JP2009094378A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】同一配線層の配線間における実効誘電率の増大及び配線幅のばらつきの増加を解消しつつ、ナノホールパターンの形成時における反射率差に起因する課題と、エッチングによる配線信頼性低下の課題とを同時に解決できるようにする。
【解決手段】半導体装置は、半導体基板の主面に垂直な方向に筒状に延びる複数の空間部である第１のナノコラム型ホール１１ｂを有する第１の層間絶縁膜１１と、該第１の層間絶縁膜１１に選択的に形成された下層配線１２とを有している。下層配線１２の上部には、金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜１２ｃが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、エアギャップを用いた配線構造を含む半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、半導体装置の製造において、素子の高速化を図るため、エアギャップ配線が検討されている。通常、配線のＲＣ遅延（抵抗成分と容量成分とによる遅延）のうち、容量成分に基づく遅延は、配線の周囲の絶縁膜の比誘電率によって決定される。エアギャップ配線が検討されている背景として、素子の微細化に伴って絶縁膜の比誘電率による遅延の要素がトランジスタの動作速度と同等以上の影響を与えるようになってきたことが挙げられる。
これに対し、絶縁膜の比誘電率の更なる低減を図ることも検討されている。層間絶縁膜に主として用いられる酸化シリコンの比誘電率は４．１であり、最近では比誘電率が２．０程度の低誘電率膜(ｐｏｒｏｕｓ ｌｏｗ−ｋ膜）も開発されている。しかし、低誘電率膜の比誘電率の低減にも限界がある。上述のエアギャップ配線では、配線の周囲に空間領域を形成しているため、比誘電率を１にまで低減させることができるので、半導体素子の一層の高速化が図れる。従って、エアギャップ配線は、特に配線幅が３２ｎｍ世代以降における実用化が期待されている。
第１の従来例に係るエアギャップ形成方法として、特許文献１には以下のような方法が記載されている。まず、絶縁膜の上に炭素（カーボン）層を形成する。続いて、形成した炭素層中に配線溝を形成し、その後、配線溝に金属膜を埋め込んで配線を形成する。次に、炭素層の上に配線を含む全面にわたってシリコン酸化膜を堆積する。続いて、熱処理により、炭素層を灰化して配線同士の間に空洞部を形成する。その後、配線層の形成を繰り返して、多層配線を形成する。以上のような形成方法は、特許文献２にも記載されている。
しかしながら、第１の従来例に係るエアギャップ配線の形成方法は、シリコン酸化膜を支持するのが配線のみであるため、半導体素子の機械的強度が低下してしまうという問題がある。また、多層配線を形成する際に、下層配線と上層配線とを接続する接続孔との合わせずれが許容範囲を超えると、下層配線同士の間に形成されたエアギャップを接続孔が貫通するという問題も発生する。これらの解決策の１つとして、ナノコラム状のエアギャップを有する配線構造が提案されている。この構造では、ナノスケールのコラム（柱）状エアギャップが配線間に形成されるため、配線間の絶縁膜占有率が高いので、機械的強度が確保される。また、接続孔と下層配線との合わせずれが生じたとしても、下層配線同士の間に形成されているエアギャップの線幅がナノスケールのため問題とはならない。
以下、第２の従来例に係るナノコラム状のエアギャップを用いた半導体装置の製造方法について図６を参照しながら説明する。
図６は第２の従来例に係るナノコラム型エアギャップを有する銅配線の製造方法の工程順の断面構成を示している。
まず、図６（ａ）に示すように、機能素子等が形成された半導体基板（図示せず）の上に層間絶縁膜１１１を形成する。続いて、リソグラフィ法により、層間絶縁膜１１１の上に、下層配線溝１１１ａを形成し、形成した下層配線溝１１１ａの内部に、タンタル（Ｔａ）及び窒化タンタル（ＴａＮ）の積層膜よりなるバリアメタル膜１１２ａと銅膜１１２ｂとからなる下層配線１１２を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、下層配線１１２を含む層間絶縁膜１１１の上に、リソグラフィ法により、数十ナノメートル寸法の径を持つホールレジストパターン１１３を形成する。
次に、ホールレジストパターン１１３をマスクとして、層間絶縁膜１１１に対してドライエッチングを行うことにより、層間絶縁膜１１１にナノコラム型の複数のホールを形成する。
しかしながら、第２の従来例に係る製造方法には、以下に示す３つの課題がある。第１に、図６（ｂ）において、現状のリソグラフィ技術では５０ｎｍ以下のパターン形成が困難である。そのため、５０ｎｍ以下の径のナノホールを形成する場合には、他の手法を用いる必要がある。
第２に、ホールレジストパターン１１３は、例えば反射率が異なる材料からなる下層配線（金属）１１２と層間絶縁膜１１１との上に形成されるため、リソグラフィ時の露光量が金属上と絶縁膜上とで異なる。その結果、均一なホールレジストパターン１１３を形成することが困難となるので、形成されるナノホールも不均一な形状となる。
第３に、層間絶縁膜１１１にナノホールを形成する際に、下層配線１１２も同時にドライエッチングによる過酷な反応性イオンエッチングプロセスにさらされる。このため、信頼性が高い配線の形成が困難となる。
上記の課題を解決するために、第３の従来例として、特許文献３においては、以下のような構成を採る。図７は特許文献３に記載されているナノコラム状のエアギャップを適用した半導体装置の断面構成を示している。まず、第２の課題を解決するため、半導体基板１２０の上に形成された層間絶縁膜１２１に下層配線溝１２１ａを形成し、その後、下層配線溝１２１ａが形成された層間絶縁膜の上に他の絶縁膜を平坦に形成する。その結果、均一なホールパターンを形成することができる。
また、第３の課題を解決するために、図７に示すように、例えば、層間絶縁膜１２１における下層配線溝１２１ａの間の領域に他の絶縁膜と共にホール１２１ｂを形成し、続いて、他の絶縁膜を除去した後、下層配線溝１２１ａ及び層間絶縁膜１２１を保護する保護膜である酸化膜サイドウォール１２３を形成する。最後に、下層配線溝１２１ａにバリア膜１２２ａ及び金属膜１２２ｂを埋め込むことにより、下層配線１２２を形成している。その結果、下層配線１２２はイオンエッチングプロセスにさらされることがなくなる。
特開平０９−２３７８３１号公報 特開２００３−１１５５３４号公報 特開２００５−２６８７８３号公報
しかしながら、前記第３の従来例に係る半導体装置の製造方法は、現状のリソグラフィ技術では５０ｎｍ以下のレジストパターンの形成が困難であるという第１の課題が解決していないのみならず、新たな問題が発生する。すなわち、層間絶縁膜１２１及び下層配線１２２等の各側壁に酸化膜サイドウォール１２３を形成するため、下層配線１２２同士の間の実効誘電率が増大すると共に配線幅のばらつきが増加するという問題である。
本発明は、前記従来の問題を解決し、同一配線層の配線間における実効誘電率の増大及び配線幅のばらつきの増加を解消しつつ、ナノホールパターンの形成時における反射率差に起因する課題と、エッチングによる配線信頼性低下の課題とを同時に解決できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置及びその製造方法を、ナノホールが形成される層間絶縁膜の上に、配線を覆う金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜を形成する構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体装置は、半導体基板の上に形成された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜に選択的に形成された複数の第１の配線とを備え、第１の絶縁膜における互いに隣り合う第１の配線同士の間の領域には、半導体基板の主面に垂直な方向に筒状に延びる複数の空間部が形成され、第１の配線の上部に、金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜が形成されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置によると、第１の配線の上部に金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜が形成されているため、第１の配線が形成される第１の絶縁膜に基板面に垂直な方向に筒状に延びる複数の空間部を形成する際に、第１の配線にエッチングダメージを被ることがないので、配線の信頼性が低下することがない。
本発明の半導体装置において、複数の空間部は、第１の絶縁膜に配列パターンとして形成されていることが好ましい。
本発明の半導体装置において、空間部の底部の直は、２ｎｍ以上で且つ５０ｎｍよりも小さいことが好ましい。
本発明の半導体装置は、第１の絶縁膜の下側に形成され、空間部の底部と接する第２の絶縁膜をさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体装置は、第１の配線と接する第２の絶縁膜をさらに備えている場合に、空間部は第１の絶縁膜を貫通していることが好ましい。
また、第１の絶縁膜の誘電率は、第２の絶縁膜の誘電率よりも小さいことが好ましい。
本発明の半導体装置は、第１の絶縁膜の上に形成され、第１の配線と接する第３の絶縁膜と、第３の絶縁膜に形成された第２の配線とをさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体装置において、キャップ膜は、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属、又はＣｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属から選択された１種類以上の金属を含む合金、又はＣｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属の酸化物、又はＣｕＳｉＮであり、キャップ膜は導電性を有していることが好ましい。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、工程（ａ）よりも後に、第１の絶縁膜に複数の第１の配線を選択的に形成する工程（ｂ）と、工程（ｂ）よりも後に、複数の第１の配線の上部に金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜を形成する工程（ｃ）と、工程（ｃ）よりも後に、第１の絶縁膜における互いに隣り合う第１の配線同士の間の領域に、半導体基板の主面に垂直な方向に筒状に延びる複数の空間部を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法によると、第１の配線の上部に金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜を形成し、その後、第１の絶縁膜に、半導体基板の主面に垂直な方向に筒状に延びる複数の空間部を形成する。これにより、キャップ膜に覆われた第１の配線はエッチングダメージを被ることがないので、配線の信頼性が低下することがない。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｄ）において、複数の空間部は、第１の絶縁膜に配列パターンとして形成することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法において、空間部の底部の径は、２ｎｍ以上且つ５０ｎｍよりも小さくなるように形成することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ａ）よりも前に、半導体基板と第１の絶縁膜との間に、空間部の底部と接する第２の絶縁膜を形成する工程（ｅ）をさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｅ）において、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とが接触する界面が第１の配線の下部よりも下側に位置するように、第２の絶縁膜を形成することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｄ）において、空間部は第１の絶縁膜を貫通するように形成することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法において、第１の絶縁膜の誘電率は第２の絶縁膜の誘電率よりも小さいことが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｄ）よりも後に、第１の絶縁膜の上に、第１の配線と接するように第３の絶縁膜を形成する工程（ｆ）と、工程（ｆ）よりも後に、第３の絶縁膜に第２の配線を形成する工程（ｇ）とをさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｄ）において、空間部はガスクラスタイオンビーム法により形成することが好ましい。
この場合に、ガスクラスタイオンビーム法において、ガスクラスタイオンの生成には、Ａｒ、Ｃ、ＳｉＨ４、ＮＨ３、ＣＨ４及びＣＦ４のうちから選択される少なくとも１つを用いることが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｃ）において、キャップ膜は、選択めっき法により、ＣｏＷＰ、 ＣｏＷＢ、 ＮiＭｏＰ及びＮiＭｏＢのうちから選択される少なくとも１つから形成することが好ましい。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、工程（ｃ）において、キャップ膜は、ガスクラスタイオンビーム法により、Ｔａ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｗ、ＳｉＨ４及びＮＨ３のうちから選択される少なくとも１つから形成することが好ましい。
本発明に係る半導体装置によると、配線の上に金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜を形成するため、隣り合う配線同士の間の実効誘電率の増大及び配線幅のばらつきの増加を防止することができる。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法によると、ナノホール（空間部）の形成にガスクラスタイオンビーム法を用いるため、ナノホールを確実に形成できると共に、光の反射率差によるパターンの形成不良及びエッチングによる配線の信頼性低下を防止することができる。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の要部（配線部）の断面構成を示している。図１に示すように、第１の層間絶縁膜１１に複数の下層配線１２が選択的に形成されている。
各下層配線１２は、第１の層間絶縁膜１１に形成された下層配線溝１１ａの底面及び壁面に形成されたタンタル（Ｔａ）及び窒化タンタル（ＴａＮ）の積層膜よりなる第１のバリアメタル膜１２ａと、該第１のバリアメタル膜１２ａの内側に充填された第１の銅膜１２ｂと、該第１の銅膜１２ｂの上部に形成された金属又は金属を含む材料からなる第１のキャップ膜１２ｃとにより構成されている。
第１の層間絶縁膜１１には、例えば比誘電率ｋが１．８〜２．２程度の炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）のような機械的強度（比誘電率）が小さい絶縁性材料を用いており、該第１の層間絶縁膜１１には、径の寸法がナノメートル台（いわゆるナノメートル寸法）、例えば２ｎｍ〜５０ｎｍ程度の、複数の筒状の空間部（第１のナノコラム型ホール１１ｂ）が形成されている。なお、機械的強度が小さい絶縁性材料としては、ＳｉＯＣの他にも、Ａｕｒｏｒａ、ＳｉＬＫ、ＳＬＫ、ＮＣＳ、ＨＳＱ、ＭＳＱ又はポリイミド等を用いることもできる。
第１の層間絶縁膜１１の上には各下層配線１２を含め、炭化シリコン（ＳｉＣ）よりなる絶縁性バリア膜１５が形成されている。絶縁性バリア膜１５には、ＳｉＣ他にも、ＳｉＮ、ＳｉＣＯ、ＳｉＣＮ又はベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等を用いることもできる。
絶縁性バリア膜１５の上には、第１の層間絶縁膜１１と同一の材料からなる第２の層間絶縁膜１６が形成されており、該第２の層間絶縁膜１６には、複数の上層配線１９が選択的に形成されている。
第２の層間絶縁膜１６における上層配線１９同士の間には、第１のナノコラム型ホール１１ｂと同様の第２のナノコラム型ホール１６ｃが形成されている。
各上層配線１９は、下層配線１２と同様に、上層配線溝１６ｂとの底面及び壁面に形成されたＴａ及びＴａＮの積層膜よりなる第２のバリアメタル膜１９ａと、該第２のバリアメタル膜１９ａの内側に充填された第２の銅膜１９ｂと、該第２の銅膜１９ｂの上部に形成された金属又は金属を含む材料からなる第２のキャップ膜１９ｃにより構成されている。
ここで、第１のキャップ膜１２ｃ及び第２のキャップ膜１９ｃには、例えば窒化シリコン含有銅（ＣｕＳｉＮ）膜を用いている。
また、第２の層間絶縁膜１６には、接続孔１６ａに形成された第２のバリアメタル膜１９ａ及び第２の銅膜１９ｂよりなるプラグ２０が設けられており、該プラグ２０を介して下層配線１２と上層配線１９とが電気的に接続されている。ここで、第１のバリアメタル膜１２ａ及び第２のバリアメタル膜１９ａは、銅の拡散防止膜として機能する。
このように、第１の実施形態に係る半導体装置によると、下層配線１２及び上層配線１９の上部に金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜１２ｃ、１９ｃを形成しているため、各キャップ膜１２ｃ、１９ｃにより、第１の銅膜１２ｂ及び第２の銅膜１９ｂのエッチングダメージ耐性が向上して、配線の信頼性の低下を回避することができる。
また、第３の従来例のような、例えば第１の層間絶縁膜１１及び空間部１１ｂに絶縁膜からなるサイドウォールを形成しないため、該サイドウォールを形成した場合と比較して、隣り合う配線同士の間の実効誘電率が減少し、且つ配線幅のばらつきも生じることがない。
以下、前記のように構成された半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図２（ａ）〜図２（ｅ）及び図３（ａ）〜図３（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、機能素子等が形成された、シリコン（Ｓｉ）よりなる半導体基板（図示せず）の上に、例えば比誘電率ｋが１．８〜２．２程度の炭素含有シリコン酸化膜のような機械的強度（誘電率）が小さい第１の層間絶縁膜１１を形成し、続いて、第１の層間絶縁膜１１の上に、酸化シリコンよりなる第１の犠牲膜（図示せず）を形成する。なお、第１の犠牲膜は後述する下層配線に対するＣＭＰ（化学機械研磨）工程により除去される。続いて、リソグラフィ法により、第１の犠牲膜の上に、下層配線溝形成パターンを持つレジストパターン（図示せず）を形成し、その後、形成したレジストパターンをマスクとして、第１の犠牲膜及び第１の層間絶縁膜１１に対してドライエッチングを行って、下層配線溝１１ａを形成する。続いて、スパッタ法により、第１の犠牲膜及び第１の層間絶縁膜１１に形成された下層配線溝１１ａの底面上及び側面上に、Ｔａ／ＴａＮの積層膜よりなる第１のバリアメタル膜１２ａ及び銅シード膜（図示せず）を順次堆積する。続いて、電解めっき法により、下層配線溝１１ａが埋まるように、銅シード膜の上に第１の銅膜１２ｂを堆積する。続いて、ＣＭＰ法により、第１のバリアメタル膜１２ａ及び第１の銅膜１２ｂ（銅シード膜を含む。以下、同じ。）における下層配線溝１１ａの外側に堆積した部分と第１の犠牲膜とを除去して、第１のバリアメタル膜１２ａ及び第１の銅膜１２ｂをパターニングする。
次に、図２（ｂ）に示すように、例えば、ガスクラスタイオンビーム法により、第１の銅膜１２ｂの上部に、ＣｕＳｉＮよりなる第１のキャップ膜１２ｃを形成する。これにより、第１のバリアメタル膜１２ａ、第１の銅膜１２ｂ及び第１のキャップ膜１２ｃよりなる下層配線１２が形成される。ここでは、ＳｉＨ４とＮＨ３との混合ガスをガスクラスタイオンビームとして照射することにより、第１の銅膜１２ｂから第１のキャップ膜１２ｃを形成している。なお、第１の実施形態においては、ガスクラスタイオンビーム種として、ＳｉＨ４及びＮＨ３を使用したが、これに限られず、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、シラン（ＳｉＨ４）及びアンモニア（ＮＨ３）のうちから選択される少なくとも１つの材料を用いることができる。また、キャップ膜１２ｃの形成法としてガスクラスタイオンビーム法を用いたが、この方法に限られず、例えば燐化コバルトタングステン（ＣｏＷＰ）、硼化コバルトタングステン（ＣｏＷＢ）、燐化ニッケルモリブデン（ＮiＭｏＰ）及び硼化ニッケルモリブデン（ＮiＭｏＢ）のうちから選択される少なくとも１つの材料を用いた、選択めっき法を使用してもよい。
次に、図２（ｃ）に示すように、例えば、アルゴン（Ａｒ＋）イオンを用いたガスクラスタイオンビーム法により、下層配線１２を含む第１の層間絶縁膜１１の上面の全面にガスクラスタイオンビームを照射して、第１の層間絶縁膜１１にナノメートル寸法の径を有し且つ所定の配列パターンを有する複数の第１のナノコラム型ホール１１ｂを形成する。このとき、Ａｒ＋イオンを数百モル程度の分子数で且つ径が数ｎｍ程度のクラスタ状とし、約５０ｋｅＶ〜数百ｋｅＶの加速エネルギーで照射することが好ましい。第１の実施形態においては、ガスクラスタを形成する物質として、アルゴン（Ａｒ）を用いたが、アルゴン（Ａｒ）、炭素（Ｃ）、シラン（ＳｉＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）、メタン（ＣＨ４）及び四フッ化炭素（ＣＦ４）のうちから選択される少なくとも１つの物質を用いてもよい。また、第１の層間絶縁膜１１は、比誘電率ｋが１．８〜２．２程度の炭素含有シリコン酸化膜のような機械的強度（誘電率）が小さい膜であり、物理エッチングが容易であるため、第１の層間絶縁膜１１に空間部（第１のナノコラム型ホール１１ｂ）が形成されやすくなる。その後、第１のナノコラム型ホール１１ｂが形成された第１の層間絶縁膜１１に対して、２００℃〜４００℃程度の温度下でＵＶ（紫外線）キュアを実施する。これにより、第１の層間絶縁膜１１は比誘電率ｋが２．２〜２．６程度の高強度膜となる。
ここで、ガスクラスタイオンビーム法をさらに詳しく説明すると以下の通りである。ガスクラスタイオンビームは、数百個から数万個よりなる分子の塊が主に１価に帯電した荷電ビームである。この荷電ビームを絶縁膜等の試料に注入することにより、試料を物理的にエッチングして、複数のナノコラム型エアギャップを形成する。この技法は、分子数を小さく調整すると、クラスタが持つエネルギーが大きくなるため、径が数ｎｍのナノホールを容易に形成することができる。
次に、図２（ｄ）に示すように、下層配線１２を含む第１の層間絶縁膜１１の上に、厚さが５０ｎｍ程度で、銅の拡散防止膜として機能する例えば炭化シリコンよりなる絶縁性バリア膜１５を堆積する。続いて、絶縁性バリア膜１５の上に、厚さが３００ｎｍ程度で、例えば比誘電率ｋが１．８〜２．２程度の炭素含有シリコン酸化膜のような機械的強度（誘電率）が小さい第２の層間絶縁膜１６を堆積する。その後、酸化シリコンよりなる第２の犠牲膜（図示せず）を形成する。なお、第２の犠牲膜は後述する上層配線に対するＣＭＰ工程によって除去される。
次に、図２（ｅ）に示すように、リソグラフィ法により、第２の犠牲膜の上に、接続孔形成パターンを持つレジストパターン（図示省略）を形成した後、形成したレジストパターンをマスクとして、第２の犠牲膜及び第２の層間絶縁膜１６に対してドライエッチングを行なうことにより、第２の犠牲膜及び第２の層間絶縁膜１６を貫通してそれぞれ絶縁性バリア膜１５を露出する複数の接続孔１６ａを形成する。
次に、図３（ａ）に示すように、接続孔１６ａと同様にして、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、第２の層間絶縁膜１６の上部に、第２の犠牲膜及び第２の層間絶縁膜１６を開口させて各接続孔１６ａと連通する上層配線溝１６ｂを形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、例えば四フッ化炭素（ＣＦ４）と窒素（Ｎ２）との混合ガスを用いた異方性のドライエッチングにより基板の全面に対してエッチバックを行って、各接続孔１６ａから露出した絶縁性バリア膜１５を除去することにより、下層配線１２のキャップ膜１２ｃを露出する。
次に、図３（ｃ）に示すように、スパッタ法により、第２の層間絶縁膜１６における接続孔１６ａ及び上層配線溝１６ｂの各底面上及び側面上に、Ｔａ／ＴａＮの積層膜よりなる第２のバリアメタル膜１９ａと銅シード膜（図示せず）とを順次堆積する。続いて、電解めっき法により、接続孔１６ａ及び上層配線溝１６ｂが埋まるように、銅シード膜の上に第２の銅膜１９ｂを堆積する。続いて、ＣＭＰ法により、第２のバリアメタル膜１９ａ及び第２の銅膜１９ｂ（銅シード膜を含む。以下、同じ。）における上層配線溝１８ａの外側に堆積した部分と第２の犠牲膜とを除去して、第２のバリアメタル膜１９ａ及び第２の銅膜１９ｂをパターニングする。
次に、図３（ｄ）に示すように、図２（ｂ）と同様に、例えばガスクラスタイオンビーム法により、第２の銅膜１９ｂの上部にＣｕＳｉＮよりなる第２のキャップ膜１９ｃを形成する。これにより、第２のバリアメタル膜１９ａ、第２の銅膜１９ｂ及び第２のキャップ膜１９ｃよりなる上層配線１９が形成される。続いて、図２（ｂ）と同様に、例えばＡｒ＋イオンを用いたガスクラスタイオンビーム法により、上層配線１９を含む第２の層間絶縁膜１６の上面の全面に照射して、第２の層間絶縁膜１６に複数の第２のナノコラム型ホール１６ｃを形成する。その後、第２のナノコラム型ホール１６ｃが形成された第２の層間絶縁膜１６に対して、２００℃〜４００℃程度の温度下でＵＶキュアを実施する。これにより、第２の層間絶縁膜１６は比誘電率ｋが２．２〜２．６程度の高強度膜となる。
以上説明した製造工程、すなわち、図２及び図３に示した製造工程を繰り返して行うことにより、多層銅配線を有する半導体装置を得ることができる。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の特徴は、例えば、下層配線１２の上部に金属を主成分とする第１のキャップ膜１２ｃを形成した後に、第１の層間絶縁膜１１に第１のナノコラム型ホール１１ｂを形成することにある。すなわち、第１の銅膜１２ｂ及び第２の銅膜１９ｂの各上部に第１のキャップ膜１２ｃ及び第２のキャップ膜１９ｃをそれぞれ設けることにより、銅配線に対するエッチングダメージ耐性を向上させ、銅配線の信頼性の低下を回避することができる。
また、第１の実施形態に用いた第１のキャップ膜１２ｃ及び第２のキャップ膜１９ｃは、銅の格子定数と比較的に近い金属を用いているため、銅のエレクトロマイグレーション耐性を向上させるという効果もある。
また、第１の実施形態においては、ガスクラスタイオンビーム法を使用し、各キャップ膜１２ｃ、１９ｃを選択的に堆積した後、それぞれリソグラフィ法によるレジストパターンを形成することなくナノコラム型ホール１１ｂ、１６ｃを形成するため、配線金属と層間絶縁膜との露光光の反射率差によるパターン形成の問題がなくなるという利点がある。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図４は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の要部の断面構成を示している。図４において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図４に示すように、第２の実施形態に係る半導体装置の特徴は、第１の層間絶縁膜１１の上に形成する層間絶縁膜を、例えば、酸化シリコンのような相対的に機械的強度（比誘電率）が高い第２の層間絶縁膜１６Ａと、比誘電率ｋが１．８〜２．２程度の炭素含有シリコン酸化膜のような第２の層間絶縁膜１６Ａよりも機械的強度（比誘電率）が低い第３の層間絶縁膜１８との２層構造とし、該第３の層間絶縁膜１８にナノメートル寸法の径を持つ筒状の空間部（第２のナノコラム型ホール１８ａ）を形成している点にある。
ここで、第２の層間絶縁膜１６Ａには接続孔１６ａが形成され、第３の層間絶縁膜１８には上層配線１９が形成される。また、第３の層間絶縁膜１８に形成される複数の第２のナノコラム型ホール１８ａの底部は、いずれも第２の層間絶縁膜１６Ａと接触するように形成されている。
ナノメートル寸法の径を持つナノコラム型ホール１１ｂ、１８ａは、機械的強度が低い絶縁膜の方が形成しやすい。このため、層間絶縁膜を機械的強度が相対的に低い絶縁膜と機械的強度が相対的に高い絶縁膜との積層構造とすることにより、ナノコラム型ホールを形成する際の選択比が大きくなるため、ナノコラム型ホールの高さ寸法のばらつきが改善される。すなわち、第２の実施形態においては、第２のナノコラム型ホール１８ａは機械的強度が相対的に低い第３の層間絶縁膜１８を貫通し、且つ、機械的強度が相対的に高い第２の層間絶縁膜１６Ａの上面で止まるという構造を形成可能である。言い換えれば、全ての第２のナノコラム型ホール１１ａの底部は、機械的強度が相対的に高い第２の層間絶縁膜１６Ａの上面にまで達することとなる。その結果、機械的強度の高さと比誘電率の低さとのバランスを考慮し、自由度が高く且つばらつきが少ない、信頼性が高いナノコラム型エアギャップを形成することが可能となる。
また、図４においては、機械的強度が相対的に低い第３の層間絶縁膜１８と機械的強度が相対的に高い第２の層間絶縁膜１６Ａとの界面の高さと、上層配線１９の下面の高さとが一致しているように描かれているが、この形態に限られない。つまり、界面の高さが上層配線１９の下面の高さよりも低い位置にあってもよい。こうすることにより、図４の構成の場合と比較して、さらに配線間の誘電率を下げることができるという効果がある。
また、第２の層間絶縁膜１６Ａと第３の層間絶縁膜１８との間に、機械的強度（比誘電率）が低い層間絶縁膜をさらに形成してもよい。
以上説明したように、第２の実施形態によると、第２のナノコラム型ホール１８ａの底部はいずれも、機械的強度が相対的に高い第２の層間絶縁膜１６の上面と接するため、ナノコラム型ホール１８ａの底部が、上層配線１９が形成されている第３の層間絶縁膜１８の途中で止まる場合と比較して、上層配線１９同士の配線間容量をさらに低くすることが可能となる。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図５は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の要部の断面構成を示している。図５において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図５は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の要部の断面構成を示している。図５に示すように、第３の実施形態に係る半導体装置の特徴は、下層配線１２の上部に銅の拡散防止機能を有するキャップ膜１２ｃを設けており、且つ、第２の層間絶縁膜１６が第１の層間絶縁膜１１及び下層配線１２と直接に接している点である。
すなわち、銅の拡散防止用の絶縁性バリア膜１５を設けていないため、第１の層間絶縁膜１１及び第２の層間絶縁膜１６の実効誘電率を大幅に低減することができる。なお、銅の拡散防止機能は、絶縁性バリア膜１５の代わりに、キャップ膜１２ｃが十分に果たしていることはいうまでもない。
このように、第３の実施形態によると、銅の拡散防止用の絶縁性バリア膜１５を形成する工程がなくなるため、製造プロセスを簡略化できると共に製造コストを低減することができる。
なお、第１〜第３の各実施形態において、銅膜１２ｂ、１９ｂに対するエッチングダメージを防止し、且つ銅の拡散防止機能を有する第１のキャップ膜１２ｃ及び第２のキャップ膜１９ｃには、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属、又はＣｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属から選択された１種類以上の金属を含む合金、又はＣｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属の酸化物、又はＣｕＳｉＮを用いることができる。
また、第１〜第３の各実施形態においては、下層配線１２及び上層配線１９の配線材料として銅を用いたが、配線材料は特に限定されるものではなく、例えば銅、銀若しくはアルミニウム又はこれらの合金等を用いてもよい。
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、隣り合う配線同士の間の実効誘電率の増大及び配線幅のばらつきの増加を防止できると共に、ナノホール（空間部）を確実に形成でき、特に、ダマシン法による性能及び信頼性が高い金属配線を有する半導体装置及びその製造方法等に有用である。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の要部を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は第２の従来例に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 第３の従来例に係る半導体装置の要部を示す断面図である。
符号の説明
１１ 第１の層間絶縁膜
１１ａ 下層配線溝
１１ｂ 第１のナノコラム型ホール（空間部）
１２ 下層配線
１２ａ 第１のバリアメタル膜
１２ｂ 第１の銅膜
１２ｃ 第１の金属キャップ膜
１５ 絶縁性バリア膜
１６ 第２の層間絶縁膜
１６Ａ 第２の層間絶縁膜
１６ａ 接続孔
１６ｂ 上層配線溝
１６ｃ 第２のナノコラム型ホール（空間部）
１８ 第３の層間絶縁膜
１８ａ 第２のナノコラム型ホール（空間部）
１９ 上層配線
１９ａ 第２のバリアメタル膜
１９ｂ 第２の銅膜
１９ｃ 第２の金属キャップ膜
２０ プラグ

Claims (21)

  1. 半導体基板の上に形成された第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜に選択的に形成された複数の第１の配線とを備え、
    前記第１の絶縁膜における互いに隣り合う前記第１の配線同士の間の領域には、前記半導体基板の主面に垂直な方向に筒状に延びる複数の空間部が形成され、
    前記第１の配線の上部に、金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複数の空間部は、前記第１の絶縁膜に配列パターンとして形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記空間部の底部の径は、２ｎｍ以上で且つ５０ｎｍよりも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。
  4. 前記第１の絶縁膜の下側に形成され、前記空間部の底部と接する第２の絶縁膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とが接触する界面は、前記第１の配線の下部よりも下側に位置することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記空間部は、前記第１の絶縁膜を貫通していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記第１の絶縁膜の誘電率は、前記第２の絶縁膜の誘電率よりも小さいことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置。
  8. 前記第１の絶縁膜の上に形成され、前記第１の配線と接する第３の絶縁膜と、
    前記第３の絶縁膜に形成された第２の配線とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記キャップ膜は、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属、又はＣｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属から選択された１種類以上の金属を含む合金、又はＣｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｔａ若しくはＲｕからなる金属の酸化物、又はＣｕＳｉＮであり、前記キャップ膜は導電性を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 半導体基板の上に第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
    前記工程（ａ）よりも後に、前記第１の絶縁膜に複数の第１の配線を選択的に形成する工程（ｂ）と、
    前記工程（ｂ）よりも後に、前記複数の第１の配線の上部に金属又は金属を含む材料からなるキャップ膜を形成する工程（ｃ）と、
    前記工程（ｃ）よりも後に、前記第１の絶縁膜における互いに隣り合う前記第１の配線同士の間の領域に、前記半導体基板の主面に垂直な方向に筒状に延びる複数の空間部を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 前記工程（ｄ）において、前記複数の空間部は、前記第１の絶縁膜に配列パターンとして形成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。
  12. 前記空間部の底部の径は、２ｎｍ以上で且つ５０ｎｍよりも小さいことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記工程（ａ）よりも前に、前記半導体基板と前記第１の絶縁膜との間に、前記空間部の底部と接する第２の絶縁膜を形成する工程（ｅ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記工程（ｅ）において、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とが接触する界面が前記第１の配線の下部よりも下側に位置するように、前記第２の絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
  15. 前記工程（ｄ）において、前記空間部は、前記第１の絶縁膜を貫通するように形成することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記第１の絶縁膜の誘電率は、前記第２の絶縁膜の誘電率よりも小さいことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記工程（ｄ）よりも後に、前記第１の絶縁膜の上に、前記第１の配線と接するように第３の絶縁膜を形成する工程（ｆ）と、
    前記工程（ｆ）よりも後に、前記第３の絶縁膜に第２の配線を形成する工程（ｇ）とをさらに備えていることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記工程（ｄ）において、前記空間部は、ガスクラスタイオンビーム法により形成することを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記ガスクラスタイオンビーム法において、ガスクラスタイオンの生成には、Ａｒ、Ｃ、ＳｉＨ４、ＮＨ３、ＣＨ４及びＣＦ４のうちから選択される少なくとも１つを用いることを特徴とする請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
  20. 前記工程（ｃ）において、前記キャップ膜は、選択めっき法により、ＣｏＷＰ、 ＣｏＷＢ、 ＮiＭｏＰ及びＮiＭｏＢのうちから選択される少なくとも１つから形成することを特徴とする請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  21. 前記工程（ｃ）において、前記キャップ膜は、ガスクラスタイオンビーム法により、Ｔａ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｗ、ＳｉＨ４及びＮＨ３のうちから選択される少なくとも１つから形成することを特徴とする請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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