JP2003133415A - 半導体素子の導電配線形成方法 - Google Patents
半導体素子の導電配線形成方法Info
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Abstract
的特性を向上させる半導体素子の導電配線形成方法を提
供する。 【解決手段】 シリコン層39と下地層37のエッチン
グ選択比の差により誘発されるノッチング(notch
ing)現象を利用し、下部が側面エッチングされた
“T”字形態のシリコン層パターン40にて導電配線を
形成する。
Description
線形成方法に関し、より詳しくは多結晶シリコンのノッ
チング(notching)現象を利用して半導体素子
の特性向上及び高集積化を可能にする導電配線形成方法
に関する。
子の高集積化と高性能化にある。高集積化と高性能化を
実現するため、最近最も大きい関心事として浮上する技
術は銅配線技術である。しかし、銅配線は一般的なエッ
チング物質を用いても殆どエッチングされない。そのた
め、層間絶縁膜をエッチングしてトレンチを形成し、そ
こを銅で埋め込んだ後、平坦化するダマシーン(dam
ascene)工程が用いられている。ダマシーン工程
を利用して銅配線を形成させる方法は非常に多様であ
る。その中で代表的な方法は銅配線が形成される部分に
トレンチを形成し、銅配線が下部配線と連結されるプラ
グ部分にビアコンタクトホールを磁気整列的に形成する
方法である。
(overlay)精度調節の能力に多くの問題がある
ため、0.13μm以下のデザインルール(desig
nrule)を有する高性能半導体素子の金属配線工程
では多くの問題点が発生する。先ず、0.13μm級で
の金属配線とビアコンタクトホール部分の積層工程は、
デザインルール上では0.01μm以下のアライメント
精度が求められる工程であるが、露光装置においてはア
ライメント精度を0.03μm以下に制御することが難
しい。さらに、実際の半導体素子の製造工程では、蒸着
膜の厚さの均一度のバラツキや、露光装置状態によるア
ライメントの許容誤差範囲が0.07μm以上であるた
め、ミスアライメントによる素子不良の発生が予想され
るので、ダマシーン工程を行うのに制約を受ける。ま
た、上記のような製造工程上の問題を除いても、露光装
置自体が有している重ね合わせ能力の限界により、ホー
ルとトレンチのミスアライメントが必ず発生する。これ
らにより、銅配線が埋め込まれるトレンチを形成するた
め層間絶縁膜をエッチングする工程で幾多の制約を受け
ることになる。
明する。図1は、従来技術の第1実施例に係る半導体素
子の導電配線形成方法でトレンチを形成した後、ビアコ
ンタクトホールを形成する工程を示す断面図である。先
ず、半導体基板11上部に所定の下部構造物を形成した
後、全体表面の上部に第1層間絶縁膜13を形成する。
その次に、第1層間絶縁膜13で下部金属配線に予定さ
れている部分を露出させる下部金属配線マスクをエッチ
ングマスクとして、第1層間絶縁膜13をエッチングし
てトレンチを形成した後、前記構造の全表面に下部金属
配線用金属層を形成する。この際、下部金属配線用金属
層には銅膜が用いられる。その次に、前記下部金属配線
用金属層を化学的機械的研磨(chemicalmec
hanical polishing,以下CMPとい
う)工程で平坦化し、下部金属配線15を形成する。
所定厚さに形成する。この際、拡散防止膜17にはSi
3N4膜又はSiC膜が用いられる。その次に、拡散防
止膜17上部に第2層間絶縁膜19を形成する。次に、
上部金属配線に予定される部分を露出させる上部金属配
線マスクをエッチングマスクとして、第2層間絶縁膜1
9を所定厚さエッチングしてトレンチ23を形成する。
その次に、第2層間絶縁膜19上部にビアコンタクトに
予定される部分を露出させる感光膜パターン21を形成
する。この時、感光膜パターン21は、ミスアライメン
トによりトレンチ23を外れた部分も露出させ形成され
る。
体素子の導電配線形成方法でビアコンタクトホールを形
成した後、トレンチを形成する工程を示す断面図であ
り、図1の第2層間絶縁膜19形成までの工程を行い、
ビアコンタクトマスクをエッチングマスクとして第2層
間絶縁膜19をエッチングしてビアコンタクトホール2
5を形成した後、第2層間絶縁膜19の上部に上部金属
配線に予定される部分を露出させる感光膜パターン21
を形成したものである。この時、感光膜パターン21が
ビアコンタクトホール25の内部に埋め込まれ、後続工
程の際、拡散防止膜17が除去されないので、下部金属
配線15が露出されない現象が起きることがある。
導体素子の導電配線形成方法による問題点を示したSE
M写真である。図3は、ビアコンタクトホール形成のあ
と感光膜パターン除去工程等で用いられるN2ガス、又
はNH3ガスによる問題点を示したSEM写真であり、
トレンチマスクに用いられる感光膜パターン形成工程の
中で、アルカリ性現像液により感光膜の露光領域で発生
した酸性H+が中性H2Oとなって溶解されなければな
らないが、ビアコンタクトホール内に残留していたNH
+、NH2 +、NH3 +等の酸性イオンによりビアコン
タクトホールの上部まで溶解せず、茸状に残るポイズニ
ング(poisoning)現象が発生したものを示
す。
ため、エッチング停止膜を用いない状態でビアコンタク
トホール及びトレンチを形成するための乾式エッチング
工程を行う場合を示したSEM写真で、乾式エッチング
工程の固有特性であるファセット(facet)現象に
より、ビアコンタクトホール上部の縁が崩れたものを示
す。
アコンタクトホールを一部埋め込むトレンチ形成用感光
膜を利用してトレンチをエッチングしたものを示したS
EM写真で、ビアコンタクトホールとトレンチの幅が狭
く、層間絶縁膜のトレンチエッチング工程時に発生する
エッチング副産物が、ビアコンタクトホールを埋め込ま
れ感光膜周囲に付着する現象を示す。
導電配線形成方法は、トレンチとビアコンタクトホール
形成の際、パターニング工程でミスアライメントが発生
し、図3乃至図5に示したような、ポイズニング現象、
ファセット現象、及びエッチング副産物の再付着現象に
よる素子の工程収率、及び信頼性の低下を引き起こすと
いう問題点があった。
従来の半導体素子の導電配線形成方法における問題点に
鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、多結晶
シリコン層と下地膜間のエッチング選択比の差を利用し
て多結晶シリコン層をエッチングすることにより、ノッ
チング(notching)現象を誘発させビアコンタ
クトプラグ及び金属配線に予定される部分に、下部が側
面エッチングされた“T”字形態の多結晶シリコン層パ
ターンを形成して、ミスアライメント誘発を防止し、素
子の電気的特性を向上させる半導体素子の導電配線形成
方法を提供することにある。
になされた本発明に係る半導体素子の導電配線形成方法
は、シリコン層と下地層のエッチング選択比の差により
誘発されるノッチング現象を利用し、下部が側面エッチ
ングされた“T”字形態のシリコン層パターンにて導電
配線を形成することを特徴とする。
た本発明に係る半導体素子の導電配線形成方法は、半導
体基板上部に第1層間絶縁膜を形成し、前記第1層間絶
縁膜に下部金属配線を形成する工程と、全体表面の上部
に拡散防止膜を形成する工程と、前記拡散防止膜の上部
に犠牲導電層を形成する工程と、前記犠牲導電層を、上
部金属配線マスクを利用したフォトエッチング工程で犠
牲導電層パターンに形成する工程で、前記犠牲導電層パ
ターンの下部側壁がノッチング現象により側面エッチン
グされた“T”字型犠牲導電層パターンを形成する工程
と、全体表面の上部に前記犠牲導電層パターンが露出さ
れるように平坦化された第2層間絶縁膜を形成する工程
と、前記犠牲導電層パターンを除去して露出された拡散
防止膜をエッチングし、前記下部金属配線を露出させる
ことによりビアコンタクホールとトレンチを同時に形成
する工程と、前記ビアコンタクホールとトレンチを埋め
込み、前記下部金属配線と接続される上部金属配線を形
成する工程とを有することを特徴とする。
チング工程時に多結晶シリコン層が下地膜に対し5:1
〜500:1のエッチング選択比を有する場合、多結晶
シリコン層のパターニング工程時に発生するノッチング
現象を利用し、金属配線領域であるトレンチとビアコン
タクトホールが形成される領域に下部が側面エッチング
された“T”字形態の多結晶シリコン層パターンを形成
したあと層間絶縁膜を形成し、多結晶シリコン層パター
ンの上部を露出させた後、多結晶シリコン層パターンを
除去して、ミスアライメントすることなくトレンチとビ
アコンタクトホールを同時に形成することである。
導電配線形成方法の実施の形態の具体例を図面を参照し
ながら説明する。図6乃至図11は、本発明に係る半導
体素子の導電配線形成方法を説明するための断面図であ
る。
ビットライン、及びキャパシタ等の下部構造物が形成さ
れた半導体基板31上部に第1層間絶縁膜33を形成す
る。その次に、下部金属配線マスクを利用したフォトエ
ッチング工程で第1層間絶縁膜33をエッチングし、下
部金属配線に予定される部分を露出させるトレンチを形
成する。次に、トレンチに埋め込む下部金属配線用金属
層を全体表面の上部に形成する。この際、下部金属配線
用金属層は銅膜で形成する。その次に、下部金属配線用
金属層をCMP工程で平坦化させ、下部金属配線35を
形成する。次に、全体表面の上部に拡散防止膜37を所
定の厚さに形成する。この際、拡散防止膜37は、後続
工程で形成される犠牲導電層をエッチングするためのエ
ッチングガスに対し、拡散防止膜37:犠牲導電層=
1:5〜1:500のエッチング選択比の差を有するS
i3N4膜、又はSiC膜で形成されたものである。
7の上部に犠牲導電層39を形成する。この時、犠牲導
電層39は50〜350℃の温度で5000〜1200
0Åの厚さのシリコン層で形成し、PECVD(pla
sma enhancedchemical vapo
r deposition)方法、又はCVD(che
mical vapor deposition)方法
で形成する。ここで、犠牲導電層39は、低い蒸着温度
により結晶構造を有しない非晶質構造のシコリン層で形
成される。また、犠牲導電層39は、300〜850℃
の温度でPECVD方法、又はCVD方法を利用して多
結晶シリコン層にて形成することもできる。
部に上部金属配線に予定される部分を保護する感光膜パ
ターン41を形成する。この時、感光膜パターン41は
上部金属配線マスクを利用した露光及び現像工程で形成
するが、ビアコンタクトホールが形成される部分は上部
金属配線のみ形成される部分より広く形成し、ドグボー
ン(dog bone)形態に形成する。
ン41をエッチングマスクとして犠牲導電層39をエッ
チングし、上部金属配線及びビアコンタクトプラグの形
態の犠牲導電層パターン40を形成する。この時、エッ
チング工程は主エッチングガスとしてハロゲン族元素を
用いたCxFyガス、Cl2ガス及びHBrガスでなる
群から選択される一つ以上のガスを用い、N2、O2、
Ar、He、Ne及びKr等のプラズマ希釈ガスを補助
エッチングガスとして用いる乾式エッチング工程で行わ
れる。ここで、犠牲導電層39のエッチング選択比が下
地膜である拡散防止膜37に対し10:1以上に大きく
差が出るため、エッチングガスで発生したCl、Br等
のラジカル(radical)により犠牲導電層39の
下部が側面エッチングされる。側面エッチングはノッチ
ングを誘発し、犠牲導電層パターン40はアンダーカッ
トを有する“T”字型に形成される。
41を除去して洗浄工程を進める。この時、感光膜パタ
ーン41は、O2ガスにCxFyガスを添加した混合ガ
スを利用した乾式エッチング工程で除去する。この際、
感光膜パターン41が除去されるとともに、前工程で発
生した側面ポリマも除去される。その次に、全体表面の
上部に第2層間絶縁膜43を形成する。この時、第2層
間絶縁膜43は、粘度及び誘電率が低い有機化学物質
や、あるいはHSQ(hydrogen silses
quioxane)、Fox(flowableoxi
de)のように水素、又はフッ素が含まれる物質を用い
て犠牲導電層パターン40下部のアンダーカット部分が
完全に埋め込まれるように形成する。次に、第2層間絶
縁膜43を平坦化エッチングして犠牲導電層パターン4
0を露出させる。
犠牲導電層パターン40と犠牲導電層パターン40を除
去して露出された拡散防止膜37を除去し、下部金属配
線35を露出させるビアコンタクトホール45とトレン
チ47を磁気整列的に形成する。この時、犠牲導電層パ
ターン40と拡散防止膜37の除去工程は、第2層間絶
縁膜43に対しエッチング選択比の差を有するCxFy
ガス、Cl2ガス又はHBrガスを利用した乾式エッチ
ング工程で行うか、酢酸又は窒酸等を利用した湿式エッ
チング工程で行う。ここで、上記エッチング工程は装置
に係りなく、0.5〜1500mTorrの圧力下で5
0〜3000Wのソースパワーと0〜200Wのバイア
スパワーを印加し、F、Cl、Br等のハロゲン族元素
を含むガスを主エッチングガスとし、不活性ガスを補助
ガスとして用いて行う。
体素子の導電配線形成方法は、多結晶シリコン層が下地
膜と10:1以上のエッチング選択比の差を有する場合
に発生されるノッチング現象を利用して金属配線等の導
電配線を形成することにより工程を単純化して素子の動
作特性及び信頼性を向上させる効果がある。
配線形成方法でトレンチを形成した後、ビアコンタクト
ホールを形成する工程を示す断面図である。
配線形成方法でビアコンタクトホールを形成した後、ト
レンチを形成する工程を示す断面図である。
による問題点を示す写真であり、ビアコンタクトホール
形成のあと感光膜パターン除去工程等で用いられるN2
ガス、又はNH3ガスによる問題点を示したSEM写真
である。
による問題点を示す写真であり、金属配線間の犠牲誘電
率を低めるため、エッチング停止膜を用いない状態でビ
アコンタクトホール及びトレンチを形成するための乾式
エッチング工程を行う場合を示したSEM写真である。
による問題点を示す写真であり、ビアコンタクトホール
を形成し、ビアコンタクトホールを一部埋め込むトレン
チ形成用感光膜を利用してトレンチをエッチングしたも
のを示したSEM写真である。
線形成方法を説明するための断面図である。
線形成方法を説明するための断面図である。
線形成方法を説明するための断面図である。
線形成方法を説明するための断面図である。
配線形成方法を説明するための断面図である。
配線形成方法を説明するための断面図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 シリコン層と下地層のエッチング選択比
の差により誘発されるノッチング現象を利用し、下部が
側面エッチングされた“T”字形態のシリコン層パター
ンにて導電配線を形成することを特徴とする半導体素子
の導電配線形成方法。 - 【請求項2】 前記下地層は、前記シリコン層とのエッ
チング選択比が1:5〜500の絶縁物質にて形成され
ることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の導電配
線形成方法。 - 【請求項3】 半導体基板上部に第1層間絶縁膜を形成
し、前記第1層間絶縁膜に下部金属配線を形成する工程
と、 全体表面の上部に拡散防止膜を形成する工程と、 前記拡散防止膜の上部に犠牲導電層を形成する工程と、 前記犠牲導電層を、上部金属配線マスクを利用したフォ
トエッチング工程で犠牲導電層パターンに形成する工程
で、前記犠牲導電層パターンの下部側壁がノッチング現
象により側面エッチングされた“T”字型犠牲導電層パ
ターンを形成する工程と、 全体表面の上部に前記犠牲導電層パターンが露出される
ように平坦化された第2層間絶縁膜を形成する工程と、 前記犠牲導電層パターンを除去して露出された拡散防止
膜をエッチングし、前記下部金属配線を露出させること
によりビアコンタクホールとトレンチを同時に形成する
工程と、 前記ビアコンタクホールとトレンチを埋め込み、前記下
部金属配線と接続される上部金属配線を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体素子の導電配線形成方
法。 - 【請求項4】 前記犠牲導電層は、シリコン層で形成さ
れることを特徴とする請求項3記載の半導体素子の導電
配線形成方法。 - 【請求項5】 前記犠牲導電層は、50〜300℃の温
度でPECVD方法、又はCVD方法で5000〜12
000Åの厚さで形成された非晶質シリコン層であるこ
とを特徴とする請求項3記載の半導体素子の導電配線形
成方法。 - 【請求項6】 前記犠牲導電層は、300〜850℃の
温度でPECVD方法、又はCVD方法で5000〜1
2000Åの厚さで形成された多結晶シリコン層である
ことを特徴とする請求項3記載の半導体素子の導電配線
形成方法。 - 【請求項7】 前記拡散防止膜は、前記犠牲導電層との
エッチング選択比が1:5〜500であることを特徴と
する請求項3記載の半導体素子の導電配線形成方法。 - 【請求項8】 前記拡散防止膜は、Si3N4膜又はS
iC膜で形成され、前記犠牲導電層は、非晶質シリコン
又はPECVDやCVD方法で形成された低温ポリシリ
コンであることを特徴とする請求項7記載の半導体素子
の導電配線形成方法。 - 【請求項9】 前記犠牲導電層のフォトエッチング工程
は、主エッチングガスとしてハロゲン族元素を用いたC
xFyガス、Cl2ガス及びHBrガスでなる群から選
択される一つ以上の主エッチングガスと、選択的に
N2、O2、Ar、He、Ne及びKrでなる群から選
択される一つ以上の補助エッチングガスとを用いて乾式
方法で行われることを特徴とする請求項3記載の半導体
素子の導電配線形成方法。 - 【請求項10】 前記第2層間絶縁膜は、水素又はフッ
素を含む酸化膜、又は、粘度及び誘電率が低い有機化学
的物質で形成されることを特徴とする請求項3記載の半
導体素子の導電配線形成方法。 - 【請求項11】 前記犠牲導電層パターンは、前記第2
層間絶縁膜に対しエッチング選択比の差を有するCxF
yガス、Cl2ガス、及びHBrでなる群から任意に選
択される一つのガス又はこれらのガスの組合せを利用し
た乾式方法で除去されることを特徴とする請求項3記載
の半導体素子の導電配線形成方法。 - 【請求項12】 前記犠牲導電層パターンは、前記第2
層間絶縁膜に対しエッチング選択比の差を有する酢酸や
窒酸を利用した湿式方法で除去されることを特徴とする
請求項3記載の半導体素子の導電配線形成方法。
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