JP2013004607A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、AlCu配線を積層することにより形成された多層配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a multilayer wiring structure formed by laminating AlCu wirings and a method for manufacturing the same.
従来、配線を多層にわたって形成することにより形成された多層配線構造を有する半導体装置が知られている。多層配線構造は、各層を形成する層間絶縁膜上に金属膜を形成し、その金属膜をパターニングして配線パターンを形成する工程を複数回繰り返すことにより形成することができる。
金属膜をパターニングして配線パターンを形成する方法として、たとえば、特許文献1は、フォトレジストをマスクとして使用するパターニングにより配線パターンを形成する方法を開示している。
Conventionally, a semiconductor device having a multilayer wiring structure formed by forming wirings in multiple layers is known. The multilayer wiring structure can be formed by repeating a process of forming a metal film on an interlayer insulating film forming each layer and patterning the metal film to form a wiring pattern a plurality of times.
As a method of forming a wiring pattern by patterning a metal film, for example,
特許文献1の方法では、まず、Si基板上に絶縁膜を形成し、当該絶縁膜上にTiN/Ti膜、Al膜およびTiN膜を順に積層する。次に、TiN膜上に、配線パターンに対応するパターンを有するフォトレジストを形成する。次に、当該フォトレジストをマスクとして、TiN膜、Al膜およびTiN/Ti膜を順にエッチングすることにより、これらの膜をパターニングしてAl配線を形成する。この際、Al配線の側壁には自然酸化膜が形成される。
In the method of
本発明の半導体装置の製造方法は、SiC(炭化シリコン)またはSiOC(炭素含有酸化シリコン)からなる下層膜上に、下側TiN(窒化チタン)/Ti(チタン)膜、AlCu膜および上側TiN/Ti膜を順に積層することによってAlCu配線層を形成する工程と、前記AlCu配線層上に、無機膜からなる所定パターンのハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクを利用して前記AlCu配線層をドライエッチングすることにより、当該エッチングにより生じる反応生成物を含む側壁保護膜を、エッチング途中の前記AlCu膜の側面に形成しながら前記AlCu配線層をパターニングすることによって、前記下層膜上に複数のAlCu配線を形成する工程と、前記下層膜における互いに隣り合う前記AlCu配線間の部分をドライエッチングすることにより、当該エッチングにより前記下層膜から解離したCを含む反応生成物を前記側壁保護膜に定着させながら、前記下層膜に、前記AlCu配線に接する前記下層膜の表面に対して当該AlCu配線間を一段低くするように低段部を形成する工程と、前記低段部の形成後、前記AlCu配線を埋めるように、前記下層膜上に、SiO2からなる上層膜を形成する工程とを含む。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a lower TiN (titanium nitride) / Ti (titanium) film, an AlCu film, and an upper TiN / film on a lower layer film made of SiC (silicon carbide) or SiOC (carbon-containing silicon oxide). A step of forming an AlCu wiring layer by sequentially stacking a Ti film; a step of forming a hard mask of a predetermined pattern made of an inorganic film on the AlCu wiring layer; and the AlCu wiring layer using the hard mask. By patterning the AlCu wiring layer while forming a side wall protective film containing a reaction product generated by the etching on the side surface of the AlCu film in the middle of etching, a plurality of layers are formed on the lower layer film. Between the step of forming the AlCu wiring and the adjacent AlCu wiring in the lower layer film By dry etching the portion, the reaction product containing C dissociated from the lower layer film by the etching is fixed to the side wall protective film, while the lower layer film is in contact with the surface of the lower layer film in contact with the AlCu wiring Forming a low step portion so as to lower the space between the AlCu wirings, and forming an upper layer film made of SiO 2 on the lower layer film so as to fill the AlCu wiring after the formation of the low step portion. Including the step of.
この方法によれば、AlCu配線層をドライエッチングするときのマスクとして、有機フォトレジストに比べてエッチング耐性の強い、ハードマスク(無機膜)を使用する。そのため、フォトレジストを使用した場合とは異なり、エッチング途中に、マスクがエッチングガスに耐えられなくなって消失することを防止することができる。
また、ハードマスクは、薄くても十分なエッチング耐性を発揮できるので、微細配線を形成する際にも、マスクのアスペクト比を小さく抑えることができる。その結果、アスペクト比が高く、エッチング対象物の上方に細長く延びるマスクが、エッチング途中にバランスを崩して倒れる、いわゆる「マスク倒れ」を防止することもできる。
According to this method, a hard mask (inorganic film) having a higher etching resistance than an organic photoresist is used as a mask when the AlCu wiring layer is dry-etched. Therefore, unlike the case where a photoresist is used, it is possible to prevent the mask from being lost because it cannot withstand the etching gas during etching.
Further, since the hard mask can exhibit sufficient etching resistance even when it is thin, the aspect ratio of the mask can be kept small even when forming fine wiring. As a result, it is possible to prevent so-called “mask collapse”, in which a mask having a high aspect ratio and extending vertically above the object to be etched falls out of balance during the etching.
一方、マスクとして有機フォトレジストを用いずにAlCu配線層をエッチングする場合、レジストがエッチングされて発生する生成物(Cを含む生成物)が、エッチング途中にAlCu膜の側面に形成される側壁保護膜に含まれない。そのため、十分な厚さの側壁保護膜が形成されず、このような側壁保護膜では、エッチングガスに含まれるCl(塩素)イオンやClラジカルに対する防御力が不十分である。そのため、有機フォトレジストを用いない場合には、たとえば、AlCu配線層のエッチング後、AlCu配線間の下層膜を掘り下げるときに、行き場を失ったClイオンやClラジカルによって側壁保護膜が侵食され、結果的に、AlCu配線(配線のAlCu膜の部分)がサイドエッチングされるおそれがある。 On the other hand, when the AlCu wiring layer is etched without using an organic photoresist as a mask, a product (a product containing C) generated by etching the resist is formed on the side surface of the AlCu film during etching. Not included in the membrane. For this reason, a sidewall protective film having a sufficient thickness is not formed, and such a sidewall protective film has insufficient protection against Cl (chlorine) ions and Cl radicals contained in the etching gas. Therefore, when an organic photoresist is not used, for example, after etching the AlCu wiring layer, when the lower layer film between the AlCu wirings is dug, the side wall protective film is eroded by Cl ions or Cl radicals that have lost their destination. In particular, the AlCu wiring (the AlCu film portion of the wiring) may be side-etched.
そこで、本発明では、AlCu配線の下地膜(下層膜)をSiC膜またはSiOC膜とする。これにより、当該下層膜に低段部を形成するときのドライエッチング時、当該下層膜から解離したC(炭素)を含む反応生成物を増加させることができるとともに、O(酸素)の量を抑制することができる。そのため、当該Cを含む反応生成物により、AlCu配線の側壁保護膜を厚くすることができる。その結果、下層膜に低段部を形成する際に、ClイオンやClラジカルが配線間に入り込んでも、AlCu膜の側面を、分厚くなった側壁保護膜により防御することができる。よって、AlCu配線のサイドエッチングを防止することができる。 Therefore, in the present invention, the base film (lower layer film) of the AlCu wiring is an SiC film or an SiOC film. As a result, the reaction product containing C (carbon) dissociated from the lower layer film can be increased and the amount of O (oxygen) can be suppressed at the time of dry etching when forming a low step portion in the lower layer film can do. Therefore, the sidewall protective film of the AlCu wiring can be thickened by the reaction product containing C. As a result, when the low step portion is formed in the lower layer film, even if Cl ions or Cl radicals enter between the wirings, the side surface of the AlCu film can be protected by the thick side wall protective film. Therefore, side etching of the AlCu wiring can be prevented.
なお、本発明においてAlCu配線とは、主成分(たとえば、99.0〜99.7重量%)のAlがCuと合金化した金属からなる配線であり、一般にはAl配線と称される場合がある。このAlCu配線は、抵抗値ではCuを主成分とするCu配線に及ばないが、Cuに比べて非常に低コストである。
そして、本発明によれば、前記複数のAlCu配線を形成する工程が、85nm〜180nm幅のAlCu配線を、85nm〜180nm間隔で配列するように形成する工程を含む場合、すなわち、配線幅および間隔(ラインアンドスペース)が上記範囲の微細配線を形成する場合でも、マスクのアスペクト比を小さく抑えて「マスク倒れ」を防止することができる。よって、微細配線を有する半導体装置の製造方法として、好適に使用することができる。
In the present invention, the AlCu wiring is a wiring made of a metal in which Al as a main component (for example, 99.0 to 99.7% by weight) is alloyed with Cu, and is generally called an Al wiring. is there. This AlCu wiring does not reach the Cu wiring mainly composed of Cu in terms of resistance value, but is very low in cost compared to Cu.
According to the present invention, the step of forming the plurality of AlCu wirings includes the step of forming the AlCu wirings having a width of 85 nm to 180 nm so as to be arranged at intervals of 85 nm to 180 nm, that is, the wiring width and the spacing. Even when (line and space) forms a fine wiring in the above range, the mask aspect ratio can be kept small to prevent “mask collapse”. Therefore, it can be suitably used as a method for manufacturing a semiconductor device having fine wiring.
また、前記複数のAlCu配線を形成する工程は、互いに第1の間隔を空けて配列された密集パターン、および当該密集パターンから前記第1の間隔よりも広い第2の間隔を隔てて形成された孤立パターンを形成する工程とを含んでいてもよい。
たとえば、AlCu配線層が密集パターンと孤立パターンの複数種のパターンに成形される場合、通常、密集パターンから第2の間隔を隔てて離れた孤立パターンが、第1の間隔で密集した密集パターンに比べて、比較的速く成形される。その結果、AlCu配線層が孤立パターンに成形された時点では、密集パターンは未だ成形されていない場合がある。このような場合に、AlCu配線層のエッチングに適したCl系ガスでエッチングを続けると、孤立パターンの周辺(密集パターンと孤立パターンとの間の部分)ではCl系ガスのエッチング対象となるAlCu配線層が残っていないため、Cl系ガス中のClイオンやClラジカルにより孤立パターンのAlCu膜の側面が攻撃されるおそれがある。
The step of forming the plurality of AlCu wirings is formed with a dense pattern arranged at a first interval from each other, and a second interval wider than the first interval from the dense pattern. A step of forming an isolated pattern.
For example, when the AlCu wiring layer is formed into a plurality of patterns of dense patterns and isolated patterns, normally, the isolated pattern separated from the dense pattern by a second interval becomes a dense pattern densely spaced at the first interval. In comparison, it is molded relatively quickly. As a result, when the AlCu wiring layer is formed into an isolated pattern, the dense pattern may not be formed yet. In such a case, if the etching is continued with a Cl-based gas suitable for etching the AlCu wiring layer, the AlCu wiring that is the etching target of the Cl-based gas around the isolated pattern (the portion between the dense pattern and the isolated pattern). Since no layer remains, the side surface of the AlCu film having an isolated pattern may be attacked by Cl ions or Cl radicals in the Cl-based gas.
そこで、本発明によれば、孤立パターンのように、隣り合うAlCu配線との間に比較的広いスペースが形成され、下層膜に対して水平な成分のClイオンやClラジカルに衝突されやすいAlCu配線にも、分厚い側壁保護膜が形成されるので、AlCu配線のサイドエッチングを効果的に防止することができる。
また、本発明では、前記ハードマスクを形成する工程は、アスペクト比(ハードマスクの高さ/ハードマスクの幅)が3未満のハードマスクを形成する工程を含むことが好ましい。
Therefore, according to the present invention, a relatively wide space is formed between adjacent AlCu wirings, such as isolated patterns, and AlCu wirings that are likely to collide with Cl ions or Cl radicals that are horizontal to the lower layer film. In addition, since a thick sidewall protective film is formed, side etching of the AlCu wiring can be effectively prevented.
In the present invention, the step of forming the hard mask preferably includes a step of forming a hard mask having an aspect ratio (hard mask height / hard mask width) of less than 3.
ハードマスクのアスペクト比が3未満であれば、「マスク倒れ」を確実に防止することができる。
また、本発明では、前記ハードマスクを形成する工程は、SiO2膜またはSiON膜からなるハードマスクを形成する工程を含んでいてもよい。
そして、本発明の半導体装置の製造方法により、本発明の半導体装置、すなわち、SiCまたはSiOCからなる下層膜と、前記下層膜上に形成され、それぞれが下側TiN/Ti膜、AlCu膜および上側TiN/Ti膜がこの順に積層されることによって形成されており、各AlCu膜の側面にCを含む側壁保護膜を有する複数のAlCu配線と、前記下層膜における互いに隣り合う前記AlCu配線間において、前記AlCu配線に接する前記下層膜の表面に対して一段低く形成された低段部と、前記AlCu配線を埋めるように、前記下層膜上に形成されたSiO2からなる上層膜とを含み、前記複数のAlCu配線は、それぞれが85nm〜180nm幅を有し、85nm〜180nm間隔で配列された密集パターンを含む、半導体装置を製造することができる。
If the aspect ratio of the hard mask is less than 3, “mask collapse” can be reliably prevented.
In the present invention, the step of forming the hard mask may include a step of forming a hard mask made of a SiO 2 film or a SiON film.
Then, according to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the semiconductor device of the present invention, that is, the lower layer film made of SiC or SiOC, and the lower layer film are formed on the lower TiN / Ti film, the AlCu film, and the upper layer film, respectively. TiN / Ti film is formed by laminating in this order, between a plurality of AlCu wirings having a side wall protective film containing C on the side surface of each AlCu film, and the adjacent AlCu wirings in the lower layer film, A lower step portion formed one step lower than the surface of the lower layer film in contact with the AlCu wiring, and an upper layer film made of SiO 2 formed on the lower layer film so as to fill the AlCu wiring, The plurality of AlCu wirings each have a width of 85 nm to 180 nm and include a dense pattern arranged at intervals of 85 nm to 180 nm. A body device can be manufactured.
本発明の半導体装置においては、各前記AlCu配線の高さは、140nm〜205nmであってもよい。また、前記AlCu膜の高さは、80nm〜120nmであってもよい。また、前記下側TiN/Ti膜の高さは、20nm〜30nmであってもよい。さらに、前記上側TiN/Ti膜の高さは、40nm〜55nmであってもよい。 In the semiconductor device of the present invention, the height of each AlCu wiring may be 140 nm to 205 nm. The height of the AlCu film may be 80 nm to 120 nm. The height of the lower TiN / Ti film may be 20 nm to 30 nm. Furthermore, the upper TiN / Ti film may have a height of 40 nm to 55 nm.
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
<半導体装置の全体構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。
半導体装置1は、n+型のシリコン基板2と、当該シリコン基板2上に積層されたn−型のシリコンからなるエピタキシャル層3とを含んでいる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<Overall configuration of semiconductor device>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
The
エピタキシャル層3には、複数のMOSFET4(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が互いに隣り合って形成されている。各MOSFET4は、素子分離部5により、それぞれ周囲から絶縁分離されている。
素子分離部5は、エピタキシャル層3にその表面から比較的浅く掘り下がったトレンチ(シャロートレンチ6:深さ180nm程度)を形成し、そのシャロートレンチ6の内面に熱酸化法により熱酸化膜7を形成した後、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法によりSiO2(酸化シリコン)8をシャロートレンチ6内に堆積させることにより形成されており、いわゆるSTI(Shallow Trench Isolation)構造を有している。シャロートレンチ6は、たとえば、その底部へ向かって幅が狭まる断面視等脚台形状に形成され、その最小幅(底部の幅)は90nm程度である。
A plurality of MOSFETs 4 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) are formed adjacent to each other in the
The element isolation portion 5 forms a trench (shallow trench 6: about 180 nm deep) dug relatively shallowly from the surface of the
エピタキシャル層3の表層部には、チャネル領域9を挟んで、p型のソース領域10およびp型のドレイン領域11が形成されている。ソース領域10およびドレイン領域11のチャネル領域9側の端部は、その深さおよび不純物濃度が小さくされている。すなわち、MOSFET4では、LDD(Lightly Doped Drain)構造が適用されている。
チャネル領域9上には、たとえば、SiO2からなるゲート絶縁膜12が形成されており、このゲート絶縁膜12上に、たとえば、多結晶シリコン(ポリシリコン)からなるゲート電極13が形成されている。ゲート電極13の幅は、たとえば、90nm程度である。また、ゲート電極13の表面(上面)には、シリサイド14が形成されている。
A p-
A
ゲート絶縁膜12およびゲート電極13の周囲には、たとえば、SiN(窒化シリコン)からなるサイドウォール15が形成されている。
エピタキシャル層3上には、SiO2からなる第1層間膜16、SiCからなる第2層間膜17、SiO2からなる第3層間膜18およびSiO2からなる第4層間膜19が、この順に積層されている。各層間膜16〜19の厚さは、たとえば、第1層間膜16が400nm〜580nmであり、第2層間膜17が350nm〜450nmであり、第3層間膜18が260nm〜560nmであり、第4層間膜19が260nm〜560nmである。
A
On the
下層膜としての第2層間膜17および上層膜としての第3層間膜18上には、複数の第1AlCu配線20(第1メタル)および複数の第2AlCu配線21(第2メタル)が、それぞれ形成されている。これにより、エピタキシャル層3上には、多層配線構造が形成されている。
第1AlCu配線20と、ソース領域10およびドレイン領域11との間は、第1層間膜16および第2層間膜17を貫通する、W(タングステン)からなるコンタクトプラグ22により接続されている。コンタクトプラグ22は、第1層間膜16を貫通する下側部分23と、第2層間膜17を貫通する上側部分24との2段構造を有しており、図2に示すように、上側部分24は、その下面の径D1が上面の径D2よりも小さくなる断面視逆台形(テーパ)状に形成されている(D1<D2)。たとえば、径D1は60nm〜110nmであり、径D2は110nm〜130nmである。たとえば、コンタクトプラグ22の上側部分24を、第2層間膜17のコンタクトホールにタングステンを堆積させる工程と、堆積したタングステンをCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)により研磨する工程とを行って形成する場合、当該CMP処理により第2層間膜17の膜厚が2/3〜4/5程度になるので、D1<D2のテーパであれば、タングステンの堆積時にD2´あった上面の径を、径D2まで小さくすることができる。そのため、CMP処理により第2層間膜17が膜減りしても上側部分24の上面の径が変化しないD1=D2の場合に比べて、CMP処理後における、隣のコンタクトプラグ22に対するマージンを広くすることができる。その結果、第1AlCu配線20のリソグラフィが横方向に多少ずれても、当該第1AlCu配線20が、隣のコンタクトプラグ22(上側部分24)に接触することを防止することができる。
A plurality of first AlCu wirings 20 (first metal) and a plurality of second AlCu wirings 21 (second metal) are formed on the
The
また、第2AlCu配線21と第1AlCu配線20との間は、第3層間膜18を貫通する、W(タングステン)からなるビア25により接続されている。
<第1AlCu配線の要部構成>
図2は、図1の二点鎖線Aで囲まれる部分の拡大図であって、第1AlCu配線が形成された層の要部を表す図である。
Further, the
<Structure of main part of first AlCu wiring>
FIG. 2 is an enlarged view of a portion surrounded by a two-dot chain line A in FIG. 1 and represents a main part of a layer in which the first AlCu wiring is formed.
前述のように、SiCからなる第2層間膜17上には、複数の第1AlCu配線20が、互いに間隔を空けて形成されている。複数の第1AlCu配線20の配線幅および間隔は、一様に揃っていてもよいし、不揃いであってもよい。
この実施形態では、複数の第1AlCu配線20の配線幅および間隔は不揃いであり、たとえば、複数の第1AlCu配線20は、第1の幅W1(具体的には、90nm)を有し、互いに第1の間隔S1(具体的には、90nm)を空けて配列された密集パターン26と、密集パターン26から第1の間隔S1よりも広い第2の間隔S2(具体的には、2000nm)を隔てて形成され、第1の幅W1よりも広い第2の幅W2(具体的には、5000nm)を有する孤立パターン27とを含んでいる。すなわち、密集パターン26では、配線幅W1および間隔S1(ラインアンドスペース)が90nm/90nmである。
As described above, on the
In this embodiment, the wiring widths and intervals of the plurality of
このようにパターン化された複数の第1AlCu配線20の各間には、各第1AlCu配線20に接する第2層間膜17の表面に対して一段低くされた低段部28が、第2層間膜17に形成されている。低段部28は、第2層間膜17をエッチングで掘り下げることにより形成されるものであり、互いに隣り合う第1AlCu配線20間における、第2層間膜17の表面に沿う表面距離を、直線距離S1,S2よりも長くする。これにより、第2層間膜17における表面リーク電流を低減することができるので、ラインアンドスペースが90nm/90nmのような微細配線においても、隣り合う第1AlCu配線20間の短絡(ショート)を防止することができる。また、各低段部28は、たとえば、その底部へ向かって幅が狭まる断面視等脚台形状に形成されている。
Between each of the plurality of
各第1AlCu配線20は、それぞれ下側TiN/Ti膜29、AlCu膜30および上側TiN/Ti膜31がこの順に積層されることにより、AlCu膜30からなる配線(AlCu配線)を上下両側からTiN/Ti膜29,31からなるバリア膜で挟んだ構造を有している。各膜の厚さは、たとえば、下側TiN/Ti膜29が20nm〜30nm(具体的には、25nm)であり、AlCu膜30が80nm〜120nm(具体的には、100nm)であり、上側TiN/Ti膜31が40nm〜55nm(具体的には、47nm)である。
Each
なお、第1AlCu配線20において、TiN/Ti膜とは、Ti(チタン)膜およびTiN(窒化チタン)膜がこの順に積層されることによって形成された膜である。また、AlCu配線とは、主成分(たとえば、99.0〜99.7重量%)のAlがCuと合金化した金属からなる配線であり、一般にはAl配線と称される場合がある。AlCu配線は、抵抗値ではCuを主成分とするCu配線に及ばないが、Cuに比べて非常に低コストである。
In the
各第1AlCu配線20の側面には、上側TiN/Ti膜31、AlCu膜30、下側TiN/Ti膜29および低段部28の側壁に跨るように側壁保護膜32が形成されている。各側壁保護膜32は、その隣りの第1AlCu配線20の側壁保護膜32に対して隙間が空くような厚さで形成されており、当該隙間を第3層間膜18が埋め尽くしている。
この実施形態では、各側壁保護膜32は、後述するAlCu配線層34のエッチング時(図3D,3E参照)に生成する反応生成物(たとえば、AlCl3)、第2層間膜17に低段部28を形成するためのエッチング時(図3F参照)に第2層間膜17(SiC膜)から解離したCを含む反応生成物(たとえば、CClx)、当該エッチング時に供給されるF系ガス中のCHF3の重合物等を含んでいる。むろん、側壁保護膜32は、上に例示した成分以外の成分を含んでいてもよい。
A sidewall
In this embodiment, each side wall
また、各第1AlCu配線20の上面には、SiO2膜33が形成されている。このSiO2膜33は、後述するハードマスク37がエッチング完了後に除去されずに、第1AlCu配線20の上面に残存したものである。
そして、第2層間膜17上には、第1AlCu配線20全体を埋めるように、SiO2からなる第3層間膜18が積層されている。第3層間膜18は、互いに隣り合う第1AlCu配線20の各間を埋め尽くしている。なお、図2では、第3層間膜18とSiO2膜33との間に明確な境界が表れているが、これらの膜はいずれもSiO2からなるので、実際には、製造過程においてこれらの膜が一体化して境界がない場合もある。
A SiO 2 film 33 is formed on the upper surface of each
A
また、第1AlCu配線20に対して上側から接続されるビア25は、第3層間膜18およびSiO2膜33を貫通して、上側TiN/Ti膜31のTiNの上面に接続されている。一方、第1AlCu配線20に対して下側から接続されるコンタクトプラグ22(上側部分24)は、第2層間膜17を貫通して、下側TiN/Ti膜29のTiの下面に接続されている。
<半導体装置の製造方法>
図3A〜図3Gは、図1の半導体装置の製造工程の一部を工程順に示す図である。
The via 25 connected to the
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
3A to 3G are diagrams showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device of FIG.
前述の半導体装置1を製造するには、たとえば、公知の方法により、シリコン基板2上に、エピタキシャル層3を成長させた後、STI構造を有する素子分離部5を形成する。次に、エピタキシャル層3に複数のMOSFET4を形成した後、当該エピタキシャル層3上に、たとえば、プラズマCVD法により、SiO2からなる第1層間膜16を積層し、コンタクトプラグ22(下側部分23)を形成する。次に、図3Aに示すように、たとえば、プラズマCVD法により、第1層間膜16上に、SiCからなる第2層間膜17を積層した後、コンタクトプラグ22(上側部分24)を形成することにより、2層構造のコンタクトプラグ22を形成する。
In order to manufacture the
次に、図3Aに示すように、たとえば、スパッタ法により、第2層間膜17の上面全域に、下側TiN/Ti膜29、AlCu膜30および上側TiN/Ti膜31を順に積層することにより、AlCu配線層34を形成する。
次に、図3Bに示すように、たとえば、プラズマCVD法により、SiO2膜35を積層する。この際、SiO2膜35は、たとえば、150nm〜250nmの厚さTSiO2で形成する。
Next, as shown in FIG. 3A, the lower TiN /
Next, as shown in FIG. 3B, the SiO 2 film 35 is laminated by, eg, plasma CVD. At this time, the SiO 2 film 35 is formed with a thickness T SiO2 of 150 nm to 250 nm, for example.
次に、図3Cに示すように、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により、SiO2膜35をパターニングすることにより、ハードマスク37を形成する。このとき、前の工程でSiO2膜35の厚さTSiO2が150nm〜250nmとされているので、ハードマスク37のアスペクト比(TSiO2/W1またはW2)を3未満(たとえば、0.6〜2.8)にすることができる。そのため、後述するAlCu配線層34のエッチング途中にハードマスク37がバランスを崩して倒れる、いわゆる「マスク倒れ」を防止することができる。
Next, as shown in FIG. 3C, the
次に、図3Dに示すように、ハードマスク37を利用してAlCu配線層34をドライエッチングする。このドライエッチングには、AlCuのエッチングに適したCl系ガス(Clを主成分として含む混合ガス)、たとえば、Cl2,CH4,C2H4,BCl3およびArを、Cl2:CH4:C2H4:BCl3:Ar=70〜100:4〜7:5〜8:100〜180:450〜600の比率で混合した混合ガスを、エッチングガスとして供給する。むろん、Cl系ガスは、この混合ガスに限らず、たとえば、CCl4(四塩化炭素)等を含む混合ガスを用いることもできる。このとき、CH4(メタン)の空気中爆発範囲が5〜15%であり、C2H4(エチレン)の空気中爆発範囲が2.7〜36%であるため、それ以下になるようにArで希釈する。
Next, as shown in FIG. 3D, the
そして、供給されたCl系ガスは、上側TiN/Ti膜31からAlCu膜30へ向かってAlCu配線層34を上層から下層へ順にエッチングしていくと同時に、当該エッチングの反応生成物(たとえば、CClx)を含む側壁保護膜32を形成する。すなわち、AlCu配線層34のエッチング過程では、AlCu配線層34のパターン成形(第1AlCu配線20の形成)と、側壁保護膜32の形成とが同時進行で行われる。
Then, the supplied Cl-based gas sequentially etches the
その後、図3Eに示すように、AlCu配線層34のエッチングが終了(下側TiN/Ti膜29のエッチングが終了)して第1AlCu配線20が形成されるまで、Cl系ガスの供給を続ける。そして、AlCu配線層34のエッチング終了に伴い、エッチングガスを、Cl系ガスから、SiO2のエッチングに適したF系ガス(F(フッ素)を主成分として含む混合ガス)、たとえば、CHF3およびCl2を、CHF3:Cl2=1〜3:1〜1.5の比率で混合した混合ガス、Cl2+BCl3およびCF4を、Cl2+BCl3:CF4=6〜8:2〜4の比率で混合した混合ガス、C2F6およびCl2を、CHF3:Cl2=1〜3:2〜3の比率で混合した混合ガス等に切り替える。
Thereafter, as shown in FIG. 3E, the supply of the Cl-based gas is continued until the etching of the
ガスの切替えのタイミングは、たとえば、AlCu配線層34が少なくとも1つの第1AlCu配線20に成形された時点で行う。この理由は、たとえば、孤立パターン27の第1AlCu配線20に対する、Cl系ガスの攻撃を低減するためである。
具体的には、この実施形態のように、AlCu配線層34が密集パターン26と孤立パターン27の複数種のパターンに成形される場合、通常、密集パターン26から第2の間隔S2を隔てて離れた孤立パターン27が、第1の間隔S1で密集した密集パターン26に比べて、比較的速く成形される。その結果、AlCu配線層34が孤立パターン27に成形された時点では、密集パターン26は完全に成形されていない場合がある。このような場合に、Cl系ガスでエッチングを続けると、孤立パターン27の周辺(密集パターン26と孤立パターン27との間の部分)ではCl系ガスのエッチング対象となるAlCu配線層34が残っていないため、エッチング対象を失った(行き場を失った)Cl系ガス中のClイオンやClラジカルにより孤立パターン27のAlCu膜30の側面が攻撃されるおそれがある。このようなCl系ガスによる攻撃を低減するために、上記のタイミングでCl系ガスからF系ガスへの切替えを行う。
The timing of gas switching is performed, for example, when the
Specifically, when the
そして、図3Fに示すように、供給されたF系ガスは、互いに隣り合う配線20間の第2層間膜17をエッチングしていくと同時に、SiCからなる第2層間膜17のC(炭素)を解離させ、このCを含む反応生成物(たとえば、CClx)、およびガス成分であるCHF3の重合物を側壁保護膜32に定着させる。その後、F系ガスの供給を所定時間続けることにより、第2層間膜17に低段部28が形成される。
As shown in FIG. 3F, the supplied F-based gas etches the
その後、図3Gに示すように、たとえば、CVD法により、第2層間膜17上に、第3層間膜18を形成する。次に、第3層間膜18およびSiO2膜33を貫通するビア25を形成した後、第2AlCu配線21および第4層間膜19を形成する。
以上の工程を経ることにより、図1および図2に示す半導体装置1を得ることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 3G, a
Through the above steps, the
以上説明した半導体装置1の製造方法によれば、AlCu配線層34をドライエッチングするときのマスクとして、有機フォトレジストに比べてエッチング耐性の強い、SiO2からなる無機膜(ハードマスク37)を使用する。そのため、フォトレジストを使用した場合とは異なり、エッチング途中(たとえば、図3Dおよび図3Eの工程)に、マスク37がエッチングガスに耐えられなくなって消失することを防止することができる。
According to the manufacturing method of the
また、ハードマスク37は、薄くても十分なエッチング耐性を発揮できるので、密集パターン26のような微細配線(ラインアンドスペースが90nm/90nm)を形成する際にも、ハードマスク37のアスペクト比を3未満に抑えることができる。その結果、アスペクト比が高く、エッチング対象物の上方に細長く延びるマスクが、エッチング途中にバランスを崩して倒れる、いわゆる「マスク倒れ」を防止することもできる。
Further, since the
一方、マスクとして有機フォトレジストを用いずにAlCu配線層をエッチングする場合、レジストがエッチングされて発生する生成物(Cを含む生成物)が、エッチング途中にAlCu配線層の側面に形成される側壁保護膜に含まれない。そのため、十分な厚さの側壁保護膜が形成されず、このような側壁保護膜では、Cl系ガスに含まれるClイオンやClラジカルに対する防御力が不十分である。そのため、有機フォトレジストを用いない場合には、たとえば、第2層間膜17に低段部28を形成するとき(図3Hの工程)に、行き場を失ったClイオンやClラジカルによって側壁保護膜が侵食され、結果的に、AlCu配線がサイドエッチングされるおそれがある。
On the other hand, when an AlCu wiring layer is etched without using an organic photoresist as a mask, a product (a product containing C) generated by etching the resist is formed on the side surface of the AlCu wiring layer during etching. Not included in the protective film. For this reason, a sidewall protective film having a sufficient thickness is not formed, and such a sidewall protective film has insufficient protection against Cl ions and Cl radicals contained in the Cl-based gas. Therefore, when an organic photoresist is not used, for example, when the
そこで、この実施形態では、第1AlCu配線20の下地膜をSiCからなる第2層間膜17とする。これにより、第2層間膜17に低段部28を形成するときのドライエッチング時、当該第2層間膜17(SiC)から解離したC(炭素)を含む反応生成物を増加させることができるとともに、O(酸素)の量を抑制することができる。そのため、当該Cを含む反応生成物により、側壁保護膜32を厚くすることができる。その結果、第2層間膜17に低段部28を形成する際に、ClイオンやClラジカルが第1AlCu配線20の間に入り込んでも、第1AlCu配線20の側面を、分厚くなった側壁保護膜32により防御することができる。よって、第1AlCu配線20のサイドエッチングを防止することができる。
Therefore, in this embodiment, the base film of the
とくに、孤立パターン27のように、隣り合う第1AlCu配線20との間に比較的広いスペースが形成され、シリコン基板2に対して水平な成分のClイオンやClラジカルに衝突されやすい第1AlCu配線20にも、分厚い側壁保護膜32が形成されるので、第1AlCu配線20のサイドエッチングを効果的に防止することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
In particular, as in the
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.
たとえば、前述の半導体装置1の各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。たとえば、半導体装置1において、p型の部分がn型であり、n型の部分がp型であってもよい。
また、前述の実施形態では、多層配線構造の一例として2層配線構造のみ例示したが、本発明は、3層、4層およびそれ以上の多層配線構造にも好適に適用することができる。
For example, a configuration in which the conductivity type of each semiconductor portion of the
In the above-described embodiment, only the two-layer wiring structure is illustrated as an example of the multilayer wiring structure. However, the present invention can be suitably applied to a three-layer, four-layer or more multilayer wiring structure.
また、図4に示すように、第2層間膜17を、SiC膜に代えて、SiOC膜で形成してもよい。
また、第1AlCu配線20を覆う第3層間膜18を、SiC膜で形成してもよい。その場合、ビア25を形成するためのビアエッチングは、まずSiCのエッチングに適したガスで第3層間膜18(SiC膜)を貫通し、貫通後、SiO2のエッチングに適したガスでSiO2膜33を貫通すればよい。
Further, as shown in FIG. 4, the
Further, the
また、ハードマスク37としては、SiO2膜35に代えて、SiON膜を用いてもよい。
また、エピタキシャル層3には、MOSFET4に限らず、たとえば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、コンデンサなどの各種能動素子および受動素子を形成してもよい。
Further, as the
The
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
1 半導体装置
2 シリコン基板
3 エピタキシャル層
4 MOSFET
5 素子分離部
6 シャロートレンチ
7 熱酸化膜
8 SiO2
9 チャネル領域
10 ソース領域
11 ドレイン領域
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 シリサイド
15 サイドウォール
16 第1層間膜
17 第2層間膜
18 第3層間膜
19 第4層間膜
20 第1AlCu配線
21 第2AlCu配線
22 コンタクトプラグ
23 (コンタクトプラグの)下側部分
24 (コンタクトプラグの)上側部分
25 ビア
26 密集パターン
27 孤立パターン
28 低段部
29 下側TiN/Ti膜
30 AlCu膜
31 上側TiN/Ti膜
32 側壁保護膜
33 SiO2膜
34 AlCu配線層
35 SiO2膜
37 ハードマスク
DESCRIPTION OF
5 Element isolation part 6 Shallow trench 7 Thermal oxide film 8 SiO 2
9
Claims (10)
前記AlCu配線層上に、無機膜からなる所定パターンのハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを利用して前記AlCu配線層をドライエッチングすることにより、当該エッチングにより生じる反応生成物を含む側壁保護膜を、エッチング途中の前記AlCu膜の側面に形成しながら前記AlCu配線層をパターニングすることによって、前記下層膜上に複数のAlCu配線を形成する工程と、
前記下層膜における互いに隣り合う前記AlCu配線間の部分をドライエッチングすることにより、当該エッチングにより前記下層膜から解離したCを含む反応生成物を前記側壁保護膜に定着させながら、前記下層膜に、前記AlCu配線に接する前記下層膜の表面に対して当該AlCu配線間を一段低くするように低段部を形成する工程と、
前記低段部の形成後、前記AlCu配線を埋めるように、前記下層膜上に、SiO2からなる上層膜を形成する工程とを含む、半導体装置の製造方法。 Forming an AlCu wiring layer by sequentially laminating a lower TiN / Ti film, an AlCu film, and an upper TiN / Ti film on a lower layer film made of SiC or SiOC;
Forming a hard mask having a predetermined pattern made of an inorganic film on the AlCu wiring layer;
The AlCu wiring layer is patterned by dry etching the AlCu wiring layer using the hard mask, while forming a side wall protective film containing a reaction product generated by the etching on the side surface of the AlCu film during the etching. A step of forming a plurality of AlCu wirings on the lower layer film,
By dry etching the portion between the adjacent AlCu wirings in the lower layer film, while fixing the reaction product containing C dissociated from the lower layer film by the etching to the sidewall protective film, Forming a low step portion so as to lower the space between the AlCu wires by one step relative to the surface of the lower layer film in contact with the AlCu wires;
And forming an upper layer film made of SiO 2 on the lower layer film so as to fill the AlCu wiring after the formation of the low step portion.
前記下層膜上に形成され、それぞれが下側TiN/Ti膜、AlCu膜および上側TiN/Ti膜がこの順に積層されることによって形成されており、各AlCu膜の側面にCを含む側壁保護膜を有する複数のAlCu配線と、
前記下層膜における互いに隣り合う前記AlCu配線間において、前記AlCu配線に接する前記下層膜の表面に対して一段低く形成された低段部と、
前記AlCu配線を埋めるように、前記下層膜上に形成されたSiO2からなる上層膜とを含み、
前記複数のAlCu配線は、それぞれが85nm〜180nm幅を有し、85nm〜180nm間隔で配列された密集パターンを含む、半導体装置。 An underlayer film made of SiC or SiOC;
A sidewall protective film formed on the lower layer film, each formed by laminating a lower TiN / Ti film, an AlCu film, and an upper TiN / Ti film in this order, and including C on the side surface of each AlCu film A plurality of AlCu wires having:
Between the AlCu wirings adjacent to each other in the lower layer film, a low step portion formed one step lower than the surface of the lower layer film in contact with the AlCu wiring;
An upper layer film made of SiO 2 formed on the lower layer film so as to fill the AlCu wiring,
Each of the plurality of AlCu wirings has a width of 85 nm to 180 nm, and includes a dense pattern arranged at intervals of 85 nm to 180 nm.
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