JP2570154B2

JP2570154B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2570154B2
Application number: JP5304195A
Authority: JP
Inventors: 信哉伊藤; 義久松原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1997-01-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: JPH07161715A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の段差部を
消滅させ、ＬＳＩの微細化および歩留まり向上を図るた
めのものであり、特に多層配線を有する半導体装置の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの微細化に伴い、配線ピッチも縮
小され、それと同時に配線層の多層化も進んでいる。こ
の配線層数の増加により、シリコン基板表面から配線の
ない領域の層間膜表面までの高さと、配線の積み重なっ
た領域の層間膜表面までの高さとの差である標高差が大
きくなる。このように凹凸ができた層間膜上でのリソグ
ラフィー技術、例えば上層アルミ配線のパターニングと
かスルーホールのパターニング技術では、層間膜の形状
がレジストのパターニング限界に影響する。以下に段差
のある領域でのレジストのパターニング特性について述
べる。

【０００３】図１０は段差のある表面におけるレジスト
塗布形状である。標高差のある表面にレジストを塗布し
パターニングする場合、パターンの無いウェハでレジス
トをパターニングする場合と異なる点が２つある。すな
わち、段差周辺でレジスト膜厚が変動することと、標高
の高い領域と低い領域とではステッパーの最適焦点深度
が違うということである。ここで焦点深度とは、レンス
と局所的なレジスト表面との距離ではなく、レンズとウ
ェハとの距離のことである。

【０００４】一般にレジストパターン形状は、露光像
と、露光強度、そして、下地からの反射露光強度により
決まる。

【０００５】標高の高い領域のレジスト形状の場合、露
光像と露光強度でレジストパターン形状は決まる。特
に、焦点深度マージン（許容しうる寸法でパターニング
できる焦点深度の幅）より高い標高を有する領域のポジ
型レジストは、露光像の広がりによるレジスト形状の細
りが問題となり、露光強度の変化はほとんど無視でき
る。一方段差周辺のレジストは、レジスト膜厚の増加に
よる解像度の低下が問題となり、パターン形状は露光強
度と下地からの反射露光強度で決まる。したがって、段
差周辺と、標高の高い領域では、パターン形状は異なる
要素でレジスト形状が決まっている。

【０００６】従来の層間膜プロセスとそのプロセスを用
いる際のレジストパターニングについて説明する。層間
膜プロセスは、塗布膜の平坦性を利用した局所的平坦化
プロセスと塗布膜以外の技術を利用したグローバル平坦
化プロセスとに大別できる。

【０００７】局所的平坦化プロセスの例は、レジスト塗
布膜を用いたレジストエッチバックやＳＯＧ（Ｓｐｉｎ
ＯｎＧｌａｓｓ）塗布膜プロセスが一般的である。
これらの層間膜平坦化技術により、局所的レジスト膜厚
の変動が抑えられるため、レジストの膜厚変動に起因す
る焦点深度マージンの低下は抑制できる。従って、配線
ピッチの縮小や配線膜厚の増加による焦点深度の問題が
起こらない程度のデバイスに局所的平坦化技術は用いら
れてきた。３層配線仕様のデバイスにおける、３層配線
下に発生するデバイス最大標高差と第３配線パターニン
グのためのレジスト焦点深度マージンの最小設計寸法
（パターンサイズ）依存性を図１１に示す。最小設計寸
法の縮小に伴い、微細なレジストパターニングを可能と
するためレジストはより薄いものが用いられる。すると
エッチング加工精度とレジストの耐エッチング性能の観
点から、３層配線下に用いられる配線は薄膜化しなけれ
ばならず、デバイス最大標高差も低下する。しかし、こ
の最大標高差の低下以上に最小設計寸法の縮小による焦
点深度マージンの低下が進むと、標高の高い領域と低い
領域のレジストを同時にパターニングできなくなる。レ
ジストは配線材料のエッチングに耐えられる程度の膜厚
を要するため、実際的には最低２．０μｍ程度は必要で
ある。すなわち、最小設計寸法の縮小に伴い焦点深度マ
ージンがデバイス最大標高差以下となる、最小設計寸法
が０．８μｍ以下のデバイスではグローバル平坦化技術
の導入なしには実現できないといえる。

【０００８】グローバルな層間膜平坦化技術としては、
研磨技術を利用した化学的機械的研磨法（Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ（Ｃ
ＭＰ），Ｒ．Ｒ．Ｕｔｔｒｃｈｔｅｔａｌ．ＩＥＥ
ＥＶＭＩＣＣｏｎｆ．，ｐ．２０（１９９１））、
化学的気相成長法（ＣＶＤと以後称す）を利用した選択
酸化膜成長法（Ｔ．Ｈｏｍｍａｅｔａｌ．，Ｓｙｍ
ｐ．ｏｎＶＬＳＩＴｅｃｈ．，ｐ．３（１９９０）、
下層の配線パターンの反転マスクを用いたブロックレジ
スト法（Ａ．Ｓｃｈｌｉｔｚｅｔａｌ．，Ｊ．Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，ｐ．１７８（１９８
６），特開昭６０−２４５２２９）がある。中でも、ブ
ロックレジスト法は、新規に装置をラインに導入せずグ
ローバル平坦化が実現できるため、広く用いられている
（Ｓ．Ｆｕｊｉｉｅｔａｌ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ
ｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，ｖｏｌ．
３５，ｐ．１８２９（１９８８），Ｄ．Ｊ．Ｓｈｅｌｄ
ｏｎｅｔａｌ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＳｅ
ｍｉｃｏｎｄｌｃｔｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
ｐ．１４０（１９８８），Ｓ．Ｒ．Ｗｉｌｓｏｎｅ
ｔａｌ．，Ｖ−ＭＩＣｃｏｎｆ．，ｐ．４２（１９
９０））。

【０００９】ここで、ブロックレジスト法について図８
を用いて説明する。まずパターニングされた金属層３に
プラズマＣＶＤ法により形成した酸化膜４を形成する
（図８（ａ））。続いて配線パターンの反転マスクを用
いて、一般に良く知られたリソグラフィー技術によりレ
ジスト５をパターニングする（図８（ｂ））。つづい
て、第２レジスト７を塗布して、レジスト表面を完全に
平坦にする（図８（ｃ））。次にレジストと酸化膜との
選択比が１：１の異方性エッチング条件を用いて、平坦
な層間膜４を形成する（図８（ｄ））。ここで、反転マ
スクのパターン幅は、配線パターンの反転寸法より減少
させなければならない。図１２に層間膜プロセス終了後
の平坦性とマスクにおける配線パターンと反転マスクと
の間隔との関係を示す。配線パターン近傍の酸化膜との
反転マスクとの重なる領域にブロックレジストが形成さ
れると、エッチバック時に酸化膜を保護され段差を生じ
る。一方、配線パターンと反転マスクとの間隔が広すぎ
ると、第２レジストの塗布形状で凹みが生じ層間膜に段
差ができ（一般にバットウイングと呼ばれている）、層
間膜にレジスト形状が転写される。したがって、反転マ
スクは配線パターンから層間膜膜厚分だけマージンをと
る必要がある。このような反転マスクと配線パターンと
のマージン問題を省略する方法として、プロセスに酸化
膜等方エッチングを用いる例がある（特開昭６０−２４
５２２９）。図９に等方性エッチングを用いたブロック
レジスト法による層間膜形成方法について示す。層間膜
４形成後、反転マスクによりレジスト５を酸化膜上に形
成する（図９（ａ））。続いて、弗酸を用いて段差膜厚
より少ない（０．８μｍ）膜厚の酸化膜等方性エッチン
グにより、段差をなくす（図９（ｂ））。続いてレジス
ト５を除去して層間膜４が形成できる（図９（ｃ））。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】異方性エッチングを用
いたブロックレジスト法では、層間膜の層数だけ反転マ
スクの作成が必要である。更に、作成すべき反転マスク
の配線−反転マスクマージンは、層間膜形成プロセスの
層間膜膜厚に依存する為に、層間膜プロセス毎にマスク
が必要になる。さらに、配線−反転マスクマージン領域
はレジストパターンの最小寸法の制限により、ブロック
レジストが形成されない領域ができ、局所的に層間膜の
平坦性の悪化が起こる。

【００１１】一方、等方性エッチングを用いたブロック
レジスト法にも問題がある。等方性酸化膜エッチングに
広く用いられる弗酸は、配線材のアルミニウムをエッチ
ングするために、酸化膜成長膜厚以上には等方性エッチ
ングができない。その結果、層間膜には、波状の段差が
生じ、上層アルミニウム配線のパターニングにおいて、
アルミニウムのカバレッジの変動によるエッチング残り
が生じて、配線間ショート不良を起こし易いという問題
がある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、パターン寸法
のレジスト焦点深度がシリコン基板の標高差と同等の焦
点深度を有する微細パターンを用いて、レジストを標高
の低い領域に自己整合的に形成することを特徴とするリ
ソグラフィー技術を用いた層間膜形成方法である。

【００１３】ここで、標高の低い領域に選択的にレジス
トを形成する方法を、図面を用いて説明する。図１３は
標高差が３μｍあるウェハー表面に３．０μｍ厚のレジ
ストをパターニングした場合におけるレジストパターン
寸法のフォーカスオフセット依存性を示す。標高の高い
領域のレジストパターンの特性は、標高の低い領域より
２μｍだけレンズ側に移動する。したがって、フォーカ
スオフセットが−２．０μｍ程度では、標高の高い領域
上に形成されたレジストに焦点が合うことにより標高の
高い領域にレジストパターンが形成される。一方、０μ
ｍ程度のフォーカスオフセットでは標高の低い領域に存
在するレジストに焦点が合うことにより標高の低い領域
にレジストがパターニングされ、また標高の高い領域は
露光像が広がることによりレジスト膜厚が減少しパター
ンは消滅する。ここで、標高の低い領域に選択的に形成
するレジスト形成条件は、マスクパターンのサイズ、フ
ォーカスオフセット、レジスト膜厚、露光量で決まる。
図１４にストライプ状パターンのマスクを用いた場合の
フォーカスオフセットとマスクパターンサイズの配線膜
厚依存性を示す。配線段差が１．０μｍの場合マスクパ
ターンサイズとして１．０μｍを用いれば、フォーカス
オフセットは１．５μｍに設定し、配線段差が３．０μ
ｍの場合、マスクパターンサイズとして２．０μｍを用
いれば、フォーカスオフセット２．０μｍに設定するこ
とにより、選択的にレジストが標高の低い領域に形成で
きる。ここで、露光量の増加に伴い焦点深度マージンが
低下するため、レジスト膜厚は５μｍ以下であることが
望ましく、露光量は、段差部で発生する厚いレジストを
解像できる程度の露光量が望ましい。

【００１４】

【実施例】図１に本発明の第１の実施例を示す。本実施
例は、ストライプ状パターンを用いてレジストエッチバ
ック法に応用した例である。

【００１５】まず第１の配線３を１．０μｍ程度形成し
た後に、プラズマ酸化膜成長法を用いて、第１の配線で
生じた膜厚より厚い（例えば２．０μｍ）酸化膜４を形
成する（図１（ａ））。続いて、第１配線膜厚より厚い
膜厚を有するレジスト５を３．０μｍ程度塗布する（図
１（ｂ））。続いて、１．０μｍの幅と間隔からなるパ
ターを全面に有するマスク６を用いて、ステッパーの焦
点を標高の低い領域に焦点を合わせ３００ｍＪ／ｃｍ^-2
程度で露光して標高の低い領域にレジストパターン５を
形成する（図１（ｃ））。つづいて、パターニングされ
たレジスト間を平坦化するように再び２．０μｍ程度の
膜厚のレジスト７をパターニングされたレジスト間を平
坦化するように再び２．０μｍ程度の膜厚のレジスト７
を塗布する（図１（ｄ））。ここで、局所的段差の第２
レジスト塗布膜厚依存性を図１５に示す。ストライプマ
スクの線間隔が線幅より狭い方がレジストを埋め込む体
積が少ないことにより、レジストの埋め込み性が良い。
その結果、層間膜形成後の平坦性も、マスク線間隔が線
幅より狭い方が有利である。その後、ＣＦ₄および酸素
を用いた、レジストと酸化膜との選択比が１：１になる
ようなエッチング条件により、酸化膜が露出する程度ま
でエッチングすることにより層間膜が形成できる（図１
（ｅ））。

【００１６】図２に本発明の第２の実施例を示す。本実
施例では、レジストのかわりに感光性ポリイミド膜を用
いることにより、第１の実施例のレジストと酸化膜のエ
ッチバック工程を省略できるという効果が生じる。

【００１７】ポリイミドと配線材との密着性をよくする
ために窒化膜８を配線３上に１００ｎｍ程度形成した後
に、感光性ポリイミド９を２．０μｍ程度塗布する（図
２（ａ））。続いて、１．０μｍの幅と間隔からなるパ
ターンを全面に有するマスク６を用いて、ステッパーの
焦点を標高の低い領域に焦点を合わせて３００ｍＪ／ｃ
ｍ^-2程度で露光することにより、第１の配線３がない領
域に自己整合的にポリイミドパターン９を形成する（図
２（ｂ））。

【００１８】次に、３００℃程度の熱処理を加えて水分
を蒸発させた後に、再び第２ポリイミド１０を２．０μ
ｍ程度塗布し、３００℃程度の熱処理を加えることによ
り層間膜が形成できる（図２（ｃ））。

【００１９】図３に本発明の第３の実施例を示す。本実
施例では、酸化膜エッチングと、ソースガスとしてテト
ラエトキシシラン及びオゾン含有酸素を用いた常圧ＣＶ
Ｄ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）による酸化膜とを用いることにより、塗布膜材固
有の問題である塗布膜厚のバラツキによる平坦性の悪化
が避けられることにより、面内均一性のよい層間膜が形
成できる。

【００２０】第１の実施例の図１（ａ）から（ｃ）まで
の工程を終えた後、レジストをマスクとして標高差と同
等の膜厚分（１．０μｍ程度）の酸化膜４のエッチング
を行い（図３（ａ））、続いて酸素雰囲気でのプラズマ
処理により、レジスト５を除去した後に（図３
（ｂ））、ソースガスとして、テトラエトキシシラン及
びオゾン含有酸素を用いた常圧ＣＶＤにより、６００ｎ
ｍ程度の膜厚の酸化膜１１を形成することにより、段差
を完全に被覆し、層間膜が形成できる（図３（ｃ））。

【００２１】図４（ａ）−（ｃ）に本発明の第４の実施
例を示す。本実施例は、マスクパターン周囲が配線パタ
ーン周囲と４５°の傾きをもって配置されている格子状
マスクパターンの例である。

【００２２】本実施例における配線パターンと格子状マ
スクパターンの露光時の位置関係を示す平面図を図５に
示すまず規則的レジストパターンが配線端部に平行に存
在する場合の問題点を図７を用いて説明し、その後それ
を解決する実施例を図４を用いて説明する。

【００２３】規則的レジストパターンが配線端部に平行
に存在する場合、配線端部に局所的な段差（薄い塀のよ
うな段差）が生じ、平坦性が悪化していまう場合があ
る。この点を本発明の酸化膜エッチバックを用いる層間
膜形成方法に応用した例で説明する。まず第１の配線３
を１．０μｍ程度形成した後に、プラズマ酸化膜成長法
を用いて、第１の配線で生じた膜厚より厚い（例えば
２．０μｍ）酸化膜４を形成する（図７（ａ））。続い
て、第１配線膜厚より厚い膜厚を有するレジスト５を
３．０μｍ程度塗布し、１．０μｍの幅と間隔からなる
パターンを全面に有するマスクを用いて、ステッパーの
焦点を標高の低い領域に焦点を合わせ３００ｍＪ／ｃｍ
^-2程度で露光して標高の低い領域にレジストパターン５
を形成する（図７（ｂ））。次に、標高差と同等の膜厚
分（１．０μｍ程度）の酸化膜４をエッチングする（図
７（ｃ））。その後、レジスト５を除去し第２プラズマ
酸化膜１５を成膜し、ＳＯＧ等の塗布膜１６を０．５μ
ｍ程度塗布する（図７（ｄ））。続いて、全面を３．０
μｍ程度酸化膜エッチバックして層間膜を完成させる
（図７（ｅ））。このとき配線端部に平行してレジスト
パターンが存在すると配線端部と平行して長い段差が生
じる。

【００２４】この問題を解決するため、マスクパターン
周囲が配線パターン周囲と４５°の傾きをもって配置さ
れている格子状マスクパターンを用い、酸化膜エッチン
グのＣＭＰを併用した例を図４に示す。前述の図７
（ａ）から（ｃ）までの工程を終えてレジストを除去し
（図４（ａ））、ＣＭＰにより配線周囲に生じた段差を
除去する（図４（ｂ））。本実施例では配線パターンと
マスクパターンの周囲が平行になる部分を少なくし段差
の発生を抑制しているため、段差は発生しても突起状で
あり容易に除去し得る。その後テトラエトキシシラン及
びオゾン含有酸素を用いた常圧ＣＶＤにより、６００ｎ
ｍ程度の膜厚の酸化膜１１を形成することにより、段差
を完全に被覆し、層間膜が形成できる（図４（ｃ））。

【００２５】本発明の第５の実施例はストライプ状でも
格子状でもないマスクパターンの例である。本実施例に
おける配線パターンとマスクパターンの露光時の位置関
係を示す平面図を図６に示す。ストライプ状パターンよ
りも比較的短いパターンを規則的に配置したマスクパタ
ーンを用いて、第４の実施例と同様な層間膜形成方法を
用いても同様に段差の発生しない層間膜を形成すること
ができる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れは、パターン寸法のレジスト焦点深度がシリコン基板
の表面段差と同等の焦点深度を有する全面パターンを用
いて、レジストを標高の低い領域に自己整合的に形成す
ることを特徴とするリソグラフィー技術を用いることに
より、層間膜毎に反転のマスクを作成せずにすむばかり
でなく、配線−反転マスクマージンに発生するバットウ
イング（従来技術の章で詳述）のような段差の発生を抑
制でき、配線間ショート不良などの歩留まり低下を抑制
できる（図１６）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による層間膜形成方法の第１の実施例を
示す工程断面図。

【図２】本発明による層間膜形成方法の第２の実施例を
示す工程断面図。

【図３】本発明による層間膜形成方法の第３の実施例を
示す工程断面図。

【図４】本発明の第４の実施例として格子状マスクパタ
ーン用いる場合の工程断面図。

【図５】格子状マスクパターンを用いる場合の配線パタ
ーンとマスクパターンの露光時の位置関係を示す平面
図。

【図６】本発明の第５の実施例としてストライプ状、格
子状に該当しないマスクパターンを用いる場合の、配線
パターンとマスクパターンの露光時の位置関係を示す平
面図。

【図７】規則的レジストパターンが配線周囲と平行に存
在する場合の局所的段差の発生を示す工程断面図であ
る。

【図８】従来技術として、異方性エッチングを用いたブ
ロックレジストエッチバック法を示す工程断面図。

【図９】従来技術として、等方性エッチングを用いたブ
ロックレジストエッチバック法を示す工程断面図。

【図１０】レジスト塗布後の段差部断面図。

【図１１】３層配線仕様のデバイスにおける３層配線下
に発生するデバイス最大標高差の最小設計寸法依存性と
焦点深度マージンのパターンサイズ依存性図。

【図１２】層間膜段差の配線−反転マスクマージン依存
性図。

【図１３】レジストパターン寸法のフォーカスオフセッ
ト依存性図。

【図１４】最適フォーカスオフセットの配線段差依存性
図。

【図１５】レジスト表面の局所的段差の第２レジスト膜
厚依存性図。

【図１６】ショート不良率の配線間隔依存性図。

【符号の説明】

１シリコン基板２熱酸化膜３アルミニウム配線４プラズマ酸化膜５レジスト６マスク７第２レジスト８窒化膜９感光性ポリイミド１０第２ポリイミド１１Ｏ₃／ＴＥＯＳ酸化膜１２標高の高い領域１３段差周辺部１４標高の低い領域１５第２プラズマ酸化膜１６ＳＯＧ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の一主面上に形成された絶縁
膜上に金属を被着し、配線パターンを加工する工程と、
全面に絶縁膜を前記金属の厚さより厚く堆積する工程
と、全面に感光性の膜を塗布する工程と、全面に渡って
規則的な配置からなるパターンが設けられたマスクを用
いて、絶縁膜の標高の低い領域に焦点を合わせて露光す
る工程と、現像して絶縁膜の標高の低い部分にのみ前記
マスクパターンのレジストを形成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２】半導体基板の一主面上に形成された絶縁
膜上に金属を被着し、配線パターンを加工する工程と、
全面に絶縁膜を前記金属の表面に堆積する工程と、全面
に感光性ポリイミド膜を塗布する工程と、全面に渡って
規則的な配置から成るパターンが設けられてマスクを用
いて、絶縁膜の標高の低い領域に焦点を合わせて露光す
る工程と、現像して絶縁膜の標高の低い部分にのみ前記
パターンのポリイミドを形成する工程と、第２のポリイ
ミドを全面に塗布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３】請求項１又は２において、前記規則的な
配置からなるマスクパターンの形状がストライプ状であ
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】請求項１又は２において、規則的な配置
からなるマスクパターンの形状が格子状であることを特
徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】請求項３又は４において、マスクの規則
的パターン形状において、パターン幅がパターン間隔以
上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】請求項１又は２において、規則的な配置
からなるマスクパターンの周囲が前記配線パターンの周
囲と平行あるいは非平行に配置されていることを特徴と
する半導体装置の製造方法。