JP6357891B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する。

近年の半導体集積回路の微細化、高密度化にともなって、複数層にわたって配線が形成される多層配線構造が採用されている。デバイスが微細化することで配線遅延の問題が顕在化し、従来のアルミニウム（Ａｌ）配線とシリコン酸化物（ＳｉＯ2）の層間絶縁膜に替えて、より低い電気抵抗の銅（Ｃｕ）配線と、低誘電率の層間絶縁膜が用いられている。

Ｃｕ配線はドライエッチングによるパターニングが困難なため、一般にダマシン法により形成される。ダマシン法では、平坦化した層間絶縁膜に配線溝を形成し、配線溝内をＣｕ層で埋め込む。コンタクトホールがあらかじめ形成された層間絶縁膜に配線溝を形成して、コンタクトホールと配線溝を一回のＣｕ堆積で埋め込む方法は、デュアルダマシン法と呼ばれている。デュアルダマシン法は、工程削減に有効である。

デュアルダマシン法において、配線溝の形成に先立って、コンタクトホール内に樹脂を充填しＵＶ照射で硬化して、コンタクトホールの底部や下層配線をトライエッチングの影響から保護する方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

他方、低誘電率層間絶縁膜において、強度とステップカバレッジの双方を実現するために異なる種類の絶縁膜が積層されることも多い。この場合、デュアルダマシン法で形成されるコンタクトホールの深さが深くなる。また、単層の層間絶縁膜でも膜厚が大きい場合は、コンタクトホールの深さが深くなる。

特開２０００−１８８３２９号公報

発明者らは、コンタクトホール内に樹脂を充填してＵＶ硬化する方法では、コンタクトホールが深い場合に樹脂溶解の問題が生じることを見出した。図１は従来方法で生じる樹脂溶解の問題を説明するための図である。

図１において、単層または複数の絶縁膜が積層された層間絶縁膜１１１にコンタクトホール１１２を形成し、コンタクトホール１１２内を樹脂１１３で埋め込む（処理（Ａ））。これによりウェハ全面が樹脂１１３で覆われる。樹脂１１３に紫外線（ＵＶ）照射して硬化する（処理（Ｂ））。エッチバックにより層間絶縁膜１１１上の余分な樹脂を除去する（処理（Ｃ））。その後、全面にレジスト１１４を塗布して、露光および現像により所望の配線溝の形状にパターニングする（処理（Ｄ））。

コンタクトホール１１２が深いと、ＵＶ硬化（処理（Ｂ））を行ってもコンタクトホール１１２内の樹脂１１３が完全に硬化せず、半固体の状態で残る。さらに、エッチバック（処理（Ｃ））の条件によっては、レジスト１１４のパターニング時（処理（Ｄ））に現像液で樹脂１１３が溶解し、コンタクトホール１１２の底部に溶解樹脂１１５が残る。樹脂１１３の溶解と溶解樹脂１１５の残存は、エッチバックの処理条件によっては樹脂１１３に架橋構造（変質層）が形成されないためと考えられる。処理（Ｄ）の状態では、その後の配線溝の加工工程で、下層の図示しない配線層がダメージを受ける。熱による樹脂の硬化も考えられるが、熱をかけすぎると（たとえば２５０℃以上）、アミンの影響によりレジストがパターン通りに露光されないポイズニングの問題が生じる。

そこで、配線形成用のレジストパターンを形成する際に、コンタクトホール内に充填された樹脂の溶解を抑制することのできる半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。

ひとつの態様では、半導体装置の製造方法は、
半導体基板上の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホール内および前記層間絶縁膜上に未硬化の樹脂膜を形成し、
前記未硬化の樹脂膜を、周波数０．４ＭＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下、圧力０．１Ｐａ以上３５Ｐａ以下でエッチバックして前記層間絶縁膜上の前記樹脂膜を除去し、
前記エッチバック後に、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜を維持した状態で前記層間絶縁膜上に配線溝の形状を有するレジストパターンを形成する
ことを特徴とする。

配線形成用のレジストパターンを形成する際に、コンタクトホール内に充填された樹脂の溶解を抑制することができる。

従来の問題点を説明するための図である。 実施形態の方法を従来法と比較して示す図である。 現像液による樹脂溶解量とエッチバック条件の関係を示す図である。 現像液による樹脂溶解量のＲＦ出力依存性を示す図である。 異なる圧力条件でエッチバックを行ったときのレジストパターニング後の樹脂状態を示す画像である。 実施形態の半導体装置の製造工程図である。 実施形態の半導体装置の製造工程図である。 実施形態の半導体装置の製造工程図である。 実施形態の半導体装置の製造工程図である。

図２（Ａ）は、実施形態の半導体装置の製造方法の基本工程を示す図である。比較のため、図２（Ｂ）に従来方法の工程図を示す。実施形態では、層間絶縁膜（たとえばＳｉＯＣとＴＥＯＳの積層）に形成されたコンタクトホール１１２内に樹脂１１３を埋め込んだ後に、低圧かつ低周波の条件でエッチバックを行って余剰の樹脂を除去する。低圧、低周波の条件でのエッチバックにより、現像液に対する耐性が強化された樹脂層１１７が形成される。したがって、エッチバックに先立って樹脂１１３の硬化処理を行う必要がない。その後、レジスト１１４を塗布し、露光、現像によりレジスト１１４を配線溝（トレンチ）の形状にパターニングする。樹脂膜１１７は、レジスト１１４のパターニング後もコンタクトホール内に維持される。

後述するように、低圧、低周波のエッチバック条件で、樹脂１１３の表面に安定した架橋構造の変質層が形成されると考えられ、露光、現像によるレジスト１１４のパターニングを経ても、コンタクトホール１１２内の樹脂膜１１７が維持される。

エッチバック後に、任意でＵＶ照射およびＵＶキュアを行ってもよいが、低圧、低周波でのエッチバック処理により構造的に安定した樹脂膜１１７が得られるので、エッチバック後のＵＶキュアは必須ではない。エッチバック後にＵＶ照射を行う場合は、コンタクトホール内の樹脂膜１１７の体積がシュリンクしない程度の弱いＵＶ照射を行う。これにより、現像液に対する樹脂膜１１７の耐性マージンを向上することができる。

他方、図２（Ｂ）の従来工程では、樹脂埋め込み後にＵＶキュアを行ってから、一般的なエッチバック条件（圧力６０Ｐａ程度）でエッチバックを実施する。コンタクトホールが深い場合、ＵＶキュアでコンタクトホール内の樹脂１１３が完全に硬化しきれない。また、硬化処理後の一般的なエッチバック条件では樹脂１１３に安定した変質層が形成されず、レジスト１１４のパターニング時に現像液により樹脂１１３が溶解する。コンタクトホール内には溶解樹脂１１５が残り、引き続く配線溝のエッチング工程で下層のＣｕ配線を十分に保護することができない。

図３は、現像液による樹脂溶解量とエッチバック条件の関係を示す図である。四角のマークは６００Ｗ、２ＭＨｚの条件で圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。丸印は、６００Ｗ、１３.５６ＭＨｚの条件で圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。ひし形マークは、４５０Ｗ、２ＭＨｚと、１５０Ｗ、２７ＭＨｚの二周波を印加して圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。三角マークは、３００Ｗ、２ＭＨｚと、３００Ｗ、２７ＭＨｚの二周波を印加して圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。×印は６００Ｗ、２７ＭＨｚの条件で圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。いずれの場合もトータルのＲＦパワーは６００Ｗである。

層間絶縁膜のトータルの膜厚を６００ｎｍ〜１２００ｎｍとすると、レジストパターニング時の樹脂溶解量が１００ｎｍ／ｍｉｎ以下であることが望ましい。層間絶縁膜の膜厚がさらに薄い場合（たとえば３００ｎｍ〜６００ｎｍの場合）、樹脂溶解量は５０ｎｍ／ｍｉｎ以下であることが望ましい。図３の結果からすると、エッチバックの圧力が３５Ｐａ以下、かつ周波数が１３．５６ＭＨｚ以下の場合に、樹脂溶解量を５０ｎｍ／ｍｉｎ以下に抑えられる。二周波を印加する場合は、優勢な周波数または平均周波数が１３．５６ＭＨｚ以下であることが望ましい。尚、エッチバックの圧力は、エッチングレートを確保するために、０．１Ｐａ以上が好ましい。周波数は、値が低すぎるとエッチングのエネルギーが高くなりすぎて、層間絶縁膜にダメージを及ぼし、また、コンタクトホールの開口部の角がエッチングされて形が変形してしまうので、０．４ＭＨｚ以上が好ましい。

図４は、現像液による樹脂溶解量のＲＦ出力依存性を示す図である。この測定結果によると、ＲＦパワーが４００Ｗ〜８００Ｗの範囲では、樹脂溶解量にＲＦ出力依存性がないことがわかる。データの近似曲線に基づくと、ＲＦ出力にかかわらず圧力が４０Ｐａ以下で樹脂溶解量が非常に少ない。

図５は、同じ周波数、異なる圧力でエッチバックしたときのコンタクトホール内の樹脂の状態を示す画像である。図５（Ａ）は、１３．５６ＭＨｚ、６１Ｐａでエッチバックしたときのレジストパターニング後の画像、図５（Ｂ）は、１３．５６ＭＨｚ、３１Ｐａでエッチバックしたときのレジストパターニング後の画像である。

図５（Ａ）は図１（Ｄ）の状態に対応し、コンタクトホール内で樹脂が溶解している。これに対し、図５（Ｂ）の低圧エッチバックでは、レジストパターニング後もコンタクトホール内に埋め込み樹脂が維持されている。ここからも、１３，５６ＭＨｚ以下、かつ３５Ｐａ以下の条件が望ましいことがわかる。

図６〜図９は、実施形態の半導体装置の製造工程図である。まず、図６（Ａ）で、図示しない半導体基板上に配線パターン１２を形成し、層間絶縁膜１１で埋め込んで表面を平坦化する。層間絶縁膜１１上に、たとえば膜厚３０〜７０ｎｍのＳｉＣ（炭化ケイ素）膜１３を形成する。ＳｉＣ膜１３は、エッチングストッパとして機能するとともに、下層の配線パターン１２からのＣｕ拡散を防止する。ＳｉＣ膜１３上に、膜厚３００〜１０００ｎｍのＳｉＯＣ膜１４と、膜厚３０〜１５０ｎｍのＴＥＯＳ膜１５をこの順で形成する。ＳｉＯＣ膜１４とＴＥＯＳ膜１５で積層の層間絶縁膜を構成する。ＳｉＯＣ膜１４は低誘電率の絶縁膜であり、層間絶縁膜に機械的強度を付与する。ＴＥＯＳ膜１５はステップカバレッジが良好である。ＴＥＯＳ膜１５上に、膜厚３０〜７０ｎｍのＳｉＮ膜１６を形成する。ＳｉＮ膜は反射防止膜として機能する。

図６（Ｂ）で、ＳｉＮ膜１６上にレジスト１８を塗布し、コンタクトホールの形状にパターニングする。レジスト１８のパターニングは、通常のフォトリソグラフィ法により行うことができる。

図６（Ｃ）で、ＳｉＣ膜１３に到達するコンタクトホール１９を形成する。まず、レジスト１８をマスクとしてＳｉＮ膜１６をドライエッチングし、ＳｉＮ膜１６に形成された開口から、ＴＥＯＳ膜１５とＳｉＯＣ膜１４をドライエッチングする。ＳｉＮ膜１６のドライエッチングと、ＴＥＯＳ膜１５及びＳｉＯＣ膜１４のドライエッチングは、エッチングガスの種類を含むエッチング条件を変更して行う。具体的には、ＳｉＣ膜１３とのエッチング選択比が大きくなる条件で、ＴＥＯＳ膜１５とＳｉＯＣ膜１４をエッチングする。ＳｉＣ膜１３はエッチングストッパとして機能し、ＴＥＯＳ膜１５とＳＩＯＣ膜１４を貫通するコンタクトホール１９が形成される。コンタクトホール１９の底部に、ＳｉＣ膜１３が露出する。

図６（Ｄ）で、レジスト１８を剥離する。

次に、図７（Ａ）で、コンタクトホール１９の内部及びＳｉＮ膜１６上の全面に、樹脂膜２１を形成する。樹脂膜２１は、たとえばスピンコーティング法で塗布される。

図７（Ｂ）で、ＳｉＮ膜１６上の余分な樹脂膜２１を未硬化のままエッチバックにより除去する。エッチバックの条件は、周波数１３．５６ＭＨｚ以下、圧力３５Ｐａ以下である。この例ではＲＦパワーは６００Ｗとする。このエッチバックにより、樹脂膜２１に現像液に対する耐性が付与される。この段階での樹脂膜２１は、図２（Ａ）の樹脂膜１１７と同様に、安定した架橋構造を有する。

図７（Ｃ）で、エッチバック後に、任意でＵＶ照射およびＵＶキュアを行う。上述のように、樹脂膜２１はエッチバックによりすでに構造的に安定しているので、ここでのＵＶ照射は樹脂膜２１の体積がシュリンクしない程度の弱いＵＶ照射である。このＵＶ照射により、現像液に対する樹脂膜２１の耐性が向上する。

図７（Ｄ）で、配線溝（トレンチ）のパターンを有するレジストパターン２２を形成する。図７（Ｄ）は、図５（Ｂ）の状態に対応し、レジストパターニング時の露光、現像処理後も、コンタクトホール１９内に樹脂膜２１が維持される。樹脂膜２１により、次工程のトレンチエッチングから下層のＳｉＣ膜１３や配線パターン１２を保護することができる。

次に、図８（Ａ）で、レジストパターン２２をマスクとして、配線溝２３を形成する。まず、ＳｉＮ膜１６に開口を形成する。エッチング条件を変えて、ＳｉＮ膜１６の開口から、ＴＥＯＳ膜１５とＳｉＯＣ膜１４を所定の深さまでエッチングする。このとき、樹脂膜２１もエッチング除去する。ＴＥＯＳ膜１５やＳｉＯＣ膜１４と同時に樹脂膜２１を除去するために、酸素を含有するガスを用いたプラズマエッチングを行う。酸素含有ガスを用いたプラズマエッチングにより、レジストパターン２２も一部除去されて、その膜厚が減少する。

図８（Ｂ）で、コンタクトホール内１９に残る樹脂膜２１と、マスクとして用いたレジストパターン２２を除去する。樹脂膜２１およびレジストパターン２２は、酸素プラズマ中でのアッシングにより除去される。

図８（Ｃ）で、コンタクトホール１９の底部に露出するＳｉＣ膜１３をドライエッチングで除去する。これにより、コンタクトホール１９の底部に、配線パターン１２が露出する。

図８（Ｄ）で、コンタクトホール１９の内壁を含む全面に、バリア膜２５を形成する。バリア膜２５は、層間絶縁膜（ＴＥＯＳ膜１５及びＳｉＯＣ膜１４）へのＣｕの拡散を防止するための膜である。バリア膜２５の材料としてＴｉ，ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ等を用いることができる。ＳｉＮ膜１６上に形成されたバリア膜２５は除去してもよい。

次に、図９（Ａ）で、バリア膜２５上に図示しないＣｕシード層をスパッタリング法で形成し、電界めっきによりコンタクトホールおよび配線溝を埋め込むＣｕ膜２６を形成する。

最後に、図９（Ｂ）で、ＳｉＮ膜１６上の余剰のＣｕ膜２６を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する。これにより、デュアルダマシン配線２７を有する半導体装置１０が作製される。

このように、低周波、低圧の条件で樹脂のエッチバックを行うことで現像液に対する耐性を樹脂に与え、高温の熱処理による樹脂硬化を行わなくても、レジストパターニングを行うことができる。また、エッチバックに先立って、ＵＶ照射とＵＶ硬化を行う必要がない。エッチバック後に、埋め込み樹脂がシュリンクしない程度の弱いＵＶ照射を行う場合は、現像液に対する耐性を向上することができる。これにより、デュアルダマシン配線形成過程で、コンタクトホール内の樹脂溶解を抑制し、下層の配線パターンへのダメージを抑制することができる。

１０ 半導体装置
１２ 配線パターン
１４ ＳｉＯＣ膜（層間絶縁膜）
１５ ＴＥＯ膜（層間絶縁膜）
１９ コンタクトホール
２１ 樹脂膜
２２ レジストパターン
２７ デュアルダマシン配線
１１７ 架橋構造を有する樹脂膜

Claims (8)

1. 半導体基板上の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、
   前記コンタクトホール内および前記層間絶縁膜上に未硬化の樹脂膜を形成し、
   前記未硬化の樹脂膜を、周波数０．４ＭＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下、圧力０．１Ｐａ以上３５Ｐａ以下でエッチバックして前記層間絶縁膜上の前記樹脂膜を除去し、
   前記エッチバック後に、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜を維持した状態で前記層間絶縁膜上に配線溝の形状を有するレジストパターンを形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記エッチバック後、かつ前記レジストパターンの形成前に、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜に紫外線照射を行う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. 前記紫外線照射は前記樹脂膜の体積がシュリンクしない強度で行われることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記エッチバックの高周波パワーは４００〜８００Ｗであ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。
5. 前記エッチバックにより、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜に架橋構造が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。
6. 前記エッチバック後の前記樹脂膜の、前記レジストパターンの形成に用いられる現像液に対する溶解量は、５０ｎｍ／分以下であ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。
7. 前記エッチバック後の前記樹脂膜の前記現像液に対する溶解量は、前記エッチバックの高周波パワーが４００〜８００Ｗの範囲内で、前記高周波パワーに依存しないことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記レジストパターンをマスクとして、前記層間絶縁膜に配線溝を形成し、
   前記レジストパターン及び前記コンタクトホール内の前記樹脂膜を除去してデュアルダマシン配線を形成する、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。