(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に積層された複数の階層のうちの所定の階層に所定形状の配線膜が形成された半導体装置であって、
隣接する前記配線膜間に空間領域が形成され、
前記所定の階層において前記配線膜の周囲を連続して囲むように前記配線膜と同一材料からなる遮蔽構造が設けられ、当該遮蔽構造にエッチング液の侵入口が形成され、
前記侵入口が絶縁膜によって封止されており、前記空間領域が略真空状態に保たれていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記侵入口の横幅が、前記所定の階層における前記配線膜又は前記遮蔽構造の膜厚の１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記配線膜の上面及び下面が拡散防止膜によって覆われていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記空間領域を埋めた層間絶縁膜が前記侵入口から侵入したエッチング液により除去されることにより前記空間領域が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記配線膜が銅、銀及び金のうちのいずれかの材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記所定の階層が複数層連続して形成され、上下方向に隣接する階層の前記配線膜同士が接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記遮蔽構造の外側に前記配線膜の形成されている階層のうちの最下層の深さまで達する溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記遮蔽構造に前記侵入口が形成されていない階層を備え、当該階層に前記空間領域が形成されていないことを特徴とする請求項６又は７記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体基板の上に形成された第１の絶縁膜上に所定形状の配線膜及び当該配線膜間を埋め込む層間絶縁膜を形成する第１の工程であって、前記配線膜の形成とともに、前記配線膜の周囲を連続して囲むように前記配線膜と同一材料からなりエッチング液の侵入口を備えた遮蔽構造を形成し、前記配線膜間及び前記配線膜と前記遮蔽構造の間を前記層間絶縁膜で埋め込む工程と、
前記層間絶縁膜及び前記配線膜上に第２の絶縁膜を形成する第２の工程と、
前記配線膜が形成された領域の外側から前記エッチング液を侵入させて前記層間絶縁膜を除去し、隣接する前記配線膜間に空間領域を形成する工程であって、前記侵入口から前記配線膜に向かって前記エッチング液を侵入させる第３の工程と、
第３の絶縁膜を形成して前記侵入口を封止して、前記空間領域を略真空状態とする第４の工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記層間絶縁膜が無機ＳＯＧ膜であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記配線膜を銅、銀及び金のうちのいずれかの材料により形成することを特徴とする請求項９又は１０記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１及び第２の絶縁膜がシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記層間絶縁膜は無機ＳＯＧ膜からなり、前記配線膜は銅、銀及び金のうちのいずれかの材料からなり、前記第１及び第２の絶縁膜はシリコン窒化膜からなり、前記エッチング液は、銅、銀又は金及びシリコン窒化膜に対する無機ＳＯＧ膜の選択比が大きいエッチング液であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第２の工程後、前記第３の工程前に、前記遮蔽構造の周囲に前記配線膜の深さまで達する溝を形成する第５の工程を更に有し、
前記第３の工程において、前記溝から前記侵入口へエッチング液を流すことを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第１の工程において、ダマシン法により前記第１の絶縁膜上に前記配線膜及び前記層間絶縁膜を形成することを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特にダマシン法により形成された銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の金属配線を備えた半導体装置に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近時における半導体装置の微細化、多層化に伴い、各配線層間の容量に起因する配線遅延の発生を低減することが必要不可欠となりつつある。このため、各配線層間に形成する層間絶縁膜として低誘電率膜を用い、配線間の容量を低減させることが行われている。一方、配線材料については、従来のアルミニウム（Ａｌ）配線に代わって、銅、銀、金等の低抵抗金属配線が用いられるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、層間絶縁膜の容量は層間絶縁膜の材料によって定まるため、容量を低減させることにも一定の限界があった。また、ダマシン法等のプロセスにより層間絶縁膜と配線からなる層を形成して多層配線を積層していくと、プロセス中に層間絶縁膜の劣化が生じ、誘電率の上昇が起きたり、層間絶縁膜中へ銅等の配線材料が拡散するために耐圧劣化が生じていた。また、銅等の低抵抗金属を配線として用いた場合、層間絶縁膜へ銅等の金属が拡散することを防止するためにバリアメタルの形成が必要不可欠となり、微細化が進むにつれて実効的な配線抵抗が大きくなるという問題が生じていた。
【０００４】
この発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、配線間の容量を低減させて遅延時間を最小限に抑えるとともに、配線材料の拡散、酸化等の劣化を最小限に抑え、信頼性を向上させた半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の半導体装置は、半導体基板上に積層された複数の階層のうちの所定の階層に所定形状の配線膜が形成された半導体装置であって、隣接する前記配線膜間に空間領域が形成され、前記所定の階層において前記配線膜の周囲を連続して囲むように前記配線膜と同一材料からなる遮蔽構造が設けられ、当該遮蔽構造にエッチング液の侵入口が形成され、前記侵入口が絶縁膜によって封止されており、前記空間領域が略真空状態に保たれているものである。
【０００７】
また、前記侵入口の横幅は、前記所定の階層における前記配線膜又は前記遮蔽構造の膜厚の１／２以下である。
【０００８】
また、前記配線膜の上面及び下面が拡散防止膜によって覆われているものである。
【０００９】
また、前記空間領域を埋めた層間絶縁膜が前記侵入口から侵入したエッチング液により除去されることにより前記空間領域が形成されているものである。
【００１１】
また、前記配線膜が銅、銀及び金のうちのいずれかの材料から構成されているものである。
【００１２】
また、前記所定の階層が複数層連続して形成され、上下方向に隣接する階層の前記配線膜同士が接続されているものである。
【００１３】
また、前記遮蔽構造の外側に前記配線膜の形成されている階層のうちの最下層の深さまで達する溝が形成されているものである。
【００１４】
また、前記遮蔽構造に前記侵入口が形成されていない階層を備え、当該階層に前記空間領域が形成されていないものも含む。
【００１５】
また、この発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に形成された第１の絶縁膜上に所定形状の配線膜及び当該配線膜間を埋め込む層間絶縁膜を形成する第１の工程であって、前記配線膜の形成とともに、前記配線膜の周囲を連続して囲むように前記配線膜と同一材料からなりエッチング液の侵入口を備えた遮蔽構造を形成し、前記配線膜間及び前記配線膜と前記遮蔽構造の間を前記層間絶縁膜で埋め込む工程と、前記層間絶縁膜及び前記配線膜上に第２の絶縁膜を形成する第２の工程と、前記配線膜が形成された領域の外側から前記エッチング液を侵入させて前記層間絶縁膜を除去し、隣接する前記配線膜間に空間領域を形成する工程であって、前記侵入口から前記配線膜に向かって前記エッチング液を侵入させる第３の工程と、第３の絶縁膜を形成して前記侵入口を封止して、前記空間領域を略真空状態とする第４の工程とを有するものである。
【００１６】
また、前記層間絶縁膜を無機ＳＯＧ膜としたものである。
【００１９】
また、前記配線膜を銅、銀及び金のうちのいずれかの材料により形成するものである。
【００２０】
また、前記第１及び第２の絶縁膜がシリコン窒化膜からなるものである。
【００２１】
また、前記層間絶縁膜は無機ＳＯＧ膜からなり、前記配線膜は銅、銀及び金のうちのいずれかの材料からなり、前記第１及び第２の絶縁膜はシリコン窒化膜からなり、前記エッチング液は、銅、銀又は金及びシリコン窒化膜に対する無機ＳＯＧ膜の選択比が大きいエッチング液である。
【００２３】
また、前記第２の工程後、前記第３の工程前に、前記遮蔽構造の周囲に前記配線膜の深さまで達する溝を形成する第５の工程を更に有し、前記第３の工程において、前記溝から前記侵入口へエッチング液を流すものである。
【００２４】
また、前記第１の工程において、ダマシン法により前記第１の絶縁膜上に前記配線膜及び前記層間絶縁膜を形成するものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の半導体装置の主要部の断面構成を示す概略断面図である。図１に示すように、この半導体装置は各種半導体素子が形成されたシリコン基板１上にシリコン酸化膜等の絶縁膜２が形成され、絶縁膜２上に配線金属の拡散防止膜３、配線膜４、拡散防止膜３、絶縁膜６が順次形成されたものである。
【００２６】
配線膜４は、銅、銀、金等の低抵抗金属材料からなる所定膜厚の配線膜であって、各配線膜４の間は所定の距離だけ離間している。そして、各配線膜４の間に空間領域１０が形成されている。空間領域１０は略真空状態に保たれており、各配線膜４の側面は空間領域１０に露出している。
【００２７】
配線膜４の上面及び下面に形成された拡散防止膜３，５は、プラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜等の絶縁膜から成り、配線膜４が下層及び上層の絶縁膜２，６へ拡散することを抑えるとともに、水分をブロックして配線膜４が酸化することを抑止する。また、拡散防止膜３は後述する無機ＳＯＧ膜７を形成する際の下地膜としても機能する。また、絶縁膜６はシリコン酸化膜等の絶縁膜が単層若しくは多層に形成された膜である。
【００２８】
ここで、図１はシリコン基板１上の任意の層における配線膜４及び空間領域１０を例示しているが、多層に亘って配線膜４及び空間領域１０からなる層を形成することもできる。また、配線膜４及び空間領域１０を形成した層を一層おきに形成し、その間に上下の配線膜４間を接続するコンタクト層を設けてもよい。
【００２９】
以上のように構成された半導体装置においては、配線膜４間に真空状態の空間領域１０を形成しているため、各配線膜４間の容量を最小限に抑えることが可能となる。従って、配線膜４間が近接している場合であっても、容量に起因した信号の遅延を最小限に抑えることができ、高速動作を達成することが可能となる。
【００３０】
また、層間絶縁膜を配線膜４間に残さないことにより、多層配線のプロセス中、例えばＣＭＰ法による研磨工程の際に劣化した層間絶縁膜の影響を除去することができる。更に、配線膜４の拡散経路となる層間絶縁膜を無視できるため、バリアメタル膜を薄膜化若しくは不要とすることができ、低抵抗配線を形成することができる。また、ダマシンプロセスにおけるＣＭＰ工程が全て終了した後に無機ＳＯＧ膜７を除去するため、配線形成工程中においては配線膜４の間に無機ＳＯＧ膜７が充填された状態となり、対ＣＭＰ機械耐性を確保することができる。そして、配線膜４の上下面に拡散防止膜３を形成して配線膜４と他の膜が接触する部位を覆うことにより、配線膜４が酸化することを確実に抑えることができる。
【００３１】
次に、図２〜図４を参照しながら、この発明の半導体装置の具体的な製造方法を説明する。ここでは、図１の半導体装置における配線膜４が１層おきに形成され、上下の層の配線膜４間がコンタクト層としての配線膜５によって接続された半導体装置を例示し、この半導体装置の製造方法を図面に基づいて説明する。
【００３２】
先ず、図２に示すように、半導体基板１の表面にトランジスタ等の半導体素子（不図示）を形成した後、半導体基板１上を覆うようにシリコン酸化膜等の絶縁膜２を形成する。絶縁膜２は単層の膜であっても多層の膜であってもよい。
【００３３】
次に、絶縁膜２上にプラズマＣＶＤ法により一層目の拡散防止膜３を形成し、その後、一層目の無機ＳＯＧ（Spin on Glass）膜７を形成する。この際、拡散防止膜３は無機ＳＯＧ膜７を形成するための下地膜として機能する。その後、通常のダマシンプロセスにより無機ＳＯＧ膜７中に配線膜４を埋め込む。具体的には、無機ＳＯＧ膜７に所定形状の溝を形成した後、溝内を含む無機ＳＯＧ膜７上に配線膜４を形成し、ＣＭＰ法による研磨を行うことにより、溝内に配線膜４を埋め込む。これにより、絶縁膜２上に第１層目の配線層が形成される。
【００３４】
次の第２層目においても同様に、拡散防止膜３を形成した後、ダマシンプロセスにより無機ＳＯＧ膜７中に金属膜を形成するが、２層目では１層目の配線膜４と３層目に形成する配線膜４とを接続するためのビアホール８を無機ＳＯＧ膜７中に形成し、これを充填する配線膜５を形成する。
【００３５】
以降、１層目と２層目の工程を繰り返して多層配線を形成する。この際、各層のダマシンプロセスにおいて、溝形成の際に下層の配線膜４又は配線膜５が露出するまで無機ＳＯＧ膜７及び拡散防止膜３を除去することにより、多層の配線膜４がビアホール８を充填した配線膜５によって接続された多層配線構造２０を形成することができる。
【００３６】
また、各層の配線膜４，５の形成と並行して、多層配線構造２０の外周部に各層の配線膜４，５と同じ材料を用いて遮蔽構造９を形成する。遮蔽構造９も配線膜４，５の形成の際のダマシンプロセスにより形成する。この遮蔽構造９には、後述するように各層において多層配線構造２０の内部と外部とを接続するためのスリット９ａが設けられており、スリット９ａはウェットエッチングの際のエッチング液の侵入口となる。
【００３７】
次に、図２に示すように、多層配線構造２０の外側に積層された無機ＳＯＧ膜７、拡散防止膜３をドライエッチングにより選択的に除去して、多層配線構造２０を囲むように溝１１を形成する。この際、第１層目の配線膜４の下面の階層位置に到達するまで、無機ＳＯＧ膜７及び拡散防止膜３を除去する。溝１１は、多層配線構造２０を挟むように両側に平行に形成してもよい。また、多層配線構造２０を半導体チップ１個分の領域とし、スクライブラインと併用して溝１１を形成してもよい。これにより、溝１１の内壁面に無機ＳＯＧ膜７及び拡散防止膜３が露出する。
【００３８】
次に、図３に示すように、溝１１から多層配線構造２０の内部に向かってエッチング液を浸透させて、ウエットエッチングを行うことにより多層配線構造２０に形成された無機ＳＯＧ膜７を除去する。この際、エッチング液は多層配線構造２０の周囲に形成された遮蔽構造９のスリット９ａから多層配線構造２０の内側に向かって浸透し、多層配線構造２０内の各層における無機ＳＯＧ膜７が外側から除去されていく。無機ＳＯＧ膜７は特定のエッチング液に対して非常にエッチングスピードが速いという特性を有するため、多層配線構造２０の外側からエッチング液を侵入させても確実に無機ＳＯＧ膜７を除去することが可能である。そして、無機ＳＯＧ膜７のエッチングスピードが速いため、その他のチップ構成材料との選択比を確保することができ、無機ＳＯＧ膜７のみを除去することができる。そして、配線膜４金及び拡散防止膜３をほとんどエッチングしないエッチング液を使用することで、配線膜４，５の酸化を抑止できる。
【００３９】
図４は、ウエットエッチングの終了後の多層配線構造２０を示している。図４に示すように、ウエットエッチングにより多層配線構造２０内の無機ＳＯＧ膜７は全て除去され、各層の配線膜４，５間に空間領域１０が形成される。また、拡散防止膜３はウエットエッチングされないため、各層の配線膜４，５の上下面のうち、上下の層と直接接触しない表面に残存する。そして、多層配線構造２０の外周に形成された遮蔽構造９及びこれに形成されたスリット９ａが露出する。なお、各層のうちの任意の層において無機ＳＯＧ膜７を残存させて空間領域１０を形成しない場合には、その層の遮蔽構造９にスリット９ａを形成しないようにする。これにより、その層へのエッチング液の侵入を防いで無機ＳＯＧ膜７を残存させることができる。
【００４０】
次に、減圧状態で多層配線構造２０を覆うようにパッシベーション膜を形成し、多層配線構造２０の上面及び側面を覆うことにより、多層配線構造２０をキャピングする。これにより、スリット９ａが覆われ、内部に形成された空間領域１０を略真空状態に保った状態で多層配線構造２０が密閉される。スリット９ａを確実にキャッピングするためには、スリット９ａの幅を各層の配線膜４，５、遮蔽構造９の膜厚の１／２以下とすることが望ましい。
【００４１】
以上説明したように、この発明の実施の形態によれば、配線膜４間に真空状態の空間領域１０を形成することにより、各配線膜４間の容量を最小限に抑えることが可能となる。従って、容量に起因した信号遅延を最小限に抑えることができ、デバイスの高速動作を達成することが可能となる。また、配線膜４の側面が空間領域１０に面しており、配線膜４と他の膜との接触を最小限に抑えることができ配線膜４の横方向への拡散を抑止できる。また、配線膜４の上下面には拡散防止膜３を形成しているため、配線膜４の上下面においても酸化、拡散を確実に抑えることができる。
【００４２】
更に、ダマシンプロセスにおけるＣＭＰ工程が全て終了した後に、ウエットエッチングにより無機ＳＯＧ膜７を除去するため、配線形成工程中においては配線膜４の間に無機ＳＯＧ膜７が充填された状態となり、対ＣＭＰ機械耐性を確保することができる。
【００４３】
また、配線間に層間絶縁膜を有しない構造をとる場合、各配線形成工程毎に層間膜を除去することも想定できるが、ＣＭＰ法による研磨工程で機械的強度が不足するという懸念がある。本実施の形態では、成膜の最終工程後に無機ＳＯＧ膜７を除去するためＣＭＰ研磨に対する強度を確保でき、更に、各工程毎の層間絶縁膜除去を不要としたため、酸素による灰化処理に起因した配線の酸化防止のためのバリアメタルの形成を不要とすることができ、配線抵抗を低減することが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４５】
隣接する配線膜間に空間領域を形成したことにより、配線膜間の容量を低減させて遅延時間を最小限に抑えるとともに、配線膜の酸化、配線膜が他の膜へ拡散することを抑止することができ、配線膜の信頼性を高めることができる。
【００４６】
配線膜の周囲を連続して囲むように設けた遮蔽構造にエッチング液の侵入口を形成したことにより、侵入口から配線膜に向かってエッチング液を流して当該空間領域の形成を容易に行うことができる。
【００４７】
侵入口の横幅を、配線膜又は遮蔽構造の膜厚の１／２以下としたことにより、侵入口を確実に封止することができ、空間領域を真空に保つことが可能となる。
【００４８】
配線膜を銅、銀及び金のうちのいずれかの材料から構成したことにより配線膜の低抵抗化を図ることができる。
【００４９】
配線膜の上面及び下面を拡散防止膜で覆うことにより、配線膜の上面及び下面において配線膜が酸化若しくは拡散することを抑止できる。
【００５０】
空間領域を埋めた層間絶縁膜を侵入口から侵入させたエッチング液により除去して当該空間領域を形成するため、配線膜の形成後の最終工程で空間領域の形成を行うことができる。
【００５１】
侵入口を絶縁膜によって封止し、空間領域を略真空状態に保つことにより、配線膜間の容量を低減させるとともに、配線膜の側面が酸化することを抑止できる。
【００５２】
配線膜を備えた階層を複数層連続して形成し、上下方向に隣接する階層の配線膜同士を接続したことにより、各層で配線層間が空間領域により離間した多層配線構造を形成することができる。
【００５３】
遮蔽構造の外側に配線膜の形成されている階層のうちの最下層の深さまで達する溝を形成したことにより、溝から侵入口に向かってエッチング液を流すことが可能となる。
【００５４】
遮蔽構造に侵入口が形成されていない階層を設けたことにより、空間領域を必要としない階層に空間領域を形成しないことができる。
【００５５】
層間絶縁膜を無機ＳＯＧ膜としたことにより、エッチング速度を高めることができ、配線膜が形成された層の横方向から層間絶縁膜を除去して空間領域を形成することができる。
【００５６】
銅、銀又は金及びシリコン窒化膜に対する無機ＳＯＧ膜の選択比が大きいエッチング液を用いることにより、銅、銀又は金からなる配線膜の目減りを抑えるとともに、配線膜の上面及び下面にシリコン窒化膜を残存させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態の半導体装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】  この発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す斜視図である。
【図３】  図２に続いて、この発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す斜視図である。
【図４】  図３に続いて、この発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板、  ２，６  絶縁膜、  ３  拡散防止膜、  ４，５  配線膜、  ７  無機ＳＯＧ膜、  ８  ビアホール、  ９  遮蔽構造、  ９ａ  スリット、  １０  空間領域、  １１  溝、  ２０  多層配線構造。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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