JP2006228986A

JP2006228986A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2006228986A
Application number: JP2005041127A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kawai; 健治川井; Masahiro Tadokoro; 昌洋田所
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】ハードマスクを用いた金属配線形成エッチングで発生する配線不良を抑制する。
【解決手段】ＴｉまたはＡｌを含む金属配線層６の上に、シリコン酸窒化膜からなるストッパー膜７を形成する。さらに、この上に形成したハードマスク層１０を、フッ素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングによりエッチングしてハードマスク１０ａを形成する。
このとき、ストッパー膜７の表面でエッチングがストップするので、ＴｉＦやＡｌＦなどの反応生成物の発生を抑制することができる。これにより、金属配線層６をエッチングして金属配線６ａを形成するエッチング工程において、隣接する金属配線６ａの配線ショートなどの配線不良が発生するのを抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特にシリコン酸化膜などの無機絶縁膜をマスクとした金属配線のエッチング方法に関する。

微細金属配線の形成において、配線ピッチの微細化に伴いレジストパターンの膜厚も薄膜化される。特に配線ピッチが０．５μｍよりも小さくなると、レジストパターンをマスクとして金属配線層をエッチングすることは困難となる。このため、金属配線層上にシリコン酸化膜などからなるハードマスクを形成し、これをマスクとして金属配線層をエッチングする方法が広く用いられている。

上述したハードマスクをマスクとして金属配線層をエッチングする例について説明する。
まず、ＡｌＣｕ膜などの金属合金膜の上にＴｉＮ膜を積層した金属配線層を形成し、その上にシリコン酸化膜などの無機絶縁膜を形成する。次に、無機絶縁膜上にレジストパターンを形成し、これをマスクとして無機絶縁膜をエッチングして、ハードマスクを形成する。この後、アッシングなどによりレジストパターンを除去する。さらに、このハードマスクをマスクとして上記金属配線層をエッチングして金属配線を形成する。

上述したハードマスクを形成する際にフッ素原子を含むガスを用いてプラズマエッチングを行うと、表面に露出したＴｉＮ膜に含まれるＴｉとフッ素原子が反応して反応生成物（ＴｉＦ）が形成され、ＴｉＮ膜の表面に残留しやすい。この反応生成物は、アッシングなどにより完全に除去するのは困難である。

このため、上述したＴｉＮ膜と無機絶縁膜との間に、ハードマスク形成時のエッチングストッパー膜としてシリコン膜を形成し、ハードマスクを形成するエッチングの際にＴｉＮ膜が露出しないようにして、反応生成物（ＴｉＦ）の発生を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２５７９８０号公報

上記従来の半導体装置の製造方法において、上記金属配線層の上にストッパー膜を形成しない場合には、Ｔｉ膜の表面に残留した反応生成物（ＴｉＦ）が金属配線層をエッチングする際のマスクとなって、金属配線の不良パターン（配線間のショートなど）を発生させてしまうという問題があった。

また、ハードマスク形成時のエッチングストッパー膜としてシリコン膜を形成した場合には、金属配線層をエッチングする際にシリコン膜上のハードマスクのエッジ部が後退してハードマスクの幅が狭くなると、シリコン膜の露出した部分はすぐにエッチングされる。そうすると、その下の金属配線層もエッチングされてしまい、局所的に配線の膜厚異常や配線の断線を引き起こしてしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、金属配線層の上に形成した無機絶縁膜をエッチングしてハードマスクを形成し、これをマスクとして金属配線層をエッチングして金属配線を形成する半導体装置の製造方法において、ハードマスクを形成するエッチングで反応生成物の発生を抑えることにより、金属配線を形成するエッチングでの配線間ショートや、配線の膜厚異常や断線が発生することを抑制した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上にＴｉまたはＡｌを含む金属配線層を形成する工程と、前記金属配線層の上にシリコン酸窒化膜からなるストッパー膜を形成する工程と、前記ストッパー膜の上にハードマスク層を形成する工程と、前記ハードマスク層の上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクとしてフッ素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングにより前記ハードマスク層を選択的にエッチングしてハードマスクを形成するとともに、前記ストッパー膜の表面を露出させる第一のエッチング工程と、前記レジストパターンを除去する工程と、前記ハードマスクをマスクとして前記ストッパー膜および前記金属配線層をプラズマエッチングにより選択的にエッチングして金属配線を形成する第二のエッチング工程とを含むことを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、金属配線層の上に、ハードマスク形成時のエッチングのストッパー膜としてシリコン酸窒化膜を形成することにより、ハードマスクを形成するエッチングで反応生成物の発生を抑えることができる。これにより、金属配線を形成するエッチングでの配線間ショートや、配線の膜厚異常や断線を抑制した半導体装置の製造方法を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により順を追って説明する工程説明図である。
まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１の上にトランジスタなどの素子（図示しない）を形成した後、全面に層間絶縁膜２を形成する。次に、層間絶縁膜２の上に、ＴｉＮ膜３（膜厚２０〜５０ｎｍ）、ＡｌＣｕ膜４（膜厚１００〜２５０ｎｍ）、およびＴｉＮ膜５（膜厚２０〜６０ｎｍ）を順次積層した金属配線層６をスパッタ法により形成する。
この金属配線層６としては、下層からＴｉ膜、ＴｉＮ膜、ＡｌＣｕ膜、Ｔｉ膜、およびＴｉＮ膜を順次積層した積層膜を形成するようにしても良い。また、ＡｌＣｕ膜のみによる単層膜であっても良い。すなわち、シリコン基板１の上に、ＴｉまたはＡｌを含む金属配線層６を形成する。

次に、金属配線層６の上に、シリコン酸窒化膜からなるストッパー膜７をプラズマ化学気相成長（Chemical Vapor Deposition；以下「ＣＶＤ」という）法により２０〜６０ｎｍ程度の膜厚で形成する。
次に、ストッパー膜７の上に、シリコン酸化膜８（膜厚１００〜２５０ｎｍ）と反射防止膜９（膜厚５０〜１５０ｎｍ）とを積層したハードマスク層１０をプラズマＣＶＤ法により形成する。反射防止膜９は、１層膜または２層膜からなるシリコン酸窒化膜とする。またハードマスク層１０は、後に金属配線層６をエッチングする際のハードマスクとして用いる。

上記の例では、ハードマスク層１０として、シリコン酸化膜８およびシリコン酸窒化膜（反射防止膜９）を順次積層した積層膜を形成するようにした。
ハードマスク層１０をこのような構造とすることにより、後の工程でハードマスク層１０の上にレジストパターンを形成する際には、シリコン酸窒化膜を反射防止膜として用いることができ、且つ、後の工程で行う金属配線層６のエッチングでは、このシリコン酸窒化膜およびシリコン酸化膜８をハードマスクとして用いることができる。
すなわち、反射防止膜９としてシリコン酸窒化膜を用いた場合、この膜をレジストパターン形成時の反射防止膜として用いることができ、且つ、金属配線層６をエッチングする際のハードマスクとしても用いることができる。

また、ハードマスク層１０としてシリコン酸化膜８および有機膜を順次積層した積層膜を形成するようにしても良い。この有機膜としては、例えば、臭素やヨウ素などのハロゲン元素を含むハロゲン系ポリマーなど、ＢＡＲＣ（Bottom Anti Reflective Coating）法などに用いられる膜を形成する。
この場合、ハードマスク層１０の上にレジストパターンを形成する際に、下地膜からの反射を効果的に抑制して、良好なレジストパターンを形成することができる。

また、ハードマスク層１０の上にレジストパターンを形成する際に、下地膜からの反射の影響が小さい場合には、ハードマスク層１０としてシリコン酸化膜８のみを形成するようにしても良い。
この場合、上述の反射防止膜９を形成する工程を省略することができる。

次に、ハードマスク層１０の上に、リソグラフィによりレジストパターン１１を形成する。そして、図１（ｂ）に示すように、レジストパターン１１をマスクとして、Ｆ（フッ素原子）を含むガス用いたプラズマエッチングによりハードマスク層１０を選択的にエッチングしてハードマスク１０ａを形成するとともに、ストッパー膜７の表面を露出させる第一のエッチング工程を行う。
このときのエッチングは、フッ素原子を含む混合ガス、例えばＣＨ_２Ｆ_２／ＣＨＦ_３／Ｏ_２／Ａｒガス、Ｃ_４Ｆ_８／ＣＦ_４／ＣＯ／Ａｒガスを用いたプラズマエッチングにより行う。

上記のエッチングにおいて、ストッパー膜７をシリコン酸窒化膜とすることにより、ＴｉＮ膜５、ＡｌＣｕ膜４などの膜が露出するのを抑えることができる。これにより、金属配線層６の表面がエッチングガス中に含まれるフッ素原子と反応することを抑制し、ＴｉＦ系反応生成物、またはＡｌＦ系反応生成物の発生を抑えることができる。
さらに、エッチング装置のチャンバー側壁に付着するＴｉ、Ａｌの量を小さく抑えることができるので、このエッチング工程と、ビアホールなどの微細ホール開口プロセスのエッチング工程とを、同一装置の同一チャンバーで併用して実施することが可能である。

次に、図１（ｃ）に示すように、レジストパターン１１（図１（ｂ）参照）を、例えばＯ_２／Ｎ_２／Ｈ_２またはＨ_２Ｏを含む混合ガスを用いたアッシングにより除去する。さらに、図示しないが、有機アミン系、または有機リン酸系、またはフッ化アンモニウム系のポリマー剥離液によりポリマー残渣を除去する。

このとき、上述したように第一のエッチング工程でＴｉＦ系やＡｌＦ系の反応生成物の発生が抑えられたので、レジストパターン１１除去後にこれらの反応生成物によるポリマー残渣や異物が残留することを抑制できる。これにより、後の工程で金属配線層６をエッチングする際に、金属配線間のショートが発生するのを抑制することができる。

次に、図１（ｄ）および（ｅ）に示すように、ハードマスク１０ａをマスクとして、図１（ｃ）に示したストッパー膜７および金属配線層６をプラズマエッチングにより選択的にエッチングして金属配線６ａを形成する第二のエッチング工程を行う。（図１（ｄ）は金属配線層６のＴｉＮ膜５およびＡｌＣｕ膜４までをエッチングしたエッチング途中の段階を示し、図１（ｅ）は金属配線層６のエッチング完了の段階を示す）

上記の第二のエッチング工程のストッパー膜７のエッチングでは、フッ素原子を含むガスと塩素を含むガスとの混合ガス、例えば、Ｃｌ_２／ＣＨＦ_３／Ａｒガス、Ｃｌ_２／ＣＦ_４／Ｈｅガス、Ｃｌ_２／ＳＦ_６ガスなどのガスを用いたプラズマエッチングを行う。また、金属配線層６のエッチングでは、Ｃｌ（塩素）を含むガス、Ｃ（炭素）を含むガス、Ｎ（窒素）を含むガス、不活性ガスのうち、いずれかを一つ以上含む混合ガス、例えばＣｌ_２／ＢＣｌ_３／Ｃ_２Ｈ_４／Ｈｅ／Ｎ_２ガスを用いたプラズマエッチングを行う。

このとき、前述したように、第一のエッチング工程でＴｉＦ系またはＡｌＦ系の反応生成物が発生するのを抑制したので、隣接する金属配線６ａのショート発生を抑えることができる。
ここで、ストッパー膜７がシリコン膜であったと仮定する。この場合、金属配線層６のエッチングの途中でシリコン膜上のシリコン酸化膜８のエッジ部が消失すると、消失した部分の下のシリコン膜はすぐにエッチングされる。これは、ＴｉＮ膜、ＡｌＣｕ膜に対するシリコン膜のエッチング速度を抑えることが困難であることによる。さらにこの状態でエッチングが進行すると、シリコン膜が消失した部分の下の金属配線層６が局所的にエッチングされ、金属配線６ａの膜厚異常や断線などの不良が発生してしまう。
しかし、本実施の形態に示したように、ストッパー膜７としてシリコン酸窒化膜を形成することにより、第二のエッチング工程でハードマスク１０ａのエッジ部が後退して幅が小さくなり、ストッパー膜７ａのエッジ部が露出しても、このストッパー膜７ａは金属配線層６に対して十分なエッチング選択比を有するので、金属配線６ａが所望の配線幅よりも細くなったり、配線の膜厚異常や断線を引き起こしたりするのを防止できる。

以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、シリコン基板１の上にＴｉまたはＡｌを含む金属配線層６を形成し、その上にシリコン酸窒化膜からなるストッパー膜７を形成するようにした。
次に、ストッパー膜７の上にハードマスク層１０を形成し、さらにその上にリソグラフィによりレジストパターン１１を形成して、これをマスクとしてフッ素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングによりハードマスク層１０を選択的にエッチングしてハードマスク１０ａを形成するとともに、ストッパー膜７の表面を露出させる第一のエッチング工程を行うようにした。
さらにレジストパターン１１を除去した後に、ハードマスク１０ａをマスクとしてストッパー膜７および金属配線層６をプラズマエッチングにより選択的にエッチングして金属配線６ａを形成する第二のエッチング工程を行うようにした。

このように形成することにより、ハードマスク１０ａを形成する第一のエッチング工程でＴｉＦ系またはＡｌＦ系の反応生成物が発生するのを抑制したので、金属配線６ａを形成する第二のエッチング工程で、隣接する金属配線６ａのショート発生を抑えることができる。
さらに、金属配線６ａが所望の配線幅よりも細くなったり、配線の膜厚異常や断線を引き起こしたりするのを防止できる。

実施の形態２．
図２（ａ１）〜（ｃ１）、および図２（ａ２）〜（ｃ２）は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により順を追って説明する工程説明図である。
まず、実施の形態１で説明した図１（ａ）〜（ｅ）に示したように、シリコン基板１の上にトランジスタなどの素子（図示しない）を形成した後、全面に層間絶縁膜２を形成する工程から、第二のエッチング工程までの工程を実施の形態１と同様にして行う。

次に、第二のエッチング工程の後に、図２（ａ１）および（ａ２）に示すように、全面にシリコン酸化膜からなるビアホール層間絶縁膜１２をプラズマＣＶＤなどにより５００〜１０００ｎｍの膜厚で形成し、さらにビアホール層間絶縁膜１２の上に、反射防止膜１３を形成する。
このとき、ビアホール層間絶縁膜１２を形成する際の膜厚のばらつきにより、同一のシリコン基板１の上でも、図２（ａ１）に示す箇所では図２（ａ２）に示す箇所よりもビアホール層間絶縁膜１２の膜厚が相対的に厚く形成されている。（以下の説明で用いる図２の（ｂ１）および（ｃ１）は図２(ａ１)に対応した箇所の後続工程の断面図であり、図２の（ｂ２）および（ｃ２）は図２（ａ２）に対応した箇所の後続工程の断面図である）

次に、図２（ａ１）および（ａ２）に示した反射防止膜１３の上に、図２（ｂ１）および（ｂ２）に示すようにリソグラフィによりレジストパターン１４を形成し、これをマスクとして反射防止膜１３およびビアホール層間絶縁膜１２を金属配線６ａの上で選択的にエッチングして開口（ホールパターン）１５を形成し、金属配線６ａの上のストッパー膜７ａを露出させる。引き続き、図２（ｂ１）および（ｂ２）に示した開口１５から、露出したストッパー膜７ａを、フッ素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングにより選択的にエッチングして、図２（ｃ１）および（ｃ２）に示すように、ＴｉＮ膜５ａの表面を露出させたビアホール１５ａを形成する。

このとき、ビアホール層間絶縁膜１２をエッチングする上記工程では、図２（ａ１）のようにビアホール層間絶縁膜１２の膜厚が相対的に厚く形成された箇所でもストッパー膜７ａが露出するようにエッチング時間を設定する。
このエッチングにおいて、仮にストッパー膜７ａが形成されていないとすると、図２（ｂ２）のようにビアホール層間絶縁膜１２が相対的に薄く形成された箇所では、ビアホール層間絶縁膜１２が相対的に厚く形成された箇所と比較して被エッチング膜が薄いので、ＴｉＮ膜５ａの表面が長時間フッ素系プラズマに曝され、ＴｉＦ系の反応生成物が発生しやすくなる。さらに、オーバーエッチングにより開口１５がＴｉＮ膜５ａを突き抜けてしまうおそれもある。
しかし、ストッパー膜７ａが形成されていることにより、ビアホール層間絶縁膜１２が相対的に薄く形成された箇所においてもＴｉＮ膜５ａが露出することを防ぐので、ＴｉＦ系の反応生成物の発生を抑えることができ、開口１５（ビアホール１５ａ）がＴｉＮ膜５ａを突き抜けてしまうのを防ぐことができる。

すなわち、ストッパー膜７ａは、実施の形態１で示したようにハードマスク１０ａを形成する際のエッチングストッパー膜として用いることができ、さらに、本実施の形態で示したようにビアホール１５ａを形成する際のエッチングストッパー膜としても用いることができる。
これにより、金属配線６ａの上に新たなストッパー膜を形成する工程を追加することなく、ビアホール１５ａを形成する工程でのＴｉＦ系の反応生成物の発生を抑え、開口１５（ビアホール１５ａ）が下地膜であるＴｉＮ膜５ａを突き抜けてしまうのを防ぐことができる。

この後、図示しないが、図２（ｃ１）および（ｃ２）に示したビアホール１５ａの内部にＴｉ／ＴｉＮ膜の積層膜、およびタングステンなどの金属膜を埋め込んでビアを形成する。

実施の形態１および本実施の形態において用いたストッパー膜７としては、シリコン酸窒化膜を用いるようにした。
ここで、ストッパー膜７としてシリコン酸窒化膜、シリコン膜、およびシリコン酸化膜を用いた場合に、それぞれの場合のi）ハードマスク１０ａ形成時（実施の形態１で説明した第一のエッチング工程；図１（ｂ）参照）のストッパー効果、ii）金属配線６ａ形成時（実施の形態１で説明した第二のエッチング工程；図１（ｄ）、（ｅ）参照）のハードマスク耐性、iii）ビアホール１５ａ形成時（本実施の形態で説明した開口１５（ビアホール１５ａ）を形成するエッチング工程（図２（ｂ１）、（ｂ２）、（ｃ１）、（ｃ２）参照）のストッパー効果を評価した結果を下表に示す。

これらの結果より、上記i）〜iii）の項目の全てについて良好な結果を得るためには、ストッパー膜７としてシリコン酸窒化膜を用いることが適切であると考えられる。

以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、実施の形態１で説明した第二のエッチング工程の後に、全面にビアホール層間絶縁膜１２を形成して、これを金属配線６ａの上で選択的にエッチングして開口１５を形成し金属配線６ａの上のストッパー膜７ａを露出させるようにした。さらに、開口１５から露出したストッパー膜７ａをエッチングしてビアホール１５ａを形成するようにした。

このように形成することにより、実施の形態１の効果に加えて、金属配線６ａの上に新たなストッパー膜を形成する工程を追加することなく、ビアホール１５ａを形成する工程でのＴｉＦ系の反応生成物の発生を抑え、開口１５（ビアホール１５ａ）が下地膜であるＴｉＮ膜５ａを突き抜けてしまうのを防ぐことができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す図。本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す図。

符号の説明

１シリコン基板、２層間絶縁膜、３ＴｉＮ膜、４ＡｌＣｕ膜、５ＴｉＮ膜、６金属配線層、６ａ金属配線、７ストッパー膜、８シリコン酸化膜、９反射防止膜、１０ハードマスク層、１０ａハードマスク、１２ビアホール層間絶縁膜、１５ａビアホール。

Claims

基板上にＴｉまたはＡｌを含む金属配線層を形成する工程と、
前記金属配線層の上にシリコン酸窒化膜からなるストッパー膜を形成する工程と、
前記ストッパー膜の上にハードマスク層を形成する工程と、
前記ハードマスク層の上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとしてフッ素原子を含むガスを用いたプラズマエッチングにより前記ハードマスク層を選択的にエッチングしてハードマスクを形成するとともに、前記ストッパー膜の表面を露出させる第一のエッチング工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして前記ストッパー膜および前記金属配線層をプラズマエッチングにより選択的にエッチングして金属配線を形成する第二のエッチング工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第二のエッチング工程の後に、
全面に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を前記金属配線の上で選択的にエッチングして開口を形成し前記金属配線の上の前記ストッパー膜を露出させる工程と、
前記開口から前記露出した前記ストッパー膜をエッチングしてビアホールを形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記ハードマスク層として、シリコン酸化膜およびシリコン酸窒化膜を順次積層した積層膜を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記ハードマスク層として、シリコン酸化膜および有機膜を順次積層した積層膜を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記ハードマスク層として、シリコン酸化膜を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。