(57)【要約】【課題】多孔質絶縁層のような機械的強度の低い低誘電率絶縁膜を適用する場合において、導電層の研磨の際に、研磨圧力が高くても膜はがれ、膜破壊等のない良好な、半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、以下の工程（ａ）〜（ｅ）を含む。（ａ）多孔質絶縁層の前駆体３０ａを形成する工程、（ｂ）多孔質絶縁層の前駆体３０ａの所定領域を除去し、スルーホール３２を形成する工程、（ｃ）多孔質絶縁層の前駆体３０ａの上に、スルーホール３２を充填する導電層４２を形成する工程、（ｄ）導電層４２を研磨し、スルーホール３２内に埋め込み配線層４０を形成する工程、および（ｅ）工程（ｄ）の後、多孔質絶縁層の前駆体３０ａを多孔質化して、多孔質絶縁層３０を形成する工程。【選択図】図３
2008109149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程（ａ）〜（ｅ）を含む、半導体装置の製造方法。（ａ）多孔質絶縁層の前駆体を形成する工程、
（ｂ）前記多孔質絶縁層の前駆体の所定領域を除去し、スルーホールを形成する工程、
（ｃ）前記多孔質絶縁層の前駆体の上に、前記スルーホールを充填する導電層を形成する工程、
（ｄ）前記導電層を研磨し、スルーホール内に埋め込み配線層を形成する工程、および
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記多孔質絶縁層の前駆体を多孔質化して、多孔質絶縁層を形成する工程。
【請求項２】
請求項１において、
前記工程（ｅ）は、熱処理によって行われる、半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記導電層は、銅、アルミニウムまたはタングステンを主体とする材質からなる、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、配線層を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高速化が、さらに要求されている。これに伴い、層間絶縁層の低誘電率化が必要となっている。層間絶縁層の低誘電率化を図る技術として、層間絶縁層を多孔質化する技術が提案されている。また、さらに、多孔質絶縁層の所定領域に、ダマシン（Damascene）法により、配線層を形成することが検討されている（たとえば特開平１０−１１２５０３号公報参照）。
【０００３】
具体的には、次のようにして、多孔質絶縁層の所定領域に、ダマシン法により、配線層を形成することができる。図４は、多孔質絶縁層の所定領域に、ダマシン法により、配線層を形成する工程を模式的に示す断面図である。
【０００４】
まず、図４（ａ）に示すように、層間絶縁層１２０の上に、多孔質絶縁層１３０を形成する。次に、リソグラフィおよびエッチングにより、多孔質絶縁層１３０の所定領域に、スルーホール１３２を形成する。その後、スルーホール１３２を充填するようにして、導電層１４２を形成する。
【０００５】
次に、図４（ｂ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により、導電層１４２を研磨して、埋め込み配線層１４０を形成する。
【０００６】
ところで、多孔質絶縁層１３０は空間占有密度が低いため、機械的強度が低く、上下膜界面での接着断面積が小さい。その結果、導電層１４２の研磨の際、膜はがれ、膜破断等が発生し、研磨圧力を高くするのに限界がある。
【特許文献１】特開平１０−１１２５０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、多孔質絶縁層のような機械的強度の低い低誘電率絶縁膜を適用する場合において、導電層の研磨の際に、研磨圧力が高くても膜はがれ、膜破壊等のない良好な、半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体装置の製造方法は、
以下の工程（ａ）〜（ｅ）を含む。
（ａ）多孔質絶縁層の前駆体を形成する工程、
（ｂ）前記多孔質絶縁層の前駆体の所定領域を除去し、スルーホールを形成する工程、
（ｃ）前記多孔質絶縁層の前駆体の上に、前記スルーホールを充填する導電層を形成する工程、
（ｄ）前記導電層を研磨し、スルーホール内に埋め込み配線層を形成する工程、および
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記多孔質絶縁層の前駆体を多孔質化して、多孔質絶縁層を形成する工程。
【０００９】
本発明によれば、前記工程（ｅ）は、工程（ｄ）の後に行われる。つまり、多孔質絶縁層の前駆体を多孔質化する前に、導電層の研磨を行っている。多孔質絶縁層の前駆体は、多孔質化されたものに比べて、密度が高いため、機械的強度が大きい。このため、本発明によれば、導電層の研磨の際、研磨圧力が高い場合においても、膜はがれ、膜破壊等が発生せず、良好な研磨を行うことができる。
【００１０】
前記工程（ｅ）は、熱処理によって行われることが好ましい。つまり、熱処理によって、多孔質絶縁層の前駆体の多孔質化を行うことにより、同時に、埋め込み配線層におけるグレイン成長を促進させることができる。その結果、多孔質絶縁層の前駆体の多孔質化をするための熱処理と、埋め込み配線層においてグレイン成長を促進するための熱処理とを、同一の工程で行うことができる。このため、熱処理工程を１工程減らすことができ、製造プロセス工程数の低減を図ることができる。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、前記導電層が銅、アルミニウムまたはタングステンを主体とする材質からなる場合に、特に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（デバイスの構造）
以下、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法により得られる半導体装置について説明する。図１は、半導体装置を模式的に示す断面図である。
【００１４】
半導体装置１００において、半導体基板（たとえばシリコン基板）１０の表面には、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子、配線層および素子分離領域（いずれも図示せず）が形成されている。半導体基板１０の上に、層間絶縁層２０が形成されている。
【００１５】
層間絶縁層２０の上には、多孔質絶縁層３０が形成されている。多孔質絶縁層３０の所定領域において、スルーホール３２が形成されている。スルーホール３２内には、埋め込み配線層４０が形成されている。埋め込み配線層４０は、銅を主体とする材質からなる。
【００１６】
（製造プロセス）
以下、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００１７】
図２および図３は、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００１８】
（１）まず、図２（ａ）を参照しながら説明する。半導体基板１０の表面に、一般的な方法により、半導体素子（たとえばＭＯＳＦＥＴ）、配線層および素子分離領域（いずれも図示せず）を形成する。次に、この半導体基板１０上に、層間絶縁層２０を形成する。次に、層間絶縁層２０に、コンタクトホール（図示せず）を形成し、コンタクトホール内に、公知の方法により、コンタクト層（図示せず）を形成する。
【００１９】
次に、層間絶縁層２０の上に、多孔質絶縁層の前駆体３０ａを形成する。多孔質絶縁層の前駆体３０ａの形成方法は、たとえば、スピンコート法である。多孔質絶縁層の前駆体３０ａの具体例としては、たとえば、触媒化成工業株式会社のＩＰＳシリーズのような従来のシラノール：Ｓｉn（ＯＨ）mをベースとするＳＯＧ材料に熱分解性のある有機ポリマーを混在させているものを挙げることができる。多孔質絶縁層の前駆体３０ａの膜厚としては、たとえば、６００〜１０００ｎｍである。なお、必要に応じて、層間絶縁層２０と、多孔質絶縁層の前駆体３０ａとの間に、ベース層（図示せず）を介在させてもよい。ベース層は、層間絶縁層２０と、多孔質絶縁層の前駆体３０ａとの密着性を高める機能を有する。ベース層の具体例は、たとえばプラズマＴＥＯＳ酸化膜である。
【００２０】
（２）次に、図２（ｂ）に示すように、リソグラフィおよびエッチングにより、多孔質絶縁層の前駆体３０ａの所定領域を除去し、スルーホール３２を形成する。また、必要に応じて、スルーホール３２において、密着層やバリア層を形成する。
【００２１】
（３）次に、図３（ａ）に示すように、スルーホール３２を充填するようにして、多孔質絶縁層の前駆体３０ａの上に、銅を主体とする材質からなる導電層４２を形成する。導電層４２の形成方法としては、多孔質絶縁層の前駆体３０ａが多孔質化しない程度の温度で、導電層４２を形成することができる方法であれば特に限定されず、たとえばスパッタ法、電界メッキ法を挙げることができる。導電層４２の膜厚は、たとえば６００〜１５００ｎｍである。
【００２２】
（４）次に、図３（ｂ）に示すように、ＣＭＰ法により、導電層４２を研磨し、平坦化する。これにより、スルーホール３２内に、埋め込み配線層４０が形成される。
【００２３】
（５）次に、図１に示すように、熱処理を行う。これにより、多孔質絶縁層の前駆体３０ａにおける溶媒が気化し、または、多孔質絶縁層の前駆体３０ａにおける構成分子のうちの一部が熱分解して揮発し、構造内に空隙３４が形成される。こうして、多孔質絶縁層の前駆体３０ａが多孔質化され、多孔質絶縁層３０が形成される。また、この熱処理によって、埋め込み配線層４０における、グレイン成長が促進される。埋め込み配線層４０において、グレイン成長が促進されることで、埋め込み配線層４０の低抵抗化を迅速に図ることができる。さらに、この熱処理によって、埋め込み配線層４０に含有しているガスを取り去ることができる。この熱処理における、半導体基板１０の温度は、たとえば４００〜４５０℃である。この温度は、熱分解性物質の分解温度特性を考慮し、処理時間とともに規定する。
【００２４】
（作用効果）
以下、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法の作用効果について説明する。
【００２５】
（ａ）本実施の形態においては、導電層４２の研磨の後に、多孔質絶縁層の前駆体３０ａの多孔質化をしている。すなわち、導電層４２の研磨の際、多孔質絶縁層の前駆体３０ａは、多孔質化されていない。多孔質絶縁層の前駆体３０ａは、多孔質化されたものと比べると、密度が高いため、機械的強度が大きい。このため、本実施の形態によれば、導電層４２の研磨の際、研磨圧力を高くすることができる。
【００２６】
（ｂ）また、多孔質絶縁層の前駆体３０ａの多孔質化を図るための熱処理は、埋め込み配線層４０を形成した後にしている。このため、この熱処理は、埋め込み配線層４０における、グレイン成長を促進させる機能をも有する。その結果、多孔質絶縁層の前駆体３０ａの多孔質化を図るための熱処理と、埋め込み配線層４０におけるグレイン成長を促進するための熱処理とを、同一の工程で行うことができる。このため、熱処理工程を１工程減らすことができ、製造プロセス工程数の低減を図ることができる。
【００２７】
［変形例］
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を超えない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、次の変更が可能である。
【００２８】
上記実施の形態においては、埋め込み配線層（導電層）４０の材質は、銅を主体とする材質であった。しかし、これに限定されず、埋め込み配線層（導電層）の材質は、アルミニウムを主体とする材質，タングステンを主体とする材質、銀を主体とする材質、金を主体とする材質であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施の形態に係る半導体装置を模式的に示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図３】実施の形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図４】多孔質絶縁層の所定領域に、ダマシン法により、配線層を形成する工程を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  半導体基板、２０  層間絶縁層、３０  多孔質絶縁層、３０ａ  多孔質絶縁層の前駆体、３２  スルーホール、３４  空隙、４０  埋め込み配線層、４２  導電層、１００  半導体装置
【図１】
2008109149.tif 000003
【図２】
2008109149.tif 000004
【図３】
2008109149.tif 000005
【図４】
2008109149.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月21日(2007.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に、半導体素子を形成する工程と、
前記半導体素子上方に、層間絶縁層を形成する工程と、
前記層間絶縁層上方に、埋め込み配線層を有する多孔質絶縁層を形成する工程と、を有し、
前記埋め込み配線層を有する前記多孔質絶縁層を形成する工程は、
（ａ）前記多孔質絶縁層の前駆体を形成する工程と、
（ｂ）前記多孔質絶縁層の前記前駆体の所定領域を除去し、スルーホールを形成する工程と、
（ｃ）前記多孔質絶縁層の前記前駆体の上に、前記スルーホールを充填する導電層を形成する工程と、
（ｄ）前記導電層を研磨し、前記スルーホール内に前記埋め込み配線層を形成する工程と、
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記多孔質絶縁層の前記前駆体を多孔質化して、前記多孔質絶縁層を形成する工程と、を含み、
前記工程（ｅ）で、前記多孔質絶縁層の前記前駆体に含まれる溶媒を気化させること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記工程（ｅ）は、熱処理によって行われること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記熱処理により、前記埋め込み配線層のグレイン成長が促進されること、
を特徴とする半導体製造装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２において、
前記熱処理により、前記埋め込み配線層に含まれるガスが除去されること、
を特徴とする半導体製造装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記導電層は、銅、アルミニウムまたはタングステンを主体とする材質からなること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記多孔質絶縁層の前記前駆体は、シラノールを含むＳＯＧ材料に熱分解性を有する有機ポリマーを混在させた材料であること、
を特徴とする半導体装置の製造方法。