(57)【要約】多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に上層配線が形成され、且つ、銅よりなる下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続された構造である。そして、層間絶縁膜における下層配線と接する層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、前記下層配線と前記上層配線とが前記層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、
前記層間絶縁膜における前記下層配線と接する層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とする多層配線構造。
【請求項２】
前記芳香族化合物は、アダマンタン骨格を有していることを特徴とする請求項１に記載の多層配線構造。
【請求項３】
前記芳香族化合物は、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体を含有していることを特徴とする請求項１に記載の多層配線構造。
【請求項４】
銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、前記下層配線と前記上層配線とが前記層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、
前記層間絶縁膜における最上層及び最下層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とする多層配線構造。
【請求項５】
前記芳香族化合物は、アダマンタン骨格を有していることを特徴とする請求項４に記載の多層配線構造。
【請求項６】
前記芳香族化合物は、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体を含有していることを特徴とする請求項４に記載の多層配線構造。
【請求項７】
銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して前記下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の形成方法であって、
前記層間絶縁膜を形成する工程は、前記層間絶縁膜における前記下層配線と接する層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とする多層配線構造の形成方法。
【請求項８】
前記芳香族化合物は、アダマンタン骨格を有していることを特徴とする請求項７に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項９】
前記芳香族化合物は、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体を含有していることを特徴とする請求項７に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項１０】
前記層間絶縁膜を形成する工程は、塗布法を用いて行なわれることを特徴とする請求項７に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項１１】
銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して前記下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の形成方法であって、
前記層間絶縁膜を形成する工程は、前記層間絶縁膜における最上層及び最下層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とする多層配線構造の形成方法。
【請求項１２】
前記芳香族化合物は、アダマンタン骨格を有していることを特徴とする請求項１１に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項１３】
前記芳香族化合物は、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体を含有していることを特徴とする請求項１１に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項１４】
前記層間絶縁膜を形成する工程は、塗布法を用いて行なわれることを特徴とする請求項１１に記載の多層配線構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、多層配線構造及びその形成方法に関し、特に、低誘電率であって且つ銅イオンの拡散を防止する機能を有する有機層間絶縁膜を用いた多層配線構造及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、銅配線を有する超ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）において、銅拡散防止膜として用いられる絶縁膜としては、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＣ膜、又はＳｉＣＯ膜などが知られているが、いずれの絶縁膜も４以上の高い比誘電率を有している。このため、多層配線構造において、層間絶縁膜として低誘電率膜を用いたとしても、前述の銅拡散防止膜としての絶縁膜の比誘電率の影響が支配的になる。したがって、多層配線構造を構成する低誘電率膜よりなる層間絶縁膜によって比誘電率を低減する効果は、前述の銅拡散防止膜としての絶縁膜の比誘電率によって相殺されてしまい、多層配線全体の実効的な比誘電率については十分に低い値が実現されていない状況である。【０００３】  このような問題に対応するためには、銅拡散防止膜として用いる絶縁膜の比誘電率を低減すること、又は低誘電率膜よりなる層間絶縁膜に銅拡散防止膜としての機能を持たせることが必要となってきている。【０００４】  銅拡散防止膜の比誘電率を低減するための従来技術としては、トリメチルビニルシランを用いたプラズマＣＶＤ法によってＳｉＣＮ膜を形成する方法が報告されているが、該ＳｉＣＮ膜の比誘電率は４である。また、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いたプラズマＣＶＤ法によって、銅拡散防止膜の機能を有する低誘電率の層間絶縁膜を形成する方法が報告されているが、該層間絶縁膜の比誘電率は２．７程度である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３１９０８８６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  ところで、まず、トリメチルビニルシロキサンを用いて形成された銅拡散防止膜としてのＳｉＣＮ膜の場合、その比誘電率は４であって、比誘電率の値としては高いという問題がある。【０００６】  一方、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いて形成された銅拡散防止膜としての機能を有する低誘電率の層間絶縁膜の場合、比誘電率は２．７程度と低いが、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いてなる層間絶縁膜は、塗布法を用いて形成すると、形成される層間絶縁膜の銅イオンの拡散防止効果が劣化するので、プラズマＣＶＤ法を用いて形成される。しかしながら、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いたプラズマＣＶＤ法により、銅表面上に層間絶縁膜を形成する場合には、その成膜初期過程において、膜中に銅イオンが拡散してしまう。このように銅イオンが拡散するのは、成膜初期過程では、銅イオンを捕獲する膜構造が出来上がっていないために、成膜プロセス中に加わる熱により、銅イオンが膜中に拡散すると考えられる。さらに、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いたプラズマＣＶＤ法によって層間絶縁膜を形成する場合、基板温度が３００℃以上の高温にて行なわれるので、銅イオンの拡散が一層顕著となる。このように、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いたプラズマＣＶＤ法により、銅と直接接触する部位に層間絶縁膜を形成すると、成膜初期過程において銅イオンが膜中に拡散しながら膜成長が進行するため、拡散した銅イオンに起因するリーク電流の発生及び耐圧の低下など膜質の劣化が生じるので、配線の寿命が著しく低下するという問題があった。【０００７】  前記に鑑み、本発明の目的は、銅イオンの拡散防止機能を持つ低誘電率の層間絶縁膜の成膜初期における銅配線からの銅イオンの拡散を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  前記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、層間絶縁膜における下層配線と接する層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とするものである。【０００９】  また、本発明の第１の側面に係る多層配線構造の形成方法は、下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して下層配線と接続する上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の形成方法であって、層間絶縁膜を形成する工程は、層間絶縁膜における下層配線と接する層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。【００１０】  本発明の第１の側面に係る多層配線構造及びその形成方法によると、孤立電子対を有する窒素原子と銅イオンとが配位結合することで銅イオンが捕獲されるので、層間絶縁膜の成膜初期過程における下層配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。したがって、下層配線と層間絶縁膜との界面を通じて、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができる。【００１１】  本発明の第２の側面に係る多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、層間絶縁膜における最上層及び最下層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とするものである。【００１２】  また、本発明の第２の側面に係る多層配線構造の形成方法は、銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の製造方法であって、層間絶縁膜を形成する工程は、層間絶縁膜における最上層及び最下層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。【００１３】  本発明の第２の側面に係る多層配線構造及びその形成方法によると、孤立電子対を有する窒素原子と銅イオンとが配位結合することで銅イオンが捕獲されるので、層間絶縁膜の成膜初期過程における下層配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。したがって、下層配線と層間絶縁膜との界面を通じて、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができる。特に、銅配線からの銅の拡散径路となる、銅配線の最表面と同一の面は、その上下から、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜によって挟まれる構造が可能になり、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することをより効果的に防止することができる。【００１４】  本発明の第１又は第２の側面に係る多層配線構造及びその形成方法において、芳香族化合���が、アダマンタン骨格を有していれば、耐熱性及び強度に優れた層間絶縁膜を得ることができる。また、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体であれば、芳香環内に孤立電子対を有する窒素原子を有する。【００１５】  本発明の第１又は第２の側面に係る多層配線構造の形成方法として塗布法を用いると、溶液中又は基板上で低温にて、銅イオンの拡散を防止可能な分子構造が形成されるので、成膜プロセス中における銅イオンの拡散をより効果的に防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】  本発明に係る多層配線構造及びその形成方法によると、銅イオンの拡散防止機能を持つ低誘電率の層間絶縁膜の成膜初期における銅配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。このため、実効比誘電率が低い、すなわち、遅延時間が短く高速な多層配線を実現することができる。その結果、信頼性の高い多層配線構造を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする絶縁膜の構造の一例を示す化学構造図である。
【図２】孤立電子対を有する窒素原子によって銅イオンの拡散を防止するメカニズムを示す模式図である。
【図３】孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする絶縁膜の構造の一例を示す化学構造図である。
【図４】孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする絶縁膜の構造の一例を示す化学構造図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法を説明するための要部断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法を説明するための要部断面図である。
【符号の説明】
【００１８】１  層間絶縁膜
２  第１の絶縁膜
３  バリアメタル膜
４  下層配線
５  第１の有機層間絶縁膜
６  第２の絶縁膜
７ａ  接続孔
７ｂ  配線溝
８  バリアメタル膜
９ａ  ビア
９ｂ  上層配線
１０  第２の有機層間絶縁膜
１１  バリアメタル膜
１２  ビア
２１  第１の絶縁膜
２２  第１の有機層間絶縁膜
２３  バリアメタル膜
２４  下層配線
２５  第２の有機層間絶縁膜
２６  第２の絶縁膜
２７  第３の有機層間絶縁膜
２８ａ  接続孔
２８ｂ  配線溝
２９  バリアメタル膜
３０ａ  ビア
３０ｂ  上層配線
３１  第３の有機層間絶縁膜
３２  第３の絶縁膜
３３  バリアメタル膜
３４  ビア
２ａ  孤立電子対
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】  まず、本発明の第１及び第２の実施形態に共通する特徴について、図１〜４を参照しながら説明する。【００２０】  本発明の第１及び第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法では、前述した課題、すなわち、銅イオンの拡散防止機能を持つ低誘電率の層間絶縁膜の成膜初期における銅配線からの銅イオンの拡散を防止するために、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜を用いることを特徴としている。【００２１】  このように、孤立電子対を有する窒素原子の存在により、銅配線から拡散する銅イオンと窒素原子とが配位結合することで銅イオンが捕獲されるので、層間絶縁膜の成膜初期過程における銅配線からの銅イオンの拡散を防止可能とするものである。【００２２】  ここで、層間絶縁膜の主成分となる孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物の例としては、例えば図１に示すものが挙げられる。図１に示すように、図１の芳香族化合物中には、イミダゾール誘導体及びアダマンタン誘導体が構成成分として含まれている。この場合、図２に示すように、イミダゾール誘導体に含まれる孤立電子対２ａを有する窒素原子（Ｎ）と銅イオン（Ｃｕ２＋）とが配位結合することにより、銅配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。また、芳香族化合物中にアダマンタン骨格が含まれているので、耐熱性及び強度に優れた層間絶縁膜を実現することができる。【００２３】  また、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物の例として、図１に示したイミダゾール誘導体の代わりに、図３又は図４に示すように、孤立電子対を芳香環内に含むオキサゾール誘導体又はピリジン誘導体を用いた芳香族化合物であっても、上述と同様の効果を得ることができる。なお、オキサゾール誘導体を含む場合には、より低誘電率であって吸水性の低い層間絶縁膜を実現することができる。【００２４】  また、上述した第１及び第２の実施形態に係る多層配線構造の形成方法として、塗布法を用いるとよい。このようにすると、溶液中又は基板上で低温にて、銅イオンの拡散を防止可能な分子構造が形成されるので、成膜プロセス中における銅イオンの拡散をより効果的に防止することができる。【００２５】  なお、以上では、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を例として説明したが、孤立電子対を有する窒素原子の代わりに、イオウ（Ｓ）、又はリン（Ｐ）を用いることも可能な場合がある。【００２６】  以下に、本発明の第１及び第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法について、図５及び図６を参照しながら説明する。【００２７】  （第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、層間絶縁膜における下層配線と接する層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とするものである。【００２８】  また、本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造の形成方法は、銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の製造方法であって、層間絶縁膜を形成する工程は、層間絶縁膜における下層配線と接する層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。【００２９】  以下、具体的に説明する。【００３０】  図５は、本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法を説明するための要部断面図を示している。【００３１】  図５に示すように、基板（図示せず）上における層間絶縁膜１の上面には、例えばＳｉＯＣ膜よりなる第１の絶縁膜２が形成されており、第１の絶縁膜２及び層間絶縁膜１中には、底面及び側面がバリアメタル膜３によって覆われ、且つ、上面が第１の絶縁膜２から露出する銅よりなる下層配線４が形成されている。第１の絶縁膜２及び下層配線４の上には、第１の有機層間絶縁膜５が５００ｎｍ形成されており、該第１の有機層間絶縁膜５の上には、例えばＳｉＯＣ膜よりなる第２の絶縁膜６が５０ｎｍ形成されている。ここで、第１の有機層間絶縁膜５は、前述した孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる。なお、層間絶縁膜１としては、例えば、第１の絶縁膜２又は第２の絶縁膜６と同一組成の層間絶縁膜よりなる場合であっても、異なる組成の層間絶縁膜よりなる場合であってもよいし、第１の有機層間絶縁膜５と同じ組成の材料よりなる場合であってよい。【００３２】  また、第２の絶縁膜６及び第１の有機層間絶縁膜５中には、側面及び底面がバリアメタル膜８によって覆われた銅よりなる上層配線９ｂが形成されており、第２の絶縁膜６及び第１の有機層間絶縁膜５における上層配線９ｂの下部には、側面及び底面がバリアメタル膜８によって覆われ、且つ下層配線４と上層配線９ｂとを接続するビア９ａが形成されている。また、第２の絶縁膜６及び上層配線９ｂの上には、前述の第１の有機層間絶縁膜５よりなる層と同様の構成の第２の有機層間絶縁膜（例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる）１０、及び図示しない第３の絶縁膜が形成されている。つまり、第２の有機層間絶縁膜１０及び第３の絶縁膜中では、上層配線９ｂとさらに上層に形成される配線（図示せず）とが、バリアメタル膜１１を介してビア１２によって接続されている。このように、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の絶縁膜６よりなる層における構造と同様の構造が繰り返され、多層配線構造が形成される。【００３３】  ここで、バリアメタル膜８によって覆われたビア９ａ及び上層配線９ｂは、以下の工程によって形成される。すなわち、まず、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、第１の有機層間絶縁膜５中に下層配線４に到達する接続孔７ａを形成した後に、第２の絶縁膜６及び第１の有機層間絶縁膜５中に、接続孔７ａと連通する配線溝７ｂを形成する。続いて、第２の絶縁膜６の上、接続孔７ａ及び配線溝７ｂの壁部及び底部をバリアメタル膜８にて被覆し、該バリアメタル膜８上に銅シード層を形成した後に、メッキ法により、接続孔７ａ及び配線溝７ｂ内が完全に埋め込まれるまで銅膜を形成する。その後、ＣＭＰ法により、バリアメタル膜８及び銅膜における配線溝７ｂからはみ出している部分を研磨除去することで、バリアメタル膜８によって覆われたビア９ａ及び上層配線９ｂが形成される。なお、第２の有機層間絶縁膜１０及び第３の絶縁膜（図示せず）に対して上記工程を繰り返して行なえば、第２の有機層間絶縁膜１０及び第３の絶縁膜中に、バリアメタル膜１１によって覆われたビア１２及びさらに上層の配線が形成される。このように、上記工程を繰り返して用いることで、前述した多層配線構造が形成される。【００３４】  以上のように、本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法によると、第１の有機層間絶縁膜５は、例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなるので、前述したように、孤立電子対を有する窒素原子の存在により、第１の有機層間絶縁膜５の成膜初期過程における下層配線４からの銅イオンの拡散を防止することができる。したがって、下層配線４と第１の有機層間絶縁膜５との界面を通じて、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができる。さらに、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の有機層間絶縁膜１０の比誘電率は２．５であるので、比誘電率が３．５以上の従来のＳｉＣ膜又はＳｉＣＮ膜を下層配線４上に被覆する場合に比べて、誘電率の低い多層配線構造を実現することができる。また、第２の有機層間絶縁膜１０が設けられていることにより、上層配線９ｂと第２の有機層間絶縁膜１０との界面を通じて、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができるのは同様である。【００３５】  以上の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の絶縁膜２、第２の絶縁膜６及び第３の絶縁膜は、ＳｉＯＣ膜よりなる場合について説明したが、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の有機層間絶縁膜１０と同一組成の絶縁膜よりなる場合であっても、異なる組成の絶縁膜よりなる場合であってもよい。【００３６】  また、以上の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の絶縁膜６よりなる層構造は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の絶縁膜６よりなる層と同様の層構造を有する多層配線構造における各層において、下層に位置する有機層間絶縁膜の膜厚と上層に位置する絶縁膜との膜厚は、各層にて同一である場合であっても、異なる場合であってもよい。【００３７】  また、以上の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法���おいて、第１の有機層間絶縁５における配線溝７ｂの底部の直下に位置する領域を含む層として、第１の有機層間絶縁膜５の組成とは異なる組成の絶縁膜を介在させるようにしてもよい。このようにすると、第１の有機層間絶縁膜５の組成とは異なる組成の絶縁膜が、第１の有機層間絶縁膜５をエッチングして配線溝７ｂを形成する際におけるエッチングストッパとして機能するので、配線溝７ｂの深さの加工ばらつきを低減することができる。なお、この点は、第１の有機層間絶縁膜５に限定されるものではなく、第２の有機層間絶縁膜１０などの多層配線構造における各層においても同様である。【００３８】  また、以上の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の有機層間絶縁膜５中に接続孔７ａ及び配線溝７ｂを形成する場合について説明したが、接続孔７ａを形成する層と配線溝７ｂを形成する層とが互いに異なる組成の絶縁膜よりなる場合であってもよい。例えば、配線溝７ｂを形成する絶縁膜として、空孔率が接続孔７ａを形成する絶縁膜の空孔率よりも高い多孔質膜を用いることにより、機械的強度の劣化を抑制できる多層配線構造を実現することができる。なお、この点は、第１の有機層間絶縁膜５に限定されるものではなく、第２の有機層間絶縁膜１０などの多層配線構造における各層においても同様である。【００３９】  さらに、配線溝７ｂを形成する絶縁膜として、有機成分を主成分とする層間絶縁膜を用いると共に、接続孔７ａを形成する絶縁膜として、シロキサン成分を主成分とする層間絶縁膜を用いることにより、上述したようなエッチングストッパとして機能する層を介在させることなく、配線溝７ｂの深さの加工ばらつきを低減することができると共に、機械的強度の劣化を抑制できる多層配線構造を実現することができる。なお、この点は、第１の有機層間絶縁膜５に限定されるものではなく、第２の有機層間絶縁膜１０などの多層配線構造における各層においても同様である。【００４０】  （第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、層間絶縁膜における最上層及び最下層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とするものである。【００４１】  また、本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造の形成方法は、銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の製造方法であって、層間絶縁膜を形成する工程は、層間絶縁膜における最上層及び最下層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。【００４２】  以下、具体的に説明する。【００４３】  図６は、本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法を説明するための要部断面図を示している。【００４４】  図６に示すように、基板（図示せず）上における例えばＳｉＯＣ膜よりなる第１の絶縁膜２１の上面には、第１の有機層間絶縁膜２２が５０ｎｍ形成されており、第１の有機層間絶縁膜２２及び第１の絶縁膜２１中には、底面及び側面がバリアメタル膜２３によって覆われ、且つ、上面が第１の有機層間絶縁膜２２から露出する銅よりなる下層配線２４が形成されている。第１の有機層間絶縁膜２２及び下層配線２４の上には、第２の有機層間絶縁膜２５が５０ｎｍ形成されており、該第２の有機層間絶縁膜２５の上には、例えばＳｉＯＣ膜よりなる第２の絶縁膜２６が５００ｎｍ形成されている。さらに、第２の絶縁膜２６の上には、第３の有機層間絶縁膜２７が５０ｎｍ形成されている。ここで、第１、第２、第３の有機層間絶縁膜２２、２５、２７は、前述した孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる。【００４５】  また、第３の有機層間絶縁膜２７及び第２の絶縁膜２６中には、側面及び底面がバリアメタル膜２９によって覆われた銅よりなる上層配線３０ｂが形成されており、第２の絶縁膜２６及び第２の有機層間絶縁膜２５における上層配線３０ｂの下部には、側面及び底面がバリアメタル膜２９によって覆われ、且つ下層配線２４と上層配線３０ｂとを接続するビア３０ａが形成されている。また、第３の有機層間絶縁膜２７、上層配線３０ｂ及びバリアメタル膜２９の上には、前述の第１の有機層間絶縁膜２２、第２の有機層間絶縁膜２５及び第３の有機層間絶縁膜２７よりなる層と同様の構成の第４の有機層間絶縁膜（例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる）３１、第３の絶縁膜３２（ＳｉＯＣ膜よりなる）及び図示しない第５の有機層間絶縁膜（例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる）が形成されている。つまり、該第４の有機層間絶縁膜３１、第３の絶縁膜３２及び第５の有機層間絶縁膜中では、上層配線３０ｂとさらに上層に形成される配線（図示せず）とがバリアメタル膜３３を介してビア３４によって接��されている。このように、第２の有機層間絶縁膜２５、第２の絶縁膜２６及び第３の有機層間絶縁膜２７よりなる層における構造と同様の構造が繰り返され、多層配線構造が形成される。【００４６】  ここで、バリアメタル膜２９によって覆われたビア３０ａ及び上層配線３０ｂは、以下の工程によって形成される。すなわち、まず、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、第２の有機層間絶縁膜２５及び第２の絶縁膜２６中に下層配線２４に到達する接続孔２８ａを形成した後に、第２の絶縁膜２６及び第３の有機層間絶縁膜２７中に、接続孔２８ａと連通する配線溝２８ｂを形成する。続いて、第３の有機層間絶縁膜２７の上、接続孔２８ａ及び配線溝２８ｂの壁部及び底部をバリアメタル膜２９にて被覆し、該バリアメタル膜２９上に銅シード層を形成した後に、メッキ法により、接続孔２８ａ及び配線溝２８ｂ内が完全に埋め込まれるまで銅膜を形成する。その後、ＣＭＰ法により、バリアメタル膜２９及び銅膜における配線溝２８ｂからはみ出している部分を研磨除去することで、バリアメタル膜２９によって覆われたビア３０ａ及び上層配線３０ｂが形成される。なお、第４の有機層間絶縁膜３１、第３の絶縁膜３２及び第５の有機層間絶縁膜（図示せず）に対して上記工程を繰り返して行なえば、第４の有機層間絶縁膜３１、第３の絶縁膜３２及び第５の有機層間絶縁膜中に、バリアメタル膜３３によって覆われたビア３４及びさらに上層の配線が形成される。このように、上記工程を繰り返して用いることで、前述した多層配線構造が形成される。【００４７】  以上のように、本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法では、銅配線（下層配線２４、上層配線３０ｂ）の最表面と同一の面を上下から挟み込むように、例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする有機層間絶縁膜（下層配線２４に対しては第１の有機層間絶縁膜２２と第２の有機層間絶縁膜２５、上層配線３０ｂに対しては第３の有機層間絶縁膜２７と第４の有機層間絶縁膜３１）が形成されている。このため、銅配線の最表面と同一の面を上下から挟み込む有機層間絶縁膜に含まれる孤立電子対を有する窒素原子により、有機層間絶縁膜の成膜初期過程における銅配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。特に、本実施形態では、銅配線からの銅の拡散径路となる、銅配線の最表面と同一の面は、例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする有機層間絶縁膜間の界面となっているので、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができる。さらに、第１、第２、第３、第４の有機層間絶縁膜２２、２５、２７、３１の比誘電率は２．５であるので、比誘電率が３．５以上の従来のＳｉＣ膜又はＳｉＣＮ膜を銅配線上に被覆する場合に比べて、誘電率の低い多層配線構造を実現することができる。【００４８】  また、以上の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第２の有機層間絶縁膜２５、第２の絶縁膜２６及び第３の有機層間絶縁膜２７よりなる層構造は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、第２の有機層間絶縁膜２５、第２の絶縁膜２６及び第３の有機層間絶縁膜２７よりなる層と同様の層構造��有する多層配線構造における各層において、下層及び上層に位置する有機層間絶縁膜の膜厚と中間に位置する絶縁膜との膜厚とは、各層において同一である場合であっても、異なる場合であってもよい。【００４９】  また、以上の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の絶縁膜２１、第２の絶縁膜２６又は第３の絶縁膜が、ＳｉＯＣ膜よりなる場合について説明したが、第１の有機層間絶縁膜２２、第２の有機層間絶縁膜２５、第３の有機層間絶縁膜２７又は第４の有機層間絶縁膜３１と同一組成の層間絶縁膜よりなる場合であっても、異なる組成の層間絶縁膜よりなる場合であってもよい。【００５０】  また、以上の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第２の絶縁２６における配線溝２８ｂの底部の直下に位置する領域を含む層として、第２の絶縁膜２６の組成とは異なる組成の絶縁膜を介在させるようにしてもよい。このようにすると、第２の絶縁膜２６の組成とは異なる組成の絶縁膜が、第２の絶縁膜２６をエッチングして配線溝２８ｂを形成する際におけるエッチングストッパとして機能するので、配線溝２８ｂの深さの加工ばらつきを低減することができる。なお、この点は、第２の絶縁膜２６に限定されるものではなく、第３の絶縁膜３２などの多層配線構造における各層においても同様である。【００５１】  また、以上の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第２の絶縁膜２６中に接続孔２８ａ及び配線溝２８ｂを形成する場合について説明したが、接続孔２８ａを形成する層と配線溝２８ｂを形成する層とが互いに異なる組成の絶縁膜よりなる場合であってもよい。例えば、配線溝２８ｂを形成する絶縁膜として、空孔率が接続孔２８ａを形成する絶縁膜の空孔率よりも高い多孔質膜を用いることにより、機械的強度の劣化を抑制できる多層配線構造を実現することができる。なお、この点は、第２の絶縁膜２６に限定されるものではなく、第３の絶縁膜３２などの多層配線構造における各層においても同様である。【００５２】  さらに、配線溝２８ｂを形成する絶縁膜として、有機成分を主成分とする層間絶縁膜を用いると共に、接続孔７ａを形成する絶縁膜として、シロキサン成分を主成分とする層間絶縁膜を用いることにより、上述したようなエッチングストッパとして機能する層を介在させることなく、配線溝２８ｂの深さの加工ばらつきを低減することができると共に、機械的強度の劣化を抑制できる多層配線構造を実現することができる。なお、この点は、第２の絶縁膜２６に限定されるものではなく、第３の絶縁膜３２などの多層配線構造における各層においても同様である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】  本発明は、配線遅延が小さい、高速な多層配線の形成に有用である。
【図１】
2007007447.tif 000002
【図２】
2007007447.tif 000003
【図３】
2007007447.tif 000004
【図４】
2007007447.tif 000005
【図５】
2007007447.tif 000006
【図６】
2007007447.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成19年4月17日(2007.4.17)
【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】
銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、前記下層配線と前記上層配線とが前記層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、
前記層間絶縁膜における前記下層配線と接する層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とする多層配線構造。
【請求項２】
前記芳香族化合物は、アダマンタン骨格を有していることを特徴とする請求項１に記載の多層配線構造。
【請求項３】
前記芳香族化合物は、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体を含有していることを特徴とする請求項１に記載の多層配線構造。
【請求項４】
銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、前記下層配線と前記上層配線とが前記層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、
前記層間絶縁膜における最上層及び最下層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とする多層配線構造。
【請求項５】
前記芳香族化合物は、アダマンタン骨格を有していることを特徴とする請求項４に記載の多層配線構造。
【請求項６】
前記芳香族化合物は、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体を含有していることを特徴とする請求項４に記載の多層配線構造。
【請求項７】
銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して前記下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の形成方法であって、
前記層間絶縁膜を形成する工程は、前記層間絶縁膜における前記下層配線と接する層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とする多層配線構造の形成方法。
【請求項８】
前記芳香族化合物は、アダマンタン骨格を有していることを特徴とする請求項７に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項９】
前記芳香族化合物は、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体を含有していることを特徴とする請求項７に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項１０】
前記層間絶縁膜を形成する工程は、塗布法を用いて行なわれることを特徴とする請求項７に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項１１】
銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して前記下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の形成方法であって、
前記層間絶縁膜を形成する工程は、前記層間絶縁膜における最上層及び最下層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とする多層配線構造の形成方法。
【請求項１２】
前記芳香族化合物は、アダマンタン骨格を有していることを特徴とする請求項１１に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項１３】
前記芳香族化合物は、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体を含有していることを特徴とする請求項１１に記載の多層配線構造の形成方法。
【請求項１４】
前記層間絶縁膜を形成する工程は、塗布法を用いて行なわれることを特徴とする請求項１１に記載の多層配線構造の形成方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層配線構造及びその形成方法に関し、特に、低誘電率であって且つ銅イオンの拡散を防止する機能を有する有機層間絶縁膜を用いた多層配線構造及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、銅配線を有する超ＬＳＩ（Large Scale Integration）において、銅拡散防止膜として用いられる絶縁膜としては、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＣ膜、又はＳｉＣＯ膜などが知られているが、いずれの絶縁膜も４以上の高い比誘電率を有している。このため、多層配線構造において、層間絶縁膜として低誘電率膜を用いたとしても、前述の銅拡散防止膜としての絶縁膜の比誘電率の影響が支配的になる。したがって、多層配線構造を構成する低誘電率膜よりなる層間絶縁膜によって比誘電率を低減する効果は、前述の銅拡散防止膜としての絶縁膜の比誘電率によって相殺されてしまい、多層配線全体の実効的な比誘電率については十分に低い値が実現されていない状況である。
【０００３】
このような問題に対応するためには、銅拡散防止膜として用いる絶縁膜の比誘電率を低減すること、又は低誘電率膜よりなる層間絶縁膜に銅拡散防止膜としての機能を持たせることが必要となってきている。
【０００４】
銅拡散防止膜の比誘電率を低減するための従来技術としては、トリメチルビニルシランを用いたプラズマＣＶＤ法によってＳｉＣＮ膜を形成する方法が報告されているが、該ＳｉＣＮ膜の比誘電率は４である。また、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いたプラズマＣＶＤ法によって、銅拡散防止膜の機能を有する低誘電率の層間絶縁膜を形成する方法が報告されているが、該層間絶縁膜の比誘電率は２．７程度である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３１９０８８６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、まず、トリメチルビニルシロキサンを用いて形成された銅拡散防止膜としてのＳｉＣＮ膜の場合、その比誘電率は４であって、比誘電率の値としては高いという問題がある。
【０００６】
一方、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いて形成された銅拡散防止膜としての機能を有する低誘電率の層間絶縁膜の場合、比誘電率は２．７程度と低いが、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いてなる層間絶縁膜は、塗布法を用いて形成すると、形成される層間絶縁膜の銅イオンの拡散防止効果が劣化するので、プラズマＣＶＤ法を用いて形成される。しかしながら、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いたプラズマＣＶＤ法により、銅表面上に層間絶縁膜を形成する場合には、その成膜初期過程において、膜中に銅イオンが拡散してしまう。このように銅イオンが拡散するのは、成膜初期過程では、銅イオンを捕獲する膜構造が出来上がっていないために、成膜プロセス中に加わる熱により、銅イオンが膜中に拡散すると考えられる。さらに、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いたプラズマＣＶＤ法によって層間絶縁膜を形成する場合、基板温度が３００℃以上の高温にて行なわれるので、銅イオンの拡散が一層顕著となる。このように、ジビニルシロキサン・ビス・ベンゾシクロブテンを用いたプラズマＣＶＤ法により、銅と直接接触する部位に層間絶縁膜を形成すると、成膜初期過程において銅イオンが膜中に拡散しながら膜成長が進行するため、拡散した銅イオンに起因するリーク電流の発生及び耐圧の低下など膜質の劣化が生じるので、配線の寿命が著しく低下するという問題があった。
【０００７】
前記に鑑み、本発明の目的は、銅イオンの拡散防止機能を持つ低誘電率の層間絶縁膜の成膜初期における銅配線からの銅イオンの拡散を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、層間絶縁膜における下層配線と接する層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の第１の側面に係る多層配線構造の形成方法は、下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して下層配線と接続する上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の形成方法であって、層間絶縁膜を形成する工程は、層間絶縁膜における下層配線と接する層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の第１の側面に係る多層配線構造及びその形成方法によると、孤立電子対を有する窒素原子と銅イオンとが配位結合することで銅イオンが捕獲されるので、層間絶縁膜の成膜初期過程における下層配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。したがって、下層配線と層間絶縁膜との界面を通じて、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができる。
【００１１】
本発明の第２の側面に係る多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、層間絶縁膜における最上層及び最下層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の第２の側面に係る多層配線構造の形成方法は、銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の製造方法であって、層間絶縁膜を形成する工程は、層間絶縁膜における最上層及び最下層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第２の側面に係る多層配線構造及びその形成方法によると、孤立電子対を有する窒素原子と銅イオンとが配位結合することで銅イオンが捕獲されるので、層間絶縁膜の成膜初期過程における下層配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。したがって、下層配線と層間絶縁膜との界面を通じて、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができる。特に、銅配線からの銅の拡散径路となる、銅配線の最表面と同一の面は、その上下から、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜によって挟まれる構造が可能になり、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することをより効果的に防止することができる。
【００１４】
本発明の第１又は第２の側面に係る多層配線構造及びその形成方法において、芳香族化合物が、アダマンタン骨格を有していれば、耐熱性及び強度に優れた層間絶縁膜を得ることができる。また、イミダゾール誘導体又はオキサゾール誘導体であれば、芳香環内に孤立電子対を有する窒素原子を有する。
【００１５】
本発明の第１又は第２の側面に係る多層配線構造の形成方法として塗布法を用いると、溶液中又は基板上で低温にて、銅イオンの拡散を防止可能な分子構造が形成されるので、成膜プロセス中における銅イオンの拡散をより効果的に防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る多層配線構造及びその形成方法によると、銅イオンの拡散防止機能を持つ低誘電率の層間絶縁膜の成膜初期における銅配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。このため、実効比誘電率が低い、すなわち、遅延時間が短く高速な多層配線を実現することができる。その結果、信頼性の高い多層配線構造を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
まず、本発明の第１及び第２の実施形態に共通する特徴について、図１〜４を参照しながら説明する。
【００１８】
本発明の第１及び第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法では、前述した課題、すなわち、銅イオンの拡散防止機能を持つ低誘電率の層間絶縁膜の成膜初期における銅配線からの銅イオンの拡散を防止するために、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜を用いることを特徴としている。
【００１９】
このように、孤立電子対を有する窒素原子の存在により、銅配線から拡散する銅イオンと窒素原子とが配位結合することで銅イオンが捕獲されるので、層間絶縁膜の成膜初期過程における銅配線からの銅イオンの拡散を防止可能とするものである。
【００２０】
ここで、層間絶縁膜の主成分となる孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物の例としては、例えば図１に示すものが挙げられる。図１に示すように、図１の芳香族化合物中には、イミダゾール誘導体及びアダマンタン誘導体が構成成分として含まれている。この場合、図２に示すように、イミダゾール誘導体に含まれる孤立電子対２ａを有する窒素原子（Ｎ）と銅イオン（Ｃｕ２＋）とが配位結合することにより、銅配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。また、芳香族化合物中にアダマンタン骨格が含まれているので、耐熱性及び強度に優れた層間絶縁膜を実現することができる。
【００２１】
また、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物の例として、図１に示したイミダゾール誘導体の代わりに、図３又は図４に示すように、孤立電子対を芳香環内に含むオキサゾール誘導体又はピリジン誘導体を用いた芳香族化合物であっても、上述と同様の効果を得ることができる。なお、オキサゾール誘導体を含む場合には、より低誘電率であって吸水性の低い層間絶縁膜を実現することができる。
【００２２】
また、上述した第１及び第２の実施形態に係る多層配線構造の形成方法として、塗布法を用いるとよい。このようにすると、溶液中又は基板上で低温にて、銅イオンの拡散を防止可能な分子構造が形成されるので、成膜プロセス中における銅イオンの拡散をより効果的に防止することができる。
【００２３】
なお、以上では、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を例として説明したが、孤立電子対を有する窒素原子の代わりに、イオウ（Ｓ）、又はリン（P）を用いることも可能な場合がある。
【００２４】
以下に、本発明の第１及び第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法について、図５及び図６を参照しながら説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ、下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、層間絶縁膜における下層配線と接する層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造の形成方法は、銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の製造方法であって、層間絶縁膜を形成する工程は、層間絶縁膜における下層配線と接する層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。
【００２７】
以下、具体的に説明する。
【００２８】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法を説明するための要部断面図を示している。
【００２９】
図５に示すように、基板（図示せず）上における層間絶縁膜１の上面には、例えばＳｉＯＣ膜よりなる第１の絶縁膜２が形成されており、第１の絶縁膜２及び層間絶縁膜１中には、底面及び側面がバリアメタル膜３によって覆われ、且つ、上面が第１の絶縁膜２から露出する銅よりなる下層配線４が形成されている。第１の絶縁膜２及び下層配線４の上には、第１の有機層間絶縁膜５が５００ｎｍ形成されており、該第１の有機層間絶縁膜５の上には、例えばＳｉＯＣ膜よりなる第２の絶縁膜６が５０ｎｍ形成されている。ここで、第１の有機層間絶縁膜５は、前述した孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる。なお、層間絶縁膜１としては、例えば、第１の絶縁膜２又は第２の絶縁膜６と同一組成の層間絶縁膜よりなる場合であっても、異なる組成の層間絶縁膜よりなる場合であってもよいし、第１の有機層間絶縁膜５と同じ組成の材料よりなる場合であってよい。
【００３０】
また、第２の絶縁膜６及び第１の有機層間絶縁膜５中には、側面及び底面がバリアメタル膜８によって覆われた銅よりなる上層配線９ｂが形成されており、第２の絶縁膜６及び第１の有機層間絶縁膜５における上層配線９ｂの下部には、側面及び底面がバリアメタル膜８によって覆われ、且つ下層配線４と上層配線９ｂとを接続するビア９ａが形成されている。また、第２の絶縁膜６及び上層配線９ｂの上には、前述の第１の有機層間絶縁膜５よりなる層と同様の構成の第２の有機層間絶縁膜（例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる）１０、及び図示しない第３の絶縁膜が形成されている。つまり、第２の有機層間絶縁膜１０及び第３の絶縁膜中では、上層配線９ｂとさらに上層に形成される配線（図示せず）とが、バリアメタル膜１１を介してビア１２によって接続されている。このように、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の絶縁膜６よりなる層における構造と同様の構造が繰り返され、多層配線構造が形成される。
【００３１】
ここで、バリアメタル膜８によって覆われたビア９ａ及び上層配線９ｂは、以下の工程によって形成される。すなわち、まず、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、第１の有機層間絶縁膜５中に下層配線４に到達する接続孔７ａを形成した後に、第２の絶縁膜６及び第１の有機層間絶縁膜５中に、接続孔７ａと連通する配線溝７ｂを形成する。続いて、第２の絶縁膜６の上、接続孔７ａ及び配線溝７ｂの壁部及び底部をバリアメタル膜８にて被覆し、該バリアメタル膜８上に銅シード層を形成した後に、メッキ法により、接続孔７ａ及び配線溝７ｂ内が完全に埋め込まれるまで銅膜を形成する。その後、ＣＭＰ法により、バリアメタル膜８及び銅膜における配線溝７ｂからはみ出している部分を研磨除去することで、バリアメタル膜８によって覆われたビア９ａ及び上層配線９ｂが形成される。なお、第２の有機層間絶縁膜１０及び第３の絶縁膜（図示せず）に対して上記工程を繰り返して行なえば、第２の有機層間絶縁膜１０及び第３の絶縁膜中に、バリアメタル膜１１によって覆われたビア１２及びさらに上層の配線が形成される。このように、上記工程を繰り返して用いることで、前述した多層配線構造が形成される。
【００３２】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法によると、第１の有機層間絶縁膜５は、例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなるので、前述したように、孤立電子対を有する窒素原子の存在により、第１の有機層間絶縁膜５の成膜初期過程における下層配線４からの銅イオンの拡散を防止することができる。したがって、下層配線４と第１の有機層間絶縁膜５との界面を通じて、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができる。さらに、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の有機層間絶縁膜１０の比誘電率は２．５であるので、比誘電率が３．５以上の従来のＳｉＣ膜又はＳｉＣＮ膜を下層配線４上に被覆する場合に比べて、誘電率の低い多層配線構造を実現することができる。また、第２の有機層間絶縁膜１０が設けられていることにより、上層配線９ｂと第２の有機層間絶縁膜１０との界面を通じて、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができるのは同様である。
【００３３】
以上の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の絶縁膜２、第２の絶縁膜６及び第３の絶縁膜は、ＳｉＯＣ膜よりなる場合について説明したが、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の有機層間絶縁膜１０と同一組成の絶縁膜よりなる場合であっても、異なる組成の絶縁膜よりなる場合であってもよい。
【００３４】
また、以上の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の絶縁膜６よりなる層構造は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、第１の有機層間絶縁膜５及び第２の絶縁膜６よりなる層と同様の層構造を有する多層配線構造における各層において、下層に位置する有機層間絶縁膜の膜厚と上層に位置する絶縁膜との膜厚は、各層にて同一である場合であっても、異なる場合であってもよい。
【００３５】
また、以上の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の有機層間絶縁５における配線溝７ｂの底部の直下に位置する領域を含む層として、第１の有機層間絶縁膜５の組成とは異なる組成の絶縁膜を介在させるようにしてもよい。このようにすると、第１の有機層間絶縁膜５の組成とは異なる組成の絶縁膜が、第１の有機層間絶縁膜５をエッチングして配線溝７ｂを形成する際におけるエッチングストッパとして機能するので、配線溝７ｂの深さの加工ばらつきを低減することができる。なお、この点は、第１の有機層間絶縁膜５に限定されるものではなく、第２の有機層間絶縁膜１０などの多層配線構造における各層においても同様である。
【００３６】
また、以上の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の有機層間絶縁膜５中に接続孔７ａ及び配線溝７ｂを形成する場合について説明したが、接続孔７ａを形成する層と配線溝７ｂを形成する層とが互いに異なる組成の絶縁膜よりなる場合であってもよい。例えば、配線溝７ｂを形成する絶縁膜として、空孔率が接続孔７ａを形成する絶縁膜の空孔率よりも高い多孔質膜を用いることにより、機械的強度の劣化を抑制できる多層配線構造を実現することができる。なお、この点は、第１の有機層間絶縁膜５に限定されるものではなく、第２の有機層間絶縁膜１０などの多層配線構造における各層においても同様である。
【００３７】
さらに、配線溝７ｂを形成する絶縁膜として、有機成分を主成分とする層間絶縁膜を用いると共に、接続孔７ａを形成する絶縁膜として、シロキサン成分を主成分とする層間絶縁膜を用いることにより、上述したようなエッチングストッパとして機能する層を介在させることなく、配線溝７ｂの深さの加工ばらつきを低減することができると共に、機械的強度の劣化を抑制できる多層配線構造を実現することができる。なお、この点は、第１の有機層間絶縁膜５に限定されるものではなく、第２の有機層間絶縁膜１０などの多層配線構造における各層においても同様である。
【００３８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造は、銅よりなる下層配線上の層間絶縁膜中に銅よりなる上層配線が形成され、且つ下層配線と上層配線とが層間絶縁膜中に形成されたビアを介して接続されている多層配線構造であって、層間絶縁膜における最上層及び最下層は、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層よりなることを特徴とするものである。
【００３９】
また、本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造の形成方法は、銅よりなる下層配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中にビアと該ビアを介して下層配線と接続する銅よりなる上層配線とを形成する工程とを備えた多層配線構造の製造方法であって、層間絶縁膜を形成する工程は、層間絶縁膜における最上層及び最下層として、孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。
【００４０】
以下、具体的に説明する。
【００４１】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法を説明するための要部断面図を示している。
【００４２】
図６に示すように、基板（図示せず）上における例えばＳｉＯＣ膜よりなる第１の絶縁膜２１の上面には、第１の有機層間絶縁膜２２が５０ｎｍ形成されており、第１の有機層間絶縁膜２２及び第１の絶縁膜２１中には、底面及び側面がバリアメタル膜２３によって覆われ、且つ、上面が第１の有機層間絶縁膜２２から露出する銅よりなる下層配線２４が形成されている。第１の有機層間絶縁膜２２及び下層配線２４の上には、第２の有機層間絶縁膜２５が５０ｎｍ形成されており、該第２の有機層間絶縁膜２５の上には、例えばＳｉＯＣ膜よりなる第２の絶縁膜２６が５００ｎｍ形成されている。さらに、第２の絶縁膜２６の上には、第３の有機層間絶縁膜２７が５０ｎｍ形成されている。ここで、第１、第２、第３の有機層間絶縁膜２２、２５、２７は、前述した孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる。
【００４３】
また、第３の有機層間絶縁膜２７及び第２の絶縁膜２６中には、側面及び底面がバリアメタル膜２９によって覆われた銅よりなる上層配線３０ｂが形成されており、第２の絶縁膜２６及び第２の有機層間絶縁膜２５における上層配線３０ｂの下部には、側面及び底面がバリアメタル膜２９によって覆われ、且つ下層配線２４と上層配線３０ｂとを接続するビア３０ａが形成されている。また、第３の有機層間絶縁膜２７、上層配線３０ｂ及びバリアメタル膜２９の上には、前述の第１の有機層間絶縁膜２２、第２の有機層間絶縁膜２５及び第３の有機層間絶縁膜２７よりなる層と同様の構成の第４の有機層間絶縁膜（例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる）３１、第３の絶縁膜３２（ＳｉＯＣ膜よりなる）及び図示しない第５の有機層間絶縁膜（例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする層間絶縁膜よりなる）が形成されている。つまり、該第４の有機層間絶縁膜３１、第３の絶縁膜３２及び第５の有機層間絶縁膜中では、上層配線３０ｂとさらに上層に形成される配線（図示せず）とがバリアメタル膜３３を介してビア３４によって接続されている。このように、第２の有機層間絶縁膜２５、第２の絶縁膜２６及び第３の有機層間絶縁膜２７よりなる層における構造と同様の構造が繰り返され、多層配線構造が形成される。
【００４４】
ここで、バリアメタル膜２９によって覆われたビア３０ａ及び上層配線３０ｂは、以下の工程によって形成される。すなわち、まず、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、第２の有機層間絶縁膜２５及び第２の絶縁膜２６中に下層配線２４に到達する接続孔２８ａを形成した後に、第２の絶縁膜２６及び第３の有機層間絶縁膜２７中に、接続孔２８ａと連通する配線溝２８ｂを形成する。続いて、第３の有機層間絶縁膜２７の上、接続孔２８ａ及び配線溝２８ｂの壁部及び底部をバリアメタル膜２９にて被覆し、該バリアメタル膜２９上に銅シード層を形成した後に、メッキ法により、接続孔２８ａ及び配線溝２８ｂ内が完全に埋め込まれるまで銅膜を形成する。その後、ＣＭＰ法により、バリアメタル膜２９及び銅膜における配線溝２８ｂからはみ出している部分を研磨除去することで、バリアメタル膜２９によって覆われたビア３０ａ及び上層配線３０ｂが形成される。なお、第４の有機層間絶縁膜３１、第３の絶縁膜３２及び第５の有機層間絶縁膜（図示せず）に対して上記工程を繰り返して行なえば、第４の有機層間絶縁膜３１、第３の絶縁膜３２及び第５の有機層間絶縁膜中に、バリアメタル膜３３によって覆われたビア３４及びさらに上層の配線が形成される。このように、上記工程を繰り返して用いることで、前述した多層配線構造が形成される。
【００４５】
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法では、銅配線（下層配線２４、上層配線３０ｂ）の最表面と同一の面を上下から挟み込むように、例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする有機層間絶縁膜（下層配線２４に対しては第１の有機層間絶縁膜２２と第２の有機層間絶縁膜２５、上層配線３０ｂに対しては第３の有機層間絶縁膜２７と第４の有機層間絶縁膜３１）が形成されている。このため、銅配線の最表面と同一の面を上下から挟み込む有機層間絶縁膜に含まれる孤立電子対を有する窒素原子により、有機層間絶縁膜の成膜初期過程における銅配線からの銅イオンの拡散を防止することができる。特に、本実施形態では、銅配線からの銅の拡散径路となる、銅配線の最表面と同一の面は、例えば図１に示す芳香族化合物を主成分とする有機層間絶縁膜間の界面となっているので、隣り合う銅配線間で銅イオンが拡散することによって生じる絶縁不良を防止することができる。さらに、第１、第２、第３、第４の有機層間絶縁膜２２、２５、２７、３１の比誘電率は２．５であるので、比誘電率が３．５以上の従来のＳｉＣ膜又はＳｉＣＮ膜を銅配線上に被覆する場合に比べて、誘電率の低い多層配線構造を実現することができる。
【００４６】
また、以上の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第２の有機層間絶縁膜２５、第２の絶縁膜２６及び第３の有機層間絶縁膜２７よりなる層構造は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、第２の有機層間絶縁膜２５、第２の絶縁膜２６及び第３の有機層間絶縁膜２７よりなる層と同様の層構造を有する多層配線構造における各層において、下層及び上層に位置する有機層間絶縁膜の膜厚と中間に位置する絶縁膜との膜厚とは、各層において同一である場合であっても、異なる場合であってもよい。
【００４７】
また、以上の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第１の絶縁膜２１、第２の絶縁膜２６又は第３の絶縁膜が、ＳｉＯＣ膜よりなる場合について説明したが、第１の有機層間絶縁膜２２、第２の有機層間絶縁膜２５、第３の有機層間絶縁膜２７又は第４の有機層間絶縁膜３１と同一組成の層間絶縁膜よりなる場合であっても、異なる組成の層間絶縁膜よりなる場合であってもよい。
【００４８】
また、以上の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第２の絶縁２６における配線溝２８ｂの底部の直下に位置する領域を含む層として、第２の絶縁膜２６の組成とは異なる組成の絶縁膜を介在させるようにしてもよい。このようにすると、第２の絶縁膜２６の組成とは異なる組成の絶縁膜が、第２の絶縁膜２６をエッチングして配線溝２８ｂを形成する際におけるエッチングストッパとして機能するので、配線溝２８ｂの深さの加工ばらつきを低減することができる。なお、この点は、第２の絶縁膜２６に限定されるものではなく、第３の絶縁膜３２などの多層配線構造における各層においても同様である。
【００４９】
また、以上の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法において、第２の絶縁膜２６中に接続孔２８ａ及び配線溝２８ｂを形成する場合について説明したが、接続孔２８ａを形成する層と配線溝２８ｂを形成する層とが互いに異なる組成の絶縁膜よりなる場合であってもよい。例えば、配線溝２８ｂを形成する絶縁膜として、空孔率が接続孔２８ａを形成する絶縁膜の空孔率よりも高い多孔質膜を用いることにより、機械的強度の劣化を抑制できる多層配線構造を実現することができる。なお、この点は、第２の絶縁膜２６に限定されるものではなく、第３の絶縁膜３２などの多層配線構造における各層においても同様である。
【００５０】
さらに、配線溝２８ｂを形成する絶縁膜として、有機成分を主成分とする層間絶縁膜を用いると共に、接続孔７ａを形成する絶縁膜として、シロキサン成分を主成分とする層間絶縁膜を用いることにより、上述したようなエッチングストッパとして機能する層を介在させることなく、配線溝２８ｂの深さの加工ばらつきを低減することができると共に、機械的強度の劣化を抑制できる多層配線構造を実現することができる。なお、この点は、第２の絶縁膜２６に限定されるものではなく、第３の絶縁膜３２などの多層配線構造における各層においても同様である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、配線遅延が小さい、高速な多層配線の形成に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする絶縁膜の構造の一例を示す化学構造図である。
【図２】孤立電子対を有する窒素原子によって銅イオンの拡散を防止するメカニズムを示す模式図である。
【図３】孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする絶縁膜の構造の一例を示す化学構造図である。
【図４】孤立電子対を有する窒素原子を芳香環内に含む芳香族化合物を主成分とする絶縁膜の構造の一例を示す化学構造図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法を説明するための要部断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る多層配線構造及びその形成方法を説明するための要部断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  層間絶縁膜
２  第１の絶縁膜
３  バリアメタル膜
４  下層配線
５  第１の有機層間絶縁膜
６  第２の絶縁膜
７ａ  接続孔
７ｂ  配線溝
８  バリアメタル膜
９ａ  ビア
９ｂ  上層配線
１０  第２の有機層間絶縁膜
１１  バリアメタル膜
１２  ビア
２１  第１の絶縁膜
２２  第１の有機層間絶縁膜
２３  バリアメタル膜
２４  下層配線
２５  第２の有機層間絶縁膜
２６  第２の絶縁膜
２７  第３の有機層間絶縁膜
２８ａ  接続孔
２８ｂ  配線溝
２９  バリアメタル膜
３０ａ  ビア
３０ｂ  上層配線
３１  第３の有機層間絶縁膜
３２  第３の絶縁膜
３３  バリアメタル膜
３４  ビア
２ａ  孤立電子対
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007007447.tif 000008
【図２】
2007007447.tif 000009
【図３】
2007007447.tif 000010
【図４】
2007007447.tif 000011
【図５】
2007007447.tif 000012
【図６】
2007007447.tif 000013
【国際調査報告】
2007007447.tif 000014
2007007447.tif 000015
2007007447.tif 000016
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