JPH1022381A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 フォトリソグラフィ技術を用いて半導体基板
上にコンタクトホールなどを形成する際、レジスト下部
の酸化膜の膜厚の差による光路長の差によりレジストの
形状が変化し寸法制御性が悪化してしまう。 【解決手段】 半導体基板主面に絶縁膜４を形成し、こ
の絶縁膜上に光を透過させない高融点金属膜８を形成す
る。その後この高融点金属膜８の直上にレジストパター
ン５を形成し、レジストパターンをマスクとして高融点
金属膜８及び絶縁膜４をエッチングしコンタクトホール
６を形成する。その後通常の工程により配線１０を形成
する。このような工程にすることにより光が酸化膜中に
透過する前に前記光を透過させない膜が光を反射するこ
とにより、酸化膜４の膜厚差による光路長の差が生じな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトリソグラフ
ィ技術を用いた半導体装置の製造方法、詳しくは半導体
装置の膜構造及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に堆積された酸化膜にコン
タクトホールを形成する場合、フォトリソグラフィ技術
を用いて酸化膜上に所定のレジストパターンを作成し、
このレジストをマスクとして酸化膜をエッチングするこ
とでコンタクトホールを形成する。以下に図8を用いて
従来の半導体装置の製造工程を説明する。

【０００３】初めに、半導体基板１上にフィールド酸化
膜２及びポリシリコンによる配線３を形成する。その
後、基板全面に対して酸化膜４を形成させる。図8-1は
ここまでの工程が終わった段階の断面図である。

【０００４】次にこの酸化膜４上にフォトレジストを塗
布し、このレジストの所定の部分を露光させた後に現像
することにより、図8-2の様なレジストパターン５を形
成する。その後、このレジストパターン５をマスクとし
てエッチングをすることにより酸化膜４の所定部分が除
去され、さらにレジストパターン５を除去することによ
り図8-3の様に酸化膜４にコンタクトホール６が形成さ
れる。この後、図8-4の様にポリシリコンによる配線７
を基板全面に形成し、この配線７を低抵抗化するため
に、ＷＳｉ等の低抵抗な材料による金属膜８が配線７上
に形成される。（図8-5）次に、図8-6に示すようにフォ
トリソグラフィ技術により配線用のレジストパターン９
をＷＳｉの膜８上に形成した後、このレジストパターン
９をマスクとしてエッチングを行い配線７及び金属膜８
の不要な部分を除去する。その後レジスト９を除去する
工程によって、コンタクトホール６の部分に配線１０が
形成される。

【０００５】このコンタクトホールの部分に配線用材料
としてＡｌーＳｉーＣｕなどを形成する場合は図9の様
になる。以下図9を用いながら順を追って説明する。

【０００６】図9-1は、半導体基板１上に、酸化膜４を
形成した状態を示す図である。次にこの酸化膜４上にフ
ォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン５を作
成する（図9-2）。この後このレジストパターン５をマ
スクとしてエッチングを行い、その後レジストを除去し
て、酸化膜４にコンタクトホール６が形成される（図9-
3）。配線材料としてＡｌーＳｉーＣｕなどを利用する
場合は、その後応力バランス材および金属間の反応を抑
えるためのバリアメタルとしてＴｉやＴｉＮなどの金属
膜２０が形成される（図9-4）。その後バリアメタル２
０上に配線用メタル膜２１、反射防止用メタル２２を形
成することにより配線が形成される（図9-5）。

【０００７】このコンタクトホールの部分にタングステ
ン等を埋め込み、その上にメタル配線などを形成する場
合は図10の様になる。コンタクトホール部にバリアメタ
ルを形成する部分までは前記ＡｌーＳｉーＣｕの場合と
同様である（図10-1〜10-4）。

【０００８】その後、図10-5のようにバリアメタル２０
上にコンタクトホールの埋め込み用金属３１を形成し、
バリアメタル２０と基板１の界面までエッチングを行う
ことによりコンタクトホールの部分のみに、埋め込み用
金属３１が残る（図10-6）。この後、応力バランス材と
しての下部メタル３２を形成し（図10-7）、その上に配
線の主メタル３３、反射防止膜として用いられる上部の
メタル３４を形成する（図10-8）。

【０００９】以上のような、コンタクトホールを形成す
る工程で、フォトリソグラフィ時に用いられるアライメ
ントマーク１１は、図11-1に示すように基板１上、ある
いはフィールド酸化膜２上に形成され、その上に酸化膜
４が堆積した状態で存在する。フォトリソグラフィ時に
おけるアライメントは、図11-2の様に酸化膜４上にレジ
ストが塗布された状態で行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図12に従来の膜構造に
おけるフォトリソグラフィ時の光の挙動を示す。なお便
宜上図8と共通する部分には同一の符号を付してある。

【００１１】基板１上あるいはポリシリコンによる配線
３上の酸化膜４にコンタクトホール６を形成する際、図
示していないマスクを通ってきた光１２は、まずレジス
ト５に入射し（入射光１３）、レジスト５と酸化膜４と
の界面１４で反射あるいは透過をする。反射した光は再
びレジスト５中へと戻っていくが透過した光は酸化膜４
中を通過し、ポリシリコン３の表面あるいは基板１の表
面で反射しレジスト５と酸化膜４との界面１４へと向か
い、この界面１４で再び反射あるいは透過をする。この
界面１４における反射、透過とポリシリコン３、基板１
の表面での反射を繰り返した後、最終的には界面１４か
らレジスト５中に、ポリシリコン表面からの反射光１５
あるいは基板表面からの反射光１６として出てくる。

【００１２】このときポリシリコン上の酸化膜４の膜厚
ａと基板上の酸化膜４の膜厚ｂとでは酸化膜４の上部が
かなり平坦になっているため大きく異なっている。従っ
て、ポリシリコン３の表面あるいは基板１の表面で反射
して再びレジスト中に戻る反射光１５と１６の間には膜
厚の差による光路長の差が生じている。そのためレジス
ト５と酸化膜４の界面１４での反射光の位相は、基板１
上に位置しているかあるいはポリシリコン３上に位置し
ているかによって違いが生じてくる。

【００１３】実際にレジストをパターニングするとき
は、レジスト薄膜内で入射光１３と反射光１５あるいは
１６とを合成した光（定在波）が形成される。この光の
定在波によってレジストパターンの潜像が形成され、そ
れを現像することによって不要なレジストを除去し、所
定のレジストパターンを得る。この場合の定在波の模式
図を図12-2に示す。

【００１４】界面１４での反射光１５、１６の位相は例
えば酸化膜４の膜厚がλ／４ｎ₂（λ：光の波長、ｎ₂：
酸化膜の屈折率）の偶数倍か奇数倍かで全く逆の結果と
なる。反射光の位相が違う定在波を潜像としてレジスト
パターンを形成すると、図13に示すようにレジストパタ
ーンの裾部の形状が全く異なってしまう。また反射光が
酸化膜４の膜厚の影響を受けるために定在波の大きさ
（振幅）にも違いが生じ、レジスト寸法のばらつきも生
じる。

【００１５】以上のことから、従来の製造工程ででフォ
トリソグラフィを行うと酸化膜の膜厚の差によって生じ
る定在波の違いからレジスト形状及び寸法が変化する。
その結果エッチング時にもエッチングする膜の寸法が変
化し、寸法の制御を不安定にしている。

【００１６】次にフォトリソグラフィ時のアライメント
に与える影響を考える。従来の膜の構造では図11-2の様
に酸化膜４上にレジストを塗布した状態でアライメント
が行われる。一般にアライメントの処理は図14の様にア
ライメント用光１７をアライメントマーク部に照射し、
その反射光を用いて位置検出を行っている。この場合、
前述のコンタクトホール形成時と同様にアライメント光
１７はレジスト５、酸化膜４の界面１８で反射、透過を
する。その結果、酸化膜の厚さによってレジスト内の定
在波は変化し、結果としてレジスト表面から出る反射光
１９の強度も変化する。反射、透過が界面１８で繰り返
されることにより、基板表面やアライメントマーク表面
における光の散乱等の影響も反射光１９にでてくる。

【００１７】このように反射光１９が酸化膜等により影
響を受けることにより、アライメント処理時にアライメ
ントの精度を低下させるという問題があった。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態である
半導体装置の製造方法を図1を用いながら説明する。な
お図8と共通する部分には同一の符号を付してある。

【００２０】初めに、半導体基板１上にフィールド酸化
膜２及びポリシリコンによる配線３を形成する。その
後、基板全面に対して絶縁酸化膜４を形成する。図1-1
はここまでの工程が終わった段階の断面図である。

【００２１】従来の技術ではこの後、酸化膜４上にレジ
ストパターン５を形成するが、本発明に於ては図1-2の
様に、この酸化膜４上にＭｏ等による低抵抗の高融点金
属膜８を形成することが特徴である。この金属膜８を酸
化膜４上に形成した後、金属膜８上にフォトレジストを
塗布し、このレジストの所定の部分を露光させた後に現
像することにより図1-3の様にレジストパターン５を形
成する。つぎにこのレジストパターン５をマスクとして
酸化膜４及び高融点金属膜８のエッチングを行う。その
後レジストを除去することによって図1-4の様に酸化膜
４及び金属膜８の所定の位置にコンタクトホール６が形
成される。コンタクトホール６の形成後、図1-5の様に
配線用のポリシリコン７を基板全面に堆積し、ポリシリ
コン７上にレジストパターン９を形成する（図1-6）。
そしてレジストパターン９をマスクとしてポリシリコン
７及び金属膜８をエッチングする。その後レジスト９を
除去して図1-7の様にコンタクトホール６の部分に配線
１０が完成する。

【００２２】図2-1には、コンタクトホールを形成した
後の段階の上面図を示し、図2-2には配線形成後の段階
の上面図を示す。この図に示すように配線形成前は酸化
膜４上全面に存在した高融点金属膜８は、配線形成後は
配線１０と酸化膜４に挟まれた間の部分にのみ存在し、
他の部分には存在していない。

【００２３】図3に本発明の構造を利用した場合のフォ
トリソグラフィ時の光の挙動を示す。

【００２４】金属膜８上にレジストパターン５を形成す
る工程に於て、図示していないマスクを通ってきた光１
２は、レジスト５中を通り（入射光１３）、レジスト５
と金属膜８の界面４１に到達する。高融点金属膜８は光
を透過させないので入射光１３はこの部分で反射し、レ
ジスト５中へと戻っていく。

【００２５】実際のレジストのパターニングでは、レジ
スト薄膜内で入射光と反射光とを合成した光（定在波）
によってパターンの潜像が形成され、それを現像するこ
とによって不要なレジストを除去し、所定のレジストパ
ターンを得る。従来の膜構造でフォトリソグラフィ工程
を行うと酸化膜４の膜厚の差によって反射光の位相差が
生じ、結果としてレジストパターンにも不安定な部分を
作っていた。しかし、本発明の構造によれば、入射光１
３は酸化膜４へと透過していくことはなく、金属膜８で
反射してレジスト５中へと戻るため、酸化膜４の膜厚の
影響を受けることがない。また金属膜８は光をほぼ完全
に反射するため反射による位相のずれも約πで一定とな
る。このためレジスト５と金属膜８の界面での定在波の
位相が酸化膜４の影響を受けず、図3-2の様に常に一定
となる。このためレジスト５の裾部の形状が一定とな
る。また定在波の振幅変化（光強度変化）はレジスト膜
厚による影響を受けるのみで、酸化膜４による光強度の
変化の影響を受けない。そのため、レジストの寸法の変
化は従来のものに比べ小さくなる。

【００２６】本発明の半導体装置において従来配線１０
の上に形成されていた配線１０の低抵抗化のための高融
点金属膜８は配線１０と酸化膜４の間に位置している。
つまりこの構造をとることにより、金属膜を形成する工
程の順番を入れ替えるだけで何ら工程数を増やすことも
なく、また配線の低抵抗化という効果も維持したまま、
フォトリソグラフィ時における寸法変動を小さく抑える
ことができる。

【００２７】本発明第２の実施の形態を図4に示す。第
２の実施の形態はコンタクトホールに埋め込む金属をポ
リシリコンではなくＡｌーＳｉーＣｕ等にした場合であ
る。以下図4を用いて順を追って説明する。

【００２８】図4-1は、半導体基板１上に、絶縁酸化膜
４を形成した図である。

【００２９】従来の技術ではこの後、絶縁酸化膜４上に
にレジストパターン５を形成するが、本発明に於ては図
4-2の様に、この絶縁酸化膜４上にＴｉＮなどの光を透
過させない導電膜５０を形成する。この導電膜５０を酸
化膜４上に形成した後、図4-3の様に導電膜５０上にレ
ジストパターン５を形成する。つぎにこのレジストパタ
ーン５をマスクとして酸化膜４及び導電膜５０のエッチ
ングを行う。その後レジスト５を除去して図4-4の様に
コンタクトホール６が形成される。コンタクトホール６
の形成後、基板全面に対してバリアメタル２０を形成し
（図4-5）、バリアメタル上にＡｌーＳｉーＣｕ２１を
形成する（図4-6）。その後配線用ＡｌーＳｉーＣｕ上
に反射防止メタルを形成する（図4-7）。

【００３０】第２の実施の形態においても第１の実施の
形態の場合と同様、導電膜５０上にレジストを形成する
工程で図示しないマスクを通ってきた光はレジスト５中
を通り導電膜５０との界面の部分で光が反射する。この
ため従来構造では起こっていた酸化膜４とレジストの界
面での光の透過、反射も起こらず、よって酸化膜４によ
る光の散乱等の影響も受けない。従ってフォトリソグラ
フィ時におけるレジストの寸法が従来構造よりも安定
し、より安定した半導体装置を製造することができる。

【００３１】またコンタクトホール以外の部分では主メ
タルと基板の間に存在する導電膜５０が応力バランス材
としての役割をはたすため、従来では応力バランス材の
役割もはたしていたバリアメタルを薄く形成することが
できる。一般的にバリアメタルは主メタルよりも大きな
抵抗値をもっているためバリアメタルを薄く形成するこ
とにより配線の抵抗を小さくすることができる。その結
果デバイスの動作速度の向上が期待できる。

【００３２】本発明第３の実施の形態を図5に示す。第
３の実施の形態はコンタクトホールに埋め込む金属をポ
リシリコンではなくタングステン等にした場合である。
以下図5を用いて順を追って説明する。

【００３３】図5-1は、半導体基板１上に、酸化膜４を
形成した図である。

【００３４】従来の技術ではこの後、酸化膜４上ににレ
ジストパターン５を形成するが、本発明に於ては図5-2
の様に、この酸化膜４上にＴｉＮなどの光を透過させな
い導電膜５０を形成する。この導電膜５０を酸化膜４上
に形成した後、図5-3の様に導電膜５０上にレジストパ
ターン５を形成する。つぎにこのレジストパターン５を
マスクとして酸化膜４及び導電膜５０のエッチングを行
う。その後レジスト５を除去して図5-4の様にコンタク
トホール６が形成される。コンタクトホール６の形成
後、基板全面に対してバリアメタル２１を形成し（図5-
5）、その後、埋め込み用メタル６０を形成する（図5-
6）。導電膜５０とバリアメタルとの界面までエッチン
グを行い、コンタクトホール部のみに埋め込み金属が残
る様にした後（図5-7）、この上に配線用メタル６１、
反射防止メタル６２を形成する（図5-8）。

【００３５】第３の実施の形態においても第１、第２の
実施の形態の場合と同様、フォトリソグラフィ時におけ
るレジストの寸法が従来構造よりも安定し、より寸法制
御性に優れた半導体装置を製造することができる。

【００３６】また本発明の構造にすると、コンタクトホ
ールの埋め込み用金属６０が直接配線用メタル６１に接
している（図5-8）。そのため従来構造に比べてコンタ
クトホールの部分における接触抵抗などを低減させるこ
とができる。その結果デバイスの動作速度の向上が期待
できる。またコンタクトホール以外の部分には導電膜５
０が主メタルと基板の間に存在するため応力バランス材
としての効果も維持している。このように製造工程の順
番を入れ替えるだけで従来の効果を維持しつつレジスト
の寸法の安定、動作速度の向上が期待できる。

【００３７】本発明をフォトリソグラフィ時のアライメ
ントマークに利用する。本発明におけるアライメントマ
ークは図6-1に示すように基板１あるいはフィールド酸
化膜上に形成され、その上に酸化膜４を形成し、この酸
化膜４上に高融点金属膜８を形成している（図6-2）。
このためフォトリソグラフィ時のアライメント処理は図
6-3の様に金属膜８上にレジスト５を塗布した状態で行
われる。

【００３８】本発明を利用した場合のフォトリソグラフ
ィ時における、アライメントマーク上の光の挙動を図7
に示す。

【００３９】前述のレジストのパターニングと同様にア
ライメント光１７は、レジスト５中を通り、高融点金属
膜８は光を透過させないのでこの部分で反射し、レジス
ト５中へと戻っていく。アライメント処理はレジストか
らでた光２０をもとに行われる。アライメントは半導体
基板上の段差の部分を検知することによって行なわれる
ため、アライメント光１７は必ずしもアライメントマー
クの部分まで到達する必要はなく金属膜８に形成されて
いる段差を検出することで十分にアライメントが可能で
ある。従来の技術ではレジスト５と酸化膜４との界面に
おける光の散乱の影響等がレジストから出る光にも現れ
ていたが、本発明ではその影響がなくなり露光機側でア
ライメントマークを認識する際の精度が向上する。

【００４０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば光を透過させない膜によりフォトリソグラフィ時にお
ける寸法制御性の向上が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明第1の実施の形態の製造工程を示す図

【図2】本発明第1の実施の形態における素子部上面図を
示す図

【図3】本発明第1の実施の形態における光の挙動を示す
図

【図4】本発明第2の実施の形態の製造工程を示す図

【図5】本発明第3の実施の形態の製造工程を示す図

【図6】本発明第4の実施の形態の製造工程を示す図

【図7】本発明第4の実施の形態における光の挙動を示す
図

【図8】従来の製造工程を示す図

【図9】従来の製造工程を示す図

【図10】従来の製造工程を示す図

【図11】従来の製造工程を示す図

【図12】従来構造の光の挙動を示す図

【図13】従来の製造方法におけるレジスト形状のばらつ
きを示す図

【図14】従来構造の光の挙動を示す図

【符号の説明】

1…半導体基板、2…フィールド酸化膜、3、7…ポリシリ
コン、4…酸化膜、5、9…レジスト、6…コンタクトホー
ル、8…高融点金属膜、10…配線、11…アライメントマ
ーク12…マスクを通った光、13…入射光、14、18、41…
界面、15、16…反射光、17、19アライメント用の光、20
…バリアメタル、21…Al-Si-Cu、22、32…反射防止メタ
ル、31…タングステン、32…応力バランス材、33…配線
用メタル、50…導電膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板主面に絶縁膜を形成する工程
   と、 前記絶縁膜上に光を透過させない第１の導電膜を形成す
   る工程と、 前記第１の導電膜の直上に所定形状のレジストを形成す
   る工程と、 前記レジストをマスクとして前記第１の導電膜及び前記
   絶縁膜をエッチングしコンタクトホールを形成する工程
   と、 前記レジストを除去した後、基板全面に第２の導電膜を
   形成する工程と、 前記第１の導電膜および第２の導電膜を所定形状にエッ
   チングすることにより配線を形成する工程を有している
   こと特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 半導体基板主面に絶縁膜を形成する工程
   と、 前記絶縁膜上に光を透過させない膜を形成する工程と、 前記光を透過させない膜の直上に所定形状のレジストを
   形成する工程と、 前記レジストをマスクとして前記光を透過させない膜及
   び前記絶縁膜をエッチングしコンタクトホールを形成す
   る工程と、 前記コンタクトホールを含む基板全面にバリアメタルを
   形成する工程と、 前記バリアメタル上に導電膜を形成する工程と、 少なくとも前記バリアメタル及び前記導電膜を所定形状
   にエッチングし配線を形成する工程とを有することを特
   徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 半導体基板主面に絶縁膜を形成する工程
   と、 前記絶縁膜上に光を透過させない膜を形成する工程と、 前記光を透過させない膜の直上に所定形状のレジストを
   形成する工程と、 前記レジストをマスクとして前記光を透過させない膜及
   び前記絶縁膜をエッチングしコンタクトホールを形成す
   る工程と、 前記コンタクトホールを含む基板全面にバリアメタルを
   形成する工程と、 前記バリアメタル上に第１の導電膜を形成する工程と、 前記コンタクトホール部以外の前記第１の導電膜および
   前記バリアメタルをエッチング除去する工程と、 前記基板全面に第２の導電膜を形成する工程と、 少なくとも該第２の導電膜を所定形状にエッチングする
   ことにより前記半導体基板上の配線を形成する工程とを
   有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 半導体基板上に配線を形成する工程にお
   いて、 前記半導体基板主面にアライメントマークを形成する工
   程と、 前記アライメントマークを含む半導体基板上に絶縁膜を
   形成する工程と、 前記絶縁膜上に光を透過させない膜を形成する工程と、 前記光を透過させない膜上にレジストを形成する工程
   と、 前記レジストの開口位置の決定を前記アライメントマー
   クをに基づいて行う工程とを有することを特徴とする半
   導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 半導体基板と、 前記半導体基板主面に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜に形成され、主に第１の導電材料によって埋
   め込まれたコンタクトホールと、 前記絶縁膜上に形成された第２の導電材料からなる配線
   とを有する半導体装置において、 前記第２の導電材料からなる配線と前記絶縁膜で挟まれ
   る部分に光を透過させない薄膜を有することを特徴とす
   る半導体装置。
6. 【請求項６】 半導体基板と、 前記半導体基板主面に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜に形成され、主に第１の導電材料によって埋
   め込まれたコンタクトホールと、 前記絶縁膜上に形成された前記第１の導電材料からなる
   配線とを有する半導体装置において、 実質的に前記第１の導電材料からなる配線と前記絶縁膜
   で挟まれる部分に光を透過させない薄膜を有することを
   特徴とする半導体装置。