JP3097630B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関し、特に、大面積配線を有する半導体装置におけ
る層間膜平坦化方法を改良する技術に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】半導体の微細化・高集積化に伴って配線
層数が増加し、層間絶縁膜の平坦化が重要度を増してい
る。層間絶縁膜の平坦化手法としては、CMP技術が最
も有望とされている。CMPによる平坦化の原理は図3
(a)に示すように研磨中に層間絶縁膜1の凸部1aと
凹部1bに加わる研磨パッド4の圧力の差による研磨レ
ートの選択性を利用したものである。
【0003】研磨パッド4が完全剛体であれば研磨後の
完全平坦化が可能であるが、研磨レートのウェハー面内
バラツキの低減や研磨傷の防止の目的で弾力性のあるポ
リウレタン等の研磨パッド4が使用されるため、研磨パ
ッド4にたわみが発生してしまう。小さい(細い)凸部
では大きな圧力がかなり研磨レートが大きくなるが、ミ
リメートルオーダーの大面積凸部は圧力が分散して研磨
レートが小さくなる。よって、凸部の大小の差で研磨レ
ートに差が生じ、研磨後にパターン依存によるミリメー
トルオーダーの凹凸(膜厚バラツキ)が生じてしまうこ
とがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来技術で述べたよう
に、現在のCMP技術は小さい(細い)凹凸の平坦化は
容易であるが、ミリメートルオーダーの大面積の凹凸が
ある場合は研磨パッドのたわみにより研磨後の層間絶縁
膜膜厚が、大面積凸部で厚く、小面積凸部で薄くなると
いう問題点がある。
【0005】具体的には層間絶縁膜の研磨前の凹凸高さ
が1μmで、3mm□の大面積凸部がある場合、CMP
研磨時間を増やしても最大450nmもの層間膜厚バラ
ツキが残存する。この層間絶縁膜の膜厚バラツキは、後
工程のvia開口のエッチングマージンを減少させ、フ
ォトリソグラフィ技術を用いたパターンニングの際の焦
点深度マージンを減少させることとなり、半導体装置の
微細化の妨げとなる。
【0006】また、大面積凸部は研磨レートが相対的に
小さくなってしまうため、平坦化に必要な研磨時間を研
磨レート低下分だけ増加させなくてはならないといった
問題もある。具体的に、研磨前の層間絶縁膜の凹凸高さ
(図1(a)のhが1μmの場合では、凹凸の粗密が無
い場合には約3分の研磨時間で済むが、3mm□の大面
積凸パターンがある場合は平坦化完了まで約6分の研磨
時間を要する。
【0007】本発明の目的は、層間絶縁膜の平坦化にお
いて、少ない研磨量で、凹凸の粗密、大きさに依存せ
ず、研磨後の層間絶縁膜の膜厚バラツキを大幅に低減さ
せることのできる半導体装置の製造方法を提供すること
にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置の製造方法は、配線上に層
間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に対してエ
ッチング選択性のあるマスク膜を前記層間絶縁膜の表面
に形成する工程と、前記層間絶縁膜のうち、凸となって
いる部分のマスク膜を第1のCMPで選択的に除去する
工程と、前記選択除去後のマスク膜をマスクとして前記
層間絶縁膜のうち、凸部をドライエッチングにより除去
する工程と、前記マスク膜を除去する工程と、第2のC
MPで前記層間絶縁膜を平坦化する工程とを有するもの
である。
【0009】
【0010】また本発明に係る半導体装置の製造方法
は、配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶
縁膜に対してエッチング選択性のあるマスク膜を前記層
間絶縁膜の表面に形成する工程と、前記層間絶縁膜のう
ち、凸となっている部分のマスク膜を第1のCMPで選
択的に除去する工程と、前記選択除去後のマスク膜をマ
スクとして前記層間絶縁膜のうち、凸部をドライエッチ
ングにより除去する工程と、第2のCMPで前記マスク
膜を除去しつつ、前記層間絶縁膜とマスク膜とを平坦化
する工程とを有するものである。
【0011】また前記エッチング選択性のあるマスク膜
を前記層間絶縁膜の全面に形成する。また前記マスク膜
が、SiNまたはSiON膜,TiN膜,アルミまたは
アルミ合金,タングステンのいずれかである。また前記
層間絶縁膜がバイアススパッタ酸化膜である。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。
【0013】(実施形態1)図1は、本発明の実施形態
1を工程順に示す断面図である。
【0014】図1(a)に示すように、配線2上に層間
絶縁膜1を形成したあと、層間絶縁膜1に対しエッチン
グ選択性のあるマスク膜3を全面に形成する。
【0015】次に図1(b)に示すように、層間絶縁膜
1の凸部1aのみが露出するまでマスク膜3をCMP研
磨する。次に、マスク膜3をマスクとして、ドライエッ
チング技術により、層間絶縁膜1をエッチングする(図
1(c))。次に、マスク膜3を等方性エッチング技術
により選択的に除去する(図1(d))。続いて、第2
のCMP研磨により、配線2の部分と大面積部分との層
間絶縁膜1を平坦化する(図1(e))。
【0016】本発明での実施形態1では、CMP技術の
特徴である凸部から研磨されることを利用してセルフア
ラインで層間絶縁膜の凹部のみにマスク膜をパターンニ
ングし、マスク膜をマスクとしてドライエッチング技術
によって大面積の凸部を除去してから第2のCMPによ
り平坦化を終了する。大面積の凸部を除去した後に鋭角
の突起部が残るが(図1(c))、この突起部は細い凸
部となることから研磨レートは大きく、研磨時間の増大
原因にならない。この製造方法により、従来技術と比し
て研磨工程数は1層間あたり1工程から2工程に増える
が、合計研磨量は減少して効率が向上し、その上、研磨
後の膜厚バラツキの少ない層間絶縁膜の平坦化が可能に
なる。
【0017】(実施形態2)図2は、本発明の実施形態
2を工程順に示す断面図である。図2(a)に示すよう
に、配線2上に層間絶縁膜1を形成したあと、層間絶縁
膜1に対しエッチング選択性が有り且つCMP研磨にお
いて研磨レート差の小さいマスク膜3を全面に形成す
る。
【0018】次に、層間絶縁膜1の凸部1aのみが露出
するまでマスク膜3をCMP研磨する(図2(b))。
次に、マスク膜3をマスクとして、ドライエッチング技
術により、層間絶縁膜1をエッチングする(図2
(c))。続いて、第2のCMP研磨により層間絶縁膜
1及びマスク膜3を平坦化する(図2(d))。この製
造方法により、従来技術と比して、研磨工程数は1層間
あたり1工程から2工程に増えるが、合計研磨量は減少
して効率が向上し、その上、研磨後の膜厚バラツキの少
ない層間絶縁膜の平坦化が可能になる。この実施形態2
では、マスク膜除去を第2のCMP研磨にて同時に行う
ため、実施形態1と比して工程数の削減が可能になる。
【0019】次に本発明の実施形態1の具体例を実施例
1として図1を用いて詳細に説明する。まず、層間絶縁
膜として、プラズマ酸化膜1を1.6μm成長する。こ
の実施例では説明上、High density pl
asma源を用いたバイアススパッタ酸化膜を用いた場
合を図示したが、通常のプラズマ酸化膜を用いても良
い。次に、プラズマ酸化膜1に対しエッチング選択性の
あるマスク膜としてSiON膜3を全面に150nm形
成する。この際、 『マスク膜厚』≧『層間絶縁膜形成後の凹凸の高さ(図
1(a)のh)』/『エッチング選択比』 (『エッチング選択比』=『層間絶縁膜ドライエッチン
グレート』/『マスク膜ドライエッチングレート』) とする。この実施例はエッチング選択比5以上、凹凸の
高さ800nmである。マスク膜3にTiN膜を使用す
る場合、エッチング選択比は20以上であるので、マス
クTiN膜は80nm形成する(図1(a))。
【0020】次に、第1のCMP研磨を行い、凸部上の
マスクSiON膜(またはTiN膜など)3のみを層間
絶縁膜1が露出するまで選択的に研磨する(図1
(b))。マスク膜の研磨は、その膜に適した研磨条件
で行う。たとえばTiN膜の場合は、アルミナ系スラリ
ーを用いて研磨する。次に、マスク膜(SiONまたは
TiNなど)3をマスクとして層間絶縁膜1をドライエ
ッチング技術によりエッチングする。エッチングは層間
絶縁膜1の形成直後の凹凸の高さ(図1(a)のh)と
同量とする(図1(c))。
【0021】次に、等方性エッチング技術により、マス
ク膜3を選択的に除去する(図1(d))。続いて、第
2のCMP研磨を1分30秒行い層間絶縁膜1の平坦化
を完了する。
【0022】(実施例2)次に本発明の実施形態2の具
体例を実施例2として図2を用いて詳細に説明する。ま
ず、層間絶縁膜として、プラズマ酸化膜1を1.6μm
成長する。この実施例では説明上、High dens
ity plasma源を用いたバイアススパッタ酸化
膜を用いた場合を図示して説明するが、通常のプラズマ
酸化膜を用いても良い。次に、プラズマ酸化膜に対しエ
ッチング選択性があり、且つ、CMP研磨レート差が小
さいマスク膜としてSiON膜3を全面に150nm形
成する。この際、 『マスク膜厚』≧『層間絶縁膜形成後の凹凸の高さ』/
『エッチング選択比』 (『エッチング選択比』=『層間絶縁膜ドライエッチン
グレート』/『マスク膜ドライエッチングレート』) とする。この実施例はエッチング選択比5以上、凹凸の
高さ800nmである(図2(a))。
【0023】次に、第1のCMP研磨を行い、凸部上の
マスクSiON膜3のみを層間絶縁膜1が露出するまで
選択的に研磨する(図2(b))。マスク膜の研磨は、
その膜に適した研磨条件で行う。次に、マスク膜(Si
ON)3をマスクとして層間絶縁膜1をドライエッチン
グ技術によりエッチングする。エッチングは、層間絶縁
膜1の形成直後の凹凸の高さと同量とする。しかし、次
工程の第2のCMPにおいて 『マスク膜研磨レート』<『層間絶縁膜研磨レート』 の関係であればエッチング量は凹凸の高さhより少なく
し、 『マスク膜研磨レート』>『層間絶縁膜研磨レート』 の関係であればエッチングは凹凸の高さhより多くす
る。
【0024】この実施例では前者の関係にある場合の工
程断面図を示してある(図2(c))。続いて、第2の
CMP研磨を1分30秒行い層間絶縁膜1の平坦化を完
了する。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、第
1のCMP研磨によりセルフアラインでマスク膜をパタ
ーンニングし、ドライエッチングにより大面積凸部を選
択的に除去してから第2のCMPで層間絶縁膜を平坦化
する方法であり、少ない研磨時間で、パターン依存性の
無い層間絶縁膜の平坦化を行うことができる。
【0026】さらに、研磨時間を短縮することにより、
設備投資の節減、開発TATの短縮を図ることができ
る。また、研磨後の層間絶縁膜の膜厚バラツキを大幅に
低減することができることから、集積回路の高集積化に
寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1を工程順に示す断面図であ
る。
【図2】本発明の実施形態2を工程順に示す断面図であ
る。
【図3】従来例を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
1 層間絶縁膜 2 配線 3 マスク膜 h 層間絶縁膜形成後の凹凸の高さ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3205 H01L 21/768 H01L 21/304 H01L 21/31

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、 前記層間絶縁膜に対してエッチング選択性のあるマスク
    膜を前記層間絶縁膜の表面に形成する工程と、 前記層間絶縁膜のうち、凸となっている部分のマスク膜
    を第1のCMPで選択的に除去する工程と、 前記選択除去後のマスク膜をマスクとして前記層間絶縁
    膜のうち、凸部をドライエッチングにより除去する工程
    と、 前記マスク膜を除去する工程と、 第2のCMPで前記層間絶縁膜を平坦化する工程とを有
    することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、 前記層間絶縁膜に対してエッチング選択性のあるマスク
    膜を前記層間絶縁膜の表面に形成する工程と、 前記層間絶縁膜のうち、凸となっている部分のマスク膜
    を第1のCMPで選択的に除去する工程と、 前記選択除去後のマスク膜をマスクとして前記層間絶縁
    膜のうち、凸部をドライエッチングにより除去する工程
    と、 第2のCMPで前記マスク膜を除去しつつ、前記層間絶
    縁膜とマスク膜とを平坦化する工程とを有することを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記エッチング選択性のあるマスク膜を
    前記層間絶縁膜の全面に形成することを特徴とする請求
    1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記マスク膜が、SiNまたはSiON
    膜,TiN膜,アルミまたはアルミ合金,タングステン
    のいずれかであることを特徴とする請求項1,2又は3
    に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記層間絶縁膜がバイアススパッタ酸化
    膜であることを特徴とする請求項1,2又は3に記載の
    半導体装置の製造方法。
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