以下、図面を参照して本発明の実施の形� ��について詳細に説明する。

 本発明の第1の実施の形態に係る半導体装 置は、半導体領域を含む基板上に第1の配線� �とその上の第2の配線層とを少なくとも有し� ��いる。例えば、図1に示すように、シリコン 基板100上に形成された7層の配線層101~107と、� ��れらの間、最下層の配線層101と基板100との� ��、及び最上層の配線層107と放熱装置108との� ��に配された層間絶縁膜109~116を有するもので あってよい。図1では、便宜上、配線層と層� �絶縁膜との境界は図示を省略している。ま� �、各配線層の左側に示した数値、各層間絶� �膜の右側に示した数値は、それぞれ層厚、� �厚の例を示す。配線層101の下側、配線層106� �上側に示した数値は、それぞれ配線幅、配� �ピッチの例を示す。

 ここで、半導体装置とは、電気回路や電� ��素子を一つの基板上に高密度に構成したも� ��、すなわち、トランジスタ、抵抗体、コン� ��ンサ等を使って集積化したものを意味し、� ��体的には、ICやLSIである。

 基板としては、半導体素子を形成したシ� ��コン基板のほかに、例えば、金属基板、一� ��の半導体基板、ガラスやプラスティックの� ��うな絶縁体基板、あるいは絶縁体膜で被覆� ��れた後さらに半導体膜で被覆された金属基� ��、半導体膜で被覆された絶縁体基板等が利� ��できる。

 この基板は、導電性基板としての利用を可� ��にするため、少なくとも表面及び/又は裏面 を構成する材料(SiやGaAsなどの半導体材料)の� ��気伝導度を10 ^-8 (ω・cm) ^-1 以上とすることが望ましい。また、この基板 の表面及び/又は裏面は、その上に各種素子� �どを作製することから、可能なかぎり平坦� �面であることが好ましい。金属としては、Ta ,Ti,W,Co,Mo,Hf,Ni,Zr,Cr,V,Pd,Au,Pt,Mn,Nb,Cu,Ag,又はAlが� �ましい。半導体としては、Si,Ge,GaAs,又はC(ダ� ��アモンド)が好ましい。半導体膜で被覆され た絶縁体としては、SiO ₂ (酸化シリコン),SiN(窒化シリコン),AlN(窒化ア� �ミニウム),Al ₂ O ₃ (酸化アルミニウム),又はSiO _x N _y からなる混合膜が好ましい。絶縁体膜で被覆 された後さらに半導体膜で被覆された金属と しては、Ta,Ti,W,Co,Mo,Hf,Ni,Zr,Cr,V,Pd,Au,Pt,Mn,Nb,Cu,Ag ,又はAlが好ましい。

 半導体領域を含む基板上に少なくとも2つ の配線層を有する半導体装置の場合、第1の� �線層及び第2の配線層の配線としては、金属� ��線やポリシリコン、ポリサイドが利用でき� ��。この配線に用いられる金属薄膜は、半導� ��表面との間に酸化物のような中間層をつく� ��ないように、高真空での金属の蒸着やスパ� ��タ、あるいは金属の塩化物などを用いた高� ��中でのCVD法により作製される。

 金属薄膜の材料としては、例えば、次に� ��すものが挙げられる。

 Si半導体装置では、Al,Cr,W,Mo,Cu,Ag,Au,Ti,WSi ₂ ,MoSi ₂ ,TiSi ₂ 、又は、これらを主成分とする合金(例えば� �Cu-Mg合金、Cu-Nb合金、Cu-Al合金)、若しくは、� ��れらの材料が層状に積層された配線(例えば 、Al-Ti-Al、TiN-Al合金-TiN、W-Al合金-W)などがあ� �。また、GaAs半導体装置では、Au,Al,Ni,Pt、又� �、これらを主成分とする合金がある。

 特に、以下の理由から、Si半導体装置で� �、Al,Cu,Ag,Au、又は、これらを主成分とする合 金が重用されている。

 (A)電極材料とオーミック接触になること、
 (B)絶縁膜(SiO ₂ ,Si ₃ N ₄ ,Al ₂ O ₃ など)との密着性が良いこと、
 (C)導電率が大きいこと、
 (D)加工が容易で加工精度が高いこと、及び
 (E)化学的・物理的、さらに電気的にも安定� ��あること。

 また、本実施の形態に係る半導体装置は� ��第1の配線層と第2の配線層との間を電気的� �絶縁する第1の絶縁物(層間絶縁膜)を有して� �る。もちろん、基板と第1の配線層との間や� ��線層と放熱装置108との間、3以上の配線層を 有する場合にそれらの配線層間にも、層間絶 縁膜は設けられる。

 第1の絶縁物は、図2に示すように、下地� �201とその上に形成されたCF(フロロカーボン)� ��202とを有している。

 下地層は、例えば、SiCN膜、Si ₃ N ₄ 膜、SiCO膜、SiO ₂ 膜、CH膜、またはそれらの組み合わせからな� ��多層膜である。これらの比誘電率は4以下で ある。特にSiCO膜の比誘電率は3以下、CH膜の� �誘電率は2.5以下である。

 CF膜202は、例えば、反応ガスとしてフル� �ロカーボンガスをXe又はKrプラズマによって� ��解するCVDにより形成される。あるいは、CF� �202はフルオロカーボンガスをArプラズマによ って分解するCVDにより形成される。あるいは 、これらのCVDを順次行うことにより2層構造� �CF膜(図2の202a及び202b)とすることもできる。� ��お、Xe又はKrプラズマで形成したCF膜よりもA rプラズマにより形成したCF膜のほうが、その 比誘電率は低い。いずれにしても、その比誘 電率は2以下、1.7程度まで低くすることも可� �である。

 フルオロカーボンガスとしては、一般式C _n F _2n (但し、nは2~8の整数)もしくは、C _n F _2n-2 (nは2~8の整数)で示される不飽和脂肪族フッ化 物を用いることができる。特に、オクタフル オロペンチン、オクタフルオロベンタジエン 、オクタフルオロシクロペンテン、オクタフ ルオロメチルブタジエン、オクタフルオロメ チルブチン、フルオロシクロプロペンもしく はフルオロシクロプロパンを含むフッ化炭素 、フルオロシクロブテンもしくはフルオロシ クロブタンを含むフッ化炭素等の一般式C ₅ F ₈ で示されるフルオロカーボンが好ましい。

 例えば、CF膜を2層構造とする場合、Xe又� �Krプラズマにより、第1のCF膜を5~10nm形成し、 続いて、Arプラズマにより第2のCF膜を280~500nm� ��成する。

 また、CF膜の形成後、好ましくは、さらに� �ニールを行った後、Arガスによるプラズマに N ₂ ガスを導入して窒素ラジカルを生成し(N ₂ ガスのみによりプラズマを発生させ窒素ラジ カルを生成しても良い)、CF膜の表面(厚み1~5nm 、好ましくは2~3nm)を窒化することにより、こ のCF膜の表面からの脱ガスを低減するように� ��てもよい。これによって、膜剥がれをなく� ��、比誘電率を1.7~2.2の範囲で制御することが できる。

 なお、アニールを行う場合は、不活性ガ� ��雰囲気下で、好ましくは1Torr(約133Pa)程度の� ��圧下で行う。

 CF膜の代わりに、またはCF膜に積層して、CH� ��を用いても良い。CH膜は上記のように2.5以� �の低比誘電率とすることができる。CH膜はC ₂ H ₂ やC ₂ H ₄ のようなC _x H _y ガスをAr等とともに導入しプラズマ化させてC VDで成膜される。

 さらに、層間絶縁膜は、形成したCF膜およ� �/またはCH膜の上面にSi ₃ N ₄ 膜、SiCN膜、SiCO膜、CH膜、またはそれらの組� �合わせからなる多層膜を形成したものであ� �てもよい。

 以上のように構成された層間絶縁膜の比� ��電率は、平均して(全体として)2.5以下とな� �ように形成される。

 なお、CF膜の熱伝導率は、0.13~0.21(W/mK)であ� �、SiO ₂ の10.7~6.2(W/mK)よりも2桁小さい。この熱伝導の 悪さを、後述の熱ビアにより解消する。

 層間絶縁膜には、その上下に位置する配� ��層の配線間(例えば、第1の配線層と第2の配� ��層との配線間)を電気的、熱的に接続するた めに貫通孔(図示せず)が形成されている。こ� ��貫通孔はビアホールとも呼ばれ、一般的に� ��フォトエッチングと呼ばれる手法で作製で� ��る。孔径は、上下に位置する配線の幅に基� ��いて決定される。この貫通孔は、電気的に� ��線間を接続するためのスルーホール、また� ��的に配線間を接続するためのダミーホール� ��して利用される。

 スルーホール(導電接続体)は、層間絶縁� �に形成された貫通孔の中に導電物質を充填� �たものである。スルーホールは、第1の絶縁� ��によって電気的に分離された上下に位置す� ��配線の間の導通をとることが役目である。� ��たがって、スルーホールは回路形成上必要� ��位置に限って設けられるもので、任意の位� ��に設けることはできない。スルーホールは� ��知の方法により形成することができる。な� ��、スルーホールは、電気信号のみならず、� ��も伝達することができる。

 ダミーホール(絶縁性熱伝導体)は、層間� �縁膜に形成された貫通孔の中に第1の絶縁物� ��りも大きな熱伝導率を有する第2の絶縁物を 充填したものである。ダミーホールは、第1� �絶縁物によって電気的に分離された上下に� �置する配線間において、一方の配線から他� �の配線へ、第1の絶縁物よりも早く熱を伝達� ��ることができる。従って、ダミーホールを� ��ビアとも呼称する。熱ビアを設けることに� ��り、ある配線の温度が上昇した場合に、熱� ��迅速に他の配線へ伝達し、放熱を促して、� ��配線の異常な温度上昇を抑えることができ� ��。ダミーホールは絶縁物であるため、電気� ��号を伝達しない。したがって、ダミーホー� ��は、任意の場所に設けることが可能である� ��

 第2の絶縁物としては、SiCNが用いられる� �SiCNは、熱伝導率が約100W/mKと高く、層間絶縁 膜としてCF膜を用いても、十分な熱伝導を実� ��できる。また、SiCNの比誘電率は5以下(4.0程� ��)であり、層間絶縁膜の平均の比誘電率を大 きく上昇させることもない。

 SiCNは、例えば、SiH ₄ /C ₂ H ₄ /N ₂ を用いたプラズマ処理によって形成すること ができる。なお、シランガス(SiH ₄ )/エチレン(C ₂ H ₄ )の代わりに、有機シランを用いることもで� �る。

 本実施の形態の半導体装置の最上層には� ��放熱装置108が設けられてもよい。放熱装置� ��、例えば、熱伝導率の大きな材料(例えば、 Ag,Cu,Au,Al,Ta,Mo)で作製された導電性膜やフィン 構造などである。

 以上の構成によれば、実質的な層間絶縁� ��の比誘電率を小さくして高速動作を保証し� ��かつ、熱伝導率の高いSiCNで配線間の要所要 所にダミーホールを導入することにより、配 線の温度上昇を抑えて配線の信頼性を向上さ せることが可能となる。SiCNの代わりに、誘� �率が5以下で、熱伝導率がCF膜やCH膜よりも高 い絶縁物を用いることができる。

 次に、本発明の第2の実施の形態について 説明する。

 図3に、本発明の第2の実施の形態に係る� �導体装置の部分構成を示す。図示の半導体� �置は、配線層間の層間絶縁膜が熱ビア(第1の 実施の形態におけるダミーホールに相当)を� �いて除去され、気体により層間絶縁が成さ� �ている多層配線構造の集積回路である。

 詳述すると、この半導体装置は、p型基板301 、CMOS構成用nウェル302、nMOSのソース領域303、 nMOSのドレイン領域304、nMOSのゲート絶縁膜305� ��nMOSのゲート電極306、nMOSのソース電極307、nM OSのドレイン電極308を含む。半導体装置はま� ��、pMOSのドレイン領域309、pMOSのソース領域31 0、pMOSのゲート絶縁膜312、pMOSのゲート電極311 、pMOSのソース電極313、pMOSのドレイン電極314� ��含む。半導体装置はさらに、素子分離領域( SiO ₂ 等)315、その上面側に形成された絶縁膜(SiO ₂ 等)316、p型基板301の裏面側に形成された裏面� ��極317、1層以上の金属配線318、導電ビア(第1� ��実施の形態のスルーホールに相当)319、及び 熱ビア320を含む。

 図3において、熱ビア320は、図の上下方向 に隣接する金属配線318間を接続するように示 されているが、構造強度を高めるために、図 の左右方向に隣接する金属配線318間をも接続 するようにしてもよい。

 図3の半導体装置は、金属配線としてCuを� ��いる。Cu配線は、その抵抗率を低減するた� �、ジャイアントグレイン構造とする。この� �属配線と、気体を用いた層間絶縁により、� �配線における信号遅延を1/8程度にすること� �できる。代表的な層間絶縁膜であるBPSG(Boron- doped Phospho-Silicate Glass)の比誘電率が4.0程度� �あるのに対して、気体(望ましくは、熱伝導� ��の大きいHe)では、その比誘電率が1.0と低い� ��らである。

 金属配線318及び導電ビア319は、その表面� ��図示しない窒化物(窒化チタン、窒化タンタ ル、あるいは窒化シリコン等)により覆われ� �いる。

 導電ビア319の挿入個所は、回路設計によ� ��決定される一方、熱ビア320は、任意位置に� ��入することが可能であり、構造的丈夫さと� ��線温度の上昇の程度等に基づいて挿入個所� ��決定される。

 次に、図3の半導体装置の製造方法につい て説明する。

 この半導体装置は、層間絶縁膜としてBPSG を有する半導体装置(半完成品)として製造さ� ��た後、BPSGを除去することにより得ることが できる。したがって、半完成品の製造は、従 来の半導体装置と同様の方法により行われる 。熱ビアと導電ビアの形成は、以下のように 行われる。

 まず、熱ビアの形成方法について説明す� ��。

 図4Aに示すように、Cu(合金)配線401上に、Cu� �線401の表面を安定化させる導電性窒化膜(TiN� ��はTaN等)402、薄いSi ₃ N ₄ 403、BPSG404、Si ₃ N ₄ 405、及びビアホール形成用パターンとしての フォトレジスト406が順次形成されているもの とする。なお、Si ₃ N ₄ 403、BPSG404及びSi ₃ N ₄ 405が、層間絶縁膜に相当する。

 次に、バランスド・エレクトロン・ドリフ� ��(BED)マグネトロンプラズマRIE装置で、C ₄ F ₈ /CO/O ₂ /Arガスを用い、Si ₃ N ₄ 403、BPSG404及びSi ₃ N ₄ 405をエッチングすると、図4Bに示す状態とな� ��。エッチングの最終工程(Si ₃ N ₄ 405の残りをエッチする工程)を、C ₄ F ₈ /CO/O ₂ /Xe(又はKr)ガスを用いて行うことにより、導� �性窒化膜402に与える表面損傷を十分小さく� �ることができる。

 次に、SiH ₄ /C ₂ H ₄ /N ₂ を用いたプラズマ処理により、図4Cに示すよ� ��に、SiCN407,408を堆積させる。なお、シラン� �ス(SiH ₄ )/エチレン(C ₂ H ₄ )の代わりに、有機シランを用いてもよい。

 続いて、IPA(30%程度)/KF(10%程度)/H ₂ O溶液を用いて、0.5~3MHz程度のメガソニック超 音波を照射する処理を行うと、図4Dに示すよ� ��に、フォトレジスト406がSi ₃ N ₄ 405より剥離する。その結果、フォトレジスト 406上に堆積したSiCN408は、リフトオフにより� �去される。なお、必要なら、CMP(Chemical Mechan ical Polishing)等の平坦化処理を行う。

 以上のようにして、BPSG404中に熱ビア(SiCN) 407を形成することができる。

 配線層間が空気の場合、空気の熱伝導率は� ��0.0241(W/mK)であり、SiO ₂ の10.7~6.2(W/mK)より3桁小さい。しかしながら、 SiCNの熱伝導率は約100(W/mK)であり、配線層間� �熱伝導を十分に行うことができる。しかも� �SiCNは、比誘電率が4程度なので、層間絶縁部 (空間)の平均の比誘電率を大きく増加させる� ��ともない。

 次に、導電ビア及び配線を形成する工程� ��ついて説明する。導電ビア及び配線の形成� ��は、ダマシンあるいはデュアルダマシン工� ��が用いられる。配線には前述の通り、Cuが� �いられる。導電ビアには、Al又はAl合金を用� ��ることもできるが、ここでは、配線と同じC uを用いる場合について説明する。

 2段シャワープレートマイクロ波プラズマ装 置を用い、図4Bと同様に、Si ₃ N ₄ 403、BPSG404及びSi ₃ N ₄ 405にビアホールを形成する。

 次に、上記装置にて、基板電極の高周波電� ��をゼロにするとともに、導入するガスをHe/O ₂ 、Kr/O ₂ 、またはKr/H ₂ Oなどに切り換え、RLSA(Radial Line Slot Antenna)� �通してマイクロ波を印加する。これにより� �O ^* やOH ^* を大量に発生させて、表面及びビアホール壁 面に堆積した薄いフロロカーボン膜を除去す る。

 次に、Cuの拡散を抑制するための窒化膜をBP SG404のビアホール壁面に形成するため、NH ₃ /Ar(又はKr)、あるいはN ₂ /H ₂ /Ar(またはKr)等のガスを流し、マイクロ波に� �り高密度プラズマを励起する。これにより� �大量のNH ^* が発生し、図5Aに示すように、BPSG404のビアホ ール壁面の表面が5~20nm程度、Si ₃ N ₄ 409に変わる。

 この状態で、Ar,Kr,Xe等の希ガスを1段目のシ� ��ワープレートから供給し、Cuの供給源とな� �Cu(hgac)(tmvs)、Cu(hgac)(teovs)等をArキャリアガス� ��ともに2段目のシャワープレートから供給す る。マイクロ波によるプラズマ励起は、1段� �のシャワープレート直下数mmの距離のところ で行われ、2段目のシャワープレートは拡散� �ラズマ領域に設置されているため、原料ガ� �は過度に分解されることはない。Ar ⁺ ,Kr ⁺ ,Xe ⁺ やAr ^* ,Kr ^* ,Xe ^* との衝突により、励起されたりイオン化され たりするものがほとんどであり、表面吸着後 イオン照射によりCu膜が堆積する。CuのCMPや� �リコンブロック表面に数μmのダイアモンド� �膜形成を行った後、研磨用の溝パターンを� �けたダイアモンド研削面による研削を行っ� �後、臭酸(COOH) ₂ による洗浄を行うと、図5Bに示すようなCu410� �埋め込まれた導電ビアが形成される。

 Cu410の周囲は、Si ₃ N ₄ 409により覆われており、CuのBPSG404への拡散は 抑制される。

 なお、Cu410の表面に、TiNやTaNを熱CVDによ� �5~10nm程度選択堆積させておくとその酸化を� �止することができる。

 以上のようにして、層間絶縁膜としてBPSG を有し、BPSGの所定個所に熱ビア及び導電ビ� �が形成された半完成品が得られる。

 次に、少なくとも水分量を1ppmに低減したN ₂ やArなどのガス中に無水のHFガスを1~7%添加し� ��ガスを用いて、層間絶縁膜としてのBPSGのみ を選択的に取り除く。

 HF分子は、水に溶解して、SiO ₂ をエッチングするHF ₂ ^- イオンを発生させる。それゆえ、BPSGの除去� �行う際には、ウェーハ表面に吸着している� �分を少なくとも単分子層以下にまで除去し� �おく。例えば、水分量1ppm以下のN ₂ ガス雰囲気下でウェーハをベーキング(200℃� �上、望ましくは300℃以上)する。その後は、B PSGとHFとの反応により発生する水(H ₂ O)がウェーハ表面に吸着しないように、ウェ� ��ハ温度を120~140℃に維持する。

 HFガスの濃度は、低すぎるとエッチング速� �が遅くなりすぎ、高すぎるとSiO ₂ 等、BPSG以外の部分をエッチングし始める。

 配線はSi ₃ N ₄ ,TaN,TiNなどで覆われており、これら窒化物はH Fガスと反応しないので、配線がエッチング� �れることはない。

 以上のようにして、図3の半導体装置が製 造できる。