(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に選択的に開口部を形成して前記絶縁膜の下の層の一部を露出させる工程と、
前記絶縁膜および露出させた前記下の層上にバリア金属層を形成する工程と、
前記バリア金属層上にプラグ形成層を形成する工程と、
前記プラグ形成層をエッチングバックすることによりプラグを形成する工程と、
前記プラグおよびバリア金属層上に金属配線層を形成する工程と、
前記金属配線層上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜上に金属配線層保護膜を形成する工程と、
前記金属配線層保護膜上にフォトレジスト膜を形成し、露光、現像する工程と、
現像した前記フォトレジスト膜をマスクとして前記金属配線層保護膜および前記反射防止膜および前記金属配線層を選択的に除去する工程と、
前記金属配線層保護膜および前記反射防止膜および前記金属配線層の付着物を剥離する工程と、
前記除去されなかった前記金属配線層保護膜をマスクとして前記バリア金属層を選択的に除去する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記バリア金属層を選択的に除去する工程は、前記バリア金属層を塩素系ガスまたはフッ素系ガスで選択的にエッチングするものであるとともに、前記塩素系ガスまたは前記フッ素系ガスによる前記バリア金属層と前記金属配線層保護膜とのエッチング選択比は約２以上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３】
前記金属配線層保護膜は、テトラエチルオルトシリケートを原料としてプラズマＣＶＤ法により形成される二酸化シリコン膜であ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】
絶縁膜に選択的に開口部を形成して前記絶縁膜の下の層の一部を露出させる工程と、
前記絶縁膜および露出させた前記下の層上にバリア金属層を形成する工程と、
前記バリア金属層上にプラグ形成層を形成する工程と、
前記プラグ形成層をエッチングバックすることによりプラグを形成する工程と、
前記プラグおよびバリア金属層上に金属配線層を形成する工程と、
前記金属配線層上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜上にフォトレジスト膜を形成し、露光、現像する工程と、
現像した前記フォトレジスト膜をマスクとして前記反射防止膜および前記金属配線層を選択的に除去する工程と、
前記除去されなかった前記フォトレジスト膜および前記反射防止膜および前記金属配線層の付着物を剥離する工程と、
前記除去されなかった前記フォトレジスト膜をマスクとして前記バリア金属層を選択的に除去する工程と、
を有する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、半導体装置の製造方法において、プラグを有する半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の微細化の進展に伴って、多層配線構造を採用することが一般化している。このような多層配線構造においては、上層の配線層と下層の配線層との中間層にコンタクト、ビア等の接続ホールを開口し、この接続ホールの内部にタングステン等の金属を充填してプラグとし、この接続ホールを介して上層の配線層と下層の配線層とを電気的に接続する構造を採用している。
【０００３】
このようなプラグを有する従来の半導体装置の製造方法について、コンタクトホールを設ける場合を事例として以下に説明する。
【０００４】
図４は、従来のプラグを有する半導体装置の製造方法の説明図である。以下各工程について図４に基づいて説明する。
【０００５】
まず、（１）に示すように、シリコン基板上１０にＳｉＯ２等の絶縁膜１２を形成し、さらに、（２）に示すように、コンタクトホール形成のため絶縁膜１２にシリコン基板が一部露出するように開口部３０を設ける。この開口部３０の直径は通常０．１〜１．０μｍ程度である。次に、（３）に示すように、絶縁膜１２上にバリア金属層１４をスパッタリング法により形成する。このバリア金属層１４は一般的には３００オングストローム（３０ｎｍ）程度のＴｉ膜と７００オングストローム（７０ｎｍ）程度のＴｉＮ膜との積層構造からなる。またこのバリア層は密着層とも呼ばれており、この層の上下の層の密着度を高める効果も有する。次に、（４）に示すように、開口部３０の内部が充填され、さらにその表面がほぼ平坦となるように、バリア金属層１４上にスパッタリング法によりプラグ形成層１６を形成する。このプラグ形成層には一般的にタングステン（Ｗ）が使われる。
【０００６】
さらに、（５）に示すように、フッ素系ガスによりプラグ形成層１６をエッチングバックすることにより、プラグ３２を形成する。
【０００７】
続けて、（６）に示すように、絶縁膜１２上のバリア金属層１４を塩素系ガスでドライエッチングする。なお、このエッチングでプラグ３２の周囲のバリア金属層１４は、絶縁膜１２の表面の位置よりもさらにエッチングされるので、プラグ３２の周囲に円環状の凹部４０が形成されることになる。
【０００８】
次に、（７）に示すように、絶縁膜１２とプラグ３２上に金属配線層１８をスパッタリング法により形成する。この金属配線層１８には、通常Ａｌ−ＣｕのほかＡｉ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌなども使用される。次に、図示しないが、金属配線層１８上に例えばＴｉＮ膜のような反射防止膜を形成する。
【０００９】
次に、（８）に示すように、金属配線層１８上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜２０を形成し、このフォトレジスト膜２０の露光、現像する。これをマスクとして金属配線層１６を塩素系ガスによりドライエッチングする。
【００１０】
この際、（９）に示すように、金属配線層１８と反射防止膜とフォトレジスト膜２０との側壁面には、このエッチング中にフォトレジスト膜から発生したと思われるポリマーやカーボン等が付着物２２として付着する。また、Ａｌなども付着物２２として再付着する。この付着物２２は、付着したまま放置すると、夾雑物としてこの後のプロセスに悪影響を与えるので、例えばアミン系のアルカリ溶液のような、有機物の溶解能を持つ薬液により剥離する。なお、この薬液は、金属配線層１８のＡｌも溶解し、さらに、フォトレジスト膜２０も溶解する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述の従来技術においては以下のような問題が発生した。
【００１２】
半導体装置の微細化が進むと、コンタクトホール等の接続孔を完全に覆うように金属配線層１８を形成することが困難になり、図４の（１０）に示す通りにならず、図５の（１）に示すように、最終的に金属配線が位置ずれした状態で形成され、プラグ３２が一部露出することがある。このときプラグ３２の周囲には、前述のように、凹部４０が形成されているので、この凹部４０も一部露出することになる。
【００１３】
したがって、このように金属配線層がずれた状態で形成された場合、金属配線層１８のエッチング後に付着物２２を薬液で剥離する際、図５の（１）に薬液５０として示したように、薬液が凹部４０に入ることになる。さらに、薬液が金属配線層１８と凹部４０との間のトンネル状の微細な隙間に矢印Ａに示すように進入する。この薬液は、前述のように、金属配線層１８のＡｌを溶解するので、Ａｌの腐食を引き起こし、プラグ３２と金属配線層１８との接続に悪影響を与えてしまい、ひいては半導体製品の歩留まりの低下を招く要因になる。
【００１４】
しかし、微細な隙間に進入した薬液を排除することは非常に困難である。くわえて、このような悪影響を与えないために前述した薬液を溶解能の弱い薬液に変更してしまうと、同時に金属配線層の付着物の溶解能も落ちるという二律背反の関係にあるので、使用する薬液を変更することにより解決することも困難である。
【００１５】
そこで、本発明は、プラグを有する半導体装置の製造方法において、金属配線層の側壁面に付着するポリマー等の付着物を剥離する薬液がプラグの周囲の凹部に進入し、当該金属配線層を溶解することを防止可能とする半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、半導体装置の製造方法として、
（１）まず、
絶縁膜に選択的に開口部を形成して前記絶縁膜の下の層の一部を露出させる工程と、
前記絶縁膜および露出させた前記下の層上にバリア金属層を形成する工程と、
前記バリア金属層上にプラグ形成層を形成する工程と、
前記プラグ形成層をエッチングバックすることによりプラグを形成する工程と、
前記プラグおよびバリア金属層上に金属配線層を形成する工程と、
前記金属配線層上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜上に金属配線層保護膜を形成する工程と、
前記金属配線層保護膜上にフォトレジスト膜を形成し、露光、現像する工程と、
現像した前記フォトレジスト膜をマスクとして前記金属配線層保護膜および前記反射防止膜および前記金属配線層を選択的に除去する工程と、
前記金属配線層保護膜および前記反射防止膜および前記金属配線層の付着物を剥離する工程と、
前記除去されなかった前記金属配線層保護膜をマスクとして前記バリア金属層を選択的に除去する工程と、
を有することを特徴とするものである。
【００１７】
このような半導体装置の製造方法にすることで、金属配線層の付着物を薬液により剥離する時点において、バリア金属層がまだエッチングされていないので、プラグの周囲にバリア金属層のエッチングに由来する凹部が存在しない。したがって、金属配線層がずれた状態で形成されてこの凹部が露出しても、ここに薬液が進入することが確実に防止できるので、この薬液がプラグと金属配線層との接続に悪影響を与えることがなく、ひいては半導体装置の歩留まりを向上することができる。さらに、従来技術を用いた場合のように、プラグと金属配線層との接続に悪影響を与えることを考慮にいれて薬液を選択する必要性がなくなるので、使用可能な薬液の種類が増え、くわえて、薬液のコストや薬液による処理時間等を優先した選択も可能になる。
【００１８】
（２）また、（１）において、
前記バリア金属層を選択的に除去する工程は、前記バリア金属層を塩素系ガスまたはフッ素系ガスで選択的にエッチングするものであるとともに、前記塩素系ガスまたは前記フッ素系ガスによる前記バリア金属層と前記金属配線層保護膜とのエッチング選択比は約２以上であることを特徴とするものである。
【００１９】
このような半導体装置の製造方法にすることで、バリア金属層と金属配線層保護膜とのエッチング選択比が高いので、金属配線層保護膜自体のエッチングを容易にできるように薄く形成した場合でも、バリア金属のエッチング時に金属配線層を確実に保護することができる。
【００２０】
（３）また、（２）において、
前記金属配線層保護膜は、テトラエチルオルトシリケートを原料としてプラズマＣＶＤ法により形成される二酸化シリコン膜であることを特徴とするものである。
【００２１】
このような半導体装置の製造方法にすることで、金属配線層保護膜のバリア金属層に対するエッチング選択比が高い金属配線層保護膜の形成が容易にできる。
【００２２】
（４）また、
絶縁膜に選択的に開口部を形成して前記絶縁膜の下の層の一部を露出させる工程と、
前記絶縁膜および露出させた前記下の層上にバリア金属層を形成する工程と、
前記バリア金属層上にプラグ形成層を形成する工程と、
前記プラグ形成層をエッチングバックすることによりプラグを形成する工程と、
前記プラグおよびバリア金属層上に金属配線層を形成する工程と、
前記金属配線層上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜上にフォトレジスト膜を形成し、露光、現像する工程と、
現像した前記フォトレジスト膜をマスクとして前記反射防止膜および前記金属配線層を選択的に除去する工程と、
前記除去されなかった前記フォトレジスト膜および前記反射防止膜および前記金属配線層の付着物を剥離する工程と、
前記除去されなかった前記フォトレジスト膜をマスクとして前記バリア金属層を選択的に除去する工程と、
を有することを特徴とするものである。
【００２３】
このような半導体装置の製造方法にすることで、金属配線層の付着物を薬液により剥離する時点において、バリア金属層がまだエッチングされていないので、プラグの周囲にバリア金属層のエッチングに由来する凹部が存在しない。したがって、金属配線層がずれた状態で形成されてこの凹部が露出しても、ここに薬液が進入することが確実に防止できるので、この薬液がプラグと金属配線層との接続に悪影響を与えることがなく、ひいては半導体装置の歩留まりを向上することができる。さらに、従来技術を用いた場合のように、プラグと金属配線層との接続に悪影響を与えることを考慮にいれて薬液を選択する必要性がなくなるので、使用可能な薬液の種類が増え、くわえて、薬液のコストや薬液による処理時間等を優先した選択も可能になる。さらに、比較的工程を増やさずに課題を解決することが実現可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の具体的な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、従来の技術の記載と重複する点については符号は同一とし、本発明の第１の実施の形態で説明しない事項については、符号が同じものは従来の技術の形態と同じものとする。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す断面図であり、図２は、本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。また、図３は、本発明の実施の形態において金属配線のずれを生じた状態を示す断面図である。
【００２６】
まず、本発明の第１の実施の形態の各工程について説明する。
【００２７】
図１の（１）は、六フッ化タングステン（ＷＦ６）を用いてタングステン（Ｗ）からなるプラグ形成層１６をシリコン基板全面に堆積した後、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用いたドライエッチングにより、開口部３０の内部に充填された部分を除いてプラグ形成層１６をエッチングバックし、プラグ３２を形成した状態を示している。
【００２８】
このとき、プラグ形成層１６のエッチングバックはバリア金属層１４を構成するＴｉＮ膜が露出した時点でエッチングをストップさせている。また、従来の技術においては引き続いてバリア金属層１４をエッチングしたが、本実施の形態においてはこの時点でバリア金属層１４をエッチング除去することはしない。
【００２９】
なお、これ以前の工程については、従来の技術において図４の（１）から（４）に基づいて説明したものと同一である。
【００３０】
次に図１の（２）に示すように、プラグ３２を形成したら、Ｔｉ膜とＴｉＮ膜からなるバリア金属層１４とプラグ３２との上に金属配線層１８をスパッタリング法により形成する。なお、この金属配線層１８の材料については、Ａｌ−Ｃｕのほか、半導体装置の金属配線に利用されるものであるならばＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕなど他の材料を利用してもよい。次に、図示しないが、金属配線層１８上に例えばＴｉＮ膜のような反射防止膜を形成する。
【００３１】
次に、図１の（３）に示すように、金属配線層保護膜２４を形成する。この金属配線層保護膜２４は、後述するバリア金属層１４のエッチングを行う際に金属配線層１８を保護するために設けられるものである。なお、この金属配線層保護膜２４は、後述する理由により、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）を原料としてプラズマＣＶＤ法により形成される二酸化シリコン膜であることが好ましい。
【００３２】
次に、図１の（４）に示すように、金属配線保護膜２４上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜２０を形成する。
【００３３】
次に、図１の（５）に示すように、フォトレジスト膜２０の露光、現像を行い、さらに、このフォトレジスト膜２０をマスクとして、金属配線層保護膜２４と反射防止膜と金属配線層１８とをパターニングするため、ドライエッチングにより順次選択的に除去する。なお、これらのドライエッチング用のガスとしては、金属配線層保護膜２４が上記の二酸化シリコン膜である場合は、これに対して例えばＣＨＦ３とＣＦ４とを主ガスとしたフッ素系ガスを用いる。また、反射防止膜がＴｉＮ膜により形成されている場合は、これに対してＣｌ２などを主ガスとした塩素系ガスや、ＳＦ６、ＣＦ４などを主ガスとしたフッ素系ガスを用いる。また、金属配線層１８がＡｌ−Ｃｕにより形成されている場合は、これに対してＣｌ２やＢＣｌ３などを主ガスとした塩素系ガスを用いる。当然のことながら、ドライエッチング用のガスはこれらに限られるものではなく、それぞれの層を形成する材料に応じてもっとも適当なガスを適宜選択する。
【００３４】
このとき、前述したように金属配線層１８と反射防止膜とフォトレジスト膜２０との側壁面には、このエッチング中にフォトレジスト膜から発生したと思われるポリマーやカーボン等が付着物２２として付着する。また、Ａｌなども付着物２２として再付着する。
【００３５】
次に、図１の（６）に示すように、上記のドライエッチングによってフォトレジスト２０から金属配線層１８にかけて付着した付着物２２を薬液により剥離する。この薬液は、前述のアミン系のアルカリ溶液のほか、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、有機カルボン酸などが用いられる。なお、この際、このフォトレジスト膜２０も溶解して除去される。
【００３６】
次に、図１の（７）に示すように、金属配線層保護膜２４をマスクとしてバリア金属層を塩素系ガスまたはフッ素系ガスによりエッチングする。塩素系のエッチングガスとしては例えばＣｌ２を使用する。またフッ素系のエッチングガスとしては例えばＳＦ６やＣＦ４などを用いる。金属配線層保護膜２４は、このエッチングの際にマスクとして金属配線層１８を十分に保護できるものでなければならない。したがって、バリア金属層１４に対するエッチング選択比は大きいものであることが好ましい。よってバリア金属層１４に対する金属配線層保護膜２４の選択比は、少なくとも２以上、好ましくは５以上が望ましい。これらを勘案した場合、選択比を高く取れるという理由から、金属配線保護膜２４としてはプラズマＣＶＤによってテトラエチルオルトシリケートから形成される二酸化シリコン膜を、またエッチングガスとしてはＣｌ２を用いるのが最も好適である。
【００３７】
また、金属配線保護膜２４は上述したように金属配線層１８を十分保護できるものでなければならないが、後にこれ自体はエッチング除去されることを考慮すれば、そのエッチングを容易にするために比較的薄いものとして形成されることが望ましい。
【００３８】
この実施の形態によれば、上述のように、金属配線層１８等の付着物２２を薬液により剥離する時点においては、バリア金属層１４はまだエッチングされていない。したがって、図３に示すように、最終的にエッチングされて所定のパターンに形成された金属配線層１８が位置ずれて、バリア金属層１４のエッチング後に形成されてしまう凹部４０が露出したとしても、薬液がこの凹部に入ることは無い。したがって、この薬液を選定するにあたって、薬液が凹部に入ることを考慮する必要がなくなり、ポリマー等の付着物の溶解能や調達コストを基準にして選択することが可能となる。
【００３９】
さらに、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本発明の第１の実施の形態と重複する点については符号は同一とし、本発明の第２の実施の形態で説明しない事項については、符号が同じものは本発明の第１の実施の形態と同じものとする。
【００４０】
図２の（１）および（２）に示すように、この実施の形態においても金属配線層１８を形成し、次に、図示しないが、金属配線層１８上に例えばＴｉＮ膜のような反射防止膜を形成する工程までは第１の実施の形態と同じである。
【００４１】
次に、この実施の形態においては、図２の（３）に示すように、金属配線層の上に直接フォトレジスト膜２０を形成し、金属配線保護膜は設けない。このフォトレジスト膜２０は、後述するように、バリア金属層１４をエッチングする際にマスクとして利用するため、金属配線層１８に付着した付着物２２を薬液により剥離する際に完全に除去されない程度の厚さを有することが好ましい。
【００４２】
次に、図２の（４）に示すように、このフォトレジスト膜２０をマスクとして金属配線層１８を塩素系ガスによりドライエッチングする。次に、図２の（５）に示すように、金属配線層１８に付着した付着物２２を薬液により剥離する。次に、図２の（６）に示すように、フォトレジスト膜２０をマスクとしてバリア金属層１４を塩素系ガスまたはフッ素系ガスによりエッチングする。よって、この第２の実施の形態においても、金属配線層１８等の付着物２２を薬液により剥離する時点においては、バリア金属層１４はまだエッチングされておらず、バリア金属層１４のエッチング後に形成する凹部４０が露出しても、薬液がこの凹部に入ることがない。
【００４３】
また本発明の第２の実施の形態においては、金属配線保護膜を設ける必要が無いため、本発明の第１の実施の形態に比べ工程を増やさずに課題を解決することが可能となる。
【００４４】
なお、これらの実施形態においては、プラグ形成層を層間絶縁膜の開口部の内部を除いてエッチングにより完全に除去するものとしたが、この層のエッチングを途中で停止し、金属配線パターンの形成後にバリア金属層とともにエッチングして除去するものとしてもよい。また、プラグ形成層の材料としてタングステン（Ｗ）を取り上げたが、多結晶シリコンなど他の材料を利用してもよい。さらに、開口部の事例としてコンタクトホールを取り上げたが、ビアホールの場合にも、これらの実施の形態と同様に応用できる。また、上記の各層の形成手段としてスパッタリング法とＣＶＤ法とを利用するものとしたが、他の手段により形成してもよい。
【００４５】
以上のように、本発明の実施形態においては、従来の製造工程に大きな改変を加えることなく、金属配線層の側壁面の付着物を剥離する薬液がプラグの周囲の凹部に進入し、金属配線層の溶解を防止できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、金属配線層のエッチング時に金属配線層の側壁面に付着するポリマー等の付着物を剥離する薬液がプラグの周囲の凹部に進入し、当該金属配線層を溶解することを確実に防止することができ、半導体装置の歩留まりの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態において金属配線のずれを生じた状態を示す断面図である。
【図４】従来のプラグを有する半導体装置の製造方法を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の製造方法において金属配線のずれを生じた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０    シリコン基板
１２    絶縁膜
１４    バリア金属層
１６    プラグ形成層
１８    金属配線層
２０    フォトレジスト膜
２２    付着物
２４    金属配線層保護膜
３０    開口部
３２    プラグ
４０    凹部
５０    薬液
Ａ      進入方向
【図１】
0003546752.tif 000002
【図２】
0003546752.tif 000003
【図３】
0003546752.tif 000004
【図４】
0003546752.tif 000005
【図５】
0003546752.tif 000006