(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層を含む半導体基板上に犠牲層を形成する段階；
前記犠牲層の所定部分をパターニングする段階、このパターニング段階において、パターニングされた前記犠牲層の側壁がテーパ形態になるようにパターニングされる；
前記犠牲層上に、前記犠牲層間の空間が十分に充填されるように銅層を形成する段階；
前記犠牲層の表面を露出させるべく前記銅層を除去することによって、前記犠牲層間の前記空間に銅配線を形成する段階、この配線形成段階において、前記銅配線の側壁は前記犠牲層の側壁によって逆テーパ形態を持つ；
前記犠牲層を選択的に除去する段階；及び、
前記銅配線と前記下地層との上に層間絶縁膜を形成し、前記銅配線間の前記層間絶縁膜にエアギャップを形成する段階を含むことを特徴とする半導体素子の配線構造の製造方法。
【請求項２】
前記犠牲層のパターニング段階では、前記犠牲層の側壁がテーパ形態になるように、犠牲層の線幅が下部に行くにつれて広くなるようにパターニングされることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の配線構造の製造方法。
【請求項３】
前記層間絶縁膜はＵＳＧ(undoped silicate glass)、ＰＳＧ(phosphorous silicate glass)、ＢＳＧ(borosilicate glass)、ＢＰＳＧ(borophosphorous silicate glass)、ＦＳＧ(fluorinated silicate glass)、ポリマー及びＳＯＧ(spin on glass)膜のいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の配線構造の製造方法。
【請求項４】
前記層間絶縁膜は誘電率が４以下の低誘電膜であることを特徴とする請求項３記載の半導体素子の配線構造の製造方法。
【請求項５】
前記層間絶縁膜は、ＣＶＤ、スパッタリング、スピンコート及び蒸発法のいずれか一つで形成することを特徴とする請求項３記載の半導体素子の配線構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアギャップを持つ半導体素子の配線構造の製造方法に関し、より詳しくは、ダマシン(damascene)方式によって形成された配線構造において、エアギャップを持つ構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、半導体素子の高集積度に伴い、これに比例して金属配線の間隔及び線幅が減少しつつある。金属配線の間隔が減少すれば、金属配線間のキャパシタンスが増加して信号遅延が発生し、隣接する配線とのクロストークが発生する。
【０００３】
従来より金属配線間の寄生容量を減少させる為に種々の方法が提案されており、そのうちの一つは、配線間絶縁膜として低誘電率を持つ絶縁膜を用いることである。
【０００４】
すなわち、キャパシタンスは絶縁膜の誘電率(ｋ)に比例するので、配線間絶縁としてシリコン酸化膜(ＳｉＯ２)膜の誘電率(ｋ=４.１)よりも誘電率の低いＦＳＧ(fluorinated silicate glass, SixOFy,k=３.４〜４.１)またはＨＳＱ(hydrogen silsesquioxane,k=２.９)等の様な物質が用いられた。
【０００５】
しかしながら、このような方法は、たとえ誘電率を約３程度まで低減することができても、上述したこの誘電率は、高集積化のための要求に対して充分に小さな値ではない。さらに、このような方法は、複雑な工程及び高コスト化を招く。
【０００６】
配線間の誘電率が約１になるように、隣接する金属配線間にエアギャップ(air gap)を用いる技術が提案された。隣接する配線間に介在されたエアギャップを用いる一般の方法を図１から図４に示した。
【０００７】
まず、図１に示すように、半導体基板１０上に所定の回路パターンを含む下地層１２が形成される。第１絶縁層１２上に金属配線用金属膜１４が蒸着される。金属膜１４は大部分の金属配線材料として用いるアルミニウム金属膜を用いる。金属配線を限定するためのフォトレジストパターン１６は公知のフォトリソグラフィー工程によって金属配線１４上に形成される。
【０００８】
図２に示すように、金属膜１４はフォトレジストパターン１６によってパターニングされて金属配線１４ａ、１４ｂが形成される。その後、フォトレジストパターン１６は公知の方式にて除去される。
【０００９】
図３に示すように、金属配線１４ａ、１４ｂ上に層間絶縁膜１８をＰＥＣＶＤ(plasma enhanced chemical vapor deposition)方式にて形成する。このとき、層間絶縁膜１８は金属配線１４ａ、１４ｂの下部より上部の方がより厚く形成されるように蒸着して、金属配線１４ａ、１４ｂ間の層間絶縁膜１８内にエアギャップ１９が形成される。また、ＰＥＣＶＤ方式にて形成された層間絶縁膜１８は段差の発生により一部トポロジーを持つ。
【００１０】
その後、図４に示すように、トポロジーを持つ層間絶縁膜１８の表面はＣＭＰ(chemical mechanical polishing)方式によって研磨されて平坦化する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来に用いられる金属配線材料のアルミニウムは、公知のように、電気的移動(electromigration)やストレス移動(stress migration)等の様な慢性的な問題を持つので、断線が発生しやすい。これにより、現在は電気的移動及びストレス移動の問題点が少ない銅金属を配線材料として用いている。しかし、銅金属膜はエッチング工程によって金属配線を形成するのが困難であるという短所を持つ。これにより、銅金属として金属配線を形成する場合、ダマシン方式により金属配線を形成している。
【００１２】
図５から図７は、従来のダマシン方式による銅金属配線の形成方法を説明するための断面図である。
【００１３】
図５に示すように、半導体基板２０上の下地層２２上に層間絶縁膜２４が形成される。層間絶縁膜２４は金属配線の形成される部分がオープンになるようにエッチングされる。
【００１４】
その後、図６に示すように、銅金属膜２６が、層間絶縁膜２４間の空間が十分に充填されるように層間絶縁膜２４上に形成される。
【００１５】
図７に示すように、銅金属膜２６は層間絶縁膜２４の表面が露出するように化学的機械的研磨を行い、層間絶縁膜２４間に埋め込まれた銅金属配線２６ａ、２６ｂを形成する。
【００１６】
しかし、ダマシン方式による金属配線方法では、金属配線の形成前に層間絶縁膜が先に形成されるので、層間絶縁膜２４内にエアギャップを形成し難い。これにより、ダマシン方式にて形成される金属配線間のキャパシタンスは減少させることが難しい。
【００１７】
従って、本発明の目的は、ダマシン方式法を用いて作られた金属配線間にエアギャップを形成することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による半導体素子の配線構造の製造方法は、
下地層を含む半導体基板上に犠牲層を形成する段階；前記犠牲層の所定部分をパターニングする段階、このパターニング段階において、パターニングされた前記犠牲層の側壁がテーパ形態になるようにパターニングされる；前記犠牲層上に、前記犠牲層間の空間が十分に充填されるように銅層を形成する段階；前記犠牲層の表面を露出させるべく前記銅層を除去することによって、前記犠牲層間の前記空間に銅配線を形成する段階、この配線形成段階において、前記銅配線の側壁は前記犠牲層の側壁によって逆テーパ形態を持つ；前記犠牲層を選択的に除去する段階；及び、前記銅配線と前記下地層との上に層間絶縁膜を形成し、前記銅配線間の前記層間絶縁膜にエアギャップを形成する段階を含むことを特徴とする。
【００２０】
さらに、本発明は、下地層を含む半導体基板と、前記半導体基板の前記下地層上に形成された配線と、前記配線の上部及び側壁面を被覆して、前記配線間にエアギャップを設けるための層間絶縁膜を含み、前記配線は、その少なくとも一つ以上が所定の間隔にて配置され、下部に行くにつれて狭くなる線幅を備える半導体素子の配線構造そのものにも関連する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
先ず、図８に示されるように、半導体基板３０上に下地層３２が形成される。このとき、下地層３２は、ＭＯＳトランジスタの様な回路パターンの具備された酸化層であるか、或いは半導体基板３０の表面に形成される酸化膜である。犠牲層３４が、下地層３２上に形成される。犠牲層３４は、下地層３２とはエッチング速度差の著しく異なる物質、例えばＰＳＧ(phosphorous silicate glass)であって、例えば、ＰＥＣＶＤ方式にて形成される。犠牲層３４の厚さは、以後形成される金属配線の厚さと同じ厚さで形成されるのが望ましい。その後、金属配線の予定領域がオープンになるように犠牲層３４の所定部分がエッチングされる。このとき、犠牲層３４は、それの側壁が下地層３２の表面に対して傾斜するようにテーパ形態で形成される。すなわち、残した犠牲層３４は、それの上部側の線幅が下部側の線幅より狭い。
【００２２】
その後、図９に示すように、テーパ形態の犠牲層３４上に、犠牲層３４間の空間が十分に充填されるように、導電層３６、例えば銅金属膜が形成される。導電層３６としては、銅金属膜のほか、アルミニウム膜、シリサイド膜または導電性を持つポリシリコン膜などが多様に利用でき、例えば、ＣＶＤまたはＰＶＤ方式にて形成できる。
【００２３】
次に、図１０に示されるように、導電層３６は、ＣＭＰまたはエッチバック工程により、犠牲層３４の表面が露出するように除去され、犠牲層３４間に埋め込まれた配線３６ａ、３６ｂが形成される。このとき、配線３６ａ、３６ｂの側壁は犠牲層３４の構造により逆テーパ形態を持つ。
【００２４】
その後、図１１に示すように、犠牲層３４は、一般のドライまたはウェットエッチング法によって除去される。このとき、犠牲層３４は下地層３２及び配線３６ａ、３６ｂと著しいエッチング速度差を持つので、選択的に除去できる。これにより、下地層３２上には、上部へ行くにつれてその線幅が広くなる形態を持つ配線３６ａ、３６ｂだけが残ることになる。
【００２５】
次に、図１２に示されるように、配線３６ａ、３６ｂの形成された下地層３２上に層間絶縁膜３８が形成される。層間絶縁膜３８内に、配線３６ａ、３６ｂの形態によって、配線３６ａ、３６ｂ間にエアギャップ３９が形成される。すなわち、層間絶縁膜３８は、配線の上部の方が下部よりも多く露出したので、配線３６ａ、３６ｂの下部側よりも上部側の方に速く蒸着され、隣接する上部側層間絶縁膜と当接される。従って、逆テーパ形態で配線が形成される程、層間絶縁膜３８内にエアギャップ３９を形成するのが容易となる。ここで、層間絶縁膜３８は配線３６ａ、３６ｂの段差によって所定のトポロジーを持つ。しかも、層間絶縁膜３８としては、ＵＳＧ(undoped silicate glass)、ＰＳＧ(phosphorous silicate glass)、ＢＳＧ(borosilicate glass)、ＢＰＳＧ(borophosphorous silicate glass)等を用いることができ、寄生容量をより一層低減するために、ＦＳＧ(fluorinated silicate glass)、ポリマーまたはＳＯＧ(spin on glass)のように誘電率が４以下の誘電膜を用いることができる。また、層間絶縁膜３８はＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法または蒸発法(evaporation)等にて形成できる。
【００２６】
その後、図１３に示すように、層間絶縁膜３８は、その表面が平坦化するようにＣＭＰまたはエッチバックされる。
【００２７】
【発明の効果】
以上から詳細に説明した様に、本発明によれば、ダマシン方式にて形成された配線３６ａ、３６ｂ間にエアギャップが形成されることで、配線３６ａ、３６ｂ間のキャパシタンスを低減できる。これにより、デバイスの信号遅延及びクロストークを防止できる。
【００２８】
また、ダマシン方式によって配線３６ａ、３６ｂが形成されることで、電子移動及びストレス移動を防止できる。よって、金属配線の信頼性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による配線間エアギャップの形成方法の一段階を説明する断面図
【図２】従来技術による配線間エアギャップの形成方法の一段階を説明する断面図
【図３】従来技術による配線間エアギャップの形成方法の一段階を説明する断面図
【図４】従来技術による配線間エアギャップの形成方法の一段階を説明する断面図
【図５】従来技術によるダマシン方式を用いた配線形成方法の一段階を説明する断面図
【図６】従来技術によるダマシン方式を用いた配線形成方法の一段階を説明する断面図
【図７】従来技術によるダマシン方式を用いた配線形成方法の一段階を説明する断面図
【図８】本発明によるエアギャップを備えた配線の形成方法の一段階を説明するための断面図
【図９】本発明によるエアギャップを備えた配線の形成方法の一段階を説明するための断面図
【図１０】本発明によるエアギャップを備えた配線の形成方法の一段階を説明するための断面図
【図１１】本発明によるエアギャップを備えた配線の形成方法の一段階を説明するための断面図
【図１２】本発明によるエアギャップを備えた配線の形成方法の一段階を説明するための断面図
【図１３】本発明によるエアギャップを備えた配線の形成方法の一段階を説明するための断面図
【符号の説明】
３０    半導体基板
３２    下地層
３４    犠牲層
３６    銅金属膜（導電層）
３６ａ，３６ｂ  配線
３８    層間絶縁膜
３９    エアギャップ
【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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