(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に層間絶縁膜を介して配線層を配設する半導体装置の製造方法であって、第１のフォトリソグラフィ工程において配線層用マスクを用いた露光と現像により、前記層間絶縁膜上に配線層のパターン寸法より小さな寸法のパターンを有するレジストマスクを形成する工程と、前記レジストマスクをエッチングマスクにして前記層間絶縁膜の表面部をエッチングし絶縁膜の凸部あるいは凹部を形成する工程と、前記レジストマスクを除去し全面に配線材料膜を成膜した後、第２のフォトリソグラフィ工程において前記配線用マスクを用いた露光と現像により、前記配線層のパターンを有するレジストマスクを形成する工程と、前記配線層のパターンを有するレジストマスクをエッチングマスクにして前記配線材料膜をエッチングし前記絶縁膜の凸部あるいは凹部を被覆する配線層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に半導体装置の配線構造とその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＯＳトランジスタという）等の半導体素子の構造の微細化及び高密度化は依然として精力的に推し進められている。このような微細化は、半導体装置の高集積化、高速化等による高性能化あるいは多機能化にとって最も効果的な手法であり、今後の半導体装置の製造にとって必須となっている。
【０００３】
そして、現在では０．１３μｍの設計基準で２５６Ｍ（メガ）ビット・ＤＲＡＭ製品が開発され製造されるようになってきている。また、このようなメモリデバイスの他に、微細構造のロジックデバイスあるいはロジック混載メモリーデバイス、アナログ混載ロジックデバイス等の種々の微細構造を有する混載デバイスが開発検討されている。
【０００４】
上記半導体装置の高性能化あるいは多機能化において、微細で多層構造の配線形成が必須になる。現在、このような配線層を有する半導体装置の層間絶縁膜として、誘電率が比較的小さく品質の安定したシリコン酸化膜系の絶縁膜が主流となっている。
【０００５】
しかし、配線層間に形成される層間絶縁膜あるいは保護絶縁膜は配線に熱応力を与える。この応力のために、配線パターンのずれ及び配線層の剥がれが生じることがある。そこで、このような応力に起因する配線形成の問題を解決する手法がこれまで種々に検討されてきた。そして、配線構造を工夫する技術について、例えば特開平３−０１９２３１号公報に記載されている。以下、この技術について図９を参照して説明する。
【０００６】
図９は、配線構造を示し、図９（ａ）はその平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に記したＸ１−Ｘ２で切断したところの断面図である。図９（ｂ）に示すように、シリコン基板１０１上にシリコン酸化膜で第１層間絶縁膜１０２が形成され、第１層間絶縁膜１０２上にダミーのパターンとなる第１電極配線層１０３が形成されている。ここで、第１電極配線層１０３は多結晶シリコンで形成される。そして、第１電極配線層１０３および第１層間絶縁膜１０２を被覆するように第２層間絶縁膜１０４が形成され、上記第１電極配線層１０３により形成された凹凸を有する上記第２層間絶縁膜１０４上に、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、第２電極配線層１０５が形成される。ここで、第２電極配線層１０５はアルミ合金で形成される。
【０００７】
ここで、第２電極配線層１０５の表面にも上記第１電極配線層１０３により凹凸が形成される。そして、この第２電極配線層１０５および第２層間絶縁膜１０４を被覆するように保護絶縁膜１０６が形成される。なお、この保護絶縁膜１０６はシリコン窒化膜、シリコンオキシナイトライド膜等で構成される。
【０００８】
このように、第２電極配線層１０５下にダミーの第１電極配線層１０３を設けることで、保護絶縁膜１０６あるいは第２層間絶縁膜１０４からの応力に起因する第２電極配線層１０５のパターンずれあるいは剥がれは防止される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の技術では、ダミーのパターンを配線層の下層に設けて配線層に凹凸を形成する必要がある。しかし、半導体素子が微細化し設計寸法が０．２μｍ程度になると、上述したダミーのパターンの寸法は０．１μｍ以下になり、その加工が難しく上記の凹凸形成ができなくなる。
【００１０】
また、微細な多層配線構造では、配線層上に形成する層間絶縁膜の表面の平坦化が必須になる。現在では、層間絶縁膜の平坦化は化学機械研磨（ＣＭＰ）法で行われるようになってきた。ここで、従来の技術のように配線層の表面に凹凸が形成されると、ＣＭＰによる層間絶縁膜の平坦化が難しくなり、微細な多層配線の形成が困難になる。
【００１１】
更に、上述したように半導体装置の高性能化あるいは多機能化が進むと、配線層間の寄生容量を低減するために、比誘電率の小さな層間絶縁膜の使用が必須になり、シリコン酸化膜系以外の絶縁膜が必要になる。そして、上記配線の多層構造化と共に、アルミ系の金属以外に種々の配線材料も使用されるようになる。
【００１２】
しかし、一般に、シリコン酸化膜系以外の絶縁膜とアルミ系以外の配線材料との接着性は、シリコン酸化膜とアルミ合金との接着性よりも悪くなる。そこで、層間絶縁膜と配線層との接着性を向上させる配線構造の検討が更に必要になってきている。
【００１３】
本発明の主目的は、配線層のパターンずれあるいは配線層の剥がれを防止できる配線構造とその簡便な製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、絶縁膜材料あるいは配線材料に関係無くこれらの材料間の接着性を向上させる配線構造を提供し、微細な多層配線が簡便に形成できるようにすることである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を介して配線層を配設する半導体装置の製造方法であって、第１のフォトリソグラフィ工程において配線層用マスクを用いた露光と現像により、前記層間絶縁膜上に配線層のパターン寸法より小さな寸法のパターンを有するレジストマスクを形成する工程と、前記レジストマスクをエッチングマスクにして前記層間絶縁膜の表面部をエッチングし絶縁膜の凸部あるいは凹部を形成する工程と、前記レジストマスクを除去し全面に配線材料膜を成膜した後、第２のフォトリソグラフィ工程において前記配線用マスクを用いた露光と現像により、前記配線層のパターンを有するレジストマスクを形成する工程と、前記配線層のパターンを有するレジストマスクをエッチングマスクにして前記配線材料膜をエッチングし前記絶縁膜の凸部あるいは凹部を被覆する配線層を形成する工程とを含む。
【００１７】
上述した配線層下に設けられた絶縁膜の凸部あるいは絶縁膜の凹部は、上記配線層を固定するようになる。このために、従来のように平坦な層間絶縁膜上に配線層が形成される場合に比べて、配線層のパターンずれあるいはその剥離は激減するようになる。
【００１８】
また、本発明によると、層間絶縁膜材料あるいは配線材料に関係無くこれらの材料間の接着性を向上させる配線構造となり、微細な多層配線が簡便に形成できるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施の形態について図１乃至図３に基づいて説明する。ここで、図１（ａ）は配線構造の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に記すＡ１−Ａ２で切断したところの断面図である。また、図２および図３は、本発明の配線構造の製造工程順の断面図である。
【００２０】
図１に示すように、シリコン基板１上にシリコン酸化膜系の絶縁膜で層間絶縁膜２が形成されている。そして、層間絶縁膜２表面の所定の領域に絶縁膜凸部３が形成される。配線層４は、上記の絶縁膜凸部３を被覆するようにして層間絶縁膜２上に形成される。ここで、絶縁膜凸部３のパターン幅は配線層４のパターン幅より小さくなり、絶縁膜凸部３は配線層４と同じ方向に配設される。
【００２１】
ここで、絶縁膜凸部３の高さが配線層の膜厚の１／４〜１／２の範囲になるように設定される。また、ここで、絶縁膜凸部３のパターン幅が配線層４のパターン幅の１／２〜４／５になるように設定するとよい。上記のような絶縁膜凸部３と配線層４の構造であると、平坦な層間絶縁膜上に配線層が形成される場合に比べて、配線層４のパターンずれあるいはその剥離は激減する。
【００２２】
次に、本発明の配線構造の製造方法について説明する。図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上に化学気相成長（ＣＶＤ）法で膜厚が１μｍ程度のシリコン酸化膜を成膜し、ＣＭＰ法でその表面を平坦化する。そして、ポジ形のレジスト膜５を塗布法で形成する。
【００２３】
次に、図２（ｂ）に示しているように、通常のフォトリソグラフィ技術でオーバー露光をする。すなわち、ステッパー装置により、遮光部６を有する配線用マスク７に照射光８を照射し、例えばパター寸法が０．２μｍの遮光部６をレジスト膜５にパターン転写する。ここで、図２（ｂ）は１：１の等倍露光の場合を示しているが、縮小投影露光でもよい。
【００２４】
この露光工程において、オーバー露光をすると、レジスト膜５の露光部５ａの領域が増大し、レジスト膜５の未露光部５ｂのパターン幅が遮光部６の幅寸法より小さくなる。例えば、オーバー露光後の未露光部５ｂの幅は０．１μｍ程度になる。このような露光をした後には、通常のレジストの現像を行う。このようにして、図２（ｃ）に示すように、層間絶縁膜２上に凸部用レジストマスク９を形成する。この凸部用レジストマスク９のパターン幅は、上記未露光部５ｂのパターン幅とほぼ同一である。
【００２５】
次に、凸部用レジストマスク９をエッチングマスクにして、公知の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で層間絶縁膜２を選択的にドライエッチングする。このようにして、図３（ａ）に示しているように、シリコン基板１上の層間絶縁膜２表面に絶縁膜凸部３を形成する。ここで、絶縁膜凸部３の高さは５０ｎｍ程度になるようにする。
【００２６】
次に、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜凸部３を有する層間絶縁膜２上に金属膜１０をスパッター法あるいはＣＶＤ法で成膜する。この金属膜１０は、例えばタングステン（Ｗ）でありその膜厚は０．１μｍである。そして、図２（ｂ）で説明したのと同じようにしてポジ形のレジスト膜に配線パターンを転写する。この場合、図２（ｂ）のようなオーバー露光はしない。すなわち、ステッパー装置により、遮光部６を有する配線用マスク７に照射光１１を通常の方法で照射し、例えばパター寸法が０．２μｍの遮光部６をレジスト膜にパターン転写する。このようにして、図３（ｂ）に示すようにパターン幅が０．２μｍの配線用レジストマスク１２が形成される。
【００２７】
以後は、配線用レジストマスク１２をエッチングマスクにしたＲＩＥで金属膜１０をドライエッチングする。このようにして、図１で説明した本発明の配線構造が形成される。
【００２８】
図４は、上記の製造方法において、絶縁膜凸部の形成を少し変えた例を示す。すなわち、図２（ｃ）で示した凸部用レジストマスク９をエッチングマスクにして、公知のウェットエッチングでシリコン基板１上の層間絶縁膜２を選択的にエッチングする。図４（ａ）に示すように、この場合にはサイドエッチングが進みテーパー形状の絶縁膜凸部３ａが層間絶縁膜２上に形成される。
【００２９】
次に、以下は図３（ｂ）で説明したのと同じである。図４（ｂ）に示すように、絶縁膜凸部３ａを有する層間絶縁膜２上に金属膜１０を成膜する。そして、図２（ｂ）で説明したのと同じようにしてポジ形のレジスト膜に配線パターンを転写する。すなわち、ステッパー装置により、遮光部６を有する配線用マスク７に照射光１１を通常の方法で照射し、例えばパター寸法が０．２μｍの遮光部６をレジスト膜にパターン転写する。このようにして、図４（ｂ）に示すようにパターン幅が０．２μｍの配線用レジストマスク１２が形成される。以後は、配線用レジストマスク１２をエッチングマスクにしたＲＩＥで金属膜１０をドライエッチングする。このようにして、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板１上の層間絶縁膜２上に断面がテーパー形状の絶縁膜凸部３ａが形成され、この絶縁膜凸部３ａを被覆するようにして配線層４が形成される。
【００３０】
この場合には、図２および図３で説明した製造方法の場合よりも、配線層４のパターンずれおよび配線層の剥がれは更に低減するようになる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施の形態について図５乃至図７に基づいて説明する。ここで、図５（ａ）は本発明の別の配線構造の平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に記すＢ１−Ｂ２で切断したところの断面図である。また、図６および図７は、本発明の配線構造の製造工程順の断面図である。この場合は、第１の実施の形態と異なり絶縁膜凸部の代わりに絶縁膜凹部形成される。
【００３２】
図５に示すように、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜系の絶縁膜で層間絶縁膜２２が形成されている。そして、層間絶縁膜２２表面の所定の領域に絶縁膜凹部２３が形成される。配線層２４は、上記の絶縁膜凹部２３を被覆するようにして層間絶縁膜２２上に形成される。ここで、絶縁膜凹部２３のパターン幅は配線層２４のパターン幅より小さくなり、絶縁膜凹部２３は配線層２４と同じ方向に配設される。
【００３３】
この場合でも、絶縁膜凹部２３の深さが配線層の膜厚の１／４〜１／２の範囲になるように設定するとよい。また、ここで、絶縁膜凹部２３のパターン幅が配線層２４のパターン幅の１／２〜４／５になるように設定するとよい。上記のような絶縁膜凹部２３と配線層２４の構造であると、第１の実施の形態と同様に平坦な層間絶縁膜上に配線層が形成される場合に比べて、配線層２４のパターンずれあるいはその剥離は激減する。
【００３４】
次に、第２の実施の形態の配線構造の製造方法について説明する。図６（ａ）に示すように、シリコン基板２１上にメチルシルセスキオキサン（Ｍｅｔｈｙｌ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）膜（以下、ＭＳＱ膜という）でもって膜厚が１μｍの層間絶縁膜２２を形成する。ここで、ＭＳＱ膜の比誘電率はシリコン酸化膜の比誘電率よりも２０％程度小さくなる。そして、ネガ形のレジスト膜２５を塗布法で形成する。
【００３５】
次に、図６（ｂ）に示しているように、第１の実施の形態で説明したようにフォトリソグラフィ技術でオーバー露光をする。すなわち、ステッパー装置により、遮光部２６を有する配線用マスク２７に照射光２８を照射し、例えばパターン寸法が０．２μｍの遮光部２６をレジスト膜２５にパターン転写する。この露光工程において、オーバー露光をすると、レジスト膜２５の露光部２５ａの領域が増大し、レジスト膜２５の未露光部２５ｂのパターン幅が遮光部２６の幅寸法より小さくなる。例えば、オーバー露光後の未露光部２５ｂの幅は０．１μｍ程度になる。このような露光をした後には、通常のレジストの現像を行う。このようにして、図６（ｃ）に示すように、層間絶縁膜２２上に凹部用レジストマスク２９を形成する。この凹部用レジストマスク２９のパターン幅は、上記未露光部２５ｂのパターン幅とほぼ同一である。
【００３６】
次に、凹部用レジストマスク２９をエッチングマスクにして、ＲＩＥで層間絶縁膜２２を選択的にドライエッチングする。このようにして、図７（ａ）に示しているように、シリコン基板２１上の層間絶縁膜２２表面に絶縁膜凹部２３を形成する。ここで、絶縁膜凹部２３の深さは５００ｎｍ程度になるようにする。
【００３７】
次に、図７（ｂ）に示すように、絶縁膜凹部２３を有する層間絶縁膜２２上に金属膜３０をスパッター法で成膜する。この金属膜３０は、アルミ銅合金でありその膜厚は１μｍである。
【００３８】
次に、図３（ｂ）で説明したのと同じようにしてポジ形のレジスト膜に配線パターンを転写する。すなわち、ステッパー装置により、遮光部２６を有する配線用マスク２７に照射光３１を通常の方法で照射し、例えばパター寸法が０．２μｍの遮光部２６をレジスト膜にパターン転写する。このようにして、図７（ｂ）に示すようにパターン幅が０．２μｍの配線用レジストマスク３２が形成される。以後は、配線用レジストマスク３２をエッチングマスクにしたＲＩＥで金属膜３０をドライエッチングする。このようにして、図５で説明した本発明の第２の配線構造が形成される。
【００３９】
図８は、第２の実施の形態での製造方法において、絶縁膜凹部２３の形成方法を少し変える例を示す。すなわち、図８（ａ）に示すように、図２（ｃ）で示したのと同様にしてシリコン基板２１上の層間絶縁膜２２表面に凹部用レジストマスク３３を形成する。
【００４０】
次に、図８（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２２上および凹部用レジストマスク３３を被覆するように絶縁膜３４を成膜しＣＭＰ法で研磨して凹部用レジストマスク３３表面を露出させる。このようにして、凹部用レジストマスク３３を除去すると、図８（ｃ）に示すように、積層する層間絶縁膜２２と絶縁膜３４に絶縁膜凹部２３が形成されるようになる。以後の配線層２４の形成は図７で説明したのと同じとなる。
【００４１】
上記の実施の形態では、絶縁膜凸部あるいは絶縁膜凹部は、その上部に配設される配線層のパターン幅のみを縮小して形成されている。本発明はこのような構造に限定されない。上記絶縁膜凸部あるいは絶縁膜凹部が配線層の方向で区分されるように形成されていてもよいことに言及しておく。この場合には、上記実施の形態の場合と異なり、フォトリソグラフィ工程でのパターン転写において、絶縁膜凸部あるいは絶縁膜凹部形成と配線層形成では別のフォトマスクあるいはレチクルを用いることになる。
【００４２】
本発明では、絶縁膜凸部あるいは絶縁膜凹部を形成する層間絶縁膜として有機系の絶縁膜を用いてもよい。このような有機系絶縁膜としては、有機ポリシラザン、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、ポリイミド、プラズマＣＦポリマー、プラズマＣＨポリマー、ＳｉＬＫ（登録商標）、テフロンＡＦ（登録商標）、パリレンＮ（登録商標）、パリレンＡＦ４（登録商標）、ポリナフタレンＮがある。
また、その他の層間絶縁膜として、シルセスキオキサン類の絶縁膜、あるいは、Ｓｉ−Ｈ結合、Ｓｉ−ＣＨ３  結合、Ｓｉ−Ｆ結合のうち少なくとも１つの結合を含むシリカ膜で形成してもよい。ここで、シルセスキオキサン類の絶縁膜は、Ｓｉ−Ｏベースの誘電体膜であり、そのような絶縁膜としては、ＭＳＱ膜の他にシルセスキオキサン類であるハイドロゲンシルセスキオキサン（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、メチレーテッドハイドロゲンシルセスキオキサン（Ｍｅｔｈｙｌａｔｅｄ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）あるいはフルオリネーテッドシルセスキオキサン（Ｆｕｒｕｏｒｉｎａｔｅｄ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）のような低誘電率膜がある。
【００４３】
そして、本発明では、配線層を構成する配線材料として窒化タングステン（ＷＮ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒化モリブデン（ＭｏＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）を用いても同様の効果が生じる。
【００４４】
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態が適宜変更され得る。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明では、半導体基板上に層間絶縁膜を介して配線層が形成される配線構造において、層間絶縁膜に絶縁膜の凸部あるいは凹部が形成されこの凸部あるいは凹部を被覆するようにして配線層が形成される。
【００４６】
このために、従来のように平坦な層間絶縁膜上に配線層が形成される場合に比べて、配線層のパターンずれあるいはその剥離は激減する。また、本発明によると、層間絶縁膜材料あるいは配線材料に関係無くこれらの材料間の接着性を向上させる配線構造となり、微細な多層配線が簡便に形成できるようになる。そして、半導体装置の高性能化あるいは多機能化が大幅に促進される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための配線構造の平面図と断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の配線構造の製造工程順の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の配線構造の製造工程順の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の配線構造の製造工程順の断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を説明するための配線構造の平面図と断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の配線構造の製造工程順の断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の配線構造の製造工程順の断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の配線構造の製造工程順の断面図である。
【図９】従来の技術を説明するための配線構造の平面図と断面図である。
【符号の説明】
１，２１，１０１    シリコン基板
２，２２    層間絶縁膜
３，３ａ    絶縁膜凸部
４，２４    配線層
５，２５    レジスト膜
５ａ，２５ａ    露光部
５ｂ，２５ｂ    未露光部
６，２６    遮光部
７，２７    配線用マスク
８，１１，２８，３１    照射光
９    凸部用レジストマスク
１０，３０    金属膜
１２，３２    配線用レジストマスク
２３    絶縁膜凹部
２９，３３    凹部用レジストマスク
３４    絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003583093.tif 000008
【図８】
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【図９】
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