JPH0653331A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 選択ＣＶＤ−Ｗの選択性を損なうことなく、
コンタクト孔のパターニングの際の精度を向上させると
ともに、上層配線の信頼性を向上させる。 【構成】 ２層以上の金属配線層４，１０を持つ半導体
装置において、層間絶縁膜の最上層に低反射膜１７と有
機樹脂膜６の２層を設けてコンタクト孔８の写真製版時
に下層の金属の乱反射を防止して、パターニング精度を
向上させる。 【効果】 コンタクト孔のパターニング精度を向上させ
て、上層配線の信頼性を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体装置およびその
製造方法に関し、特にタングステン（Ｗ）プラグを用い
た多層配線構造を有する半導体装置の構造並びに製造方
法の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の配線として、比抵抗の小さ
いアルミ（Ａｌ）膜やＡｌ合金膜が用いられている。さ
らに、近年では、コンタクト孔の微細化が進み、上層配
線と下層配線間で安定な接続を取るために、コンタクト
孔を気相成長法（ＣＶＤ法）で形成したタングステン
（Ｗ）等の金属で埋め込む方法が用いられている。その
方法の１つに絶縁膜上には金属を形成，成長させずにコ
ンタクト孔中の配線金属膜上にだけ選択的に成長させる
選択ＣＶＤ法がある。この選択ＣＶＤ法は工程を複雑に
せず、埋め込みが実現できるため、有望な方法である
が、上記コンタクト孔中の配線金属膜上以外の絶縁膜上
に、該絶縁膜の材質、及び状態によっては、金属膜が成
長する場合があり（これを選択性の破れと称す）、選択
性を確保するために、絶縁膜の最上層に有機樹脂膜を形
成することが有効であることが知られている。

【０００３】図７はコンタクト孔をタングステンで埋め
込む従来の方法を示した断面工程図である。まず、予め
トランジスタ等の素子が形成された半導体基板１上に第
１の絶縁膜３として例えばシリコン酸化膜をＣＶＤ法等
により形成し、さらに該第１の絶縁膜３上に、例えばス
パッタ法等でＡｌＣｕ合金膜を形成し、写真製版技術に
よりパターニングし、第１の配線膜４とする（図７(a)
）。

【０００４】次に、第２の絶縁膜５として例えばシリコ
ン酸化膜をＣＶＤ法により第１の配線膜４を被覆するよ
うに形成し、さらに、第２の絶縁膜５上に有機樹脂膜６
として例えば

【０００５】

【化１】

【０００６】（式中、Ｒ1 はフェニル基または低級アル
キル基であり、Ｒ1 は同種でもよく、異種でもよい。Ｒ
2 は水素原子または低級アルキル基であり、Ｒ2 は同種
でもよく、異種でもよい。ｎは２０〜１０００の整数を
示す。）

【０００７】で示される重量平均分子量が１０万である
シリコンラダーポリマーのアニソール溶液（５重量％の
濃度に調整されたもの）を回転塗布し、１５０℃，３０
分と３５０℃，６０分の熱処理を行い、シリコンラダー
ポリマー膜を形成する（図７(b) ）。ここで、シリコン
ラダーポリマーの具体的な例としては、上記の構造式に
おいて、Ｒ1 がＣ6 Ｈ5 ，Ｒ2 がＨ又はＣＨ3 であるポ
リフェニルシルセスキオキサン、Ｒ1 がＣ6 Ｈ5 及びＣ
Ｈ2 ＣＨ，Ｒ2 がＨ又はＣＨ3 であるポリフェニルビニ
ルシルセスキオキサン、Ｒ1 がＣ6 Ｈ5 及びＣＨ3 ，Ｒ
2 がＨ又はＣＨ3であるポリフェニルメチルシルセスキ
オキサン、Ｒ1 がＣＨ2 ＣＨ，Ｒ2 がＨ又はＣＨ3 であ
るポリビニルシルセスキオキサン等がある。

【０００８】その後、有機樹脂膜６上に写真製版技術に
よりレジストをパターニングし、これをマスクとしてＣ
ＨＦ3 ／Ｏ2 の混合ガスのプラズマエッチングによりコ
ンタクト孔８を開孔し、レジストを除去する（図７(c)
）。

【０００９】さらに、選択ＣＶＤ法によりタングステン
９を形成し、コンタクトを埋め込む（図７(d) ）。この
とき、原料ガスとしてＷＦ6 ，ＳｉＨ4 を用い、各々の
分圧を数ｍｍＴｏｒｒとし、流量比をＳｉＨ4 ／ＷＦ6
＜０．６とし、形成温度を３００℃とすれば、コンタク
ト孔中に自己整合的に成長する。この後、スパッタ及び
写真製版の技術を用いて第２の配線膜１０を設置する
（図７(e) ）。

【００１０】このように、図６に示す方法では、絶縁膜
の最上層に有機樹脂膜を設けた状態で、金属層の埋め込
み成長を行なうことにより、成長の選択性を向上するこ
とができるが、有機樹脂膜上にも金属層が形成される場
合もあるので、このような場合には、埋め込み成長後に
有機樹脂膜を除去し、これとともに有機樹脂膜上に形成
された金属層をリフトオフすることが望ましい。有機樹
脂膜は有機溶剤により除去することも可能であるが、工
程を煩雑なものとせず、また清浄な状態を維持しつつ有
機樹脂膜を除去する方法としてはドライエッチングがよ
り優れている。しかしながら、有機樹脂膜を除去する方
法として上述のＣＨＦ3 ／Ｏ2 の混合ガスのプラズマエ
ッチングを用いた場合、下層のＳｉＯ2 絶縁膜はＣＨＦ
3 ／Ｏ2の混合ガスによるエッチングに対し耐性を持た
ないため、有機樹脂膜６のみならず、絶縁膜５も削ら
れ、装置の信頼性等に悪影響を及ぼすこととなる。

【００１１】また、図８は、図７に示す従来の技術を用
いて、分離酸化膜２等の段差部に形成された第１の配線
膜４上にコンタクト孔８を形成する工程を示す断面工程
図である。図８(a) は、レティクル３１の開口部を配線
膜４上に位置合わせし、転写光３２を照射している状態
を示す。ここで、図に示すように、レティクル３１の開
口部を通過してフォトレジスト７に照射される光１１の
一部は配線膜４の表面で反射され、反射光１２となる。
配線膜４は段差部分で屈曲しているので、反射光１２は
斜め方向に進むこととなり、フォトレジスト７の感光を
必要としない領域に入射される。その結果、図８(b) に
示すように、フォトレジスト７には入射光１１により感
光した領域１３と反射光１２により感光した領域１４が
形成される。このように露光されたフォトレジスト７を
現像して、これをマスクとしてコンタクト孔の形成を行
なった状態を図８(c) に示す。この図に示すように、コ
ンタクト孔８は設計寸法ｗ1 よりも大きな寸法ｗ2 で形
成され、配線膜４を外れた位置にまで広がってしまう。

【００１２】図９(a) は上述のようにして形成されたコ
ンタクト孔部分に直接第２の配線膜１５を形成した状態
を示す図である。上述のように、写真製版時の反射光の
ため、コンタクト孔２２は所望のコンタクト径より大き
く開孔され、その結果、第１の配線膜４の横に隙間１６
を生じる。この隙間１６は微細であり、一般に、第２の
配線膜はスパッタ法で形成されるため、隙間１６を埋め
ず、ボイドとなる。さらに、スパッタ法で上層配線膜を
形成する場合、この隙間１６から放出されるガスのた
め、図に示すように、上層配線膜に断切れを生じる可能
性が高く、接続不良の原因となる。

【００１３】また、図９(b) は同様のコンタクト孔部分
に金属ＣＶＤ法でタングステン等を埋め込んでプラグ構
造とした状態を示す図である。図に示すように、金属Ｃ
ＶＤ法でコンタクト孔を埋め込む場合でも、第１の配線
膜４の横の隙間１６を埋め込むことはできず、ボイド２
３が形成される。さらに、このボイド２３からの脱ガス
により、上層に形成されるアルミ合金１０に図中２３に
示すように変質した領域ができ、配線の信頼性に悪影響
を及ぼすこととなる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置は以
上のような構成であるため、ドライエッチングによるウ
エハ表面の清浄化が困難であり、また、段差部分におけ
るコンタクト孔の写真製版時に、下層にＡｌ合金等の高
い反射率を有する金属があると、写真製版時に照射光が
高い反射率を有する金属にて乱反射するために、コンタ
クト孔のパターニング精度が著しく損なわれ、この結果
層間配線の信頼性が低下するという問題があった。

【００１５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、選択ＣＶＤ法によるコンタクト
孔中の埋め込み時において、その選択性を損なうことな
く、コンタクト孔を開孔する際のパターニング精度を向
上でき、これにより上層配線の信頼性を向上でき、さら
にドライエッチングによるウエハ表面の清浄化が容易な
半導体装置およびその製造方法を得ることを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体装
置は、層間絶縁膜中に設けられるコンタクト孔を、上記
層間絶縁膜上に順次形成された低反射膜及び有機樹脂膜
上にてパターニングされたレジストパターンをマスクと
して用いたエッチングにより形成したものである。

【００１７】

【作用】この発明においては、層間絶縁膜中に設けられ
るコンタクト孔を、層間絶縁膜上に順次形成された低反
射膜及び有機樹脂膜上にてパターニングされたレジスト
パターンをマスクとして用いたエッチングにより形成し
たので、レジストをパターニングする際に、層間絶縁膜
の下層の金属配線膜により反射されたレジスト露光光が
レジストに再入射することを防止でき、コンタクト孔の
パターニング精度を向上できる。

【００１８】

【実施例】以下この発明の実施例を図について説明す
る。 （実施例１）図１は本発明の第１の実施例による半導体
装置を示す断面図であり、図において、１は半導体基
板、３は該半導体基板１上に形成された第１の絶縁膜、
４は該第１の絶縁膜３上に形成された第１の配線層、５
は上記第１の絶縁膜３上に上記第１の配線層４を覆って
形成された第２の絶縁膜、１７は第２の絶縁膜５上に形
成された低反射膜、６は低反射膜１７上に形成されたシ
リコンラダーポリマーよりなる有機樹脂膜、８は有機樹
脂膜６，低反射膜１７及び第２の絶縁膜５を貫通して第
１の配線層４の一部を露出させるコンタクト孔、９はコ
ンタクト孔８を埋め込むように配置されたタングステン
プラグ、１０はタングステンプラグ９に接続されるよう
に有機樹脂膜６上に形成された第２の配線である。ま
た、図２は図１の半導体装置の製造方法を示す断面工程
図である。

【００１９】次に本第１の実施例による半導体装置の製
造方法を図２に沿って説明する。まず、予めトランジス
タ等の素子が形成された半導体基板１上に第１の絶縁膜
３として例えばシリコン酸化膜をＣＶＤ法等により形成
し、さらに該第１の絶縁膜３上に、例えばスパッタ法等
でＡｌＣｕ合金膜を形成し、写真製版技術によりパター
ニングし、第１の配線膜４とする（図２(a) ）。

【００２０】次に、第２の絶縁膜５として例えばシリコ
ン酸化膜をＣＶＤ法により第１の配線膜４を被覆するよ
うに形成し、このシリコン酸化膜５上にシリコン窒化膜
からなる低反射膜１７をＣＶＤ法等により形成し、さら
に、この低反射膜１７上に従来例で示したような有機樹
脂膜６を形成する（図２(b) ）。その後、有機樹脂膜６
上に写真製版技術によりレジストをパターニングし、こ
れをマスクとしてＣＨＦ3 ／Ｏ2 の混合ガスのプラズマ
エッチングによりコンタクト孔８を開孔し、レジストを
除去する（図２(c) ）。

【００２１】次に、選択ＣＶＤ法によりタングステン９
を形成し、コンタクトを埋め込む（図２(d) ）。このと
き、原料ガスとしてＷＦ6 ，ＳｉＨ4 を用い、各々の分
圧を数ｍｍＴｏｒｒとし、流量比をＳｉＨ4 ／ＷＦ6 ＜
０．６とし、形成温度を３００℃とすれば、コンタクト
孔中に自己整合的に成長する。この後、スパッタ及び写
真製版の技術を用いて第２の配線膜１０を設置する（図
２(e) ）。

【００２２】次に、本実施例において、段差部にコンタ
クト孔を形成する場合について説明する。図３は本実施
例において、分離酸化膜２等の段差部に形成された第１
の配線膜４上にコンタクト孔８を形成する工程を示す断
面工程図である。図３(a) は、レティクル３１の開口部
を配線膜４上に位置合わせし、転写光３２を照射してい
る状態を示す。ここで、図に示すように、レティクル３
１の開口部を通過してフォトレジスト７に照射される光
１１の一部は配線膜４の表面で反射され、反射光１２と
なるが、低反射膜１７が設けられているので、この反射
高１２はここで吸収，発散され、フォトレジスト７に戻
ることはない。その結果、図３(b) に示すように、フォ
トレジスト７には入射光１１により感光した領域１３の
みが形成される。このように露光されたフォトレジスト
７を現像して、これをマスクとしてコンタクト孔の形成
を行なった状態を図３(c) に示す。この図に示すよう
に、コンタクト孔８は設計寸法ｗ1 で形成され、従来の
ように配線膜４を外れた位置にまで広がってしまうこと
を防止できる。

【００２３】このような本実施例においては、コンタク
ト孔１１を形成した後も低反射膜８，有機樹脂膜９を除
去せずに残すことで工程を簡略化することもできるが、
有機樹脂膜上にも金属層が形成される場合もあるので、
このような場合には、埋め込み成長後に有機樹脂膜を除
去し、これとともに有機樹脂膜上に形成された金属層を
リフトオフする。前述したように、有機樹脂膜は有機溶
剤により除去することも可能であるが、工程を煩雑なも
のとせず、また清浄な状態を維持しつつ有機樹脂膜を除
去する方法としてはドライエッチングがより優れてい
る。本実施例では、有機樹脂膜を除去する方法として上
述のＣＨＦ3 ／Ｏ2 の混合ガスのプラズマエッチングを
用いた場合、有機樹脂膜の下に設けたシリコン窒化膜が
ＣＨＦ3 ／Ｏ2 の混合ガスによるエッチングに対し耐性
を有するので、有機樹脂膜６のみを除去することがで
き、ウエハ表面を清浄化することが容易である。

【００２４】（実施例２）図４は本発明の第２の実施例
による半導体装置を示す断面図、図６は図４の半導体装
置の製造方法を示す断面工程図である。本第２の実施例
では、写真製版時の反射光によるレジストの感光を防止
する低反射膜として導電性の層を用い、半導体装置完成
後にこの導電性の層を第２の配線膜の下敷層として残し
たものである。

【００２５】半導体装置におけるストレスマイグレーシ
ョンによる断線不良は、アルミ配線の線幅と相関関係を
有し、線幅が細くなるとストレスマイグレーションによ
る断線不良が生じやすくなる。一方、アルミ配線の下に
導電性の下敷層を設けることにより、このストレスマイ
グレーションによる断線不良を抑えることができ、装置
の寿命を延ばすことができることが知られている。図５
に示すように、配線幅が０．８〜１．０μｍ以下におい
てはその効果は特に顕著である。本実施例は、写真製版
精度を向上する低反射膜として用いた層を、半導体装置
完成後に第２の配線膜の下敷層として用いるようにした
ものである。

【００２６】次に図４の半導体装置の製造方法を図６に
沿って説明する。まず、上記第１の実施例と同様、予め
トランジスタ等の素子が形成された半導体基板１上に第
１の絶縁膜３として例えばシリコン酸化膜をＣＶＤ法等
により形成し、さらに該第１の絶縁膜３上に、例えばス
パッタ法等でＡｌＣｕ合金膜を形成し、写真製版技術に
よりパターニングし、第１の配線膜４を形成し、さら
に、第２の絶縁膜５として例えばシリコン酸化膜をＣＶ
Ｄ法により第１の配線膜４を被覆するように形成し、こ
のシリコン酸化膜５上に金属窒化物、例えば窒化チタン
（ＴｉＮ）からなる低反射膜１８を形成し、この低反射
膜１８上に従来例で示したような有機樹脂膜６を形成す
る（図６(a) ）。その後、有機樹脂膜６上に写真製版技
術によりレジストをパターニングし、これをマスクとし
てＣＨＦ3 ／Ｏ2 の混合ガスのプラズマエッチングによ
りコンタクト孔８を開孔し、レジストを除去した後、選
択ＣＶＤ法によりタングステン９を形成し、コンタクト
を埋め込む（図６(b) ）。このとき、原料ガスとしてＷ
Ｆ6 ，ＳｉＨ4 を用い、各々の分圧を数ｍｍＴｏｒｒと
し、流量比をＳｉＨ4 ／ＷＦ6 ＜０．６とし、形成温度
を３００℃とすれば、コンタクト孔中に自己整合的に成
長する。次に、ＣＨＦ3 ／Ｏ2 の混合ガスのプラズマエ
ッチングにより有機樹脂膜６を除去する（図６(c)）。
この後、第２の配線となるアルミ等の金属膜１９をスパ
ッタによりウエハ表面全面に堆積し、パターンとして残
す部分の金属膜１９上にレジストパターン２１を形成す
る（図６(d) ）。この後、レジストパターン２１をマス
クとして金属膜１９及び低反射膜１８をエッチング除去
する（図６(e) ）。

【００２７】本第２の実施例においても、有機樹脂膜６
の下層に低反射膜１８を設けているので、段差部にコン
タクト孔を形成する場合においては、上記第１の実施例
と同様、第１の配線膜の表面で反射された光が、フォト
レジスト７に戻ることがないのでコンタクト孔８は設計
寸法で形成され、従来のように配線膜を外れた位置にま
で広がってしまうことを防止できる。

【００２８】また、本実施例では、半導体装置完成後に
導電性の低反射膜を第２の配線膜の下敷層として用いる
ようにしているので、ストレスマイグレーションによる
断線不良を抑えることができる。

【００２９】なお、上記実施例では導電性の低反射膜と
してＴｉＮを用いたものについて示したが、アモルファ
スシリコンや多結晶シリコン等を用いることもでき、上
記実施例と同様の効果を奏する。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、層間
絶縁膜中に設けられるコンタクト孔を、層間絶縁膜上に
順次形成された低反射膜及び有機樹脂膜上にてパターニ
ングされたレジストパターンをマスクとして用いたエッ
チングにより形成したので、レジストをパターニングす
る際に、層間絶縁膜の下層の金属配線膜により反射され
たレジスト露光光がレジストに再入射することを防止で
き、コンタクト孔のパターニング精度を向上できる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による半導体装置を示す
断面図である。

【図２】図１の半導体装置を製造する方法を示す断面工
程図である。

【図３】本発明の第１の実施例において段差部の配線膜
上にコンタクト孔を形成する工程を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例による半導体装置を示す
断面図である。

【図５】図３の半導体装置の効果を説明するための図で
ある。

【図６】図３の半導体装置を製造する方法を示す断面工
程図である。

【図７】従来の半導体装置の製造方法を示す断面工程図
である。

【図８】従来の半導体装置の製造方法により段差部の配
線膜上にコンタクト孔を形成する工程を示す図である。

【図９】従来の問題点を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 分離酸化膜 ３ 第１の絶縁膜 ４ 第１の配線膜 ５ 第２の絶縁膜 ６ 有機樹脂膜 ７ フォトレジスト ８ コンタクト孔 ９ タングステンプラグ １０ 第２の配線膜 １７ 絶縁物からなる低反射膜 １８ 金属からなる低反射膜 １９ スパッタ法で形成されたアルミ合金膜 ２０ 下敷層 ２１ フォトレジスト

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に層間絶縁膜で隔てられた
   少なくとも二層の金属配線層を有し、上記層間絶縁膜中
   に設けられたコンタクト孔中に埋め込まれた金属を介し
   て、上記二層の金属配線層が電気的に接続されている半
   導体装置において、 上記コンタクト孔は、上記層間絶縁膜上に順次形成され
   た低反射膜及び有機樹脂膜上にてパターニングされたレ
   ジストパターンをマスクとして用いたエッチングにより
   形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 半導体基板上に素子が形成された半導体
   装置を製造する方法において、 上記半導体基板上に第１の絶縁膜を介して第１の配線を
   形成する工程と、 上記の第１の配線上に第２の絶縁膜を形成する工程と、 上記第２の絶縁膜上に低反射膜を形成し、さらに該低反
   射膜上に有機樹脂膜を形成する工程と、 上記有機樹脂膜上に、上記第１の配線の一部の領域上に
   開口を有するフォトレジストパターンを形成する工程
   と、 該フォトレジストパターンをマスクとして、上記有機樹
   脂膜，上記低反射膜及び上記第２の絶縁膜をエッチング
   し、上記第１の配線に達するコンタクト孔を形成する工
   程と、 上記フォトレジストパターンを除去した後、上記コンタ
   クト孔に金属層を埋め込む工程とを含むことを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。