(57)【要約】      （修正有）【課題】パターン寸法のバラツキの少ない、配線容量の低減されたデュアルダマシン配線を、高い歩留まりで形成可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板２０上に、有機系絶縁膜４を形成する工程と、有機系絶縁膜上に、無機材料を含む第１および第２のハードマスク５，６を形成する工程と、第２のハードマスクに凹部を形成する工程と、凹部が形成された第２のハードマスク上に、下層膜１２、中間層１３およびレジスト膜１４を順次形成する工程と、レジスト膜をパターン露光する工程とを具備する方法である。前記下層膜は、前記第２のハードマスク上に第１の有機膜９を形成し、第１の有機膜を、スラリーを用いて化学的機械的に研磨して第２のハードマスクの表面を露出し、凹部に前記第１の有機膜を選択的に残置し、第２のハードマスクおよび第１の有機膜上に、第２の有機膜１１を形成する。【選択図】図２１
2006019696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、有機材料を含む有機系絶縁膜を形成する工程と、
前記有機系絶縁膜上に、無機材料を含む第１、第２、および第３のハードマスクを形成する工程と、
前記第３のハードマスクに凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成された第３のハードマスク上に、下層膜、中間層およびレジスト膜を順次形成する工程と、
前記レジスト膜をパターン露光する工程とを具備し、
前記下層膜は、
前記第３のハードマスク上に第１の有機膜を形成し、
前記第１の有機膜を、スラリーを用いて化学的機械的に研磨して前記第３のハードマスクの表面を露出し、前記凹部に前記第１の有機膜を選択的に残置し、
前記第３のハードマスクおよび前記第１の有機膜上に、第２の有機膜を形成すること
により形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板上に、有機材料を含む有機系絶縁膜を形成する工程と、
前記有機系絶縁膜上に、無機材料を含む第１および第２のハードマスクを形成する工程と、
前記第２のハードマスクに凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成された第２のハードマスク上に、下層膜、中間層およびレジスト膜を順次形成する工程と、
前記レジスト膜をパターン露光する工程とを具備し、
前記下層膜は、
前記第２のハードマスク上に第１の有機膜を形成し、
前記第１の有機膜を、スラリーを用いて化学的機械的に研磨して前記第２のハードマスクの表面を露出し、前記凹部に前記第１の有機膜を選択的に残置し、
前記第２のハードマスクおよび前記第１の有機膜上に、第２の有機膜を形成すること
により形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の有機膜は、ノボラック系樹脂を主成分とし、架橋終了温度以上でベークを行なうことにより形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の有機膜の化学的機械的研磨に用いられるスラリーは、γアルミナを主成分とする研磨粒子を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記凹部が形成されるハードマスクの膜厚は、６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２のハードマスクおよび前記第１の有機膜上に第２の有機膜を形成する前に、前記第１の有機膜および第２のハードマスクをドライエッチングによりエッチバックす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７】
基板上に、有機材料を含む有機系絶縁膜を形成する工程と、
前記有機系絶縁膜上に、無機材料を含む下層ハードマスクおよび上層ハードマスクを少なくとも形成する工程と、
前記上層ハードマスクに凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成された上層ハードマスク上に下層膜、中間層およびレジスト膜を順次形成する工程と、
前記レジスト膜をパターン露光する工程とを具備し、
前記レジスト膜を形成する前に、前記中間層をスラリーを用いて化学的機械的に研磨して、平坦化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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、高速ロジックＬＳＩ、システムＬＳＩ、メモリ・ロジック混載ＬＳＩなどの高速デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置における金属配線の配線抵抗および配線間容量を低減するために、単層または積層された有機膜、あるいは有機無機ハイブリッド膜を用いて、層間絶縁膜の比誘電率を３．０以下に低減することが提案されている。
【０００３】
ハイブリッド膜を用いたデュアルダマシン構造は、複数種類のハードマスクを用いたデュアルハードマスク法またはトリプルハードマスク法によって、形成することができる。こうした加工プロセスにおいては、上層ハードマスクに溝パターンを形成した後、孔パターンを形成するためのリソグラフィー工程が行なわれる。このとき、ハードマスク段差に起因してレジスト膜の膜厚バラツキが生ずる。レジスト膜厚は、数μｍ〜数十μｍオーダーの幅広い配線上では、数十ｎｍ〜数百ｎｍオーダーの微細配線上よりも薄くなる。
【０００４】
レジスト膜の膜厚差は、露光時のフォーカスエラーを生じて寸法バラツキの原因となり、ひいては配線の歩留まり低下の原因となる。段差のある下地上にパターンを形成する際には、多層レジスト法が利用される。微細化に伴なって解像度を確保するために下層膜は薄くならざるを得ず、結果としてハードマスク段差に起因したレジスト膜厚バラツキを緩和することが困難になっている。
【０００５】
複数層のハードマスクを用いて配線溝と接続孔とを形成するにあたって、配線溝パターンが形成された第２のマスク層の直上に下層膜を形成し、この下層膜の表面を平坦化することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。ここでは、下層膜は酸化シリコン膜から形成され、下方にも酸化シリコン膜が存在している。したがって、除去工程を別途設けなくても、下層膜は下方の酸化シリコン膜のエッチング加工中に除去することが可能である。ただし、直下にある第２のマスク層を保護するために、この第２のマスク層を十分に被覆する状態で、下層膜が形成されなければならない。これらを考慮して、下層膜は、ある程度の膜厚を有することが要求され、薄膜化には限界があった。
【特許文献１】特開２００２−２６１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、パターン寸法のバラツキを抑制して、高い歩留まりでデュアルダマシン配線を形成可能な半導体装置の製造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】
【０００７】
本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、基板上に、有機材料を含む有機系絶縁膜を形成する工程と、
前記有機系絶縁膜上に、無機材料を含む第１、第２、および第３のハードマスクを形成する工程と、
前記第３のハードマスクに凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成された第３のハードマスク上に、下層膜、中間層およびレジスト膜を順次形成する工程と、
前記レジスト膜をパターン露光する工程とを具備し、
前記下層膜は、
前記第３のハードマスク上に第１の有機膜を形成し、
前記第１の有機膜を、スラリーを用いて化学的機械的に研磨して前記第３のハードマスクの表面を露出し、前記凹部に前記第１の有機膜を選択的に残置し、
前記第３のハードマスクおよび前記第１の有機膜上に、第２の有機膜を形成すること
により形成されることを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の態様にかかる半導体装置の製造方法は、基板上に、有機材料を含む有機系絶縁膜を形成する工程と、
前記有機系絶縁膜上に、無機材料を含む第１および第２のハードマスクを形成する工程と、
前記第２のハードマスクに凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成された第２のハードマスク上に、下層膜、中間層およびレジスト膜を順次形成する工程と、
前記レジスト膜をパターン露光する工程とを具備し、
前記下層膜は、
前記第２のハードマスク上に第１の有機膜を形成し、
前記第１の有機膜を、スラリーを用いて化学的機械的に研磨して前記第２のハードマスクの表面を露出し、前記凹部に前記第１の有機膜を選択的に残置し、
前記第２のハードマスクおよび前記第１の有機膜上に、第２の有機膜を形成すること
により形成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明のさらに他の態様にかかる半導体装置の製造方法は、基板上に、有機材料を含む有機系絶縁膜を形成する工程と、
前記有機系絶縁膜上に、無機材料を含む下層ハードマスクおよび上層ハードマスクを少なくとも形成する工程と、
前記上層ハードマスクに凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成された上層ハードマスク上に下層膜、中間層およびレジスト膜を順次形成する工程と、
前記レジスト膜をパターン露光する工程とを具備し、
前記レジスト膜を形成する前に、前記中間層をスラリーを用いて化学的機械的に研磨して、平坦化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の態様によれば、パターン寸法のバラツキを抑制して、高い歩留まりでデュアルダマシン配線を形成可能な半導体装置の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
（実施形態１）
図１乃至図１５を参照して、本実施形態における方法を説明する。本実施形態にかかる方法は、有機膜ＣＭＰを導入したトリプルハードマスク法によるハイブリッドデュアルダマシン加工方法である。なお、ハイブリッドとは、配線溝が有機系および無機系の絶縁膜により構成されていることをさす。
【００１３】
まず、図１に示すように、素子（図示せず）が形成された半導体基板２０上に、有機系絶縁膜４、無機材料を含む第１、第２および第３のハードマスク５，６，および７を順次形成し、第３のハードマスク７に凹部としての配線溝パターン８ａおよび８ｂを形成する。図示する例においては、有機系絶縁膜４は、第１の有機系絶縁膜２および第２の有機系絶縁膜３の二層構造であり、これらの下層には膜厚３５ｎｍのエッチングストッパー膜１が形成されている。
【００１４】
図示していないが、エッチングストッパー膜１と半導体基板２０との間には、第１の配線層が埋め込み形成された層間絶縁膜が設けられる。層間絶縁膜としては、例えば酸化シリコン膜を用いることができ、バリア層を介してＣｕを埋め込むことによって第１の配線層が形成される。エッチングストッパー膜１は、このＣｕの拡散を防止する作用も有しており、例えばＳｉＮ膜を堆積して形成することができる。
【００１５】
第１の有機系絶縁膜２および第２の有機系絶縁膜３としては、それぞれＳｉＯＣおよびＰＡＥ（ポリアリールエーテル）をＰＥ−ＣＶＤ（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により堆積して形成した。有機膜の材料としては、ポリアリールエーテル（アライドシグナル社製（商品名：ＦＬＡＲＥ）、ダウケミカル社製（商品名：ＳｉＬＫ））、ベンゾシクロブテン（ダウケミカル社製）およびポリイミド等を用いることもできる。第１および第２の有機系絶縁膜２，３の膜厚は特に限定されず、５０〜４００ｎｍの範囲内で選択すればよい。
【００１６】
なお、ＣＶＤ法により形成される有機膜の材料としては、コーラル（商品名、ノベラス社製）、オーロラ（商品名、エー・エス・エム社製）、およびブラックダイアモンド（商品名、アプライドマテリアル社製）等が知られており、塗布法により形成される有機膜の材料としては、メチルシルセスキオキサン等が知られている。
【００１７】
第１および第２の有機系絶縁膜２，３から構成される有機系絶縁膜４上には、ＣＶＤ法またはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、シラン系ＳｉＯ2膜を第１のハードマスク５として形成する。第２のハードマスク６としては、例えばＳｉＮ膜を用いることができ、第３のハードマスク７は、例えばＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いて形成することができる。なお、いずれの材料を用いて、第１、第２および第３のハードマスク５，６，７を形成してもよく、またさらに、シリコン炭化膜によりハードマスクを形成することもできる。ここでは、第１、第２、および第３のハードマスク５，６，７の膜厚は、それぞれ１４５ｎｍ、５０ｎｍ、および５０ｎｍとした。
【００１８】
レジストパターン（図示せず）を第３のハードマスク７上に形成し、Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒのガスを用いて、この第３のハードマスク７をドライエッチングすることによって、図１に示すように凹部としての配線溝パターン８ａおよび８ｂを形成した。配線溝パターン８ａおよび８ｂの幅は、それぞれ３μｍおよび０．４μｍである。
【００１９】
配線溝パターン８ａ，８ｂが設けられた第３のハードマスク７上には、図２に示すように第１の有機膜９を形成する。第１の有機膜９は、底面においてはＳｉＮからなる第２のハードマスク６と接触することになる。第１の有機膜９の形成に当たっては、まず、ノボラック系樹脂を主成分とするレジスト（ＪＳＲ製ＩＸ３７０Ｇ）を塗布して、膜厚０．３μｍの塗膜を形成した。これを、１８０℃、６０秒プリベークし、さらに３００℃、６０秒ポストベークして第１の有機膜９を得た。３００℃以上の高温でベークを行なうことにより、第１の有機膜９はある程度硬化するので、平坦化に有利となる。３００℃未満の低温ベーク処理では、柔らかすぎてディッシングを十分に抑制することが困難となるおそれがある。
【００２０】
第１の有機膜９の表面は、図２に示されるように、配線溝パターン８ａを反映した段差１０が生じており、その深さは３５ｎｍ程度であった。本実施形態においては、ＣＭＰを用いてこの段差１０を平坦化した後、再度有機膜を堆積して下層膜を形成することによって、フォーカスエラーを抑制する。ノボラック系樹脂を主成分とする有機膜は、例えばシクロヘキサノンを主成分とする有機膜よりも、平坦化を容易に行なうことができる点で好ましい。さらに、ノボラック系樹脂を主成分とする有機膜は、シクロヘキサノンを主成分とする有機膜よりも第３のハードマスク７との密着力が強く、ＣＭＰ時の剥がれも比較的少ない。
【００２１】
ＣＭＰ装置として荏原製作所製ＥＰＯ−２２２を用いて、第１の有機膜９の研磨を行なった。研磨パッドが貼付されたターンテーブルを１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体ウエハーを保持したトップリングを１００ｇｆ/ｃｍ2の研磨荷重で当接させた。研磨パッドとしては、ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４０００（ロデール・ニッタ社製）を用い、トップリングは１０１ｒｐｍの回転数で回転させた。研磨パッド上に、２００ｃｃ／ｍｉｎの流量でスラリーを供給して６０秒間の研磨を行なった。スラリーは、研磨粒子としてのγアルミナ（一次粒子径約３０ｎｍ）を、１ｗｔ％の濃度で純水に分散させて調製した。
【００２２】
その結果、図３に示すように、第３のハードマスク７の表面が露出し、第１の有機膜９は配線溝パターン８ａ，８ｂ内に埋め込まれた。また、研磨後の第１の有機膜９表面におけるディッシングは、研磨後には１０ｎｍ以下に抑制することができた。
【００２３】
第１の有機膜９を研磨するための研磨粒子としては、表面が親水化された粒子を用いることが望ましい。研磨対象である第１の有機膜９は疎水性を呈するので、親水性の研磨粒子は有機膜と適度に反発する。すなわち、図４に示されるように、表面が親水化された研磨粒子１７は、第１の有機膜９上に滞留することがない。こうして、ディッシングを抑制することができる。
【００２４】
これに対し、研磨粒子として疎水性粒子を用いた場合には、第１の有機膜９と疎水性粒子との間での相互作用が強くなりすぎる。図５に示されるように、疎水性の研磨粒子１８は、第１の有機膜９の溝内に滞留して、ディッシングが拡大してしまう。
【００２５】
例えば、界面活性剤を添加して官能基を付与するといった手法により、有機性粒子の表面を親水化することができる。また、シリカ、アルミナなどのような粒子は、その表面が本来的に親水性である。こうした粒子は、処理を施すことなく、そのまま用いることができる。なお、疎水性の研磨粒子としては、例えばＰＭＭＡ粒子、ポリスチレン粒子等が挙げられる。
【００２６】
また、高温ベークにより硬化した第１の有機膜９を研磨するためには、ある程度の硬度を有する研磨粒子が望ましく、γアルミナが好適である。研磨粒子として、ポリスチレンやコロイダルシリカを用いた場合には、前述と同様の条件で研磨を試みたところで、第１の有機膜９が全面に残り、研磨することができなかった。これらの粒子は、高温ベークした第１の有機膜９を研磨するには十分な硬さを有していないためである。
【００２７】
研磨粒子としてγアルミナを用いる場合でも、十分な平坦性で研磨するためには、第１の有機膜９は、高温でベークされたノボラック系樹脂を主成分とすることが好ましい。前述と同様のノボラック系樹脂を用いても、低温でベークされた有機膜は平坦に研磨することが難しい。具体的には、９０℃６０秒のベークを行なってノボラック系樹脂からなる有機膜を形成し、これを前述と同様の条件で研磨したところ、一部にレジスト残りが生じた。また、シクロヘキサノン系樹脂を用いて３００℃１２０秒のベークを行なって形成された有機膜の場合も、一部にレジスト残りが生じた。
【００２８】
上述したように、ＣＭＰ後の平坦性を維持するためには、第１の有機膜は、ある程度の硬度を有することが好ましい。第１の有機膜の硬度が不十分で脆弱であると、アルミナ粒子による溝内部の有機膜の除去速度が速く、ディッシングを抑制することができない。有機膜の硬度は、ベーク温度によって制御することができ、その関係を図６のグラフに示す。同グラフには、有機膜の平均硬度（Ａｖｅ．）およびそのバラツキ（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）を示した。
【００２９】
ここでは、ノボラック系樹脂を用いて有機膜を形成し、その硬度は、硬度測定装置（コベルコ社製、ナノインデンター）により測定した。具体的には、１ｃｍ□の領域内を１５ポイント測定して、平均硬度（Ａｖｅ．）を求めた。硬度のバラツキは、その最大値（Ｍａｘ）と最小値（Ｍｉｎ）との差である。
【００３０】
一般に有機膜は、ベーク温度を高めると、有機膜を構成するポリマーの架橋が始まり、架橋終了温度を越えるとポリマーの架橋が終了して、非常に硬度の高い膜が得られる。ここで用いたノボラック系樹脂は、１５０℃付近から架橋が開始して、２８０℃付近で架橋が終了する。図６のグラフに示されるように、ベーク温度が３００℃の場合、得られた有機膜の平均硬度は０．５ＧＰａ程度であり、硬度のバラツキは０．１ＧＰａ以下と小さい。こうした有機膜は、十分に高硬度で均一であるので平坦化に有利である。図７を参照して、これについて説明する。
【００３１】
図７のグラフには、ベーク温度とディッシングとの関係を示す。有機膜は、ノボラック系樹脂を塗布して所定の温度でベークした後、前述と同様の条件でＣＭＰを行なって、ウェハーのセンター部分およびエッジ部分についてディッシングの深さを測定した。  
ベーク温度がノボラック系樹脂の架橋終了温度未満の場合には、ディッシングの深さは１５０ｎｍ程度にも及んでいる。これに対し、架橋終了温度以上のベーク温度、例えば３００℃程度のベークを行なうと、ディッシングは２０ｎｍ以下に低減されることが、図７のグラフに示されている。ディッシングは２０ｎｍ程度であれば許容範囲である。このように、有機膜が十分に硬化して、アルミナ粒子が溝内に侵入することなくＣＭＰが行なわれることがわかる。なお、有機膜材料である樹脂の分解を防止するために、ベーク温度の上限は３５０℃程度とすることが望まれる。
【００３２】
図６および図７の結果から、有機膜の平均硬度が０．４５ＧＰａ以下の場合には、硬度が不十分でディッシングの抑制は困難であることがわかる。また、硬度のバラツキが０．１ＧＰａ以上と大きい場合には、硬化が不十分な領域がアルミナ粒子により侵食されて、平坦性を確保することが困難となる。したがって、有機膜のベーク温度は、架橋終了温度以上であることが望まれる。ディッシングを低減してＣＭＰ後に平坦性を確保するために、得られる有機膜の平均硬度は０．４５ＧＰａより大きいことが好ましく、硬度のバラツキは０．１ＧＰａ未満であることが好ましい。なお、有機膜の平均硬度が大きすぎる場合には、膜質が脆くなり、ハードマスクとの密着性が低下して剥がれやすくなったり、一方で、研磨速度が低下して生産性が低下するおそれがある。こうした不都合を防止するために、有機膜の平均硬度の上限は０．６ＧＰａ程度とすることが望まれる。
【００３３】
図８のグラフには、ＣＭＰ研磨荷重と第１の有機膜９のディッシング量との関係を示す。２０ｎｍ以下のディッシングは、実質的に影響を及ぼさないので許容範囲内である。このため、第１の有機膜９は、３００ｇｆ／ｃｍ2以下の低荷重で研磨することが望まれる。圧力が低すぎる場合には研磨が十分に進まないことから、荷重の下限は、一般的に５０ｇｆ／ｃｍ2程度となる。
【００３４】
さらに、ＩＸ３７０Ｇを再度塗布して第２の有機膜１１を形成して、第１の有機膜９および第２の有機膜１１からなる下層膜１２を得た。続いて、図９に示すように中間層１３としてのＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ）膜、およびレジスト膜１４を順次形成した。ここでは、第２の有機膜１１は３００ｎｍの厚さで形成した。また、中間層１３およびレジスト膜１４の膜厚は、それぞれ４５ｎｍおよび２００ｎｍとした。
【００３５】
その後、径１４０ｎｍの孔パターンを有する露光マスクを介して、ＫｒＦエキシマレーザーによりレジスト膜１４に露光を行なった。この際、ＣＭＰによる平坦化に起因して、配線幅３μｍおよび０．４μｍ上のビア形成におけるフォーカスエラーは、１０ｎｍ以下に抑制された。図１０のグラフには、配線幅とフォーカスエラーとの関係を示す。本実施形態における結果は実線ａとして示され、配線幅によらずフォーカスエラーはほぼ一定であることがわかる。その結果、パターンの寸法バラツキ、さらには歩留まりを格段に高めることが可能となった。なお、図１０における破線ｂは、従来の手法で形成されたレジスト膜に対して露光を行なった場合であり、これについては後述する。
【００３６】
参考のために、第３のハードマスク７をストッパーとして使用せずに第１の有機膜９のＣＭＰを行なって、第１の有機膜９の途中で研磨を停止した。この場合には、平坦性を確保することができず、第１の有機膜９の表面には最大で５０ｎｍもの段差が生じた。こうした第１の有機膜９上に第２の有機膜１１を堆積して下層膜を形成したところで、フォーカスエラーを低減することはできない。
【００３７】
露光後のレジスト膜１４を現像液により現像して、レジストパターン（図示せず）を得、これをエッチングマスクとしてＣＨＦ3／Ｏ2ガスにより中間層１３を加工した。さらに、ＮＨ3／Ｏ2／ＣＨ4ガスにより下層膜１２を加工し、Ｏ2アッシングによりレジストパターンを剥離した。
【００３８】
パターン化された中間層１３および下層膜１２をマスクとして、第２のハードマスク６および第１のハードマスク５にドライエッチングにより接続孔を形成した。エッチングガスとしては、ＣＨＦ3／Ａｒ／Ｏ2のガスを用いた。第１のハードマスク５を加工する際、中間層１３は除去される。さらに、ＮＨ3ガスを用いてドライエッチングを行ない、図１１に示すように第２の有機系絶縁膜３にドライエッチングにより接続孔１５を形成する。なお、下層膜１２は、第２の有機系絶縁膜３を加工する際に除去される。
【００３９】
次に、ＣＨ2Ｆ2／ＣＦ4／Ａｒ／Ｏ2のガスを用いてドライエッチングを行ない、図１２に示すように第２のハードマスク６に配線溝パターン８を形成した。図示するように、このとき接続孔１５は、第１の有機系絶縁膜２の途中まで掘り進められる。さらに、Ｃ5Ｆ8／Ａｒ／Ｏ2のガスを用いて第３のハードマスク７を除去するとともに、図１３に示すように第１のハードマスク５に配線溝１６を形成した。このとき、接続孔１５は、エッチングストッパー膜１まで達する。このように二段階の加工工程によって、第１の有機系絶縁膜２に接続孔１５が形成される。これは、確実に接続孔１５を貫通できる点で有利である。
【００４０】
次に、ＮＨ3のガスを用いたドライエッチングにより、図１４に示すように第２の有機系絶縁膜３に配線溝１６を形成した。最後に、ＣＨ2Ｆ2／ＣＦ4／Ａｒ／Ｏ2のガスを用いて、図１５に示すように第２のハードマスク６を除去した。このとき、接続孔１５底部のエッチングストッパー膜１も除去された。
【００４１】
その後、接続孔１５および配線溝１６といった凹部の内面にバリア層（図示せず）を形成して、凹部内にＣｕを埋め込んだ後、第１のハードマスク５としての酸化シリコン膜上の余分なＣｕ膜およびバリア層を除去する。こうして凹部内にＣｕダマシン配線を形成して、ハイブリッドデュアルダマシン配線が形成された。
【００４２】
本実施形態においては、第１の有機膜９上にさらにレジスト膜を形成して多層化する前に、この第１の有機膜９をＣＭＰにより平坦化している。したがって、露光時におけるフォーカスエラーを１０ｎｍ以下に抑制することができ、パターンの寸法バラツキ、さらには歩留まりが格段に向上した。
【００４３】
比較のために、従来の手法によりハイブリッドデュアルダマシン配線の形成を試みた。まず、前述と同様の手法により図１に示す構造を得た後、図１６に示すように、下層膜１２、ＳＯＧからなる中間層１３、およびレジスト膜１４を第３のハードマスク７上に順次形成した。第３のハードマスク７には、前述と同様に、幅３μｍの配線溝パターン８ａおよび幅０．４μｍの配線溝パターン８ｂが設けられている。下層膜１２は、第３のハードマスク７上に堆積された第１の有機膜９自体であり、平坦化を行なわずに形成した。解像度を向上させるために、下層膜１２の膜厚は３００ｎｍとした。下層膜１２の膜厚がこのように薄い場合には、ハードマスク段差を緩和することができない。
【００４４】
図１６に示されるように、幅３μｍの配線溝パターン８ａ上における下層膜１２の膜厚は、幅０．４μｍの配線溝パターン８ｂ上よりも薄く、その差は４０ｎｍ程度であった。これは必然的にフォーカスエラーを生じさせ、ひいては寸法バラツキ、歩留まり低下の原因となる。
【００４５】
引き続き、所定の露光マスクを介して、ＫｒＦエキシマレーザーによりレジスト膜１４に露光を施した。この際の配線幅とフォーカスエラーとの関係を、図１０に破線ｂとして示した。配線幅３μｍおよび０．４μｍにおけるフォーカスエラーは４０ｎｍにも及んでいる。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態では、より微細パターンの形成が可能なＡｒＦエキシマレーザーによりリソグラフィーを行なって孔パターンを形成する場合について説明する。
【００４７】
多層レジスト工程では、下層膜は反射防止膜としての機能も有する。こうした観点からは、ＡｒＦエキシマレーザーによりリソグラフィーを行なう場合には、シクロヘキサノンを主成分とする有機膜を用いることが求められる。
【００４８】
すでに説明したように、シクロヘキサノンはハードマスクとの密着力が弱く、平坦化が困難であるという欠点を有している。そこで、本実施形態においては、第３のハードマスク加工後にまず、ノボラック樹脂を主成分とする第１の有機膜９を形成して、これを平坦化する。その後、シクロヘキサノンを主成分とする第２の有機膜１１を形成して下層膜１２を得、その上に中間層１３としてのＳＯＧを塗布する。その後、レジスト膜１４を形成してＡｒＦエキシマレーザーによりリソグラフィーを行なって孔パターンを形成する。
【００４９】
具体的には、第２の有機膜としてシクロヘキサノンを主成分とするレジスト（ＪＳＲ製ＣＴ０１）を用いた以外は、実施形態１と同様の手法によりハイブリッドデュアルダマシン配線の形成を試みた。パターン露光にあたっては、径１００ｎｍの孔パターンを有するマスクを用いた。
【００５０】
この場合も、ＣＭＰによる平坦化に起因して、配線幅３μｍおよび０．４μｍ上のビア形成におけるフォーカスエラーは、１０ｎｍ以下に抑制された。実施形態１の場合と同様、本実施形態における結果も、図１０に実線ａとして表わされ、フォーカスエラーは配線幅によらずほぼ一定であった。その結果、パターンの寸法バラツキ、さらには歩留まりを格段に高めることが可能となった。
【００５１】
さらに、配線溝パターンの幅を３μｍから５．０μｍに変更した以外は、前述と同様の手法により孔パターンを形成し、これら配線上のビア寸法を寸法ＳＥＭにより測定した。目的ビア径を１００ｎｍとし、この寸法の±１０％を許容範囲としてＥＤ  Ｔｒｅｅ解析を行なって、０．４μｍおよび５．０μｍに対するマージンカーブをシミュレーションにより計算した。
【００５２】
得られた結果を、図１７（ｂ）のグラフに示す。なお、図１７（ａ）は、従来の手法により孔パターンを形成した場合のシミュレーション結果である。第１の有機膜は平坦化されないので、図１６に示したように、配線溝パターン８ａ上における下層膜１２の膜厚は、配線溝パターン８ｂ上よりも薄くなり、その差は第３のハードマスク７の膜厚に相当して５０ｎｍ程度であった。こうした膜厚差は、フォーカスエラーを引き起こす。図１７（ａ）および（ｂ）を比較すると、従来の手法（図１７（ａ））では、焦点深度は０．１７２μｍであるのに対し、本実施形態（図１７（ｂ））では０．２２４μｍに増加している。このように、第１の有機膜を平坦化することによって、フォーカスエラーを低減できることが確認された。
【００５３】
（実施形態３）
本実施形態においては、下層膜とハードマスクとの密着力を向上させるため、第３のハードマスク７の膜厚を厚く形成する。
【００５４】
通常のトリプルハードマスク法においては、リソグラフィーの焦点深度を確保する観点から、第３のハードマスク（ＴＥＯＳ）の膜厚は５０ｎｍ程度に設定される。
【００５５】
しかしながら、この場合には当該ハードマスクのトレンチ深さが浅く、下層膜とハードマスクの機械的強度が弱い。この場合、ＣＭＰ時のストレスに耐えられずに、トレンチ内の第１の有機膜の剥がれが発生してしまうおそれがある。
【００５６】
本実施形態では、第３のハードマスク（ＴＥＯＳ）７の膜厚を１５０ｎｍに厚膜化した以外は、実施形態１と同様の工程を行なった。この場合には、トレンチ深さが深くなるため、第１の有機膜９と第３のハードマスク７との機械的結合力が強められる。このアンカー効果により、ＣＭＰ時のトレンチ内における第１の有機膜９の剥がれを飛躍的に低減することができる。具体的には、第１の有機膜９の剥がれは、１０μｍ８０％パターンエリアにおいて５％以下であった。なお、従来のように第３のハードマスク７の膜厚を５０ｎｍとした場合には、第１の有機膜９は、１０μｍ８０％パターンエリアにおいて８０％以上の面積で剥がれが生じた。
【００５７】
第３のハードマスク７の膜厚を厚膜化することによって、第１の有機膜９の塗布直後の初期段差は１００ｎｍ程度に増大する。しかしながら、ＣＭＰを行なうことによって、その後の平坦性は１５ｎｍ以下に抑制することが可能である。
【００５８】
第３のハードマスク７の膜厚は、５０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲、好ましくは７０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲、より好ましくは１００ｎｍ乃至１５０ｎｍの範囲である。５０ｎｍ未満の場合は、剥がれを抑制することが難しく、また２００ｎｍを超えると、第１の有機膜９の平坦化が困難となるとともに、その後の加工プロセスが困難となるためである。
【００５９】
（実施形態４）
本実施形態においては、トレンチ内の下層膜剥がれを防止するため、第１の有機膜９の膜厚を薄く形成する。
【００６０】
トレンチ、すなわち、第３のハードマスク７に設けられた溝パターン８ａ，８ｂ内での有機膜９の剥がれは、特にフィールド上の有機膜が除去された後のオーバーポリッシュ時に拡大する方向にある。本実施形態においては、ウエハー内のレート不均一性に起因するオーバーポリッシュを軽減するため、第１の有機膜９の膜厚を減少させる。
【００６１】
例えば、トレンチ深さ５０ｎｍに対して３００ｎｍ膜厚で有機膜が形成された場合には、３０秒程度でジャストポリッシュとなり、１５秒オーバーポリッシュを行なうと剥がれは拡大することが確認された。
【００６２】
第１の有機膜９の厚さを１５０ｎｍに薄くした以外は、実施形態１と同様の工程を行なった。この場合、１５秒でジャストポリッシュとなり、１５秒オーバーポリッシュを行なっても剥がれの拡大は認められなかった。具体的には、有機膜の剥がれは、１０μｍ８０％パターンエリアにおいて１０％以下であった。
【００６３】
第１の有機膜９の好ましい厚さは、トレンチ深さ＋５０ｎｍ乃至＋１００ｎｍの範囲である。これは、トレンチ深さ＋５０ｎｍ以下では、ＣＭＰの削りしろが少なすぎて平坦化が困難であるためである。一方、トレンチ深さ＋１００ｎｍを越えると、オーバーポリッシュに起因する剥がれが顕著となるおそれがある。
【００６４】
（実施形態５）
本実施形態においては、下層膜とハードマスクの密着力を向上させるため、第１の有機膜９の塗布後に電子ビームキュア処理を行なう。
【００６５】
通常の熱キュアを行なっても、第１の有機膜９と第３のハードマスク７との密着力が十分に大きくないことがある。こうした場合には、ＣＭＰの際、トレンチ内における有機膜の剥がれが頻発する。本実施形態では、第１の有機膜塗布後にＥＢキュアを施した以外は、実施形態１と同様の工程を行なった。これによって、第１の有機膜９と第３のハードマスク７との密着力が格段に向上し、この後のＣＭＰの際にトレンチ内の有機膜の剥がれを減少させることができた。具体的には、有機膜の剥がれは、１０μｍ８０％パターンエリアにおいて３０％以下であった。
【００６６】
ＥＢ  ｃｕｒｅ装置としては東京エレクトロン製（ＥＣＴＵＳ  ＳＯＤ）を用い、加速電圧１３ｋｅＶ／Ａｒ流量３ｓｌｍ／圧力１０Ｔｏｒｒ／ウエハー温度３００℃／４ｍｉｎの条件で行なった。ＵＶキュア等の方法を用いて、第１の有機膜９と第３のハードマスク７との密着力を向上させることも可能である。
【００６７】
以上の実施形態３〜５においては、第１の有機膜の密着性を高めて剥がれを抑制する手法を説明した。これらの実施形態で示した条件、処理は、任意に組み合わせることができ、いずれの場合も、第１の有機膜とハードマスクの密着性を高めつつ、フォーカスエラーを低減することが可能となる。
【００６８】
（実施形態６）
図１８乃至図２６を参照して、本実施形態における方法を説明する。本実施形態にかかる方法は、有機膜ＣＭＰを導入したデュアルハードマスク法によるハイブリッドデュアルダマシン加工方法である。
【００６９】
まず、図１８に示すように、素子（図示せず）が形成された半導体基板２０上に、有機系絶縁膜４、無機材料を含む第１および第２のハードマスク５および６を順次形成し、第２のハードマスク６に配線溝パターンとなる凹部８ａ，８ｂを形成した。図示する例においては、有機系絶縁膜４は、第１の有機系絶縁膜２および第２の有機系絶縁膜３の二層構造であり、これらの下層にはエッチングストッパー膜１が形成される。
【００７０】
図１８に示した構造は、第３のハードマスク７を設けない以外は、図１に示したものと同様である。図示していないが、エッチングストッパー膜１と半導体基板２０との間には、実施形態１と同様の層間絶縁膜が形成される。
【００７１】
第１の有機系絶縁膜２および第２の有機系絶縁膜３としては、それぞれＳｉＯＣおよびＰＡＥをＰＥ−ＣＶＤ法により堆積した。こうして形成された有機系絶縁膜４上には、実施形態１の場合と同様の手法により、シラン系ＳｉＯ2膜からなる第１のハードマスク５、およびＳｉＮ膜からなる第２のハードマスク６を形成した。第１および第２のハードマスク５，６の膜厚は、それぞれ１４５ｎｍおよび１００ｎｍとした。
【００７２】
レジストパターン（図示せず）を第２のハードマスク６上に形成し、ＣＨＦ3／Ａｒ／Ｏ2のガスを用いて、この第２のハードマスク６をドライエッチングすることによって、図１８に示すように凹部としての配線溝パターン８ａ、８ｂを形成した。配線溝パターン８ａおよび８ｂの幅は、それぞれ３μｍおよび０．４μｍである。
【００７３】
配線溝パターン８ａ，８ｂが設けられた第２のハードマスク６上には、図１９に示すように第１の有機膜９を形成する。第１の有機膜９の形成に当たっては、まず、ノボラック系樹脂を主成分とするレジスト（ＪＳＲ製ＩＸ３７０Ｇ）を塗布して、膜厚０．３μｍの塗膜を形成した。これを、１８０℃、６０秒プリベークし、さらに３００℃、６０秒ポストベークして第１の有機膜９を得た。ここでは、第１の有機膜９は、底面においてはシラン系ＳｉＯ2膜からなる第１のハードマスク５と接触することになる。ノボラック系樹脂とＳｉＯ2との密着性は、ノボラック系樹脂とＳｉＮとの密着性よりも大きいので、トリプルハードマスク法の場合よりも、有機膜の密着性を高めることができる。
【００７４】
第１の有機膜９の表面は、図１９に示されるように、配線溝パターン８ａを反映した段差１０が生じている。本実施形態においては、ＣＭＰを用いてこの段差１０を平坦化した後、再度有機膜を堆積して下層膜を形成することによって、フォーカスエラーを抑制する。
【００７５】
ＣＭＰ装置として荏原製作所製ＥＰＯ−２２２を用いて、第１の有機膜９の研磨を行なった。研磨パッドが貼付されたターンテーブルを１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体ウエハーを保持したトップリングを１００ｇｆ/ｃｍ2の研磨荷重で当接させた。研磨パッドとしては、ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４０００（ロデール・ニッタ社製）を用い、トップリングは１０１ｒｐｍの回転数で回転させた。研磨パッド上に、２００ｃｃ／ｍｉｎの流量でスラリーを供給して６０秒間の研磨を行なった。スラリーは、研磨粒子としてのγアルミナ（一次粒子径約３０ｎｍ）を、１ｗｔ％の濃度で純水に分散させて調製した。
【００７６】
その結果、図２０に示すように、第２のハードマスク６の表面が露出し、第１の有機膜９は配線溝パターン８ａ，８ｂ内に埋め込まれた。また、ディッシングは１０ｎｍ以下に抑制することができた。
【００７７】
さらに、ＩＸ３７０Ｇを再度塗布して第２の有機膜１１を形成して、第１の有機膜９および第２の有機膜１１からなる下層膜１２を得た。続いて、図２１に示すように中間層としてのＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ）膜１３、およびレジスト膜１４を順次形成した。ここでは、第２の有機膜１１は３００ｎｍの厚さで形成した。また、中間層１３およびレジスト膜１４の膜厚は、それぞれ４５ｎｍおよび２００ｎｍとした。
【００７８】
その後、所定の孔パターンを有する露光マスクを介して、ＫｒＦエキシマレーザーによりレジスト膜１４に露光を行なった。この際、ＣＭＰによる平坦化に起因して、配線幅３μｍおよび０．４μｍ上ビア形成におけるフォーカスエラーは、１０ｎｍ以下に抑制された。図２２のグラフには、配線幅とフォーカスエラーとの関係を示す。本実施形態における結果は実線ｃとして示され、配線幅によらずほぼ一定であることがわかる。その結果、パターンの寸法バラツキ、さらには歩留まりを格段に高めることが可能となった。なお、図２２における破線ｄは、従来の手法により露光を行なった場合であり、これについては後述する。
【００７９】
実施形態１の場合と同様の手法により、中間層１３および下層膜１２をパターン化し、レジストパターンを剥離した。パターン化された中間層１３および下層膜１２をマスクとして、第１のハードマスク５にドライエッチングにより接続孔を形成した。エッチングガスとしては、ＣＨＦ3／Ａｒ／Ｏ2のガスを用いた。第１のハードマスク５を加工する際、中間層１３は除去される。さらに、ＮＨ3のガスを用いてドライエッチングを行ない、図２３に示すように第２の有機系絶縁膜３に接続孔１５を形成した。なお、下層膜１２は、第２の有機系絶縁膜３を加工する際に除去される。
【００８０】
次に、Ｃ5Ｆ8／Ａｒ／Ｏ2のガスを用いてドライエッチングを行ない、図２４に示すように第１のハードマスク５に配線溝１６を形成した。このとき、エッチングストッパー膜１に達するように第１の有機系絶縁膜２に接続孔１５が形成される。トリプルハードマスク法の場合とは異なって、デュアルハードマスク法においては、一回の加工工程で第１の有機系絶縁膜２を貫通して接続孔１５が形成される。次に、ＮＨ3のガスを用いたドライエッチングにより、図２５に示すように第２の有機系絶縁膜３に配線溝１６を形成する。
【００８１】
最後に、ＣＨ2Ｆ2／ＣＦ4／Ａｒ／Ｏ2のガスを用いて、図２６に示すように第２のハードマスク６を除去する。このとき、接続孔１５底部のエッチングストッパー膜１も除去される。
【００８２】
その後、接続孔１５および配線溝１６といった凹部の内面にバリア層（図示せず）を形成して、凹部内にＣｕを埋め込んだ後、第１のハードマスク５としての酸化シリコン膜上の余分なＣｕ膜およびバリア層を除去する。こうして凹部内にＣｕダマシン配線を形成して、ハイブリッドデュアルダマシン配線が形成される。
【００８３】
本実施形態においては、第１の有機膜９上にさらにレジスト膜を形成して多層化する前に、この第１の有機膜９をＣＭＰにより平坦化している。したがって、露光時におけるフォーカスエラーを１０ｎｍ以下に抑制することができ、パターンの寸法バラツキ、さらには歩留まりが格段に向上した。
【００８４】
比較のために、従来の手法によりハイブリッドデュアルダマシン配線の形成を試みた。まず、上述した手法により図１８に示す構造を得た後、図２７に示すように、下層膜１２、ＳＯＧからなる中間層１３、およびレジスト膜１４を第２のハードマスク６上に順次形成した。上層および下層のハードマスクのエッチング選択比を確保するため、従来のデュアルハードマスク法においては、上層ハードマスクの膜厚は比較的厚く形成される。ここでは、第２のハードマスク６は膜厚１００ｎｍで形成した。第２のハードマスク６の膜厚がこのように厚い場合は、孔パターンのリソグラフィー時に大きなフォーカスエラーを生じてしまう。
【００８５】
第２のハードマスク６には、前述と同様に、幅３μｍの配線溝パターン８ａおよび幅０．４μｍの配線溝パターン８ｂが設けられている。ここでは、段差１０の生じた第１の有機膜９を、そのまま下層膜１２として用いた。
【００８６】
図２７に示されるように、幅３μｍの配線溝パターン８ａ上における下層膜１２の膜厚は、幅０．４μｍの配線溝パターン８ｂ上よりも薄く、その差は８０ｎｍ程度であった。これは必然的にフォーカスエラーを生じさせ、ひいては寸法バラツキ、歩留まり低下の原因となる。
【００８７】
引き続き、所定の露光マスクを介して、ＫｒＦエキシマレーザーによりレジスト膜１４に露光を施した。この際の配線幅とフォーカスエラーとの関係を、図２２に破線ｄとして示した。配線幅３μｍおよび０．４μｍにおけるフォーカスエラーは８０ｎｍにも及んでいる。
【００８８】
デュアルハードマスク法は、トリプルハードマスク法よりも工程数が少なくコスト・生産性の点では有利であり、しかも、有機膜とハードマスクとの密着性も大きい。その一方、ハードマスク段差が大きいために、デュアルハードマスク法はビア形成時のフォーカスエラーが大きく、現実にはトリプルハードマスク法が頻繁に採用されてきた。しかしながら、下層膜平坦化を導入した本実施形態のデュアルハードマスク法を用いることによって、工程数の削減とフォーカスエラーの低減を両立することが可能となった。すなわち、下層膜平坦化を用いない従来のトリプルハードマスク法あるいはデュアルハードマスク法に比べ、優れていることが示された。
【００８９】
（実施形態７）
本実施形態では、より微細パターンの形成が可能なＡｒＦエキシマレーザーによりリソグラフィーを行って孔パターンを形成する場合について説明する。  
実施形態２で説明したように、露光光源としてＡｒＦエキシマレーザーを用いる場合には、シクロヘキサノンを主成分とする有機膜を下層膜として用いる必要がある。そこで、第２の有機膜としてシクロヘキサノンを主成分とするレジスト（ＪＳＲ製ＣＴ０１）を用いた以外は、実施形態６と同様の手法によりハイブリッドデュアルダマシン配線の形成を試みた。
【００９０】
この場合も、ＣＭＰによる平坦化に起因して、フォーカスエラーを１０ｎｍ以下に抑制することができ、パターンの寸法バラツキ、さらには歩留まりを格段に高めることが可能となった。  
本実施形態においても、図２２に実線ｃとして示されるように、フォーカスエラーは配線幅によらずほぼ一定であった。
【００９１】
デュアルハードマスク法においても、トリプルハードマスク法の場合と同様の条件を適用して第１の有機膜を形成し、同様の条件でＣＭＰを行なって第１の有機膜を平坦化することができる。さらに、第２のハードマスクの厚膜化、有機膜の薄膜化、あるいはＥＢキュアといった手法を単独でまたは組み合わせて用いることによって、有機膜の密着性を高めて剥がれを防止することも可能となる。トリプルハードマスク法の場合と同様、デュアルハードマスク法の場合も、第１の有機膜とハードマスクの密着性を高めつつ、フォーカスエラーを低減することが可能となる。
【００９２】
（実施形態８）
前述したように、下層膜における有機膜ＣＭＰにおいて膜剥がれを抑制するためには、ハードマスクの膜厚は厚いほうが有効である。
【００９３】
しかしながら、デュアルハードマスク法の場合は第２のハードマスクであるＳｉＮの厚膜化には次のような弊害がある。すなわち、図２５および図２６を参照して説明したように、第２のハードマスク６は、エッチングストッパー膜１を除去する際に同時に除去されることが求められる。一方、誘電率を低減するために、エッチングストッパー膜１の膜厚は、薄膜化の傾向にある。このため、第２のハードマスク６の膜厚が１５０ｎｍ以上と厚く、エッチングストッパー膜１の膜厚が３５ｎｍ未満と薄い場合には、エッチングストッパー膜１を除去する際に第２のハードマスク６が残留するおそれがある。第２のハードマスク６の材料として用いられるＳｉＮは、配線間容量を上昇させるので、極力除去することが求められる。後の工程で行なわれるＣｕ−ＣＭＰの際に、第２のハードマスク６を除去するといった手法も考えられるが、研磨速度および選択比の観点から一般には困難である。
【００９４】
そこで、本実施形態では、厚膜の第２のハードマスク６に配線溝パターンを加工して、この上に第１の有機膜を形成する。ＣＭＰにより第１の有機膜を平坦化した後、ドライエッチングによるエッチバックを行なって、第２のハードマスクおよび第１の有機膜を薄膜化する。以下、図２８乃至３１を参照して、本実施形態における方法を説明する。
【００９５】
まず、図２８に示すように、素子（図示せず）が形成された半導体基板２０上に、有機系絶縁膜４、無機材料を含む第１および第２のハードマスク５および６を順次形成し、第２のハードマスク６に配線溝パターンとなる凹部８ａ，８ｂを形成した。図示する例においては、有機系絶縁膜４は、第１の有機系絶縁膜２および第２の有機系絶縁膜３の二層構造であり、これらの下層にはエッチングストッパー膜１が形成される。
【００９６】
図２８に示した構造は、第２のハードマスク６の膜厚が１００ｎｍを越え、エッチングストッパー膜１の膜厚が３５ｎｍ未満である以外は、基本的には図１８に示したものと同様である。本実施形態においては、第１の有機系絶縁膜２および第２の有機系絶縁膜３としては、それぞれＢＤ２およびＳｉＬＫをＣＶＤおよび塗布により堆積した。こうして形成された有機系絶縁膜４上には、シラン系ＳｉＯ2からなる第１のハードマスク５、およびＳｉＮからなる第２のハードマスク６を形成した。第１および第２のハードマスク５，６の膜厚は、それぞれ１６０ｎｍおよび１５０ｎｍとした。さらに、実施形態６と同様の手法により、第２のハードマスク６を加工して、図２８に示すように配線溝パターン８ａおよび８ｂを形成した。配線溝パターン８ａおよび８ｂの幅は、それぞれ３μｍおよび０．４μｍである。
【００９７】
配線溝パターン８ａ，８ｂが設けられた第２のハードマスク６上には、図２９に示すように第１の有機膜９を形成する。第１の有機膜９は、前述と同様のノボラック系樹脂を主成分とするレジスト（ＪＳＲ製ＩＸ３７０Ｇ）を塗布して、膜厚０．３μｍの塗膜を形成した。これを、１８０℃で６０秒間プリベークし、さらに３００℃で６０秒間ポストベークして第１の有機膜９を得た。
【００９８】
第１の有機膜９の表面には、図２９に示されるように、配線溝パターン８ａを反映した段差１０が生じている。本実施形態においては、まず、ＣＭＰを用いてこの段差１０を平坦化する。第１の有機膜９のＣＭＰは、実施形態６と同様の装置を用いて、同様の条件で行なうことができる。５０秒間の研磨を行なった後、図３０に示すように第２のハードマスク６の表面が露出し、第１の有機膜９は配線溝パターン８ａ、８ｂ内に埋め込まれた。また、ディッシングは２０ｎｍ以下に抑制することができた。
【００９９】
次に、膜厚が５０ｎｍ以下程度になるまで、第２のハードマスク６および第１の有機膜９を、図３１に示すようにエッチバックする。具体的には、ＣＦ4＋Ｏ2系のガスを用いて、選択比１の条件でＲＩＥを行なう。各ガスの流量は、例えば、ＣＦ4は１〜５００ｓｃｃｍ程度とし、Ｏ2は１〜５００ｓｃｃｍ程度とすることができる。
【０１００】
こうした条件でＲＩＥを行なうことにより、平坦性を維持したまま第２のハードマスク６を十分に薄膜化することができる。このため、エッチングストッパー膜１を除去する際に第２のハードマスク６が残留するといった問題は回避される。また、第２のハードマスク６および第１の有機膜９は、ＲＩＥによりエッチバックされるので、有機膜のエッチング残渣はドライ工程により除去される。したがって、引き続いて第２の有機膜を塗布する際には、エッチング残渣に起因したクラックの発生も避けられる。
【０１０１】
薄膜化された第２のハードマスク６の上には、実施形態６と同様の工程により、第２の有機膜、中間層およびレジスト膜を形成し、図２１に示したようなパターン露光を行なう。本実施形態においても、実施形態６と同様にレジスト膜の平坦性は確保されているので、フォーカスエラーは、配線幅によらずほぼ一定となる。その結果、パターンの寸法バラツキ、さらには歩留まりを格段に高めることが可能となった。こうして、ビア孔のリソグラフィーにおける露光余裕度を格段に高めることができる。
【０１０２】
その後も、実施形態６と同様の手法により、図２３乃至図２６に示したように接続孔および配線溝を加工して凹部を形成する。第２のハードマスクは膜厚５０ｎｍ以下であるので、図２６に示されるようにエッチングストッパー膜１へのビア孔開口時に除去することができる。最後に、バリア層を介してＣｕ層を埋め込むことによって、ハイブリッドデュアルダマシン配線が形成される。
【０１０３】
本実施形態においては、第１の有機膜の膜剥がれ、有機膜のエッチング残渣の発生を抑制しつつ、レジスト膜の平坦性を維持することができる。しかも、第２のハードマスクは、エッチングストッパー膜を除去する際に確実に除去されるので、配線間容量の上昇も回避することが可能となった。
【０１０４】
（実施形態９）
図３２乃至３４を参照して、本実施形態を説明する。  
まず、実施形態１と同様の手法により、半導体基板２０上にエッチングストッパー膜１、有機系絶縁膜４、第１、第２および第３のハードマスク５、６、および７を堆積し、第３のハードマスク７を加工して、図１に示したように配線溝パターン８ａおよび８ｂを形成する。
【０１０５】
各膜は、実施形態１と同様の材質および膜厚で形成し、配線溝パターン８ａおよび８ｂの幅も、実施形態１の場合と同様に３μｍおよび０．４μｍとした。
【０１０６】
配線溝パターン８ａ，８ｂが設けられた第３のハードマスク７上には、図３２に示すように下層膜１２および中間層１３を順次形成した。下層膜１２は、塗布法を用いて３００ｎｍの膜厚で形成し、中間層１３は、膜厚２１０ｎｍのＳＯＧ膜とした。本実施形態における下層膜１２は、図２に示したような表面に段差を有する第１の有機膜９に相当する。
【０１０７】
中間層１３の表面には、図３２に示されるように、配線溝パターン８ａを反映した段差１０が生じており、その深さは５０ｎｍ程度であった。本実施形態においては、ＣＭＰを用いてこの段差１０を平坦化した後、レジスト膜を形成することによって、フォーカスエラーを抑制する。
【０１０８】
ＣＭＰ装置として荏原製作所製ＥＰＯ−２２２を用いて、中間層１３の研磨を行なった。研磨パッドが貼付されたターンテーブルを１００ｒｐｍで回転させつつ、半導体ウエハーを保持したトップリングを４００ｇｆ/ｃｍ2の研磨荷重で当接させた。研磨パッドとしては、ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４０００（ロデール・ニッタ社製）を用い、トップリングは１００ｒｐｍの回転数で回転させた。研磨パッド上に、２００ｃｃ／ｍｉｎの流量でスラリーを供給して、中間層１３を研磨した。
【０１０９】
スラリーは、研磨粒子としての酸化セリウム粒子（一次粒子径約５０ｎｍ）を、０．４５ｗｔ％の濃度で純水に分散させ、さらに界面活性剤としてのポリアクリル酸を３ｗｔ％の濃度で添加して調製した。酸化セリウムとしては、例えばＪＳＲ製ＣＭＳ４３０１、界面活性剤として同ＣＭＳ４３０２を用いることができる。界面活性剤としては、カチオン性、ノニオン性の界面活性剤や高分子界面活性剤を用いることもできる。
【０１１０】
８０秒間の研磨を行なった結果、中間層１３は１００ｎｍ程度除去されて、図３３に示すように段差１０は２０ｎｍ以下に低減された。平坦化された中間層１３の上には、図３４に示すようにレジスト膜１４を２００ｎｍの膜厚で形成し、径９０ｎｍの孔パターンを有する露光マスクを介して、ＡｒＦエキシマレーザーによりレジスト膜１４に露光を行なった。この際、ＣＭＰによる平坦化に起因して、配線幅３μｍおよび０．４μｍ上のビア形成におけるフォーカスエラーは、１０ｎｍ以下に抑制された。
【０１１１】
本実施形態の方法において平坦化されるのは、ＳＯＧ膜からなる中間層１３であり、この中間層１３の平坦化は、有機膜の平坦化と比較して残膜管理が容易である。このため、所定の条件で研磨を行なうことによって、予め設定された膜厚および平坦度を確保することができ、ＳＯＧ膜を再度塗布する必要はない。したがって、プロセスコストを低減し、スループットを向上させることができる。
【０１１２】
本実施形態の手法は、実施形態６で説明したようなデュアルハードマスク法に適用することも可能である。この場合には、図１９に示したように形成された第１の有機膜９を下層膜１２として、この上に中間層１３を形成すればよい。すなわち、ハードマスクとして下層ハードマスク（第１のハードマスク５）および上層ハードマスク（第２のハードマスク６）の２層を形成するデュアルハードマスク法の場合も、ハードマスクとして下層ハードマスク（第１のハードマスク５）、中間ハードマスク（第２のハードマスク６）、および上層ハードマスク（第３のハードマスク７）の３層を形成するトリプルハードマスク法の場合と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【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示す工程断面図。
【図２】図１に続く工程を示す断面図。
【図３】図２に続く工程を示す断面図。
【図４】第１の有機膜上における親水性粒子の状態を示す模式図。
【図５】第１の有機膜上における疎水性粒子の状態を示す模式図。
【図６】レジストベーク温度とレジスト膜の硬度との関係を示すグラフ図。
【図７】レジストベーク温度とレジスト膜のディッシングとの関係を示すグラフ図。
【図８】ＣＭＰ研磨荷重とディッシング量との関係を示すグラフ図。
【図９】図３に続く工程を示す断面図。
【図１０】配線幅とフォーカスエラーとの関係を示すグラフ図。
【図１１】図９に続く工程を示す断面図。
【図１２】図１１に続く工程を示す断面図。
【図１３】図１２に続く工程を示す断面図。
【図１４】図１３に続く工程を示す断面図。
【図１５】図１４に続く工程を示す断面図。
【図１６】従来の手法による半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図１７】０．４μｍおよび５μｍ配線上ビアの共通マージンカーブを示すグラフ図。
【図１８】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示す工程断面図。
【図１９】図１８に続く工程を示す断面図。
【図２０】図１９に続く工程を示す断面図。
【図２１】図２０に続く工程を示す断面図。
【図２２】配線幅とフォーカスエラーとの関係を示すグラフ図。
【図２３】図２１に続く工程を示す断面図。
【図２４】図２３に続く工程を示す断面図。
【図２５】図２４に続く工程を示す断面図。
【図２６】図２５に続く工程を示す断面図。
【図２７】従来の手法による半導体装置の製造方法を示す工程断面図。
【図２８】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示す工程断面図。
【図２９】図２８に続く工程を示す断面図。
【図３０】図２９に続く工程を示す断面図。
【図３１】図３０に続く工程を示す断面図。
【図３２】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示す工程断面図。
【図３３】図３２に続く工程を示す断面図。
【図３４】図３３に続く工程を示す断面図。
【符号の説明】
【０１１４】
１…エッチングストッパー膜；  ２…第１の有機系絶縁膜
３…第２の有機系絶縁膜；  ４…有機系絶縁膜；  ５…第１のハードマスク
６…第２のハードマスク；  ７…第２のハードマスク；  ８ａ…配線溝パターン
８ｂ…配線溝パターン；  ９…第１の有機膜；  １０…段差；  １１…第２の有機膜
１２…下層膜；  １３…中間層；  １４…レジスト膜；  １５…接続孔
１６…配線溝；  １７…親水性の研磨粒子；  １８…疎水性の研磨粒子。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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