだけ配線間
を近接して配置することを妨げるからである。したがっ
て,設計ルールに適したバイアホールと配線を形成する
ことが望まれる。これは,層間接続構造におけるランド
レスバイアホールの形成が望まれていることを意味して
いる。
Forming an unnecessarily large pad area in order to avoid pattern layout errors and lithography errors has become undesirable as the design rules of integrated circuits have become narrower. This is because such an enlarged pad area prevents the wiring from being arranged as close as possible to each other as far as the design rule allows. Therefore, it is desired to form via holes and wiring suitable for design rules. This means that formation of a landless via hole in the interlayer connection structure is desired.

【0022】本発明の主たる目的は,ランドレスバイア
ホールの形成と,隣接する配線間の誘電体材料としての
エアギャップの使用とを両立する多層間接続構造の形成
方法を提供することである。特に,本発明の好ましい形
態においては,炭素の層を蒸着し,パターン溝を形成
し,パターン溝を金属で満たし,シリコン酸化物の層を
金属パターン上および炭素層上に蒸着し,炭素焼失処理
を実施して配線間から炭素層を除去してエアギャップを
形成する。また,エッチング停止層が,金属導体間絶縁
層のようなさらなる層の形成に先立って金属パターン上
および酸化物層上に設けられることが好ましい。
It is a primary object of the present invention to provide a method for forming a multi-layer connection structure, which is compatible with formation of a landless via hole and use of an air gap as a dielectric material between adjacent wirings. In particular, in a preferred embodiment of the present invention, a carbon layer is deposited, a pattern groove is formed, the pattern groove is filled with a metal, a silicon oxide layer is deposited on the metal pattern and the carbon layer, and a carbon burnout treatment is performed. To remove the carbon layer from between the wirings to form an air gap. It is also preferred that an etch stop layer be provided on the metal pattern and on the oxide layer prior to the formation of a further layer, such as an intermetallic insulating layer.

【0023】酸化物層上にエッチング停止層を設けるこ
とにより,金属導体間絶縁層を構成する材料が何である
かにかかわらず,バイアホールのランドレス領域におい
てバイアホールエッチングプロセスをエアギャップ内に
到達させることなく,バイアホールを金属導体間絶縁層
を介して酸化物層に信頼性よく形成することができる。
このように,本発明に基づく方法は,高密度集積回路デ
バイスの形成に使用されるプロセスに馴染みやすいもの
である。
By providing an etching stop layer on the oxide layer, the via hole etching process can reach the air gap in the landless region of the via hole regardless of the material constituting the intermetallic insulating layer. Without this, via holes can be formed in the oxide layer with high reliability via the inter-metal-conductor insulating layer.
Thus, the method according to the present invention is compatible with the processes used to form high density integrated circuit devices.

【0024】図6〜図9を引用して,本発明をさらに詳
細に説明する。本発明に基づく多層間接続構造の形成
は,図1の層間接続構造の形成に関して述べたのと類似
した手法で始められる。すなわち,表面に種々のデバイ
スが形成されている半導体基板60が形成され,基板お
よび種々のデバイスが中間層誘電体62によってカバー
される。中間層誘電体62は,典型的にはシリコンの酸
化物であるが,例えば,CVDシリコン酸化物の単層,
酸化物層とSOG(Spin On Glass) 層の組み合わせ等を
使用することもできる。バイアホールは,中間層誘電体
62を介して形成される。金属あるいはポリシリコンの
内部接続が,第1層配線を形成するプロセスの一部とし
て,あるいはそれとは別のプロセスにより設けられる。
The present invention will be described in more detail with reference to FIGS. The formation of the multi-layer connection structure according to the present invention may be started in a manner similar to that described for the formation of the inter-layer connection structure of FIG. That is, a semiconductor substrate 60 having various devices formed on its surface is formed, and the substrate and the various devices are covered by the interlayer dielectric 62. The interlayer dielectric 62 is typically a silicon oxide, such as a single layer of CVD silicon oxide,
A combination of an oxide layer and a SOG (Spin On Glass) layer may be used. The via hole is formed through the intermediate dielectric 62. Metal or polysilicon internal connections are provided as part of the process for forming the first level interconnect or by a separate process.

【0025】中間層誘電体62は炭素層でカバーされ
る。この炭素層は,例えば,メタン(CH4 )ガスある
いはアセチレン(C2 2)ガスを使用しての高密度プラ
ズマCVD(HPCVD)プロセスにより蒸着できる。
この蒸着を実施するにあたって最適なシステムは,米国
カリフォルニア州サンタクララのApplied Material Cop
oration社から販売されているものが利用可能であり,
詳細については省略する。炭素層64は第1層配線に最
適な厚み,例えば,5000Å〜12000Åの厚みに
蒸着される。フォトレジストマスク,さらに好ましく
は,シリコン酸化物あるいはシリコン窒化物からなる硬
質膜のマスクが,第1層配線が形成されるべき領域にお
いて炭素層を露出させながら,炭素層64上に設けられ
る。
The interlayer dielectric 62 is covered with a carbon layer. This carbon layer can be deposited, for example, by a high-density plasma CVD (HPCVD) process using methane (CH 4 ) gas or acetylene (C 2 H 2 ) gas.
The optimal system for performing this deposition is Applied Material Cop, Santa Clara, California, USA
oration company is available,
Details are omitted. The carbon layer 64 is deposited to a thickness that is optimal for the first layer wiring, for example, a thickness of 5000-12000 °. A photoresist mask, more preferably, a hard film mask made of silicon oxide or silicon nitride is provided on the carbon layer 64 while exposing the carbon layer in a region where the first layer wiring is to be formed.

【0026】異方向性エッチングが実施され,炭素層6
4に溝が形成される。その後,エッチングマスクが除去
される。金属が炭素層64上および溝内に供給される。
第1層配線に使用される金属としては,アルミニウムや
耐火金属,あるいはそのような金属や異なる導電材料の
多層化合物を使用できる。炭素の除去により形成される
エアーギャップによって分離される第1層配線およびそ
の他の導体は,400〜450℃の温度での炭素焼失プ
ロセスに耐えるものであることが好ましい。エッチバッ
クプロセス,より好ましくは化学的機械的研摩(CM
P)プロセスのいずれかにより,炭素層64の表面から
過剰な金属が除去される。それにより,図6に示される
第1層配線66が得られる。第1層配線66の上面は,
炭素層64の上面と面一になっていることが好ましく,
これはCMPプロセスによって容易に得られる。
An anisotropic etching is performed, and a carbon layer 6 is formed.
A groove is formed in 4. Thereafter, the etching mask is removed. Metal is provided on the carbon layer 64 and in the trench.
As the metal used for the first layer wiring, aluminum, a refractory metal, or a multilayer compound of such a metal or a different conductive material can be used. The first layer wiring and other conductors separated by an air gap formed by carbon removal are preferably those that can withstand the carbon burning process at a temperature of 400 to 450 ° C. Etchback process, more preferably chemical mechanical polishing (CM
Excess metal is removed from the surface of the carbon layer 64 by any of the P) processes. Thereby, the first layer wiring 66 shown in FIG. 6 is obtained. The upper surface of the first layer wiring 66
Preferably, it is flush with the upper surface of the carbon layer 64,
This is easily obtained by a CMP process.

【0027】次に,図6の構造体を炭素焼失用システ
ム,あるいはエッチングシステムにセットし,炭素層6
4に酸素プラズマエッチングプロセスを施すことによ
り,炭素層64の一部を炭素層の上面から取り除く。そ
の結果,図7に示すように,第1層配線の上面から数百
Å後退した上面を有する炭素領域68が形成される。次
に,酸化物のキャッピング層70が炭素領域68上およ
び第1層配線66上に蒸着される。キャッピング層70
は第1層配線66の側面の一部に沿っても延出してい
る。キャッピング層70を部分的に金属配線の壁に沿っ
て延出するように形成することは,第1層配線の上面を
露出するために行なわれるエッチングプロセスにおいて
そのプロセスの誤差許容度を増加させる。また,このキ
ャッピング層70は,ランドレスバイアホールの形成を
容易にする。
Next, the structure shown in FIG. 6 is set in a carbon burning-out system or an etching system,
4 is subjected to an oxygen plasma etching process to remove a part of the carbon layer 64 from the upper surface of the carbon layer. As a result, as shown in FIG. 7, a carbon region 68 having an upper surface receded by several hundred degrees from the upper surface of the first layer wiring is formed. Next, an oxide capping layer 70 is deposited on the carbon regions 68 and the first layer wiring 66. Capping layer 70
Extends along a part of the side surface of the first layer wiring 66. Forming the capping layer 70 to partially extend along the wall of the metal wiring increases the error tolerance of the etching process performed to expose the upper surface of the first wiring. Also, the capping layer 70 facilitates the formation of landless via holes.

【0028】本説明においては,主に酸化よりなる炭素
の焼失反応をキャッピング層70を介して実施し,犠牲
炭素層68を除去して第1層配線間に図8に示すような
エアギャップ74を形成している。エアギャップが形成
されたことで,キャッピング層70はエアギャップ74
の上部の広がりを制限し,その後に蒸着される層を支持
する。キャッピング層70は,後に蒸着される層の構造
的な支持を担うための強度を有するように十分な厚みを
有するとともに,焼失反応プロセスにとって最適な厚み
となるように形成されることが好ましい。
In the present description, a burning reaction of carbon mainly consisting of oxidation is performed via the capping layer 70, the sacrificial carbon layer 68 is removed, and an air gap 74 as shown in FIG. Is formed. Due to the formation of the air gap, the capping layer 70 becomes the air gap 74.
Limits the extent of the top of the substrate, and supports the subsequently deposited layers. The capping layer 70 preferably has a thickness sufficient to provide structural support for the subsequently deposited layer, and is preferably formed to have an optimum thickness for the burnout reaction process.

【0029】先行技術(Anand et al.)において議論した
ように,キャッピング層70の厚みとしては,およそ5
00Å程度であることが好ましい。酸化物のキャッピン
グ層70を形成するための特に好ましい方法としては,
ポリマー材料を含む液体から析出,硬化させ,平面化さ
れた酸化物層を得るものがある。尚,この液体は酸素を
含むことが好ましい。例えば,HSQ(hydrogen silses
quioxane) として知られる材料を,液体状態で図7の構
造体上に供給し,およそ400℃の温度で約90分間窒
素雰囲気中でアニールすることにより酸化物のキャッピ
ング層70(名目上はSiO3/2 )が形成される。
As discussed in the prior art (Anand et al.), The thickness of the capping layer 70 is approximately 5
It is preferably about 00 °. Particularly preferred methods for forming the oxide capping layer 70 include:
Some deposit and harden from a liquid containing a polymer material to obtain a planarized oxide layer. This liquid preferably contains oxygen. For example, HSQ (hydrogen silses
A material known as quioxane) is supplied in liquid state on the structure of FIG. 7 and annealed in a nitrogen atmosphere at a temperature of about 400 ° C. for about 90 minutes to form an oxide capping layer 70 (nominally SiO 3). / 2 ) is formed.

【0030】液体HSQ上で回転させ,HSQを硬化さ
せる酸化物キャッピング層70の形成方法は,酸化物層
の平滑化された表面を自動的に形成することができると
いう長所を有する。これが,硬化前に液体ポリマーHS
Qを供給するのにスピンオンプロセス(spin on proces
s) が使用される理由である。誘電体材料の層を形成す
るために析出させ,硬化させることができるその他のポ
リマー材料や液体材料,あるいは誘電体材料の層を形成
するために固化させることができるその他のポリマー材
料や液体材料が,HSQ材料の代わりに使用可能であ
る。キャッピング層形成に使用される液体としては,飽
和溶液からの材料の析出のような化学反応,あるいはプ
ロセスが液体中に生じ,それにより材料が供給されて酸
化物のキャッピング層が形成されるようなものが選択さ
れるだろう。
The method of forming the oxide capping layer 70, which is rotated on the liquid HSQ and hardens the HSQ, has an advantage that a smooth surface of the oxide layer can be automatically formed. This is the liquid polymer HS before curing
Spin on process to supply Q
That is why s) is used. Any other polymer or liquid material that can be deposited and cured to form a layer of dielectric material, or any other polymer or liquid material that can be solidified to form a layer of dielectric material , HSQ material can be used instead. The liquid used to form the capping layer may be a chemical reaction, such as the deposition of material from a saturated solution, or a process that occurs in the liquid, thereby supplying the material and forming an oxide capping layer. Things will be selected.

【0031】キャッピング層70の平滑な表面が自然に
形成されないプロセス,例えば,CVDやHDPCVD
のようなプロセスによって形成されるなら,平滑な平面
を形成するための平面化プロセスが実施されることが好
ましい。例えば,CVD酸化物が使用されるなら,さら
なるプロセスを開始する前にCVD酸化物が化学的機械
的研磨(CMP)プロセスによって平面化されることが
好ましい。平坦化された平面は,後に行なわれるバイア
ホールエッチングステップにおいてそのプロセスマージ
ン(そのプロセスの誤差許容度)をさらに増加させる。
A process in which the smooth surface of the capping layer 70 is not formed naturally, for example, CVD or HDPCVD
If formed by such a process, a flattening process for forming a smooth plane is preferably performed. For example, if CVD oxide is used, it is preferred that the CVD oxide be planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) process before starting further processing. The flattened plane further increases the process margin (error tolerance of the process) in a via hole etching step performed later.

【0032】炭素焼失プロセスが酸化物キャッピング層
70の下から炭素層68を除去するために実施される。
例えば,この焼失プロセスは,酸素雰囲気中,400℃
〜450℃の温度で酸化物層を介して炭素層の厚みを完
全に消耗するのに十分な時間,例えば,1〜2時間,に
わたって実施される。最終的に,このプロセスによって
第1層配線66がエアーギャップ74によって隣接する
第1層配線66から分離される。エアギャップ74は上
部においてキャッピング層によって境界が定義され,下
部においては中間層誘電体62によって境界が定義され
る。
A carbon burnout process is performed to remove carbon layer 68 from beneath oxide capping layer 70.
For example, this burning process is performed at 400 ° C. in an oxygen atmosphere.
It is performed at a temperature of 450 ° C. for a time sufficient to completely consume the thickness of the carbon layer via the oxide layer, for example, for 1 to 2 hours. Finally, the first layer wiring 66 is separated from the adjacent first layer wiring 66 by the air gap 74 by this process. The upper portion of the air gap 74 is defined by the capping layer, and the lower portion is defined by the interlayer dielectric 62.

【0033】エアーギャップは第1層配線間に誘電性の
孤立空間を形成し,隣接する第1層配線66の間に比較
的低いレベルの容量性および誘導性の結合をもたらす。
この実施の形態においては,炭素が犠牲材料であり,こ
の犠牲材料は酸化物キャッピング層を介して行われる酸
化反応によって消耗除去される。酸化物キャッピング層
は,本発明において期待される特性を兼ね備えている。
すなわち,キャピング層は過度の損傷を受けることな
く,酸化消耗反応を容易に進行させることができる。犠
牲材料,キャッピング層,および消耗反応については,
同等の作用および効果が達成できるものであれば上記以
外のシステムも利用可能である。
The air gap forms a dielectric isolation between the first layer interconnects, and provides a relatively low level of capacitive and inductive coupling between adjacent first layer interconnects 66.
In this embodiment, carbon is the sacrificial material, and this sacrificial material is consumed and removed by an oxidation reaction performed through the oxide capping layer. The oxide capping layer has the properties expected in the present invention.
That is, the oxidative depletion reaction can easily proceed without excessive damage to the capping layer. For sacrificial materials, capping layers, and depletion reactions,
Other systems can also be used as long as equivalent operations and effects can be achieved.

【0034】本明細書において使用されているキャッピ
ング層,犠牲層および消耗反応という単語は,本発明に
おける機能にちなんで名付けられたものである。例え
ば,消耗反応は,より具体的には,犠牲層をキャッピン
グ層の下から除去するためのキャッピング層を介しての
反応あるいはプロセスを意味している。尚,本発明の特
定の長所を達成できるような代わりのシステムが採用可
能である。例えば,フォトレジスト材料が,類似のキャ
ッピング層の使用と焼失消耗反応の下で炭素犠牲材料の
代わりに使用されるだろう。フォトレジストは本発明の
多くの同じ長所を達成するだろう。
The terms capping layer, sacrificial layer, and depletion reaction as used herein are named for their function in the present invention. For example, a depletion reaction refers more specifically to a reaction or process through a capping layer to remove a sacrificial layer from underneath the capping layer. It should be noted that alternative systems that can achieve certain advantages of the present invention can be employed. For example, a photoresist material would be used instead of a carbon sacrificial material under the use of a similar capping layer and a burn-out depletion reaction. Photoresist will achieve many of the same advantages of the present invention.

【0035】尚,総括的にみれば,炭素は汚染の程度が
少ないこと,酸化焼失反応により炭素を二酸化炭素に完
全に変換することができること,さらに揮発性反応の副
産物が少ないこと等の理由により,犠牲材料としてはフ
ォトレジストよりも炭素の方が好ましいと言えるだろ
う。にもかかわらず,ある特定の場合には,消耗される
炭素の量が少なく,消耗反応がより迅速に進行するとい
う理由によりフォトレジストが採用されるだろう。
It is to be noted that, when viewed comprehensively, carbon has a low degree of pollution, can completely convert carbon to carbon dioxide by an oxidative burn-out reaction, and has a small amount of by-products of a volatile reaction. As a sacrificial material, it can be said that carbon is more preferable than photoresist. Nevertheless, in certain cases, photoresist will be employed because the amount of carbon consumed is small and the consumption reaction proceeds more quickly.

【0036】次に,図8に示すように,エッチング停止
層72がキャッピング層70上に形成されるだろう。通
常,エッチング停止層は,キャッピング層とは異なる組
成であることが好ましい。重要なのは,エッチング停止
層の上に形成される層,例えば,金属導体間誘電体層と
は十分に組成が異なるようにエッチング停止層が選択さ
れることである。エッチング停止層は,金属導体間誘電
体あるいはその他の層を介して実施されるバイアホール
エッチングプロセスにおけるエッチングストッパーとし
て機能する。よく使用されるものとして,金属導体間誘
電体層がシリコンの酸化物であり,エッチング停止層が
シリコンの窒化物である。例えば,シリコン窒化物でな
るエッチング停止層はCVD法により厚みがおよそ20
0Å〜500Åの厚みになるように蒸着されるだろう。
窒化物層の厚さは,最適なエッチング停止機能を提供す
るのに必要な厚さ以上にならないように決定される。
Next, an etch stop layer 72 will be formed on the capping layer 70, as shown in FIG. Generally, it is preferable that the etching stop layer has a composition different from that of the capping layer. What is important is that the etch stop layer be selected to be sufficiently different in composition from the layer formed over the etch stop layer, for example, the intermetal dielectric layer. The etch stop layer functions as an etch stop in the via hole etching process performed through the intermetal dielectric or other layers. Often used, the intermetal dielectric layer is an oxide of silicon and the etch stop layer is a nitride of silicon. For example, an etching stop layer made of silicon nitride has a thickness of about 20
It will be deposited to a thickness of 0-500 °.
The thickness of the nitride layer is determined so that it is not greater than necessary to provide an optimal etch stop.

【0037】エッチング停止層の形成過程において窒化
物の蒸着がゆっくりであること,エッチング停止層72
を介して穴を形成するのに必要なバイアホールエッチン
グプロセスにおいて過剰の窒化物は不必要に長いエッチ
ング時間を必要とすること等の理由により,過剰の厚さ
の窒化物の形成は望ましくない。金属導体間誘電体層が
酸化物キャッピング層と組成に関して十分に異なってい
るような場合,酸化物キャッピング層がエッチング停止
層として役に立つだろう。金属導体間誘電体材料として
酸化物が使用される場合,酸化物キャピング層と共にシ
リコン窒化物エッチング停止層を使用することが望まし
い。
The fact that nitride is deposited slowly during the process of forming the etch stop layer
The formation of excessively thick nitride is undesirable, for example, because excess nitride requires an unnecessarily long etch time in the via hole etching process required to form a hole through the via. If the intermetal dielectric layer is sufficiently different in composition from the oxide capping layer, the oxide capping layer may serve as an etch stop layer. If an oxide is used as the intermetal dielectric material, it is desirable to use a silicon nitride etch stop layer with the oxide capping layer.

【0038】エッチング停止層を蒸着した後,追加の配
線層が第1層配線とエアギャップを形成するのに行なっ
たのと同様な手法を繰り返すことにより形成されるだろ
う。すなわち,エッチング停止層は炭素層によってカバ
ーされ,炭素層は配線形成のためにパターン化され,さ
らなるプロセスが上記と同様の手法に基づいて進められ
る。したがって,金属導体間誘電体,バイアホール,垂
直結合部および第2層配線を形成するためのプロセスに
ついては,以下の説明で十分に理解されるだろう。尚,
種々のエアギャップ,炭素あるいはその他の材料が,第
1層配線と第2層配線との間を接続するための垂直接続
部が形成される金属導体間誘電体層中に含まれても良い
ことを留意すべきである。
After depositing the etch stop layer, an additional wiring layer will be formed by repeating the same technique used to form the air gap with the first layer wiring. That is, the etch stop layer is covered by a carbon layer, the carbon layer is patterned for interconnect formation, and further processing proceeds in a similar manner as described above. Accordingly, the process for forming the intermetallic dielectric, via hole, vertical coupling, and second layer interconnect will be fully understood in the following description. still,
Various air gaps, carbon or other materials may be included in the dielectric layer between the metal conductors where the vertical connection for connecting between the first layer wiring and the second layer wiring is formed. It should be noted.

【0039】図8に示されるように,金属導体間誘電体
層76は,例えば,TEOSソースガスからシリコン酸
化物を合成するCVD法により,エッチング停止層72
の表面上に蒸着される。例えば,従来のフォトリソグラ
フィによってエッチングマスクになるように形成される
フォトレジスト層を設けることにより,バイアホールマ
スクが金属導体間誘電体層76上に設けられる。バイア
ホールエッチングはLAMレインボ−(LAM Rainbow) シ
ステムを含む多くの誘電体エッチング剤の使用により実
施されるだろう。
As shown in FIG. 8, the inter-metal dielectric layer 76 is formed by, for example, a CVD method of synthesizing silicon oxide from a TEOS source gas by an etching stop layer 72.
Is deposited on the surface. For example, a via-hole mask is provided on the intermetallic dielectric layer 76 by providing a photoresist layer formed to serve as an etching mask by conventional photolithography. Via hole etching may be performed by using a number of dielectric etchants, including the LAM Rainbow system.

【0040】酸化物と窒化物との間のエッチングプロセ
スの選択性をユーザーが調節しやすいという理由でLA
Mレインボ−システムを使用することは特に好ましい。
これは,良好なプロセス制御性を保ちながら,一連の連
続するプロセスステップを採用している単一のプロセス
システムにおいて,バイアホールエッチングの種々のス
テージを実行するのに有利である。バイアホールエッチ
ングは,エッチング剤により金属導体間誘電体層を介し
て行なわれる。使用されるエッチング剤は,金属導体間
誘電体層を介してのバイアホールエッチングの少なくと
も終了間際において,エッチング停止層を急激にエッチ
ングすることなく,酸化物を選択的にエッチングするこ
とが好ましい。
LA because the selectivity of the etching process between oxide and nitride is easy for the user to adjust.
It is particularly preferred to use the M rainbow system.
This is advantageous for performing the various stages of via-hole etching in a single process system employing a series of consecutive process steps while maintaining good process control. Via hole etching is performed via an intermetal dielectric layer by an etching agent. Preferably, the etchant used selectively etches the oxide at least immediately before the via-hole etch through the intermetal dielectric layer without sharply etching the etch stop layer.

【0041】比較的高いエッチング速度であるが選択性
の低いエッチングプロセスがバイアホールエッチングプ
ロセスの初期段階として行われ,それに続いて選択性が
向上されエッチング速度を遅くしたエッチングプロセス
を第2段階として行なうことも好ましい。例えば,第1
段階として,高速で低選択性のバイアホールエッチング
プロセスがCF4 を含むソースガスのプラズマを使用し
て実施され,第2段階では,低速でより選択性の高いエ
ッチングプロセスがC2 6 あるいはC3 8を含むガ
スを使用して実施されるだろう。バイアホールエッチン
グプロセスの第1段階は,金属導体間誘電体層を介して
部分的にエッチングするのに使用され,エッチングプロ
セスがエッチング停止層に近づく前に中止される。バイ
アホールエッチングプロセスはそれから選択性の高いエ
ッチングにより継続され,エッチング停止層において停
止される。上記以外の最適なエッチングシステムがこの
技術分野に従事している者に知られており,それらにつ
いても利用可能である。
An etching process with a relatively high etching rate but low selectivity is performed as an initial stage of the via hole etching process, followed by an etching process with improved selectivity and reduced etching speed as the second stage. It is also preferred. For example, the first
As a stage, a high speed, low selectivity via hole etching process is performed using a plasma of a source gas containing CF 4, and in a second stage, a slower, more selective etching process is performed using C 2 F 6 or C 2 F 6. using a gas containing 3 F 8 will be performed. The first stage of the via hole etching process is used to partially etch through the intermetal dielectric layer, and is stopped before the etching process approaches the etch stop layer. The via hole etching process is then continued with a highly selective etch and stopped at the etch stop layer. Other optimal etching systems are known to those skilled in the art and are available.

【0042】金属導体間誘電体層76が厚みのばらつき
を有するとともに,固定された時間のエッチングプロセ
スの結果を予測不可能で信頼性の乏しいものにするよう
なエッチング特性のばらつきを有するため,エッチング
停止層を設けることと適切なエッチングシステムを採用
することがバイアホールエッチングを実施するにあたっ
て重要である。バイアホールを完成させるため行なわれ
るその後のエッチングステップは,より薄い層を介して
進行する。この薄い層を介してのエッチングは,厚い金
属導体間誘電体層を介してのエッチングプロセスの場合
よりもより注意深く制御される必要がある。さらに,エ
ッチング停止層とキャッピング層は平面化されているの
で,実施されるエッチングプロセスは,膜厚にばらつき
のある金属導体間誘電体層に対して行なうよりも予測可
能で均一なものとなる。
Since the intermetallic dielectric layer 76 has a variation in thickness and a variation in etching characteristics that makes the result of the etching process for a fixed time unpredictable and unreliable, Providing a stop layer and employing an appropriate etching system is important in performing via hole etching. Subsequent etching steps performed to complete the via holes proceed through thinner layers. Etching through this thin layer needs to be more carefully controlled than in the etching process through a thick intermetal dielectric layer. In addition, because the etch stop layer and the capping layer are planarized, the etching process performed is more predictable and uniform than performed on inter-metal dielectric layers having varying thicknesses.

【0043】バイアホールが第1層金属配線66に向か
って垂直に延出するように金属導体間誘電体層76を介
して形成された後,バイアホールエッチングがエッチン
グ停止層72とキャッピング層70を介して第1層配線
66の表面に達するように継続される。窒化物のエッチ
ング停止層72に関して言えば,このエッチング停止層
は窒化物エッチング剤,たとえば,SF6ソースガスか
ら得られるプラズマの使用により除去される。酸化物キ
ャッピング層70の一部は,バイアホール内において,
通常の酸化物エッチング剤を使用しての一定時間のエッ
チングプロセスにより除去される。薄い,平面化された
酸化物キャッピング層70を介してこのエッチングは,
制御が容易であり,配線66の表面を十分に清浄化する
がキャッピング層70を介して完全にエッチングするこ
とを避けるように進行する。図9においては,バイアホ
ールのほとんどが第1配線66上に配置されているが,
バイアホールの一部は第1配線66上に配置されないよ
うな構造になっている。
After the via hole is formed via the inter-metal dielectric layer 76 so as to extend vertically toward the first layer metal wiring 66, the via hole etching removes the etching stop layer 72 and the capping layer 70. The process is continued so as to reach the surface of the first layer wiring 66 via the first wiring. With respect to the nitride etch stop layer 72, the etch stop layer is removed by use of a nitride etchant, for example, a plasma obtained from a SF6 source gas. A part of the oxide capping layer 70 is formed in the via hole.
It is removed by a constant time etching process using a conventional oxide etchant. This etching through a thin, planarized oxide capping layer 70
It is easy to control and proceeds so as to sufficiently clean the surface of the wiring 66 but avoid complete etching through the capping layer 70. In FIG. 9, although most of the via holes are arranged on the first wiring 66,
Part of the via hole has a structure that is not arranged on the first wiring 66.

【0044】本発明において,第1層配線の壁に沿って
下方向に部分的に延出するキャッピング層の形成は,バ
イアホールエッチングプロセスを完成させるのに十分な
マージンを提供する。換言すれば,バイアホールエッチ
ングプロセスを行なう位置に多少の誤差が発生しても,
キャッピング層が破損して,バイアホールとエアーギャ
ップ74が連通してしまうような不良を防ぐのに十分な
誤差許容度を提供できるのである。すでに説明したよう
に,この構造上の特徴は,キャッピング層の蒸着に先だ
って炭素犠牲層の一部をエッチバックするか,あるいは
第1層配線の側壁の一部を露出させるために炭素層の上
面を凹ませることにより得られる。
In the present invention, the formation of a capping layer that extends partially down along the walls of the first layer interconnect provides a sufficient margin to complete the via hole etching process. In other words, even if a slight error occurs in the position where the via hole etching process is performed,
It is possible to provide an error tolerance sufficient to prevent a failure in which the capping layer is damaged and the via hole communicates with the air gap 74. As already explained, this structural feature is to etch back part of the carbon sacrificial layer prior to depositing the capping layer, or to expose part of the sidewalls of the first layer wiring to the top of the carbon layer. Is obtained by denting.

【0045】プロセスはバイアホールが形成された後も
続き,配線66の表面が浄化され,バイアホールを満た
すために金属プラグ78が形成される。金属プラグはア
ルミニウムで形成されることが好ましいが,WF6 をソ
ースガスとするCVDプロセスによりタングステンで形
成されてもよい。多くの場合,プラグ形成は,チタンや
窒化チタンのような接着剤あるいは接着層をバイアホー
ル内および金属導体間誘電体層76の表面上に形成する
ことからはじまる。スパッタリングあるいはCVDプロ
セスにより接着剤あるいは接着層が形成された後,タン
グステンがCVDプロセスに供給され,バイアホール内
がタングステンプラグで満たされる。そして,化学的機
械的研摩(CMP)あるいはエッチバックプロセスを行
なって,タングステンプラグ78の垂直延出部を形成す
るとともに,金属導体間誘電体層76の表面から過剰の
タングステンを除去する。この研摩あるいはエッチバッ
クプロセスは接着剤層の不必要な部分を除去するための
ものである。
The process continues after the formation of the via hole, the surface of the wiring 66 is cleaned, and a metal plug 78 is formed to fill the via hole. The metal plug is preferably formed of aluminum, but may be formed of tungsten by a CVD process using WF 6 as a source gas. In many cases, plug formation begins with forming an adhesive or adhesive layer, such as titanium or titanium nitride, in the via hole and on the surface of the intermetallic dielectric layer 76. After an adhesive or an adhesive layer is formed by a sputtering or CVD process, tungsten is supplied to the CVD process, and the inside of the via hole is filled with a tungsten plug. Then, a chemical mechanical polishing (CMP) or an etch-back process is performed to form a vertical extension of the tungsten plug 78 and to remove excess tungsten from the surface of the intermetallic dielectric layer 76. This polishing or etchback process is for removing unnecessary portions of the adhesive layer.

【0046】さらなるプロセスが,図9に示される配線
80のような第2層配線を形成するために続けられる。
第2層配線は,ブランケット金属蒸着および通常のフォ
トリソグラフィあるいは食刻プロセス(damascene proce
ss) によって形成されるだろう。本発明は,好ましい実
施の形態を説明するためのものであり,このプロセスお
よび構造への変更および修正が本発明の基本技術を変更
することなくこの技術分野に従事する者によって実施さ
れるだろう。例えば,本明細書では,発明を理解しやす
くするため隣接する第1層配線と第2層配線の形成につ
いて説明を行なっているが,本発明は,多層間接合構造
のすべての層あるいはそのうちのいくつかについても同
様に当てはまるものである。このように,本発明は特定
の実施例に限定されるものではなく,本発明の範囲は続
くクレームから決定されるべきである。
Further processing is continued to form a second layer wiring, such as wiring 80 shown in FIG.
The second layer wiring is made by blanket metal deposition and normal photolithography or etching process.
ss). The present invention is intended to describe a preferred embodiment, and changes and modifications to this process and structure will be made by those skilled in the art without changing the basic technology of the present invention. . For example, in this specification, the formation of the adjacent first-layer wiring and the second-layer wiring is described for easy understanding of the present invention. The same is true for some. Thus, the present invention is not limited to a particular embodiment, but the scope of the present invention should be determined from the following claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は,隣接する配線を分離する誘電体材料と
してエアギャップを含む従来の多層間接続構造を示す概
略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing a conventional multilayer connection structure including an air gap as a dielectric material for separating adjacent wirings.

【図2】図2は,図1の多層間接続構造の形成方法を示
す概略図である。
FIG. 2 is a schematic view showing a method of forming the multilayer connection structure of FIG. 1;

【図3】図3は,図2の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。
FIG. 3 is a schematic view showing a method of forming a multi-layer connection structure performed after FIG. 2;

【図4】図4は,図3の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。
FIG. 4 is a schematic view showing a method of forming a multilayer connection structure performed after FIG. 3;

【図5】図5は,図4の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。
FIG. 5 is a schematic view showing a method for forming a multilayer connection structure performed after FIG. 4;

【図6】図6は,本発明の実施例に基づく多層間接続構
造の形成方法を示す概略図である。
FIG. 6 is a schematic view showing a method of forming a multi-layer connection structure according to an embodiment of the present invention.

【図7】図7は,図6の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a method of forming a multilayer connection structure performed after FIG. 6;

【図8】図8は,図7の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。
FIG. 8 is a schematic view showing a method of forming a multilayer connection structure performed after FIG. 7;

【図9】図9は,図8の後に実施される多層間接続構造
の形成方法を示す概略図である。
FIG. 9 is a schematic view showing a method of forming a multilayer connection structure performed after FIG. 8;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

60 半導体基板 62 0中間層誘電体 66 第1層配線 74 エアギャップ 70 キャッピング層 72 エッチング停止層 76 金属導体間誘電体層 78 金属プラグ 80 第2層配線 Reference Signs List 60 semiconductor substrate 62 0 intermediate layer dielectric 66 first layer wiring 74 air gap 70 capping layer 72 etching stop layer 76 dielectric layer between metal conductors 78 metal plug 80 second layer wiring

Claims (38)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1配線が犠牲材料層によって第2配線か
ら横方向に離されるように絶縁層上に配線パターンを設
け,犠牲材料層の上面が前記第1および第2配線の上面
より下に位置するように前記犠牲材料層の一部を除去
し,その後前記第1および第2配線上,および犠牲材料
層の上面にキャッピング材料層を設け,前記キャッピン
グ材料層を介しての前記犠牲材料層の消耗反応により犠
牲材料層の少なくとも一部をさらに除去し,第1配線と
第2配線との間にキャッピング材料層によって上部境界
が定義される空気誘電体を形成することを特徴とする集
積回路デバイスの形成方法。
A wiring pattern is provided on an insulating layer so that a first wiring is laterally separated from a second wiring by a sacrificial material layer, and an upper surface of the sacrificial material layer is lower than upper surfaces of the first and second wirings. A capping material layer is provided on the first and second wirings and on the upper surface of the sacrificial material layer, and the sacrificial material layer is interposed through the capping material layer. An integration, wherein at least a portion of the sacrificial material layer is further removed by a layer consumption reaction to form an air dielectric between the first wiring and the second wiring, the upper boundary being defined by the capping material layer. A method for forming a circuit device.
【請求項2】前記キャッピング材料は酸化物であり,前
記消耗反応が酸化プロセスであることを特徴とする請求
項1記載の形成方法。
2. The method according to claim 1, wherein the capping material is an oxide, and the depletion reaction is an oxidation process.
【請求項3】前記犠牲材料は,炭素を含むことを特徴と
する請求項2記載の形成方法。
3. The method according to claim 2, wherein said sacrificial material includes carbon.
【請求項4】前記犠牲材料は,本質的に炭素からなるこ
とを特徴とする請求項3記載の形成方法。
4. The method of claim 3, wherein said sacrificial material consists essentially of carbon.
【請求項5】前記消耗反応を第1配線と第2配線の間の
前記犠牲材料層のすべてを除去するまで継続することを
特徴とする請求項4記載の形成方法。
5. The method according to claim 4, wherein the exhaustion reaction is continued until all of the sacrificial material layer between the first wiring and the second wiring is removed.
【請求項6】前記キャッピング材料層は,第1配線およ
び第2配線上に液体の層を供給し,固体酸化物層に硬化
させることにより形成されることを特徴とする請求項2
記載の形成方法。
6. The semiconductor device according to claim 2, wherein the capping material layer is formed by supplying a liquid layer on the first wiring and the second wiring and curing the liquid layer to a solid oxide layer.
The forming method as described above.
【請求項7】前記液体はHSQ(hydrogen silsesquioxa
ne) であることを特徴とする請求項6記載の形成方法。
7. The liquid is HSQ (hydrogen silsesquioxa).
The method according to claim 6, wherein ne) is satisfied.
【請求項8】前記キャッピング材料層は,スピンオンプ
ロセス(spin on process) において前記第1配線および
第2配線上に液体を供給することにより形成されること
を特徴とする請求項1記載の形成方法。
8. The method according to claim 1, wherein the capping material layer is formed by supplying a liquid onto the first wiring and the second wiring in a spin-on process. .
【請求項9】前記液体内のキャッピング材料を硬化して
前記キャッピング材料層を形成することを特徴とする請
求項8記載の形成方法。
9. The method according to claim 8, wherein the capping material in the liquid is cured to form the capping material layer.
【請求項10】前記液体はポリマー材料を含むことを特
徴とする請求項8記載の形成方法。
10. The method of claim 8, wherein said liquid comprises a polymer material.
【請求項11】前記液体は酸素を含むことを特徴とする
請求項9記載の形成方法。
11. The method according to claim 9, wherein said liquid contains oxygen.
【請求項12】前記キャッピング層は第1配線および第
2配線の上面をカバーし,キャッピング層は平面化され
ていることを特徴とする請求項1記載の形成方法。
12. The method according to claim 1, wherein the capping layer covers upper surfaces of the first wiring and the second wiring, and the capping layer is planarized.
【請求項13】前記犠牲材料層をパターン化して溝を形
成し,前記溝内および犠牲材料層上に金属を供給し,過
剰の金属を除去して犠牲材料層内に前記配線パターンを
形成することを特徴とする請求項1記載の形成方法。
13. The sacrificial material layer is patterned to form a groove, metal is supplied in the groove and on the sacrificial material layer, and excess metal is removed to form the wiring pattern in the sacrificial material layer. The method according to claim 1, wherein:
【請求項14】前記の過剰金属の除去ステップは,化学
的機械的研摩によって実施されることを特徴とする請求
項13記載の形成方法。
14. The method according to claim 13, wherein the step of removing excess metal is performed by chemical mechanical polishing.
【請求項15】前記消耗反応後に,前記キャッピング材
料とは異なる組成を有するエッチング停止材料の層をキ
ャッピング材料層上に設け,前記エッチング停止材料と
は異なる組成を有する金属導体間誘電体層を前記エッチ
ング停止材料層上に設け,前記金属導体間誘電体層を介
してのエッチング,前記エッチング停止材料層における
エッチングの停止,前記エッチング停止材料層を介して
のエッチング,および前記キャッピング材料層を介して
のエッチングによりバイアホールを形成することを特徴
とする請求項1記載の形成方法。
15. After the depletion reaction, a layer of an etching stop material having a composition different from the capping material is provided on the capping material layer, and the inter-metal dielectric layer having a composition different from the etching stop material is formed on the capping material layer. Provided on an etching stop material layer, etching through the intermetallic dielectric layer, stopping etching in the etching stop material layer, etching through the etching stop material layer, and via the capping material layer 2. The method according to claim 1, wherein a via hole is formed by etching.
【請求項16】前記キャッピング層を介してのエッチン
グステップは,第1配線の表面を清浄化するが,キャッ
ピング材料層の全厚みを介してはエッチングしないこと
を特徴とする請求項15記載の形成方法。
16. The method of claim 15, wherein the step of etching through the capping layer cleans the surface of the first interconnect but does not etch through the entire thickness of the capping material layer. Method.
【請求項17】バイアホールのほとんどが第1配線上に
配置されるが,バイアホールの一部は第1配線上に配置
されないことを特徴とする請求項16記載の形成方法。
17. The method according to claim 16, wherein most of the via holes are arranged on the first wiring, but part of the via holes are not arranged on the first wiring.
【請求項18】前記金属導体間誘電体層を介してのエッ
チングプロセスが,比較的早い速度のエッチングプロセ
スである第1ステージと比較的高い選択性を有するエッ
チングプロセスである第2ステージでなることを特徴と
する請求項16記載の形成方法。
18. An etching process through the intermetal dielectric layer comprising a first stage which is a relatively high-speed etching process and a second stage which is an etching process having a relatively high selectivity. 17. The forming method according to claim 16, wherein:
【請求項19】前記キャッピング材料は酸化物であり,
前記エッチング停止材料は窒化物であることを特徴とす
る請求項15記載の形成方法。
19. The capping material is an oxide,
The method of claim 15, wherein the etch stop material is a nitride.
【請求項20】前記金属導体間誘電体材料は酸化物を含
むことを特徴とする請求項19記載の形成方法。
20. The method according to claim 19, wherein said intermetallic dielectric material includes an oxide.
【請求項21】個々の配線が犠牲材料によって横方向に
離されるように絶縁層上に配線パターンを形成し,前記
配線パターン上および犠牲材料の上面にキャッピング層
を設け,前記キャッピング層を介しての犠牲材料層の消
耗反応により犠牲材料層の少なくとも一部を消耗させて
消耗した犠牲材料層の跡に空気誘電体を残し,前記消耗
反応後にキャッピング層上にエッチング停止層を設け,
エッチング停止層とは異なる組成を有する金属導体間誘
電体材料層をエッチング停止層上に設け,金属導体間誘
電体層を介してのエッチング,エッチング停止層におけ
るエッチングの停止,エッチング停止層を介してのエッ
チング,およびキャッピング層を介してのエッチングに
よりバイアホールを形成することを特徴とする集積回路
デバイスの形成方法。
21. A wiring pattern is formed on an insulating layer so that individual wirings are laterally separated by a sacrificial material, a capping layer is provided on the wiring pattern and on an upper surface of the sacrificial material, and via the capping layer. Depleting at least a portion of the sacrificial material layer by the depletion reaction of the sacrificial material layer, leaving an air dielectric on the trace of the depleted sacrificial material layer, providing an etching stop layer on the capping layer after the depletion reaction,
An intermetallic dielectric material layer having a composition different from that of the etching stop layer is provided on the etching stop layer, and etching is performed through the intermetallic dielectric layer, etching is stopped in the etching stop layer, and the etching is stopped through the etching stop layer. Forming a via hole by etching the semiconductor substrate and etching through a capping layer.
【請求項22】前記エッチング停止層は,前記キャッピ
ング層とは異なる組成を有することを特徴とする請求項
21記載の形成方法。
22. The method according to claim 21, wherein the etching stop layer has a composition different from that of the capping layer.
【請求項23】前記キャッピング層を介してのエッチン
グステップは,配線の表面を清浄化するが,キャッピン
グ層の全厚みを介してはエッチングしないことを特徴と
する請求項21記載の形成方法。
23. The method according to claim 21, wherein the step of etching through the capping layer cleans the surface of the wiring but does not etch through the entire thickness of the capping layer.
【請求項24】前記キャッピング材料層は,第1配線お
よび第2配線上に液体の層を供給し,酸化物を含む固体
層に硬化させることにより形成されることを特徴とする
請求項21記載の形成方法。
24. The method according to claim 21, wherein the capping material layer is formed by supplying a liquid layer on the first wiring and the second wiring and curing the liquid layer to a solid layer containing an oxide. Formation method.
【請求項25】前記液体はHSQ(hydrogen silsesquio
xane) であることを特徴とする請求項24記載の形成方
法。
25. The liquid is HSQ (hydrogen silsesquio).
25. The forming method according to claim 24, wherein xane) is used.
【請求項26】前記キャッピング層は酸化物であり,前
記消耗反応が酸化プロセスであることを特徴とする請求
項21記載の形成方法。
26. The method according to claim 21, wherein said capping layer is an oxide, and said depletion reaction is an oxidation process.
【請求項27】前記犠牲材料は,炭素を含むことを特徴
とする請求項26記載の形成方法。
27. The method according to claim 26, wherein said sacrificial material includes carbon.
【請求項28】前記犠牲材料は本質的に炭素からなるこ
とを特徴とする請求項27記載の形成方法。
28. The method according to claim 27, wherein said sacrificial material consists essentially of carbon.
【請求項29】前記消耗反応をキャッピング層の下の前
記犠牲材料層のすべてを除去するまで継続することを特
徴とする請求項26記載の形成方法。
29. The method according to claim 26, wherein the depletion reaction is continued until all of the sacrificial material layer below the capping layer is removed.
【請求項30】前記エッチング停止層の形成に先立っ
て,犠牲材料層の上面が前記配線の上面より下に位置す
るように前記犠牲材料層の一部を除去することを特徴と
する請求項21記載の形成方法。
30. A method according to claim 21, wherein a portion of the sacrificial material layer is removed such that an upper surface of the sacrificial material layer is located below an upper surface of the wiring before forming the etching stop layer. The forming method as described above.
【請求項31】前記犠牲材料は炭素であり,前記キャッ
ピング層が酸化物であり,前記エッチング停止層が窒化
物であることを特徴とする請求項30記載の形成方法。
31. The method of claim 30, wherein the sacrificial material is carbon, the capping layer is an oxide, and the etch stop layer is a nitride.
【請求項32】前記バイアホールは金属プラグで満たさ
れていることを特徴とする請求項21記載の形成方法。
32. The method according to claim 21, wherein said via hole is filled with a metal plug.
【請求項33】前記金属プラグは,第1層の配線を第2
層の配線に接続することを特徴とする請求項32記載の
形成方法。
33. The metal plug, comprising:
33. The method according to claim 32, wherein the wiring is connected to a layer wiring.
【請求項34】前記金属プラグは,タングステンを含む
ことを特徴とする請求項33記載の形成方法。
34. The method according to claim 33, wherein said metal plug contains tungsten.
【請求項35】前記キャッピング材料層の形成ステップ
は,スピンオンプロセス(spin on process) において前
記配線上に液体を供給することを含むことを特徴とする
請求項21記載の形成方法。
35. The method according to claim 21, wherein the step of forming the capping material layer includes supplying a liquid onto the wiring in a spin-on process.
【請求項36】前記キャッピング材料層の形成ステップ
は,前記配線上に液体を供給することを含み,その液体
を固化させてキャッピング材料層が形成されることを特
徴とする請求項21記載の形成方法。
36. The method according to claim 21, wherein the step of forming the capping material layer includes supplying a liquid onto the wiring, and the liquid is solidified to form the capping material layer. Method.
【請求項37】前記液体はポリマー材料を含むことを特
徴とする請求項35記載の形成方法。
37. The method according to claim 35, wherein said liquid comprises a polymer material.
【請求項38】前記液体は酸素を含むことを特徴とする
請求項36記載の形成方法。
38. The method according to claim 36, wherein said liquid contains oxygen.
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