JP2006148003A - Manufacturing method of semiconductor device and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば複数の段差構造を有する半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a plurality of step structures, for example, and a semiconductor device.
近年、半導体装置の高集積化、高速化に伴い、Cu多層配線が採用されている。そして、このようなCu多層配線の形成には、一般にデュアルダマシン法が用いられる。すなわち、層間絶縁膜中に予め複数の段差を形成した後、Cuを埋め込み、CMP法等により平坦化することにより、配線・コンタクトを同時に形成することができる。 In recent years, Cu multilayer wiring has been adopted as semiconductor devices are highly integrated and speeded up. A dual damascene method is generally used to form such a Cu multilayer wiring. That is, after forming a plurality of steps in the interlayer insulating film in advance, Cu is embedded and planarized by a CMP method or the like, whereby wiring and contacts can be formed simultaneously.
従来このような複数の段差構造は、例えば以下のように形成されている。先ず、図17に示すように、半導体基板(図示せず)上に形成された層間絶縁膜101、コンタクトプラグ102、下層配線103と、これらの上層に形成された層間絶縁膜104上に、感光性塗布膜105を塗布、露光してホールパターンを形成し、これをマスクとしてエッチングを行うことにより、下層配線103と接続するホールを形成した後、感光性塗布膜105を除去する。次いで、図18に示すように、さらに感光性塗布膜106を塗布、露光して配線パターンを形成し、これをマスクとして所定の深さまでエッチングすることにより、配線溝を形成した後、感光性塗布膜106を除去して、ホール・配線溝が形成される。
Conventionally, such a plurality of step structures are formed as follows, for example. First, as shown in FIG. 17, a photosensitive film is formed on an interlayer
このような従来の方法では、PEP(Photo etching process)を複数回繰り返す必要があり、アライメント誤差などにより、加工精度が十分でないという問題があった。そこで、加工精度の向上を図ることが種々検討されている(例えば特許文献1参照)。 In such a conventional method, it is necessary to repeat PEP (Photo etching process) a plurality of times, and there is a problem that processing accuracy is not sufficient due to an alignment error or the like. Therefore, various attempts have been made to improve machining accuracy (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述の方法においても、異なるエッチングプロセスを繰り返す等、加工工程が多く、リードタイムの短縮、加工コストの削減が困難であるという問題があった。
本発明は、絶縁層中に複数の段差を形成する際の加工精度の向上を図るとともに、加工工程数を低減することが可能な半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とするものである。 It is an object of the present invention to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device capable of improving processing accuracy when forming a plurality of steps in an insulating layer and reducing the number of processing steps. Is.
本発明の一態様によれば、半導体基板上に第1の感光性塗布膜を形成する工程と、前記第1の感光性塗布膜上に、前記第1の感光性塗布膜より感度の高い第2の感光性塗布膜を形成する工程と、第1のマスクを用いて露光を行い、前記第1の感光性塗布膜及び前記第2の感光性塗布膜に前記第1のパターンを転写する工程と、第2のマスクを用いて、前記第2の感光性塗布膜のみ感光する露光量で露光を行い、前記第2の感光性塗布膜に前記第2のパターンを転写する工程と、前記第1の感光性塗布膜及び前記第2の感光性塗布膜を現像し、前記第1の感光性塗布膜と前記第2の感光性塗布膜を異なるパターンに加工する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, a step of forming a first photosensitive coating film on a semiconductor substrate, and a first sensitivity higher than that of the first photosensitive coating film on the first photosensitive coating film. A step of forming a second photosensitive coating film, and a step of performing exposure using a first mask to transfer the first pattern to the first photosensitive coating film and the second photosensitive coating film. Using the second mask to perform exposure with an exposure amount that exposes only the second photosensitive coating film, and transferring the second pattern to the second photosensitive coating film; And developing the first photosensitive coating film and the second photosensitive coating film, and processing the first photosensitive coating film and the second photosensitive coating film into different patterns. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
また、本発明の一態様によれば、半導体基板上に第1の感光性塗布膜を形成する工程と、第1のマスクを用いて露光を行い、前記第1の感光性塗布膜及び前記第2の感光性塗布膜に前記第1のパターンを転写、現像し、第1のパターンを形成する工程と、前記第1のパターンの形成された前記第1の感光性塗布膜に、前記第1の感光性塗布膜の感光能力を低下させる表面処理を施す工程と、前記第1の感光性塗布膜上に第2の感光性塗布膜を形成する工程と、第2のマスクを用いて、前記第2の感光性塗布膜のみを露光させ、前記第2の感光性塗布膜に前記第2のパターンを転写する工程と、前記第2の感光性塗布膜を現像し、前記第1のパターンと異なる第2のパターンに加工する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a step of forming a first photosensitive coating film on a semiconductor substrate and exposure using a first mask are performed, and the first photosensitive coating film and the first photosensitive coating film are exposed. Transferring and developing the first pattern to the second photosensitive coating film to form the first pattern; and forming the first pattern on the first photosensitive coating film on which the first pattern is formed. Applying a surface treatment for reducing the photosensitive ability of the photosensitive coating film, forming a second photosensitive coating film on the first photosensitive coating film, and using a second mask, Exposing only the second photosensitive coating film and transferring the second pattern to the second photosensitive coating film; developing the second photosensitive coating film; and There is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising a step of processing into a different second pattern. It is.
また、本発明の一態様によれば、半導体基板上に形成された所定パターンの配線層と、この配線層を下層の所定位置に接続するホールを備え、前記配線層の少なくとも前記ホールの形成された領域の幅方向において、底面がテーパーを有することを特徴とする半導体装置が提供される。 According to another aspect of the present invention, a wiring layer having a predetermined pattern formed on a semiconductor substrate and a hole connecting the wiring layer to a predetermined position on a lower layer are provided, and at least the hole of the wiring layer is formed. There is provided a semiconductor device characterized in that the bottom surface has a taper in the width direction of the region.
本発明の一実施態様によれば、工程数の削減が可能となり、各パターン間における相対的なアライメント精度を向上させることができるとともに、安定した段差を形成することができる。 According to one embodiment of the present invention, the number of steps can be reduced, the relative alignment accuracy between patterns can be improved, and a stable step can be formed.
また、本発明の一実施態様によれば、安定した段差を形成することができるとともに、感光性塗布膜の解像性を向上させることができる。 Moreover, according to one embodiment of the present invention, a stable step can be formed and the resolution of the photosensitive coating film can be improved.
さらに、本発明の一実施態様によれば、コンタクトプラグ/配線底面をテーパー状に加工することができ、その内部に形成されるコンタクトプラグ/配線膜中の欠陥を抑えることが可能となる。 Furthermore, according to one embodiment of the present invention, the contact plug / wiring bottom can be processed into a tapered shape, and defects in the contact plug / wiring film formed therein can be suppressed.
以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1乃至図5に本実施形態の半導体装置の製造工程を示す。
(Embodiment 1)
1 to 5 show a manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.
図1に示すように、能動素子領域の形成された半導体基板(図示せず)上に、NSG(Nondoped silicate glass)層1a/TEOS層1b/P−SiH4(プラズマシラン(SiO2))層1cからなる層間絶縁膜1を形成する。次いで、層間絶縁膜1の所定位置に、能動素子、或いは下層配線等の所定領域に到達するTiN層2a/W層2bからなるコンタクトプラグ2と、これと接するCu配線層3を形成する。そして、これらの上層にSiN層4a/TEOS層4bからなる層間絶縁膜4を形成する。
As shown in FIG. 1, an NSG (Nondoped Silicate Glass) layer 1a /
次いで、図2に示すように、アクリル系樹脂からなる化学増幅型レジストを塗布し、第1の感光性塗布膜5を形成する。そして、この上層に、より感度の高いフェノール系樹脂からなる化学増幅型レジストを塗布し、第2の感光性塗布膜6を形成する。
Next, as shown in FIG. 2, a chemically amplified resist made of an acrylic resin is applied to form a first
そして、図3に示すように、加工マスク7を用いて露光し、第1の感光性塗布膜5、第2の感光性塗布膜6第双方に第1のパターンを転写する(感光部5a、6a)。
Then, as shown in FIG. 3, exposure is performed using a processing mask 7, and the first pattern is transferred to both the first
次いで、図4に示すように、加工マスク8を用いて、今度は第2の感光性塗布膜6のみが感光する露光量にて露光し、第2の感光性塗布膜6に第2のパターンを転写する(感光部6b)。
Next, as shown in FIG. 4, using the processing mask 8, this time, the second
さらに、これを現像することにより、第1の感光性塗布膜5、第2の感光性塗布膜6を、図5に示すような段差形状とする(第1の感光性塗布膜5’、第2の感光性塗布膜6’)。
Further, by developing this, the first
このように、1回の現像工程で、複数の段差を有する感光性塗布膜を形成することできるため、工程数の削減が可能となる。また、基板のアライメントが1回で済むため、各パターン間における相対的なアライメント精度を向上させることができる。また、第2のパターンを形成する際、第1の感光性塗布膜5が第2の感光性塗布膜6の露光時に現像されないため、安定した段差を形成することができる。
Thus, since the photosensitive coating film having a plurality of steps can be formed in one development step, the number of steps can be reduced. Further, since alignment of the substrate only needs to be performed once, the relative alignment accuracy between the patterns can be improved. Further, when the second pattern is formed, the first
本実施形態において第1の感光性塗布膜5、第2の感光性塗布膜6に形成された段差を用いて、例えばそのままエッチングを行うことにより、下層のコンタクトプラグ2/Cu配線3に到達するデュアルダマシン配線を形成することができる。また、第1の感光性塗布膜5、第2の感光性塗布膜6を除去せずそのまま硬化させて、段差形状の層間絶縁膜として用いることも可能である。
In this embodiment, the step formed in the first
尚、本実施形態において、第1の感光性塗布膜5、第2の感光性塗布膜6に、浅い開口部内に深い開口部を形成して段差形状の開口部を形成しているが、各開口部の位置関係は特に限定されるものではなく、図6に示すように、第1の感光性塗布膜15、第2の感光性塗布膜16における浅い開口部と深い開口部を、それぞれ異なる場所に形成することも可能である。
In the present embodiment, the first
そして、図7に示すように、このような形状の第1の感光性塗布膜15、第2の感光性塗布膜16をマスクとしてイオン注入を行うことにより、半導体基板17に深さの異なる不純物領域18a、18bを形成することができる。
Then, as shown in FIG. 7, by performing ion implantation using the first
このようにして、半導体基板中に深さの異なる不純物領域形成する際、PEP等を繰り返し行う必要がないとともに、アライメント精度/解像性の高いマスクを形成できるため、精度よく不純物領域を形成することが可能となる。また、感光性塗布膜の分子量を上下層で適宜選択することにより、不純物濃度の異なる領域を同様に形成することも可能である。 In this way, when forming impurity regions having different depths in the semiconductor substrate, it is not necessary to repeatedly perform PEP and the like, and a mask with high alignment accuracy / resolution can be formed, so that the impurity regions are formed with high accuracy. It becomes possible. It is also possible to similarly form regions having different impurity concentrations by appropriately selecting the molecular weight of the photosensitive coating film between the upper and lower layers.
尚、本実施形態において、段差を2段としているが、3段以上の多段構造も形成可能である。また、感光性塗布膜は、ネガ型、ポジ型のいずれを用いることも可能である。また、第1の感光性塗布膜5、15、第2の感光性塗布膜6、16に化学増幅型レジストを用いているが、これに限定されるものではなく、公知の感光性樹脂を用いることができる。また、加工マスクも特に限定されるものではなく、公知のフォトマスクを用いることができ、位相シフト法によるハーフトーンマスクを用いて露光することにより、第1、第2のパターンを同時に転写することも可能である。
In this embodiment, the step is two steps, but a multi-step structure having three or more steps can also be formed. The photosensitive coating film can be either a negative type or a positive type. Moreover, although the chemically amplified resist is used for the first
(実施形態2)
図8乃至図12に本実施形態の半導体装置の製造工程を示す。
(Embodiment 2)
8 to 12 show the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.
図8に示すように、実施形態1と同様に、能動素子領域の形成された半導体基板(図示せず)上に、NSG層21a/TEOS層21b/P−SiH4層21cからなる層間絶縁膜21、TiN層22a/W層22bからなるコンタクトプラグ22及びCu配線23と、これらの上層にSiN層24a/TEOS層24bからなる層間絶縁膜24を形成し、これらの上層に、PegmeaとPegmeの混合溶剤に溶解したノボラック系樹脂を塗布し、第1の感光性塗布膜25を形成する。
As shown in FIG. 8, as in the first embodiment, an interlayer insulating film composed of an
次いで、図9に示すように、第1の加工マスクを用いて露光し、感光性塗布膜25に第1のパターンを転写、現像し、第1の感光性塗布膜25を第1のパターンに加工する(感光性塗布膜25’)。
Next, as shown in FIG. 9, exposure is performed using a first processing mask, the first pattern is transferred and developed on the
そして、図10に示すように、このパターンの形成された第1の感光性塗布膜25’表面をUVbakeによりCure処理する(Cure処理された領域25a’)。このCure処理により第1の感光性塗布膜25’の感光能力を低下させることができる。尚、第1の感光性塗布膜25の表面のみのCure処理であるので、高温・長時間での処理は不要であり、能動素子への影響は抑えられる。そして、図11に示すように、同じ材料からなる第2の感光性塗布膜26を形成する。尚、第2の感光性塗布膜26は、第1の感光性塗布膜25と異なるものを用いてもよい。
Then, as shown in FIG. 10, the surface of the first photosensitive coating film 25 'on which this pattern has been formed is cured by UV bake (Cure-processed
次いで、図12に示すように、第2の加工マスクを用いて、今度は第2の感光性塗布膜26のみが感光する露光量にて露光し、第2の感光性塗布膜26に第2のパターンを転写する。そして、これを現像し、第2の感光性塗布膜26を、第1のパターンと異なる第2のパターンに加工(第2の感光性塗布膜26’)することにより、第1の感光性塗布膜25、第2の感光性塗布膜26に段差を形成する。
Next, as shown in FIG. 12, using the second processing mask, this time, the second
尚、本実施例においては、第1の感光性塗布膜25’の表面をCure処理することにより、第1の感光性塗布膜25’の感光能力を低下させたが、感光能力を低下させる処理であれば、Cure処理に限定されるものではなく、例えば第1の感光性塗布膜25’の表面に、露光波長の光の透過を抑える薄膜を形成しても良い。
In the present embodiment, the surface of the first
このように、第1の感光性塗布膜25にパターンを形成した後、その表面をCureすることにより、第2の感光性塗布膜26露光時の第1の感光性塗布膜25の感光を抑えることができるので、安定した段差を有する第1の感光性塗布膜25’、第2の感光性塗布膜26’を形成することができる。また、第2の感光性塗布膜26を塗布する際、第1の感光性塗布膜25’とのインターミキシングを低減することができ、第2の感光性塗布膜26の解像性を向上させることができる。
As described above, after the pattern is formed on the first
本実施形態において第1の感光性塗布膜25、第2の感光性塗布膜26に形成された段差を用いて、例えばそのままエッチングを行うことにより、下層のコンタクトプラグ22/Cu配線23に到達するデュアルダマシン配線を形成することができる。また、第1の感光性塗布膜25’、第2の感光性塗布膜26’を除去せずそのまま硬化させて、段差形状の層間絶縁膜として用いることも可能である。
In this embodiment, by using the steps formed in the first
尚、本実施形態において、第1の感光性塗布膜25、第2の感光性塗布膜26に、浅い開口部内に深い開口部を形成して段差形状の開口部を形成しているが、各開口部の位置関係は特に限定されるものではなく、実施形態1と同様に、浅い開口部と深い開口部を、それぞれ異なる場所に形成することも可能である。そして、実施形態1と同様に、さらに第1の感光性塗布膜25’、第2の感光性塗布膜26’をマスクとしてイオン注入を行うことにより、深さや濃度の異なる不純物領域を形成することができる。
In the present embodiment, the first
また、本実施形態において、段差を2段としているが、3段以上の多段構造も形成可能である。また、感光性塗布膜は、ネガ型、ポジ型のいずれを用いることも可能である。 Moreover, in this embodiment, although the level | step difference is 2 steps | paragraphs, the multistage structure of 3 steps | paragraphs or more can be formed. The photosensitive coating film can be either a negative type or a positive type.
(実施形態3)
本実施形態は、実施形態1の手法により形成された感光性塗布膜の段差を用いて、さらに下層の層間絶縁膜を加工し、デュアルダマシン配線を形成するものである。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, the lower interlayer insulating film is processed using the steps of the photosensitive coating film formed by the method of the first embodiment to form dual damascene wiring.
図13に示すように、実施形態1と同様に、能動素子領域の形成された半導体基板(図示せず)上に、NSG層31a/TEOS層31b/P−SiH4層31cからなる層間絶縁膜31が形成されており、その所定位置に、能動素子、或いは下層配線等の所定領域に到達するTiN層32a/W層32bからなるコンタクトプラグ32と、これと接するCu配線層33が形成されている。そして、これらの上層にSiN層34a/TEOS層34bからなる層間絶縁膜34が形成されている。そして、実施形態1と同様に、第1の感光性塗布膜35、第2の感光性塗布膜36が塗布され、段差を形成される。
As shown in FIG. 13, as in the first embodiment, an interlayer insulating film composed of an
次いで、RIE(Reactive ion etching)等公知のエッチング方法により、第1の感光性塗布膜35、第2の感光性塗布膜36を除去するとともに、第1の感光性塗布膜35、第2の感光性塗布膜36をマスクとして層間絶縁膜34をエッチングする。このとき、第1の感光性塗布膜35、第2の感光性塗布膜36及び層間絶縁膜34のエッチング選択比はほぼ1となるように設定される場合、例えば図14に示すように、第1の感光性塗布膜35、第2の感光性塗布膜36に形成された段差のまま加工され(層間絶縁膜34’)が、下層のCu配線層33と接続されるが、夫々のエッチング選択比は適宜設定することが可能である。そして、図15に示すように、Seed−Cu膜39a、Cu膜39bを順次形成後、CMPなどにより平坦化され、層間絶縁膜34’中形成された段差中にCu等からなるコンタクトプラグ/配線39が形成される。
Next, the first
また、エッジ部のエッチングが進行することにより、図16に示すように、ビアホールの形成される配線溝底面(破線で囲まれた領域)をテーパー状に加工することができる。このように、少なくとも配線底面の幅方向がテーパー状になるように、層間絶縁膜34”を加工することにより、この内部に同様にコンタクトプラグ/配線39’を形成する際のCu等のカバレッジを向上させることができる。
Further, as the etching of the edge portion proceeds, as shown in FIG. 16, the bottom surface of the wiring groove where the via hole is formed (region surrounded by the broken line) can be processed into a taper shape. Thus, by processing the
このようにして、実施形態1の手法により形成された段差形状の第1の感光性塗布膜35、第2の感光性塗布膜36の下層の層間絶縁膜34を、第1の感光性塗布膜35、第2の感光性塗布膜36とともにそのままエッチングすることにより段差形状に加工することができる。さらに、配線底面をテーパー状に加工することにより、その内部に形成されるコンタクトプラグ/配線膜中の欠陥を抑えることが可能となる。
In this way, the step-shaped first
尚、同様に、実施形態2の手法により形成された段差形状の第1の感光性塗布膜25’、第2の感光性塗布膜26’を用いて、下層の層間絶縁膜24を段差形状に加工することができる。
Similarly, the lower
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. Various other modifications can be made without departing from the scope of the invention.
1、4、24、34、34’、34”、104 層間絶縁膜
2、22、32、102 コンタクトプラグ
3、23、33、103 Cu配線層
5、6、5’、6’、15、16、25、26、25’、26’、35、36、105、106 感光性塗布膜
7、8 加工マスク
17 半導体基板
18 不純物領域
39、39’ コンタクトプラグ/配線
1, 4, 24, 34, 34 ', 34 ", 104
Claims (5)
前記第1の感光性塗布膜上に、前記第1の感光性塗布膜より感度の高い第2の感光性塗布膜を形成する工程と、
第1のマスクを用いて露光を行い、前記第1の感光性塗布膜及び前記第2の感光性塗布膜に前記第1のパターンを転写する工程と、
第2のマスクを用いて、前記第2の感光性塗布膜のみ感光する露光量で露光を行い、前記第2の感光性塗布膜に前記第2のパターンを転写する工程と、
前記第1の感光性塗布膜及び前記第2の感光性塗布膜を現像し、前記第1の感光性塗布膜と前記第2の感光性塗布膜を異なるパターンに加工する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first photosensitive coating film on a semiconductor substrate;
Forming a second photosensitive coating film having higher sensitivity than the first photosensitive coating film on the first photosensitive coating film;
Performing exposure using a first mask and transferring the first pattern to the first photosensitive coating film and the second photosensitive coating film;
Using the second mask to perform exposure with an exposure amount that exposes only the second photosensitive coating film, and transferring the second pattern to the second photosensitive coating film;
And developing the first photosensitive coating film and the second photosensitive coating film, and processing the first photosensitive coating film and the second photosensitive coating film into different patterns. A method for manufacturing a semiconductor device.
第1のマスクを用いて露光を行い、前記第1の感光性塗布膜及び前記第2の感光性塗布膜に前記第1のパターンを転写、現像し、第1のパターンを形成する工程と、
前記第1のパターンの形成された前記第1の感光性塗布膜に、前記第1の感光性塗布膜の感光能力を低下させる表面処理を施す工程と、
前記第1の感光性塗布膜上に第2の感光性塗布膜を形成する工程と、
第2のマスクを用いて、前記第2の感光性塗布膜のみを露光させ、前記第2の感光性塗布膜に前記第2のパターンを転写する工程と、
前記第2の感光性塗布膜を現像し、前記第1のパターンと異なる第2のパターンに加工する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first photosensitive coating film on a semiconductor substrate;
Performing exposure using a first mask, transferring and developing the first pattern to the first photosensitive coating film and the second photosensitive coating film, and forming a first pattern;
Performing a surface treatment on the first photosensitive coating film on which the first pattern is formed to reduce the photosensitive ability of the first photosensitive coating film;
Forming a second photosensitive coating film on the first photosensitive coating film;
Exposing only the second photosensitive coating film using a second mask, and transferring the second pattern to the second photosensitive coating film;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: developing the second photosensitive coating film and processing the second photosensitive coating film into a second pattern different from the first pattern.
この配線層を下層の所定位置に接続するホールを備え、
前記配線層の少なくとも前記ホールの形成された領域の幅方向において、底面がテーパーを有することを特徴とする半導体装置。 A wiring layer having a predetermined pattern formed on the semiconductor substrate;
With a hole that connects this wiring layer to a predetermined position in the lower layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a bottom surface of the wiring layer has a taper in a width direction of at least the region where the hole is formed.
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- 2004-11-24 JP JP2004338909A patent/JP2006148003A/en active Pending
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