(57)【要約】【課題】本発明は、空隙を含む複数レベルの相互接続構造及びその製造方法を提供する。【解決手段】空隙を含む複数レベルの相互接続構造は、散在したライン・レベル及びビア・レベルの集合を含み、ビア・レベルは、１つ以上の誘電体層に埋め込まれた導電性ビアを含み、ビア・レベルの誘電体層は、隣接レベルのライン機構の上下に位置する固体であり、ライン機構の間でミシン目が入れられている。ライン・レベルは導電性ラインと、空隙を含む誘電体とを含む。導電性接点を含み、有孔誘電体層内に充填することによって形成された固体誘電性ブリッジ層は、散在したライン及びビア・レベルの集合上に配置されている。【選択図】図１５
2007305986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体及び気体誘電体の組み合わせによって離間された相互接続した導電性配線及びビアを含む多層相互接続構造を形成する方法であって、
（ａ）  １つ以上の永久誘電体層を含むパターン化されたビア・レベル誘電体を含む構造を供給し、第１プレーナ「ライン・レベル」上に配置された前記パターン化されたビア・レベル誘電体が、犠牲プレース・ホルダ誘電体に埋め込まれた導電性機構を有し、ビア・キャビティと、前記犠牲プレース・ホルダ誘電体をその後に移送するための孔とを有するように全厚さにわたってパターン化し、
（ｂ）  前記パターン化されたビア・レベル誘電体上の犠牲プレース・ホルダ誘電体のパターン化された第２プレーナ・ライン・レベル層を形成し、前記第２ライン・レベル誘電体が、ライン・キャビティを有するように全厚さにわたってパターン化し、
（ｃ）  導電性接着／障壁材料の１つ以上の層を前記ビア及びライン・キャビティに沿って並べ、低抵抗率の導電性材料で前記ビア及び前記ライン・キャビティを充填してプレーナ構造を形成し、
（ｄ）  孔を有する誘電性ブリッジ層を前記プレーナ構造上に形成し、
（ｅ）  前記孔から前記プレース・ホルダ材料を少なくとも部分的に抽出することによって空隙を形成するステップを含む方法。
【請求項２】
ステップ（ｄ）を実行する前に複数レベル構造を供給するため、ステップ（ａ）〜（ｃ）が少なくとも１度繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
所望のライン厚さに近似する厚さを有する前記犠牲プレース・ホルダ誘電体を形成するステップと、
ライン・パターンに対応するキャビティを形成するステップと、
導電性ライナ材料または導電性障壁材料あるいはその両方の１つ以上の層を全面的に堆積するステップと、
低抵抗率の導電性材料で過度に充填するステップと、
前記過度に充填した材料と、前記キャビティの外部にある前記導電性ライナ材料との両方を除去するように前記導電性材料を平坦化するステップと、
によって前記第１プレーナ「ライン・レベル」が形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１プレーナ「ライン・レベル」が、下にあるビア・レベルに対して固体永久誘電体を有し、ライン・レベル誘電体に対して犠牲プレース・ホルダ誘電体を有するデュアル・ダマシンの「ビア及び第１ライン・レベル」対によって置き換えられる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記抽出する処理後、前記ブリッジ層内の前記ミシン目をピンチオフ誘電体材料で封止することを更に含み、前記ピンチオフ誘電体が、前記誘電性ブリッジ層の前記材料と同じまたは異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記導電性ラインまたはビア機構あるいはその両方の少なくとも幾つかに側壁スペーサを形成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記側壁スペーサを形成することが、
側壁スペーサ材料のライナを、前記犠牲材料をパターン化することによって形成されたキャビティの側壁及び底壁に沿って形成することと、
前記側壁スペーサ材料を異方性エッチングして、前記側壁には前記側壁スペーサ材料を残すが、前記キャビティの前記底壁から前記側壁スペーサ材料を除去することと
を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記側壁スペーサを形成することが、
前記犠牲プレース・ホルダ誘電体の露出した側壁部分を不溶性の永久誘電体に変換することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
露出し平坦化した導電性ライン面に無電解金属を選択的に被着することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記プレース・ホルダ材料が熱分解、ウェット・エッチング、蒸気ＨＦまたはＸｅＦ２エッチング、プラズマ・エッチングまたは反応性イオン・エッチングの少なくとも１つによって除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
超臨界流体（ＳＣＦ）抽出によって前記プレース・ホルダ材料が抽出される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＳＣＦ抽出が、共溶媒添加剤を持つ、または持たないＳＣＦ  ＣＯ２を用いる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
空隙を含む複数レベルの相互接続構造であって、前記相互接続構造が、散在したライン・レベル及びビア・レベルの集合を含み、前記ライン・レベルが導電性ラインと、空隙を含む誘電体とを含み、前記ビア・レベルが、１つ以上の誘電体層に埋め込まれた導電性ビアを含み、前記ビア・レベルの前記誘電体層が、隣接レベルのライン機構の上下に位置する固体であり、ライン機構の間で孔が入れられ、導電性接点を含む固体誘電性ブリッジ層が、前記散在したライン・レベル及びビア・レベルの集合上に配置されている相互接続構造。
【請求項１４】
前記ブリッジ層が、貫通孔を含む第１誘電体材料セットの１つ以上の層と、前記孔を過度に充填しピンチオフする第２誘電体材料セットの１つ以上の層とを含む、請求項１３に記載の相互接続構造。
【請求項１５】
前記導電性ビアまたはラインあるいはその両方の一部または全部の上に誘電性側壁スペーサを更に含む、請求項１３に記載の相互接続構造。
【請求項１６】
前記導電性ビア及び前記導電性ラインが、金属、金属窒化物、金属窒化ケイ素、金属ケイ素化合物、及び、それらの合金、混合体または多層から成る群から選択された同じまたは異なる導電性材料を含む、請求項１３に記載の相互接続構造。
【請求項１７】
前記ビア・レベルの前記１つ以上の誘電体が、ケイ素含有材料と、Ｇｅによって置き換えられるＳｉの一部または全部を有するケイ素含有材料と、無機酸化物と、無機ポリマーと、有機ポリマーと、炭素含有材料と、有機無機材料と、Ｆ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｇｅを含む群から選択された１つ以上の添加剤を持つ、または持たないダイアモンド状炭素と、絶縁金属酸化物または窒化物と、それらの混合体、多層及び層化組み合わせとから成る群から選択される、請求項１３に記載の相互接続構造。
【請求項１８】
前記ブリッジ層材料が、ケイ素含有材料と、Ｇｅによって置き換えられるＳｉの一部または全部を有するケイ素含有材料と、無機酸化物と、無機ポリマーと、有機ポリマーと、炭素含有材料と、有機無機材料と、Ｆ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｇｅを含む群から選択された１つ以上の添加剤を持つ、または持たないダイアモンド状炭素と、絶縁金属酸化物または窒化物と、それらの混合体、多層及び層化組み合わせとから成る群から選択される、請求項１３に記載の相互接続構造。
【請求項１９】
前記ビア・レベル及びブリッジ層誘電体が、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）または炭化ケイ素（ＳｉＣＨ）の誘電性障壁材料の下位層と、ＳｉＯ２状またはＳｉＣＯＨ材料である低ｋ誘電体の上位層とを含む、請求項１３に記載の相互接続構造。
【請求項２０】
前記第２誘電体材料セットが、ケイ素含有材料と、Ｇｅによって置き換えられるＳｉの一部または全部を有するケイ素含有材料と、無機酸化物と、無機ポリマーと、有機ポリマーと、炭素含有材料と、有機無機材料と、Ｆ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｇｅを含む群から選択された１つ以上の添加剤を持つ、または持たないダイアモンド状炭素と、絶縁金属酸化物または窒化物と、それらの混合体、多層及び層化組み合わせとから成る群から選択される、請求項１４に記載の相互接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大規模集積回路（ＶＬＳＩ）及び超大規模集積回路（ＵＬＳＩ）装置用の、空隙を含む金属／絶縁体相互接続構造及びパッケージ化に関し、特に、複数レベルの多層相互接続構造への空隙の組み込みに関連する構造、方法及び材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＶＬＳＩ）または超大規模集積回路（ＵＬＳＩ）半導体チップの装置相互接続は、トレースと称する金属配線層のパターンを含む複数レベルの相互接続構造によって典型的にもたらされる。配線の所定のトレースまたはレベル内の配線構造がレベル内誘導体によって分離されているのに対して、個々の配線レベルは、中間誘電体の層によって互いに分離されている。導電性ビアは、配線トレース間に中間接点を供給するように中間誘電体内に形成されている。
【０００３】
信号伝搬遅延へのこれらの影響によって、これら相互接続構造の材料及び割り付けは、チップ速度すなわちチップ性能にかなりの影響を及ぼすことがある。信号伝搬遅延は、ＲＣ時定数が原因である。ここで、Ｒはオンチップ配線の抵抗であり、Ｃは複数レベルの相互接続積層体内の信号ラインと周囲の導体との間の有効静電容量である。ＲＣ時定数は、配線材料の比抵抗を下げ、低誘電率ｋ（約４．０以下のｋ、好ましくは約３．５以下のｋ）を有する中間及びレベル間誘電体（ＩＬＤ）を用いることによって減少される。本明細書で記述されているすべての誘電率は、特に断りのない限り、真空に対するものである。
【０００４】
低ＲＣ相互接続構造の典型的な従来技術の金属／誘電体組み合わせは、ＳｉＯ２（約４．０程度のｋ）のような誘電体を有する銅（Ｃｕ）金属を含む。銅をサブトラクティブ的にパターン化することが困難なので、銅を含む相互接続構造は、ダマシン処理によって典型的に製造される。ダマシン処理では、誘電体の層内に差し込まれた金属パターンは、（ｉ）（ビア）孔または（配線）トレンチを中間またはレベル内誘電体内にエッチングするステップと、（ｉｉ）孔またはトレンチに沿って１つ以上の接着または拡散障壁層を任意に並べるステップと、（ｉｉｉ）孔またはトレンチを金属配線材料で過度に充填するステップと、（ｉｖ）過度に充填された金属を化学機械研磨（ＣＭＰ）のような平坦化処理によって除去して、誘電体の上面を有する金属を平坦にしておくステップとによって形成される。この処理は、所望の数の配線及びビア・レベルが製造されるまで繰り返される。
【０００５】
配線レベル及びその下にあるビア・レベルのパターン化されたキャビティが同じ堆積ステップにおいて金属で充填されるデュアル・ダマシンとして知られている処理変形を用いることによって、ダマシン処理による相互接続構造の製造をかなり単純化することがある。これは、金属研磨ステップの数を１／２に減少させ、かなりの費用を節約させるが、結合されたビア及び配線レベル誘電体内にデュアル・リリーフ・パターンを導入することを必要とする。
【０００６】
誘電体ＳｉＯ２の代わりとなる低誘電率材料には、水素化アモルファス炭素（ａ‐Ｃ：Ｈ）としても知られているダイアモンド状炭素（ＤＬＣ）、フッ素化ＤＬＣ（ＦＤＬＣ）、ＳｉＣＯまたはＳｉＣＯＨ化合物、及び、有機または無機ポリマー誘電体のような炭素系固体材料が含まれる。ＳｉＯ２及び幾つかの炭素系材料のナノ多孔質は、更に低いｋ値を有するのに対して、空隙は、任意の材料の最も低いｋ値（約１．００程度のｋ）を有する。空隙の空気は任意の気体材料を含むことがあり、または、真空であることがあるということに留意すべきである。
【０００７】
空隙を組み込む多層相互接続構造の例として記述されているものがある（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。
【０００８】
空隙を形成する１つの好適な従来技術の方法は、固体の半透性または有孔ブリッジ層の下から除去または抽出される犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）材料を用いる。ＳＰＨ材料及び除去方法の例として、有機溶剤、酸素灰化及び低温（約２００℃）酸化のいずれか１つまたは任意の組み合わせによって除去することができるポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリパラキシリレン（Ｐａｒｙｌｅｎｅ（登録商標））、アモルファス炭素及びポリスチレン、揮発性への低温（３５０℃〜４００℃）熱分解によって除去することができるＢＦグッドリッチ社のＵｎｉｔｙ  Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ  Ｐｏｌｙｍｅｒ（登録商標）のようなノルボルネン系材料、並びに、ＸｅＦ２蒸気を用いて除去されるａ‐ＳｉまたはポリＳｉが挙げられる。
【０００９】
固体誘導体を有する構造に比較して、空隙に基づく構造は、低い熱伝導率、減少された機械的強度、並びに、湿気及び酸素に対して高い浸透性を有する。空隙を相互接続構造に組み入れる実行可能な方法は、これらの制限を考慮しなければならない。更に、空隙誘電体に関する別の懸念は、配線機構が、固体誘電体内に埋め込まれていることによってもはや寸法的に制約されないため、誘電体が金属配線機構を、エレクトロマイグレーション主導の大量輸送によって引き起こされる開路及び短絡に更に影響されやすくするということである。
【００１０】
別の懸念は、空隙を有する構造が、本質的に一層剛固な固体誘電体で形成された構造と同じに一様なプレーナとなることができないということである。このことは、ブリッジ層が、局所的にくぼみ領域を生成する未支持の空隙上でたわむ場合に問題になる可能性がある。これらのくぼみ領域を充填する任意の金属は、ＣＭＰ後でも構造内に残存し、短絡または余分な静電容量あるいはその両方の原因となる。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５４６１００３号
【特許文献２】米国特許第５８６９８８０号
【特許文献３】米国特許第５５５９０５５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術の空隙を含む相互接続構造に関する上述の欠点を考慮して、新たな改善された空隙を含む相互接続構造及びその製造方法を引き続き進展させる必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、空隙を含む高信頼性かつ高性能の多層相互接続構造を提供する。特に、本発明は、エレクトロマイグレーション故障及び環境腐食に耐える、空隙を含む相互接続構造を提供する。
【００１４】
本発明は、未支持の配線の量を最小限にしながら、（誘電体の総体積分率に対する）空隙体積分率を最大限にする、空隙を含む相互接続構造を更に提供する。
【００１５】
本発明は、空隙を組み込む複数レベルの相互接続構造を製造する費用効果的かつスケーラブルな方法も提供する。
【００１６】
本発明の一実施形態では、本発明は、構造製造中に構造内の空隙が受ける処理の潜在的な損傷量を最小限にする、空隙を含む相互接続構造を形成する方法を提供する。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、（ｉ）犠牲プレース・ホルダ材料の抽出、並びに、（ｉｉ）犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）を除去する必要があるブリッジ層の形成、パターン化及びピンチオフと関連する余分なステップの数を最小限にする、空隙を含む相互接続構造を形成することができる方法を提供する。
【００１８】
一般的に、本発明は、空隙を含む複数レベルの相互接続構造及びその実行可能な直接的製造方法を提供する。構造の好適な実施形態には、（ラインの下のみに固体誘電体を有し、ライン間には、有孔の固体誘電体を有する）「空隙及び固体」ビア・レベル誘電体と、ほとんど空隙のライン・レベル誘電体との組み合わせが含まれる。製造方法は、ビア・レベル内に有孔の永久誘電体を含み、ライン・レベル内に犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）材料を含む誘電体マトリクスに埋め込まれたプレーナのデュアル・ダマシン「ビア及びライン・レベル」対を構築する。所望数のレベル対を組立てた後、孔またはミシン目状の孔を含む誘電性ブリッジ層を構造上に形成する。次に、永久誘電体を残すように、すべてのレベル内のＳＰＨを有孔ブリッジ層から選択的に除去する。空隙構造製造の終了時にＳＰＨ除去及び空隙形成を同時に実行するので、構造の下位レベルの空隙は複数レベルの処理に耐える必要がない。ＳＰＨ抽出後、ブリッジ層内の孔を追加の誘電体堆積ステップによってピンチオフする。
【００１９】
前述した第１のこの実施形態の変形では、空隙を含まない追加の配線及びビア・レベルを、空隙を含む構造上に構築して、下位ライン・レベルに空隙を含み、上位ライン・レベルに固体誘電体を含む更に複雑な相互接続構造を形成することができる。ほとんど同じ処理シーケンスを有する第２の実施形態では、相互接続構造のラインまたはビアあるいはその両方の側壁上に誘電性側壁スペーサを形成することができる。これらスペーサは構造の有効誘電率ｋｅｆｆを増大させながら、機械及びエレクトロマイグレーション保護、並びに、アーク放電可能性の減少において利益が期待される。
【００２０】
一般的に、本発明は、固体及び気体誘電体の組み合わせによって離間された相互接続した導電性配線及びビアを含む多層相互接続構造を形成する方法を提供し、この方法は、
（ａ）  １つ以上の永久誘電体層を含むパターン化されたビア・レベル誘電体を含む初期構造を供給し、第１プレーナ「ライン・レベル」上に配置されたパターン化されたビア・レベル誘電体が、犠牲プレース・ホルダ誘電体に埋め込まれた導電性機構を有し、ビア・キャビティと、犠牲プレース・ホルダ誘電体をその後に移送するための孔とを有するように全厚さにわたってパターン化されることと、
（ｂ）  パターン化されたビア・レベル誘電体上の犠牲プレース・ホルダ誘電体のパターン化された第２プレーナ・ライン・レベル層を形成し、第２ライン・レベル誘電体が、ライン・キャビティを有するように全厚さにわたってパターン化されることと、
（ｃ）  導電性接着／障壁材料の１つ以上の層をビア及びライン・キャビティに沿って並べ、低抵抗率の導電性材料でビア及びライン・キャビティを充填してプレーナ構造を形成することと、
（ｄ）  孔を有する誘電性ブリッジ層をプレーナ構造上に形成することと、
（ｅ）  孔からプレース・ホルダ材料を少なくとも部分的に抽出することによって空隙を形成することと
を含む。
【００２１】
本発明の幾つかの実施形態では、複数レベル構造を供給するため、ステップ（ａ）〜（ｃ）が少なくとも１度（すなわち、少なくとも１回以上）繰り返される。本願を通じて、「低抵抗率」なる用語は、導電性材料が約３μΩ・ｃｍ以下の体抵抗率を有することを意味するのに用いられることに留意すべきである。「低ｋ誘電体」なる用語は、誘電体材料が約４．０以下の誘電率を有することを意味する。
【００２２】
典型的に、本願のステップ（ａ）で供給する初期構造は基板上に配置される。
【００２３】
前述の方法に加えて、本発明は、空隙を含む複数レベルの相互接続構造を提供し、この相互接続構造は、散在したライン・レベル及びビア・レベルの集合を含み、ライン・レベルは導電性ラインと、空隙を含む誘電体とを含み、ビア・レベルは、１つ以上の誘電体層に埋め込まれた導電性ビアを含み、ビア・レベルの誘電体層は、隣接レベルのライン機構の上下に位置する固体であり、ライン機構の間でミシン目が入れられ、導電性接点を含む固体誘電性ブリッジ層は、散在したライン・レベル及びビア・レベルの集合上に配置されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の前述及びその他の特徴、目的及び利点は、図面と併せて理解する本発明の以下の詳細な説明を考慮することによって明らかになる。
【００２５】
空隙を含む高性能の多層相互接続構造及びその製造方法を提供する本発明を、次に、以下の説明及び添付図面を参照することによって更に詳細に説明する。図面は例示目的のために提供され、従って、実際のものに正比例させて描いていないことに留意すべきである。特定の図面を理解するのに必要とされない場合には、一連の図面に示されている符号は次の図面で繰り返されていない。
【００２６】
以下の記述では、本発明を充分に理解するため、特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ及び技術のような多くの具体的な詳細を説明する。しかし、これら具体的な詳細を用いずに本発明を実施できることは当業者にとって明らかである。その他の場合では、本発明を曖昧にすることを回避するため、周知の構造または処理ステップを詳細に説明していない。
【００２７】
図１〜１５は、空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。図１は、所望のライン・レベルの厚さにほぼ等しい厚さの組み合わせを有する任意の誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０及び誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０を被着した後の（通常、導電性領域及び絶縁性領域が散在した装置を含む）基板１００を示している。
【００２８】
図２は、ライン・キャビティ１３０を形成するように誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０及び誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０をパターン化した後の図１の構造を示している。ライン・キャビティ１３０を規定するのに用いられるマスキング層は示されていない。キャビティ形成の直後に、または、更に処理を進め、ある時点で（例えば、研磨停止層として用いられた後）、マスキング層を除去することができる。あるいはまた、マスキング層の全部または一部は、最終構造内に残存することができる。次に、ライン・キャビティ１３０に沿って導電性接着／拡散障壁材料１４０を並べ、次に、導電性接着／拡散障壁材料１４０と同じまたは異なることができる導電性配線／ビア材料１５０で過度に充填する。次に、化学機械研磨のような処理によって過度の充填を除去して、導電性ライン構造１６０を有する図４のプレーナ構造を残す。
【００２９】
図５は、導電性ビアに望ましい概算の厚さを有する組み合わされたビア・レベル誘電体１９０を形成するように任意の誘電性エッチ停止／障壁／接着層１７０及び永久誘電体１８０を被着した後の図４の構造を示している。次に、ビア・レベル誘電体１９０を、（後で、導電性ビア材料で充填する）ビア・キャビティ２００と、（後で、誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０を抽出する）ミシン目２１０とを含むようにパターン化して図６の構造を形成する。本発明の重要な構成要素は、図６のビア・キャビティ２００及びミシン目２１０が単一マスキング・ステップ中に同時に規定され、従って、これら機構が別々に規定された場合に必要とされるリソグラフィ及び位置合わせステップを省くということである。孔２１０は最小リソグラフィ寸法を典型的に有し、好ましくは、ミシン目２１０を、（ｉ）これよりも下のレベル内に以前形成した導電性ライン上で終端せず、（ｉｉ）これよりも上のレベル内に次に形成するライン上で終端しないように位置付ける。ミシン目２１０を、割り付け幾何学的形状と、密に離間されたミシン目を含むビア・レベル誘電体の機械的強度と、所望の抽出効率に必要とされるＳＰＨ材料へのアクセスの度合いとに応じて最小リソグラフィ寸法から数μｍまでの範囲の距離だけ離間することができる。ナノ技術の当業者にとって既知である（自己組み立てのような）高度な技術の可用性に影響されやすい最低限度未満のリソグラフィ寸法を有するようにもミシン目２１０を設計することができる。
【００３０】
当業者にとって既知である反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）のような任意のエッチング処理によって図６のビア・キャビティ２００及びミシン目２１０を形成することができる。好ましくは、エッチ停止／障壁／接着層１７０が永久誘電体１８０のＲＩＥパターン化のエッチ停止層として作用する２ステップのＲＩＥ処理でビア・キャビティ２００及びミシン目２１０を形成する。
【００３１】
図７は、パターン化されたビア・レベル誘電体１９０上に誘電性ＳＰＨ層２２０を被着した後の図６の構造を示している。ＳＰＨ層２２０は、プレーナ上面と、（図示のように）部分的に、または完全に（図示せず）ビア・キャビティ２００及びミシン目２１０内に延在することができる下面とを有する。次に、当業者にとって既知であるＲＩＥのようなエッチング処理によってＳＰＨ層２２０をパターン化して、ライン・キャビティ２４０を有する図８の構造を形成する。好ましくは、永久誘電体１８０はＳＰＨ層２２０のＲＩＥパターン化のエッチ停止層として作用する。
【００３２】
ライン・キャビティ２４０の幾つかはビア・キャビティ２００と接触し、ライン・キャビティ２４０に沿って次に導電性接着／拡散障壁材料２５０を並べ、次に、導電性接着／拡散障壁材料２５０と同じまたは異なることができる導電性配線／ビア材料２６０で過度に充填して図９の構造を形成する。次に、化学機械研磨のような処理によって過度の充填を除去して図１０のプレーナ構造を残す。導電性ビア構造２７０及びライン構造２８０は、デュアル・ダマシン処理の顕著な特徴である単一平坦化ステップのみを用いて形成されていることに留意すべきである。
【００３３】
図５〜図１０のステップを繰り返して所望の数だけライン及びビア・レベルを形成した後、図１１の構造を形成するように誘電性ブリッジ層２９０を堆積する。誘電性ブリッジ層２９０は、任意の誘電性エッチ停止／障壁／接着層３００及び低ｋ誘電体層３１０を含む。次に、（ＳＰＨを続いて抽出する）ミシン目３２０を含むように誘電性ブリッジ層２９０をパターン化して図１２の構造を生成する。当該技術分野で既知である任意の方法によってミシン目３２０を形成することができる。１つの好適な方法は、リソグラフィで規定されたマスクを介する反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）である。ミシン目３２０は、導電性ライン構造２８０よりもＳＰＨ層２２０上で終端するのが好ましい。導電性機構の高密度によって、可能な限りＳＰＨを除去することが重要になる領域にミシン目３２０を密接に離間することができるのに対して、ブリッジ層を支持するために構造内にＳＰＨを残すのが好ましい領域にはミシン目３２０をまばらに離間するか、または存在させないことができる。
【００３４】
次に、空隙３３０を有する図１３の構造を形成するように図１２の誘電性ＳＰＨ層１２０及びＳＰＨ層２２０を抽出する。適切な抽出方法には、（反応気体を用いる、または用いない）熱分解と、Ｈ、Ｈ２、Ｏ、Ｏ２、Ｎ、Ｎ２、Ｆ、ＣＦ４、その他のハロゲン含有気体、及び、Ａｒのいずれか１つまたは任意の組み合わせを含むことができる混合体において熱を用いる、または用いないプラズマ・エッチングまたは反応性イオン・エッチングあるいはその両方と、蒸気ＨＦまたはＸｅＦ２と、ウェット・エッチング方法と、添加剤または共溶媒を用いる、または用いない超臨界流体（ＳＣＦ）（例えば、ＣＯ２）とを含めることができる。しかし、抽出方法が選択可能であることは重要である。ブリッジ層、永久（ビア・レベル）誘電体、または、導電性配線及びライナを損傷することなくＳＰＨを除去する必要がある。従って、最適な抽出方法の選択は、相互接続構造のＳＰＨ及び永久部分に用いられた正確な材料に密接に関係する。
【００３５】
最後に、誘電性ブリッジ層２９０内のミシン目３２０を封止する。図１４に示すような密閉空隙３５０を形成するように様々な堆積処理によってミシン目を充填または「ピンチオフ」することができる。所望に応じて、ピンチオフ・ステップにおいて堆積される材料を、化学機械研磨のような処理によって、または、ＲＩＥに続く平坦化誘電体の被着によって平坦化することができる。次に、図１５の構造を形成するように導電性接着／障壁層３７０及び導電性接点材料３８０を含む追加の接点３６０のために選択した箇所でピンチオフ・ブリッジ層３００／３４０を開口する。密閉空隙３５０の内容物にＡｒ、Ｏ２、Ｎ２、Ｈｅ、ＣＯ２、ＳＦ６、ＣＦ４、その他の気体、真空またはこれらの混合体を含めることができ、接点３６０は、追加の配線レベルの相互接続に対してビアの形態を有することもできることに留意すべきである。
【００３６】
好適なピンチオフ処理は、０．２μｍ直径の孔またはミシン目状の孔を含むように予めパターン化された１μｍ厚さのＰＥＣＶＤ  ＳｉＯ２誘電性ブリッジ層上に１μｍ厚さのＰＥＣＶＤ  ＳｉＯ２層を堆積することを含むことができる。別個のピンチオフ層の堆積を必要としない方法によってもミシン目３２０を密封することができる。例えば、熱の適用、プラズマの侵入、電子ビーム放射、ＵＶ放射及びレーザ放射のいずれか１つまたは任意の組み合わせの間、ミシン目３２０を自己封止させることができる。あるいはまた、ピンチオフ層３４０の材料が誘電性ブリッジ層２９０上に累積するよりもミシン目３２０を優先的にふさぐように選択的にピンチオフ層３４０を堆積することができる。
【００３７】
誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０、誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０、エッチ停止／障壁／接着層１７０及び永久誘電体１８０を含むビア及びライン・レベルの様々な誘電体を、水素化アモルファス・シリコン（ａ‐Ｓｉ：Ｈ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙ、ＳｉＣ、ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨ及びＳｉＣＨ化合物のようなケイ素含有材料と、Ｇｅによって置き換えられるＳｉの一部または全部を有するケイ素含有材料と、絶縁金属酸化物または窒化物と、無機酸化物と、無機ポリマーと、ポリイミドまたはＳｉＬＫ（登録商標）のような有機ポリマーと、その他の炭素含有材料と、スピンオン・ガラス及びシルセスキオキサン系材料のような有機無機材料と、Ｆ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、金属及び非金属を含む群から選択された１つ以上の添加剤を持つ、または持たないダイアモンド状炭素（水素化アモルファス炭素（ａ‐Ｃ：Ｈ）としても知られているＤＬＣ）とから成る群から選択することができる。１つ以上のビア・レベル誘電体またはライン・レベル誘電体あるいはその両方に対する追加の選択は、多孔質形態で、または、処理中、多孔質または浸透性あるいはその両方へ変化するか、または、多孔質または浸透性あるいはその両方から非多孔質または非浸透性あるいはその両方へ変化する形態で前述の材料のいずれかを含む。また、誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０、誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０、エッチ停止／障壁／接着層１７０及び永久誘電体１８０を、前述の材料の混合体、多層または層化組み合わせとすることができる。ビア・レベル誘電体１９０に対して特に好ましい選択は、エッチ停止／障壁／接着層１７０に対してＳｉＣＨのような低ｋ障壁材料を含み、永久誘電体１８０に対してＳｉＯ２またはＳｉＣＯＨタイプの材料を含む。
【００３８】
誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０、誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０、エッチ停止／障壁／接着層１７０及び永久誘電体１８０を同じ材料、異なる材料または任意の組み合わせから形成することができる。当業者にとって周知である溶液からのスピン、溶液からの噴霧、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、スパッタ堆積、反応性スパッタ堆積、イオンビーム堆積及び蒸着を含むがこれらに限定されない様々な方法によって誘電体を形成することができる。
【００３９】
１つ以上の低ｋ材料の１つ以上の層、例えば、ＳｉＯ２、ａ‐Ｓｉ：Ｃ：Ｈ（ブロック）、ＳｉＣＯＨまたはＳｉＮｘの単一層、ＳｉＮｘまたはａ‐Ｓｉ：Ｃ：Ｈの層上にＳｉＯ２の層を含む２層、ＳｉＮｘまたはａ‐Ｓｉ：Ｃ：Ｈの最下層上にあるＳｉＯ２の中間層上のＳｉＮｘまたはａ‐Ｓｉ：Ｃ：Ｈの最上層を含む３層から誘電性ブリッジ層２９０を形成するのが好ましい。しかし、誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０、誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０、エッチ停止／障壁／接着層１７０及び永久誘電体１８０の可能性としてリストした材料及び堆積処理のいずれかを用いることができる。
【００４０】
誘電性ＳＰＨ層１２０及びＳＰＨ層２２０は全く同じ低誘電率材料または誘電体であることを必要とされない。しかし、ＳＰＨ材料は（処理の簡易化のため）全く同じであるのが好ましく、（抽出処理後に残った任意のＳＰＨの残余が相互接続構造をショートしないように、または、顕著な静電容量を追加しないように）誘電体及び低誘電率材料であるのが好ましい。誘電性ＳＰＨ層１２０及びＳＰＨ層２２０は、抽出前に必要とされる様々な堆積及び処理ステップに耐えるために充分熱的に安定しているのが好ましい。
【００４１】
選択的な抽出処理が存在する実行可能なＳＰＨ及び永久ビア・レベル誘電体の対は、ＳＰＨに対して有機物を含み、永久誘電体に対してＳｉＯ２またはＳｉＣＯＨを含み、有機物を、（多孔質または非多孔質）ＳｉＬＫ（登録商標）、ポリイミド、添加剤を持つ、または持たないアモルファス炭素（ａ‐Ｃ：Ｈ）のような材料、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリパラキシリレン（Ｐａｒｙｌｅｎｅ（登録商標））のような低熱安定材料、ＢＦグッドリッチ社のＵｎｉｔｙ  Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ  Ｐｏｌｙｍｅｒ（登録商標）のようなノルボルネン系材料、または、誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０、誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０、エッチ停止／障壁／接着層１７０及び永久誘電体１８０の可能性としてリストしたその他の有機材料のいずれかとすることができる。特に、その他のＳＰＨ／永久ビア・レベル誘電体組み合わせを、誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０、誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０、エッチ停止／障壁／接着層１７０及び永久誘電体１８０の可能性としてリストした材料のいずれかから選択することができる。
【００４２】
Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ａｌ‐Ｃｕ、Ｃｕ‐Ａｌ、Ｃｕ‐Ｉｎ、Ｃｕ‐Ｓｎ、Ｃｕ‐Ｍｇ及びＣｕＳｉの金属またはそれら合金から導電性配線／ビア材料１５０，２６０を典型的に形成する。導電性接着／拡散障壁材料１４０，２５０は典型的に、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＴａＡｌＮ、ＴｉＡｌＮを含む金属窒化物と、金属窒化ケイ素と、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｏ‐Ｐ、Ｃｏ‐Ｗ‐Ｐ、Ｎｉ、Ｎｉ‐Ｐ、Ｐｄ、Ｗ、Ａｌを含む金属と、金属ケイ素化合物と、前述の材料の合金、混合体及び多層との群から選択された１つ以上の層である。これら導電性材料を、当業者にとって周知である溶液からのスピン、溶液からの噴霧、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、スパッタ堆積、反応性スパッタ堆積、イオンビーム堆積、無電解または電解めっき、及び、蒸着を含むがこれらに限定されない様々な方法によって形成することができる。
【００４３】
図１６〜図１８には、１つの好適な材料選択に対するＳＰＨ抽出ステップの例示的な結果を示す。図１６及び図１７には、有孔ブリッジ層からのＳＰＨ抽出の前と後の単一層配線構造の概略図を示し、図１８には、Ｃｕ配線、ＰＥＣＶＤによって準備された有機ダイアモンド状炭素（ａ‐Ｃ：Ｈ）ＳＰＨ材料、及び、ＳｉＯ２ブリッジ層の場合である図１７の構造の走査電子顕微鏡写真を示す。（約０．２２Ｗ／ｃｍ２の電力密度に対応する）７０ＷのＲＦ電力、１５０℃の基板温度及び６０ｓｃｃｍのＯ２流量を用いて高圧（１０００ｍＴｏｒｒ（１３３．３Ｐａ））のＯ２ＲＩＥ処理でＳＰＨの抽出を実行した。これら条件の下、ＳＰＨ材料の水平エッチ速度は、約１０〜１３μｍ／ｈｒであった。図１８には、７０分のエッチング後の試料を示す。
【００４４】
図１９〜図２３は、ビア・キャビティ２００及びミシン目２１０内に部分的に延在するとして図７に示したＳＰＨ層２２０を形成する２つのアプローチを示す断面図である。ＳＰＨ層２２０で完全に空隙を充填するか、（図７に示すように）部分的に空隙を充填するか、または、全く空隙を充填しないことができる。図２０には、完全に空隙を充填したＳＰＨ層４００を被着した後の、パターン化されたビア・レベル誘電体１９０を有する図１９の構造を示す。プレーナ面４１０を有する図２１の構造を形成するようにＳＰＨ層４００をＣＭＰのような処理によって平坦化することができる。次に、プレーナ面４１０上に第２のＳＰＨ層４２０を形成して、図７におけるＳＰＨ層２２０と等価なものを形成する。あるいはまた、ほとんどまたは全く空隙を充填していないＳＰＨ材料を選択して、ＳＰＨ層４３０を有する図２３の構造を生成することができる。ＳＰＨ層４３０は、図７におけるＳＰＨ層２２０と等価なものである。ＳＰＨ層４００、４２０及び４３０は、誘電性ＳＰＨ層１２０及びＳＰＨ層２２０に対して前述した一連の材料から選択される。
【００４５】
図２４〜図２７は、配線機構またはビア機構あるいはその両方上に誘電性側壁スペーサを形成する実行可能な方法を示す断面図である。導電性ライン機構の側壁上の誘電性側壁スペーサは、幾つかの重要な機能として作用することができる。第一に、スペーサは、配線構造からの導電性材料のエレクトロマイグレーション主導の大量輸送に対して導体を機械的に制約する。このことは、キャビティを残すために、元の配線から配線材料を拡散することによって生じる開路を防止し、突出部を形成するために、元の配線の外部で配線材料を構築することによって生じる短絡を防止するのに役立つ。更に、誘電性側壁スペーサは、空隙（例えば、酸素）において気体環境の汚染物質にさらされることから配線を保護し、半導体基板への進路を見つけ出すことがある配線材料の原子の起こりうるマイグレーション経路を遮断することができる。しかし、これらスペーサは、構造の有効誘電率ｋｅｆｆを高くし、処理ステップを追加することになることに留意すべきである。
【００４６】
ＳｉＯ２、ａ‐Ｓｉ：Ｃ：Ｈ（ブロック）、ＳｉＣＯＨ、シルセスキオキサン系材料、Ｓｉ含有有機物及びＳｉＮｘのような低ｋ材料から誘電性側壁スペーサを形成するのが好ましい。しかし、誘電性エッチ停止／障壁／接着層１１０及び誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層１２０の可能性としてリストした材料及び堆積処理のいずれかを用いることができる。これら誘電性側壁スペーサを形成する好適な処理シーケンスを図２４〜図２７に示す。図２４の構造上に誘電性スペーサ材料５００を共形ライナ層として堆積して図２５の構造を形成する。次に、スペーサ材料５００をＲＩＥのような処理によって異方性エッチングして、図２６に示すように、露出した水平領域を除去し、ビア・レベル側壁スペーサ５１０及びライン・レベル側壁スペーサ５２０を残す。あるいはまた、図２７に示すように、未変更のＳＰＨを除去するのに用いられる抽出処理に耐える側壁スペーサ層を形成するようにＳＰＨ層２２０の露出面を変更することによって図２４の構造から誘電性側壁スペーサ５３０を形成することができる。このアプローチは、ライン・レベル・キャビティ側壁及びビア・レベル・キャビティ側壁の両方よりも、（必要とされる場合に）ライン・レベル・キャビティ側壁のみに側壁スペーサ層を被着するという利点を有する。変更処理の例として、（ｉ）酸素灰化に耐えるケイ素含有材料を形成する有機ＳＰＨのシリル化、及び、（ｉｉ）多孔質ＳＰＨのプラズマ誘導表面緻密化／変更が挙げられる。
【００４７】
図２８及び図２９は、本発明の方法を用いて製造することができる図１５の構造の代替を示す断面図である。図２８には、構造の各層に組み込まれた（ＳＰＨの変形によって形成された）誘電性側壁スペーサ５３０を用いて製造された図１５の構造の一変形例を示す。相互接続構造層のどれにも誘電性側壁スペーサを組み込こまない、または、相互接続構造層の一部または全部に誘電性側壁スペーサを組み込むことができ、図２８は、ライン・レベルのみに側壁スペーサを有する構造の場合を示していることに留意すべきである。
【００４８】
図２９は、選択的無電解金属（例えば、Ｃｏ‐Ｐ、Ｃｏ‐Ｗ‐Ｐ、Ｎｉ‐Ｐなど）めっき処理を用いて導電性配線の露出面上に保護被膜５６０をどのように形成するかを示している。好適な実施形態では、これらめっきステップを、次のレベルのビア誘電体を堆積する前に、例えば、図４または図１０あるいはその両方の平坦化構造に導入する。
【００４９】
本発明を例示的に説明したが、当然のことながら、用いられた用語は、制限よりもむしろ説明の性質を帯びるものである。更に、幾つかの好適な実施形態に関して本発明を説明したが、当業者にとって、これら技術を本発明のその他の実行可能な変形に容易に適用できること明らかである。特に、シングル・ダマシンの下位ライン・レベル、並びに、デュアル・ダマシンの上位「ビア及びライン」レベルに対して本発明を詳細に説明したが、本発明の方法によって一部または全部形成された任意数の相互接続配線レベルを含む構造を形成するのに本発明の方法を用いることができる。更に、シングル・ダマシンのライン・レベルが、基板上に形成された相互接続構造の第１（一番下の）部分を含む場合について本発明を説明したが、基板内の適切な接点によって、相互接続構造のこの第１部分を、固体ビア・レベル誘電体及び犠牲ライン・レベル誘電体に埋め込まれたデュアル・ダマシンの「ビア及びライン」レベルで置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図２】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図３】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図４】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図５】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図６】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図７】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図８】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図９】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図１０】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図１１】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図１２】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図１３】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図１４】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図１５】空隙を含む相互接続構造を形成する本発明の基本ステップを示す断面図である。
【図１６】処理ステップの１つに対する例示的な結果を示す図である。
【図１７】処理ステップの１つに対する例示的な結果を示す図である。
【図１８】処理ステップの１つに対する例示的な結果を示す図である。
【図１９】図７の構造に機能的に全く同じ近似構造を形成する２つのアプローチを示す断面図である。
【図２０】図７の構造に機能的に全く同じ近似構造を形成する２つのアプローチを示す断面図である。
【図２１】図７の構造に機能的に全く同じ近似構造を形成する２つのアプローチを示す断面図である。
【図２２】図７の構造に機能的に全く同じ近似構造を形成する２つのアプローチを示す断面図である。
【図２３】図７の構造に機能的に全く同じ近似構造を形成する２つのアプローチを示す断面図である。
【図２４】配線機構またはビア機構あるいはその両方上に誘電性側壁スペーサを形成する実行可能な方法を示す断面図である。
【図２５】配線機構またはビア機構あるいはその両方上に誘電性側壁スペーサを形成する実行可能な方法を示す断面図である。
【図２６】配線機構またはビア機構あるいはその両方上に誘電性側壁スペーサを形成する実行可能な方法を示す断面図である。
【図２７】配線機構またはビア機構あるいはその両方上に誘電性側壁スペーサを形成する実行可能な方法を示す断面図である。
【図２８】本発明の基本方法の変形から生じる２つの構造変形を示す断面図である。
【図２９】本発明の基本方法の変形から生じる２つの構造変形を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１００  基板
１１０、３００  誘電性エッチ停止／障壁／接着層
１２０  誘電性犠牲プレース・ホルダ（ＳＰＨ）層
１３０、２４０  ライン・キャビティ
１４０、２５０  導電性接着／拡散障壁材料
１５０、２６０  導電性配線／ビア材料
１６０  導電性ライン構造
１７０  エッチ停止／障壁／接着層
１８０  永久誘電体
１９０  ビア・レベル誘電体
２００  ビア・キャビティ
２１０、３２０  ミシン目
２２０、４００、４２０、４３０  ＳＰＨ層
２７０  導電性ビア構造
２８０  ライン構造
２９０  誘電性ブリッジ層
３１０  低ｋ誘電体層
３３０  空隙
３４０  ピンチオフ層
３５０  密閉空隙
３００／３４０  ピンチオフ・ブリッジ層
３６０  接点
３７０  導電性接着／障壁層
３８０  導電性接点材料
４１０  プレーナ面
５００  スペーサ材料
５１０  ビア・レベル側壁スペーサ
５２０  ライン・レベル側壁スペーサ
５３０  誘電性側壁スペーサ
５６０  保護被膜
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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