(57)【要約】【課題】微細パターン形成が可能なＡｒＦリソグラフィを用い、配線孔を配線溝に先だって形成するデュアルダマシン法で銅配線回路を作る場合、配線孔内に残るレジスト残渣の影響で断線や配線抵抗の増大およびバラツキが生じるという問題、あるいは現像膨潤によって微細回路パターン形成ができないという問題を解決することが本発明が解決する課題である。【解決手段】配線溝パターンを形成する際のレジストとして露光部がラクトン化反応によりネガ化するネガ型レジストを用い、ＡｒＦリソグラフィを使って、配線孔を配線溝に先だって形成するデュアルダマシン工程を行う。本方法によって上記課題は解決される。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工膜を貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記被加工膜上に感光性薄膜を形成し、
前記感光性薄膜に所望のパターンを露光し現像を行なうことにより、前記感光性薄膜をパターン加工する工程と、
前記感光性薄膜をマスクとして前記被加工膜をエッチングし、
前記貫通孔を含む前記被加工膜の所定領域に溝を形成する工程とを備え、
前記感光性薄膜は、前記露光光の照射によりラクトン化反応を生じ、ネガ化するレジスト材料よりなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に層間膜を設ける工程と、
前記層間膜に配線用導通孔を形成する工程と、
前記層間膜上に形成された感光性薄膜上に、フォトマスクを介して露光光を照射し配線用溝パターンを転写する工程と、
前記配線用溝パターンが転写された感光性薄膜を加工用マスクに用い、前記層間膜の所定領域に配線用溝を形成する工程と、
前記配線用導通孔および前記配線用溝に金属材料を埋め込む工程とを備え、
前記感光性薄膜は、前記露光光の照射によりラクトン化反応を生じ、ネガ化するレジスト材料よりなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記露光光にＡｒＦエキシマレーザ光を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記レジストの現像に濃度が０．２以上０．５ｗｔ％以下のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いることを特徴とした請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記層間膜は、前記露光時において前記露光光に対する屈折率虚部の値が０．３以上である材質からなることを特徴とした請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記層間膜は、ＳｉＯＣ膜を含む膜であることを特徴とした請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記レジストのベース樹脂は下記の化学式（Ｉ）を含む共重合体であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【化１】
2004061665.tif 000016
【請求項８】
前記レジストのベース樹脂は下記の化学式（Ｉ）を含む共重合体であり、なおかつ水酸基を有するモノマーを共重合したものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【化２】
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【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関し、特に、高い寸法精度と高い電気的信頼性を持った銅配線製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年半導体装置の動作速度を向上させる目的で、銅を配線材料として用い、配線抵抗を減らした銅配線半導体装置が量産されるようになってきた。銅配線の形成方法としてはレジストパターンをマスクに絶縁膜に配線溝と配線孔を形成し、銅を溝と孔に埋め込んだ後ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行って配線と接続配線を銅で同時に形成するデュアルダマシン法が用いられている。この方法とその問題点について図２を用いて詳細に説明する。まず図２（ａ）に示すように基板１００、配線１０１、バリア膜１０２、層間膜１０３の上に配線孔パターン１０４を持つレジストをポジレジスト１０５で形成する。その後図２（ｂ）に示すようにポジレジスト１０５をマスクにしてエッチング法により層間膜に配線孔１０６を形成する。　次ぎに図２（ｃ）に示すようにポジレジスト１２０を塗布し、マスク１０８を介して露光光１０９を照射し、配線溝パターンを露光する。図示はしていないが通常この露光はレンズを介した投影露光法が用いられる。
ここでポジレジスト１２０を現像して配線溝レジストパターンを形成した結果を図２（ｄ）に示すが、配線孔内のレジストがとりきれずに一部がレジスト残り１２１となる。レジスト残りがないように露光量を増やすと配線溝のパターン形成精度が低下する。配線溝を層間膜にエッチングにより形成するとこのレジスト残り１２１の影響で、図２（ｅ）に示すようにインナークラウン１２２と呼ばれる一種のバリが残る。その後配線孔や溝に銅を埋め込みＣＭＰを行って銅配線を形成する。
ここで、この方法には図２（ｆ）に示すようにインナークラウンに伴う絶縁性のエッチング残さ１２３によって配線の電気的信頼性が損なわれるという問題があった。
【０００３】
この問題を解決する方法としてネガレジストを用いて配線溝パターンを形成する方法が提案されている。この方法は特開２００１−２５７２６０に記載がある。ネガレジストを用いることによって配線孔内のレジストは感光によるのではなく現像で除去できるため、孔内にレジストを残さずたす配線溝パターンを精度良く形成することが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記ネガレジストを用いたデュアルダマシン法では、層間膜上のレジスト膜厚と孔内も含めたレジスト膜厚は大きな膜厚差が生じる。このため厚いレジストが除去される現像時間においても薄いレジストが精度良く形成できる、すなわち薄い部分のレジストにとってはオーバー現像に対する現像裕度が高いネガレジストが必要となる。
従来、波長が１９３ｎｍであるＡｒＦリソグラフィにはこのような特性を持ったネガレジストがなく、微細パターン形成が可能なＡｒＦリソグラフィを上記デュアルダマシンに適用できないという問題があった。
なおＡｒＦリソグラフィは現在微細パターン形成の主流である波長２４８ｎｍのＫｒＦリソグラフィに比べ露光波長が短い分解像度が高く、より微細なパターン形成が可能となる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために、配線溝パターンを形成する際のレジストとして露光部がラクトン化反応によりネガ化するネガレジストを用い、ＡｒＦリソグラフィを使って、配線孔を配線溝に先だって形成するデュアルダマシン工程を行う。本方法によって上記課題は解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
実施の形態１では、半導体装置の製造工程を示した工程図である図１（ａ）から（ｆ）を用いて、デュアルダマシン法による銅配線の形成方法を説明する。
まず図１（ａ）に示すように基板１００、配線１０１、バリア膜１０２、層間膜１０３の上に配線孔パターン１０４を持つレジストをポジレジスト１０５で形成した。ここでは層間膜としてＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）形成のＳｉＯＣ膜を用いた。その後図１（ｂ）に示すようにポジレジスト１０５をマスクにしてエッチング法により層間膜に配線孔１０６を形成した。次ぎに図１（ｃ）に示すようにネガレジスト１０７を塗布し、マスク１０８を介してＡｒＦエキシマレーザ露光光１０９を照射し、配線溝パターンを露光した。図示はしていないがこの露光にはＡｒＦスキャナを用い、レンズを介した露光を行った。ここで用いたネガレジスト１２０は、構造（Ｉ）と構造（ＩＩ）が５０／５０のモル比で共重合したポリマーをベース樹脂とし、前記ベース樹脂１００重量部、酸発生剤トリフェニルスルホニウムトリフレート１重量部、クエンチャーとして２−ベンジルピリジン０．０１重量部を１−メトキシ−２−プロパノール１０００重量部に溶解して、孔径０．２ミクロンのフッ素樹脂フィルターを用いて、ろ過したものである。
【０００７】
【化３】
2004061665.tif 000003
【０００８】
【化４】
2004061665.tif 000004
【０００９】
上記ネガレジストは、化学増幅系レジストであり、ＡｒＦエキシマレーザ露光により、酸発生剤トリフェニルスルホニウムトリフレートから酸が発生し、発生した酸により誘起される酸触媒反応で、構造（Ｉ）中のδ−ヒドロキシ酸構造がδ−ラクトン構造に変化する。この反応は、熱処理により促進されることから、露光後、現像を行う前に、１２０℃で９０秒間の露光後ベークを行った。次に０．２ｗｔ％テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液で６０秒間現像を行った。本レジストでは、未露光部では、δ−ヒドロキシ酸構造が存在することからアルカリ可溶性であり、露光部ではδ−ラクトン構造がアルカリ不溶性であることから、現像により未露光部が除去されてネガ型のパタンが形成された。なお上記のクエンチャーは、酸発生剤から露光で発生した酸の拡散を制御して、高解像性を与え、またプロセス安定性を向上させる。
【００１０】
上記のようなネガレジストは、ＡｒＦエキシマレーザ光に感度を持ち、ネガ化反応が極性基から非極性基に変換する極性変換反応であるため現像膨潤がなく、しかもオーバー現像に対する裕度が高いという特長があった。
なおここでは、ベース樹脂として、δ−ヒドロキシ酸と脂環式構造を有する構造（Ｉ）と水酸基を有するα−置換アクリル酸エステルが重合した構造である　（ＩＩ）が含まれるものを用いたが、さらに第三の構造を共重合した構造の樹脂を用いることもできる。また、異なるベース樹脂を混合して用いることもできる。
【００１１】
層間膜１０３上のレジスト塗布膜厚は０．３μｍとしたが、配線孔１０６の深さは０．７μｍあり、配線孔部ではレジストは１．０μｍの膜厚となった。このレジストの未露光部の現像レートは３０ｎｍ／ｓであり、１．０μｍ膜厚のレジストを溶解するのに約３３秒かかる。６０秒現像としたためこの孔の部分では約１．８倍のオーバー現像となった。層間膜上の０．３μｍ膜厚のレジストは約１０秒で溶解するので、約６倍のオーバー現像となった。　このレジストはこのようなオーバー現像を行っても現像膨潤は実用上十分押さえられており、±１０％の寸法精度で配線溝パターン１０７’（図２（ｄ））を形成することができた。かつこの状況で配線孔１０６内にはレジスト残りは発生しなかった。なおここでは溝パターンの最小配線幅は１２０ｎｍとし、このときパタン形成に必要とした露光量は１７ｍＪ／ｃｍ２であった。架橋型ＡｒＦネガレジストでは現像膨潤によりこのような微細溝パターンを±１０％の精度で形成することはできなかった。
【００１２】
また本発明で用いたネガレジストのベース樹脂として、上記構造（Ｉ）と共重合するコモノマーに水酸基を含まない構造を用いた場合は、０．３μｍという薄膜に現像時間を合わせ短時間現像とすれば配線溝パターンを高精度に形成することは可能であるが、配線孔内のレジストを完全に除去するほどのオーバー現像を行うと配線溝パターンを高精度に形成することは困難であった。なお、本発明で用いる現像液としてはテトラメチルアンモニウムヒドロキサイドの水溶液が挙げられ、その濃度は０．２から０．５ｗｔ％とするとオーバー現像裕度もとれて好ましかった。０．５ｗｔ％以上では濃度が上がるほど現像膨潤が発生し、０．２ｗｔ％以下では現像液のヘタリによる寸法変動が発生した。
【００１３】
その後図２（ｅ）に示すようにネガレジストパターン１０７をマスクに層間膜をエッチングして配線溝１１０を形成する。この方法では配線孔内にレジスト残りがないので従来法と異なりインナークラウンの発生はなかった。その後配線孔や溝に銅を埋め込みＣＭＰを行って図２（ｆ）に示すように銅配線１１１を形成した。この方法によって電気抵抗のバラツキや断線といった問題のない電気的信頼性の高い配線を寸法精度高く形成することができた。なお化学増幅型ポジレジストを用いて配線溝パターンを形成してみたところ、ＳｉＯＣ孔内側壁四方からの酸失活物質の拡散と、孔内の光強度の低下が原因となって、配線溝内にレジスト残りが生じた。
【００１４】
（実施の形態２）
実施の形態２では、半導体装置の製造工程を示した工程図である図３（ａ）から（ｄ）、図４（ａ）から（ｄ）、及び図５（ａ）から（ｄ）を用いて、デュアルダマシン法による銅配線の形成方法を説明する。まず、図３（ａ）に示すように基板１００上に配線３０１、絶縁膜３０２、ストッパ膜３０３、第１の層間膜３０４、中間膜３０５、第２の層間膜３０６、及びキャップ膜３０７が形成された試料を準備した。ここで配線３０１としては銅を用いたがこれに限らずＷ等でも良い。絶縁膜３０２としては酸化膜を用いた。ストッパ膜３０３としてはシリコン窒化膜を用いた。層間膜３０４および３０６としては誘電率の低い有機膜を用いた。ここではダウケミカル社のＳｉＬＫ（登録商標）を用いた。ＳｉＬＫ（登録商標）膜のＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３　ｎｍ）対する屈折率虚部（消衰係数とも呼ばれるもので物質の光吸収量を表す）は０．７１である。中間膜３０５およびキャップ膜３０７としてはＳｉＣ膜あるいはＳｉＯＣ膜を用いた。次に図３（ｂ）に示すように配線孔パターン３０８が開口したポジレジストパターン３０９を形成した。
ここで、このレジストの膜厚は第２の層間膜の膜厚より厚く、第１の層間膜と第２の層間膜の膜厚を足した膜厚より薄い膜厚とした。具体的には第１の層間膜の膜厚を３３０ｎｍ、第２の層間膜の膜厚を２７０ｎｍ、そしてレジストの膜厚を４００ｎｍとした。
その後図３（ｃ）に示すようにエッチングをおこなってキャップ膜３０７に開口３１０を形成し、さらにエッチングを行って図３（ｄ）に示すように第２の層間膜３０６および中間膜３０５にも開口を形成した。
【００１５】
その後図４（ａ）に示すように第１の層間膜３０４のエッチングを行った。膜厚とエッチレートの関係からこのエッチングの際にポジレジストは除去された。エッチングストッパ３０３によって配線３０１は保護される。その後図４（ｂ）に示すようにネガレジスト３１１を塗布し、マスク３１３を介してＡｒＦエキシマレーザ露光光３１４を照射し、配線溝パターンを露光した。図示はしていないがこの露光にはＡｒＦスキャナを用い、レンズを介した露光を行った。ここで用いたネガレジスト３１１は、実施例１と同様にネガ化の機構にラクトン化反応を利用した化学増幅系レジストで、構造（Ｉ）と構造（ＩＩＩ）が７０／３０のモル比で共重合したポリマーをベース樹脂とし、前記ベース樹脂１００重量部、酸発生剤トリフェニルスルホニウムノナフレート２重量部、クエンチャーとして２−ベンジルピリジン０．０１重量部を１−メトキシ−２−プロパノール１０００重量部に溶解して、孔径０．２ミクロンのフッ素樹脂フィルターを用いて、ろ過したものである。
【００１６】
【化５】
2004061665.tif 000005
【００１７】
【化６】
2004061665.tif 000006
【００１８】
上記ネガレジストは、化学増幅系レジストであり、ＡｒＦエキシマレーザ露光により、酸発生剤トリフェニルスルホニウムノナフレートから酸が発生し、発生した酸により誘起される酸触媒反応で、構造（Ｉ）中のδ−ヒドロキシ酸構造がδ−ラクトン構造に変化する。この反応は、熱処理により促進されることから、露光後、現像を行う前に、１２０℃で９０秒間の露光後ベークを行った。次に０．２ｗｔ％テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液で６０秒間現像を行った。本レジストでは、未露光部では、δ−ヒドロキシ酸構造が存在することからアルカリ可溶性であり、露光部ではδ−ラクトン構造がアルカリ不溶性であることから、現像により未露光部が除去されてネガ型のパタンが形成された。
【００１９】
上記のようなネガレジストは、ＡｒＦエキシマレーザ光に感度を持ち、ネガ化反応が極性基から非極性基に変換する極性変換反応であるため現像膨潤がなく、しかもオーバー現像に対する裕度が高いという特長があった。
【００２０】
層間膜１０３上のレジスト塗布膜厚は第２の層間膜の膜厚より薄い　２００ｎｍとした。これは第２の層間膜エッチングの際のレジスト残りを防止するためである。有機層間膜を用いているため有機層間膜をエッチングするアッシャを用いることができない。そのためレジスト残りは歩留り低下、配線信頼性低下の元凶となる。その後現像を行って図４（ｃ）に示すように配線溝３１５の形成されたネガレジストパターン３１６を形成した。層間膜に用いているＳｉＬＫ（登録商標）は露光光として用いているＡｒＦエキシマレーザ光を良く吸収するので微細孔の中を露光するのにはかなりのオーバー露光が必要になる。しかしこのネガレジストを用いた場合には孔内を露光する必要がなく、露光不足によるレジスト残りなどの不良は発生しない。一方実施例１と同様オーバー現像が必要になるが、上記ネガレジストはオーバー現像裕度が大きく、微細パターンを高精度に形成できた。
【００２１】
その後図４（ｄ）に示すようにネガレジストパターンをマスクにキャップ膜を加工して配線溝キャップパターン３１７を形成し、図５（ａ）に示すようにキャップ膜パターン３１７をエッチングマスクに第２の層間膜をエッチングして配線溝パターンの形成された第２の層間膜３１８を形成する。このエッチングの際、ネガレジストは自動的に除去される。また配線３０１はストッパ３０３によって保護されている。その後図５（ｂ）に示すようにストッパ層をエッチングして開口３１９を形成する。次ぎにＴｉＮバリア膜を埋め込んだ後（図示なし）図５（ｃ）に示すように銅３２０を配線孔や溝に埋め込み、図５（ｄ）に示すようにＣＭＰを行って不要な銅を削り、銅配線３２０’を形成する。このＣＭＰの際キャップ膜３１７はＣＭＰの保護膜としても機能する。このようにして形成された銅配線にはインナークラウンの発生がなかった。そのため電気的信頼性も高く、抵抗のバラツキも少なく、配線のパターン精度も高かった。　なお、本実施例では消衰係数が０．７１のＳｉＬＫ（登録商標）を層間膜に用いた場合を説明したが、層間膜の消衰係数が０．３以上の場合に効果がみられた。
すなわち、ポジレジストで配線溝を形成した場合、層間膜の消衰係数が０．３を越えると孔内にレジストが残り、またインナクラウンが発生したが、本実施例の方法を用いた場合はそのような問題は発生しなかった。
【００２２】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１で用いたネガレジストの代りに、構造（Ｉ）と構造（ＩＶ）が７５／２５で共重合したポリマーをベース樹脂とし、前記ベース樹脂１００重量部、酸発生剤トリフェニルスルホニウムトリフレート０．５重量部、酸発生剤トリフェニルスルホニウムノナフレート０．５重量部、クエンチャーとしてトリエタノールアミン０．０１重量部を１−メトキシ−２−プロパノール１０００重量部に溶解して、孔径０．２ミクロンのフッ素樹脂フィルターを用いて、ろ過したものを用いた。その結果、実施の形態１と同様に配線溝が形成でき、それをもとに電気抵抗のバラツキや断線といった問題のない電気的信頼性の高い配線を寸法精度高く形成することができた。
【００２３】
【化７】
2004061665.tif 000007
【００２４】
【化８】
2004061665.tif 000008
【００２５】
（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態２で用いたネガレジストの代りに、構造（Ｉ）と構造（Ｖ）が６０／４０で共重合したポリマーをベース樹脂とし、前記ベース樹脂１００重量部、酸発生剤トリフェニルスルホニウムトリフレート０．５重量部、酸発生剤トリフェニルスルホニウムノナフレート０．５重量部、クエンチャーとしてヨウ化テトラメチルアンモニウム０．０１重量部を１−メトキシ−２−プロパノール１０００重量部に溶解して、孔径０．２ミクロンのフッ素樹脂フィルターを用いて、ろ過したものを用いた。その結果、実施の形態２と同様に配線溝が形成でき、それをもとに電気抵抗のバラツキや断線といった問題のない電気的信頼性の高い配線を寸法精度高く形成することができた。
【００２６】
【化９】
2004061665.tif 000009
【００２７】
【化１０】
2004061665.tif 000010
【００２８】
（実施の形態５）
実施の形態５では、実施の形態１で用いたネガレジストの代りに、構造（Ｉ）と構造（ＶＩ）と構造（ＶＩＩ）が６０／３０／１０で共重合したポリマーをベース樹脂とし、前記ベース樹脂１００重量部、酸発生剤トリフェニルスルホニウムトリフレート１．５重量部、クエンチャーとして２−ベンジルピリジン０．０１重量部を１−メトキシ−２−プロパノール１０００重量部に溶解して、孔径０．２ミクロンのフッ素樹脂フィルターを用いて、ろ過したものを用いた。その結果、実施の形態１と同様に配線溝が形成でき、それをもとに電気抵抗のバラツキや断線といった問題のない電気的信頼性の高い配線を寸法精度高く形成することができた。
【００２９】
【化１１】
2004061665.tif 000011
【００３０】
【化１２】
2004061665.tif 000012
【００３１】
【化１３】
2004061665.tif 000013
【００３２】
（実施の形態６）
実施の形態５では、実施の形態２で用いたネガレジストの代りに、構造（Ｉ）と構造（ＶＩＩＩ）が２５／７５で共重合したポリマーをベース樹脂とし、前記ベース樹脂１００重量部、酸発生剤トリフェニルスルホニウムトリフレート１．０重量部、クエンチャーとして２−ベンジルピリジン０．０１重量部を１−メトキシ−２−プロパノール１０００重量部に溶解して、孔径０．２ミクロンのフッ素樹脂フィルターを用いて、ろ過したものを用いた。現像液に０．０５ｗｔ％テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いることにより、実施の形態１と同様に配線溝が形成でき、それをもとに電気抵抗のバラツキや断線といった問題のない電気的信頼性の高い配線を寸法精度高く形成することができた。
【００３３】
【化１４】
2004061665.tif 000014
【００３４】
【化１５】
2004061665.tif 000015
【００３５】
【発明の効果】
本願によって、配線溝内にインナークラウンが形成されることなく、また配線孔内のレジスト残りもなしに微細な銅配線を形成できる。このため配線の高抵抗化や断線のない信頼性の高い微細銅配線回路を持つ半導体装置を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による銅配線形成工程を半導体装置の断面図を用いて示した工程図である。
【図２】従来の銅配線形成工程を半導体装置の断面図を用いて示した工程図である。
【図３】本発明の第２の実施例による銅配線形成工程を半導体装置の断面図を用いて示した工程図である。
【図４】本発明の第２の実施例による銅配線形成工程を図３に引き続き示した工程図である。
【図５】本発明の第２の実施例による銅配線形成工程を図４に引き続き示した工程図である。
【符号の説明】
１００…基板、１０１…配線、１０２…バリア膜、１０３…層間膜、１０４…配線孔パターン、１０５…ポジレジスト、１０６…配線孔、１０７…ポジレジスト、１０７’…配線溝パターン、１０８…マスク、１０９…ＡｒＦエキシマレーザ露光光、１１０…配線溝、１１１…銅配線、１２０…ポジレジスト、３０１…配線、３０２…絶縁膜、３０３…ストッパ膜、３０４…第１の層間膜、３０５…中間膜、３０６…第２の層間膜、３０７…キャップ膜、３０７’…キャップ膜、３０８…配線孔パターン、３０９…ポジレジストパターン、３０９’…ポジレジスト、３１０…開口、３１１…共重合ネガレジスト、３１３…マスク、３１４…ＡｒＦエキシマレーザ露光光、３１５…配線溝、３１６…ネガレジストパターン、３１７…配線溝キャップパターン、３１８…配線溝パターンの形成された第２の層間膜、３１９…開口、３２０…銅、３２０’…銅配線。
【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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