JP2004031637A - Method of forming wiring structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of forming a wiring structure in which no fence is formed even when a film having a low dielectric constant is subjected to trench-etching. <P>SOLUTION: A decomposed layer 106 from which C is extracted is formed on the surface portion of the film 104 having a low dielectric constant provided in the side wall section of a via hole 105 so that the width of the layer 106 may become thicker than that of a fence 110 formed later. When the trench-etching is performed in the course of forming a dual damascene structure thereafter, a fence 110 is formed. Since the fence 110 is formed of the decomposed layer 106, only the fence 110 can be removed without etching the film 104 and a barrier insulating film 103 by performing wet-etching by using, for example, an HF-based etchant. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置等の電子デバイスにおける、低誘電率絶縁膜を有したデュアルダマシン配線構造の形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置、特にLSIにおいては、素子の動作速度の高速化に伴い、配線抵抗の低減及び配線の信頼性向上を目的に、銅配線を用いたデュアルダマシン配線が用いられてきている。また同時に低誘電率絶縁膜を用いることにより、配線層間の容量を低減することが必須となってきた。
【0003】
従来方法において、配線構造の形成方法について、特開2001−326278号公報に記載されている方法がある。以下より、図13〜15を参照しながら説明する。
【0004】
まず、図13(a)に示すように、半導体基板1上に層間絶縁膜2を形成し、その上に下部配線3を形成する。その後、下部配線3を覆うように第1のストッパー膜4を形成し、下部配線間絶縁膜5、第2のストッパー膜6、上部層間絶縁膜7を順次形成する。
【0005】
次に、図13(b)に示すように、上部層間絶縁膜7上にレジストパターン(図示せず)をパターンニングし、これをマスクとして上部層間絶縁膜7、溝用ストッパー膜6、下部層間絶縁膜5を順次エッチングして接続孔開口用ストッパー膜4にいたる接続孔9を開口する。
【0006】
その後、図13(c)に示すように、レジストパターン(図示せず)を除去して、接続孔9を完成する。
【0007】
続いて、図14(a)に示すように、接続孔9内に有機化合物10を埋め込む。
【0008】
次に、図14(b)に示すように、上部層間絶縁膜7上にレジストパターン11をパターニングする。
【0009】
その後、図14(c)に示すように、レジストパターン11をマスクとして、上部層間絶縁膜7が溝用ストッパー6に対して、エッチング選択比が10以上となるドライエッチングを行い、配線溝12を形成する。
【0010】
続いて、図15(a)に示すように、レジストパターン11、有機化合物10、エッチングデポ膜14を同時に除去する。更に、溝用ストッパー膜6及び接続孔開口用ストッパー膜4をウェット処理で除去する。
【0011】
次に、図15(b)に示すように、全面に上部配線材料13を形成し、CMP(化学的機械研磨)法等により、接続孔9及び配線溝12内に埋め込んで配線を完成する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
近年、配線間隔の微細化に伴い、配線間容量の低下が必要となり、層間絶縁膜として低誘電率膜(有機化合物膜)の利用が必要不可欠となってきた。しかし、接続孔に埋め込まれた有機化合物膜は、層間絶縁膜である低誘電率膜に比べてエッチング速度が遅い。
【0013】
具体的には、図11(a)に示すように、基板上に(図示せず)形成された第1絶縁膜101中に、第1バリアメタル102A、第1金属膜である102Bからなる下層配線層102を形成し、その上にバリア絶縁膜103が堆積されている。更にその上に、低誘電率膜104が堆積され、低誘電率膜104の中には、ヴィアホール内及び低誘電率膜104上に有機ARC107が形成されている。ここで、有機ARC107は低誘電率膜104に比べてエッチング速度が遅いため、従来方法によるとエッチング時に段差が発生し、そこにデポ物109が堆積される。
【0014】
その結果、図11(b)に示されるように、フェンス110が発生する。
【0015】
その後そのまま配線を形成すると、図11(c)に示されるように、フェンス上部Aではバリア膜のカバレージが低下し、フェンス上部BではCu膜の断面積が低下し、ホール底部Cではバリア膜のカバレージが低下する、若しくはCu膜の埋め込み不良等が発生する。
【0016】
よって本発明は、低誘電率膜を用いた場合でもフェンスが発生しない、デュアルダマシン配線構造の形成方法を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本発明では、低誘電率膜に第1の溝を形成する工程と、第1の溝の内壁にある低誘電率膜の表面部分に変質層を形成する工程と、第1の溝中に、低誘電率膜と選択除去可能な材料からなるプラグを形成する工程と、低誘電率膜及び変質層を一部除去し、低誘電率膜に第1の溝を一部分含む第2の溝を形成する工程と、プラグ及び変質層を選択的に除去し、低誘電率膜内にヴィアホール及びトレンチを形成する工程と、を備えた配線構造の形成方法を提供する。
【0018】
その結果、低誘電率膜を用いた場合でも、改質層からなるフェンスを形成することが出来るので、フェンスが発生しても容易に除去することが出来、最終的にはフェンスは存在せず、バリア膜のカバレージが低下しない、Cu膜の埋め込み性のよいデュアルダマシン構造を形成することが出来る。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0020】
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る配線構造の形成方法について、図面を参照しながら説明する。
【0021】
まず、図1(a)に示すように、半導体基板(図示せず)上に形成された絶縁膜101の中に第1配線層用トレンチパターン(例えば深さ225nm)を形成し、TaとTaN膜を積層にした第1バリアメタル102A(例えばTa(上)/TaN(下)=10nm/10nm)とシード用のCu膜(図示せず。例えばCu=80nm)をスパッタ法により成膜する。
【0022】
次に、電界メッキ法によりCuを主成分とした第1金属膜である102Bを形成し、化学機械研磨法(以下CMP法)により、トレンチ部分以外の不要なCu膜、Ta膜、TaN膜を除去し、第1配線層102を形成する。
【0023】
その後、NHプラズマ処理によりCu膜102上の自然酸化膜を還元・除去した後、SiCからなるCuのバリア絶縁膜103(例えば50nm)と、有機ケイ酸塩ガラス(SiOC)からなる低誘電率膜104(例えば650nm)を成膜する。
【0024】
続いて、CMP法により、低誘電率膜104の一部(例えば150nm)を除去し平坦化する。次に、フォトリソグラフィー及びドライエッチングを順に行い、ヴィアホール105を形成しアッシング、及び洗浄により残ったレジストや残さを除去する。
【0025】
その後、図1(b)に示すように、NHガスを用いたプラズマ処理を行うことにより、ヴィアホール105側壁部の炭素(C)成分を一部抜いた変質層106を形成する。この変質層106は、シリコン(Si)と酸素(O)を主成分としている。この際ヴィアホール105側壁部の変質層106は、後の工程であるトレンチエッチング時に形成される、フェンス110の幅以上の膜厚である必要がある。また変質層106はSiOC膜104の表面上にも形成される。
【0026】
なお、プラズマ処理におけるガスは、NH以外にOプラズマ等でも良く、低誘電率膜104のC成分を抜くことができる処理であれば、プラズマ処理に限らず他の方法でも良い。
【0027】
次に、図1(c)に示すように、有機ARC(有機反射防止膜)107を塗布し、ヴィアホール105を埋め込み、その後レジストを塗布し、リソグラフィー法により第2配線トレンチパターン108を形成する。ここで有機ARC膜107を塗布するのは、露光時の反射を防止することにより、リソグラフィー時の寸法ばらつき等を抑制することが出来るためである。
【0028】
次に、図2(a)に示すように、異方性ドライエッチングによりトレンチ111を形成する。この際、ドライエッチングは異方性であるため、ドライエッチング中における反応副生成物であるデポ物109が、トレンチ111の側壁及びレジストプラグの側壁に隣接するフェンス110の側壁に生成される。この側壁に付着したデポ物109により側壁が保護され、デポ物109が付着している部分はサイドエッチングが抑制される。
【0029】
この現象において、図1(b)で形成した変質層106の効果が発揮される。この点については後ほど詳述する。
【0030】
その後、図2(b)に示すように、アッシング及び洗浄により、有機ARC107、レジストパターン108、デポ物109を除去する。
【0031】
続いて、図2(c)に示すように、弗酸(HF)系のガスを用いたエッチングにより、変質層106及び変質層106よりなるフェンス110を除去する。この際HF系のガスでは、SiOCからなる低誘電率膜104、及びヴィアホール底部にあるSiCよりなるバリア絶縁膜103は、ほとんどエッチングされない。
【0032】
次に、図3(a)に示すように、全面をエッチングすることによりヴィアホール105底部のバリア絶縁膜103を除去する。
【0033】
その後、図3(b)に示すように、アルゴン(Ar)スパッタエッチングによりヴィアホール105底部のCu自然酸化膜等を除去する。続いて、スパッタ法によりタンタル(Ta)と窒化タンタル(TaN)膜を積層にした第2バリアメタル112A(例えばTa(上)/TaN(下)=10nm/10nm)及びシードCu膜(図示せず)を形成し、メッキ法によりCuを主成分とした第2金属膜112Bを成膜する。
【0034】
最後に、CMP法によりトレンチ111部分以外の不要なCu膜、Ta膜、TaN膜を除去し、第2配線層112を形成する。
【0035】
ここで、本実施形態の特徴である、変質層106の効果について説明する。
【0036】
まず、フェンス110が発生する理由について、図12を用いて説明する。
【0037】
有機ARC107は、低誘電率膜104に比べてエッチング速度が遅い。
【0038】
従って、図12(a)に示すように、第2配線層トレンチパターン108をマスクとして、低誘電率膜104をエッチングしていくと、その過程において有機ARC107プラグと低誘電率膜104底部の間で段差が発生し、ヴィアホール105内の有機ARC107プラグの側壁と、トレンチ111及び低誘電率膜104上にあるARC膜107プラグの側壁部分に、デポ物109が形成される。
【0039】
一旦段差が形成されると、図12(b)に示すように、その段差部で露出したヴィアホール105内の有機ARC107プラグの側壁部にデポ物109がより形成される。このデポ物109はエッチングされないため、このデポ物109がマスクとなり、図12(b)に示すように、デポ物109の下では低誘電率膜104がエッチングされずに残存してしまい、デポ物のつかないトレンチ底の平坦部との間で更に段差が形成されてしまう。
【0040】
その後エッチングを続けると、図12(c)に示すように、エッチングされない領域が徐々に拡がっていき、フェンス110が形成される。
【0041】
このように形成されるフェンス110の存在により、図11(c)に示すように、フェンス上部Aに示されるような鋭角形状により、局所的な電界集中が発生しバリア性が劣化する。また、フェンス上部Bに示されるようにCu膜の断面積が低下するため、配線抵抗が上昇し、電流集中等によるエレクトロマイグレーション耐性が劣化する。さらに、ホール底部Cに示されるようにフェンス発生によりヴィアホール105の実効的な深さが増大し、第2のバリア膜のカバレージ劣化によるCu配線の埋め込み不良が発生する。
【0042】
本実施形態によると、変質層106を用いることにより、先のフェンス110を除去し、以上の課題を解決することが出来る。その方法について、次に説明する。
【0043】
図2(a)のエッチング工程において、デポ物109は必ず発生し、フェンス110の形成は避けられない。そこで、図1(b)において、シリコン(Si)と酸素(O)を主成分とする、有機ケイ酸塩ガラス(SiOC)から炭素(C)を除去することにより、変質層106を形成する。この変質層106は、少なくとも後の工程でフェンス110となる部分に形成される。その結果、実際に発生するフェンス110は変質層106の一部であり、弗酸(HF)系のガスを用いたエッチングにより容易に除去出来る。
【0044】
一方、HF系のガスでは、SiOCからなる低誘電率膜104、及びヴィアホール105底部にあるSiCよりなる絶縁膜103は、ほとんどエッチングされない。
【0045】
よって、ヴィアホール105、トレンチ111を順に形成した後、バリア膜112Aを堆積する前に、発生したフェンス110のみを除去することが出来るため、バリア膜112Aを密着性良く且つ均一に堆積し、Cu配線形成時における不良の発生を防ぐことが出来る。
【0046】
以上より、本実施形態によると、トレンチエッチング時に形成されるフェンス110は容易に除去され、バリア膜のカバレージが低下せず、Cu膜の埋め込み性のよいデュアルダマシン配線構造を得ることが出来る。
【0047】
なお、図1(b)において、ヴィアホール105側壁部に変質層106を形成する際に、変質層106に対して上が厚く下が薄いテーパ形状になるように、NHプラズマ処理を行うことも出来る。この場合、ウェットエッチングで変質層106を除去すると、ヴィアホール105は自己整合的にテーパ形状になる。その結果図3(b)に示すように、その後のスパッタ法による第2バリア膜112A及びシードCuの成膜や、電界メッキによるCuを主成分とした第2金属膜112B成膜時の均一なカバレージや埋め込み性を向上させることが出来る。
【0048】
さらに、本実施形態に関しては、図1(c)に示した有機ARC107の埋め込み以外に、図4(a)に示すように、レジスト埋め込み後、全面エッチングすることにより形成したレジストプラグ113を用いることも出来る。また、図1(c)に示した有機ARC107の埋め込み以外の方法として、図4(b)に示すように、図4(a)で形成したレジストプラグ113の上に、そのまま有機ARC107膜を堆積する方法も、用いることが出来る。
【0049】
(第2の実施形態)
第2の実施形態に係る配線構造の形成方法について、図面を参照しながら説明する。
【0050】
まず図5(a)に示すように、第1の実施形態と同様に、半導体基板(図示せず)上に形成された絶縁膜101の中に第1配線層用トレンチパターンと、TaとTaN膜を積層にした第1バリアメタル102Aと、シード用のCu(図示せず)と、Cuを主成分とした第1金属膜102Bからなる第1配線層102を形成する。
【0051】
その後、NHプラズマ処理を行い、Cu膜102上の自然酸化膜を還元・除去した後、SiCからなるCuのバリア絶縁膜103と、SiOCからなる低誘電率膜104を成膜する。続いて、低誘電率膜104の上面を、CMP法により平坦化する。
【0052】
次に、フォトリソグラフィーによりヴィアパターン121を形成し、それをマスクとしてドライエッチングを行うことにより、ヴィアホール105を形成する。
【0053】
その後、図5(b)に示すように、ヴィアパターン121をそのままマスクとして、NHプラズマ処理を行う。その結果、ヴィアホール105側壁部のC成分を一部抜いた、SiとOを主成分とした変質層106を形成することが出来る。
【0054】
一方、ここでは実施形態1とは異なり、ヴィアパターン121がマスクになっているため、SiOC膜104表面には変質層106は形成されない。この際、ヴィアホール105側壁部の変質層106は、後のトレンチエッチング時に形成されるフェンス110の幅以上の膜厚を有している必要がある。
【0055】
なお、NHプラズマ処理以外でも、Oプラズマ等の低誘電率膜104よりC成分を抜くことができれば、他の方法でも良い。
【0056】
その後、アッシング及び洗浄によりヴィアパターン121を除去する。
【0057】
続いて、図5(c)に示すように、有機ARC膜107を塗布し、ヴィアホール105を埋め込むと共に、絶縁膜104の表面にもARCを形成する。その後、レジストを塗布し、リソグラフィーにより第2配線トレンチパターン108を形成する。
【0058】
続いて、実施形態1と同様の方法を用いて、配線を完成する。
【0059】
具体的にはまず、図6(a)に示すように、異方性ドライエッチングによりトレンチパターン108を形成する。この際、ドライエッチングの反応副生成物であるデポ物109と、それに起因したヴィアホール105側壁部のフェンス110が形成される。この時形成されるフェンス110は、変質層106で形成されている。図5(b)に示す工程において、先にフェンス110の膜厚以上になるようにヴィアホール105の側壁部を変質させておいたためである。
【0060】
次に、図6(b)に示すように、アッシング及び洗浄により、有機ARC膜107、トレンチパターン108、デポ物109を順に除去する。
【0061】
その後、図6(c)に示すように、HF系ガスを用いてエッチングを行い、変質層よりなるフェンス110を除去する。この際、HF系ではSiOCからなる低誘電率膜104及びヴィアホール105底部にあるSiCよりなるバリア絶縁膜103は、ほとんどエッチングされない。
【0062】
続いて、実施形態1と同様に、図7(a)に示すように、全面エッチングによりヴィアホール105底部のバリア絶縁膜103を除去し、図7(b)に示すように、第2バリアメタル112A、及びCuを主成分とした第2金属膜112Bからなる第2配線層112を形成する。
【0063】
以上本実施形態に従えば、実施形態1と同様に、フェンス110を変質層106で構成することにより、HF系のガスを用いて、低誘電率膜104とバリア絶縁膜103をエッチングすることなく、フェンス110を除去でき、フェンスの無いデュアルダマシンの配線構造が実現できる。
【0064】
また、ヴィアパターン121をマスクとして、そのままNHプラズマ処理を行っているため、低誘電率膜104表面上に変質層106が形成されない。従って、変質層106除去時のエッチングにより低誘電率膜104表面が受けるダメージを抑えることが出来、かつ工程数を増加させることなく、良質な低誘電率膜を形成することが出来る。
【0065】
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る配線構造の形成方法について、図面を参照しながら説明する。
【0066】
まず、図8(a)に示すように、半導体基板(図示せず)上に第1絶縁膜を堆積し、その上に第1配線層102を形成する。その後、バリア絶縁膜103、SiOCからなる低誘電率膜104を順に成膜する。続いて、CMP法により低誘電率膜104表面を平坦化し、その上に例えばTEOSにより成膜される酸化膜(SiO)等のキャップ膜131を形成する。
【0067】
ここでは実施形態1と異なり、この「キャップ膜131を変質層形成時のマスクとして用いる」点に、本実施形態の特徴がある。
【0068】
その後、フォトリソグラフィー及びドライエッチ、アッシング、洗浄によりヴィアホール105を形成する。
【0069】
次に、図8(b)に示すように、NHプラズマ処理を行うことにより、ヴィアホール105側壁部のC成分を一部抜いた、SiとOを主成分とした変質層106を形成する。この際、ヴィアホール105側壁部の変質層106は、後のトレンチエッチング時に形成されるフェンス110の幅以上の膜厚である必要がある。一方、キャップ膜131がマスクとなり、低誘電率膜(SiOC)104表面には変質層106は形成されない。
【0070】
なお、NHプラズマ処理以外でも、Oプラズマ等の低誘電率膜104よりC成分を抜くことができる処理であれば、他の方法でも良い。
【0071】
その後、図8(c)に示すように、有機ARC107を塗布してヴィアホール105を埋め込むとともに、キャップ膜131の表面にも有機ARC107を形成する。その後レジストを塗布し、リソグラフィーにより第2配線トレンチパターン108を形成する。
【0072】
続いて、図9(a)に示すように、異方性ドライエッチングによりトレンチパターン108を形成する。この際ドライエッチングの反応副生成物であるデポ物109と、それに起因したヴィアホール側壁部のフェンス110が形成される。図8(b)の工程でフェンス110のサイズ以上になるように変質層106を形成してあるので、このフェンス110は、ヴィアホール105側壁部の変質層106で形成されている。
【0073】
次に、図9(b)に示すように、アッシング及び洗浄によりヴィアホール105中の有機ARC107、レジストパターン108、デポ物109を除去する。
【0074】
その後、図9(c)に示すように、HF系のエッチングで変質層106及び変質層よりなるフェンス110及びキャップ膜131を除去する。この際HF系のガスでは、SiOCからなる低誘電率膜104及びヴィアホール105底部のSiCよりなるバリア絶縁膜103は、ほとんどエッチングされない。
【0075】
続いて、図10(a)に示すように、全面エッチングによりヴィアホール105底部のバリア絶縁膜103を除去し、図10(b)に示すように、第2バリアメタル112A、及びCuを主成分とした第2金属膜112Bからなる第2配線層112を形成する。
【0076】
以上より本実施形態に従えば、第1の実施形態と同様に、フェンス110を変質層106で構成することにより、HF系のガスを用いて、低誘電率膜104とバリア絶縁膜103をエッチングすることなく、フェンス110を除去でき、フェンスの無いデュアルダマシンの配線構造が実現できる。
【0077】
また、あらかじめ形成した低誘電率膜104上のキャップ膜131が、変質層106形成時のNHプラズマ処理、及びトレンチエッチング後の第2配線トレンチパターン108を除去する際のアッシング時にもマスクとなる。よって、低誘電率膜104表面に変質層106が形成されず、低誘電率膜104表面部分へのアッシング時のダメージも少ないため、良質な低誘電率膜104を形成することが出来る。さらに、キャップ膜131はSiOからなるために、変質層106を除去する際に同時に除去することが出来、工程数を増やすこともない。
【0078】
また、同じマスクとして利用する場合であっても、第2の実施形態のようにヴィアホール105エッチング後のレジストをそのままマスクとした場合では、NHプラズマ処理後ヴィアホール105側壁部にヴィアホールエッチング時のデポ物が一部残存し、十分な膜厚の変質層106を形成しにくい場合がある。
【0079】
しかし、本実施形態ではヴィアホールパターンを除去した後にNHプラズマ処理を行うので、レジスト材料起因のデポ物109が発生しない。よって、容易に十分な膜厚の変質層106を形成することが可能である。
【0080】
【発明の効果】
本発明によると、フェンスは改質層により形成される。よって、例えばHF系のウェットエッチング処理を行うことにより、低誘電率膜とバリア絶縁膜をエッチングすることなく、容易にフェンスを除去することが出来る。
【0081】
その結果、バリア膜のカバレージが良くなり、Cu膜の埋め込み配線において、局所的な電界集中の発生や、ヴィアホールの実効的な深さの増大を防ぐことが出来る。よって、エレクトロマイグレーション耐性が劣化しにくい、Cu膜の埋め込み性の良いデュアルダマシン配線構造を実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態における工程断面図
【図2】第1の実施形態における工程断面図
【図3】第1の実施形態における工程断面図
【図4】第1の実施形態における工程断面図
【図5】第2の実施形態における工程断面図
【図6】第2の実施形態における工程断面図
【図7】第2の実施形態における工程断面図
【図8】第3の実施形態における工程断面図
【図9】第3の実施形態における工程断面図
【図10】第3の実施形態における工程断面図
【図11】従来方法の問題点を示す図
【図12】フェンス形成の詳細部を示す断面図
【図13】従来方法の工程断面図
【図14】従来方法の工程断面図
【図15】従来方法の工程断面図
【符号の説明】
101 第1絶縁膜
102 第1配線層
102A 第1バリアメタル
102B 第1金属膜
103 バリア絶縁膜
104 低誘電率膜
105 ヴィアホール
106 変質層
107  有機ARC
108  第2配線層トレンチパターン
109 デポ物
110 フェンス
111 トレンチ
112 第2配線層
112A 第2バリアメタル
112B 第2金属膜
113 レジストプラグ
121 ヴィアパターン
131 キャップ膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a dual damascene wiring structure having a low dielectric constant insulating film in an electronic device such as a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in a semiconductor integrated circuit device, in particular, an LSI, dual damascene wiring using copper wiring has been used for the purpose of reducing wiring resistance and improving wiring reliability with an increase in the operating speed of elements. . At the same time, it has become essential to reduce the capacitance between wiring layers by using a low dielectric constant insulating film.
[0003]
In the conventional method, there is a method described in JP-A-2001-326278 as a method of forming a wiring structure. Hereinafter, description will be made with reference to FIGS.
[0004]
First, as shown in FIG. 13A, an interlayer insulating film 2 is formed on a semiconductor substrate 1, and a lower wiring 3 is formed thereon. After that, a first stopper film 4 is formed so as to cover the lower wiring 3, and a lower inter-wiring insulating film 5, a second stopper film 6, and an upper interlayer insulating film 7 are sequentially formed.
[0005]
Next, as shown in FIG. 13B, a resist pattern (not shown) is patterned on the upper interlayer insulating film 7, and the upper interlayer insulating film 7, the groove stopper film 6, and the lower interlayer The insulating film 5 is sequentially etched to form a connection hole 9 reaching the connection hole opening stopper film 4.
[0006]
After that, as shown in FIG. 13C, the resist pattern (not shown) is removed to complete the connection hole 9.
[0007]
Subsequently, as shown in FIG. 14A, the organic compound 10 is embedded in the connection hole 9.
[0008]
Next, as shown in FIG. 14B, a resist pattern 11 is patterned on the upper interlayer insulating film 7.
[0009]
Thereafter, as shown in FIG. 14C, using the resist pattern 11 as a mask, the upper interlayer insulating film 7 is subjected to dry etching with respect to the groove stopper 6 so that the etching selectivity becomes 10 or more, thereby forming the wiring groove 12. Form.
[0010]
Subsequently, as shown in FIG. 15A, the resist pattern 11, the organic compound 10, and the etching deposition film 14 are simultaneously removed. Further, the groove stopper film 6 and the connection hole opening stopper film 4 are removed by wet processing.
[0011]
Next, as shown in FIG. 15B, an upper wiring material 13 is formed on the entire surface and buried in the connection holes 9 and the wiring grooves 12 by a CMP (chemical mechanical polishing) method or the like to complete the wiring.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, along with miniaturization of wiring intervals, it has become necessary to reduce the capacitance between wirings, and it has become essential to use a low dielectric constant film (organic compound film) as an interlayer insulating film. However, the etching rate of the organic compound film buried in the connection hole is lower than that of the low dielectric constant film which is an interlayer insulating film.
[0013]
Specifically, as shown in FIG. 11A, in a first insulating film 101 formed on a substrate (not shown), a lower layer made of a first barrier metal 102A and a first metal film 102B is formed. A wiring layer 102 is formed, and a barrier insulating film 103 is deposited thereon. Furthermore, a low dielectric constant film 104 is deposited thereon, and an organic ARC 107 is formed in the via hole and on the low dielectric constant film 104 in the low dielectric constant film 104. Here, since the organic ARC 107 has a lower etching rate than the low dielectric constant film 104, a step is generated at the time of etching according to the conventional method, and a deposit 109 is deposited there.
[0014]
As a result, a fence 110 is generated as shown in FIG.
[0015]
After that, when the wiring is formed as it is, as shown in FIG. 11C, the coverage of the barrier film is reduced at the fence upper part A, the cross-sectional area of the Cu film is reduced at the fence upper part B, and the barrier film is formed at the hole bottom part C. The coverage is reduced, or a burying failure of the Cu film or the like occurs.
[0016]
Therefore, an object of the present invention is to provide a method of forming a dual damascene wiring structure in which a fence does not occur even when a low dielectric constant film is used.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, a step of forming a first groove in a low dielectric constant film and a step of forming an altered layer on a surface portion of the low dielectric constant film on the inner wall of the first groove Forming a plug made of a low-dielectric-constant film and a material that can be selectively removed in the first groove; Forming a second groove partially including a step of forming a via hole and a trench in a low dielectric constant film by selectively removing a plug and a deteriorated layer. I do.
[0018]
As a result, even when a low dielectric constant film is used, a fence made of a modified layer can be formed, so that even if a fence occurs, it can be easily removed, and finally, the fence does not exist. In addition, a dual damascene structure in which the coverage of the barrier film does not decrease and the Cu film can be easily embedded can be formed.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
(1st Embodiment)
A method for forming a wiring structure according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
[0021]
First, as shown in FIG. 1A, a first wiring layer trench pattern (for example, a depth of 225 nm) is formed in an insulating film 101 formed on a semiconductor substrate (not shown), and Ta and TaN are formed. A first barrier metal 102A (for example, Ta (upper) / TaN (lower) = 10 nm / 10 nm) and a seed Cu film (not shown; for example, Cu = 80 nm) are formed by sputtering.
[0022]
Next, 102B, which is a first metal film containing Cu as a main component, is formed by an electroplating method, and an unnecessary Cu film, Ta film, and TaN film other than the trench portion are formed by a chemical mechanical polishing method (hereinafter, CMP method). Then, the first wiring layer 102 is formed.
[0023]
Then, after reducing and removing the natural oxide film on the Cu film 102 by NH 3 plasma treatment, a Cu barrier insulating film 103 (for example, 50 nm) made of SiC and a low dielectric constant made of organic silicate glass (SiOC) are used. The film 104 (for example, 650 nm) is formed.
[0024]
Subsequently, a part (for example, 150 nm) of the low dielectric constant film 104 is removed and flattened by the CMP method. Next, photolithography and dry etching are sequentially performed to form a via hole 105, and the remaining resist and residue are removed by ashing and cleaning.
[0025]
Thereafter, as shown in FIG. 1B, by performing a plasma treatment using NH 3 gas, an altered layer 106 in which the carbon (C) component in the side wall of the via hole 105 is partially removed is formed. The altered layer 106 contains silicon (Si) and oxygen (O) as main components. At this time, the altered layer 106 on the side wall of the via hole 105 needs to have a thickness equal to or larger than the width of the fence 110 formed at the time of trench etching which is a later step. The altered layer 106 is also formed on the surface of the SiOC film 104.
[0026]
Note that the gas in the plasma processing may be O 2 plasma or the like in addition to NH 3, and other processing may be used instead of the plasma processing as long as the processing can remove the C component of the low dielectric constant film 104.
[0027]
Next, as shown in FIG. 1C, an organic ARC (organic antireflection film) 107 is applied, the via holes 105 are buried, a resist is applied, and a second wiring trench pattern 108 is formed by lithography. . The reason why the organic ARC film 107 is applied here is that, by preventing reflection at the time of exposure, dimensional variations at the time of lithography can be suppressed.
[0028]
Next, as shown in FIG. 2A, a trench 111 is formed by anisotropic dry etching. At this time, since the dry etching is anisotropic, a deposit 109 which is a reaction by-product during the dry etching is generated on the side wall of the fence 110 adjacent to the side wall of the trench 111 and the side wall of the resist plug. The side walls are protected by the deposits 109 attached to the side walls, and side etching is suppressed in a portion where the deposits 109 are attached.
[0029]
In this phenomenon, the effect of the altered layer 106 formed in FIG. This point will be described later in detail.
[0030]
Thereafter, as shown in FIG. 2B, the organic ARC 107, the resist pattern 108, and the deposit 109 are removed by ashing and cleaning.
[0031]
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the altered layer 106 and the fence 110 formed of the altered layer 106 are removed by etching using a hydrofluoric acid (HF) -based gas. At this time, the HF-based gas hardly etches the low dielectric constant film 104 made of SiOC and the barrier insulating film 103 made of SiC at the bottom of the via hole.
[0032]
Next, as shown in FIG. 3A, the barrier insulating film 103 at the bottom of the via hole 105 is removed by etching the entire surface.
[0033]
Thereafter, as shown in FIG. 3B, the Cu natural oxide film and the like at the bottom of the via hole 105 are removed by argon (Ar) sputter etching. Subsequently, a second barrier metal 112A (for example, Ta (upper) / TaN (lower) = 10 nm / 10 nm) and a seed Cu film (not shown) in which tantalum (Ta) and tantalum nitride (TaN) films are stacked by a sputtering method. ) Is formed, and a second metal film 112B containing Cu as a main component is formed by a plating method.
[0034]
Finally, unnecessary portions of the Cu film, the Ta film, and the TaN film other than the portion of the trench 111 are removed by the CMP method, and the second wiring layer 112 is formed.
[0035]
Here, the effect of the altered layer 106, which is a feature of the present embodiment, will be described.
[0036]
First, the reason why the fence 110 occurs will be described with reference to FIG.
[0037]
The organic ARC 107 has a lower etching rate than the low dielectric constant film 104.
[0038]
Therefore, as shown in FIG. 12A, when the low dielectric constant film 104 is etched using the second wiring layer trench pattern 108 as a mask, the organic ARC 107 plug and the bottom of the low dielectric constant film 104 are etched in the process. As a result, a deposit 109 is formed on the side wall of the organic ARC 107 plug in the via hole 105 and on the side wall of the ARC film 107 plug on the trench 111 and the low dielectric constant film 104.
[0039]
Once the step is formed, as shown in FIG. 12B, a deposit 109 is formed on the side wall of the organic ARC 107 plug in the via hole 105 exposed at the step. Since the deposited material 109 is not etched, the deposited material 109 serves as a mask. As shown in FIG. 12B, the low dielectric constant film 104 remains without being etched under the deposited material 109, and the deposited material 109 remains. An additional step is formed between the trench and the flat portion at the bottom of the trench.
[0040]
When the etching is continued thereafter, as shown in FIG. 12C, the non-etched region gradually expands, and the fence 110 is formed.
[0041]
Due to the presence of the fence 110 formed in this way, as shown in FIG. 11C, due to the acute angle shape shown in the upper part A of the fence, local electric field concentration occurs, and the barrier property deteriorates. Further, since the cross-sectional area of the Cu film decreases as shown in the upper part B of the fence, the wiring resistance increases, and the electromigration resistance due to current concentration or the like deteriorates. Further, as shown in the hole bottom portion C, the effective depth of the via hole 105 increases due to the occurrence of the fence, and a poor filling of the Cu wiring due to the deterioration of the coverage of the second barrier film occurs.
[0042]
According to the present embodiment, by using the altered layer 106, the above-described problem can be solved by removing the previous fence 110. The method will be described below.
[0043]
In the etching step of FIG. 2A, the deposit 109 is always generated, and the formation of the fence 110 is inevitable. Therefore, in FIG. 1B, the altered layer 106 is formed by removing carbon (C) from an organic silicate glass (SiOC) containing silicon (Si) and oxygen (O) as main components. The altered layer 106 is formed at least in a portion that will become the fence 110 in a later step. As a result, the fence 110 actually generated is a part of the altered layer 106 and can be easily removed by etching using a hydrofluoric acid (HF) -based gas.
[0044]
On the other hand, the HF-based gas hardly etches the low dielectric constant film 104 made of SiOC and the insulating film 103 made of SiC at the bottom of the via hole 105.
[0045]
Therefore, after the via hole 105 and the trench 111 are sequentially formed, and before the barrier film 112A is deposited, only the generated fence 110 can be removed. Therefore, the barrier film 112A is deposited with good adhesion and uniformly, and Cu It is possible to prevent the occurrence of defects at the time of wiring formation.
[0046]
As described above, according to the present embodiment, the fence 110 formed at the time of trench etching is easily removed, the coverage of the barrier film is not reduced, and a dual damascene wiring structure with good Cu film embedding property can be obtained.
[0047]
In FIG. 1B, when the altered layer 106 is formed on the side wall of the via hole 105, NH 3 plasma treatment is performed so that the altered layer 106 has a tapered shape with a thicker upper portion and a thinner lower portion. Can also be. In this case, when the altered layer 106 is removed by wet etching, the via hole 105 is tapered in a self-aligned manner. As a result, as shown in FIG. 3B, the uniform formation of the second barrier film 112A and the seed Cu by the subsequent sputtering method and the uniform formation of the second metal film 112B mainly composed of Cu by the electroplating are performed. Coverage and embedding can be improved.
[0048]
Further, in this embodiment, in addition to the embedding of the organic ARC 107 shown in FIG. 1C, as shown in FIG. 4A, a resist plug 113 formed by etching the entire surface after embedding the resist is used. Can also be. As a method other than embedding the organic ARC 107 shown in FIG. 1C, as shown in FIG. 4B, an organic ARC 107 film is deposited on the resist plug 113 formed in FIG. Can also be used.
[0049]
(Second embodiment)
A method for forming a wiring structure according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
[0050]
First, as shown in FIG. 5A, similarly to the first embodiment, a first wiring layer trench pattern, Ta and TaN are formed in an insulating film 101 formed on a semiconductor substrate (not shown). A first wiring layer 102 composed of a first barrier metal 102A in which films are stacked, Cu for seed (not shown), and a first metal film 102B containing Cu as a main component is formed.
[0051]
Thereafter, an NH 3 plasma process is performed to reduce and remove the natural oxide film on the Cu film 102, and then a Cu barrier insulating film 103 made of SiC and a low dielectric constant film 104 made of SiOC are formed. Subsequently, the upper surface of the low dielectric constant film 104 is planarized by the CMP method.
[0052]
Next, a via pattern 105 is formed by photolithography, and dry etching is performed using the via pattern 121 as a mask to form a via hole 105.
[0053]
Thereafter, as shown in FIG. 5B, NH 3 plasma processing is performed using the via pattern 121 as a mask. As a result, it is possible to form the altered layer 106 containing Si and O as main components while partially removing the C component from the side wall of the via hole 105.
[0054]
On the other hand, here, unlike the first embodiment, since the via pattern 121 is used as a mask, the altered layer 106 is not formed on the surface of the SiOC film 104. At this time, the deteriorated layer 106 on the side wall of the via hole 105 needs to have a film thickness equal to or larger than the width of the fence 110 formed at the time of subsequent trench etching.
[0055]
In addition, other than the NH 3 plasma processing, another method may be used as long as the C component can be removed from the low dielectric constant film 104 such as O 2 plasma.
[0056]
After that, the via pattern 121 is removed by ashing and cleaning.
[0057]
Subsequently, as shown in FIG. 5C, an organic ARC film 107 is applied to fill the via holes 105, and an ARC is also formed on the surface of the insulating film 104. Thereafter, a resist is applied, and a second wiring trench pattern 108 is formed by lithography.
[0058]
Subsequently, the wiring is completed using the same method as in the first embodiment.
[0059]
Specifically, first, as shown in FIG. 6A, a trench pattern 108 is formed by anisotropic dry etching. At this time, a deposit 109 which is a reaction by-product of dry etching and a fence 110 on the side wall of the via hole 105 due to the deposit 109 are formed. The fence 110 formed at this time is formed by the altered layer 106. This is because, in the step shown in FIG. 5B, the side wall of the via hole 105 has been altered so that the thickness of the fence 110 is equal to or greater than that of the fence 110.
[0060]
Next, as shown in FIG. 6B, the organic ARC film 107, the trench pattern 108, and the deposit 109 are sequentially removed by ashing and cleaning.
[0061]
Thereafter, as shown in FIG. 6C, etching is performed using an HF-based gas to remove the fence 110 formed of the altered layer. At this time, in the HF system, the low dielectric constant film 104 made of SiOC and the barrier insulating film 103 made of SiC at the bottom of the via hole 105 are hardly etched.
[0062]
Subsequently, as in the first embodiment, as shown in FIG. 7A, the barrier insulating film 103 at the bottom of the via hole 105 is removed by etching over the entire surface, and as shown in FIG. A second wiring layer 112 made of 112A and a second metal film 112B containing Cu as a main component is formed.
[0063]
According to the present embodiment, similarly to the first embodiment, by forming the fence 110 with the altered layer 106, the low-dielectric-constant film 104 and the barrier insulating film 103 can be etched using an HF-based gas. The fence 110 can be removed, and a dual damascene wiring structure without a fence can be realized.
[0064]
Further, since the NH 3 plasma treatment is performed as it is using the via pattern 121 as a mask, the altered layer 106 is not formed on the surface of the low dielectric constant film 104. Therefore, damage to the surface of the low dielectric constant film 104 due to etching when the altered layer 106 is removed can be suppressed, and a high quality low dielectric constant film can be formed without increasing the number of steps.
[0065]
(Third embodiment)
A method for forming a wiring structure according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0066]
First, as shown in FIG. 8A, a first insulating film is deposited on a semiconductor substrate (not shown), and a first wiring layer 102 is formed thereon. After that, a barrier insulating film 103 and a low dielectric constant film 104 made of SiOC are sequentially formed. Subsequently, the surface of the low dielectric constant film 104 is planarized by the CMP method, and a cap film 131 such as an oxide film (SiO 2 ) formed by, for example, TEOS is formed thereon.
[0067]
Here, unlike the first embodiment, the present embodiment is characterized in that this “cap film 131 is used as a mask at the time of forming the altered layer”.
[0068]
Then, via holes 105 are formed by photolithography, dry etching, ashing, and cleaning.
[0069]
Next, as shown in FIG. 8B, by performing NH 3 plasma treatment, an altered layer 106 containing Si and O as main components is formed by partially removing the C component from the side wall of the via hole 105. . At this time, the altered layer 106 on the side wall of the via hole 105 needs to have a thickness equal to or larger than the width of the fence 110 formed at the time of the subsequent trench etching. On the other hand, the deteriorated layer 106 is not formed on the surface of the low dielectric constant film (SiOC) 104 by using the cap film 131 as a mask.
[0070]
In addition, other than the NH 3 plasma processing, other methods may be used as long as the processing can remove the C component from the low dielectric constant film 104 such as O 2 plasma.
[0071]
Thereafter, as shown in FIG. 8C, the organic ARC 107 is applied to fill the via hole 105, and the organic ARC 107 is also formed on the surface of the cap film 131. Thereafter, a resist is applied, and a second wiring trench pattern 108 is formed by lithography.
[0072]
Subsequently, as shown in FIG. 9A, a trench pattern 108 is formed by anisotropic dry etching. At this time, a deposit 109 which is a reaction by-product of dry etching and a fence 110 on the side wall of the via hole due to the deposit 109 are formed. Since the altered layer 106 is formed so as to be equal to or larger than the size of the fence 110 in the step of FIG. 8B, the fence 110 is formed by the altered layer 106 on the side wall of the via hole 105.
[0073]
Next, as shown in FIG. 9B, the organic ARC 107, the resist pattern 108, and the deposit 109 in the via hole 105 are removed by ashing and cleaning.
[0074]
Thereafter, as shown in FIG. 9C, the altered layer 106, the fence 110 formed of the altered layer, and the cap film 131 are removed by HF etching. At this time, the HF-based gas hardly etches the low dielectric constant film 104 made of SiOC and the barrier insulating film 103 made of SiC at the bottom of the via hole 105.
[0075]
Subsequently, as shown in FIG. 10A, the barrier insulating film 103 at the bottom of the via hole 105 is removed by etching the entire surface, and as shown in FIG. 10B, the second barrier metal 112A and Cu The second wiring layer 112 made of the second metal film 112B thus formed is formed.
[0076]
As described above, according to the present embodiment, similarly to the first embodiment, by forming the fence 110 with the altered layer 106, the low dielectric constant film 104 and the barrier insulating film 103 are etched using an HF-based gas. The fence 110 can be removed without performing, and a dual damascene wiring structure without a fence can be realized.
[0077]
Further, the cap film 131 on the previously formed low dielectric constant film 104 also serves as a mask during the NH 3 plasma treatment at the time of forming the altered layer 106 and the ashing at the time of removing the second wiring trench pattern 108 after the trench etching. . Therefore, the deteriorated layer 106 is not formed on the surface of the low dielectric constant film 104, and damage to the surface of the low dielectric constant film 104 at the time of ashing is small, so that a high quality low dielectric constant film 104 can be formed. Further, since the cap film 131 is made of SiO 2, it can be removed at the same time when the deteriorated layer 106 is removed, without increasing the number of steps.
[0078]
Even when the same mask is used, if the resist after etching the via hole 105 is used as a mask as in the second embodiment, the via hole etching is performed on the side wall of the via hole 105 after the NH 3 plasma treatment. In some cases, deposits at the time remain, and it is difficult to form the altered layer 106 having a sufficient thickness.
[0079]
However, in the present embodiment, since the NH 3 plasma treatment is performed after the via hole pattern is removed, the deposit 109 due to the resist material does not occur. Therefore, it is possible to easily form the altered layer 106 having a sufficient thickness.
[0080]
【The invention's effect】
According to the invention, the fence is formed by a modified layer. Therefore, for example, by performing an HF wet etching process, the fence can be easily removed without etching the low dielectric constant film and the barrier insulating film.
[0081]
As a result, the coverage of the barrier film is improved, and it is possible to prevent local electric field concentration and an increase in the effective depth of the via hole in the embedded wiring of the Cu film. Therefore, it is possible to realize a dual damascene wiring structure in which the electromigration resistance does not easily deteriorate and the Cu film can be easily embedded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a process in a first embodiment; FIG. 2 is a sectional view of a process in a first embodiment; FIG. 3 is a sectional view of a process in a first embodiment; FIG. FIG. 5 is a process sectional view in the second embodiment. FIG. 6 is a process sectional view in the second embodiment. FIG. 7 is a process sectional view in the second embodiment. FIG. 8 is a third embodiment. FIG. 9 is a process cross-sectional view in the third embodiment. FIG. 10 is a process cross-sectional view in the third embodiment. FIG. 11 is a diagram showing a problem of the conventional method. 13 is a cross-sectional view of a process in a conventional method. FIG. 14 is a cross-sectional view of a process in a conventional method. FIG. 15 is a cross-sectional view of a process in a conventional method.
Reference Signs List 101 First insulating film 102 First wiring layer 102A First barrier metal 102B First metal film 103 Barrier insulating film 104 Low dielectric constant film 105 Via hole 106 Altered layer 107 Organic ARC
108 second wiring layer trench pattern 109 deposition object 110 fence 111 trench 112 second wiring layer 112A second barrier metal 112B second metal film 113 resist plug 121 via pattern 131 cap film

Claims (7)

低誘電率膜に第1の溝を形成する工程と、
前記第1の溝の内壁にある前記低誘電率膜の表面部分に変質層を形成する工程と、
前記第1の溝中に、前記低誘電率膜と選択除去可能な材料からなるプラグを形成する工程と、
前記低誘電率膜及び前記変質層を一部除去し、前記低誘電率膜に前記第1の溝を一部含む第2の溝を形成する工程と、
前記プラグ及び前記変質層を選択的に除去し、前記低誘電率膜にヴィアホール及びトレンチを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする配線構造の形成方法。
Forming a first groove in the low dielectric constant film;
Forming an altered layer on a surface portion of the low dielectric constant film on an inner wall of the first groove;
Forming a plug made of a material that can be selectively removed with the low dielectric constant film in the first groove;
Forming a second groove partially including the first groove in the low dielectric constant film by partially removing the low dielectric constant film and the altered layer;
Selectively removing the plug and the altered layer to form via holes and trenches in the low dielectric constant film;
A method for forming a wiring structure, comprising:
前記変質層の幅は、フェンスの幅以上に形成することを特徴とする、請求項1記載の配線構造の形成方法。2. The method according to claim 1, wherein the width of the altered layer is greater than the width of the fence. 前記プラグは有機材料から構成され、前記プラグはアッシング又は洗浄により除去され、前記変質層はウェットエッチングにより選択的に除去されることを特徴とする、請求項1記載の配線構造の形成方法。2. The method according to claim 1, wherein the plug is made of an organic material, the plug is removed by ashing or cleaning, and the altered layer is selectively removed by wet etching. 前記低誘電率膜は、主にSi,O,Cを構成成分として含み、前記変質層は前記低誘電率膜からC成分を抜く処理により形成されることを特徴とする、請求項1記載の配線構造の形成方法。2. The low dielectric constant film according to claim 1, wherein the low dielectric constant film mainly contains Si, O, and C as constituent components, and the altered layer is formed by a process of removing a C component from the low dielectric constant film. A method for forming a wiring structure. 前記変質層を、下部に比べ上部の方が厚い順テーパ形状として形成し、
その変質層を除去することにより、順テーパ形状の前記ヴィアホールを形成することを特徴とする、請求項1記載の配線構造の形成方法。
The altered layer is formed as a forward tapered shape in which the upper part is thicker than the lower part,
2. The method for forming a wiring structure according to claim 1, wherein the via hole having a forward tapered shape is formed by removing the altered layer.
前記第1の溝を、形成時のレジスト材をそのままマスクとして前記変質層を形成することを特徴とする、請求項1記載の配線構造の形成方法。2. The method for forming a wiring structure according to claim 1, wherein the altered layer is formed using the resist material at the time of forming the first groove as a mask. 前記低誘電率膜の上に、キャップ層を形成し、そのキャップ層をマスクに前記変質層を形成することを特徴とする、請求項1記載の配線構造の形成方法。2. The method according to claim 1, wherein a cap layer is formed on the low dielectric constant film, and the altered layer is formed using the cap layer as a mask.
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