JP4598306B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層配線を有する集積回路からなる半導体装置の製造方法に関し、多層配線の相互接続を行う際の上層配線側のフォトリソグラフィ工程におけるパターン精度向上に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、多層金属配線を有する集積回路からなる半導体装置の製造方法においては、配線の集積度を高めるために、フォトリソグラフィ工程でフォトマスクとウェハ上のパターンを高精度で位置合わせすることが重要な要素の一つとなっている。
【0003】
金属配線を有する半導体装置の製造方法を、図7、8を用いて説明する。
【0004】
まず、半導体基板101上に配線の下地となる下地絶縁膜102を形成し、さらに下地絶縁膜102上に第1のアルミニウム配線103を形成する。
【0005】
次に、CVD法を用いて第1のアルミニウム配線103よりも厚く層間絶縁膜4を堆積させ、CMP法を用いてその表面を平坦化する((図7(a))。
【0006】
次に、フォトリソグラフィ法および異方性のドライエッチング法を用いて、第1のアルミニウム配線103の上の層間絶縁膜104の一部を開口してビアホール106を形成し、続いて、CVD法およびCMP法を用いて、ビアホール106をタングステンプラグ107で埋設する(図7(b))。このとき、タングステンプラグ107の製造条件にもよるが、通常、タングステンプラグ107と層間絶縁膜104とで形成される表面には50nm以下の小さな段差が生じる。
【0007】
次に、スパッタ法を用いてアルミニウム108を成膜した後、フォトレジスト109をアルミニウム108の上の全面に塗布する。
【0008】
次に、タングステンプラグ107と層間絶縁膜104の段差によって生じたアルミニウム108の段差を利用して、露光装置を用いた画像認識法によりタングステンプラグ107の検出波形110を得ることにより、タングステンプラグ107の位置を検出する(図8(a))。このとき検出波形のノイズとなるアルミニウム108のグレイン境界検出波形は111のようになる。
【0009】
次に、検出したタングステンプラグ107の位置に合わせて石英板112及びクロムパターン113からなるフォトマスク114を露光装置にセットして、フォトマスク114を通して光115をフォトレジスト109に向けて照射し、フォトレジスト109を露光する(図8(b))。
【0010】
次に、フォトレジスト109を現像してパターニングする(図9(a))。
【0011】
最後に、パターニングしたフォトレジスト109をマスクにしてドライエッチングを用いて、アルミニウム108をパターニングした後、フォトレジスト109を除去して第2のアルミニウム配線116が完成する(図9(b))。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上述した半導体装置の製造方法において、クロムパターン113がタングステンプラグ107を所定のマージンをもって完全に包含する形状にレイアウトされているとしても、図8(a)の段階においては、タングステンプラグ107の検出波形が、検出波形のノイズとなるアルミニウム108のグレイン境界検出波形は111と同じレベルの大きさとなる場合が生じやすく、ノイズの方を検出してしまったときにフォトマスク114のタングステンプラグ107に対する位置精度を悪化させる。この現象が生じると、第2のアルミニウム配線116は、図9(b)のように形成され、第2のアルミニウム配線116とタングステンプラグ107との接触面積が減少し、接触抵抗の増大を招く。
【0013】
本発明の目的は、多層金属配線を有する集積回路からなる半導体装置の製造方法において、ビアホールに埋設されるビアプラグとその上で接する配線との位置合わせ精度を向上させ、結果として配線とビアプラグとの接触抵抗を安定して低くする半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された下地絶縁膜上に第1の配線を形成する工程と、前記下地絶縁膜上に前記第1の配線を覆うべく層間絶縁膜を前記第1の配線よりも厚く形成する工程と、前記第1の配線の上の層間絶縁膜をその表面から研磨して前記層間絶縁膜の表面を平坦にし、前記層間絶縁膜を第1の平坦化膜とする工程と、前記第1の配線の上の第1の平坦化膜を開口して前記第1の配線の上に前記第1の配線の表面内に包含される形状の開口部を形成する工程と、前記開口部に第1の金属膜を埋め込む工程と、前記第1の金属膜が前記第1の平坦化膜表面よりも突出すべく前記第1の平坦化膜をその表面から一部除去して前記第1の平坦化膜表面の高さを低くして前記第1の平坦化膜を第2の平坦化膜とする工程と、前記第2の平坦化膜上に第2の金属膜を堆積させて前記第1の金属膜を覆う第2の金属膜に前記第1の金属膜の前記第2の平坦化膜表面からの突出部の高さに相当する段差を形成する工程と、前記第2の金属膜の上方を覆うレジスト膜を塗布する工程と、前記レジスト膜に光を当てて前記レジスト膜下の前記段差による反射光を検出して前記段差の平面的な位置を検出する工程と、前記位置を基準として前記レジスト膜に上方のフォトマスクの位置を決定し、前記フォトマスクを通して前記レジスト膜を露光、現像し、前記第1の金属膜の突出部の上方にレジストマスクを形成する工程と、前記レジストマスクをマスクとして少なくとも前記レジストマスク直下の材料膜のエッチングを通して前記第2の金属膜をエッチング除去し、前記第1の金属膜と接続する第2の金属膜からなる第2の配線を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、前記レジストマスクは、前記第1の金属膜の突出部を包含する形状に形成され、前記第2の平坦化膜上に第2の金属膜を堆積させて前記第1の金属膜を覆う第2の金属膜に前記第1の金属膜の前記第2の平坦化膜表面からの突出部の段差を形成する工程と、前記第2の金属膜の上方を覆うレジスト膜を塗布する工程との間に、前記第2の金属膜の上を覆うマスク絶縁膜を堆積させる工程が挿入され、前記第2の配線は、前記マスク絶縁膜を前記レジストマスクをマスクとしてエッチング除去し、前記レジストマスクを除去した後に、前記マスク絶縁膜をマスクとして前記第2の金属膜をエッチング除去することにより形成されることを特徴とする。
【0015】
上記半導体装置の製造方法は、種々の適用形態を有している。
【0016】
まず、前記半導体基板は内部回路領域及び内部回路領域周辺に形成されたアライメント領域を備え、前記第1の金属膜の突出部が前記アライメント領域に形成される。
【0017】
次に、前記層間絶縁膜を形成する工程において、前記層間絶縁膜は複数の絶縁膜が積層されて形成され、前記第1の平坦化膜をその表面から一部除去して前記第1の平坦化膜表面の高さを低くして前記第1の平坦化膜を第2の平坦化膜とする工程において、前記第2の平坦化膜が、前記第1の平坦化膜を構成する前記複数の絶縁膜のうち最上層の絶縁膜を除去することにより形成される、或いは、前記層間絶縁膜は単層の絶縁膜を堆積することにより形成される。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施形態について図1〜3を参照して説明する。図1は、本実施形態の特徴を最も良く表した半導体装置の製造方法の途中工程の断面図であり、図2、3は、その製造方法全体を製造工程順に示す断面図である。
【0020】
図1に示すように、本実施形態では層間絶縁膜4に設けられたビアホール6にタングステンプラグ7を埋設するが、このときタングステンプラグ7と層間絶縁膜4により生じる段差により、その上に形成されるアルミニウム8に明確な段差を生じさせる。
【0021】
第2のアルミニウム配線16形成のためのフォトレジスト工程におけるフォトマスクの位置合わせ時の位置検出波形は、アルミニウム8上にフォトレジスト9を塗布した後に、フォトレジスト9の上から位置検出光をアルミニウム8に向けて当て、その反射波を検出することにより得られる。
【0022】
従って、タングステンプラグ7と層間絶縁膜4の構造を上記のような構造とすることにより、アルミニウム8の段差を検出する検出波形とアルミニウム8のグレイン境界を検出する検出波形との間の強弱の差を大きくすることができ、タングステンプラグ7の位置を正確に認識することが可能となる。
【0023】
次に、図1の半導体装置を形成する製造方法について、図2〜4を参照して説明する。
【0024】
まず、半導体基板1上に配線の下地となる下地絶縁膜2を形成する。ここでは簡略化のために下地絶縁膜2としているが、多層配線の場合は本発明が着目している配線よりも下層に位置する配線を覆う層間絶縁膜を指すこととなる。引き続き、下地絶縁膜2上に第1のアルミニウム配線3を形成する(図2(a))。
【0025】
次に、CVD法を用いて第1のアルミニウム配線3よりも厚く層間絶縁膜4を堆積させ、CMP法を用いてその表面を平坦化した後、その上に絶縁膜5を形成する(図2(b))。
【0026】
次に、フォトリソグラフィ法および異方性のドライエッチング法を用いて、第1のアルミニウム配線3の上の層間絶縁膜4および絶縁膜5の一部を開口してビアホール6を形成する(図2(c))。
【0027】
次に、CVD法およびCMP法を用いて、ビアホール6をタングステンプラグ7で埋設する(図3(a))。
【0028】
次に、ドライエッチング法を用いて、絶縁膜5を除去してタングステンプラグ7の表面を層間絶縁膜4の表面から突出させ、タングステンプラグ7と層間絶縁膜4とで100〜200nmの段差を形成する(図3(b))。本実施形態では層間絶縁膜の上に絶縁膜を堆積させる構造を用いたが、単純に層間絶縁膜を第1のアルミニウム配線よりも十分に厚く堆積させて、CMP法を用いてその表面を平坦化し、ビアホール及びタングステンプラグを形成した後、層間絶縁膜を表面から一定の厚さだけエッチング除去する方法を採用しても良い。
【0029】
次に、スパッタ法を用いてアルミニウム8を400〜600nmの膜厚に成膜した後、フォトレジスト9をアルミニウム8の上の全面に塗布する。本実施形態では簡略化のためにタングステンプラグ7を覆う金属膜を単純に400〜600nm厚のアルミニウム8としているが、実際の金属膜はアルミニウム8の上下の少なくとも下層に膜厚が100nm程度のバリア膜を有する構造となっており、金属膜全体の膜厚としては500〜700nmとなる。
【0030】
次に、タングステンプラグ7と層間絶縁膜4の段差によって生じたアルミニウム8の段差を利用して、露光装置を用いた画像認識法によりビアホール6の検出波形10を得ることにより、ビアホール6の位置を検出する(図3(c))。このとき検出波形のノイズとなるアルミニウム8のグレイン境界検出波形は11のようになる。
【0031】
次に、検出したビアホール6の位置に合わせて石英板12及びクロムパターン13からなるフォトマスク14を露光装置にセットして、フォトマスク14を通して光15をフォトレジスト9に向けて照射し、フォトレジスト9を露光する(図4(a))。このとき、クロムパターン13はタングステンプラグ7を所定のマージンをもって完全に包含する形状にレイアウトされており、フォトマスク14を上述のようにタングステンプラグ7に対して高精度な位置合わせすることにより、クロムパターン13を設計値通りのマージンを確保しつつフォトレジスト9に転写することができる。
【0032】
次に、フォトレジスト9を現像してパターニングする(図4(b))。
【0033】
最後に、パターニングしたフォトレジスト9をマスクにしてドライエッチングを用いて、アルミニウム8をパターニングした後、フォトレジスト9を除去して第2のアルミニウム配線16が完成する(図4(c))。
【0034】
以上により、ビアホール6に埋設されるタングステンプラグ7により、アルミニウム8に明確な段差が形成されるので、画像認識の際に、アルミニウム8の段差とアルミニウム8のグレインの検出波形差が大きくなり、両者を明確に識別できる。従って、タングステンプラグ7の位置を正確に認識でき、アルミニウム8をパターンニグするフォトリソグラフィ工程において、フォトマスク14とタングステンプラグ7の位置を非常に精度良く合わせすることが可能となるので、高い集積度の配線を形成することができる。また、このフォトリソグラフィ工程を経て得られたフォトレジストパターンをマスクとしてアルミニウム8をパターニングすると、第2のアルミニウム配線16が所定のマージンをもってタングステンプラグ7を包含する形状に形成されるので、タングステンプラグ7とアルミニウム配線16との間の接続抵抗値を低く安定に得ることができ、製造歩留まりも向上して製造コスト低減を実現できることとなる。
【0035】
図5〜7は本発明の第2の実施形態の主要工程順の断面図である。本実施形態の製造工程の前半は、第1の実施形態の図2(a)〜図3(b)までと同じであるので、図示は省略する。本実施形態は、第2のアルミニウム配線の膜厚を第1の実施形態よりも厚くして配線抵抗を下げる場合に適用される製造方法である。
【0036】
図3(b)の後、スパッタ法を用いてアルミニウム28を700〜900nmの膜厚に成膜し、更にCVD法を用いて酸化膜からなる配線保護絶縁膜17を200〜400nmの厚さに堆積させた後、フォトレジスト9を配線保護絶縁膜17上の全面に塗布する(図5(a))。配線保護絶縁膜17を200〜400nmと厚く堆積させるのは、後の工程でその下の厚いアルミニウム28をエッチングする際のエッチングマスクとするためである。
【0037】
次に、タングステンプラグ7と層間絶縁膜4の段差によって生じたアルミニウム28の段差を利用して、露光装置を用いた画像認識法によりビアホール6の検出波形30を得ることにより、ビアホール6の位置を検出する(図5(b))。このとき検出波形のノイズとなるアルミニウム28のグレイン境界検出波形は、アルミニウム28の上の配線保護絶縁膜17により、第1の実施形態よりもやや大きく、31のようになる。
【0038】
次に、検出したビアホール6の位置に合わせて石英板12及びクロムパターン13からなるフォトマスク14を露光装置にセットして、フォトマスク14を通して光15をフォトレジスト9に向けて照射し、フォトレジスト9を露光する(図6(a))。このとき、フォトマスク14はタングステンプラグ7に対して高精度に位置合わせされるため、クロムパターン13を設計値通りのマージンを確保しつつフォトレジスト9に転写することができる。
【0039】
次に、フォトレジスト9を現像してパターニングし、さらにパターニングされたフォトレジスト9をマスクとして配線保護絶縁膜17をエッチングする(図6(b))。
【0040】
最後に、フォトレジスト9を除去後、パターニングされた配線保護絶縁膜17をマスクにしてドライエッチングを用いて、アルミニウム28をパターニングして第2のアルミニウム配線36が完成する(図6(c))。
【0041】
本実施形態においては、第1の実施形態に比べてアルミニウム28の膜厚が厚く、しかもその上を第1の実施形態では形成されなかった絶縁膜が覆う構成になっている。従って、画像認識の際に、絶縁膜のレンズ効果により第1の実施形態よりもアルミニウムのグレイン境界が強調されることになる。このような状況においてもビアホール6に埋設されるタングステンプラグ7により、アルミニウム28に明確な段差が形成されるので、画像認識の際に、アルミニウム28の段差とアルミニウム28のグレインの検出波形差を大きくすることができ、両者の波形を明確に識別でき、第1の実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【0042】
また、上述したタングステンプラグの層間絶縁膜表面からの突出パターンは、少なくとも半導体装置のチップ周辺に設けられるフォトリソグラフィ工程におけるアライメントパターンとして形成されていればよい。
【0043】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の半導体装置の製造方法は、層間絶縁膜のビアホールに埋め込まれるべく形成されたタングステンプラグを層間絶縁膜表面から突出させることにより、タングステンプラグを覆うアルミニウムに明確な段差が形成されるので、画像認識の際に、アルミニウムの段差とアルミニウムのグレインの検出波形差が大きくすることができ、両者の波形を明確に識別できる。従って、タングステンプラグの位置を正確に認識でき、アルミニウムをパターンニグするフォトリソグラフィ工程において、フォトマスクとタングステンプラグの位置を非常に精度良く合わせすることが可能となるので、高い集積度のアルミニウム配線を形成することができる。また、このフォトリソグラフィ工程を経て得られたフォトレジストパターンをマスクとしてアルミニウムをパターニングすると、アルミニウム配線が所定のマージンをもってタングステンプラグを包含する形状に形成されるので、タングステンプラグとアルミニウム配線との間の接続抵抗値を低く安定に得ることができ、製造歩留まりも向上して製造コスト低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の特徴を表す製造工程断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態を製造工程順に示す断面図である。
【図3】図2に続く製造工程を示す断面図である。
【図4】図3に続く製造工程を示す断面図である。
【図5】本発明の第2の実施形態を製造工程順に示す断面図である。
【図6】図5に続く製造工程を示す断面図である。
【図7】図6に続く製造工程を示す断面図である。
【図8】従来例の製造工程を示す断面図である。
【図9】図8に続く製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
1、101 半導体基板
2、102 下地絶縁膜
3、103 第1のアルミニウム配線
4、104 層間絶縁膜
5、105 絶縁膜
6、106 ビアホール
7、107 タングステンプラグ
8、28、108 アルミニウム
9、109 フォトレジスト
10、11、30、31、110、111 検出波形
12、112 石英板
13、113 クロムパターン
14、114 フォトマスク
15、115 光
16、36、116 第2のアルミニウム配線
17 配線保護絶縁膜
Claims (5)
- 半導体基板上に形成された下地絶縁膜上に第1の配線を形成する工程と、前記下地絶縁膜上に前記第1の配線を覆うべく層間絶縁膜を前記第1の配線よりも厚く形成する工程と、前記第1の配線の上の層間絶縁膜をその表面から研磨して前記層間絶縁膜の表面を平坦にし、前記層間絶縁膜を第1の平坦化膜とする工程と、前記第1の配線の上の第1の平坦化膜を開口して前記第1の配線の上に前記第1の配線の表面内に包含される形状の開口部を形成する工程と、前記開口部に第1の金属膜を埋め込む工程と、前記第1の金属膜が前記第1の平坦化膜表面よりも突出すべく前記第1の平坦化膜をその表面から一部除去して前記第1の平坦化膜表面の高さを低くして前記第1の平坦化膜を第2の平坦化膜とする工程と、前記第2の平坦化膜上に第2の金属膜を堆積させて前記第1の金属膜を覆う第2の金属膜に前記第1の金属膜の前記第2の平坦化膜表面からの突出部の高さに相当する段差を形成する工程と、前記第2の金属膜の上方を覆うレジスト膜を塗布する工程と、前記レジスト膜に光を当てて前記レジスト膜下の前記段差による反射光を検出して前記段差の平面的な位置を検出する工程と、前記位置を基準として前記レジスト膜に上方のフォトマスクの位置を決定し、前記フォトマスクを通して前記レジスト膜を露光、現像し、前記第1の金属膜の突出部の上方にレジストマスクを形成する工程と、前記レジストマスクをマスクとして少なくとも前記レジストマスク直下の材料膜のエッチングを通して前記第2の金属膜をエッチング除去し、前記第1の金属膜と接続する第2の金属膜からなる第2の配線を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、前記レジストマスクは、前記第1の金属膜の突出部を包含する形状に形成され、
前記第2の平坦化膜上に第2の金属膜を堆積させて前記第1の金属膜を覆う第2の金属膜に前記第1の金属膜の前記第2の平坦化膜表面からの突出部の段差を形成する工程と、前記第2の金属膜の上方を覆うレジスト膜を塗布する工程との間に、前記第2の金属膜の上を覆うマスク絶縁膜を堆積させる工程が挿入され、
前記第2の配線は、前記マスク絶縁膜を前記レジストマスクをマスクとしてエッチング除去し、前記レジストマスクを除去した後に、前記マスク絶縁膜をマスクとして前記第2の金属膜をエッチング除去することにより形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記半導体基板は内部回路領域及び内部回路領域周辺に形成されたアライメント領域を備え、前記第1の金属膜の突出部が前記アライメント領域に形成される請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記層間絶縁膜を形成する工程において、前記層間絶縁膜は複数の絶縁膜が積層されて形成され、前記第1の平坦化膜をその表面から一部除去して前記第1の平坦化膜表面の高さを低くして前記第1の平坦化膜を第2の平坦化膜とする工程において、前記第2の平坦化膜が、前記第1の平坦化膜を構成する前記複数の絶縁膜のうち最上層の絶縁膜を除去することにより形成される請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記層間絶縁膜を形成する工程において、前記層間絶縁膜は単層の絶縁膜を堆積することにより形成される請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記マスク絶縁膜は、膜厚が200〜400nmである請求項1ないし4いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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