JP4675393B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
「45 nm Node Multi Level Interconnects with Porous SiOCH Dielectric k=2.5」,V. Arnal et, al. pp.213〜215,(IITC2006)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について、図1を参照しながら説明する。ここで、以下に示す材料及び数値はあくまで好ましい例示に過ぎず、これらに限定されない。
(1)ビア109の下部では、ビア周辺領域140において局所的にライナー絶縁膜106が厚膜化されている
(2)ビア109の上部では、ビア周辺領域140において局所的にライナー絶縁膜114が厚膜化されている
という特徴を有している。
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置について、図5を参照しながら説明する。ここで、以下に示す材料及び数値はあくまで好ましい例示に過ぎず、これらに限定されることはない。
(1)ビア109の下部では、ビア周辺領域140において局所的に第1のライナー絶縁膜117が形成され、全体的に第2のライナー絶縁膜119が形成されている。別の言い方をすると、ビア109の下部では、ビア周辺領域140において局所的にライナー絶縁膜141が厚膜化されている。
という特徴を有している。
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置について、図9を参照しながら説明する。ここで、以下に示す材料及び数値はあくまで好ましい例示に過ぎず、これらに限定されることはない。
(1)ビア109の下部では、ビア周辺領域140において局所的に第1のライナー絶縁膜123が形成され、全面的に第2のライナー絶縁膜126が形成されている。別の言い方をすると、ビア109の下部では、ビア周辺領域140において局所的にライナー絶縁膜141が厚膜化されている
(2)ビア109の上部では、ビア周辺領域140において局所的に第3のライナー絶縁膜128が形成され、全面的に第4のライナー絶縁膜131が形成されている。別の言い方をすると、ビア109の上部では、ビア周辺領域140において局所的にライナー絶縁膜142が厚膜化されている。
(3)隣り合う下層配線105,105の間にエアギャップ127が形成されている
(4)隣り合う上層配線113,113の間にエアギャップ132が形成されている
という特徴を有している。
本発明の第4の実施形態では、上記第1〜第3の実施形態におけるレジストパターン107の好ましい配置について、図13を参照しながら説明する。
1.ビア109の周囲
上記第1〜第3の実施形態で述べたように、エレクトロマイグレーション耐性を向上させるには、ビア周辺領域140に機械強度の高いライナー絶縁膜を設ける必要がある。そのためには、ライナー絶縁膜106の表面のうちビア109が形成される領域の周囲にレジストパターン107を配置し、ライナー絶縁膜106へのエッチングが終了した後もビア109が形成される領域の周囲にライナー絶縁膜106を分厚く残留させればよい。なお、残留させるライナー絶縁膜106の横方向および縦方向の長さ(E)としては、エレクトロマイグレーション耐性を十分に向上させるためには、ビア109の直径の2倍以上10倍以下とすることが好ましい。
2.隣り合う下層配線105,105の間の広いスペース
上記第1〜第3の実施形態で述べたように、隣り合う下層配線105A,105Bの間隔(S)が十分に大きい場合には、配線間の容量は問題とならない。このような場合には、隣り合う下層配線105A,105Bの間に機械強度の高いライナー絶縁膜106を分厚く形成した方が、半導体装置全体の機械強度の確保という観点から有利である。そのためには、ライナー絶縁膜106の表面のうち配線間隔が大きい下層配線105A,105Bの間にもレジストパターン107を設け、ライナー絶縁膜106へのエッチングが終了した後も配線間隔が大きい下層配線105A,105Bの間にライナー絶縁膜106を分厚く残留させればよい。なお、「隣り合う下層配線105A,105Bの間隔(S)が十分に大きい場合」とは、概ね、上記Sが隣り合う下層配線105,105の間隔の最小値の2倍以上である場合である。
3.同電位配線の間のスペース
例えば、図13に示す下層配線105Cは、図13の上下方向に延びる2つの部分と、その2つの部分の間に設けられた接続部とで構成されている。この場合、上記2つの部分の間には隙間が存在しているが、上記2つの部分は同電位であるので、上記2つの部分における配線間の容量は問題とならない。このように、同電位の下層配線に隙間などが存在している場合、その隙間を挟む2つの部分では配線間の容量は問題とならない。そのため、同電位の下層配線に存在する隙間の上にも機械強度の高いライナー絶縁膜106を分厚く設けた方が、半導体装置全体の機械強度の確保という観点から有利である。そのためには、同電位の下層配線の隙間の上にレジストパターン107を設け、ライナー絶縁膜106へのエッチングが終了した後も同電位の下層配線の間にライナー絶縁膜106を分厚く残留させればよい。
4.配線と重なる部分
また、下層配線105とライナー絶縁膜106との重ねあわせズレによる配線間の容量のばらつきを抑制するために、図13に示すように下層配線105に重なるようにレジストパターン107を設けることが好ましい。レジストパターン107の端部と下層配線105の中央とが一致するようにレジストパターン107を形成すれば、上記重ね合わせズレによる配線間の容量のばらつきを最も抑制することができる。
本発明の第5の実施形態では、まず、電流が流れる方向が半導体装置を製造する時点で確定している場合のエレクトロマイグレーション耐性を向上させる方法について説明する。すでに説明したように、エレクトロマイグレーションによる不良は、電子風によりCu原子が陽極端に移動し、陽極端のビア109を取り巻く配線構造を破壊することに起因している。従って、陽極端のビア109の周囲に対してのみ本発明のポイントである配線構造の機械強度の強化を行えば良い。そのような観点から、上記第1の実施形態に係る半導体装置の変形例を図14に示す。
上記第1〜第5の実施形態では、Cu膜104もしくはCu膜112に作用する圧縮応力が高まる箇所として、ビア109の上部もしくはビア109の下部を想定している。しかしながら、電流の流れ方によっては、下層配線105もしくは上層配線113の幅が変わる部分、下層配線105もしくは上層配線113の折れ曲がる部分および下層配線105もしくは上層配線113の分岐する部分(第1の部分)においても、Cu膜104もしくはCu膜112に作用する圧縮応力が局所的に高まる可能性がある。
本発明のその他の実施形態では、上記第1〜第6の実施形態におけるライナー絶縁膜、層間絶縁膜、Cu膜について順に説明する。
103 バリアメタル膜
104 Cu膜
105 下層配線 (第1の配線)
105a 第1の部分
106 ライナー絶縁膜
108 層間絶縁膜 (第2の層間絶縁膜)
109 ビア
111 バリアメタル膜
112 Cu膜
113 上層配線 (第2の配線)
114 ライナー絶縁膜
116 層間絶縁膜
117 第1のライナー絶縁膜
119 第2のライナー絶縁膜
120 第3のライナー絶縁膜
122 第4のライナー絶縁膜
123 第1のライナー絶縁膜
125 ギャップ
126 第2のライナー絶縁膜
127 エアギャップ
128 第3のライナー絶縁膜
130 ギャップ
131 第4のライナー絶縁膜
132 エアギャップ
140 ビア周辺領域
141 ライナー絶縁膜
142 ライナー絶縁膜
Claims (22)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜に形成された第1の配線と、
前記第1の層間絶縁膜の上及び前記第1の配線の上に形成されたライナー絶縁膜と、
前記ライナー絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜に形成された第2の配線と、
前記ライナー絶縁膜及び前記第2の層間絶縁膜に形成され、前記第1の配線と前記第2の配線とを電気的に接続するビアとを備え、
前記ライナー絶縁膜は、下層の第1のライナー絶縁膜と上層の第2のライナー絶縁膜との積層膜であり、
隣り合う前記第1の配線間のうちの少なくとも一つの配線間には、エアギャップが形成されており、
前記エアギャップは、隣り合う前記第1の配線間に形成されたギャップ内に形成されており、
前記ギャップの底面及び側壁には前記第2のライナー絶縁膜が形成されており、
ビア周辺領域に形成された前記ライナー絶縁膜の膜厚は、前記第1の配線の上及び前記第1の層間絶縁膜の上における前記ビア周辺領域の外側に形成された前記ライナー絶縁膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1のライナー絶縁膜は、前記ビア周辺領域の外側には形成されていないことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1のライナー絶縁膜のヤング率が40GPa以上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。
- 前記第2のライナー絶縁膜の比誘電率が4.5以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記ビア周辺領域は、前記第1の層間絶縁膜の上面において、前記ビア周辺領域の縦の長さおよび横の長さがそれぞれ前記ビアの径の2倍以上10倍以下であり、且つ、前記ビア周辺領域の中心が前記ビアの中心と一致する領域であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記ビア周辺領域に形成された前記ライナー絶縁膜の膜厚は、10nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 隣り合う前記第1の配線の間隔の最小値をdとしたとき、前記ビア周辺領域の外側に形成された前記ライナー絶縁膜のうち、隣り合う前記第1の配線の間隔が2d以上である部分の上に形成された前記ライナー絶縁膜は隣り合う前記第1の配線の間隔が2d未満である部分の上に形成された前記ライナー絶縁膜よりも分厚いことを特徴とする請求項1から6の何れか一つに記載の半導体装置。
- 前記第1の層間絶縁膜の上面のうち前記ビア周辺領域の外側には、前記第1の配線の幅が変化する、前記第1の配線が曲がるまたは前記第1の配線が分岐する第1の部分が存在しており、
前記ビア周辺領域の外側に形成された前記ライナー絶縁膜のうち、前記第1の部分の上に形成された前記ライナー絶縁膜は前記第1の部分以外の部分の上に形成された前記ライナー絶縁膜よりも分厚いことを特徴とする請求項1から7の何れか一つに記載の半導体装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜に形成された第1の配線と、
前記第1の層間絶縁膜の上及び前記第1の配線の上に形成されたライナー絶縁膜と、
前記ライナー絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜に形成された第2の配線と、
前記ライナー絶縁膜及び前記第2の層間絶縁膜に形成され、前記第1の配線と前記第2の配線とを電気的に接続するビアとを備え、
ビア周辺領域に形成された前記ライナー絶縁膜の膜厚は、前記第1の配線の上及び前記第1の層間絶縁膜の上における前記ビア周辺領域の外側に形成された前記ライナー絶縁膜の膜厚よりも厚く、
前記第1の層間絶縁膜の上面のうち前記ビア周辺領域の外側には、前記第1の配線の幅が変化する、前記第1の配線が曲がるまたは前記第1の配線が分岐する第1の部分が存在しており、
前記ビア周辺領域の外側に形成された前記ライナー絶縁膜のうち、前記第1の部分の上に形成された前記ライナー絶縁膜は前記第1の部分以外の部分の上に形成された前記ライナー絶縁膜よりも分厚いことを特徴とする半導体装置。 - 前記ライナー絶縁膜は、下層の第1のライナー絶縁膜と上層の第2のライナー絶縁膜との積層膜であることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 前記第1のライナー絶縁膜は、前記ビア周辺領域の外側には形成されていないことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
- 半導体基板の上に第1の層間絶縁膜を形成する工程(a)と、
前記工程(a)の後に、前記第1の層間絶縁膜に第1の配線を形成する工程(b)と、
前記工程(b)の後に、前記第1の層間絶縁膜の上及び前記第1の配線の上にライナー絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記ライナー絶縁膜の上に第2の層間絶縁膜を形成する工程(d)と、
前記工程(d)の後に、前記ライナー絶縁膜及び前記第2の層間絶縁膜に前記第1の配線と電気的に接続されるビアを形成し、前記第2の層間絶縁膜に前記ビアと電気的に接続される第2の配線を形成する工程(e)とを備え、
前記工程(c)では、前記ライナー絶縁膜として第1のライナー絶縁膜と第2のライナー絶縁膜との積層膜を形成し、
前記工程(c)は、前記ビア周辺領域に前記第1のライナー絶縁膜を形成する工程(c1)と、前記工程(c1)の後で、前記ビア周辺領域と前記ビア周辺領域の外側とに前記第2のライナー絶縁膜を形成する工程(c2)とを有し、
前記工程(c)では、前記工程(e)において形成される前記ビアの周辺であるビア周辺領域の方が前記第1の配線の上及び前記第1の層間絶縁膜の上における前記ビア周辺領域の外側よりも分厚くなるように前記ライナー絶縁膜を形成し、
前記工程(c1)と前記工程(c2)との間に、隣り合う前記第1の配線間に存在する前記第1の層間絶縁膜を除去してギャップを形成する工程(f)をさらに備え、
前記工程(d)では、前記ギャップを前記第2の層間絶縁膜で被覆したエアギャップが形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記工程(c2)では、前記ギャップの底面および側壁にも前記第2のライナー絶縁膜を形成することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のライナー絶縁膜としてヤング率が40GPa以上である絶縁膜を用いることを特徴とする請求項12又は13に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2のライナー絶縁膜として比誘電率が4.5以下である絶縁膜を用いることを特徴とする請求項12から14の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(c1)では、前記第1の配線および前記第1の層間絶縁膜の上に前記第1のライナー絶縁膜を形成した後、前記第1の配線又は前記第1の層間絶縁膜の一部分が露出するように前記ビア周辺領域の外側に形成された前記第1のライナー絶縁膜の一部を除去することを特徴とする請求項12から15のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(c1)では、前記ビア周辺領域を、前記第1の層間絶縁膜の上面において、前記ビア周辺領域の縦の長さおよび横の長さをそれぞれビア径の2倍以上10倍以下とし、前記ビア周辺領域の中心をビアの中心と一致するように設定することを特徴とする請求項12から16の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(c)では、前記ビア周辺領域に形成する前記ライナー絶縁膜の膜厚を、10nm以上100nm以下とすることを特徴とする請求項12から17の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(c)では、隣り合う前記第1の配線の間隔の最小値をdとしたとき、前記ビア周辺領域の外側に形成された前記ライナー絶縁膜のうち、隣り合う前記第1の配線の間隔が2d以上である部分の上には隣り合う前記第1の配線の間隔が2d未満である部分の上よりも分厚く前記ライナー絶縁膜を形成することを特徴とする請求項12から18の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(b)では、前記第1の層間絶縁膜の上面のうち前記ビア周辺領域の外側には、前記第1の配線の幅が変化する、前記第1の配線が曲がるまたは前記第1の配線が分岐する第1の部分が存在するように、前記第1の配線を形成し、
前記工程(c)では、前記ビア周辺領域の外側のうち前記第1の部分の上には、前記ビア周辺領域の外側のうち前記第1の部分以外の部分の上よりも分厚く前記ライナー絶縁膜を形成することを特徴とする請求項12から19の何れか一つに記載の半導体装置の製造方法。 - 半導体基板の上に第1の層間絶縁膜を形成する工程(a)と、
前記工程(a)の後に、前記第1の層間絶縁膜に第1の配線を形成する工程(b)と、
前記工程(b)の後に、前記第1の層間絶縁膜の上及び前記第1の配線の上にライナー絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記ライナー絶縁膜の上に第2の層間絶縁膜を形成する工程(d)と、
前記工程(d)の後に、前記ライナー絶縁膜及び前記第2の層間絶縁膜に前記第1の配線と電気的に接続されるビアを形成し、前記第2の層間絶縁膜に前記ビアと電気的に接続される第2の配線を形成する工程(e)とを備え、
前記工程(b)では、前記第1の層間絶縁膜の上面のうち前記ビア周辺領域の外側には、前記第1の配線の幅が変化する、前記第1の配線が曲がるまたは前記第1の配線が分岐する第1の部分が存在するように、前記第1の配線を形成し、
前記工程(c)では、前記工程(e)において形成される前記ビアの周辺であるビア周辺領域の方が前記第1の配線の上及び前記第1の層間絶縁膜の上における前記ビア周辺領域の外側よりも分厚くなるように前記ライナー絶縁膜を形成し、また、前記ビア周辺領域の外側のうち前記第1の部分の上には、前記ビア周辺領域の外側のうち前記第1の部分以外の部分の上よりも分厚く前記ライナー絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法。 - 前記工程(c)では、前記ライナー絶縁膜として第1のライナー絶縁膜と第2のライナー絶縁膜との積層膜を形成し、
前記工程(c)は、
前記ビア周辺領域に前記第1のライナー絶縁膜を形成する工程(c1)と、
前記工程(c1)の後で、前記ビア周辺領域と前記ビア周辺領域の外側とに前記第2のライナー絶縁膜を形成する工程(c2)とを有することを特徴とする請求項21に記載の半導体装置の製造方法。
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