半導体装置の製造方法
【課題】低誘電率層間絶縁膜と多層配線とを備える半導体装置において、低誘電率層間絶縁膜の表面が雰囲気に露出して吸湿するのを防止し、また、金属配線の界面及び低誘電率層間絶縁膜がコンタクトホール内に露出してオーバーエッチングされるのを防止することを目的とする。
【解決手段】水分の透過を防止しつつエッチングストッパとしても機能するエッチング防止膜１４を低誘電率層間絶縁膜３の表面に形成し、更に、水分の透過を防止しつつエッチングストッパとしても機能するエッチング防止膜６を形成して、吸湿防止効果を有するエッチング防止膜を二重にする。
【解決手段】水分の透過を防止しつつエッチングストッパとしても機能するエッチング防止膜１４を低誘電率層間絶縁膜３の表面に形成し、更に、水分の透過を防止しつつエッチングストッパとしても機能するエッチング防止膜６を形成して、吸湿防止効果を有するエッチング防止膜を二重にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コンタクトホールを介して相互に接続された上層配線及び下層配線と配線間を絶縁する層間絶縁膜とを備えた半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サブクォーターミクロン世代以降のロジックデバイスにおいてデバイスの高速化を実現するためには、デバイスの信号遅延を低減することが重要である。デバイスの信号遅延はトランジスタにおける遅延と配線における遅延との和で表わされるが、配線ピッチの縮小が進むにつれて、トランジスタでの信号遅延よりも配線での信号遅延の影響の方が大きくなっている。配線での信号遅延は配線の抵抗と層間絶縁膜の容量との積に比例するため、これを低減させるには、配線抵抗または層間絶縁膜容量を低減することが必要となる。
【０００３】
その目的を達成するための試みの一つとして、例えば銅配線の形成の研究が盛んに行われている。配線材料として銅を用いることにより、更なる配線抵抗の低下が期待できるからである。
【０００４】
また、現在ではこのような配線は多層化しており、埋め込み配線プロセスにより形成されることが多い。埋め込み配線プロセスとは、最初に層間絶縁膜となる層を形成してその層に予め配線溝とコンタクトホールとを作り込んでおき、後に配線溝とコンタクトホールの中に金属を埋め込んで表面の平坦化処理をすることで配線を形成する方法のことである。
【０００５】
また、信号遅延低減のためのその他の試みとして低誘電率層間絶縁膜（以下、低誘電率膜と略す）の研究が盛んに行われている。例えば、従来の代表的な層間絶縁膜であるシリコン酸化膜に代わってシリコンフッ化酸化膜を層間絶縁膜として採用すると、層間絶縁膜の比誘電率が低下する。すると、層間絶縁膜の容量値が減少するので信号遅延を低減することが可能となる。現在、様々な物質がこのような低誘電率膜の候補として研究の対象となっている。
【０００６】
上記の埋め込み配線プロセス及び低誘電率膜を、多層配線の形成に適用した例について以下で説明する。
【０００７】
図１０は、第１層金属配線１０５及び第２層金属配線１１０からなる多層配線構造と低誘電率膜１０３，１０７とを備える半導体装置Ｄ３について示している。半導体装置Ｄ３は基板１０１を備え、基板１０１の表面には下部絶縁層１０２が形成されている。なお、基板１０１の表面及び下部絶縁層１０２の内部にはトランジスタ等の素子や基板上の配線等が形成されているが、図示を省略している。また、下部絶縁層１０２の表面には第１の低誘電率膜１０３が形成されている。
【０００８】
第１の低誘電率膜１０３の内部には第１層金属配線１０５が、下部絶縁層１０２の表面に接触しつつ、第１の低誘電率膜１０３の表面に露出して、水平方向に間隔を置いて複数形成されている。第１層金属配線１０５及び第１の低誘電率膜１０３の表面には、エッチング防止機能を有する層間絶縁膜（以下、エッチング防止膜と記す、なおエッチング防止膜の必要性については後述）１０６が形成されている。
【０００９】
エッチング防止膜１０６の表面には第２の低誘電率膜１０７が形成され、また、第２の低誘電率膜１０７及びエッチング防止膜１０６にはコンタクトホール１１１Ａ及び紙面垂直方向に延在する溝１１１Ｂが形成されている。コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂには、それぞれ金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０が形成されており、両者は連続している。なお、微細化のために第１層金属配線１０５の幅Ｗ５と金属プラグ１０９の幅Ｗ９とはほぼ同程度に設計され、幅Ｗ５は幅Ｗ９に比べ充分に大きくとることはできない。また、図１０では金属プラグ１０９の位置が、エッチング防止膜１０６の面内方向において第１層金属配線１０５の位置と一致しておらず、アライメントがずれた状態でコンタクトホール１１１Ａが形成された場合を示しているが、後に半導体装置Ｄ３の問題点を説明する際の便宜を図ったためである。
【００１０】
この図１０に示した構造を形成する方法について図１１〜１６を用いて説明する。まず、基板１０１の表面に各素子（図示せず）を形成した後、下部絶縁層１０２を形成する。次に、下部絶縁層１０２の表面に第１の低誘電率膜１０３を形成する（図１１）。そして、第１の低誘電率膜１０３のうち第１層金属配線１０５を形成すべき部分をフォトリソグラフィ技術によりエッチングする。その後、第１層金属配線１０５の材料となる金属の膜を第１の低誘電率膜１０３の表面に形成し、第１の低誘電率膜１０３のエッチングされた部分を充分に埋める。更に金属の表面を平坦化し、第１の低誘電率膜１０３のエッチングされた部分のみに残置して第１層金属配線１０５を形成する（図１２）。
【００１１】
次に、第２の低誘電率膜１０７に対してエッチング選択性を有する（即ち第２の低誘電率膜１０７のエッチングに対するストッパとして機能する）絶縁膜を、エッチング防止膜１０６として第１の低誘電率膜１０３及び第１層金属配線１０５の表面に形成し、更にその上に第２の低誘電率膜１０７を形成する（図１３）。そして、第２の低誘電率膜１０７の内部にコンタクトホール１１１Ａをフォトリソグラフィ技術により形成する。このとき、エッチング防止膜１０６が第２の低誘電率膜１０７に対してエッチング選択性を有するので、コンタクトホール１１１Ａの形成時にエッチングがエッチング防止膜１０６のところまで進行した時点で自動的にエッチング速度が低下し、エッチングを停止することができる。
【００１２】
ここでもし仮にエッチング防止膜１０６がなければ、エッチングが停止せず第１の低誘電率膜１０３までもがエッチングされてしまう可能性がある。半導体装置の微細化が進む今日においては、下層配線を幅広く形成して、上層配線のアライメントマージンを充分に取ることは困難である。よって現在では、上述のように配線の幅とコンタクトホールの径とを同程度の大きさに設計することが多い。すると、フォトリソグラフィ技術によるコンタクトホール形成の際にフォトマスクのアライメントがずれた場合、下層配線の位置とコンタクトホールの位置とが完全には重なり合わず、コンタクトホール内に下層配線の周囲の層間絶縁膜が露出することになる。そうすれば、第２の低誘電率膜１０７だけでなく第１の低誘電率膜１０３までもがエッチングされてしまいかねない。
【００１３】
また、第１層金属配線１０５に銅等を採用した場合、第２の低誘電率膜１０７を堆積またはエッチングした際に第１層金属配線１０５が酸化してしまうこともある。しかし、エッチング防止膜１０６が存在すれば、そのような事態を防ぐことが可能となる。
【００１４】
以上がエッチング防止膜１０６の必要な理由である。なお、エッチング防止膜１０６の材料には、例えばシリコン窒化膜が採用される。
【００１５】
その後、溝１１１Ｂも同様にフォトリソグラフィ技術によって形成する（図１４）。このときもエッチング防止膜１０６が存在するので第１の低誘電率膜１０３と第１層金属配線１０５とに影響を与えることはない。
【００１６】
続いて、コンタクトホール１１１Ａ内に露出したエッチング防止膜１０６をエッチングし、第１層金属配線１０５をコンタクトホール１１１Ａに露出させる（図１５）。そして、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０の材料となる金属の膜を第２の低誘電率膜１０７の表面に形成し、コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂを充分に埋める。そして金属の表面を平坦化して、コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂのみに残置し、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０を形成する（図１６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平６−１３４７０号公報
【特許文献２】特開平８−２６４６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
低誘電率膜には以下に示す課題が存在している。
【００１９】
（１）低誘電率膜は一般に膜の密度が低いため、湿気を含んだ雰囲気にその表面が曝されると雰囲気中の水分を吸湿しやすい。水の分子は常態でも僅かに分極しているため、膜中に取りこまれると低誘電率膜の比誘電率を上昇させてしまうという弊害をもたらす。
【００２０】
（２）低誘電率膜は一般に、シリコン酸化膜に比較して膜のエッチング速度が速く、エッチングの制御が難しい。
【００２１】
図１０に示した半導体装置Ｄ３、並びに図１１〜１６に示した半導体装置Ｄ３の製造方法において、これらの課題が問題となる。
【００２２】
まず（１）の課題については、半導体装置Ｄ３の製造方法によると、第１の低誘電率膜１０３の表面及び第２の低誘電率膜１０７の表面が雰囲気に露出する時間（第１の低誘電率膜１０３の場合はエッチング防止膜１０６が形成されるまでの時間、第２の低誘電率膜１０７の場合は図１６の段階の後に何らかの膜がその表面に形成されるまでの時間）が長いので吸湿しやすい。ちなみに、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜やシリコン窒化膜等は水分を透過させにくいので、第１の低誘電率膜１０３についていえば、エッチング防止膜１０６にそれらいずれかの膜を採用することで、以降の吸湿を防止することは可能である。
【００２３】
また、第１層金属配線１０５または第２層金属配線１１０を形成する際に、表面を平坦化する手法としてＣＭＰ法を用いる場合には、水分を第１の低誘電率膜１０３または第２の低誘電率膜１０７に浴びせることになるので、その場合にも（１）の課題が問題となる。
【００２４】
また（２）の課題については、半導体装置Ｄ３を製造する工程中、エッチング防止膜１０６を除去する際に第１の低誘電率膜１０３をオーバーエッチングしてしまう可能性があるという点で問題となる。図１７は当該問題を示す断面図である。コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂの形成時にはエッチング防止膜１０６があるので第１の低誘電率膜１０３はエッチングの影響を受けないものの、エッチング防止膜１０６自身を除去する際には、図１７に示すように第１の低誘電率膜１０３がエッチングされやすく、オーバーエッチングによる窪み１０３Ａを生じやすいからである。このような窪み１０３Ａが生じると、コンタクトホール１１１Ａに金属プラグ１０９を形成する際に金属膜の埋め込み不良が生じやすく、その結果、半導体装置の歩留まり低下の原因となる。例えば、コンタクトホール１１１Ａの内部にバリアメタル（図示せず）を形成する場合、埋め込み不良のためバリアメタルの形成が不完全になり、配線金属が層間絶縁膜にスパイクを発生させて絶縁性を阻害しやすいからである。
【００２５】
これらの課題を解決し得る技術として、特許文献１に開示された技術がある。この技術を半導体装置Ｄ４として、図１８〜２３を用いて説明する。図１８は半導体装置Ｄ４の構造を示したものであり、半導体装置Ｄ４は半導体装置Ｄ３と同様、基板１０１、下部絶縁層１０２、第１の層間絶縁膜２０３、第１層金属配線１０５、第２の層間絶縁膜２０７、コンタクトホール１１１Ａ、溝１１１Ｂ、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０を備えている（なお、この技術では層間絶縁膜に低誘電率膜を採用しているわけではないので、区別するために、半導体装置Ｄ３における第１の低誘電率膜１０３を第１の層間絶縁膜２０３に、第２の低誘電率膜１０７を第２の層間絶縁膜２０７に、それぞれ変更している）。しかし半導体装置Ｄ４では、半導体装置Ｄ３と異なりエッチング防止膜１０６が形成されていない。その代わりに、第１の層間絶縁膜２０３の上には第１層金属配線１０５の表面と同一平面内にある表面を有する第１のエッチング防止膜１０４が、第２の層間絶縁膜２０７の上には第２層金属配線１１０の表面と同一平面内にある表面を有する第２のエッチング防止膜１０８が、それぞれ形成されている。
【００２６】
また、図１９〜２３は半導体装置Ｄ４の製造方法を示したものである。まず、図１１と同様、基板１０１の表面に各素子（図示せず）を形成した後、下部絶縁層１０２、第１の層間絶縁膜２０３を形成する。そして、第１の層間絶縁膜２０３の表面に第１のエッチング防止膜１０４を形成する（図１９）。そして、第１の層間絶縁膜２０３及び第１のエッチング防止膜１０４のうち、第１層金属配線１０５を形成すべき部分をフォトリソグラフィ技術によりエッチングする。その後、第１層金属配線１０５の材料となる金属の膜を第１のエッチング防止膜１０４の表面に形成し、エッチングされた部分を充分に埋める。更に金属の表面を平坦化して、エッチングされた部分にのみ金属を残置して第１層金属配線１０５を形成する（図２０）。
【００２７】
次に、第２の層間絶縁膜２０７を形成し、さらにその表面に第２のエッチング防止膜１０８を形成する（図２１）。そして、第２の層間絶縁膜２０７及び第２のエッチング防止膜１０８の内部にコンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂをフォトリソグラフィ技術により形成する（図２２）。そして、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０の材料となる金属の膜を、第２のエッチング防止膜１０８の表面に形成し、コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂを充分に埋める。そして金属の表面を平坦化して、コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂのみに残置し、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０を形成する（図２３）。
【００２８】
このような半導体装置Ｄ４を用いれば、第１のエッチング防止膜１０４の表面が第１層金属配線の表面と同一平面内に存在するので、半導体装置Ｄ３のように、コンタクトホール１１１Ａを形成した際に第１の層間絶縁膜２０３が露出することがない。よって、半導体装置Ｄ３の場合のエッチング防止膜１０６の除去の際に生じていた窪み１０３Ａは、生じにくい。
【００２９】
また、半導体装置Ｄ４の製造方法によれば、第１の層間絶縁膜２０３の形成に続いて第１のエッチング防止膜１０４が形成され、第２の層間絶縁膜２０７の形成に続いて第２のエッチング防止膜１０８がその表面に形成されるので、第１の層間絶縁膜２０３の表面及び第２の層間絶縁膜２０７の表面が雰囲気に露出する時間が短く、吸湿しにくい。さらに、第１層金属配線１０５または第２層金属配線１１０を形成する際に、表面を平坦化する手法としてＣＭＰ法を用いる場合、第１のエッチング防止膜１０４または第２のエッチング防止膜１０８が存在するので、水分が第１の層間絶縁膜２０３または第２の層間絶縁膜２０７に直接触れることはなく、第１の層間絶縁膜２０３及び第２の層間絶縁膜２０７が吸湿しにくい。
【００３０】
しかしながら半導体装置Ｄ４であっても、半導体装置Ｄ３に比べれば窪み１０３Ａは生じにくいものの、コンタクトホール１１１Ａの形成の際に第１層金属配線１０５と第１のエッチング防止膜１０４との界面１０４Ａが露出してエッチャントに曝されるので、窪み１０３Ａの発生を充分に抑制できるわけではない。通常、コンタクトホールは半導体装置Ｄ４において広く分布しており、また、各領域によって微妙に表面の高さの高低差があるため、コンタクトホール１１１Ａの形成時にはコンタクトを確実にするためにエッチング時間は長めに設定されることが多い。すると、たとえエッチング防止膜１０４が形成されていても、エッチング時間が長いために実際には界面１０４Ａにエッチャントがしみ込んで窪み１０３Ａを発生させやすい。これは、エッチング防止膜１０４をたとえ厚く形成したとしても解決しがたい問題である。
【００３１】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、低誘電率膜と多層配線とを備える半導体装置において、低誘電率膜がコンタクトホール内に露出してオーバーエッチングされるのを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
この発明にかかる半導体装置の製造方法の第１の態様は、基板上に第一層間絶縁膜を形成する工程と、上記第一層間絶縁膜上に単層の膜である第二層間絶縁膜を形成する工程と、上記第二層間絶縁膜上に第三層間絶縁膜を形成する工程と、上記第二層間絶縁膜内部に至り上記第三層間絶縁膜を貫くような第一溝を形成する工程と、上記第一溝内に第一金属を埋め込む工程と、化学的機械研磨法を行うことにより、上記第三層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第三層間絶縁膜上の上記第一金属を取り除いて、上記第一溝内に上記第一金属を残して、上記第一溝に第一配線を形成する工程と、上記第三層間絶縁膜上及び上記第一配線上に第一絶縁膜を形成する工程と、上記第一絶縁膜上に単層の膜である第四層間絶縁膜を形成する工程と、上記第四層間絶縁膜上に第五層間絶縁膜を形成する工程と、第一異方性エッチングによって、上記第四層間絶縁膜及び上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第一絶縁膜を露出するような第一ビアホールを形成する工程と、第二異方性エッチングによって、上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第四層間絶縁膜に底面が設けられ、上記第一ビアホールと連通するような第二溝を形成する工程と、第一エッチングによって、露出された上記第一絶縁膜をエッチングして上記第一ビアホールの底に上記第一配線表面を露出させる工程と、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に第二金属を埋め込む工程と、化学的機械研磨法を行うことにより、上記第五層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第五層間絶縁膜上の上記第二金属を取り除いて、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に上記第二金属を残して、上記第二溝内に第二配線を形成し、上記第一ビアホール内に第一ビアを形成する工程と、を有する。
【００３３】
上記第一異方性エッチングでは、上記第四層間絶縁膜のエッチングレートよりも上記第一絶縁膜のエッチングレートの方が小さい。上記第一エッチングでは、上記第三層間絶縁膜が上記第一ビアホールの底に露出される。上記第二層間絶縁膜及び上記第四層間絶縁膜それぞれは、前記第三層間絶縁膜、前記第五層間絶縁膜、及び前記第一絶縁膜それぞれよりも誘電率の低い低誘電率膜である。上記第三層間絶縁膜の厚みは上記第一絶縁膜の厚みよりも厚い。上記第一ビアによって上記第一配線と上記第二配線が接続される。
【００３４】
この発明にかかる半導体装置の製造方法の第２の態様は、基板上に第一層間絶縁膜を形成する工程と、上記第一層間絶縁膜上に単層の膜である第二層間絶縁膜を形成する工程と、上記第二層間絶縁膜上に第三層間絶縁膜を形成する工程と、上記第二層間絶縁膜内部に至り上記第三層間絶縁膜を貫くような第一溝を形成する工程と、上記第一溝内に第一金属を埋め込む工程と、化学的機械研磨法を行うことにより、上記第三層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第三層間絶縁膜上の上記第一金属を取り除いて、上記第一溝内に上記第一金属を残して、上記第一溝に第一配線を形成する工程と、上記第三層間絶縁膜上及び上記第一配線上に第一絶縁膜を形成する工程と、上記第一絶縁膜上に単層の膜である第四層間絶縁膜を形成する工程と、上記第四層間絶縁膜上に第五層間絶縁膜を形成する工程と、第一異方性エッチングによって、上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第四層間絶縁膜に底面が設けられるような第二溝を形成する工程と、第二異方性エッチングによって、上記第四層間絶縁膜及び上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第一絶縁膜を露出し、上記第二溝と連通するような第一ビアホールを形成する工程と、第一エッチングによって、露出された上記第一絶縁膜をエッチングして上記第一ビアホールの底に上記第一配線表面を露出させる工程と、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に第二金属を埋め込む工程と、化学的機械研磨法を行うことにより、上記第五層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第五層間絶縁膜上の上記第二金属を取り除いて、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に上記第二金属を残して、上記第二溝内に第二配線を形成し、上記第一ビアホール内に第一ビアを形成する工程と、を有する。
【００３５】
上記第二異方性エッチングでは、上記第四層間絶縁膜のエッチングレートよりも上記第一絶縁膜のエッチングレートの方が小さい。上記第一エッチングでは、上記第三層間絶縁膜が上記第一ビアホールの底に露出される。上記第二層間絶縁膜及び上記第四層間絶縁膜それぞれは、前記第三層間絶縁膜、前記第五層間絶縁膜、及び前記第一絶縁膜それぞれよりも誘電率の低い低誘電率膜である。上記第三層間絶縁膜の厚みは上記第一絶縁膜の厚みよりも厚い。上記第一ビアにより上記第一配線と上記第二配線が接続される。
【００３６】
望ましくは、上記第二層間絶縁膜と上記第四層間絶縁膜の材料は同一であり、上記第三層間絶縁膜と上記第五層間絶縁膜の材料は同一である。
【００３７】
更に望ましくは、上記第二層間絶縁膜は水素化シルセスキオキサン、メチルシルセスキオキサン、ポリアリルエーテル、ベンゾシクロブテン、ポリテトラフロロエチレン、ポーラスシリカであるキセロゲル、ポーラスシリカであるエアロゲル、フッ素化シリコン酸化膜、フッ素化アモルファスカーボン、及びパリレンから選択された一つの材料を含み、上記第三層間絶縁膜はシリコン酸化膜である。
【００３８】
更に望ましくは、上記第二層間絶縁膜の比誘電率は１．８〜３．０の範囲であり、上記第一絶縁膜はシリコンと窒素の化合物で構成された絶縁膜である。
【００３９】
あるいは望ましくは、上記第一溝を形成する工程と上記第一金属を埋め込む工程との間に、第一熱処理を行って上記配線溝の表面から水分を飛ばす工程と、上記第一配線表面を露出させる工程と上記第二金属を埋め込む工程との間に、第二熱処理を行って上記第二溝表面及び上記第一ビアホール表面から水分を飛ばす工程とを更に有する。
【００４０】
あるいは望ましくは、上記第三層間絶縁膜と上記第一絶縁膜は上記第二層間絶縁膜よりも水分の透過防止機能が高い。
【００４１】
あるいは望ましくは、上記第一エッチングでは、上記第一絶縁膜のエッチングレートよりも上記第三層間絶縁膜のエッチングレートの方が小さい。
【発明の効果】
【００４２】
この発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、第一ビアホールと第二溝を形成した後、第一ビアホール底の露出した第一絶縁膜に対して第一エッチングを施して第一配線表面を露出するので、第一絶縁膜を薄くして第一エッチングの時間を短くすることができる。よって第二溝内及び第一ビアホール内に第二金属を埋め込む第一ビアホールの合わせズレが起きた際の第一エッチングによるオーバーエッチによって第二層間膜が大きくオーバーエッチされる不具合を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施の形態１の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図３】従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図４】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図５】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図７】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図９】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１１】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１２】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１３】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１４】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１５】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１６】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１７】従来の半導体装置の問題点を示す断面図である。
【図１８】従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１９】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２０】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２１】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２２】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２３】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる半導体装置Ｄ１の構造を示す断面図である。半導体装置Ｄ１は、金属プラグ９を介して接続された第１層金属配線５と第２層金属配線１０とからなる多層配線構造を備える。この多層配線構造を構成する金属には、例えば銅が用いられる。半導体装置Ｄ１は更に基板１を備え、基板１の表面には下部絶縁層２が形成されている。なお、基板１の表面及び下部絶縁層２の内部にはトランジスタ等の素子や基板上の配線等が形成されているが、図示を省略している。
【００４５】
下部絶縁層２の表面には第１の低誘電率膜３が形成されている。低誘電率膜の材料としては例えば、水素化シルセスキオキサン（Hydrogen Silsesquioxane）、メチルシルセスキオキサン（Methyl Silsesquioxane）、ポリアリルエーテル（Polyarylether）、ベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene）、ポリテトラフロロエチレン（Polytetrafluoroethylene）や、ポーラスシリカであるキセロゲル（Xerogel）、エアロゲル（Aerogel）等の回転塗布法で形成される材料や、フッ素化シリコン酸化膜、フッ素化アモルファスカーボン、パリレン（Parylene）等のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成される材料が適用可能である。このような低誘電率膜の比誘電率は１．８〜３．０程度である。本実施の形態においては、例えばポリアリルエーテル（以下、ＰＡＥと記す）を第１の低誘電率膜３に使用する。ＰＡＥは炭素、酸素、水素を主成分とする有機物である。
【００４６】
さらに本実施の形態では、第１の低誘電率膜３の表面に第１のエッチング防止膜４が形成されている。この第１のエッチング防止膜４は、水分の透過を防止する膜であり、第１の低誘電率膜３が外部から水分を吸湿するのを防止する機能を備えている。第１のエッチング防止膜４の材料には、例えばシリコン酸化膜が採用される。また、第１の低誘電率膜３及び第１のエッチング防止膜４の内部には第１層金属配線５が、下部絶縁層２の表面に接触しつつ、第１のエッチング防止膜４の表面に露出して、水平方向に間隔を置いて複数形成されている。
【００４７】
第１層金属配線５及び第１のエッチング防止膜４の表面には、第２のエッチング防止膜６が形成されている。つまり、本発明ではエッチング防止膜を二重に設けている。第２のエッチング防止膜６には、第１のエッチング防止膜４の材料に対しエッチング選択性を有し、かつ、水分の透過を防止する材料が採用される。第１のエッチング防止膜４にシリコン酸化膜を採用した場合には、この第２のエッチング防止膜６に例えばシリコン窒化膜が採用される。
【００４８】
第２のエッチング防止膜６の表面には第２の低誘電率膜７が形成され、また、第２の低誘電率膜７の表面には第３のエッチング防止膜８が形成されている。第２の低誘電率膜７の材料には、例えば第１の低誘電率膜３と同様、ＰＡＥが採用される。また第３のエッチング防止膜８は、水分の透過を防止する機能を備えている。第３のエッチング防止膜８には例えば、第１のエッチング防止膜４と同様、シリコン酸化膜が採用される。
【００４９】
そして、第２の低誘電率膜７及び第２のエッチング防止膜６に形成されたコンタクトホール１１Ａには、金属プラグ９が形成されている。また、第２の低誘電率膜７及び第３のエッチング防止膜８に形成され、紙面垂直方向に延在する溝１１Ｂには、第２層金属配線１０が形成されている。
【００５０】
本実施の形態にかかる半導体装置では、第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６とが形成されて二重のエッチング防止膜となっている。よって、コンタクトホール１１Ａの形成時には、たとえエッチング時間が長い場合であっても第２の低誘電率膜７のエッチングについては、第２のエッチング防止膜６が形成されているのでエッチングを一旦停止できる。このとき、第１層金属配線５と第１のエッチング防止膜４との界面４Ａ及び第１の低誘電率膜３は、第２のエッチング防止膜６に覆われているのでコンタクトホール１１Ａ内に露出する可能性は低い。また、コンタクトを取るためにコンタクトホール１１Ａ内の第２のエッチング防止膜６を除去する際には、第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６との間にエッチング選択性があり、また、第２の低誘電率膜７をエッチングする場合とは異なって第２のエッチング防止膜６のエッチング時間を長くとる必要はないので、界面４Ａが露出しても、半導体装置Ｄ３の場合のように第１の低誘電率膜３に対してオーバーエッチングして窪みを発生させてしまう可能性は低い。よって、コンタクトホール１１Ａ内で金属プラグ９の埋め込み不良が生じにくい構造であり、半導体装置としての信頼性が高い。
【００５１】
また、第１の低誘電率膜３については、その表面に第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６とが二重に形成されており、それぞれが水分の透過を防止する機能を備えているので、吸湿する可能性が少ない。また、第２の低誘電率膜７についても、その表面に水分の透過を防止する第３のエッチング防止膜８が形成されているので、吸湿する可能性が少ない。よって、第１の低誘電率膜３及び第２の低誘電率膜７の比誘電率を増大させない。
【００５２】
なお図示してはいないが、第２層金属配線１０及び第３のエッチング防止膜８の表面に更に、第２のエッチング防止膜６と同様の第４のエッチング防止膜、第２の低誘電率膜７と同様の第３の低誘電率膜、第３のエッチング防止膜８と同様の第５のエッチング防止膜、金属プラグ９と同様の金属プラグ、第２層金属配線１０と同様の第３層金属配線が、それぞれ形成されていてもよい。
【００５３】
その場合、第３のエッチング防止膜８と第４のエッチング防止膜との間のエッチング選択性の関係が、第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６との間のエッチング選択性の関係と同様になるので、第２の低誘電率膜７に窪みを発生させる可能性は低い。また、第２の低誘電率膜７の表面に第３のエッチング防止膜８と第４のエッチング防止膜とが二重に形成されていることになり、それぞれが水分の透過を防止する機能を備えているので、第２の低誘電率膜７が吸湿する可能性が少ない。また、第３の低誘電率膜についても、その表面に水分の透過を防止する第５のエッチング防止膜が形成されているので、吸湿する可能性が少ない。
【００５４】
もちろん、このような層構造がさらに繰り返し形成されていてもよく、その場合も各層ごとに同様の効果がある。一般的に表現すれば、第Ｎ（Ｎ≧１）層金属配線の表面及び第（２Ｎ−１）のエッチング防止膜の表面に更に、第（２Ｎ）のエッチング防止膜と第（Ｎ＋１）の低誘電率膜と第（２Ｎ＋１）のエッチング防止膜とがこの順に形成され、それらの内部に金属プラグと第（Ｎ＋１）層金属配線とが形成された構造とすればよい。
【００５５】
また、図２は本実施の形態の変形にかかる半導体装置Ｄ２の構造を示す断面図である。このように、第１のエッチング防止膜４及び第３のエッチング防止膜８を、それぞれ、より厚い第１のエッチング防止膜１４及び第３のエッチング防止膜１８として形成すれば、エッチング防止効果が高まり、それぞれの膜の直下の低誘電率膜に対してオーバーエッチングによる窪みを発生させてしまう可能性がより少なくなる。また、第１の低誘電率膜３及び第２の低誘電率膜７が吸湿する可能性もより少なくなる。
【００５６】
なお、エッチング防止膜を二重に形成する例として、例えば特許文献２に記載の技術がある。図３は、この技術を半導体装置Ｄ３に適用した場合について示したものである（ただし、この技術は低誘電率膜を採用しているわけではないので、その点を区別するために第１及び第２の低誘電率膜１０３，１０７の代わりに、第１及び第２の層間絶縁膜２０３，２０７として示している。）。しかしこの技術によれば、第１の層間絶縁膜２０３の表面にではなく、第１層金属配線１０５の表面に、エッチング防止膜１０６と同じ材料のエッチング防止膜２０４を設ける点で本発明とは構成が異なる。このような相違は、この技術がコンタクトホール１１１Ａ内のエッチング防止膜１０６を除去する際に同時にエッチング防止膜２０４を除去して、自己整合的に第１層配線１０５と金属プラグ１０９とのコンタクトをとるのを目的とすることに起因している。つまり第１の層間絶縁膜２０３の保護を目的とはしておらず、本願とは目的が異なっている。
【００５７】
実施の形態２．
本実施の形態は、実施の形態１にかかる半導体装置Ｄ１を製造する方法について示したものである。半導体装置Ｄ１を製造する方法について、図４〜９を用いて説明する。まず、基板１の表面に各素子（図示せず）を形成した後、その上に下部絶縁層２を形成する。次に、例えば回転塗布法によりＰＡＥ膜を第１の低誘電率膜３として下部絶縁層２の表面に形成し、続いて、例えばプラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を第１のエッチング防止膜４として第１の低誘電率膜３の表面に形成する（図４）。
【００５８】
そして、エッチング防止膜４及び第１の低誘電率膜３のうち、第１層金属配線５を形成すべき部分に対しフォトリソグラフィ技術を適用する。すなわち、第１のエッチング防止膜４の表面にレジストを形成してパターニングし、第１のエッチング防止膜４をエッチングする。第１のエッチング防止膜４の材料がシリコン酸化膜なので、例えばＣ4Ｆ8とＡｒとの混合ガスを使用したプラズマエッチングを行えばよい。第１の低誘電率膜３が露出した後はエッチングガスを変更し、第１のエッチング防止膜４をマスクとして下部絶縁層２が露出するまで第１の低誘電率膜３をエッチングする。第１の低誘電率膜３の材料がＰＡＥなので、例えば、酸素及び窒素の混合ガス、または酸素及び窒素及びＡｒの混合ガス、または窒素及び水素の混合ガスのいずれかをエッチングガスに用いればよい。これらの混合ガスはいずれも有機物をエッチングすることができるため、最初に第１のエッチング防止膜４上に形成したレジストもこのとき同時に除去できる。なお、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等は、これらの混合ガスではほとんどエッチングされないので、第１のエッチング防止膜４はエッチングの影響を受けることはほとんどない。
【００５９】
この後、第１層金属配線５を形成するが、その前に、第１の低誘電率膜３がエッチングした部分の側壁から水分を吸湿している可能性があるので、熱処理を行い水分を放出させておく。
【００６０】
そして、第１層金属配線５の材料となる金属膜を第１のエッチング防止膜４の表面に形成し、第１のエッチング防止膜４及び第１の低誘電率膜３のうちエッチングされた部分を充分に埋める。本実施の形態においては、例えばメッキ法により銅を埋め込む。その後、例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法を用いて第１のエッチング防止膜４上の不要な金属膜を除去し、その金属の表面を平坦化することで第１層金属配線５を形成する（図５）。なお、金属膜を埋め込むプロセスとしては、メッキ法の他に、スパッタ法で成膜した後に熱処理により金属膜を軟化させて埋め込むリフロー法や、ＣＶＤ法等がある。また、金属膜の材料には銅の他に、Ａｌ合金等が採用されてもよい。
【００６１】
次に、第１のエッチング防止膜４及び第１層金属配線５の表面に、例えばプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を第２のエッチング防止膜６として形成する。更にエッチング防止膜６の表面に、例えば回転塗布法によりＰＡＥ膜を第２の低誘電率膜７として形成する。そして更に第２の低誘電率膜７の表面に、第２のエッチング防止膜６に対してエッチング選択性を有する第３のエッチング防止膜８を、例えばプラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を第３のエッチング防止膜８として形成する（図６）。
【００６２】
そして、第２の低誘電率膜７及び第３のエッチング防止膜８にコンタクトホール１１Ａ及び溝１１Ｂを、フォトリソグラフィ技術により形成する。このとき、先にコンタクトホール１１Ａを形成してから溝１１Ｂを形成する方法と、先に溝１１Ｂを形成してからコンタクトホール１１Ａを形成する方法とがあるが、いずれを用いてもよい。以下では、例えば前者の方法を採用した場合について述べる。
【００６３】
まず、第３のエッチング防止膜８の表面にレジストを形成してコンタクトホール１１Ａのパターニングをし、第３のエッチング防止膜８をエッチングする。第３のエッチング防止膜８の材料がシリコン酸化膜なので、第１のエッチング防止膜４と同様、例えばＣ4Ｆ8とＡｒとの混合ガスを使用したプラズマエッチングを行えばよい。第２の低誘電率膜７が露出した後は、エッチングガスを変更し、第２のエッチング防止膜６が露出するまで第２の低誘電率膜７をエッチングする。第２の低誘電率膜７の材料がＰＡＥなので、第１の低誘電率膜３と同様、例えば、酸素及び窒素の混合ガス、または酸素及び窒素及びＡｒの混合ガス、または窒素及び水素の混合ガスのいずれかをエッチングガスに用いればよい。これらの混合ガスはいずれも有機物をエッチングすることができるため、最初に第３のエッチング防止膜８上に形成したレジストもこのとき同時に除去できる。一方、これらの混合ガスは第２のエッチング防止膜６であるシリコン窒化膜をほとんどエッチングすることができないので、コンタクトホール１１Ａの形成は第２のエッチング防止膜６が露出すれば、停止する。
【００６４】
次に、溝１１Ｂについてもコンタクトホール１１Ａと同様にしてエッチングを行い、コンタクトホール１１Ａに連通し、第１の低誘電率膜３中に底を有するように形成する。つまり、第３のエッチング防止膜８の表面にレジストを形成して、溝１１Ｂが形成済みのコンタクトホール１１Ａと交わるようにパターニングをし、第３のエッチング防止膜８をプラズマエッチングする。ただしこのとき、すでに第２のエッチング防止膜６であるシリコン窒化膜が露出しているので、第３のエッチング防止膜８であるシリコン酸化膜をエッチングする際に第２のエッチング防止膜６をエッチングしないようにしなければならない。そこで、シリコン酸化膜のエッチング速度とシリコン窒化膜のエッチング速度の比が、例えば１０：１となるようにエッチング条件を調節しておく。例えば、先にも使用したＣ4Ｆ8とＡｒとの混合ガスは、シリコン窒化膜に対して上記の条件を満たすよう調整できるので、同様にこのガスによるプラズマエッチングを行えばよい。
【００６５】
そして、第２の低誘電率膜７が露出した後は、エッチングガスを、酸素及び窒素の混合ガス、または酸素及び窒素及びＡｒの混合ガス、または窒素及び水素の混合ガスのいずれかに変更し、所望の幅及び深さとなるまで第２の低誘電率膜７をエッチングして溝１１Ｂを形成する（図７）。
【００６６】
続いて今度は、第３のエッチング防止膜８はエッチングされずにコンタクトホール１１Ａ内の第２のエッチング防止膜６のみがエッチングされる条件でエッチングを行う。そのために、シリコン酸化膜のエッチング速度とシリコン窒化膜のエッチング速度の比が、例えば１：１０となるようにエッチング条件を調節しておく。例えば塩素と酸素との混合ガスを用いれば、上記の条件を満たすよう調整できるので、このガスによるプラズマエッチングを行えばよい。このようにして、コンタクトホール１１Ａ内に第１層金属配線５を露出させる（図８）。なお、塩素と酸素との混合ガスを用いれば、第２の低誘電率膜７は多少エッチングされてしまうので、溝１１Ｂの幅は広がり、底面の高さは低くなる。よって予め、第２のエッチング防止膜６のエッチング時間や、そのときの第２の低誘電率膜７のエッチング速度等を考慮した上で、溝１１Ｂの幅及び深さを決定しておけばよい。
【００６７】
なお以上は、先にコンタクトホール１１Ａを形成してから溝１１Ｂを形成する場合についての説明であったが、先に溝１１Ｂを形成してからコンタクトホール１１Ａを形成する場合には、以下の点で工程がもう少し行いやすいものとなる。つまり、第１に、溝１１Ｂの形成の際に第２のエッチング防止膜６が露出しないので、第３のエッチング防止膜８をエッチングしつつ第２のエッチング防止膜６はエッチングしないようにエッチング選択性を考慮する必要がなく、第２に、コンタクトホール１１Ａの形成のためには、溝１１Ｂ内の第２の低誘電率膜７をパターニングしてエッチングするだけでよく、第３のエッチング防止膜８をエッチングする必要がないからである。
【００６８】
ただしその場合は、コンタクトホール１１Ａのマスクパターンを、形成済みの溝１１Ｂに合わせつつフォトリソグラフィを行う必要があるので、マスクのアライメント調整を慎重に行わなくてはならない。その点、先にコンタクトホール１１Ａを形成する場合には、多少のアライメントのずれは許容される。
【００６９】
さてこの後、金属プラグ９及び第２層金属配線１０を形成するが、その前に、第２の低誘電率膜７がコンタクトホール１１Ａ及び溝１１Ｂの側壁部分から水分を吸湿している可能性があるので、熱処理を行い水分を放出させておく。
【００７０】
そして、金属プラグ９及び第２層金属配線１０の材料となる金属膜を、第３のエッチング防止膜８の表面に形成してコンタクトホール１１Ａ及び溝１１Ｂを充分に埋め、その金属の表面を例えばＣＭＰ法により平坦化して金属をコンタクトホール１１Ａ及び溝１１Ｂのみに残置し、金属プラグ９及び第２層金属配線１０を形成する（図９）。
【００７１】
なお、層構造の繰り返しを有する半導体装置を製造する場合には、以上の工程を繰り返せばよい。
【００７２】
本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を用いれば、第２の低誘電率膜７のエッチングについては、第２のエッチング防止膜６が形成されているのでエッチングを一旦停止できる。このとき、コンタクトホール１１Ａがフォトマスクのアライメントのずれた状態で形成された場合であっても、第１層金属配線５と第１のエッチング防止膜４との界面４Ａ及び第１の低誘電率膜３は、第２のエッチング防止膜６に覆われているのでコンタクトホール１１Ａ内に露出する可能性は低い。また、コンタクトを取るためにコンタクトホール１１Ａ内の第２のエッチング防止膜６を除去する際には、第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６との間にエッチング選択性があり、また、第２の低誘電率膜７をエッチングする場合とは異なって第２のエッチング防止膜６のエッチング時間を長くとる必要はないので、半導体装置Ｄ３の場合のように第１の低誘電率膜３に対してオーバーエッチングして窪みを発生させてしまう可能性が低い。
【００７３】
また、第１の低誘電率膜３の形成に続いて第１のエッチング防止膜４が形成され、第２の低誘電率膜７の形成に続いて第２のエッチング防止膜８がその表面に形成されるので、第１の低誘電率膜３の表面及び第２の低誘電率膜７の表面が雰囲気に露出する時間が短く、吸湿しにくい。さらに、第１層金属配線５または第２層金属配線１０を形成する際に、表面を平坦化する手法としてＣＭＰ法を用いる場合であっても、第１のエッチング防止膜４または第３のエッチング防止膜８が存在するので、水分が第１の低誘電率膜３または第２の低誘電率膜７に直接触れることはなく、第１の低誘電率膜３及び第２の低誘電率膜７が吸湿しにくい。
【００７４】
また、コンタクトホール１１Ａを先に形成する場合には、第３のエッチング防止膜８が第２のエッチング防止膜６に対しエッチング選択性を有するので、エッチング条件を調整することで、第３のエッチング防止膜８の表面を溝１１Ｂ形成用にパターニングする際には第３のエッチング防止膜８をエッチングしつつ第２のエッチング防止膜６はエッチングしないようにすることができる。一方、第２のエッチング防止膜６にエッチングを施して第１層金属配線５を露出させる際には第２のエッチング防止膜６をエッチングしつつ第３のエッチング防止膜８はエッチングしないようにすることができる。
【００７５】
また、第１層金属配線５に銅等を採用した場合であっても、第２のエッチング防止膜６が存在するので、第１層金属配線５の酸化を防ぐことが可能となる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 基板、２ 下部絶縁層、３ 第１の低誘電率膜、４ 第１のエッチング防止膜、５ 第１層金属配線、６ 第２のエッチング防止膜、７ 第２の低誘電率膜、８ 第３のエッチング防止膜、９ 金属プラグ、１０ 第２層金属配線、１１Ａ コンタクトホール、１１Ｂ 溝。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コンタクトホールを介して相互に接続された上層配線及び下層配線と配線間を絶縁する層間絶縁膜とを備えた半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サブクォーターミクロン世代以降のロジックデバイスにおいてデバイスの高速化を実現するためには、デバイスの信号遅延を低減することが重要である。デバイスの信号遅延はトランジスタにおける遅延と配線における遅延との和で表わされるが、配線ピッチの縮小が進むにつれて、トランジスタでの信号遅延よりも配線での信号遅延の影響の方が大きくなっている。配線での信号遅延は配線の抵抗と層間絶縁膜の容量との積に比例するため、これを低減させるには、配線抵抗または層間絶縁膜容量を低減することが必要となる。
【０００３】
その目的を達成するための試みの一つとして、例えば銅配線の形成の研究が盛んに行われている。配線材料として銅を用いることにより、更なる配線抵抗の低下が期待できるからである。
【０００４】
また、現在ではこのような配線は多層化しており、埋め込み配線プロセスにより形成されることが多い。埋め込み配線プロセスとは、最初に層間絶縁膜となる層を形成してその層に予め配線溝とコンタクトホールとを作り込んでおき、後に配線溝とコンタクトホールの中に金属を埋め込んで表面の平坦化処理をすることで配線を形成する方法のことである。
【０００５】
また、信号遅延低減のためのその他の試みとして低誘電率層間絶縁膜（以下、低誘電率膜と略す）の研究が盛んに行われている。例えば、従来の代表的な層間絶縁膜であるシリコン酸化膜に代わってシリコンフッ化酸化膜を層間絶縁膜として採用すると、層間絶縁膜の比誘電率が低下する。すると、層間絶縁膜の容量値が減少するので信号遅延を低減することが可能となる。現在、様々な物質がこのような低誘電率膜の候補として研究の対象となっている。
【０００６】
上記の埋め込み配線プロセス及び低誘電率膜を、多層配線の形成に適用した例について以下で説明する。
【０００７】
図１０は、第１層金属配線１０５及び第２層金属配線１１０からなる多層配線構造と低誘電率膜１０３，１０７とを備える半導体装置Ｄ３について示している。半導体装置Ｄ３は基板１０１を備え、基板１０１の表面には下部絶縁層１０２が形成されている。なお、基板１０１の表面及び下部絶縁層１０２の内部にはトランジスタ等の素子や基板上の配線等が形成されているが、図示を省略している。また、下部絶縁層１０２の表面には第１の低誘電率膜１０３が形成されている。
【０００８】
第１の低誘電率膜１０３の内部には第１層金属配線１０５が、下部絶縁層１０２の表面に接触しつつ、第１の低誘電率膜１０３の表面に露出して、水平方向に間隔を置いて複数形成されている。第１層金属配線１０５及び第１の低誘電率膜１０３の表面には、エッチング防止機能を有する層間絶縁膜（以下、エッチング防止膜と記す、なおエッチング防止膜の必要性については後述）１０６が形成されている。
【０００９】
エッチング防止膜１０６の表面には第２の低誘電率膜１０７が形成され、また、第２の低誘電率膜１０７及びエッチング防止膜１０６にはコンタクトホール１１１Ａ及び紙面垂直方向に延在する溝１１１Ｂが形成されている。コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂには、それぞれ金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０が形成されており、両者は連続している。なお、微細化のために第１層金属配線１０５の幅Ｗ５と金属プラグ１０９の幅Ｗ９とはほぼ同程度に設計され、幅Ｗ５は幅Ｗ９に比べ充分に大きくとることはできない。また、図１０では金属プラグ１０９の位置が、エッチング防止膜１０６の面内方向において第１層金属配線１０５の位置と一致しておらず、アライメントがずれた状態でコンタクトホール１１１Ａが形成された場合を示しているが、後に半導体装置Ｄ３の問題点を説明する際の便宜を図ったためである。
【００１０】
この図１０に示した構造を形成する方法について図１１〜１６を用いて説明する。まず、基板１０１の表面に各素子（図示せず）を形成した後、下部絶縁層１０２を形成する。次に、下部絶縁層１０２の表面に第１の低誘電率膜１０３を形成する（図１１）。そして、第１の低誘電率膜１０３のうち第１層金属配線１０５を形成すべき部分をフォトリソグラフィ技術によりエッチングする。その後、第１層金属配線１０５の材料となる金属の膜を第１の低誘電率膜１０３の表面に形成し、第１の低誘電率膜１０３のエッチングされた部分を充分に埋める。更に金属の表面を平坦化し、第１の低誘電率膜１０３のエッチングされた部分のみに残置して第１層金属配線１０５を形成する（図１２）。
【００１１】
次に、第２の低誘電率膜１０７に対してエッチング選択性を有する（即ち第２の低誘電率膜１０７のエッチングに対するストッパとして機能する）絶縁膜を、エッチング防止膜１０６として第１の低誘電率膜１０３及び第１層金属配線１０５の表面に形成し、更にその上に第２の低誘電率膜１０７を形成する（図１３）。そして、第２の低誘電率膜１０７の内部にコンタクトホール１１１Ａをフォトリソグラフィ技術により形成する。このとき、エッチング防止膜１０６が第２の低誘電率膜１０７に対してエッチング選択性を有するので、コンタクトホール１１１Ａの形成時にエッチングがエッチング防止膜１０６のところまで進行した時点で自動的にエッチング速度が低下し、エッチングを停止することができる。
【００１２】
ここでもし仮にエッチング防止膜１０６がなければ、エッチングが停止せず第１の低誘電率膜１０３までもがエッチングされてしまう可能性がある。半導体装置の微細化が進む今日においては、下層配線を幅広く形成して、上層配線のアライメントマージンを充分に取ることは困難である。よって現在では、上述のように配線の幅とコンタクトホールの径とを同程度の大きさに設計することが多い。すると、フォトリソグラフィ技術によるコンタクトホール形成の際にフォトマスクのアライメントがずれた場合、下層配線の位置とコンタクトホールの位置とが完全には重なり合わず、コンタクトホール内に下層配線の周囲の層間絶縁膜が露出することになる。そうすれば、第２の低誘電率膜１０７だけでなく第１の低誘電率膜１０３までもがエッチングされてしまいかねない。
【００１３】
また、第１層金属配線１０５に銅等を採用した場合、第２の低誘電率膜１０７を堆積またはエッチングした際に第１層金属配線１０５が酸化してしまうこともある。しかし、エッチング防止膜１０６が存在すれば、そのような事態を防ぐことが可能となる。
【００１４】
以上がエッチング防止膜１０６の必要な理由である。なお、エッチング防止膜１０６の材料には、例えばシリコン窒化膜が採用される。
【００１５】
その後、溝１１１Ｂも同様にフォトリソグラフィ技術によって形成する（図１４）。このときもエッチング防止膜１０６が存在するので第１の低誘電率膜１０３と第１層金属配線１０５とに影響を与えることはない。
【００１６】
続いて、コンタクトホール１１１Ａ内に露出したエッチング防止膜１０６をエッチングし、第１層金属配線１０５をコンタクトホール１１１Ａに露出させる（図１５）。そして、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０の材料となる金属の膜を第２の低誘電率膜１０７の表面に形成し、コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂを充分に埋める。そして金属の表面を平坦化して、コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂのみに残置し、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０を形成する（図１６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平６−１３４７０号公報
【特許文献２】特開平８−２６４６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
低誘電率膜には以下に示す課題が存在している。
【００１９】
（１）低誘電率膜は一般に膜の密度が低いため、湿気を含んだ雰囲気にその表面が曝されると雰囲気中の水分を吸湿しやすい。水の分子は常態でも僅かに分極しているため、膜中に取りこまれると低誘電率膜の比誘電率を上昇させてしまうという弊害をもたらす。
【００２０】
（２）低誘電率膜は一般に、シリコン酸化膜に比較して膜のエッチング速度が速く、エッチングの制御が難しい。
【００２１】
図１０に示した半導体装置Ｄ３、並びに図１１〜１６に示した半導体装置Ｄ３の製造方法において、これらの課題が問題となる。
【００２２】
まず（１）の課題については、半導体装置Ｄ３の製造方法によると、第１の低誘電率膜１０３の表面及び第２の低誘電率膜１０７の表面が雰囲気に露出する時間（第１の低誘電率膜１０３の場合はエッチング防止膜１０６が形成されるまでの時間、第２の低誘電率膜１０７の場合は図１６の段階の後に何らかの膜がその表面に形成されるまでの時間）が長いので吸湿しやすい。ちなみに、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜やシリコン窒化膜等は水分を透過させにくいので、第１の低誘電率膜１０３についていえば、エッチング防止膜１０６にそれらいずれかの膜を採用することで、以降の吸湿を防止することは可能である。
【００２３】
また、第１層金属配線１０５または第２層金属配線１１０を形成する際に、表面を平坦化する手法としてＣＭＰ法を用いる場合には、水分を第１の低誘電率膜１０３または第２の低誘電率膜１０７に浴びせることになるので、その場合にも（１）の課題が問題となる。
【００２４】
また（２）の課題については、半導体装置Ｄ３を製造する工程中、エッチング防止膜１０６を除去する際に第１の低誘電率膜１０３をオーバーエッチングしてしまう可能性があるという点で問題となる。図１７は当該問題を示す断面図である。コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂの形成時にはエッチング防止膜１０６があるので第１の低誘電率膜１０３はエッチングの影響を受けないものの、エッチング防止膜１０６自身を除去する際には、図１７に示すように第１の低誘電率膜１０３がエッチングされやすく、オーバーエッチングによる窪み１０３Ａを生じやすいからである。このような窪み１０３Ａが生じると、コンタクトホール１１１Ａに金属プラグ１０９を形成する際に金属膜の埋め込み不良が生じやすく、その結果、半導体装置の歩留まり低下の原因となる。例えば、コンタクトホール１１１Ａの内部にバリアメタル（図示せず）を形成する場合、埋め込み不良のためバリアメタルの形成が不完全になり、配線金属が層間絶縁膜にスパイクを発生させて絶縁性を阻害しやすいからである。
【００２５】
これらの課題を解決し得る技術として、特許文献１に開示された技術がある。この技術を半導体装置Ｄ４として、図１８〜２３を用いて説明する。図１８は半導体装置Ｄ４の構造を示したものであり、半導体装置Ｄ４は半導体装置Ｄ３と同様、基板１０１、下部絶縁層１０２、第１の層間絶縁膜２０３、第１層金属配線１０５、第２の層間絶縁膜２０７、コンタクトホール１１１Ａ、溝１１１Ｂ、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０を備えている（なお、この技術では層間絶縁膜に低誘電率膜を採用しているわけではないので、区別するために、半導体装置Ｄ３における第１の低誘電率膜１０３を第１の層間絶縁膜２０３に、第２の低誘電率膜１０７を第２の層間絶縁膜２０７に、それぞれ変更している）。しかし半導体装置Ｄ４では、半導体装置Ｄ３と異なりエッチング防止膜１０６が形成されていない。その代わりに、第１の層間絶縁膜２０３の上には第１層金属配線１０５の表面と同一平面内にある表面を有する第１のエッチング防止膜１０４が、第２の層間絶縁膜２０７の上には第２層金属配線１１０の表面と同一平面内にある表面を有する第２のエッチング防止膜１０８が、それぞれ形成されている。
【００２６】
また、図１９〜２３は半導体装置Ｄ４の製造方法を示したものである。まず、図１１と同様、基板１０１の表面に各素子（図示せず）を形成した後、下部絶縁層１０２、第１の層間絶縁膜２０３を形成する。そして、第１の層間絶縁膜２０３の表面に第１のエッチング防止膜１０４を形成する（図１９）。そして、第１の層間絶縁膜２０３及び第１のエッチング防止膜１０４のうち、第１層金属配線１０５を形成すべき部分をフォトリソグラフィ技術によりエッチングする。その後、第１層金属配線１０５の材料となる金属の膜を第１のエッチング防止膜１０４の表面に形成し、エッチングされた部分を充分に埋める。更に金属の表面を平坦化して、エッチングされた部分にのみ金属を残置して第１層金属配線１０５を形成する（図２０）。
【００２７】
次に、第２の層間絶縁膜２０７を形成し、さらにその表面に第２のエッチング防止膜１０８を形成する（図２１）。そして、第２の層間絶縁膜２０７及び第２のエッチング防止膜１０８の内部にコンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂをフォトリソグラフィ技術により形成する（図２２）。そして、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０の材料となる金属の膜を、第２のエッチング防止膜１０８の表面に形成し、コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂを充分に埋める。そして金属の表面を平坦化して、コンタクトホール１１１Ａ及び溝１１１Ｂのみに残置し、金属プラグ１０９及び第２層金属配線１１０を形成する（図２３）。
【００２８】
このような半導体装置Ｄ４を用いれば、第１のエッチング防止膜１０４の表面が第１層金属配線の表面と同一平面内に存在するので、半導体装置Ｄ３のように、コンタクトホール１１１Ａを形成した際に第１の層間絶縁膜２０３が露出することがない。よって、半導体装置Ｄ３の場合のエッチング防止膜１０６の除去の際に生じていた窪み１０３Ａは、生じにくい。
【００２９】
また、半導体装置Ｄ４の製造方法によれば、第１の層間絶縁膜２０３の形成に続いて第１のエッチング防止膜１０４が形成され、第２の層間絶縁膜２０７の形成に続いて第２のエッチング防止膜１０８がその表面に形成されるので、第１の層間絶縁膜２０３の表面及び第２の層間絶縁膜２０７の表面が雰囲気に露出する時間が短く、吸湿しにくい。さらに、第１層金属配線１０５または第２層金属配線１１０を形成する際に、表面を平坦化する手法としてＣＭＰ法を用いる場合、第１のエッチング防止膜１０４または第２のエッチング防止膜１０８が存在するので、水分が第１の層間絶縁膜２０３または第２の層間絶縁膜２０７に直接触れることはなく、第１の層間絶縁膜２０３及び第２の層間絶縁膜２０７が吸湿しにくい。
【００３０】
しかしながら半導体装置Ｄ４であっても、半導体装置Ｄ３に比べれば窪み１０３Ａは生じにくいものの、コンタクトホール１１１Ａの形成の際に第１層金属配線１０５と第１のエッチング防止膜１０４との界面１０４Ａが露出してエッチャントに曝されるので、窪み１０３Ａの発生を充分に抑制できるわけではない。通常、コンタクトホールは半導体装置Ｄ４において広く分布しており、また、各領域によって微妙に表面の高さの高低差があるため、コンタクトホール１１１Ａの形成時にはコンタクトを確実にするためにエッチング時間は長めに設定されることが多い。すると、たとえエッチング防止膜１０４が形成されていても、エッチング時間が長いために実際には界面１０４Ａにエッチャントがしみ込んで窪み１０３Ａを発生させやすい。これは、エッチング防止膜１０４をたとえ厚く形成したとしても解決しがたい問題である。
【００３１】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、低誘電率膜と多層配線とを備える半導体装置において、低誘電率膜がコンタクトホール内に露出してオーバーエッチングされるのを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
この発明にかかる半導体装置の製造方法の第１の態様は、基板上に第一層間絶縁膜を形成する工程と、上記第一層間絶縁膜上に単層の膜である第二層間絶縁膜を形成する工程と、上記第二層間絶縁膜上に第三層間絶縁膜を形成する工程と、上記第二層間絶縁膜内部に至り上記第三層間絶縁膜を貫くような第一溝を形成する工程と、上記第一溝内に第一金属を埋め込む工程と、化学的機械研磨法を行うことにより、上記第三層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第三層間絶縁膜上の上記第一金属を取り除いて、上記第一溝内に上記第一金属を残して、上記第一溝に第一配線を形成する工程と、上記第三層間絶縁膜上及び上記第一配線上に第一絶縁膜を形成する工程と、上記第一絶縁膜上に単層の膜である第四層間絶縁膜を形成する工程と、上記第四層間絶縁膜上に第五層間絶縁膜を形成する工程と、第一異方性エッチングによって、上記第四層間絶縁膜及び上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第一絶縁膜を露出するような第一ビアホールを形成する工程と、第二異方性エッチングによって、上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第四層間絶縁膜に底面が設けられ、上記第一ビアホールと連通するような第二溝を形成する工程と、第一エッチングによって、露出された上記第一絶縁膜をエッチングして上記第一ビアホールの底に上記第一配線表面を露出させる工程と、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に第二金属を埋め込む工程と、化学的機械研磨法を行うことにより、上記第五層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第五層間絶縁膜上の上記第二金属を取り除いて、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に上記第二金属を残して、上記第二溝内に第二配線を形成し、上記第一ビアホール内に第一ビアを形成する工程と、を有する。
【００３３】
上記第一異方性エッチングでは、上記第四層間絶縁膜のエッチングレートよりも上記第一絶縁膜のエッチングレートの方が小さい。上記第一エッチングでは、上記第三層間絶縁膜が上記第一ビアホールの底に露出される。上記第二層間絶縁膜及び上記第四層間絶縁膜それぞれは、前記第三層間絶縁膜、前記第五層間絶縁膜、及び前記第一絶縁膜それぞれよりも誘電率の低い低誘電率膜である。上記第三層間絶縁膜の厚みは上記第一絶縁膜の厚みよりも厚い。上記第一ビアによって上記第一配線と上記第二配線が接続される。
【００３４】
この発明にかかる半導体装置の製造方法の第２の態様は、基板上に第一層間絶縁膜を形成する工程と、上記第一層間絶縁膜上に単層の膜である第二層間絶縁膜を形成する工程と、上記第二層間絶縁膜上に第三層間絶縁膜を形成する工程と、上記第二層間絶縁膜内部に至り上記第三層間絶縁膜を貫くような第一溝を形成する工程と、上記第一溝内に第一金属を埋め込む工程と、化学的機械研磨法を行うことにより、上記第三層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第三層間絶縁膜上の上記第一金属を取り除いて、上記第一溝内に上記第一金属を残して、上記第一溝に第一配線を形成する工程と、上記第三層間絶縁膜上及び上記第一配線上に第一絶縁膜を形成する工程と、上記第一絶縁膜上に単層の膜である第四層間絶縁膜を形成する工程と、上記第四層間絶縁膜上に第五層間絶縁膜を形成する工程と、第一異方性エッチングによって、上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第四層間絶縁膜に底面が設けられるような第二溝を形成する工程と、第二異方性エッチングによって、上記第四層間絶縁膜及び上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第一絶縁膜を露出し、上記第二溝と連通するような第一ビアホールを形成する工程と、第一エッチングによって、露出された上記第一絶縁膜をエッチングして上記第一ビアホールの底に上記第一配線表面を露出させる工程と、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に第二金属を埋め込む工程と、化学的機械研磨法を行うことにより、上記第五層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第五層間絶縁膜上の上記第二金属を取り除いて、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に上記第二金属を残して、上記第二溝内に第二配線を形成し、上記第一ビアホール内に第一ビアを形成する工程と、を有する。
【００３５】
上記第二異方性エッチングでは、上記第四層間絶縁膜のエッチングレートよりも上記第一絶縁膜のエッチングレートの方が小さい。上記第一エッチングでは、上記第三層間絶縁膜が上記第一ビアホールの底に露出される。上記第二層間絶縁膜及び上記第四層間絶縁膜それぞれは、前記第三層間絶縁膜、前記第五層間絶縁膜、及び前記第一絶縁膜それぞれよりも誘電率の低い低誘電率膜である。上記第三層間絶縁膜の厚みは上記第一絶縁膜の厚みよりも厚い。上記第一ビアにより上記第一配線と上記第二配線が接続される。
【００３６】
望ましくは、上記第二層間絶縁膜と上記第四層間絶縁膜の材料は同一であり、上記第三層間絶縁膜と上記第五層間絶縁膜の材料は同一である。
【００３７】
更に望ましくは、上記第二層間絶縁膜は水素化シルセスキオキサン、メチルシルセスキオキサン、ポリアリルエーテル、ベンゾシクロブテン、ポリテトラフロロエチレン、ポーラスシリカであるキセロゲル、ポーラスシリカであるエアロゲル、フッ素化シリコン酸化膜、フッ素化アモルファスカーボン、及びパリレンから選択された一つの材料を含み、上記第三層間絶縁膜はシリコン酸化膜である。
【００３８】
更に望ましくは、上記第二層間絶縁膜の比誘電率は１．８〜３．０の範囲であり、上記第一絶縁膜はシリコンと窒素の化合物で構成された絶縁膜である。
【００３９】
あるいは望ましくは、上記第一溝を形成する工程と上記第一金属を埋め込む工程との間に、第一熱処理を行って上記配線溝の表面から水分を飛ばす工程と、上記第一配線表面を露出させる工程と上記第二金属を埋め込む工程との間に、第二熱処理を行って上記第二溝表面及び上記第一ビアホール表面から水分を飛ばす工程とを更に有する。
【００４０】
あるいは望ましくは、上記第三層間絶縁膜と上記第一絶縁膜は上記第二層間絶縁膜よりも水分の透過防止機能が高い。
【００４１】
あるいは望ましくは、上記第一エッチングでは、上記第一絶縁膜のエッチングレートよりも上記第三層間絶縁膜のエッチングレートの方が小さい。
【発明の効果】
【００４２】
この発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、第一ビアホールと第二溝を形成した後、第一ビアホール底の露出した第一絶縁膜に対して第一エッチングを施して第一配線表面を露出するので、第一絶縁膜を薄くして第一エッチングの時間を短くすることができる。よって第二溝内及び第一ビアホール内に第二金属を埋め込む第一ビアホールの合わせズレが起きた際の第一エッチングによるオーバーエッチによって第二層間膜が大きくオーバーエッチされる不具合を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施の形態１の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図３】従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図４】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図５】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図７】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図９】実施の形態２の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１１】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１２】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１３】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１４】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１５】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１６】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１７】従来の半導体装置の問題点を示す断面図である。
【図１８】従来の半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１９】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２０】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２１】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２２】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２３】従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる半導体装置Ｄ１の構造を示す断面図である。半導体装置Ｄ１は、金属プラグ９を介して接続された第１層金属配線５と第２層金属配線１０とからなる多層配線構造を備える。この多層配線構造を構成する金属には、例えば銅が用いられる。半導体装置Ｄ１は更に基板１を備え、基板１の表面には下部絶縁層２が形成されている。なお、基板１の表面及び下部絶縁層２の内部にはトランジスタ等の素子や基板上の配線等が形成されているが、図示を省略している。
【００４５】
下部絶縁層２の表面には第１の低誘電率膜３が形成されている。低誘電率膜の材料としては例えば、水素化シルセスキオキサン（Hydrogen Silsesquioxane）、メチルシルセスキオキサン（Methyl Silsesquioxane）、ポリアリルエーテル（Polyarylether）、ベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene）、ポリテトラフロロエチレン（Polytetrafluoroethylene）や、ポーラスシリカであるキセロゲル（Xerogel）、エアロゲル（Aerogel）等の回転塗布法で形成される材料や、フッ素化シリコン酸化膜、フッ素化アモルファスカーボン、パリレン（Parylene）等のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成される材料が適用可能である。このような低誘電率膜の比誘電率は１．８〜３．０程度である。本実施の形態においては、例えばポリアリルエーテル（以下、ＰＡＥと記す）を第１の低誘電率膜３に使用する。ＰＡＥは炭素、酸素、水素を主成分とする有機物である。
【００４６】
さらに本実施の形態では、第１の低誘電率膜３の表面に第１のエッチング防止膜４が形成されている。この第１のエッチング防止膜４は、水分の透過を防止する膜であり、第１の低誘電率膜３が外部から水分を吸湿するのを防止する機能を備えている。第１のエッチング防止膜４の材料には、例えばシリコン酸化膜が採用される。また、第１の低誘電率膜３及び第１のエッチング防止膜４の内部には第１層金属配線５が、下部絶縁層２の表面に接触しつつ、第１のエッチング防止膜４の表面に露出して、水平方向に間隔を置いて複数形成されている。
【００４７】
第１層金属配線５及び第１のエッチング防止膜４の表面には、第２のエッチング防止膜６が形成されている。つまり、本発明ではエッチング防止膜を二重に設けている。第２のエッチング防止膜６には、第１のエッチング防止膜４の材料に対しエッチング選択性を有し、かつ、水分の透過を防止する材料が採用される。第１のエッチング防止膜４にシリコン酸化膜を採用した場合には、この第２のエッチング防止膜６に例えばシリコン窒化膜が採用される。
【００４８】
第２のエッチング防止膜６の表面には第２の低誘電率膜７が形成され、また、第２の低誘電率膜７の表面には第３のエッチング防止膜８が形成されている。第２の低誘電率膜７の材料には、例えば第１の低誘電率膜３と同様、ＰＡＥが採用される。また第３のエッチング防止膜８は、水分の透過を防止する機能を備えている。第３のエッチング防止膜８には例えば、第１のエッチング防止膜４と同様、シリコン酸化膜が採用される。
【００４９】
そして、第２の低誘電率膜７及び第２のエッチング防止膜６に形成されたコンタクトホール１１Ａには、金属プラグ９が形成されている。また、第２の低誘電率膜７及び第３のエッチング防止膜８に形成され、紙面垂直方向に延在する溝１１Ｂには、第２層金属配線１０が形成されている。
【００５０】
本実施の形態にかかる半導体装置では、第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６とが形成されて二重のエッチング防止膜となっている。よって、コンタクトホール１１Ａの形成時には、たとえエッチング時間が長い場合であっても第２の低誘電率膜７のエッチングについては、第２のエッチング防止膜６が形成されているのでエッチングを一旦停止できる。このとき、第１層金属配線５と第１のエッチング防止膜４との界面４Ａ及び第１の低誘電率膜３は、第２のエッチング防止膜６に覆われているのでコンタクトホール１１Ａ内に露出する可能性は低い。また、コンタクトを取るためにコンタクトホール１１Ａ内の第２のエッチング防止膜６を除去する際には、第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６との間にエッチング選択性があり、また、第２の低誘電率膜７をエッチングする場合とは異なって第２のエッチング防止膜６のエッチング時間を長くとる必要はないので、界面４Ａが露出しても、半導体装置Ｄ３の場合のように第１の低誘電率膜３に対してオーバーエッチングして窪みを発生させてしまう可能性は低い。よって、コンタクトホール１１Ａ内で金属プラグ９の埋め込み不良が生じにくい構造であり、半導体装置としての信頼性が高い。
【００５１】
また、第１の低誘電率膜３については、その表面に第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６とが二重に形成されており、それぞれが水分の透過を防止する機能を備えているので、吸湿する可能性が少ない。また、第２の低誘電率膜７についても、その表面に水分の透過を防止する第３のエッチング防止膜８が形成されているので、吸湿する可能性が少ない。よって、第１の低誘電率膜３及び第２の低誘電率膜７の比誘電率を増大させない。
【００５２】
なお図示してはいないが、第２層金属配線１０及び第３のエッチング防止膜８の表面に更に、第２のエッチング防止膜６と同様の第４のエッチング防止膜、第２の低誘電率膜７と同様の第３の低誘電率膜、第３のエッチング防止膜８と同様の第５のエッチング防止膜、金属プラグ９と同様の金属プラグ、第２層金属配線１０と同様の第３層金属配線が、それぞれ形成されていてもよい。
【００５３】
その場合、第３のエッチング防止膜８と第４のエッチング防止膜との間のエッチング選択性の関係が、第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６との間のエッチング選択性の関係と同様になるので、第２の低誘電率膜７に窪みを発生させる可能性は低い。また、第２の低誘電率膜７の表面に第３のエッチング防止膜８と第４のエッチング防止膜とが二重に形成されていることになり、それぞれが水分の透過を防止する機能を備えているので、第２の低誘電率膜７が吸湿する可能性が少ない。また、第３の低誘電率膜についても、その表面に水分の透過を防止する第５のエッチング防止膜が形成されているので、吸湿する可能性が少ない。
【００５４】
もちろん、このような層構造がさらに繰り返し形成されていてもよく、その場合も各層ごとに同様の効果がある。一般的に表現すれば、第Ｎ（Ｎ≧１）層金属配線の表面及び第（２Ｎ−１）のエッチング防止膜の表面に更に、第（２Ｎ）のエッチング防止膜と第（Ｎ＋１）の低誘電率膜と第（２Ｎ＋１）のエッチング防止膜とがこの順に形成され、それらの内部に金属プラグと第（Ｎ＋１）層金属配線とが形成された構造とすればよい。
【００５５】
また、図２は本実施の形態の変形にかかる半導体装置Ｄ２の構造を示す断面図である。このように、第１のエッチング防止膜４及び第３のエッチング防止膜８を、それぞれ、より厚い第１のエッチング防止膜１４及び第３のエッチング防止膜１８として形成すれば、エッチング防止効果が高まり、それぞれの膜の直下の低誘電率膜に対してオーバーエッチングによる窪みを発生させてしまう可能性がより少なくなる。また、第１の低誘電率膜３及び第２の低誘電率膜７が吸湿する可能性もより少なくなる。
【００５６】
なお、エッチング防止膜を二重に形成する例として、例えば特許文献２に記載の技術がある。図３は、この技術を半導体装置Ｄ３に適用した場合について示したものである（ただし、この技術は低誘電率膜を採用しているわけではないので、その点を区別するために第１及び第２の低誘電率膜１０３，１０７の代わりに、第１及び第２の層間絶縁膜２０３，２０７として示している。）。しかしこの技術によれば、第１の層間絶縁膜２０３の表面にではなく、第１層金属配線１０５の表面に、エッチング防止膜１０６と同じ材料のエッチング防止膜２０４を設ける点で本発明とは構成が異なる。このような相違は、この技術がコンタクトホール１１１Ａ内のエッチング防止膜１０６を除去する際に同時にエッチング防止膜２０４を除去して、自己整合的に第１層配線１０５と金属プラグ１０９とのコンタクトをとるのを目的とすることに起因している。つまり第１の層間絶縁膜２０３の保護を目的とはしておらず、本願とは目的が異なっている。
【００５７】
実施の形態２．
本実施の形態は、実施の形態１にかかる半導体装置Ｄ１を製造する方法について示したものである。半導体装置Ｄ１を製造する方法について、図４〜９を用いて説明する。まず、基板１の表面に各素子（図示せず）を形成した後、その上に下部絶縁層２を形成する。次に、例えば回転塗布法によりＰＡＥ膜を第１の低誘電率膜３として下部絶縁層２の表面に形成し、続いて、例えばプラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を第１のエッチング防止膜４として第１の低誘電率膜３の表面に形成する（図４）。
【００５８】
そして、エッチング防止膜４及び第１の低誘電率膜３のうち、第１層金属配線５を形成すべき部分に対しフォトリソグラフィ技術を適用する。すなわち、第１のエッチング防止膜４の表面にレジストを形成してパターニングし、第１のエッチング防止膜４をエッチングする。第１のエッチング防止膜４の材料がシリコン酸化膜なので、例えばＣ4Ｆ8とＡｒとの混合ガスを使用したプラズマエッチングを行えばよい。第１の低誘電率膜３が露出した後はエッチングガスを変更し、第１のエッチング防止膜４をマスクとして下部絶縁層２が露出するまで第１の低誘電率膜３をエッチングする。第１の低誘電率膜３の材料がＰＡＥなので、例えば、酸素及び窒素の混合ガス、または酸素及び窒素及びＡｒの混合ガス、または窒素及び水素の混合ガスのいずれかをエッチングガスに用いればよい。これらの混合ガスはいずれも有機物をエッチングすることができるため、最初に第１のエッチング防止膜４上に形成したレジストもこのとき同時に除去できる。なお、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等は、これらの混合ガスではほとんどエッチングされないので、第１のエッチング防止膜４はエッチングの影響を受けることはほとんどない。
【００５９】
この後、第１層金属配線５を形成するが、その前に、第１の低誘電率膜３がエッチングした部分の側壁から水分を吸湿している可能性があるので、熱処理を行い水分を放出させておく。
【００６０】
そして、第１層金属配線５の材料となる金属膜を第１のエッチング防止膜４の表面に形成し、第１のエッチング防止膜４及び第１の低誘電率膜３のうちエッチングされた部分を充分に埋める。本実施の形態においては、例えばメッキ法により銅を埋め込む。その後、例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法を用いて第１のエッチング防止膜４上の不要な金属膜を除去し、その金属の表面を平坦化することで第１層金属配線５を形成する（図５）。なお、金属膜を埋め込むプロセスとしては、メッキ法の他に、スパッタ法で成膜した後に熱処理により金属膜を軟化させて埋め込むリフロー法や、ＣＶＤ法等がある。また、金属膜の材料には銅の他に、Ａｌ合金等が採用されてもよい。
【００６１】
次に、第１のエッチング防止膜４及び第１層金属配線５の表面に、例えばプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を第２のエッチング防止膜６として形成する。更にエッチング防止膜６の表面に、例えば回転塗布法によりＰＡＥ膜を第２の低誘電率膜７として形成する。そして更に第２の低誘電率膜７の表面に、第２のエッチング防止膜６に対してエッチング選択性を有する第３のエッチング防止膜８を、例えばプラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を第３のエッチング防止膜８として形成する（図６）。
【００６２】
そして、第２の低誘電率膜７及び第３のエッチング防止膜８にコンタクトホール１１Ａ及び溝１１Ｂを、フォトリソグラフィ技術により形成する。このとき、先にコンタクトホール１１Ａを形成してから溝１１Ｂを形成する方法と、先に溝１１Ｂを形成してからコンタクトホール１１Ａを形成する方法とがあるが、いずれを用いてもよい。以下では、例えば前者の方法を採用した場合について述べる。
【００６３】
まず、第３のエッチング防止膜８の表面にレジストを形成してコンタクトホール１１Ａのパターニングをし、第３のエッチング防止膜８をエッチングする。第３のエッチング防止膜８の材料がシリコン酸化膜なので、第１のエッチング防止膜４と同様、例えばＣ4Ｆ8とＡｒとの混合ガスを使用したプラズマエッチングを行えばよい。第２の低誘電率膜７が露出した後は、エッチングガスを変更し、第２のエッチング防止膜６が露出するまで第２の低誘電率膜７をエッチングする。第２の低誘電率膜７の材料がＰＡＥなので、第１の低誘電率膜３と同様、例えば、酸素及び窒素の混合ガス、または酸素及び窒素及びＡｒの混合ガス、または窒素及び水素の混合ガスのいずれかをエッチングガスに用いればよい。これらの混合ガスはいずれも有機物をエッチングすることができるため、最初に第３のエッチング防止膜８上に形成したレジストもこのとき同時に除去できる。一方、これらの混合ガスは第２のエッチング防止膜６であるシリコン窒化膜をほとんどエッチングすることができないので、コンタクトホール１１Ａの形成は第２のエッチング防止膜６が露出すれば、停止する。
【００６４】
次に、溝１１Ｂについてもコンタクトホール１１Ａと同様にしてエッチングを行い、コンタクトホール１１Ａに連通し、第１の低誘電率膜３中に底を有するように形成する。つまり、第３のエッチング防止膜８の表面にレジストを形成して、溝１１Ｂが形成済みのコンタクトホール１１Ａと交わるようにパターニングをし、第３のエッチング防止膜８をプラズマエッチングする。ただしこのとき、すでに第２のエッチング防止膜６であるシリコン窒化膜が露出しているので、第３のエッチング防止膜８であるシリコン酸化膜をエッチングする際に第２のエッチング防止膜６をエッチングしないようにしなければならない。そこで、シリコン酸化膜のエッチング速度とシリコン窒化膜のエッチング速度の比が、例えば１０：１となるようにエッチング条件を調節しておく。例えば、先にも使用したＣ4Ｆ8とＡｒとの混合ガスは、シリコン窒化膜に対して上記の条件を満たすよう調整できるので、同様にこのガスによるプラズマエッチングを行えばよい。
【００６５】
そして、第２の低誘電率膜７が露出した後は、エッチングガスを、酸素及び窒素の混合ガス、または酸素及び窒素及びＡｒの混合ガス、または窒素及び水素の混合ガスのいずれかに変更し、所望の幅及び深さとなるまで第２の低誘電率膜７をエッチングして溝１１Ｂを形成する（図７）。
【００６６】
続いて今度は、第３のエッチング防止膜８はエッチングされずにコンタクトホール１１Ａ内の第２のエッチング防止膜６のみがエッチングされる条件でエッチングを行う。そのために、シリコン酸化膜のエッチング速度とシリコン窒化膜のエッチング速度の比が、例えば１：１０となるようにエッチング条件を調節しておく。例えば塩素と酸素との混合ガスを用いれば、上記の条件を満たすよう調整できるので、このガスによるプラズマエッチングを行えばよい。このようにして、コンタクトホール１１Ａ内に第１層金属配線５を露出させる（図８）。なお、塩素と酸素との混合ガスを用いれば、第２の低誘電率膜７は多少エッチングされてしまうので、溝１１Ｂの幅は広がり、底面の高さは低くなる。よって予め、第２のエッチング防止膜６のエッチング時間や、そのときの第２の低誘電率膜７のエッチング速度等を考慮した上で、溝１１Ｂの幅及び深さを決定しておけばよい。
【００６７】
なお以上は、先にコンタクトホール１１Ａを形成してから溝１１Ｂを形成する場合についての説明であったが、先に溝１１Ｂを形成してからコンタクトホール１１Ａを形成する場合には、以下の点で工程がもう少し行いやすいものとなる。つまり、第１に、溝１１Ｂの形成の際に第２のエッチング防止膜６が露出しないので、第３のエッチング防止膜８をエッチングしつつ第２のエッチング防止膜６はエッチングしないようにエッチング選択性を考慮する必要がなく、第２に、コンタクトホール１１Ａの形成のためには、溝１１Ｂ内の第２の低誘電率膜７をパターニングしてエッチングするだけでよく、第３のエッチング防止膜８をエッチングする必要がないからである。
【００６８】
ただしその場合は、コンタクトホール１１Ａのマスクパターンを、形成済みの溝１１Ｂに合わせつつフォトリソグラフィを行う必要があるので、マスクのアライメント調整を慎重に行わなくてはならない。その点、先にコンタクトホール１１Ａを形成する場合には、多少のアライメントのずれは許容される。
【００６９】
さてこの後、金属プラグ９及び第２層金属配線１０を形成するが、その前に、第２の低誘電率膜７がコンタクトホール１１Ａ及び溝１１Ｂの側壁部分から水分を吸湿している可能性があるので、熱処理を行い水分を放出させておく。
【００７０】
そして、金属プラグ９及び第２層金属配線１０の材料となる金属膜を、第３のエッチング防止膜８の表面に形成してコンタクトホール１１Ａ及び溝１１Ｂを充分に埋め、その金属の表面を例えばＣＭＰ法により平坦化して金属をコンタクトホール１１Ａ及び溝１１Ｂのみに残置し、金属プラグ９及び第２層金属配線１０を形成する（図９）。
【００７１】
なお、層構造の繰り返しを有する半導体装置を製造する場合には、以上の工程を繰り返せばよい。
【００７２】
本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を用いれば、第２の低誘電率膜７のエッチングについては、第２のエッチング防止膜６が形成されているのでエッチングを一旦停止できる。このとき、コンタクトホール１１Ａがフォトマスクのアライメントのずれた状態で形成された場合であっても、第１層金属配線５と第１のエッチング防止膜４との界面４Ａ及び第１の低誘電率膜３は、第２のエッチング防止膜６に覆われているのでコンタクトホール１１Ａ内に露出する可能性は低い。また、コンタクトを取るためにコンタクトホール１１Ａ内の第２のエッチング防止膜６を除去する際には、第１のエッチング防止膜４と第２のエッチング防止膜６との間にエッチング選択性があり、また、第２の低誘電率膜７をエッチングする場合とは異なって第２のエッチング防止膜６のエッチング時間を長くとる必要はないので、半導体装置Ｄ３の場合のように第１の低誘電率膜３に対してオーバーエッチングして窪みを発生させてしまう可能性が低い。
【００７３】
また、第１の低誘電率膜３の形成に続いて第１のエッチング防止膜４が形成され、第２の低誘電率膜７の形成に続いて第２のエッチング防止膜８がその表面に形成されるので、第１の低誘電率膜３の表面及び第２の低誘電率膜７の表面が雰囲気に露出する時間が短く、吸湿しにくい。さらに、第１層金属配線５または第２層金属配線１０を形成する際に、表面を平坦化する手法としてＣＭＰ法を用いる場合であっても、第１のエッチング防止膜４または第３のエッチング防止膜８が存在するので、水分が第１の低誘電率膜３または第２の低誘電率膜７に直接触れることはなく、第１の低誘電率膜３及び第２の低誘電率膜７が吸湿しにくい。
【００７４】
また、コンタクトホール１１Ａを先に形成する場合には、第３のエッチング防止膜８が第２のエッチング防止膜６に対しエッチング選択性を有するので、エッチング条件を調整することで、第３のエッチング防止膜８の表面を溝１１Ｂ形成用にパターニングする際には第３のエッチング防止膜８をエッチングしつつ第２のエッチング防止膜６はエッチングしないようにすることができる。一方、第２のエッチング防止膜６にエッチングを施して第１層金属配線５を露出させる際には第２のエッチング防止膜６をエッチングしつつ第３のエッチング防止膜８はエッチングしないようにすることができる。
【００７５】
また、第１層金属配線５に銅等を採用した場合であっても、第２のエッチング防止膜６が存在するので、第１層金属配線５の酸化を防ぐことが可能となる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 基板、２ 下部絶縁層、３ 第１の低誘電率膜、４ 第１のエッチング防止膜、５ 第１層金属配線、６ 第２のエッチング防止膜、７ 第２の低誘電率膜、８ 第３のエッチング防止膜、９ 金属プラグ、１０ 第２層金属配線、１１Ａ コンタクトホール、１１Ｂ 溝。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第一層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第一層間絶縁膜上に単層の膜である第二層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第二層間絶縁膜上に第三層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第二層間絶縁膜内部に至り上記第三層間絶縁膜を貫くような第一溝を形成する工程と、
上記第一溝内に第一金属を埋め込む工程と、
化学的機械研磨法を行うことにより、上記第三層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第三層間絶縁膜上の上記第一金属を取り除いて、上記第一溝内に上記第一金属を残して、上記第一溝に第一配線を形成する工程と、
上記第三層間絶縁膜上及び上記第一配線上に第一絶縁膜を形成する工程と、
上記第一絶縁膜上に単層の膜である第四層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第四層間絶縁膜上に第五層間絶縁膜を形成する工程と、
第一異方性エッチングによって、上記第四層間絶縁膜及び上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第一絶縁膜を露出するような第一ビアホールを形成する工程と、
第二異方性エッチングによって、上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第四層間絶縁膜に底面が設けられ、上記第一ビアホールと連通するような第二溝を形成する工程と、
第一エッチングによって、露出された上記第一絶縁膜をエッチングして上記第一ビアホールの底に上記第一配線表面を露出させる工程と、
上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に第二金属を埋め込む工程と、
化学的機械研磨法を行うことにより、上記第五層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第五層間絶縁膜上の上記第二金属を取り除いて、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に上記第二金属を残して、上記第二溝内に第二配線を形成し、上記第一ビアホール内に第一ビアを形成する工程と、を有し、
上記第一異方性エッチングでは、上記第四層間絶縁膜のエッチングレートよりも上記第一絶縁膜のエッチングレートの方が小さく、
上記第一エッチングでは、上記第三層間絶縁膜が上記第一ビアホールの底に露出され、
上記第二層間絶縁膜及び上記第四層間絶縁膜それぞれは、前記第三層間絶縁膜、前記第五層間絶縁膜、及び前記第一絶縁膜それぞれよりも誘電率の低い低誘電率膜であり、
上記第三層間絶縁膜の厚みは上記第一絶縁膜の厚みよりも厚く、
上記第一ビアによって上記第一配線と上記第二配線が接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板上に第一層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第一層間絶縁膜上に単層の膜である第二層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第二層間絶縁膜上に第三層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第二層間絶縁膜内部に至り上記第三層間絶縁膜を貫くような第一溝を形成する工程と、
上記第一溝内に第一金属を埋め込む工程と、
化学的機械研磨法を行うことにより、上記第三層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第三層間絶縁膜上の上記第一金属を取り除いて、上記第一溝内に上記第一金属を残して、上記第一溝に第一配線を形成する工程と、
上記第三層間絶縁膜上及び上記第一配線上に第一絶縁膜を形成する工程と、
上記第一絶縁膜上に単層の膜である第四層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第四層間絶縁膜上に第五層間絶縁膜を形成する工程と、
第一異方性エッチングによって、上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第四層間絶縁膜に底面が設けられるような第二溝を形成する工程と、
第二異方性エッチングによって、上記第四層間絶縁膜及び上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第一絶縁膜を露出し、上記第二溝と連通するような第一ビアホールを形成する工程と、
第一エッチングによって、露出された上記第一絶縁膜をエッチングして上記第一ビアホールの底に上記第一配線表面を露出させる工程と、
上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に第二金属を埋め込む工程と、
化学的機械研磨法を行うことにより、上記第五層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第五層間絶縁膜上の上記第二金属を取り除いて、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に上記第二金属を残して、上記第二溝内に第二配線を形成し、上記第一ビアホール内に第一ビアを形成する工程と、を有し、
上記第二異方性エッチングでは、上記第四層間絶縁膜のエッチングレートよりも上記第一絶縁膜のエッチングレートの方が小さく、
上記第一エッチングでは、上記第三層間絶縁膜が上記第一ビアホールの底に露出され、
上記第二層間絶縁膜及び上記第四層間絶縁膜それぞれは、前記第三層間絶縁膜、前記第五層間絶縁膜、及び前記第一絶縁膜それぞれよりも誘電率の低い低誘電率膜であり、
上記第三層間絶縁膜の厚みは上記第一絶縁膜の厚みよりも厚く、
上記第一ビアにより上記第一配線と上記第二配線が接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記第二層間絶縁膜と上記第四層間絶縁膜の材料は同一であり、
上記第三層間絶縁膜と上記第五層間絶縁膜の材料は同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記第二層間絶縁膜は水素化シルセスキオキサン、メチルシルセスキオキサン、ポリアリルエーテル、ベンゾシクロブテン、ポリテトラフロロエチレン、ポーラスシリカであるキセロゲル、ポーラスシリカであるエアロゲル、フッ素化シリコン酸化膜、フッ素化アモルファスカーボン、及びパリレンから選択された一つの材料を含み、
上記第三層間絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記第二層間絶縁膜の比誘電率は１．８〜３．０の範囲であり、
上記第一絶縁膜はシリコンと窒素の化合物で構成された絶縁膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
上記第一溝を形成する工程と上記第一金属を埋め込む工程との間に、第一熱処理を行って上記配線溝の表面から水分を飛ばす工程と、
上記第一配線表面を露出させる工程と上記第二金属を埋め込む工程との間に、第二熱処理を行って上記第二溝表面及び上記第一ビアホール表面から水分を飛ばす工程とを更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
上記第三層間絶縁膜と上記第一絶縁膜は上記第二層間絶縁膜よりも水分の透過防止機能が高いことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
上記第一エッチングでは、上記第一絶縁膜のエッチングレートよりも上記第三層間絶縁膜のエッチングレートの方が小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板上に第一層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第一層間絶縁膜上に単層の膜である第二層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第二層間絶縁膜上に第三層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第二層間絶縁膜内部に至り上記第三層間絶縁膜を貫くような第一溝を形成する工程と、
上記第一溝内に第一金属を埋め込む工程と、
化学的機械研磨法を行うことにより、上記第三層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第三層間絶縁膜上の上記第一金属を取り除いて、上記第一溝内に上記第一金属を残して、上記第一溝に第一配線を形成する工程と、
上記第三層間絶縁膜上及び上記第一配線上に第一絶縁膜を形成する工程と、
上記第一絶縁膜上に単層の膜である第四層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第四層間絶縁膜上に第五層間絶縁膜を形成する工程と、
第一異方性エッチングによって、上記第四層間絶縁膜及び上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第一絶縁膜を露出するような第一ビアホールを形成する工程と、
第二異方性エッチングによって、上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第四層間絶縁膜に底面が設けられ、上記第一ビアホールと連通するような第二溝を形成する工程と、
第一エッチングによって、露出された上記第一絶縁膜をエッチングして上記第一ビアホールの底に上記第一配線表面を露出させる工程と、
上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に第二金属を埋め込む工程と、
化学的機械研磨法を行うことにより、上記第五層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第五層間絶縁膜上の上記第二金属を取り除いて、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に上記第二金属を残して、上記第二溝内に第二配線を形成し、上記第一ビアホール内に第一ビアを形成する工程と、を有し、
上記第一異方性エッチングでは、上記第四層間絶縁膜のエッチングレートよりも上記第一絶縁膜のエッチングレートの方が小さく、
上記第一エッチングでは、上記第三層間絶縁膜が上記第一ビアホールの底に露出され、
上記第二層間絶縁膜及び上記第四層間絶縁膜それぞれは、前記第三層間絶縁膜、前記第五層間絶縁膜、及び前記第一絶縁膜それぞれよりも誘電率の低い低誘電率膜であり、
上記第三層間絶縁膜の厚みは上記第一絶縁膜の厚みよりも厚く、
上記第一ビアによって上記第一配線と上記第二配線が接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板上に第一層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第一層間絶縁膜上に単層の膜である第二層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第二層間絶縁膜上に第三層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第二層間絶縁膜内部に至り上記第三層間絶縁膜を貫くような第一溝を形成する工程と、
上記第一溝内に第一金属を埋め込む工程と、
化学的機械研磨法を行うことにより、上記第三層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第三層間絶縁膜上の上記第一金属を取り除いて、上記第一溝内に上記第一金属を残して、上記第一溝に第一配線を形成する工程と、
上記第三層間絶縁膜上及び上記第一配線上に第一絶縁膜を形成する工程と、
上記第一絶縁膜上に単層の膜である第四層間絶縁膜を形成する工程と、
上記第四層間絶縁膜上に第五層間絶縁膜を形成する工程と、
第一異方性エッチングによって、上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第四層間絶縁膜に底面が設けられるような第二溝を形成する工程と、
第二異方性エッチングによって、上記第四層間絶縁膜及び上記第五層間絶縁膜を貫き、上記第一絶縁膜を露出し、上記第二溝と連通するような第一ビアホールを形成する工程と、
第一エッチングによって、露出された上記第一絶縁膜をエッチングして上記第一ビアホールの底に上記第一配線表面を露出させる工程と、
上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に第二金属を埋め込む工程と、
化学的機械研磨法を行うことにより、上記第五層間絶縁膜で研磨処理をとめて、上記第五層間絶縁膜上の上記第二金属を取り除いて、上記第二溝内及び上記第一ビアホール内に上記第二金属を残して、上記第二溝内に第二配線を形成し、上記第一ビアホール内に第一ビアを形成する工程と、を有し、
上記第二異方性エッチングでは、上記第四層間絶縁膜のエッチングレートよりも上記第一絶縁膜のエッチングレートの方が小さく、
上記第一エッチングでは、上記第三層間絶縁膜が上記第一ビアホールの底に露出され、
上記第二層間絶縁膜及び上記第四層間絶縁膜それぞれは、前記第三層間絶縁膜、前記第五層間絶縁膜、及び前記第一絶縁膜それぞれよりも誘電率の低い低誘電率膜であり、
上記第三層間絶縁膜の厚みは上記第一絶縁膜の厚みよりも厚く、
上記第一ビアにより上記第一配線と上記第二配線が接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記第二層間絶縁膜と上記第四層間絶縁膜の材料は同一であり、
上記第三層間絶縁膜と上記第五層間絶縁膜の材料は同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記第二層間絶縁膜は水素化シルセスキオキサン、メチルシルセスキオキサン、ポリアリルエーテル、ベンゾシクロブテン、ポリテトラフロロエチレン、ポーラスシリカであるキセロゲル、ポーラスシリカであるエアロゲル、フッ素化シリコン酸化膜、フッ素化アモルファスカーボン、及びパリレンから選択された一つの材料を含み、
上記第三層間絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記第二層間絶縁膜の比誘電率は１．８〜３．０の範囲であり、
上記第一絶縁膜はシリコンと窒素の化合物で構成された絶縁膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
上記第一溝を形成する工程と上記第一金属を埋め込む工程との間に、第一熱処理を行って上記配線溝の表面から水分を飛ばす工程と、
上記第一配線表面を露出させる工程と上記第二金属を埋め込む工程との間に、第二熱処理を行って上記第二溝表面及び上記第一ビアホール表面から水分を飛ばす工程とを更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
上記第三層間絶縁膜と上記第一絶縁膜は上記第二層間絶縁膜よりも水分の透過防止機能が高いことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
上記第一エッチングでは、上記第一絶縁膜のエッチングレートよりも上記第三層間絶縁膜のエッチングレートの方が小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１１−１２４６００（Ｐ２０１１−１２４６００Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５８３（Ｐ２０１１−２０５８３）
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【分割の表示】特願２００８−１５２７６７（Ｐ２００８−１５２７６７）の分割
【原出願日】平成１１年４月５日（１９９９．４．５）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【分割の表示】特願２００８−１５２７６７（Ｐ２００８−１５２７６７）の分割
【原出願日】平成１１年４月５日（１９９９．４．５）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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