JP2000077409A

JP2000077409A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000077409A
Application number: JP10245742A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Ikeda; 雅延池田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ダマシン法により配線又はビアを形成する工程
を有する半導体装置の製法に関し、有機絶縁膜に形成さ
れる開口形状を精度良く形成するとともに開口の側壁に
形成されるメタルを従来よりも薄くすること。【解決手段】無機絶縁膜31の上又は下に有機絶縁膜32(3
0)を形成し、無機絶縁膜31に第一の開口31a を形成し、
有機絶縁膜32に第二の開口32a を形成し、無機絶縁膜31
の第一の開口31ａと有機絶縁膜32の第二の開口32a に沿
って金属膜37を形成し、次いで、無機絶縁膜31と有機絶
縁膜32を所望の温度まで加熱した後にその加熱を停止し
て所定時間放置し、さらに、金属膜37にエッチングガス
を供給して無機絶縁膜31と有機絶縁膜32の減衰温度の違
いによって無機絶縁膜31の第一の開口31a に金属膜37を
残したままで有機絶縁膜32の第二の開口32a から金属膜
37をエッチングして選択的に除去する工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、より詳しくは、ダマシン法により配線又は
ビアを形成する工程を含む半導体装置の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化とチップサイズの
縮小化にともない、配線の微細化及び多層配線化が加速
的に進められている。こうした多層配線を有するロジッ
クデバイスにおいては、配線がデバイス信号遅延の支配
的な要因の１つになりつつある。デバイスの信号遅延は
配線抵抗と配線容量の積に比例しており、配線遅延の改
善のためには配線抵抗及び配線容量の軽減が重要となっ
てくる。

【０００３】そこで、配線容量を低減するために、炭化
水素系有機材料やフルオロカーボン系有機材料などを層
間絶縁膜に用いることが検討されている。それらの材料
は誘電率２．３〜２．５であり、従来の絶縁材料である
SiO₂と比較すると約４０％程度誘電率が低い。また、配
線抵抗の低減のために従来のアルミニウム配線から低抵
抗の銅配線へと移行しようとしている。

【０００４】一方、多層配線形成技術においては、銅の
ドライエッチングが困難であるために配線とその下のビ
アを同時に形成するデュアルダマシンプロセスが今後主
流となると考えられている。デュアルダマシンプロセス
は、概ね次のようになっている。例えば、図１(a) に示
すように、シリコン基板１の上に第一の低誘電率有機絶
縁膜２、第一の酸化シリコン膜３を形成した後に、フォ
トリソグラフィー法によって第一の低誘電率有機絶縁膜
２と第一の酸化シリコン膜３に第一の配線用溝４を形成
する。その後に、第一の配線用溝４の内面と第一の酸化
シリコン膜３の上面に窒化チタンよりなる第一のバリア
メタル膜５ａを形成し、さらに第一のバリアメタル膜５
ａの上に第一の銅膜５ｂを形成した後に、第一の銅膜５
ｂを加熱して埋め込み性を改善する。そして、化学機械
的研磨（ＣＭＰ）法によって第一のバリアメタル５ａと
第一の銅膜５ｂを第一の酸化シリコン膜３上から除去す
ると同時に平坦化を行う。これにより第一の配線用溝４
の中に残った第一の銅膜５ｂを第一の配線５として使用
する。

【０００５】次に、図１(b) に示すように、第一の配線
５と第一の酸化シリコン膜３の上に第二の低誘電率有機
絶縁膜６、第二の酸化シリコン膜７、第三の低誘電率有
機絶縁膜８、第三の酸化シリコン膜９を順に形成する。
その後に、例えば特開平10-112503 号公報、特開平9-55
429 号公報に記載されているような方法によって、図１
(c) に示すように、第二の低誘電率有機絶縁膜６、第二
の酸化シリコン膜７にビアホール１０を形成するととも
に、第三の低誘電率有機絶縁膜８、第三の酸化シリコン
膜９に第二の配線用溝１１を形成する。

【０００６】この後に、ビアホール１０の内面と配線用
溝１１の内面に沿って第二のバリアメタルを形成し、さ
らに、第二のバリアメタル膜の上に第二の銅膜を形成
し、それらの膜をＣＭＰ法によって研磨して、ビアホー
ル１０の中に残った第二の銅膜をビアとして使用し、第
二の配線用溝１１の中に残った第二の銅膜を第二の配線
として使用する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、有機絶縁膜
をエッチングする際には酸素プラズマを用いているが、
有機絶縁膜は酸素プラズマに対してエッチング耐性がな
いために、図２(a) に示すように、小径のビアホール１
０が形成される第二の有機絶縁膜３のエッチングが等方
的になりやすい。

【０００８】そのためにビアホール１０内に形成される
バリアメタル膜１２のカバレッジが図２(b) に示すよう
に悪くなるとともに、ビアホール１０内に形成される銅
膜に空洞が生じ易くなって配線不良が生じる原因とな
る。これまでにサイドエッチングが入らないように全面
にプラズマSiO₂、プラズマSiN などをビアホール１０お
よび配線用溝１１に堆積し、異方性エッチングにより側
壁にのみ保護膜を残す試みはなされている。そのような
技術は、例えば特開平５−１８３１６２、特開平９−６
９５６０に記載されている。ところがこの方法を有機低
誘電率膜に適用しても有機低誘電率膜のエッチング中に
はプラズマ中の酸素ラジカルあるいは水素ラジカルはプ
ラズマSiO₂（比誘電率４．１）、プラズマSiN （比誘電
率７．５）とは反応消滅しないためにエッチング形状不
良の問題は解決しない。さらにこれらの膜は比誘電率が
それぞれ４．１、７．５と高いために低誘電率膜を層間
絶縁膜に用いる効果が薄れる。

【０００９】また、第二の配線用溝１１の幅が０．２５
μｍ以下になると、第二の配線用溝１１内で第三の低誘
電率有機絶縁膜８と第三の酸化シリコン膜９の側面に形
成されるバリアメタル膜１２の膜厚がその側方に形成さ
れる銅膜１３の厚さと同じかあるいはそれ以上になって
しまう。このため、配線抵抗はバリアメタルの抵抗によ
って決定されるので、ビアに銅を埋め込む優位性が失わ
れてしまう。

【００１０】本発明は、有機絶縁膜に形成される開口の
形状を精度良くするとともに、絶縁膜の開口の内周面に
形成される金属膜を従来よりも薄くすることができるダ
マシン工程を含む半導体装置の製造方法を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、図５〜
図７に例示するように、半導体基板の上方において無機
絶縁膜の上又は下に有機絶縁膜を形成する工程と、前記
無機絶縁膜に第一の露出面を形成し、前記有機絶縁膜に
第二の露出面を形成する工程と、前記無機絶縁膜の前記
第一の露出面と前記有機絶縁膜の前記第二の露出面に沿
って金属膜を形成する工程と、前記無機絶縁膜と前記有
機絶縁膜を所望の温度まで加熱する工程と、前記無機絶
縁膜と前記有機絶縁膜の加熱を停止して所定時間放置す
る工程と、前記金属膜にエッチングガスを供給して前記
無機絶縁膜と前記有機絶縁膜の温度の減衰速度の違いに
よって前記無機絶縁膜の前記第一の露出面に前記金属膜
を残したままで前記有機絶縁膜の前記第二の露出面から
前記金属膜をエッチングして選択的に除去する工程とを
有することを特徴とする半導体装置の製造方法によって
解決する。

【００１２】上記した課題は、前記第一の露出面と前記
第二の露出面の少なくとも一方は開口であることを特徴
とする。上記した課題は、図５〜図７に例示するよう
に、半導体基板１の上方において有機絶縁膜３０の上に
無機絶縁膜３１を形成する工程と、前記無機絶縁膜３１
をパターニングして開口３１ａを形成する工程と、前記
無機絶縁膜３１のうちの前記開口３１ａの内周面と前記
開口３１ａの下の前記有機絶縁膜３０の露出面に沿って
金属膜３７を形成する工程と、前記無機絶縁膜３１と前
記有機絶縁膜３０を所望の温度まで加熱する工程と、前
記無機絶縁膜３１と前記有機絶縁膜３０の加熱を停止し
て所定時間放置する工程と、前記金属膜３７にエッチン
グガスを供給して前記無機絶縁膜３１と前記有機絶縁膜
３０の温度の減衰速度の違いによって前記無機絶縁膜３
１の前記開口３１ａの内周面に前記金属膜３７を残した
ままで前記有機絶縁膜３０の前記露出面から前記金属膜
３７をエッチングして選択的に除去する工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法により解決す
る。

【００１３】上記した半導体装置の製造方法において、
前記無機絶縁膜３１の上には有機材料よりなるマスクパ
ターン３２（３６）が形成され、前記金属膜３７は前記
マスクパターン３２（３６）の露出面に沿って形成さ
れ、前記マスクパターン３２（３６）は、前記有機絶縁
膜３０とともに加熱され、その後加熱が停止され、前記
マスクパターン３２（３６）の前記露出面に存在する前
記金属膜３７は、前記有機絶縁膜３０の上面に存在する
前記金属膜３７とともに除去されることを特徴とする。

【００１４】上記した半導体装置の製造方法において、
前記無機絶縁膜３１の前記開口３１ａの前記内周面にの
み残された前記金属膜３７の表面を通して前記有機絶縁
膜３０にエッチングガスを供給することにより、前記有
機絶縁膜３０を異方性エッチングして下側の開口３０Ａ
を形成する工程を有することを特徴とする。この場合に
は、前記開口３１ａと前記下側の開口３０ａには銅膜４
１が埋め込まれる。

【００１５】上記した半導体装置の製造方法は、シング
ルダマシン法にも適用できるが、次のような工程を加え
ることによってデュアルダマシン法にも適用できる。即
ち、上記した半導体装置の製造方法において、前記無機
絶縁膜３１の上には上側の有機絶縁膜３２を形成し、前
記上側の有機絶縁膜３２の上には上側の無機絶縁膜３３
が形成され、前記上側の無機絶縁膜３３には前記開口３
１ａよりも広い配線用開口３３ｂが形成され、前記上側
の有機絶縁膜３２には前記配線用開口３３ｂよりも狭い
ビア形状開口３２ａが形成され、前記無機絶縁膜３１に
形成される前記開口３１ａは、前記上側の有機絶縁膜３
２をマスクにしてエッチングにより形成され、前記金属
膜３７は、前記上側の無機絶縁膜３３の前記配線用開口
３３ｂの内周と前記上側の有機絶縁膜３２の前記ビア形
状開口３２ａの内面にも形成され、前記金属膜３７を前
記有機絶縁膜３０の前記露出面から選択的に除去する際
には、前記上側の有機絶縁膜３０の前記ビア形状開口３
２ａの内面からも選択的に除去され、前記無機絶縁膜３
１の開口３１ａを通して前記有機膜３０をエッチングし
て下側のビア形状開口３０ａが形成するとともに、前記
上側の無機絶縁膜３３の前記配線用開口３３ｂを通して
前記上側の有機絶縁膜３２に下側の配線用開口３２ｂを
形成する工程と、前記配線用開口と前記下側配線用開口
と前記開口と前記下側のビア形状開口３０ａ内に導電膜
を埋め込む工程とをさらに有することを特徴とする。

【００１６】上記した半導体装置の製造方法において、
前記無機絶縁膜はシリコン酸化膜であり、前記金属膜は
高融点金属膜であることを特徴とする。次に、本発明の
作用について説明する。本発明によれば、有機絶縁膜の
上に無機絶縁膜を形成し、無機絶縁膜に開口を形成した
後に、無機絶縁膜の開口の内周面とこの開口の下の有機
絶縁膜の露出面に沿って金属膜を形成し、続いて無機絶
縁膜と有機絶縁膜を所望の温度まで加熱し、さらに、無
機絶縁膜と有機絶縁膜の加熱を停止して所定時間放置し
た後に、金属膜にエッチングガスを供給して無機絶縁膜
と有機絶縁膜の減衰温度の違いによって無機絶縁膜の開
口の内周面に金属膜を残したままで有機絶縁膜の露出面
から金属膜をエッチングして選択的に除去するようにし
た。

【００１７】即ち、有機絶縁膜と無機絶縁膜の温度の減
衰速度の違いによって、それらの露出面（例えば開口内
周面）に形成された金属膜のエッチングレートを異なら
せることによって無機絶縁膜の露出面（開口内周面）に
のみ選択的に金属膜を残すようにした。この結果、シン
グルダマシン法やデュアルダマシン法を適用して有機絶
縁膜と無機絶縁膜に配線用溝やビアホールを形成する際
に、無機絶縁膜の開口の内周面にのみ金属膜を形成する
ことができる。

【００１８】無機絶縁膜の開口の内周面に残る金属は、
わずかながらエッチングされて成膜時よりも薄くなるの
で、その開口の中にさらに導電膜（例えば銅）を埋め込
む場合には、その埋め込みが容易になる。また、無機絶
縁膜に形成された開口を通してその下の有機絶縁膜をエ
ッチングする場合には、無機絶縁膜の開口の内周面に残
された金属によって等方性エッチングをもたらすエッチ
ャント数が減少するので、有機絶縁膜の異方性のエッチ
ングが進み難くなって、垂直方向に異方性エッチングが
進み易くなる。この結果、有機絶縁膜に形成される開口
の寸法精度が従来よりも高くなる。

【００１９】この場合、金属膜が形成される領域は、無
機絶縁膜の開口の内周面と開口の直下の有機絶縁膜の上
面であるために、金属膜は有機絶縁膜の上から選択的に
除去されるので、有機絶縁膜に形成される開口の下方の
下側配線の上に金属膜が残ることはなくなり、開口に埋
め込まれる導電膜と下側配線とのコンタクト抵抗が従来
よりも低くなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】そこで、以下に本発明の実施形態
を図面に基づいて説明する。（第１の実施の形態）図３〜図７は、半導体装置の配線
とビアをデュアルダマシン法を用いて形成する工程を示
している。

【００２１】半導体装置における下側配線層の形成工程
を図３(a) 〜図３(c) に基づいて説明する。まず、図３
(a) に示すように、、シリコン基板２１の上に第一のシ
リコン酸化膜（SiO₂膜）２２、シリコン窒化膜２３、第
一の有機絶縁膜２４、第二のシリコン酸化膜２５を順に
形成した後に、第一の有機絶縁膜２４と第二のSiO₂膜２
５をフォトリソグラフィー技術を用いて第一の配線用溝
２６を形成する。フォトリソグラフィー技術は、フォト
レジストパターンとドライエッチングを用いるパターニ
ング方法である。

【００２２】第一のシリコン酸化膜２２と第二のシリコ
ン酸化膜２５はそれぞれプラズマＣＶＤ法により３００
nmの厚さ、１５０nmの厚さに形成され、また、シリコン
窒化膜２３はプラズマＣＶＤ法により５０nmの厚さに形
成されている。また、第一の有機絶縁膜２４は、低誘電
率絶縁材料をスピンコートにより４００nmの厚さに形成
したものである。低誘電率絶縁材料として、例えばアラ
イドシグナル(Allied Signal) 社製の商品名ＦＬＡＲＥ
２．０がある。商品名ＦＬＡＲＥ２．０は芳香族系のポ
リマーで、その誘電率が２．８であってSiO₂膜の誘電率
４．１よりも低く、しかも耐熱性は４００℃以上であ
る。その他の低誘電率絶縁材として、ダウケミカル（Do
w Chemical）社製の商品名ＳｉＬＫ、旭化成社製の商品
名ＡＬＣＡＰ、シュウマッハ（Shumacher ）社製の商品
名ＶＥＬＯＸなどがあり、その他の炭化水素含有樹脂、
フッ素含有樹脂などを用いてもよい。

【００２３】次に、図３(b) に示すように、第一の配線
用溝２６の内面と第二のSiO₂膜２５の上面の上に、高融
点金属としてTiN よりなる第一のバリアメタル膜２７を
スパッタリングにより５０nmの厚さで成膜し、続いて、
第一のバリアメタル膜２７上に第一の銅（Cu）膜２８を
スパッタリングにより１５０nmの厚さで成膜し、ついで
電解メッキにより第一のCu膜２８をさらに８００nmの厚
さで形成した。

【００２４】続いて、第一のCu膜２８の埋め込み性の改
善のために、第一のCu膜２８を０．１Torr圧力の水素ガ
ス雰囲気で、３５０℃、５分間の条件でアニール処理を
行う。このアニール処理後には、第一の配線用溝２６内
には第一のCu膜２８が完全に埋め込まれた状態となる。
続いて、図３(c) に示すように、化学機械的研磨法（Ｃ
ＭＰ法）を用いて第一のCu膜２８と第一のバリアメタル
膜２７を研磨し、第一の配線用溝１０内のみに第一のCu
膜２８及び第一のバリアメタル膜２７を残し、これらを
第一の配線２９として使用する。

【００２５】次に、図４(a) に示すように、第一の配線
２９と第二のSiO₂膜２５を覆う複数層の層間絶縁膜を形
成する。第一の配線２９と第二のSiO₂膜２５の上に、膜
厚２００nmの第二の有機絶縁膜３０と、膜厚５５０nmの
第三のSiO₂膜３１と、膜厚４００nmの第三の有機絶縁膜
３２と、膜厚１５０nmの第四のSiO₂膜３３を順に形成す
る。

【００２６】第二の有機絶縁膜３０と第三の有機絶縁膜
３２は、それぞれ第一の有機絶縁膜３０に適用される上
記した低誘電率絶縁材料のいずれかを用い、これをスピ
ンコートした後に窒素雰囲気中で４２５℃で３０分のキ
ュアを行なうことによって形成される。また、第三のSi
O₂膜３１と第四のSiO₂膜３３は、それぞれ成長温度３５
０℃でシランと酸素含有ガスの混合ガスを用いてプラズ
マＣＶＤ法により形成される。

【００２７】そのような複数の絶縁膜３０〜３３を形成
した後に、第四のSiO₂膜３３の上にフォトレジスト３４
を塗布し、これを露光、現像して第一の配線２９の一部
の上方位置にビアホールパターン形状の窓３４ａを形成
する。続いて、フォトレジスト３４をマスクに使用し
て、窓３４ａを通して第四のSiO₂膜３３をエッチングし
て開口３３ａを形成する。そのエッチングの際には、CF
₄、CH₂F₂及びArガスを用いた。そのエッチングガスは
フルオロカーボン系なので、第四のSiO₂膜３３が選択的
にエッチングされる一方で、その下の第三の有機絶縁膜
３２はあまりエッチングされない。

【００２８】さらに、図４（ｂ）に示すように、第四の
SiO₂膜３３をマスクに使用して第三の有機絶縁膜３２を
エッチングすると、第三の有機絶縁膜３２にはビアホー
ルパターン形状の開口３２ａが形成される。この場合、
フォトレジスト３４も同時にエッチングされて除去され
る。第三の有機絶縁膜３２のエッチングはO₂とアルゴン
（Ar）を導入した雰囲気において行なわれ、その際、Si
O₂膜がエッチングされることはない。

【００２９】これ以降の工程における有機絶縁膜とSiO₂
膜のそれぞれのエッチングは、上記と同様のエッチング
方法を採用する。次に、図４(c) に示すように、第四の
SiO₂膜３３の上と開口３３ａ，３２ａの中にフォトレジ
スト膜３６を塗布し、これを露光、現像することによ
り、ビアホールパターン形状の開口３２ａ，３３ａを通
る配線パターン形状の窓３６ａを形成する。

【００３０】続いて、図５(a) に示すように、フォトレ
ジスト膜３６をマスクにして、窓３６ａを通して第四の
SiO₂膜３３をエッチングすることにより、第四のSiO₂膜
３３に配線パターン形状の開口３３ｂを形成する。その
後に、図５(b) に示すように、フォトレジスト膜３６の
上面、フォトレジスト膜３６の窓３６ａの内面、第四の
SiO₂膜３３の開口３３ｂの内面、第三の有機絶縁膜３２
の開口３２ａの内面、第三のSiO₂膜３１の開口３１ａの
内面及び開口３１ａから露出している第二の有機絶縁膜
３０の上面に沿って窒化チタン（TiN ）よりなる第二の
バリアメタル膜３７を形成する。この段階では、第二の
有機絶縁膜３０には開口が形成されていないので従来に
比べてTiN バリアメタル膜３７のカバレッジは良好であ
る。そのTiN バリアメタル膜３７は、反応ガスとしてＴ
ＤＭＡＴ又はＴＤＥＡＴを使用して有機金属気相成長方
（ＭＯＣＶＤ法）によって２０〜５０nmの厚さに形成す
る。この膜厚は、フォトレジスト膜３６の上における値
である。

【００３１】次に、シリコン基板２１をエッチングチャ
ンバ（不図示）内に入れ、そこでランプを用いてシリコ
ン基板２１の上のSiO₂膜、有機絶縁膜などを加熱し、例
えば第二及び第三の有機絶縁膜３０，３２と第三及び第
四のSiO₂膜３１，３３を２５０℃になるまで加熱する。
続いて、ランプの照射を停止し、停止から１分経過後に
Heガスで希釈したClF₃ガスをエッチングチャンバ内に導
入する。この場合、エッチングチャンバ内の全ガス圧力
を０．２Torrとし、ClF₃分圧が９mTorr となるようにCl
F₃ガスの流量を調整する。

【００３２】このようなエッチング処理によれば、図６
(a) に示すように、第四のSiO₂膜３３の開口３２ｂの内
周面上と第三のSiO₂膜３１の開口３１ａの内周面上にTi
N バリアメタル膜３７が選択的に残る一方、第二及び第
三の有機絶縁膜３０，３２の表面とフォトレジスト膜３
６の表面からはTiN バリアメタル膜３７が除去される。
この場合、第四のSiO₂膜３３の開口３２ｂの内周面上と
第三のSiO₂膜３１の開口３１ａの内周面上に残るTiN バ
リアメタル膜３７の膜厚は１０〜４０nmとなる。

【００３３】なお、バリアメタル膜３７は、後の工程で
形成される銅がSiO₂膜に拡散することを防止するために
必要となっている。このようにSiO₂膜の露出部分にだけ
TiN が選択成長するのは次のような理由による。即ち、
低誘電率材料である有機絶縁膜とSiO₂膜を同時に２５０
℃まで加熱した後に加熱を停止すると、加熱停止後の経
過時間と膜温度変化の関係は図８に示すようになり、温
度減衰速度はSiO₂膜よりも有機系低誘電体膜の方が遅く
なることが分かる。

【００３４】しかも、TiN 膜のエッチングレートと温度
との関係は図９のようになり、温度が高い方がTiN 膜の
エッチングレートが大きくなることがわかる。図９によ
れば、加熱停止から６０秒経過した時点において、SiO₂
膜の温度は５０℃となってその上のTiN 膜のエッチング
レートは４０Å／分（４nm／分）となるのに対して、有
機系低誘電率膜の温度は１５０℃となってその上のTiN
膜３７のエッチングレートは約５×１０³Å／分（５×
１０²nm／分）となって２桁の違いがある。

【００３５】以上のように、開口３３ｂと開口３１ａの
各々の内周面上にTiN バリアメタル膜３７を選択的に残
した後に、図６(b) に示すように、第三のSiO₂膜３１と
第四のSiO₂膜３３をマスクに使用して第二の有機絶縁膜
３０と第三の有機絶縁膜３２をエッチングし、これと同
時に、フォトレジスト膜３６をエッチングして除去す
る。これにより、第二の有機絶縁膜３０にはビアパター
ン形状の開口３０ａが形成され、また、第三の有機絶縁
膜３２には配線パターン形状の開口３２ｂが形成され
る。

【００３６】この場合、配線パターン形状の開口３２ｂ
は、ビアパターン形状の開口３２ａを含む領域に形成さ
れるので、ビアパターン形状の開口３２ａは消滅する。
そのエッチングは、O₂とN₂とアルゴンを含むガスを用い
る反応性イオンエッチングにより行われ、この場合エッ
チング雰囲気の圧力は０．０２Torr、酸素分圧は０．０
１Torrである。

【００３７】この場合、第二の有機絶縁膜３０及び第三
の有機絶縁膜３２において垂直方向に優れた異方性エッ
チングが進むのは、有機系低誘電率膜のエッチングの際
には、TiN バリアメタル膜３７と有機絶縁膜との酸素ラ
ジカル、水素ラジカルの消滅速度の違いに起因する。即
ち、表１に示すように酸素ラジカル、水素ラジカルの反
応確率は、金属膜よりも有機絶縁膜の方が小さくて、酸
素ラジカルは金属膜の表面を通過することにより減少す
る。したがって第三の有機絶縁膜３２の酸素ラジカルに
よるエッチング速度が抑制され、その開口３２ａの側方
へのエッチング制御が容易になるからである。

【００３８】

【表１】

【００３９】以上の有機絶縁膜のエッチングによって、
第二の有機絶縁膜３０と第三のSiO₂膜３１に形成された
開口３０ａ，３１ａはビアホール３９として使用され、
また、第三の有機絶縁膜３２と第四のSiO₂膜３３に形成
された開口３２ｂ，３３ｂは配線用溝３８として使用さ
れる。次に、図７(a) に示すように、配線用溝３８の内
面とビアホール３９の内面と第四のSiO₂膜３３の上面に
沿って銅よりなるシード膜４０を１５０nmの厚さに形成
した後に、シード膜４０を電極に使用して電解メッキ法
によりシード膜４０の上に第二の銅（Cu）膜４１を形成
して第二の銅膜４１をビアホール３９の中と配線用溝３
８の中に埋め込む。

【００４０】さらに、加熱によって第二のCu膜４１をリ
フローして埋め込み特性を改善した後に、第二のCu膜４
１を化学機械研磨によって研磨して第四のSiO₂膜３３の
上面から除去する。これにより、図７(b) に示すよう
に、配線用溝３８の中に残った第二のCu４１を第二の配
線４２として使用するとともに、ビアホール３９の中に
残った第二のCu膜４１をビア４３として使用する。

【００４１】以上のような工程により形成されたビア４
３と第一の配線２９のコンタクト抵抗とビア４３の径と
の関係を調べたところ図１０の実線のようになった。ま
た、図２の(c) に示したビア１０に銅を埋め込んで形成
したビアの径とこのビアと配線５とのコンタクト抵抗と
の関係を調べたところ図１０の破線のようになった。こ
のように本実施形態によってコンタクト抵抗が低下した
のは、第二の有機膜３０に開口３０ａを形成する前に、
その上のバリアメタル膜３７が上記したエッチングによ
り除去されて第一の配線２９の上に残ることはないこと
と、配線用溝３８の内周面とビア３９の内周面にそれぞ
れ残されたバリアメタル膜３７は成膜後に少しエッチン
グされることによって銅がビア３９に埋め込み易くなっ
たことによる。

【００４２】なお、上記した層間絶縁膜の一部にはSiO₂
膜を用いているが、そのSiO₂膜の代わりに不純物を含む
SiO₂膜、窒化シリコン膜、その他の無機絶縁膜を用いて
もよい。また、第二のバリアメタル膜３７としては、Ti
N の他にタンタル（Ta）、窒化タンタル（TaN ）、タン
グステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）を用いても
よい。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、有機
絶縁膜と無機絶縁膜の温度の減衰速度の違いにより、そ
れらの露出面（例えば開口内周面）に形成された金属膜
のエッチングレートを異ならせることによって無機絶縁
膜の露出面（開口内周面）にのみ選択的に金属膜を残す
ようにした。

【００４４】この結果、シングルダマシン法やデュアル
ダマシン法を適用して有機絶縁膜と無機絶縁膜に配線用
溝やビアホールを形成する際に、無機絶縁膜の開口の内
周面にのみ金属膜を形成することができる。無機絶縁膜
の開口の内周面に残る金属は、わずかながらエッチング
されて成膜時よりも薄くなるので、その開口の中にさら
に導電膜（例えば銅）を埋め込む場合には、その埋め込
みが容易になる。

【００４５】また、無機絶縁膜に形成された開口を通し
てその下の有機絶縁膜をエッチングする場合には、無機
絶縁膜の開口の内周面に残された金属によって等方的な
エッチングの原因となるエッチャントの数が減少するの
で、有機絶縁膜の等方性のエッチングが進み難くなっ
て、垂直方向に異方性エッチングが進み易くなり、この
結果、有機絶縁膜に形成される開口の寸法精度を従来よ
りも高くすることができる。

【００４６】この場合、金属膜が形成される領域は、無
機絶縁膜の開口の内周面と開口の直下の有機絶縁膜の上
面であるために、加熱後の温度の原衰速度の違いに基づ
いて、有機絶縁膜の上の金属膜は選択的に除去されるの
で、有機絶縁膜の開口の下の下側配線の上に金属膜が残
ることはなくなり、開口に埋め込まれる導電膜と下側配
線とのコンタクト抵抗を従来よりも低くすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) 〜図１(c) は、従来のデュアルダマシ
ン法におけるビア及び配線溝の形成工程を示す断面図で
ある。

【図２】図２(a) は、図１(c) に示すビアの実際の形状
を示す断面図、図２(b) は、ビア及び配線溝の内面に沿
ってバリアメタルを形成した状態を示す断面図である。

【図３】図３(a) 〜図３(c) は、本発明の実施形態に係
るデュアルダマシン法により半導体装置での配線とビア
を形成する工程を示す断面図（その１）である。

【図４】図４(a) 〜図４(c) は、本発明の実施形態に係
るデュアルダマシン法により半導体装置での配線とビア
を形成する工程を示す断面図（その２）である。

【図５】図５(a),(b) は、本発明の実施形態に係るデュ
アルダマシン法により半導体装置での配線とビアを形成
する工程を示す断面図（その２）である。

【図６】図６(a),(b) は、本発明の実施形態に係るデュ
アルダマシン法により半導体装置での配線とビアを形成
する工程を示す断面図（その３）である。

【図７】図７(a),(b) は、本発明の実施形態に係るデュ
アルダマシン法により半導体装置での配線とビアを形成
する工程を示す断面図（その３）である。

【図８】図８は、本発明の実施形態におけるSiO₂膜と有
機絶縁膜との加熱停止後の経過時間とそれらの膜の温度
との関係を示す図である。

【図９】図９は、本発明の実施形態における窒化チタン
膜のエッチングレートと温度との関係を示す図である。

【図１０】図１０は、本発明の実施形態により形成した
ビアの径とビアコンタクト抵抗との関係と、従来の方法
により形成したビアの径とビアコンタクト抵抗との関係
を示す図である。

【符号の説明】

２１…シリコン基板、２２…第一のシリコン酸化膜、２
３…第一のシリコン窒化膜、２４…第一の有機絶縁膜、
２５…第二のシリコン酸化膜、２６…第一の配線用溝、
２７…第一のバリアメタル膜、２８…第一の銅膜、２９
…第一の配線、３０…第二の有機絶縁膜、３１…第三の
シリコン酸化膜、３２…第三の有機絶縁膜、３３…第四
のシリコン酸化膜、３４，３６…フォトレジスト膜、３
７…第二のバリアメタル膜、３８…配線用溝、３９…ビ
アホール、４０…シード膜、４１…第二の銅膜、４２…
第二の配線、４３…ビア。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の上方において無機絶縁膜の上
又は下に有機絶縁膜を形成する工程と、前記無機絶縁膜に第一の露出面を形成し、前記有機絶縁
膜に第二の露出面を形成する工程と、前記無機絶縁膜の前記第一の露出面と前記有機絶縁膜の
前記第二の露出面に沿って金属膜を形成する工程と、前記無機絶縁膜と前記有機絶縁膜を所望の温度まで加熱
する工程と、前記無機絶縁膜と前記有機絶縁膜の加熱を停止して所定
時間放置する工程と、前記金属膜にエッチングガスを供給して前記無機絶縁膜
と前記有機絶縁膜の温度の減衰速度の違いによって前記
無機絶縁膜の前記第一の露出面に前記金属膜を残したま
まで前記有機絶縁膜の前記第二の露出面から前記金属膜
をエッチングして選択的に除去する工程とを有すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記第一の露出面と前記第二の露出面の少
なくとも一方は開口であることを特徴とする請求項１記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】半導体基板の上方において有機絶縁膜の上
に無機絶縁膜を形成する工程と、前記無機絶縁膜をパターニングして開口を形成する工程
と、前記無機絶縁膜のうちの前記開口の内周面と前記開口の
下の前記有機絶縁膜の露出面に沿って金属膜を形成する
工程と、前記無機絶縁膜と前記有機絶縁膜を所望の温度まで加熱
する工程と、前記無機絶縁膜と前記有機絶縁膜の加熱を停止して所定
時間放置する工程と、前記金属膜にエッチングガスを供給して前記無機絶縁膜
と前記有機絶縁膜の温度の減衰速度の違いによって前記
無機絶縁膜の前記開口の内周面に前記金属膜を残したま
まで前記有機絶縁膜の前記露出面から前記金属膜をエッ
チングして選択的に除去する工程とを有することを特徴
とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記無機絶縁膜の上には有機材料よりなる
マスクパターンが形成され、前記金属膜は前記マスクパターンの露出面に沿って形成
され、前記マスクパターンは、前記有機絶縁膜とともに加熱さ
れ、その後加熱が停止され、前記マスクパターンの前記露出面に存在する前記金属膜
は、前記有機絶縁膜の上面に存在する前記金属膜ととも
に除去されることを特徴とする請求項３記載の半導体装
置の製造方法。
【請求項５】前記無機絶縁膜の前記開口の前記内周面に
のみ残された前記金属膜の表面を通して前記有機絶縁膜
にエッチングガスを供給することにより、前記有機絶縁
膜を異方性エッチングして下側の開口を形成する工程を
有することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項６】前記開口と前記下側の開口には、銅膜が埋
め込まれ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。
【請求項７】前記無機絶縁膜の上には上側の有機絶縁膜
が形成され、前記上側の有機絶縁膜の上には上側の無機絶縁膜が形成
され、前記上側の無機絶縁膜には前記開口よりも広い配線用開
口が形成され、前記上側の有機絶縁膜には前記配線用開口よりも狭いビ
ア形状開口が形成され、前記無機絶縁膜に形成される前記開口は、前記上側の有
機絶縁膜をマスクにしてエッチングにより形成され、前記金属膜は、前記上側の無機絶縁膜の前記配線用開口
の内周と前記上側の有機絶縁膜の前記ビア形状開口の内
面にも形成され、前記金属膜を前記有機絶縁膜の前記露出面から選択的に
除去する際には、前記上側の有機絶縁膜の前記ビア形状
開口の内面からも選択的に除去され、前記無機絶縁膜の開口を通して前記有機膜をエッチング
して下側のビア形状開口を形成するとともに、前記上側
の無機絶縁膜の前記配線用開口を通して前記上側の有機
絶縁膜に下側の配線用開口を形成する工程と、前記配線用開口と前記下側配線用開口と前記開口と前記
下側のビア形状開口内に導電膜を埋め込む工程とをさら
に有することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項８】前記無機絶縁膜はシリコン酸化膜であり、
前記金属膜は高融点金属膜であることを特徴とする請求
項３又は請求項７記載の半導体装置の製造方法。