JP2004119950A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】層間絶縁膜に有機系絶縁膜を用い、有機系絶縁膜や下層配線に損傷を与えることなく、溝配線と溝配線に接続するプラグとを形成する配線構造の実現を図るとともに、溝配線形成時に用いるレジスト膜の再生処理を可能にする。
【解決手段】有機系絶縁膜を含む層間絶縁膜25に接続孔27を形成する工程と、層間絶縁膜25上と接続孔27内面とを被覆する無機膜28を形成する工程と、無機膜28上に接続孔27内を埋め込む有機膜29を形成する工程と、接続孔27底部に有機膜29を残すように接続孔27内の有機膜29を除去する工程と、層間絶縁膜25に接続孔27に接続する配線溝を形成する工程と、接続孔27内部の有機膜29を除去する工程と、無機膜28を除去する工程と、配線溝と接続孔27内部とに導電性材料を埋め込み、溝配線とこの溝配線に連続したプラグとを形成する工程とを備えている。
【選択図】 図1
【解決手段】有機系絶縁膜を含む層間絶縁膜25に接続孔27を形成する工程と、層間絶縁膜25上と接続孔27内面とを被覆する無機膜28を形成する工程と、無機膜28上に接続孔27内を埋め込む有機膜29を形成する工程と、接続孔27底部に有機膜29を残すように接続孔27内の有機膜29を除去する工程と、層間絶縁膜25に接続孔27に接続する配線溝を形成する工程と、接続孔27内部の有機膜29を除去する工程と、無機膜28を除去する工程と、配線溝と接続孔27内部とに導電性材料を埋め込み、溝配線とこの溝配線に連続したプラグとを形成する工程とを備えている。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳しくは、微細なパターン加工により溝配線および接続孔を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体回路の高速化、低消費電力化の要求から、配線材料に銅が用いられるようになっている。銅をエッチングすることが困難なことから、層間絶縁膜にヴィアプラグと配線を形成するための孔と溝とを形成して、この孔と溝とに同時に銅を埋め込むデュアルダマシン法が多く用いられている。デュアルダマシン法は、先にヴィアプラグを形成する先ヴイアタイプと、先に配線溝を形成する先溝タイプに大別される。パターニングでの寸法制御および重ね合わせ制御の容易さから先ヴィアタイプの方が広く用いられている。
【0003】
先ヴィアタイプ・デュアルダマシン構造の形成方法の従来例を、図8の製造工程断面図によって説明する。
【0004】
図8の(1)に示すように、基板111上にエッチングストッパ膜121、層間絶縁膜122、エッチングストッパ膜123、層間絶縁膜124、ハードマスク膜125を順に積層して形成する。
【0005】
次に、図8の(2)に示すように、光リソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、ハードマスク膜125から最下層のエッチングストッパ膜121上まで接続孔(ヴィアホール)126を形成する。
【0006】
次に、図8の(3)に示すように、ハードマスク膜125表面側にエッチングストッパ用の樹脂を塗布して、ハードマスク膜125表面に樹脂膜127を形成するとともに接続孔126の下部をこの樹脂膜127で埋め込む。
【0007】
次に、図8の(4)に示すように、樹脂膜127上にレジスト膜128を形成した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト膜128に溝状の配線パターン129を形成する。
【0008】
次に、図8の(5)に示すように、上記レジスト膜128をマスクに用いて、溝状の配線パターン129底部に露出されている樹脂膜127および接続孔126側壁に形成されている樹脂膜127、ハードマスク膜125、層間絶縁膜124をドライエッチングし、配線溝130を形成する。このエッチングはエッチングストッパ膜123上で停止させる。また接続孔126底部に埋め込まれた樹脂膜127は、ハードマスク膜125、層間絶縁膜124のエッチングにおけるストッパの役目を果たし、エッチングストッパ膜121がエッチングされてその直下の基板111が損傷するのを防ぐ。また、エッチングストッパ膜121は、通常、薄く、例えば20nm〜100nmの厚さに形成されている。そのため、エッチングストッパ膜121は、ハードマスク膜125、層間絶縁膜124のエッチングストッパとしては不十分であり、樹脂膜127によるエッチングストッパが必要となっている。
【0009】
次に、図8の(6)に示すように、レジスト膜128および樹脂膜127を酸素アッシングにより除去する。
【0010】
次に、図8の(7)に示すように、全面ドライエッチングして、配線溝130底部に露出しているエッチングストッパ膜123および接続孔126底部に露出しているエッチングストッパ膜121を除去する。このとき、表面のハードマスク膜125の上部がエッチングされる。
【0011】
次に、図8の(8)に示すように、接続孔126および配線溝130の内壁に、メタルバリア層131、Cuメッキシード層(図示せず)を薄く形成し、メッキにより接続孔126内に銅を埋め込む。その後、CMP(Chemical and Mechanical polishing)法を用いて、表面の余分な銅を除去する。このとき、ハードマスク膜125〔図8の(7)参照〕が、このCMP工程における研磨ストッパとなる。続いて銅の場合とは別条件のCMP法で、上記ハードマスク膜125〔図8の(7)参照〕を除去する。以上により、配線溝130内に銅からなる溝配線132が形成されるとともに接続孔126の内部に銅からなるプラグ133が形成され、いわゆるデュアルダマシン構造が完成する。
【0012】
ところで、配線遅延の低減のため、層間絶縁膜には有機系の低比誘電率膜が提案されている。しかし、層間絶縁膜に有機系膜を用いると、接続孔内に埋め込む樹脂膜およびレジスト膜も有機系膜であるため、リソグラフィ工程での線幅エラーまたは位置合わせエラーで埋め込み樹脂膜、レジスト膜を剥離する場合、有機系層間絶縁膜が削れてしまうという問題がある。
【0013】
この対策としては、特開平11−154703号公報に開示されているように、層間絶縁膜にホールを形成後、スパッタ法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法により無機膜を形成し、有機系層間絶縁膜を形成する方法が提案されている。
【0014】
この方法は、図9の(1)に示すように、配線212が形成された絶縁膜213上に、この配線212を覆うエッチングストッパ膜221、層間絶縁膜222、中間のハードマスク膜223、層間絶縁膜224、ハードマスク膜225を順に積層して形成し、上記ハードマスク膜225からエッチングストッパ膜221上の層間絶縁膜222までを貫通するホール226を形成した後、スパッタ法でハードマスク膜225表面およびホール226内面に無機酸化膜227を形成する。次いで、無機酸化膜227上に有機系の反射防止膜228を塗布により形成し、さらにレジスト膜229を形成した後、このレジスト膜229に溝配線パターン230を形成している。
【0015】
特開平11−154703号公報に開示された技術では、スパッタ法により無機酸化膜227を厚く形成して、ホール226の開口部でオーバハングさせ、有機系の反射防止膜228がホール226内部に入り込まないようにしている。
【0016】
さらに、図9の(2)に示すように、レジスト膜229をマスクに、有機系反射防止膜228および無機酸化膜227を異方的にエッチングする。ホール226内にある無機酸化膜227は、中間のハードマスク膜223より低くなるまでエッチングする。このとき、ホール226内壁についた無機酸化膜227をエッチングするときに、ホール226底部についた無機酸化膜227はエッチングされる。
【0017】
次に、図9の(3)に示すように、レジスト膜229をマスクに、ハードマスク膜225をドライエッチングする。このとき、下のエッチングストッパ膜221がエッチングされてしまい、下の銅の配線212が損傷するという問題が生じる。ハードマスク膜225は、最終的にエッチングストッパ膜221をエッチングするときに、層間絶縁膜222,224が損傷しないための被覆膜の役割と、銅を埋めこんだ後のCMP処理でのストッパ膜の役割をする。よって、ハードマスク膜225は、エッチングストッパ膜221より厚く形成しなければならず、ハードマスク膜225をエッチングするときは、エッチングストッパ膜221をカバーするものがないと、エッチングストッパ膜221が貫通してしまう。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、先ヴィアタイプのデュアルダマシン配線構造の形成において、層間絶縁膜に有機膜を使用した場合、溝配線のリソグラフィ工程でレジストを剥離できないという問題がある。また、無機酸化膜を形成して、ホール開口部を小さくしても、後の工程この無機酸化膜をエッチングする工程で、銅配線をカバーするエッチングストッパ膜がエッチングされ、銅配線が損傷してしまうという問題がある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置の製造方法である。
【0020】
本発明の半導体装置の製造方法は、有機系絶縁膜を含む層間絶縁膜に接続孔を形成する工程と、前記層間絶縁膜上および前記接続孔内面を被覆する無機膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に前記無機膜を介して前記接続孔の少なくとも底部を埋め込む有機膜を形成する工程と、前記接続孔底部に前記有機膜を残すように前記接続孔内の前記有機膜を除去する工程と、前記層間絶縁膜に前記接続孔に接続する配線溝を形成する工程と、前記接続孔内部の有機膜を除去する工程と、前記無機膜を除去する工程と、前記配線溝および前記接続孔内部に導電性材料を埋め込み溝配線とこの溝配線に連続したプラグを形成する工程とを備えている。
【0021】
上記半導体装置の製造方法では、接続孔を形成した後、接続孔内に有機膜を埋め込む前に無機膜を層間絶縁膜表面および接続孔の内面を被覆するように形成することから、その後の工程で、有機系絶縁膜を含む層間絶縁膜を損傷すること無く配線溝を形成する際に通常にエッチングマスクとして用いられるレジストマスクや、接続孔内に埋め込んだ有機膜を従来の方法で除去することが可能になる。これにより、リソグラフィ工程でエラーが発生してレジスト膜を再生処理する必要が生じた場合でも、層間絶縁膜を損傷することなくレジスト膜の再生処理が可能になる。また有機膜を除去する際に、接続孔内面を被覆する無機膜によって接続孔底部に形成されている配線層が保護されることから、酸素プラズマを用いて有機膜を除去しても接続孔底部における配線層を酸化することがない。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態を、図1の概略構成断面図によって説明する。
【0023】
図1に示すように、絶縁膜11が形成され、この絶縁膜11には表面が表出するように配線12が形成されている。上記絶縁膜11上には上記配線12を覆うように、エッチングストッパ層21、有機系絶縁膜22、エッチングストッパ層23、有機系絶縁膜24を下層より順に形成して層間絶縁膜25を構成する。さらに層間絶縁膜25上には、ハードマスク膜26を形成する。
【0024】
通常のレジストを用いたリソグラフィ技術によって、接続孔を形成するためのレジストマスク(図示せず)を形成した後、そのレジストマスクを用いたエッチングによって、ハードマスク膜26をエッチングする。その後レジストマスクを除去する。ここでレジストマスクを除去しているが、層間絶縁膜25の接続孔が形成される部分以外はハードマスク26によって層間絶縁膜25は保護されているため、通常のレジスト除去技術を用いてレジストマスクを除去することができる。次いで上記ハードマスク膜26をエッチングマスクに用いて有機系絶縁膜24からエッチングストッパ層21上の有機系絶縁膜22までを貫通する接続孔27を形成する。
【0025】
次いで、上記層間絶縁膜25表面および上記接続孔27の内面を被覆する無機膜28を形成する。この無機膜28は、従来の酸素アッシング技術や一般的に使用されているレジスト剥離液により除去されないものなら、特に材料、成膜方法は限定されない。例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成した酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜、スパッタリング法により形成した窒化チタン膜、窒化タンタル膜、タンタル膜などが挙げられる。段差被覆性は、よりコンフォーマルなものが望ましい。またこの無機膜28の厚さの上限は、接続孔27の開口部でオーバーハンギングさせないために、接続孔27側壁部での孔の直径の20%以下とし、下限はレジスト剥離(除去)工程で層間絶縁膜25に損傷を与えないようにする膜厚として5nm以上とする。好ましくは、上記無機膜28の厚さは8nm以上15nm以下とする。
【0026】
次いで、上記無機膜28表面を被覆するとともに接続孔27底部を埋め込むように有機膜29を形成する。次いで有機膜29上にレジスト膜30を形成した後、通常のリソグラフィ技術によって配線溝を形成するための開口部31を形成する。その後、上記レジスト膜30をエッチングマスクに用いて、有機膜29、無機膜28、層間絶縁膜25をエッチングして、配線溝(図示せず)を形成する。
【0027】
上記配線溝を形成するエッチングでは、まず、有機膜29がエッチングされる。このとき、レジスト膜30の上部もエッチングされるため、このレジスト膜30は有機膜29のエッチングを行っても十分な厚さが残るように形成しておく。次に、配線溝が形成される部分の無機膜28がエッチングされる。このとき、接続孔27の底部には有機膜29が残っているため、接続孔27の底部はこのエッチングから保護される。次に上記層間絶縁膜25がエッチングされるときには、接続孔27底部の有機膜29も上部がエッチング除去されるが、この有機膜29は層間絶縁膜25のエッチングが終了しても接続孔27底部に残るような厚さに形成しておく。このように有機膜29を形成することによって、接続孔27底部をエッチングから保護する。
【0028】
また、上記製造方法では、有機系絶縁膜22、24を含む層間絶縁膜25の露出部分、つまり接続孔27内壁部を無機膜28で被覆しているので、以降の工程で、有機膜29、配線溝を形成するためのエッチングマスクに用いるレジストを塗布しても、従来のアッシング技術または洗浄技術を用いて、有機系の層間絶縁膜25を損傷することなく、有機膜29、レジスト膜30を除去(剥離)することができる。これにより、リソグラフィ工程でエラーが発生してレジスト膜30を再生処理する必要が生じた場合でも、層間絶縁膜25を損傷することなくレジスト膜30の再生処理が可能になる。また有機膜29を除去する際に、接続孔27内面を被覆する無機膜28によって接続孔27底部に形成されている配線12が保護されることから、酸素プラズマを用いて有機膜29を除去しても接続孔27底部における配線12を酸化することがない。
【0029】
上記製造方法では、エッチングストッパ膜21、23を設けているが、有機系絶縁膜22界面、有機系絶縁膜24界面でエッチング制御が容易にできるのであれば、必ずしも必要ではない。
【0030】
次に、有機膜29によって接続孔27の内部を完全に埋め込む場合のプロセスを、図2および図3の概略構成断面図によって説明する。
【0031】
第1例を図2によって説明する。図2の(1)に示すように、前記図1によって説明したのと同様に、層間絶縁膜25に接続孔27を形成した後、接続孔27の内面および層間絶縁膜25上に無機膜28を形成する。その後、接続孔27の内部を埋め込むように、上記無機膜28上に有機膜41を形成する。さらに有機膜41上にSi含有レジストでレジスト膜42を形成した後、リソグラフィ技術によって配線溝を形成するための開口部43を形成する。ただし、ドライ現像においては、有機膜41をエッチングするときは、図2の(2)に示すように、接続孔27の底部に有機膜41を残しておいて、後の工程でエッチングストッパとして用いる。また、酸素を用いたドライ現像では、レジスト膜42表面は酸化されて、酸化シリコン(SiO)層44が形成される。
【0032】
第2例を図3によって説明する。図3の(1)に示すように、前記図1によって説明したのと同様に、層間絶縁膜25に接続孔27を形成した後、接続孔27の内面および層間絶縁膜25上に無機膜28を形成する。その後、接続孔27の内部を埋め込むように、上記無機膜28上に有機膜51を形成する。さらに有機膜51上にSOG(Spin On Glass)膜52を形成した後、レジスト膜53を形成する。次いでリソグラフィ技術によって配線溝を形成するための開口部54をレジスト膜53に形成する。そして、このレジスト膜53をエッチングマスクに用いて上記SOG膜52をエッチングする。ただし、ドライ現像において、有機膜51をエッチングするときは、図3の(2)に示すように、接続孔27底部に上記有機膜51残しておいて、後の工程でエッチングストッパとして用いる。上記有機膜51のエッチングのときには上記SOG膜52上層のレジスト膜53〔図3の(1)参照〕が完全に除去される。
【0033】
次に、上記図1によって説明した本発明の製造方法の具体的な製造方法を、図4〜図5によって説明する。
【0034】
図4の(1)に示すように、層間絶縁膜11中に銅配線12を形成した基板10上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて窒化シリコン(SiN)を50nmの厚さに堆積してエッチングストッパ層21を形成する。次いで、エッチングストッパ層21上に、有機系絶縁膜22を350nmの厚さに形成する。有機系絶縁膜22は、例えば回転塗布法により成膜した後に130℃で90秒間の基板加熱を行って膜中の溶媒を揮発させて形成する。その後、基板10を300℃で1時間加熱して有機系絶縁膜22をキュアする。有機系絶縁膜22には、例えばポリアリルエーテル系樹脂を用いる。このポリアリルエーテル系樹脂の比誘電率は2.6である。次に、有機系絶縁膜22上に、例えばCVD法を用いて、窒化シリコン(SiN)を50nmの厚さに堆積してエッチングストッパ層23を形成する。次いで、エッチングストッパ層23上に、有機系絶縁膜24を180nmの厚さに形成する。有機系絶縁膜24は、例えば回転塗布法により成膜した後に130℃で90秒間の基板加熱を行って膜中の溶媒を揮発させて形成する。その後、基板10を300℃で1時間加熱して有機系絶縁膜24をキュアする。有機系絶縁膜24は、例えば上記有機系絶縁膜22と同様な材料で形成される。このようにして、層間絶縁膜25を形成する。さらに上記層間絶縁膜25上に、例えばCVD法を用いて、窒化シリコン(SiN)を120nmの厚さに堆積してハードマスク膜26を形成する。
【0035】
次に、図4の(2)に示すように、リソグラフィ技術、ドライエッチング技術を用いて、ハードマスク膜26から下層のエッチングストッパ膜21上の有機絶膜22まで、接続孔27を形成する。上記リソグラフィ工程では、KrFエキシマレーザー露光機を用いて、アセタール系の化学増幅ポジ型レジスト膜にホールパターンを形成する。また、反射防止として、レジスト膜の下層に、有機系の反射防止膜を用いた。接続孔27は、一例として、最小ピッチを360nmとし、直径を180nmとした。ハードマスク膜26のエッチングにはトリフルオロメタン(CHF3 )とアルゴン(Ar)と酸素(O2 )とを用いた反応性イオンエッチングを用い、有機系絶縁膜24のエッチングにはアンモニア(NH3 )と水素(H2 )とを用い、エッチングストッパ膜23のエッチングガスにオクタフルオロシクロペンテン(C5 F8 )とジフルオロメタン(CH2 F2 )とアルゴン(Ar)と酸素(O2 )とを用い、有機系絶縁膜22のエッチングにはアンモニア(NH3 )と水素(H2 )とを用いて反応性エッチングを行った。なおレジスト膜および有機系の反射防止膜は、有機系絶縁膜24のエッチングのときに、同時にエッチングされて除去されている。レジスト膜が除去された後は、ハードマスク膜26がエッチングマスクになっている。
【0036】
次に、図4の(3)に示すように、上記ハードマスク膜26表面および接続孔27内面に無機膜28を形成する。この無機膜28は、例えばCVD法を用いて、酸化シリコン(SiO)膜で形成する。この無機膜28は、ハードマスク膜26上面および接続孔27底部の厚さを20nmとし、接続孔27の内壁での厚さを10nmとした。この成膜条件を以下に示す。成膜装置には、例えば平行平板型プラズマCVD装置を用い、成膜の原料ガスには、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)と酸素(O2 )を用い、成膜装置のチャンバ内圧力を400Pa、基板温度を400℃、RFパワーを250W、成膜時間を5秒に設定した。
【0037】
次に、図4の(4)に示すように、接続孔27の底部を埋め込むための有機膜29を塗布する。この有機膜29は、反射防止膜としても機能する。このとき、有機膜29の接続孔27内での埋め込み高さは、有機系絶縁膜22,24間に形成されたエッチングストッパ膜23より低くすることが好ましい。次に、有機膜29上の全面に、塗布法によって、レジスト膜30を形成する。このレジスト膜30は、例えば化学増幅ネガ型のレジストにより形成し、有機膜29表面上の膜厚を例えば530nmになるように形成した。その後、リソグラフィ技術によって、配線溝を形成するための開口部31を形成した。このリソグラフィ技術には、例えばKrFエキシマレーザー露光機を用い、配線パターンの最小ピッチを例えば360nm、最小幅を180nmで上記配線溝を形成するための開口部31を形成した。なお、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部31の形成位置が位置ずれを起こさないことが理想ではあるが、本発明が位置ずれを起こしても可能であることを示すため、図面では、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部31の形成位置が、開口部31端部が接続孔27内側にかかった状態を示した。
【0038】
ここで、上記レジスト膜30に対するリソグラフィ工程において、線幅規格、または位置合わせ規格から外れた場合は、有機膜29およびレジスト膜30を剥離して、再度、有機膜29とレジスト膜30を塗布することができる。有機膜29およびレジスト膜30の剥離は、酸素プラズマアッシング後、洗浄液で洗浄することによる。酸素プラズマアッシングは、例えばダウンフロー型アッシャーを用い、アッシングガスには酸素(O2 )を例えば1700cm3 /minなる流量で供給し、バーファーガスには水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを例えば400cm3 /minなる流量で供給し、アッシング雰囲気のガス圧力を200Pa、RFパワーを1700W、基板温度を200℃に設定して、90秒間のアッシング処理を行う。洗浄は、一般的に用いられているRCA洗浄法であるSC−1洗浄(NH4 OH−H2 O2 −H2 )およびSC−2洗浄(HCl−H2 O2 −H2 O)を採用する。上記剥離工程においては、層間絶縁膜25の有機系絶縁膜22,24を構成するポリアリルエーテル系樹脂は、無機膜28のSiO膜に保護されているので、損傷を受けない。
【0039】
次に、図4の(5)に示すように、レジスト膜30をマスクに用いてレジスト膜30の開口部31内に露出している有機膜29(2点鎖線部分)をエッチングする。このエッチングでは、エッチングガスに例えばテトラフルオロメタン(CF4 )と酸素(O2 )とアルゴン(Ar)とを用いて、接続孔27の底部に有機膜29を残し、開口部31内におけるハードマスク膜26上および接続孔27側壁部の有機膜27を除去する。このとき、接続孔27の上部内壁およびハードマスク膜26上に形成されている有機膜29も同時に除去される。
【0040】
次に、図4の(6)に示すように、レジスト膜30をマスクに用い、エッチングガスにオクタフルオロシクロブタン(C4 F8 )と酸素(O2 )とアルゴン(Ar)とを用いて無機膜28の露出した部分(2点鎖線部分)をエッチングする。接続孔27内壁の無機膜28の厚さは10nm程度と薄いので、例えば30%程度のオーバエッチングで除去することができる。
【0041】
次に、図5の(7)に示すように、レジスト膜30をマスクに用い、エッチングガスにオクタフルオロシクロペンテン(C5 F8 )とジフルオロメタン(CH2 F2 )とアルゴン(Ar)と酸素(O2 )とを用いて、ハードマスク膜26(2点鎖線部分)をエッチングする。
【0042】
次に、図5の(8)に示すように、レジスト膜30〔前記図5の(7)参照〕ないし無機膜28をマスクに用い、エッチングガスにアンモニア(NH3 )と水素(H2 )とを用いて、有機系絶縁膜24(2点鎖線部分)をエッチングして、配線溝32を形成する。このエッチングでは、有機系材料をエッチングする条件を用いるため、有機系の膜であるレジスト膜30、有機膜29がエッチングされ、完全に除去される。このため、エッチングマスクはレジスト膜30、有機膜29、無機膜28の順に移行して行く。
【0043】
次に、エッチングガスに、オクタフルオロシクロブタン(C4 F8 )と酸素(O2 )とアルゴン(Ar)とを用いて、全面エッチングすることにより、無機膜28を完全に除去する。この結果、図5の(9)に示すように、層間絶縁膜25上部に配線溝32が形成され、この配線溝32の底部の層間絶縁膜25に接続孔27が形成される。
【0044】
次に、図5の(10)に示すように、エッチングするガスに、オクタフルオロシクロペンテン(C5 F8 )とジフルオロメタン(CH2 F2 )とアルゴン(Ar)と酸素(O2 )とを用いて、窒化シリコンからなるエッチングストッパ21、23の露出部分(2点鎖線部分)をエッチングし、接続孔27の底部に配線12を露出させる。このとき、ハードマスク膜26の上部もエッチングされる。
【0045】
次に、図5の(11)に示すように、上記配線溝32および接続孔27の内壁にスパッタ法によりバリア層33としてタンタルを例えば15nm〜30nmの厚さに形成した後、さらに銅メッキシード層(図示せず)を例えば10nm〜15nmの厚さに形成する。次いで、メッキ法によって、配線溝32および接続孔27の内部に銅35を埋め込む。このとき、ハードマスク膜26上にも銅35が堆積される。その後、上面の余分な銅35、銅メッキシード層(図示せず)、バリア層33、ハードマスク膜26〔前記図5の(10)参照〕を、化学的機械研磨(以下CMPという、CMPはChemical Mechanical Polishingの略)を用いて除去する。その結果、配線溝32内に埋め込まれた銅35で溝配線36が形成され、接続孔27内に埋め込まれた銅35でプラグ37が形成され、銅配線構造が完成する。
【0046】
次に、上記図4〜図5によって説明した具体的な製造方法の変形例を、以下によって説明する。
【0047】
第1の変形例は、前記図4の(3)の工程において、無機膜28を酸化シリコン膜で形成する代わりに、スパッタ法を用いて、無機膜28を窒化チタン(TiN)膜で形成することもできる。このときの無機膜28は、ハードマスク膜26上および接続孔底部での厚さが20nmであり、接続孔27の内壁での厚さが10nmとした。この窒化チタン膜からなる向き膜28の成膜条件を以下に説明する。成膜装置には、例えばDCマグネトロンスパッタ装置を用い、ターゲットには:窒化チタン(TiN)ターゲットを用い、スパッタリング雰囲気のガスにはアルゴン(Ar):30%と窒素(N2 ):70%との混合ガスを用いる。そして、スパッタリング装置のチャンバ内圧力を0.8mPa、DCパワーを6kW、RFパワーを175Wに設定した。また、この窒化チタンからなる無機膜28のエッチングには、通常のプラズマエッチング装置を用い、エッチングガスに塩素(Cl2 )と窒素(N2 )とを用い、その供給流量を塩素(Cl2 )は100cm3 /min、窒素(N2 )は50cm3 /minとし、プラズマエッチング装置のRFパワーを175Wに設定した。
【0048】
第2の変形例は、前記図4の(3)によって説明した無機膜28を形成した後、図6に示すように3層レジストプロセスの構造を用いる。
【0049】
すなわち、図6に示すように、接続孔27の内部およびハードマスク膜26上に、無機膜28を介して有機膜29を形成する。この有機膜29は、例えばノボラック系樹脂を回転塗布法により塗布した後、ベーキングすることにより形成される。この有機膜29の膜厚は、ハードマスク膜26の平坦面上で350nmとした。
【0050】
次に、無機マスクを形成するための無機膜61を、例えばオルガノ・ポリシロキサン・コポリマー(Organo Polysiloxane Copolymer)からなるSOG膜で形成する。このSOG膜は、例えば130nmの厚さになるようにSOG液を塗布法により塗布した後、ベーキングを行うことで形成される。
【0051】
次に、無機膜61上の全面に、塗布法によって、レジスト膜62を形成する。このレジスト膜62は、例えば化学増幅ネガ型のレジストにより形成し、無機膜61表面上の膜厚を例えば320nmになるように形成した。その後、リソグラフィ技術によって、配線溝を形成するための開口部63を形成した。このリソグラフィ技術には、例えばKrFエキシマレーザー露光機を用い、配線パターンの最小ピッチを例えば360nm、最小幅を180nmで上記配線溝を形成するための開口部63を形成した。なお、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部63の形成位置が位置ずれを起こさないことが理想ではあるが、本発明が位置ずれを起こしても可能であることを示すため、図面では、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部63の形成位置が、開口部63端部が接続孔27内側にかかった状態を示した。
【0052】
ここで、上記レジスト膜62に対するリソグラフィ工程において、線幅規格、または位置合わせ規格から外れた場合は、レジスト膜62から有機膜29までを剥離して、再度、有機膜29からレジスト膜62までを形成することができる。レジスト膜62の剥離は、例えばガンマブチルラクトンを用いて行う。無機膜61のSOGの剥離は、例えば1%のフッ酸水溶液を用いる。ノボラック系樹脂からなる有機膜29の剥離は、酸素プラズマアッシングを用い、最後に洗浄を行う。酸素プラズマアッシングは、例えばダウンフロー型アッシャーを用い、アッシングガスには酸素(O2 )を例えば1700cm3 /minなる流量で供給し、バーファーガスには水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを例えば400cm3 /minなる流量で供給し、アッシング雰囲気のガス圧力を200Pa、RFパワーを1700W、基板温度を200℃に設定して、120秒間のアッシング処理を行う。洗浄は、一般的に用いられているRCA洗浄法であるSC−1洗浄(NH4 OH−H2 O2 −H2 )およびSC−2洗浄(HCl−H2 O2 −H2 O)を採用する。上記剥離工程においては、層間絶縁膜25の有機系絶縁膜22,24を構成するポリアリルエーテル系樹脂は、無機膜28のSiO膜に保護されているので、損傷を受けない。
【0053】
第3の変形例は、前記図4の(3)によって説明した無機膜28を形成した後、図7に示すようにシリコン含有レジストプロセスの構造を用いる。
【0054】
すなわち、図7に示すように、接続孔27の内部およびハードマスク膜26上に、無機膜28を介して有機膜29を形成する。この有機膜29は、例えばノボラック系樹脂を回転塗布法により塗布した後、ベーキングすることにより形成される。この有機膜29の膜厚は、ハードマスク膜26の平坦面上で350nmとした。
【0055】
次に、有機膜29上の全面に、塗布法によって、レジスト膜71を形成する。このレジスト膜71は、例えば化学増幅ポジ型のシリコン含有レジストにより形成し、有機膜29表面上の膜厚を例えば320nmになるように形成した。その後、リソグラフィ技術によって、配線溝を形成するための開口部72を形成した。このリソグラフィ技術では、例えばKrFエキシマレーザー露光機を用いてパターン露光した後、アルカリ溶液にて現像を行い、配線パターンを形成した。なお、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部72の形成位置が位置ずれを起こさないことが理想ではあるが、本発明が位置ずれを起こしても可能であることを示すため、図面では、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部72の形成位置が、開口部72端部が接続孔27内側にかかった状態を示した。
【0056】
ここで、上記レジスト膜71に対するリソグラフィ工程において、線幅規格、または位置合わせ規格から外れた場合は、レジスト膜71および有機膜29までを剥離して、再度、有機膜29およびレジスト膜71を形成することができる。レジスト膜71およびノボラック系樹脂からなる有機膜29の剥離は、酸素プラズマアッシングを用い、最後に洗浄を行う。酸素プラズマアッシングは、例えばダウンフロー型アッシャーを用い、2段階のアッシングを行う。
【0057】
第1段目のアッシングでは、アッシングガスには酸素(O2 )を例えば1700cm3 /minなる流量で供給するとともにメタン(CH4 )を例えば100cm3 /minなる流量で供給する、バーファーガスには水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを例えば400cm3 /minなる流量で供給し、アッシング雰囲気のガス圧力を200Pa、RFパワーを1700W、基板温度を200℃に設定して、30秒間のアッシング処理を行う。
【0058】
第2段目のアッシングでは、アッシングガスに酸素(O2 )を例えば1700cm3 /minなる流量で供給し、バーファーガスには水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを例えば400cm3 /minなる流量で供給し、アッシング雰囲気のガス圧力を200Pa、RFパワーを1700W、基板温度を200℃に設定して、120秒間のアッシング処理を行う。洗浄は、一般的に用いられているRCA洗浄法であるSC−1洗浄(NH4 OH−H2 O2 −H2 )およびSC−2洗浄(HCl−H2 O2 −H2 O)を採用する。上記剥離工程においては、層間絶縁膜25の有機系絶縁膜22,24を構成するポリアリルエーテル系樹脂は、無機膜28のSiO膜に保護されているので、損傷を受けない。
【0059】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、有機系絶縁膜を用いた層間絶縁膜に溝配線および溝配線底部に接続するプラグを有する配線構造を、有機系絶縁膜を損傷することなく容易に製造することができる。このため、比誘電率が3以下の低誘電率膜である有機系絶縁膜を層間絶縁膜に用いることができるので、配線間容量を低くすることができるため、消費電力が低く、高速動作を可能にした半導体装置を容易に製造することができ、かつ溝配線構造により高集積化できる。また、配線溝形成時のレジスト膜、有機膜等の再生処理が可能になるので、歩留りの向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図2】本発明の半導体装置の製造方法に係る別の実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法に係る別の実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法に係る具体的な製造方法を示す製造工程断面図である。
【図5】本発明の半導体装置の製造方法に係る具体的な製造方法を示す製造工程断面図である。
【図6】本発明の半導体装置の製造方法に係る具体的な製造方法の変形例を示す概略構成断面図である。
【図7】本発明の半導体装置の製造方法に係る具体的な製造方法の変形例を示す概略構成断面図である。
【図8】従来の溝配線構造の製造方法を示す製造工程断面図である。
【図9】従来の溝配線構造の別の製造方法を示す製造工程断面図である。
【符号の説明】
22,24…有機系絶縁膜、25…層間絶縁膜、27…接続孔、28…無機膜、29…有機膜、32…配線溝、36…溝配線、37…プラグ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳しくは、微細なパターン加工により溝配線および接続孔を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体回路の高速化、低消費電力化の要求から、配線材料に銅が用いられるようになっている。銅をエッチングすることが困難なことから、層間絶縁膜にヴィアプラグと配線を形成するための孔と溝とを形成して、この孔と溝とに同時に銅を埋め込むデュアルダマシン法が多く用いられている。デュアルダマシン法は、先にヴィアプラグを形成する先ヴイアタイプと、先に配線溝を形成する先溝タイプに大別される。パターニングでの寸法制御および重ね合わせ制御の容易さから先ヴィアタイプの方が広く用いられている。
【0003】
先ヴィアタイプ・デュアルダマシン構造の形成方法の従来例を、図8の製造工程断面図によって説明する。
【0004】
図8の(1)に示すように、基板111上にエッチングストッパ膜121、層間絶縁膜122、エッチングストッパ膜123、層間絶縁膜124、ハードマスク膜125を順に積層して形成する。
【0005】
次に、図8の(2)に示すように、光リソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、ハードマスク膜125から最下層のエッチングストッパ膜121上まで接続孔(ヴィアホール)126を形成する。
【0006】
次に、図8の(3)に示すように、ハードマスク膜125表面側にエッチングストッパ用の樹脂を塗布して、ハードマスク膜125表面に樹脂膜127を形成するとともに接続孔126の下部をこの樹脂膜127で埋め込む。
【0007】
次に、図8の(4)に示すように、樹脂膜127上にレジスト膜128を形成した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト膜128に溝状の配線パターン129を形成する。
【0008】
次に、図8の(5)に示すように、上記レジスト膜128をマスクに用いて、溝状の配線パターン129底部に露出されている樹脂膜127および接続孔126側壁に形成されている樹脂膜127、ハードマスク膜125、層間絶縁膜124をドライエッチングし、配線溝130を形成する。このエッチングはエッチングストッパ膜123上で停止させる。また接続孔126底部に埋め込まれた樹脂膜127は、ハードマスク膜125、層間絶縁膜124のエッチングにおけるストッパの役目を果たし、エッチングストッパ膜121がエッチングされてその直下の基板111が損傷するのを防ぐ。また、エッチングストッパ膜121は、通常、薄く、例えば20nm〜100nmの厚さに形成されている。そのため、エッチングストッパ膜121は、ハードマスク膜125、層間絶縁膜124のエッチングストッパとしては不十分であり、樹脂膜127によるエッチングストッパが必要となっている。
【0009】
次に、図8の(6)に示すように、レジスト膜128および樹脂膜127を酸素アッシングにより除去する。
【0010】
次に、図8の(7)に示すように、全面ドライエッチングして、配線溝130底部に露出しているエッチングストッパ膜123および接続孔126底部に露出しているエッチングストッパ膜121を除去する。このとき、表面のハードマスク膜125の上部がエッチングされる。
【0011】
次に、図8の(8)に示すように、接続孔126および配線溝130の内壁に、メタルバリア層131、Cuメッキシード層(図示せず)を薄く形成し、メッキにより接続孔126内に銅を埋め込む。その後、CMP(Chemical and Mechanical polishing)法を用いて、表面の余分な銅を除去する。このとき、ハードマスク膜125〔図8の(7)参照〕が、このCMP工程における研磨ストッパとなる。続いて銅の場合とは別条件のCMP法で、上記ハードマスク膜125〔図8の(7)参照〕を除去する。以上により、配線溝130内に銅からなる溝配線132が形成されるとともに接続孔126の内部に銅からなるプラグ133が形成され、いわゆるデュアルダマシン構造が完成する。
【0012】
ところで、配線遅延の低減のため、層間絶縁膜には有機系の低比誘電率膜が提案されている。しかし、層間絶縁膜に有機系膜を用いると、接続孔内に埋め込む樹脂膜およびレジスト膜も有機系膜であるため、リソグラフィ工程での線幅エラーまたは位置合わせエラーで埋め込み樹脂膜、レジスト膜を剥離する場合、有機系層間絶縁膜が削れてしまうという問題がある。
【0013】
この対策としては、特開平11−154703号公報に開示されているように、層間絶縁膜にホールを形成後、スパッタ法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法により無機膜を形成し、有機系層間絶縁膜を形成する方法が提案されている。
【0014】
この方法は、図9の(1)に示すように、配線212が形成された絶縁膜213上に、この配線212を覆うエッチングストッパ膜221、層間絶縁膜222、中間のハードマスク膜223、層間絶縁膜224、ハードマスク膜225を順に積層して形成し、上記ハードマスク膜225からエッチングストッパ膜221上の層間絶縁膜222までを貫通するホール226を形成した後、スパッタ法でハードマスク膜225表面およびホール226内面に無機酸化膜227を形成する。次いで、無機酸化膜227上に有機系の反射防止膜228を塗布により形成し、さらにレジスト膜229を形成した後、このレジスト膜229に溝配線パターン230を形成している。
【0015】
特開平11−154703号公報に開示された技術では、スパッタ法により無機酸化膜227を厚く形成して、ホール226の開口部でオーバハングさせ、有機系の反射防止膜228がホール226内部に入り込まないようにしている。
【0016】
さらに、図9の(2)に示すように、レジスト膜229をマスクに、有機系反射防止膜228および無機酸化膜227を異方的にエッチングする。ホール226内にある無機酸化膜227は、中間のハードマスク膜223より低くなるまでエッチングする。このとき、ホール226内壁についた無機酸化膜227をエッチングするときに、ホール226底部についた無機酸化膜227はエッチングされる。
【0017】
次に、図9の(3)に示すように、レジスト膜229をマスクに、ハードマスク膜225をドライエッチングする。このとき、下のエッチングストッパ膜221がエッチングされてしまい、下の銅の配線212が損傷するという問題が生じる。ハードマスク膜225は、最終的にエッチングストッパ膜221をエッチングするときに、層間絶縁膜222,224が損傷しないための被覆膜の役割と、銅を埋めこんだ後のCMP処理でのストッパ膜の役割をする。よって、ハードマスク膜225は、エッチングストッパ膜221より厚く形成しなければならず、ハードマスク膜225をエッチングするときは、エッチングストッパ膜221をカバーするものがないと、エッチングストッパ膜221が貫通してしまう。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、先ヴィアタイプのデュアルダマシン配線構造の形成において、層間絶縁膜に有機膜を使用した場合、溝配線のリソグラフィ工程でレジストを剥離できないという問題がある。また、無機酸化膜を形成して、ホール開口部を小さくしても、後の工程この無機酸化膜をエッチングする工程で、銅配線をカバーするエッチングストッパ膜がエッチングされ、銅配線が損傷してしまうという問題がある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置の製造方法である。
【0020】
本発明の半導体装置の製造方法は、有機系絶縁膜を含む層間絶縁膜に接続孔を形成する工程と、前記層間絶縁膜上および前記接続孔内面を被覆する無機膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に前記無機膜を介して前記接続孔の少なくとも底部を埋め込む有機膜を形成する工程と、前記接続孔底部に前記有機膜を残すように前記接続孔内の前記有機膜を除去する工程と、前記層間絶縁膜に前記接続孔に接続する配線溝を形成する工程と、前記接続孔内部の有機膜を除去する工程と、前記無機膜を除去する工程と、前記配線溝および前記接続孔内部に導電性材料を埋め込み溝配線とこの溝配線に連続したプラグを形成する工程とを備えている。
【0021】
上記半導体装置の製造方法では、接続孔を形成した後、接続孔内に有機膜を埋め込む前に無機膜を層間絶縁膜表面および接続孔の内面を被覆するように形成することから、その後の工程で、有機系絶縁膜を含む層間絶縁膜を損傷すること無く配線溝を形成する際に通常にエッチングマスクとして用いられるレジストマスクや、接続孔内に埋め込んだ有機膜を従来の方法で除去することが可能になる。これにより、リソグラフィ工程でエラーが発生してレジスト膜を再生処理する必要が生じた場合でも、層間絶縁膜を損傷することなくレジスト膜の再生処理が可能になる。また有機膜を除去する際に、接続孔内面を被覆する無機膜によって接続孔底部に形成されている配線層が保護されることから、酸素プラズマを用いて有機膜を除去しても接続孔底部における配線層を酸化することがない。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態を、図1の概略構成断面図によって説明する。
【0023】
図1に示すように、絶縁膜11が形成され、この絶縁膜11には表面が表出するように配線12が形成されている。上記絶縁膜11上には上記配線12を覆うように、エッチングストッパ層21、有機系絶縁膜22、エッチングストッパ層23、有機系絶縁膜24を下層より順に形成して層間絶縁膜25を構成する。さらに層間絶縁膜25上には、ハードマスク膜26を形成する。
【0024】
通常のレジストを用いたリソグラフィ技術によって、接続孔を形成するためのレジストマスク(図示せず)を形成した後、そのレジストマスクを用いたエッチングによって、ハードマスク膜26をエッチングする。その後レジストマスクを除去する。ここでレジストマスクを除去しているが、層間絶縁膜25の接続孔が形成される部分以外はハードマスク26によって層間絶縁膜25は保護されているため、通常のレジスト除去技術を用いてレジストマスクを除去することができる。次いで上記ハードマスク膜26をエッチングマスクに用いて有機系絶縁膜24からエッチングストッパ層21上の有機系絶縁膜22までを貫通する接続孔27を形成する。
【0025】
次いで、上記層間絶縁膜25表面および上記接続孔27の内面を被覆する無機膜28を形成する。この無機膜28は、従来の酸素アッシング技術や一般的に使用されているレジスト剥離液により除去されないものなら、特に材料、成膜方法は限定されない。例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成した酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜、スパッタリング法により形成した窒化チタン膜、窒化タンタル膜、タンタル膜などが挙げられる。段差被覆性は、よりコンフォーマルなものが望ましい。またこの無機膜28の厚さの上限は、接続孔27の開口部でオーバーハンギングさせないために、接続孔27側壁部での孔の直径の20%以下とし、下限はレジスト剥離(除去)工程で層間絶縁膜25に損傷を与えないようにする膜厚として5nm以上とする。好ましくは、上記無機膜28の厚さは8nm以上15nm以下とする。
【0026】
次いで、上記無機膜28表面を被覆するとともに接続孔27底部を埋め込むように有機膜29を形成する。次いで有機膜29上にレジスト膜30を形成した後、通常のリソグラフィ技術によって配線溝を形成するための開口部31を形成する。その後、上記レジスト膜30をエッチングマスクに用いて、有機膜29、無機膜28、層間絶縁膜25をエッチングして、配線溝(図示せず)を形成する。
【0027】
上記配線溝を形成するエッチングでは、まず、有機膜29がエッチングされる。このとき、レジスト膜30の上部もエッチングされるため、このレジスト膜30は有機膜29のエッチングを行っても十分な厚さが残るように形成しておく。次に、配線溝が形成される部分の無機膜28がエッチングされる。このとき、接続孔27の底部には有機膜29が残っているため、接続孔27の底部はこのエッチングから保護される。次に上記層間絶縁膜25がエッチングされるときには、接続孔27底部の有機膜29も上部がエッチング除去されるが、この有機膜29は層間絶縁膜25のエッチングが終了しても接続孔27底部に残るような厚さに形成しておく。このように有機膜29を形成することによって、接続孔27底部をエッチングから保護する。
【0028】
また、上記製造方法では、有機系絶縁膜22、24を含む層間絶縁膜25の露出部分、つまり接続孔27内壁部を無機膜28で被覆しているので、以降の工程で、有機膜29、配線溝を形成するためのエッチングマスクに用いるレジストを塗布しても、従来のアッシング技術または洗浄技術を用いて、有機系の層間絶縁膜25を損傷することなく、有機膜29、レジスト膜30を除去(剥離)することができる。これにより、リソグラフィ工程でエラーが発生してレジスト膜30を再生処理する必要が生じた場合でも、層間絶縁膜25を損傷することなくレジスト膜30の再生処理が可能になる。また有機膜29を除去する際に、接続孔27内面を被覆する無機膜28によって接続孔27底部に形成されている配線12が保護されることから、酸素プラズマを用いて有機膜29を除去しても接続孔27底部における配線12を酸化することがない。
【0029】
上記製造方法では、エッチングストッパ膜21、23を設けているが、有機系絶縁膜22界面、有機系絶縁膜24界面でエッチング制御が容易にできるのであれば、必ずしも必要ではない。
【0030】
次に、有機膜29によって接続孔27の内部を完全に埋め込む場合のプロセスを、図2および図3の概略構成断面図によって説明する。
【0031】
第1例を図2によって説明する。図2の(1)に示すように、前記図1によって説明したのと同様に、層間絶縁膜25に接続孔27を形成した後、接続孔27の内面および層間絶縁膜25上に無機膜28を形成する。その後、接続孔27の内部を埋め込むように、上記無機膜28上に有機膜41を形成する。さらに有機膜41上にSi含有レジストでレジスト膜42を形成した後、リソグラフィ技術によって配線溝を形成するための開口部43を形成する。ただし、ドライ現像においては、有機膜41をエッチングするときは、図2の(2)に示すように、接続孔27の底部に有機膜41を残しておいて、後の工程でエッチングストッパとして用いる。また、酸素を用いたドライ現像では、レジスト膜42表面は酸化されて、酸化シリコン(SiO)層44が形成される。
【0032】
第2例を図3によって説明する。図3の(1)に示すように、前記図1によって説明したのと同様に、層間絶縁膜25に接続孔27を形成した後、接続孔27の内面および層間絶縁膜25上に無機膜28を形成する。その後、接続孔27の内部を埋め込むように、上記無機膜28上に有機膜51を形成する。さらに有機膜51上にSOG(Spin On Glass)膜52を形成した後、レジスト膜53を形成する。次いでリソグラフィ技術によって配線溝を形成するための開口部54をレジスト膜53に形成する。そして、このレジスト膜53をエッチングマスクに用いて上記SOG膜52をエッチングする。ただし、ドライ現像において、有機膜51をエッチングするときは、図3の(2)に示すように、接続孔27底部に上記有機膜51残しておいて、後の工程でエッチングストッパとして用いる。上記有機膜51のエッチングのときには上記SOG膜52上層のレジスト膜53〔図3の(1)参照〕が完全に除去される。
【0033】
次に、上記図1によって説明した本発明の製造方法の具体的な製造方法を、図4〜図5によって説明する。
【0034】
図4の(1)に示すように、層間絶縁膜11中に銅配線12を形成した基板10上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて窒化シリコン(SiN)を50nmの厚さに堆積してエッチングストッパ層21を形成する。次いで、エッチングストッパ層21上に、有機系絶縁膜22を350nmの厚さに形成する。有機系絶縁膜22は、例えば回転塗布法により成膜した後に130℃で90秒間の基板加熱を行って膜中の溶媒を揮発させて形成する。その後、基板10を300℃で1時間加熱して有機系絶縁膜22をキュアする。有機系絶縁膜22には、例えばポリアリルエーテル系樹脂を用いる。このポリアリルエーテル系樹脂の比誘電率は2.6である。次に、有機系絶縁膜22上に、例えばCVD法を用いて、窒化シリコン(SiN)を50nmの厚さに堆積してエッチングストッパ層23を形成する。次いで、エッチングストッパ層23上に、有機系絶縁膜24を180nmの厚さに形成する。有機系絶縁膜24は、例えば回転塗布法により成膜した後に130℃で90秒間の基板加熱を行って膜中の溶媒を揮発させて形成する。その後、基板10を300℃で1時間加熱して有機系絶縁膜24をキュアする。有機系絶縁膜24は、例えば上記有機系絶縁膜22と同様な材料で形成される。このようにして、層間絶縁膜25を形成する。さらに上記層間絶縁膜25上に、例えばCVD法を用いて、窒化シリコン(SiN)を120nmの厚さに堆積してハードマスク膜26を形成する。
【0035】
次に、図4の(2)に示すように、リソグラフィ技術、ドライエッチング技術を用いて、ハードマスク膜26から下層のエッチングストッパ膜21上の有機絶膜22まで、接続孔27を形成する。上記リソグラフィ工程では、KrFエキシマレーザー露光機を用いて、アセタール系の化学増幅ポジ型レジスト膜にホールパターンを形成する。また、反射防止として、レジスト膜の下層に、有機系の反射防止膜を用いた。接続孔27は、一例として、最小ピッチを360nmとし、直径を180nmとした。ハードマスク膜26のエッチングにはトリフルオロメタン(CHF3 )とアルゴン(Ar)と酸素(O2 )とを用いた反応性イオンエッチングを用い、有機系絶縁膜24のエッチングにはアンモニア(NH3 )と水素(H2 )とを用い、エッチングストッパ膜23のエッチングガスにオクタフルオロシクロペンテン(C5 F8 )とジフルオロメタン(CH2 F2 )とアルゴン(Ar)と酸素(O2 )とを用い、有機系絶縁膜22のエッチングにはアンモニア(NH3 )と水素(H2 )とを用いて反応性エッチングを行った。なおレジスト膜および有機系の反射防止膜は、有機系絶縁膜24のエッチングのときに、同時にエッチングされて除去されている。レジスト膜が除去された後は、ハードマスク膜26がエッチングマスクになっている。
【0036】
次に、図4の(3)に示すように、上記ハードマスク膜26表面および接続孔27内面に無機膜28を形成する。この無機膜28は、例えばCVD法を用いて、酸化シリコン(SiO)膜で形成する。この無機膜28は、ハードマスク膜26上面および接続孔27底部の厚さを20nmとし、接続孔27の内壁での厚さを10nmとした。この成膜条件を以下に示す。成膜装置には、例えば平行平板型プラズマCVD装置を用い、成膜の原料ガスには、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)と酸素(O2 )を用い、成膜装置のチャンバ内圧力を400Pa、基板温度を400℃、RFパワーを250W、成膜時間を5秒に設定した。
【0037】
次に、図4の(4)に示すように、接続孔27の底部を埋め込むための有機膜29を塗布する。この有機膜29は、反射防止膜としても機能する。このとき、有機膜29の接続孔27内での埋め込み高さは、有機系絶縁膜22,24間に形成されたエッチングストッパ膜23より低くすることが好ましい。次に、有機膜29上の全面に、塗布法によって、レジスト膜30を形成する。このレジスト膜30は、例えば化学増幅ネガ型のレジストにより形成し、有機膜29表面上の膜厚を例えば530nmになるように形成した。その後、リソグラフィ技術によって、配線溝を形成するための開口部31を形成した。このリソグラフィ技術には、例えばKrFエキシマレーザー露光機を用い、配線パターンの最小ピッチを例えば360nm、最小幅を180nmで上記配線溝を形成するための開口部31を形成した。なお、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部31の形成位置が位置ずれを起こさないことが理想ではあるが、本発明が位置ずれを起こしても可能であることを示すため、図面では、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部31の形成位置が、開口部31端部が接続孔27内側にかかった状態を示した。
【0038】
ここで、上記レジスト膜30に対するリソグラフィ工程において、線幅規格、または位置合わせ規格から外れた場合は、有機膜29およびレジスト膜30を剥離して、再度、有機膜29とレジスト膜30を塗布することができる。有機膜29およびレジスト膜30の剥離は、酸素プラズマアッシング後、洗浄液で洗浄することによる。酸素プラズマアッシングは、例えばダウンフロー型アッシャーを用い、アッシングガスには酸素(O2 )を例えば1700cm3 /minなる流量で供給し、バーファーガスには水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを例えば400cm3 /minなる流量で供給し、アッシング雰囲気のガス圧力を200Pa、RFパワーを1700W、基板温度を200℃に設定して、90秒間のアッシング処理を行う。洗浄は、一般的に用いられているRCA洗浄法であるSC−1洗浄(NH4 OH−H2 O2 −H2 )およびSC−2洗浄(HCl−H2 O2 −H2 O)を採用する。上記剥離工程においては、層間絶縁膜25の有機系絶縁膜22,24を構成するポリアリルエーテル系樹脂は、無機膜28のSiO膜に保護されているので、損傷を受けない。
【0039】
次に、図4の(5)に示すように、レジスト膜30をマスクに用いてレジスト膜30の開口部31内に露出している有機膜29(2点鎖線部分)をエッチングする。このエッチングでは、エッチングガスに例えばテトラフルオロメタン(CF4 )と酸素(O2 )とアルゴン(Ar)とを用いて、接続孔27の底部に有機膜29を残し、開口部31内におけるハードマスク膜26上および接続孔27側壁部の有機膜27を除去する。このとき、接続孔27の上部内壁およびハードマスク膜26上に形成されている有機膜29も同時に除去される。
【0040】
次に、図4の(6)に示すように、レジスト膜30をマスクに用い、エッチングガスにオクタフルオロシクロブタン(C4 F8 )と酸素(O2 )とアルゴン(Ar)とを用いて無機膜28の露出した部分(2点鎖線部分)をエッチングする。接続孔27内壁の無機膜28の厚さは10nm程度と薄いので、例えば30%程度のオーバエッチングで除去することができる。
【0041】
次に、図5の(7)に示すように、レジスト膜30をマスクに用い、エッチングガスにオクタフルオロシクロペンテン(C5 F8 )とジフルオロメタン(CH2 F2 )とアルゴン(Ar)と酸素(O2 )とを用いて、ハードマスク膜26(2点鎖線部分)をエッチングする。
【0042】
次に、図5の(8)に示すように、レジスト膜30〔前記図5の(7)参照〕ないし無機膜28をマスクに用い、エッチングガスにアンモニア(NH3 )と水素(H2 )とを用いて、有機系絶縁膜24(2点鎖線部分)をエッチングして、配線溝32を形成する。このエッチングでは、有機系材料をエッチングする条件を用いるため、有機系の膜であるレジスト膜30、有機膜29がエッチングされ、完全に除去される。このため、エッチングマスクはレジスト膜30、有機膜29、無機膜28の順に移行して行く。
【0043】
次に、エッチングガスに、オクタフルオロシクロブタン(C4 F8 )と酸素(O2 )とアルゴン(Ar)とを用いて、全面エッチングすることにより、無機膜28を完全に除去する。この結果、図5の(9)に示すように、層間絶縁膜25上部に配線溝32が形成され、この配線溝32の底部の層間絶縁膜25に接続孔27が形成される。
【0044】
次に、図5の(10)に示すように、エッチングするガスに、オクタフルオロシクロペンテン(C5 F8 )とジフルオロメタン(CH2 F2 )とアルゴン(Ar)と酸素(O2 )とを用いて、窒化シリコンからなるエッチングストッパ21、23の露出部分(2点鎖線部分)をエッチングし、接続孔27の底部に配線12を露出させる。このとき、ハードマスク膜26の上部もエッチングされる。
【0045】
次に、図5の(11)に示すように、上記配線溝32および接続孔27の内壁にスパッタ法によりバリア層33としてタンタルを例えば15nm〜30nmの厚さに形成した後、さらに銅メッキシード層(図示せず)を例えば10nm〜15nmの厚さに形成する。次いで、メッキ法によって、配線溝32および接続孔27の内部に銅35を埋め込む。このとき、ハードマスク膜26上にも銅35が堆積される。その後、上面の余分な銅35、銅メッキシード層(図示せず)、バリア層33、ハードマスク膜26〔前記図5の(10)参照〕を、化学的機械研磨(以下CMPという、CMPはChemical Mechanical Polishingの略)を用いて除去する。その結果、配線溝32内に埋め込まれた銅35で溝配線36が形成され、接続孔27内に埋め込まれた銅35でプラグ37が形成され、銅配線構造が完成する。
【0046】
次に、上記図4〜図5によって説明した具体的な製造方法の変形例を、以下によって説明する。
【0047】
第1の変形例は、前記図4の(3)の工程において、無機膜28を酸化シリコン膜で形成する代わりに、スパッタ法を用いて、無機膜28を窒化チタン(TiN)膜で形成することもできる。このときの無機膜28は、ハードマスク膜26上および接続孔底部での厚さが20nmであり、接続孔27の内壁での厚さが10nmとした。この窒化チタン膜からなる向き膜28の成膜条件を以下に説明する。成膜装置には、例えばDCマグネトロンスパッタ装置を用い、ターゲットには:窒化チタン(TiN)ターゲットを用い、スパッタリング雰囲気のガスにはアルゴン(Ar):30%と窒素(N2 ):70%との混合ガスを用いる。そして、スパッタリング装置のチャンバ内圧力を0.8mPa、DCパワーを6kW、RFパワーを175Wに設定した。また、この窒化チタンからなる無機膜28のエッチングには、通常のプラズマエッチング装置を用い、エッチングガスに塩素(Cl2 )と窒素(N2 )とを用い、その供給流量を塩素(Cl2 )は100cm3 /min、窒素(N2 )は50cm3 /minとし、プラズマエッチング装置のRFパワーを175Wに設定した。
【0048】
第2の変形例は、前記図4の(3)によって説明した無機膜28を形成した後、図6に示すように3層レジストプロセスの構造を用いる。
【0049】
すなわち、図6に示すように、接続孔27の内部およびハードマスク膜26上に、無機膜28を介して有機膜29を形成する。この有機膜29は、例えばノボラック系樹脂を回転塗布法により塗布した後、ベーキングすることにより形成される。この有機膜29の膜厚は、ハードマスク膜26の平坦面上で350nmとした。
【0050】
次に、無機マスクを形成するための無機膜61を、例えばオルガノ・ポリシロキサン・コポリマー(Organo Polysiloxane Copolymer)からなるSOG膜で形成する。このSOG膜は、例えば130nmの厚さになるようにSOG液を塗布法により塗布した後、ベーキングを行うことで形成される。
【0051】
次に、無機膜61上の全面に、塗布法によって、レジスト膜62を形成する。このレジスト膜62は、例えば化学増幅ネガ型のレジストにより形成し、無機膜61表面上の膜厚を例えば320nmになるように形成した。その後、リソグラフィ技術によって、配線溝を形成するための開口部63を形成した。このリソグラフィ技術には、例えばKrFエキシマレーザー露光機を用い、配線パターンの最小ピッチを例えば360nm、最小幅を180nmで上記配線溝を形成するための開口部63を形成した。なお、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部63の形成位置が位置ずれを起こさないことが理想ではあるが、本発明が位置ずれを起こしても可能であることを示すため、図面では、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部63の形成位置が、開口部63端部が接続孔27内側にかかった状態を示した。
【0052】
ここで、上記レジスト膜62に対するリソグラフィ工程において、線幅規格、または位置合わせ規格から外れた場合は、レジスト膜62から有機膜29までを剥離して、再度、有機膜29からレジスト膜62までを形成することができる。レジスト膜62の剥離は、例えばガンマブチルラクトンを用いて行う。無機膜61のSOGの剥離は、例えば1%のフッ酸水溶液を用いる。ノボラック系樹脂からなる有機膜29の剥離は、酸素プラズマアッシングを用い、最後に洗浄を行う。酸素プラズマアッシングは、例えばダウンフロー型アッシャーを用い、アッシングガスには酸素(O2 )を例えば1700cm3 /minなる流量で供給し、バーファーガスには水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを例えば400cm3 /minなる流量で供給し、アッシング雰囲気のガス圧力を200Pa、RFパワーを1700W、基板温度を200℃に設定して、120秒間のアッシング処理を行う。洗浄は、一般的に用いられているRCA洗浄法であるSC−1洗浄(NH4 OH−H2 O2 −H2 )およびSC−2洗浄(HCl−H2 O2 −H2 O)を採用する。上記剥離工程においては、層間絶縁膜25の有機系絶縁膜22,24を構成するポリアリルエーテル系樹脂は、無機膜28のSiO膜に保護されているので、損傷を受けない。
【0053】
第3の変形例は、前記図4の(3)によって説明した無機膜28を形成した後、図7に示すようにシリコン含有レジストプロセスの構造を用いる。
【0054】
すなわち、図7に示すように、接続孔27の内部およびハードマスク膜26上に、無機膜28を介して有機膜29を形成する。この有機膜29は、例えばノボラック系樹脂を回転塗布法により塗布した後、ベーキングすることにより形成される。この有機膜29の膜厚は、ハードマスク膜26の平坦面上で350nmとした。
【0055】
次に、有機膜29上の全面に、塗布法によって、レジスト膜71を形成する。このレジスト膜71は、例えば化学増幅ポジ型のシリコン含有レジストにより形成し、有機膜29表面上の膜厚を例えば320nmになるように形成した。その後、リソグラフィ技術によって、配線溝を形成するための開口部72を形成した。このリソグラフィ技術では、例えばKrFエキシマレーザー露光機を用いてパターン露光した後、アルカリ溶液にて現像を行い、配線パターンを形成した。なお、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部72の形成位置が位置ずれを起こさないことが理想ではあるが、本発明が位置ずれを起こしても可能であることを示すため、図面では、接続孔27に対して配線溝を形成するための開口部72の形成位置が、開口部72端部が接続孔27内側にかかった状態を示した。
【0056】
ここで、上記レジスト膜71に対するリソグラフィ工程において、線幅規格、または位置合わせ規格から外れた場合は、レジスト膜71および有機膜29までを剥離して、再度、有機膜29およびレジスト膜71を形成することができる。レジスト膜71およびノボラック系樹脂からなる有機膜29の剥離は、酸素プラズマアッシングを用い、最後に洗浄を行う。酸素プラズマアッシングは、例えばダウンフロー型アッシャーを用い、2段階のアッシングを行う。
【0057】
第1段目のアッシングでは、アッシングガスには酸素(O2 )を例えば1700cm3 /minなる流量で供給するとともにメタン(CH4 )を例えば100cm3 /minなる流量で供給する、バーファーガスには水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを例えば400cm3 /minなる流量で供給し、アッシング雰囲気のガス圧力を200Pa、RFパワーを1700W、基板温度を200℃に設定して、30秒間のアッシング処理を行う。
【0058】
第2段目のアッシングでは、アッシングガスに酸素(O2 )を例えば1700cm3 /minなる流量で供給し、バーファーガスには水素(H2 )と窒素(N2 )との混合ガスを例えば400cm3 /minなる流量で供給し、アッシング雰囲気のガス圧力を200Pa、RFパワーを1700W、基板温度を200℃に設定して、120秒間のアッシング処理を行う。洗浄は、一般的に用いられているRCA洗浄法であるSC−1洗浄(NH4 OH−H2 O2 −H2 )およびSC−2洗浄(HCl−H2 O2 −H2 O)を採用する。上記剥離工程においては、層間絶縁膜25の有機系絶縁膜22,24を構成するポリアリルエーテル系樹脂は、無機膜28のSiO膜に保護されているので、損傷を受けない。
【0059】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、有機系絶縁膜を用いた層間絶縁膜に溝配線および溝配線底部に接続するプラグを有する配線構造を、有機系絶縁膜を損傷することなく容易に製造することができる。このため、比誘電率が3以下の低誘電率膜である有機系絶縁膜を層間絶縁膜に用いることができるので、配線間容量を低くすることができるため、消費電力が低く、高速動作を可能にした半導体装置を容易に製造することができ、かつ溝配線構造により高集積化できる。また、配線溝形成時のレジスト膜、有機膜等の再生処理が可能になるので、歩留りの向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図2】本発明の半導体装置の製造方法に係る別の実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法に係る別の実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法に係る具体的な製造方法を示す製造工程断面図である。
【図5】本発明の半導体装置の製造方法に係る具体的な製造方法を示す製造工程断面図である。
【図6】本発明の半導体装置の製造方法に係る具体的な製造方法の変形例を示す概略構成断面図である。
【図7】本発明の半導体装置の製造方法に係る具体的な製造方法の変形例を示す概略構成断面図である。
【図8】従来の溝配線構造の製造方法を示す製造工程断面図である。
【図9】従来の溝配線構造の別の製造方法を示す製造工程断面図である。
【符号の説明】
22,24…有機系絶縁膜、25…層間絶縁膜、27…接続孔、28…無機膜、29…有機膜、32…配線溝、36…溝配線、37…プラグ
Claims (1)
- 有機系絶縁膜を含む層間絶縁膜に接続孔を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上および前記接続孔内面を被覆する無機膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に前記無機膜を介して前記接続孔内の少なくとも底部を埋め込む有機膜を形成する工程と、
前記接続孔底部に前記有機膜を残すように前記接続孔内の前記有機膜を除去する工程と、
前記層間絶縁膜に前記接続孔に接続する配線溝を形成する工程と、
前記接続孔内部の有機膜を除去する工程と、
前記無機膜を除去する工程と、
前記配線溝および前記接続孔内部に導電性材料を埋め込み溝配線とこの溝配線に連続したプラグを形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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