JP2005294722A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多層配線構造に用いる絶縁膜間の密着性を高めることで、絶縁膜間の膜剥がれを防止し、歩留りの向上、信頼性の向上を可能とする。
【解決手段】基板１１上にビアを形成するビア層絶縁膜２１と、ビア層絶縁膜２１上に配線層を形成する配線層絶縁膜２２とを備えた半導体装置１であって、配線層絶縁膜２２は第１絶縁膜２３と第２絶縁膜２４との積層膜からなり、第１絶縁膜２３のエッジは第２絶縁膜２４のエッジより内側になるように形成されていて、配線層絶縁膜２２のエッジとビア層絶縁膜２１のエッジとが一致した位置に形成されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線材料の銅を配線溝やビアホール内に埋め込むように形成する化学的機械研磨（以下、ＣＭＰという）時に絶縁膜の剥がれを発生しないようにした半導体装置の製造方法およびその製造方法により製造された半導体装置に関するものである。

多層配線構造の半導体装置の製造方法では、配線間を電気的に絶縁する絶縁膜を２種類以上の絶縁膜を積層した構造に形成している。特に、絶縁膜の誘電率（ｋ）の値を小さくするために、従来から使用されていた酸化シリコン膜や窒化シリコン膜に比べ、密着性の弱い種々の絶縁膜が使われている。

上記多層配線構造を製造する技術としては、絶縁層に形成した溝および穴に導電材料となる銅を埋め込んで形成する、いわゆるデュアル（二重）ダマシン方法について開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献に開示されている絶縁層は、配線が形成される配線絶縁層とビアが形成されるビア絶縁層とが別層ではなく単層の絶縁層で形成されている。

また、別の公知文献には、配線（ライン）層の絶縁膜とビア層の絶縁膜との積層構造を有し、ビア層の絶縁膜がＴＥＯＳ酸化膜／有機ポリマー系スピンオン材料膜の積層膜であり、配線層の絶縁膜がＴＥＯＳ酸化膜／有機ポリマー系スピンオン材料膜の積層膜である半導体装置が開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。

また、配線（ライン）層の絶縁膜とビア層の絶縁膜との積層構造を有し、さらに配線層の絶縁膜が第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成した積層構造である半導体装置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。具体的には、ビア層の絶縁膜として、パッシベーション膜１１１を窒化シリコン膜で形成し、その上に第１の層間絶縁膜１１２を酸化シリコン膜で形成すること、および配線層の絶縁膜として、第２の層間絶縁膜１１４を有機ポリマーで形成することおよびマスク層１１５を酸化シリコン膜で形成することが開示されている。

しかしながら、上記絶縁膜に溝配線構造を形成する工程において、配線溝、ビアホール等に埋め込んだ銅の絶縁膜上に形成された余剰部分をＣＭＰによって除去する際に、絶縁膜のエッジ部分で膜剥がれが発生していた。この膜剥がれについては対策がなされていなかった。

また、「ウエハ上に、第１の低誘電率膜を、そのエッジが、ウエハ円周に沿った第１エッジ位置に一致するように形成するステップと、前記第１の低誘電率膜よりもガス透過率の低い第１保護膜を、そのエッジが、前記第１エッジ位置より外側の第２エッジ位置を一致するように、前記第１の低誘電率膜およびウエハ上に形成するステップと、前記第１保護膜上に、第２の低誘電率膜を、そのエッジが前記第１エッジ位置にほぼ一致するように形成するステップとを含む」半導体装置の製造方法が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。この特許文献３によって開示された技術は、チップの有効面積を最大に維持したままＬｏｗ−ｋ膜の側壁が露出しないようにすることが目的であり、ＣＭＰ等の外圧が絶縁膜にかかった際に生じる膜剥がれについては、全く記載されておらず、考慮すらも全くなされていない。

上記特許文献３に開示された技術において、第１の低誘電率膜が例えばビア層の絶縁膜に相当するとし、第２の低誘電率膜が例えば配線層の絶縁膜に相当するとした場合、第１、第２の低誘電率膜の各エッジ位置がほぼ等しく形成される。このため、ＣＭＰ時にかかる圧力は、配線層または第１保護膜のエッジ部に集中するため、膜剥がれ発生の要因となる。

特許第３０５７０５４号公報 特開２００１−４４１８９号公報 特開２００３−７８００５号公報 西岡康隆著 「ＣＤ制御に基づいた有機Ｌｏｗ−ｋ／Ｃｕインテグレーション技術」、グローバルネット株式会社主催"ｋ＜２．５に向けたＬｏｗ−ｋ膜ダマシンプロセスの基礎理論と配線応用技術"p．４-１-１〜４-１-８、２００２年２月２０日

解決しようとする問題点は、ＣＭＰ工程で絶縁膜が剥がれる点である。特に、ＣＭＰ時に圧力が集中するウエハのエッジ近傍または絶縁膜のエッジ近傍での絶縁膜の剥がれを防止することが難しい点である。

本発明の半導体装置は、基板上にビアを形成するビア層絶縁膜と、前記ビア層絶縁膜上に配線層を形成する配線層絶縁膜とを備えた半導体装置であって、前記配線層絶縁膜は第１絶縁膜と第２絶縁膜との積層膜からなり、前記第１絶縁膜のエッジは前記第２絶縁膜のエッジより内側になるように形成されていて、前記配線層絶縁膜のエッジと前記ビア層絶縁膜のエッジとが一致した位置に形成されていることを最も主要な特徴とする。

本発明に半導体装置の製造方法は、基板上にビアを形成するビア層絶縁膜を形成する工程と、前記ビア層絶縁膜上に配線層を形成する配線層絶縁膜を形成する工程と、前記配線層絶縁膜に凹部を形成して、該凹部に埋め込むように配線材料膜を形成した後、前記配線層絶縁膜上の余剰な配線材料膜を化学的機械研磨によって除去することで、前記凹部のみに前記配線材料膜を残して配線を形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法であって、前記配線層絶縁膜を第１絶縁膜と第２絶縁膜との積層膜で形成し、その際、前記第１絶縁膜のエッジが前記第２絶縁膜のエッジより内側になるように形成し、前記配線層絶縁膜のエッジと前記ビア層絶縁膜のエッジとを一致した位置に形成することを最も主要な特徴とする。

本発明の半導体装置は、配線層絶縁膜は第１絶縁膜と第２絶縁膜との積層膜からなり、第１絶縁膜のエッジは第２絶縁膜のエッジより内側になるように形成されているため、外圧、例えばＣＭＰの加工圧が絶縁膜にかかった時、その絶縁膜のエッジにかかる圧力を第１絶縁膜のエッジと第２絶縁膜のエッジとに分散させることができるので、密着性の弱い絶縁膜のエッジ部分での膜剥がれを抑制することができるという利点がある。また、第１絶縁膜とビア層絶縁膜の密着性が弱い場合であっても、第２絶縁膜がビア層絶縁膜との密着性を有する膜であれば、第１絶縁膜のエッジは第２絶縁膜のエッジより内側になるように形成されていることから第２絶縁膜とビア層絶縁膜との接触面積を大きくとれるため、第２絶縁膜とビア層絶縁膜との密着性を向上させることができる。この点からも、絶縁膜のエッジ部分での膜剥がれを抑制することができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、配線層絶縁膜を第１絶縁膜と第２絶縁膜との積層膜で形成し、その際、第１絶縁膜のエッジが第２絶縁膜のエッジより内側になるように形成し、配線層絶縁膜のエッジとビア層絶縁膜のエッジとを一致した位置に形成するため、外圧、例えばＣＭＰの加工圧が絶縁膜にかかった時、その絶縁膜のエッジにかかる圧力を第１絶縁膜のエッジと第２絶縁膜のエッジとに分散させることができるので、密着性の弱い絶縁膜のエッジ部分での膜剥がれを抑制することができるという利点がある。また、第１絶縁膜とビア層絶縁膜の密着性が弱い場合であっても、第２絶縁膜がビア層絶縁膜との密着性を有する膜であれば、第１絶縁膜のエッジは第２絶縁膜のエッジより内側になるように形成されていることから第２絶縁膜とビア層絶縁膜との接触面積を大きくとれるため、第２絶縁膜とビア層絶縁膜との密着性を向上させることができる。この点からも、絶縁膜のエッジ部分での膜剥がれを抑制することができる。

ＣＭＰ時に圧力が集中するウエハのエッジ近傍または絶縁膜のエッジ近傍での絶縁膜の剥がれを防止するという目的を、絶縁膜のエッジ位置を特定することで、絶縁膜の密着性を改善して、ＣＭＰ工程での膜はがれの防止を実現した。

本発明の半導体装置に係る第１実施例を、図１の概略構成断面図によって説明する。

図１に示すように、図示はしない例えばトランジスタ、配線等が形成された基板（ウエハ）１１上に絶縁膜１２が形成されている。上記基板１１には、例えばシリコン基板が用いられる。また上記絶縁膜１２は、酸化シリコン膜からなり、例えば５００ｎｍの厚さに形成されている。上記絶縁膜１２上にはビアが形成されるビア層絶縁膜２１が形成されている。ここではビア層絶縁膜２１は例えばＳｉＯＣ系の膜で形成する。例えば、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＣ膜中に窒素もしくは水素が含まれた膜である。上記ビア層絶縁膜２１は、例えばプラズマＣＶＤ法により２００ｎｍの厚さに成膜されているものである。上記絶縁膜１２およびビア層絶縁膜２１の成膜の具体例としては、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用い、その際使用する原料ガスのうちシリコン源としてメチルシランを用いた。また成膜条件としては基板温度を３００℃〜４００℃に設定し、プラズマパワーを１５０〜３５０Ｗ、成膜雰囲気の圧力を１００Ｐａ〜１０００Ｐａ程度に設定する。

さらに、ビア層絶縁膜２１上には配線層絶縁膜２２が形成されている。この配線層絶縁膜２２は、第１絶縁膜２３と第２絶縁膜２４との積層構造をなしている。上記第１絶縁膜２３には例えば有機膜が用いられ、例えば１００ｎｍの厚さに形成されている。この有機膜としては、ポリアリールエーテル膜があり、例えば、ダウケミカル社製のＳｉＬＫ−Ｊ、アライドシグナル社製のＦＬＡＲＥ等が知られている。また、上記第２絶縁膜２４は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜が用いられ、その膜厚は例えば２００ｎｍとした。

上記第２絶縁膜２４のエッジ位置に対して上記第１絶縁膜２３のエッジ位置は内側に形成されている。また、上記第２絶縁膜２４のエッジ位置に対して上記第１絶縁膜２３のエッジ位置は、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲（図面ｗ３で示す）で内側に形成されている。好ましくは、１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で内側に形成され、より好ましくは、１．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で内側に形成される。また、上記ビア層絶縁膜２１のエッジ位置に対して上記配線層絶縁膜２２の第２絶縁膜２４のエッジ位置は、同位置に形成されている。

上記半導体装置１は、基板１１上にビアを形成するビア層絶縁膜２１が形成され、ビア層絶縁膜２１上に第１絶縁膜２３と第２絶縁膜２４との積層構造からなるもので配線層を形成する配線層絶縁膜２２が形成されており、第１絶縁膜２３のエッジは第２絶縁膜２４のエッジより内側に形成されているため、外圧、例えばＣＭＰの加工圧が絶縁膜にかかった時、その絶縁膜のエッジにかかる圧力を第２絶縁膜２４のエッジと第１絶縁膜２３のエッジとに分散させることができるので、密着性の弱い絶縁膜のエッジ部分での膜剥がれを抑制できるという利点がある。また、第１絶縁膜２３とビア層絶縁膜２１の密着性が弱い場合であっても、第２絶縁膜２４がビア層絶縁膜２１との密着性を有する膜であれば、第１絶縁膜２３のエッジは第２絶縁膜２４のエッジより内側に形成されていることから第２絶縁膜２４とビア層絶縁膜２１との接触面積を大きくとれるため、第２絶縁膜２４とビア層絶縁膜２１との密着性を向上させることができる。この点からも、絶縁膜のエッジ部分での膜剥がれを抑制することができる。さらに、第２絶縁膜２４のエッジはビア層絶縁膜２１のエッジと同一位置に形成されていることから、第１絶縁膜２３のエッジ部分に対して力がかかりにくくなるので、たとえビア層絶縁膜２１に対して第１絶縁膜２３の密着性の弱くとも、第１絶縁膜２３のエッジ部分での膜剥がれが抑制される。このように、特に膜剥がれが発生しやすい膜周辺部の膜剥がれ耐性が高められるので、膜剥がれの防止には効果的である。したがって、歩留りの向上が図れるとともに、絶縁膜の信頼性の向上が図れる。

次に、本発明の半導体装置に係る第２実施例を、図２の概略構成断面図によって説明する。

図２に示すように、前記図１によって説明した構成の半導体装置１において、第１絶縁膜２３および第２絶縁膜２４を積層してなる配線層絶縁膜２２に配線溝（図示せず）を形成するとともに、ビア層絶縁膜２１にビアホール（図示せず）を形成した後、配線溝およびビアホールを埋め込むように上記配線層絶縁膜２２を覆う配線材料層２５を形成する。上記配線材料層２５には、通常、銅（Ｃｕ）を用いる。なお、図示はしないが、配線材料膜２５を形成する前に、配線溝およびビアホールの内面には銅の拡散を防止するバリア膜が形成され、またバリア膜と絶縁膜との間には必要に応じて密着性を高める密着膜が形成される。上記バリア膜には、例えば、タンタル、窒化タンタル等の膜が用いられる。例えば、バリア膜としてタンタル膜が１５ｎｍの厚さに形成されている。また、配線材料膜２５として、５０ｎｍの厚さの銅シード膜を含めて１０５０ｎｍの厚さに銅膜が形成されている。

上記第２絶縁膜２４のエッジ位置は上記配線材料膜２５のエッジ位置より内側になるように形成されることがより好ましいが、上記第２絶縁膜２４のエッジ位置より上記配線材料膜２５のエッジ位置が内側であってもよい。ウエハ中心からウエハ外周方向に向かって正とし、第２絶縁膜２４のエッジ位置を規準にすると、第２絶縁膜２４のエッジ位置と配線材料膜２５のエッジ位置との距離ｗ４は、−１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であればよく、より好ましくは０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であればよい。このｗ４の正方向の値はウエハ（基板１）外形によって決定される。またｗ４の負方向の値が大きくなりすぎると、配線材料膜が埋め込まれない配線溝やビアホールが発生することになるので好ましくはない。そこで、上記値とした。

次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施例を、図３〜図５の概略構成斜視図および概略構成断面図によって説明する。各図３〜図５では、（１）に概略構成斜視図を示し、（２）に基板直径方向の概略構成断面図を示した。なお、概略構成断面図は分かり易くするため、厚さ方向に拡大されている。また、図中の基板上に描かれている矢印は基板の回転方向の一例を示すもので、この回転方向は逆方向であってもよい。

図３に示すように、基板１１上に絶縁膜１２を形成する。上記基板１１には、例えばシリコン基板が用いられ、図示しない半導体素子、配線等が形成されていてもよい。また上記絶縁膜１２は、酸化シリコン膜からなり、例えば５００ｎｍの厚さに形成されている。その成膜方法は、例えばプラズマＣＶＤ法による。次に、上記絶縁膜１２上にビア層絶縁膜２１を形成する。ここではビア層絶縁膜２１はＳｉＯＣ系の膜で形成する。例えば、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯＣ膜中に窒素もしくは水素が含まれた膜等である。上記ビア層絶縁膜２１は、例えば２００ｎｍの厚さに成膜する。この成膜方法は、一例として、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用い、原料ガスのシリコン源としてメチルシランを用いた。また成膜条件としては基板温度を３００℃〜４００℃に設定し、プラズマパワーを１５０Ｗ〜３５０Ｗ、成膜雰囲気の圧力を１００Ｐａ〜１０００Ｐａ程度に設定する。以下、各種絶縁膜形成した基板１１をウエハという。

次に上記ビア層絶縁膜２１上に第１絶縁膜２３を成膜する。この第１絶縁膜２３には、有機膜を用いた。例えば有機膜として、ポリアリールエーテル膜を、例えば１００ｎｍの厚さに形成した。上記ポリアリールエーテル膜は、例えばＳｉＬＫ（例えばＳｉＬＫ−Ｊ）（ダウケミカル社）があり、その他には、例えばアライドシグナル社製のＦＬＡＲＥ、シューマッカー社製のＶＥＲＯＸ等が知られている。例えば、上記ポリアリールエーテル膜をＳｉＬＫで形成する場合には、前駆体をスピンコート法により堆積した後、４００℃〜４５０℃のキュア処理を行って形成することができる。

次に、上記第１絶縁膜２３のエッジ部分を除去する。このエッジ部分の除去方法は、基板１１を図面矢印ア方向に回転させながら、ノズル４１より第１絶縁膜２３の溶剤３１を第１絶縁膜２３の除去領域（斜視図の斜線領域が除去領域となる。）上に供給するとともに、上記ノズル４１をエッジカット範囲（例えば図面矢印イ方向）内でスキャニングンすることによる。この時、図示しない純水を基板１１中心部上方より第１絶縁膜２３上に供給することにより、第１絶縁膜２３の周辺部以外の第１絶縁膜２３表面に薬液３１がかからないように保護する。上記第１絶縁膜２３がポリアリールエーテル膜である場合には、上記溶剤にはシクロヘキサノンを使用することができる。上記第１絶縁膜２３の周辺部の除去幅ｗ１は、ノズル４１のスキャニング幅を変更することにより容易に変更できる。今回、第１絶縁膜２３のエッジ除去幅ｗ１は、例えば５ｍｍに設定した。

次に、図４に示すように、上記ビア層絶縁膜２１上および上記第１絶縁膜２３上に第２絶縁膜２４を成膜する。上記第１絶縁膜２３およびこの第２絶縁膜２４で配線層絶縁膜２２が構成される。上記第２絶縁膜２４には、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を用いた。この酸化シリコン膜は、例えばプラズマＣＶＤ法によって成膜することができ、例えば２００ｎｍの厚さに成膜した。

次に、塗布法によって、上記配線層絶縁膜２２（第２絶縁膜２４）上にフォトレジスト膜５１を形成する。そして、フォトレジスト膜５１のエッジ部分を除去する。フォトレジスト膜５１のエッジ部分の除去方法は、上記フォトレジスト５１にポジ型レジストを用いた場合には、基板１１を図面矢印ウ方向に回転させながら除去したいエッジ部分のみ光Ｌを照射してフォトレジスト膜５１を感光させる（斜視図の斜線領域が感光領域となる。）。その後現像処理、リンス処理、ベーキング工程を経て、図示はしないが、エッジ部分を除去したフォトレジスト膜５１が得られる。上記フォトレジスト膜５１をネガレジストで形成した場合には、除去しない領域のみ感光処理を行い、その後、現像、リンス処理、ベーキング工程を経れば、エッジ部分が除去されたフォトレジスト膜５１が得られる。上記エッジ除去幅ｗ２は、例えば４ｍｍに設定した。

次に、図５に示すように、上記第２絶縁膜２４、ビア層絶縁膜２１の順でエッチングを行い、第２絶縁膜２４およびビア層絶縁膜２１のエッジ部分を除去した。その後、上記フォトレジスト膜５１〔前記図４参照〕をアッシング処理もしくは剥離処理等により除去した。図面では、フォトレジスト膜５１を除去した後の状態を示した。この結果、基板１１のエッジより内側にｗ２だけ入った位置に上記配線層絶縁膜２２の第２絶縁膜２４およびビア層絶縁膜２１の各エッジが形成される。上記エッジ除去幅ｗ２は、ｗ１−ｗ２＝ｗ３が、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下となるように設定される。好ましくは、ｗ３が１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲となるように設定され、より好ましくは、１．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲となるように設定される。例えば、ｗ３が０．３ｍｍよりも小さい場合には、第２絶縁膜２４とビア層絶縁膜２１との密着性が十分に得られなくなり、ｗ３が５ｍｍを超えるとチップの理収が悪化する。このため、ｗ３は上記範囲に設定される。

上記ビア層絶縁膜２１および配線層絶縁膜２２に溝配線およびビアを形成する場合には、上記ビア層絶縁膜２１および配線層絶縁膜２２のエッジ部分の除去を行ういずれかもしくは両方の露光工程を行った後でその露光工程に対する現像工程を行う前に、例えば配線溝、ビアホール等のパターニングを行えばよい。この場合、前記図５によって説明した第２絶縁膜２４のエッチング時には第１絶縁膜２３も同時にエッチングされる。また、溝配線とビアとを同時形成する、いわゆるデュアルダマシン構造の絶縁膜についても、本発明の構成を用いることができる。例えば、ビア層絶縁膜２１に配線間の接続を行う接続部（ビア）を形成し、配線層絶縁膜２２に溝配線を形成する。溝配線とビアとを同時形成する技術については、多くの公知例があり、例えば特開２００１−４４１８９号公報などに詳細な記述がある。これらの公知技術の絶縁膜についても、本発明の如く、ビアが形成されるビア層絶縁膜２１および配線層絶縁膜２２を構成する第１絶縁膜２３、第２絶縁膜２４の各エッジ位置を規定する構成を採用することができる。

次に、本発明の効果を確認した。確認方法は、前記図５に示したように、基板１１上に上記ビア層絶縁膜２１および第１絶縁膜２３と第２絶縁膜２４からなる配線層絶縁膜２２を形成したサンプルを用意し、サンプルの配線層絶縁膜２２に対してＣＭＰを行った。上記第１の絶縁膜２３としては、ＳｉＬＫ、ＦＬＡＲＥ、ｐｏｒｏｕｓ−ＳｉＬＫの３種のポリアリールエーテル膜を用い、上記第２の絶縁膜としては、ＳｉＯ₂（酸化シリコン）膜、およびＢＤ（ＡＭＡＴ社製のＢＤ（ブラックダイヤモンド）でＣＶＤ法により形成した誘電率ｋ＝３．０程度のＳｉＯＣ膜）、ＢＤ２（ＡＭＡＴ社製のＢＤ（ブラックダイヤモンド）でＣＶＤ法により形成した誘電率ｋ＝２．５程度のＳｉＯＣ膜）の２種のＳｉＯＣ膜を用い、上記ビア層絶縁膜２１としては、ＳｉＯ₂（酸化シリコン）膜、およびＢＤ、Ｃｏｒａｌ（Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社製のＳｉＯＣ膜でＣＶＤ法により形成したｋ＝３．０程度のＳｉＯＣ膜）、ＢＤ２の４種のＳｉＯＣ膜を用い、それらのすべての組み合わせについて調査した。

また、上記各サンプルは、第２絶縁膜２４およびビア層絶縁膜２１のエッジ除去幅ｗ２は４ｍｍとし、第１絶縁膜２１のエッジカット幅ｗ１は４ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲で０．１ｍｍ刻みに作製した。したがって、上記サンプルは、配線層絶縁膜２２（第２絶縁膜２４）のエッジ位置とビア層絶縁膜２１のエッジ位置とが同一位置に作製されたことになり、また、第１絶縁膜２３のエッジ位置と第２絶縁膜２４のエッジ位置のとの差ｗ３＝ｗ１−ｗ２の値が０ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で０．１ｍｍ刻みで作製されたことになる。

次に、上記各サンプルのそれぞれの配線層絶縁膜２２をＣＭＰした。このＣＭＰでは、研磨パッドに、例えば上層が発泡ポリウレタン製で下層がＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製のものを用いた。このような研磨パッドとしては、一例として、上層がロデール社製の厚さ１．２ｍｍのＩＣ１０００で下層が同社製の厚さ１．２ｍｍのＳＵＢＡ４００よりなる積層された研磨パッドがある。研磨液（研磨スラリー）には、アルカリ溶媒に分散したコロイダルシリカに酸化剤として過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）を添加したものを用いる。例えばＪＳＲ社製のＣＭＳ８３０１がある。上記研磨液の供給流量は例えば１５０ｍｌ／ｍｉｎとして、研磨パッドの回転数は例えば１００ｒｐｍ、ウエハ（基板）回転数は例えば：１１０ｒｐｍ、研磨圧力は例えば３００g／ｃｍ²,研磨時間は例えば６０ｓｅｃとした。これにより、配線層絶縁膜２２のＳｉＯ₂膜の表層およそ７０ｎｍの厚さが除去された。

膜剥がれの検査は顕微鏡による目視検査により実施した。検査の結果を表１〜表４に示す。

表１〜表４中、◎印は剥がれ無し、○印は２％以下の領域で剥がれあり、△印は２％を超え２０％以下の領域で剥がれあり、×印は２０％を超える領域で剥がれがあることを示している。上記評価において、２０％を境界にした理由は、経験的に２０％を超える領域での剥がれは、剥がれの再現性が良く、本質的なものであると考えられるためである。実際に剥がれ状態を観察すると、「剥がれ無し」、「ほぼ剥がれないが、１％程度の領域で剥がれる」、「５％〜１０％程度の領域で剥がれる」、「ほぼ全ての領域で剥がれる」の４段階にはっきりと分かれて観察され、◎，○，△，×の差は、はっきりした違いとして認められた。

また、第２絶縁膜２４のエッジ位置および第１絶縁膜２３のエッジ位置は、ウエハの中心ずれ等により１枚のウエハでも設定より０．５ｍｍ程度ずれることがある。そこで、剥がれ位置における第１絶縁膜２３と第２絶縁膜２４のエッジ位置を実測することにより、第１絶縁膜２３のエッジ位置と第２絶縁膜２４のエッジ位置のとの差ｗ３の値を求めた。

上記表１〜表４に示すように、いずれのサンプルでもｗ３が０ｍｍ以上０．３ｍｍ未満では、剥がれの確率が２０％以上であることがわかった。また、いずれのサンプルでもｗ３が０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ未満では、剥がれの確率が２％を超え２０％以下であることがわかった。そして、いずれのサンプルでもｗ３が０．５ｍｍ以上では、膜剥がれが２％以下であり、ｗ３が１．５ｍｍ以上では、膜剥がれが起こらないことがわかった。

本発明の半導体装置の製造方法は、配線層絶縁膜２２を第１絶縁膜２３と第２絶縁膜２４との積層膜で形成し、その際、第１絶縁膜２３のエッジが第２絶縁膜２４のエッジより内側になるように形成し、第２絶縁膜２４のエッジとビア層絶縁膜２１のエッジとを一致した位置に形成するため、外圧、例えばＣＭＰの加工圧が絶縁膜にかかった時、その絶縁膜のエッジにかかる圧力を第１絶縁膜２３のエッジ部分に集中させることなく、第１絶縁膜２３のエッジと第２絶縁膜２４のエッジとに分散させることができるので、密着性の弱い絶縁膜のエッジ部分での膜剥がれを抑制することができるという利点がある。特に、第１の絶縁膜２３のエッジが第２の絶縁膜２４のエッジより０．５ｍｍ以上内側になるように形成し、第２の絶縁膜のエッジがビア層のエッジと同じになるように形成すると、剥がれが効果的に抑制することができる。なお、ウエハ上におけるチップの理収を考慮すると、ｗ３を５ｍｍ以下とすることが好ましい。また、第１絶縁膜２３とビア層絶縁膜２１の密着性が弱い場合であっても、第２絶縁膜２４がビア層絶縁膜２１との密着性を有する膜、例えば同種の膜であれば、第１絶縁膜２３のエッジは第２絶縁膜２４のエッジより内側になるように形成されていることから第２絶縁膜２４とビア層絶縁膜２１との接触面積を大きくとれるため、第２絶縁膜２４とビア層絶縁膜２１との密着性を向上させることができる。この点からも、絶縁膜のエッジ部分での膜剥がれを抑制することができる。

次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第２実施例を、図６の概略構成斜視図および概略構成断面図によって説明する。図６では、（１）に概略構成斜視図を示し、（２）に基板直径方向の概略構成断面図を示した。なお、概略構成断面図は分かり易くするため、厚さ方向に拡大されている。また、図中の基板上に描かれている矢印は基板の回転方向の一例を示すもので、この回転方向は逆方向であってもよい。

上記第３実施例で説明したようにして、基板１１上に絶縁膜１２、ビア層絶縁膜２１、第１絶縁膜２３および第２絶縁膜２４からなる配線層絶縁膜２２を形成する。

次に、図示はしないが、上記配線層絶縁膜２２に溝配線を形成するとともに上記ビア層絶縁膜２１にビアホールを形成する。この配線溝およびビアホールの加工は、上記第２絶縁膜２４のエッジ部分の除去を行う露光工程を行った後で現像工程前に、例えばビアホールのパターニングを行い、そのレジストマスクを用いてエッチングを行って、第２絶縁膜２４とビア層絶縁膜２１のエッジ部分の除去とビアホールの形成を行う。その後、再度、リソグラフィー技術とエッチング技術によって、配線層絶縁膜２２に配線溝を加工する。

その後、図６に示すように、上記配線溝（図示せず）およびビアホール（図示せず）内にバリア膜（図示せず）を形成し、さらに配線材料膜２５を形成する。この配線材料膜２５は、例えば銅膜で形成される。

次いで、基板１１を例えば矢印エ方向に回転させるとともにノズル４３より配線材料膜２５の溶剤３３を配線材料膜２５の除去領域（概略構成斜視図における斜線で示す領域）上に供給するとともに、上記ノズル４３をエッジ除去範囲内で例えば矢印オ方向にスキャニングンすることによる。上記溶剤３３としては、硫酸と過酸化水素水との混合液を使用することができる。この時、図示しない純水を基板１１中心部上方より第２絶縁膜２４上に供給することにより、配線材料膜２５の周辺部以外の配線材料膜２５表面に溶剤３３がかからないように保護する。上記配線材料膜２５の周辺部の除去幅ｗ５は、ノズル４３のスキャニング幅を変更することにより容易に変更できる。その後、図示はしないが、ＣＭＰによって、余剰な配線材料膜２５、バリアメタル層を除去して、溝配線とビアとを形成する。

その後、通常の研磨（ＣＭＰ）技術により、第２絶縁膜２４上の配線材料膜、バリア膜等の余剰部分を除去して、配線層絶縁膜２２に配線層（図示せず）を形成するとともにビア層絶縁膜２１にビア（図示せず）を形成する。

前記実施例１で説明したように、第１絶縁膜２３のエッジ位置が第２絶縁膜２４のエッジ位置より０．５ｍｍ以上〜１．５ｍｍ未満の範囲で内側になる場合、剥がれの確率は２％以下ではあるが、剥がれの発生が認められた。第１絶縁膜２３のエッジが第２絶縁膜２４のエッジより１．５ｍｍ以上内側になるようにすれば剥がれは発生しなかった。しかしながら、チップの理収の観点からエッジ除去はできるだけウエハの外側に設定したいことを考慮すると、エッジ領域はでき得る限り有効に利用したい。そこで、最適な配線材料膜２５のエッジ除去位置について調べた。

上記実施例２で説明したように、配線材料膜２５を銅膜で形成する。その際、バリア膜にはスパッタリングにより成膜した厚さが１５ｎｍのタンタル膜を用い、配線材料膜２５には、シード膜の厚さが５０ｎｍの銅膜を含めて厚さが１０５０ｎｍの銅膜を用いた。なお、第１絶縁膜２３としてＳｉＬＫ、第２絶縁膜２４として酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、ビア層絶縁膜２１として酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、ＢＤ（ＳｉＯＣ）、ＢＤ２（ＳｉＯＣ）を用いた。

その後、配線材料膜２５のエッジ部分を除去した。今回、配線材料膜２５のエッジ除去幅は２ｍｍ以上５ｍｍ以下で、０．５ｍｍきざみに設定した。また、第２絶縁膜２４およびビア層絶縁膜２１のエッジ除去幅ｗ２は４ｍｍに設定し、第１絶縁膜２３のエッジ除去幅ｗ１を５ｍｍに設定した。この設定により、誤差を含めても、第１絶縁膜２３のエッジ除去は、第２絶縁膜２４およびビア層絶縁膜２１のエッジ除去よりも０．５ｍｍ以上内側に設定された。

次に、上記サンプルのそれぞれの配線材料膜２５をＣＭＰした。このＣＭＰでは、研磨パッドに、例えば上層が発泡ポリウレタン製で下層がＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製のものを用いた。このような研磨パッドとしては、一例として、上層がロデール社製の厚さ１．２ｍｍのＩＣ１０００で下層が同社製の厚さ１．２ｍｍのＳＵＢＡ４００よりなる積層された研磨パッドがある。研磨液には、アルカリ溶媒に分散したコロイダルシリカに酸化剤として過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）を添加したものを用いる。例えばＪＳＲ社製のＣＭＳ７３０１がある。上記研磨液の供給流量は例えば２００ｍｌ／ｍｉｎとして、研磨パッドの回転数は例えば１００ｒｐｍ、ウエハ（基板）回転数は例えば：１１０ｒｐｍ、研磨圧力は例えば３００g／ｃｍ²,研磨時間は例えば１２０ｓｅｃとした。これにより、第２絶縁膜２４上の配線材料膜を完全に除去した。

さらに、第２絶縁膜２４上の余剰なバリア膜をＣＭＰした。このＣＭＰでは、研磨パッドに、例えば上層が発泡ポリウレタン製で下層がＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製のものを用いた。このような研磨パッドとしては、一例として、上層がロデール社製の厚さ１．２ｍｍのＩＣ１０００で下層が同社製の厚さ１．２ｍｍのＳＵＢＡ４００よりなる積層された研磨パッドがある。研磨液には、アルカリ溶媒に分散したコロイダルシリカに酸化剤として過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）を添加したものを用いる。例えばＪＳＲ社製のＣＭＳ８３０１がある。上記研磨液の供給流量は例えば１５０ｍｌ／ｍｉｎとして、研磨パッドの回転数は例えば１００ｒｐｍ、ウエハ（基板）回転数は例えば：１１０ｒｐｍ、研磨圧力は例えば３００g／ｃｍ²,研磨時間は例えば６０ｓｅｃとした。これにより、第２絶縁膜２４上のバリア膜を完全に除去され、酸化シリコンからなる第２絶縁膜２４の表層およそ５０ｎｍの厚さ分だけ除去された。

膜剥がれの検査は顕微鏡による目視検査により実施した。検査の結果を表５に示す。

表５中、剥がれの評価判定規準は前記実施例１と同様であり、◎印は剥がれ無し、○印は２％以下の領域で剥がれがあることを示している。また、第２絶縁膜２４のエッジ位置および配線材料膜２５のエッジ位置ｗ４は、ウエハの中心ずれ等により１枚のウエハでも設定より０．５ｍｍ程度ずれることがある。そこで、剥がれ位置における第２絶縁膜２４と配線材料膜２５のエッジ位置を実測することにより、第２絶縁膜２４のエッジ位置と配線材料膜２５のエッジ位置のとの差ｗ４の値を求めた。

上記表５に示すように、いずれのサンプルでもｗ４が−１．５ｍｍ以上０ｍｍ未満では、剥がれが発生し、その確率が２％以下であることがわかった。また、いずれのサンプルでもｗ４が０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下では、剥がれが起こらないことがわかった。

上記結果から、実施例１で説明したように、第１絶縁膜２３のエッジが第２絶縁膜２４のエッジより０．５ｍｍ以上内側になるように形成し、第２絶縁膜２４のエッジがビア層絶縁膜２１のエッジと同じになるように形成し、上記実施例２で示したように、配線材料膜２５のエッジより第２絶縁膜２４のエッジが内側になるように形成すると、剥がれが効果的に抑制されることがわかった。これは、配線材料膜２５を除去した後に、第１絶縁膜２３の外側、第２絶縁膜２４の外側のそれぞれの段差部に配線材料膜２５の銅が残り、バリア膜のタンタル膜および第２絶縁膜２４の酸化シリコン膜表層のＣＭＰ時に圧力が分散し、第１絶縁膜２３のエッジに圧力が集中しないためと考えられる。よって、第１絶縁膜２３のエッジが第２絶縁膜２４のエッジより０．５ｍｍ以上内側になるように形成すればよいので、絶縁膜の剥がれを防止するとともにウエハ内のチップの理収を高めることができる。

次に、各種絶縁膜の密着性を調査した。下層の膜としては、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜、炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、ＳｉＯＣ膜（ＢＤ）、ＳｉＯＣ膜（Ｃｏｒａｌ：Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社製のＳｉＯＣ膜でＣＶＤ法により形成したｋ＝３．０程度のＳｉＯＣ膜）、ＳｉＯＣ膜（ＢＤ２）、ポーラスシリカ（ＬＫＤ５１０９：エルケーディー（ＪＳＲ）社製のＭＳＱ膜でスピンコート法により形成したＭＳＱ膜）、ポーラスシリカ（例えば、ナノグラス社製のＮａｎｏｇｌａｓｓ）、ポーラスシリカ（例えば、ナノグラス社製のＮａｎｏｇｌａｓｓ−Ｅ）、ポリアリールエーテル（ＳｉＬＫ）、ポリアリールエーテル（ＦＬＡＲＥ）、ポリアリールエーテル（ｐｏｒｏｕｓ−ＳｉＬＫ）を用いた。また、上層の膜としては、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜、炭化シリコン（ＳｉＣ）膜、ＳｉＯＣ膜（ＢＤ）、ＳｉＯＣ膜（Ｃｏｒａｌ）、ＳｉＯＣ膜（ＢＤ２）、ポーラスシリカ（ＬＫＤ５１０９）、ポーラスシリカ（Ｎａｎｏｇｌａｓｓ）、ポーラスシリカ（Ｎａｎｏｇｌａｓｓ−Ｅ）、ポリアリールエーテル（ＳｉＬＫ）、ポリアリールエーテル（ＦＬＡＲＥ）、ポリアリールエーテル（ｐｏｒｏｕｓ−ＳｉＬＫ）を用いた。

そして、上記下層の膜の１種と上記上層の膜の１種とを選択して、積層膜を形成し、下層の膜に対する上層の膜の密着性を調べた。

膜剥がれの検査は顕微鏡による目視検査により実施した。検査の結果を表６〜表９に示す。

表６〜表９中、◎印は剥がれ無し、○印は２％以下の領域で剥がれあり、△印は２％を超え２０％以下の領域で剥がれあり、×印は２０％を超える領域で剥がれがあることを示している。上記評価において、２０％を境界にした理由は、経験的に２０％を超える領域での剥がれは、剥がれの再現性が良く、本質的なものであると考えられるためである。実際に剥がれ状態を観察すると、「剥がれ無し」、「ほぼ剥がれないが、１％程度の領域で剥がれる」、「５％〜１０％程度の領域で剥がれる」、「ほぼ全ての領域で剥がれる」の４段階にはっきりと分かれて観察され、◎，○，△，×の差は、はっきりした違いとして認められた。

表６〜表９に示すように、ＢＤ２／ＳｉＯ₂の界面がＳｉＯ₂／ＳｉＯ₂界面より密着性が弱いことがわかる。したがって、例えば、第１絶縁膜２３にＢＤ２などの無機膜、第２絶縁膜２４およびビア層絶縁膜２１がＳｉＯ₂などの無機膜であっても、本発明の効果が得られることは明らかである。また、この結果から、有機絶縁膜と他の絶縁膜との密着性が、特に弱いことがわかった。すなわち、第１絶縁膜２３として有機絶縁膜を用いた場合、特に剥がれやすいと言える。したがって、本発明は、第１絶縁膜２３が有機絶縁膜であるときに特に効果的であることがわかる。

次に、本発明の構成および製造方法を適用して、多層配線構造を形成した一例を、図７の概略構成断面図によって説明する。

図７に示すように、ビア層絶縁膜２１としてＳｉＯＣ（例えばＢＤ）膜（厚さが例えば２００ｎｍ）／ＳｉＣＮ膜（厚さが例えば３５ｎｍ）を用い、配線層絶縁膜２２として第１絶縁膜２３に有機膜を用い、第２絶縁膜２４に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜（成膜時の厚さが例えば２００ｎｍ、ＣＭＰ後の厚さが約１５０ｎｍ）を用いる。上記有機膜としては、ポリアリールエーテル膜を用い、ポリアリールエーテル膜としてはここではＳｉＬＫ膜（厚さが例えば１００ｎｍ）を用いた。上記第１絶縁膜２３（ＳｉＬＫ膜）のエッジ部分の除去幅は５ｍｍに設定し、第２絶縁膜２４（ＳｉＯ₂膜）およびビア層絶縁膜２１のエッジ部分の除去幅は４ｍｍに設定した。また配線材料層２５のエッジ部分の除去幅を３ｍｍに設定した。そして上記実施例３および４によって説明した製造方法を用いて、図示したような５層の溝配線７１および接続部（ビア）７２を有する半導体装置の形成を行った。この結果、エッジ剥がれを起こすこと無く半導体装置を製造することができた。

本発明の半導体装置の製造方法および半導体装置は、各種半導体装置の多層配線という用途に適用することが好適である。

本発明の半導体装置に係る第１実施例を示した概略構成断面図である。 本発明の半導体装置に係る第２実施例を示した概略構成断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施例を示した概略構成斜視図および概略構成断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施例を示した概略構成斜視図および概略構成断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る第１実施例を示した概略構成斜視図および概略構成断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る第２実施例を示した概略構成斜視図および概略構成断面図である。 本発明の半導体装置に係る一実施例を示した概略構成断面図である。

符号の説明

１…半導体装置、１１…基板、２１…ビア層絶縁膜、２２…配線層絶縁膜、２３…第１絶縁膜、２４…第２絶縁膜、

Claims (9)

1. 基板上にビアを形成するビア層絶縁膜と、前記ビア層絶縁膜上に配線層を形成する配線層絶縁膜とを備えた半導体装置であって、
   前記配線層絶縁膜は第１絶縁膜と第２絶縁膜との積層膜からなり、
   前記第１絶縁膜のエッジは前記第２絶縁膜のエッジより内側になるように形成されていて、
   前記配線層絶縁膜のエッジと前記ビア層絶縁膜のエッジとが一致した位置に形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１絶縁膜のエッジは前記第２絶縁膜のエッジより０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲で内側に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第１絶縁膜は誘電率が３未満の低誘電率膜からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記第１絶縁膜は有機絶縁膜で形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 基板上にビアを形成するビア層絶縁膜を形成する工程と、
   前記ビア層絶縁膜上に配線層を形成する配線層絶縁膜を形成する工程と、
   前記配線層絶縁膜に凹部を形成して、該凹部に埋め込むように配線材料膜を形成した後、前記配線層絶縁膜上の余剰な配線材料膜を化学的機械研磨によって除去することで、前記凹部のみに前記配線材料膜を残して配線を形成する工程と
   を備えた半導体装置の製造方法であって、
   前記配線層絶縁膜を第１絶縁膜と第２絶縁膜との積層膜で形成し、
   その際、前記第１絶縁膜のエッジが前記第２絶縁膜のエッジより内側になるように形成し、
   前記配線層絶縁膜のエッジと前記ビア層絶縁膜のエッジとを一致した位置に形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記第１絶縁膜のエッジを前記第２絶縁膜のエッジより０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲で内側に形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記配線材料膜を形成する前に、前記第２絶縁膜のエッジが形成しようとする配線材料膜のエッジより内側になるように、前記第２絶縁膜およびビア層絶縁膜を加工する
   ことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第１絶縁膜を誘電率が３未満の低誘電率膜で形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第１絶縁膜を有機絶縁膜で形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。

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