JP2001351923A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 平坦化をＣＭＰで行うダマシン法を用いて、
従来より短時間に半導体装置やマイクロマシンを形成で
きるようにする。 【解決手段】 レジストパターン１２１を除去した後、
化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により、金属パターン１
０５の層間絶縁膜１０２表面上に突出している部分を研
削研磨し、層間絶縁膜１０２上を平坦化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置やマイ
クロマシン装置において用いられる配線などの微細なパ
ターンを形成するパターン形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置において、素子をより小さな
面積により高密度に集積するためには、素子や配線をよ
り微細に形成するとともに、配線を多層に形成する多層
構造を用いることが必要となる。また、マイクロマシン
装置においても、３次元構造を実現するために、多層構
造を用いることになる。これら多層構造では、全ての層
が膜厚の均一な平らな層ではなく、様々なパターンが形
成された複雑な凹凸のある層も存在する。例えば、ＬＳ
Ｉなどでは、シリコン基板上に形成された複数の素子間
を、これらの上に多層に形成された複数の配線層で接続
して回路を形成している。このような多層配線構造で
は、配線層の凹凸を層間絶縁膜で吸収して平坦な状態を
形成し、つぎの配線層を形成するようにしている。

【０００３】凹凸が存在している上で層間絶縁膜などを
平坦に形成する技術としては、まず、凹凸上に層間絶縁
膜を形成した後、凹凸を反映した層間絶縁膜表面の凸の
部分を選択的に削除して平坦化するものがある。また、
平坦に形成された層間絶縁膜に溝を形成し、この溝に配
線などのパターンを形成する材料を充填して配線層など
のパターン層を形成し、配線層が形成された時点で平坦
化がされている状態にするダマシン法といわれる技術も
ある。ダマシン法では、溝に配線電極が充填された状態
を形成するために、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）が
よく用いられる。

【０００４】ダマシン法による多層配線構造の形成に関
して簡単に説明する。まず、図３（ａ）に示すように、
基板３０１上に絶縁膜３０２を形成し、絶縁膜３０２の
所定箇所に溝３０３を形成する。つぎに、図３（ｂ）に
示すように、溝３０３内を含めた絶縁膜３０２表面に、
メッキ用のシード層３０４を形成し、この後、図３
（ｃ）に示すように、溝３０３内を含めた絶縁膜３０２
表面にメッキを施すことで、シード層３０４を介して配
線金属膜３０５を形成する。

【０００５】最後に、図３（ｄ）に示すように、配線金
属膜３０５をＣＭＰ法により絶縁膜３０２表面が露出す
るまで研削研磨し、溝３０３内にのみ配線金属膜を残す
ことで、配線層３０６を形成する。このＣＭＰでは、絶
縁膜に対して金属膜を選択的に研削研磨する条件とする
ことで、絶縁膜３０２表面が露出したところで、研削研
磨を停止することが可能となる。ダマシン法では、この
配線層が形成された時点で、配線層上面と絶縁膜上面と
が同一平面を形成して平坦化されているので、絶縁膜表
面の平坦化は必要がない。ダマシン法による多層配線構
造の形成では、「絶縁膜形成−溝形成−配線層形成」を
所定回数繰り返すことになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のダマシン法に用
いるＣＭＰは、研磨対象の膜と非研磨対象の膜との間に
研磨の選択比が十分に確保できる場合には、非常に有効
な手段である。また、研磨の選択比が十分に確保できな
くても、非研磨対象の膜が１μｍ程度と薄い場合は、平
坦化の手段として有効である。しかしながら、マイクロ
マシンの形成など、ＣＭＰによる研磨の対象が１０μｍ
程度と厚い膜の場合、終点判定が非常に困難なため、研
磨速度を遅くせざるをえなく、研磨に時間がかかるとい
う問題があった。

【０００７】膜厚が１０μｍと厚くなると、膜厚のムラ
も大きくなるため、ＣＭＰで研削研磨した場合、ある領
域では終点となっていても、他の領域には研磨対象の膜
が残っている状況となるため、終点判定が非常に困難に
なる。したがって、従来では、最初に荒削りを行い、最
後に、研磨速度を非常に遅くして研磨の選択比を向上さ
せた状態の仕上げ削りを行うようにしていた。このよう
に、ダマシン法を用いてマイクロマシン形成するときな
ど、１０μｍ程度の厚膜をＣＭＰ法により切削研磨して
平坦化する場合、従来では、非常に時間がかかるという
問題があった。

【０００８】本発明は、以上のような問題点を解消する
ためになされたものであり、平坦化をＣＭＰで行うダマ
シン法を用いて、従来より短時間に半導体装置やマイク
ロマシンを形成できるようにすることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のパターン形成方
法は、基板上に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜に凹部
を形成し、凹部を中心とした凹部より広い領域が開口し
たレジストパターンを層間絶縁膜上に形成し、レジスト
パターンの開口領域内に金属を充填し、凹部および層間
絶縁膜上のレジストパターン開口内を埋める第１の金属
パターンを形成し、レジストパターンを除去した後、第
１の金属パターンの層間絶縁膜上に突出した部分をＣＭ
Ｐ法により選択的に研削研磨し、層間絶縁膜とともに１
つの表面を形成するように凹部内が上記金属からなる第
２の金属パターンで充填された状態にしようとしたもの
である。上記の凹部は、例えば、層間絶縁膜上で所定方
向に延在する溝である。この発明によれば、製造途中の
層間絶縁膜の表面上には、第１の金属パターンが部分的
に存在し、この部分的に存在する第１の金属パターンが
ＣＭＰ法による研削研磨対象となる。

【００１０】上記発明において、凹部内部を含む層間絶
縁膜表面にシード層を形成した後でレジストパターンを
形成し、シード層を一方の電極とした電解メッキにより
第１の金属パターンを形成すれば、レジストパターンの
開口内に選択的に金属が充填される。また、凹部内部を
含む層間絶縁膜表面にバリア膜を形成した後でシード層
を形成し、バリア膜はシード層の拡散を抑制する材料か
ら構成すれば、金属が層間絶縁膜に拡散するのが抑制さ
れる。また、金属は例えば銅または金から構成されたも
のである。また、金属は、銀またはニッケルから構成さ
れたものである。

【００１１】本発明のパターン形成方法は、基板上に層
間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜に凹部を形成す
る工程と、凹部を中心とした凹部より広い領域が開口し
たレジストパターンを層間絶縁膜上に形成する工程と、
レジストパターンの開口領域内に導電性材料を充填し、
凹部および層間絶縁膜上のレジストパターン開口内を埋
める第１の導電性材料パターンを形成する工程と、レジ
ストパターンを除去した後、第１の導電性材料パターン
の層間絶縁膜上に突出した部分をＣＭＰ法により選択的
に研削研磨し、層間絶縁膜とともに実質的に１つの平面
を形成するように凹部内が導電性材料からなる第２の導
電性材料パターンで充填された状態とする工程とを備え
たものである。この発明によれば、製造途中の層間絶縁
膜の表面上には、第１の導電性材料パターンが部分的に
存在し、この部分的に存在する第１の導電性材料パター
ンがＣＭＰ法による研削研磨対象となる。

【００１２】上記発明において、凹部内部を含む層間絶
縁膜表面に、導電性材料の拡散を抑制する材料からなる
バリア膜を形成した後でレジストパターンを形成しても
よい。また、導電性材料は、金，銅，銀，アルミニウ
ム，タングステン，チタン，白金，ニッケル，クロム，
モリブデンのいずれか、あるいはこれらの合金，もしく
は各金属のシリサイドのいずれかである。また、凹部
は、所定方向に延在する溝である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照して説明する。まず、図１（ａ）に示すよう
に、シリコンからなる基板１０１上に層間絶縁膜１０２
を膜厚２μｍ程度に形成し、層間絶縁膜１０２に深さ１
μｍ程度に溝１０３を形成する。層間絶縁膜１０２の形
成は、ＣＶＤ法で酸化シリコンを堆積することで形成す
ればよい。例えば、モノシラン（ＳｉＨ₄）ガスと酸素
ガスとをソースガスとし、基板温度を４００℃程度とし
たプラズマＣＶＤ法により、基板１０１上に酸化シリコ
ン膜を堆積することで、層間絶縁膜１０２が形成でき
る。

【００１４】また、溝１０３は、公知のフォトリソグラ
フィ技術とエッチング技術を用いればよい。例えば、層
間絶縁膜１０２上に溝形成部が開放したレジストパター
ンをフォトリソグラフィ技術により形成する。この後、
酸素とＣＦ₄との混合ガスのプラズマによる形成したレ
ジストパターンをマスクとしたドライエッチングで、層
間絶縁膜１０２を選択的に所定量エッチングすれば、溝
１０３が形成できる。

【００１５】つぎに、図１（ｂ）に示すように、溝１０
３の両側面や底部を含めた層間絶縁膜１０２表面に、窒
化チタンからなる膜厚０．１μｍのバリア膜１０４ａを
形成し、バリア膜１０４ａ表面に銅からなる膜厚０．１
μｍのシード層１０４ｂを形成する。窒化チタンや，銅
は、スパッタ法や蒸着法で膜を形成することができる。
バリア膜は、配線材料と層間絶縁膜との密着性を向上さ
せるためや、配線材料の層間絶縁膜中への拡散を抑制す
るために形成する。なお、本実施の形態では、バリア膜
として窒化チタンを用いるようにしたが、バリア性や密
着性が得られれば、他の材料を用いるようにしてもよ
い。また、本実施の形態では、バリア膜を単一材料から
構成したが、バリア膜は、窒化チタンの層とチタンの層
とからなる２層構造や多層構造の膜としてもよい。

【００１６】つぎに、図１（ｃ）に示すように、溝１０
３形成領域を含む溝１０３形成領域より若干広い領域が
開口したレジストパターン１２１を、層間絶縁膜１０２
上に形成する。レジストパターン１２１は、ポジ型フォ
トレジストを用いたフォトリソグラフィ技術により形成
すればよい。ポジ型フォトレジストを所定の膜厚に形成
した後、溝１０３形成領域を中心として溝１０３形成領
域より若干広い領域に選択的に光（紫外線）を照射し、
この後アルカリ溶液で現像することで、レジストパター
ン１２１が形成できる。

【００１７】図１（ｃ）にも示すように、レジストパタ
ーン１２１の開口領域は、溝１０３の幅より広くしてお
く。この場合、層間絶縁膜１０２表面にはバリア膜１０
４ａとシード層１０４ｂが形成されているので、レジス
トパターン１２１は、バリア膜１０４ａとシード層１０
４ｂを介して層間絶縁膜１０２上に形成されていること
になり、層間絶縁膜１０２とレジストパターン１２１と
の間には、バリア膜１０４ａとシード層１０４ｂが介在
している。

【００１８】つぎに、シード層１０４ｂを一方の電極と
した電解メッキにより、レジストパターン１２１開口領
域でシード層１０４ｂが露出している領域のみに選択的
に銅膜を１５μｍ程度形成し、図１（ｄ）に示すよう
に、溝１０３内およびレジストパターン１２１の開口領
域を埋める金属パターン（第１の金属パターン）１０５
を形成する。なお、金属パターン１０５は、銅から構成
するものに限るものではなく、金，銀，ニッケルなどか
ら構成してもよい。

【００１９】つぎに、図２（ｅ）に示すように、レジス
トパターン１２１のみを除去し、隣り合う領域に空間が
形成され、層間絶縁膜１０２（シード層１０４ｂ）上
で、非連続的に存在する金属パターン１０５が形成され
た状態とする。金属パターン１０５を形成したことによ
り、層間絶縁膜１０２上において、以降に説明するＣＭ
Ｐで除去する金属（導電性材料）の部分が、凸状に存在
することになる。

【００２０】この後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法に
より、金属パターン１０５の層間絶縁膜１０２表面上に
突出している部分を研削研磨し、層間絶縁膜１０２上を
平坦化した。この結果、図２（ｆ）に示すように、銅か
らなる配線パターン（第２の金属パターン）１０５ａ
が、バリア膜１０４ａとシード層１０４ｂを介して層間
絶縁膜１０２の溝１０３内に形成された状態となる。配
線パターン１０５ａは、層間絶縁膜１０２とともに１つ
の表面（実質的に平坦な面）を形成するように溝１０３
内に形成されている。

【００２１】このＣＭＰ法による平坦化研磨では、アル
ミナと過酸化水素水とからなるスラリーを用いた。この
ＣＭＰにより、約２２分で、金属パターン１０５の層間
絶縁膜１０２上に突出部分と、層間絶縁膜１０２の溝１
０３以外の領域表面に形成されていたバリア膜１０４ａ
およびシード層１０４ｂとが研削研磨できる。研磨終点
は、溝１０３以外の層間絶縁膜１０２表面の露出が、目
視で確認できる時点とすればよい。上記ＣＭＰ法による
研削研磨では、無機絶縁材料はあまり研磨できないの
で、層間絶縁膜１０２表面が露出されると研磨の進行が
非常に遅くなり、終点検出が容易である。

【００２２】本実施の形態とは異なり、金属パターン１
０５を形成せず、従来のように、層間絶縁膜上全域に金
属膜が形成された状態で平坦化のためのＣＭＰを行う場
合は、最初に荒削りを１５分間行い、つぎに仕上げ研磨
を行うことになる。前述したように、膜を厚く形成した
場合、膜厚のバラツキも大きくなるため、研磨終点が近
くなると、金属膜がまだ厚く残っている領域と、金属膜
がほとんど残っていない領域とが存在している。仕上げ
研磨では、この膜厚バラツキや、金属膜だけでなく、バ
リア膜と絶縁膜との研磨選択比を考慮する必要があり、
研磨速度を非常に遅くして行うことになる。この結果、
仕上げ研磨には、３００分程度必要としていた。

【００２３】上記の従来技術に比較し、本実施の形態に
よれば、約１５分の１以下にＣＭＰ法による研削研磨の
時間を短縮することができたことになる。本実施の形態
では、ＣＭＰ法による研磨対象が凸状となっており、研
磨の量が少なく、また形状効果として研磨されやすいこ
とが、約２２分と迅速な平坦化研磨を可能にしたものと
考えられる。例えば、研磨対象が凸パターンの場合、三
次元的に研磨が進行するが、平坦な膜を研磨する場合、
研磨は平面的にしか進行しないと考えられ、このことが
研磨速度の差となるものと考えられる。

【００２４】また、ＣＭＰでは、一般に研磨速度Ｒは、
研磨面に加わる圧力Ｐと、研磨パッドと被研磨面との相
対的な早さＶの積に比例するとされている。すなわち、
Ｒ＝ｋ×Ｐ×Ｖと表される。ここで、ｋは比例定数であ
る。なお、ｋは、スラリーなどの化学的条件の関数とな
っており、例えば、使用するスラリーによって変化す
る。前述した実施の形態に示したように、凸部を形成し
て研削研磨することは、研磨面積を小さくして被研磨面
に加わる圧力を大きくすることに相当しており、このこ
とによっても研磨速度が倍加するものと考えられる。

【００２５】したがって、金属パターン１０５が、例え
ば導電性材料である金，銀，銅，アルミニウム，タング
ステン，チタン，白金，ニッケル，クロム，モリブデン
のいずれか、あるいはこれらの合金、またはこれら金属
のシリサイドであっても、これら研削研磨対象に凸部を
形成すれば、前述した実施の形態と同様に、均一な平坦
化を高速に行うことができる。これらの導電性材料のパ
ターンを形成する場合、前述の実施の形態では、メッキ
法を用いるようにしたが、蒸着法やスパッタ法を用いる
ようにしても良い。

【００２６】蒸着法やメッキ法を用いる場合、つぎに示
すようにして導電性材料のパターンを形成すればよい。
この場合、シード層１０４ｂは必要なく、まず、バリア
膜１０４ａを形成した後、図１（ｄ）に示したように、
レジストパターン１２１を形成する。これらの上に上記
導電性材料をスパッタ法や蒸着法により堆積して膜を形
成した後、レジストパターン１２１をリフトオフして、
図２（ｅ）に示した状態と同様に、導電性材料のパター
ンを形成すればよい。

【００２７】本実施の形態による研磨速度の向上につい
て、より詳細に説明するとつぎのようになる。まず、
０．３μｍ径のアルミナが純水に分散された一般に市販
されているスラリーに、３０〜３５％濃度の過酸化水素
を、体積比１：１で加えて新たなスラリーを作製する。
このスラリーを用い、銅の全面を研磨した場合と、銅の
凸部を研磨した場合で研磨速度を比較した。この結果、
銅の全面を研磨した場合では、研磨速度が０．１５μｍ
／ｍｉｎであるのに対し、銅の凸部を研磨した場合で
は、研磨速度が１．５μｍ／ｍｉｎという高速の研磨が
可能であった。

【００２８】また、本実施の形態によれば、研磨の終点
が容易であり、研磨対象の金属，バリア膜と層間絶縁膜
との間の研磨選択比も十分に確保しやすいため、均一性
良く平坦化ができる。本実施の形態では、研磨対象が少
なく、かつ三次元的に研磨されるために研磨速度が速く
なるので、従来の状態では研磨速度を遅くした条件でも
研磨が速く進行する。したがって、本実施の形態によれ
ば、異なる材料間での研磨選択比を向上させるために研
磨速度が遅くなるような条件としても、実際の研磨速度
は遅くならない。この結果、上記のように、実際の研磨
速度を犠牲にすることなく、研磨選択比を十分に確保し
た上で、均一性良く平坦化ができるようになる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
製造途中の層間絶縁膜の表面上には、導電性材料からな
る例えば金属パターンが部分的に存在し、この部分的に
存在する金属パターンがＣＭＰ法による研削研磨対象と
なるので、研磨の量が少なく、また形状効果として研磨
されやすくなるなどにより、平坦化をＣＭＰで行うダマ
シン法を用いて、従来より短時間に半導体装置やマイク
ロマシンを形成できるようになるという優れた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態におけるパターン形成方
法を説明するための工程図である。

【図２】 図１に続く、本発明の実施の形態におけるパ
ターン形成方法を説明するための工程図である。

【図３】 従来よりあるパターン形成方法を説明するた
めの工程図である。

【符号の説明】

１０１…基板、１０２…層間絶縁膜、１０３…溝、１０
４ａ…バリア膜、１０４ｂ…シード層、１０５…金属パ
ターン（第１の金属パターン）、１０５ａ…配線パター
ン（第２の金属パターン）、１２１…レジストパター
ン。

フロントページの続き (72)発明者 八木 祥次 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 永妻 忠夫 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 久良木 億 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 斎藤 國夫 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5F033 HH07 HH08 HH11 HH13 HH14 HH17 HH18 HH19 HH20 HH25 HH26 HH27 HH28 HH29 HH30 HH33 MM01 MM12 MM13 PP15 PP19 PP27 QQ09 QQ48 RR04 SS01 SS02 SS15 VV13 XX01 XX33

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、 前記層間絶縁膜に凹部を形成する工程と、 前記凹部を中心とした前記凹部より広い領域が開口した
   レジストパターンを前記層間絶縁膜上に形成する工程
   と、 前記レジストパターンの開口領域内に金属を充填し、前
   記凹部および前記層間絶縁膜上の前記レジストパターン
   開口内を埋める第１の金属パターンを形成する工程と、 前記レジストパターンを除去した後、前記第１の金属パ
   ターンの前記層間絶縁膜上に突出した部分をＣＭＰ法に
   より選択的に研削研磨し、前記層間絶縁膜とともに１つ
   の表面を形成するように前記凹部内が前記金属からなる
   第２の金属パターンで充填された状態とする工程とを備
   えたことを特徴とするパターン形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のパターン形成方法におい
   て、 前記凹部内部を含む前記層間絶縁膜表面にシード層を形
   成した後で前記レジストパターンを形成し、前記シード
   層を一方の電極とした電解メッキにより前記第１の金属
   パターンを形成することを特徴とするパターン形成方
   法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のパターン形成方法におい
   て、 前記凹部内部を含む前記層間絶縁膜表面にバリア膜を形
   成した後で前記シード層を形成し、 前記バリア膜は前記シード層の拡散を抑制する材料から
   構成することを特徴とするパターン形成方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載のパターン形成方法におい
   て、 前記金属は銅または金から構成されたものであることを
   特徴とするパターン形成方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれか１項に記載のパ
   ターン形成方法において、 前記凹部は、前記層間絶縁膜上で所定方向に延在する溝
   であることを特徴とするパターン形成方法。
6. 【請求項６】 請求項３記載のパターン形成方法におい
   て、 前記金属は、銀またはニッケルから構成されたものであ
   ることを特徴とするパターン形成方法。
7. 【請求項７】 基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、 前記層間絶縁膜に凹部を形成する工程と、 前記凹部を中心とした前記凹部より広い領域が開口した
   レジストパターンを前記層間絶縁膜上に形成する工程
   と、 前記レジストパターンの開口領域内に導電性材料を充填
   し、前記凹部および前記層間絶縁膜上の前記レジストパ
   ターン開口内を埋める第１の導電性材料パターンを形成
   する工程と、 前記レジストパターンを除去した後、前記第１の導電性
   材料パターンの前記層間絶縁膜上に突出した部分をＣＭ
   Ｐ法により選択的に研削研磨し、前記層間絶縁膜ととも
   に実質的に１つの平面を形成するように前記凹部内が前
   記導電性材料からなる第２の導電性材料パターンで充填
   された状態とする工程とを備えたことを特徴とするパタ
   ーン形成方法。
8. 【請求項８】 請求項７記載のパターン形成方法におい
   て、 前記凹部内部を含む前記層間絶縁膜表面にバリア膜を形
   成した後で前記レジストパターンを形成し、 前記バリア膜は前記導電性材料の拡散を抑制する材料か
   ら構成することを特徴とするパターン形成方法。
9. 【請求項９】 請求項８記載のパターン形成方法におい
   て、前記導電性材料は、金，銅，銀，アルミニウム，タ
   ングステン，チタン，白金，ニッケル，クロム，モリブ
   デンのいずれか、あるいはこれらの合金，もしくは各金
   属のシリサイドのいずれかであることを特徴とするパタ
   ーン形成方法。
10. 【請求項１０】 請求項７〜９のいずれか１項に記載の
    パターン形成方法において、前記凹部は、所定方向に延
    在する溝であることを特徴とするパターン形成方法。