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技術 半導体装置の製造方法

出願人 富士通セミコンダクター株式会社
発明者 河村毅
出願日 2014年6月6日 (6年6ヶ月経過) 出願番号 2014-117758
公開日 2015年12月21日 (5年0ヶ月経過) 公開番号 2015-231023
状態 特許登録済
技術分野 感光性樹脂・フォトレジストの処理 半導体のドライエッチング 半導体集積回路装置の内部配線
主要キーワード ポイズニング 樹脂状態 溶解樹脂 工程削減 三角マーク 平均周波数 硬化処理後 UVキュア
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この項目の情報は公開日時点(2015年12月21日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

配線形成用レジストパターンを形成する際に、コンタクトホール充填された樹脂の溶解を抑制することのできる、半導体装置の製造方法を提供する。

解決手段

半導体基板上の層間絶縁膜(SiOCとTEOSの積層)にコンタクトホール112を形成し、コンタクトホール内および層間絶縁膜上に未硬化樹脂膜113を形成し、未硬化の樹脂膜113を、周波数0.4MHz以上13.56MHz以下、圧力0.1Pa以上35Pa以下でエッチバックして層間絶縁膜上の樹脂膜を除去する。エッチバック後に、コンタクトホール内の樹脂膜117を維持した状態で層間絶縁膜上に配線溝の形状を有するレジストパターン114を形成する。

概要

背景

近年の半導体集積回路微細化、高密度化にともなって、複数層にわたって配線が形成される多層配線構造が採用されている。デバイスが微細化することで配線遅延の問題が顕在化し、従来のアルミニウム(Al)配線とシリコン酸化物(SiO2)の層間絶縁膜替えて、より低い電気抵抗の銅(Cu)配線と、低誘電率の層間絶縁膜が用いられている。

Cu配線ドライエッチングによるパターニングが困難なため、一般にダマシン法により形成される。ダマシン法では、平坦化した層間絶縁膜に配線溝を形成し、配線溝内Cu層で埋め込む。コンタクトホールがあらかじめ形成された層間絶縁膜に配線溝を形成して、コンタクトホールと配線溝を一回のCu堆積で埋め込む方法は、デュアルダマシン法と呼ばれている。デュアルダマシン法は、工程削減に有効である。

デュアルダマシン法において、配線溝の形成に先立って、コンタクトホール内に樹脂充填UV照射硬化して、コンタクトホールの底部や下層配線トライエッチングの影響から保護する方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。

他方、低誘電率層間絶縁膜において、強度とステップカバレッジの双方を実現するために異なる種類の絶縁膜が積層されることも多い。この場合、デュアルダマシン法で形成されるコンタクトホールの深さが深くなる。また、単層の層間絶縁膜でも膜厚が大きい場合は、コンタクトホールの深さが深くなる。

概要

配線形成用レジストパターンを形成する際に、コンタクトホールに充填された樹脂の溶解を抑制することのできる、半導体装置の製造方法を提供する。半導体基板上の層間絶縁膜(SiOCとTEOSの積層)にコンタクトホール112を形成し、コンタクトホール内および層間絶縁膜上に未硬化の樹脂膜113を形成し、未硬化の樹脂膜113を、周波数0.4MHz以上13.56MHz以下、圧力0.1Pa以上35Pa以下でエッチバックして層間絶縁膜上の樹脂膜を除去する。エッチバック後に、コンタクトホール内の樹脂膜117を維持した状態で層間絶縁膜上に配線溝の形状を有するレジストパターン114を形成する。

目的

そこで、配線形成用のレジストパターンを形成する際に、コンタクトホール内に充填された樹脂の溶解を抑制することのできる半導体装置の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

半導体基板上の層間絶縁膜コンタクトホールを形成し、前記コンタクトホール内および前記層間絶縁膜上に未硬化樹脂膜を形成し、前記未硬化の樹脂膜を、周波数0.4MHz以上13.56MHz以下、圧力0.1Pa以上35Pa以下でエッチバックして前記層間絶縁膜上の前記樹脂膜を除去し、前記エッチバック後に、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜を維持した状態で前記層間絶縁膜上に配線溝の形状を有するレジストパターンを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

請求項2

前記エッチバック後、かつ前記レジストパターンの形成前に、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜に紫外線照射を行う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

前記紫外線照射は前記樹脂膜の体積シュリンクしない強度で行われることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。

請求項4

前記エッチバックの高周波パワーは400〜800Wであ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5

前記エッチバックにより、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜に架橋構造が形成され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6

前記エッチバック後の前記樹脂膜の、前記レジストパターンの形成に用いられる現像液に対する溶解量は、50nm/秒以下であ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7

前記エッチバック後の前記樹脂膜の前記現像液に対する溶解量は、前記エッチバックのパワーが400〜800Wの範囲内で、前記パワーに依存しないことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。

請求項8

前記レジストパターンをマスクとして、前記層間絶縁膜に配線溝を形成し、前記レジストパターン及び前記コンタクトホール内の前記樹脂膜を除去してデュアルダマシン配線を形成する、ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。

請求項9

半導体基板上の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホール内および前記層間絶縁膜上に未硬化の樹脂膜を形成し、前記未硬化の樹脂膜をエッチバックして前記層間絶縁膜上の前記樹脂膜を除去し、前記エッチバック後に、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜に紫外線照射を行い、前記紫外線照射後に、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜を維持した状態で前記層間絶縁膜上に配線溝の形状を有するレジストパターンを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

請求項10

前記エッチバックは周波数0.4MHz以上13.56MHz以下、圧力0.1Pa以上35Pa以下で行われ、前記紫外線照射は前記樹脂膜の体積がシュリンクしない強度で行われることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法に関する。

背景技術

0002

近年の半導体集積回路微細化、高密度化にともなって、複数層にわたって配線が形成される多層配線構造が採用されている。デバイスが微細化することで配線遅延の問題が顕在化し、従来のアルミニウム(Al)配線とシリコン酸化物(SiO2)の層間絶縁膜替えて、より低い電気抵抗の銅(Cu)配線と、低誘電率の層間絶縁膜が用いられている。

0003

Cu配線ドライエッチングによるパターニングが困難なため、一般にダマシン法により形成される。ダマシン法では、平坦化した層間絶縁膜に配線溝を形成し、配線溝内Cu層で埋め込む。コンタクトホールがあらかじめ形成された層間絶縁膜に配線溝を形成して、コンタクトホールと配線溝を一回のCu堆積で埋め込む方法は、デュアルダマシン法と呼ばれている。デュアルダマシン法は、工程削減に有効である。

0004

デュアルダマシン法において、配線溝の形成に先立って、コンタクトホール内に樹脂充填UV照射硬化して、コンタクトホールの底部や下層配線トライエッチングの影響から保護する方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。

0005

他方、低誘電率層間絶縁膜において、強度とステップカバレッジの双方を実現するために異なる種類の絶縁膜が積層されることも多い。この場合、デュアルダマシン法で形成されるコンタクトホールの深さが深くなる。また、単層の層間絶縁膜でも膜厚が大きい場合は、コンタクトホールの深さが深くなる。

先行技術

0006

特開2000−188329号公報

発明が解決しようとする課題

0007

発明者らは、コンタクトホール内に樹脂を充填してUV硬化する方法では、コンタクトホールが深い場合に樹脂溶解の問題が生じることを見出した。図1は従来方法で生じる樹脂溶解の問題を説明するための図である。

0008

図1において、単層または複数の絶縁膜が積層された層間絶縁膜111にコンタクトホール112を形成し、コンタクトホール112内を樹脂113で埋め込む(処理(A))。これによりウェハ全面が樹脂113で覆われる。樹脂113に紫外線(UV)照射して硬化する(処理(B))。エッチバックにより層間絶縁膜111上の余分な樹脂を除去する(処理(C))。その後、全面にレジスト114を塗布して、露光および現像により所望の配線溝の形状にパターニングする(処理(D))。

0009

コンタクトホール112が深いと、UV硬化(処理(B))を行ってもコンタクトホール112内の樹脂113が完全に硬化せず、半固体の状態で残る。さらに、エッチバック(処理(C))の条件によっては、レジスト114のパターニング時(処理(D))に現像液で樹脂113が溶解し、コンタクトホール112の底部に溶解樹脂115が残る。樹脂113の溶解と溶解樹脂115の残存は、エッチバックの処理条件によっては樹脂113に架橋構造変質層)が形成されないためと考えられる。処理(D)の状態では、その後の配線溝の加工工程で、下層の図示しない配線層ダメージを受ける。熱による樹脂の硬化も考えられるが、熱をかけすぎると(たとえば250℃以上)、アミンの影響によりレジストがパターン通りに露光されないポイズニングの問題が生じる。

0010

そこで、配線形成用レジストパターンを形成する際に、コンタクトホール内に充填された樹脂の溶解を抑制することのできる半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0011

ひとつの態様では、半導体装置の製造方法は、
半導体基板上の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成し、
前記コンタクトホール内および前記層間絶縁膜上に未硬化の樹脂膜を形成し、
前記未硬化の樹脂膜を、周波数0.4MHz以上13.56MHz以下、圧力0.1Pa以上35Pa以下でエッチバックして前記層間絶縁膜上の前記樹脂膜を除去し、
前記エッチバック後に、前記コンタクトホール内の前記樹脂膜を維持した状態で前記層間絶縁膜上に配線溝の形状を有するレジストパターンを形成する
ことを特徴とする。

発明の効果

0012

配線形成用のレジストパターンを形成する際に、コンタクトホール内に充填された樹脂の溶解を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0013

従来の問題点を説明するための図である。
実施形態の方法を従来法と比較して示す図である。
現像液による樹脂溶解量とエッチバック条件の関係を示す図である。
現像液による樹脂溶解量のRF出力依存性を示す図である。
異なる圧力条件でエッチバックを行ったときのレジストパターニング後の樹脂状態を示す画像である。
実施形態の半導体装置の製造工程図である。
実施形態の半導体装置の製造工程図である。
実施形態の半導体装置の製造工程図である。
実施形態の半導体装置の製造工程図である。

実施例

0014

図2(A)は、実施形態の半導体装置の製造方法の基本工程を示す図である。比較のため、図2(B)に従来方法の工程図を示す。実施形態では、層間絶縁膜(たとえばSiOCとTEOSの積層)に形成されたコンタクトホール112内に樹脂113を埋め込んだ後に、低圧かつ低周波の条件でエッチバックを行って余剰の樹脂を除去する。低圧、低周波の条件でのエッチバックにより、現像液に対する耐性強化された樹脂層117が形成される。したがって、エッチバックに先立って樹脂113の硬化処理を行う必要がない。その後、レジスト114を塗布し、露光、現像によりレジスト114を配線溝(トレンチ)の形状にパターニングする。樹脂膜117は、レジスト114のパターニング後もコンタクトホール内に維持される。

0015

後述するように、低圧、低周波のエッチバック条件で、樹脂113の表面に安定した架橋構造の変質層が形成されると考えられ、露光、現像によるレジスト114のパターニングを経ても、コンタクトホール112内の樹脂膜117が維持される。

0016

エッチバック後に、任意でUV照射およびUVキュアを行ってもよいが、低圧、低周波でのエッチバック処理により構造的に安定した樹脂膜117が得られるので、エッチバック後のUVキュアは必須ではない。エッチバック後にUV照射を行う場合は、コンタクトホール内の樹脂膜117の体積シュリンクしない程度の弱いUV照射を行う。これにより、現像液に対する樹脂膜117の耐性マージンを向上することができる。

0017

他方、図2(B)の従来工程では、樹脂埋め込み後にUVキュアを行ってから、一般的なエッチバック条件(圧力60Pa程度)でエッチバックを実施する。コンタクトホールが深い場合、UVキュアでコンタクトホール内の樹脂113が完全に硬化しきれない。また、硬化処理後の一般的なエッチバック条件では樹脂113に安定した変質層が形成されず、レジスト114のパターニング時に現像液により樹脂113が溶解する。コンタクトホール内には溶解樹脂115が残り、引き続く配線溝のエッチング工程で下層のCu配線を十分に保護することができない。

0018

図3は、現像液による樹脂溶解量とエッチバック条件の関係を示す図である。四角マークは600W、2MHzの条件で圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。丸印は、600W、13.56MHzの条件で圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。ひし形マークは、450W、2MHzと、150W、27MHzの二周波印加して圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。三角マークは、300W、2MHzと、300W、27MHzの二周波を印加して圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。×印は600W、27MHzの条件で圧力を変化させたときの樹脂溶解量を示す。いずれの場合もトータルRFパワーは600Wである。

0019

層間絶縁膜のトータルの膜厚を600nm〜1200nmとすると、レジストパターニング時の樹脂溶解量が100nm/min以下であることが望ましい。層間絶縁膜の膜厚がさらに薄い場合(たとえば300nm〜600nmの場合)、樹脂溶解量は50nm/min以下であることが望ましい。図3の結果からすると、エッチバックの圧力が35Pa以下、かつ周波数が13.56MHz以下の場合に、樹脂溶解量を50nm/min以下に抑えられる。二周波を印加する場合は、優勢な周波数または平均周波数が13.56MHz以下であることが望ましい。尚、エッチバックの圧力は、エッチングレートを確保するために、0.1Pa以上が好ましい。周波数は、値が低すぎるとエッチングのエネルギーが高くなりすぎて、層間絶縁膜にダメージを及ぼし、また、コンタクトホールの開口部の角がエッチングされて形が変形してしまうので、0.4MHz以上が好ましい。

0020

図4は、現像液による樹脂溶解量のRF出力依存性を示す図である。この測定結果によると、RFパワーが400W〜800Wの範囲では、樹脂溶解量にRF出力依存性がないことがわかる。データの近似曲線に基づくと、RF出力にかかわらず圧力が40Pa以下で樹脂溶解量が非常に少ない。

0021

図5は、同じ周波数、異なる圧力でエッチバックしたときのコンタクトホール内の樹脂の状態を示す画像である。図5(A)は、13.56MHz、61Paでエッチバックしたときのレジストパターニング後の画像、図5(B)は、13.56MHz、31Paでエッチバックしたときのレジストパターニング後の画像である。

0022

図5(A)は図1(D)の状態に対応し、コンタクトホール内で樹脂が溶解している。これに対し、図5(B)の低圧エッチバックでは、レジストパターニング後もコンタクトホール内に埋め込み樹脂が維持されている。ここからも、13,56MHz以下、かつ35Pa以下の条件が望ましいことがわかる。

0023

図6図9は、実施形態の半導体装置の製造工程図である。まず、図6(A)で、図示しない半導体基板上に配線パターン12を形成し、層間絶縁膜11で埋め込んで表面を平坦化する。層間絶縁膜11上に、たとえば膜厚30〜70nmのSiC(炭化ケイ素)膜13を形成する。SiC膜13は、エッチングストッパとして機能するとともに、下層の配線パターン12からのCu拡散を防止する。SiC膜13上に、膜厚300〜1000nmのSiOC膜14と、膜厚30〜150nmのTEOS膜15をこの順で形成する。SiOC膜14とTEOS膜15で積層の層間絶縁膜を構成する。SiOC膜14は低誘電率の絶縁膜であり、層間絶縁膜に機械的強度を付与する。TEOS膜15はステップカバレッジが良好である。TEOS膜15上に、膜厚30〜70nmのSiN膜16を形成する。SiN膜は反射防止膜として機能する。

0024

図6(B)で、SiN膜16上にレジスト18を塗布し、コンタクトホールの形状にパターニングする。レジスト18のパターニングは、通常のフォトリソグラフィ法により行うことができる。

0025

図6(C)で、SiC膜13に到達するコンタクトホール19を形成する。まず、レジスト18をマスクとしてSiN膜16をドライエッチングし、SiN膜16に形成された開口から、TEOS膜15とSiOC膜14をドライエッチングする。SiN膜16のドライエッチングと、TEOS膜15及びSiOC膜14のドライエッチングは、エッチングガスの種類を含むエッチング条件を変更して行う。具体的には、SiC膜13とのエッチング選択比が大きくなる条件で、TEOS膜15とSiOC膜14をエッチングする。SiC膜13はエッチングストッパとして機能し、TEOS膜15とSIOC膜14を貫通するコンタクトホール19が形成される。コンタクトホール19の底部に、SiC膜13が露出する。

0026

図6(D)で、レジスト18を剥離する。

0027

次に、図7(A)で、コンタクトホール19の内部及びSiN膜16上の全面に、樹脂膜21を形成する。樹脂膜21は、たとえばスピンコーティング法で塗布される。

0028

図7(B)で、SiN膜16上の余分な樹脂膜21を未硬化のままエッチバックにより除去する。エッチバックの条件は、周波数13.56MHz以下、圧力35Pa以下である。この例ではRFパワーは600Wとする。このエッチバックにより、樹脂膜21に現像液に対する耐性が付与される。この段階での樹脂膜21は、図2(A)の樹脂膜117と同様に、安定した架橋構造を有する。

0029

図7(C)で、エッチバック後に、任意でUV照射およびUVキュアを行う。上述のように、樹脂膜21はエッチバックによりすでに構造的に安定しているので、ここでのUV照射は樹脂膜21の体積がシュリンクしない程度の弱いUV照射である。このUV照射により、現像液に対する樹脂膜21の耐性が向上する。

0030

図7(D)で、配線溝(トレンチ)のパターンを有するレジストパターン22を形成する。図7(D)は、図5(B)の状態に対応し、レジストパターニング時の露光、現像処理後も、コンタクトホール19内に樹脂膜21が維持される。樹脂膜21により、次工程のトレンチエッチングから下層のSiC膜13や配線パターン12を保護することができる。

0031

次に、図8(A)で、レジストパターン22をマスクとして、配線溝23を形成する。まず、SiN膜16に開口を形成する。エッチング条件を変えて、SiN膜16の開口から、TEOS膜15とSiOC膜14を所定の深さまでエッチングする。このとき、樹脂膜21もエッチング除去する。TEOS膜15やSiOC膜14と同時に樹脂膜21を除去するために、酸素を含有するガスを用いたプラズマエッチングを行う。酸素含有ガスを用いたプラズマエッチングにより、レジストパターン22も一部除去されて、その膜厚が減少する。

0032

図8(B)で、コンタクトホール内19に残る樹脂膜21と、マスクとして用いたレジストパターン22を除去する。樹脂膜21およびレジストパターン22は、酸素プラズマ中でのアッシングにより除去される。

0033

図8(C)で、コンタクトホール19の底部に露出するSiC膜13をドライエッチングで除去する。これにより、コンタクトホール19の底部に、配線パターン12が露出する。

0034

図8(D)で、コンタクトホール19の内壁を含む全面に、バリア膜25を形成する。バリア膜25は、層間絶縁膜(TEOS膜15及びSiOC膜14)へのCuの拡散を防止するための膜である。バリア膜25の材料としてTi,TiN、Ta、TaN等を用いることができる。SiN膜16上に形成されたバリア膜25は除去してもよい。

0035

次に、図9(A)で、バリア膜25上に図示しないCuシード層スパッタリング法で形成し、電界めっきによりコンタクトホールおよび配線溝を埋め込むCu膜26を形成する。

0036

最後に、図9(B)で、SiN膜16上の余剰のCu膜26を化学機械研磨(CMP)により除去する。これにより、デュアルダマシン配線27を有する半導体装置10が作製される。

0037

このように、低周波、低圧の条件で樹脂のエッチバックを行うことで現像液に対する耐性を樹脂に与え、高温熱処理による樹脂硬化を行わなくても、レジストパターニングを行うことができる。また、エッチバックに先立って、UV照射とUV硬化を行う必要がない。エッチバック後に、埋め込み樹脂がシュリンクしない程度の弱いUV照射を行う場合は、現像液に対する耐性を向上することができる。これにより、デュアルダマシン配線形成過程で、コンタクトホール内の樹脂溶解を抑制し、下層の配線パターンへのダメージを抑制することができる。

0038

10半導体装置
12配線パターン
14SiOC膜(層間絶縁膜)
15 TEO膜(層間絶縁膜)
19コンタクトホール
21樹脂膜
22レジストパターン
27デュアルダマシン配線
117架橋構造を有する樹脂膜

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