(57)【要約】【課題】誘電率の小さい多孔質な層間絶縁膜を使おうとしても、途中工程での応力によって層間膜にクラックが発生し、このクラックが成長していくと層間絶縁膜が破壊されてしまうという問題点がある。【解決手段】配線金属の絶縁膜近傍に、配線金属より弾性率の小さい導電性材料からなる微粒子を形成したことにより、絶縁膜にクラックが生じても微粒子がクラック端部の応力を緩和することで、クラックの進展を防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層配線構造を有する半導体装置において、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された第１の導電性材料とを有し、
前記第１の導電性材料は、少なくとも前記絶縁膜との界面近傍に当該第１の導電性材料より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を含有すること
を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記絶縁膜が、多孔質の絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
配線を有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記配線を形成する第１の導電性材料より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を付着させる工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、
更に、前記微粒子を付着させる工程の後に、前記第１の導電性材料を前記基板上に形成する工程を含むこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に第１の導電性材料からなる配線金属を形成する工程と、
前記配線金属上に前記第１の導電性材料より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を付着させる工程と、
前記配線金属をパターニングする工程と、
前記パターニングされた配線金属上に層間絶縁膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする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、ＵＬＳＩデバイスが有する配線金属と層間絶縁膜とからなる多層配線構造において、層間絶縁膜の耐破壊強度を増大する技術に関し、より詳しくは、欠陥の生じやすい層間絶縁膜において、亀裂（クラック）等の欠陥の成長を防止する構造、及びその製造方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＬＳＩデバイスを高速駆動する方法の一つとして、配線間の寄生容量を小さくすることが行なわれている。層間絶縁膜の誘電率が高いと、配線間容量が大きくなり駆動スピードが落ちるからである。そのため、従来から層間絶縁膜として用いられてきたアモルファス酸化珪素膜に代わり更に誘電率の低い材料が用いられ始めている。なかでも、特に誘電率の低い材料として多孔質な（ポーラスな）層間絶縁膜が鋭意開発され、また実際に使われ始めている。
【０００３】
また、層間絶縁膜上にシリコンを含む合金材料を形成し、層間絶縁膜の上面に析出するシリコン微粒子の径が、２．８μｍ以下にするという例があった。この例では、シリコンを含む合金材料のシリコン含有量が重量において０．５〜２．０％にすることにより、層間絶縁膜上にシリコン微粒子が形成されにくくなるため、下地の層間絶縁膜に与える作用力が減少し、クラックなどのダメージが生じにくくなることが記載されている（特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２４０４３２号公報（第２頁−３頁、図５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的に多孔質な層間絶縁膜の誘電率とその破壊強度は、負の相関関係にある。つまり、誘電率を小さくしようとして、空孔の占める割合を大きくすると膜が割れやすくなり、空孔の占める割合が小さいと誘電率は充分に下げることができない。
【０００６】
多層配線プロセスには、化学的機械研磨法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ  ：ＣＭＰ）を用いたグローバル平坦化時の研磨応力、多層配線構造を構成する他の膜の残留応力、また、加熱した際に多層配線構造を構成する他の膜との熱膨張係数の違いによって発生する熱応力、更に、ボンディング等の実装工程での応力等が存在する。
【０００７】
よって、誘電率の小さい多孔質な層間絶縁膜を使おうとしても、これらの応力によって層間膜にクラックが発生し、このクラックが成長していくと層間絶縁膜が破壊されてしまうという問題点がある。
【０００８】
また、特開平７−２４０４３２号公報においては、層間絶縁膜が多孔質であるという記載がない。また、析出したシリコンの粒径が大きくなることによって、逆に配線金属等の剥がれがあることが開示されているのみである。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、層間絶縁膜の誘電率を充分に下げるために、クラック等の欠陥の生じやすい層間絶縁膜、例えば多孔質な絶縁膜を用いながら、発生したクラックの成長を抑止することのできる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、多層配線構造を有する半導体装置において、半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に形成された第１の導電性材料とを有し、第１の導電性材料は、少なくとも絶縁膜との界面近傍に第１の導電性材料より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を含有するようにしたことにある。
【００１１】
この様に、第１の導電性材料の絶縁膜近傍に、第１の導電性材料より弾性率の小さい導電性材料からなる微粒子を含有させたことにより、絶縁膜にクラックが生じても第２の導電性材料からなる微粒子がクラック端部の応力を緩和することで、クラックの進展を防止することができる。従って、誘電率の低い層間絶縁膜として、多孔質な絶縁膜を用いても、クラックは進展せず、良好な多層配線構造が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、本発明の保護範囲は、以下の実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【００１３】
（第１の実施の形態例）
図１は、本発明における第１の実施の形態例を示す工程断面図である。本実施の形態例では、シングルダマシン法でビアと配線とを形成する方法と形成後の構造体、更に本発明の原理について説明する。また、配線金属は、特に断りのない限り銅である。
【００１４】
図１（ａ）は、クラック等の欠陥の生じやすい層間絶縁膜１に、シングルダマシン法でビア２と配線をつくる工程で、ビアが配線金属で埋められた後、その上部の配線用の溝３が形成されたところを示している。この構造に至るまでの工程を、次に簡単に説明する。
【００１５】
まず、半導体基板１００上にクラック等の欠陥が生じやすい膜１として、例えば多孔質の層間絶縁膜を形成し、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって多孔質な層間絶縁膜にビアの溝を形成する。その後、配線金属を例えばめっき法等でビアを埋め込み化学的機械研磨法等で表面を平坦化する。更に多孔質な層間絶縁膜を形成し、再度フォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって、配線用の溝３を形成する。このような工程を経て、上記した図１（ａ）の構造が得られる。
【００１６】
図１（ｂ）は、配線用の溝に、配線金属とは異なる種類の電気導体材料からなる微粒子４を付着させたところを示している。この微粒子４は配線金属よりもヤング率が小さい、即ち、柔らかい電気導体材料からなり、粒径は例えば１０ｎｍ程度である。
【００１７】
この微粒子４を付着させる方法は特に問わないが、微粒子４が浮遊するチャンバー内に半導体基板を晒す方法や、チャンバー内に半導体基板を載置してスプレー等により微粒子４を噴射する方法がある。また、短時間のスパッタ法で形成してもよい。
【００１８】
また、配線金属と異なる種類の電気導体材料とは、例えば、アルミ（Ａｌ）、２アルミ銅（Ａｌ２Ｃｕ）、３アルミ２銅（Ａｌ３Ｃｕ２）などである。但し、配線金属としてプラチナ（Ｐｔ）を用いた場合は、アルミ（Ａｌ）もしくは銅（Ｃｕ）を微粒子として用いる。
【００１９】
図１（ｃ）は、配線用の溝３に配線金属５が埋め込まれたところを示す。配線金属５の埋め込み方法は、めっき法やスパッタ法等である。こうして配線金属５で溝を埋め込んだ後、化学的機械研磨法によって、余分な金属部分を除去すると共に、表面を平滑にする。その結果、図１（ｄ）に示す構造体が形成される。
【００２０】
本実施の形態例の変形例として、図１（ａ）の構造に至るまでの工程において、ビアの溝を形成した後に、ビアの溝の内部に微粒子を付着させ、その後に配線金属で埋め込んでもよい。その後の工程は、上記したとおりである。
【００２１】
本実施の形態例では、クラック等の欠陥が生じやすい層間絶縁膜、例えば多孔質な層間絶縁膜に形成された配線用の溝の内部に配線金属が形成され、配線金属の層間絶縁膜近傍に、配線金属より柔らかい導電性材料からなる微粒子を埋め込んだ構造体が得られる。
【００２２】
また、その変形例によれば上記構造に加え、層間絶縁膜に形成されたビアの溝の内部に配線金属が形成され、配線金属の層間絶縁膜近傍に、ビアを埋め込んだ金属より柔らかい導電性材料からなる微粒子を埋め込んだ構造体が得られる。
【００２３】
この様に、クラックの生じやすい層間絶縁膜と配線金属との界面近傍の配線金属中に、配線金属より柔らかい導電性材料からなる微粒子が存在すると、その微粒子によって層間絶縁膜中に発生したクラックの成長を抑止する作用がある。その原理について以下に説明する。
【００２４】
図４は、本発明の原理について説明するための図である。また、図６は、図４における応力拡大係数を導き出すために用いた特性値の図である。
【００２５】
まず、図４（ａ）は、半導体基板、例えばシリコン基板６上の配線金属８、例えば銅（Ｃｕ）が上下の層間絶縁膜ＳｉＯ２７及び９によって挟まれた構造を示している。更に、配線金属Ｃｕ８とその下側のＳｉＯ２７との界面には金属、例えばアルミ（Ａｌ）の微粒子１０が存在すると仮定する。配線金属Ｃｕ８の下側のＳｉＯ２７にはクラック１１が存在し、クラック端Ａ１２がアルミ（Ａｌ）微粒子１０の少し右側にある場合を示している。同様に図４（ｂ）は、クラック端Ａ１２がちょうどアルミ（Ａｌ）微粒子１０の真下にある場合、図４（ｃ）はクラック端Ａ１２がアルミ（Ａｌ）微粒子１０の左側にある場合を示す。
【００２６】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）の構造が、２０℃で応力がかからない状態から４００℃に昇温されたとき、クラック端Ａ１２に発生する応力拡大係数：ＫＩを、有限要素法を用いたＪ−積分法で計算した。計算に使った物性値は、図６に示す通りである。
【００２７】
図４（ａ）では、クラック端Ａ１２のＫＩが正の値を示しており、これはクラック１１の進展が可能な応力場になっていることを示している。
【００２８】
ところが図４（ｂ）に示すとおり、クラック端Ａ１２がアルミ（Ａｌ）微粒子１０の真下にくるようになると、クラック端Ａ１２におけるＫＩは負になり、クラック１１を閉じるような応力場に変化したことがわかる。この傾向は、図４（ｃ）に示すとおり、クラック端Ａ１２がアルミ（Ａｌ）微粒子１０を越えるようになるとさらに顕著になる。
【００２９】
この計算より、界面近くのＳｉＯ２中を進展するクラック１１は、アルミ（Ａｌ）微粒子１０の上を越えられないことがわかる。つまり、なんらかの原因で層間膜の破壊が始まったとしても、破壊の進行はアルミ（Ａｌ）微粒子１０のところで止まることになり、層間絶縁膜の耐破壊強度を増大させることができる。
【００３０】
図４に示したような応力拡大係数の正から負への変化がおこるためには、一般に、「配線金属の弾性率＞配線金属に含まれる微粒子の弾性率」となっていることが必要である。
【００３１】
次に、上記した物性を有する導電性材料からなる微粒子をどの程度形成すればよいのかについて説明する。
【００３２】
配線金属に微粒子を埋め込むとき、埋め込んだ微粒子の金属配線表面への射影面積の総和が金属配線面積の２５％以上７５％以下にする。すると、  次に挙げる２つのことが生じることがパーコレーション理論から明らかになっている。
【００３３】
▲１▼その直上に金属粒子のないところに発生した界面クラックが進展すると、必ず埋め込んだ金属微粒子の下を通る。
【００３４】
▲２▼お互いに繋がり合った微粒子の領域が配線全域を貫くことはない。
【００３５】
このように、埋め込む微粒子密度を上記のようにすれば、層間膜中のクラックの進展は必ず止まり、また埋め込んだ微粒子の真下だけを伝わってクラックが進展することはできない。
【００３６】
図５は、実際に金属微粒子をスパッタリングで基板に付けていったときの様子を示す図である。図中、Ｐは金属微粒子の占有面積の割合を示す。黒く塗った領域は、それぞれの占有率における最大の連結領域を示している。Ｐが０．７５を越えると金属微粒子の連結領域のみを通って写真の上から下までクラックが進展可能であることが実験的にも確かめられている。
【００３７】
従って、埋め込んだ微粒子の金属配線表面への射影面積の総和が金属配線面積の２５％以上７５％以下とするのがよい。
【００３８】
（第２の実施の形態例）
図２は、本発明における第２の実施の形態例を示す工程断面図である。第１の実施の形態例と同一の部分には、同一の符号を付与する。本実施の形態例では、デュアルダマシン法でビアと配線とを同時に形成する方法と形成後の構造体について説明する。また、配線金属とは特に断りのない限り銅である。
【００３９】
図２（ａ）は、クラック等の欠陥の生じやすい層間絶縁膜１に、デュアルダマシン法でビアと配線とを同時につくる途中の工程で、ビアの溝６と、その上部の配線用の溝３が形成されたところを示している。この構造に至るまでの工程を、次に簡単に説明する。
【００４０】
まず、半導体基板１００上に、クラック等の欠陥の生じやすい層間絶縁膜、例えば多孔質の層間絶縁膜を形成し、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって、多孔質の層間絶縁膜にビアと配線金属の溝を形成する。このような工程を経て、上記した図２（ａ）の構造が得られる。
【００４１】
図２（ｂ）は、ビアの溝６と配線用の溝３に、配線金属とは異なる種類の電気導体材料からなる微粒子４を付着させたところを示している。この微粒子は、材質、付着方法、付着した微粒子の金属配線表面への射影面積の総和等は、第１の実施の形態例で説明したものと同等である。但し、配線金属としてプラチナ（Ｐｔ）を用いた場合は、アルミ（Ａｌ）もしくは銅（Ｃｕ）である。
【００４２】
次に、図２（ｃ）に示すとおり。めっき法やスパッタ法等でビアの溝と配線溝とを配線金属５によって単一の工程で埋め込む。この際に、微粒子４は配線金属と層間絶縁膜の界面に存在するようにする。
【００４３】
次に、図２（ｄ）に示すとおり、化学的機械研磨法によって、余分な配線金属を除去すると共に、表面を平滑にする。
【００４４】
この様にして、クラック等の欠陥の生じやすい層間絶縁膜、例えば多孔質な層間絶縁膜のビアの溝と配線用の溝の内部に配線金属が形成され、配線金属の層間絶縁膜近傍に、配線金属より柔らかい導電性材料からなる微粒子を埋め込んだ構造体を得ることができる。
【００４５】
（第３の実施の形態例）
図３は、本発明における第３の実施の形態例を示す工程断面図である。第１及び第２の実施の形態例と同一部分には同一の符号を付与する。本実施の形態例では、バリアメタルを用いたシングルダマシン法でビアと配線とを形成する方法と形成後の構造体について説明する。また、本実施の形態例においても、配線金属は特に断りのない限り銅である。
【００４６】
図３（ａ）は、クラック等の欠陥の生じやすい層間絶縁膜１に、シングルダマシン法でビアと配線を形成する工程において、ビアの溝内部にバリアメタル７が形成され、ビアの溝が配線金属で埋め込まれ２、更に、上部の配線用の溝３が形成され、再度バリアメタル７が半導体基板１００上に形成されたところを示している。この構造に至るまでの工程を、次に簡単に説明する。
【００４７】
まず、半導体基板１００上にクラック等の欠陥が生じやすい層間絶縁膜、例えば多孔質な層間絶縁膜１を形成し、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術で、ビアの溝を形成し、スパッタ法等によって、ビアの溝内部にバリアメタル７、例えばタンタルを形成し、更に配線金属で埋め込み、化学的機械研磨法で余分な配線金属を除去すると共に、表面を平滑にする。
【００４８】
そして、再度欠陥が生じやすい層間絶縁膜を形成し、配線用の溝３を形成し、配線用の溝３の内部を含む半導体基板１００上にバリアメタル７を形成する工程を経て図３（ａ）の構造が得られる。バリアメタルの材料は特に問わないが、チタン（Ｔｉ）やチタンナイトライド（ＴｉＮ）等一般的に使用されている材料を使用することができる。
【００４９】
次に、図３（ｂ）に示すとおり、配線金属５よりも柔らかい導電性材料からなる微粒子４を付着させる。この微粒子の材質、付着方法、付着した微粒子の配線金属表面への射影面積の総和等は、第１の実施の形態例で説明したものと同等である。但し、配線金属としてプラチナ（Ｐｔ）を用いた場合は、アルミ（Ａｌ）もしくは銅（Ｃｕ）である。
【００５０】
次に、図３（ｃ）に示すとおり、めっき法やスパッタ法等によって、配線金属５を形成する。そして、余分な配線金属を化学的機械研磨法等によって除去すると共に、表面を平滑にする。
【００５１】
以上の工程を経て、図３（ｄ）に示すとおり、クラック等の欠陥が入りやすい層間絶縁膜と、バリアメタルを介した配線金属との界面近傍の配線金属内に、配線金属よりも柔らかい導電性材料からなる微粒子を埋め込んだ構造体を得ることができる。
【００５２】
また、本実施の形態例では、シングルダマシン法の例を説明したが、第２の実施の形態例と同様に、デュアルダマシンにも適応可能である。この場合、ビアの溝と配線用の溝を形成後、両溝の内部に単一の工程でバリアメタルを形成し、その後、同じく両溝の内部に配線金属よりも柔らかい導電性材料からなる微粒子を付着させればよい。
【００５３】
更に、図３（ｂ）の工程では、先にバリアメタルを形成し、その後配線金属よりも柔らかい導電性材料からなる微粒子を付着させている例について説明したが、先に上記微粒子を付着させた後でバリアメタルを形成することもできる。
【００５４】
（第４の実施の形態例）
図７は、本発明における第４の実施の形態例を示す断面図である。第１乃至第３の実施の形態例では、シングルダマシン法及びデュアルダマシン法について説明したが、本実施の形態例では、クラックの発生を抑えるために、多孔質な絶縁膜が重畳する場合、その間に弾性率の小さい導電性材料からなる微粒子を介在させる構造体について説明する。また、配線金属の上部に配線金属より弾性率の小さい導電性材料からなる微粒子を含有させて、配線金属上の多孔質な層間絶縁膜中でのクラックを抑止する構造体についても説明する。
【００５５】
まず、図７（ａ）は、欠陥の生じやすい層間絶縁膜として、多孔質の絶縁膜１３及び１４の間に、上記微粒子４を介在させた例を示している。この例においても、微粒子がクラックの進展を抑止するため、耐破壊強度が増大する。
【００５６】
また、図７（ｂ）は、図７（ａ）で示した構造体の上部に、配線金属５を形成した例を示している。この例においては、配線金属５が、多孔質の絶縁膜１４との近傍に配線金属より弾性率の小さい導電性材料からなる微粒子４を含有していていることが望ましい。
【００５７】
更に、図７（ｃ）は、半導体基板１００上に第１の導電性材料からなる配線金属５を形成し、配線金属５より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を付着させてからパターニングし、次にクラックの生じやすい層間絶縁膜、例えば多孔質な層間絶縁膜１５を形成した構造体を示している。この様に、配線金属５より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を、配線金属５の上部に付着させることにより、配線金属５上の多孔質な層間絶縁膜１５中のクラックの進展を防ぐことができる。
【００５８】
以上、実施の形態例をまとめると以下の付記の通りである。
【００５９】
（付記１）多層配線構造を有する半導体装置において、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された第１の導電性材料とを有し、
前記第１の導電性材料は、少なくとも前記絶縁膜との界面近傍に当該第１の導電性材料より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を含有すること
を特徴とする半導体装置。
【００６０】
（付記２）付記１において、
前記絶縁膜が、多孔質の絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
【００６１】
（付記３）付記１において、
前記第１の導電性材料が銅であり、前記第２の導電性材料がアルミ、２アルミ銅、又は３アルミ２銅から選ばれた一つであることを特徴とする半導体装置。
【００６２】
（付記４）付記１において、
前記第１の導電性材料がプラチナであり、前記第２の導電性材料がアルミまたは銅であることを特徴とする半導体装置。
【００６３】
（付記５）配線を有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記配線を形成する第１の導電性材料より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を付着させる工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６４】
（付記６）付記５において、
更に、前記微粒子を付着させる工程の後に、前記第１の導電性材料を前記基板上に形成する工程を含むこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６５】
（付記７）付記５において、
更に、前記多孔質な絶縁膜を形成する工程の後に、該多孔質な絶縁膜上にバリア層を形成する工程を含むこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６６】
（付記８）多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に第１の導電性材料からなる配線金属を形成する工程と、
前記配線金属上に前記第１の導電性材料より弾性率の小さい第２の導電性材料からなる微粒子を付着させる工程と、
前記配線金属をパターニングする工程と、
前記パターニングされた配線金属上に層間絶縁膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６７】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、欠陥の生じやすい層間絶縁膜にクラック等の欠陥が生じた場合でも、配線金属中の配線金属よりも弾性率の小さい導電性材料からなる微粒子によって、その進展を止めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施の形態例を示す工程断面図である。
【図２】本発明における第２の実施の形態例を示す工程断面図である。
【図３】本発明における第３の実施の形態例を示す工程断面図である。
【図４】本発明の原理について説明するための図である。
【図５】実際に金属微粒子をスパッタリングで基板に付けていったときの様子を示す図である。
【図６】図４における応力拡大係数を導き出すために用いた特性値の図である。
【図７】本発明における第４の実施の形態例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  層間絶縁膜
２  ビア
３  配線溝
４  微粒子
５  配線金属
１００  半導体基板
【図１】
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【図２】
2004273719.tif 000004
【図３】
2004273719.tif 000005
【図４】
2004273719.tif 000006
【図５】
2004273719.tif 000007
【図６】
2004273719.tif 000008
【図７】
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