JP5532201B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、反射防止膜を使用しないでアルミニウム配線層パターンを高精度に形成する半導体装置の製造方法に関するものである。

従来、半導体基板上にアルミニウムもしくはアルミニウム合金層からなる配線パターンを形成するにはフォトリソグラフィを利用していた。このフォトリソグラフィ工程において、露光光の反射によるパターン精度低下の影響をなくすための反射防止膜（Ｗ、ＴｉＷ、ＴｉＮ／Ｔｉ、ＭｏＳｉ₂ 膜等）を使用していた（特許文献１参照）。特許文献１には０．３μｍ世代以降の半導体集積回路装置において、アルミニウム合金膜によって構成される微細な配線層を形成することが開示されている。この文献には、光の反射率が２０〜４０％と低い、厚さが２５ｎｍ以上の窒化チタン膜をアルミニウム合金膜上に形成することによって、フォトレジスト工程における露光光の反射を低減し、フォトレジストのハレーションや定在波効果を抑制して、微細で鮮明なフォトレジストパターンを形成することが記載されている。

図７及び図８を参照して反射防止膜を用いた従来技術による配線パターンの製造方法を説明する。
シリコン半導体基板１００の表面には酸化膜１０１が形成されている（図７（ａ））。この半導体基板１００上にバリアメタル層１０２、銅などを含むアルミニウム合金層１０３及び反射防止膜１０４を順次スパッタリングなどの蒸着により形成する（図７（ｂ））。バリアメタル層１０２は、酸化膜１０１上に直接接する第１層のＴｉ膜及びこのＴｉ膜に接する第２層のＴｉＮ膜から構成されている。反射防止膜１０４は、アルミニウム合金層１０３上に直接接する第１層のＴｉ膜及びこのＴｉ膜に接する第２層のＴｉＮ膜から構成されている。次に、反射防止膜１０４の第２層のＴｉＮ膜上に一定の厚さでフォトレジスト１０５を塗布する（図７（ｃ））。次に、フォトマスク（図示しない）を介してフォトレジスト１０５を露光し、現像して配線パターンを形成する（図８（ａ））。次に、パターニングされたフォトレジスト１０５をマスクとしてドライエッチング又はウエットエッチングにより、反射防止膜１０４、アルミニウム合金層１０３及びバリアメタル層１０２をエッチングして、アルミニウム配線を形成する（図８（ｂ））。

特開平１１−３５４５２１号公報

従来、半導体装置の配線に用いるアルミニウム層もしくはアルミニウム合金層の反射率は、９０〜１００％と非常に高い。このように反射率の高い材料をフォトリソグラフィ工程で用いると、露光時にアルミニウム層もしくはアルミニウム合金層からの反射に起因するハレーションや定在波効果が生じて正しいパターニングが出来ない可能性がある。
このような露光光の反射を防ぐための手段の１つとして従来は、前述のように、反射防止膜をアルミニウム層もしくはアルミニウム合金層の上に形成して反射を防止する手段を採用していたが、反射防止膜による露光反射の低減効果は十分ではなく、加工する部位に対しての露光処理に際して、金属表面からの反射光により、光を当てたくない場所に光が当たって露光処理が行われてしまう。その結果、所定の正確な配線パターンが得られなくなる。また、マスクとして用いたフォトレジストを剥がす工程で反射防止膜も剥がれてしまい、配線パターンが破損するという問題もあった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、反射防止膜を使用しなくてもアルミニウム配線パターンを高精度に形成することができる半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、半導体基板上にアルミニウム層もしくはアルミニウム合金層を形成する工程と、前記アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層の表面にドライエッチングガスを用いて均一な微細凹凸を形成する工程と、前記アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層の表面を窒素および酸素を用いてアッシングして前記微細凹凸より細かい凹凸を有する酸化膜を形成する工程と、前記アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層上にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストを配線パターンを有するフォトマスクを用いて露光し、現像して前記フォトレジストに前記配線パターンを形成する工程と、前記フォトレジストをマスクにして、前記アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層をエッチングし配線を形成することを特徴としている。
前記ドライエッチングガスは、弗素系ガスもしくは塩素系ガスのいずれかを含むようにしても良い。酸素、窒素及び希ガスを前記ドライエッチングガスと共に供給することにより、前記アルミニウム層あるいはアルミニウム合金層表面の前記微細凹凸の凹凸位置を均一にするようにしても良い。

本発明によれば反射防止膜を使用しなくてもアルミニウム配線パターンを高精度に形成することができる。また、反射防止膜が不要であるため、工程削減が実現し、サイクルタイム短縮につながる。また、従来の技術ではアルミニウム配線の表面に形成された反射防止膜がフォトレジストを除去する工程を行う際に浮き上がり、アルミニウム配線から剥がれて配線が破損することがあるが、本発明ではこの様な剥がれを考慮する必要がない。また、窒素および酸素条件下でアッシング工程を行うことにより、アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層の表面により細かい凹凸を有する酸化膜を形成して反射率低下効果を更に高めることができる。配線の表面に形成された凹凸が露光光の反射率を低下させることができる。

実施例１に係る半導体装置の製造方法の工程断面図。 実施例１に係る半導体装置の製造方法の工程断面図。 実施例１及び従来の半導体装置の製造方法により形成された配線の断面状態を説明する写真図。 実施例２に係る半導体装置の製造方法の工程断面図。 実施例２に係る半導体装置の製造方法の工程断面図。 図４に示す半導体装置の配線部分を拡大した部分断面図。 従来の半導体装置の製造方法の工程断面図。 従来の半導体装置の製造方法の工程断面図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図３を参照して実施例１を説明する。
図１及び図２は、この実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する工程断面図、図３は、この実施例の半導体装置の製造方法により形成された配線の断面状態を従来例と比較して説明する写真である。
まず、シリコン半導体基板１０を用意する。この半導体基板１０の表面には酸化膜（シリコン酸化膜）１が形成されている（図１（ａ））。次に、半導体基板１０上にバリアメタル層２、銅などを含むアルミニウム合金層３を順次スパッタリングなどの蒸着により形成する。バリアメタル層２は、酸化膜１上に直接接する第１層のＴｉ膜（Ｔｉ）及びこのＴｉ膜に接する第２層のＴｉＮ膜（ＴｉＮ）から構成されている（図１（ｂ））。

次に、アルミニウム合金層３をエッチング処理して表面に微細な凹凸を形成する。このエッチング処理は、ドライエッチングを利用するものであり、ドライエッチングガスとして、弗素系ガスもしくは塩素系ガスを用いる。この実施例では弗素系ガスを用いる。この実施例における処理は、例えば、次のような条件で行われる。ドライエッチングガスには六弗化硫黄（ＳＦ₆ ）ガスを用いる。ＳＦ₆ ガスは、０．１〜１Ｔｏｒｒ、常温〜１８０℃、２〜５分の条件でアルミニウム合金層３上に流す。この条件でエッチング処理を行うことにより、アルミニウム合金層３の表面に均一で微細な凹凸の表面層３ａが形成される（図１（ｃ））。この時、ドライエッチングガスと共に酸素、窒素、希ガスを供給すると、表面層３ａの凹凸位置の均一性が更に向上する。ＳＦ₆ ガスの圧力、温度及び供給時間はこの条件の範囲を外れると、均一で微細な凹凸の表面層を形成することができない。

次に、アルミニウム合金層３の表面層３ａ上にフォトレジスト４を均一に塗布する（図２（ａ））。次に、フォトマスク（図示しない）を介してフォトレジスト４を露光し、現像してフォトレジスト４に配線パターンと同じ形状のパターンを形成する（図２（ｂ））。
次に、パターニングされたフォトレジスト４をマスクとしてドライエッチング又はウエットエッチングにより、アルミニウム合金層３及びバリアメタル層２をエッチングして、アルミニウム合金層３を材料とするアルミニウム配線５を形成する（図２（ｃ））。次に、フォトレジスト４をエッチング除去する。このアルミニウム配線５の形成方法は、半導体装置に形成された多層配線のいずれの配線層にも適用することができる。勿論半導体装置の単層の配線を形成する場合にも適用することができる。

この実施例によれば反射防止膜を使用しなくてもアルミニウム配線パターンを高精度に形成することができる。反射防止膜が不要なので工程が少なくて済み、サイクルタイムが短縮される。また、従来の技術ではアルミニウム配線の表面に形成された反射防止膜がフォトレジストを除去する工程を行う際に浮き上がり、アルミニウム配線から剥がれて配線が破損することがあるのに対し、この実施例ではこの様な剥がれを考慮する必要がない（図３参照）。

次に、図４乃至図６を参照して実施例２を説明する。
図４及び図５は、この実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する工程断面図、図６は、図４のアルミニウム合金層を拡大した部分断面図である。
図４に示すように、シリコン半導体基板２０の表面には酸化膜（シリコン酸化膜）２１が形成されている。この半導体基板２０上にバリアメタル層２２、銅などを含むアルミニウム合金層２３を順次スパッタリングなどの蒸着により形成する。バリアメタル層２２は、酸化膜２１上に直接接する第１層のＴｉ膜及びこのＴｉ膜に接する第２層のＴｉＮ膜から構成されている。

次に、アルミニウム合金層２３をエッチング処理して表面に微細な凹凸を形成する。エッチング処理は、ドライエッチングを利用し、ドライエッチングガスとして、塩素系ガスを用いる。この実施例における処理は、例えば、次のような条件で行われる。ドライエッチングガスにはＣｌ２、ＳｉＣｌ４、ＨＣｌ、およびＢＣｌ３等の塩素系ガスを用いる。塩素系ガスは、０．１〜１Ｔｏｒｒ、常温〜１８０℃、２〜５分の条件でアルミニウム合金層２３上に流す。この条件でエッチング処理を行うことにより、アルミニウム合金層２３の表面に均一で微細な凹凸の表面層２３ａが形成される。この時、ドライエッチングガスと共に酸素、窒素、希ガスを供給すると、表面層２３ａの凹凸位置の均一性が更に向上する。塩素系ガスの圧力、温度及び供給時間はこの条件の範囲を外れると、均一で微細な凹凸の表面層を形成することができない。

次に、アルミニウム合金層２３の表面をアッシングして表面層２３ａの微細凹凸より細かい凹凸を有するアルミニウム酸化膜等の酸化膜２３ｂを形成する（図６参照）。このアッシング工程では、窒素及び酸素を用いる。酸化膜２３ｂの厚さは５ｎｍ程度が適当である。
次に、アルミニウム合金層３の表面層２３ａに形成された酸化膜２３ｂ上にフォトレジスト２４を均一に塗布する（図５（ａ））。次に、フォトマスク（図示しない）を介してフォトレジスト２４を露光し、現像してフォトレジスト２４に配線パターンと同じ形状のパターンを形成する（図５（ｂ））。
次に、パターニングされたフォトレジスト２４をマスクとしてドライエッチング又はウエットエッチングにより、アルミニウム合金層２３及びバリアメタル層２２をエッチングして、表面に酸化膜２３ｂが形成されたアルミニウム合金層２３を材料とするアルミニウム配線２５を形成する（図５（ｃ））。
次に、フォトレジスト２４をエッチング除去する。このアルミニウム配線の形成方法は、半導体装置に形成された多層配線のいずれの配線層にも適用することができる。勿論半導体装置の単層の配線を形成する場合にも適用することができる。

この実施例によれば反射防止膜を使用しなくてもアルミニウム配線パターンを高精度に形成することができる。反射防止膜が不要なので工程が少なくて済み、サイクルタイムが短縮される。また、従来の技術ではアルミニウム配線の表面に形成された反射防止膜がフォトレジストを除去する工程を行う際に浮き上がり、アルミニウム配線から剥がれて配線が破損することがあるのに対し、この実施例ではこの様な剥がれを考慮する必要がない。また、この実施例では、窒素および酸素条件下でアッシングを行うことにより、アルミニウム配線となるアルミニウム合金層の表面に、アルミニウム合金層の表面層より細かい凹凸を有する酸化膜を形成することにより反射率低下の効果を更に高めることができる。
この実施例のように、ドライエッチングガスとして塩素系ガスを用いる場合、塩素系ガスは、アルミニウム合金層の腐食の原因となるので、アッシング工程は特に効果的である。

１、２１・・・酸化膜（シリコン酸化物）
２、２２・・・バリアメタル層
３、２３・・・アルミニウム合金層
３ａ、２３ａ・・・アルミニウム合金層の表面層
５、２５・・・アルミニウム配線
１０、２０・・・半導体基板
２３ｂ・・・凹凸を有する酸化膜

Claims (3)

1. 半導体基板上にアルミニウム層もしくはアルミニウム合金層を形成する工程と、前記アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層の表面にドライエッチングガスを用いて均一な微細凹凸を形成する工程と、前記アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層の表面を窒素および酸素を用いてアッシングして前記微細凹凸より細かい凹凸を有する酸化膜を形成する工程と、前記アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層上にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストを配線パターンを有するフォトマスクを用いて露光し、現像して前記フォトレジストに前記配線パターンを形成する工程と、前記フォトレジストをマスクにして、前記アルミニウム層もしくはアルミニウム合金層をエッチングし配線を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記ドライエッチングガスは、弗素系ガスもしくは塩素系ガスのいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 酸素、窒素及び希ガスを前記ドライエッチングガスと共に供給することにより、前記アルミニウム層あるいはアルミニウム合金層表面の前記微細凹凸の凹凸位置を均一にすることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

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