(57)【要約】【課題】隣接配線間および隣接ビアプラグ間の寄生容量を低減して、半導体装置の高速化を図ること。【解決手段】半導体装置は、半導体基板（１）上に配置される第１配線（３）と、第１配線（３）の上面に接続されるビアホール（９）を埋設するビアプラグ（２０Ｂ）と、ビアプラグ（２０Ｂ）の上面に接続され第１方向（Ｘ）に延在するトレンチ（７）を埋設する第２配線（２０Ａ）と、を有する。半導体装置は、トレンチ（７）を構成する２つの側面（５ａ，５ｂ）に各々配置されるトレンチエアーギャップ（１１ａ，１１ｂ）と、ビアホール（９）を構成する側面（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）に配置されるビアエアーギャップ（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）と、を共に備える。【選択図】図２
2015061032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に配置される第１配線と、
前記第１配線の上面に接続されるビアホールを埋設するビアプラグと、
前記ビアプラグの上面に接続され第１方向に延在するトレンチを埋設する第２配線と、
を有し、
前記トレンチを構成する２つの側面に各々配置されるトレンチエアーギャップと、
前記ビアホールを構成する側面に配置されるビアエアーギャップと、
を共に備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記トレンチを構成する２つの側面は、前記第１方向と直交する第２方向に対向する第１側面および第２側面から成る、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ビアホールは、平面視矩形のパターンから成り、
前記ビアホールを構成する側面は、前記第２方向に対向するビア第１側面およびビア第２側面と、前記第１方向に対向するビア第３側面およびビア第４側面とから成る、
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記トレンチエアーギャップは、
前記第１側面と前記第２配線との間に配置される第１エアーギャップと、
前記第２側面と前記第２配線との間に配置される第２エアーギャップと、
から成り、
前記ビアエアーギャップは、
前記ビア第１側面と前記ビアプラグとの間に配置される前記第１エアーギャップと、
前記ビア第２側面と前記ビアプラグとの間に配置される前記第２エアーギャップと、
前記ビア第３側面と前記ビアプラグとの間に配置される第３エアーギャップと、
前記ビア第４側面と前記ビアプラグとの間に配置される第４エアーギャップと、
から成る、
請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１エアーギャップ、前記第２エアーギャップ、前記第３エアーギャップ、および前記第４エアーギャップは、前記ビアホールの平面視コーナー部において各々接続され、前記ビアエアーギャップとして一つのリング状エアーギャップを構成している、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ビアホールは、平面視円形のパターンから成る、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体基板上に配置される第１配線と、
前記第１配線の上面に接続されるビアホールを埋設するビアプラグと、
前記ビアプラグの上面に接続され第１方向に延在するトレンチを埋設する第２配線と、
前記トレンチを構成する２つの側面に各々配置されるトレンチエアーギャップと、
前記ビアホールを構成する側面に配置されるビアエアーギャップと、を備え、
前記トレンチの側面に配置されるトレンチエアーギャップの少なくとも一部と、前記ビアホールの側面に配置されるビアエアーギャップの少なくとも一部と、は上下方向に面一で構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記トレンチを構成する２つの側面は、前記第１方向と直交する第２方向に対向する第１側面および第２側面から成る、請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記ビアホールは、平面視矩形のパターンから成り、
前記ビアホールを構成する側面は、前記第２方向に対向するビア第１側面およびビア第２側面と、前記第１方向に対向するビア第３側面およびビア第４側面とから成る、
請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記トレンチエアーギャップは、
前記第１側面と前記第２配線との間に配置される第１エアーギャップと、
前記第２側面と前記第２配線との間に配置される第２エアーギャップと、
から成り、
前記ビアエアーギャップは、
前記ビア第１側面と前記ビアプラグとの間に配置される前記第１エアーギャップと、
前記ビア第２側面と前記ビアプラグとの間に配置される前記第２エアーギャップと、
前記ビア第３側面と前記ビアプラグとの間に配置される第３エアーギャップと、
前記ビア第４側面と前記ビアプラグとの間に配置される第４エアーギャップと、
から成る、
請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第１エアーギャップ、前記第２エアーギャップ、前記第３エアーギャップ、および前記第４エアーギャップは、前記ビアホールの平面視コーナー部において各々接続され、前記ビアエアーギャップとして一つのリング状エアーギャップを構成している、請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
半導体基板上に第１配線および第１層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１配線上に第２層間絶縁膜および第３層間絶縁膜を順次形成する工程と、
前記第３層間絶縁膜にトレンチを、前記第２層間絶縁膜にビアホールを形成する工程と、
を有し、
前記第３層間絶縁膜にトレンチを、前記第２層間絶縁膜にビアホールを形成する工程は、前記トレンチの側面の少なくとも一部と、前記ビアホールの側面の少なくとも一部と、が面一となるように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記トレンチの側面および前記ビアホールの側面にサイドウォール膜を形成する工程と、
前記トレンチおよび前記ビアホール内を埋設するように、それぞれ、第１ビアプラグおよび第２配線を形成する工程と、
前記サイドウォール膜を除去して、エアーギャップを形成する工程と、
を更に有する、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第３層間絶縁膜の上面に開口している前記エアーギャップの上部を閉塞させるキャップ絶縁膜を形成する工程と、
前記キャップ絶縁膜に開口を形成し、該開口に第２ビアプラグを形成する工程と、
前記キャップ絶縁膜の上面に、前記第２ビアプラグに接続する第３配線を形成する工程と、
を更に有する、請求項１３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、配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ダマシン配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置は、高集積化に伴い、特許文献１に開示されるような多層配線構造が用いられている。また、小型化、微細化の傾向は加速される一方である。しかしながら、この小型化、微細化は、配線間隔の狭小化を招き、配線間の既成容量を増大させ、信号遅延を増大させるという問題を引き起こすことになる。
【０００３】
この信号遅延の問題に対処するために、特許文献２には、配線間の寄生容量を低減する目的で電極または配線層間に空洞を形成する方法が開示されている。空洞は、固体物質である絶縁膜よりも比誘電率が低いので配線の寄生容量低減に寄与することができる。
【０００４】
また、半導体装置の高速動作の要求に対処するため、配線には低抵抗の銅（Ｃｕ）が用いられ、下層配線に接続するビアプラグとビアプラグ上に配置される配線を同時に形成するＣｕデュアルダマシン法が用いられている。Ｃｕデュアルダマシン法には、ビアプラグが埋設されるビアホールを先に形成するビアファースト法と、配線が埋設される配線溝（トレンチ）を先に形成するトレンチファースト法と、がある。特許文献３には、ビアファースト法の一例が開示され、特許文献４にはトレンチファースト法の一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１０６４８号公報
【特許文献２】特開２００６−１３５０６９号公報
【特許文献３】特開２００６−４１５１９号公報
【特許文献４】特開２００９−２８３８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載された方法は、同一方向に延在して隣接する配線を形成した後、配線上にステップカバレージの悪い絶縁膜を形成すると、隣接する配線間の上部空間が絶縁膜で閉塞され、その結果として配線間の内部に空洞が発生する現象を利用している。特許文献２の方法では、間隔の狭い配線間には空洞を形成することができるが、間隔の広い配線間には空洞を形成できないという配線パターン依存性があり、全ての配線に対して空洞を形成できない問題があった。また、特許文献２の方法は、特許文献３に記載されたＣｕデュアルダマシン構造には適用できない問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の観点における半導体装置は、半導体基板上に配置される第１配線と、前記第１配線の上面に接続されるビアホールを埋設するビアプラグと、前記ビアプラグの上面に接続され第１方向に延在するトレンチを埋設する第２配線と、を有し、前記トレンチを構成する２つの側面に各々配置されるトレンチエアーギャップと、前記ビアホールを構成する側面に配置されるビアエアーギャップと、を備える構成を有する。
【０００８】
他の観点における半導体装置は、半導体基板上に配置される第１配線と、前記第１配線の上面に接続されるビアホールを埋設するビアプラグと、前記ビアプラグの上面に接続され第１方向に延在するトレンチを埋設する第２配線と、前記トレンチを構成する２つの側面に各々配置されるトレンチエアーギャップと、前記ビアホールを構成する側面に配置されるビアエアーギャップと、を備え、前記トレンチの側面に配置されるトレンチエアーギャップの少なくとも一部と、前記ビアホールの側面に配置されるビアエアーギャップの少なくとも一部と、は上下方向に面一の構成を有する。
【０００９】
また、半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１配線および第１層間絶縁膜を形成する工程と、前記第１配線上に第２層間絶縁膜および第３層間絶縁膜を順次形成する工程と、前記第３層間絶縁膜にトレンチを、前記第２層間絶縁膜にビアホールを形成する工程と、を有し、前記第３層間絶縁膜にトレンチを、前記第２層間絶縁膜にビアホールを形成する工程は、前記トレンチの側面の少なくとも一部と、前記ビアホールの側面の少なくとも一部と、が面一となるように形成する工程からなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ダマシン構造の配線において、トレンチを埋設する配線の側面と、トレンチの下に位置するビアホールを埋設するビアプラグの側面と、のいずれにもエアーギャップを配置する構成とすることができる。これにより、隣接配線間および隣接ビアプラグ間の寄生容量を低減して半導体装置の高速動作化を図れる。また、配線およびビアプラグ自体に接して個々に付随するエアーギャップを配置できるので、配線パターンのレイアウトに依存することなく、いずれの配線パターンに対してもエアーギャップを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、図１におけるＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図、Ｃ−Ｃ’断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｄ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法の第１配線形成工程、層間絶縁膜形成工程、およびトレンチ形成工程を示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図、平面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のビアホール形成工程の第１のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図、図１のＣ−Ｃ’断面図、平面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のビアホール形成工程の第２のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図、図１のＣ−Ｃ’断面図、平面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のビアホール形成工程の第３のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図、図１のＣ−Ｃ’断面図、平面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のビアホール形成工程の第４のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図、図１のＣ−Ｃ’断面図、平面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のビアホール形成工程の第５のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図、図１のＣ−Ｃ’断面図、平面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のサイドウォール膜形成工程の第１のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のサイドウォール膜形成工程の第２のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法の第１ビアプラグおよび第２配線形成工程の第１のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法の第１ビアプラグおよび第２配線形成工程の第２のステップを示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のエアーギャップ形成工程を示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法のキャップ絶縁膜形成工程を示す、図１のＡ−Ａ’断面図、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１５】（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法の第２ビアプラグおよび第３配線形成工程の第１のステップを示す、図１の図１のＣ−Ｃ’断面図、平面図である。
【図１６】（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法の第２ビアプラグおよび第３配線形成工程の第２のステップを示す、図１の図１のＣ−Ｃ’断面図、平面図である。
【図１７】本発明の第１実施形態の比較例として、特許文献３に開示されているデュアルダマシン構造を用い、サイドウォール膜が形成された段階の鳥瞰図である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の、サイドウォール犠牲膜を形成した段階の鳥瞰図である。
【図１９】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第１ビアホールの形成マスクに個別のホールパターンを用いる場合の、トレンチファースト法の例、ビアファースト法の例を模式的に示す図である。
【図２０】本発明の第３実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。また、ＸＹＺ座標系を設定し、各構成の配置を説明する。この座標系において、Ｚ方向は半導体基板の表面に垂直な方向であり、Ｘ方向は半導体基板の表面と水平な面においてＺ方向と直交する方向であって、Ｙ方向は半導体基板の表面と水平な面においてＸ方向と直交する方向である。このように、Ｙ方向とＸ方向とは、互いに直交している。Ｘ方向は第１方向とも呼ばれ、Ｙ方向は第２方向とも呼ばれ、Ｚ方向は第３方向とも呼ばれる。
【００１３】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本第１実施形態では、トレンチファースト法を用いたＣｕデュアルダマシン法をベースに、トレンチ内に埋設される配線の側面、およびビアホール内に埋設されるビアプラグの側面のいずれにもエアーギャップ（Ａｉｒ  Ｇａｐ：以下、ＡＧとも記す）を有する配線構造を備えた半導体装置およびその製造方法について説明する。
【００１４】
最初に、図１の平面図、図２の断面図を参照して、本第１実施形態の半導体装置について説明する。
【００１５】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１におけるＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図、Ｃ−Ｃ’断面図に各々対応している。
【００１６】
トランジスタなどの半導体素子が形成された半導体基板１の上に、シリコン酸化膜からなる第１層間絶縁膜２と、第２層間絶縁膜４に埋設されＹ方向（第２方向）に延在する第１配線３と、が設けられている。第１配線３は下層配線であり、タングステン（Ｗ）、Ｃｕ、アルミニウム（Ａｌ）などで構成される。また、第１配線３は下層導体とのコンタクトプラグであっても良い。第１配線３の上には、例えば厚さ５０ｎｍ第２層間絶縁膜４が配置される。さらに、第２層間絶縁膜４上に、例えば厚さ１００ｎｍのシリコン酸化膜からなる第３層間絶縁膜５が配置される。第２層間絶縁膜４は、第３層間絶縁膜５を構成するシリコン酸化膜に対してエッチングの選択性が確保できるシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）やシリコン炭窒化膜（ＳｉＣＮ膜）が用いられる。また、第３層間絶縁膜５のエッチング終点検知を可能とするＢＰＳＧ膜などの不純物含有シリコン酸化膜であっても良い。
【００１７】
第３層間絶縁膜５には、Ｙ方向に垂直な方向となるＸ方向（第１方向）に延在する配線溝（以下、トレンチと記す）７が配置され、トレンチ７内には第２配線２０Ａが埋設されている。トレンチ７の底面に接してＺ方向（第３方向）に延在し第１配線３の上面に接続するビアホール９が配置され、ビアホール９内には第１ビアプラグ２０Ｂが埋設されている。第１ビアプラグ２０Ｂによって、第２配線２０Ａと下層に位置する第１配線３とが接続される。第２配線２０Ａおよび第１ビアプラグ２０Ｂは一体構成で配置され、いずれもＣｕ拡散バリヤ膜２０ａ上にＣｕ膜２０ｂが積層されて構成される。第２配線２０Ａおよび第１ビアプラグ２０Ｂは、アルミニウムで構成されても良い。
【００１８】
第２配線２０Ａおよび第３層間絶縁膜５の上面にはキャップ絶縁膜１２が配置される。第２配線２０Ａ上に位置するキャップ絶縁膜１２には、第２配線２０Ａの上面に接続される第２ビアプラグ１３が配置される。さらに、第２ビアプラグ１３の上面に接続される第３配線１４が配置される。第２ビアプラグ１３および第３配線１４は、一体化されたアルミニウム配線で構成することができる。また、第２配線２０Ａと同様に、Ｃｕ拡散バリヤとＣｕ配線の組み合わせで構成しても良い。これにより、第１配線３、第２配線２０Ａ、第３配線１４からなる多層配線構造が構成される。
【００１９】
上記構成において、図１および図２（ａ）、（ｃ）に示すように、第２配線２０Ａが埋設されＸ方向に延在するトレンチ７は、Ｙ方向に対向する第１側面５ａと第２側面５ｂを有している。トレンチ７のＹ方向の幅Ｗ２、すなわち第１側面５ａと第２側面５ｂとの間の間隔は６０ｎｍとする。第１側面５ａと第２配線２０Ａの間には第１エアーギャップ（ＡＧ）１１ａが配置されている。また、第２側面５ｂと第２配線２０Ａの間には第２エアーギャップ（ＡＧ）１１ｂが配置されている。
【００２０】
トレンチ７を構成する２つの側面５ａ，５ｂに各々配置される、第１ＡＧ１１ａと第２ＡＧ１１ｂとの組み合わせは、トレンチエアーギャップとも呼ばれる。
【００２１】
一方、図１および図２（ａ）、（ｂ）に示すように、トレンチ７の底面に接するビアホール９は、Ｙ方向に対向するビア第１側面４ａおよびビア第２側面４ｂと、Ｘ方向に対向するビア第３側面４ｃおよびビア第４側面４ｄと、を有している。第１側面５ａとビア第１側面４ａは面一の連続する側面となっている。また、第２側面５ｂとビア第２側面４ｂも面一の連続する側面を構成している。このように、本第１実施形態の半導体装置は、トレンチ７と、トレンチ７の底面に接して下方に延在するビアホール９を有し、トレンチ７を構成する側面の少なくとも一部はビアホール９を構成する側面の少なくとも一部と面一の連続する側面を構成することを特徴の一つとしている。これにより、ビア第１側面４ａと第１ビアプラグ２０Ｂの間に配置されるエアーギャップ（ＡＧ）は第１ＡＧ１１ａに包含され、ビア第２側面４ｂと第１ビアプラグ２０Ｂの間に配置されるエアーギャップ（ＡＧ）は第２ＡＧ１１ｂに包含される構成となる。
【００２２】
ビア第３側面４ｃおよびビア第４側面４ｄには、各々対応する第３エアーギャップ（ＡＧ）１１ｃおよび第４エアーギャップ（ＡＧ）１１ｄが配置される。ビアホール９の周囲に位置する第１ＡＧ１１ａ、第３ＡＧ１１ｃ、第２ＡＧ１１ｂ、第４ＡＧ１１ｄは、ビアホール９の平面視コーナー部において各々接続されており、一つのリング状エアーギャップ（ＡＧ）を構成している。第１ＡＧ１１ａおよび第２ＡＧ１１ｂの各々のＹ方向の幅と、第３ＡＧ１１ｃおよび第４ＡＧ１１ｄの各々のＸ方向の幅と、は全て同じ幅で構成される。ここでは、その幅は、例えば１０ｎｍで構成される。
【００２３】
ビアホール９を構成する側面４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに各々配置される、第１乃至第４のＡＧ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの組み合わせは、ビアエアーギャップとも呼ばれる。
【００２４】
上記のように、トレンチ７の第１側面５ａとビアホール９のビア第１側面４ａは平面視で重なる位置に配置され、トレンチ７の第２側面５ｂとビアホール９のビア第２側面４ｂも平面視で重なる位置に配置される。したがって、ビアホール９のＹ方向の幅Ｗ２は、トレンチ７のＹ方向の幅Ｗ２と等しく、６０ｎｍとなっている。ビアホール９のＹ方向の位置は、トレンチ７のＹ方向の位置に整合している。ビアホール９のＸ方向の幅Ｗ３、すなわちビア第３側面４ｃとビア第４側面４ｄとの間の間隔は６０ｎｍとする。
【００２５】
図１に示すように、第１配線３のＸ方向の幅Ｗ１は、ビアホール９のＸ方向の幅Ｗ３よりも大きいサイズで構成する。ここでは８０ｎｍとする。これにより、リソグラフィのパターン重ね合わせ精度のマージンを考慮しても、平面視においてビアホール９を第１配線３の上面のＸ方向の端部からはみ出すことなく第１配線３内に配置することができる。
【００２６】
かくして、本第１実施形態の半導体装置は、半導体基板（１）上に配置される第１配線（３）と、第１配線（３）の上面に接続されるビアホール（９）を埋設するビアプラグ（２０Ｂ）と、ビアプラグ（２０Ｂ）の上面に接続され一方向に延在するトレンチ（７）を埋設する第２配線（２０Ａ）と、を有し、トレンチ（７）を構成する２つの側面（５ａ，５ｂ）に各々配置されるトレンチエアーギャップ（１１ａ，１１ｂ）と、ビアホール（９）を構成する側面（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）に配置されるビアエアーギャップ（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）と、を有して構成されている。
【００２７】
別言すれば、本第１実施形態の半導体装置は、半導体基板（１）上に配置される第１配線（３）と、第１配線（３）の上面に接続されるビアホール（９）を埋設するビアプラグ（２０Ｂ）と、ビアプラグ（２０Ｂ）の上面に接続され一方向に延在するトレンチ（７）を埋設する第２配線（２０Ａ）と、トレンチ（７）を構成する２つの側面（５ａ，５ｂ）に各々配置されるトレンチエアーギャップ（１１ａ，１１ｂ）と、ビアホール（９）を構成する側面（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）に配置されるビアエアーギャップ（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）と、を備え、トレンチ（７）の側面（５ａ，５ｂ）に配置されるトレンチエアーギャップ（１１ａ，１１ｂ）の少なくとも一部と、ビアホール（９）の側面（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）に配置されるビアエアーギャップ（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）の少なくとも一部と、は上下方向に面一で構成される。
【００２８】
以上のように、本第１実施形態の半導体装置では、第２配線２０Ａと、第２配線の下に連続する第１ビアプラグ２０Ｂと、を有し、第２配線２０Ａの二つの側面５ａ，５ｂおよび第１ビアプラグ２０Ｂの４つの側面４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄのいずれにもＡＧを配置しているので、隣接する配線間および隣接するビアプラグ間に起因する配線の寄生容量を低減して半導体装置の高速動作化に寄与することができる。また、本第１実施形態では配線自体の側面に付随させてＡＧを配置するので、配線のレイアウトパターンに制約されることなくいずれの配線にもＡＧを配置することができる。
【００２９】
なお、本第１実施形態ではビアホール９を平面視矩形のパターンで示したが、これに限るものではなく、平面視円形のパターンであっても同様に構成することができる。
【００３０】
次に、図３〜図１６を参照しながら、本第１実施形態における半導体装置の製造方法について説明する。各々の図における（ａ）図は図１のＡ−Ａ’断面図、（ｂ）図は図１のＢ−Ｂ’断面図、（ｃ）図は図１のＣ−Ｃ’断面図を示している。また、（ｄ）図は対応する工程の平面図を示している。
【００３１】
（第１配線形成工程）
最初にビアプラグが接続される下層配線となる第１配線形成工程が実施される。
【００３２】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、トランジスタなどの半導体素子が形成された半導体基板１の上に、第１層間絶縁膜２を形成する。第１層間絶縁膜２には例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）を用いる。なお、半導体基板１にはシリコン単結晶基板を用いるものとするが、これに限るものではない。第１層間絶縁膜２内に、Ｙ方向（第２方向）に延在し、Ｙ方向に垂直なＸ方向（第１方向）の幅がＷ１の第１配線３を形成する。Ｗ１は例えば８０ｎｍとする。第１配線３は、アルミニウム配線やＣｕ配線などの配線に限らず、タングステン（Ｗ）膜やシリコン膜で構成されるコンタクトプラグであっても良い。また、第１配線３は、半導体基板１自体であっても良い。第１配線３は、厚さや平面形状などに特別な制限があるものではない。
【００３３】
（層間絶縁膜形成工程）
次に、層間絶縁膜形成工程が実施される。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、第１配線３の上面および第１層間絶縁膜２の上面に、厚さが例えば５０ｎｍの第２層間絶縁膜４と、厚さが例えば１５０ｎｍの第３層間絶縁膜５と、を順次積層形成する。
【００３５】
第２層間絶縁膜４は、例えば酸窒化シリコン膜（ＳｉＯＮ膜）を用いる。第２層間絶縁膜４は、ＳｉＯＮ膜の他、炭窒化シリコン膜（ＳｉＣＮ膜）などを用いることができる。また、第２層間絶縁膜４は、ボロン、リンなどの不純物含有シリコン酸化膜（ＢＰＳＧ）などを用いることができる。第２層間絶縁膜４は、後述の配線溝（トレンチ）形成工程において、第３層間絶縁膜５をエッチングする際に残存させることが可能な材料であることが好ましい。すなわち、第２層間絶縁膜４は、第３層間絶縁膜５に対してエッチング選択比が確保できる、もしくは第３層間絶縁膜５のエッチング終点を検知できる材料であれば好ましい。
【００３６】
第３層間絶縁膜５は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ）を用いる。第３層間絶縁膜５は、シリコン酸化膜より誘電率の低い低誘電率材料を用いても良い。第３層間絶縁膜５をＳｉＯ膜で構成した場合、第２層間絶縁膜４として用いるＳｉＯＮ膜、ＳｉＣＮ膜、ＢＰＳＧ膜などには第３層間絶縁膜５には含有されていない元素が含有されている。したがって、それらの元素に起因するプラズマ発光をモニターすることにより第３層間絶縁膜５のエッチング終点を検知し、第２層間絶縁膜４を残存させることができる。また、ＳｉＯＮ膜やＳｉＣＮ膜などは、ＳｉＯ膜に対してエッチングの選択比を確保することも可能である。
【００３７】
（トレンチ形成工程）
次に、第３層間絶縁膜５にトレンチを形成するトレンチ形成工程が実施される。
【００３８】
まず、図３（ａ）、（ｄ）に示すように、第３層間絶縁膜５の上面に第１マスク膜６を形成する。第１マスク膜６は、第１反射防止膜（第１ＢＡＲＣ膜）、第１Ｓｉ含有有機膜などに加え最上層に形成される第１感光性有機膜（第１ホトレジスト膜）からなる。第１マスク膜６は、他に、Ｓｉなどからなる無機のハードマスク膜を含んでも良い。
【００３９】
次に、図３（ａ）、（ｄ）に示すように、リソグラフィと異方性ドライエッチング法により、第１マスク膜６に、Ｘ方向に延在しＹ方向の幅Ｗ２が例えば６０ｎｍとなるトレンチパターン６ａを形成する。トレンチパターン６ａは、幅Ｗ２の全体がＸ方向に延在する第１配線３の上面に直交して重なるように形成する。
【００４０】
次に、図３（ａ）、（ｂ）、（ｄ）に示すように、トレンチパターン６ａをマスクとし、フッ素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチング法により第３層間絶縁膜５をエッチングする。これにより、Ｙ方向に対向し第３層間絶縁膜５からなる第１側面５ａ、および第２側面５ｂを有しＸ方向に延在するトレンチ７が形成される。トレンチ７は後述の工程で配線が埋設される配線溝となる。トレンチ７の底面には第２層間絶縁膜４の上面が露出する。
【００４１】
次に、第１マスク膜６を除去する。
【００４２】
（ビアホール形成工程）
次に、トレンチ７の下方に連続し第１配線３の上面に接続するビアホール形成工程が実施される。
【００４３】
まず、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、トレンチ７内を埋設し、第３層間絶縁膜５の上面５１を覆う第２ＢＡＲＣ膜８（トレンチ埋設膜８）を回転塗布法により形成する。第２ＢＡＲＣ膜８の上面８１は、第３層間絶縁膜５の上面５１より０〜５０ｎｍ高い位置となるように形成する。
【００４４】
次に、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２ＢＡＲＣ膜８の上面に第２マスク膜８ｃとなる第２Ｓｉ含有有機膜８ａおよび第２ホトレジスト膜８ｂを順次積層形成する。リソグラフィ法により第２ホトレジスト膜８ｂに第１ビアホールパターン８Ａを形成する。
【００４５】
本第１実施形態の第１ビアホールパターン８Ａは、図４（ｄ）に示すように、Ｘ方向に延在するトレンチ７の少なくとも第１側面５ａおよび第２側面５ｂに跨って形成されることが必要である。このため、ここでは、第１ビアホールパターン８Ａを、Ｙ方向に配置される複数のトレンチ７に跨って延在するラインパターンで形成した。第１ビアホールパターン８Ａをトレンチ７の延在方向に直交するＹ方向にラインパターンで形成することにより、いずれの第１側面５ａ、第２側面５ｂも確実に第１ビアホールパターン８Ａ内に位置することとなる。
【００４６】
なお、第１ビアホールパターン８Ａは、ラインパターンに限らず、トレンチ７をＹ方向の中央に含み、第１側面５ａおよび第２側面５ｂに跨る個別の矩形パターンで形成しても良い。
【００４７】
第１ビアホールパターン８Ａは、Ｘ方向の幅Ｗ３が下層の第１配線３のＸ方向の幅Ｗ１より小さいサイズで形成され、且つ第１配線のＸ方向の幅Ｗ１からはみ出さない位置で重なるように形成される。これにより、後述のビアホールは、第１配線３の上面に接続され、第１配線３の上面からはみ出して形成されることを回避することができる。ここでは第１ビアホールパターン８Ａの幅Ｗ３を６０ｎｍとした。
【００４８】
次に、第２ホトレジスト膜８ｂをマスクとして、第２Ｓｉ含有有機膜８ａを異方性ドライエッチングし、第２Ｓｉ含有有機膜８ａに第１ビアホールパターン８Ａを転写する。これにより、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、第１ビアホールパターン８Ａである第２マスク膜パターン８Ａが形成され、そのパターン内には第２ＢＡＲＣ膜８の上面が露出する。
【００４９】
次に、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、第１ビアホールパターン８Ａ内に露出する第２ＢＡＲＣ膜８を、酸素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチング法によりエッチングし、第２ビアホールパターン８Ｂを形成する。酸素含有プラズマでは、第２ホトレジスト膜８ｂおよび第２ＢＡＲＣ膜８などの有機膜はエッチングされるが、第３層間絶縁膜５および第２層間絶縁膜４を構成するシリコン酸化膜などの無機膜はエッチングされない。また、第２Ｓｉ含有有機膜８ａもエッチングされない。
【００５０】
したがって、上記の酸素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチング法によるエッチングを施すと、第２Ｓｉ含有有機膜８ａで覆われていない第１ビアホールパターン内の第２ＢＡＲＣ膜８のみが選択的に除去される。これにより、トレンチ７を埋設していた第２ＢＡＲＣ膜８が除去され、トレンチ７内には第２層間絶縁膜４の上面が露出する。また、Ｙ方向に隣接するトレンチ７の間には第３層間絶縁膜５の上面が露出することとなる。
【００５１】
したがって、第２ビアホールパターン８Ｂは、図５（ｄ）に示すように、Ｙ方向に対向し第３層間絶縁膜５からなる第１側面５ａおよび第２側面５ｂと、Ｘ方向に対向し第２ＢＡＲＣ膜８からなる第３側面８ｄおよび第４側面８ｅと、で区画される平面視矩形のホールパターンとなる。
【００５２】
次に、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、第２Ｓｉ含有有機膜８ａを除去する。さらに第２ＢＡＲＣ膜８の上面をエッチバックする。これにより、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、第１ビアホールパターン８Ａ以外の領域に位置する第３層間絶縁膜５の上面５１を露出させる。第２ビアホールパターン８Ｂ以外の領域に位置するトレンチ７内は第２ＢＡＲＣ膜８で埋設されている。
【００５３】
次に、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、第３層間絶縁膜５および第２ＢＡＲＣ膜８をマスクとして、第２ビアホールパターン８ｂ内に露出している第２層間絶縁膜４をエッチングする。このエッチングは、フッ素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチングにより実施される。この時、シリコン酸化膜で構成される第３層間絶縁膜５も同時にエッチングされる。
【００５４】
もし、図６の段階で、第１ビアホールパターン８Ａ以外の領域に位置する第３層間絶縁膜５の上面５１を露出させなかった場合、結果的に第１ビアホールパターン８Ａの内外に位置する第３層間絶縁膜５にエッチング段差が生じてしまい、後の工程実施に障害となってしまう。しかし、本第１実施形態では、図６の段階で第３層間絶縁膜５の上面を全面に渡って露出させているので、全面同時にエッチングされることとなりエッチング段差は生じない。
【００５５】
これにより、第２ビアホールパターン８Ｂ内に位置する第２層間絶縁膜４がエッチングされビアホール９が形成される。ビアホール９は、第２層間絶縁膜４に形成され、Ｙ方向に対向するビア第１側面４ａおよびビア第２側面４ｂと、Ｘ方向に対向するビア第３側面４ｃおよびビア第４側面４ｄと、で区画される平面視矩形のホールとなる。ビア第１側面４ａはトレンチ７の第１側面５ａに一致し、ビア第２側面４ｂはトレンチ７の第２側面５ｂに一致する。
【００５６】
このように、本第１実施形態のビアホール９のＹ方向の両端部は、トレンチ７のＹ方向の端部に一致する構成となる。すなわち、ビアホール９は、Ｙ方向の幅がトレンチ７のＹ方向の幅に等しく、トレンチ７のＹ方向の位置からはみ出すことなく完全に重なって形成される。本第１実施形態のビアホール９は、第１ビアホールパターン８Ａをトレンチ７の延在方向に直交する方向にラインで形成することにより、トレンチ７内に自己整合で形成される。ビアホール９の底面には第１配線３の上面が露出する。
【００５７】
次に、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、トレンチ７内に残存する第２ＢＡＲＣ膜８を酸素含有プラズマにより除去する。これにより、Ｘ方向に延在し配線が埋設形成されるトレンチ７の下方に連続し、下層の第１配線３に接続するビアホール９が形成される。トレンチ７において、ビアホール９以外の領域の底面は第２層間絶縁膜４の上面で構成される。また、図８（ａ）に示すように、トレンチ７を構成する第１側面５ａはビア第１側面４ａと面一となり、第２側面５ｂはビア第２側面４ｂと面一となっている。
【００５８】
かくして、本第１実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板（１）上に第１配線（３）および第１層間絶縁膜（２）を形成する工程と、第１配線（３）上に第２層間絶縁膜（４）および第３層間絶縁膜（５）を順次形成する工程と、第３層間絶縁膜（５）にトレンチ（７）を、第２層間絶縁膜（４）にビアホール（９）を形成する工程と、を有し、第３層間絶縁膜（５）にトレンチ（７）を、第２層間絶縁膜（４）にビアホール（９）を形成する工程は、トレンチ（７）の側面（５ａ，５ｂ）の少なくとも一部と、ビアホール（９）の側面（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の少なくとも一部と、が面一となるように形成する工程からなる。
【００５９】
すなわち、本第１実施形態の半導体装置の製造方法は、配線が埋設されるトレンチ７を形成する工程と、トレンチ７の底面に連続するビアホール９を形成する工程と、を有し、ビアホール９は側面４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの少なくとも一部がトレンチ７の側面５ａ，５ｂの少なくとも一部と面一となるように形成されることを特徴の一つとしている。
【００６０】
（サイドウォール膜形成工程）
次に、トレンチ７の２つの側面５ａ，５ｂおよびビアホール９の４つの側面４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにサイドウォール膜を形成するサイドウォール膜形成工程が実施される。
【００６１】
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、トレンチ７の内面およびビアホール９の内面を含む全面にシリコン窒化膜からなる厚さ１０ｎｍの犠牲膜１０を形成する。ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、もしくはＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法で形成するシリコン窒化膜は段差被覆性に優れるのでいずれの部分にも同じ膜厚で形成される。
【００６２】
これにより、トレンチ７の第１側面５ａおよび第２側面５ｂと、ビアホール９のビア第１側面４ａ、ビア第２側面４ｂ、ビア第３側面４ｃおよびビア第４側面４ｄと、トレンチ７内に位置する第２層間絶縁膜４の上面と、第３層間絶縁膜５の上面と、が犠牲膜１０で覆われる。
【００６３】
次に、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、フッ素含有プラズマを用いた異方性ドライエッチング法により、犠牲膜１０をエッチバックする。これにより水平面上に形成された犠牲膜１０は除去される。すなわち、トレンチ７内に位置する第２層間絶縁膜４の上面および第３層間絶縁膜５の上面に形成された犠牲膜１０が除去される。
【００６４】
これにより、トレンチ７の第１側面５ａには、犠牲膜１０からなる第１サイドウォール膜１０ａが、第２側面５ｂには第２サイドウォール膜１０ｂが形成される。また、ビア第１側面４ａにはビア第１サイドウォール膜１０ｃ、ビア第２側面４ｂにはビア第２サイドウォール膜１０ｄ、ビア第３側面４ｃにはビア第３サイドウォール膜１０ｅ、ビア第４側面４ｄにはビア第４サイドウォール膜１０ｆ、が各々形成される。第１サイドウォール膜１０ａおよびビア第１サイドウォール膜１０ｃは面一で連続するように形成される。第２サイドウォール膜１０ｂおよびビア第２サイドウォール膜１０ｄも面一で連続するように形成される。さらに、ビアホール９の側面に形成される４つのサイドウォール膜１０ｃ、１０ｅ、１０ｄ、１０ｆは水平方向で連続する構成となる。
【００６５】
したがって、後述のエアーギャップ形成工程において犠牲膜の溶液エッチングを行うと、第１サイドウォール膜１０ａおよび第２サイドウォール膜１０ｂの上面から下方に向かってエッチングが進行し、ビア第１サイドウォール膜１０ｃおよびビア第２サイドウォール膜１０ｄに達した段階で水平方向に連続するビア第３サイドウォール膜１０ｅおよびビア第４サイドウォール膜１０ｆをもエッチング除去することが可能となる。
【００６６】
もし、後述の比較例（図１７）で詳述するように、ビアホール９のＹ方向の幅がトレンチ７のＹ方向の幅より狭く形成された場合には、ビアホール９の端部とトレンチ７の端部との間に第２層間絶縁膜４からなる水平面部分が発生してしまう。水平面部分に形成される犠牲膜は前述のエッチバック工程で除去されてしまう。したがって、第１サイドウォール膜１０ａと、ビア第１サイドウォール膜１０ｃと、は面一とならず不連続となって、エッチング溶液の進行を妨げるのでビアホール９内にエアーギャップを形成できない問題が発生する。
【００６７】
（第１ビアプラグおよび第２配線形成工程）
次に、サイドウォール膜が形成されたトレンチ７およびビアホール９内を埋設するように第１ビアプラグおよび第２配線形成工程を実施する。
【００６８】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、周知の方法によりＣｕ拡散バリヤ膜２０ａとＣｕ膜２０ｂを形成する。
【００６９】
次に、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、第３層間絶縁膜５の上面に形成されたＣｕ拡散バリヤ膜２０ａとＣｕ膜２０ｂとを化学機械研磨（ＣＭＰ）法により除去する。これにより、トレンチ７内には第２配線２０Ａが形成され、トレンチ７の下方に連続するビアホール９内には第１ビアプラグ２０Ｂが形成される。また、第３層間絶縁膜５の上面５１と面一となる第１サイドウォール膜１０ａの上面および第２サイドウォール膜１０ｂの上面が各々露出する。
【００７０】
（エアーギャップ形成工程）
次に、サイドウォール膜を除去してエアーギャップを形成するエアーギャップ形成工程を実施する。
【００７１】
図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１サイドウォール膜１０ａの上面および第２サイドウォール膜１０ｂの上面が各々露出している半導体基板を１５５〜１６５℃に加熱した燐酸溶液に浸漬し、シリコン窒化膜からなるサイドウォール膜を溶液エッチング法により選択的に除去する。溶液エッチングは等方的に進行する。
【００７２】
溶液エッチングの最初の段階では、トレンチ７を構成する２つの側面５ａ、５ｂに形成されている第１サイドウォール膜１０ａおよび第２サイドウォール膜１０ｂの各々の上面から下方に向かってエッチングが進行する。エッチングがビア第１サイドウォール膜１０ｃおよびビア第２サイドウォール膜１０ｄに達した後の第２段階では、ビア第１サイドウォール膜１０ｃおよびビア第２サイドウォール膜１０ｄのエッチングと同時に、横方向に連続して形成されているビア第３サイドウォール膜１０ｅおよびビア第４サイドウォール膜１０ｆのエッチングも進行する。
【００７３】
これにより、トレンチ７を構成する第１側面５ａとＣｕ拡散バリヤ膜２０ａとの間に位置する第１ＡＧ１１ａが形成され、第２側面５ｂとＣｕ拡散バリヤ膜２０ａとの間に位置する第２ＡＧ１１ｂが形成される。ビア第１側面４ａとＣｕ拡散バリヤ膜２０ａとの間に位置するビア第１ＡＧは第１ＡＧ１１ａとして形成され、ビア第２側面４ｂとＣｕ拡散バリヤ膜２０ａとの間に位置するビア第２ＡＧは第２ＡＧ１１ｂとして形成される。また、ビア第３側面４ｃとＣｕ拡散バリヤ膜２０ａとの間に位置するビア第３ＡＧ１１ｃと、ビア第４側面４ｄとＣｕ拡散バリヤ膜２０ａとの間に位置するビア第４ＡＧ１１ｄが形成される。
【００７４】
上記のように、トレンチ７の側面に形成されるサイドウォール膜の少なくとも一部と、トレンチ７の下方に連続するビアホール９の側面に形成されるサイドウォール膜の少なくとも一部と、を面一で連続形成することにより、エッチングを進行させる溶液のトレンチ７からビアホール９に至る通路を確保することが可能となりビアホールの他の側面にもＡＧを形成することができる。
【００７５】
一方、トレンチ７の側面に形成されるサイドウォール膜とビアホール９の側面に形成されるサイドウォール膜とが不連続となっている場合には、溶液の通路が形成されないのでビアホール９の側面にＡＧを形成することはできない。
【００７６】
（キャップ絶縁膜形成工程）
次に、第３層間絶縁膜５の上面に開口しているＡＧの上部を閉塞させるキャップ絶縁膜形成工程を実施する。
【００７７】
図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、段差被覆性の悪いプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ５０ｎｍのシリコン酸化膜からなるキャップ絶縁膜１２を形成する。第１および第２ＡＧ１１ａ、１１ｂのＹ方向の幅は１０ｎｍとなっているので、段差被覆性の悪いキャップ絶縁膜１２を５０ｎｍ形成すると、第１および第２ＡＧ１１ａ、１１ｂの開口部はキャップ絶縁膜１２で閉塞され、内部には空洞（ＡＧ）が残存する。
【００７８】
（第２ビアプラグおよび第３配線形成工程）
次に、第２配線２０Ａの上層配線となる第３配線を形成する第２ビアプラグおよび第３配線形成工程を実施する。
【００７９】
図１の平面図および図１５（ｃ）、（ｂ）に示すように、Ｘ方向に延在する第２配線２０Ａ上の任意の位置にキャップ絶縁膜１２の開口１３ａをリソグラフィと異方性ドライエッチング法により形成する。これにより、第２配線２０Ａの上面が露出する。
【００８０】
次に、図１６（ｃ）、（ｂ）に示すように、金属導体を全面に形成した後、ＣＭＰ法によりキャップ絶縁膜１２の上面に形成された金属導体を除去する。これにより、第２ビアプラグ１３が形成される。
【００８１】
次に、図１および図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、全面にアルミニウム膜を形成し、リソグラフィとドライエッチング法によりパターニングして第２ビアプラグ１３に接続する第３配線１４を形成する。なお、第２ビアプラグ１３および第３配線１４を第１ビアプラグ２０Ｂおよび第２配線２０Ｂと同様にＣｕデュアルダマシン法で形成することもできる。
【００８２】
以上、説明したように、第１実施形態の半導体装置の製造方法によれば、トレンチ７の第１側面５ａとトレンチ７の下方に連続して配置されるビアホール９のビア第１側面４ａとを面一とし、トレンチ７の第２側面５ｂとビアホール９のビア第２側面４ｂとを面一となるように形成している。これにより、第１側面５ａを覆う第１サイドウォール膜１０ａとビア第１側面４ａを覆う第３サイドウォール膜１０ａとを面一で形成することができる。また、第２側面５ｂを覆う第２サイドウォール膜１０ｂとビア第２側面４ｂを覆う第４サイドウォール膜１０ｄとを面一で形成することができる。したがって、サイドウォール膜を除去することにより、トレンチ７からビアホール９に至る連続した第１ＡＧ１１ａ、第２ＡＧ１１ｂを形成すると共に、ビアホール９の他の側面にも第３ＡＧ１１ｃ、第４ＡＧ１１ｄを同時に形成することができる。ＡＧは誘電率が極めて小さいので、配線間の寄生容量を低減して半導体装置の高速動作に寄与できる。
【００８３】
（比較例）
図１７は、実施形態１の比較例として、特許文献３に開示されているデュアルダマシン構造を用い、サイドウォール膜１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｆが形成された段階の鳥瞰図を示している。本比較例では、トレンチ７の底面に連続するビアホール９が、トレンチ７のＹ方向の中央部に配置されている。このため、トレンチ７を構成しＹ方向に対向する第１側面５ａおよび第２側面５ｂと、ビアホール９を構成しＹ方向に対向するビア第１側面４ａおよびビア第２側面４ｂとが、平面視で重なる部分を有していない。
【００８４】
この結果、図９、図１０と同様にサイドウォール膜を形成すると、第１側面５ａに第１サイドウォール膜１０ａが形成され、第２側面５ｂに第２サイドウォール膜１０ｂが形成される。また、ビアホール９内には、ビア第１側面４ａにビア第１サイドウォール膜１０ｃが形成され、ビア第２側面４ｂにビア第２サイドウォール膜１０ｄが形成される。さらに、ビア第４側面４ｄにビア第４サイドウォール膜１０ｆが形成される。
【００８５】
しかし、第１側面５ａとビア第１側面４ａとは幅Ｗ４だけ離間しており、その間には第２層間絶縁膜４の上面４ｕが露出している。したがって、第１サイドウォール膜１０ａとビア第１サイドウォール膜１０ｃとは連続していない。そのため、第２配線２０Ａおよび第１ビアプラグ２０Ｂを形成した後、図１３の方法にしたがってＡＧを形成すると、トレンチ７の第１側面５ａ、第２側面５ｂには第１ＡＧ、第２ＡＧが各々形成されるが、第１ビアプラグ２０Ｂの側面にはＡＧが形成されない。
【００８６】
すなわち、本比較例は、トレンチ７と、トレンチ７の底面に接して下方に延在するビアホール９を有しているが、トレンチ７を構成する側面の少なくとも一部とビアホール９を構成する側面の少なくとも一部とが面一の連続する側面となる構成を有していない。
【００８７】
［第２実施形態］
上記第１実施形態では、トレンチ７を構成する２つの側面の両方に第１ビアホール９を構成する２つの側面が各々面一となる構成および製造方法について説明した。本第２実施形態では、トレンチ７を構成する１つの側面と第１ビアホール９を構成する１つの側面とが面一の連続する側面を構成する例について説明する。
【００８８】
なお、上記第１実施形態は、トレンチファースト法にのみ適用できるが、本第２実施形態はトレンチファースト法、ビアファースト法のいずれにも適用することができる。
【００８９】
図１８は、図１７と同様にサイドウォール犠牲膜を形成した段階における本第２実施形態の一構成例を鳥瞰図で示している。
【００９０】
第１配線３の上面を露出する第１ビアホール９が配置され、第１ビアホール９の上端に接続しＸ方向に延在するトレンチ７が配置されている。トレンチ７は、Ｙ方向に対向する第１側面５ａおよび第２側面５ｂを有している。ビアホール９は、ビア第１側面４ａ、ビア第２側面４ｂ、ビア第４側面４ｄを有している。第１側面５ａには第１サイドウォール膜１０ａが形成され、第２側面５ｂには第２サイドウォール膜１０ｂが形成される。ビア第１側面４ａにはビア第１サイドウォール膜１０ｃ、ビア第２側面４ｂにはビア第２サイドウォール膜１０ｄ、ビア第４側面４ｄにはビア第４サイドウォール膜１０ｆ、が各々形成される。第１側面５ａとビア第１側面４ａとは面一の連続する側面で形成される。
【００９１】
したがって、第１サイドウォール膜１０ａおよびビア第１サイドウォール膜１０ｃを面一の連続するサイドウォール膜として形成することができる。ビア第１サイドウォール膜１０ｃには、ビア第４サイドウォール膜１０ｆおよび図示されないビア第３サイドウォール膜１０ｅがＹ方向に連続して形成され、さらにビア第２サイドウォール膜１０ｄが連続して形成される。ビア第２側面４ｂは第２側面５ｂに面一となっていないので、ビア第２サイドウォール膜１０ｄと第２サイドウォール膜１０ｂとはＹ方向に離間して形成される。
【００９２】
上記の構成では、第２配線２０Ａおよび第１ビアプラグ２０Ｂを形成した後、サイドウォール膜除去工程を実施すると、第１サイドウォール膜１０ａの上面からエッチングが進行し、ビア第１サイドウォール膜１０ｃに到達した段階で、横方向に連続するビア第３サイドウォール膜１０ｅ、ビア第４サイドウォール膜１０ｆにもエッチングが進行し、さらにビア第２サイドウォール膜１０ｄもエッチングされる。したがって、トレンチ７の一側面５ａと第１ビアホールの一側面４ａとの一側面同士が面一となっている構成であってもトレンチ７の２つの側面と第１ビアホール９の４側面に同時にＡＧを形成することができる。
【００９３】
上記第１実施形態ではトレンチ７のＹ方向の幅と、第１ビアホール９のＹ方向の幅と、が同じサイズで構成される制約が生じるが、本第２実施形態では各々の幅を任意に変更してレイアウトすることができる。
【００９４】
図１８のような構成は、第１ビアホール９の形成マスクとして、複数の配線２０Ａに跨ってＹ方向に延在するラインパターンではなく、個別のホールパターンを用いることにより達成することができる。
【００９５】
図１９（ａ）、（ｂ）は、第１ビアホール９の形成マスクに個別のホールパターンを用いる場合の例を模式的に示している。図１９（ａ）はトレンチファースト法の例を、図１９（ｂ）はビアファースト法の例を示している。
【００９６】
まず、図１９（ａ）を参照して、トレンチファースト法の例について説明する。
【００９７】
上記第１実施形態と同様にＸ方向に延在するトレンチ７を第３層間絶縁膜５に形成する。トレンチ７は、Ｙ方向に対向する第１側面５ａと第２側面５ｂを有している。その後、トレンチ７をＢＡＲＣ膜などのトレンチ埋設材２５で埋設し、表面を平坦化する。次に、全面に、ハードマスク膜を含み、最上面にホトレジスト膜を有するマスク膜３０を形成する。
【００９８】
次に、リソグラフィと異方性ドライエッチング法によりマスク膜３０に矩形のビアホールパターン９ａを形成する。ビアホールパターン９ａは、Ｙ方向に対向するビアパターン第１側面３０ａおよびビアパターン第２側面３０ｂと、Ｘ方向に対向するビアパターン第３側面３０ｃおよびビアパターン第４側面３０ｄと、を有している。マスク膜３０をマスクとする異方性ドライエッチング法により、第３層間絶縁膜５およびトレンチ埋設材２５と、第２層間絶縁膜４と、を貫通し第１配線３に達するビアホール９が形成される。
【００９９】
ビアパターン第１側面３０ａおよびビアパターン第２側面３０ｂの位置は、各々ビアホール９のビア第１側面４ａおよびビア第２側面４ｂの位置に対応している。また、ビアパターン第３側面３０ｃおよびビアパターン第４側面３０ｄの位置は、各々ビアホール９のビア第３側面４ｃおよびビア第４側面４ｄの位置に対応している。
【０１００】
図１９（ａ）では、トレンチ７の第１側面５ａとビアパターン第１側面３０ａとがＸ方向に平行に延在している。さらに、第１側面５ａがビアパターン第１側面３０ａとビアパターン第２側面３０ｂとの間に位置するようにマスク膜３０が形成されている。第１側面５ａとビアパターン第１側面３０ａとが平面視で重なっていても良い。このように、ビアホールパターン９ａを配置することにより、トレンチ７を構成する側面の少なくとも一部とビアホール９を構成する側面の少なくとも一部とは面一の構成で形成することができる。
【０１０１】
ビアホール９を形成した後、マスク膜３０およびトレンチ埋設材２５を除去する。次に、上記第１実施形態と同様に、サイドウォール膜を形成すると図１８の構成が形成される。
【０１０２】
したがって、サイドウォール膜を面一で形成でき、さらにＡＧを面一で形成することができる。
【０１０３】
図１９（ａ）の場合、ビアパターン第２側面３０ｂは、第２側面５ｂに対して平面視重なりを有していない。したがって、第２側面５ｂ側にはビアホール９に対して面一となる側面は形成されないが、第１側面５ａ側に形成される面一の側面を通じてビアホール９の全ての側面にＡＧを形成することができる。
【０１０４】
図１９（ａ）では、第１側面５ａ側にビアホール９との面一側面を形成するマスクパターン３０の例を示したが、これに限るものではなく第２側面５ｂ側に面一側面を形成しても良い。
【０１０５】
次に、図１９（ｂ）を参照して、ビアファースト法の例について説明する。
【０１０６】
図１９（ｂ）では、第３層間絶縁膜５、第２層間絶縁膜４を貫通し、第１配線３に達するビアホール９を先に形成する。ビアホール９は、Ｙ方向に対向するビア第１側面４ａおよびビア第２側面４ｂと、Ｘ方向に対向するビア第３側面４ｃおよびビア第４側面４ｄと、を有している。
【０１０７】
ビアホール９を形成した後、ビアホール９内をＢＡＲＣ膜などのビアホール埋設材２５ｂで埋設し、表面を平坦化する。次に、全面に、ハードマスク膜を含み、最上面にホトレジスト膜を有するマスク膜４０を形成する。次に、リソグラフィと異方性ドライエッチング法によりマスク膜４０にＸ方向に延在するラインのトレンチパターン７ａを形成する。
【０１０８】
トレンチパターン７ａは、Ｙ方向に対向するトレンチパターン第１側面４０ａおよびトレンチパターン第２側面４０ｂとを有している。マスク膜４０をマスクとする異方性ドライエッチング法により、第３層間絶縁膜５およびビアホール埋設材２５ｂをエッチングし第２層間絶縁膜４に達するトレンチ７が形成される。
【０１０９】
トレンチパターン第１側面４０ａおよびトレンチパターン第２側面４０ｂの位置は、各々トレンチ７の第１側面５ａおよび第２側面５ｂの位置に対応している。
【０１１０】
図１９（ｂ）では、ビアホール９のビア第１側面４ａとトレンチパターン第１側面４０ａとがＸ方向に平行に延在している。さらに、トレンチパターン第１側面４０ａがビア第１側面４ａとビア第２側面４ｂとの間に位置するようにマスク膜４０が形成されている。ビア第１側面４ａとトレンチパターン第１側面４０ａとが平面視で重なっていても良い。
【０１１１】
このように、トレンチパターン７ａを配置しても第３層間絶縁膜５および第２層間絶縁膜４を貫通し面一となるビア第１側面４ａが既に形成されているので、トレンチ７を構成する側面の少なくとも一部とビアホール９を構成する側面の少なくとも一部とは面一の構成で形成することができる。ビア第１側面４ａ自体が面一の側面を構成している。
【０１１２】
トレンチ７を形成した後、マスク膜４０およびビアホール埋設材２５ｂを除去する。次に、上記第１実施形態と同様に、サイドウォール膜を形成すると図１８の構成が形成される。したがって、サイドウォール膜を面一で形成でき、さらにＡＧを面一で形成することができる。
【０１１３】
図１９（ｂ）の場合、トレンチパターン第２側面４０ｂは、ビア第２側面４ｂに対して平面視重なりを有していない。したがって、ビア第２側面４ｂ側にはトレンチ７に対して面一となる側面は形成されないが、ビア第１側面４ａ側に形成される面一の側面を通じてビアホール９の全ての側面にＡＧを形成することができる。
【０１１４】
図１９（ｂ）では、ビア第１側面４ａ側にトレンチ７との面一側面を形成するマスクパターン４０の例を示したが、これに限るものではなくビア第２側面４ｂ側に面一側面を形成しても良い。
【０１１５】
［第３実施形態］
上記第２実施形態の製造方法によれば、トレンチ７の下に連続して形成されるビアホール９の位置を任意に配置できるので、図１に示した第１実施形態の配線レイアウトとは異なる配線レイアウトを構成することができる。
【０１１６】
図２０の平面図を参照して、本発明の第３実施形態に係る半導体装置について説明する。
【０１１７】
例えば、Ｙ方向の一方に延在する複数の第１配線（下層配線）３Ａと、Ｙ方向の他の一方に延在する複数の第１配線（下層配線）３Ｂが配置される。複数の第１配線３Ａの個々の配線および第１配線３Ｂの個々の配線は、各々平行にＹ方向に延在している。複数の第１配線３Ａの各々は、ダマシン構造からなりＸ方向に延在する第１トレンチ７Ａに埋設された上層の第１集合配線２０Ａ１に接続されている。同様に、複数の第１配線３Ｂの各々は、ダマシン構造からなりＸ方向に延在する第２トレンチ７Ｂに埋設された上層の第２集合配線２０Ａ２に接続されている。
【０１１８】
第１集合配線２０Ａ１と複数の第１配線３Ａは、個々の第１配線３Ａに対応する第１ビアホール９Ａを埋設する第１ビアプラグ２０Ｂ１を介して接続されている。第１トレンチ７Ａおよび第２トレンチ７Ｂは、いずれもＹ方向に対向する第１側面５ａおよび第２側面５ｂを有している。第１側面５ａには第１ＡＧ１１ａが配置され、第２側面５ｂには第２ＡＧ１１ｂが配置されている。第１集合配線２０Ａ１に接続する複数の第１ビアプラグ２０Ｂ１は、いずれもＹ方向に対向するビア第１ＡＧ１１ｅおよびビア第２ＡＧ１１ｆと、Ｘ方向に対向するビア第３ＡＧ１１ｃおよびビア第４ＡＧ１１ｄを有している。ビア第２ＡＧ１１ｆは、第２ＡＧ１１ｂと面一の構成となっている。ビア第１ＡＧ１１ｅは、第１ＡＧ１１ａから離間して配置され面一の構成にはなっていない。すなわち、第１集合配線２０Ａ１に接続される複数の第１ビアプラグ２０Ｂ１は、いずれも第１トレンチ７Ａの一方の側面５ｂに配置された第２ＡＧ１１ｂに面一となるＡＧを有する構成となっている。
【０１１９】
一方、第２集合配線２０Ａ２に接続されるビアプラグ２０Ｂは、上記の第１ビアプラグ２０Ｂ１と、ビア第１ＡＧ１１ｅが第１ＡＧ１１ａと面一となる構成を有する第２ビアプラグ２０Ｂ２と、を有している。第２集合配線２０Ａ２では、第１ビアプラグ２０Ｂ１と、第２ビアプラグ２０Ｂ２と、がＸ方向に交互に配置される構成となっている。ビアプラグ２０Ｂを平面視で千鳥状に配置することにより、各々隣接するビアプラグの対向面積を減少させることができ、寄生容量をより低減することができる。
【０１２０】
上記第２実施形態の構成をベースとする本第３実施形態によれば、ビアプラグのＹ方向の幅と、ビアプラグの上面に接続される配線のＹ方向の幅を一致させる必要がないので、配線レイアウトの自由度をより向上させることができる。
【０１２１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１２２】
１    半導体基板
２    第１層間絶縁膜
３    第１配線
３Ａ    第１配線（下層配線）
３Ｂ    第１配線（下層配線）
４    第２層間絶縁膜
４ａ    ビア第１側面
４ｂ    ビア第２側面
４ｃ    ビア第３側面
４ｄ    ビア第４側面
５    第３層間絶縁膜
５ａ    第１側面
５ｂ    第２側面
５１    上面
６    第１マスク膜（第１ＢＡＲＣ膜、第１Ｓｉ含有有機膜、第１ホトレジスト膜）
６ａ    トレンチパターン
７    配線溝（トレンチ）
７ａ    トレンチパターン
７Ａ    第１トレンチ
７Ｂ    第２トレンチ
８    第２ＢＡＲＣ膜（トレンチ埋設膜）
８１    上面
８ａ    第２Ｓｉ含有有機膜
８ｂ    第２ホトレジスト膜
８ｃ    第２マスク膜
８Ａ    第１ビアホールパターン（第２マスク膜パターン）
８Ｂ    第２ビアホールパターン
８ｄ    第３側面
８ｅ    第４側面
９    ビアホール
９ａ    ビアホールパターン
９Ａ    第１ビアホール
１０    犠牲膜
１０ａ    第１サイドウォール膜
１０ｂ    第２サイドウォール膜
１０ｃ    ビア第１サイドウォール膜
１０ｄ    ビア第２サイドウォール膜
１０ｅ    ビア第３サイドウォール膜
１０ｆ    ビア第４サイドウォール膜
１１ａ    第１エアーギャップ（ＡＧ）
１１ｂ    第２エバーギャップ（ＡＧ）
１１ｃ    第３エアーギャップ（ＡＧ）
１１ｄ    第４エアーギャップ（ＡＧ）
１２    キャップ絶縁膜
１３    第２ビアプラグ
１３ａ    開口
１４    第３配線
２０ａ    Ｃｕ拡散バリヤ膜
２０ｂ    Ｃｕ膜
２０Ａ    第２配線
２０Ａ１    第１集合配線
２０Ａ２    第２集合配線
２０Ｂ    第１ビアプラグ（ビアプラグ）
２０Ｂ１    第１ビアプラグ
２０Ｂ２    第２ビアプラグ
２５    トレンチ埋設材
２５ｂ    ビアホール埋設材
３０    マスク膜
３０ａ    ビアパターン第１側面
３０ｂ    ビアパターン第２側面
３０ｃ    ビアパターン第３側面
３０ｄ    ビアパターン第４側面
４０    マスク膜
４０ａ    トレンチパターン第１側面
４０ｂ    トレンチパターン第２側面
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2015061032.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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