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発明の名称 絶縁膜の平坦化方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平9−8007
公開日 平成9年(1997)1月10日
出願番号 特願平7−174165
出願日 平成7年(1995)6月16日
代理人
発明者 小塩 賢治 / 森川 隆史 / 番匠 修己
要約 目的
従来のエッチバック法による平坦化方法に比べてウェハ面全面にわたりより一層均一に絶縁膜を平坦化できる方法を提供する。

構成
本発明方法は、基板20上のAl 配線層22上に層間絶縁膜24を形成する。次いで、層間絶縁膜上に第1層レジスト膜26を形成する。その際、Al 配線層間の層間絶縁膜の凹部状領域28では、第1層レジスト膜の表面が、凸部状領域30の層間絶縁膜の表面とほぼ同じ位置に来るように第1層レジスト膜を形成する。Al 配線層間の層間絶縁膜の凹部状領域を埋めるような形状の第1層レジスト膜のパターンを形成する。基板全面に第2層レジスト膜32を平坦に形成する。凸部領域の層間絶縁膜が露出するまで、レジスト膜をエッチバックする。凸部領域の層間絶縁膜及び凹部状領域のレジスト膜を同時にエッチバックする。凹部状領域に残存するレジスト膜を除去した後、基板全面に層間絶縁膜を成膜する。
特許請求の範囲
【請求項1】 基板上に形成された配線層上に絶縁膜を成膜する工程と、配線層と配線層との間の絶縁膜の凹部状領域では、第1層レジスト膜の表面が、配線層上の凸部状領域の絶縁膜の表面と同じ位置に来るように、絶縁膜上に第1層レジスト膜を形成する工程と、配線層と配線層との間の絶縁膜の凹部状領域を埋めるような形状のパターンを形成するように第1層レジスト膜をパターニングする工程と、基板面全面に第2層レジスト膜を平坦に形成する工程と、凸部状領域の絶縁膜が露出するまで、基板全面にわたり第2層レジスト膜をエッチバックする工程と、更に、絶縁膜の凹部状領域上のレジスト膜及び露出した凸部状領域の絶縁膜を基板面に直交する方向に所定深さまで平坦にエッチバックする工程と、絶縁膜の凹部状領域に残存するレジスト膜を除去する工程と、及び絶縁膜が配線層上の凸部状領域で所定の膜厚になるように、基板面全面に第2層目の絶縁膜を平坦に成膜する工程とを備えることを特徴とする絶縁膜の平坦化方法。
【請求項2】 凸部状領域の絶縁膜が露出するまで、基板全面にわたり第2層レジスト膜をエッチバックする工程では、エッチングガスとして酸素ガスとアルゴンガスの混合ガスを使用して反応性イオンエッチング法によりレジスト膜をエッチバックし、絶縁膜の凹部状領域上のレジスト膜及び露出した凸部状領域の絶縁膜を基板面に直交する方向に所定深さまで平坦にエッチバックする工程では、フッ素系のガスとアルゴンガスとの混合ガスを使用して同じく反応性イオンエッチング法により絶縁膜及びレジスト膜をエッチングすることを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の平坦化方法。
【請求項3】 絶縁膜の凹部状領域に残存するレジスト膜を除去する工程において、酸素ガスを使用したプラズマアッシング法により、残存するレジスト膜を除去していることを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の平坦化方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁膜の平坦化方法に関し、従来のエッチバック法による平坦化方法に比べてウェハ面全面にわたりより一層均一に絶縁膜を平坦化できる方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高密度、大規模化に伴い、多層配線技術の重要性が増大している。多層配線においては、下地の素子形成時における凹凸に加え、何層もの配線層(主として、Al 配線層)や層間絶縁膜が積層されるために、基板表面の凹凸は益々増幅される。素子が微細化されると、横方向の寸法は縮小されるが、配線層及び層間絶縁膜の厚さは、所定の電気抵抗を維持し、また静電容量の増大を避けるために薄くできない。そのため、凹凸の段差は、増幅されて段々急峻となり、配線やスルーホールのアスペクト比は大きくなる。表面の凹凸は、配線の断線・短絡、スルーホールを介した配線層と配線層との接触不良、更にはホトリソグラフィの解像度低下を招く。そこで、配線層の平坦化並びに層間絶縁膜の平坦化が必要となる。
【0003】層間絶縁膜の平坦化方法の一つとして、従来からエッチバック法と言う手法が使用されている。従来のエッチバック法は、図4(a)に示すように、配線層、例えばAl 配線層12上に成膜された層間絶縁膜14上に平坦化用レジスト膜16を塗布する。尚、10は基板を示す。次いで、図4(b)に示すように、プラズマエッチング或いは反応性イオンエッチングにより、レジスト膜16と層間絶縁膜14の凸部18をエッチングする。その際、レジスト膜16のエッチングレートと層間絶縁膜14のエッチングレートがほぼ同じになるようなエッチング条件を設定する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述の方法で、問題となるのは、塗布した平坦化用レジスト膜16の厚さの分布である。図4(a)に示すように、広い凸部状の領域(図4(a)で左側)のレジスト膜の厚さをT1 と、狭い凸部状の領域(図4(a)で中央)のレジスト膜の厚さをT2 、広い凹部状の領域(図4(a)で右側)のレジスト膜の厚さをT3 とすると、高い流動性によりレジスト材が流動して、レジスト膜16は、T1 とT3 とがほぼ同じ厚さになる。この状態で、レジスト膜16をエッチバックすると、図4(b)に示すように、広い凹部状の領域と狭い凸部状の領域との間では段差は解消するが、広い凸部状の領域と広い凹部状の領域との間では段差は解消しない。
【0005】そこで、本発明の目的は、従来のエッチバック法による平坦化方法に比べてウェハ面全面にわたりより一層均一に絶縁膜を平坦化できる方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明に係る絶縁膜の平坦化方法は、基板上に形成された配線層上に絶縁膜を成膜する工程と、配線層と配線層との間の絶縁膜の凹部状領域では、第1層レジスト膜の表面が、配線層上の凸部状領域の絶縁膜の表面と同じ位置に来るように、絶縁膜上に第1層レジスト膜を形成する工程と、配線層と配線層との間の絶縁膜の凹部状領域を埋めるような形状のパターンを形成するように第1層レジスト膜をパターニングする工程と、基板面全面に第2層レジスト膜を平坦に形成する工程と、凸部状領域の絶縁膜が露出するまで、基板全面にわたり第2層レジスト膜をエッチバックする工程と、更に、絶縁膜の凹部状領域上のレジスト膜及び露出した凸部状領域の絶縁膜を基板面に直交する方向に所定深さまで平坦にエッチバックする工程と、絶縁膜の凹部状領域に残存するレジスト膜を除去する工程と、及び絶縁膜が配線層上の凸部状領域で所定の膜厚になるように、基板面全面に第2層目の絶縁膜を平坦に成膜する工程とを備えることを特徴としている。
【0007】本発明方法では、第1層レジスト膜は配線層と配線層との間の絶縁膜の凹部状領域を埋めるような形状のパターンを形成するために成膜され、第2層レジスト膜はエッチバックのために成膜される。第1層レジスト膜の材料は、感光性と流動性とを有するレジスト材料であって、ホトリソグラフィ法で通常使用しているレジスト材料を使用でき、また第2層レジスト膜の材料は、感光性を必要とせず、絶縁膜の平坦化方法で従来から使用しているレジスト材料を使用しても良く、またホトリソグラフィ法で使用しているレジスト材料を使用しても良い。第1層レジスト膜及び第2層レジスト膜ともスピンコート法により形成することができる。第1層レジスト膜のパターニングは、通常のホトリソグラフィ法により施され、絶縁膜の材料及び成膜方法も、特に限定はない。本発明方法は、層間絶縁膜のみならず他の絶縁膜、例えば保護膜の平坦化にも適用できる。
【0008】第2層レジスト膜及び絶縁膜のエッチング方法も特に限定はないが、良好な方向性エッチングが可能な反応性イオンエッチング法により行う。即ち、好適には、凸部状領域の絶縁膜が露出するまで、基板全面にわたり第2層レジスト膜をエッチバックする工程では、エッチングガスとして酸素ガスとアルゴンガスの混合ガスを使用して反応性イオンエッチング法によりレジスト膜をエッチバックし、絶縁膜の凹部状領域上のレジスト膜及び露出した凸部状領域の絶縁膜を基板面に直交する方向に所定深さまで平坦にエッチバックする工程では、フッ素系のガスとアルゴンガスとの混合ガスを使用して同じく反応性イオンエッチング法により絶縁膜及びレジスト膜をエッチングすることを特徴としている。レジスト膜と絶縁膜とを同時にエッチバックする工程を実施する際には、レジスト膜のエッチングレートと、絶縁膜のエッチングレートとが同じ大きさになるようにエッチング条件を設定する。
【0009】本発明の好適な実施態様は、絶縁膜の凹部状領域に残存するレジスト膜を除去する工程において、酸素ガスを使用したプラズマアッシング法により、残存するレジスト膜を除去していることを特徴としている。
【0010】
【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて本発明方法をより詳細に説明する。図1(a)から(c)は本発明方法を実施する際の各工程毎の層構造を示す基板断面図、図2(d)から(f)は図1(c)に続く各工程毎の層構造を示す基板断面図である。先ず、図1(a)に示すように、シリコン半導体基板20上に形成された厚さ約600nmのAl 配線層22上にSiO2 からなる厚さ約800nmの層間絶縁膜24をCVD法により形成した。
【0011】次いで、図1(b)に示すように、層間絶縁膜24上に第1層レジスト膜26をパターン形成用のレジスト膜として成膜した。その際、Al 配線層22AとAl 配線層22Bとの間の層間絶縁膜24の凹部状領域28では、第1層レジスト膜26の表面が、Al 配線層22A上の凸部状領域30の層間絶縁膜24の表面とほぼ同じ位置に来るように、層間絶縁膜24上に第1層レジスト膜26を形成する。尚、第1層レジスト膜の高さは、段差に対して±25%の厚さでコントロールする。本実施例では、通常のホトリソグラフィ法で使用するレジスト粘度8cpの感光性レジストを回転数3000〜4000rpm でスピンコートし、約600nmの膜厚のレジスト膜26を形成した。
【0012】続いて、図1(c)に示すように、Al 配線層22AとAl 配線層22Bとの間の層間絶縁膜24の凹部状領域28を埋めるような形状のパターンを形成するように第1層レジスト膜26をホトリソグラフィ法によりパターニングした。次に、図2(d)に示すように、基板全面に第2層レジスト膜32をエッチバック用レジスト膜として平坦に形成した。本実施例では、レジスト膜26と同じレジスト材料を使用して、回転数3000〜4000rpm でスピンコートし、約350nmの膜厚の第2層レジスト膜32を形成した。
【0013】平行平板型反応性イオンエッチング装置を使用して、圧力:229Paエッチングガス:O2/Ar=50sccm/ 75sccmRF出力:150Wの条件で、凸部領域の層間絶縁膜24が露出するまで、レジスト膜32をエッチバックした。
【0014】次いで、平行平板型反応性イオンエッチング装置を使用して、圧力:307Paエッチングガス:CHF3/CF4/Ar =40sccm/ 65sccm/ 900sccmRF出力:900Wの条件で、凸部領域30の層間絶縁膜24及び凹部状領域28の第2層レジスト膜32及び第1層レジスト膜26を同時にエッチバックし、凸部領域30の層間絶縁膜24を約700nmエッチバックした段階で停止した。従って、この段階で層間絶縁膜24の厚さは、約100nmであった。これにより、基板の層構造は、図2(e)に示すように、層間絶縁膜24の凸部領域30がエッチングされて低くなり、かつレジスト膜32のパターン及び層間絶縁膜24とレジスト膜32のパターンとを埋める第2層レジスト膜36の表面がほぼ同じ位置になる。
【0015】次いで、酸素ガスを用いたプラズマアッシング法により、凹部状領域28に残存する第2層レジスト膜32及び第1層レジスト膜26を除去した。Al 配線層22上の層間絶縁膜24が薄くなっているので、所定の耐圧を確保するために、図2(f)に示すように、基板全面に膜厚約300nmの層間絶縁膜36を第2層目の補充層間絶縁膜として層間絶縁膜24と同じ材料でCVD法により成膜した。
【0016】以上の実施例では、層間絶縁膜24を成膜した段階で約800nmあった段差が約100nmの段差に改善できた。比率で示すと、段差を87.5%低減することができた。
【0017】図3は、凹部領域28の層間絶縁膜24上に形成した第1層レジスト膜が厚い場合の問題点を示す。層間絶縁膜の狭い凸部領域40(孤立パターンと言う)では、両側の高い第1層レジスト膜42上に塗布した第2層レジスト膜44のレジストが狭い凸部領域40に流れ込み、そこの第2層レジスト膜の厚さT4 が第1層レジスト膜42上の第2層レジスト膜44の厚さT5 より厚くなる。そのため、エッチバック工程で、凸部領域40の層間絶縁膜24がエッチバックされずに、高い段差となって残る。このため、層間絶縁膜を平坦化することが難しくなる。
【0018】
【発明の効果】本発明方法の構成によれば、従来のエッチバック法に比べて、広い凸部領域と広い凹部領域の間で生じていた絶縁膜の段差及び孤立パターンでの絶縁膜の段差をより一層低減することができる。また、従来のエッチバック法に比べて第2層レジスト膜の厚さを薄くできるので、エッチバックに要する時間が短くなり、これによってエッチバックで生じるバラツキを低減できるので、一層平坦化が向上する。よって、従来のエッチバック法に比べて、ウェハ面全面にわたり絶縁膜の平坦化を一層向上させることができる。




 

 


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