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発明の名称 半導体装置の製造方法
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2007−5379(P2007−5379A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−180728(P2005−180728)
出願日 平成17年6月21日(2005.6.21)
代理人 【識別番号】100058479
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦
発明者 用正 武
要約 課題
微細なメタル配線およびヴィアホールを寸法バラツキなく形成して、寸法バラツキが低減された半導体装置を製造する方法を提供する。

解決手段
半導体基板10上に第一のメタル配線を形成する工程、前記第一のメタル配線上に無機絶縁膜14を形成する工程、前記無機絶縁膜上に有機絶縁膜15を形成する工程、前記有機絶縁膜に凹部を形成する工程、前記凹部が設けられた有機絶縁膜上に、加熱により有機絶縁膜と反応する上層膜を形成する工程、前記上層膜を加熱処理して前記上層膜を前記有機絶縁膜と反応させ、前記凹部の側面に反応層25を成長させる工程、および、未反応の上層膜を除去し、反応層が成長したことにより縮小した凹部26を得る工程を具備することを特徴とする。
特許請求の範囲
【請求項1】
半導体基板上に第一のメタル配線を形成する工程、
前記第一のメタル配線上に無機絶縁膜を形成する工程、
前記無機絶縁膜上に有機絶縁膜を形成する工程、
前記有機絶縁膜に凹部を形成する工程、
前記凹部が設けられた有機絶縁膜上に、加熱により有機絶縁膜と反応する上層膜を形成する工程、
前記上層膜を加熱処理して前記上層膜を前記有機絶縁膜と反応させ、前記凹部の側面に反応層を成長させる工程、および
未反応の上層膜を除去し、反応層が成長したことにより縮小した凹部を得る工程
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記凹部はヴィアパターンであり、前記有機絶縁膜に形成された前記縮小した凹部を前記無機絶縁膜に転写してヴィアホールを形成する工程、および前記有機絶縁膜にトレンチを形成する工程をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
前記凹部はトレンチであり、前記上層膜を形成する前に、前記無機絶縁膜にヴィアホールを形成する工程をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記ヴィアホールおよび前記トレンチの内部にバリアメタルを介して配線材料を埋め込んで、プラグおよび第二のメタル配線を形成する工程をさらに具備することを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記配線材料は、Cu、Al、およびWからなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、有機絶縁膜からなる低誘電率絶縁層間膜を用いたデュアルダマシン配線を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体装置のスイッチング速度のさらなる高速化の要求に対応すべく、メタル配線の微細化が進んでいる。これに加えて、メタル配線間を接続するヴィアホールの微細化、および層間絶縁膜の低誘電率化が必須とされている。
【0003】
しかしながら、メタル配線を埋め込むトレンチおよびヴィアホールを形成する際のリソグラフィー技術の能力だけでは、加工し得る寸法には限界があり、所望される微細な寸法での加工は難しくなりつつある(例えば、特許文献1参照)。また、層間絶縁膜の低誘電率化に伴なって、メタル配線間の絶縁膜層としては有機絶縁膜を用いたハイブリッド構造が採用され、ドライエッチングを行なうためにハードマスクは積層構造で用いられる。しかも、メタル配線上および低誘電率絶縁膜上には、キャップ絶縁膜が設けられ、構造はさらに複雑となってきた。このため、各種絶縁膜をドライエッチングするにあたって、エッチンレート変動による寸法バラツキが問題視されてきた。
【特許文献1】特開2004−6633号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、微細なメタル配線およびヴィアホールを寸法バラツキなく形成して、寸法バラツキが低減された半導体装置を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第一のメタル配線を形成する工程、
前記第一のメタル配線上に無機絶縁膜を形成する工程、
前記無機絶縁膜上に有機絶縁膜を形成する工程、
前記有機絶縁膜に凹部を形成する工程、
前記凹部が設けられた有機絶縁膜上に、加熱により有機絶縁膜と反応する上層膜を形成する工程、
前記上層膜を加熱処理して前記上層膜を前記有機絶縁膜と反応させ、前記凹部の側面に反応層を成長させる工程、および
未反応の上層膜を除去し、反応層が成長したことにより縮小した凹部を得る工程
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【0006】
本発明の一態様によれば、微細なメタル配線およびヴィアホールを寸法バラツキなく形成して、寸法バラツキが低減された半導体装置を製造する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明の具体的な実施例を示す。なお、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0008】
(実施例1)
まず、図1に示すように、Si基板10上に第一のメタル配線12を形成する。この第一のメタル配線12は、常法により形成することができる。すなわち、Si基板10上に形成された素子(図示せず)上の絶縁膜11の上に、トレンチパターンを有するレジストパターンを設け、ドライエッチングを行なって絶縁膜11を加工する。その後、スパッタリングおよびメッキ技術により、バリアメタルを介して配線材料を全面に堆積する。配線材料としては、例えばCuを用いることができるが、Au、またはWを用いてもよい。最後に、CMPを行なって絶縁膜11上の配線材料およびバリアメタルを除去し、トレンチ内に第一のメタル配線12を埋め込んだ。
【0009】
次いで、キャップ絶縁膜13としてのSiCNをP−CVD法にて成膜し、その上にハイブリッド絶縁膜16を形成した。このハイブリッド絶縁膜16は、比誘電率3.5以下の低誘電率絶縁膜であることが好ましい。本実施例においては、SiOCからなる無機絶縁膜14と、PAE(ポリアリーレンエーテル)からなる有機絶縁膜15との積層構造とした。このようにハイブリッド構造とすることで、後の工程で行なわれるヴィアホール加工時のエッチング選択比を2.0以上に高めることができる。なお、有機絶縁膜15には、酸成分としてカルボン酸が含有される。
【0010】
ハイブリッド絶縁膜16上には、キャップ絶縁膜17、第一のハードマスク18、および第二のハードマスク19を順次成膜した。キャップ絶縁膜17は、SiH4を堆積することにより形成した。第一のハードマスク18にはSiNを用い、第二のハードマスク19にはSiO2を用いた。こうして、図2に示すような構造を得た。
【0011】
第二のハードマスク19上には常法によりレジスト膜を成膜し、リソグラフィー法により幅130nmのトレンチパターン21を設けて、レジストパターン20を形成した。このレジストパターン20をマスクとして用いてドライエッチングを行ない、図3に示すように第二のハードマスク19を加工した。
【0012】
レジストパターン20をO2 Asherにより剥離した後、全面にレジスト膜を成膜した。このレジスト膜にリソグラフィー法によりヴィアパターン23を設けて、レジストパターン22を形成した。ヴィアパターン23の寸法は、120nmφとした。このレジストパターン22をマスクとして用いてドライエッチングを行ない、図4に示すように第一のハードマスク18およびキャップ絶縁膜17を加工した。
【0013】
さらに、ドライエッチングを行なって、図5に示すように有機絶縁膜16に、凹部として120nmφのヴィアパターン23を転写した。
続いて、図6に示すように、水溶性のパターンシュリンク剤を全面に塗布し、上層膜24を形成した。パターンシュリンク剤としては、例えばRELACS材を用いることができる。ホットプレートにより大気中で、130℃で3分間の熱処理を行なった。その結果、このRELACS材は有機絶縁膜15中の酸成分と反応し、反応層(図示せず)がヴィアパターン23の側面に形成された。こうした反応層の形成を、shrink処理と称する。なお、熱処理の温度は、100〜170℃の範囲内で変更可能であり、熱処理の時間は、1〜5分程度とすることができる。水によりリンス処理を行なって、図7に示すように未反応の上層膜24を除去した。反応層25がヴィアパターン23の側面に形成されたことによって、ヴィアパターン23の寸法は100nmφに減少し、縮小したヴィアパターン26が形成された。ヴィアパターン23の内側に成長した反応層25の膜厚は、10nm程度であることがわかる。ヴィアパターン23の内側に成長する反応層25の膜厚を大きくすることによって、所望の寸法に縮小されたヴィアパターン26を得ることが可能となる。この反応層25の膜厚は、熱処理の温度や時間等によって制御することができる。さらに、ドライエッチングを行なって、図8に示すように第一のハードマスク18にトレンチパターン21を転写した。
【0014】
続いて、ドライエッチングを行なって、図9に示すように無機絶縁膜14にヴィアホール27を形成した。さらに、ドライエッチングを行なって、キャップ絶縁膜17にトレンチ28を形成した。第二のハードマスク19は、無機絶縁膜14をエッチングする際に同時に除去された。
【0015】
その後、ドライエッチングによりヴィアホール27底部のキャップ絶縁膜13を除去し、図10に示すように第一のメタル配線12を露出した。このエッチングの際、第一のハードマスク18も同時に除去された。
【0016】
次に、ドライエッチングを行なって、図11に示すように有機絶縁膜15にトレンチ28を転写した。ここでは、反応層25を除去するために、NH3ガス条件でRIEで処理を行ない、トレンチ28の加工と同時に反応層25を除去した。このため、図示するようにキャップ絶縁膜17の膜厚も減少することになる。
【0017】
こうして形成されたヴィアホールおよびトレンチからなる凹部内に、バリアメタル(図示せず)を介して配線材料を堆積し、図12に示すようにプラグ29および第二のメタル配線30を形成した。配線材料は、例えば、Cu,Al,およびWから選択することができる。
【0018】
本実施例においては、ヴィアホールの形成に当たってShrink処理が行なわれるため、100nmφという微細な寸法でヴィアホールを形成することが可能となった。
【0019】
(実施例2)
前述の実施例1同様の手法により、図11に示す構造を得た。図11に示したように、有機絶縁膜15には、凹部としてトレンチ28が形成されている。なお、無機絶縁膜14およびキャップ絶縁膜13には、上述したような手法によりヴィアホール27が設けられている。続いて、図13に示すように、水溶性のパターンシュリンク剤を全面に塗布し、上層膜24を形成した。パターンシュリンク剤としては、例えばRELACS材を用いることができる。ホットプレートにより大気中で、130℃で3分間の熱処理を行なった。その結果、このRELACS材は有機絶縁膜15中の酸成分と反応し、反応層(図示せず)がトレンチ28の側面に形成された。
【0020】
水によりリンス処理を行なって、図14に示すように未反応の上層膜24を除去した。反応層25がトレンチ28の側面に形成されたことによって、トレンチ28の寸法は100nmに減少し、縮小したトレンチ31が形成された。トレンチ28の内側に成長した反応層25の膜厚は、15nm程度であることがわかる。ヴィアパターン23の場合と同様に、トレンチ28の内側に成長する反応層25の膜厚を大きくすることによって、所望の寸法に縮小されたトレンチ31を得ることが可能となる。すでに説明したように、この反応層25の膜厚は、熱処理の温度や時間によって制御することができる。
【0021】
こうして形成されたヴィアホール27および縮小したトレンチ31からなる凹部内に、バリアメタル(図示せず)を介して配線材料を堆積し、図15に示すようにプラグ29および第二のメタル配線30を形成した。
【0022】
本実施例においては、有機絶縁膜に形成されたトレンチにShrink処理が施されるため、100nmという微細な寸法でメタル配線を形成することが可能となった。
【0023】
(実施例3)
前述の実施例1、2において、有機絶縁膜のShrink処理を行なう前に、ヴィアホールおよびトレンチの寸法を予め測定した。各種絶縁膜をRIEによりエッチングすることによって、ヴィアホールおよびトレンチの寸法にはズレが生じた。このズレ量に応じて、Shrink処理時の加熱温度を変更することによって、所望の膜厚で反応層を形成した。こうして、ヴィアホールおよびトレンチに生じて寸法ズレを補正した。
【0024】
Shrink処理時の加熱温度が170℃以上と高い場合には、反応層の厚さは、15nmとなる。本実施例においては、100〜170℃の範囲内で加熱温度を変更して、所望の膜厚の反応層を形成した。
【0025】
その後、常法により、トレンチおよびヴィアホールをドライエッチングにより加工し、バリアメタルを介して配線材料を埋め込んだ。さらに、CMPを行なって、デュアルダマシン配線を形成した。こうした手法により、第二のメタル配線とヴィアホールの寸法のバラツキを低減させた。
【0026】
ここで説明した手法は、APC(Auto Process Control)として有効である。図16には、APCフローを表わすフローチャートを示す。図示するように、ヴィアパターニング、ハードマスク加工、キャップ絶縁膜加工、有機絶縁膜加工、および寸法SEM測定が順次行なわれた後、ヴィアサイズがフィードバックされる。すなわち、ヴィアサイズに応じて処理温度を変更してShrink処理を施す。その後は、ヴィアホール加工およびトレンチ加工が行なわれる。
【0027】
上述したように、本発明によれば、リソグラフィー技術の限界以上の微細なメタル配線とヴィアホールを形成することが可能となる。さらに、トレンチおよびヴィアホールを形成する際のドライエッチングで生じる寸法のズレを所望の値に補正することによって、寸法のバラツキが抑制されたデュアルダマシン配線を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図2】図1に続く工程を表わす断面図。
【図3】図2に続く工程を表わす断面図。
【図4】図3に続く工程を表わす断面図。
【図5】図4に続く工程を表わす断面図。
【図6】図5に続く工程を表わす断面図。
【図7】図6に続く工程を表わす断面図。
【図8】図7に続く工程を表わす断面図。
【図9】図8に続く工程を表わす断面図。
【図10】図9に続く工程を表わす断面図。
【図11】図10に続く工程を表わす断面図。
【図12】図11に続く工程を表わす断面図。
【図13】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の製造方法を表わす工程断面図。
【図14】図13に続く工程を表わす断面図。
【図15】図14に続く工程を表わす断面図。
【図16】APCフローチャート。
【符号の説明】
【0029】
10…Si基板; 11…絶縁膜; 12…第一のメタル配線
13…キャップ絶縁膜; 14…無機絶縁膜; 15…有機絶縁膜
16…ハイブリッド絶縁膜; 17…キャップ絶縁膜; 18…第一のハードマスク
19…第二のハードマスク; 20…レジストパターン;21…トレンチパターン
22…レジストパターン; 23…ヴィアパターン; 24…上層膜; 25…反応層
26…縮小したヴィアパターン; 27…ヴィアホール; 28…トレンチ
29…プラグ; 30…第二のメタル配線; 31…縮小したトレンチ。




 

 


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