JPH11145285A - 配線形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体集積回路の配線形成方法において、配
線プラグ及び配線膜厚を設計通りに行うことが可能で、
工程を従来よりも簡略にする配線形成方法を提供する。 【解決手段】 半導体基板１上に層間絶縁膜として第１
のシリコン酸化膜２ａと、第１のシリコン窒化膜２ｂま
たはシリコン酸窒化膜２ｃを形成し、第一のレジストマ
スク４をエッチングマスクとして前記層間絶縁膜をエッ
チングしてコンタクトホールを形成する工程と、前記レ
ジストマスク４を剥離後、配線材料を基板全面に形成
し、ＣＭＰ法を用いて前記シリコン窒化膜２ｂもしくは
シリコン酸窒化膜２ｃをストッパに用い配線プラグ７を
形成する工程と、配線プラグ７形成後、第２のシリコン
酸化膜２ａを形成し、第２のレジストマスクをエッチン
グマスクとして配線埋め込み用の溝のドライエッチング
を前記シリコン窒化膜もしくはシリコン酸窒化膜をエッ
チングストッパとして行う工程と、前記第２のレジスト
剥離後、配線材料を基板全面に形成し、さらにＣＭＰ法
を用いて溝配線を形成する工程とを有する。

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の製造方
法に係わり、特に配線を形成する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化の伴い、信頼
性の高い配線を形成することが強く要求されている。信
頼性の高い配線を形成するためには、設計通りに配線を
正確に加工することが必須である。配線形成において
は、基板と配線を接続するためのコンタクトホール、ま
たは配線と配線を接続するためのスルーホールの加工形
成及びホール内の配線材料埋め込みを行う工程と、続い
て配線のパターニング形成を行う工程が必要となる。

【０００３】ホール内への配線材料の埋め込みには、Ｃ
ＶＤ法等を用いウェハ全面に配線を形成した後、エッチ
バックプロセスを用いてホール内にのみ配線プラグとし
て形成する方法がある。例えば、特開平５ー１０９８８
２に示されるように、ホールに埋め込む配線材料として
多結晶シリコン膜を用い、ウェハ全面に多結晶シリコン
を形成した後、エッチバック法を用いて多結晶シリコン
の配線プラグを形成する方法がある。またエッチバック
法以外の配線プラグ形成方法としては、配線材料をウェ
ハ全面に形成した後、ＣＭＰ法を用いてウエハ表面の研
磨を行い、ホール内のみに配線材料を形成する方法が挙
げられる。引き続き行われる配線のパターニング形成に
おいては、配線プラグの形成されたウェハ上全面に配線
材料を形成し、パターニングされたレジストを用いてド
ライエッチングを行って配線を形成する方法がある。ま
た、配線プラグの形成されたウェハ上に、まず層間膜を
エッチングし、溝パターンの形成を行い、溝状にパター
ンニング加工された前記層間膜に配線材料を埋め込み、
続いて配線材料をエッチバックもしくは研磨することに
より配線の形成を行う方法もある。

【０００４】コンタクトホール加工形成後に配線材料を
埋め込み、続いて配線のパターニング形成を行う従来方
法の一例を図６に示す。半導体基板１上に第１の層間絶
縁膜２を形成し、この第１の層間絶縁膜２にコンタクト
ホール５をドライエッチング法を用いて形成する。（図
６（ａ））。次に、配線材料として第１のタングステン
７をＣＶＤ法を用いて半導体基板１上全面に形成する
（図６（ｂ））。続いてＣＭＰ法を用いて、第１のタン
グステン７の研磨を行い、タングステンプラグ８を形成
する（図６（ｃ））。次に、第２の層間絶縁膜９を形成
し（図６（ｄ））、リソグラフィ法を用いてレジストマ
スクパターン１０を形成し（図６（ｅ））、ドライエッ
チング法を用いて、第２の層間絶縁膜９をエッチングし
て配線埋め込み用の溝を形成する。さらにレジストマス
クパターン１０を剥離後、タングステンを全面に成長さ
せ、ＣＭＰ法を用いてタングステンを研磨してタングス
テン配線１２の形成を行う（図６（ｇ））。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】配線プラグを形成する
方法の一つである、配線材料の全面エッチバックを行う
方法においては、形成された配線プラグ面が層間膜より
下面となり（プラグロス）、平坦性が損なわれ、引き続
き行われる製造工程が困難となるという問題点があっ
た。特開平５ー１０９８２２に開示された方法におい
て、平坦性の劣化を防止する方法が示されている。しか
しながらこの方法では、工程が複雑となり、工程数が増
加するという問題があった。

【０００６】また、前記従来例（図６）で示したＣＭＰ
法を用いて配線材料を研磨して配線プラグを形成する方
法は、プラグロスを抑え、平坦性の向上に対しては効果
的である。しかしながら、図６（ｃ）に示すように、配
線材料と共に層間絶縁膜をも研磨してしまうため、膜減
り１３し、配線プラグの高さが設計と異なるという問題
があった。さらに配線を形成する方法においては、パタ
ーニングされたレジストをエッチングマスクに用い配線
材料をエッチングする方法がある。この方法は加工する
配線の微細化に伴い、加工配線の倒れ等の問題が顕在化
してくる。また他の配線形成方法として、最初に第２の
層間絶縁膜を形成し、層間膜に配線パターンの溝を形成
して溝に配線材料を埋め込む方法がある。この方法で
は、溝形成のための第２の層間絶縁膜エッチング時に、
下層の第２の層間絶縁膜もエッチングされてしまい（図
６（ｆ））、埋め込み形成する配線の膜厚が設計と異な
ってくるという問題が生じる。また、前述のように下層
層間膜はエッチングされてしまう一方で、配線プラグ部
分のエッチングの進行は非常に遅いため、配線プラグ部
分が飛び出した状態となる（図６（ｆ））。そのため、
次工程で行われる配線材料の埋め込みが困難になるとい
う問題が生じる場合もあった。

【０００７】以上の問題を鑑みて、本発明は、半導体装
置の製造における配線形成工程において、基板と配線間
接続もしくは配線と配線の接続と、引き続き行う配線形
成を、設計通りに正確に実現し、かつ工程数を削減す
る、配線形成の方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明の配線形成方法は、半導体基板上または半導体
基板上に形成された第１の配線上に第１の層と第２の層
を順次堆積して成る第一の層間絶縁膜を形成し、前記第
１の層間絶縁膜をエッチングしてコンタクトホールまた
はスルーホールを形成する工程と、配線材料を前記工程
の終了した基板上全面に形成し、前記第１の層間絶縁膜
の第２の層をストッパとしてＣＭＰ法により配線プラグ
を形成する工程と、第２の層間絶縁膜を形成し、前記第
１の層間絶縁膜の第２の層をストッパとしてエッチング
を行い配線埋め込み用の溝パターンを形成する工程と、
配線材料を前記工程の終了した基板上全面に形成し、Ｃ
ＭＰ法を用いて溝配線を形成する工程、から成ることを
特徴とする。また、請求項２に記載の配線形成方法は、
第１の層がシリコン酸化膜、第２の層がシリコン窒化膜
であることを特徴とする。また、請求項３に記載の配線
形成方法は、第１の層がシリコン酸化膜、第２の層がシ
リコン酸窒化膜であることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の一形態を示
した工程断面図のフローチャートである。半導体基板１
上に第一の層間絶縁膜２として、第１の層と第２の層を
ＣＶＤ法により形成する。図１に示す実施の一形態で
は、第１の層としてシリコン酸化膜を、第２の層として
シリコン窒化膜を用いている。第１のシリコン酸化膜２
ａと第１のシリコン窒化膜２ｂを形成後、第１のレジス
トマスクパターン４をリソグラフィ法を用いて形成し、
レジストマスクパターン４をエッチングマスクとして、
第１のシリコン酸化膜２ａと第１のシリコン窒化膜２ｂ
をドライエッチング法を用いてエッチングし、コンタク
トホール５を形成する。（図１（ａ））。次にレジスト
マスクパターン４を剥離し、配線材料として第１のタン
グステン７をＣＶＤ法を用いて、前記工程の終了した基
板上全面に形成する（図１（ｂ））。続いてＣＭＰ法を
用いて、第１のタングステン７の研磨を行い、タングス
テンプラグ８を形成する（図１（ｃ））。シリコン窒化
膜はシリコン酸化膜に比べて硬度が高いため、ＣＭＰ法
によるタングステン７研磨時の膜減りを最小限に抑える
ことができる。この結果、良好なタングステンプラグ８
を形成することができる。

【００１０】前記工程を終了した基板全面上に、第２の
シリコン酸化膜９ａと第２のシリコン窒化膜２ｂをＣＶ
Ｄ法により形成する（図１（ｄ））。次に第２のレジス
トマスクパターン１０をリソグラフィ法を用いて形成し
（図１（ｅ））、第２のレジストマスクパターン１０を
マスクパターンとしてエッチングを行い、配線埋め込み
用の溝パターン１１を形成する（図１（ｆ））。このエ
ッチング時には、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との
エッチング速度の選択比が高い条件を選択する。これに
より第１のシリコン窒化膜２ｂは、エッチングストッパ
となり、正確な溝パターン１１が加工できる。さらに第
２のレジストマスクパターン１０を剥離した後、第２の
タングステン１２をＣＶＤ法を用いて形成し、ＣＭＰ法
によりタングステン配線１２を形成する。シリコン窒化
膜の代わりにシリコン酸窒化膜を用いても同様の配線形
成方法ができる。

【００１１】

【実施例】本発明の第１の実施例を図１を用いて説明す
る。半導体基板１上に層間絶縁膜２として第１のシリコ
ン酸化膜２ａをＣＶＤ法を用いて５００ｎｍ成長させ、
引き続き第１のシリコン窒化膜２ｂをＣＶＤ法を用いて
５０ｎｍ成長させる。その後、第１のレジストマスクパ
ターン４をリソグラフィ法を用いて形成し、レジストマ
スクパターン４をエッチングマスクとして第１のシリコ
ン酸化膜２ａ及び第一のシリコン窒化膜２ｂをドライエ
ッチング法を用いてエッチングし、コンタクトホール５
を形成する（図１（ａ））。この時、シリコン酸化膜２
ａとシリコン窒化膜２ｂを同時にエッチングすることが
必要になる。両者を同時にエッチングするために、エッ
チングガスとしてＣＨＦ３／Ｏ３混合ガスを使い、ＲＩ
Ｅ装置を用いてエッチングを行った。その時のシリコン
酸化膜とシリコン窒化膜とのエッチング速度を図２に示
す。図２からわかるように、シリコン酸化膜２ａとシリ
コン窒化膜２ｂのエッチング速度は同等である。このエ
ッチング条件を用いることにより、シリコン酸化膜２ａ
とシリコン窒化膜２ｂを同時にエッチングし、コンタク
トホール５を形成することができる。

【００１２】次に、レジストマスクパターン４を剥離
後、第１のタングステン７をＣＶＤ法を用いて、半導体
基板１上全面に８００ｎｍ成長させる（図１（ｂ））。
その後、ＣＭＰ法を用いて第１のタングステン７の研磨
を行い、タングステンプラグ８を形成する（図１
（ｃ））。シリコン窒化膜はシリコン酸化膜に比べて硬
度が高いため、タングステンプラグ８作製のための研磨
時において、シリコン窒化膜２ｂはシリコン酸化膜２ａ
より研磨量を抑制することができる。このシリコン窒化
膜の特性により、第１のタングステン６を研磨時、第１
のシリコン窒化膜２ｂは良好なストッパとなり、層間絶
縁膜の膜減りを最小限に抑える。従って、層間膜の膜減
りが極めて少ない良好なタングステンフラグ８を形成す
ることができる。

【００１３】続いて第２の層間絶縁膜９としてＣＶＤ法
を用いて、第２のシリコン酸化膜９ａを５００ｎｍ、さ
らに第２のシリコン窒化膜９ｂを５０ｎｍ形成する（図
１（ｄ））。次に第２のレジストマスクパターン１０を
リソグラフィ法を用いて形成し（図１（ｅ））、第２の
レジストマスクパターン１０をエッチングマスクとし、
ドライエッチング法を用いて第２のシリコン酸化膜９ａ
及び第二のシリコン窒化膜９ｂのエッチング加工を行
い、配線埋め込み用の溝パターン１１を形成する（図１
（ｆ））。この時、正確な加工を行うために、第１のシ
リコン窒化膜２ｂをドライエッチングストッパとして使
用した。シリコン窒化膜２ｂを溝パターン１１形成時の
エッチングストッパとするために、ドライエッチング時
にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とのエッチング速度
の選択比（酸化膜／窒化膜選択比）の高いエッチング条
件となるように、エッチングガスとしてＣ４Ｆ８／ＣＯ
Ａｒ混合ガスを用いた。このエッチング条件におけるシ
リコン酸化膜及びシリコン窒化膜のエッチング速度を図
３に示す。シリコン酸化膜に対してシリコン窒化膜のエ
ッチング速度が遅く、シリコン酸化膜／シリコン窒化膜
選択比は約１１である。この条件を用いることにより、
第二のシリコン酸化膜のエッチング時に、第一のシリコ
ン窒化膜をエッチングストッパに用いることが可能な
る。溝パターン１１の形成は、最初に第二のシリコン窒
化膜９ｂをのエッチングを、第１のシリコン窒化膜２ｂ
及び第一のシリコン酸化膜２のエッチング加工に用いた
ＣＨＦ３／Ｏ２混合ガスを使ったエッチング条件で行っ
た。続いて第二のシリコン酸化膜のエッチングはＣ４Ｆ
８／ＣＯ／Ａｒ混合ガスを使ったエッチング条件で行っ
た。その結果、設計寸法通りに溝パターン１１を形成す
ることができた。

【００１４】さらに第２のレジストマスクパターン１０
を除去した後、第２のタングステンをＣＶＤ法を用いて
８００ｎｍ形成し、引き続きＣＭＰ法を用いてタングス
テン配線１２を形成する（図１（ｇ））。以上のよう
に、シリコン窒化膜をＣＭＰ時のストッパとして、さら
にドライエッチング時のエッチングストッパとして用い
ることにより、設計寸法通りの正確な加工になり、かつ
製造工程を簡略化することができる。

【００１５】次に本発明の第２の実施例を示す。半導体
基板１上に第一の配線３が形成されている。前記第１の
配線３上全面に、層間絶縁膜としてＣＶＤ法を用いて第
１のシリコン窒化膜２ａを６００ｎｍと、第１のシリコ
ン酸窒化膜２ｃを１００ｎｍを形成する。さらに第１の
レジストマスクパターン４をエッチングマスクとして、
第１の実施例と同様にＣＨＦ３／Ｏ２混合ガスをエッチ
ングガスに使ってエッチングを行って、スルーホール６
を形成する。（図４（ａ））。続いて第１のレジストマ
スクパターンを剥離した後、第１のタングステンを８０
０ｎｍ成長させる（図４（ｂ））。さらにＣＭＰ法を用
いて、第１のシリコン酸窒化膜２ｃをストッパにしてタ
ングステンの研磨を行い、タングステンプラグ８を形成
する（図４（ｃ））。次に第２のシリコン酸化膜及び第
２のシリコン酸窒化膜をＣＶＤ法を用いて形成し（図４
（ｄ））、さらに第２のレジストマスクパターンを形成
する（図４（ｅ））。

【００１６】次に実施例１と同様に、第２のシリコン酸
窒化膜をＣＨＦ３／Ｏ２混合ガスを使って、第２のシリ
コン酸化膜をＣ４Ｆ８／ＣＯ／Ａｒ混合ガスを使ってド
ライエッチングを行って溝パターンの形成を行う（図４
（ｆ））。エッチングガスとしてＣ４Ｆ８／ＣＯ／Ａｒ
混合ガスを用いた場合のシリコン酸化膜とシリコン酸窒
化膜とのエッチング速度を図５に示す。シリコン酸窒化
膜のエッチング速度はシリコン酸化膜のエッチング速度
に比べて十分に小さく、シリコン酸化膜／シリコン酸窒
化膜選択比は６程度である。従って第２のシリコン酸化
膜エッチング時に、第１のシリコン酸窒化膜はエッチン
グストッパとして十分に働き、設計寸法通りの溝パター
ンの加工を行うことができる。

【００１６】また、シリコン酸窒化膜はシリコン窒化膜
に比べて誘電率が低いため（シリコン酸窒化膜の誘電率
≒５．５、シリコン窒化膜の誘電率≒７．５）、層間膜
に酸窒化膜を用いた場合、シリコン窒化膜を用いた場合
に比べて配線間容量を低減できるという利点を持つ。次
に第２のタングステンをＣＶＤ法を用いて形成し、ＣＭ
Ｐ法を用いてタングステン研磨を行い、タングステン配
線の形成を行う（図４（ｇ））。以上のように、スルー
ホール及び溝配線の形成を設計寸法通りの正確な加工で
行い、かつ製造工程を簡略化することができる。

【００１７】

【発明の効果】以上のように、本出願の配線形成方法に
よれば、配線プラグ形成時のストッパに用いた層間絶縁
膜を、次工程の溝パターン形成時のストッパとして用い
るため、製造工程の簡略化が可能となる。またさらに本
出願第２の配線形成方法では、配線プラグ形成時のＣＭ
Ｐ法におけるストッパとしてシリコン窒化膜を用いてい
るため、層間絶縁膜の膜減りを少なくすることが可能と
なり、設計寸法通りの配線プラグの高さが得られるよう
になる。また溝形成時のエッチングにおいても、窒化膜
がエッチングストッパとして働くため、溝パターンのエ
ッチング深さが一定となり、配線膜厚のバラツキを抑え
ることができる。この結果、配線プラグ及び配線膜厚が
設計値通りに形成できることとなり、信頼性の高い配線
形成が行えるようになった。さらに、配線形成の工程を
簡略化することが可能となった。本出願の第３の配線形
成方法は、前記ストッパとしてシリコン酸窒化膜を用い
ているものであり、前記第２の配線形成方法と同様の効
果を得ることができる。さらに、層間膜としてシリコン
酸窒化膜を用いているため、シリコン窒化膜を用いてい
る配線形成方法に比べて、配線間容量を低減できるとい
う利点を持つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の一形態及び第１の実施例を示
す工程断面図のフローチャート

【図２】 ＣＨＦ３／Ｏ２混合ガスを用いた場合のシリ
コン酸化膜及びシリコン窒化膜のエッチング速度

【図３】 Ｃ４Ｆ８／ＣＯ／Ａｒ混合ガスを用いた場合
のシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のエッチング速度

【図４】 本発明の第２の実施例を示す工程断面図のフ
ローチャート

【図５】 Ｃ４Ｆ８／ＣＯ／Ａｒ混合ガスを用いた場合
のシリコン酸化膜及びシリコン酸窒化膜のエッチング速
度

【図６】 従来例を示す工程断面図のフローチャート

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 第１の層間絶縁膜 ２ａ 第１のシリコン酸化膜、 ２ｂ 第１のシリコン
窒化膜、２ｃ 第１のシリコン酸窒化膜 ３ 第１の配線 ４ 第１のレジストマスクパターン ５ コンタクトホール ６ スルーホール ７ 第１のタングステン ８ 配線プラグ（タングステンプラグ） ９ 第２の層間絶縁膜 ９ａ 第２のシリコン酸化膜、 ９ｂ 第２のシリコン
窒化膜、９ｃ 第２のシリコン酸窒化膜 １０ 第２のレジストマスクパターン １１ 溝パターン １２ タングステン配線 １３ 層間膜膜減り分

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上または半導体基板上に形成
   された第１の配線上に第１の層と第２の層を順次堆積し
   て成る第１の層間絶縁膜を形成し、前記第１の層間絶縁
   膜をエッチングしてコンタクトホールまたはスルーホー
   ルを形成する工程と、配線材料を前記工程の終了した基
   板上全面に形成し、前記第１の層間絶縁膜の第２の層を
   ストッパとしてＣＭＰ法により配線プラグを形成する工
   程と、第２の層間絶縁膜を形成し、前記第１の層間絶縁
   膜の第２の層をストッパとしてエッチングを行い配線埋
   め込み用の溝パターンを形成する工程と、配線材料を前
   記工程の終了した基板上全面に形成し、ＣＭＰ法を用い
   て溝配線を形成する工程、から成ることを特徴とする配
   線形成方法。
2. 【請求項２】 第１の層がシリコン酸化膜、第２の層が
   シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１記載の
   配線形成方法。
3. 【請求項３】 第１の層がシリコン酸化膜、第２の層が
   シリコン酸窒化膜であることを特徴とする請求項１記載
   の配線形成方法。