(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面の一部が導電性の領域である基板上に形成され、多数の空隙を有する多孔質絶縁材料からなる多孔質絶縁膜と、
前記多孔質絶縁膜に形成され、前記導電性の領域まで達する凹部と、
前記凹部の側面及び底面を被覆する窒化ジルコニウム膜と、
前記窒化ジルコニウム膜の上に形成され、前記凹部内に埋め込まれた導電性部材と
を有し、
前記多孔質絶縁材料が、多孔質酸化シリコン、多孔質窒化酸化シリコン、多孔質窒化シリコン、多孔質フッ化酸化シリコン、及び多孔質絶縁性有機ポリマからなる群より選択された１つの材料であり、
前記導電性の領域が、金属または窒化チタンで形成されており、
前記窒化ジルコニウム膜は、前記導電性の領域の上において導電性を示し、前記多孔質絶縁膜が表れている側面上においては絶縁性を示す半導体装置。
【請求項２】
（ａ）上面の一部が導電性の領域である基板上に、多数の空隙を有する多孔質絶縁材料からなる多孔質絶縁膜を形成する工程と、
（ｂ）前記多孔質絶縁膜に、前記導電性の領域まで達する凹部を形成する工程と、
（ｃ）前記凹部の内面を、窒化ジルコニウム膜で被覆する工程と、
（ｄ）前記凹部内に導電性部材を埋め込む工程と
を有し、
前記多孔質絶縁材料が、多孔質酸化シリコン、多孔質窒化酸化シリコン、多孔質窒化シリコン、多孔質フッ化酸化シリコン、及び多孔質絶縁性有機ポリマからなる群より選択された１つの材料であり、
前記導電性の領域が、金属または窒化チタンで形成されており、
前記工程（ｃ）において、前記多孔質絶縁膜が露出した領域上では絶縁性を示し、前記導電性の領域上では導電性を示す条件で前記窒化ジルコニウム膜を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）において、ＣＶＤ、スパッタリング、または蒸着により前記窒化ジルコニウム膜を形成する請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）において、ＣＶＤにより、成膜温度３００〜４００℃で前記窒化ジルコニウム膜を形成する請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｃ）において、前記窒化ジルコニウム膜の厚さが２０ｎｍ以下になるように該窒化ジルコニウムを形成する請求項２乃至４のいずれか１項に記載の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、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に多孔質絶縁材料を用いた絶縁膜を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路装置の配線の高密度化及び微細化に伴い、配線間の寄生容量が増大し、配線を伝搬する信号の遅延が顕在化してきた。信号の伝搬遅延を少なくするために、電気抵抗の低い銅配線が使用され、配線間の絶縁膜の材料として誘電率の低い多孔質材料が使用され始めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
絶縁膜材料として多孔質材料を使用し、配線の高密度化及び微細化を進めると、配線間の絶縁不良によって半導体装置の信頼性が低下しやすいことがわかった。
【０００４】
本発明の目的は、多孔質材料を使用しても信頼性の低下を防止することができる半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、上面の一部が導電性の領域であり、他の領域が絶縁性の領域である基板上に形成され、多数の空隙を有する多孔質絶縁材料からなる多孔質絶縁膜と、前記多孔質絶縁膜に形成され、前記導電性の領域まで達する凹部と、前記凹部の側面及び底面を被覆する窒化ジルコニウム膜と、前記窒化ジルコニウム膜の上に形成され、前記凹部内に埋め込まれた導電性部材とを有し、前記多孔質絶縁材料が、多孔質酸化シリコン、多孔質窒化酸化シリコン、多孔質窒化シリコン、多孔質フッ化酸化シリコン、及び多孔質絶縁性有機ポリマからなる群より選択された１つの材料であり、前記導電性の領域が、金属または窒化チタンで形成されており、前記窒化ジルコニウム膜は、前記導電性の領域の上において導電性を示し、前記多孔質絶縁膜が表れている側面上においては絶縁性を示す半導体装置が提供される。
【０００６】
本発明の他の観点によると、（ａ）上面の一部が導電性の領域であり、他の領域が絶縁性の領域である基板上に、多数の空隙を有する多孔質絶縁材料からなる多孔質絶縁膜を形成する工程と、（ｂ）前記多孔質絶縁膜に、前記導電性の領域まで達する凹部を形成する工程と、（ｃ）前記凹部の内面を、窒化ジルコニウム膜で被覆する工程と、（ｄ）前記凹部内に導電性部材を埋め込む工程とを有し、前記多孔質絶縁材料が、多孔質酸化シリコン、多孔質窒化酸化シリコン、多孔質窒化シリコン、多孔質フッ化酸化シリコン、及び多孔質絶縁性有機ポリマからなる群より選択された１つの材料であり、前記導電性の領域が、金属または窒化チタンで形成されており、前記工程ｃにおいて、前記多孔質絶縁膜が露出した領域上では絶縁性を示し、前記導電性の領域上では導電性を示す条件で前記窒化ジルコニウム膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。
【０００７】
凹部の内面に表出した空隙内に絶縁材料が充填されるため、空隙内に導電部材が充填されることによる不都合を回避することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施例を説明する前に、多孔質絶縁材料からなる層間絶縁膜を用いた半導体集積回路装置の信頼性低下の要因について説明する。
【０００９】
図１に、本願発明者らが先に提案した半導体装置の断面図を示す。ｐ型シリコンからなる半導体基板１の表面上に素子分離絶縁膜２が形成され、素子分離絶縁膜２によって活性領域が画定されている。活性領域内にＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、ゲート絶縁膜３ａ、ゲート電極３ｂ、不純物拡散領域３ｃ及び３ｄを含んで構成される。不純物拡散領域３ｃ及び３ｄの一方がソース領域であり、他方がドレイン領域である。
【００１０】
不純物拡散領域３ｃ及び３ｄは、ゲート電極３ｂの両側の基板表層部に形成され、低濃度ドレイン（ＬＤＤ）構造を有する。ゲート電極３ｂの側面上に絶縁性のサイドウォールスペーサ３ｅが形成されている。サイドウォールスペーサ３ｅは、不純物拡散領域３ｃ及び３ｄの高濃度部にイオン注入する際のマスクとなる。
【００１１】
半導体基板１の上に、ＭＯＳトランジスタ３を覆うように、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる第１の層間絶縁膜４が形成されている。不純物拡散領域３ｃ及び３ｄに対応する位置に、それぞれ第１の層間絶縁膜４を貫通するコンタクトホール４ａ及び４ｂが形成されている。コンタクトホール４ａ及び４ｂ内に、それぞれ導電性のプラグ５ａ及び５ｂが埋め込まれている。プラグ５ａ及び５ｂは、側面及び底面を被覆する窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリアメタル層と、バリアメタル層の上に形成されたタングステン部材とを含んで構成される。
【００１２】
第１の層間絶縁膜４の上に、アルミニウムからなる第１層目の配線７が形成されている。この配線７は、プラグ５ｂを介してＭＯＳトランジスタ３の不純物拡散領域３ｄに接続されている。
【００１３】
第１の層間絶縁膜４の上に、第１層目の配線７を覆うように第２の層間絶縁膜８が形成されている。第２の層間絶縁膜８は、酸化シリコン、ボロフォスフォシリケートガラス（ＢＰＳＧ）、またはフォスフォシリケートガラス（ＰＳＧ）で形成されている。プラグ５ａに対応する位置に、第２の層間絶縁膜８を貫通するコンタクトホール８ａが形成されている。このコンタクトホール８ａ内に、導電性のプラグ９が埋め込まれている。
【００１４】
ここまでの構造は、周知の薄膜形成技術、フォトリソグラフィ、イオン注入、化学機械研磨（ＣＭＰ）等を用いて作製することができる。
第２の層間絶縁膜８の上に低誘電率絶縁材料からなる第３の層間絶縁膜１０、及び窒化シリコンからなる第１のマスク層１１が形成されている。低誘電率絶縁材料として、有機ポリマ、炭素含有酸化シリコン等が挙げられる。第３の層間絶縁膜１０及び第１のマスク層１１に、配線用溝１０ａ及び１０ｂが形成されている。配線用溝１０ａ及び１０ｂ内に、それぞれ第２層目の配線１２ａ及び１２ｂが埋め込まれている。
【００１５】
配線１２ａ及び１２ｂは、配線用溝１０ａ及び１０ｂの側面及び底面を覆うバリアメタル層、バリアメタル層の表面を覆うシード層、シード層を覆い配線用溝内に充填された主配線部材の３層構造を有する。バリアメタル層は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等で形成されている。なお、バリアメタル層がＴａ層とＴａＮ層との積層構造とされる場合もある。シード層及び主配線部材は、銅または銅を主成分とする合金で形成されている。
【００１６】
配線１２ａ、１２ｂ、及び第１のマスク層１１の上に、エッチングストッパ層１５、第４の層間絶縁膜１６、及び第２のマスク層１７がこの順番に積層されている。エッチングストッパ層１５は、炭化シリコン（ＳｉＣ）または窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成されている。第４の層間絶縁膜１６は、低誘電率絶縁材料で形成されている。第２のマスク層１７は、高抵抗窒化ジルコニウムで形成されている。
【００１７】
第２のマスク層１７及び第４の層間絶縁膜１６に、第４の層間絶縁膜１６の厚さ方向の途中まで達する配線用溝１８が形成されている。さらに、第４の層間絶縁膜１６及びエッチングストッパ層１５に、配線用溝１８の底面と第２層目の配線１２ａの上面とを接続するビアホール１９が形成されている。
【００１８】
配線用溝１８及びビアホール１９内に、第３層目の配線２０が埋め込まれている。第３層目の配線２０は、配線用溝１８及びビアホール１９の側面及び底面を覆うバリアメタル層、このバリアメタル層を覆うシード層、及びシード層を覆い配線用溝１８とビアホール１９との内部に充填された主配線部材で構成される。バリアメタル層、シード層、及び主配線部材の材料は、第２層目の配線１２ａのこれらの材料と同じである。
【００１９】
第２のマスク層１７及び第３層目の配線２０の上に、窒化ジルコニウムからなるカバー層２１が形成されている。カバー層２１のうち配線２０の上の部分２１ｂが低抵抗であり、第２のマスク層１７の上の部分２１ａが高抵抗である。このため、低抵抗の部分２１ｂを介して、第３層目の配線２０を、それよりも上層の配線に電気的に接続することができる。
【００２０】
次に、図２〜図５を参照して、図１に示した半導体装置の製造方法について説明する。
図２（Ａ）に示すように、第２の層間絶縁膜８及びプラグ９の上に、低誘電率絶縁材料からなる第３の層間絶縁膜１０を形成する。低誘電率絶縁材料として有機ポリマを使用する場合には、有機溶媒に溶解させたポリマを基板表面に回転塗布することにより形成することができる。また、低誘電率絶縁材料として炭素含有酸化シリコンを使用する場合には、プラズマ励起化学気相成長（ＰＥ−ＣＶＤ）により第３の層間絶縁膜１０を形成することができる。
【００２１】
第３の層間絶縁膜１０の上に、窒化ジルコニウムからなる第１のマスク層１１を、ＣＶＤにより形成する。使用する原料は、テトラキスジエチルアミノジルコニウム（Ｚｒ（Ｎ（Ｃ2Ｈ5）2）4）とアンモニア（ＮＨ3）である。成膜温度は３００〜４００℃である。なお、アンモニアは必ずしも添加しなくてもよい。この条件で、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化酸化シリコン、または低誘電率有機ポリマの上に窒化ジルコニウムを成長させると、形成された窒化ジルコニウムは絶縁体になる。なお、後述するように、金属表面の上に、この条件で窒化ジルコニウムを成長させると、形成された窒化ジルコニウムは導電性を示す。
【００２２】
図２（Ｂ）に示すように、第１のマスク層１１に、図１に示した第２層目の配線１２ａ、１２ｂに対応する開口１１ａを形成する。第１のマスク層１１のエッチングは、塩素（Ｃｌ2）系または臭化水素（ＨＢｒ）系のガスを用いたドライエッチングにより行うことができる。
【００２３】
図２（Ｃ）に示すように、第１のマスク層１１をマスクとして、第３の層間絶縁膜１０をエッチングし、配線用溝１０ａを形成する。第３の層間絶縁膜１０が有機ポリマで形成されている場合には、例えば水素と窒素との混合ガスのプラズマを用いて第３の層間絶縁膜１０をエッチングすることができる。
【００２４】
図３（Ｄ）に示すように、配線用溝１０ａの側面、底面、及び第１のマスク層１１の上面を覆うＴａ、ＴａＮ、ＴｉＮ等からなるバリアメタル層１２Ａを、スパッタリングにより形成する。バリアメタル層１２Ａの上に、銅からなるシード層１２Ｂをスパッタリングにより形成する。なお、シード層１２Ｂを、ステップカバレッジの良好な自己イオン化プラズマを用いたスパッタリングにより形成してもよい。シード層１２Ｂの表面に電解めっきを施すことにより、銅層１２Ｃを形成する。
【００２５】
図３（Ｅ）に示すように、ＣＭＰを行って、銅層１２Ｃ、シード層１２Ｂ、及びバリアメタル層１２Ａのうち不要部分を除去する。配線用溝１０ａ内に、バリアメタル層１２Ａ、シード層１２Ｂ、及び主配線部材１２Ｃからなる第２層目の配線１２が残る。
【００２６】
図３（Ｆ）に示すように、第１のマスク層１１及び第２層目の配線１２の上に、炭化シリコンまたは窒化シリコンからなるエッチングストッパ層１５、多孔質絶縁材料からなる第４の層間絶縁膜１６、窒化ジルコニウムからなる第２のマスク層１７、及び炭化シリコンまたは窒化シリコンからなる第３のマスク層２５をこの順番に形成する。
【００２７】
炭化シリコンまたは窒化シリコンからなるエッチングストッパ層１５は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成することができる。炭化シリコン膜を形成する場合には、原料ガスとしてメチルシラン系の有機シランを用い、必要に応じてメタン、アンモニア、窒素、ヘリウム等のガスを添加する。窒化シリコン膜を形成する場合には、シリコン原料としてモノシラン、ジシラン、有機シラン等を使用し、窒素原料として窒素ガスまたはアンモニアを使用することができる。
【００２８】
第４の層間絶縁膜１６は、ゾルゲル法による加水分解と縮重合、不安定成分の熱分解と鋳型中間構造物の形成、及び鋳型中間構造物の熱分解を経て、膜中に空隙を形成することにより作製することができる。この熱分解のために、４００℃程度の熱処理が必要となる。
【００２９】
窒化ジルコニウムからなる第２のマスク層１７は、図２（Ａ）を参照して説明した第１のマスク層１１と同様の方法で形成することができる。
第３のマスク層２５は、炭化シリコンまたは窒化シリコンで形成されている。第３のマスク層２５の成膜方法は、エッチングストッパ層１５の形成方法と同様である。
【００３０】
図４（Ｇ）に示すように、第３のマスク層２５の上にレジストパターン（図示せず）を形成して第３のマスク層２５を部分的にエッチングすることにより、図１に示した配線用溝１８に対応する開口２５ａを形成する。開口２５ａを形成するためのマスクとして用いたレジストパターンを除去し、新たに第２のマスク層１７及び第３のマスク層２５の上にレジストパターン（図示せず）を形成する。このレジストパターンをマスクとして第２のマスク層１７をエッチングすることにより、図１に示したビアホール１９に対応する開口１７ａを形成する。開口１７ａを形成した後、マスクとして使用したレジストパターンを除去する。
【００３１】
図４（Ｈ）に示すように、第２のマスク層１７及び第３のマスク層２５をマスクとして、開口１７ａの底面に露出した第４の層間絶縁膜１６を、その厚さ方向の途中までエッチングする。これにより、凹部１６ａが形成される。第４の層間絶縁膜１６のエッチングは、図２（Ｃ）を参照して説明した第３の層間絶縁膜１０のエッチングと同様の方法で行うことができる。
【００３２】
図５（Ｉ）に示すように、第３のマスク層２５をマスクとして、開口２５ａの底面に露出している第２のマスク層１７をエッチングする。
図５（Ｊ）に示すように、第３のマスク層２５及び第２のマスク層１７をマスクとして第４の層間絶縁膜１６をエッチングする。図５（Ｉ）に示した凹部１６ａがさらに深くなり、ビアホール１９が形成される。この段階では、ビアホール１９の底面にエッチングストッパ膜１５が残っている。また、凹部１６ａが形成されていなかった領域においては、第４の層間絶縁膜１６の厚さ方向の途中までエッチングが進み、配線用溝１８が形成される。
【００３３】
ビアホール１９の底面に露出したエッチングストッパ膜１５を除去して、第２層目の配線１２の上面を露出させる。エッチングストッパ膜１５の除去は、弗化炭素系ガスを主としたドライエッチングにより行うことができる。このとき、第３のマスク層２５も除去される。
【００３４】
図１に示すように、配線用溝１８及びビアホール１９内に第３層目の配線２０を埋め込む。配線２０の形成は、図３（Ｄ）及び図３（Ｅ）を参照して説明した第２層目の配線１２の形成と同様の方法で行うことができる。
【００３５】
第２のマスク層１７及び第３層目の配線２０の上に、窒化ジルコニウムからなるカバー層２１を形成する。カバー層２１の形成は、図２（Ａ）を参照して説明した第１のマスク層１１の形成と同様の方法で行う。この方法で窒化ジルコニウム膜を形成すると、配線２０の上の部分２１ｂが低抵抗になり、第２のマスク層１７の上の部分２１ａが高抵抗になる。低抵抗の部分２１ｂは実質的に導電性を示し、高抵抗の部分２１ａは実質的に絶縁性を示す。
【００３６】
以下、実際に窒化ジルコニウム膜を形成して電気抵抗を測定した結果について説明する。
原料ガスとしてテトラキスジエチルアミノジルコニウムとアンモニアを使用したＣＶＤにより、酸化シリコン膜及び窒化チタン膜の上に、窒化ジルコニウム膜を形成した。窒化ジルコニウム膜の成長温度は３８０℃とした。
【００３７】
酸化シリコン膜の上に厚さが２０ｎｍ以下になるように窒化ジルコニウム膜を形成すると、その比抵抗が数千μΩｃｍ以上の絶縁膜になった。これに対し、窒化チタン膜上に厚さが２０ｎｍ以下になるように窒化ジルコニウム膜を形成すると、その比抵抗が約３００μΩｃｍ以下の導電膜になった。なお、下地導電層の材料が窒化チタンではなく銅である場合にも、同様に窒化ジルコニウム膜は導電膜になる。この性質は、窒化ジルコニウム膜をＣＶＤではなく、スパッタリングや蒸着等により形成する場合でも同様である。
【００３８】
上記先の提案による半導体装置においては、図２（Ｃ）を参照して説明した第３の層間絶縁膜１０のエッチング工程で、マスクとして、窒化ジルコニウムからなる第１のマスク層１１が使用される。このため、従来の窒化シリコン等のマスクを使用する場合に比べて、エッチング選択比を大きくすることができる。これにより、低誘電率絶縁材料からなる層間絶縁膜の加工を容易に行うことが可能になる。
【００３９】
従来は、図１に示した第１のマスク層１１の材料として、例えば窒化シリコンが使用されていた。窒化シリコンの比誘電率は酸化シリコンに比べて高い。このため、第３の層間絶縁膜１０を低誘電率絶縁材料で形成する効果が減殺されてしまう。これに対し、ＵＳＧ膜上に形成した厚さ約１５ｎｍ及び約３０ｎｍの窒化ジルコニウム膜の比誘電率は、それぞれ２〜３、及び３.５〜４であった。これは、酸化シリコンの比誘電率相当またはそれ以下である。このため、配線間の寄生容量低減効果を高めることができる。
【００４０】
上記先の提案による半導体装置では、第１のマスク層１１を窒化ジルコニウムで形成したが、その外に、ジルコニウム、チタニウム、またはハフニウムを構成元素として含む窒化物で形成してもよい。
【００４１】
図６に、図１に示した配線２０を含む配線層の詳細な断面図を示す。なお、図６では、紙面に垂直な方向に延在する複数の配線２０が記載されている。配線２０は、バリアメタル層２０Ａ、シード層２０Ｂ、及び主配線部材２０Ｃの３層構造を有する。多孔質絶縁材料からなる第４の層間絶縁膜１６内に、多数の空隙１６Ａが分布している。各空隙１６Ａの直径は３〜５ｎｍである。配線用溝１８及びビアホール１９の側面に一部の空隙１６Ｂが露出する。
【００４２】
バリアメタル層２０Ａが配線用溝１８及びビアホール１９の側面に露出した空隙１６Ｂ内に埋め込まれる。配線の微細化が進むことによるバリアメタル層２０Ａのカバレッジ率の低下を防止するために、バリアメタル層２０Ａの成膜方法として、スパッタリングよりもＣＶＤを採用することが好ましい。ＣＶＤによりバリアメタル層２０Ａを形成すると、バリアメタル層２０Ａの材料が、露出した空隙１６Ｂ内に侵入しやすくなる。
【００４３】
露出した空隙１６Ｂ内に導電性のバリアメタル層２０Ａの材料が充填されると、相互に隣り合う２本の配線２０の実効的な間隔が狭くなる。これにより、絶縁耐圧の低下や、リーク電流の増加が引き起こされる。以下、絶縁耐圧の低下や、リーク電流の増加を防止することができる実施例について説明する。なお、以下の実施例では、図１に示した配線２０の配置される配線層を例にとって説明するが、以下の実施例は、配線１２ａ及び１２ｂの配置される配線層、及び配線２０よりも上の配線層についても適用可能である。
【００４４】
図７を参照して、第１の実施例による半導体装置について説明する。図２（Ａ）から図５（Ｊ）を参照して説明した工程までを実施することにより、第４の層間絶縁膜１６に配線用溝１８及びビアホール１９を形成する。
【００４５】
図７（Ａ）に、第４の層間絶縁膜１６の配置された配線層の断面図を示す。第２のマスク層１７、第４の層間絶縁膜１６、及びエッチングストッパ層１５に、配線用溝１８及びビアホール１９が形成されている。図７（Ａ）では、紙面に垂直な方向に延在する３本の配線用溝１８が表されている。
第２のマスク層１７の上面、配線用溝１８の内面、及びビアホール１９の内面を覆うように、窒化ジルコニウムからなる被覆層２０ＺをＣＶＤにより形成する。使用する原料は、テトラキスジエチルアミノジルコニウム（Ｚｒ（Ｎ（Ｃ2Ｈ5）2）4）とアンモニア（ＮＨ3）である。成膜温度は３００〜４００℃である。なお、アンモニアは必ずしも添加しなくてもよい。この条件で成膜を行うと、多孔質絶縁材料が表出した配線用溝１８及びビアホール１９の側面上に堆積した部分が絶縁体になり、ビアホール１９の底面に露出した配線１２の上に堆積した部分２０ＺＣが導電体になる。
【００４６】
被覆層２０Ｚは、配線用溝１８及びビアホール１９の側面に露出した空隙１６Ｂの内部を充填するのに十分な厚さとする。例えば、第４の層間絶縁膜１６内に形成された空隙１６Ａの平均の直径と同程度の厚さとすればよい。本実施例の場合には、被覆層２０Ｚの厚さは例えば５ｎｍである。
【００４７】
被覆層２０Ｚの表面を覆うように、銅からなるシード層２０Ｂをスパッタリングまたは化学気相成長（ＣＶＤ）により形成する。銅の電解めっきを行うことにより、配線用溝１８及びビアホール１９内に主配線部材２０Ｃを埋め込む。なお、第４の層間絶縁膜１６の上にも主配線部材２０Ｃが堆積する。
【００４８】
図７（Ｂ）に示すように、第２のマスク層１７が露出するまでＣＭＰを行い、余分な主配線部材２０Ｃ、シード層２０Ｂ、及び被覆層２０Ｚを除去する。配線用溝１８及びビアホール１９内に、シード層２０Ｂ及び主配線部材２０Ｃからなる配線２０が残る。配線２０は、被覆層２０Ｚのうちビアホールの底面上の導電性の部分２０ＺＣを介して下層の配線１２に電気的に接続される。
【００４９】
配線用溝１８及びビアホール１９の側面に露出した空隙１６Ｂ内に、絶縁性の窒化ジルコニウムが充填される。このため、相互に隣り合う２本の配線２０の実効的な間隔が狭まることがない。これにより、耐圧の低下やリーク電流の増加を防止することができる。
【００５０】
図８に、アンドープドシリケートガラス（ＵＳＧ）膜、及びＵＳＧ膜と窒化ジルコニウム膜との積層構造の耐圧特性を示す。横軸は電界を単位「ＭＶ／ｃｍ」で表し、縦軸はリーク電流を単位「Ａ」で表す。
【００５１】
シリコン基板上に、ＵＳＧ膜及び銅電極を順番に形成した第１の試料、及びシリコン基板上にＵＳＧ膜、窒化ジルコニウム膜、及び銅電極を順番に形成した第２の試料を準備した。第１の試料のＵＳＧ膜の厚さは４７ｎｍである。第２の試料のＵＳＧ膜の厚さは４７ｎｍであり、窒化ジルコニウム膜の厚さは３．５ｎｍである。図中の黒四角が第１の試料のリーク電流を示し、黒丸が第２の試料のリーク電流を示す。
【００５２】
第１の試料においては、電界が７．４ＭＶ／ｃｍまで増加した時点で絶縁破壊が生じている。なお、電界の増加速度は、０．１ＭＶ／ｃｍ・ｓである。絶縁破壊は、銅電極中の銅原子がＵＳＧ膜中に拡散することにより生ずると考えられる。これに対し、第２の試料では、絶縁破壊の生じる電界が１１．６ＭＶ／ｃｍである。このように、銅電極とＵＳＧ膜との間に窒化ジルコニウム膜を挟むことにより、耐圧を高めることができる。この結果は、窒化ジルコニウム膜が、銅電極からＵＳＧ膜への銅の拡散を抑制していることを示している。従って、図７（Ｂ）に示した第１の実施例において、窒化ジルコニウムからなる被覆層２０Ｚが、銅の拡散バリア層として機能する。
【００５３】
また、図８からわかるように、窒化ジルコニウム膜を挿入することにより、リーク電流自体を低減させることもできる。
図９に、ＵＳＧ膜の上に窒化ジルコニウム膜を形成した時の、窒化ジルコニウム膜の膜厚と比誘電率との関係を示す。横軸は窒化ジルコニウム膜の膜厚を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は比誘電率を表す。図中の丸記号は成膜中にアンモニアを添加した場合の比誘電率を示し、三角記号は成膜中にアンモニアを添加しなかった場合の比誘電率を示す。膜厚が増加するに従って、窒化ジルコニウムの比誘電率が高くなっていることがわかる。
【００５４】
配線間の寄生容量の増大を抑制するために、図７（Ｂ）に示した被覆層２０Ｚの誘電率は低いほうが好ましい。従って、被覆層２０Ｚは、露出した空隙１６Ｂを埋め込むことが可能な厚さであれば、薄いほうが好ましい。なお、露出した空隙１６Ｂを埋め込むことができる程度の厚さがあれば、被覆層２０Ｚは銅の拡散バリア層を兼ねることができる。
【００５５】
上記第１の実施例では、被覆層２０Ｚを窒化ジルコニウムで形成したが、その他の金属窒化物または金属珪化窒化物で形成してもよい。金属窒化物または金属珪化物を構成する金属として、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、及びＮｂ等が挙げられる。これらの金属の窒化物または珪化窒化物は、組成比によって導電性を示したり、絶縁性を示したりする。また、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）により成膜すると、膜中に炭素等の不純物が含有される。この不純物の量によっても導電性が変化する。すなわち、成膜条件を好適化して組成比や不純物濃度を制御することにより、導電性の膜や絶縁性の膜を形成することが可能になる。
【００５６】
次に、図１０及び図１１を参照して、第２の実施例による半導体装置について説明する。図２（Ａ）から図５（Ｊ）に示した工程までを実施することにより、第４層目の層間絶縁膜１６に配線用溝１８及びビアホール１９を形成する。
【００５７】
図１０（Ａ）に、第４の層間絶縁膜１６の配置された配線層の断面図を示す。第２のマスク層１７、第４の層間絶縁膜１６、及びエッチングストッパ層１５に、配線用溝１８及びビアホール１９が形成されている。図１０（Ａ）では、紙面に垂直な方向に延在する３本の配線用溝１８が表されている。
【００５８】
配線用溝１８の内面、ビアホール１９の内面、及び第２のマスク層１７の上面を覆うように、酸化シリコンからなる被覆層２０Ｓを形成する。被覆層２０Ｓの形成は、原料としてビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）を用い、成長温度を４００℃としたＣＶＤにより行う。ＣＶＤで形成することにより、良好なステップカバレッジを確保することができる。このため、配線用溝１８及びビアホール１９の内面に露出した空隙１６Ｂ内に酸化シリコンを充填することができる。被覆層２０Ｓは、露出した空隙１６Ｂ内を充填するのに必要な厚さとすることが好ましい。例えば、第４の層間絶縁膜１６内の空隙１６Ａの平均直径以上の厚さとすることが好ましい。本実施例では、被覆層２０Ｓの厚さを５ｎｍとした。
【００５９】
図１０（Ｂ）に示すように、ビアホール１９の底面上に堆積した被覆層２０Ｓを、逆スパッタリング、またはフッ素系ガスを用いた異方性エッチングにより除去する。このとき、第２のマスク層１７の上に堆積していた被覆層２０Ｃも除去される。これにより、配線用溝１８及びビアホール１９の側面上にのみ被覆層２０Ｓが残る。
【００６０】
図１１（Ｃ）に示すように、第２のマスク層１７の上面、配線用溝１８の内面、及びビアホール１９の内面を、バリアメタル層２０Ａで覆う。バリアメタル層２０Ａの表面に銅のシード層２０Ｂを形成し、銅の主配線部材２０Ｃを電解めっきにより形成する。
【００６１】
図１１（Ｄ）に示すように、第２のマスク層１７が露出するまでＣＭＰを行い、主配線部材２０Ｃ、シード層２０Ｂ、及びバリアメタル層２０Ａの不要部分を除去する。配線用溝１８及びビアホール１９内に、バリアメタル層２０Ａ、シード層２０Ｂ、及び主配線部材２０Ｃの３層構造を有する配線２０が残る。
【００６２】
第２の実施例の場合も、露出した空隙１６Ｂ内に絶縁性の被覆層２０Ｓが充填されるため、第１の実施例の場合と同様に、絶縁耐力の低下やリーク電流の増加を防止することができる。
【００６３】
また、第２の実施例では、被覆層２０Ｓの成膜時の原料として、４００℃程度の低温で分解するＢＴＢＡＳを使用している。酸化シリコン成膜用の原料として一般的に使用されるシラン等を使用する場合には、成膜温度を６００℃程度まで高くする必要があるため、多孔質絶縁材料が熱分解してしまう。プラズマ励起型ＣＶＤを用いることにより、成長温度を低くすることが可能であるが、プラズマ励起型ＣＶＤを用いるとステップカバレッジが低下してしまう。このため、露出した空隙１６Ｂ内に酸化シリコンを均一性よく充填することが困難になる。
【００６４】
第２の実施例では、ＣＶＤの原料としてＢＴＢＡＳを使用しているため、第４の層間絶縁膜１６を形成する多孔質絶縁材料が熱分解される温度以下で、被覆層２０Ｓを形成することができる。また、熱ＣＶＤにより成膜を行うため、露出した空隙１６Ｂ内に再現性よく被覆層２０Ｓの材料を充填することができる。
【００６５】
上記第２の実施例では、被覆層２０Ｓを酸化シリコンで形成したが、他の絶縁材料で形成してもよい。例えば、酸化タンタル（ＴａＯ）やチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）で被覆層２０Ｓを形成してもよい。酸化タンタル膜は、原料としてペンタエトキシタンタル（Ｔａ（ＯＣＨ3）5）を用いることにより、４５０℃以下の低温でＣＶＤにより形成することができる。チタン酸ストロンチウム膜は、ストロンチウム原料としてストロンチウムビス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタネディオネート）（Ｓｒ（ｔｈｄ）2）を用い、チタニウム原料としてチタニウムビス（イソプロポキサイド）ビス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタネディオネート）（Ｔｉ（Ｏ−ｉＰｒ）2（ｔｈｄ）2）を用いることにより、４５０℃以下の低温でＣＶＤにより形成することができる。酸化タンタルやチタン酸ストロンチウムの被覆層２０Ｓが、銅の拡散に対して十分なバリア性を有する場合には、バリアメタル層２０Ａを形成しなくてもよい。
【００６６】
被覆層２０Ｓを、酸化シリコン、酸化タンタル、チタン酸ストロンチウム以外に、シリコンを含む絶縁材料、絶縁性の金属酸化物、絶縁性の金属酸化窒化物で形成してもよい。
【００６７】
次に、図１２を参照して、第３の実施例による半導体装置について説明する。図２（Ａ）から図５（Ｊ）に示した工程までを実施することにより、第４層目の層間絶縁膜１６に配線用溝１８及びビアホール１９を形成する。
【００６８】
図１２（Ａ）に、第４の層間絶縁膜１６の配置された配線層の断面図を示す。第２のマスク層１７、第４の層間絶縁膜１６、及びエッチングストッパ層１５に、配線用溝１８及びビアホール１９が形成されている。図１２（Ａ）では、紙面に垂直な方向に延在する３本の配線用溝１８が表されている。
【００６９】
図１２（Ａ）に示すように、第２のマスク層１７の表面上に、絶縁性塗布膜の原料溶液２０Ｌを塗布する。原料溶液２０Ｌは、配線用溝１８及びビアホール１９内まで充填される。この原料溶液２０Ｌには、界面活性剤が混入されている。これにより、濡れ性を高め、微細な露出した空隙１６Ｂ内まで原料溶液２０Ｌを充填させることができる。原料溶液２０Ｌとして、ＳｉＬＫ（ダウケミカル社の商標）を有機溶媒、例えばヘキサン、テトラハイドロフラン、酢酸ブチル等で希釈したものを用いることができる。その他に、有機系または無機系の低誘電率材料を溶解させた溶液、第４の層間絶縁膜１６の材料と同じ多孔質絶縁膜の原料を溶解させた溶液等を用いることができる。
【００７０】
図１２（Ｂ）に示すように、原料溶液２０Ｌの溶媒を蒸発させる。これにより、第２のマスク層１７の上面上、配線用溝１８の内面上、及びビアホール１９の内面上に、絶縁性の塗布膜２０Ｐが形成される。塗布膜２０Ｐは、露出した空隙１６Ｂ内に充填される。
【００７１】
第２の実施例の説明で参照した図１０（Ｂ）から図１１（Ｃ）までの工程と同様の工程を実施することにより、配線用溝１８及びビアホール１９内に埋め込まれた配線を形成することができる。
【００７２】
塗布膜２０Ｐの厚さは、原料溶液２０Ｌの濃度により調節することができる。原料溶液２０Ｌの濃度の好適値の下限は、塗布膜２０Ｐの厚さが、空隙１６Ａの平均直径と等しくなる条件から求めることができる。塗布膜２０Ｐが厚すぎると、配線用溝１８及びビアホール１９が細くなってしまうため、塗布膜２０Ｐの厚さは、配線用溝１８の幅及びビアホール１９の直径の１０％以下とすることが好ましい。原料溶液２０Ｌの濃度の好適値の上限値は、塗布膜２０Ｐの厚さの好適値の上限値から求めることができる。
【００７３】
第３の実施例の場合も、露出した空隙１６Ｂ内に絶縁性の塗布膜２０Ｐが充填されるため、第１及び第２の実施例の場合と同様に、絶縁耐力の低下やリーク電流の増加を防止することができる。
【００７４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００７５】
上述の実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
（付記１）  基板上に形成され、多数の空隙を有する多孔質絶縁材料からなる多孔質絶縁膜と、
前記多孔質絶縁膜に形成された凹部と、
前記凹部の内面に表出した空隙内に充填された絶縁材料からなる充填部材と、
前記凹部内に埋め込まれた導電性部材と
を有する半導体装置。
【００７６】
（付記２）  前記充填部材が、前記凹部の側面の全領域を覆っている付記１に記載の半導体装置。
（付記３）  前記基板の上面の一部が導電性の領域であり、他の領域が絶縁性の領域であり、前記凹部が前記多孔質絶縁膜を貫通して前記基板の表面の導電性の領域まで達しており、前記導電性部材が、該基板の表面の導電性の領域と電気的に接続されている付記１または２に記載の半導体装置。
【００７７】
（付記４）  前記充填部材が、金属窒化物または金属珪化窒化物である付記３に記載の半導体装置。
（付記５）  前記充填部材が、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、及びＮｂからなる群より選択された１つの金属の窒化物または珪化窒化物である付記３に記載の半導体装置。
【００７８】
（付記６）  さらに、前記凹部の底面上に形成され、前記充填部材と同一の組成を有する第１の膜を有し、該第１の膜のうち前記基板表面の導電性の領域上の部分が導電性を示す付記４または５に記載の半導体装置。
【００７９】
（付記７）  （ａ）基板上に、多数の空隙を有する多孔質材料からなる多孔質絶縁膜を形成する工程と、
（ｂ）前記多孔質絶縁膜に凹部を形成する工程と、
（ｃ）前記凹部の側面に表出した空隙内に、絶縁材料からなる充填部材を充填する工程と、
（ｄ）前記凹部内に導電性部材を埋め込む工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【００８０】
（付記８）  前記基板の上面の一部が導電性の領域であり、他の領域が絶縁性の領域であり、前記凹部が前記多孔質絶縁膜を貫通して前記基板の表面の導電性の領域まで達しており、前記導電性部材が、該基板の表面の導電性の領域と電気的に接続されている付記７に記載の半導体装置の製造方法。
【００８１】
（付記９）  前記工程（ｃ）において、化学気相成長により、前記凹部の内面上に、金属窒化物または金属珪化窒化物からなる第１の膜を形成し、該第１の膜の一部が前記空隙内に充填される付記７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【００８２】
（付記１０）  前記充填部材が、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、及びＮｂからなる群より選択された１つの金属の窒化物または珪化窒化物である付記９に記載の半導体装置の製造方法。
【００８３】
（付記１１）  前記工程（ｃ）において、原料としてテトラキスジエチルアミノジルコニウムを用いて、窒化ジルコニウムからなる前記第１の膜を形成する付記９に記載の半導体装置の製造方法。
【００８４】
（付記１２）  前記工程（ｃ）において、前記多孔質絶縁膜を形成する多孔質材料が分解する温度よりも低い温度で、化学気相成長により、前記凹部の内面上に絶縁材料からなる第２の膜を形成し、該第２の膜の一部が前記空隙内に充填される付記７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【００８５】
（付記１３）  前記第２の膜は、シリコンを含む絶縁材料、金属酸化物、または金属酸化窒化物で形成される付記１２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１４）  前記工程（ｄ）の前に、前記凹部の底面を覆う前記第２の膜を除去し、前記基板の表面の導電性の領域を露出させる工程を含む付記１２または１３に記載の半導体装置の製造方法。
【００８６】
（付記１５）  前記工程（ｃ）が、
絶縁材料の溶解した溶液を前記凹部内に充填させる工程と、
前記溶液の溶媒を蒸発させることにより、前記凹部の内面上に絶縁材料からなる第３の膜を形成し、該第３の膜の一部で前記空隙内を充填する工程と
を有する付記７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【００８７】
（付記１６）  前記工程（ｄ）の前に、前記凹部の底面を覆う前記第３の膜を除去し、前記基板の表面の導電性の領域を露出させる工程を含む付記１２または１５に記載の半導体装置の製造方法。
【００８８】
（付記１７）  前記溶液が、界面活性剤を含む付記１５または１６に記載の半導体装置の製造方法。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多孔質絶縁膜に形成された凹部の内面に現れた空隙内に絶縁材料を充填することにより、空隙内に導電材料が充填されてしまうことによる問題の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願発明者らが先に提案した半導体装置の断面図である。
【図２】  本願発明者らが先に提案した半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図（その１）である。
【図３】  本願発明者らが先に提案した半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図（その２）である。
【図４】  本願発明者らが先に提案した半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図（その３）である。
【図５】  本願発明者らが先に提案した半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図（その４）である。
【図６】  本願発明者らが先に提案した半導体装置の第４の層間絶縁膜部分の詳細な断面図である。
【図７】  第１の実施例による半導体装置の第４の層間絶縁膜部分の製造途中の断面図である。
【図８】  シリコン／ＵＳＧ／銅構造、及びシリコン／ＵＳＧ／ＺｒＮ／銅構造の耐圧特性を示すグラフである。
【図９】  窒化ジルコニウム膜の膜厚と比誘電率との関係を示すグラフである。
【図１０】  第２の実施例による半導体装置の第４の層間絶縁膜部分の製造途中の断面図（その１）である。
【図１１】  第２の実施例による半導体装置の第４の層間絶縁膜部分の製造途中の断面図（その２）である。
【図１２】  第３の実施例による半導体装置の第４の層間絶縁膜部分の製造途中の断面図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  素子分離絶縁膜
３  ＭＯＳトランジスタ
４  第１の層間絶縁膜
４ａ、４ｂ、８ａ  コンタクトホール
５ａ、５ｂ、９  プラグ
７  第１層目の配線
８  第２の層間絶縁膜
１０  第３の層間絶縁膜
１０ａ、１０ｂ、１８  配線用溝
１１  第１のマスク層
１２ａ、１２ｂ  第２層目の配線
１５  エッチングストッパ層
１６  第４の層間絶縁膜
１６Ａ、１６Ｂ  空隙
１７  第２のマスク層
１９  ビアホール
２０  第３層目の配線
２０Ｚ、２０Ｓ  被覆層
２０Ｐ  塗布膜
２０Ｌ  原料溶液
２１  カバー層
【図１】
0003967196.tif 000002
【図２】
0003967196.tif 000003
【図３】
0003967196.tif 000004
【図４】
0003967196.tif 000005
【図５】
0003967196.tif 000006
【図６】
0003967196.tif 000007
【図７】
0003967196.tif 000008
【図８】
0003967196.tif 000009
【図９】
0003967196.tif 000010
【図１０】
0003967196.tif 000011
【図１１】
0003967196.tif 000012
【図１２】
0003967196.tif 000013