(57)【要約】　　　（修正有）【課題】有機層間絶縁膜を有する多層配線構造を備えた半導体装置において、前記有機層間絶縁膜上に、低誘電率の研磨ストッパ膜を形成し、さらに下層配線パターンにディッシングが生じた場合にも上層の配線パターンを歩留まり良く、安定して形成する。【解決手段】前記低誘電率の研磨ストッパ膜４４として有機ＳＯＧ膜を使い、化学機械研磨によってディッシングが生じている下層配線パターン４６Ａ上に平坦化層間絶縁膜４７を形成する。【選択図】　　　　　図１１
2004006640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜中に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝を埋めるように導体層を形成する工程と、
前記導体層のうち、前記層間絶縁膜を覆う部分を化学機械研磨により除去し、前記配線溝を埋める導体パターンを形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記導体パターンを覆うように、前記層間絶縁膜上に液体状の絶縁膜を塗布する工程をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜中に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝を埋めるように導体層を形成する工程と、
前記導体層のうち、前記層間絶縁膜を覆う部分を化学機械研磨により除去し、前記配線溝を埋める導体パターンを形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記導体パターンを覆うように、前記層間絶縁膜上に別の層間絶縁膜を形成する工程と、
さらに前記別の層間絶縁膜を化学機械研磨により平坦化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。
【請求項３】
基板と、
前記基板上に形成された第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜中に形成された第１の凹部と、
前記第１の凹部を埋める第１の導体パターンと、
前記第１の層間絶縁膜上に、前記第１の導体パターンを覆うように形成された、平坦化主面を有する第２の層間絶縁膜と、
前記第２の層間絶縁膜中に形成された第２の凹部と、
前記第２の凹部を埋める第２の導体パターンとよりなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記第２の層間絶縁膜は有機絶縁膜よりなることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の層間絶縁膜は、平坦な主面を有する有機絶縁膜よりなる第１の膜と、前記第１の膜上に形成された第２の膜とよりなることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の層間絶縁膜中に形成された第１の導体パターンは第１のピッチで繰り返され、前記第２の層間絶縁膜中に形成された第２の導体パターンは前記第１のピッチよりも小さい第２のピッチで繰り返されることを特徴とする請求項３〜５のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の層間絶縁膜中に形成された第１の導体パターンは第１の方向に延在し、前記第２の層間絶縁膜中に形成された第２の導体パターンは前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在することを特徴とする請求項３〜６のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１の層間絶縁膜中に形成された第１の導体パターンは第１の方向に延在し、前記第２の層間絶縁膜中に形成された第２の導体パターンも、前記第１の方向に延在することを特徴とする請求項３〜６のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第２の層間絶縁膜は、平坦な主面を有する無機絶縁膜よりなることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に関し、特に多層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。
【０００２】
従来より、半導体装置を微細化することにより、スケーリング則に沿った動作速度の高速化が図られている。一方、最近の半導体集積回路装置では、個々の半導体装置間を配線するのに一般に多層配線構造が使用されるが、かかる多層配線構造では、半導体装置が非常に微細化された場合、多層配線構造中の配線パターンが近接しすぎ、配線パターン間の寄生容量による配線遅延の問題が生じる。
【０００３】
そこで、従来より、前記多層配線構造中における配線遅延の問題を解決すべく、多層配線構造中で層間絶縁膜を構成する絶縁膜に、従来より使われているＳｉＯ２系の絶縁膜の代わりに炭化水素系の有機絶縁膜を使い、また配線パターンに、従来より使われているＡｌの代わりにＣｕを使うことが研究されている。かかる有機絶縁膜は誘電率が約２．５であるが、この値は従来のＳｉＯ２層間絶縁膜より４０％も低い。また、配線パターンにＣｕを使う場合、従来より使われていたドライエッチング工程によるパターニングが非常に困難であるため、Ｃｕ配線パターンはダマシン法により形成する必要がある。
【０００４】
【従来の技術】
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来の有機絶縁膜を層間絶縁膜に使った多層配線構造を有する半導体装置の製造工程を示す図である。
【０００５】
図１（Ａ）を参照するに、半導体装置を構成する拡散領域等（図示せず）が形成されている基板１１上には、炭化水素系の有機絶縁材料、例えばダウケミカル社製のＳｉＬＫ（商品名）がスピンコーティングにより形成され、さらにそれをパターニングすることにより、前記基板１１上に、配線パターンを収容する溝を含む層間絶縁膜１２を形成する。さらに、前記層間絶縁膜１２上にＴｉＮ膜１３をスパッタリングにより略一様な厚さに形成し、さらに前記ＴｉＮ膜１３上にスパッタリングを行うことにより、前記層間絶縁膜１２上にＣｕ層１４を、前記層間絶縁膜１２中の溝を埋めるように形成する。さらに、図１（Ｂ）の工程で、前記Ｃｕ層１４を化学機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨することにより、前記層間絶縁膜１２上に残留するＣｕ層が除去され、図１（Ｂ）に示す、前記層間絶縁膜１２中の溝がＣｕパターン１４Ａにより埋められた、いわゆるダマシン構造を有する多層配線構造が、前記基板１１上に得られる。
【０００６】
かかる図１（Ａ），（Ｂ）に示した構成の多層配線構造の形成においては、前記ＣＭＰ工程の際に前記有機層間絶縁膜１２が研磨されてしまい、その結果、図１（Ｂ）に示すように、前記Ｃｕパターン１４Ａを設計通りの寸法に形成することが困難である。
【０００７】
これに対し、従来より、前記有機層間絶縁膜１２の表面上にＳｉＯ２膜１２ＡをＣＶＤ法等により形成し、かかるＳｉＯ２膜１２Ａをストッパとして前記ＣＭＰ工程を実行することが提案されている。例えば前記Ｃｕ層１４をＡｌ２Ｏ３を主体とするスラリを使って研磨する場合、前記ＳｉＯ２膜は実質的に研磨されないので、図１（Ｃ）に示すように、前記Ｃｕパターン１４Ａおよび層間絶縁膜１２の厚さを設計値通りに制御することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１（Ｃ）の工程により多層配線構造を形成する場合、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示すように特に下層の配線パターンの幅が広い場合に、かかる下層配線パターンに生じるディッシングの結果、上層の配線パターンに短絡が生じる危険がある。ただし、図２（Ａ）〜（Ｄ）中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０００９】
図２（Ａ）を参照するに、前記Ｃｕ層１４は、前記有機層間絶縁膜１２中に形成された溝１２Ｇを埋めるように形成されているが、図１（Ｃ）の工程に対応する図２（Ｂ）の工程においてＣＭＰを行うことにより、前記溝１２Ｇを埋めるＣｕパターン１４Ａには、溝１２Ｇの幅が広いため、ある程度のディッシングが生じることが避けられない。そこで、このような、配線パターン１４Ａにディッシングが生じている構造上に図２（Ｃ）の工程において層間絶縁膜１５を形成すると、前記層間絶縁膜１５上にも前記配線パターン１４Ａのディッシングに対応した凹部１５Ａが形成される。
【００１０】
そこで、図２（Ｄ）の工程において前記層間絶縁膜１５上にさらに有機層間絶縁膜１６を形成し、前記有機層間絶縁膜中に、前記パターン１４Ａに対応して溝１６Ａ，１６Ｂを形成し、前記溝１６Ａ，１６ＢをＣｕ層１８により埋め、さらに前記層間絶縁膜１６上のＣｕ層１８をＣＭＰ法により研磨・除去することにより、前記溝１６Ａ，１６Ｂを埋める、幅の狭い配線パターン１８Ａ，１８Ｂが得られる。
【００１１】
しかし、図２（Ｄ）の状態では、前記層間絶縁膜１６の下の層間絶縁膜１５が前記配線パターン１４Ａのディッシングに対応してくぼんでいるため前記溝１８Ａ，１８Ｂの底部の位置も対応して深くなり、その結果、前記溝１８Ａと１８Ｂとの間にＣｕ層よりなる架橋部１８Ｃが残ってしまう。換言すると、図２（Ｄ）の構造では配線パターン１８Ａと１８Ｂとが短絡してしまう。
【００１２】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な半導体装置およびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
【００１３】
本発明のその他の課題は、有機層間絶縁膜中に形成された溝を導体パターンで埋めたダマシン多層配線構造を有する半導体装置において、ディッシングを生じている下側配線パターン上に重なって形成される別の配線パターンの短絡を解消した半導体装置、およびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜中に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝を埋めるように導体層を形成する工程と、
前記導体層のうち、前記層間絶縁膜を覆う部分を化学機械研磨により除去し、前記配線溝を埋める導体パターンを形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記導体パターンを覆うように、前記層間絶縁膜上に液体状の絶縁膜を塗布する工程をさらに含むことを特徴とする半導体装置の製造方法により、または
請求項２に記載したように、
基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜中に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝を埋めるように導体層を形成する工程と、
前記導体層のうち、前記層間絶縁膜を覆う部分を化学機械研磨により除去し、前記配線溝を埋める導体パターンを形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記導体パターンを覆うように、前記層間絶縁膜上に別の層間絶縁膜を形成する工程と、
さらに前記別の層間絶縁膜を化学機械研磨により平坦化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により、または
請求項３に記載したように、
基板と、
前記基板上に形成された第１の層間絶縁膜と、
前記第１の層間絶縁膜中に形成された第１の凹部と、
前記第１の凹部を埋める第１の導体パターンと、
前記第１の層間絶縁膜上に、前記第１の導体パターンを覆うように形成された、平坦化主面を有する第２の層間絶縁膜と、
前記第２の層間絶縁膜中に形成された第２の凹部と、
前記第２の凹部を埋める第２の導体パターンとよりなることを特徴とする半導体装置により、または
請求項４に記載したように、
前記第２の層間絶縁膜は有機絶縁膜よりなることを特徴とする請求項３記載の半導体装置により、または
請求項５に記載したように、
前記第２の層間絶縁膜は、平坦な主面を有する有機絶縁膜よりなる第１の膜と、前記第１の膜上に形成された第２の膜とよりなることを特徴とする請求項３記載の半導体装置により、または
請求項６に記載したように、
前記第１の層間絶縁膜中に形成された第１の導体パターンは第１のピッチで繰り返され、前記第２の層間絶縁膜中に形成された第２の導体パターンは前記第１のピッチよりも小さい第２のピッチで繰り返されることを特徴とする請求項３〜５のうち、いずれか一項記載の半導体装置により、または
請求項７に記載したように、
前記第１の層間絶縁膜中に形成された第１の導体パターンは第１の方向に延在し、前記第２の層間絶縁膜中に形成された第２の導体パターンは前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在することを特徴とする請求項３〜６のうち、いずれか一項記載の半導体装置により、または
請求項８に記載したように、
前記第１の層間絶縁膜中に形成された第１の導体パターンは第１の方向に延在し、前記第２の層間絶縁膜中に形成された第２の導体パターンも、前記第１の方向に延在することを特徴とする請求項３〜６のうち、いずれか一項記載の半導体装置により、または
請求項９に記載したように、
前記第２の層間絶縁膜は、平坦な主面を有する無機絶縁膜よりなることを特徴とする請求項３記載の半導体装置により、解決する。
［作用］
本発明の特徴によれば、ダマシン構造を有する多層配線構造において、下層の配線パターンに発生するディッシング、およびディッシングに伴う上層の配線パターンの短絡の問題が、かかるディッシングを生じている下層配線パターン上に平坦化層間絶縁膜を形成し、前記上層の配線パターンをかかる平坦化層間絶縁膜上に形成することにより、解消される。かかる平坦化層間絶縁膜の形成は、例えば液体状の有機層間絶縁膜を塗布する、あるいは形成された層間絶縁膜の表面を化学機械研磨により平坦化する等により実行できる。
【００１５】
本発明ではまた、有機ＳＯＧ膜を研磨ストッパとして形成する。かかる有機ＳＯＧが金属層の化学機械研磨の際に有効な研磨ストッパとして作用することは、本発明の発明者が、本発明の基礎となる研究において初めて発見したものである。
【００１６】
以下の表１は、前記有機ＳＯＧ膜を含む様々な絶縁膜に対して、様々な研磨剤を使って化学機械研磨を行った場合の研磨速度を示す。ただし、表１中、「Ｃｕ研磨条件」とあるのはＣｕ層に最適な研磨を行った場合で、研磨剤としてＡｌ２Ｏ３を、また酸化剤としてＨ２Ｏ２を使い、回転数を６０ｒｐｍに、また圧力を４．０ｐｓｉに設定して研磨を行った場合に対応する。同様に、「Ａｌ研磨条件」とあるのはＡｌ層に最適な研磨を行った場合で、研磨剤としてＡｌ２Ｏ３を、また酸化剤としてＨ２Ｏ２を使い、回転数を５０ｒｐｍに、さらに圧力を５．０ｐｓｉに設定して研磨を行った場合を、また「Ｗ研磨条件」とあるのはＷ層に最適な研磨を行った場合で、研磨剤としてＡｌ２Ｏ３を、また酸化剤として硝酸鉄を使い、回転数を６０ｒｐｍに、さらに圧力を５．０ｐｓｉに設定して研磨を行った場合を示す。
【００１７】
【表１】
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表１よりわかるように、いずれの研磨条件においても有機ＳＯＧ膜の研磨速度はせいぜい１０〜１３／ｍｉｎ程度で、他の酸化膜例えばプラズマＳｉＯ２膜あるいはプラズマＳｉＮ膜の研磨速度とは桁違いに小さいことがわかる。また、有機ＳＯＧ膜を研磨した場合、プラズマＳｉＯ２膜の研磨で発生しやすいスクラッチもほとんど見られないことが確認された。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３（Ａ）〜（Ｃ），図４（Ｄ）〜（Ｆ），図５（Ｇ）〜（Ｉ），図６（Ｊ），（Ｋ）および図７（Ｌ）〜（Ｎ）は、本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す。
【００１９】
図３（Ａ）を参照するに、ＭＯＳＦＥＴ等の活性素子が形成されたＳｉ基板２１上にＳｉＯ２膜２２をプラズマＣＶＤ法により、例えば３００ｎｍの厚さに堆積し、さらに前記ＳｉＯ２膜２２上にＳｉＮ膜２３を約５０ｎｍの厚さに堆積する。
【００２０】
次に、図３（Ｂ）の工程において、前記ＳｉＮ膜２３上に典型的にはアライドシグナル社製のＦＬＡＲＥ２．０（商品名）等の芳香族系ポリマー、あるいはダウケミカル社製のＳｉＬＫ（商品名）等の炭化水素系ポリマーよりなる有機層間絶縁膜２４を、典型的には４００ｎｍの厚さにスピンコーティングにより形成し、さらに前記有機層間絶縁膜２４上に有機ＳＯＧ膜２５を、スピンコーティングにより約５０ｎｍの厚さに形成する。図３（Ｂ）の工程では、前記層間絶縁膜２４およびＳＯＧ膜２５を形成した後、４００°ＣのＮ２雰囲気中で約１時間熱処理し、前記膜２４および２５を硬化させる。通常のＳｉＯ２膜が４．１程度の誘電率を有するのに対し、前記有機層間絶縁膜は２．８程度の非常に低い誘電率を有する。また、前記有機ＳＯＧ膜２５も３．０程度の非常に低い誘電率を有する。
【００２１】
次に、図３（Ｃ）の工程において、図３（Ｂ）の構造上にレジスト膜２６Ａを形成し、これを露光・現像して、前記有機層間絶縁膜２４中に形成される導体パターンに対応したレジスト開口部２６Ｂを形成し、さらに図４（Ｄ）の工程で、前記レジスト膜２６Ａをマスクに、前記有機ＳＯＧ膜２５および有機層間絶縁膜２４をプラズマエッチングによりそれぞれエッチングし、前記有機層間絶縁膜２４中に多数の溝２４Ａを形成する。その際、前記有機ＳＯＧ膜２５のエッチングにはＣＦ４とＡｒの混合ガスを使い、また前記有機層間絶縁膜２４のエッチングにはＯ２を使う。前記有機層間絶縁膜２４のエッチングではＯ２を使うため、前記レジスト膜２６Ａは層間絶縁膜２４のエッチングの際に除去されてしまうが、前記有機ＳＯＧ膜２５はＯ２プラズマを使ったエッチングに対して耐性を有するため、前記有機ＳＯＧ膜２５は層間絶縁膜２４のエッチングの際にエッチングマスクとして作用する。
【００２２】
さらに、図４（Ｅ）の工程において、図４（Ｄ）の構造上にＴｉＮ膜２６をスパッタリングにより典型的には５０ｎｍの厚さに形成し、さらに前記ＴｉＮ膜２６上にＣｕ層２７をスパッタリングにより、約８００ｎｍの厚さに形成する。
【００２３】
さらに、図４（Ｆ）の工程で、前記図４（Ｅ）の構造をＨ２中、４００°Ｃで約５分間熱処理し、前記Ｃｕ層２７をリフローさせる。リフローの結果、前記Ｃｕ層２７は前記溝２４Ａを完全に充填する。
【００２４】
次に、図５（Ｇ）の工程で、前記Ｃｕ層２７のうち、前記有機ＳＯＧ膜２５よりも上の部分をＡｌ２Ｏ３をスラリとした化学機械研磨により、研磨・除去する。前記Ｃｕ層２７の化学機械研磨は、例えば酸化剤としてＨ２Ｏ２を使い、回転数を６０ｒｐｍに設定し、また圧力を４．０ｐｓｉに設定して行う。その結果、先に表１で説明したように、前記有機ＳＯＧ膜２５はほとんど研磨されず、研磨は図５（Ｇ）に示すように、前記有機ＳＯＧ膜２５が露出した時点で実質的に停止する。換言すると、前記有機ＳＯＧ膜２５は化学機械研磨工程に対して有効な研磨ストッパとなる。図５（Ｇ）の工程において、前記導体パターン２７Ａは、前記有機層間絶縁膜２４およびその上の有機ＳＯＧ膜２５中に埋設したダマシン構造の配線パターンを形成する。
【００２５】
次に、図５（Ｈ）の工程で、図５（Ｇ）の構造上に前記有機層間絶縁膜２４と同じ組成の有機層間絶縁膜２８をスピンコーティングにより典型的には１００ｎｍの厚さに形成し、さらに４００°Ｃで約１時間、Ｎ２雰囲気中での熱処理により硬化させた後、前記層間絶縁膜２８上にＳｉＯ２膜２９をプラズマＣＶＤ法により、典型的には５００ｎｍの厚さに堆積する。ただし、前記ＳｉＯ２膜２９は、例えば前記有機ＳＯＧ膜により形成してもよい。
【００２６】
さらに、図５（Ｉ）の工程において、前記ＳｉＯ２膜２９上にレジスト膜３０を形成し、さらにこれを露光・現像して開口部３０Ａを形成した後、図６（Ｊ）の工程で前記レジスト膜３０をマスクに前記ＳｉＯ２膜２９およびその下の有機層間絶縁膜２８をプラズマエッチングによりパターニングし、前記導体パターン２７Ａに対応したコンタクトホール２９Ａを前記ＳｉＯ２膜２９中に形成する。図６（Ｊ）の工程では、前記ＳｉＯ２膜２９中に前記開口部２９Ａを形成するのにＣＦ４とＣＨ２Ｆ２混合ガスとＡｒの混合ガスをエッチングガスとして使い、一方前記有機層間絶縁膜２８をプラズマエッチングするのにはＯ２とＡｒ混合ガスをエッチングガスとして使う。前記有機層間絶縁膜２８をエッチングする際には前記レジスト膜３０はエッチングガスにより除去されるが、前記ＳｉＯ２膜２９中に形成された前記開口部２９Ａがエッチングマスクの働きをなす。
【００２７】
さらに図６（Ｋ）の工程において図６（Ｊ）の構造上に前記コンタクトホール２９Ａの形状に沿ってＴｉＮ膜３１をスパッタリングにより約５０ｎｍの厚さに堆積し、さらに前記ＴｉＮ膜３１を電極にＣｕ層３２をスパッタリングにより、典型的には１０００ｎｍの厚さに形成する。
【００２８】
さらに図７（Ｌ）の工程で前記図６（Ｋ）の構造をＨ２中、４００°Ｃで約５分間熱処理することにより、前記Ｃｕ層３２がリフローし、さらに図７（Ｍ）の工程において、前記Ｃｕ層３２のうち、前記ＳｉＯ２膜２９上にある部分を化学機械研磨により除去し、前記コンタクトホール２９Ａを埋める導体プラグ３２Ａを形成する。さらに、図７（Ｍ）の構造上に、図３（Ａ）〜図５（Ｇ）の工程を繰り返すことにより、図７（Ｎ）に示す有機ＳＯＧ膜３４で覆われた有機層間絶縁膜３３中に形成されたダマシン構造を有する導体パターン３３Ａが形成される。
【００２９】
図８は、図７（Ｎ）の多層配線構造における配線の寄生容量を、配線間隔を変化させながら測定した結果を、前記有機ＳＯＧ膜２５あるいは３４のかわりに通常のプラズマＣＶＤ−ＳｉＯ２膜を使った場合と比較対照しながら示す。ただし、図８中、○は前記有機ＳＯＧ膜を使った場合を、また●は前記プラズマＣＶＤ−ＳｉＯ２膜を使った場合を示す。ただし、いずれの場合も配線幅は０．４μｍとしている。
【００３０】
図８を参照するに、配線間隔が０．７μｍ以上では両者の差は小さいが、配線間隔が短くなるにつれて、本発明の構成の多層配線構造の方が優れた結果を示すことがわかる。
［第２実施例］
先にも図２（Ａ）〜（Ｄ）で説明したように、従来のダマシン構造を有する多層配線構造では、下層配線パターンの幅が広い場合、かかる下層配線パターンにはディッシングが生じやすいが、かかるディッシングが生じた場合、上層の配線パターンに短絡が生じて半導体装置の製造歩留まりが低下する問題があった。
【００３１】
以下、上記ディッシングの問題を解決した、本発明の第２実施例による半導体装置の製造方法を、図９（Ａ）〜（Ｃ），図１０（Ｄ）〜（Ｆ），図１１（Ｇ）〜（Ｉ），図１２（Ｊ）〜（Ｋ）および図１３（Ｌ）〜（Ｍ）を参照しながら説明する。
【００３２】
図９（Ａ）を参照するに、ＭＯＳＦＥＴ等の活性素子（図示せず）が形成されたＳｉ基板上にはＳｉＯ２膜４２がプラズマＣＶＤ法により約２００ｎｍの厚さに形成され、さらに前記ＳｉＯ２膜４２上にはアライドシグナル社製ＦＬＡＲＥ２．０（商品名）等の芳香族ポリマー、あるいはダウケミカル社製ＳｉＬＫ等の炭化水素系ポリマーよりなる有機層間絶縁膜４３が約４００ｎｍの厚さに、スピンコーティングにより形成される。先にも説明したように、かかる有機層間絶縁膜４３は約２．８程度の非常に低い誘電率を有し、高速半導体装置の層間絶縁膜として好適である。図９（Ａ）の構造では、さらに前記有機層間絶縁膜４３上に有機ＳＯＧよりなる研磨ストッパ膜４４を、スピンコーティングにより、典型的には５０ｎｍの厚さに形成する。また、前記有機ＳＯＧ膜の代わりに、前記研磨ストッパ膜４４を厚さが約１００ｎｍのプラズマＣＶＤ−ＳｉＯ２膜により形成してもよい。
【００３３】
次に、図９（Ｂ）の工程において、図９（Ａ）の構造上に開口部４５Ｂを有するレジストパターン４５Ａを形成し、さらに図９（Ｃ）の工程で前記レジストパターン４５をマスクに、前記研磨ストッパ膜４４を前記開口部４５Ａに対応して、ＣＦ４とＣＨ２Ｆ２とＡｒの混合ガスを使ったプラズマエッチング工程によりエッチングし、前記研磨ストッパ膜４４中に開口部４４Ａを形成する。
【００３４】
次に、図１０（Ｄ）の工程においてエッチングガスをＯ２とＡｒの混合ガスに切り替え、前記研磨ストッパ膜４４をマスクに前記有機層間絶縁膜４３をプラズマエッチングし、前記有機層間絶縁膜４３中に前記開口部４４Ａに対応した開口部４３Ａを、前記ＳｉＯ２膜４２が露出されるように形成する。また、前記Ｏ２ガスを使った有機層間絶縁膜４３のプラズマエッチングの際に前記レジストパターン４５も除去される。
【００３５】
さらに、図１０（Ｅ）の工程において、図１０（Ｄ）の構造上にＴｉＮ等の高融点金属化合物膜４５をスパッタリングにより約５０ｎｍの厚さに堆積し、さらに前記高融点金属化合物膜４５上にＣｕ層４６を約８００ｎｍの厚さにスパッタリングにより堆積する。
【００３６】
次に、図１０（Ｆ）の工程において図１０（Ｅ）の構造を約４００°ＣのＨ２雰囲気中、約０．１Ｔｏｒｒの圧力下で約５分間熱処理することにより前記Ｃｕ層４６をリフローさせ、さらに図１１（Ｇ）の工程においてＡｌ２Ｏ３をスラリとする化学機械研磨を行い、前記研磨ストッパ層４４上のＣｕ層部分を研磨・除去する。先に表１で説明したように、かかるＣｕ層４６の化学機械研磨は、前記研磨ストッパ層４４として有機ＳＯＧを使った場合に、図１１（Ｇ）に示す研磨ストッパ層４４が露出した状態で非常に高い選択性を持って停止させることができる。また、通常のプラズマＣＶＤ−ＳｉＯ２膜を前記研磨ストッパ層４４として使っても、図１１（Ｇ）の状態で研磨を効果的に停止させることができる。かかるＣｕ層４６の化学機械研磨の結果、前記開口部４３Ａを埋める、いわゆるダマシン構造のＣｕパターン４６Ａが形成される。先にも図２（Ｂ）で説明したように、このようにして形成されたＣｕパターン４６Ａでは、特にパターン４６Ａの幅が広い場合、その表面４６Ｂに顕著なディッシングが生じる。
【００３７】
次に、図１１（Ｈ）の工程において、本実施例では図１１（Ｇ）の構造上に別の有機層間絶縁膜４７を、スピンコーティングにより約２００ｎｍの厚さに形成し、さらに図１１（Ｉ）の工程において前記有機層間絶縁膜４７上にプラズマＣＶＤ法により、厚さが約５００ｎｍのＳｉＯ２層間絶縁膜４８を形成する。前記有機層間絶縁膜４７としては、先に層間絶縁膜４３を形成するのに使った芳香族系ポリマーあるいは炭化水素系ポリマーを使うことができる。層間絶縁膜４７は液体状原料のスピンコーティングにより形成されるため、前記配線パターン４６Ａの表面４６Ｂにディッシングが生じていても、平坦化された表面を形成する。また、これに伴い、前記層間絶縁膜４７上に形成される層間絶縁膜４８も平坦化した表面を有する。
【００３８】
次に、図１２（Ｊ）の工程において、前記層間絶縁膜４８およびその下の層間絶縁膜４７を貫通して、前記導体パターン４６Ａの表面４６Ｂを露出するコンタクトホール４８Ａが形成され、さらに図１２（Ｋ）の工程で図１２（Ｊ）の構造上にＴｉＮ等の高融点金属化合物膜４９が約５０ｎｍの厚さに形成され、さらにその上にＣｕ層５０がスパッタリングにより、約８００ｎｍの厚さに堆積される。前記コンタクトホール４８Ａの形成は、前記ＳｉＯ２膜４８をＣＦ４，ＣＨ２Ｆ２とＡｒの混合ガスを使ったプラズマエッチングによりエッチングし、次にその下の有機層間絶縁膜４７をＯ２とＡｒの混合ガスプラズマによりエッチングすることにより実行される。
【００３９】
前記Ｃｕ層５０は、次に図１３（Ｌ）の工程で、約４００°ＣのＨ２雰囲気中で約０．１Ｔｏｒｒの圧力下、約５分間熱処理することによりリフローされ、さらに図１３（Ｍ）の工程において前記ＳｉＯ２層間絶縁膜４８より上のＣｕ層５０を化学機械研磨することにより、前記コンタクトホール４８Ａを埋めるＣｕプラグ５０Ａが形成される。
【００４０】
さらに、図１３（Ｍ）の構造上に、先に説明した図３（Ａ）〜５（Ｇ）と同様な工程を繰り返すことにより、図１３（Ｎ）に示す、有機層間絶縁膜５１中に導体パターン５４Ａを埋設したダマシン構造の多層配線構造が得られる。図１３（Ｎ）の構造では、前記有機層間絶縁膜５１は、有機ＳＯＧあるいはプラズマＣＶＤ−ＳｉＯ２よりなる研磨ストッパ層５２を担持している。また、図１３（Ｎ）の構造を形成するに当たり、図１３（Ｍ）の構造上に図９（Ａ）〜図１１（Ｇ）の工程を行ってもよい。図１３（Ｎ）の構造において、ダマシン導体パターン５４Ａは導体プラグ５０Ａを介して下側の導体パターン４６Ａにコンタクトする。
【００４１】
本実施例では、前記導体パターン５４Ａが平坦化された層間絶縁膜４８上に形成されるため、かりに前記下側導体パターン４６Ａの表面４６Ｂに顕著なディッシングが存在しても、導体パターン５４Ａどうしが短絡する等の問題は生じない。
【００４２】
また、本実施例において、前記導体パターン５４Ａは下側導体パターン４６Ａと同一方向に延在しても、また他の方向、例えば直交する方向に延在してもよい。
［第３実施例］
図１４（Ａ）〜（Ｃ），図１５（Ｄ）〜（Ｅ），図１６（Ｆ）〜（Ｇ）および図１７（Ｈ）は、本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す。
【００４３】
図１４（Ａ）を参照するに、図１４（Ａ）の工程は図１１（Ｇ）の工程に対応しており、ＭＯＳＦＥＴ等の活性素子が形成されたＳｉ基板６１上にＳｉＯ２膜６２を介して有機層間絶縁膜６３が形成される。前記有機層間絶縁膜６３上には有機ＳＯＧあるいはプラズマＣＶＤ−ＳｉＯ２等よりなる研磨ストッパ膜６４が形成されており、研磨ストッパ膜６４および前記有機層間絶縁膜６３中に形成された溝中に、ＴｉＮ等の高融点金属膜６５を介してダマシン構造のＣｕパターン６６Ａが、Ｃｕ層の堆積および化学機械研磨により、先の実施例と同様に形成される。前記化学機械研磨の結果、前記Ｃｕパターン６６Ａの表面６６Ｂにはディッシングが生じる。
【００４４】
次に、図１４（Ｂ）の工程で、図１４（Ａ）の構造上にＳｉＮ膜６７をプラズマＣＶＤ法により約５０ｎｍの厚さに形成し、さらに前記ＳｉＮ膜６７上にプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯ２層間絶縁膜６８を約１０００ｎｍの厚さに堆積する。図１４（Ｂ）の工程において、前記ＳｉＮ膜６７はＣｕパターン６６ＡからＣｕが前記ＳｉＯ２層間絶縁膜６８に拡散するのを阻止する拡散障壁として作用する。
【００４５】
次に、図１４（Ｃ）の工程で、図１４（Ｂ）の前記ＳｉＯ２層間絶縁膜６８を、シリカをスラリとしたＣＭＰ工程により、平坦化する。さらに図１５（Ｄ）の工程において、前記層間絶縁膜６８にＣＦ４とＣＨ２Ｆ２とＡｒとの混合ガスをエッチングガスとしたプラズマエッチング工程を行い、前記層間絶縁膜６８およびその下のＳｉＮ膜６７を貫通して前記導体パターン６６Ａの表面６６Ｂを露出するコンタクトホール６８Ａを形成する。
【００４６】
さらに、図１５（Ｅ）の工程で、図１５（Ｄ）の構造上にＴｉＮ膜等の高融点金属膜６９をスパッタリングにより約５０ｎｍの厚さに堆積し、続いてＣｕ層７０をスパッタリングにより、約８００ｎｍの厚さに堆積する。
【００４７】
次に、図１６（Ｆ）の工程において、図１５（Ｄ）の構造を、約０．１ＴｏｒｒのＨ２雰囲気中、約４００°Ｃで約５分間の熱処理を行うことにより前記Ｃｕ層７０をリフローさせ、さらに図１６（Ｇ）の工程において前記Ｃｕ層７０をＡｌ２Ｏ３をスラリとした化学機械研磨工程により前記ＳｉＯ２層間絶縁膜６８上から除去する。前記Ｃｕ層７０の化学機械研磨工程は、前記ＳｉＯ２層間絶縁膜６８が露出した時点で研磨の選択性により、自動的に停止する。前記化学機械研磨の結果、前記ＳｉＯ２層間絶縁膜６８は、下側の導体パターン６６Ａにディッシングが生じているにもかかわらず、平坦な主面を有する。
【００４８】
さらに、図１７（Ｈ）の工程において、前記ＳｉＯ２層間絶縁膜６８上において先に説明した図３（Ａ）〜図５（Ｇ）の工程を実行することにより、有機層間絶縁膜７１中の溝に保持されたダマシン構造の導体パターン７３Ａを有する多層配線構造が得られる。前記有機層間絶縁膜７１上には、有機ＳＯＧ膜あるいはプラズマＣＶＤ−ＳｉＯ２膜よりなる研磨ストッパ膜７２が形成されているのがわかる。
【００４９】
本実施例においても、前記上側導体パターン７３Ａが相互に短絡する問題は、前記下側導体パターン６６Ａにディッシングが生じていても、前記層間絶縁膜６８を平坦化することにより、効果的に回避される。
【００５０】
図１８は、先に説明した本発明の第２実施例および第３実施例により半導体装置を製造した場合の歩留まりを、同じ半導体装置を図２（Ａ）〜（Ｄ）に説明した従来の方法により製造した場合と比較して示す図である。
【００５１】
図１８を参照するに、本発明の構成を採用することにより、従来は４０〜５０％に過ぎなかった歩留まりが、ほぼ１００％まで向上することがわかる。また、従来見られていた歩留まりが配線幅の減少と共に低下する傾向が、本発明では見られなくなっている。
【００５２】
また、本実施例において、前記導体パターン７３Ａは下側導体パターン６６Ａと同一方向に延在しても、また他の方向、例えば直交する方向に延在してもよい。
【００５３】
以上に説明した本発明の実施例において、前記導体層２７、３２あるいは４６、５０は、スパッタリング以外にも、電解めっきや無電解めっき、あるいはＣＶＤ法により形成してもよい。また、前記導体層としては、Ｃｕ以外にＡｌ等を使うことも可能である。
【００５４】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１〜９記載の本発明の特徴によれば、ダマシン構造を有する多層配線構造において、下層配線パターンにディッシングが生じていても、前記下層配線パターンを覆う層間絶縁膜を平坦化することにより、上層の配線パターン相互間に生じる短絡の問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は従来のダマシン構造を有する多層配線構造の形成工程を示す図である。
【図２】従来のダマシン構造を有する多層配線構造において生じていた問題点を説明する図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図４】（Ｄ）〜（Ｆ）は、本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図５】（Ｇ）〜（Ｉ）は、本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図６】（Ｊ）〜（Ｋ）は、本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図７】（Ｌ）〜（Ｎ）は、本発明の第１実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図８】本発明の第１実施例による多層配線構造における配線容量を、従来の多層配線構造と比較して示す図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図１０】（Ｄ）〜（Ｆ）は、本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図１１】（Ｇ）〜（Ｉ）は、本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図１２】（Ｊ）〜（Ｋ）は、本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図１３】（Ｌ）〜（Ｎ）は、本発明の第２実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図１５】（Ｄ）〜（Ｅ）は、本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図１６】（Ｆ）〜（Ｇ）は、本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図１７】（Ｈ）は、本発明の第３実施例による半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図１８】本発明の第２および第３実施例の効果を説明する図である。
【符号の説明】
１１，２１，４１，６１　基板
１２，２４，２８，３３，４３，４７，５１，６３，６８，７１　有機層間絶縁膜
１２Ａ　研磨ストッパ膜
１３　高融点金属化合物膜
１４　Ｃｕ層
１４Ａ　Ｃｕパターン
１５　層間絶縁膜
１５Ａ　凹部
２２，２９，４２，４８，６２　ＳｉＯ２膜
２３，６７　ＳｉＮ膜
２４Ａ，４３Ａ　溝
２５，３４　有機ＳＯＧ膜
２６，３１，４５，４９，５３，６５，６９　ＴｉＮ膜
２６Ａ，３０，４５Ａ　レジスト膜
２６Ｂ，３０Ａ，４５Ｂ　レジスト開口部
２７，３２，４６，５０，７０　Ｃｕ層
２７Ａ，３３Ａ，４６Ａ，５４Ａ，６６Ａ，７３Ａ　Ｃｕパターン
２９Ａ，４８Ａ，６８Ａ　コンタクトホール
３２Ａ，５０Ａ，７０Ａ　Ｃｕプラグ
４４，５２，７２　研磨ストッパ層
４４Ａ　研磨ストッパ層開口部
４６Ｂ，６６Ｂ　Ｃｕパターン表面
【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】
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【図１８】
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