(57)【要約】【課題】層間絶縁膜を備えた半導体装置において、膜剥がれの発生及びリークパスの形成を抑制する。【解決手段】半導体装置は、複数の空孔を含む層間絶縁膜１６を備えている。層間絶縁膜１６は、単層構造の膜である。層間絶縁膜１６における、下面領域に含まれる空孔の空孔径及び上面領域に含まれる空孔の空孔径は、上面領域と下面領域との間に介在する中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の空孔を含む層間絶縁膜を備え、
前記層間絶縁膜は、単層構造の膜であり、
前記層間絶縁膜における、下面領域に含まれる前記空孔の空孔径及び上面領域に含まれる前記空孔の空孔径は、前記上面領域と前記下面領域との間に介在する中央領域に含まれる前記空孔の空孔径よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記複数の空孔は、中央から下面に向かって空孔径が小さくなっている一方、中央から上面に向かって空孔径が小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記層間絶縁膜の膜厚をｔとした場合、
前記上面領域の厚さは、０．０５ｔ以上で且つ０．３ｔ以下であり、
前記下面領域の厚さは、０．０５ｔ以上で且つ０．３ｔ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。
【請求項４】
前記層間絶縁膜は、
下面側に位置し、各々が第１の空孔径を有する複数の前記空孔を含む第１の領域と、
中央に位置し、各々が前記第１の空孔径よりも大きい第２の空孔径を有する複数の前記空孔を含む第２の領域と、
上面側に位置し、各々が前記第２の空孔径よりも小さい第３の空孔径を有する複数の前記空孔を含む第３の領域と、
前記第１の領域と前記第２の領域との間に介在し、空孔径が下面側から上面側に向かって大きくなる複数の前記空孔を含む第１の変化領域と、
前記第２の領域と前記第３の領域との間に介在し、空孔径が下面側から上面側に向かって小さくなる複数の前記空孔を含む第２の変化領域とを有し、
前記第１の変化領域に含まれる前記複数の空孔の空孔径は、前記第１の空孔径よりも大きく且つ前記第２の空孔径よりも小さく、
前記第２の変化領域に含まれる前記複数の空孔の空孔径は、前記第３の空孔径よりも大きく且つ前記第２の空孔径よりも小さく、
前記層間絶縁膜における前記下面領域は、前記第１の領域及び前記第１の変化領域を含み、
前記層間絶縁膜における前記中央領域は、前記第２の領域を含み、
前記層間絶縁膜における前記上面領域は、前記第２の変化領域及び前記第３の領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記層間絶縁膜の下部に形成されたビアと、
前記層間絶縁膜の上部に形成され、前記ビアと接続する配線とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記配線の下部近傍に位置する前記空孔の空孔径は、前記配線の上部近傍に位置する前記空孔の空孔径及び前記ビアの下部近傍に位置する前記空孔の空孔径よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記層間絶縁膜の下に形成された第１の絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上に形成された第２の絶縁膜とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記層間絶縁膜は、第１の層間絶縁膜であり、
前記第１の層間絶縁膜の上に形成され、複数の空孔を含む第２の層間絶縁膜をさらに備え、
前記第１の層間絶縁膜における、前記中央領域に含まれる前記空孔の空孔径をｘとし、前記上面領域に含まれる前記空孔の空孔径をｙとし、
前記第２の層間絶縁膜における、下面領域と上面領域との間に介在する中央領域に含まれる前記空孔の空孔径をｖとし、前記上面領域に含まれる前記空孔の空孔径をｗとした場合、
前記ｙに対する前記ｘの変化率ｘ／ｙは、前記ｗに対する前記ｖの変化率ｖ／ｗよりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記層間絶縁膜は、第１の層間絶縁膜であり、
前記第１の層間絶縁膜の上に形成され、複数の空孔を含む第２の層間絶縁膜をさらに備え、
前記第２の層間絶縁膜における、下面領域と上面領域との間に介在する中央領域に含まれる前記空孔の空孔径は、前記第２の層間絶縁膜における前記上面領域に含まれる前記空孔の空孔径と略同一であり、
前記第２の層間絶縁膜における前記中央領域に含まれる前記空孔の空孔径は、前記第１の層間絶縁膜における前記中央領域に含まれる前記空孔の空孔径よりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記層間絶縁膜は、ＳｉＯ2膜、ＳｉＯＣ膜、ＦＳＧ膜又はＢＳＧ膜であることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記配線間の距離は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置。
【請求項１２】
複数の空孔を含む層間絶縁膜を形成する工程を備え、
前記層間絶縁膜は、単層構造の膜であり、
前記層間絶縁膜を形成する工程は、下面領域に含まれる前記空孔の空孔径及び上面領域に含まれる前記空孔の空孔径が、前記下面領域と前記上面領域との間に介在する中央領域に含まれる前記空孔の空孔径よりも小さくなるように、前記層間絶縁膜を形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記層間絶縁膜を形成する工程において、前記複数の空孔は、中央から下面に向かって空孔径が小さくなっている一方、中央から上面に向かって空孔径が小さくなっていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記層間絶縁膜を形成する工程は、
化学気相成長法により、空孔形成剤からなる複数の粒子を含む層間絶縁膜用膜を形成する工程（ａ）と、
前記層間絶縁膜用膜に含まれる前記複数の粒子を除去して、前記層間絶縁膜を形成する工程（ｂ）とを含むことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ａ）において、成膜時間に応じて、前記層間絶縁膜の骨格を形成するプリカーサ及び前記空孔形成剤の流量を調整することを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ａ）において、成膜時間に応じて、前記空孔形成剤からなる粒子の径を調整することを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ｂ）は、熱処理、電子線照射又は紫外線照射により、前記層間絶縁膜用膜に含まれる前記複数の粒子を除去する工程であることを特徴とする請求項１４〜１６のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記層間絶縁膜を形成する工程は、
前記工程（ｂ）の後に、熱処理、電子線照射又は紫外線照射により、前記層間絶縁膜における上面近傍領域に含まれる前記空孔の空孔径を小さくする工程（ｃ）をさらに含むことを特徴とする１４〜１７のうちいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記工程（ａ）は、
チャンバー内において、第１の時間の間、第１のプリカーサ流量で前記プリカーサを流すと共に、第１の空孔形成剤流量で前記空孔形成剤を流して、第１の領域を形成する工程（ａ１）と、
前記チャンバー内において、第２の時間の間、前記第１のプリカーサ流量から第２のプリカーサ流量に変化させながら前記プリカーサを流すと共に、前記第１の空孔形成剤流量から第２の空孔形成剤流量に変化させながら前記空孔形成剤を流して、前記第１の領域の上に、第１の変化領域を形成する工程（ａ２）と、
前記チャンバー内において、第３の時間の間、前記第２のプリカーサ流量で前記プリカーサを流すと共に、前記第２の空孔形成剤流量で前記空孔形成剤を流して、前記第１の変化領域の上に、第２の領域を形成する工程（ａ３）と、
前記チャンバー内において、第４の時間の間、前記第２のプリカーサ流量から第３のプリカーサ流量に変化させながら前記プリカーサを流すと共に、前記第２の空孔形成剤流量から第３の空孔形成剤流量に変化させながら前記空孔形成剤を流して、前記第２の領域の上に、第２の変化領域を形成する工程（ａ４）と、
前記チャンバー内において、第５の時間の間、前記第３のプリカーサ流量で前記プリカーサを流すと共に、前記第３の空孔形成剤流量で前記空孔形成剤を流して、前記第２の変化領域の上に、第３の領域を形成する工程（ａ５）とを含み、
前記工程（ａ５）において、前記第１の領域、前記第１の変化領域、前記第２の領域、前記第２の変化領域及び前記第３の領域を有する前記層間絶縁膜用膜が形成され、
前記第１のプリカーサ流量に対する前記第１の空孔形成剤流量は、前記第２のプリカーサ流量に対する前記第２の空孔形成剤流量よりも小さく、
前記第３のプリカーサ流量に対する前記第３の空孔形成剤流量は、前記第２のプリカーサ流量に対する前記第２の空孔形成剤流量よりも小さいことを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空孔を含む層間絶縁膜を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化及び高集積化に伴い、配線抵抗及び配線間容量の増大に起因する電気信号の伝搬速度の遅れが深刻な問題となっている。
【０００３】
特に、高集積化された半導体装置では、配線間容量の増大により、半導体装置の動作速度の低下を招く。このため、層間絶縁膜の材料として比誘電率の低い材料を用いて、つまり、低誘電率層間絶縁膜を用いて、配線間容量の増大を抑制する。
【０００４】
近年では、低誘電率層間絶縁膜を多孔質化して、比誘電率をさらに低減させた低誘電率層間絶縁膜の開発又は実用化が検討されている。
【０００５】
以下、低誘電率層間絶縁膜を用いた従来の半導体装置の製造方法について、図９(a) 〜(d) を参照しながら説明する（例えば特許文献１参照）。図９(a) 〜(d) は、従来の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【０００６】
まず、図９(a) に示すように、基板１００の上に、無機材料からなる骨格構造中にポロジェンを含む第１の層間絶縁膜用膜を形成する。その後、第１の層間絶縁膜用膜に含まれるポロジェンを分解除去して、空孔を含む第１の層間絶縁膜１０１を形成する。
【０００７】
次に、第１の層間絶縁膜１０１の上に、無機材料からなる骨格構造中に炭化水素化合物からなるポロジェンＰを含む第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａを形成する。このとき、ポロジェンＰは、炭化水素化合物からなるため、第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａ中の炭素含有率は、第１の層間絶縁膜１０１中の炭素含有率よりも高い。またこのとき、第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａは、ポロジェンＰを含む擬似的な有機材料膜であるため、第１の層間絶縁膜１０１と第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａとの間に、擬似的な無機材料膜と有機材料膜との界面が形成される。
【０００８】
次に、図９(b) に示すように、第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａの上に、配線パターンを有するレジストパターンＲｅ１を形成する。その後、レジストパターンＲｅ１をマスクとして、エッチングにより、第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａに配線溝１０３を形成する。このとき、第１の層間絶縁膜１０１と第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａとの間に、擬似的な無機材料膜と有機材料膜との界面が形成されているため、第１の層間絶縁膜１０１に対する第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａのエッチング選択比を高くすることができる。このため、第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａに配線溝１０３を精度良く形成できる。
【０００９】
次に、図９(c) に示すように、レジストパターンＲｅ１を除去した後、第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａの上に、ビアパターンを有するレジストパターンＲｅ２を形成する。その後、レジストパターンＲｅ２をマスクとして、エッチングにより、第１の層間絶縁膜１０１にビアホール１０４を形成する。
【００１０】
次に、図９(d) に示すように、レジストパターンＲｅ２を除去した後、第２の層間絶縁膜用膜１０２Ａに含まれるポロジェンＰを分解除去して、複数の空孔を含む第２の層間絶縁膜１０２を形成する。
【００１１】
その後、図示を省略するが、ビアホール１０４内にビアを形成すると共に、配線溝１０３内にビアと接続する配線を形成する。
【００１２】
以上のようにして、従来の半導体装置を製造する。
【００１３】
従来では、第１の層間絶縁膜１０１及び第２の層間絶縁膜１０２が順次積層された積層構造の膜に、ビア及び配線が形成されている。ビアが形成される層間絶縁膜（第１の層間絶縁膜１０１）と配線が形成される層間絶縁膜（第２の層間絶縁膜１０２）とは、互いに別工程で形成され、互いに膜質が異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−２５０７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来の半導体装置では、以下に示す問題がある。
【００１６】
ビア及び配線は、第１の層間絶縁膜１０１及び第２の層間絶縁膜１０２が順次積層された積層構造の膜に形成されている。このため、第１の層間絶縁膜１０１と第２の層間絶縁膜１０２間に存在する膜界面が、配線又はビアに垂直に交差している。
【００１７】
このため、膜界面において膜剥れが発生すると共に、膜界面にリークパスが形成されて、配線と該配線と隣接する他の配線間にリーク電流が発生するという問題がある。ここで、「リークパス」とは、リーク電流の通路をいう。
【００１８】
前記に鑑み、本発明は、層間絶縁膜を備えた半導体装置において、膜剥がれの発生及びリークパスの形成を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、複数の空孔を含む層間絶縁膜を備え、層間絶縁膜は、単層構造の膜であり、層間絶縁膜における、下面領域に含まれる空孔の空孔径及び上面領域に含まれる空孔の空孔径は、上面領域と下面領域との間に介在する中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さいことを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る半導体装置によると、層間絶縁膜は、単層構造の膜、言い換えれば、１つの連続体の膜であり、層間絶縁膜中に膜界面が存在しない。このため、膜界面において膜剥がれが発生することがない。また、膜界面にリークパスが形成されることがないため、層間絶縁膜に配線が形成された場合、配線間にリーク電流が発生することがない。従って、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００２１】
加えて、層間絶縁膜において、下面領域に含まれる空孔の空孔径を、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくする。これにより、層間絶縁膜の下面に膜が形成された場合、層間絶縁膜の下面と該膜とが接触する接触面積を増加させることができるため、層間絶縁膜と該膜との密着性を向上させることができる。同様に、層間絶縁膜において、上面領域に含まれる空孔の空孔径を、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくする。これにより、層間絶縁膜の上面に膜が形成された場合、層間絶縁膜の上面と該膜とが接触する接触面積を増加させることができるため、層間絶縁膜と該膜との密着性を向上させることができる。
【００２２】
本発明に係る半導体装置において、複数の空孔は、中央から下面に向かって空孔径が小さくなっている一方、中央から上面に向かって空孔径が小さくなっていることが好ましい。
【００２３】
本発明に係る半導体装置において、層間絶縁膜の膜厚をｔとした場合、上面領域の厚さは、０．０５ｔ以上で且つ０．３ｔ以下であり、下面領域の厚さは、０．０５ｔ以上で且つ０．３ｔ以下であることが好ましい。
【００２４】
本発明に係る半導体装置において、層間絶縁膜は、下面側に位置し、各々が第１の空孔径を有する複数の空孔を含む第１の領域と、中央に位置し、各々が第１の空孔径よりも大きい第２の空孔径を有する複数の空孔を含む第２の領域と、上面側に位置し、各々が第２の空孔径よりも小さい第３の空孔径を有する複数の空孔を含む第３の領域と、第１の領域と第２の領域との間に介在し、空孔径が下面側から上面側に向かって大きくなる複数の空孔を含む第１の変化領域と、第２の領域と第３の領域との間に介在し、空孔径が下面側から上面側に向かって小さくなる複数の空孔を含む第２の変化領域とを有し、第１の変化領域に含まれる複数の空孔の空孔径は、第１の空孔径よりも大きく且つ第２の空孔径よりも小さく、第２の変化領域に含まれる複数の空孔の空孔径は、第３の空孔径よりも大きく且つ第２の空孔径よりも小さく、層間絶縁膜における下面領域は、第１の領域及び第１の変化領域を含み、層間絶縁膜における中央領域は、第２の領域を含み、層間絶縁膜における上面領域は、第２の変化領域及び第３の領域を含むことが好ましい。
【００２５】
本発明に係る半導体装置において、層間絶縁膜の下部に形成されたビアと、層間絶縁膜の上部に形成され、ビアと接続する配線とをさらに備えていることが好ましい。
【００２６】
このようにすると、層間絶縁膜において、中央領域（言い換えれば、配線の下面から配線の中央までの範囲内に位置する領域）に含まれる空孔の空孔径を、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径よりも大きくする。これにより、配線間容量を低減することができる。
【００２７】
本発明に係る半導体装置において、配線の下部近傍に位置する空孔の空孔径は、配線の上部近傍に位置する空孔の空孔径及びビアの下部近傍に位置する空孔の空孔径よりも大きいことが好ましい。
【００２８】
本発明に係る半導体装置において、層間絶縁膜の下に形成された第１の絶縁膜と、層間絶縁膜の上に形成された第２の絶縁膜とをさらに備えていることが好ましい。
【００２９】
本発明に係る半導体装置において、層間絶縁膜は、第１の層間絶縁膜であり、第１の層間絶縁膜の上に形成され、複数の空孔を含む第２の層間絶縁膜をさらに備え、第１の層間絶縁膜における、中央領域に含まれる空孔の空孔径をｘとし、上面領域に含まれる空孔の空孔径をｙとし、第２の層間絶縁膜における、下面領域と上面領域との間に介在する中央領域に含まれる空孔の空孔径をｖとし、上面領域に含まれる空孔の空孔径をｗとした場合、ｙに対するｘの変化率ｘ／ｙは、ｗに対するｖの変化率ｖ／ｗよりも大きいことが好ましい。
【００３０】
このようにすると、配線間距離が短い第１の層間絶縁膜（基板に近い第１の層間絶縁膜）を、変化率ｘ／ｙが大きい膜（言い換えれば、配線間容量の低減を考慮した膜）とすることができる。一方、配線間距離が長い第２の層間絶縁膜（基板から遠い第２の層間絶縁膜）を、変化率ｖ／ｗが小さい膜（言い換えれば、配線間容量の低減を考慮しない膜）とすることができる。ここで、「配線間距離が短い（長い）膜」とは、該膜に形成される複数の配線同士の間隔が短い（長い）膜をいう。
【００３１】
本発明に係る半導体装置において、層間絶縁膜は、第１の層間絶縁膜であり、第１の層間絶縁膜の上に形成され、複数の空孔を含む第２の層間絶縁膜をさらに備え、第２の層間絶縁膜における、下面領域と上面領域との間に介在する中央領域に含まれる空孔の空孔径は、第２の層間絶縁膜における上面領域に含まれる空孔の空孔径と略同一であり、第２の層間絶縁膜における中央領域に含まれる空孔の空孔径は、第１の層間絶縁膜における中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さいことが好ましい。
【００３２】
このようにすると、配線間距離が短い第１の層間絶縁膜を、中央領域に含まれる空孔の空孔径が、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径よりも大きい膜（言い換えれば、配線間容量の低減を考慮した膜）とすることができる。一方、配線間距離が長い第２の層間絶縁膜を、中央領域に含まれる空孔の空孔径が、上面領域に含まれる空孔の空孔径と略同一の膜（言い換えれば、配線間容量の低減を考慮しない膜）とすることができる。
【００３３】
本発明に係る半導体装置において、層間絶縁膜は、ＳｉＯ2膜、ＳｉＯＣ膜、ＦＳＧ膜又はＢＳＧ膜であることが好ましい。
【００３４】
本発明に係る半導体装置において、配線間の距離は、１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３５】
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、複数の空孔を含む層間絶縁膜を形成する工程を備え、層間絶縁膜は、単層構造の膜であり、層間絶縁膜を形成する工程は、下面領域に含まれる空孔の空孔径及び上面領域に含まれる空孔の空孔径が、下面領域と上面領域との間に介在する中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくなるように、層間絶縁膜を形成する工程であることを特徴とする。
【００３６】
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、層間絶縁膜は、単層構造の膜、言い換えれば、１つの連続体の膜であり、層間絶縁膜中に膜界面が存在しない。このため、膜界面において膜剥がれが発生することがない。また、膜界面にリークパスが形成されることがないため、層間絶縁膜に配線を形成した場合、配線間にリーク電流が発生することがない。従って、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【００３７】
さらに、層間絶縁膜において、下面領域に含まれる空孔の空孔径を、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくする。これにより、層間絶縁膜の下面に膜を形成した場合、層間絶縁膜の下面と該膜とが接触する接触面積を増加させることができるため、層間絶縁膜と該膜との密着性を向上させることができる。同様に、層間絶縁膜において、上面領域に含まれる空孔の空孔径を、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくする。これにより、層間絶縁膜の上面に膜を形成した場合、層間絶縁膜の上面と該膜とが接触する接触面積を増加させることができるため、層間絶縁膜と該膜との密着性を向上させることができる。
【００３８】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、層間絶縁膜を形成する工程において、複数の空孔は、中央から下面に向かって空孔径が小さくなっている一方、中央から上面に向かって空孔径が小さくなっていることが好ましい。
【００３９】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、層間絶縁膜を形成する工程は、化学気相成長法により、空孔形成剤からなる複数の粒子を含む層間絶縁膜用膜を形成する工程（ａ）と、層間絶縁膜用膜に含まれる複数の粒子を除去して、層間絶縁膜を形成する工程（ｂ）とを含むことが好ましい。
【００４０】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ａ）において、成膜時間に応じて、層間絶縁膜の骨格を形成するプリカーサ及び空孔形成剤の流量を調整することが好ましい。
【００４１】
このようにすると、空孔径が、下面側から上面側に向かう方向（膜厚方向）に変化する複数の空孔を含む層間絶縁膜を形成することができる。
【００４２】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ａ）において、成膜時間に応じて、空孔形成剤からなる粒子の径を調整することが好ましい。
【００４３】
このようにすると、空孔径が、膜厚方向に変化する複数の空孔を含む層間絶縁膜を形成することができる。
【００４４】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ｂ）は、熱処理、電子線照射又は紫外線照射により、層間絶縁膜用膜に含まれる複数の粒子を除去する工程であることが好ましい。
【００４５】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、層間絶縁膜を形成する工程は、工程（ｂ）の後に、熱処理、電子線照射又は紫外線照射により、層間絶縁膜における上面近傍領域に含まれる空孔の空孔径を小さくする工程（ｃ）をさらに含むことが好ましい。
【００４６】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、工程（ａ）は、チャンバー内において、第１の時間の間、第１のプリカーサ流量でプリカーサを流すと共に、第１の空孔形成剤流量で空孔形成剤を流して、第１の領域を形成する工程（ａ１）と、チャンバー内において、第２の時間の間、第１のプリカーサ流量から第２のプリカーサ流量に変化させながらプリカーサを流すと共に、第１の空孔形成剤流量から第２の空孔形成剤流量に変化させながら空孔形成剤を流して、第１の領域の上に、第１の変化領域を形成する工程（ａ２）と、チャンバー内において、第３の時間の間、第２のプリカーサ流量でプリカーサを流すと共に、第２の空孔形成剤流量で空孔形成剤を流して、第１の変化領域の上に、第２の領域を形成する工程（ａ３）と、チャンバー内において、第４の時間の間、第２のプリカーサ流量から第３のプリカーサ流量に変化させながらプリカーサを流すと共に、第２の空孔形成剤流量から第３の空孔形成剤流量に変化させながら空孔形成剤を流して、第２の領域の上に、第２の変化領域を形成する工程（ａ４）と、チャンバー内において、第５の時間の間、第３のプリカーサ流量でプリカーサを流すと共に、第３の空孔形成剤流量で空孔形成剤を流して、第２の変化領域の上に、第３の領域を形成する工程（ａ５）とを含み、工程（ａ５）において、第１の領域、第１の変化領域、第２の領域、第２の変化領域及び第３の領域を有する層間絶縁膜用膜が形成され、第１のプリカーサ流量に対する第１の空孔形成剤流量は、第２のプリカーサ流量に対する第２の空孔形成剤流量よりも小さく、第３のプリカーサ流量に対する第３の空孔形成剤流量は、第２のプリカーサ流量に対する第２の空孔形成剤流量よりも小さいことが好ましい。
【発明の効果】
【００４７】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、層間絶縁膜中に膜界面が存在しないため、膜剥がれの発生及びリークパスの形成を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】(a) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置における、第２の層間絶縁膜及びその近傍の構造を示す拡大断面図であり、(b) は、第４の層間絶縁膜及びその近傍の構造を示す拡大断面図である。
【図３】第２の層間絶縁膜における膜厚方向の空孔径の分布を示す図である。
【図４】(a) 〜(c) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図５】(a) 〜(c) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図６】(a) 〜(b) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図７】(a) 〜(b) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図８】プリカーサ、空孔形成剤及び酸化剤の各流量並びに高周波電力のパワーのタイミングチャートの一例を示す図である。
【図９】(a) 〜(d) は、従来の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下に、本発明の一実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、材料及び数値は、単に好ましい例を例示しているに過ぎず、例示された材料及び数値に限定されるものではない。また、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない範囲で、本発明を便宜変更することは可能である。
【００５０】
（一実施形態）
以下に、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造について、図１及び図２(a) 〜(b) を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【００５１】
図１に示すように、例えばＳｉからなる基板１０の上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる第１の層間絶縁膜１１が形成されている。第１の層間絶縁膜１１には、第１の配線１４が形成されている。
【００５２】
第１の層間絶縁膜１１の上には、第１の配線１４を覆うように、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる第１の絶縁膜１５が形成されている。第１の絶縁膜１５の上には、複数の空孔（図示省略）を含み例えば比誘電率が３．０以下の炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）からなる第２の層間絶縁膜１６が形成されている。第１の絶縁膜１５及び第２の層間絶縁膜１６の下部には、第１のビア２１が形成されている。第２の層間絶縁膜１６の上部には、第２の配線２２が形成されている。第１のビア２１により、第１の配線１４と第２の配線２２とが電気的に接続されている。
【００５３】
第２の層間絶縁膜１６の上には、第２の配線２２を覆うように、例えばＳｉＣからなる第２の絶縁膜２３が形成されている。第２の絶縁膜２３の上には、複数の空孔（図示省略）を含み例えば比誘電率が３．０以下のＳｉＯＣからなる第３の層間絶縁膜２４が形成されている。第２の絶縁膜２３及び第３の層間絶縁膜２４の下部には、第２のビア２７が形成されている。第３の層間絶縁膜２４の上部には、第３の配線２８が形成されている。第２のビア２７により、第２の配線２２と第３の配線２８とが電気的に接続されている。
【００５４】
第３の層間絶縁膜２４の上には、第３の配線２８を覆うように、例えばＳｉＣからなる第３の絶縁膜２９が形成されている。第３の絶縁膜２９の上には、複数の空孔（図示省略）を含み例えば比誘電率が３．０以下のＳｉＯＣからなる第４の層間絶縁膜３０が形成されている。第３の絶縁膜２９及び第４の層間絶縁膜３０の下部には、第３のビア３３が形成されている。第４の層間絶縁膜３０の上部には、第４の配線３４が形成されている。第３のビア３３により、第３の配線２８と第４の配線３４とが電気的に接続されている。
【００５５】
第４の層間絶縁膜３０の上には、第４の配線３４を覆うように、例えばＳｉＣからなる第４の絶縁膜３５が形成されている。
【００５６】
第１の配線１４は、配線溝の底面及び壁面に形成された例えば窒化タンタル（ＴａＮ）からなるバリアメタル膜１２と、配線溝内にバリアメタル膜１２を介して埋め込まれた例えば銅（Ｃｕ）からなる導電膜１３とを有している。
【００５７】
第１，第２，第３のビア２１，２７，３３は、ビア孔の底面及び壁面に形成された例えばＴａＮからなるバリアメタル膜１９ａ，２５ａ，３１ａと、ビア孔内にバリアメタル膜１９ａ，２５ａ，３１ａを介して埋め込まれた例えばＣｕからなる導電膜２０ａ，２６ａ，３２ａとを有している。
【００５８】
第２，第３，第４の配線２２，２８，３４は、配線溝の底面及び壁面に形成された例えばＴａＮからなるバリアメタル膜１９ｂ，２５ｂ，３１ｂと、配線溝内にバリアメタル膜１９ｂ，２５ｂ，３１ｂを介して埋め込まれた例えばＣｕからなる導電膜２０ｂ，２６ｂ，３２ｂとを有している。
【００５９】
第１，第２，第３の絶縁膜１５，２３，２９は、金属拡散防止膜として機能している。
【００６０】
本実施形態に係る半導体装置は、４層の第１〜第４の配線層を含む。ここで、「第１の配線層」は、第１の層間絶縁膜１１及び第１の配線１４等を含む。「第２の配線層」は、第２の層間絶縁膜１６及び第２の配線２２等を含む。「第３の配線層」は、第３の層間絶縁膜２４及び第３の配線２８等を含む。「第４の配線層」は、第４の層間絶縁膜３０及び第４の配線３４等を含む。
【００６１】
以下に、第２，第３，第４の層間絶縁膜について説明する。
【００６２】
＜第２の層間絶縁膜＞
以下に、第２の層間絶縁膜の構造について、図２(a) を参照しながら説明する。図２(a) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置における、第２の層間絶縁膜（特徴的構成要素）及びその近傍の構造を示す拡大断面図である。
【００６３】
図２(a) に示すように、第２の層間絶縁膜１６は、単層構造の膜、言い換えれば、一つの連続体の膜である。即ち、第２の層間絶縁膜１６は、膜中に膜界面が存在しない膜である。ここで、「膜界面」とは、相異なる膜同士の間に存在する界面をいう。
【００６４】
図２(a) に示すように、第２の層間絶縁膜１６は、複数の空孔を含む。第２の層間絶縁膜１６における、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径は、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さい。
【００６５】
図２(a) に示すように、第２の層間絶縁膜１６に含まれる複数の空孔は、中央から下面に向かって空孔径が小さくなっている一方、中央から上面に向かって空孔径が小さくなっている。
【００６６】
図２(a) に示すように、第２の層間絶縁膜１６は、第１の領域Ｒａと、第１の変化領域Ｒｂと、第２の領域Ｒｃと、第２の変化領域Ｒｄと、第３の領域Ｒｅとを有している。
【００６７】
第１の領域Ｒａは、下面側に位置し、各々が第１の空孔径を有する複数の空孔Ｈａを含む。第２の領域Ｒｃは、中央に位置し、各々が第２の空孔径を有する複数の空孔Ｈｃを含む。第３の領域Ｒｅは、上面側に位置し、各々が第３の空孔径を有する複数の空孔Ｈｅを含む。第１の変化領域Ｒｂは、第１の領域Ｒａと第２の領域Ｒｃとの間に介在し、空孔径が下面側から上面側に向かって大きくなる複数の空孔を含む。第２の変化領域Ｒｄは、第２の領域Ｒｃと第３の領域Ｒｅとの間に介在し、空孔径が下面側から上面側に向かって小さくなる複数の空孔を含む。
【００６８】
空孔Ｈｃの第２の空孔径は、空孔Ｈａの第１の空孔径及び空孔Ｈｅの第３の空孔径よりも大きい。第１の変化領域Ｒｂに含まれる空孔Ｈｂの空孔径は、第１の空孔径よりも大きく且つ第２の空孔径よりも小さい。第２の変化領域Ｒｄに含まれる空孔Ｈｄの空孔径は、第３の空孔径よりも大きく且つ第２の空孔径よりも小さい。
【００６９】
ここで、「下面領域」とは、下面を含む領域をいう（例えば、第１の領域Ｒａ及び第１の変化領域Ｒｂを含む領域をいう）。「上面領域」とは、上面を含む領域をいう（例えば、第２の変化領域Ｒｄ及び第３の領域Ｒｅを含む領域をいう）。「中央領域」とは、下面領域と上面領域との間に介在し、第２の配線２２の下面から第２の配線２２の中央までの範囲内に位置する領域をいう（例えば、第２の領域Ｒｃをいう）。
【００７０】
またここで、第１の領域Ｒａは、例えば、第２の層間絶縁膜１６の下面から第１のビア２１の中央までの範囲内に位置する領域をいう。第１の変化領域Ｒｂは、例えば、第１のビア２１の中央から第２の配線２２の下面までの範囲内に位置する領域をいう。第２の領域Ｒｃは、例えば、第２の配線２２の下面から第２の配線２２の中央までの範囲内に位置する領域をいう。第２の変化領域Ｒｄ及び第３の領域Ｒｅを含む領域は、例えば、第２の配線２２の中央から第２の層間絶縁膜１６の上面までの範囲内に位置する領域をいう。
【００７１】
第１の領域Ｒａ、第１の変化領域Ｒｂ、第２の領域Ｒｃ、第２の変化領域Ｒｄ及び第３の領域Ｒｅの各々は、図２(a) に示すように、空孔径が互いに異なっているため、膜質が互いに異なっている。
【００７２】
図２(a) に示すように、第２の配線２２の下部近傍に位置する空孔（例えば、第２の領域Ｒｃに含まれる空孔Ｈｃ）の空孔径は、第２の配線２２の上部近傍に位置する空孔（例えば、第３の領域Ｒｅに含まれる空孔Ｈｅ）の空孔径及び第１のビア２１の下部近傍に位置する空孔（例えば、第１の領域Ｒａに含まれる空孔Ｈａ）の空孔径よりも大きい。
【００７３】
第２の層間絶縁膜１６における膜厚方向の空孔径の分布について、図３を参照しながら説明する。図３は、第２の層間絶縁膜における任意の領域に含まれる空孔の空孔径を示す図である。ここで、「任意の領域」とは、下面から、膜厚方向に、任意の距離だけ離れたシート状の領域をいう。
【００７４】
図３に示すように、第１の領域Ｒａに含まれる複数の空孔の各々は、第１の空孔径（例えば約１ｎｍ以下）を有している。第１の変化領域Ｒｂに含まれる複数の空孔は、空孔径が下面側から上面側に向かって大きくなっている。第２の領域Ｒｃに含まれる複数の空孔の各々は、第２の空孔径（例えば約１ｎｍ以上）を有している。第２の変化領域Ｒｄに含まれる複数の空孔は、空孔径が下面側から上面側に向かって小さくなっている。第３の領域Ｒｅに含まれる複数の空孔の各々は、第３の空孔径（例えば約１ｎｍ以下）を有している。
【００７５】
＜第３の層間絶縁膜＞
以下に、第３の層間絶縁膜の構造について説明する。
【００７６】
第３の層間絶縁膜２４は、第２の層間絶縁膜１６と同様の構造を有している。即ち、第３の層間絶縁膜２４における、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径は、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さい。
【００７７】
＜第４の層間絶縁膜＞
以下に、第４の層間絶縁膜の構造について、図２(b) を参照しながら説明する。図２(b) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置における、第４の層間絶縁膜及びその近傍の構造を示す拡大断面図である。
【００７８】
第４の層間絶縁膜３０は、複数の空孔Ｈを含む。複数の空孔Ｈの空孔径の各々は、互いに略同一である。空孔Ｈの空孔径は、例えば、図２(a) に示す第２の領域Ｒｃに含まれる空孔Ｈｃの第２の空孔径よりも小さい。
【００７９】
第２の層間絶縁膜１６における、中央領域に含まれる空孔の空孔径をｘとし、上面領域に含まれる空孔の空孔径をｙとし、第４の層間絶縁膜３０における、中央領域に含まれる空孔の空孔径をｖとし、上面領域に含まれる空孔の空孔径をｗとした場合、ｙに対するｘの変化率ｘ／ｙ＞１であり、ｗに対するｖの変化率ｖ／ｗ＝１であり、ｘ／ｙはｖ／ｗよりも大きい。ここで、第４の層間絶縁膜３０における「中央領域」とは、例えば、第４の配線３４の下面から第４の配線３４の中央までの範囲内に位置する領域をいう。第４の層間絶縁膜３０における「下面領域」とは、下面を含む領域をいう。
【００８０】
以下に、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図４(a) 〜(c) 、図５(a) 〜(c) 、図６(a) 〜(b) 及び図７(a) 〜(b) を参照しながら説明する。図４(a) 〜図７(b) は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００８１】
まず、図４(a) に示すように、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法により、基板１０の上に、例えばＳｉＯ2からなる第１の層間絶縁膜１１を形成する。その後、第１の層間絶縁膜１１の上に、レジスト（図示省略）を塗布した後、リソグラフィ法により、配線溝パターンを有するレジストパターン（図示省略）を形成する。その後、レジストパターンをマスクとして、第１の層間絶縁膜１１に対して、例えばドライエッチングを行う。これにより、第１の層間絶縁膜１１に、配線溝を形成する。その後、アッシングにより、レジストパターンを除去する。その後、例えばスパッタリング法により、第１の層間絶縁膜１１の上面、並びに配線溝の底面及び壁面を覆うように、例えばＴａＮからなるバリアメタル膜を形成する。その後、例えば電気めっき法により、バリアメタル膜の上に、配線溝内を埋め込むように、例えばＣｕからなる導電膜を形成する。その後、例えば化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により、導電膜及びバリアメタル膜における配線溝外に形成された部分（余分な導電膜及びバリアメタル膜）を順次除去する。これにより、バリアメタル膜１２と導電膜１３とを有する第１の配線１４を形成する。
【００８２】
次に、図４(b) に示すように、例えばＣＶＤ法、原子層堆積（ＡＬＤ）法又はゾル・ゲル（ＳＯＤ）法により、第１の層間絶縁膜１１の上に、第１の配線１４を覆うように、例えばＳｉＣからなる第１の絶縁膜１５を形成する。
【００８３】
その後、例えばＣＶＤ法により、第１の絶縁膜１５の上に、空孔形成剤からなる複数の粒子（図示省略）を含み例えばＳｉＯＣからなる第２の層間絶縁膜用膜１６Ａを形成する。
【００８４】
具体的には、真空状態に保持されたチャンバー（図示省略）内に、基板１０を搬送し、例えば２５０℃に加熱されたステージ（図示省略）の上に、基板１０を配置する。その後、膜骨格を形成するプリカーサとして、例えばジエトキシメチルシラン（ＤＥＭＳ）等の炭素を含有するプリカーサを用い、空孔形成剤として、例えばαテルピネン等のポロジェンを用い、酸化剤として、例えば酸素を用い、ＤＥＭＳとαテルピネンと酸素とを含む混合ガスを、例えばヘリウム等のキャリアガスと共に、チャンバー内に流し、高周波電力を印加する。このとき、成膜時間に応じて、ＤＥＭＳ、αテルピネン及び酸素を流す流量、並びに高周波電力のパワーを調整する。
【００８５】
ＤＥＭＳ、αテルピネン及び酸素の各流量、並びに高周波電力のパワーのタイミングチャートの一例について、図８を参照しながら説明する。図８は、ＤＥＭＳ、αテルピネン及び酸素を流す時間と、ＤＥＭＳ、αテルピネン及び酸素の各流量との関係、並びに該時間と、高周波電力のパワーとの関係を示す図である。
【００８６】
図８に示すように、チャンバー内において、時間ｔ１から時間ｔ２までの間（第１の時間の間）、例えば０．３ｇ／ｍｉｎ（第１のプリカーサ流量）でＤＥＭＳを流し、例えば０．２５ｇ／ｍｉｎ（第１の空孔形成剤流量）でαテルピネンを流し、且つ例えば１５ｃｃ／ｍｉｎ（標準状態）で酸素を流し、例えば１５００Ｗの高周波電力を印加する。これにより、第１の絶縁膜１５の上に、各々が第１の径を有し且つαテルピネン高分子体（又はαテルピネン）からなる複数の粒子を含む第１の領域ｒａを形成する。ここで、「αテルピネン高分子体」とは、αテルピネンが重合してなる高分子体をいう。第１の時間は、第１の領域ｒａの厚さに応じて設定される。
【００８７】
次に、図８に示すように、チャンバー内において、時間ｔ２から時間ｔ３までの間（第２の時間の間）、０．３ｇ／ｍｉｎから例えば０．２ｇ／ｍｉｎ（第２のプリカーサ流量）に変化させながらＤＥＭＳを流し、０．２５ｇ／ｍｉｎから例えば０．３５ｇ／ｍｉｎ（第２の空孔形成剤流量）に変化させながらαテルピネンを流し、且つ１５ｃｃ／ｍｉｎから例えば１２ｃｃ／ｍｉｎ（標準状態）に変化させながら酸素を流し、１５００Ｗから例えば４００Ｗに変化させながら高周波電力を印加する。これにより、第１の領域ｒａの上に、αテルピネン高分子体からなる複数の粒子を含む第１の変化領域ｒｂを形成する。このとき、時間ｔ２の時点でのプリカーサ流量に対する空孔形成剤流量は、０．２５／０．３（＜１）であり、時間ｔ３の時点でのプリカーサ流量に対する空孔形成剤流量は、０．３５／０．２（＞１）であり、時間ｔ２から時間ｔ３に経過するに従い、プリカーサ流量に対する空孔形成剤流量は大きくなる。このため、第１の変化領域ｒｂに含まれる複数の粒子は、径が下面側から上面側に向かって大きくなる。第２の時間は、第１の変化領域ｒｂの厚さに応じて設定される。
【００８８】
次に、図８に示すように、チャンバー内において、時間ｔ３から時間ｔ４までの間（第３の時間の間）、０．２ｇ／ｍｉｎ（第２のプリカーサ流量）でＤＥＭＳを流し、０．３５ｇ／ｍｉｎ（第２の空孔形成剤流量）でαテルピネンを流し、且つ１２ｃｃ／ｍｉｎで酸素を流し、４００Ｗの高周波電力を印加する。これにより、第１の変化領域ｒｂの上に、各々が第２の径を有し且つαテルピネン高分子体からなる複数の粒子を含む第２の領域ｒｃを形成する。このとき、第２のプリカーサ流量に対する第２の空孔形成剤流量は、０．３５／０．２であり、第１のプリカーサ流量に対する第１の空孔形成剤流量（０．２５／０．３）よりも大きい。このため、第２の領域ｒｃに含まれる粒子の第２の径を、第１の領域ｒａに含まれる粒子の第１の径よりも大きくすることができる。第３の時間は、第２の領域ｒｃの厚さに応じて設定される。
【００８９】
次に、図８に示すように、チャンバー内において、時間ｔ４から時間ｔ５までの間（第４の時間の間）、０．２ｇ／ｍｉｎから例えば０．３ｇ／ｍｉｎ（第３のプリカーサ流量）に変化させながらＤＥＭＳを流し、０．３５ｇ／ｍｉｎから例えば０．２５ｇ／ｍｉｎ（第３の空孔形成剤流量）に変化させながらαテルピネンを流し、且つ１２ｃｃ／ｍｉｎから例えば１５ｃｃ／ｍｉｎ（標準状態）に変化させながら酸素を流し、４００Ｗから例えば１５００Ｗに変化させながら高周波電力を印加する。これにより、第２の領域ｒｃの上に、αテルピネン高分子体からなる複数の粒子を含む第２の変化領域ｒｄを形成する。このとき、時間ｔ４の時点でのプリカーサ流量に対する空孔形成剤流量は、０．３５／０．２（＞１）であり、時間ｔ５の時点でのプリカーサ流量に対する空孔形成剤流量は、０．２５／０．３（＜１）であり、時間ｔ４から時間ｔ５に経過するに従い、プリカーサ流量に対する空孔形成剤流量は小さくなる。このため、第２の変化領域ｒｄに含まれる複数の粒子は、径が下面側から上面側に向かって小さくなる。第４の時間は、第２の変化領域ｒｄの厚さに応じて設定される。
【００９０】
次に、図８に示すように、チャンバー内において、時間ｔ５から時間ｔ６までの間（第５の時間の間）、０．３ｇ／ｍｉｎ（第３のプリカーサ流量）でＤＥＭＳを流し、０．２５ｇ／ｍｉｎ（第３の空孔形成剤流量）でαテルピネンを流し、且つ１５ｃｃ／ｍｉｎで酸素を流し、１５００Ｗの高周波電力を印加する。これにより、第２の変化領域ｒｄの上に、各々が第３の径を有し且つαテルピネン高分子体（又はαテルピネン）からなる複数の粒子を含む第３の領域ｒｅを形成する。このとき、第３のプリカーサ流量に対する第３の空孔形成剤流量は、０．２５／０．３であり、第２のプリカーサ流量に対する第２の空孔形成剤流量（０．３５／０．２）よりも小さい。このため、第３の領域ｒｅに含まれる粒子の第３の径を、第２の領域ｒｃに含まれる粒子の第２の径よりも小さくすることができる。第５の時間は、第３の領域ｒｅの厚さに応じて設定される。
【００９１】
このようにして、図４(b) に示すように、第１の領域ｒａ、第１の変化領域ｒｂ、第２の領域ｒｃ、第２の変化領域ｒｄ及び第３の領域ｒｅを有する第２の層間絶縁膜用膜１６Ａを形成する。
【００９２】
次に、図４(c) に示すように、基板１０を加熱しながら、第２の層間絶縁膜用膜１６Ａに対して、例えば紫外線を照射する。これにより、第２の層間絶縁膜用膜１６Ａに含まれる複数の粒子を分解除去して、複数の空孔（図示省略）を含む第２の層間絶縁膜１６を形成する。このとき、第２の層間絶縁膜１６における、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径は、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さい。
【００９３】
具体的には、真空状態に保持されたチャンバー（図示省略）内に、基板１０を搬送し、例えば４００℃に加熱されたステージ（図示省略）の上に、基板１０を配置する。その後、第２の層間絶縁膜用膜１６Ａに対して、例えば２００〜４００ｎｍの紫外線を照射する。これにより、第１の領域ｒａ、第１の変化領域ｒｂ、第２の領域ｒｃ、第２の変化領域ｒｄ及び第３の領域ｒｅの各々に含まれる複数の粒子を分解除去して、第１の領域Ｒａ、第１の変化領域Ｒｂ、第２の領域Ｒｃ、第２の変化領域Ｒｄ及び第３の領域Ｒｅを有する第２の層間絶縁膜１６を形成する。このとき、第１の領域Ｒａ及び第３の領域Ｒｅの各々に含まれる空孔の空孔径は、例えば約１ｎｍ以下である。また、第２の領域Ｒｃに含まれる空孔の空孔径は、例えば約１ｎｍ以上である。
【００９４】
次に、図５(a) に示すように、第２の層間絶縁膜１６の上に、レジストを塗布した後、リソグラフィ法により、ビアパターンを有するレジストパターン（図示省略）を形成する。その後、レジストパターンをマスクとして、第２の層間絶縁膜１６に対して、例えばドライエッチングを行う。これにより、第２の層間絶縁膜１６の下部に、第１の絶縁膜１５の上面を露出させるホールを形成する。その後、アッシング及び洗浄により、レジストパターンを除去する。その後、第２の層間絶縁膜１６の上に、レジストを塗布した後、リソグラフィ法により、配線パターンを有するレジストパターン（図示省略）を形成する。その後、レジストパターンをマスクとして、第２の層間絶縁膜１６に対して、ドライエッチングを行う。これにより、第２の層間絶縁膜１６の下部に形成されたホールと連通する配線溝１８を形成する。その後、例えばドライエッチングにより、ホール内に露出する第１の絶縁膜１５（第１の配線１４上の第１の絶縁膜１５）を除去して、第１の配線１４の上面を露出させるビアホール１７を形成する。
【００９５】
次に、図５(b) に示すように、例えばスパッタリング法により、第２の層間絶縁膜１６の上面、ビアホール１７の底面及び壁面、並びに配線溝１８の底面及び壁面を覆うように、例えばＴａＮからなるバリアメタル膜１９を形成する。その後、例えば電気めっき法により、バリアメタル膜１９の上に、ビアホール１７及び配線溝１８内を埋め込むように、例えばＣｕからなる導電膜２０を形成する。
【００９６】
次に、図５(c) に示すように、例えばＣＭＰ法により、導電膜２０及びバリアメタル膜１９における配線溝１８外に形成された部分（余分な導電膜２０及びバリアメタル膜１９）を順次除去する。これにより、バリアメタル膜１９ａと導電膜２０ａとを有する第１のビア２１を形成すると共に、バリアメタル膜１９ｂと導電膜２０ｂとを有する第２の配線２２を形成する。
【００９７】
次に、図４(b) に示す工程と同様の工程を行う。これにより、第２の層間絶縁膜１６の上に、第２の配線２２を覆うように、第２の絶縁膜を形成する。その後、第２の絶縁膜の上に、空孔形成剤からなる複数の粒子を含む第３の層間絶縁膜用膜を形成する。
【００９８】
次に、図４(c) に示す工程と同様の工程を行う。これにより、第３の層間絶縁膜用膜に含まれる複数の粒子を分解除去して、複数の空孔を含む第３の層間絶縁膜を形成する。このとき、第３の層間絶縁膜における、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径は、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さい。
【００９９】
次に、図５(a) に示す工程と同様の工程を行う。これにより、図６(a) に示すように、第２の絶縁膜２３及び第３の層間絶縁膜２４の下部に、ビアホールを形成すると共に、第３の層間絶縁膜２４の上部に、ビアホールと連通する配線溝を形成する。
【０１００】
次に、図５(b) 〜(c) に示す工程と同様の工程を順次行う。これにより、図６(a) に示すように、ビアホール内に、バリアメタル膜２５ａと導電膜２６ａとを有する第２のビア２７を形成すると共に、配線溝内に、バリアメタル膜２５ｂと導電膜２６ｂとを有する第３の配線２８を形成する。
【０１０１】
次に、図６(b) に示すように、例えばＣＶＤ法、ＡＬＤ法又はＳＯＤ法により、第３の層間絶縁膜２４の上に、第３の配線２８を覆うように、例えばＳｉＣからなる第３の絶縁膜２９を形成する。
【０１０２】
その後、例えばＣＶＤ法により、第３の絶縁膜２９の上に、空孔形成剤からなる複数の粒子（図示省略）を含み例えばＳｉＯＣからなる第４の層間絶縁膜用膜３０Ａを形成する。
【０１０３】
具体的には、真空状態に保持されたチャンバー内に、基板１０を搬送し、例えば２５０℃に加熱されたステージの上に、基板１０を配置する。その後、チャンバー内において、任意の時間の間、例えば０．３ｇ／ｍｉｎでＤＥＭＳを流し、例えば０．２５ｇ／ｍｉｎでαテルピネンを流し、例えば１５ｃｃ／ｍｉｎ（標準状態）で酸素を流し、例えば１５００Ｗの高周波電力を印加する。これにより、αテルピネン高分子体（又はαテルピネン）からなる複数の粒子を含む第４の層間絶縁膜用膜３０Ａを形成する。このとき、ＤＥＭＳ、αテルピネン、酸素を流す時間の間、プリカーサ流量に対する空孔形成剤流量を一定にする。このため、第４の層間絶縁膜用膜３０Ａに含まれる複数の粒子の径の各々は、互いに略同一である。
【０１０４】
次に、図７(a) に示すように、基板１０を加熱しながら、第４の層間絶縁膜用膜３０Ａに対して、例えば紫外線を照射する。これにより、第４の層間絶縁膜用膜３０Ａに含まれる複数の粒子を分解除去して、複数の空孔（図示省略）を含む第４の層間絶縁膜３０を形成する。このとき、第４の層間絶縁膜３０に含まれる複数の空孔の空孔径の各々は、互いに略同一である。
【０１０５】
具体的には、真空状態に保持されたチャンバー（図示省略）内に、基板１０を搬送し、例えば４００℃に加熱されたステージ（図示省略）の上に、基板１０を配置する。その後、第４の層間絶縁膜用膜３０Ａに対して、例えば２００〜４００ｎｍの紫外線を照射する。これにより、第４の層間絶縁膜用膜３０Ａに含まれる複数の粒子を分解除去して、第４の層間絶縁膜３０を形成する。このとき、第４の層間絶縁膜３０に含まれる空孔の空孔径は、例えば約１ｎｍ以下である。
【０１０６】
次に、図５(a) に示す工程と同様の工程を行う。これにより、図７(b) に示すように、第３の絶縁膜２９及び第４の層間絶縁膜３０の下部に、ビアホールを形成すると共に、第４の層間絶縁膜３０の上部に、配線溝を形成する。
【０１０７】
次に、図５(b) 〜(c) に示す工程と同様の工程を順次行う。これにより、図７(b) に示すように、ビアホール内にバリアメタル膜３１ａと導電膜３２ａとを有する第３のビア３３を形成すると共に、配線溝内にバリアメタル膜３１ｂと導電膜３２ｂとを有する第４の配線３４を形成する。
【０１０８】
次に、図７(b) に示すように、例えばＣＶＤ法、ＡＬＤ法又はＳＯＤ法により、第４の層間絶縁膜３０の上に、第４の配線３４を覆うように、例えばＳｉＣからなる第４の絶縁膜３５を形成する。
【０１０９】
以上のようにして、本実施形態に係る半導体装置を製造することができる。
【０１１０】
本実施形態によると、第２の層間絶縁膜１６は、単層構造の膜、言い換えれば、１つの連続体の膜である。即ち、第２の層間絶縁膜１６は、同一のチャンバー内において連続して形成された連続体の膜（第２の層間絶縁膜用膜１６Ａ）に含まれる複数の粒子を除去してなる連続体の膜であり、第２の層間絶縁膜１６中に膜界面が存在しない。このため、膜界面において膜剥れが発生することがない。また、膜界面にリークパスが形成されることがないため、第２の配線２２と、第２の配線２２と隣接する異電位の配線（図示省略）との間にリーク電流が発生することがない。従って、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【０１１１】
第２の層間絶縁膜１６において、下面領域に含まれる空孔の空孔径を、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくする。これにより、第２の層間絶縁膜１６の下面と第１の絶縁膜１５とが接触する接触面積を増加させることができるため、第２の層間絶縁膜１６と第１の絶縁膜１５との密着性を向上させることができる。同様に、第２の層間絶縁膜１６において、上面領域に含まれる空孔の空孔径を、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくする。これにより、第２の層間絶縁膜１６の上面と第２の絶縁膜２３とが接触する接触面積を増加させることができるため、第２の層間絶縁膜１６と第２の絶縁膜２３との密着性を向上させることができる。
【０１１２】
第２の層間絶縁膜１６の膜厚をｔとした場合、第２の層間絶縁膜１６と第１の絶縁膜１５との密着性を向上させる為には、下面領域（例えば、第１の領域Ｒａ及び第１の変化領域Ｒｂを含む領域）の厚さを、約０．０５ｔ以上にすることが好ましい。同様に、第２の層間絶縁膜１６と第２の絶縁膜２３との密着性を向上させる為には、上面領域（例えば、第２の変化領域Ｒｄ及び第３の領域Ｒｅを含む領域）の厚さを、約０．０５ｔ以上にすることが好ましい。なお、下面，上面領域の厚さの上限は、約０．３ｔ程度である。その理由は、次のような理由による。厚さを約０．３ｔにすることにより、密着性を充分に向上させることができる。言い換えれば、厚さを約０．３ｔよりも大きくしても、密着性の顕著な向上を期待できない。
【０１１３】
第２の層間絶縁膜１６において、中央領域（言い換えれば、第２の配線２２の下面から第２の配線２２の中央までの範囲内に位置する領域）に含まれる空孔の空孔径を、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径よりも大きくする。これにより、配線間容量を低減することができる。
【０１１４】
第２の層間絶縁膜１６の膜厚をｔとした場合、配線間容量を低減させる為には、中央領域（例えば第２の領域Ｒｃ）の厚さを、約０．４ｔ程度より厚くすることが好ましい。
【０１１５】
ところで、一般に、空孔を含む低誘電率膜の空孔率を増加させると、低誘電率膜の機械的強度が低下するという傾向がある。このため、空孔を含む低誘電率膜に対し、例えばＣＭＰ法による研磨を行った場合、研磨された面にスクラッチ（研磨傷）が発生するという虞がある。
【０１１６】
そこで、本実施形態では、第２の層間絶縁膜１６において、上面領域に含まれる空孔の空孔径を、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくする。これにより、上面領域の機械的強度を、中央領域の機械的強度よりも向上させることができる。このため、図５(c) に示すように、ＣＭＰ法による第２の層間絶縁膜１６の研磨時に、上面（研磨された面）にスクラッチが発生することを抑制することができる。
【０１１７】
また、一般に、低誘電率膜の比誘電率が低下すると、低誘電率膜の研磨レートが高くなるという傾向がある。このため、低誘電率膜に対し、ＣＭＰ法による研磨を行った場合、エロージョンにより、低誘電率膜の上面が、低誘電率膜に形成された配線の上面よりも低く位置し、低誘電率膜と配線との間に段差が発生するという虞がある。ここで、「エロージョン」とは、ＣＭＰ法による膜の研磨時に、本来研磨されるべきでない部分が研磨されることをいう。
【０１１８】
そこで、本実施形態では、第２の層間絶縁膜１６において、上面領域に含まれる空孔の空孔径を、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さくする。これにより、上面領域の研磨レートを、中央領域の研磨レートよりも低くすることができる。このため、エロージョンにより、第２の層間絶縁膜１６と第２の配線２２との間に段差が発生することを抑制することができる。
【０１１９】
第３の層間絶縁膜２４は、第２の層間絶縁膜１６と同様の構造を有している。従って、上記の効果と同様の効果を得ることができる。
【０１２０】
なお、本実施形態では、プリカーサとして例えばＤＥＭＳを用い、空孔形成剤として例えばαテルピネン等のポロジェンを用いる場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１２１】
なお、本実施形態では、図８に示すように、成膜時間に応じて、プリカーサ、空孔形成剤及び酸化剤の各流量、並びに高周波電力のパワーを変化させることにより、第２，第３の層間絶縁膜１６，２４を形成する場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１２２】
第１に例えば、成膜時間に応じて、プリカーサ及び空孔形成剤のうち少なくとも一方の流量を変化させれば、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径が、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さい第２，第３の層間絶縁膜を形成することが可能である。
【０１２３】
第２に例えば、空孔形成剤として、数種類の空孔形成剤を用いて、成膜時間に応じて、チャンバー内に流す空孔形成剤の種類を変化させることにより、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径が、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さい第２，第３の層間絶縁膜を形成してもよい。
【０１２４】
なお、本実施形態では、例えば紫外線照射により、第２，第３，第４の層間絶縁膜用膜に含まれる複数の粒子を分解除去する場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば電子線照射又は熱処理により、第２，第３，第４の層間絶縁膜用膜に含まれる複数の粒子を分解除去してもよい。
【０１２５】
なお、本実施形態では、紫外線照射、電子線照射又は熱処理により、第２，第３の層間絶縁膜用膜に含まれる複数の粒子を分解除去して、第２，第３の層間絶縁膜を形成した後、引き続き、紫外線照射、電子線照射又は熱処理により、第２，第３の層間絶縁膜における、上面近傍領域に含まれる空孔の空孔径を小さくしてもよい。ここで、紫外線照射、電子線照射又は熱処理により空孔の空孔径を小さくする上面近傍領域は、例えば、上面近傍０．０５ｔから０．３ｔ程度の領域をいう。
【０１２６】
なお、本実施形態では、第１の層間絶縁膜１１としてＳｉＯ2膜を用いた場合を具体例に挙げて説明したが、これに代えて、ＳｉＯＣ膜、ＦＳＧ膜又はＢＳＧ膜を用いてもよい。また、第２，第３，第４の層間絶縁膜１６，２４，３０としてＳｉＯＣ膜を用いた場合を具体例に挙げて説明したが、これに代えて、ＳｉＯ2膜、ＦＳＧ膜又はＢＳＧ膜を用いてもよい。
【０１２７】
なお、本実施形態では、第３の層間絶縁膜２４が、第２の層間絶縁膜１６と同様の構造を有している（第３の層間絶縁膜２４が、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径が、中央領域に含まれる空孔の空孔径よりも小さい膜である）場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１に例えば、第３の層間絶縁膜は、図２(b) に示す第４の層間絶縁膜３０と同様の構造を有していてもよい。第２に例えば、第３の層間絶縁膜は、空孔を含まない膜でもよい。
【０１２８】
なお、本実施形態では、第４の層間絶縁膜３０が、図２(b) に示すように、各々が、略同一の空孔径を有し且つ第２の空孔径よりも小さい複数の空孔を含む膜である場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１に例えば、第４の層間絶縁膜は、図２(a) に示す第２の層間絶縁膜１６と同様の構造を有していてもよい。第２に例えば、第４の層間絶縁膜は、空孔を含まない膜でもよい。
【０１２９】
一般に、基板に近い配線層は、隣接する配線間の距離が短く、配線間容量が高い。一方、基板から遠い配線層は、隣接する配線間の距離が長く、配線間容量が低い。
【０１３０】
基板１０に近い配線層（第２，第３の層間絶縁膜１６，２４及び第２，第３の配線２２，２８等を含む第２，第３の配線層）に含まれる配線間の距離が、例えば１００ｎｍ以下である場合、第２，第３の層間絶縁膜１６，２４として、図２(a) に示すように、中央領域に含まれる空孔の空孔径が、下面領域及び上面領域の各々に含まれる空孔の空孔径よりも大きい膜を用いることが好ましい。
【０１３１】
一方、基板１０から遠い配線層（第４の層間絶縁膜３０及び第４の配線３４等を含む第４の配線層）に含まれる配線間の距離が、例えば１００ｎｍよりも大きい場合、第４の層間絶縁膜３０として、図２(b) に示すように、各々が、略同一の空孔径を有し且つ第２の空孔径よりも小さい複数の空孔を含む膜を用いてもよく、又は空孔を含まない膜を用いてもよい。
【０１３２】
なお、本実施形態では、４層の多層配線構造を有する半導体装置を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、５層以上の多層配線構造又は３層以下の多層配線構造を有する半導体装置でもよい。
【０１３３】
なお、本実施形態では、バリアメタル膜１２，１９ａ，１９ｂ，２５ａ，２５ｂ，３１ａ，３１ｂの材料として、ＴａＮを用いる場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＴａＮに代えて、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、ルテニウム（Ｒｕ）又は窒化ルテニウム（ＲｕＮ）等を用いてもよい。
【０１３４】
なお、本実施形態では、導電膜１３，２０ａ，２０ｂ，２６ａ，２６ｂ，３２ａ，３２ｂの材料として、Ｃｕを用いる場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１３５】
一般に、アルミニウム（Ａｌ）よりも抵抗率の低いＣｕを用いた場合、ドライエッチングにより、Ｃｕからなる導電膜（Ｃｕ膜）をパターニングして配線を形成することは困難である。このため、配線溝を形成し、配線溝にＣｕ膜を埋め込み、ＣＭＰ法により、余分なＣｕ膜を除去して配線を形成するダマシン法が一般に適用されている。特に、本実施形態のように、ビアホール及び配線溝を形成し、ビアホール及び配線溝にＣｕ膜を埋め込み、ＣＭＰ法により、余分なＣｕ膜を除去してビア及び配線を形成するデュアルダマシン法を適用することにより、工程数を削減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
以上説明したように、本発明は、層間絶縁膜中に膜界面が存在しないため、膜剥がれの発生及びリークパスの形成を抑制することができる。このため、層間絶縁膜を備えた半導体装置及びその製造方法に有用である。
【符号の説明】
【０１３７】
１０    基板
１１    第１の層間絶縁膜
１２    バリアメタル膜
１３    導電膜
１４    第１の配線
１５    第１の絶縁膜
１６Ａ    第２の層間絶縁膜用膜
１６    第２の層間絶縁膜
１７    ビアホール
１８    配線溝
１９，１９ａ，１９ｂ    バリアメタル膜
２０，２０ａ，２０ｂ    導電膜
２１    第１のビア
２２    第１の配線
２３    第２の絶縁膜
２４    第３の層間絶縁膜
２５ａ，２５ｂ    バリアメタル膜
２６ａ，２６ｂ    導電膜
２７    第２のビア
２８    第３の配線
２９    第３の絶縁膜
３０Ａ    第４の層間絶縁膜用膜
３０    第４の層間絶縁膜
３１ａ，３１ｂ    バリアメタル膜
３２ａ，３２ｂ    導電膜
３３    第３のビア
３４    第４の配線
３５    第４の絶縁膜
Ｒａ，ｒａ    第１の領域
Ｒｂ，ｒｂ    第１の変化領域
Ｒｃ，ｒｃ    第２の領域
Ｒｄ，ｒｄ    第２の変化領域
Ｒｅ，ｒｅ    第３の領域
Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ，Ｈｄ，Ｈｅ，Ｈ    空孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011109036.tif 000009
【図８】
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【図９】
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