半導体装置及び半導体装置の製造方法
【課題】半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制する。
【解決手段】半導体装置は、基板と、基板上に形成された多層配線層と、を有し、多層配線層は、配線と、配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を有する。少なくとも何れか１つの層間絶縁膜（例えば、層間絶縁膜２７、３０）は、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２とを有する。第１絶縁膜４１は、基板を第１方向（例えば下に凸）に反らせる応力を基板に与える。第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成され、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低く、基板を第１方向に対する反対方向（例えば上に凸）に反らせる応力を基板に与える。
【解決手段】半導体装置は、基板と、基板上に形成された多層配線層と、を有し、多層配線層は、配線と、配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を有する。少なくとも何れか１つの層間絶縁膜（例えば、層間絶縁膜２７、３０）は、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２とを有する。第１絶縁膜４１は、基板を第１方向（例えば下に凸）に反らせる応力を基板に与える。第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成され、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低く、基板を第１方向に対する反対方向（例えば上に凸）に反らせる応力を基板に与える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、基板と、基板上に形成された多層配線層と、を有する。多層配線層は、層間絶縁膜を有する。半導体装置は、その層間絶縁膜に起因する応力によって、反る場合がある。
【０００３】
特許文献１には、層間絶縁膜に起因する応力緩和のために、層間絶縁膜として常圧ＣＶＤ酸化膜とＰ−ＳｉＯＮ（プラズマ酸窒化膜）との積層膜を設けた半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１０９９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明者は、以下のことを認識した。
層間絶縁膜の密度を疎にすることにより、半導体装置の反りの方向をコントロールできる。しかし、層間絶縁膜を疎膜にすると、層間絶縁膜が吸湿することにより、その応力が経時変化し、半導体装置の反りも経時変化を起こす。
【０００６】
このように、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することは困難だった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板と、
前記基板上に形成された多層配線層と、
を有し、
前記多層配線層は、配線と、前記配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を有し、
少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜は、
前記基板を第１方向に反らせる応力を前記基板に与える第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜よりも表層側に形成され、前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記基板を前記第１方向に対する反対方向に反らせる応力を前記基板に与える第２絶縁膜と、
を有することを特徴とする半導体装置を提供する。
【０００８】
この半導体装置によれば、少なくとも何れか１つの層間絶縁膜は、基板を第１方向に反らせる応力を基板に与える第１絶縁膜と、第１絶縁膜よりも表層側に形成され、基板を第１方向に対する反対方向に反らせる応力を基板に与える第２絶縁膜と、を有する。よって、第１絶縁膜に起因する応力と、第２絶縁膜に起因する応力と、を相殺させることにより、半導体装置の反りを抑制することができる。
また、第２絶縁膜は、第１絶縁膜よりも吸湿性が低いため、第２絶縁膜の吸湿を抑制できる。しかも、第２絶縁膜は、第１絶縁膜よりも表層側に形成されているので、第２絶縁膜によって、第１絶縁膜の吸湿も抑制できる。このため、第２絶縁膜に起因する応力が経時変化してしまうことを抑制できるとともに、第１絶縁膜に起因する応力が経時変化してしまうことも抑制できる。よって、半導体装置の反りの経時変化を抑制することができる。
このように、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することができる。
【０００９】
また、本発明は、配線と、前記配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を含む多層配線層を基板上に形成する工程を有し、
少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜を形成する工程が、
前記基板を第１方向に反らせる応力を前記基板に与える第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜よりも表層側に、前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記基板を前記第１方向に対する反対方向に反らせる応力を前記基板に与える第２絶縁膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
【００１３】
〔第１の実施形態〕
図１及び図２は第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。図１は図２に示される多層配線層４の少なくとも何れか１つの配線層の構造を示す図である。
【００１４】
上述のように、半導体装置は、その層間絶縁膜に起因する応力によって、反る場合がある。この場合、層間絶縁膜の膜厚が厚いほど、反りが顕著となる。
【００１５】
ここで、本発明者の検討により、絶縁膜を厚く成膜しても、その膜質を疎にすることによって、半導体装置の反りをコントロールできることが分かった。しかし、絶縁膜を疎にすると、絶縁膜の吸湿により反りの経時変化が顕著に表れることも分かった。そこで、本発明者は、疎な絶縁膜の吸湿を抑制することにより、半導体装置の反りの経時変化を抑制できることに想到した。
【００１６】
本実施形態に係る半導体装置は、基板（半導体基板１（以下、単に基板１））と、基板１上に形成された多層配線層４と、を有する。多層配線層４は、配線と、配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を有する。少なくとも何れか１つの層間絶縁膜（例えば、層間絶縁膜２７、３０）は、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２とを有する。第１絶縁膜４１は、基板１を第１方向（例えば下に凸）に反らせる応力を基板１に与える。第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成され、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低く、基板１を第１方向に対する反対方向（例えば上に凸）に反らせる応力を基板１に与える。以下、詳細に説明する。
【００１７】
図２に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、素子分離膜２が形成された半導体基板（基板）１と、半導体基板１の素子形成領域に形成されたＭＯＳトランジスタ３と、素子分離膜２上及びＭＯＳトランジスタ３上に形成された多層配線層４と、多層配線層４上に形成された保護絶縁膜５と、を有する。
【００１８】
素子分離膜２は、ＳＴＩ法を用いて形成されたものであっても良いし、ＬＯＣＯＳ法を用いて形成されたものであっても良い。
【００１９】
ＭＯＳトランジスタ３は、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、ゲート電極の側壁に形成されたサイドウォールと、半導体基板１に形成された不純物領域（ソース及びドレイン）と、ソース及びドレインのエクステンション領域と、を有する。
【００２０】
多層配線層４は、複数の配線層を積層することにより構成されている。多層配線層４が有する配線層の層数は任意であるが、図２においては、配線層が７層の例を示している。
【００２１】
多層配線層４の最下層は、コンタクト層となっている。コンタクト層は、素子分離膜２上及びＭＯＳトランジスタ３上に形成されたコンタクト層間絶縁膜１１と、コンタクト層間絶縁膜１１に形成されたコンタクト１２と、を有している。コンタクト１２は、例えばタングステンなどの金属により構成されている。
【００２２】
コンタクト層間絶縁膜１１及びコンタクト１２の上には、第１層の配線層が形成されている。第１層の配線層は、コンタクト層間絶縁膜１１上及びコンタクト１２上に形成された配線層間絶縁膜１３と、配線層間絶縁膜１３に埋め込み形成された第１配線１４と、を有している。第１配線１４は、例えば銅などの金属により構成されている。
【００２３】
配線層間絶縁膜１３上及び第１配線１４上には、層間絶縁膜１５が形成されている。この層間絶縁膜１５には、ビア１６が埋め込み形成されている。
【００２４】
第２層の配線層は、層間絶縁膜１５上及びビア１６上に形成された第２配線１７と、第２配線１７を覆う層間絶縁膜１８と、層間絶縁膜１８に形成されたビア１９と、を有している。
【００２５】
第３層の配線層は、第２層の配線層上に形成された第３配線２０と、第３配線２０を覆う層間絶縁膜２１と、層間絶縁膜２１に形成されたビア２２と、を有している。
【００２６】
第４層の配線層は、第３層の配線層上に形成された第４配線２３と、第４配線２３を覆う層間絶縁膜２４と、層間絶縁膜２４に形成されたビア２５と、を有している。
【００２７】
第５層の配線層は、第４層の配線層上に形成された第５配線２６と、第５配線２６を覆う層間絶縁膜２７と、層間絶縁膜２７に形成されたビア２８と、を有している。
【００２８】
第６層の配線層は、第５層の配線層上に形成された第６配線２９と、第６配線２９を覆う層間絶縁膜３０と、層間絶縁膜３０に形成されたビア３１と、を有している。
【００２９】
最上層の配線層は、第６層の配線層上に形成された第７配線３２を有している。第７配線３２の一部分は、電極パッドとして機能する。
【００３０】
第２乃至第７配線１７、２０、２３、２６、２９及び３２は、それぞれ、ＡｌＣｕなどの金属膜をパターン形成することにより構成されている。
ビア１６、１９、２２、２５、２８及び３１は、それぞれ、タングステンなどの金属により構成されている。
ただし、ビアは配線と同一材料で一体形成されていても良い。
【００３１】
保護絶縁膜５は、例えば、ＳｉＮ／ＳｉＯ膜６と、ポリイミド膜７と、の積層膜である。保護絶縁膜５には、電極パッドを露出させる開口５ａが形成されている。
【００３２】
半導体装置は、例えば、ＩＣ部５１と、トランス部５２と、を有している。トランス部５２は、１次コイル５３と、２次コイル５４と、を有している。例えば、１次コイル５３は、一部の第７配線３２により構成され、２次コイル５４は、第３配線２０の一部により構成されている。
【００３３】
本実施形態に係る半導体装置においては、例えば、図２の多層配線層４における上層の第５層の配線層及び第６層の配線層の各々が、図１に示すような層構造となっている。このような層構造により、以下に詳細に説明するように、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することができる。
【００３４】
図１に示すように、第５層及び第６層の各々の配線層は、例えば、配線４４と、配線４４を覆う第１絶縁膜４１と、第１絶縁膜４１を覆う吸湿防止膜４３と、吸湿防止膜４３を覆う第２絶縁膜４２と、を有している。
ここで、図２における第５配線２６が、図１における配線４４に該当する。また、図２における第６配線２９も、図１における配線４４に該当する。
また、図２における層間絶縁膜２７は、図１における第１絶縁膜４１、吸湿防止膜４３及び第２絶縁膜４２の３層の積層膜に該当する。また、図２における層間絶縁膜３０も、図１における第１絶縁膜４１、吸湿防止膜４３及び第２絶縁膜４２の３層の積層膜に該当する。
【００３５】
第１絶縁膜４１は、第２絶縁膜４２よりも低密度の疎膜である。第１絶縁膜４１は、基板１を下に凸に反らせる応力を、基板１に与える。
【００３６】
第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも高密度の密膜であり、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低い。第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも半導体装置の表層側に位置している。第２絶縁膜４２は、基板１を上に凸に反らせる応力を、基板１に与える。
【００３７】
このように、第１絶縁膜４１が基板１に与える応力と、第２絶縁膜４２が基板１に与える応力とは、互いに反対方向である。よって、第１絶縁膜４１が基板１に与える応力と、第２絶縁膜４２が基板１に与える応力とを相殺させて、基板１の反り、ひいては半導体装置全体の反りを抑制することができる。
【００３８】
第１絶縁膜４１の膜厚と、第２絶縁膜４２の膜厚は、基板１の反り、ひいては半導体装置全体の反りが最も小さくなるように、それぞれ設定されている。
【００３９】
また、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低い第２絶縁膜４２が、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成されているので、第２絶縁膜４２によって該第２絶縁膜４２自身の吸湿を抑制できるだけでなく、第２絶縁膜４２によって第１絶縁膜４１の吸湿も抑制できる。このため、第２絶縁膜４２に起因する応力が吸湿により経時変化してしまうことを抑制できるとともに、第１絶縁膜４１に起因する応力が吸湿により経時変化してしまうことも抑制できる。よって、半導体装置の反りの経時変化を抑制することができる。
【００４０】
第１及び第２絶縁膜４１、４２は、何れもその誘電率がＳｉＯ２と同じであるか、又は、それ以下である。
【００４１】
第１絶縁膜４１は、例えば、ＳｉＯ２系の膜である。より具体的には、第１絶縁膜４１は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＯＦ、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）及びＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）の何れかの膜である。
同様に、第２絶縁膜４２は、例えば、ＳｉＯ２系の膜であり、より具体的には、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＯＦ、ＰＳＧ及びＢＰＳＧの何れかの膜である。
具体的には、例えば、第１絶縁膜４１及び第２絶縁膜４２は、それぞれＳｉＯ２膜とすることができる。
【００４２】
なお、例えば、半導体装置が、２つの異なる電圧間で非接触通信を行うためには、厚い層間絶縁膜が必要となる。このため、例えば、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２との合計の膜厚は、このような非接触通信を行うことができるような適切な膜厚に設定されている。
【００４３】
吸湿防止膜４３は、吸湿防止膜として良く知られているＳｉＯＮ膜（酸窒化膜）であることが挙げられる。より具体的には、吸湿防止膜４３は、例えば、Ｐ−ＳｉＯＮ膜（プラズマ酸窒化膜）であることが挙げられる。
吸湿防止膜４３は、ＳｉＯＮ膜に限らず、ＳｉＮ膜（例えば、Ｐ−ＳｉＮ膜）又はＳｉＣ膜（例えば、Ｐ−ＳｉＣ膜）であっても良い。
【００４４】
なお、図１に示す層構造の層間絶縁膜は、ローカルレイヤー、インターミディエイトレイヤー、セミグローバルレイヤー及びグローバルレイヤーの何れのレイヤーに形成しても良い。ただし、相対的に膜厚が厚いグローバルレイヤー（例えば、上記の第５層及び第６層の配線層）の層間絶縁膜、或いはセミグローバルレイヤーの層間絶縁膜を図１に示す層構造にすることによって、より効果的に、半導体装置の反りを抑制することができる。
ここで、グローバルレイヤーとは、素子間を接続する配線が配置されておらず、電源線、ＧＮＤ線、或いは、回路と電極パッドとを接続する配線などが配置されている層を意味する。
【００４５】
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図３乃至図５はこの製造方法の一連の工程を示す図である。図３乃至図５の各図において、（ａ）は半導体装置の断面図、（ｂ）は各工程におけるウェハの反り形状を示す模式図である。
【００４６】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、配線と、配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を含む多層配線層４を基板１上に形成する工程を有する。少なくとも何れか１つの層間絶縁膜を形成する工程が、基板１を第１方向に反らせる応力を基板１に与える第１絶縁膜４１を形成する工程と、第１絶縁膜４１よりも表層側に、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低く、基板１を第１方向に対する反対方向に反らせる応力を基板１に与える第２絶縁膜４２を形成する工程と、を有する。以下、詳細に説明する。
【００４７】
先ず、図２に示すように、半導体基板１に素子分離膜２を形成する。これにより、素子形成領域が分離される。素子分離膜２は、例えばＳＴＩ法を用いて形成されるが、ＬＯＣＯＳ法を用いて形成されても良い。
【００４８】
次に、素子形成領域に位置する半導体基板１に、ゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。ゲート絶縁膜は酸化シリコン膜であってもよいし、酸化シリコン膜よりも誘電率が高い高誘電率膜（例えばハフニウムシリケート膜）であってもよい。ゲート絶縁膜が酸化シリコン膜である場合、ゲート電極はポリシリコン膜により形成される。またゲート絶縁膜が高誘電率膜である場合、ゲート電極は、金属膜（例えばＴｉＮ）とポリシリコン膜の積層膜により形成される。また、ゲート電極がポリシリコンにより形成される場合、ゲート電極を形成する工程において、素子分離膜上にポリシリコン抵抗を形成しても良い。
【００４９】
次に、素子形成領域に位置する半導体基板に、ソース及びドレインのエクステンション領域を形成する。次にゲート電極の側壁にサイドウォールを形成する。次に、素子形成領域に位置する半導体基板に、ソース及びドレインとなる不純物領域を形成する。このようにして、半導体基板上にＭＯＳトランジスタ３が形成される。
【００５０】
次に、素子分離膜２上及びＭＯＳトランジスタ３上に、多層配線層４を形成する。
【００５１】
先ず、素子分離膜２上及びＭＯＳトランジスタ３上にコンタクト層間絶縁膜１１を形成し、コンタクト層間絶縁膜１１にコンタクト１２を埋め込み形成する。
【００５２】
次に、コンタクト層間絶縁膜１１上及びコンタクト１２上に配線層間絶縁膜１３を形成する。次に、配線層間絶縁膜１３に配線溝を形成し、この配線溝内に銅などの金属を埋め込み、余剰の金属をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより除去する。これにより、配線溝内に第１配線１４を埋め込み形成することができる。
【００５３】
次に、配線層間絶縁膜１３上及び第１配線１４上に層間絶縁膜１５を形成する。次に、層間絶縁膜１５にビアホールを形成し、ビアホール内にタングステンなどの金属を埋め込む。次に、余剰の金属をＣＭＰ又はエッチバックにより除去する。これにより、ビアホール内にビア１６を埋め込み形成することができる。
【００５４】
次に、層間絶縁膜１５上及びビア１６上に全面スパッタなどによりＡｌＣｕなどの金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィーによりマスクパターンを形成する。次に、このマスクパターンをマスクとして金属膜をエッチングすることにより、金属膜を所望のパターン形状の第２配線１７に加工する。
【００５５】
次に、第２配線１７の側面及び上面を覆うように、層間絶縁膜１５上に層間絶縁膜１８を形成する。次に、層間絶縁膜１８にビアホールを形成し、ビアホール内にタングステンなどの金属を埋め込み形成し、余剰の金属をＣＭＰ又はエッチバックにより除去することにより、ビアホール内にビア１９を埋め込み形成する。
【００５６】
その後、第２層の配線層と同様に、第３層の配線層（第３配線２０、層間絶縁膜２１及びビア２２）及び第４層の配線層（第４配線２３、層間絶縁膜２４及びビア２５）を順次に形成する。
【００５７】
次に、第４層の配線層上に、全面スパッタなどによりＡｌＣｕなどの金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィーによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして金属膜をエッチングすることにより、金属膜を所望のパターン形状の第５配線２６に加工する。
【００５８】
次に、第５配線２６の側面及び上面を覆うように、層間絶縁膜２４上に層間絶縁膜２７を形成する。次に、層間絶縁膜２７にビアホールを形成する。
次に、全面スパッタなどによりＡｌＣｕなどの金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィーによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして金属膜をエッチングする。これにより、所望のパターン形状の第６配線２９とビア２８とを一括形成する。
【００５９】
次に、ビア２８上を覆い、且つ、第６配線２６の側面及び上面を覆うように、層間絶縁膜２７上に層間絶縁膜３０を形成する。次に、層間絶縁膜３０にビアホールを形成した後、第６配線２９及びビア２８を形成したのと同様の方法により、第７配線３２及びビア３１を形成する。
【００６０】
こうして、多層配線層４を形成することができる。
【００６１】
次に、多層配線層４上に、保護絶縁膜（パッシベーション膜）５を形成する。先ず、第７配線３２を覆うようにＳｉＮ／ＳｉＯ膜６を形成し、更に、ＳｉＮ／ＳｉＯ膜６を覆うようにポリイミド膜７を形成する。
第７配線３２の一部分は、電極パッドを構成する。保護絶縁膜５には、電極パッド上に位置する開口５ａを形成する。
【００６２】
ここで、多層配線層４の少なくとも一部の配線層の層間絶縁膜（例えば、第５層及び第６層の配線層の層間絶縁膜２７と層間絶縁膜３０）については、それぞれ、以下に説明する工程により形成する。
【００６３】
先ず、図３乃至図５を参照して、第５層の配線層の製造工程について説明する。
【００６４】
上述のように第５配線２６を形成した後、第５配線２６（配線４４）の側面及び上面を覆うように、第５配線２６上及び第４層の配線層上に、ＳｉＯ２系の第１絶縁膜４１を成膜する。
【００６５】
上述のように、第１絶縁膜４１は、基板１を下に凸に反らせる応力を基板１に与える。このため、この段階では、ウェハは、下に凸に沿った状態となる（図示略）。
【００６６】
次に、第１絶縁膜４１を覆うように吸湿防止膜４３を成膜する。
【００６７】
次に、吸湿防止膜４３を覆うように、ＳｉＯ２系の第２絶縁膜４２の下部（下層）となる第２絶縁膜下部４２ａを成膜する（図３（ａ））。
【００６８】
ＳｉＯ２系の膜は、その膜密度によって応力が変化し、密膜をウェハに成膜すると上に凸にウェハが反り、疎膜を成膜すると凹状（下に凸）にウェハが反る。
【００６９】
図３（ａ）に示すように、第２絶縁膜下部４２ａを成膜した直後は、第２絶縁膜下部４２ａに起因する応力の影響が強いため、図３（ｂ）に示すように、ウェハは、若干、上に凸に反る。
【００７０】
なお、図３（ａ）に示すように、第１絶縁膜４１、吸湿防止膜４３、及び、第２絶縁膜下部４２ａには、第５配線２６の形状を反映した隆起部４５が形成されている。
【００７１】
次に、図４（ａ）に示すように、ＣＭＰによって、第２絶縁膜下部４２ａの上面を平坦化する。この際に、隆起部４５における吸湿防止膜４３はストッパー膜として機能し、例えば、隆起部４５における吸湿防止膜４３が表面に露出するまで、ＣＭＰが行われる。すなわち、吸湿防止膜４３をストッパー膜として第２絶縁膜の下層をＣＭＰすることにより第２絶縁膜の下層の上面を平坦化する。
吸湿防止膜４３がストッパー膜として機能することにより、オーバー研磨による第１絶縁膜４１の露出を抑制できる。
このようにＣＭＰを行うことにより、第５配線２６の形成領域及びその縁部（つまり隆起部４５上）では、第２絶縁膜下部４２ａが除去され、第５配線２６及びその縁部を除く領域（つまり隆起部４５以外の領域）に、第２絶縁膜下部４２ａが残留した状態となる。
【００７２】
この段階では、図３（ａ）の状態と比べて第２絶縁膜下部４２ａの膜厚が減少しているため、図４（ｂ）に示すように、ウェハは若干凹形状（下に凸）に反る。
【００７３】
次に、図５（ａ）に示すように、第２絶縁膜下部４２ａ上及び隆起部４５上に、第２絶縁膜４２の上部（上層）となる第２絶縁膜上部４２ｂを成膜する。なお、第２絶縁膜上部４２ｂを形成する目的には、スクラッチ対策（ＣＭＰにより形成された穴を埋めること）と層間絶縁膜の膜厚調整とが含まれる。
第２絶縁膜上部４２ｂを形成することにより、第２絶縁膜下部４２ａと第２絶縁膜上部４２ｂとからなる第２絶縁膜４２が形成される。
【００７４】
ここで、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２との合計膜厚が層間絶縁膜の所望の膜厚となるようにする。しかも、第１絶縁膜４１の応力と第２絶縁膜４２の応力とが相殺し、ウェハの反りが実質的にゼロとなるように、第１絶縁膜４１及び第２絶縁膜４２の各々の膜厚を調整する。
【００７５】
この段階では、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２との応力が相殺されることにより、図５（ｂ）に示すように、ウェハの反りが実質的にゼロになる。
【００７６】
第６層の配線層の製造工程は、第５層の配線層の製造工程と同様である。
【００７７】
以上のような第１の実施形態によれば、半導体装置の少なくとも何れか１つの層間絶縁膜は、基板１を第１方向に反らせる応力を基板１に与える第１絶縁膜４１と、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成され、基板１を第１方向に対する反対方向に反らせる応力を基板１に与える第２絶縁膜４２と、を有する。よって、第１絶縁膜４１に起因する応力と、第２絶縁膜４２に起因する応力と、を相殺させることにより、半導体装置の反りを抑制することができる。
また、第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低いため、第２絶縁膜４２の吸湿を抑制できる。しかも、第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成されているので、第２絶縁膜４２によって、第１絶縁膜４１の吸湿も抑制できる。このため、第２絶縁膜４２に起因する応力が経時変化してしまうことを抑制できるとともに、第１絶縁膜４１に起因する応力が経時変化してしまうことも抑制できる。よって、半導体装置の反りの経時変化を抑制することができる。
このように、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することができる。
【００７８】
半導体装置の反りを抑制できることから、例えば、半導体装置を装置内で搬送するときに、その反りのために搬送が阻害されてしまうといった問題の発生を低減することができる。
【００７９】
ところで、ウェハの反りを抑制するための方法としては、ウェハ表面に膜を成膜した後で、裏面にも同質の膜を成膜することにより、表裏に成膜した同質の膜に互いの応力を相殺させて、ウェハを平坦に維持する方法が考えられる。しかし、この方法では、最終的に、裏面の膜を除去する必要があるため、ウェハの出来上がりの段階では反りを呈する。
これに対して、本実施形態では、ウェハの反りを抑制するための成膜はウェハ表面に対して行うため、応力を相殺するための裏面への成膜を必要としないので、最終的に裏面の膜を除去する必要が無く、ウェハの出来上がりも反りを呈さないようにすることができる。
【００８０】
第２絶縁膜４２を、第１絶縁膜４１よりも高密度の膜とすることにより、第２絶縁膜４２の吸湿性を第１絶縁膜４１のそれよりも低くすることができる。
【００８１】
また、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２との間に吸湿防止膜４３が形成されていることにより、つまり、第１絶縁膜４１を吸湿防止膜４３により覆うことにより、第１絶縁膜４１と外気との接触を抑制し、第１絶縁膜４１が吸湿してしまうことを抑制することができる。これにより、第１絶縁膜４１に起因する応力の経時変化を一層抑制できるので、半導体装置の反りの経時変化も一層抑制することができる。
このように、吸湿防止膜４３により第１絶縁膜４１を覆うことによって、第１絶縁膜４１として吸湿性の高い膜を使用しても、第１絶縁膜４１による吸湿を抑制できるため、第１絶縁膜４１の材料の選択肢を拡げることができる。
【００８２】
或いは、半導体装置は、基板１を第１方向に反らせる応力を与える第１絶縁膜４１と、吸湿防止膜４３よりも表層側に形成され（つまり第１絶縁膜４１よりも表層側に形成され）、基板１を第１方向に対する反対方向に反らせる応力を基板１に与える第２絶縁膜４２と、を有する。よって、第１絶縁膜４１に起因する応力と、第２絶縁膜４２に起因する応力と、を相殺させることにより、半導体装置の反りを抑制することができる。
【００８３】
〔第２の実施形態〕
図６は第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態に係る半導体装置は、以下に説明する点でのみ、第１の実施形態に係る半導体装置と相違し、その他の点では、第１の実施形態に係る半導体装置と同様に構成されている。また、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、以下に説明する点でのみ、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と相違し、その他の点では、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様である。
【００８４】
図６に示すように、本実施形態の場合、第１絶縁膜４１の成膜前に、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低い密の薄膜である第３絶縁膜４６を成膜し、配線４４と第１絶縁膜４１とが接触しない構造となっている。第３絶縁膜４６は、配線４４と、配線４４の下地（例えば、配線４４の下に位置する配線層）と、を覆うように形成されている。第３絶縁膜４６の材質は、例えば、第２絶縁膜４２の材質と同様である。
【００８５】
すなわち、本実施形態の場合、少なくとも何れか１つの層間絶縁膜（例えば、層間絶縁膜２７、３０）は、更に、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低く、配線４４（例えば、第５配線２６、第６配線２９）を覆う第３絶縁膜４６を含み、第３絶縁膜４６よりも表層側に第１絶縁膜４１が形成されている。
【００８６】
この構造により、何らかの要因で第１絶縁膜４１が吸湿しても、第１絶縁膜４１内の水分子が配線４４に接触してしまうことを抑制できるため、配線４４の腐食を抑制することができる。
よって、第１の実施形態の構造と比べて、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１ 半導体基板（基板）
２ 素子分離膜
３ ＭＯＳトランジスタ
４ 多層配線層
５ 保護絶縁膜
５ａ 開口
６ ＳｉＮ／ＳｉＯ膜
７ ポリイミド膜
１１ コンタクト層間絶縁膜
１２ コンタクト
１３ 配線層間絶縁膜
１４ 第１配線
１５ 層間絶縁膜
１６ ビア
１７ 第２配線
１８ 層間絶縁膜
１９ ビア
２０ 第３配線
２１ 層間絶縁膜
２２ ビア
２３ 第４配線
２４ 層間絶縁膜
２５ ビア
２６ 第５配線
２７ 層間絶縁膜
２８ ビア
２９ 第６配線
３０ 層間絶縁膜
３１ ビア
３２ 第７配線
４１ 第１絶縁膜
４２ 第２絶縁膜
４２ａ 第２絶縁膜下部
４２ｂ 第２絶縁膜上部
４３ 吸湿防止膜
４４ 配線
４５ 隆起部
４６ 第３絶縁膜
５１ ＩＣ部
５２ トランス部
５３ １次コイル
５４ ２次コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、基板と、基板上に形成された多層配線層と、を有する。多層配線層は、層間絶縁膜を有する。半導体装置は、その層間絶縁膜に起因する応力によって、反る場合がある。
【０００３】
特許文献１には、層間絶縁膜に起因する応力緩和のために、層間絶縁膜として常圧ＣＶＤ酸化膜とＰ−ＳｉＯＮ（プラズマ酸窒化膜）との積層膜を設けた半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１０９９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明者は、以下のことを認識した。
層間絶縁膜の密度を疎にすることにより、半導体装置の反りの方向をコントロールできる。しかし、層間絶縁膜を疎膜にすると、層間絶縁膜が吸湿することにより、その応力が経時変化し、半導体装置の反りも経時変化を起こす。
【０００６】
このように、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することは困難だった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板と、
前記基板上に形成された多層配線層と、
を有し、
前記多層配線層は、配線と、前記配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を有し、
少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜は、
前記基板を第１方向に反らせる応力を前記基板に与える第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜よりも表層側に形成され、前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記基板を前記第１方向に対する反対方向に反らせる応力を前記基板に与える第２絶縁膜と、
を有することを特徴とする半導体装置を提供する。
【０００８】
この半導体装置によれば、少なくとも何れか１つの層間絶縁膜は、基板を第１方向に反らせる応力を基板に与える第１絶縁膜と、第１絶縁膜よりも表層側に形成され、基板を第１方向に対する反対方向に反らせる応力を基板に与える第２絶縁膜と、を有する。よって、第１絶縁膜に起因する応力と、第２絶縁膜に起因する応力と、を相殺させることにより、半導体装置の反りを抑制することができる。
また、第２絶縁膜は、第１絶縁膜よりも吸湿性が低いため、第２絶縁膜の吸湿を抑制できる。しかも、第２絶縁膜は、第１絶縁膜よりも表層側に形成されているので、第２絶縁膜によって、第１絶縁膜の吸湿も抑制できる。このため、第２絶縁膜に起因する応力が経時変化してしまうことを抑制できるとともに、第１絶縁膜に起因する応力が経時変化してしまうことも抑制できる。よって、半導体装置の反りの経時変化を抑制することができる。
このように、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することができる。
【０００９】
また、本発明は、配線と、前記配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を含む多層配線層を基板上に形成する工程を有し、
少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜を形成する工程が、
前記基板を第１方向に反らせる応力を前記基板に与える第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜よりも表層側に、前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記基板を前記第１方向に対する反対方向に反らせる応力を前記基板に与える第２絶縁膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
【００１３】
〔第１の実施形態〕
図１及び図２は第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。図１は図２に示される多層配線層４の少なくとも何れか１つの配線層の構造を示す図である。
【００１４】
上述のように、半導体装置は、その層間絶縁膜に起因する応力によって、反る場合がある。この場合、層間絶縁膜の膜厚が厚いほど、反りが顕著となる。
【００１５】
ここで、本発明者の検討により、絶縁膜を厚く成膜しても、その膜質を疎にすることによって、半導体装置の反りをコントロールできることが分かった。しかし、絶縁膜を疎にすると、絶縁膜の吸湿により反りの経時変化が顕著に表れることも分かった。そこで、本発明者は、疎な絶縁膜の吸湿を抑制することにより、半導体装置の反りの経時変化を抑制できることに想到した。
【００１６】
本実施形態に係る半導体装置は、基板（半導体基板１（以下、単に基板１））と、基板１上に形成された多層配線層４と、を有する。多層配線層４は、配線と、配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を有する。少なくとも何れか１つの層間絶縁膜（例えば、層間絶縁膜２７、３０）は、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２とを有する。第１絶縁膜４１は、基板１を第１方向（例えば下に凸）に反らせる応力を基板１に与える。第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成され、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低く、基板１を第１方向に対する反対方向（例えば上に凸）に反らせる応力を基板１に与える。以下、詳細に説明する。
【００１７】
図２に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、素子分離膜２が形成された半導体基板（基板）１と、半導体基板１の素子形成領域に形成されたＭＯＳトランジスタ３と、素子分離膜２上及びＭＯＳトランジスタ３上に形成された多層配線層４と、多層配線層４上に形成された保護絶縁膜５と、を有する。
【００１８】
素子分離膜２は、ＳＴＩ法を用いて形成されたものであっても良いし、ＬＯＣＯＳ法を用いて形成されたものであっても良い。
【００１９】
ＭＯＳトランジスタ３は、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、ゲート電極の側壁に形成されたサイドウォールと、半導体基板１に形成された不純物領域（ソース及びドレイン）と、ソース及びドレインのエクステンション領域と、を有する。
【００２０】
多層配線層４は、複数の配線層を積層することにより構成されている。多層配線層４が有する配線層の層数は任意であるが、図２においては、配線層が７層の例を示している。
【００２１】
多層配線層４の最下層は、コンタクト層となっている。コンタクト層は、素子分離膜２上及びＭＯＳトランジスタ３上に形成されたコンタクト層間絶縁膜１１と、コンタクト層間絶縁膜１１に形成されたコンタクト１２と、を有している。コンタクト１２は、例えばタングステンなどの金属により構成されている。
【００２２】
コンタクト層間絶縁膜１１及びコンタクト１２の上には、第１層の配線層が形成されている。第１層の配線層は、コンタクト層間絶縁膜１１上及びコンタクト１２上に形成された配線層間絶縁膜１３と、配線層間絶縁膜１３に埋め込み形成された第１配線１４と、を有している。第１配線１４は、例えば銅などの金属により構成されている。
【００２３】
配線層間絶縁膜１３上及び第１配線１４上には、層間絶縁膜１５が形成されている。この層間絶縁膜１５には、ビア１６が埋め込み形成されている。
【００２４】
第２層の配線層は、層間絶縁膜１５上及びビア１６上に形成された第２配線１７と、第２配線１７を覆う層間絶縁膜１８と、層間絶縁膜１８に形成されたビア１９と、を有している。
【００２５】
第３層の配線層は、第２層の配線層上に形成された第３配線２０と、第３配線２０を覆う層間絶縁膜２１と、層間絶縁膜２１に形成されたビア２２と、を有している。
【００２６】
第４層の配線層は、第３層の配線層上に形成された第４配線２３と、第４配線２３を覆う層間絶縁膜２４と、層間絶縁膜２４に形成されたビア２５と、を有している。
【００２７】
第５層の配線層は、第４層の配線層上に形成された第５配線２６と、第５配線２６を覆う層間絶縁膜２７と、層間絶縁膜２７に形成されたビア２８と、を有している。
【００２８】
第６層の配線層は、第５層の配線層上に形成された第６配線２９と、第６配線２９を覆う層間絶縁膜３０と、層間絶縁膜３０に形成されたビア３１と、を有している。
【００２９】
最上層の配線層は、第６層の配線層上に形成された第７配線３２を有している。第７配線３２の一部分は、電極パッドとして機能する。
【００３０】
第２乃至第７配線１７、２０、２３、２６、２９及び３２は、それぞれ、ＡｌＣｕなどの金属膜をパターン形成することにより構成されている。
ビア１６、１９、２２、２５、２８及び３１は、それぞれ、タングステンなどの金属により構成されている。
ただし、ビアは配線と同一材料で一体形成されていても良い。
【００３１】
保護絶縁膜５は、例えば、ＳｉＮ／ＳｉＯ膜６と、ポリイミド膜７と、の積層膜である。保護絶縁膜５には、電極パッドを露出させる開口５ａが形成されている。
【００３２】
半導体装置は、例えば、ＩＣ部５１と、トランス部５２と、を有している。トランス部５２は、１次コイル５３と、２次コイル５４と、を有している。例えば、１次コイル５３は、一部の第７配線３２により構成され、２次コイル５４は、第３配線２０の一部により構成されている。
【００３３】
本実施形態に係る半導体装置においては、例えば、図２の多層配線層４における上層の第５層の配線層及び第６層の配線層の各々が、図１に示すような層構造となっている。このような層構造により、以下に詳細に説明するように、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することができる。
【００３４】
図１に示すように、第５層及び第６層の各々の配線層は、例えば、配線４４と、配線４４を覆う第１絶縁膜４１と、第１絶縁膜４１を覆う吸湿防止膜４３と、吸湿防止膜４３を覆う第２絶縁膜４２と、を有している。
ここで、図２における第５配線２６が、図１における配線４４に該当する。また、図２における第６配線２９も、図１における配線４４に該当する。
また、図２における層間絶縁膜２７は、図１における第１絶縁膜４１、吸湿防止膜４３及び第２絶縁膜４２の３層の積層膜に該当する。また、図２における層間絶縁膜３０も、図１における第１絶縁膜４１、吸湿防止膜４３及び第２絶縁膜４２の３層の積層膜に該当する。
【００３５】
第１絶縁膜４１は、第２絶縁膜４２よりも低密度の疎膜である。第１絶縁膜４１は、基板１を下に凸に反らせる応力を、基板１に与える。
【００３６】
第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも高密度の密膜であり、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低い。第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも半導体装置の表層側に位置している。第２絶縁膜４２は、基板１を上に凸に反らせる応力を、基板１に与える。
【００３７】
このように、第１絶縁膜４１が基板１に与える応力と、第２絶縁膜４２が基板１に与える応力とは、互いに反対方向である。よって、第１絶縁膜４１が基板１に与える応力と、第２絶縁膜４２が基板１に与える応力とを相殺させて、基板１の反り、ひいては半導体装置全体の反りを抑制することができる。
【００３８】
第１絶縁膜４１の膜厚と、第２絶縁膜４２の膜厚は、基板１の反り、ひいては半導体装置全体の反りが最も小さくなるように、それぞれ設定されている。
【００３９】
また、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低い第２絶縁膜４２が、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成されているので、第２絶縁膜４２によって該第２絶縁膜４２自身の吸湿を抑制できるだけでなく、第２絶縁膜４２によって第１絶縁膜４１の吸湿も抑制できる。このため、第２絶縁膜４２に起因する応力が吸湿により経時変化してしまうことを抑制できるとともに、第１絶縁膜４１に起因する応力が吸湿により経時変化してしまうことも抑制できる。よって、半導体装置の反りの経時変化を抑制することができる。
【００４０】
第１及び第２絶縁膜４１、４２は、何れもその誘電率がＳｉＯ２と同じであるか、又は、それ以下である。
【００４１】
第１絶縁膜４１は、例えば、ＳｉＯ２系の膜である。より具体的には、第１絶縁膜４１は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＯＦ、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）及びＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）の何れかの膜である。
同様に、第２絶縁膜４２は、例えば、ＳｉＯ２系の膜であり、より具体的には、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＯＦ、ＰＳＧ及びＢＰＳＧの何れかの膜である。
具体的には、例えば、第１絶縁膜４１及び第２絶縁膜４２は、それぞれＳｉＯ２膜とすることができる。
【００４２】
なお、例えば、半導体装置が、２つの異なる電圧間で非接触通信を行うためには、厚い層間絶縁膜が必要となる。このため、例えば、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２との合計の膜厚は、このような非接触通信を行うことができるような適切な膜厚に設定されている。
【００４３】
吸湿防止膜４３は、吸湿防止膜として良く知られているＳｉＯＮ膜（酸窒化膜）であることが挙げられる。より具体的には、吸湿防止膜４３は、例えば、Ｐ−ＳｉＯＮ膜（プラズマ酸窒化膜）であることが挙げられる。
吸湿防止膜４３は、ＳｉＯＮ膜に限らず、ＳｉＮ膜（例えば、Ｐ−ＳｉＮ膜）又はＳｉＣ膜（例えば、Ｐ−ＳｉＣ膜）であっても良い。
【００４４】
なお、図１に示す層構造の層間絶縁膜は、ローカルレイヤー、インターミディエイトレイヤー、セミグローバルレイヤー及びグローバルレイヤーの何れのレイヤーに形成しても良い。ただし、相対的に膜厚が厚いグローバルレイヤー（例えば、上記の第５層及び第６層の配線層）の層間絶縁膜、或いはセミグローバルレイヤーの層間絶縁膜を図１に示す層構造にすることによって、より効果的に、半導体装置の反りを抑制することができる。
ここで、グローバルレイヤーとは、素子間を接続する配線が配置されておらず、電源線、ＧＮＤ線、或いは、回路と電極パッドとを接続する配線などが配置されている層を意味する。
【００４５】
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図３乃至図５はこの製造方法の一連の工程を示す図である。図３乃至図５の各図において、（ａ）は半導体装置の断面図、（ｂ）は各工程におけるウェハの反り形状を示す模式図である。
【００４６】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、配線と、配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を含む多層配線層４を基板１上に形成する工程を有する。少なくとも何れか１つの層間絶縁膜を形成する工程が、基板１を第１方向に反らせる応力を基板１に与える第１絶縁膜４１を形成する工程と、第１絶縁膜４１よりも表層側に、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低く、基板１を第１方向に対する反対方向に反らせる応力を基板１に与える第２絶縁膜４２を形成する工程と、を有する。以下、詳細に説明する。
【００４７】
先ず、図２に示すように、半導体基板１に素子分離膜２を形成する。これにより、素子形成領域が分離される。素子分離膜２は、例えばＳＴＩ法を用いて形成されるが、ＬＯＣＯＳ法を用いて形成されても良い。
【００４８】
次に、素子形成領域に位置する半導体基板１に、ゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。ゲート絶縁膜は酸化シリコン膜であってもよいし、酸化シリコン膜よりも誘電率が高い高誘電率膜（例えばハフニウムシリケート膜）であってもよい。ゲート絶縁膜が酸化シリコン膜である場合、ゲート電極はポリシリコン膜により形成される。またゲート絶縁膜が高誘電率膜である場合、ゲート電極は、金属膜（例えばＴｉＮ）とポリシリコン膜の積層膜により形成される。また、ゲート電極がポリシリコンにより形成される場合、ゲート電極を形成する工程において、素子分離膜上にポリシリコン抵抗を形成しても良い。
【００４９】
次に、素子形成領域に位置する半導体基板に、ソース及びドレインのエクステンション領域を形成する。次にゲート電極の側壁にサイドウォールを形成する。次に、素子形成領域に位置する半導体基板に、ソース及びドレインとなる不純物領域を形成する。このようにして、半導体基板上にＭＯＳトランジスタ３が形成される。
【００５０】
次に、素子分離膜２上及びＭＯＳトランジスタ３上に、多層配線層４を形成する。
【００５１】
先ず、素子分離膜２上及びＭＯＳトランジスタ３上にコンタクト層間絶縁膜１１を形成し、コンタクト層間絶縁膜１１にコンタクト１２を埋め込み形成する。
【００５２】
次に、コンタクト層間絶縁膜１１上及びコンタクト１２上に配線層間絶縁膜１３を形成する。次に、配線層間絶縁膜１３に配線溝を形成し、この配線溝内に銅などの金属を埋め込み、余剰の金属をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより除去する。これにより、配線溝内に第１配線１４を埋め込み形成することができる。
【００５３】
次に、配線層間絶縁膜１３上及び第１配線１４上に層間絶縁膜１５を形成する。次に、層間絶縁膜１５にビアホールを形成し、ビアホール内にタングステンなどの金属を埋め込む。次に、余剰の金属をＣＭＰ又はエッチバックにより除去する。これにより、ビアホール内にビア１６を埋め込み形成することができる。
【００５４】
次に、層間絶縁膜１５上及びビア１６上に全面スパッタなどによりＡｌＣｕなどの金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィーによりマスクパターンを形成する。次に、このマスクパターンをマスクとして金属膜をエッチングすることにより、金属膜を所望のパターン形状の第２配線１７に加工する。
【００５５】
次に、第２配線１７の側面及び上面を覆うように、層間絶縁膜１５上に層間絶縁膜１８を形成する。次に、層間絶縁膜１８にビアホールを形成し、ビアホール内にタングステンなどの金属を埋め込み形成し、余剰の金属をＣＭＰ又はエッチバックにより除去することにより、ビアホール内にビア１９を埋め込み形成する。
【００５６】
その後、第２層の配線層と同様に、第３層の配線層（第３配線２０、層間絶縁膜２１及びビア２２）及び第４層の配線層（第４配線２３、層間絶縁膜２４及びビア２５）を順次に形成する。
【００５７】
次に、第４層の配線層上に、全面スパッタなどによりＡｌＣｕなどの金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィーによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして金属膜をエッチングすることにより、金属膜を所望のパターン形状の第５配線２６に加工する。
【００５８】
次に、第５配線２６の側面及び上面を覆うように、層間絶縁膜２４上に層間絶縁膜２７を形成する。次に、層間絶縁膜２７にビアホールを形成する。
次に、全面スパッタなどによりＡｌＣｕなどの金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィーによりマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして金属膜をエッチングする。これにより、所望のパターン形状の第６配線２９とビア２８とを一括形成する。
【００５９】
次に、ビア２８上を覆い、且つ、第６配線２６の側面及び上面を覆うように、層間絶縁膜２７上に層間絶縁膜３０を形成する。次に、層間絶縁膜３０にビアホールを形成した後、第６配線２９及びビア２８を形成したのと同様の方法により、第７配線３２及びビア３１を形成する。
【００６０】
こうして、多層配線層４を形成することができる。
【００６１】
次に、多層配線層４上に、保護絶縁膜（パッシベーション膜）５を形成する。先ず、第７配線３２を覆うようにＳｉＮ／ＳｉＯ膜６を形成し、更に、ＳｉＮ／ＳｉＯ膜６を覆うようにポリイミド膜７を形成する。
第７配線３２の一部分は、電極パッドを構成する。保護絶縁膜５には、電極パッド上に位置する開口５ａを形成する。
【００６２】
ここで、多層配線層４の少なくとも一部の配線層の層間絶縁膜（例えば、第５層及び第６層の配線層の層間絶縁膜２７と層間絶縁膜３０）については、それぞれ、以下に説明する工程により形成する。
【００６３】
先ず、図３乃至図５を参照して、第５層の配線層の製造工程について説明する。
【００６４】
上述のように第５配線２６を形成した後、第５配線２６（配線４４）の側面及び上面を覆うように、第５配線２６上及び第４層の配線層上に、ＳｉＯ２系の第１絶縁膜４１を成膜する。
【００６５】
上述のように、第１絶縁膜４１は、基板１を下に凸に反らせる応力を基板１に与える。このため、この段階では、ウェハは、下に凸に沿った状態となる（図示略）。
【００６６】
次に、第１絶縁膜４１を覆うように吸湿防止膜４３を成膜する。
【００６７】
次に、吸湿防止膜４３を覆うように、ＳｉＯ２系の第２絶縁膜４２の下部（下層）となる第２絶縁膜下部４２ａを成膜する（図３（ａ））。
【００６８】
ＳｉＯ２系の膜は、その膜密度によって応力が変化し、密膜をウェハに成膜すると上に凸にウェハが反り、疎膜を成膜すると凹状（下に凸）にウェハが反る。
【００６９】
図３（ａ）に示すように、第２絶縁膜下部４２ａを成膜した直後は、第２絶縁膜下部４２ａに起因する応力の影響が強いため、図３（ｂ）に示すように、ウェハは、若干、上に凸に反る。
【００７０】
なお、図３（ａ）に示すように、第１絶縁膜４１、吸湿防止膜４３、及び、第２絶縁膜下部４２ａには、第５配線２６の形状を反映した隆起部４５が形成されている。
【００７１】
次に、図４（ａ）に示すように、ＣＭＰによって、第２絶縁膜下部４２ａの上面を平坦化する。この際に、隆起部４５における吸湿防止膜４３はストッパー膜として機能し、例えば、隆起部４５における吸湿防止膜４３が表面に露出するまで、ＣＭＰが行われる。すなわち、吸湿防止膜４３をストッパー膜として第２絶縁膜の下層をＣＭＰすることにより第２絶縁膜の下層の上面を平坦化する。
吸湿防止膜４３がストッパー膜として機能することにより、オーバー研磨による第１絶縁膜４１の露出を抑制できる。
このようにＣＭＰを行うことにより、第５配線２６の形成領域及びその縁部（つまり隆起部４５上）では、第２絶縁膜下部４２ａが除去され、第５配線２６及びその縁部を除く領域（つまり隆起部４５以外の領域）に、第２絶縁膜下部４２ａが残留した状態となる。
【００７２】
この段階では、図３（ａ）の状態と比べて第２絶縁膜下部４２ａの膜厚が減少しているため、図４（ｂ）に示すように、ウェハは若干凹形状（下に凸）に反る。
【００７３】
次に、図５（ａ）に示すように、第２絶縁膜下部４２ａ上及び隆起部４５上に、第２絶縁膜４２の上部（上層）となる第２絶縁膜上部４２ｂを成膜する。なお、第２絶縁膜上部４２ｂを形成する目的には、スクラッチ対策（ＣＭＰにより形成された穴を埋めること）と層間絶縁膜の膜厚調整とが含まれる。
第２絶縁膜上部４２ｂを形成することにより、第２絶縁膜下部４２ａと第２絶縁膜上部４２ｂとからなる第２絶縁膜４２が形成される。
【００７４】
ここで、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２との合計膜厚が層間絶縁膜の所望の膜厚となるようにする。しかも、第１絶縁膜４１の応力と第２絶縁膜４２の応力とが相殺し、ウェハの反りが実質的にゼロとなるように、第１絶縁膜４１及び第２絶縁膜４２の各々の膜厚を調整する。
【００７５】
この段階では、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２との応力が相殺されることにより、図５（ｂ）に示すように、ウェハの反りが実質的にゼロになる。
【００７６】
第６層の配線層の製造工程は、第５層の配線層の製造工程と同様である。
【００７７】
以上のような第１の実施形態によれば、半導体装置の少なくとも何れか１つの層間絶縁膜は、基板１を第１方向に反らせる応力を基板１に与える第１絶縁膜４１と、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成され、基板１を第１方向に対する反対方向に反らせる応力を基板１に与える第２絶縁膜４２と、を有する。よって、第１絶縁膜４１に起因する応力と、第２絶縁膜４２に起因する応力と、を相殺させることにより、半導体装置の反りを抑制することができる。
また、第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低いため、第２絶縁膜４２の吸湿を抑制できる。しかも、第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１よりも表層側に形成されているので、第２絶縁膜４２によって、第１絶縁膜４１の吸湿も抑制できる。このため、第２絶縁膜４２に起因する応力が経時変化してしまうことを抑制できるとともに、第１絶縁膜４１に起因する応力が経時変化してしまうことも抑制できる。よって、半導体装置の反りの経時変化を抑制することができる。
このように、半導体装置の反りを抑制し、且つ、その反りの経時変化を抑制することができる。
【００７８】
半導体装置の反りを抑制できることから、例えば、半導体装置を装置内で搬送するときに、その反りのために搬送が阻害されてしまうといった問題の発生を低減することができる。
【００７９】
ところで、ウェハの反りを抑制するための方法としては、ウェハ表面に膜を成膜した後で、裏面にも同質の膜を成膜することにより、表裏に成膜した同質の膜に互いの応力を相殺させて、ウェハを平坦に維持する方法が考えられる。しかし、この方法では、最終的に、裏面の膜を除去する必要があるため、ウェハの出来上がりの段階では反りを呈する。
これに対して、本実施形態では、ウェハの反りを抑制するための成膜はウェハ表面に対して行うため、応力を相殺するための裏面への成膜を必要としないので、最終的に裏面の膜を除去する必要が無く、ウェハの出来上がりも反りを呈さないようにすることができる。
【００８０】
第２絶縁膜４２を、第１絶縁膜４１よりも高密度の膜とすることにより、第２絶縁膜４２の吸湿性を第１絶縁膜４１のそれよりも低くすることができる。
【００８１】
また、第１絶縁膜４１と第２絶縁膜４２との間に吸湿防止膜４３が形成されていることにより、つまり、第１絶縁膜４１を吸湿防止膜４３により覆うことにより、第１絶縁膜４１と外気との接触を抑制し、第１絶縁膜４１が吸湿してしまうことを抑制することができる。これにより、第１絶縁膜４１に起因する応力の経時変化を一層抑制できるので、半導体装置の反りの経時変化も一層抑制することができる。
このように、吸湿防止膜４３により第１絶縁膜４１を覆うことによって、第１絶縁膜４１として吸湿性の高い膜を使用しても、第１絶縁膜４１による吸湿を抑制できるため、第１絶縁膜４１の材料の選択肢を拡げることができる。
【００８２】
或いは、半導体装置は、基板１を第１方向に反らせる応力を与える第１絶縁膜４１と、吸湿防止膜４３よりも表層側に形成され（つまり第１絶縁膜４１よりも表層側に形成され）、基板１を第１方向に対する反対方向に反らせる応力を基板１に与える第２絶縁膜４２と、を有する。よって、第１絶縁膜４１に起因する応力と、第２絶縁膜４２に起因する応力と、を相殺させることにより、半導体装置の反りを抑制することができる。
【００８３】
〔第２の実施形態〕
図６は第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態に係る半導体装置は、以下に説明する点でのみ、第１の実施形態に係る半導体装置と相違し、その他の点では、第１の実施形態に係る半導体装置と同様に構成されている。また、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、以下に説明する点でのみ、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と相違し、その他の点では、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様である。
【００８４】
図６に示すように、本実施形態の場合、第１絶縁膜４１の成膜前に、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低い密の薄膜である第３絶縁膜４６を成膜し、配線４４と第１絶縁膜４１とが接触しない構造となっている。第３絶縁膜４６は、配線４４と、配線４４の下地（例えば、配線４４の下に位置する配線層）と、を覆うように形成されている。第３絶縁膜４６の材質は、例えば、第２絶縁膜４２の材質と同様である。
【００８５】
すなわち、本実施形態の場合、少なくとも何れか１つの層間絶縁膜（例えば、層間絶縁膜２７、３０）は、更に、第１絶縁膜４１よりも吸湿性が低く、配線４４（例えば、第５配線２６、第６配線２９）を覆う第３絶縁膜４６を含み、第３絶縁膜４６よりも表層側に第１絶縁膜４１が形成されている。
【００８６】
この構造により、何らかの要因で第１絶縁膜４１が吸湿しても、第１絶縁膜４１内の水分子が配線４４に接触してしまうことを抑制できるため、配線４４の腐食を抑制することができる。
よって、第１の実施形態の構造と比べて、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１ 半導体基板（基板）
２ 素子分離膜
３ ＭＯＳトランジスタ
４ 多層配線層
５ 保護絶縁膜
５ａ 開口
６ ＳｉＮ／ＳｉＯ膜
７ ポリイミド膜
１１ コンタクト層間絶縁膜
１２ コンタクト
１３ 配線層間絶縁膜
１４ 第１配線
１５ 層間絶縁膜
１６ ビア
１７ 第２配線
１８ 層間絶縁膜
１９ ビア
２０ 第３配線
２１ 層間絶縁膜
２２ ビア
２３ 第４配線
２４ 層間絶縁膜
２５ ビア
２６ 第５配線
２７ 層間絶縁膜
２８ ビア
２９ 第６配線
３０ 層間絶縁膜
３１ ビア
３２ 第７配線
４１ 第１絶縁膜
４２ 第２絶縁膜
４２ａ 第２絶縁膜下部
４２ｂ 第２絶縁膜上部
４３ 吸湿防止膜
４４ 配線
４５ 隆起部
４６ 第３絶縁膜
５１ ＩＣ部
５２ トランス部
５３ １次コイル
５４ ２次コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された多層配線層と、
を有し、
前記多層配線層は、配線と、前記配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を有し、
少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜は、
前記基板を第１方向に反らせる応力を前記基板に与える第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜よりも表層側に形成され、前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記基板を前記第１方向に対する反対方向に反らせる応力を前記基板に与える第２絶縁膜と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２絶縁膜は、前記第１絶縁膜よりも高密度の膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１及び第２絶縁膜は、何れもその誘電率がＳｉＯ２と同じであるか、又は、それ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１及び第２絶縁膜の各々は、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＯＦ、ＰＳＧ及びＢＰＳＧのうちの何れかの膜であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜との間に吸湿防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記吸湿防止膜は、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ及びＳｉＣのうちの何れかの膜であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ＳｉＯＮは、Ｐ−ＳｉＯＮであり、前記ＳｉＮは、Ｐ−ＳｉＮであり、前記ＳｉＣは、Ｐ−ＳｉＣであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜は、更に、
前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記配線を覆う第３絶縁膜を含み、
前記第３絶縁膜よりも表層側に前記第１絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜は、グローバルレイヤーに位置することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
配線と、前記配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を含む多層配線層を基板上に形成する工程を有し、
少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜を形成する工程が、
前記基板を第１方向に反らせる応力を前記基板に与える第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜よりも表層側に、前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記基板を前記第１方向に対する反対方向に反らせる応力を前記基板に与える第２絶縁膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜との間に吸湿防止膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第２絶縁膜を形成する工程は、前記第２絶縁膜の下層を成膜する工程と、当該第２絶縁膜の下層の上面を平坦化する工程と、当該第２絶縁膜の下層の上に前記第２絶縁膜の上層を成膜する工程と、を有し、当該第２絶縁膜の下層の上面を平坦化する工程では、前記吸湿防止膜をストッパー膜として前記第２絶縁膜の下層をＣＭＰすることにより前記第２絶縁膜の下層の上面を平坦化することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された多層配線層と、
を有し、
前記多層配線層は、配線と、前記配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を有し、
少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜は、
前記基板を第１方向に反らせる応力を前記基板に与える第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜よりも表層側に形成され、前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記基板を前記第１方向に対する反対方向に反らせる応力を前記基板に与える第２絶縁膜と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第２絶縁膜は、前記第１絶縁膜よりも高密度の膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１及び第２絶縁膜は、何れもその誘電率がＳｉＯ２と同じであるか、又は、それ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１及び第２絶縁膜の各々は、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｉＯＦ、ＰＳＧ及びＢＰＳＧのうちの何れかの膜であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜との間に吸湿防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記吸湿防止膜は、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ及びＳｉＣのうちの何れかの膜であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ＳｉＯＮは、Ｐ−ＳｉＯＮであり、前記ＳｉＮは、Ｐ−ＳｉＮであり、前記ＳｉＣは、Ｐ−ＳｉＣであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜は、更に、
前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記配線を覆う第３絶縁膜を含み、
前記第３絶縁膜よりも表層側に前記第１絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜は、グローバルレイヤーに位置することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
配線と、前記配線を覆う層間絶縁膜と、をそれぞれ有する複数層の配線層を含む多層配線層を基板上に形成する工程を有し、
少なくとも何れか１つの前記層間絶縁膜を形成する工程が、
前記基板を第１方向に反らせる応力を前記基板に与える第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜よりも表層側に、前記第１絶縁膜よりも吸湿性が低く、前記基板を前記第１方向に対する反対方向に反らせる応力を前記基板に与える第２絶縁膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜との間に吸湿防止膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第２絶縁膜を形成する工程は、前記第２絶縁膜の下層を成膜する工程と、当該第２絶縁膜の下層の上面を平坦化する工程と、当該第２絶縁膜の下層の上に前記第２絶縁膜の上層を成膜する工程と、を有し、当該第２絶縁膜の下層の上面を平坦化する工程では、前記吸湿防止膜をストッパー膜として前記第２絶縁膜の下層をＣＭＰすることにより前記第２絶縁膜の下層の上面を平坦化することを特徴とする請求項１１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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７４０１７（Ｐ２０１３−７４０１７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１０５４８（Ｐ２０１１−２１０５４８）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【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２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【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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