(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に金属層を沈着する段階と，
頂部を有する金属導線を形成するために前記金属層を予め定められたパターンにエッチングする段階と，
前記金属導線の間にポリマを含む除去可能な固体層を沈着する段階と，
前記除去可能な固体層と前記金属導線との上に多孔質誘電体層を沈着する段階と，
前記多孔質誘電体層の下の前記金属導線の間に空隙を形成するために，前記多孔質誘電体層を通して前記除去可能な固体層を除去する段階と，
を有する，半導体装置の金属導線の間に空隙を形成する方法。
【請求項２】
基板の上に金属層を沈着する段階と，
頂部を有する金属導線を形成するために前記金属層を予め定められたパターンにエッチングする段階と，
前記金属導線の間に除去可能な固体層を沈着する段階と，
前記除去可能な固体層と前記金属導線との上に多孔質誘電体層を沈着する段階と，
前記多孔質誘電体層の下の前記金属導線の間に空隙を形成するために，前記除去可能な固体層を溶解するために前記多孔質誘電体層を通って移動する溶媒を導入する段階と，
を有する，半導体装置の金属導線の間に空隙を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、全体的にいえば、半導体装置の製造に関する。さらに詳細にいえば、本発明は、金属導線の間に誘電率の小さな材料として空隙を用いるることに関する。
【０００２】
【従来の技術およびその問題点】
半導体は、ラジオやテレビジョンなどの電子装置の集積回路に広く用いられている。このような集積回路は、典型的には、単結晶シリコンの中に製造された多数個のトランジスタを用いている。最近の多くの集積回路は、相互接続のための多重レベルのメタライゼーションを有している。１つのチップの上にできるだけ多くの機能を集積することが必要であるために、個々のトランジスタの寸法を縮小する方法と、チップの上に通常に集積される他の装置の寸法を縮小する方法が、半導体産業界において研究されている。けれども、装置の寸法をさらに小さくすることは、種々の好ましくない効果を生ずる。これらの効果の１つとして、回路の中の導線の間の静電容量的結合が増加することが挙げられる。したがって、現在の多重レベル・メタライゼーション装置においてＲＣ時定数を小さくすることは、緊急の課題である。
【０００３】
導電体の間の静電容量値は、これらの導電体を分離するのに用いられる絶縁体、すなわち、誘電体に大いに依存している。従来の半導体製造法は、通常、誘電体として二酸化シリコンを用いている。この二酸化シリコンの誘電率は約３．９である。考えられる可能な最低の誘電率、すなわち、理想的な誘電率は１．０である。この理想的な誘電率１．０は真空の誘電率であり、一方、空気の誘電率は１．００１より小さい。
【０００４】
【問題点を解決するための手段】
金属導線の間に空隙を備えた半導体装置と、その製造法が開示される。この半導体装置の導線の間の複合誘電率は小さく、例えば、約１．２５であり、それにより、回路の中の導線の間の静電容量的結合は大幅に小さくなるであろう。
【０００５】
本発明は、半導体装置の金属導線の間に空隙を作成する方法と、この方法により製造される半導体装置とに関する。金属層が基板の上に沈着される。この金属層にエッチングが行われて、金属導線が作成される。除去可能な固体層が、これらの金属導線の間に沈着される。この除去可能な固体層と金属導線との上に、多孔質誘電体層が沈着される。この多孔質誘電体層の下の金属導線の間に空隙を作成するために、除去可能な固体層が多孔質誘電体層を通して除去される。
【０００６】
また別の好ましい実施例では、金属層が基板の上に沈着され、そしてこの金属層の上に第１酸化物層が沈着される。この第１酸化物層と金属層にエッチングが行われて、エッチングされた酸化物と金属導線とが作成され、および露出した基板部分ができる。エッチングされた酸化物の上と、金属導線の上と、基板の露出した部分の上とに、除去可能な固体層が沈着される。少なくともエッチングされた酸化物の頂部から、除去可能な固体層を低くするために、除去可能な固体層の頂上部分が除去される。この除去可能な固体層の上と、少なくともエッチングされた酸化物の上とに、多孔質誘電体層が沈着される。多孔質誘電体層の下のエッチングされた酸化物の部分と金属導線との間に空隙を作成するために、除去可能な固体層が多孔質誘電体層を通して除去される。
【０００７】
本発明の１つの利点は、金属導線の間に空隙を作成する新規な方法が得られることである。空隙は小さな誘電率を有し、そしてその結果、金属導線の間の側壁静電容量値が小さくなる。
【０００８】
また別の好ましい実施例のさらに別の利点は、金属導線の頂部の上に比較的厚い酸化物層が備えられることにより、処理工程の余裕度が増大することである。それにより、さらに厚い除去可能な固体層を作成することが可能になる。また、金属導線の頂部の近くにおよび金属導線の頂部の角の近くに空隙を作成することができ、それにより、導線の間の縁（ｆｒｉｎｇｉｎｇ）静電容量値が小さくなる。
【０００９】
【実施例】
添付図面を参照しての下記説明により、本発明をさらによく理解することができるであろう。添付図面において、特に断らない限り、図面は異なっても同等な部品には同等な番号または記号が付される。
【００１０】
本発明の好ましい実施例の製造とその利用が、下記で詳細に説明される。けれども、本発明により、広範囲の具体的な関係において、多くの応用可能な発明の概念が得られることが分かるはずである。説明される特定の実施例は、本発明を理解しそして利用する具体的な方法を単に例示したものであって、本発明の範囲がそれらに限定されることを意味するものではない。
【００１１】
下記の説明は、いくつかの好ましい実施例およびまた別の実施例の概要とそれらの製造法の説明である。図面は異なっても対応する番号および記号は、特に断らない限り、対応する部分を示す。下記の表１は、これらの実施例の素子と図面の概要である。
【００１２】
【表１】
0003703166.tif 000002
【００１３】
図１Ａは、半導体ウエハの横断面図であって、この半導体ウエハの上で本発明の好ましい第１実施例が実施される。半導体ウエハ１０は基板１２を有する。基板１２は、当業者にはよく知られているように、例えば、トランジスタ、ダイオードおよび他の半導体素子（図示されていない）を有することができる。基板１２はまた、金属相互接続層を有することができる。第１酸化物層１４が基板１２の上に沈着され、そしてＴＥＯＳ（テトラエトシロキサン：ｔｅｔｒａｅｔｈｏｓｉｌｏｘａｎｅ））で構成されることができる。第１酸化物層１４はまた、ＰＥＴＥＯＳ（プラズマで増強されたテトラエトシロキサン）、ＢＰＳＧ（ホウ素リン酸塩ケイ酸塩ガラス：ｂｏｒｏｎ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ  ｓｉｌｉｃａｔｅｇｌａｓｓ）、または他の誘電体材料で構成されることができる。第１酸化物層１４の上に、金属相互接続層が沈着される。この金属相互接続層はアルミニウムで構成されることが好ましいが、しかし例えば、チタン・タングステン／アルミニウムの２重層、または他の金属で構成することもできる。金属相互接続層は、エッチングされた線、すなわち、金属導線１６を形成するために、エッチングにより予め定められたパターンに作成される。
【００１４】
図１Ｂは、金属導線１６と第１酸化物層１４との上に、除去可能な固体層１８が沈着された後のウエハ１０の図を示す。通常、除去可能な固体層１８はポリマであり、そしてフォトレジストであることが好ましいが、しかしまた、ポリイミド、パリレン、テフロン、またはＢＣＢのようなポリマであることもできる。その後、図１Ｃに示されているように、金属導線１６の少なくとも頂部を露出するために、除去可能な固体層の頂部が（例えば、再び行われるエッチングにより）除去される。除去可能な固体層１８の上に、多孔質誘電体層２０が沈着され、そして図１Ｄに示されているように、金属導線１６の少なくとも頂部の上に沈着される。多孔質誘電体層２０は多孔度が１０％〜５０％であるシリカを基本とするキセロゲルで構成されることが好ましいが、除去可能な固体層１８の分子がそれを通って移動するのに十分に大きな孔を有する、他の材料をまた用いることができる。除去可能な固体層１８に用いることができる材料が、酸素（この酸素は、例えば、空気、または酸素を含む他の雰囲気、または酸素プラズマまたはオゾンを含む他の雰囲気であることができる）の中で分解することがまた好ましい。
【００１５】
多孔質誘電体層２０が平坦化されるであろう。その後、除去可能な固体層１８が、多孔質誘電体層２０を通して除去され、図１Ｅに示されているような空隙２２が作成される。除去可能な固体層１８のこの除去は、フォトレジストを蒸発させるために、すなわち、フォトレジストを焼き払うために、ウエハを高い温度（典型的には１００℃以上の温度）の酸素または酸素プラズマに晒すことにより行われることが好ましい。酸素は多孔質誘電体層２０を通って移動して除去可能な固体層１８に到達し、そして固体層１８を気体に変換し、そしてこの気体が多孔質誘電体層２０を逆方向に移動して外に排出される。好ましい実施例では、フォトレジストは酸素と反応し、ＣＯ2 またはＣＯのいずれかを含む気体である副生成物ができる。フォトレジストは蒸発する（この固体の反応生成物は気体を形成する）。温度が高いと反応が促進され、そして酸素が存在すると反応する温度が低くなる。もし純粋なポリマが用いられるならば、除去可能な固体層１８の全部が除去され、そして空隙２２のみが後に残るであろう。この「空隙」の中はまた、不活性ガスまたは真空で構成されるであろう。空隙２２により、複合誘電率が例えば約１．２５であるというように、誘電率の非常に小さな材料体が得られる。最後に、図１Ｆに示されているように、多孔質誘電体層２０の上に非多孔質誘電体層２４が沈着される。非多孔質誘電体層２４はＣＶＤ酸化物であることが好ましい。非多孔質誘電体層２４により、多孔質誘電体層２０は湿気に対して封止され、および構造的に優れた特性の支持体と優れた特性の熱伝導率が得られ、および多孔質誘電体層２０を不活性化する機能が得られる。その後、次の処理工程、例えば、非多孔質誘電体層２４の平坦化工程、または半導体層、絶縁体層および金属層をさらに沈着する工程およびエッチングする工程（図示されていない）をさらに実行することができる。
【００１６】
図２は、第２実施例の図である。金属導線１６が基板１２の上に直接に作成され、その後、第１実施例で説明されたのと同じ段階が実行される。この実施例では、基板１２を絶縁体で構成することができる。図１および図２に示された第１実施例および第２実施例に対する流れ図が、図３に示されている。
【００１７】
有機物ポリマは、第１酸化物層１４の表面または金属導線１６の側面部分に結合していないことが好ましいので、これらの表面は不活性化されていなであろう。そしてこれらの表面により、漏洩電流に対する経路として作用することが可能な活性表面を得ることができる。図４Ａは、本発明の第３実施例の図である。この実施例では、（例えば整合した）不活性化層２６は、第１酸化物層１４の露出した表面を不活性化することと、導線間の漏洩を防止することとの両方の機能を行う。第４実施例（図４Ｂ）では、金属導線をガスに対して露出させて反応させ、そして金属導線１６の周りにのみ不活性化層が形成される。
【００１８】
図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の好ましい第５実施例の図である。図５Ａは半導体ウエハの横断面図であって、この半導体ウエハの上で本発明のこの実施例が実行される。半導体ウエハ１０の基板１２の上に、第１酸化物層１４が沈着される。第１酸化物層１４の上に、金属相互接続層が沈着され、そしてこの金属相互接続層の上に、第２酸化物層が沈着される。この第２酸化物層の厚さは、金属相互接続層の高さの約５０％〜１００％であることが好ましい。これらの第２酸化物層と金属相互接続層が予め定められたパターンに（通常、別々のエッチング段階で）エッチングされて、エッチングされたラインが作成される。すなわち、金属導線１６の頂部の上に残っている第２酸化物層のエッチングされた部分２８を有する金属導線１６が作成される。
【００１９】
第２酸化物層と金属導線１６のエッチングされた部分２８との上に、除去可能な固体層１８が沈着される。その後、除去可能な固体層１８が（例えば、再度のエッチングにより）除去され、図５Ｂに示されているように、第２酸化物層のエッチングされた部分２８の少なくとも頂部が露出される。第２酸化物層のエッチングされた部分２８の７０％〜９０％（しかしまた、６０％〜１００％が適切である）が、再度のエッチング段階の後、除去可能な固体層１８で被覆されたままであることが好ましい。図５Ｃに示されているように、除去可能な固体層１８の上と第２酸化物層のエッチングされた部分２８の少なくとも頂部の上とに、多孔質誘電体層２０が沈着される。この多孔質誘電体層２０が平坦化され、そしてその後、（第１実施例で説明されたように）除去可能な固体層１８が多孔質誘電体層２０を通して除去され、それにより空隙２２を作成することができる。最後に、図５Ｄに示されているように、多孔質誘電体層２０の頂部の上に非多孔質誘電体層２４を沈着することができる。次に、その後に続く処理工程段階、例えば、非多孔質誘電体層２４の平坦化工程、または半導体層、絶縁体層および金属層のまた別の沈着工程およびエッチング工程（図示されていない）を実行することができる。
【００２０】
第６実施例は、第３実施例に対して説明されたように（金属導線１６が別に処理されることができる、または図４Ｂのようにまた処理されることができる）、第２酸化物層と、金属導線１６と、第１酸化物層１４と（図６Ａおよび図６Ｂ）のエッチングされた部分２８の上に不動態度化層２６を備えた第５実施例を含む。
【００２１】
除去可能な固体層１８を除去するまた別の方法は、アセトンのような溶媒をウエハに与える段階を有することによる方法である。ウエハを激しく動かすことにより、溶媒が多孔質誘電体層２０を通って移動し、除去可能な固体層１８に到達するのを促進させることができる。溶媒はポリマ１８を溶解し、そして次に真空を用いて、多孔質誘電体層２０を通して、溶解した除去可能な固体層１８の気体副生成物を除去することができる。
【００２２】
本発明により、小さな誘電率の材料を必要とする半導体に対し有益である空隙を、金属導線の間に作成する新規な方法が得られる。この空隙は小さな誘電率を有し、そしてその結果、金属導線の側壁間の静電容量値が小さくなる。前記で説明した第５実施例は、金属導線の頂部の上に第２酸化物層を有することにより、除去可能な固体層をさらに厚く作成することができるので、処理工程の余裕度が増大するというまた別の利点が得られる。また、空隙を金属導線の頂部の近くまたは頂部の角の近くに作成して、導線間の縁静電容量値を小さくすることができる。
【００２３】
通常、多孔質層のキセロ方式（ｘｅｒｏｇｅｌ−ｔｙｐｅ）での作成が好ましい。この処理工程では、ＴＥＯＳのようなガラス形成体を含有する溶液が張られ、そして（典型的にはｐＨ変化により）ゲル化され、そして熟成され、そして乾燥されて、稠密な（多孔度１０％〜５０％）孔あき固体が作成される。このような処理工程は、乾燥期間中に、大幅な永久的縮小（稠密化）が起こる。エーロゲル方式での処理工程をまた用いることができるが、この処理工程では大幅な永久的縮小を避けることができ、そして高い多孔度（例えば、９５％以上の多孔度）を得ることができる。エーロゲル方式の多孔度によりさらに小さな層間静電容量値を得ることができるが、この稠密な層は構造的に良好であり、そして好ましい層である。
【００２４】
例示された実施例について本発明が説明されたが、この説明は、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されることを意味するものではない。例示された実施例を種々に変更した実施例および種々に組み合わせた実施例、および本発明の他の実施例が可能であることは、前記説明から当業者にはすぐに分かるであろう。好ましくはないけれども、除去可能な固体層は、昇華により、多孔質層を通して除去することができる。したがって、本発明はこのような変更実施例をすべて包含するものである。
【００２５】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
（１）  基板の上に金属層を沈着する段階と、
頂部を有する金属導線を作成するために前記金属層を予め定められたパターンにエッチングする段階と、
前記金属導線の間に除去可能な固体層を沈着する段階と、
前記除去可能な固体層と前記金属導線との上に多孔質誘電体層を沈着する段階と、
前記多孔質誘電体層の下の前記金属導線の間に空隙を作成するために、前記多孔質誘電体層を通して前記除去可能な固体層を除去する段階と、
を有する、半導体装置の金属導線の間に空隙を作成する方法。
（２）  第１項記載の方法において、前記除去可能な固体層を除去する前記段階の後、前記多孔質誘電体層の上に非多孔質誘電体層を沈着する段階をさらに有する、前記方法。
（３）  第１項記載の方法において、前記金属層をエッチングする前記段階の後、前記基板の一部分が露出されたままである、前記方法。
（４）  第３項記載の方法において、前記除去可能な固体層を沈着する前記段階の期間中に、前記基板の前記露出された部分の上に前記除去可能な固体層がまた沈着される、前記方法。
（５）  第１項記載の方法において、前記除去可能な固体層を沈着する前記段階の後、少なくとも前記導線の頂部から、前記除去可能な固体層を低くするために前記除去可能な固体層の頂部を除去する段階をさらに有する、前記方法。
（６）  第１項記載の方法において、金属導線を作成するために前記金属層を予め定められたパターンにエッチングする前記段階の後、少なくとも前記金属導線の上に不活性化層を作成する段階をさらに有する、前記方法。
（７）  第３項記載の方法において、前記不活性化層が酸化物で構成される、前記方法。
【００２６】
（８）  第１項記載の方法において、基板の上に金属層を沈着する前記段階の後、酸化物層を沈着する段階と、前記酸化物層を予め定められたパターンにエッチングする段階とをさらに有する、前記方法。
（９）  第１項記載の方法において、前記除去可能な固体層がポリマであり、かつ前記除去可能な固体層を前記多孔質誘電体層を通して除去する前記段階が前記除去可能な固体層を蒸発させるために前記ウエハを酸素中で加熱する段階を有する、前記方法。
（１０）  第１項記載の方法において、前記除去可能な固体層を前記多孔質誘電体層を通して除去する前記段階が
前記除去可能な固体層を溶解するために、前記多孔質誘電体層を透過する溶媒を前記ウエハに与える段階と、
前記溶解した除去可能な固体層を前記多孔質誘電体層を通して除去する段階と、
を有する、前記方法。
（１１）  第７項記載の方法において、前記溶解した除去可能な固体層を前記多孔質誘電体層を通して除去する段階が前記溶解した除去可能な固体層を蒸発させるために前記ウエハを加熱する段階を有する、前記方法。
（１２）  第７項記載の方法において、前記溶解した除去可能な固体層を前記多孔質誘電体層を通して除去する段階が前記溶解した除去可能な固体層を除去するために前記ウエハを真空の中に入れる段階を有する、前記方法。
【００２７】
（１３）  基板の上に金属層を沈着する段階と、
前記金属層の上に第１酸化物層を沈着する段階と、
前記基板の一部分が露出されたまま、頂部を有するエッチングされた酸化物と金属導線とを作成するために、前記第１酸化物層と前記金属層とを予め定められたパターンにエッチングする段階と、
前記エッチングされた酸化物と、前記金属導線と、前記基板の前記露出された部分との上に、除去可能な固体層を沈着する段階と、
前記エッチングされた酸化物の少なくとも頂部から、前記除去可能な固体層を低くするために、前記除去可能な固体層の頂部を除去する段階と、
前記除去可能な固体層の上と、少なくとも前記エッチングされた酸化物の上とに、多孔質誘電体層を沈着する段階と、
前記多孔質誘電体層の下の前記金属導線と前記エッチングされた酸化物の部分との間に空隙を作成するために、前記多孔質誘電体層を通して前記除去可能な固体層を除去する段階と、
を有する、半導体装置の金属導線の間に空隙を作成する方法。
（１４）  第１３項記載の方法において、前記除去可能な固体層を除去する前記段階の後、前記多孔質誘電体層の上に非多孔質誘電体層を沈着する段階をさらに有する、前記方法。
（１５）  第１３項記載の方法において、前記エッチング段階の後、少なくとも前記金属導線の上に不活性化層を作成する段階をさらに有する、前記方法。
（１６）  第１５項記載の方法において、前記不活性化層が酸化物で構成される、前記方法。
（１７）  第１３項記載の方法において、前記除去可能な固体層を前記多孔質誘電体層を通して除去する前記段階が前記除去可能な固体層を蒸発させるために前記ウエハを酸素を含有する雰囲気中で加熱する段階を有する、前記方法。
（１８）  第１３項記載の方法において、前記除去可能な固体層を前記多孔質誘電体層を通して除去する前記段階が
前記除去可能な固体層を溶解するために、前記多孔質通電体層を透過する溶媒を前記ウエハに与える段階と、
前記溶解した除去可能な固体層を前記多孔質通電体層を通して除去する段階と、
を有する、前記方法。
（１９）  第１８項記載の方法において、前記溶解した除去可能な固体層を前記多孔質通電体層を通して除去する段階が、前記溶解した除去可能な固体層を蒸発させるために前記ウエハを加熱する段階を有する、前記方法。
（２０）  第１８項記載の方法において、前記溶解した除去可能な固体層を前記多孔質通電体層を通して除去する段階が、前記溶解した除去可能な固体層を除去するために前記ウエハを真空の中に入れる段階を有する、前記方法。
（２１）  基板の上に作成された金属導線と、
前記金属導線の少なくとも一部分の間に空隙と、
前記金属導線と前記空隙との上に１０％〜５０％の多孔質通電体層と、  前記多孔質通電体層の上の非多孔質通電体層と、
を有する、金属導線の間に空隙を備えた半導体装置。
（２２）  第２１項記載の半導体装置において、前記金属導線の上にパターンに作成された酸化物をさらに有し、かつ前記パターンに作成された酸化物が前記金属導線と同じパターンを有し、かつ前記パターンに作成された酸化物が前記金属導線の高さの５０％〜１００％のような高さを有する、前記半導体装置。
【００２８】
（２３）  半導体装置の金属導線１６の間に空隙２２を作成する方法と、前記方法により製造された半導体装置が得られる。基板１２の上に、金属層が沈着される。前記金属層がエッチングされて、金属導線１６が作成される。前記金属導線１６の間に、除去可能な固体層１８が沈着される。前記除去可能な固体層１８と前記導線１６との上に、多孔質誘電体層２０が沈着される。そして前記多孔質誘電体層２０の下の前記金属導線１６の間に空隙２２を作成するために、前記除去可能な固体層１８が前記多孔質誘電体層２０を通して除去される。前記空隙は小さな誘電率を有し、その結果、前記金属導線の側壁静電容量値が小さくなる。
【００２９】
関連する出願の相互参照
共通に譲渡された下記の米国特許出願の内容は、参考として本出願の中に取り込まれている。
0003703166.tif 000003
0003703166.tif 000004
【００３０】
本出願と同時に受け付けられた本発明人による下記の米国特許の内容もまた、参考として本出願の中に取り込まれている。
0003703166.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【図１】１つの典型的な装置に応用した本発明の第１実施例の種々の段階を示した、半導体装置の一部分の横断面図であって、Ａ〜Ｆは順次の段階の図。
【図２】本発明の第２実施例の図。
【図３】本発明の種々の段階を説明する流れ図。
【図４】金属導線の上に沈着された不活性化層を有することを特徴とする実施例の図であって、Ａは第３実施例の図、Ｂは第４実施例の図。
【図５】１つの典型的な装置に応用した本発明の第５実施例の種々の段階を示した、半導体装置の一部分の横断面図であって、Ａ〜Ｄは順次の段階の図。
【図６】金属導線と第２酸化層のエッチングされた部分と第１酸化層との上に沈着された不活性化層を有することを特徴とする第６実施例の図であって、Ａ〜Ｂは順次の段階の図。
【符号の説明】
１２  基板
１６  金属導線
１８  除去可能な固体層
２０  多孔質誘電体層
２２  空隙
２４  非多孔質誘電体層
【図１】
0003703166.tif 000006
【図２】
0003703166.tif 000007
【図３】
0003703166.tif 000008
【図４】
0003703166.tif 000009
【図５】
0003703166.tif 000010
【図６】
0003703166.tif 000011