JP3575126B2 - 多層配線形成法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、層間絶縁膜を研磨により平坦化する工程を含む多層配線形成法に関し、特に層間絶縁膜を形成する前に配線材層の上のストッパ材層を所望の配線パターンに従ってパターニングしてストッパ層を形成した後ストッパ層をマスクとして配線材層をパターニングすることにより微細な配線パターニングを可能にし且つ平坦性の向上を図ったものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、CPM(化学機械式研磨)等の研磨処理により層間絶縁膜を平坦化する方法としては、層間絶縁膜を形成する前に配線材層及びストッパ材層の積層を配線パターンに従ってパターニングするものが知られている(例えば、特開平6−181209号公報参照)。図11及び図12は、この種の従来法を示すものである。
【0003】
図11の工程では、半導体基板1の表面を覆う絶縁膜2の上にAl合金等の配線材層3とSi 等のストッパ材層4とを順次に堆積形成した後、ストッパ材層4の上に所望の配線パターンに従ってレジスト層5A,5Bを形成する。そして、レジスト層5A,5Bをマスクとする選択的ドライエッチング処理により配線材層3及びストッパ材層4の積層をパターニングする。
【0004】
この結果、図12に例示するような配線パターンが得られる。図12において、Aは配線が密集した領域、Bは配線が疎な領域、3a〜3dはいずれも配線材層3の残存部からなる配線層、4a〜4dはいずれもストッパ材層4の残存部からなるストッパ層である。
【0005】
次に、基板上面には、配線層3a〜3d及びストッパ層4a〜4dを覆って層3,4の合計厚さより厚くSiO 等の層間絶縁膜(図示せず)を形成する。そして、CMP処理により層間絶縁膜をストッパ層4a〜4dに達するまで研磨して平坦化する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術によると、図11に示すようにレジスト層5A,5Bをマスクとしてストッパ材層4及び配線材層3を連続的にパターニングする際にレジスト層5A,5Bが破線で示すように上部から削られていく。従って、層3,4の積層をパターニングする間はレジスト層5A,5Bがマスク機能を果たすように十分に厚くレジスト層5A,5Bを形成する必要がある。
【0008】
レジスト層を厚くすると、レジストパターニングの際にホトリソグラフィの焦点深度が低下し、微細なパターニングが困難となる。また、ドライエッチングの際にレジスト層5A,5Bの間隔が狭い所ではエッチング種が入りにくく、図12の配線密集領域Aに示すように配線層3a〜3cが裾Sをひくようになり、配線間短絡を招くことがある。裾Sを少なくするためにオーバーエッチング量を多くすると、図12の疎な配線領域Bに示すように絶縁膜2が配線層直下以外の部分Rで過剰にエッチングされる。このため、層3a〜3d,4a〜4dを覆って層間絶縁膜を形成すると、層間絶縁膜は、配線密集領域Aで厚く且つ疎な配線領域Bで薄くなりやすい。このような膜厚不均一性は、層間絶縁膜にCMP処理を施した後も残り、平坦性を悪化させる。
【0009】
この発明の目的は、研磨により層間絶縁膜を平坦化する多層配線形成法において、微細な配線パターニングを可能にすると共に平坦性を向上させることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る多層配線形成法は、
基板の表面を覆う絶縁膜の上に配線材層を形成する工程と、
前記配線材層の上にノンドープのシリケートガラスからなるストッパ材層を形成する工程と、
前記ストッパ材層の上に所望の配線パターンに従うレジスト層を、前記ストッパ材層をパターニングするには足りるが前記配線材層をパターニングするには足りない程度に薄く形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとして前記ストッパ材層をパターニングすることにより前記ストッパ材層の一部をストッパ層として残存させる工程と、
前記レジスト層を残した状態で前記ストッパ層をマスクとする選択的エッチング処理により前記配線材層をパターニングすることにより前記配線材層の一部を配線層として残存させると共に前記レジスト層を除去する工程と、
前記絶縁膜の上に前記配線層と前記ストッパ層との積層を覆い且つ該積層より厚くボロン・リン・シリケートガラスからなる層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を前記ストッパ層に達するまで研磨して平坦化する工程と、
前記ストッパ層に前記配線層に達する接続孔を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の上に前記接続孔を介して前記配線層につながる他の配線層を形成する工程と
を含むものである。
【0011】
このような多層配線形成法にあっては、層間絶縁膜とその上の配線層との間に別の層間絶縁膜を介在させるようにしてもよい。
【0012】
この発明の方法によれば、ボロン・リン・シリケートガラスからなる層間絶縁膜を平坦化すべく研磨する際に、ノンドープのシリケートガラスからなるストッパ材層をパターニングしてストッパ層を形成した後、ストッパ層をマスクとして配線材層をパターニングして配線層を形成するようにしたので、ストッパ材層のパターニングには薄いレジスト層を使用することができ、従来のように厚いレジスト層を使用する必要性はなくなる。この発明では、ストッパ材層のパターニングに用いるレジスト層は、ストッパ材層をパターニングするには足りるが配線材層をパターニングするには足りない程度に薄く形成し、配線材層をパターニングする際にはストッパ材層のパターニングに用いたレジスト層を残した状態でストッパ層をマスクとして選択エッチング処理を行なうことにより配線層の形成と同時にレジスト層を除去している。
【0013】
また、層間絶縁膜とその上の配線層との間に別の層間絶縁膜を介在させると、上下の配線層間の距離を介在させる層間絶縁膜の厚さに応じて任意に調整することができ、ストッパ材層及びレジスト層を一層薄くすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1〜9は、この発明に係る多層配線形成法を示すもので、各々の図に対応する工程(1)〜(9)を順次に説明する。
【0015】
(1)シリコン等の半導体基板10の表面を覆うシリコンオキサイド等の絶縁膜12の上にスパッタ法等により配線材層14を形成する。配線材層14の材料としては、Al,W,Cu等を用いることができ、LSI製造に使われる配線材料であればいずれも使用可能である。
【0016】
(2)絶縁材層14の上にCVD法等により絶縁性のストッパ材層16を形成する。ストッパ材層16の材料としては、研磨対象としての層間絶縁膜より研磨速度が小さいものを用いるが、具体的には、研磨処理及び層間絶縁材に関連して後述する。
【0017】
(3)ストッパ材層16の上に周知のホトリソグラフィ処理により所望の配線パターンに従ってレジスト層18を形成する。レジスト層18の厚さは、ストッパ層16をパターニングするには足りるが配線材層14をパターニングするには足りない程度に薄くしておくとよい。このようにすると、ホトリソグラフィ処理にて焦点深度が深くなり、高精度のパターニングが可能になり、配線の微細化及び配線間隔の狭小化を達成することができる。
【0018】
(4)レジスト層18をマスクとする選択的ドライエッチング処理によりストッパ材層16をパターニングすることによりストッパ層16A,16Bを形成する。
【0019】
(5)レジスト層18を除去した後、ストッパ層16A,16Bをマスクとする選択的ドライエッチング処理により配線材層14をパターニングして配線層14A,14Bを形成する。
【0020】
(6)絶縁膜12の上に層14A,14B,16A,16Bを覆って研磨対象としての層間絶縁膜20をCVD法等により形成する。このとき、絶縁膜20は、配線層14Aとストッパ層16Aとの積層よりも厚い厚さtを有するように形成する。
【0021】
(7)CMP等の研磨処理により絶縁膜20をストッパ層16A,16Bに達するまで研磨して平坦化する。この場合、ストッパ層16A,16Bの高さは、配線層14A,14Bの厚さに対応してほぼ一定であるので、絶縁膜20の研磨面については良好な平坦性が得られる。
【0022】
(8)周知のホトリソグラフィ処理及びドライエッチング処理により所望のストッパ層16Aに配線層14Aに達する接続孔16aを形成する。
【0023】
(9)絶縁膜20の上にAl又はAl合金等の配線材を被着してパターニングすることにより配線層22を形成する。配線層22は、接続孔16aを介して配線層14Aに接続される。絶縁膜20の上面が研磨により平坦化されているため、配線層22は、被覆性よく形成される。
【0024】
例えばコロイダルシリカとKOH等のアルカリ溶液とからなる研磨材とを用いるCMP処理で研磨を行なう場合、ストッパ材層16と層間絶縁膜(研磨対象)20との好ましい材料組合せを例示すると、次の表1の通りである。( )内には、研磨速度を示す。
【0025】
【表1】
Figure 0003575126
ここで、「NSG」は、ノンドープのシリケートガラスを、「BPSG」は、ボロン・リン・シリケートガラスをそれぞれ表わす。
【0026】
表1によれば、層間絶縁膜20としてNSG膜を用いる場合は、ストッパ材層16としてSi層を用いればよく、層間絶縁膜20としてBPSG膜を用いる場合は、ストッパ材層16としてSi層又はNSG層を用いればよいことがわかる。また、Si層の研磨速度は、NSG膜の約1/3〜1/7であり、NSG層の研磨速度は、BPSG膜の約1/2〜1/5である。なお、表1において、「組合せ1」及び「組合せ2」は比較例として示したものであり、「組合せ3」がこの発明の実施例に相当する。
【0027】
上記した例では、レジスト層18を除去した後、ストッパ層16A,16Bをマスクとして配線材層14をパターニングしたが、レジスト層18を除去せずに(残したままで)配線材層14のパターニングを行なうと、このパターニング中にレジスト層18が除去されるので、レジスト層18を除去するための独立した工程が不要となる。
【0028】
図10は、上方配線形成工程の変形例を示すものである。この例では、図7の工程の後、基板上面に層間絶縁膜24をCVD法等により形成する。絶縁膜24の材料としては、絶縁膜20と同種のものでもよく、異種のものでもよい。例えば、絶縁膜20としてBPSG膜を用いた場合、絶縁膜24としてはBPSG膜を用いることができる。
【0029】
次に、所望のストッパ層16Aと絶縁膜24との積層に周知のホトリソグラフィ及びドライエッチング処理により配線層14Aに達する接続孔24aを形成する。そして、絶縁膜24の上にAl又はAl合金等の配線材を被着してパターニングすることにより配線層26を形成する。配線層26は、接続孔24aを介して配線層14Aに接続される。絶縁膜20の上面が平坦化されているため、絶縁膜24及び配線層26は、被覆性よく形成される。
【0030】
図10の方法によると、配線層14A,14B及び配線層26の間の距離を絶縁膜24の形成厚さに応じて任意に調整可能となるので、図2に対応する工程ではストッパ材層を薄く形成することができ、図3に対応する工程ではレジスト層を薄く形成することができる。従って、一層微細な配線パターニングが可能になる。
【0031】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ボロン・リン・シリケートガラスからなる層間絶縁膜を平坦化すべく研磨する際に、ノンドープのシリケートガラスからなるストッパ材層をパターニングしてストッパ層を形成した後ストッパ層をマスクとして配線パターニングを行なうことでストッパ材層のパターニングに薄いレジスト層を使えるようにしたので、微細な配線パターニング(配線の微細化及び配線間隔の狭小化)が可能になる効果が得られる。また、オーバーエッチング量を減らせるので、平坦性が向上する効果もある。さらに、ストッパ材層のパターニングに用いたレジスト層を配線層の形成と同時に除去するようにしたので、レジスト層を除去するための独立の工程が不要となる効果もある。
【0032】
その上、層間絶縁膜とその上の配線層との間に他の層間絶縁膜を介在させると、ストッパ材層及びレジスト層を一層薄くすることができ、一層微細な配線パターニングが可能になる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る多層配線形成法における配線材被着工程を示す基板断面図である。
【図2】図1の工程に続くストッパ材層形成工程を示す基板断面図である。
【図3】図2の工程に続くレジスト層形成工程を示す基板断面図である。
【図4】図3の工程に続くストッパ層形成工程を示す基板断面図である。
【図5】図4の工程に続く配線パターニング工程を示す基板断面図である。
【図6】図5の工程に続く絶縁膜形成工程を示す基板断面図である。
【図7】図6の工程に続く研磨工程を示す基板断面図である。
【図8】図7の工程に続く接続孔形成工程を示す基板断面図である。
【図9】図8の工程に続く配線層形成工程を示す基板断面図である。
【図10】上方配線形成工程の変形例を説明するための基板断面図である。
【図11】従来の配線パターニング工程の一例を示す基板断面図である。
【図12】従来の配線パターニング状況を示す基板断面図である。
【符号の説明】
10:半導体基板、12,20,24:絶縁膜、14:配線材層、14A,14B,22,26:配線層、16:ストッパ材層、16A,16B:ストッパ層。

Claims (2)

  1. 基板の表面を覆う絶縁膜の上に配線材層を形成する工程と、
    前記配線材層の上にノンドープのシリケートガラスからなるストッパ材層を形成する工程と、
    前記ストッパ材層の上に所望の配線パターンに従うレジスト層を、前記ストッパ材層をパターニングするには足りるが前記配線材層をパターニングするには足りない程度に薄く形成する工程と、
    前記レジスト層をマスクとして前記ストッパ材層をパターニングすることにより前記ストッパ材層の一部をストッパ層として残存させる工程と、
    前記レジスト層を残した状態で前記ストッパ層をマスクとする選択的エッチング処理により前記配線材層をパターニングすることにより前記配線材層の一部を配線層として残存させると共に前記レジスト層を除去する工程と、
    前記絶縁膜の上に前記配線層と前記ストッパ層との積層を覆い且つ該積層より厚くボロン・リン・シリケートガラスからなる層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜を前記ストッパ層に達するまで研磨して平坦化する工程と、
    前記ストッパ層に前記配線層に達する接続孔を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜の上に前記接続孔を介して前記配線層につながる他の配線層を形成する工程と
    を含む多層配線形成法。
  2. 基板の表面を覆う絶縁膜の上に配線材層を形成する工程と、
    前記配線材層の上にノンドープのシリケートガラスからなるストッパ材層を形成する工程と、
    前記ストッパ材層の上に所望の配線パターンに従うレジスト層を、前記ストッパ材層をパターニングするには足りるが前記配線材層をパターニングするには足りない程度に薄く形成する工程と、
    前記レジスト層をマスクとして前記ストッパ材層をパターニングすることにより前記ストッパ材層の一部をストッパ層として残存させる工程と、
    前記レジスト層を残した状態で前記ストッパ層をマスクとする選択的エッチング処理により前記配線材層をパターニングすることにより前記配線材層の一部を配線層として残存させると共に前記レジスト層を除去する工程と、
    前記絶縁膜の上に前記配線層と前記ストッパ層との積層を覆い且つ該積層より厚くボロン・リン・シリケートガラスからなる第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記第1の層間絶縁膜を前記ストッパ層に達するまで研磨して平坦化する工程と、
    前記第1の層間絶縁膜の平坦化面の上に第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記ストッパ層と前記第2の層間絶縁膜との積層に前記配線層に達する接続孔を形成する工程と、
    前記第2の層間絶縁膜の上に前記接続孔を介して前記配線層につながる他の配線層を形成する工程と
    を含む多層配線形成法。
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