JP4393175B2 - 半導体素子の金属配線層形成方法 - Google Patents

半導体素子の金属配線層形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体素子の金属層形成方法に係り、より具体的には、金属配線を蒸着し、その後ハードマスクとして絶縁膜を蒸着し、次いで金属配線層をパターニングすることで金属配線層を確実に形成する方法に関する。
以下、図１ａないし図１ｂを参照して半導体素子の金属配線層形成方法を詳細に説明する。
図１ａを参照すると、下部酸化膜(図示せず)上に金属配線層１１０を蒸着する。この際、金属配線層１１０は多層構造とすることができる。次に、感光物質１２０を塗布して所望の部位をオープンする。
図１ｂを参照すると、パターニングされた感光物質１２０をマスクとして金属配線層１１０をドライエッチングする。しかし、金属配線層１１０をドライエッチングする過程で金属配線層１１０上部の感光物質１２０が堅くなり、金属ポリマー１３０が生成されることがある。実際工程では感光物質１２０を完全に除去する前には区分することができないが、感光物質１２０の除去後に金属ポリマー１３０が完全に除去されずに金属配線層１１０の上部に残っている場合が多い。また、金属配線層をドライエッチングした後、露出する下部酸化膜１４０の上部には金属残留物１３２が生成され、金属配線層１１０のブリッジを誘発する可能性がある。
また、金属配線層１１０のパターニング時、感光物質１２０との選択比が十分とれないので、金属配線層１１０のドライエッチングを行う際、感光物質のダメージが著しく大きく、金属配線層１１０上部がアタック(attack)されて、パターンが不良になる恐れがある。特に、金属配線層１１０がＴｉ／ＴｉＮ系を有する多層金属層である場合は、さらに深刻な問題点となる。
したがって、金属配線層の形成工程で、安全性を確保するための対策が切実に求められている。
本発明は、かかる従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、半導体素子の金属配線層形成工程で安定した工程条件を確保した半導体素子の金属配線層形成方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、半導体構造物上に金属配線層を蒸着する段階と、前記金属配線層上に絶縁膜及び感光物質を順次形成する段階と、前記感光物質及び前記絶縁膜をマスクとしたドライエッチングにより前記金属配線層をパターニングする段階と、前記感光物質を除去する段階と、前記絶縁膜を等方性エッチングして、金属ポリマー及び金属残留物を除去する段階とを順次含むことを特徴とする半導体素子の金属配線層形成方法を提供する。
金属配線層はＴｉ／ＴｉＮ層とＡｌ層で構成された多層構造とし、または好ましくは第１Ｔｉ／ＴｉＮ層、Ａｌ層及び第２Ｔｉ／ＴｉＮ層が順次積層された構造とする。
好ましくは、絶縁膜は窒化膜で形成し、半導体構造物の最上層は酸化膜で形成する。
一方、絶縁膜と感光物質の形成の間に、前記感光物質のパターニング時に光の乱反射を防止するためにＢａｒｃ層を形成する段階をさらに含むことができる。
Ｂａｒｃ層及び前記絶縁膜はＣＨＦ３／ＣＦ４／Ａｒガスを含む活性化プラズマを用いて単一ステップでエッチングするか、或いはＣｘＦy(ｘ、yは自然数)／Ｏ２／Ａｒガスを含む活性化プラズマを用いて単一ステップでエッチングすることができる。また、この代わりに、Ｂａｒｃ層はＯ２／Ｎ２／Ａｒガスを含む活性化プラズマを用いてドライエッチングし、前記絶縁膜はＣＨＦ３／ＣＦ４／ＡｒガスまたはＣｘＦy(ｘ、yは自然数)／Ｏ２／Ａｒガスを含む活性化プラズマを用いてドライエッチングすることもできる。
好ましくは、絶縁膜をエッチングする段階は、Ｏ２／ＣＦ４ガスを用いてダウンフロー(Down flow)方式で行う。
また、絶縁膜をエッチングする段階の後、残っている金属ポリマー及び／または金属残留物を除去するために洗浄工程を行う段階をさらに含むことも可能である。
金属配線の高さ(すなわち、酸化膜のダメージ部分から金属配線層の厚さを測定する時)高ければ、後続工程の金属配線工程である層間絶縁膜(図示せず)を蒸着する工程で層間絶縁膜がよく充填されないためボイドが発生することがある。しかしながら、本発明によれば、ハードマスクの窒化膜を用いて金属配線層のドライエッチングを行い、感光物質との選択比を充分に確保できない問題を解決し、また、その後に窒化膜を除去して、金属配線層の高さを低くすることができるのみならず金属ポリマー及び金属残留物なども除去することができる。
金属配線層形成後に窒化膜除去工程により金属ポリマー及び金属残留物が完全に除去されると、ブリッジ現象を誘発するソースがなくなり、半導体素子の信頼性が大幅に向上するという效果がある。
以下、本発明の一実施形態に係る金属配線層形成方法を詳細に説明する。しかし、本発明は下記実施形態に限定されるものではなく、他の様々な形態に実現することができる。本実施形態は、本発明の開示を完全なものにし、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものに過ぎない。
以下、図２ａないし図２ｄを参照して本発明の好適な実施例に係る半導体素子の金属配線層形成方法を詳細に説明する。
図２ａを参照すると、最上層に下部酸化膜が形成された半導体構造物(図示せず)上に金属配線層２１０を形成する。ここで、「半導体構造物」とは、半導体基板上に半導体工程に用いられる各種絶縁膜、導電膜などをパターニングして製造した構造物のことである。半導体構造物の内部にコンタクトプラグなどの形成が可能なのは勿論である。金属配線層２１０は第１Ｔｉ／ＴｉＮ層２１０ａ、Ａｌ層２１０ｂ及び第２Ｔｉ／ＴｉＮ層２１０ｃを含んで構成することができる。第１Ｔｉ／ＴｉＮ膜２１０ａのＴｉ層は接着力を強化し、ＴｉＮ層は拡散防止膜の役割を果たす。Ａｌ層は２１０ｂは抵抗が低いから主に電気的信号を伝える役割を行い、第２Ｔｉ／ＴｉＮ膜２１０ａのＴｉ層は接着力を強化し、ＴｉＮ層は感光物質のパターニング時に光を吸収して光の反射を減らす役割を果たす。下部酸化膜はＩＭＤ(Inter Metal Dielectric)またはＰＭＤ(Pre Metal Dielectric)など別に限定されず多様な種類が選択可能である。
図２ｂを参照すると、全体構造上に窒化膜２１６を蒸着する。一方、窒化膜２１６の上部にはさらにＢａｒｃ層(Bottom Anti Reflect Coating)２１８を蒸着することで、感光物質２２０のパターニング時に光の反射を減らして感光物質をさらに正確にパターニングすることができる。図２ｂには窒化膜２１６上部にＢａｒｃ層２１８が蒸着された状態が示されている。図２ｃを参照すると、所定部位にパターニングされた感光物質２２０をマスクとしてＢａｒｃ層２１８及び窒化膜２１６をエッチングする。Ｂａｒｃ層２１８及び窒化膜２１６のエッチングは単一ステップでドライエッチングで行うことができる。Ｂａｒｃ層２１８のドライエッチングの際、ＣＨＦ３／ＣＦ４／Ａｒなどで活性化されたプラズマを用いて全エッチング工程を行う。他の方法として、ＣｘＦｙ(ｘ、ｙは自然数)／Ｏ２／Ａｒなどのガスを用いることができる。また、Ｂａｒｃ層２１８は、Ｏ２／Ｎ２／Ａｒなどで活性化されたプラズマを用いてドライエッチングを行うこともできる。ＣＨＦ３／ＣＦ４ガスを用いてＢａｒｃ層２１８をドライエッチングする時は十分なオーバーエッチングが可能であるので、単一ステップで行ってもＢａｒｃ層２１８下部のマスクである窒化膜２１６まで十分エッチングされる。しかし、Ｏ２／Ｎ２／Ａｒなどで活性化されたプラズマを用いてドライエッチングする時は、Ｂａｒｃ層２１８下部のマスクである窒化膜２１６まで十分エッチングされないため、別に窒化膜２１６をエッチングする工程をさらに行うことが好ましい。
図２ｄを参照すると、感光物質２２０、Ｂａｒｃ層２１８及び窒化膜２１６をマスクとして金属配線層２１０をエッチングする。Ｃｌ２／ＢＣＬ３／Ｎ２ガスの組み合わせで構成された活性化プラズマで金属配線層２１０をパターニングすることができる。この場合、金属配線層２１０をドライエッチングする過程で金属配線層２１０上部の感光物質２２０が固くなり、金属ポリマー２３０が生成される。感光物質２２０を除去する前には区分することができないが、感光物質２２０の除去時に金属ポリマー２３０が完全に除去されずに金属配線層２１０上部に残ることになる。一方、Ｂａｒｃ層２１８も感光物質２２０の除去時にともに除去されることができる。また、金属配線層２１０のドライエッチング後に、露出した下部酸化膜２４０上部に金属残留物２３２が発生して金属ブリッジを誘発するおそれがある。よって、金属配線層２１０をパターニングした後、洗浄工程を行う前に金属ポリマー２３０及び金属残留物２３２を除去する工程をさらに行う。
以下、本発明の実施例に係る金属配線層形成方法において、金属ポリマー及び金属残留物を除去する過程を、添付図を参照して説明する。
図３は図２ｄの金属配線層２１０を拡大した図面であって、金属ポリマー２３０を除去する過程を説明するための図である。Ｏ２／ＣＦ４ガスを用いてダウンフロー(Down Flow)方式でハードマスクの窒化膜２１６をエッチングする。ダウンフロー方式はプラズマ方式とは異なり、等方性を示しながらエッチングを行うため、窒化膜２１６がオーバーエッチングされる。図３にはオーバーエッチングされた窒化膜２１６が示されている。よって、このような方式により窒化膜２１６を完全に除去すると、窒化膜２１６上部に残っている金属ポリマー２３０が除去される。しかし、場合によっては金属ポリマー２３０の一部が残ってしまうおそれがあるので、完全に除去するために洗浄工程をさらに行うことができる。洗浄工程としては脱イオン水を用いた洗浄、ＬＣＴ９３５，９２８（アッシュランド社のモデル）などを用いた洗浄などが可能である。図４は図２ｄの酸化膜２４０部分を拡大した図面であって、金属残留物２３２を除去する過程を説明するための図である。
同図はダウンフロー方式で窒化膜を除去する時、酸化膜２４０上部の金属残留物２３２が除去される状態を示す図であって、同図に示すように、酸化膜２４０の選択比が１２：１と十分で、金属配線層上部の窒化膜２１６の除去時に酸化膜２４０のエッチング量は相対的に少ない。しかし、たとえエッチング速度は遅くても等方性エッチングが行われるので、金属残留物２３２の下部にエッチングが進行して、酸化膜２４０のダメージを減らしながら金属残留物２３２を除去することができる。
以上説明した本発明の技術的思想は、好適な実施例で具体的に記述されたが、上記実施例はその説明のためのもので、その限定のためのものではないことに注意しなければならない。本発明は、本発明の技術分野の通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想の範囲内で多様な実施が可能なことが理解されるであろう。
従来技術に係る半導体素子の金属配線層形成方法を説明するための図である。 本発明の好適な実施例に係る半導体素子の金属配線層形成方法を説明するための図である。 本発明の実施例に係る金属配線層形成方法において、金属ポリマー及び金属残留物を除去する過程を説明するための図である。 本発明の実施例に係る金属配線層形成方法において、金属ポリマー及び金属残留物を除去する過程を説明するための図である。
１１０、２１０ 金属配線層
１２０、２２０ 感光物質
１３０、２３０ 金属ポリマー
１３２、２３２ 金属残留物
１４０、２４０ 酸化膜
２１６ 窒化膜
２１８ Ｂａｒｃ層

Claims (11)

  1. 半導体構造物上に金属配線層を蒸着する段階と、
    前記金属配線層上に絶縁膜及び感光物質を順次形成する段階と、
    前記感光物質及び前記絶縁膜をマスクとしたドライエッチングにより前記金属配線層をパターニングする段階と、
    前記感光物質を除去する段階と、前記絶縁膜を等方性エッチングして、金属ポリマー及び金属残留物を除去する段階とを順次含むことを特徴とする半導体素子の金属配線層形成方法。
  2. 前記金属配線層はＴｉ／ＴｉＮ層とＡｌ層で構成された多層構造であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  3. 前記絶縁膜が窒化膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  4. 前記金属配線層は第１Ｔｉ／ＴｉＮ層、Ａｌ層及び第２Ｔｉ／ＴｉＮ層が順次積層されていることを特徴とする請求項２記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  5. 前記半導体構造物の最上層が酸化膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  6. 前記絶縁膜と前記感光物質の形成の間に、前記感光物質のパターニング時に光の乱反射を防止するためにＢａｒｃ層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  7. Ｂａｒｃ層及び前記絶縁膜はＣＨＦ３／ＣＦ４／Ａｒガスを含む活性化プラズマを用いて単一ステップでエッチングすることを特徴とする請求項６記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  8. 前記Ｂａｒｃ層及び前記絶縁膜はＣｘＦy(ｘ、yは自然数)／Ｏ２／Ａｒガスを含む活性化プラズマを用いて単一ステップでエッチングすることを特徴とする請求項６記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  9. 前記Ｂａｒｃ層はＯ２／Ｎ２／Ａｒガスを含む活性化プラズマを用いてドライエッチングし、前記絶縁膜はＣＨＦ３／ＣＦ４／ＡｒガスまたはＣｘＦｙ(ｘ、ｙは自然数)／Ｏ２／Ａｒガスを含む活性化プラズマを用いてドライエッチングすることを特徴とする請求項６記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  10. 前記絶縁膜をエッチングする段階はＯ２／ＣＦ４ガスを用いてダウンフロー(Down flow)方式を利用することを特徴とする請求項３記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
  11. 前記絶縁膜をエッチングする段階の後、残っている金属ポリマー及び／または金属残留物を除去するために洗浄工程を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の半導体素子の金属配線層形成方法。
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