JPH0955429A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH0955429A
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喜宏 林
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 層間絶縁膜を低誘電率化して配線間容量を低
減させた多層配線構造を少ない工程数で製造できるよう
にする。 【構成】 下地Al配線14が形成された半導体基板1
上にシリコン酸化膜3を形成し、その上に低誘電率樹脂
膜8、低感度の第1のフォトレジスト膜9を形成し、露
光する〔図6(a)〕。次に、高感度な第2のフォトレ
ジスト膜10を形成し、露光する〔図6(b)〕。第
1、第2のフォトレジスト膜を同時に現像し、縦接続孔
パターンと配線溝パターンを形成する。ドライエッチン
グにより、フォトレジストを除去するとともにフォトレ
ジストのパターンを樹脂膜8に転写する。シリコン酸化
膜を選択的にエッチングして縦接続孔3aを形成する
〔図6(c)〕。Cuの堆積と樹脂膜上のCuの研磨除
去により、縦接続配線12と溝埋め込みCu配線13を
形成する〔図6(d)〕。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置およびそ
の製造方法に関し、特に半導体集積回路の配線構造とそ
の形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】シリコン基板上の微細な半導体素子、例
えばMOSFETから構成される大規模半導体集積回路
(LSI)では、複数のMOSFETを接続して小規模
なCMOS回路ブロックを形成するための局所配線と、
これらのCMOS回路ブロック間を接続する長距離配線
が形成されている。ここで、微細なMOSFETを接続
する局所配線では狭ピッチ化が最優先課題となる。一
方、長距離配線では、チップ面積の増大により配線長が
長くなり、配線間容量カップリングノイズやCR遅延
(寄生容量・配線抵抗遅延)の増大が問題視されるよう
になってきている。従って、長距離配線においては、多
層化により配線設計自由度を増加させて総配線長を低減
させることと、層間絶縁膜の低誘電率化が主要な課題と
なっている。
【0003】図8は、第1の従来例として最も一般的な
Al多層配線の形成プロセスを説明するための工程順断
面図である。まず、半導体基板1上に形成されたシリコ
ン酸化膜からなる下地層間絶縁膜21上に、第1のAl
配線22を形成する。第1のAl配線22上にCVD法
によりシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜23を成長さ
せる。化学機械研磨法で層間絶縁膜23を平坦化した
後、フォトリソグラフィ法により第1のフォトレジスト
膜24に縦接続孔パターンを形成し、この第1のフォト
レジスト膜24をマスクとして、CF4 ガスを用いたド
ライエッチングによりで層間絶縁膜23に縦接続孔23
aを形成する〔図8(a)〕。
【0004】O2 ガスで第1のフォトレジスト膜24を
灰化除去した後、Ti(100Å)/TiN(500
Å)のバリヤ膜(図示せず)を堆積し、さらにCVD法
によりブランケットタングステンであるタングステン膜
18aを成膜する〔図8(b)〕。F系ガスでタングス
テン膜18aをエッチバックして、タングステンプラグ
18を形成する。続いて、Ti(100Å)/TiN
(500Å)のバリヤ膜(図示せず)を堆積し、さらに
アルミニウムを堆積して、Ti/TiN/Alからなる
積層Al膜25a形成する。次いで、フォトリソグラフ
ィ法により配線パターンの第2のフォトレジスト膜26
を形成する〔図8(c)〕。
【0005】第2のフォトレジスト膜26をマスクとし
て、Cl系ガスを用いて積層Al膜25aをドライエッ
チングして、第2のAl配線25を形成する。その後、
2ガスを用いてフォトレジストを灰化除去する〔図8
(d)〕。
【0006】多層配線形成のプロセスステップ数低減を
目的として、縦接続配線(スルーホール)とこれに連な
る上層配線を同一工程において形成する方法も提案され
ている。図9から図11は、カンタら(C.W. Kaanta, 1
991 VMIC Conference, p.144)によって提案された層間
絶縁膜に埋め込み配線を形成する第2の従来例を説明す
るための工程順断面図である。まず、半導体基板1上
に、配線溝を有するシリコン酸化物3とその中に埋め込
まれた溝埋め込みAl配線2を形成し、その上に酸化シ
リコンからなる層間絶縁膜23を形成する。続いて、第
1のフォトレジスト膜24を塗布し、露光と現像を行っ
て、第1のフォトレジスト膜24に縦接続孔パターン2
4aを形成する〔図9(a)〕。
【0007】さらに、第2のフォトレジスト膜26を塗
布し、露光と現像を行って、第2のフォトレジスト膜2
6に配線溝パターン26aを形成する〔図9(b)〕。
しかる後、第1および第2のフォトレジスト膜をマスク
として、フッ素系ガスを用いたドライエッチングを行っ
て、層間絶縁膜23に縦接続孔パターン23cを形成す
る。この時、縦接続孔の底部が層間絶縁膜の中間部に位
置する程度でエッチングを終了する〔図9(c)〕。
【0008】次に、エッチングガスをO2 ガスに切り替
えて、第2のフォトレジスト膜26に形成されている配
線溝パターン26aを、第1のフォトレジスト膜24に
転写して、配線溝パターン24bを形成する〔図10
(a)〕。再びエッチングガスをフッ素系に切り替え、
配線溝パターンの転写された第1のフォトレジスト膜2
4をマスクにエッチングを行って、層間絶縁膜23に配
線溝23bを形成する。この際、層間絶縁膜に予め形成
されている縦接続孔パターン23cも再びエッチングが
進行して、その底部がAl配線2に達する縦接続孔23
aが形成される〔図10(b)〕。
【0009】O2 プラズマガスを用いて層間絶縁膜上の
フォトレジスト膜を除去し〔図10(c)〕、蒸着法あ
るいはスパッタ法により、層間絶縁膜23に形成された
配線溝と縦接続孔とを埋め込みながらAl等の金属膜2
7を成長させる〔図11(a)〕。最後に、化学機械研
磨法で層間絶縁膜23上の金属膜27を選択的に除去し
て、縦接続配線28と溝埋め込み配線29とを形成する
〔図11(b)〕。
【0010】一方、配線間容量の抑制を目的とした多層
配線形成プロセスも提案されている。配線間容量の低減
には、層間絶縁膜の低誘電率化が有効である。第1およ
び第2の従来例で示したように、層間絶縁膜にはプラズ
マCVD法によるシリコン酸化膜が用いられているが、
その比誘電率(ε)は3.9〜4.5程度である。酸化
膜中にフッ素(F)を添加することにより、εは3.1
程度まで低減できるが、無機薄膜材料による層間絶縁膜
の誘電率を3.0以下にすることは難しいとされてい
る。
【0011】このため、ポリイミド(ε=2.5〜3.
5)に代表される有機材料が注目されている。図12な
いし図13は、特開平2−235359号公報にて提案
された、低比誘電率材料としてポリイミドを用いた多層
配線形成プロセスを説明するための工程順断面図である
(以下、この例を第3の従来例という)。まず、半導体
基板1上の下地層間絶縁膜21上に第1のAl配線22
を形成し、その上にシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜
23を成長させる。さらに、その上にスピンコーティン
グ法によりポリイミド膜30を成膜する〔図12
(a)〕。ポリイミド膜30上に第1のフォトレジスト
膜24を塗付し、これに縦接続孔パターン24aを形成
する〔図12(b)〕。
【0012】その後、O2 を反応ガスとするドライエッ
チングにより、ポリイミド膜30に縦接続孔30aを形
成する〔図12(c)〕。この際、ポリイミド膜30上
のフォトレジストは灰化除去される。ポリイミド膜30
のエッチングにO2 プラズマガスを用いているため、ポ
リイミド下の無機の層間絶縁膜23が現れると、エッチ
ングは停止する。次に、エッチングガスをCF4 に切り
替えて、無機層間絶縁膜をも貫通する縦接続孔30bを
形成する〔図13(a)〕。
【0013】Al膜を成膜し、配線パターン形状の第2
のフォトレジスト膜26を形成した後、これをマスクと
した、Cl2 ガスを用いたドライエッチングにより第2
のAl配線25を形成する〔図13(b)〕。最後に、
2 プラズマガスで第2のフォトレジスト膜26を灰化
除去する〔図13(c)〕。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第1、
第2および第3の従来例には、それぞれ以下に述べる課
題がある。まず、第1の従来例の方法は、多層配線形成
のプロセスステップ数が多い。少なくとも2回のフォト
リソグラフィ工程(縦接続孔パターンと第2の配線パタ
ーン)、2回の金属膜成長工程(タングステンとアルミ
ニウム)、2回のドライエッチング工程(縦接続孔形成
と第2のAl配線形成)と、1回のCMP工程(層間絶
縁膜の平坦化)を必要としている。このため、多層配線
形成のプロセスがコスト高となってしまう。
【0015】第2の従来例では、配線溝と縦接続孔に一
括して金属膜を形成することで、金属膜成膜工程が1回
となりプロセスステップ数が低減している。ところで、
第2の従来例の場合、第1のフォトレジスト膜に縦接続
孔パターンを形成した後、第2のフォトレジスト膜を塗
布し、露光・現像により第2のフォトレジスト膜に配線
溝パターンを形成している。このとき、第1のフォトレ
ジスト膜には縦接続孔パターンの段差があるため、第2
のフォトレジスト膜が局所的に厚くなってしまう。
【0016】第2のフォトレジスト膜に配線溝パターン
を形成する際、この局所的に厚くなった領域の第2のフ
ォトレジスト膜に対して十分な露光を行う必要がある
が、縦接続孔パターン形成領域以外の第2のフォトレジ
スト膜の露光量が過剰となり、配線溝パターン幅が増大
してしまう。特に、パターンが密集している領域では、
隣接するフォトレジスト膜パターンと重なり合い、一つ
のパターンになってしまうという問題が起こる。
【0017】また、第2の従来例では、第1のフォトレ
ジスト膜からなる縦接続孔パターンと第2のフォトレジ
スト膜からなる配線溝パターンを、ドライエッチングに
より層間絶縁膜に転写しているが、層間絶縁膜にシリコ
ン酸化膜を用いているためエッチングガスの切り替え回
数が多いといった欠点もある。ここでは、まずCl系ガ
スで第1のフォトレジスト膜の縦接続孔パターンを層間
絶縁膜に転写する。
【0018】次に、O2 プラズマガスで第2のフォトレ
ジスト膜の配線溝パターンを第1のフォトレジスト膜パ
ターンに転写し、Cl系ガスに再び切り替えて第1のフ
ォトレジスト膜に転写された配線溝パターンをマスクと
して層間絶縁膜に配線溝パターンを転写し、最後に再び
2 プラズマガスで第1のフォトレジスト膜パターンを
除去している。すなわち、Cl系→O2 系→Cl系→O
2 系のエッチングガス切り替えが必要となっており、工
程が煩雑でまた時間も多くかかる。また、第1および第
2の従来例では、層間絶縁膜を無機材料を用いて形成し
ていたため、寄生容量を小さくすることはできず、回路
ブロック間のグローバルな配線を形成するのには不向き
であった。
【0019】また、第3の従来例では、層間絶縁膜を低
誘電率有機材料であるポリイミドとシリコン酸化膜から
成る積層絶縁膜により形成し、第1のフォトレジスト膜
に形成した縦接続孔パターンのみを積層絶縁膜に転写し
ている。その後、Alを成膜し、これを第2のフォトレ
ジストによりドライエッチングして配線パターンを形成
しているが、Alのドライエッチングに使用した第2の
フォトレジスト膜の除去時には、O2 プラズマガスある
いはレジスト剥離液により、ポリイミドも一部除去さ
れ、膜減りとなる欠点があった〔図13(c)参照〕。
すなわち、有機層間絶縁膜上にAl配線パターンを形成
した場合には、信頼性の高いデバイスを得ることは困難
である。
【0020】本発明は、上述した従来例の問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、第1に、異なる
パターンを有する2層構造感光性樹脂膜を形成する際
に、上層感光性樹脂膜のパターン形成時に下層感光性樹
脂膜のパターンの影響を無くした半導体装置の構造とそ
の製造方法を提供することである。第2に、有機絶縁膜
への配線形成においてフォトリソグラフィやドライエッ
チングの工程を可能なかぎり低減することができる半導
体装置の構造およびその製造方法を提供することであ
る。第3に、大規模集積回路において高密度な局所配線
と低容量の長距離配線層からなる配線層構造とそれに適
した製造方法を提供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による半導体装置は、半導体基板上に、第1
の開口部が開孔された第1の感光性樹脂膜が形成され、
該第1の感光性樹脂膜上に、該第1の感光性樹脂膜より
も高感度の材料からなり、前記第1の開口部に連なる第
2の開口部が開孔された第2の感光性樹脂膜が形成さ
れ、前記第1および第2の開口部が導電性材料により充
填されていることを特徴としている。
【0022】上記の目的を達成するための本発明による
もう一つの半導体装置は、近接して配置され局所配線に
より接続された複数の半導体素子を有する回路ブロック
を複数個有し、複数の回路ブロック間が長距離配線によ
り接続されている半導体装置において、前記局所配線は
無機層間絶縁膜に形成された溝内に埋め込まれ、前記長
距離配線は樹脂層間絶縁膜に形成された溝内に埋め込ま
れていることを特徴としている。
【0023】また、上記の目的を達成するための本発明
による半導体装置の製造方法は、(1)半導体基板上に
形成された層間絶縁膜上に第1の感光性樹脂膜を形成し
これに第1の開口パターンを露光する工程と、(2)前
記第1の感光性樹脂膜よりも高感度の第2の感光性樹脂
膜を第1の感光性樹脂膜上に形成する工程と、(3)前
記第1の感光性樹脂膜が十分に感光しない時間で前記第
2の感光性樹脂膜に第2の開口パターンを露光する工程
と、(4)前記第1の感光性樹脂膜と前記第2の感光性
樹脂膜を同時に現像することにより、第1の感光性樹脂
膜の第1の開口と第2の感光性樹脂膜の第2の開口とを
一括して形成する工程と、を含んでいる。
【0024】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。本発明は、感光性樹脂膜の
感光特性の違いを利用する。図1は、本発明に用いる第
1および第2の感光性樹脂膜の感光特性を模式的に示し
たものである。第2の感光性樹脂膜の材料は、第1の感
光性樹脂膜の材料に比較して、相対的に高感度であるも
のを選択する。このように、感光特性の異なる2種類の
材料を用いると、第1の感光性樹脂膜は感光されない
が、第2の感光性樹脂膜は十分に感光する露光量条件範
囲が存在する。
【0025】本発明においては、まず、第1の感光性樹
脂膜を塗付し、これを露光して潜像を形成する。そし
て、現像を行うことなくその上に第2の感光性樹脂膜を
形成し上記の露光量条件範囲において露光を行う。これ
により第2の感光性樹脂膜のみを感光させることができ
る。その後、第1および第2の感光性樹脂膜を同時に現
像する。この手段を採ることにより、以下の効果を得る
ことができる。 第2の感光性樹脂膜の塗付時および露光時には、第
1の感光性樹脂膜は未現像状態であるため、その表面は
平坦であり第2の感光性樹脂膜を均一の膜厚に形成する
ことができる。その結果、第2の感光性樹脂膜の露光が
容易になり、露光量の過・不足を防止することができ
る。 1回の現像処理により、第1および第2の感光性樹
脂膜の現像を行うことができるため、工数を短縮するこ
とができる。
【0026】図2は、本発明の実施の形態を説明するた
めの工程順断面図である。シリコンからなる半導体基板
100上に、直接あるいは他の層間絶縁膜を介して層間
絶縁膜200を形成する。この層間絶縁膜にはすでに埋
め込み型の配線が形成されている場合と、これから形成
する場合とがある。これから埋め込み配線を形成する場
合には、有機材料の層間絶縁膜が用いられる。層間絶縁
膜200上に、第1の感光性樹脂膜300を形成し、マ
スクを介して露光を行い第1の開口パターン露光領域3
00aを形成する〔図2(a)〕。
【0027】第1の感光性樹脂膜300を現像すること
なく、その上に第2の感光性樹脂膜400を塗付する。
この第2の感光性樹脂膜の材料には第1の感光性樹脂膜
より高感度のものが用いられる〔図2(b)〕。次に、
第2の感光性樹脂膜用のマスクを介して露光を行い、第
2の感光性樹脂膜400に第2の開口パターン露光領域
400aを形成する〔図2(c)〕。このときの露光光
の強度および時間は第1の感光性樹脂膜が感光すること
がないように設定される。
【0028】次に、現像を行って第1の開口パターン3
00bおよび第2の開口パターン400bを同時に形成
する〔図2(d)〕。ここで、第1の開口パターンは縦
接続孔パターンとなるものであり、第2の開口パターン
は配線溝パターンとなるものである。
【0029】第1および第2の感光性樹脂膜はこのまま
層間絶縁膜として用いることができる。層間絶縁膜とし
て用いるのであれば、第1および第2の開口パターン内
に導電性材料を埋め込んで縦接続配線および溝埋め込み
配線を形成する。また、第1および第2の感光性樹脂膜
を下層の層間絶縁膜200に開口パターンを転写するた
めの用途に用いることができる。その場合には、図2
(d)の状態からドライエッチングを行い、第1および
第2の感光性樹脂膜を除去しつつそのパターンを層間絶
縁膜200に転写する。しかる後、層間絶縁膜200に
形成された開口内に導電性材料を埋め込み、縦接続配線
および溝埋め込み配線を形成する。
【0030】以上の手段により、少ない工数により低容
量で信頼性の高い溝埋め込み型配線を形成することがで
きる。したがって、本発明により長距離配線に適した低
寄生容量の配線構造を提供することができる。
【0031】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 [第1の実施例]図3は、本発明の第1の実施例を説明
するための工程断面図である。本実施例においては、感
光特性の異なる2種類の感光性ポリイミドを層間絶縁膜
として用いて多層配線を形成している。半導体基板1上
に形成されたシリコン酸化膜3とその中に埋め込まれた
溝埋め込みAl配線2との上に、第1の感光性ポリイミ
ド膜4を塗布し、露光を行って、縦接続孔パターン露光
領域4aを形成する〔図3(a)〕。次に、第1の感光
性ポリイミド膜の材料よりも高感度の感光性ポリイミド
を塗付して第2の感光性ポリイミド膜5を形成する〔図
3(b)〕。次いで、露光を行って第2の感光性ポリイ
ミド膜5に配線溝パターン露光領域5aを形成する〔図
3(c)〕。このとき、下層の第1の感光性ポリイミド
膜が感光しない程度の露光量とすることが肝要である。
【0032】しかる後、現像液に浸すことにより、第1
の感光性ポリイミド膜中の露光領域4aと、第2の感光
性ポリイミド膜中の露光領域5aとを同時に溶解させ
る。この時、第1の感光性ポリイミド膜の露光領域上に
第2の感光性ポリイミド膜の露光領域がない場合、第1
の感光性ポリイミド膜のこの露光領域には現像液がかか
らないため、未現像領域4cとして残される。このよう
にして、第2の感光性ポリイミド膜に形成された配線溝
5bの直下に、第1の感光性ポリイミド膜の縦接続孔4
bが形成される〔図3(d)〕。
【0033】さらに、この配線溝5bと縦接続孔4bと
を埋め込みながら、CVD法によりバリア層としてのT
iN層(図示せず)と同じくCVD法により導電性膜と
してAlを成長させる。化学機械研磨(CMP:Chemic
al Mechnical Polishing)法で、第2の感光性ポリイミ
ド膜上のTiN/Al膜を除去することにより、溝埋め
込みAl配線7と、これを下層の溝埋め込みAl配線2
と接続するための縦接続配線6とが、感光特性の異なる
積層ポリイミド膜中に形成される〔図3(e)〕。
【0034】[第2の実施例]次に、低誘電率有機材料
膜としてベンゾシクロブテン(BCB:benzocyclobute
ne)を用いる第2の実施例について説明する。ベンゾシ
クロブテンの比誘電率は2.7であり、またベンゾシク
ロブテン中への銅の拡散がないことから、銅配線のため
の低誘電率有機絶縁膜として用いることができる。ベン
ゾシクロブテンのパターニングにはエッチングマスク層
が必要である。第2の実施例では、マスク層として感光
特性の異なるポジ型フォトレジストを用いる。
【0035】図4乃至図5は、第2の実施例を説明する
ための工程順断面図である。ここでは、第1のフォトレ
ジスト膜を形成する材料として、染料を添加して感度を
低下させたポジ型フォトレジストを用い、第2のフォト
レジスト膜を形成する材料としては、染料無添加の高感
度のポジ型フォトレジストを用いる。第1のフォトレジ
スト膜は700〜800msecの露光時間で感光し、
一方、第2のフォトレジスト膜は150〜200mse
cの露光時間で感光する。すなわち、第2のフォトジレ
スト膜の露光の際に、第1のフォトレジスト膜が感光し
てしまうことはない。
【0036】まず、半導体基板1上に形成されたシリコ
ン酸化膜3とその中に埋め込まれた溝埋め込みAl配線
2との上に、スピンコーティング法でベンゾシクロブテ
ンを塗布して低誘電率樹脂膜8を形成し、窒素雰囲気中
で250〜300度で加熱処理を行う。ベンゾシクロブ
テンの好ましい膜厚は、2000〜20000Å程度で
あるが、ここでは膜厚を10000Åとしたものとして
説明を進める。次に、5000Åの第1のフォトレジス
ト膜9を塗布し、露光して縦接続孔パターン露光領域9
aを形成する〔図4(a)〕。露光時間は約750ms
ecである。露光後、100℃程度でポスト・エクスポ
ージャー・ベークを行ってもよい。
【0037】その上に高感度のフォトレジストを塗布し
て膜厚5000Åの第2のフォトレジスト膜10を形成
し、露光して配線溝パターン10aを形成する〔図4
(b)〕。第2のフォトレジスト膜10の露光時間は約
150msecであり、下地に位置する第1のフォトレ
ジスト膜9の感度は十分に低いためこの露光時に感光し
てしまうことはない。仮に、第1のフォトレジスト膜9
が感光するにしても、第1のフォトレジスト膜の極表面
層に限られる。ここでも、露光後、100℃程度でポス
ト・エクスポージャー・ベークを行ってもよい。次に、
現像液を塗布することにより、第2のフォトレジスト膜
10には配線溝パターン10bが、また第1のフォトレ
ジスト膜9には縦接続孔パターン9bが形成される〔図
4(c)〕。
【0038】この時、第1のフォトレジスト膜9の露光
領域上に第2のフォトレジスト膜10の露光領域がない
場合、下地に位置する第1のフォトレジスト膜に現像液
がかからないため、現像は進行しない。このようにし
て、第2のフォトレジスト膜10の配線溝パターン10
bの直下のみに、第1のフォトレジスト膜の縦接続孔パ
ターン9bが形成される。
【0039】しかる後、O2 −CHF3 −Arの混合ガ
スを用いて、ベンゾシクロブテンと第1および第2のフ
ォトレジスト膜の各エッチング速度が等しくなる条件
で、ドライエッチングを行う。このエッチング工程にお
いて、第1のフォトレジスト膜に形成された縦接続孔パ
ターン9bと第2のフォトレジスト膜に形成された配線
溝パターン10bとが、ベンゾシクロブテン膜に縦接続
孔8aおよび配線溝8bとして転写されると同時に、ベ
ンゾシクロブテン膜上の第1および第2のフォトレジス
ト膜が除去される〔図5(a)〕。
【0040】次に、CVD法により、ベンゾシクロブテ
ン膜に転写された縦接続孔8aと配線溝8bとを埋め込
みながら、CVD−Cu膜11を成長させる〔図5
(b)〕。最後に、シリカ砥粒を用いた化学機械研磨法
により、ベンゾシクロブテン上のCu膜を除去する。こ
れにより、溝埋め込みCu配線13と、これを下層の溝
埋め込みAl配線2と接続するための縦接続配線12と
を低誘電率樹脂膜8内に形成することができる〔図5
(c)〕。
【0041】ここでは、感光特性の異なる2種類のポジ
型フォトレジスト膜を用いた場合について説明したが、
感光特性の異なる2種類のネガ型フォトレジスト膜を用
いることもできる。また、第1のフォトレジスト膜の露
光後にベークして、感光剤を揮発させて露光感度を低下
させ、その後に第2のフォトレジスト膜を塗布するよう
にしても同様な結果が得られる。また、ここでは、ベン
ゾシクロブテン上にCVD−Cu膜を直接成長させる場
合について説明したが、下地に下層のAl配線層との反
応を防止するための100〜300Å程度の膜厚のTi
N膜などのバリア層を形成してもよい。
【0042】[第3の実施例]第2の実施例では、溝埋
め込みAl配線上にベンゾシクロブテン膜を形成してい
たが、第3の実施例では、Al薄膜をドライエッチング
して形成するAl配線上にベンゾシクロブテン膜を形成
する。図6は、第3の実施例を説明するための工程順断
面図である。ドライエッチング法で形成した下地Al配
線14上に、CVD法でシリコン酸化膜3を成長させ
る。化学機械研磨法でシリコン酸化膜を平坦化した後、
スピンコーティング法でベンゾシクロブテンを塗布して
低誘電率樹脂膜8を形成する。
【0043】ベンゾシクロブテン膜上に低感度の第1の
フォトレジスト膜9を形成し、これを露光して縦接続孔
パターン露光領域9aを形成する〔図6(a)〕。高感
度の第2のフォトレジスト膜10を塗布し、露光して配
線溝パターン露光領域10aを形成する〔図6
(b)〕。縦接続孔パターンおよび配線溝パターンの露
光領域を同時に現像し、Ar−O2 系ガスでエッチバッ
クすることにより第1および第2のフォトレジスト膜に
形成された縦接続孔パターンと配線溝パターンを、ベン
ゾシクロブテン膜に縦接続孔8a、配線溝8bと転写
し、さらにAr−CF4 系ガスでエッチングを行ってシ
リコン酸化膜3に縦接続孔3aを形成する〔図6
(c)〕。CVD法でCu膜を成膜し、化学機械研磨法
でベンゾシクロブテン上のCu膜を除去することによ
り、下地Al配線14と縦接続配線12により接続され
た溝埋め込みCu配線13を得ることができる〔図6
(d)〕。
【0044】[第4の実施例]図7は、第4の実施例を
説明するための断面図である。シリコン基板上の微細な
半導体素子、例えばMOSFETを有する大規模半導体
集積回路(LSI)では、複数のMOSFETを接続し
て小規模CMOS回路ブロックを形成するための局所配
線(以下、ローカル配線という)と、このようなCMO
S回路ブロック間を接続する長距離配線(以下、グロー
バル配線という)とが必要となる。微細なMOSFET
を接続するローカル配線は狭ピッチ化が最優先課題であ
る。
【0045】一方、ローカル配線層上に形成されるグロ
ーバル配線はチップ面積の増大により長くなり、CR遅
延の低減が最優先課題となっている。従って、第4の実
施例では、ローカル配線にはシリコン酸化膜に形成され
た配線溝にAlを埋め込んだ第1および第2の埋め込み
Al配線を配置し、またグローバル配線には、ベンゾシ
クロブテンに形成された配線溝にCuを埋め込んだ第1
および第2の埋め込みCu配線を配置する。
【0046】この実施例の半導体装置を作製するには、
まず、半導体基板1に形成された素子分離用の深さ30
00Å〜5000Åの溝にシリコン酸化膜を埋め込んで
平坦化素子分離膜15を形成する。具体的には、低圧C
VD法により素子分離溝を埋め込みながら、シリコン酸
化膜を成長させ、中性シリカ砥粒を用いた化学機械研磨
法によってシリコン酸化膜を平坦化する。素子分離され
たシリコン領域にサリサイド構造のMOSトランジスタ
16を形成し、CVD法で500Å程度のシリコン酸化
膜あるいはシリコン窒化膜(図示せず)と5000Å程
度のBPSG(ボロン・リン・シリケイトガラス)膜1
7を成長させ、800〜900度の窒素雰囲気でリフロ
ーアニールする。
【0047】シリカ砥粒を用いた化学機械研磨法でBP
SG膜表面を平坦化研磨した後、MOSFETの拡散層
とゲート電極の表面に形成されたシリサイド膜上にコン
タクトホールを形成する。コリメートスパッタ法で、T
i(100Å)/TiN(500Å)のバリア膜(図示
せず)を成長させ、さらにCVD法でタングステン膜を
成長させる。pH9程度のシリカ砥粒を用いた化学機械
研磨法でタングステンを研磨し、コンタクトホール内に
タングステンプラグ18を形成する。
【0048】次に、ローカル配線形成工程を行う。ま
ず、CVD法で5000Å程度の第1のシリコン酸化膜
3Aを成長させ、この第1のシリコン酸化膜3Aに第1
の配線溝を形成する。コリメートスパッタ法で500Å
のTiN(図示せず)を成膜し、高温スパッタ法で配線
溝を埋め込みながら8000Å程度のAlを成長させ
る。しかる後、シリカ砥粒を用いた化学機械研磨法で、
第1のシリコン酸化膜3A上のAl膜を研磨することに
より、第1の埋め込みAl配線2aを形成する。さら
に、10000Åの第2のシリコン酸化膜3Bを成長さ
せ、縦接続孔(スルーホール)および第2の配線溝を形
成する。500ÅのTiN膜(図示せず)を形成した
後、上記した高温スパッタ法によるAlの成膜と化学機
械研磨法による第2のシリコン酸化膜3B上のAl膜の
除去により、縦接続配線6および第2の埋め込みAl配
線2bを形成する。
【0049】最後に、グローバル配線形成工程を行う。
グローバル配線には層間絶縁膜として低誘電率のベンゾ
シクロブテンを用い、また配線材料には低抵抗のCuを
用いる。まず、上層のシリコン酸化膜3に形成された第
2の埋め込みAl配線2b上に、ベンゾシクロブテンを
用いて膜厚10000Åの第1の低誘電率樹脂膜8Aを
形成する。次に、図4および図5に示した第3の実施例
による製造方法で、第1の低誘電率樹脂膜8Aに第3の
配線溝と縦接続孔を形成し、CVD法によるCu膜の成
長と化学機械研磨法による第1の低誘電率樹脂膜8A上
のCuの研磨により、縦接続孔と第3の配線溝にCuを
埋め込んだ縦接続配線12および第1の埋め込みCu配
線13aを形成する。
【0050】第1の低誘電率樹脂膜8A上に1000Å
程度の薄いシリコン窒化膜19を成長させた後、ベンゾ
シクロブテンおよびCuを用い同様の方法で第2の低誘
電率樹脂膜8B、縦接続配線12および第2の埋め込み
Cu配線13bを形成する。Cuの酸化を防止するた
め、第2溝埋め込みCu配線13b上にシリコン窒化膜
19およびシリコン酸化膜20からなる積層構造パッシ
ベーション膜を形成する。以上の工程により、半導体基
板に形成されたMOSFET上に、シリコン酸化膜に形
成された第1および第2の埋め込みAl配線からなるロ
ーカル配線と、低誘電率の有機絶縁膜であるベンゾシク
ロブテンに形成された第1および第2の埋め込みCu配
線からなるグローバル配線が形成される。
【0051】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第1の感光性樹脂膜と第2の感光性樹脂膜との感度差を
利用することにより、1回の現像処理で第1および第2
の感光性樹脂膜に一括してパターンを形成することがで
きる。また、下層感光性樹脂膜に露光・現像によりパタ
ーンを形成した後に上層感光性樹脂膜の露光を行う場合
と異なり、パターンが形成されていない平坦な下層感光
性樹脂膜上に上層感光性樹脂膜を形成できることによ
り、下地段差の影響による寸法シフトのない露光パター
ンの形成が可能となる。
【0052】さらに、本発明によれば、層間絶縁膜に低
誘電率有機膜を用い、その上に設けられた、縦接続孔パ
ターンおよび配線溝パターンが形成された感光度の異な
る第1および第2の感光性樹脂膜を、酸素含プラズマガ
スでエッチバックすることにより、感光性樹脂膜の除去
とともに低誘電率有機膜に一括して縦接続孔と配線溝と
を形成することが可能になる。そして、この縦接続孔と
配線溝とに金属を埋め込むことにより多層配線を形成で
きることから、多層配線の形成プロセスステップを大幅
に低減させることができる。したがって、本発明によれ
ば、層間絶縁膜の低誘電率化による配線間容量の低減効
果に基づく性能向上と、多層配線形成の工程数削減によ
る製造コスト低減とを、同時に達成することができる。
特に、層間絶縁膜の低誘電率化は回路ブロック間を結ぶ
長距離配線に対して有効であり、長距離配線の信号漏洩
ノイズを低減し、信号遅延を抑制した高性能半導体集積
回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態を説明するための感光性
樹脂膜の特性図である。
【図2】 本発明の実施の形態を説明するための工程順
断面図である。
【図3】 本発明の第1の実施例の製造方法を説明する
ための工程順断面図である。
【図4】 本発明の第2の実施例の製造方法を説明する
ための工程順断面図の一部である。
【図5】 本発明の第2の実施例の製造方法を説明する
ための、図4の工程に続く工程での工程順断面図であ
る。
【図6】 本発明の第3の実施例の製造方法を説明する
ための工程順断面図である。
【図7】 本発明の第4実施例の構造およびその製造方
法を説明するための断面図である。
【図8】 第1の従来例を説明するための工程順断面図
である。
【図9】 第2の従来例を説明するための工程順断面図
の一部である。
【図10】 第2の従来例を説明するための、図9の工
程に続く工程での工程順断面図の一部である。
【図11】 第2の従来例を説明するための、図10の
工程に続く工程での工程順断面図である。
【図12】 第3の従来例を説明するための工程順断面
図の一部である。
【図13】 第3の従来例を説明するための、図12の
工程に続く工程での工程順断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 溝埋め込みAl配線 2a 第1の埋め込みAl配線 2b 第2の埋め込みAl配線 3 シリコン酸化膜 3a 縦接続孔 3A 第1のシリコン酸化膜 3B 第2のシリコン酸化膜 4 第1の感光性ポリイミド膜 4a 縦接続孔パターン露光領域 4b 縦接続孔 4c 未現像領域 5 第2の感光性ポリイミド膜 5a 配線溝パターン露光領域 5b 配線溝 6、12 縦接続配線 7 溝埋め込みAl配線 8 低誘電率樹脂膜(ベンゾシクロブテン) 8a 縦接続孔 8b 配線溝 8A 第1の低誘電率樹脂膜 8B 第2の低誘電率樹脂膜 9 第1のフォトレジスト膜 9a 縦接続孔パターン露光領域 9b 縦接続孔パターン 10 第2のフォトレジスト膜 10a 配線溝パターン露光領域 10b 配線溝パターン 11 CVD−Cu膜 13 溝埋め込みCu配線 13a 第1の埋め込みCu配線 13b 第2の埋め込みCu配線 14 下地Al配線 15 平坦化素子分離膜 16 MOSトランジスタ 17 BPSG膜 18 タングステンプラグ 18a タングステン膜 19 シリコン窒化膜 20 シリコン酸化膜 21 下地層間絶縁膜 22 第1のAl配線 23 層間絶縁膜 23a 縦接続孔 23b 配線溝 23c 縦接続孔パターン 24 第1のフォトレジスト膜 24a 縦接続孔パターン 24b 配線溝パターン 25 第2のAl配線 25a 積層Al膜 26 第2のフォトレジスト膜 26a 配線溝パターン 27 金属膜 28 縦接続配線 29 溝埋め込み配線 30 ポリイミド膜 30a、30b 縦接続孔 100 半導体基板 200 層間絶縁膜 300 第1の感光性樹脂膜 300a 第1の開口パターン露光領域 300b 第1の開口パターン 400 第2の感光性樹脂膜 400a 第2の開口パターン露光領域 400b 第2の開口パターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/90 S K

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に、第1の開口部が開孔さ
    れた第1の感光性樹脂膜が形成され、該第1の感光性樹
    脂膜上に、該第1の感光性樹脂膜よりも高感度の材料か
    らなり、前記第1の開口部に連なる第2の開口部が開孔
    された第2の感光性樹脂膜が形成され、前記第1および
    第2の開口部が導電性材料により充填されていることを
    特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 近接して配置され局所配線により接続さ
    れた複数の半導体素子を有する回路ブロックを複数個有
    し、複数の回路ブロック間が長距離配線により接続され
    ている半導体装置において、前記局所配線は無機層間絶
    縁膜に形成された溝内に埋め込まれ、前記長距離配線は
    樹脂層間絶縁膜に形成された溝内に埋め込まれているこ
    とを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記樹脂層間絶縁膜がベンゾシクロブテ
    ンにより形成され、前記長距離配線が銅を主体とする導
    電材料により形成されていることを特徴とする請求項2
    記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 (1)半導体基板上に形成された層間絶
    縁膜上に第1の感光性樹脂膜を形成しこれに第1の開口
    パターンを露光する工程と、 (2)前記第1の感光性樹脂膜よりも高感度の第2の感
    光性樹脂膜を第1の感光性樹脂膜上に形成する工程と、 (3)前記第1の感光性樹脂膜が十分に感光しない時間
    で前記第2の感光性樹脂膜に第2の開口パターンを露光
    する工程と、 (4)前記第1の感光性樹脂膜と前記第2の感光性樹脂
    膜を同時に現像することにより、第1の感光性樹脂膜の
    第1の開口と前記第2の感光性樹脂膜の第2の開口とを
    一括して形成する工程と、を含むことを特徴とする半導
    体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第(4)の工程の後に、前記第1お
    よび第2の開口内を導電性材料により埋め込む工程が付
    加されていることを特徴とする請求項4記載の半導体装
    置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記層間絶縁膜が有機材料により形成さ
    れており、前記第(4)の工程の後に、(a)ドライエ
    ッチング法により、前記第1および第2の感光性樹脂膜
    を除去するとともに前記第1および第2の開口を前記層
    間絶縁膜に転写する工程と、(b)前記層間絶縁膜に転
    写された第1および第2の開口内を導電性材料により埋
    め込む工程と、が付加されていることを特徴とする請求
    項4記載の半導体装置の製造方法。
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