(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成した配線部上に、層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜に接続孔を形成する工程と、層間絶縁膜に接続孔を埋めるように半導体基板上に水溶性物質の薄膜を形成する工程と、前記薄膜の表面に、シリル化層である保護膜を形成する工程と、レジスト膜を塗布する工程と、レジストパターンを形成する工程と、接続孔に重畳するように、溝配線部をエッチングにより形成する工程と、水溶性物質を除去する工程と、配線材料を接続孔と溝配線部に同時に埋め込み配線を形成する工程とを順次行うことを特徴とする配線形成方法。
【請求項２】
塗布により全面に形成された水溶性物質の薄膜の表面に、ＨＭＤＳ（ヘキサメチレンジシラザン）によりシリル化層からなる保護膜を形成する請求項１に記載の配線形成方法。
【請求項３】
水溶性物質が、レジストパターン時の露光による感光性がない請求項１または２に記載の配線形成方法。
【請求項４】
水溶性物質が、ポリビニルアルコールである請求項１〜３のいずれか１つに記載の配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデュアルダマシン法による配線の形成方法に関し、特に層間絶縁膜に形成される配線溝の形式方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の高集積化に伴い、配線幅の微細化及び配線間のピッチの縮小化が必要となっているが、配線幅のドライエッチングによる微細化には、配線の加工限界が生じる為、配線層を縦方向に積層させる多層配線形式を採用するのが、現在の配線技術の主流となっている。更に、配線材料としては、近年、Ａｌに代わって、抵抗率が低く、エレクトロマイグレーション耐性の高いＣｕが使用されつつある。
【０００３】
しかしながら、Ｃｕ配線は、Ａｌ配線よりもＲＩＥ（反応性イオンエッチング）技術での加工が困難である。
【０００４】
そこで、この問題を解決する手法にデュアルダマシン（ｄｕａｌ  ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法がある。この方法は、層間絶縁膜中に接続孔（ビアホールとも言う）と接続孔に重畳して配線部を形成するための配線溝を形成し、接続孔と配線部に金属材料を埋め込み、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法によって、研磨をして不要部の金属材料を取り去って接続孔にプラグ状の金属層と、溝配線を同時に形成する方法である（例えば月刊Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｗｏｒｌｄ，１９９６年１２月号，頁１２９〜１３４参照）。尚、配線溝は、配線溝形成用のレジストパターンを形成し、エッチングされることにより形成される。この場合、Ｓｉ基板の全面にレジストを塗布すると、微少な孔径で深く形成された接続孔にレジストが埋め込まれてしまい、エッチング後のレジスト剥離時に接続孔の底部に不要なレジストが残るという問題が生じる。
【０００５】
そこで、上記問題を解決する製造工程が特開平８−３０６６１６号に記載されている。この方法は、Ｓｉ基板に形成された溝部に、水溶性の物質であるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜を塗布して埋め込み、その後、Ｓｉ基板上にレジストを塗布しても、溝の中にはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜も水洗で容易に除去できるので、接続孔の底部レジスト残りを防止できるというものである。
【０００６】
そこで、上記手段を、デュアルダマシン法に適用した場合を図２に基づいて説明する。図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板（図示せず）上の絶縁膜１１上に、配線部２２を形成し、続いて層間絶縁膜３３を形成する。次に、フォトリソグラフィー工程により現像、エッチングして層間絶縁膜３３中に接続孔４４を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜５５を全面に塗布する。ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜５５は粘性が小さいため、接続孔４４内に埋め込まれ、表面の層間絶縁膜３３上には１００ｎｍ程度の膜厚が形成されて、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜５５の塗布されたＳｉ基板の表面は平坦になる。次に、図２（ｃ）に示すように、酸素プラズマを用いて、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜５５をエッチバックして、層間絶縁膜３３の表面を露出させる。次に、図２（ｄ）に示すように、レジスト７７を塗布して露光を行う。次に、図２（ｅ）及び図２（ｆ）に示すように、配線溝１００のパターンのレジスト露光及び湿式の現像時に、接続孔４４内のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜５５が完全に除去され、その後、層間絶縁膜３３をエッチングすることにより配線溝１００は形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術である月刊Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｗｏｒｌｄ，１９９６年１２月号，頁１２９〜１３４記載の方法を用いると、配線溝を形成するために、レジストを全面に塗布すると、接続孔の底部までレジストが埋め込まれる。配線溝のエッチングを行った後、接続孔の内部のレジストがエッチング中にプラズマのダメージを受け、変質するので、Ｏ２プラズマや有機剥離によるレジスト剥離時に、接続孔の底部に不要なレジストが残ってしまい、金属材料を接続孔及び配線溝に埋め込んだ後、接触抵抗が高くなるという問題が生じる。
【０００８】
また、特開平８−３０６６１６号記載のレジストパターン形成技術をデュアルダマシン法に適用させた場合には、レジスト剥離時において、レジスト及びＰＶＡ膜が完全に除去されてしまい、配線溝を形成する際に、エッチング工程時において接続孔と接している下の配線部をエッチングしてしまうという問題が生じる（図３参照）。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題を解決する半導体製造方法、詳しくはレジストパターン形成方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為に、本発明は、半導体基板に形成した配線部上に、層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜に接続孔を形成する工程と、層間絶縁膜に接続孔を埋めるように半導体基板上に水溶性物質の薄膜を形成する工程と、前記薄膜の表面に、シリル化層である保護膜を形成する工程と、レジスト膜を塗布する工程と、レジストパターンを形成する工程と、接続孔に重畳するように、溝配線部をエッチングにより形成する工程と、水溶性物質を除去する工程と、配線材料を接続孔と溝配線部に同時に埋め込み配線を形成する工程とを順次行うことを特徴とする配線形成方法である。
【００１２】
また、前記塗布により全面に形成された水溶性物質の薄膜の表面に、ＨＭＤＳ（ヘキサメチレンジシラザン）によりシリル化層からなる保護膜を形成することを特徴とする配線形成方法である。
【００１３】
また、前記水溶性物質は、レジストパターン時の露光による感光性が無いことを特徴とする配線形成方法である。
【００１４】
また、前記水溶性物質が、ポリビニルアルコールであることを特徴とする配線形成方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板（図示せず）に、絶縁膜１を介して配線層２を形成し、次に層間絶縁膜３としてＳｉＯｘ膜をＣＶＤ法により８００ｎｍ程度堆積させる。そのレジストを塗布し、所定のマスクを用いて露光、現像を行って、直径０．２μｍ程度の孔径のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにドライエッチング法により、層間絶縁膜３のエッチングを行い直径０．２μｍの接続孔４を形成する。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すように、水溶性物質であるポリビニルアルコール膜５（以後ＰＶＡ膜５と記す）を、スピンコータで回転数を３０００ｒｐｍ程度で２０秒間で塗布し、９０℃でベーキングを行いＰＶＡ膜５を５０ｎｍ程度堆積させる。ＰＶＡ膜５は、Ｇ線、Ｉ線、エキシマレーザ等の露光に対して感光性が無く、露光プロセスにおいてレジスト膜表面に塗布し、露光時のレジスト膜中での光の多重干渉効果を抑制し、レジスト膜の定在波効果を抑制するために用いられる材料であり、水に可溶性で、レジスト膜の現像時に現像液に含まれる水分や現像後の水洗時に除去されるため、プロセスの構成が容易となるという特徴がある。更に、粘性が低いため、微細な接続孔４内にも完全にＰＶＡ膜５を埋め込むことができるという特徴がある。
【００１７】
次に、図１（ｃ）に示すように、ＰＶＡ膜５の表面にヘキサメチレンジシラザン（以後ＨＭＤＳと記す）を気相塗布し、シリル化反応を行い、ＰＶＡ膜５の表面にシリル化層６を１０ｎｍ程度を形成する。この時の気相塗布の条件は、温度が１００℃、圧力が１００Ｔｏｒｒ、塗布時間を５分とした。また、シリル化剤としてＨＭＤＳだけでなく、その他のシリル化剤としてジメチルシランジメチルアミン（ＤＭＳＤＭＡ）、テトラメチルジシラザン（ＴＭＤＳ）、トリメチルシランジメチルアミン（ＴＭＳＤＭＡ）等のどれかを液相または気相塗布で処理してその後熱処理を加えて用いても良い。ＨＭＤＳによる、ＰＶＡ膜５のシリル化反応を以下に記す。
【００１８】
【数１】
0003547383.tif 000002
【００１９】
このシリル化層６はエーテル結合を含むため、ＰＶＡ膜５の表面には水に対して不溶な膜が形成される。
【００２０】
次に、図１（ｄ）に示すように、レジスト膜７を１．０μｍ塗布する。この時、接続孔４はＰＶＡ膜５で完全に埋め込まれているため、レジスト膜は均一に塗布される。
【００２１】
次に、図１（ｅ）に示すように、接続孔４の上部に所定のマスクを用いてレジスト膜７の露光、ウェット現像を行い、０．３μｍの幅を有する配線溝のレジストパターン８を形成する。現像条件は、アルカリ現像液で現像し、水洗後に１１０℃のベーキングを実施した。この際、レジスト膜７の下には、水に不溶性のシリル化層６が存在しているため、水量を多量に含む現像液や水洗時にシリル化層６がＰＶＡ膜５が溶解するのを防止するので、レジストパターン８が剥がれることはない。
【００２２】
次に、図１（ｆ）に示すように、配線溝形成用のレジストパターン８をマスクとして、ＣＦ系ガスを用いたドライエッチング法により層間絶縁膜３のエッチングを行い配線溝９を形成した。層間絶縁膜３のドライエッチング条件は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｕｍａ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）装置を使用した、エッチングガスはＣ４Ｆ８、Ｃ２Ｆ６、Ａｒ、ＣＯ等の混合ガスを使用し、圧力は５ｍＴｏｒｒ、ソースパワーを１９００Ｗ等の条件で行った。シリル化層６は上記ガス系において、容易にエッチングができ、且つ、シリル化層６は、単分子層であるため、膜厚は非常に薄く、シリル化層６自体のエッチングレートは５００〜７００ｎｍ程度であるので、エッチングに要する時間は非常に短い。また、前記エッチング条件での層間絶縁膜３に対するＰＶＡ膜５のエッチング選択比は３程度である。尚、本実施形態において、層間絶縁膜３の膜厚は６００〜１０００ｎｍであり、層間絶縁膜３の中に形成するデュアルダマシンの配線部の深さ（層間絶縁膜３のエッチング深さ）は３００ｎｍである。配線部を３００ｎｍエッチング中に接続孔４中に残るＰＶＡ膜５はシリル化層６の真下のＰＶＡ膜５は７０ｎｍ程度膜減りする程度になる。
【００２３】
次に、図１（ｇ）に示すように、スピンコーターにおいて、純水を滴下しながらウェーハを１分間回転させ、レジストを除去する。尚、レジスト除去については、純水ではなく現像液を用いても良く、またはディップ式で純水または現像液の入った槽の中にウェーハを入れても良い。更に、スピンコーターにて、シンナー等の有機溶媒で、再度滴下しながらウェーハを回転させて除去するか、またはディップ式で、純水の入った第１の槽の中にウェーハを入れＰＶＡ、シリル化層、レジストを除去し、シンナー等の有機溶媒の入った第２の槽の中に入れる。次に、純水の入った第３の槽の中に入れて洗浄する。また、第１、第２の槽においては超音波洗浄を用いて剥離される。
【００２４】
次に、図１（ｈ）に示すように、全面にバリアメタル１０として、ＴａやＴｉやＷの窒化混合物スパッタリング法等で形成し、その後全面に、ＣｕまたはＣｕ合金を電界メッキで１０００ｎｍ程度形成し、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法を用い、接続孔４及び配線溝９にＣｕ配線を形成する。この後、通常の半導体製造工程により、上層の層間絶縁膜の形成など製造工程を経て目的とする半導体装置が完成する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によると、デュアルダマシン形成方法において、接続孔内にレジストを埋め込まないので、接続孔内に有機物が残留することがなく、安定した低抵抗の金属配線を形成することができる。また、接続孔内にレジストを埋め込まず、ＰＶＡ等の水溶性且つ非感光性の材料を埋め込むために、粘度が低く微細な接続孔でも完全な埋め込みが可能となる。その為、レジスト膜を均一に塗布することが可能となり、寸法制御性の高い配線溝のレジストパターンが形成が可能となる。また、配線溝のエッチングの際には、接続孔と接する下の配線層に、プラズマが届くことがないので、下の配線層がエッチングされたり、プラズマダメージによりチャージアップしたりすることがない。また、配線溝のレジストパターンを除去する際には、Ｏ２プラズマによるアッシングや有機剥離等の一般的な剥離方法を用いなくても、水や現像液で容易に除去することが可能であるとともに、レジスト表面にエッチング中のプラズマ等により除去しにくい変質層が生じていても、リフトオフによりレジストを除去する為、完全にレジストを除去することができる。また、ＰＶＡを塗布後、ＨＭＤＳ等によりシリル化することによりＰＶＡ表面を−ＯＨ（水酸基）から−Ｏ−Ｓｉ（ＣＨ３）３へと変化させることによりエーテル結合ができ、疎水性になるため、現像時にＰＶＡが溶解して、レジストパターンが飛ぶことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図２】従来技術の配線形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図３】従来技術で配線形成方法を用いた時に生じる問題点を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１        絶縁膜
２        配線層
３        層間絶縁膜
４        接続孔
５        ポリビニルアルコール膜（ＰＶＡ膜）
６        シリル化層
７        レジスト膜
８        レジストパターン
９        配線溝
１０      バリアメタル
１１      絶縁膜
２２      配線部
３３      層間絶縁膜
４４      接続孔
５５      ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）膜
７７      レジスト
１００    配線溝
【図１】
0003547383.tif 000003
【図２】
0003547383.tif 000004
【図３】
0003547383.tif 000005