JPWO2004114381A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、ナノインプリントリソグラフィによる従来の半導体装置の製造方法について図17(a)〜(e)を参照しながら説明する。
まず、図17(a)に示すように、表層部にトランジスタ等の素子及び配線が形成されている(図示は省略している)基板(半導体ウエハ)101の上に、熱硬化性樹脂よりなる膜102Aを形成した後、図17(b)に示すように、膜102Aに、押圧面に凸部104を有するモールド103の押圧面を圧着して、膜102Aにモールド103の凸部104を転写する。
次に、図17(c)に示すように、モールド103に圧力を加えた状態で基板101に熱を加えることにより、膜102Aを硬化させて硬化膜102Bを形成する。尚、膜102Aが光硬化性樹脂よりなる場合には、モールド103に圧力と共に紫外線等の光を照射して、硬化膜102Bを形成する。
次に、図17(d)に示すように、モールド103を硬化膜102Bから取り除くと、硬化膜102Bにはモールド103の凸部104が転写されてなる凹部105が形成されている。
次に、硬化膜102Bに対して全面的に異方性ドライエッチング(異方性エッチバック)を行なって、図17(e)に示すように、硬化膜102Bにおける凹部105の底部に残存する部分を除去する。
ところで、S.Y.Chou等は、膜102Aの材料として、レジスト材料であるPMMA(ポリメチルメタクリレート)を用いていると共に、PMMAを一旦硬化させた後、200℃に加熱してPMMAを少し軟化させた状態でモールド103を膜102Aに押圧して凹部105を形成している。この場合、PMMAが硬化しているため、凹部105を形成するためには140気圧という大きな圧力が必要になるという問題があった。
そこで、この問題を解決するべく、特許文献2(特開2000−194142号公報)においては、膜102Aとして液状の光硬化性物質からなる光硬化性物質膜を用いると共に、膜102Aにモールド103を押圧した状態で膜102Aに加熱及び光照射を加えて硬化させることにより、印加圧力を数気圧にまで低減し、これにより、モールド103と基板101との水平方向の位置精度の向上を図っている。
ここで、多層配線を構成する埋め込み配線をダマシン法により形成する方法について説明する。通常、ダマシン法により埋め込みプラグのみ又は埋め込み配線のみを形成する方法をシングルダマシン法と称し、ダマシン法により埋め込みプラグ及び埋め込み配線の両方を同時に形成する方法をデュアルダマシン法と称している。
以下、シングルダマシン法によりプラグ又は金属配線を形成する半導体装置の製造方法について、図18(a)〜(e)を参照しながら説明する。
まず、図18(a)に示すように、例えば化学気相蒸着(CVD:chemical vapor deposition)法又は塗布(SOD:spin on dielectric)法により、基板(半導体ウエハ)111の上に、例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜112を形成する。
次に、図18(b)に示すように、リソグラフィ技術により、絶縁膜112の上に、ヴィアホール又は配線溝を形成するための開口部を有するレジストパターン113を形成した後、図18(c)に示すように、絶縁膜112に対してレジストパターン113をマスクにしてドライエッチングを行なって、絶縁膜112にヴィアホール又は配線溝よりなる凹部114を形成する。
次に、図18(d)に示すように、例えばスパッタ法によりバリアメタル層(図示は省略している)を形成した後、例えばメッキ法によりバリアメタル層の上に銅膜115を堆積する。
次に、図18(e)に示すように、化学機械研磨(CMP:chemical mechanical polishing)により、銅膜115における不要な部分つまり絶縁膜112の上に露出している部分を除去して、銅膜115よりなるプラグ又は金属配線116を形成する。
以下、デュアルダマシン法によりプラグ及び金属配線を形成する半導体装置の製造方法について、図19(a)〜(d)及び図20(a)〜(d)を参照しながら説明する。尚、ここでは、ヴィアホールを形成してから配線溝を形成し、その後、ヴィアホール及び配線溝に金属膜を埋め込んで、プラグ及び金属配線を形成するプロセス、所謂ヴィアファーストプロセスについて説明する。
まず、図19(a)に示すように、例えば化学気相蒸着法又は塗布法により、基板(半導体ウエハ)121の上に例えばシリコン酸化膜よりなる絶縁膜122を形成する。
次に、図19(b)に示すように、リソグラフィ技術により、絶縁膜122の上に、ヴィアホール形成用の開口部を有する第1のレジストパターン123を形成した後、図19(c)に示すように、絶縁膜122に対して第1のレジストパターン123をマスクにしてドライエッチングを行なって、絶縁膜122にヴィアホール124を形成する。
次に、図19(d)に示すように、ヴィアホール124の内部を含む絶縁膜122上に反射防止膜(BARC)125を形成した後、該反射防止膜125の上に、配線溝形成用の開口部を有する第2のレジストパターン126を形成する。
次に、図20(a)に示すように、反射防止膜125に対して第2のレジストパターン126をマスクにしてドライエッチングを行なって、反射防止膜125をヴィアホール124の下部に残存させた後、図20(b)に示すように、絶縁膜122に対して第2のレジストパターン126及び反射防止膜125をマスクにしてドライエッチングを行なって、絶縁膜122に配線溝127を形成する。
次に、アッシング及び洗浄により、第2のレジストパターン126及び反射防止膜125を除去した後、スパッタ法によりバリアメタル層(図示は省略している)を形成し、その後、メッキ法によりバリアメタル層の上に銅膜128をヴィアホール124及び配線溝127が埋め込まれるように堆積する。
次に、図20(c)に示すように、化学機械研磨法により、銅膜128における不要な部分つまり絶縁膜122の上に露出している部分を除去することにより、図20(d)に示すように、銅膜128よりなるプラグ130及び金属配線131を同時に形成する。
しかしながら、前記従来の半導体装置の製造方法によると、ダマシン法により多層配線を形成する場合、工程数が非常に多くなるため半導体装置の製造プロセスにおけるコストが高くなるという問題点を有している。
また、前記従来の半導体装置の製造方法によると、金属膜に対するCMP処理を繰り返し行なって多層配線を形成すると、グローバル段差が増大してリソグラフィ工程における焦点深度の不足が生じるという問題点を有している。
そこで、絶縁膜に凹部(ヴィアホール又は配線溝)を形成する工程において、リソグラフィによるレジストパターンの形成とドライエッチングとの組み合わせに代えて、ナノインプリントリソグラフィを応用することにより、工程数を減らして低コスト化を図ることを考慮した。
ところで、ナノインプリントリソグラフィを層間絶縁膜として用いる絶縁膜に応用する場合、その後の半導体製造プロセスにおいて絶縁膜の安定性を保証するためには、通常、絶縁性材料を400℃程度の温度で加熱して硬化させるプロセスが必要となる。
しかしながら、従来のナノインプリントリソグラフィは、レジストパターンの形成が目的であるため、加熱温度は高々200℃程度である。
このため、ナノインプリントリソグラフィによる凹部形成プロセスを絶縁膜に適用するため、絶縁材料を約350℃以上の温度で加熱すると、絶縁膜の基本骨格の構造が部位により不均一になり、これによって、絶縁膜の比誘電率が部位によって異なるというような膜質の劣化が生じてしまう。その結果、絶縁膜としての信頼性が得られなくなり、半導体装置の性能及び信頼性が大きく低下してしまうという問題が発生する。
前記の目的を達成するため、本発明に係る半導体装置の製造方法は、流動性を有する絶縁性物質よりなる流動性膜を形成する工程と、押圧面に凸部を有する押圧部材の押圧面を流動性膜に押圧して、流動性膜に凸部が転写されてなる第1の凹部を形成する工程と、押圧面を流動性膜に押圧した状態で流動性膜を第1の温度に加熱して流動性膜を固化することにより、第1の凹部を有する固化膜を形成する工程と、固化膜を第1の温度よりも高い第2の温度に加熱して固化膜を焼成することにより、第1の凹部を有する焼成膜を形成する工程と、焼成膜の上に、第2の凹部形成用の開口部を有するマスクを形成した後、焼成膜に対してマスクを用いてエッチングすることにより、焼成膜に少なくとも第1の凹部と連通する第2の凹部を形成する工程と、焼成膜の第1の凹部及び第2の凹部に金属材料を埋め込むことにより、金属材料よりなるプラグ及び金属配線を形成する工程とを備えている。
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、流動性膜に対して押圧部材の押圧面に形成されている凸部を転写した後、流動性膜に対して固化工程及び焼成工程を行なって焼成膜を形成するため、焼成膜よりなる絶縁膜を少ない工程数で形成することができる。また、固化膜を形成する工程において相対的に低い温度である第1の温度で加熱処理を行なうことにより、固化膜の基本骨格(例えば、有機膜におけるポリマー骨格、又はシリコン酸化膜若しくは有機無機複合膜におけるシロキサン骨格)を形成しておいてから、焼成膜を形成する工程において相対的に高い温度である第2の温度で加熱処理を行なうことにより、固化膜からアクリルポリマー等のポロジェン(Porogen)又は残存する溶媒等を蒸発させるため、基本骨格の形成とポロジェン又は残存する溶媒等の蒸発とを並行して行なう場合に比べて、焼成膜の基本骨格の構造が均一になるので、ヴィアホール及び配線溝を有する焼成膜よりなる絶縁膜の膜質が向上する。従って、絶縁膜の比誘電率が膜全体において均一になるので、デュアルダマシン法により形成されたプラグ及び金属配線を有する半導体装置の製造方法の信頼性が向上する。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、第1の温度は約150℃〜約300℃であることが好ましい。
このようにすると、流動性膜に含まれるポロジェン等を蒸発させることなく、流動性膜の基本骨格を形成することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、第2の温度は約350℃〜約450℃であることが好ましい。
このようにすると、固化膜ひいてはパターンの膜質の劣化を招くことなく、固化膜からポロジェン等を蒸発させることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、第1の凹部は配線溝であり、第2の凹部はヴィアホールであることが好ましい。
このようにすると、トレンチファーストプロセスを確実に行なうことができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、第1の凹部はヴィアホールであり、第2の凹部は配線溝であることが好ましい。
このようにすると、ヴィアファーストプロセスを確実に行なうことができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性を有する絶縁性物質は、液状又はジェル状であることが好ましい。
このようにすると、流動性膜を簡易且つ確実に形成することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性膜を形成する工程は、回転している基板の上に流動性を有する絶縁性物質を供給することにより、流動性膜を基板の上に形成する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、流動性膜の膜厚を均一にすることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性膜を形成する工程は、基板の上に流動性を有する絶縁性物質を供給した後、基板を回転することにより、流動性膜を基板の上に形成する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、流動性膜の膜厚を均一にすることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性膜を形成する工程は、回転している基板の上に流動性を有する絶縁性物質をシャワー状又はスプレー状に供給することにより、流動性膜を基板の上に形成する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、比較的薄い膜厚を有する流動性膜を確実に形成することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性膜を形成する工程は、微小な噴射口を有するノズルと基板とを平面方向に相対移動させながら、流動性を有する絶縁性物質を噴射口から基板の上に供給することにより、流動性膜を基板の上に形成する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、ノズルと基板との相対移動速度を調整することにより、流動性膜の厚さを所望の大きさに制御することができる。また、流動性を有する絶縁性物質の粘度を調整することにより、流動性膜の流動性の程度を変化させることができる。また、ノズルの数を調整することにより、処理速度を制御することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性膜を形成する工程は、ローラの表面に付着した流動性を有する絶縁性物質をローラを回転しながら基板の上に供給することにより、流動性膜を基板の上に形成する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、ローラと基板との間隔及びローラを基板に押し付ける力を調整することにより、流動性膜の厚さを制御することができる。また、粘性の高い流動性を有する材料を採用することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、流動性膜を形成する工程と第1の凹部を形成する工程との間に、流動性膜の周縁部を選択的に除去する工程をさらに備えることが好ましい。
このようにすると、パターンを形成するプロセスにおいて基板の周縁部を機械的に保持することが容易になる。
本発明に係る半導体装置の製造方法が流動性膜の周縁部を選択的に除去する工程を備える場合、該工程は、流動性膜を回転させながら流動性膜の周縁部に、流動性を有する絶縁性物質を溶解させる溶液を供給することにより行なわれることが好ましい。
このようにすると、円形又は角数の多い多角形の平面形状を有する基板の周縁部を確実に除去することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法が流動性膜の周縁部を選択的に除去する工程を備える場合、該工程は、流動性膜の周縁部に光を照射して改質した後、改質された周縁部を除去することにより行なわれることが好ましい。
このようにすると、円形又は角数の多い多角形の平面形状のみならず、三角形又は四角形などのように角数の少ない多角形の平面形状を有する基板の周縁部を確実に除去することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性膜は基板の上に形成されており、第1の凹部を形成する工程は、基板の表面と押圧面との間の複数の距離を測定すると共に、複数の距離が等しくなるように押圧面により流動性膜を押圧する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、流動性膜の表面の基板表面からの距離を常に等しくすることができるので、所定期間毎に基板の表面と押圧部材の押圧面との距離を均一にする作業を省略することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性膜は基板の上に形成されており、第1の凹部を形成する工程は、基板が載置されているステージの表面と押圧面との間の複数の距離を測定すると共に、複数の距離が等しくなるように押圧面により流動性膜を押圧する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、流動性膜の表面の基板表面からの距離を常に等しくすることができるので、所定期間毎に基板の表面と押圧部材の押圧面との距離を均一にする作業を省略することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法が、基板又はステージの表面と押圧面との間の複数の距離を測定する工程を備えている場合、該工程は、測定部位における単位面積当たりの静電容量を計測することにより行なわれることが好ましい。
このようにすると、複数の距離を簡易且つ確実に測定することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、押圧部材の押圧面は疎水性を有していることが好ましい。
このようにすると、押圧部材を固化膜から離脱させやすくなるので、より欠陥の少ないパターンを形成することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性を有する絶縁性物質は光硬化性樹脂であり、固化膜を形成する工程は、流動性膜に光を照射する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、流動性膜を光化学反応及び熱化学反応により容易且つ速やかに固化させることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、流動性を有する絶縁性物質としては、有機材料、無機材料、有機無機混成材料、光硬化性樹脂又は感光性樹脂を用いることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、焼成膜を形成する工程は、押圧面を固化膜に押圧した状態で固化膜を第2の温度に加熱する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、固化膜に形成されている第1の凹部の形状を高精度に維持することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、焼成膜を形成する工程は、押圧面を固化膜から離脱させた状態で固化膜を第2の温度に加熱する工程を含むことが好ましい。
このようにすると、固化膜に含まれるポロジェン又は残存する溶媒等を容易に蒸発させることができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、焼成膜は多孔質膜であることが好ましい。
このようにすると、比誘電率の低い絶縁膜を形成することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、焼成膜の比誘電率は約4以下であることが好ましい。
このようにすると、絶縁膜の比誘電率を確実に低くして、金属配線間の静電容量を低減することができる。
図2(a)〜(d)は第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を説明する断面図である。
図3(a)〜(c)は第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を説明する断面図である。
図4(a)は従来のパターン形成方法のシーケンスを示すフロー図であり、(b)は第1又は第2の実施形態に係るパターン形成方法のシーケンスを示すフロー図である。
図5(a)〜(c)は第1又は第2の実施形態に係るパターン形成方法における第1実施例の各工程を示す断面図である。
図6(a)及び(b)は第1又は第2の実施形態に係るパターン形成方法における第2実施例の各工程を示す断面図である。
図7(a)及び(b)は第1又は第2の実施形態に係るパターン形成方法の第3実施例の各工程を示す断面図である。
図8(a)及び(b)は第1又は第2の実施形態に係るパターン形成方法の第4実施例の各工程を示す断面図ある。
図9(a)〜(c)は第3の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
図10(a)〜(c)は第3の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
図11(a)及び(b)は第4の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
図12(a)及び(b)は第4の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
図13(a)及び(b)は第5の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
図14(a)〜(d)は第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
図15(a)〜(d)は第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
図16(a)〜(c)は第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
図17(a)〜(e)は第1の従来例に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
図18(a)〜(e)は第2の従来例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
図19(a)〜(d)は第3の従来例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
図20(a)〜(d)は第3の従来例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
以下、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図1(a)〜(d)、図2(a)〜(d)及び図3(a)〜(c)を参照しながら説明する。
まず、図1(a)に示すように、半導体基板の上に層間絶縁膜を形成した後、該層間絶縁膜の上部に下層の金属配線を埋め込み、その後、下層の金属配線及び層間絶縁膜の上に拡散防止膜を形成することにより、半導体基板の上に層間絶縁膜、下層の金属配線及び拡散防止膜を有する基板11を形成する。基板11の形状としては特に限定されず、円形又は多角形等いずれの形状でもよいと共に、平面形状に限定されない。拡散防止膜は、下層の埋め込み配線を構成する金属が該埋め込み配線の上に形成される絶縁膜中に拡散することを防止する働きを有する。
次に、基板11の表面に、流動性を有する絶縁性物質、例えば液状又はジェル状の絶縁性物質を供給して、流動性を有する膜(以下、単に流動性膜と称する)12Aを形成する。通常、基板11上に形成された流動性膜12A中の溶媒の一部分又は大部分を蒸発させるために、約80℃から120℃程度の加熱処理を行なう。この加熱は、通常プリベークと呼ばれるものであって、プリベークの温度としては、次に行なわれる転写工程において流動性膜12Aの流動性を確保できる程度に設定すればよい。すなわち、流動性物質を供給する際の溶媒の物質特性(沸点等)に応じて温度を設定すればよく、場合によってはプリベークを省いてもよい。
流動性膜12Aとしては、有機膜、無機膜、有機無機混成膜(有機無機ハイブリッド膜)、光が照射されると硬化する光硬化性樹脂、又は径が約1nm〜10nm程度の多数の空孔(pore)を膜中に有する多孔質膜(ポーラス膜)等が挙げられる。
流動性膜12Aの形成方法としては、回転塗布法、微視的吹付け法又は回転ローラ法等が挙げられ、流動性膜12Aの厚さの調整はそれぞれの方法により異なるが、流動性膜12Aの形成方法を選択することにより膜厚の調整は可能である。尚、流動性膜12Aの形成方法の詳細については、第1〜第4の実施例で詳細に説明する。
次に、図1(b)に示すように、表面にライン状の凸部14を有する平坦な押圧面を備えた押圧部材13の押圧面を、流動性膜12Aの表面と対向させた後、図1(c)に示すように、押圧部材13に対して基板方向の圧力を加えることにより、流動性膜12Aの表面に凸部14を転写すると共に流動性膜12Aの表面における凸部14が転写された凹部領域を除く領域を全面に亘って平坦化する。
この場合、流動性膜12Aは押圧部材13の押圧面により押圧されるだけで、流動性膜12Aの表面における凸部が転写された領域を除く領域は全面に亘って平坦化される。もっとも、押圧部材13による押圧を中断すると、流動性膜12Aが有する表面張力によって、流動性膜12Aはエネルギー的に安定な形状に変化してしまう。
そこで、図1(d)に示すように、押圧部材13を流動性膜12Aに押圧した状態で流動性膜12Aを第1の温度(T1)に加熱して、流動性膜12Aの内部において化学反応を生じさせることにより、流動性膜12Aを固化させて、固化した流動性膜12Aよりなると共に凸部14が転写された溝状の第1の凹部を有する固化膜12Bを形成する。第1の温度(T1)としては、約150℃〜約300℃が好ましく、約200℃〜約250℃がより好ましい。このようにすると、流動性膜12Aの基本骨格、例えばポリマー骨格又はシロキサン骨格が確実に形成される。固化工程においては、所定の温度に設定されたホットプレートにより2、3分間程度の加熱処理を行なう。
次に、図2(a)に示すように、押圧部材13を固化膜12Bに押圧した状態で固化膜12Bを第1の温度(T1)よりも高い第2の温度(T2)に加熱して、固化膜12Bを焼成することにより、焼成された固化膜12Bよりなり第1の凹部を有する焼成膜12Cを形成する。第2の温度(T2)としては、約350℃〜約450℃が好ましい。このようにすると、基本骨格が形成されている固化膜12Bからポロジェン等が蒸発して、均一な膜質を有する焼成膜12Cが得られる。焼成工程においては、所定の温度に設定されたホットプレートにより約2分間〜約15分間程度の加熱処理を行なう。
次に、焼成膜12Cの温度を約100℃から室温程度までの温度範囲に下げた後、図2(b)に示すように、押圧部材13を焼成膜12Cから離脱させ、その後、焼成膜12Cの温度温度を最終的に室温に下げると、押圧部材13の凸部14が転写された、配線溝となる第1の凹部15を有すると共に第1の凹部15を除く領域が全面に亘って平坦である焼成膜12Cが得られる。
尚、押圧部材13の凸部14を有する押圧面が疎水性を有するように、押圧面にテフロン(登録商標)コーティング処理を施したり又はシリコンカップリング材による表面処理を施したりすることが好ましい。このようにすると、押圧部材13を焼成膜12Cから離脱させやすくできるので、より欠陥の少ない焼成膜12Cを形成することができる。
以下、流動性を有する材料について説明する。
有機膜を形成するための流動性を有する絶縁性物質としては、アリールエーテルを主骨格とするアロマティックポリマーが挙げられ、具体的には、FLARE及びGX−3(Honeywell社製)並びにSiLK(Dow Chemical社製)等が挙げられる。
無機膜を形成するための流動性を有する絶縁性物質としては、HSQ(Hydrogen silsquioxane)、又は有機SOG例えばアルキルシロキサンポリマーが挙げられ、HSQの具体例としてはFox(Dow Corning社製)が挙げられ、有機SOGの具体例としてはHSG−RZ25(日立化成社製)が挙げられる。
有機無機混成膜を形成するための流動性を有する絶縁性物質としては、シロキサン骨格中にメチル基等の有機基を含む有機シロキサンが挙げられ、具体的には、HOSP(Hybrid organic siloxane polymer:Honeywell社製)が挙げられる。
光硬化性樹脂を形成するための流動性を有する絶縁性物質としては、PDGI(Poly dimethyl glutar imide)が挙げられ、具体的には、SAL101(Shipley Far East社製)が挙げられる。
多孔質膜を形成するための流動性を有する絶縁性物質としては、空孔を有する、有機材料、無機材料及び有機無機混成材料が挙げられ、空孔を有する有機材料の具体例としては、Porous FLARE(Honeywell社製)が挙げられ、空孔を有する無機材料の具体例としては、HSQ(Hydrogen silsquioxane)中に空孔を有するXLK(Dow Corning社製)が挙げられ、空孔を有する有機無機混成材料としてはNanoglass(Honeywell社製)、LKD−5109(JSR社製)等が挙げられる。
以上の材料を用いて形成された流動性膜12Aが固化及び焼成されてなる焼成膜12Cを多層配線の層間絶縁膜として用いると、緻密であると共に通常のシリコン酸化膜(比誘電率は約4程度である。)よりも低い誘電率を有する層間絶縁膜を得ることができるので、100nm以下の微細加工が施された半導体装置に適した膜を実現できる。特に、多孔質膜を用いると、2以下の極めて低い誘電率を持った層間絶縁膜を実現できる。
次に、図2(c)に示すように、焼成膜12Cの上に、ヴィアホール形成用の開口部16aを有するレジストパターン16を形成した後、焼成膜12Cに対してレジストパターン16をマスクにしてドライエッチングを行なって、図2(d)に示すように、焼成膜12Cにヴィアホールとなる第2の凹部17a及び17bを形成する。このようにすると、焼成膜12Cには、配線溝となる第1の凹部15と連通するヴィアホールとなる第2の凹部17aと、第1の凹部15と連通しないヴィアホールとなる第2の凹部17bとが形成される。尚、ドライエッチング工程におけるエッチングガスとしては、例えばCF4ガス又はCHF3ガスのようにフッ素を含む単独ガス、フッ素を含むガスと酸素ガスとの混合ガス、酸素を含むガスと窒素を含むガスとの混合ガス、窒素を含むガスと水素を含むガスとの混合ガス、又はアンモニアガス等の単独ガスを用いることができる。
次に、図3(b)に示すように、スパッタ法又はCVD法により、第1の凹部15及び第2の凹部17a及び17bの内部を含む焼成膜12Cの上に全面に亘ってTa又はTaNよりなるバリアメタル膜を堆積した後、バリアメタル膜の上に金属膜18Aを堆積する。この場合、スパッタ法によりバリアメタル膜の上にシード(種)層を形成した後、メッキ法によりシード層の上に金属膜18Aを堆積することができる。尚、金属膜18Aとしては、銅、金、銀又はプラチナ等のようにメッキ法による堆積が可能で且つ低抵抗な金属を用いることが好ましい。また、金属膜18Aとしてはメッキ法に代えて、CVD法により堆積してもよい。
次に、CMP法により、金属膜18Aにおける不要な部分、つまり焼成膜12Cの上に露出している部分を除去すると、図3(c)に示すように、絶縁膜としての焼成膜12Cに、金属膜18Aよりなる金属配線18B及びプラグ18Cが同時に形成される。
図示は省略しているが、前述の各工程を繰り返し行なうと、各層に、焼成膜12Cよりなる層間絶縁膜、上層の金属配線18B及びプラグ18Cを有する多層配線構造を形成することができる。
第1の実施形態によると、グローバル段差を有しない焼成膜12Cよりなる層間絶縁膜を形成することができるため、膜のストレスの局部的な集中を緩和できるので、多層配線の信頼性が向上する。
また、リソグラフィ技術により、焼成膜12Cよりなる層間絶縁膜の上にマスクパターンを形成する場合には、段差に起因する焦点深度マージンの低下を抑制することができる。このため、従来に比べて、加工マージン(プロセスウインドウ)を増大できるので、高精度な半導体装置を製造することができる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態に係るパターン形成方法について、図1(a)〜(d)、図2(a)〜(d)及び図3(a)〜(c)を参照しながら説明する。
第2の実施形態の基本的なプロセスシーケンスは、第1の実施形態とほとんど共通しているため、以下においては、第1の実施形態と異なるところを中心に説明する。
まず、第1の実施形態と同様、基板11上に流動性膜12Aを形成した後に、凸部14を有する押圧部材13を流動性膜12Aに押圧して、凸部14を流動性膜12Aに転写すると共に流動性膜12Aにおける凸部14が転写された凹部領域を除く領域を全面に亘って平坦化する。
次に、押圧部材13を流動性膜12Aに押圧した状態で流動性膜12Aを第1の温度(T1)に加熱して、流動性膜12Aの内部において化学反応を生じさせることにより、流動性膜12Aを固化させて、凸部14が転写され且つ平坦な表面を有する固化膜12Bを形成する。
次に、押圧部材13を固化膜12Bから離脱させた後、固化膜12Bに対して、第1の温度(T1)よりも高い第2の温度(T2)で加熱して、固化膜12Bを焼成することにより、焼成された固化膜12Bよりなる焼成膜12Cを形成し、その後、焼成膜12Cの温度を室温程度にまで下げると、押圧部材13の凸部14が転写された第1の凹部15を有する焼成膜12Cが形成される。
第1の実施形態と第2の実施形態の差異は、第1の実施形態では、押圧部材13の押圧面を固化膜12Bに押圧した状態で焼成するが、第2の実施形態では、押圧部材13の押圧面を固化膜12Bから離脱させた状態で焼成することである。従って、第2の実施形態においては、流動性膜12Aを固化する工程ではホットプレートを用いて加熱する必要があるが、固化膜12Bを焼成する工程ではホットプレート又はハーネスを用いて加熱することができる。
第2の実施形態は、焼成工程において脱ガスが多い固化膜を加熱する場合に第1の実施形態よりも有効となる。通常の膜の場合、プリベークにより膜中の残留溶媒濃度を制御することができるため、焼成工程においては脱ガスはほとんど無いが、膜の組成によっては、比較的高温で加熱される焼成工程において脱ガスが発生する場合がある。このような場合には、第1の実施形態の焼成工程では焼成膜12Cにおける均一性又は安定性に問題が生じるため、第2の実施形態の焼成工程を用いることが好ましい。特に、焼成膜12Cが多孔質膜である場合にその効果が発揮される。多孔質膜の場合、固化工程における第1の温度(T1)での加熱処理において、膜の基本構造の大部分を形成し、焼成工程における第2の温度(T2)での加熱処理において、空孔を形成するために添加されていた空孔形成用の物質を蒸発させるため、押圧部材13を固化膜12Bから離脱させた状態で焼成する第2の実施形態の焼成工程が適している。もっとも、多孔質膜であっても、固化工程において膜の基本骨格の形成が行なわれると共に空孔形成用の物質の大部分が蒸発するような最適化された膜の場合、第1の実施形態の焼成工程を用いても良好な焼成膜12Cが得られる。
第1及び第2の実施形態においては、焼成工程での加熱温度(第2の温度)を固化工程での加熱温度(第1の温度)よりも高く設定するが、焼成膜12Cを半導体装置の絶縁膜として用いる場合には、固化工程での加熱温度(第1の温度)としては約150℃〜300℃が好ましく、焼成工程での加熱温度(第2の温度)としては約350℃〜450℃が好ましい。
次に、従来のパターン形成方法と本発明のパターン形成方法の差異について、図4(a)及び(b)を参照しながら説明する。
図4(a)に示すように、従来の半導体装置の製造方法は、押圧部材(モールド)を圧着した後に、膜硬化工程における1回の加熱工程により凹部を有する膜を形成するのに対し、図4(b)に示すように、本発明の半導体装置の製造方法は、押圧部材(モールド)を圧着した(転写工程)後に、固化工程及び焼成工程における2段階の加熱処理により、凹部を有する焼成膜12Cを形成する。
<第1の実施例>
以下、第1又は第2の実施形態に用いられる流動性膜の形成方法として、第1の回転塗布法について、図5(a)〜(c)を参照しながら説明する。
まず、図5(a)に示すように、回転可能なステージ20の上に基板21を真空吸着により保持した後、基板21の上に流動性を有する絶縁性物質23を適量滴下し、その後、ステージ20を回転させたり、又は、図5(b)に示すように、回転可能なステージ20の上に基板21を真空吸着により保持した後、ステージ20ひいては基板21を回転させながら、滴下ノズル24から基板21の上に流動性を有する絶縁性物質23を供給する。
このようにすると、図5(c)に示すように、基板21の上に流動性膜22が形成される。
図5(a)に示す方法又は図5(b)に示す方法のいずれの場合においても、流動性を有する絶縁性物質23の粘性と、ステージ20の回転速度とを最適化することにより、押圧部材13の凸部14(図1(b)を参照)を流動性膜22の表面に転写する工程に適した堅さを有する流動性膜22を得ることができる。
尚、第1の実施例は、比較的大きい厚さを持つ流動性膜22を形成する場合に適している。
<第2の実施例>
以下、第1又は第2の実施形態に用いられる流動性膜の形成方法として、第2の回転塗布法について、図6(a)及び(b)を参照しながら説明する。
まず、図6(a)に示すように、回転可能に設けられたステージ20の上に、段差を有する基板21を真空吸着により保持した後、ステージ20ひいては基板21を回転させながら、噴射ノズル25の噴射口から基板21の上に流動性を有する絶縁性物質26をシャワー状又はスプレー状に供給する。
所定量の流動性を有する絶縁性物質26が供給された後に、ステージ20を所定時間だけ回転し続けると、図6(b)に示すように、基板21の上に流動性膜22が形成される。
第2の実施例は、比較的小さい膜厚を持つ流動性膜22を形成する場合に適している。
<第3の実施例>
以下、第1又は第2の実施形態に用いられる流動性膜の形成方法として、微視的吹付け法について、図7(a)及び(b)を参照しながら説明する。
まず、図7(a)に示すように、2次元直交座標系の直交する2方向のうちの一方の方向、例えば図7(a)における左右方向に基板21を移動させると共に、直交する2方向のうちの他方の方向、例えば図7(a)における上下方向に滴下ノズル27を移動させながら、滴下ノズル27から基板21の上に流動性を有する絶縁性物質28を所定量ずつ供給する。すなわち、基板21を図7(a)における左方向に所定量移動した後、停止させる動作を繰り返し行なうと共に、基板21が停止している期間内において、滴下ノズル27を図7(a)における上方向又は下方向に移動させながら、滴下ノズル27から基板21の上に流動性を有する絶縁性物質28を所定量ずつ供給する。
このようにすると、図7(b)に示すように、基板21の上に流動性膜22が形成される。
第3の実施例によると、滴下ノズル27から供給される流動性を有する絶縁性物質28の量と、滴下ノズル27の移動速度とを調整することにより、流動性膜22の厚さを小さい膜厚から大きい膜厚まで制御することができる。
また、滴下ノズル27から供給される流動性を有する絶縁性物質28の粘度を調整することにより、流動性膜22の流動性の程度を変化させることができる。
また、滴下ノズル27の数を調整することにより、処理速度を制御することができる。
<第4の実施例>
以下、第1又は第2の実施形態に用いられる流動性膜の形成方法として、回転ローラ法について、図8(a)及び(b)を参照しながら説明する。
図8(a)及び(b)に示すように、回転ローラ29の周面に流動性を有する絶縁性物質30を均一に付着させた状態で、回転ローラ29を基板21の表面に沿って回転移動させる。
このようにすると、流動性を有する絶縁性物質30が基板21の表面に転着されるため、図8(b)に示すように、基板21の上に流動性膜22が形成される。
第4の実施例によると、回転ローラ29と基板21との間隔及び回転ローラ29を基板21に押し付ける力を調整することにより、流動性膜22の厚さを制御することができる。
また、第4の実施例は、流動性を有する絶縁性物質30が粘性の高い液状又はジェル状である場合に適している。
(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態に係るパターン形成方法について、図9(a)〜(c)及び図10(a)〜(c)を参照しながら説明する。
第3の実施形態は、第1又は第2の実施形態により得られる流動性膜の周縁部を選択的に除去する方法であって、第1の方法は、流動性膜が形成された基板を回転させながら流動性膜の周縁部に流動性膜を溶解させる溶液を供給して、周縁部を除去するものであり、第2の方法は、流動性膜の周縁部に光を照射して該周縁部を改質した後、改質された周縁部を除去するものである。
ところで、第1又は第2の実施形態によると、基板の全面に亘ってつまり基板の周縁部にまで流動性膜が形成される。ところが、基板の周縁部を機械的に保持する必要性が生じることがある。
第3の実施形態は、このような問題点を解決するためになされたものであり、第3の実施形態によると、流動性膜の周縁部を選択的に除去するため、基板の周縁部を機械的に保持することが容易になる。
以下、流動性膜22の周縁部を選択的に除去する第1の方法について、図9(a)〜(c)を参照しながら説明する。
まず、図9(a)に示すように、回転可能に設けられたステージ20の上に、流動性膜22が形成されている基板21を真空吸着した後、ステージ20を回転させて流動性膜22を回転させると共に、第1のノズル31から剥離液33を流動性膜22の周縁部に供給すると共に、第2のノズル32から剥離液34を基板21の周縁部の裏面に供給する。
このようにすると、図9(b)に示すように、流動性膜22の周縁部を除去することができると共に、基板21の裏面周縁部に付着した流動性を有する絶縁性物質を除去することができる。
次に、ステージ20の回転を継続して行なう一方、剥離液33、34の供給を停止して、流動性膜22を乾燥させる。以上により、図9(c)に示すように、周縁部が選択的に除去された流動性膜22を得ることができる。
尚、第1の方法は、流動性膜22に対する転写工程の前に行なうことが好ましい。
第1の方法は、ステージ20ひいては流動性膜22を回転しながら、その周縁部を除去するので、平面形状が円形又は角数の多い多角形である基板21に適している。
以下、流動性膜22の周縁部を選択的に除去する第2の方法について、図10(a)〜(c)を参照しながら説明する。
まず、図10(a)に示すように、回転可能に設けられたステージ20の上に、流動性膜22が形成されている基板21を真空吸着した後、ステージ20を回転させて流動性膜22を回転させると共に、光照射装置35から光36を流動性膜22の周縁部に照射して、流動性膜22の周縁部(光照射部)において光化学反応を起こさせて該周縁部を改質する。この場合の光36としては、紫外光又は紫外光よりも波長の短い光が好ましい。
次に、図10(b)に示すように、ステージ20ひいては流動性膜22の回転を停止させた後、流動性膜22の上に全面に亘って現像液などの溶液37を供給する。このようにすると、流動性膜22の改質している周縁部は溶液37に溶解するので、流動性膜22の周縁部を選択的に除去することができる。
次に、図10(c)に示すように、ステージ20ひいては流動性膜22を再び回転させて、流動性膜22の上に残存している溶液37を遠心力により外部に除去する。この場合、溶液37を除去しながら又は除去した後に、流動性膜22の上にリンス液を供給して残存している溶液37を取り除くことが好ましい。このようにすると、周縁部が選択的に除去された流動性膜22を得ることができる。
尚、第2の方法は、流動性膜22に対する転写工程の前に行なうことが好ましい。
第2の方法は、流動性膜22の周縁部に選択的に光36を照射するので、平面形状が円形又は角数の多い多角形である基板21のみならず、三角形又は四角形などのように角数の少ない多角形の基板21にも適用することができる。
(第4の実施形態)
以下、第4の実施形態に係るパターン形成方法について、図11(a)、(b)及び図12(a)、(b)を参照しながら説明する。
第4の実施形態は、第1又は第2の実施形態により得られる流動性膜の表面に押圧部材の凸部を転写するために好ましい方法であって、基板の表面又はステージの表面と、押圧部材の押圧面との間の複数の距離を測定すると共に、これら複数の距離が等しくなるように流動性膜を押圧するものである。
まず、図11(a)に示すように、第1又は第2の実施形態の方法により、基板41の上に流動性膜42を形成した後、押圧面に凸部及び複数の距離センサ44を有する押圧部材43を用いて、該押圧部材43の凸部を流動性膜42に転写する。尚、第4の実施形態においては、ステージ20(図5(c)又は図6(b)を参照)の外形寸法を基板41の外形寸法よりも大きくしておくことが好ましい。
この場合、複数の距離センサ44により、基板41の表面又は基板41が載置されるステージ20(図5(c)又は図6(b)を参照)の表面と、押圧部材43の押圧面との間の複数の距離を測定すると共に、複数の距離が等しくなるように押圧部材43により流動性膜42を押圧して流動性膜42に押圧部材43の凸部を転写する。すなわち、複数の距離センサ44により測定された複数の距離の情報は、押圧部材43を押圧する押圧手段にフィードバックされ、複数の距離が等しくなるように流動性膜42を押圧する。尚、フィードバック制御はコンピュータにより行なえばよい。また、基板40の表面又は基板40が載置されるステージ20(図5(c)又は図6(b)を参照)の表面と、押圧部材43の押圧面との間の複数の距離を測定する場合、測定部位における単位面積当たりの静電容量を計測することにより行なわれることが好ましい。このようにすると、複数の距離を簡易且つ確実に測定することができる。
以下、基板41の表面と押圧部材43の押圧面との間の複数の距離を測定する方法について、図11(b)を参照しながら説明する。
図11(b)において、a、b、c、……、qは、距離センサ44が配置される位置を示している。距離センサ44の位置a〜qは、押圧部材43の機構に応じて最適化することが好ましく、基板41の表面又は基板41が載置されるステージの表面と、流動性膜42の表面との距離を効率良く計測できる位置に設定すればよい。例えば、中央部のセンサ位置a〜iは、基板41の表面と流動性膜42の表面との距離を測定するのに適しており、周縁部のセンサ位置j〜qは、基板41が載置されるステージの表面と流動性膜42の表面との距離を測定するのに適している。
従って、センサ位置a〜iの距離センサ44のみを用いて、基板41の表面と流動性膜42の表面との距離のみを測定してもよいし、センサ位置j〜qの距離センサ44のみを用いて、基板41が載置されるステージの表面と流動性膜42の表面との距離のみを測定してもよいし、センサ位置a〜qの距離センサ44のみを用いて、基板41の表面と流動性膜42の表面との距離及び基板41が載置されるステージの表面と流動性膜42の表面との距離を測定してもよい。
また、押圧部材44の押圧面の凸部を微調整できる場合には、センサ位置a〜iの距離センサ44を用いて基板41の表面と流動性膜42の表面との距離を調整した後、センサ位置j〜qの距離センサ44を用いて、基板41の表面と流動性膜42の表面との距離を調整してもよい。このようにすると、より高精度な平坦化を実現することができる。尚、距離センサ44の数及び位置は、要求される平坦性の度合いに応じて最適化すればよい。
ところで、第1の実施形態によると、流動性膜12Aの表面の基板11の表面からの距離を等しくすることは重要であるが容易ではない。すなわち、第1の実施形態によると、基板11の表面と押圧部材13の押圧面との距離が均一になるように予め設定しておくことにより、流動性膜12Aの表面の基板11の表面からの距離を均一にすることはできるが、この方法によると、所定期間毎に、つまり押圧部材13の押圧面を所定数の流動性膜12Aに押圧する毎に、基板11の表面と押圧部材13の押圧面との距離が均一になるように設定しなければならない。
ところが、第4の実施形態によると、流動性膜42の表面の基板41の表面からの距離を常に等しくすることができるので、所定期間毎に基板41の表面と押圧部材43の押圧面との距離を均一にする作業を省略することができる。
尚、基板41の表面と押圧部材43の押圧面との距離を均一に調整する工程は、押圧部材43により流動性膜42を押圧する処理の前、途中又は後のいずれであってもよい。
図12(a)は、押圧部材43の押圧面と基板41の表面との距離が不均一になった場合の流動性膜42の断面状態を示し、図12(b)は、押圧部材43の押圧面と基板41の表面との距離が均一に保たれた場合の流動性膜42の断面状態を示している。尚、図12(a)及び(b)において、45は押圧部材43に圧力を加えるための加圧板である。
図12(a)と図12(b)との対比から分かるように、押圧部材43の押圧面と基板11の表面との距離を均一に保った状態で流動性膜42を押圧すると、流動性膜42の基板41の表面からの距離が均一になった状態で流動性膜42の表面を平坦化することができる。
(第5の実施形態)
以下、第5の実施形態に係るパターン形成方法について、図13(a)及び(b)を参照しながら説明する。
第5の実施形態は、流動性膜52Aに対して光を照射しながら加熱することにより流動性膜52Aを固化する方法である。
図13(a)に示すように、基板51の上に形成されている流動性膜52Aに対して、光を透過する材料例えば石英よりなり押圧面に凸部を有する押圧部材53の押圧面を加圧板54により押圧して、押圧部材53の凸部を流動性膜52Aに転写した状態で、流動性膜52Aに光を照射すると共に流動性膜52Aを加熱する。照射する光としては、主として光化学反応により流動性膜52Aを固化する場合には、紫外光又は紫外光よりも波長の短い光を用い、主として熱化学反応により流動性膜52Aを固化する場合には赤外光を用いることが好ましい。
このようにすると、流動性膜52Aは光化学反応又は熱化学反応により固化して、図13(b)に示すように、固化膜52Bが得られる。
主として光化学反応により流動性膜52Aを固化する方法は、光硬化性樹脂、例えばリソグラフィ技術で用いるフォトレジストのような感光性樹脂膜等に適している。また、主として熱化学反応により流動性膜52Aを固化する方法は、光照射により酸又は塩基を発生する材料を含むと共にベース樹脂が酸又は塩基により固化する化学増幅型材料よりなる有機膜若しくは有機無機混成膜、又は無機膜等に適している。
(第6の実施形態)
以下、第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図14(a)〜(d)、図15(a)〜(d)及び図16(a)〜(c)を参照しながら説明する。
まず、図14(a)に示すように、半導体基板の上に層間絶縁膜を形成した後、該層間絶縁膜の上部に下層の金属配線を埋め込み、その後、下層の金属配線及び層間絶縁膜の上に拡散防止膜を形成することにより、半導体基板の上に層間絶縁膜、下層の金属配線及び拡散防止膜を有する基板61を形成する。基板61の形状としては特に限定されず、円形又は多角形等いずれの形状でもよいと共に、平面形状に限定されない。拡散防止膜は、下層の埋め込み配線を構成する金属が該埋め込み配線の上に形成される絶縁膜中に拡散することを防止する働きを有する。
次に、基板61の表面に、流動性を有する絶縁性物質、例えば液状又はジェル状の絶縁性物質を供給して、流動性を有する膜(以下、単に流動性膜と称する)62Aを形成する。流動性膜62Aとしては、第1の実施形態と同様、有機膜、無機膜、有機無機混成膜(有機無機ハイブリッド膜)、光が照射されると硬化する光硬化性樹脂、又は径が約1nm〜10nm程度の多数の空孔(pore)を膜中に有する多孔質膜等が挙げられる。また、流動性膜62Aの形成方法としては、回転塗布法、微視的吹付け法又は回転ローラ法等が挙げられ、流動性膜62Aの厚さの調整はそれぞれの方法により異なるが、流動性膜62Aの形成方法を選択することにより膜厚の調整は可能である。尚、流動性膜62Aの形成方法の詳細については、第1の実施形態における第1〜第4の実施例の方法を用いることができる。
通常、基板61上に形成された流動性膜62A中の溶媒の一部分又は大部分を蒸発させるために、約80℃から120℃程度の加熱処理を行なう。この加熱は、通常プリベークと呼ばれるものであって、プリベークの温度としては、次に行なわれる転写工程において流動性膜62Aの流動性を確保できる程度に設定すればよい。すなわち、流動性物質を供給する際の溶媒の物質特性(沸点等)に応じて温度を設定すればよく、場合によってはプリベークを省いてもよい。
基板61の平面形状としては、特に限定されず、円形又は多角形等いずれの形状でもよい。
次に、図14(b)に示すように、表面にドット状の凸部64を有する平坦な押圧面を備えた押圧部材63の押圧面を、流動性膜62Aの表面と対向させた後、図14(c)に示すように、押圧部材63に対して基板方向の圧力を加えることにより、流動性膜62Aの表面に凸部64を転写すると共に流動性膜62Aの表面における凸部64が転写された凹部領域を除く領域を全面に亘って平坦化する。
この場合、流動性膜62Aは押圧部材63の押圧面により押圧されるだけで、流動性膜62Aの表面における凸部が転写された領域を除く領域は全面に亘って平坦化される。もっとも、押圧部材63による押圧を中断すると、流動性膜62Aが有する表面張力によって、流動性膜62Aはエネルギー的に安定な形状に変化してしまう。
そこで、図14(d)に示すように、押圧部材63を流動性膜62Aに押圧した状態で流動性膜62Aを第1の温度(T1)に加熱して、流動性膜62Aの内部において化学反応を生じさせることにより、流動性膜62Aを固化させて、固化した流動性膜62Aよりなると共に凸部64が転写されたホール状の第1の凹部を有する固化膜62Bを形成する。第1の温度(T1)としては、約150℃〜約300℃が好ましく、約200℃〜約250℃がより好ましい。このようにすると、流動性膜62Aの基本骨格、例えばポリマー骨格又はシロキサン骨格が確実に形成される。固化工程においては、所定の温度に設定されたホットプレートにより2、3分間程度の加熱処理を行なう。
次に、図15(a)に示すように、押圧部材63を固化膜62Bに押圧した状態で固化膜62Bを第1の温度(T1)よりも高い第2の温度(T2)に加熱して、固化膜62Bを焼成することにより、焼成された固化膜62Bよりなりヴィアホールとなる第1の凹部65を有する焼成膜62Cを形成する。第2の温度(T2)としては、約350℃〜約450℃が好ましい。このようにすると、基本骨格が形成されている固化膜62Bからポロジェン等が蒸発して、均一な膜質を有する焼成膜62Cが得られる。焼成工程においては、所定の温度に設定されたホットプレートにより約2分間〜約15分間程度の加熱処理を行なう。
次に、焼成膜62Cの温度を約100℃から室温程度までの温度範囲に下げた後、図15(b)に示すように、押圧部材63を焼成膜62Cから離脱させる。次に、焼成膜62Cの温度温度を最終的に室温に下げた後、焼成膜62Cに対して異方性ドライエッチングによるエッチバック処理を行なう。このようにすると、焼成膜62Cにおける第1の凹部65の底部に存在する残存部はエッチバックよりにより除去されるので、配線溝となる第1の凹部65を有すると共に第1の凹部65を除く領域が全面に亘って平坦である焼成膜62Cが得られる。その後、図示は省略しているが、下層の金属配線の上に形成されている拡散防止膜を異方性ドライエッチングにより除去すると、下層の金属配線が露出する。尚、エッチバック処理の異方性ドライエッチング工程と、拡散防止膜に対する異方性ドライエッチング工程とは、エッチング条件によっては同時に行なってもよい。
次に、図15(c)に示すように、焼成膜62Cの上に、配線溝形成用の開口部66aを有するレジストパターン66を形成した後、焼成膜62Cに対してレジストパターン66をマスクにしてドライエッチングを行なって、図16(a)に示すように、焼成膜62Cに配線溝となる第2の凹部67を形成する。このようにすると、焼成膜62Cには、ヴィアホールとなる第1の凹部65aと連通し配線溝となる第2の凹部67が形成されると共に、配線溝となる第2の凹部67と連通しないヴィアホールとなる第1の凹部65bが露出する。尚、ドライエッチング工程におけるエッチングガスとしては、例えばCF4ガス又はCHF3ガスのようにフッ素を含む単独ガス、フッ素を含むガスと酸素ガスとの混合ガス、酸素を含むガスと窒素を含むガスとの混合ガス、窒素を含むガスと水素を含むガスとの混合ガス、又はアンモニアガス等の単独ガスを用いることができる。
次に、図16(b)に示すように、スパッタ法又はCVD法により、第1の凹部65a及び65b並びに第2の凹部67の内部を含む焼成膜62Cの上に全面に亘ってTa又はTaNよりなるバリアメタル膜を堆積した後、バリアメタル膜の上に金属膜68Aを堆積する。この場合、スパッタ法によりバリアメタル膜の上にシード(種)層を形成した後、メッキ法によりシード層の上に金属膜68Aを堆積することができる。尚、金属膜68Aとしては、銅、金、銀又はプラチナ等のようにメッキ法による堆積が可能で且つ低抵抗な金属を用いることが好ましい。また、金属膜68Aとしてはメッキ法に代えて、CVD法により堆積してもよい。
次に、CMP法により、金属膜68Aにおける不要な部分、つまり焼成膜62Cの上に露出している部分を除去すると、図16(c)に示すように、絶縁膜としての焼成膜62Cに、金属膜68Aよりなる金属配線68B及びプラグ68Cが同時に形成される。
図示は省略しているが、前述の各工程を繰り返し行なうと、各層に、焼成膜62Cよりなる層間絶縁膜、上層の金属配線68B及びプラグ68Cを有する多層配線構造を形成することができる。
第6の実施形態によると、グローバル段差を有しない焼成膜62Cよりなる層間絶縁膜を形成することができるため、膜のストレスの局部的な集中を緩和できるので、多層配線の信頼性が向上する。
また、リソグラフィ技術により、焼成膜62Cよりなる層間絶縁膜の上にマスクパターンを形成する場合には、段差に起因する焦点深度マージンの低下を抑制することができる。このため、従来に比べて、加工マージン(プロセスウインドウ)を増大できるので、高精度な半導体装置を製造することができる。
尚、第6の実施形態において、流動性膜62Aとして焼成工程において脱ガスが多い膜を用いる場合には、第2の実施形態に対応する焼成工程を用いる方が有効である。通常の流動性膜62Aの場合、プリベークにより膜中の残留溶媒濃度を制御することができるため、焼成工程において脱ガスは殆ど発生しないが、膜組成によっては比較的高温で加熱される焼成工程において脱ガスが多い場合がある。このような場合には、第1の実施形態に対応する焼成工程を用いると、パターン62Cに均一性又は安定性の問題が生じるため、第2の実施形態の焼成工程を用いることが好ましい。
特に、焼成膜62Cが多孔質膜である場合には、第2の実施形態と対応する焼成工程が有効である。多孔質膜の場合、固化工程において、膜の基本構造の大部分が形成され、その後の焼成工程において、空孔を形成するために添加されていた空孔形成用の物質が蒸発するため、押圧部材63を固化膜62Bから離脱させた状態で焼成する方法が適している。もっとも、多孔質膜であっても、固化工程において、膜の基本骨格の形成と共に空孔形成用の物質の蒸発を行なうような材質を用いる場合には、第6の実施形態の焼成工程を用いても良好な焼成膜62Cが得られる。
産業上の利用の可能性
本発明は半導体装置の製造方法に有用である。
Applied Physics Letter, Volume 67 (1995),pp. 3114-3116.
以下、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図1(a) 〜(d) 、図2(a) 〜(d) 及び図3(a) 〜(c) を参照しながら説明する。
以下、第2の実施形態に係るパターン形成方法について、図1(a) 〜(d) 、図2(a) 〜(d) 及び図3(a) 〜(c) を参照しながら説明する。
以下、第1又は第2の実施形態に用いられる流動性膜の形成方法として、第1の回転塗布法について、図5(a) 〜(c) を参照しながら説明する。
以下、第1又は第2の実施形態に用いられる流動性膜の形成方法として、第2の回転塗布法について、図6(a) 及び(b) を参照しながら説明する。
以下、第1又は第2の実施形態に用いられる流動性膜の形成方法として、微視的吹付け法について、図7(a) 及び(b) を参照しながら説明する。
以下、第1又は第2の実施形態に用いられる流動性膜の形成方法として、回転ローラ法について、図8(a) 及び(b) を参照しながら説明する。
以下、第3の実施形態に係るパターン形成方法について、図9(a) 〜(c) 及び図10(a) 〜(c) を参照しながら説明する。
以下、第4の実施形態に係るパターン形成方法について、図11(a) 、(b) 及び図12(a) 、(b) を参照しながら説明する。
以下、第5の実施形態に係るパターン形成方法について、図13(a) 及び(b) を参照しながら説明する。
以下、第6の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図14(a) 〜(d) 、図15(a) 〜(d) 及び図16(a) 〜(c) を参照しながら説明する。
Claims (24)
- 流動性を有する絶縁性物質よりなる流動性膜を形成する工程と、
押圧面に凸部を有する押圧部材の前記押圧面を前記流動性膜に押圧して、前記流動性膜に前記凸部が転写されてなる第1の凹部を形成する工程と、
前記押圧面を前記流動性膜に押圧した状態で前記流動性膜を第1の温度に加熱して前記流動性膜を固化することにより、前記第1の凹部を有する固化膜を形成する工程と、
前記固化膜を前記第1の温度よりも高い第2の温度に加熱して前記固化膜を焼成することにより、前記第1の凹部を有する焼成膜を形成する工程と、
前記焼成膜の上に、第2の凹部形成用の開口部を有するマスクを形成した後、前記焼成膜に対して前記マスクを用いてエッチングすることにより、前記焼成膜に少なくとも前記第1の凹部と連通する第2の凹部を形成する工程と、
前記焼成膜の前記第1の凹部及び前記第2の凹部に金属材料を埋め込むことにより、前記金属材料よりなるプラグ及び金属配線を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記第1の温度は約150℃〜約300℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1又は2において、
前記第2の温度は約350℃〜約450℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記第1の凹部は配線溝であり、前記第2の凹部はヴィアホールであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記第1の凹部はヴィアホールであり、前記第2の凹部は配線溝であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性を有する絶縁性物質は、液状又はジェル状であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性膜を形成する工程は、回転している基板の上に前記流動性を有する絶縁性物質を供給することにより、前記流動性膜を前記基板の上に形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性膜を形成する工程は、基板の上に前記流動性を有する絶縁性物質を供給した後、前記基板を回転することにより、前記流動性膜を前記基板の上に形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性膜を形成する工程は、回転している基板の上に前記流動性を有する絶縁性物質をシャワー状又はスプレー状に供給することにより、前記流動性膜を前記基板の上に形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性膜を形成する工程は、微小な噴射口を有するノズルと基板とを平面方向に相対移動させながら、前記流動性を有する絶縁性物質を前記噴射口から前記基板の上に供給することにより、前記流動性膜を前記基板の上に形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性膜を形成する工程は、ローラの表面に付着した前記流動性を有する絶縁性物質を前記ローラを回転しながら基板の上に供給することにより、前記流動性膜を前記基板の上に形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性膜を形成する工程と前記第1の凹部を形成する工程との間に、前記流動性膜の周縁部を選択的に除去する工程をさらに備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項12において、
前記流動性膜の周縁部を選択的に除去する工程は、前記流動性膜を回転させながら前記流動性膜の周縁部に、前記流動性を有する絶縁性物質を溶解させる溶液を供給することにより行なわれることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項12において、
前記流動性膜の周縁部を選択的に除去する工程は、前記流動性膜の周縁部に光を照射して改質した後、改質された前記周縁部を除去することにより行なわれることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性膜は基板の上に形成されており、
前記第1の凹部を形成する工程は、前記基板の表面と前記押圧面との間の複数の距離を測定すると共に、前記複数の距離が等しくなるように前記押圧面により前記流動性膜を押圧する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性膜は基板の上に形成されており、
前記第1の凹部を形成する工程は、前記基板が載置されているステージの表面と前記押圧面との間の複数の距離を測定すると共に、前記複数の距離が等しくなるように前記押圧面により前記流動性膜を押圧する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項15又は16において、
前記複数の距離を測定する工程は、測定部位における単位面積当たりの静電容量を計測することにより行なわれることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記押圧部材の押圧面は疎水性を有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性を有する絶縁性物質は光硬化性樹脂であり、
前記固化膜を形成する工程は、前記流動性膜に光を照射する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記流動性を有する絶縁性物質は、有機材料、無機材料、有機無機混成材料、光硬化性樹脂又は感光性樹脂であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記焼成膜を形成する工程は、前記押圧面を前記固化膜に押圧した状態で前記固化膜を前記第2の温度に加熱する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記焼成膜を形成する工程は、前記押圧面を前記固化膜から離脱させた状態で前記固化膜を前記第2の温度に加熱する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記焼成膜は多孔質膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、
前記焼成膜の比誘電率は約4以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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