JP5672668B2

JP5672668B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP5672668B2
Application number: JP2009158303A
Authority: JP
Inventors: 中嶋　経宏; 経宏中嶋; 英司望月; 龍男西澤; 池田　良成; 良成池田; 孝志渡辺
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP2011014749A

Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、絶縁性保護膜に設けられた貫通部を介してその上の金属膜がその下の金属膜に接触する構造を有する半導体装置の製造方法に関する。

近時、半導体装置を製造する際に、半導体の絶縁性保護膜としてポリイミド系樹脂がよく用いられている。また、複数種類の金属膜を積層させた多層金属膜で一電極層や一配線層を構成する技術や、２層以上の配線層を絶縁膜を挟んで上下に設ける多層配線構造が広く用いられている。多層金属膜を形成する場合には、複数種類の金属膜を連続して形成するので、金属膜間の洗浄などをそれほど厳密に制御する必要はない。金属膜を積層するためのスパッタ装置や蒸着装置のチャンバー内のクリーン度を制御すれば、金属膜間の密着性を確保することができる。

通常、絶縁膜にコンタクトホールやビアホールを形成し、それらコンタクトホールやビアホール内に金属を充填することによって、絶縁膜を挟んでその上下の導電体で電気的な接続を確保する場合、コンタクトホールやビアが確実にパターン通りに形成されることが理想である。従って、ポリイミドを絶縁膜や保護膜として用いる場合には、そのパターン転写性やポリイミドの残渣を除去することが重要である。

図４は、従来の電極形成プロセスを示すフローチャートである。図４に示すように、まず、ウェハ表面の下地金属となる下層金属膜上に絶縁性保護膜（ポリイミド）を形成（積層）する（ステップＳ１）。次いで、そのポリイミド膜上にレジストを塗布し、露光および現像を行ってポリイミド膜に開口部を設ける（ステップＳ２）。その後、ウェット処理によりレジストを剥離する（ステップＳ３）。そして、ポリイミド膜およびその開口部の上に電極となる上層金属膜を形成する（ステップＳ４）。

しかし、この方法では、ポリイミド膜の開口部に発生するポリイミド等の残渣を十分に除去することができない。そのため、下層金属膜の表面にポリイミド等の残渣が残り、その残渣の上に上層金属膜が形成されずに、パターン不良となってしまうことがある。図５は、ポリイミド膜１の終端近傍において、下層金属膜２の表面に残渣３が残り、その残渣３の上に上層金属膜４がメッキされていないパターン不良を示す電子顕微鏡写真である。また、図６は、そのパターン不良部分を横切る断面を模式的に示す図である。なお、符号５はシリコン基板である。

ポリイミドの残渣を除去する方法として、プラズマを利用する方法や、ウェット処理による方法や、酸またはアルカリのガスを用いる方法などが公知である（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。また、ウェットエッチングによりポリイミド膜に開口部を形成した後、ヘリウムや窒素等の不活性ガス、または酸素や水素など、あるいはそれらの混合ガスを用いてポリイミド膜に対してプラズマ処理を行うことが提案されている（例えば、特許文献４参照。）。さらに、レーザーアブレーションにより金属膜上のポリイミド膜に開口部を形成した後、酸素系プラズマ処理と水素系プラズマ処理を含むプラズマ灰化処理を行うことが提案されている（例えば、特許文献５参照。）。

特開２００２−２５２２５８号公報特開平１０−１０６９９７号公報特開平７−３７８６６号公報特表２００２−０６７６４１号公報特開２００４−２７３７７１号公報

下地となる下層金属膜の上に保護膜を形成し、その保護膜にコンタクトホールやビアホールを形成した後に上層金属膜を形成する場合、その下層金属膜に対する上層金属膜の密着性を考慮する必要がある。保護膜にコンタクトホールやビアホールを形成する際には、通常、保護膜を積層した後にパターニング、エッチングおよびレジスト剥離を行う。その場合、保護膜の残渣等がないようにしなくてはならない。特に、保護膜を厚く形成する場合、例えばポリイミド膜を５μｍ以上の厚さに形成する場合には、ポリイミド等の残渣が発生し易い。

そのため、残渣等の除去を確実に行う必要があるが、そのための処理や工程に長時間を要したり、その処理や工程が複雑であるなどの問題点がある。また、上層金属膜を小面積部分に形成する場合やメッキで形成する場合には、上層金属膜の形成状態は、下層金属膜の表面状態の影響を大きく受ける。特に、上述したように、ポリイミドの残渣等が発生すると、その残渣の上には上層金属膜がメッキされないので、パターン不良となってしまう。これを防ぐためには、保護膜に開口部を形成した直後から、開口部に残渣が発生しないように処理し、その開口部における下層金属膜の露出面の状態を良好にしておく必要がある。

上記特許文献１、特許文献２または特許文献３に開示されているポリイミドの残渣除去方法は、例えばメッキにより上層金属膜を形成する場合の残渣除去としては不十分である。また、上記特許文献４には、単にプラズマ処理を行うことが記載されているだけであり、その処理条件等については開示されていない。さらには、上記特許文献４によれば、そのプラズマ処理は、ポリイミド膜のエッチングされた形状のエッジが乱れるのを回避することができるという効果を奏するものであって、ポリイミドの残渣を除去するための処理ではない。また、上記特許文献５は、プラズマ灰化処理を行うものである。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、下層金属膜上の絶縁性保護膜に貫通部を形成した後の残渣処理を簡単かつ確実に行い、下層金属膜の露出面を良好な状態に維持することによって上層金属膜の形成を確実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を目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる半導体装置の製造方法は、ウェハ表面の下層金属膜上に絶縁性保護膜を形成する工程と、前記絶縁性保護膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて前記絶縁性保護膜を選択的に除去して前記下層金属膜の一部を露出させる工程と、前記マスクを薬液を用いたウェット処理により除去する工程と、前記ウェット処理後に前記下層金属膜の露出面に存在する不要物を、酸素と窒素の混合ガスを用いた酸素系プラズマ処理により除去する工程と、前記酸素系プラズマ処理の影響を、水素と窒素の混合ガスを用いた水素系プラズマ処理により取り除く工程と、前記水素系プラズマ処理後に前記下層金属膜の露出面上にメッキにより上層金属膜を積層する工程と、を含み、２５℃以上３５℃以下のウェハ温度で前記酸素系プラズマ処理を行い、前記酸素系プラズマ処理により０．１μｍ／分以上０．３μｍ／分以下のエッチングレートで前記絶縁性保護膜のエッチングを行うことを特徴とする。

この請求項１の発明によれば、マスクを除去する際のウェット処理で発生したポリイミド等の残渣が、酸素系プラズマ処理により確実に除去される。そして、酸素系プラズマ処理によって酸化した下層金属膜の表面が水素系プラズマ処理により還元され、安定化する。また、水素系プラズマ処理により下層金属膜の表面が平坦になる。さらに、同一のプラズマ装置を用いて、供給ガスを切り替えるだけで酸素系プラズマ処理と水素系プラズマ処理を連続して行うことができる。ここで、酸素系プラズマ処理時のウェハ温度が２５〜３５℃である理由は、低温で処理をすることによりエッチングレートを低く抑えることができ、バラツキを抑えた均一な処理ができるためである。エッチングレートが０．１〜０．３μｍ／分である理由は、エッチングレートを低く抑えることにより、バラツキを抑えた均一な処理ができるためである。

また、請求項２の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記上層金属膜は、前記下層金属膜に、前記絶縁性保護膜に設けられた貫通部を介して接触するとともに、前記下層金属膜上に形成された前記絶縁性保護膜上にも形成されることを特徴とする。この請求項２の発明によれば、下層金属膜および上層金属膜からなる多層配線構造を形成することができる。

また、請求項３の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１または２に記載の発明において、前記上層金属膜として複数種類の金属膜、または前記下層金属膜と同種の金属膜を積層することを特徴とする。この請求項３の発明によれば、多層金属膜でできた電極や配線を、絶縁性保護膜を介して下層金属膜上に形成することができる。

また、請求項４の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、前記絶縁性保護膜はポリイミドであり、前記酸素系プラズマ処理により前記ポリイミドよりなる絶縁性保護膜を０．１μｍ以上の厚さで除去することを特徴とする。この請求項４の発明によれば、ポリイミドの残渣の大きさが０．１μｍよりも小さいので、ポリイミドの残渣を確実に除去することができる。

また、請求項５の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記上層金属膜をメッキにより積層することを特徴とする。この請求項５の発明によれば、パターン不良のない上層金属膜をメッキで形成することができる。

また、請求項６の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記水素系プラズマ処理は、水素と窒素の混合ガスを用いて行うことを特徴とする。

本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、下層金属膜上の絶縁性保護膜に貫通部を形成した後の残渣処理を、簡単かつ確実に行うことができる。また、その貫通部において露出する下層金属膜の表面を、上層金属膜を積層するまで良好な状態に維持することができる。従って、上層金属膜を、貫通部において下層金属膜と接触するように確実に形成することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態にかかる電極形成プロセスを示すフローチャートである。実施の形態に従って作製された半導体装置の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。図２の半導体装置の断面を模式的に示す図である。従来の電極形成プロセスを示すフローチャートである。ポリイミド等の残渣によるパターン不良を示す電子顕微鏡写真である。図５のパターン不良部分を横切る断面を模式的に示す図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。特に限定しないが、本実施の形態では、絶縁性保護膜として非感光性ポリイミドを用いた場合について説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる電極形成プロセスを示すフローチャートである。図１に示すように、まず、ウェハ表面に下層金属膜を形成した後、その下層金属膜上に絶縁性保護膜（ポリイミド）を形成（積層）する（ステップＳ１１）。その際、特に限定しないが、例えばポリイミドをスピンコーターを用いて塗布し、ウェハ表面で均一な厚さとなるようにする。なお、ポリイミド膜の厚さについては、任意に設定可能である。一般に、膜厚を厚くする場合には、非感光性ポリイミドが用いられる。

次いで、そのポリイミド膜上にレジストを塗布し、露光および現像を行う。通常、ポリイミドのエッチャントはレジスト現像液を兼ねているので、レジストの現像を行うことによって、同時にポリイミド膜がエッチングされて開口部が形成される（ステップＳ１２）。なお、レジストの現像とポリイミドのエッチングを別々に行ってもよい。その後、ウェット処理によりレジストを剥離する（ステップＳ１３）。

次いで、プラズマ処理装置を用いて酸素系プラズマ処理を行う（ステップＳ１４）。このときの処理条件は、次の通りである。すなわち、使用ガスは例えば酸素と窒素の混合ガスであり、その混合比は例えば酸素１００に対して窒素２５である。また、チャンバー内圧力は例えば２０Ｐａ程度である。また、パワーは、プラズマ処理装置内の電極の配置（間隔）などに応じて決定する。ウェハ温度は例えば２５〜３５℃程度である。これは、ポリイミド膜のエッチングレートを抑えるためであり、常温が望ましい。

エッチングレートは例えば０．１〜０．３μｍ／分である。処理時間は数分程度であり、ポリイミド膜を０．１μｍ以上の厚さで除去する。このような条件で酸素系プラズマ処理を行うことによって、パターン形成されたポリイミドがこの処理でエッチングされてしまう量を最小限に抑えつつ、効率よく確実にポリイミド等の残渣を除去することができる。なお、レジストを酸素系プラズマ処理によって灰化する場合には、ウェハを３５℃よりも高温に加熱した状態で０．５μｍ／分のレートで灰化処理を行うので、ここで説明するポリイミド等の残渣の除去を目的とした処理とは異なる。

次いで、プラズマ処理装置のチャンバー内に供給するガスを例えば水素と窒素の混合ガスに切り替えて水素系プラズマ処理を行う（ステップＳ１５）。このときの処理条件は、次の通りである。すなわち、水素と窒素の混合比は例えば水素１００に対して窒素２５である。また、チャンバー内圧力は例えば２０Ｐａ程度である。また、パワーは、プラズマ処理装置内の電極の配置（間隔）などに応じて決定する。処理時間は数分程度である。このような条件で水素系プラズマ処理を行うことによって、その前の酸素系プラズマ処理によって下層金属膜の表面に生じたダメージ部が均一に還元雰囲気に曝されるので、下層金属膜の表面の状態が改善される。

次いで、ポリイミド膜およびその開口部の上にメッキ等により上層金属膜（電極）を形成する（ステップＳ１６）。以上のプロセスによれば、ポリイミド膜に設計（マスク）通りのパターンが形成される。そして、ポリイミド膜の開口部において露出する下層金属膜の表面が均一で安定した状態となる。従って、上層金属膜と下層金属膜との密着性に優れた半導体装置が得られる。

図２は、パワー、チャンバー内圧力、ウェハ温度およびエッチングレートがそれぞれ９００Ｗ、２０Ｐａ、３０℃および０．２μｍ／分の条件で酸素系プラズマ処理を行った後、パワーおよびチャンバー内圧力がそれぞれ９００Ｗおよび２０Ｐａの条件で水素系プラズマ処理を行った半導体装置について、ポリイミド膜１と上層金属膜４との境界付近の表面状態を示す電子顕微鏡写真である。図２より、上層金属膜４のメッキむらなどがなく、良好な状態であることがわかる。また、図３は、図２の半導体装置の断面を模式的に示す図である。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した処理条件等の数値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、下層金属膜上に絶縁性保護膜が形成され、その絶縁性保護膜上に上層金属膜が形成され、上層金属膜が下層金属膜に、絶縁性保護膜に設けられた貫通部を介して接触する構造を有する半導体装置を製造するのに有用であり、特に、絶縁性保護膜がポリイミドでできており、ポリイミド膜の成膜後、上層金属膜を成膜する前に薬液によるウェット処理を行う工程を含む半導体装置の製造方法に適している。

１ポリイミド膜
２下層金属膜
３残渣
４上層金属膜
５シリコン基板

Claims

ウェハ表面の下層金属膜上に絶縁性保護膜を形成する工程と、
前記絶縁性保護膜上にマスクを形成し、該マスクを用いて前記絶縁性保護膜を選択的に除去して前記下層金属膜の一部を露出させる工程と、
前記マスクを薬液を用いたウェット処理により除去する工程と、
前記ウェット処理後に前記下層金属膜の露出面に存在する不要物を、酸素と窒素の混合ガスを用いた酸素系プラズマ処理により除去する工程と、
前記酸素系プラズマ処理の影響を、水素と窒素の混合ガスを用いた水素系プラズマ処理により取り除く工程と、
前記水素系プラズマ処理後に前記下層金属膜の露出面上にメッキにより上層金属膜を積層する工程と、
を含み、
２５℃以上３５℃以下のウェハ温度で前記酸素系プラズマ処理を行い、
前記酸素系プラズマ処理により０．１μｍ／分以上０．３μｍ／分以下のエッチングレートで前記絶縁性保護膜のエッチングを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記上層金属膜は、前記下層金属膜に、前記絶縁性保護膜に設けられた貫通部を介して接触するとともに、前記下層金属膜上に形成された前記絶縁性保護膜上にも形成される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。
前記上層金属膜として複数種類の金属膜、または前記下層金属膜と同種の金属膜を積層することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記絶縁性保護膜はポリイミドであり、前記酸素系プラズマ処理により前記ポリイミドよりなる絶縁性保護膜を０．１μｍ以上の厚さで除去することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。