JP2008270509A

JP2008270509A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2008270509A
Application number: JP2007111225A
Authority: JP
Inventors: Hideomi Kobayashi; 秀臣小林
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-11-06

Abstract

【課題】層間絶縁層の剥離を抑制し、製品の歩留まりが向上するとともに製品信頼性が向上した半導体装置を得ることができる製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された第１配線膜１５と、反射防止膜１７および第１レジスト膜１８からなる積層体から、第１レジスト膜１８を除去する工程と、前記工程において反射防止膜１７表層に形成された変質膜２２を除去する工程と、前記工程後に第１配線膜１５に電気的に接続するビアプラグと、前記ビアプラグに電気的に接続する第２配線膜とを形成する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体装置の高集積化及び高性能化が進むに伴い、半導体装置内で配線部分の占める割合が増加する傾向にある。それゆえ、半導体素子面積の増加を防止するために図５のようにトランジスタ上に多層配線を形成することが必須の技術となっている。

多層配線構造を有する半導体装置においては、接続孔に配線材料が埋め込まれて形成されるビアプラグが多層配線間を接続しており、高信頼性の多層配線形成技術が求められている。

特許文献１には、絶縁層の接続孔内にタングステン層を形成する際に行われるタングステンブランケットＣＶＤにおいて、原料ガスとして用いられるＷＦ₆により、ＴｉＯＮ層等からなる密着層が除去されることが記載されている。
特開平６−３４９７９２号公報

しかしながら、従来の多層配線構造を有する半導体装置においては、下層配線層上の反射防止膜と層間絶縁層との界面で剥離することがあった。そのため、半導体装置の歩留まりおよび製品信頼性が低下することがあった。

このように従来の半導体装置においては、下層配線層上の反射防止膜と層間絶縁層との界面で剥離することがあった。この問題の発生原因に対し本発明者は解析を行い、以下の知見を得た。
以下、半導体装置の製造方法に基づいて説明する。

図３（ａ）に示すように、まず、半導体基板上に形成されたビアプラグを備える第１層間絶縁膜１１２上に、第１配線膜１１４およびＴｉＮを含む反射防止膜１１６を順に形成し、さらに所定の形状にパターニングされた第１レジスト膜１１８を設ける。

そして、第１配線膜１１４およびＴｉＮを含む反射防止膜１１６をフッ素系ガスでエッチングして所望の配線パターンを有する第１配線膜１１５、反射防止膜１１７および第１レジスト膜１１８からなる積層体１２０形成する（図３（ｂ））。次いで、第１レジスト膜１１８をＯ₂プラズマ処理によるアッシングにより除去する（図３（ｃ））。

第１レジスト膜１１８を除去する際に反射防止膜１１７表面が酸化され、金属酸化膜としてＴｉＯｘＮｙ膜１２２が形成される（図３（ｃ））。

そして、半導体基板全体を覆うように第２層間絶縁膜１２４を形成し、次いで第２層間絶縁膜１２４に接続孔１２６を形成する（図４（ａ））。接続孔１２６の底部には高抵抗のＴｉＯｘＮｙ膜１２２が露出している。そこで、ＴｉＯｘＮｙ膜１２２を例えばＴｉＣｌ₄等と反応させてＴｉＣｌＦｙなどの揮発性の高いガスに変化させて除去する。この際、ＴｉＯｘＮｙ膜１２２は水平方向にも除去され、空隙１２７が形成される（図４（ｂ））。

あるいは、図４（ａ）のように接続孔１２６を形成した後（または図４（ｂ）に示すように接続孔１２６の底部のＴｉＯｘＮｙ膜１２２の一部を除去した後）、接続孔１２６内を含む第２層間絶縁層１２４の全面にＴｉＮなどからなる密着層を形成する。そして、原料ガスとしてＷＦ₆を用いたブランケットタングステンＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）にて、接続孔１２６内にタングステン膜を堆積させる（図４（ｃ））。その結果、反射防止膜１１７と第２層間絶縁膜１２４との界面に空隙１２７が形成される（図４（ｃ））。

その後、図４（ｄ）のように、金属層１２８上に第２配線膜１３０を形成して、半導体装置を製造する。しかしながら、反射防止膜１１７と第２層間絶縁膜１２４との界面に空隙１２７が形成されているため、得られた半導体装置において層間絶縁層１２４が剥離することがあることが分かった。
つまり、本発明者は、配線加工時に反射防止膜１１７の表層に形成されてしまう金属酸化膜などの変質膜を、層間絶縁膜に接続孔を形成した後に除去を行うと、反射防止膜１１７と第２層間絶縁膜１２４との界面に空隙１２７が形成されるとの知見を得た。

以上説明したように、本発明者は、層間絶縁層が剥離する原因が反射防止膜の表層に形成された変質膜を多層配線形成工程において除去してしまう点にあるとの知見に基づき本発明を完成させた。
すなわち本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、配線膜と、反射防止膜と、第１レジスト膜とを順に積層する工程と、前記第１レジスト膜を所定の形状にパターニングする工程と、パターニングされた前記第１レジスト膜をマスクとして、前記反射防止膜および前記配線膜をエッチングする工程と、前記第１レジスト膜を除去する工程と、前記工程において前記反射防止膜表層に形成された変質膜を除去する工程と、前記半導体基板全体を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に所定の形状にパターニングされた第２レジスト膜を形成する工程と、パターニングされた前記第２レジスト膜をマスクとして、前記層間絶縁膜と前記反射防止膜の少なくとも一部とをエッチングして接続孔を形成する工程と、前記接続孔内に金属層を埋設する工程とを含む。

このように、レジスト膜を除去する際に反射防止膜表層に形成される変質膜を、予め除去することにより、反射防止膜と層間絶縁膜との界面における空隙の発生を抑制し、層間絶縁層の剥離を抑制することができる。これにより、製品の歩留まりが向上するとともに製品信頼性が向上する。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、層間絶縁層の剥離を抑制することができ、製品の歩留まりが向上するとともに製品信頼性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態の半導体装置の製造方法は、以下の工程を含む。
半導体基板上に、第１配線膜１４と、金属を含有する反射防止膜１６と、第１レジスト膜とを順に積層する工程
第１レジスト膜を所定の形状にパターニングする工程（図１（ａ））
パターニングされた第１レジスト膜１８をマスクとして、反射防止膜１６および第１配線膜１４をエッチングし、所定の形状にパターニングされた反射防止膜１７および第１配線膜１５を形成する工程（図１（ｂ））
レジスト膜１８を除去する工程（図１（ｂ）〜（ｃ））
前記工程において反射防止膜１７表層に形成された変質膜２２を除去する工程（図１（ｄ））
半導体基板全体を覆うように第２層間絶縁膜２４を形成する工程
第２層間絶縁膜２４上に所定の形状にパターニングされた第２レジスト膜を形成する工程
パターニングされた第２レジスト膜をマスクとして、第２層間絶縁膜２４と反射防止膜１７の少なくとも一部とをエッチングして接続孔２６を形成する工程（図２（ａ））
接続孔２６内に金属層２８を埋設する工程（図２（ｂ））
第２層間絶縁膜２４上に金属層２８に接続する第２配線膜３０を形成する工程（図２（ｃ））

以下、本実施形態の各工程について順に説明する。

まず、半導体基板上に形成された第１層間絶縁膜１２上に、第１配線膜１４と、反射防止膜１６と、第１レジスト膜とを順に積層する。なお、図１および２においては、半導体基板、および第１層間絶縁膜１２中に形成されたビアプラグの図示を省略する。

反射防止膜１６としては、金属含有膜を用いることができる。金属含有膜としては、ＴｉＮ、ＷＮ、ＴａＮ、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＧｅＮよりなる群から選択される１種以上を含む金属窒化膜を用いることができる。反射防止膜１６の膜厚は、１００ｎｍ程度である。

本実施形態においては、第１配線膜１４がＡｌ配線であり、反射防止膜１６がＴｉＮを含む例によって説明する。

そして、通常の方法に従い、第１レジスト膜を所定の形状にパターニングする（図１（ａ））。
次いで、パターニングされた第１レジスト膜１８をマスクとして、反射防止膜１６および第１配線膜１４を通常の方法によりエッチングし、所定の形状にパターニングされた反射防止膜１７および配線膜１５を形成する（図１（ｂ））。

そして、第１レジスト膜１８を除去する（図１（ｂ）〜（ｃ））。
第１レジスト膜１８は、Ｏ₂プラズマによるアッシングにより除去することができる。この際、反射防止膜１６表層に変質膜２２が形成される（図１（ｃ））。反射防止膜１６が金属含有膜である場合、表層に金属酸化膜が形成される。反射防止膜１６が、金属窒化膜である場合、表層に金属酸窒化膜として形成される。変質膜２２の膜厚は、アッシングの条件にもよるが通常１０〜２０ｎｍ程度である。

本実施形態においては、ＴｉＮを含む反射防止膜１６の表層に変質膜２２としてＴｉＯｘＮｙ膜が形成される。

そして、反射防止膜１７表層に形成された変質膜２２を除去する（図１（ｄ））。
変質膜２２であるＴｉＯｘＮｙ膜を除去するには、フッ素含有ガス、不活性ガス、水素ガス等を用いて行うことができ、例えば（１）熱ＣＶＤ装置、（２）逆スパッタ装置、（３）プラズマエッチング装置などの装置を用いることができる。以下、順に説明する。

（１）熱ＣＶＤ装置を用いた方法
ＴｉＯｘＮｙ膜は、熱ＣＶＤ装置内において、ＣＦ₃、ＣＦ₄，Ｃ₂Ｆ₆、ＮＦ₃、ＷＦ₆などのフッ素含有ガスにより除去することができる。本実施形態においては、ＷＦ₆ガスを用いた。

本実施形態においては、熱ＣＶＤ装置を用いて下記条件にてＴｉＯｘＮｙ膜を効果的に除去することができる。
使用ガス：ＷＦ₆ガス
流量：２０ｓｃｃｍ以上、２００ｓｃｃｍ以下
基板温度：４００℃以上、５００℃以下
圧力：３．０×１０³Ｐａ以上、１．１×１０⁴Ｐａ以下

上記条件でＴｉＯｘＮｙ膜を除去するに際して、還元反応によりタングステン（Ｗ）が反射防止膜１６（ＴｉＮ膜）表面に微量ながら析出する。そのため、反射防止膜１６表面の再酸化を抑制することができる。

（２）逆スパッタ装置を用いた方法
ＴｉＯｘＮｙ膜は、逆スパッタが可能なスパッタリング装置内において、Ａｒ等の不活性ガスにより除去することができる。

本実施形態においては、逆スパッタ装置を用い下記条件にてＴｉＯｘＮｙ膜を効果的に除去することができる。
使用ガス：Ａｒガス
流量：３０ｓｃｃｍ以上、７０ｓｃｃｍ以下
ＲＦパワー：１００Ｗ以上、３００Ｗ以下

上述したように熱ＣＶＤ装置を用いた方法においては、還元性の高いフッ素含有ガスを用いている。これにより、還元反応によりタングステン等の金属原子が微量ながら析出する。これに対し、Ａｒなどの不活性ガスによる逆スパッタ装置を用いた方法によれば、金属原子等の析出は生じない。そのため、微量金属の析出を避けたい場合には、逆スパッタ装置を用いた方法によりＴｉＯｘＮｙ膜を除去することができる。

（３）プラズマエッチング装置を用いた方法
ＴｉＯｘＮｙ膜は、プラズマエッチング装置内において、水素等のエッチングガスにより除去することができる。

本実施形態においては、下記条件のプラズマエッチング装置を用いた方法にてＴｉＯｘＮｙ膜を効果的に除去することができる。
使用ガス：Ｈ₂ガス
流量：２００ｓｃｃｍ以上、４００ｓｃｃｍ以下
ＲＦパワー：７００Ｗ以上、８００Ｗ以下
基板温度：４００℃以上、４５０℃以下

上述したように熱ＣＶＤ装置を用いた方法においては、タングステン等の金属原子が微量ながら析出する。これに対し、水素等のエッチングガスによるプラズマエッチング装置を用いた方法によれば、金属原子等の析出は生じない。そのため、微量金属の析出を避けたい場合には、プラズマエッチング装置を用いた方法によりＴｉＯｘＮｙ膜を除去することができる。

変質膜２２を除去した後、半導体基板全体を覆うように第２層間絶縁膜２４を形成し、次いで通常のパターニング工程にしたがい第２層間絶縁膜２４上に所定の形状にパターニングされた第２レジスト膜を形成する。

そして、パターニングされた第２レジスト膜をマスクとして、第２層間絶縁膜２４と反射防止膜１７の少なくとも一部とをエッチングして接続孔２６を形成する（図２（ａ））。

そして、接続孔２６の内壁を含む第２層間絶縁膜２４の全面にＴｉＮ、ＴｉＷ，ＷＮ，ＴａＮなどからなる密着層を形成する。本実施形態においては密着層としてＴｉＮ層を用いた例によって説明する。そして、ＣＶＤ法等により接続孔２６を埋設する金属膜を第２層間絶縁膜２４全面に堆積する。本実施形態においては、ブランケットタングステンＣＶＤにより、タングステン膜を形成する。

次いで、接続孔２６の外部の第２層間絶縁膜２４上に形成された密着層および金属膜を、ＣＭＰ法等により除去し、接続孔２６内に金属層２８（ビアプラグ）を形成する（図２（ｂ））。そして、第２層間絶縁膜２４上に、金属層２８に接続する所定形状の第２配線膜３０を形成する（図２（ｃ））。
さらに、通常の方法にしたがい多層配線構造を有する半導体装置を製造する。

以下に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態の半導体装置の製造方法においては、第１レジスト膜１８を除去する際に反射防止膜１７表層に形成される変質膜２２を、予め除去する。これにより、反射防止膜１７と第２層間絶縁膜２４との界面における空隙の発生を抑制し、これらの膜の密着性を向上することができる。そのため、層間絶縁層の剥離を抑制することができ、製品の歩留まりが向上するとともに製品信頼性が向上する。

本実施形態において、金属層２８を埋設する工程を、フッ化タングステンを用いたブランケットタングステンＣＶＤにより行うことができる。

上記のように、反射防止膜１７表層に形成される金属酸化膜が予め除去されているので、フッ化タングステンによる金属酸化膜の浸食が生じず、層間絶縁層の剥離を抑制することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
例えば、第１レジスト膜１８は、剥離液を用いて除去することができる。
さらに、本実施形態においては、変質膜２２として金属酸化膜が形成される例により説明したが、特に限定されず、他の変質膜であってもよい。

［実施例１］
本実施形態の製造方法（図１〜２）にしたがい、以下の条件で半導体装置を製造した。

（膜組成および成膜方法）
・第１配線膜１４：Ａｌ配線膜、膜厚５０μｍ（スパッタリング法）
・反射防止膜１６：ＴｉＮ膜、膜厚１００ｎｍ（スパッタリング法）
・密着膜：ＴｉＮ層（スパッタリング法）
・金属層２８：Ｗ膜（ブランケットタングステンＣＶＤ法、使用ガスＷＦ₆）
・第２配線膜３０：Ａｌ配線膜、膜厚５０μｍ（スパッタリング法）

（膜除去方法）
・第１レジスト膜１８除去方法：プラズマアッシング法、使用ガス酸素ガス
・金属酸化膜（ＴｉＯｘＮｙ膜）除去方法：熱ＣＶＤ装置（使用ガス：ＷＦ₆、ガス流量：１００ｓｃｃｍ、基板温度：４５０℃、圧力：７．０×１０³Ｐａ）

第１レジスト膜１８をプラズマアッシング法により除去した後、反射防止膜１７表面を確認したところ、その表層にＴｉＯｘＮｙ膜が２０ｎｍ程度形成されていた。上記条件にしたがい、熱ＣＶＤ装置を用いてＴｉＯｘＮｙ膜を除去した。断面ＴＥＭ解析により、ＴｉＯｘＮｙ膜がほとんど消失していることを確認した。

［実施例２］
ＴｉＯｘＮｙ膜の除去方法を、逆スパッタ装置を用いた方法（使用ガス：Ａｒガス、ガス流量：５０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：２００Ｗ）とした以外は実施例１と同様にして半導体装置を製造した。その結果、断面ＴＥＭ解析により、反射防止膜１７表層のＴｉＯｘＮｙ膜がほとんど消失していることを確認した。

［実施例３］
ＴｉＯｘＮｙ膜の除去方法を、プラズマエッチング装置を用いた方法（使用ガス：Ｈ₂ガス、ガス流量：３００ｓｃｃｍ、ＲＦパワー：７５０Ｗ、基板温度：４００℃）とした以外は実施例１と同様にして半導体装置を製造した。その結果、断面ＴＥＭ解析により、反射防止膜１７表層のＴｉＯｘＮｙ膜がほとんど消失していることを確認した。

上記結果から、本発明の半導体装置の製造方法によれば、層間絶縁層の剥離を抑制することができ、製品の歩留まりが向上するとともに製品信頼性が向上することが確認された。

本実施形態に係る半導体装置の製造方法における工程断面図である。本実施形態に係る半導体装置の製造方法における工程断面図である。半導体装置の製造方法における本発明者の知見を説明するための工程断面図である。半導体装置の製造方法における本発明者の知見を説明するための工程断面図である。従来の多層配線構造を有する半導体装置の断面図である。

符号の説明

１２、１１２第１層間絶縁膜
１４、１５、１１４，１１５第１配線膜
１６、１７、１１６，１１７反射防止膜
１８、１１８第１レジスト膜
２２変質膜
２４、１２４第２層間絶縁膜
２６、１２６接続孔
２８、１２８金属層
３０、１３０第２配線膜
１２２ＴｉＯｘＮｙ膜
１２７空隙

Claims

半導体基板上に、配線膜と、反射防止膜と、第１レジスト膜とを順に積層する工程と、
前記第１レジスト膜を所定の形状にパターニングする工程と、
パターニングされた前記第１レジスト膜をマスクとして、前記反射防止膜および前記配線膜をエッチングする工程と、
前記第１レジスト膜を除去する工程と、
前記工程において前記反射防止膜表層に形成された変質膜を除去する工程と、
前記半導体基板全体を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に所定の形状にパターニングされた第２レジスト膜を形成する工程と、
パターニングされた前記第２レジスト膜をマスクとして、前記層間絶縁膜と前記反射防止膜の少なくとも一部とをエッチングして接続孔を形成する工程と、
前記接続孔内に金属層を埋設する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１レジスト膜を除去する前記工程が、アッシングにより前記第１レジスト膜を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記反射防止膜が金属含有膜であり、前記変質膜が金属酸化膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記反射防止膜が金属窒化膜であり、前記変質膜が金属酸窒化膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記反射防止膜が窒化チタン膜であり、前記変質膜が酸窒化チタン膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属層を埋設する前記工程が、
原料ガスとしてフッ化タングステンを用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、前記接続孔内にタングステン膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記変質膜を除去する前記工程が、フッ素含有ガス、不活性ガスまたは水素ガスにより前記変質膜を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記変質膜を除去する前記工程は、下記条件にて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
使用装置：熱ＣＶＤ装置
使用ガス：ＷＦ₆ガス
流量：２０ｓｃｃｍ以上、２００ｓｃｃｍ以下
基板温度：４００℃以上、５００℃以下
圧力：３．０×１０³Ｐａ以上、１．１×１０⁴Ｐａ以下
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記変質膜を除去する前記工程は、下記条件にて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
使用装置：逆スパッタ装置
使用ガス：Ａｒガス
流量：３０ｓｃｃｍ以上、７０ｓｃｃｍ以下
ＲＦパワー：１００Ｗ以上、３００Ｗ以下
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記変質膜を除去する前記工程は、下記条件にて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
使用装置：プラズマエッチング装置
使用ガス：Ｈ₂ガス
流量：２００ｓｃｃｍ以上、４００ｓｃｃｍ以下
ＲＦパワー：７００Ｗ以上、８００Ｗ以下
基板温度：４００℃以上、４５０℃以下