JP3695106B2

JP3695106B2 - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP3695106B2
Application number: JP35744697A
Authority: JP
Inventors: 裕一浦野
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH1187507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は多層配線構造のＩＣなどの半導体装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路では微細化が進み、３６５ｎｍや２４８ｎｍの波長の短い光を使用したフォトリソグラフィーが利用されているが、波長の短い光を使用した場合焦点深度が浅くなり、プロセスマージンが減少する問題が生じる。
そのためフォトリソグラフィーでのマージン確保のためにＳＯＧ（ＳｐｉｎｏｎＧｌａｓｓ）やＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）等を使用した層間絶縁膜の平坦化が行われているが、層間絶縁膜の平坦化により今度は深さの異なるコンタクトホールが同一チップ上に形成されることになり、これらの多層配線間のコンタクトを安定して形成することが重要となっている。
【０００３】
図４は従来の半導体装置の製造方法について説明した製造工程断面図である。図４において、１は第１層アルミ配線、２は第１層アルミ配線形成時のレジストマスクを露光する際に第１層アルミ配線から反射を防ぐための反射防止膜、３は反射防止膜上に形成したプラズマ酸化膜等の層間絶縁膜、４は層間絶縁膜（酸化膜）にコンタクトホールを形成するためのレジストマスク、５はレジストマスクをマスクとして反応性イオンエッチングによって層間絶縁膜３をエッチングして形成したコンタクトホール、６は層間絶縁膜３にコンタクトホール５を形成した第２層アルミ配線、７ａは有機系のポリマーである。
【０００４】
以上のように構成された従来例の半導体装置の製造方法について、図４を用いてさらに詳細に説明する。
まずスパッタリングによって第１層アルミ配線１、および第１層アルミ配線１上にＴｉＮなどの反射防止膜２を形成する。その後リソグラフィー、反応性エッチングにより第１層アルミ配線１および反射防止膜２を形成する。その上に層間絶縁膜３としてＥＣＲプラズマＣＶＤなどの高密度プラズマＣＶＤ法により例えば１μｍ形成し、第１層アルミ配線１との間をボイド無く埋め込む。下地の第１層アルミ配線１のパターンにより生じた層間絶縁膜３の段差をＣＭＰ法によりエッチングし、平坦化する。層間絶縁膜３上にコンタクトホール５を形成するためのレジストマスク４を形成する（同図（ａ））。その後、層間絶縁膜３を反応性イオンエッチングにより層間絶縁膜３をエッチングしコンタクトホール５を形成する（同図（ｂ））。次に酸素プラズマを使用してレジストマスク４をアッシング（灰化）する（同図（ｃ））。その後スパッタリングにより第２層アルミ配線を形成する（同図（ｄ））。
【０００５】
図５は従来の半導体装置の製造方法で、幅が異なる第１層アルミ配線がある場合を示し、同図（ａ）ないし同図（ｄ）は工程順に示したその製造工程断面図である。
図５において、５１はシリコン基板、５２は第１酸化膜、５３は第１層アルミ配線、５４は第１層アルミ配線形成時のレジストマスクを露光する際に第１層アルミ配線から反射を防ぐための反射防止膜、５５は第２酸化膜、５６はＳＯＧ膜、５７は第３酸化膜、５８レジストマスク、５９はコンタクトホール、６０は第層２アルミ配線、７ａは有機系ポリマーである。
【０００６】
以上のように構成された従来例の半導体装置の製造方法について、図５を用いてさらに詳細に説明する。
まずスパッタリングによってシリコン基板５１上を被覆した第１酸化膜５２上に膜厚が０．６μｍの第１層アルミ配線５３と、膜厚が３０ｎｍのＴｉＮの反射防止膜５４を形成する（同図（ａ））。その後、反応性エッチングによるフォトリソグラフィー（フォトエッチングのこと）で第１層アルミ配線５３および反射防止膜５４をエッチングする。その上に層間絶縁膜を構成する絶縁膜としてプラズマＣＶＤにより第２酸化膜５５を例えば０．３μｍの膜厚で形成し、さらに有機ＳＯＧを回転塗布した後、４００℃程度で熱硬化させＳＯＧ膜５６を形成する（同図（ｂ））。この時、表面張力の関係で第１層アルミ配線５３の線幅の広いＡ部の方が線幅の狭いＢ部より、ＳＯＧ膜の膜厚は厚くなる。つぎに、コンタクトホール５９を形成する領域をＳＯＧ膜５６が被覆しないように、ドライエッチング法によりＳＯＧ膜５６の膜厚が厚いＡ部の第２酸化膜５５が露出するまでエッチバックする。このとき膜厚の薄いＢ部の第２酸化膜５５はオーバーエッチングにより除去されてしまう。層間絶縁膜を構成する絶縁膜として第３酸化膜５７をプラズマＣＶＤ法により例えば０．５μｍの膜厚で形成する。第３酸化膜５７上にコンタクトホール５９を形成するためのレジストマスク５８を形成する。その後、レジストマスク５８をマスクに層間絶縁膜を構成する第２酸化膜５５および第３酸化膜５７を反応性イオンエッチングによりエッチングし、コンタクトホール５９を形成する（同図（ｃ））。つぎに酸素プラズマを使用してレジストマスク５８をアッシングする。その後スパッタリングにより第２層アルミ配線６０を形成する（同図（ｄ））。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図４の従来の構成では以下の問題があった。すなわち、深さの異なるコンタクトホールを反応性イオンエッチングにて形成する際、プロセスマージン確保のため、層間絶縁膜３の膜厚変動、エッチング速度の変動を加味し、オーバーエッチングする必要がある。オーバーエッチングの際、比較的深さの浅いコンタクトホールでは第１層アルミ配線１、反射防止膜２がスパッタリングされ、エッチングガス中のＦラジカルなどと反応し、Ａｌ、Ａｌ_XＦ_Y、Ｔｉ、Ｔｉ_xＦ_Yを含む有機系のポリマー７ａがコンタクトホールの側壁に堆積する。その後、酸素プラズマによるアッシングを行い、レジストマスクを除去するが、有機系のポリマー７ａは除去できないため残留する。その後、プリクリーンを行い第２層アルミ配線６をスパッタリングで堆積するが、有機系のポリマー７ａがコンタクトホール５を塞ぎ、コンタクトホール５内部に第２層アルミ配線６を形成できないことがある。このため、第１層アルミ配線１と第２層アルミ配線６との間のコンタクトが不安定になるという問題があった。
【０００８】
また本来、層間絶縁膜の膜厚が全面に亘って均等であればコンタクトホール形成時に反射防止膜や第１層アルミ配線が露出することは無い訳であるが、実際には、図５（ｂ）のように、コンタクトホールが形成される箇所の第１層アルミ配線の線幅に層間絶縁膜の膜厚が依存し、線幅が広いと層間絶縁膜の膜厚が厚く、狭いと膜厚が薄くなり、前記のような問題が発生する。
【０００９】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、厚みが異なる層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、多層配線間のコンタクトを行う場合でも、コンタクトを安定に行うことができる半導体装置の製造方法を提供することと、第１層アルミ配線上の層間絶縁膜の膜厚を一定とする方策を講じることで、コンタクトを安定に行うことができる半導体装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、第１層配線上に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜上に窒化膜を形成する工程と、前記窒化膜上に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜上にコンタクトホール形成のためのレジストマスクを形成する工程と、前記酸化膜を前記窒化膜が露出するまでエッチングする工程と、前記窒化膜をエッチングして前記コンタクトホールを形成する工程と、前記レジストマスクをアッシングで除去する工程と、前記コンタクトホールを含む前記酸化膜上に第２層配線を形成する工程を含む工程とする。
【００１１】
また第１層配線上に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜上に窒化膜を形成する工程と、前記窒化膜上に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜上にコンタクトホール形成のためのレジストマスクを形成する工程と、前記酸化膜を前記窒化膜が露出するまでエッチングする工程と、露出した前記窒化膜と前記反射防止膜を第１層配線が露出するまでエッチングして前記コンタクトホールを形成する工程と、前記レジストマスクをアッシングで除去する工程と、前記コンタクトホールを含む前記酸化膜上に第２層配線を形成する工程を含む工程とする。
【００１２】
前記の製造方法によると、層間絶縁膜である酸化膜をエッチングする時に窒化膜がエッチングストップレイヤー（エッチングを停止させる層のこと）として働くため、酸化膜のオーバーエッチングが生じても、反射防止膜や第１層アルミ配線がスパッタリングされることなく酸化膜をエッチングすることができる。そのため、前記のＡｌ、Ａｌ_XＦ_Y、Ｔｉ、Ｔｉ_xＦ_Yを含む有機系のポリマーがコンタクトホールの側壁に堆積することがない。またその後の窒化膜のエッチングでは前記の有機系のポリマーが形成されないため、結果としてコンタクトホールの側壁にはレジストマスクのアッシングで除去することができない前記の有機系のポリマーは堆積せず、コンタクトホールが塞がれることもない。そのため、コンタクトホールの内部を埋め尽くすように第２層アルミ配線を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１実施例の半導体装置の製造方法であり、同図（ａ）ないし同図（ｅ）は工程順に示した製造工程断面図である。
図１において、１は第１層アルミ配線、２は第１層アルミ配線形成時のレジストマスクを露光する際に第１層アルミ配線から反射を防ぐための反射防止膜、８は第１層アルミ配線上に形成したプラズマ窒化膜等のエッチングストップレイヤーとしての窒化膜、３は反射防止膜上に形成したプラズマ酸化膜等の層間絶縁膜、４は酸化膜にコンタクトホールを形成するためのレジストマスク、５はレジストマスクをマスクとして反応性イオンエッチングによって層間絶縁膜３をエッチングして形成したコンタクトホール、６は層間絶縁膜３にコンタクトホール５を形成した第２層アルミ配線である。
【００１８】
この発明の半導体装置の製造方法について説明する。
まずスパッタリングによって第１層アルミ配線１、および第１層アルミ配線１上にＴｉＮなどの反射防止膜２を形成する。その後リソグラフィー、反応性エッチングにより第１層アルミ配線１および反射防止膜２を形成する。その上にエッチングストップレイヤーとしてのプラズマ窒化膜を例えば１００ｎｍ形成し、その上にＥＣＲプラズマＣＶＤなどの高密度プラズマＣＶＤ法により酸化膜である層間絶縁膜３を例えば１μｍ形成し、第１層アルミ配線１の間をボイド無く埋め込む。下地の第１層アルミ配線１のパターンにより生じた層間絶縁膜３の段差をＣＭＰ法によりエッチングし、平坦化する。層間絶縁膜３上にコンタクトホール５を形成するためのレジストマスク４を形成する（同図（ａ））。その後、層間絶縁膜３である酸化膜を、窒化膜８と十分選択比のある反応性イオンエッチングにより、十分窒化膜８が露出するまでエッチングする（同図（ｂ））。この場合に、深さが深いコンタクトホールに合わせてエッチングするため、深さが浅いコンタクトホールではオーバーエッチングになるが、下層の窒化膜８がエッチングストップレイヤー（エッチング時の酸化膜に対する選択比が高いためにストップレイヤーとなる）として働くために、下地の反射防止膜２や第１アルミ配線１がスパッタリングされることは無い。そのため、従来技術で説明したようなレジストマスク４のアッシングで除去できないＡｌ、Ａｌ_XＦ_Y、Ｔｉ、Ｔｉ_xＦ_Yなどの物質を含む有機系のポリマー７ａは生成されず、アッシング（灰化）で除去できる有機系のポリマー７が生成され、コンタクトホールの側壁に堆積する。その後、窒化膜８を反応性エッチングにより除去してコンタクトホール５を形成する（同図（ｃ））。次に酸素プラズマを使用してレジストマスク４をアッシングする。このアッシングによりレジストマスクおよび有機系のポリマー７が除去される（同図（ｄ））。その後スパッタリングにより第２層アルミ配線６を形成する（同図（ｅ））。
【００１９】
この半導体装置の製造方法によると、窒化膜８をコンタクトホール形成のための反応性イオンエッチングのエッチングストップレイヤーとして用いることで、オーバーエッチング時の反射防止膜２や第１層アルミ配線１からのスパッタリングを防止できる。このように、反射防止膜２や第１層アルミ配線１をスパッタリングしないため、Ａｌ、Ａｌ_xＦ_Y、Ｔｉ、Ｔｉ_xＦ_Yなどの物質が有機系のポリマー７に取り込まれず、従って、レジストマスク４の除去のための酸素プラズマによるアッシングによって、有機系のポリマー７は完全に除去される。この有機系のポリマー７の完全除去により、第２層アルミ配線６をコンタクトホール５の内部にまで渡って形成でき、第１層アルミ配線１と第２層アルミ配線６間のコンタクトを安定にすることができる。
【００２０】
尚、窒化膜８の代わりに、層間絶縁膜３である酸化膜に対して十分な選択比が得られる膜であれば、アモルファスシリコンなどの膜であっても同様の効果が得られるのは言うまでもない。また、コンタクトホール５は第１層アルミ配線１と第２層アルミ配線６とを接続するビアコンタクトホール（ＶｉａＣｏｎｔａｃｔＨｏｌｅ）のことである。
【００２１】
図２はこの発明の第２実施例の半導体装置の製造方法であり、同図（ａ）ないし同図（ｅ）は工程順に示した製造工程断面図である。図２は、図１（ａ）、図１（ｂ）は同一工程であり、異なる点は、図１（ｂ）の後に、窒化膜８ばかりでなく反射防止膜２にもコンタクトホール５を開ける工程を付加した点であり（同図（ｃ））、その後、酸素プラズマを使用してレジストマスク４をアッシングし、除去し（同図（ｄ））、つぎに、第２アルミ配線６を形成する（同図（ｅ））。こうすることで、第２アルミ配線６が第１アルミ配線と直接接続し、図１よりも接続抵抗が小さくなる。尚、反射防止膜２へのコンタクトホール５の形成は平行平板型の反応性イオンエッチングにより行われる。エッチング条件は例えばＣｌ₂を２００ｓｃｃｍ導入し、２５０ｍＴに保ち、下部電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を５００Ｗ印加する。また第２層アルミ配線６はスパッタリングで形成される。
【００２２】
図３はこの発明の参考例の半導体装置であり、同図（ａ）は第１層アルミ配線の要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した半導体装置の要部断面図である。図３において、５１はシリコン基板、５２は第１酸化膜、５３は第１層アルミ配線、５４は反射防止膜、５５は第２酸化膜、５６はＳＯＧ膜、５７は第３酸化膜、５９はコンタクトホール、６０は第２層アルミ配線である。この半導体装置の製造方法は従来の製造方法である図５とほぼ同じであり、異なる点は第１層アルミ配線の線幅の広い第１層アルミ配線５３ａが櫛の歯７０の形状をしている点である。図３では、第１層アルミ配線５３と第２層アルミ配線６０とが反射防止膜５４を介して接続しているが、反射防止膜５４にもコンタクトホールを開けて直接接続するようにしても勿論よい。
【００２３】
この図３についてさらに詳細に説明する。但し、説明では反射防止膜５４を省略している。
第１層アルミ配線５３は幅の広い第１層アルミ配線５３ａと幅の狭い第１層アルミ配線５３ｂで構成されている。幅の広い第１層アルミ配線５３ａとコンタクトホール５９で接続される箇所を櫛の歯７０にして、その櫛の歯の線幅Ｗと狭い第１層アルミ配線５３ｂの線幅Ｄとを後述する所定の幅とすることで、コンタクトホール５９を形成する箇所の層間絶縁膜（第２酸化膜５５と第３酸化膜５７で構成される）の膜厚を同一にできる。層間絶縁膜の膜厚がコンタクトホール５９を形成する箇所で均一となるため、層間絶縁膜の膜厚が異なる場合のように除去できない有機系のポリマー７ａ（図５（ｃ））は形成されない。そのため安定なコンタクトが得られる。また、第１層アルミ配線５３ａの櫛の歯部７０の線幅Ｗおよび第１層アルミ配線５３ｂの線幅Ｄは０．５μｍ以上で１０μｍ以下がよい。これは、線幅が０．５μｍより狭いと第１層アルミ配線と第２層アルミ配線のコンタクト部が小さくなり過ぎてコンタクトが不十分となる。また１０μｍより広いと、面積効果によりＳＯＧ膜の膜厚にばらつきができて、除去できない有機系ポリマー７ａがコンタクトホール５９の側壁に形成される場合も生ずる。また、ＳＯＧ膜５６の代わりにオゾンＴＥＯＳ酸化膜を利用しても同様の効果が得られる。このオゾンＴＥＯＳ酸化膜はＳＯＧ膜のように流動性があり同様の製造法で酸化膜を形成でき、また効果も同じように期待できる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明によると、エッチングストップレイヤーとしての窒化膜を反射防止膜上に被覆することによって、反射防止膜や第１層アルミ配線をスパッタリングせずに層間絶縁膜である酸化膜のみをエッチングしてコンタクトホールが形成されるので、レジストマスクのアッシングで除去できない有機系のポリマー、即ち、エッチングガスと反射防止膜、第１層アルミ配線とが反応してできる物質を含む有機系のポリマーは、コンタクトホールの側壁に堆積しない。そのため、レジストマスクのアッシング後、コンタクトホールが塞がれることはなく、コンタクトホールの内部に渡って第２層アルミ配線を形成することができ、第１層アルミ配線と第２層アルミ配線の間のコンタクトを安定化させることができる。特に、コンタクトホールが複数個ありそれぞれ深さが異なる場合、浅いコンタクトホールがオーバーエッチングになるが、その場合でも、エッチングガスと反射防止膜、第１層アルミ配線とが反応してできる物質を含む有機系のポリマーはコンタクトホールの側壁に堆積せず、安定なコンタクトが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例で、半導体装置の製造方法について説明した製造工程断面図
【図２】この発明の第２実施例で、半導体装置の製造方法について説明した製造工程断面図
【図３】この発明の参考例の半導体装置であり、（ａ）は第１層アルミ配線の要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した半導体装置の要部断面図
【図４】従来の半導体装置の製造方法について説明した製造工程断面図
【図５】従来の半導体装置の製造方法で、幅が異なる第１層アルミ配線がある場合を示し、（ａ）ないし（ｄ）は工程順に示したその製造工程断面図
【符号の説明】
１第１層アルミ配線
２反射防止膜
３層間絶縁膜（酸化膜）
４レジストマスク
５コンタクトホール
６第２層アルミ配線
７有機系のポリマー
７ａ有機系のポリマー
８窒化膜
５１シリコン基板
５２第１酸化膜
５３第１層アルミ配線
５３ａ線幅の広い第１層アルミ配線
５３ｂ線幅の狭い第１層アルミ配線
５４反射防止膜
５５第２酸化膜
５６ＳＯＧ膜
５７第３酸化膜
５８レジストマスク
５９コンタクトホール
６０第２層アルミ配線
７０櫛の歯
Ｗ線幅
Ｄ線幅

Claims

第１層配線上に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜上に窒化膜を形成する工程と、前記窒化膜上に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜上にコンタクトホール形成のためのレジストマスクを形成する工程と、前記酸化膜を前記窒化膜が露出するまでエッチングする工程と、前記窒化膜をエッチングして前記コンタクトホールを形成する工程と、前記レジストマスクをアッシングで除去する工程と、前記コンタクトホールを含む前記酸化膜上に第２層配線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。
第１層配線上に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜上に窒化膜を形成する工程と、前記窒化膜上に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜上にコンタクトホール形成のためのレジストマスクを形成する工程と、前記酸化膜を前記窒化膜が露出するまでエッチングする工程と、露出した前記窒化膜と前記反射防止膜を第１層配線が露出するまでエッチングして前記コンタクトホールを形成する工程と、前記レジストマスクをアッシングで除去する工程と、前記コンタクトホールを含む前記酸化膜上に第２層配線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。