(57)【要約】【課題】配線層の抵抗バラツキを抑制し、さらに下層配線層を損傷させることのない製造プロセスを安価に達成すること。【解決手段】層絶縁膜を基板上に提供する工程と、該層絶縁膜上に第１窒化シリコン膜を堆積する工程と、該第１窒化シリコン膜上に第１酸化シリコン膜を堆積する工程と、該第１酸化シリコン膜上に第２窒化シリコン膜を堆積する工程と、該第２窒化シリコン膜上に第２酸化シリコン膜を堆積する工程と、該第１窒化シリコン膜の表面までエッチングしてビアホールを形成する工程と、該第２酸化シリコン膜および該ビアホールに高分子膜を塗布する工程と、該高分子膜上にマスクを提供する工程と、該高分子膜を照射する工程と、ドライエッチングする工程と、該高分子膜を除去する工程とを含む半導体デバイスの製造方法を用いる。【選択図】　図５
2004006878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層絶縁膜を基板上に提供する工程と、
該層絶縁膜上に第１窒化シリコン膜を堆積する工程と、
該第１窒化シリコン膜上に第１酸化シリコン膜を堆積する工程と、
該第１酸化シリコン膜上に第２窒化シリコン膜を堆積する工程と、
該第２窒化シリコン膜上に第２酸化シリコン膜を堆積する工程と、
該第１窒化シリコン膜の表面までエッチングしてビアホールを形成する工程と、
該第２酸化シリコン膜および該ビアホールに高分子膜を塗布する工程と、
該高分子膜上にマスクを提供する工程と、
該高分子膜を照射する工程と、
ドライエッチングする工程と、
該高分子膜を除去する工程と
を含む半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記高分子膜が、ポリメチルメタクリレート、ポリイソブチレン、ポリ−α−メチルスチレン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ポリビニリデンクロライド、セルロース、セルロース性ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ならびに以下の化学式（１）、
【化１】
2004006878.tif 000010
（式（１）中のＲ１およびＲ２は互いに独立してアルキル基を示す）で表されるビニリデン型モノマー重合体および共重合体からなる群より選択された少なくとも１つの光分解性ポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ビアホールの底部に堆積した前記高分子膜の膜厚が、該ビアホールの壁に付着した高分子膜の膜厚の少なくとも６倍である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記照射工程において、１８０ｎｍ以下の波長領域を有する光源を用いて前記高分子膜を照射する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記光源が、電子ビーム、ＡｒＦレーザ、Ｆ２エキシマレーザ、または軟Ｘ線である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記照射工程の間、処理雰囲気中の酸素の存在量ｅ（ｍｏｌ／ｌ）は、処理基板と光源との間の距離ｆ（ｍ）に対して、ｅとｆとの積が約１×１０−６（ｍｏｌ・ｍ／ｌ）以下となるように設定される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記照射工程において、前記基板の表面の垂線方向に対する放射線の入射角度θが、以下の関係式（１）
ｔａｎθ≧Ｈ＋Ｈ’／２（Ｄ＋Ｄ’）　　　　　（１）
（式中、Ｄは配線溝の深さ、Ｄ’はフォトレジストの膜厚、Ｈは該配線溝の開口部内の前記ビアホールの直径、Ｈ’は該配線溝の幅を示す）を満たす、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エッチングは、Ｃ４Ｆ８：Ｏ２：Ａｒの比が３０：２０：５であるガスを用いて行う、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
フェンスが形成されないことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記エッチングしてビアホールを形成する工程は、
第１フォトレジスト層を提供する工程と、
異方性エッチングを行う工程と、
該第１フォトレジスト層を除去する工程と
によって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１フォトレジスト層を除去する工程は、酸素アッシングによって行われる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１フォトレジスト層が約５００ｎｍの厚さを有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記マスクを提供する工程が、前記高分子膜上に第２フォトレジスト層を形成する工程であって、該第２フォトレジスト層が配線溝の一部に対応する開口部を有する、第２フォトレジスト層を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記高分子膜を除去する工程が、酸素ガスを用いたアッシングによって行われ、それにより前記第２フォトレジスト層も除去される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記照射工程が、約２００（ｍＪ／ｃｍ２）のエネルギーを用いて行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１窒化シリコン膜が約４０ｎｍの膜厚を有し、前記第１酸化シリコン膜が約４００ｎｍの膜厚を有し、前記第２窒化シリコン膜が約５０ｎｍの膜厚を有し、前記第２酸化シリコン膜が約５００ｎｍの膜厚を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ビアホールの直径Ｈが約１７０ｎｍであり、前記配線溝の幅Ｈ’が約２００ｎｍであり、前記配線溝の深さＤが約４００ｎｍであり、前記フォトレジストの膜厚Ｄ’が約４００ｎｍである、請求項７に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１フォトレジスト層が約５００ｎｍの厚さを有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
半導体デバイスであって、
基板上の層絶縁膜と、
該層絶縁膜上の第１窒化シリコン膜と、
該第１窒化シリコン膜上の第１酸化シリコン膜と、
該第１酸化シリコン膜上の第２窒化シリコン膜と、
該第２窒化シリコン膜上の第２酸化シリコン膜と、
該第１窒化シリコン膜の表面に達するビアホールと、
該ビアホール上の配線溝と
を含み、
該第２酸化シリコン膜および該ビアホールに光分解性高分子膜を塗布し、該高分子膜上にマスクを塗布し、該高分子膜を照射し、ドライエッチングを行い、該高分子膜を除去することによって該半導体デバイスが形成される、
半導体デバイス。
【請求項２０】
前記ビアホールの底部に堆積した前記高分子膜の膜厚が、該ビアホールの壁に付着した高分子膜の膜厚の少なくとも６倍である、請求項１９に記載の半導体デバイス。
【請求項２１】
前記照射工程の間、処理雰囲気中の酸素の存在量ｅ（ｍｏｌ／ｌ）は、処理基板と光源との間の距離ｆ（ｍ）に対して、ｅとｆとの積が約１×１０−６（ｍｏｌ・ｍ／ｌ）以下となるように設定される、請求項１９に記載の半導体デバイス。
【請求項２２】
前記照射工程において、前記基板の表面の垂線方向に対する放射線の入射角度θが、以下の関係式（１）
ｔａｎθ≧Ｈ＋Ｈ’／２（Ｄ＋Ｄ’）　　　　　（１）
（式中、Ｄは前記配線溝の深さ、Ｄ’はフォトレジストの膜厚、Ｈは該配線溝の開口部内の前記ビアホールの直径、Ｈ’は該配線溝の幅を示す）を満たす、請求項１９に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１配線層の上部にデュアルダマシン構造の配線要素を備える半導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路は、世代が進むにつれ、高速化が進み、その機能が増えている。半導体回路において信号伝達の速度を制限する２つの要因として、１）トランジスタ部分におけるスイッチング時間（ゲート遅延成分）と、２）電気信号が回路内を伝播する時間（配線遅延成分）とが挙げられる。ゲート遅延成分は、トランジスタのサイズの減少と共に減少する傾向にあり、それに対して、配線遅延成分は、配線層のサイズの精細化、つまり微細化、および配線回路の複雑化と共に増大する傾向にある。配線遅延は、配線容量Ｃと配線抵抗Ｒとの積（Ｃ×Ｒ）により決定されるので、配線遅延を制限する手段として、配線の材料としてＣｕの使用が活発に研究されている。Ｃｕは従来用いられてきたＡｌよりも抵抗が低いからである。
【０００３】
ダマシンとは、誘電体を絶縁することにより相互接続金属線を配線するプロセスのことをいう。ダマシンプロセスは、リソグラフィーやエッチングによってではなく、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）によって行われる。ダマシンプロセスにおいて、まず、リソグラフィーによって誘電体層に相互接続パターンを規定し、その後、金属を蒸着して、リソグラフィーによって形成された溝を埋める。そして、化学的機械的研磨（平坦化）によって過剰な金属を除去する。
【０００４】
化学的機械的研磨（ＣＭＰ）は、化学的機械的平坦化とも呼ばれ、表面の平坦化および金属相互接続パターンの規定のために行われる化学的機械的研磨によって固体の層を除去する方法のことをいう。
【０００５】
デュアルダマシンは、ダマシンプロセスを改良したプロセスであり、金属エッチングの代わりにＣＭＰプロセスを用いることによって金属相互接続ジオメトリを形成するために用いられる。デュアルダマシンでは、従来のダマシンプロセスを用いた場合には２つのパターニング工程および２つの金属ＣＭＰ工程が必要であったパターンを、２つの層間誘電体パターニング工程および１つのＣＭＰ工程によって形成する。
【０００６】
図１の（ａ）〜（ｄ）は、デュアルダマシン構造の配線を有する半導体デバイスを製造する従来の方法を説明する図である。
【０００７】
第１の従来の製造方法において、第１窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）３、第１酸化シリコン膜４、第２窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）５、第２酸化シリコン膜６が、第１配線層１が埋め込まれた層絶縁膜２上に順次形成される。これを図１の（ａ）に示す。第１配線層は基板上に形成されるが、簡略化のため基板は図示しない。
【０００８】
次に、第１フォトレジスト７をマスクとして用いて異方性ドライエッチングを行ってビアホール８を開口する。このエッチングは、ビアホール８の内部に第１窒化シリコン膜３が露出されるまで行う。第１窒化シリコン膜３は、図１の（ｂ）に示すこのエッチンッグの過程においてエッチングの進行を止めるストッパ膜として機能する。
【０００９】
ビアホール８を開口するためのエッチングが終了すると、第２酸化シリコン膜６の上部から第１フォトレジスト７が除去され、その場所に、図１の（ｃ）に示すように、配線溝１０に対応する開口部を有する第２フォトレジスト９が形成される。
【００１０】
次に、第２フォトレジスト９をマスクとして用いて異方性ドライエッチングを行い、配線溝１０を開口する。このエッチングは、酸化シリコン膜を、窒化シリコン膜に対して大きな選択比で除去し得る条件下で行われる。この工程において、第１窒化シリコン膜３および第２窒化シリコン膜５は、共にエッチングの進行を止めるためのストッパ膜として用いられる。次に、配線溝１０の底部に露出した第２窒化シリコン膜５、および、ビアホール８の底部に露出した第１窒化シリコン膜３を除去するためにエッチングを行う。この処理が適正に行われると、図１の（ｄ）に示すように、第１配線層１の表面を露出させるビアホール８とビアホール８に通じる配線溝１０とが形成される。
【００１１】
しかし、第１窒化シリコン膜３は、配線溝１０を形成するためのエッチング工程において、ビアホール８の底部がエッチングガスにさらされる（以下、その部位を「露出部」と呼ぶ）。同様に、その露出部は、製造条件のバラツキ等に起因して、配線溝１０を開口するためのエッチング工程で多量にエッチングされる。このような状況下では、配線溝１０を開口するためのエッチングの過程で、ビアホール８が第１窒化シリコン膜３を貫通して、第１配線層１の表面が露出され得る。それにより、以後エッチングが継続されることが原因で、図２に示すように、第１配線層１に損傷が生じ、その結果、抵抗値が増大し得る。
【００１２】
この従来のデュアルダマシン法における問題点を解決するために、上記配線溝１０の形成工程の間、上記ビアホール８をフォトレジスト等のポリマーで充填して、第１配線層１を保護することが従来より提案されている。図３の（ａ）〜（ｄ）は、この従来から提案されている方法を用いたデュアルダマシン構造の形成方法を示す。図３の（ａ）〜（ｄ）において、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００１３】
図３の（ａ）の構造が形成された時点で、上記窒化シリコン膜内にビアホール８を埋め込むように高分子膜１１（図３の（ｂ）参照）を形成する。図３の（ｃ）の工程において、エッチバックを行うことにより酸化シリコン膜上に残留する高分子膜を除去する。次に、図３の（ｄ）において、フォトリソグラフィーおよび電子線リソグラフィー等の技術により配線溝１０に対応する部位に開口部を有する第２レジストパターンが形成され、これをマスクとして上記配線溝１０がエッチバックにより形成される。この工程において、高分子膜１１は第１配線層１が、エッチング工程によりダメージを受けることを抑制する。
【００１４】
上記工程を採用した場合、図３の（ｃ）のエッチバック工程において高分子膜１１の深さを制御するのが困難である。このエッチバック工程を酸素プラズマ中で行なった場合、エッチング速度の面内分布が不均一になるため、エッチング速度が非常に速くなる。さらに、このように酸素プラズマでエッチングを行なった場合、ドライエッチング装置の反応室の壁に付着したポリマーが、酸素プラズマに曝露されることによって剥離する。この剥離片が粒子となって半導体またはデバイス基板上に付着することにより、欠陥の形成等の、汚染の問題が生じる。このような問題は、図３の（ｃ）のエッチバック工程を専用のドライエッチング装置中において行なえば、少なくとも一部は回避できるが、そのために半導体デバイスの製造工程が複雑になり、製造費用が増大する。
【００１５】
エッチバック工程を用いた高分子層の剥離方法の代案として、上記高分子膜１１をアルカリ可溶性の感光性樹脂に置換した方法が特許文献１で提案されている。この技術では、図３の（ｂ）の高分子膜を塗布する工程の後に、ウエハ全面を所定の波長を有する光にさらし、感光部をアルカリ水溶液により除去する。しかし、この方法でも、従来のように欠陥が発生しやすく、アルカリ水溶液による高分子膜除去工程において、信頼性の上で依然問題がある。また、高分子膜除去工程では、専用の高精度な現像装置を使用する必要があり、これが製造費用を増大させる。
【００１６】
上記に挙げた２つの方法の他に、例えば特許文献２にあるように、有機反射防止膜などの高分子膜１１を塗布し、エッチバック工程を行わずにレジストパターンを形成する方法がある。この方法は、工程を簡略化するが、ビアホール側壁に付着した高分子膜がビアホール周りにおける層間絶縁膜をエッチングする際にマスクになってしまい、ビアホール周りにフェンス状の層間絶縁膜残り１２が発生する。このようなフェンス状のフォトレジスト膜残りの層により、配線層の抵抗値のバラツキが生じる。
【００１７】
従来の半導体プロセスは、このようなビアホール周りにフェンス状の構造を形成し、その結果、配線層の抵抗値がばらつく。さらに、従来の半導体プロセスは、汚染の問題およびそれに関連する欠陥の増大を生じる。
【００１８】
【特許文献１】
特開２０００−１８８３２９号公報
【００１９】
【特許文献２】
特開平１０−２２３７５５号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、配線層の抵抗バラツキを抑制し、さらに下層配線層を損傷させることのない製造プロセスを安価に達成することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、配線層の抵抗のばらつきを制限し、その下層の配線層を損傷することのない製造プロセスを安価で実現する。本発明は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の半導体デバイスに関する。本発明はまた、第１配線層上に接続孔またはビアホールを形成した後に、接続孔上に層状の第２配線層を有する半導体デバイスを製造する方法に関する。
【００２２】
本発明の方法は、基板上に、第１配線層が内部に埋め込まれた層絶縁膜を提供する工程と、第１配線層上にエッチングストッパー膜を堆積する工程と、層間絶縁膜を堆積する工程と、フォトレジストパターンをマスクとして用いて接続孔を形成する工程と、層絶縁膜をエッチングすることによって接続孔のための孔を形成する工程とを含む。本発明の方法は、ビアホール上および層絶縁膜全面に光分解性高分子層を形成する工程をさらに含む。その後、フォトレジストパターンを転写して、第２配線層を高分子膜上に形成する。その後、レジストパターンを転写した後、第２配線層を露光する。次に、このフォトレジストパターンをマスクとして用いて、上述の層間絶縁膜をエッチングすることによって、第２配線層のための溝を形成する。第２配線層および光分解性高分子膜のためのフォトレジストのレジストパターンは、接続孔ストッパー膜と同様に除去される。最後に、接続孔のための孔と第２配線層のための溝とにバリアメタルおよび金属膜を埋め込むことによって、接続孔および第２配線層が形成される。
【００２３】
本発明の方法によれば、ビアホール側壁に付着した高分子膜のエッチング速度を十分に大きくし、ビアホール周りにおけるフェンスの発生を防止することができる。また、放射線処理工程で使用される装置は、従来のエッチバックを用いた方法よりも安価であり、高分子膜を溶媒で除去するプロセスよりも優れている。さらに、本発明のプロセスは、処理に伴って発生する排ガス・廃液の量が少ない。同様に、照射装置は、既存のエッチング装置のロードロックチャンバー等に組み込むことができ、床面積の増大を必要としない。
【００２４】
さらに、本発明において、また、上記の光分解性高分子膜を形成する工程において、接続孔側壁に付着した高分子膜の膜厚ｂに対して、接続孔底部に堆積した高分子膜の厚みｃがｃ＝６×ｂ（ｎｍ）以上であることが好ましい。この条件を満たせば第２配線層用溝のエッチング工程において、上記高分子膜が第１配線層の保護膜としての役割を充分に果たしつつ、ビアホール周りにおけるフェンスの発生を抑制することができる。
【００２５】
また、上記照射工程において、１８０ｎｍ以下の波長領域の光源が用いられることが望ましい。この方法を採用することにより、光分解性高分子の高分子鎖を分解するプロセスのみを選択的に行い、副反応として発生する高分子鎖重合プロセスを抑制することが可能になる。特に、照射工程において、処理雰囲気中における酸素の存在量ｅ（ｍｏｌ／ｌ）は、処理基板と光源との距離をｆ（ｍ）とした場合、ｅとｆとの積が１×１０−６（ｍｏｌ・ｍ／ｌ）以下となることが望ましい。この条件を満たせば、照射工程に必要な時間を短縮し、かつ、放射線処理工程におけるフォトレジストパターン膜の膜厚の減少を防止できる。
【００２６】
本発明は、好適には、第１配線層基板表面の垂直方向に対する放射線の入射角θが、下に示す式（１）を満たすことが望ましい。
【００２７】
ｔａｎθ≧Ｈ＋Ｈ’／２（Ｄ＋Ｄ’）　　　　　（１）
上記式において、Ｄは配線用溝の深さを示し、Ｄ’はレジストパターンの膜厚を示し、Ｈは配線溝の開口内の接続孔の直径を示し、Ｈ’は配線スロットの幅を示す。
【００２８】
上記関係が満たされることにより、接続孔側面に付着した上記高分子膜のエッチングレートを選択的に増加させることができ、接続孔底部に堆積した高分子膜のエッチングレートの上昇を抑制できる。
【００２９】
本発明の半導体デバイスの製造方法は、層絶縁膜を基板上に提供する工程と、該層絶縁膜上に第１窒化シリコン膜を堆積する工程と、該第１窒化シリコン膜上に第１酸化シリコン膜を堆積する工程と、該第１酸化シリコン膜上に第２窒化シリコン膜を堆積する工程と、該第２窒化シリコン膜上に第２酸化シリコン膜を堆積する工程と、該第１窒化シリコン膜の表面までエッチングしてビアホールを形成する工程と、該第２酸化シリコン膜および該ビアホールに高分子膜を塗布する工程と、該高分子膜上にマスクを提供する工程と、該高分子膜を照射する工程と、ドライエッチングする工程と、該高分子膜を除去する工程とを含み、それにより上記目的が達成される。
【００３０】
一実施形態によると、前記高分子膜が、ポリメチルメタクリレート、ポリイソブチレン、ポリ−α−メチルスチレン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ポリビニリデンクロライド、セルロース、セルロース性ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ならびに以下の化学式（１）、
【００３１】
【化２】
2004006878.tif 000003
（式（１）中のＲ１およびＲ２は互いに独立してアルキル基を示す）で表されるビニリデン型モノマー重合体および共重合体からなる群より選択された少なくとも１つの光分解性ポリマーを含む。
【００３２】
一実施形態によると、前記ビアホールの底部に堆積した前記高分子膜の膜厚が、該ビアホールの壁に付着した高分子膜の膜厚の少なくとも６倍である。
【００３３】
一実施形態によると、前記照射工程において、１８０ｎｍ以下の波長領域を有する光源を用いて前記高分子膜を照射する。
【００３４】
一実施形態によると、前記光源が、電子ビーム、ＡｒＦレーザ、Ｆ２エキシマレーザ、または軟Ｘ線である。
【００３５】
一実施形態によると、前記照射工程の間、処理雰囲気中の酸素の存在量ｅ（ｍｏｌ／ｌ）は、処理基板と光源との間の距離ｆ（ｍ）に対して、ｅとｆとの積が約１×１０−６（ｍｏｌ・ｍ／ｌ）以下となるように設定される。
【００３６】
一実施形態によると、前記照射工程において、前記基板の表面の垂線方向に対する放射線の入射角度θが、以下の関係式（１）
ｔａｎθ≧Ｈ＋Ｈ’／２（Ｄ＋Ｄ’）　　　　　（１）
（式中、Ｄは配線溝の深さ、Ｄ’はフォトレジストの膜厚、Ｈは該配線溝の開口部内の前記ビアホールの直径、Ｈ’は該配線溝の幅を示す）を満たす。
【００３７】
一実施形態によると、前記エッチングは、Ｃ４Ｆ８：Ｏ２：Ａｒの比が３０：２０：５であるガスを用いて行う。
【００３８】
一実施形態によると、フェンスが形成されない。
【００３９】
一実施形態によると、前記エッチングしてビアホールを形成する工程は、第１フォトレジスト層を提供する工程と、異方性エッチングを行う工程と、該第１フォトレジスト層を除去する工程とによって行われる。
【００４０】
一実施形態によると、前記第１フォトレジスト層を除去する工程は、酸素アッシングによって行われる。
【００４１】
一実施形態によると、前記第１フォトレジスト層が約５００ｎｍの厚さを有する。
【００４２】
一実施形態によると、前記マスクを提供する工程が、前記高分子膜上に第２フォトレジスト層を形成する工程であって、該第２フォトレジスト層が配線溝の一部に対応する開口部を有する、第２フォトレジスト層を形成する工程を含む。
【００４３】
一実施形態によると、前記高分子膜を除去する工程が、酸素ガスを用いたアッシングによって行われ、それにより前記第２フォトレジスト層も除去される。
【００４４】
一実施形態によると、前記照射工程が、約２００（ｍＪ／ｃｍ２）のエネルギーを用いて行われる。
【００４５】
一実施形態によると、前記第１窒化シリコン膜が約４０ｎｍの膜厚を有し、前記第１酸化シリコン膜が約４００ｎｍの膜厚を有し、前記第２窒化シリコン膜が約５０ｎｍの膜厚を有し、前記第２酸化シリコン膜が約５００ｎｍの膜厚を有する。
【００４６】
一実施形態によると、前記ビアホールの直径Ｈが約１７０ｎｍであり、前記配線溝の幅Ｈ’が約２００ｎｍであり、前記配線溝の深さＤが約４００ｎｍであり、前記フォトレジストの膜厚Ｄ’が約４００ｎｍである。
【００４７】
一実施形態によると、前記第１フォトレジスト層が約５００ｎｍの厚さを有する。
【００４８】
本発明の半導体デバイスは、基板上の層絶縁膜と、該層絶縁膜上の第１窒化シリコン膜と、該第１窒化シリコン膜上の第１酸化シリコン膜と、該第１酸化シリコン膜上の第２窒化シリコン膜と、該第２窒化シリコン膜上の第２酸化シリコン膜と、該第１窒化シリコン膜の表面に達するビアホールと、該ビアホール上の配線溝とを含み、該第２酸化シリコン膜および該ビアホールに光分解性高分子膜を塗布し、該高分子膜上にマスクを塗布し、該高分子膜を照射し、ドライエッチングを行い、該高分子膜を除去することによって該半導体デバイスが形成され、それにより上記目的が達成される。
【００４９】
一実施形態によると、前記ビアホールの底部に堆積した前記高分子膜の膜厚が、該ビアホールの壁に付着した高分子膜の膜厚の少なくとも６倍である。
【００５０】
一実施形態によると、前記照射工程の間、処理雰囲気中の酸素の存在量ｅ（ｍｏｌ／ｌ）は、処理基板と光源との間の距離ｆ（ｍ）に対して、ｅとｆとの積が約１×１０−６（ｍｏｌ・ｍ／ｌ）以下となるように設定される。
【００５１】
一実施形態によると、前記照射工程において、前記基板の表面の垂線方向に対する放射線の入射角度θが、以下の関係式（１）
ｔａｎθ≧Ｈ＋Ｈ’／２（Ｄ＋Ｄ’）　　　　　（１）
（式中、Ｄは前記配線溝の深さ、Ｄ’はフォトレジストの膜厚、Ｈは該配線溝の開口部内の前記ビアホールの直径、Ｈ’は該配線溝の幅を示す）を満たす。
【００５２】
【発明の実施の形態】
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供する。図面は、本発明の実施形態を説明するものであり、且つ、本発明の実施形態の原理を説明するために、本発明の説明と共に参照される。本発明の好適な実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図中、同じ要素には同じ記号を付し、説明の重複は避ける。
【００５３】
本発明の利点は、以下の詳細な説明からより明らかになる。しかし、詳細な説明および具体的な実施例は、本発明の好適な実施形態を示すが、例示のためのみに提供されるものであり、この詳細な説明から、本発明の趣旨および範囲内でのさまざまな変更および改変が当業者に明らかであることを理解されたい。
【００５４】
実施例１ならびに比較例１および２を含む本発明の第１の好適な実施形態を、図５を参照して説明する。全ての層の厚さは一例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００５５】
本実施の形態では、日本ＡＳＭ社製のプラズマＣＶＤ装置を用いた。第１配線層１が埋め込まれた層絶縁膜２上に、第１窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）３を約４０ｎｍの厚さに堆積する。層絶縁膜２は基板（図示せず）上に存在する。第１酸化シリコン膜４を、第１窒化シリコン膜３上に、約４００ｎｍの厚さに堆積する。その後、第２窒化シリコン膜（Ｓｉ３Ｎ４）５を、例えば約５０ｎｍの厚さに堆積し、第２酸化シリコン膜６を、例えば約４００ｎｍの厚さに堆積する。
次に、クラリアント社製化学増幅型フォトレジストＤＸＴＭ５２００ＰおよびＫｒＦエキシマレーザ露光装置（例えば、ニコン製ＮＳＲ−Ｓ２０３）を用いて膜厚５００ｎｍの第１フォトレジスト（図示せず）を形成した。
【００５６】
ＤＸＴＭ５２００Ｐは、１８０ｎｍ以下までの光を遮断可能な製造中の減衰型位相シフトマスクである、化学増幅型ディープＵＶフォトレジストである。しかし、本発明では、任意の適切な化学増幅型フォトレジストを用い得る。通常のディープＵＶ化学増幅型フォトレジストは、Ｎ−ビニルラクタム誘導体とスチレン誘導体またはアクリル酸塩誘導体との共重合体である。これは、Ｋｉｍらの米国特許第６，２６２，２２２号に記載されている。
【００５７】
ニコン社のＮＳＲ　Ｓ２０３は、ステップ／スキャンリソグラフィーツール（スキャナ）である。このステップ／スキャンリソグラフィーツールにおいて、照明器が細長いスリットを形成し、この照明スリットを通過するようにレチクルおよびウエハを同時に動かすことによって、ウエハ上にレチクルの像が投影される。
【００５８】
次に、第１フォトレジストをマスクとして用いて、東京エレクトロン杜製のドライエッチング装置（Ａ−ＩＥＭ）を用いて異方性ドライエッチングを行い、ビアホール８を開口する。上記のエッチングは、好適には、ビアホール８の内部に第１窒化シリコン膜３が露出するまで行う。加工後のビアホールの直径は、好適には約２００ｎｍである。
【００５９】
ビアホール８を開口するためのエッチングが終了すると、第２酸化シリコン膜６の上部から第１フォトレジスト７を例えば酸素アッシングにより除去した。次に、表１に各々示された高分子を含む溶液を例えばスピン塗布し、高分子膜１１を形成した。
【００６０】
上記の光分解性高分子膜を形成する工程（図６参照）において、ビアホール８の底部に堆積した高分子膜１１の厚さｃは、ビアホール８の壁に付着した高分子膜の膜厚ｂに対して、好適には、ｃ＝６×ｂ（ｎｍ）以上である。この条件を満たせば、上記高分子膜が第１配線層の保護層としての役割を充分に果たしつつ、ビアホール周りにおけるフェンスの発生を抑制することができる。
【００６１】
次に、例えば、クラリアント社製化学増幅型フォトレジストＤＸＴＭ５４００Ｐ（ディープＵＶフォトレジスト）を用いて、配線溝に対応する部位に開口部を有する第２フォトレジストパターン９を形成する。なお、ＫｒＦエキシマレーザ露光装置（例えば、ニコン製ＮＳＲ−２０３Ａ）を用いてフォトレジストのパターニングを行った。フォトレジストパターン形成後、実施例１および比較例１においては、約１７２ｎｍの波長の単色光を発光できるエキシマランプ照射装置（例えばウシオ電機製）を用いて、ウエハ全面に約２００（ｍＪ／ｃｍ２）のエネルギーで照射を行った。一方、比較例２においては、照射工程を省略した。
【００６２】
次に、例えば東京エレクトロン社製のドライエッチング装置（Ａ−ＩＥＭ）を用いて、第２フォトレジスト９をマスクとして異方性ドライエッチングを行い、配線溝１０を開口する。上記のエッチングでは、酸化シリコン膜を窒化シリコン膜に対して大きな選択比で除去し得るように、好適にはＣ４Ｆ８：Ｏ２：Ａｒ＝３０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ：５ｓｃｃｍで混合されたガスを用いる。次に、酸化シリコン膜６上およびビアホール８の底部に残留した第２フォトレジスト９および高分子膜１１を除去するために、好適には酸素ガスによりアッシング処理を行う。
【００６３】
その後、接続孔のための孔と第２配線層のための溝とにバリアメタルおよび金属膜を埋め込むことによって、接続孔および第２配線層を形成する。
【００６４】
各実施例および比較例について、フェンス１２の高さを比較した結果を表１に示す。結果から明らかなように、光分解性高分子（ポリメチルメタクリレート、ＰＭＭＡ）を第２フォトレジスト９の下部に塗布し、第２フォトレジストパターン形成後に照射工程を含む第１の実施例においては、フェンス１２の発生がなかった。
【００６５】
【表１】
2004006878.tif 000004
本実施例では、照射工程において１７２ｎｍの波長のエキシマランプを用いるが、高分子膜１１の主鎖切断を引き起こし得る放射線源であれば他の方法を用いてもよい。例えば、電子線ビーム、ＡｒＦエキシマレーザ光、Ｆ２エキシマレーザ光、または軟Ｘ線等を用い得る。
【００６６】
また、酸化シリコン膜４および６には微量の炭素またはフッ素等の材料が混入されていてもよい。また、窒化シリコン膜５は省略してもよい。
【００６７】
また、本実施例においては、高分子膜１１としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を用いたが、放射線での露光によって分解する任意の高分子材料または混合物を用い得る。これらの高分子材料として、ポリイソブチレン、ポリ−α−メチルスチレン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ポリビニリデンクロライド、セルロース、セルロース性ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、あるいは、一般に以下の化学式（１）で表されるようなビニリデン型モノマー重合体および共重合体等が挙げられる。
【００６８】
【化３】
2004006878.tif 000005
上記化学式において、Ｒ１およびＲ２は、互いに独立してアルキル基を示す。Ｒ１およびＲ２は、置換または非置換のメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ペンチル、イソペンチル、シクロペンチル、ヘキシル、シクロヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、セチル、およびステアリルであり得るが、本発明はこれらに限定されない。Ｒ１およびＲ２はまた、置換または非置換の芳香族基であってもよい。
【００６９】
以下、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態２における変形例について実施例２〜４と比較して説明する。
【００７０】
図５および図６は実施例２〜４および変形例１〜２を示す図である。実施の形態２の実施例２〜４および変形例１〜２の半導体製造方法は実施の形態１の実施例１と基本的に同じである。ただし、照射工程において使用される光源は例えば波長約１３ｎｍの軟Ｘ線を用い、全面露光時の照射エネルギー量は例えば約３００（ｍＪ／ｃｍ２）であることが好ましい。高分子膜１１としてポリメチルメタクリレートを使用する。スピン塗布する高分子膜１１の溶液について、粘度および分子量を変化させることにより、ビアホール側壁部に堆積する高分子膜の厚みｂとビアホール底部に堆積する高分子膜の厚みｃを実施例２〜４および変形例１〜２のように好適に変化させた。粘度は、例えば適切な溶媒で高分子溶液を希釈することにより低下させることができる。
【００７１】
表２に結果を示す。第２フォトレジスト９および高分子１１のアッシング除去後にフェンス１２の高さａを調べたところ、実施例２〜４および変形例１〜２においてはフェンスの発生が見られなかった。しかし、実施例２〜４ではストッパー膜である窒化シリコン膜３の膜厚ｄの減少が見られた。ストッパー膜の減少は、エッチング工程における下層配線層に対するダメージを引き起こし得るため好ましくない。
【００７２】
上記の結果より、ビアホール側壁における高分子の厚みをｂとしたとき、ビアホール底部の高分子堆積量を約６ｂ以上に設定すると、第２配線層のエッチング工程において窒化シリコン膜３のダメージを最小化できることがわかる。
【００７３】
表２に記載した実施例において、照射工程において波長１３ｎｍの軟Ｘ線を用いたが、高分子膜１１の主鎖切断を引き起こす照射源を用いるのであれば他の方法を用いてもよい。例えば、そのような照射源として、電子線ビーム、ＡｒＦエキシマレーザ光源、Ｆ２エキシマレーザ光源、波長１７２ｎｍのエキシマランプ、波長２２２ｎｍのエキシマランプ等を用いることができる。
【００７４】
本発明のプロセスにおいて多くの変形例が可能である。例えば、酸化シリコン膜４および６には微量の炭素および／またはフッ素等が混入されてもよい。同様に、窒化シリコン膜５は省略してもよい。
【００７５】
さらに、好適には高分子膜１１としてポリメチルメタクリレートを使用するが、
照射により高分子主鎖を分解つまり切断する任意の物質を用い得る。例えばこれらのポリマー材料として、ポリイソブチレン、ポリ−α−メチルスチレン、ポリメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ポリビニリデンクロライド、セルロース、セルロース誘導体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、あるいは一般的に上記化学式（１）に示されるようなビニリデン型モノマー重合体または共重合体等が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
【００７６】
【表２】
2004006878.tif 000006
以下、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態３における実施例について変形例３〜５と比較して説明する．
図５および図６は実施例５〜１１および変形例３〜５を示す図である。
【００７７】
本実施の形態３の実施例５〜１１および比較例３〜５の半導体製造方法は実施の形態１の実施例１と同じである。ただし、第２フォトレジストには例えば住友化学社製のＡｒＦエキシマレーザフォトレジスト（ＰＡＲ−７２２）を用い、例えばＳＶＧＬ社製ＡｒＦエキシマレーザ露光装置（ＭＳ１９３）を用いて露光を行った。また、実施例５〜１１および比較例３〜５で使用した高分子膜１１、ならびに照射工程において使用した光源を表３に示す。なお、東京応化社（ＴＯＫ）製のＴＤＵＲ−Ｎ９０９は高分子架橋剤を含んでおり、ＫｒＦエキシマレーザ用ネガレジストとして市販されている。したがって、照射に対してはポリマー間の架橋が進行しやすい傾向にある。本実施の形態における放射線照射工程は、好適には真空チャンバー内で行われる。
【００７８】
表３に結果を示す。第２フォトレジスト９および高分子１１の除去後にフェンス１２の高さを測定したところ、実施例５〜１１においてはフェンスの発生が見られなかったが、比較例３〜５ではフェンスが発生した。そこで、照射前後における高分子膜１１の分子量の変化をゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）を用いて測定したところ、例えば約１８０ｎｍの波長を有する光または電子線を例えば東京応化製レジスト（ＴＤＵＲ−Ｎ９０９）に照射した場合には、ＧＰＣ分析時に使用する溶媒に対して高分子膜が不溶となった。これは、照射により高分子膜が巨大分子化したことを示す。
【００７９】
以上の結果より、照射工程において波長約１８０ｎｍ以下の波長を有する光を用いることにより、架橋性の傾向がある高分子でもポリマーの主鎖切断を発生させることができ、高分子膜１１として使用できるポリマーの選択範囲がより広くなることが期待できる。
【００８０】
同様に、酸化シリコン膜４および６に微量の炭素およびフッ素等が混入されてもよい。同様に、窒化シリコン膜５は省略してもよい。
【００８１】
【表３】
2004006878.tif 000007
以下、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態４における変形例３および４について実施例１２および１３と比較して説明する。
【００８２】
図５および図６は実施例１２および１３ならびに変形例３および４を説明する図である。実施の形態４の実施例１２〜１３ならびに変形例３および４の半導体製造方法は実施の形態１の実施例１と同じである。ただし、実施例１２および１３ならびに変形例３および４において、高分子膜１１としてポリメタクリレートを使用した。照射工程において使用した光源は、例えば波長約１５７ｎｍの単色光を発光できるＣＹＭＥＲ社製プロトタイプＦ２エキシマレーザ装置である。
【００８３】
照射工程自体は、好適には図８に示すような密閉容器１６の中で行う。密閉容器中の気体の組成は窒素と酸素を含み、この容器は組成比を自由に変えられるように設計されている。同様に、レーザー光１３を入射する窓１４から基板１５の表面までの距離は例えば約２５ｃｍに設定した。これらの実施例および変形例において、密閉容器内に含まれる酸素の量を表４に示す割合で導入した。密閉容器に含まれる酸素の量に関わらず、密閉容器内の圧力は大気圧になるように調整した。同様に、照射工程における基板表面への入射エネルギー量は例えば約５００（ｍＪ／ｃｍ２）である。
【００８４】
表４に結果を示す。実施例１２および１３ならびに変形例３および４において、ビアホール周りのフェンス１２の発生は抑制される。しかし、基板表面への入射エネルギー量を約５００（ｍＪ／ｃｍ２）に維持するために必要な照射時間は、密閉容器内の酸素濃度が上昇するにつれて急激に増加する。これは酸素が約１５７ｎｍの波長の光を吸収するからである。また、密閉容器内の酸素濃度を高くするにつれ、放射線処理後の第２フォトレジスト９の残留量が減少する。第２フォトレジスト９の残留量が減少する場合、第２配線層用の溝の加工精度が低下する。この現象の原因は、照射処理工程中に発生するオゾンに関すると考えられる。雰囲気中に含まれる酸素は波長約１８０ｎｍ以下の光を吸収すると、容易にオゾンに変化する。オゾンは、フォトレジスト等の有機高分子膜を化学的にエッチングするので、オゾン濃度が比較的高い場合、照射処理の間に第２フォトレジストの膜厚が減少する。
【００８５】
以上の結果より、密閉容器中の酸素濃度を例えば約４×１０−６（ｍｏｌ／Ｌ）以下に設定することにより、短時間で放射線処理が実施可能となり、かつ、放射線処理による第２フォトレジストの膜厚減少が小さくなることがわかった。また、透過率と光源から試料までの距離との関係は反比例の関係にあるので、試料が遠くなるにしたがって、放射線の透過率は減少する。したがって、密閉容器中の酸素濃度と光源の距離との積を所定値未満に維持するようにプロセスを構築することが適切である。本実施形態では光源と試料との距離は約０．２５ｍなので、密閉容器中の酸素濃度ｅ（ｍｏｌ／Ｌ）と、光源と試料との間の距離との積は、例えば約１×１０−６（ｍｏｌ×ｍ／Ｌ）以下に設定するのが望ましい。
【００８６】
本実施形態では照射工程において約１５７ｎｍの波長を用いたが、光源が約１８０ｎｍ以下の波長を有する限り、任意の波長を適切に用い得る。
【００８７】
【表４】
2004006878.tif 000008
以下、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態５における変形例６および７について実施例１４〜１６と比較して説明する。
【００８８】
図５および図６は、実施例１４〜１６および変形例６および７を説明する図である。本実施の形態５の実施例１４〜１６ならびに変形例６および７の半導体製造方法は、実施の形態１の実施例１と同じである。ただし、実施例１４〜１６ならびに変形例６および７において高分子膜１１には、ポリ−α−メチルスチレンを使用し、照射工程において使用した光源は、例えば約２２２ｎｍの波長の単色光を発光することができるウシオ電機製エキシマランプ照射装置である。また、照射装置から発生した光はレンズを用いて平行光線に変換され、基板面の垂直方向に対して角度θで入射させた。さらに、照射工程中は、基板に対する垂線を中心軸として基板を回転させる。同様に、照射工程における入射エネルギー量は例えば約５００（ｍＪ／ｃｍ２）に設定した。また、第２フォトレジスト９のパターン幅Ｈ’が約２００ｎｍ、配線溝の深さＤが約４００ｎｍ、レジストパターンの膜厚Ｄ’が約４００ｎｍ、配線用の溝の底部における接続孔の直径Ｈが約１７０ｎｍとなるようにプロセスを実施した。
【００８９】
放射線の入射角θを、以下の関係式（１）を満たすように制御する。
【００９０】
ｔａｎθ≧Ｈ＋Ｈ’／２（Ｄ＋Ｄ’）　　　　　（１）
式中、Ｈは配線溝の開口内の接続孔の直径を示し、Ｈ’は配線溝の幅を示し、Ｄは配線溝の深さを示し、Ｄ’はフォトレジストパターンの膜厚を示す。
【００９１】
表５に結果を示す。第２フォトレジスト９および高分子膜１１のアッシングおよび除去を行った後に窒化シリコン膜３の残量ｄを評価したところ、θが上記式（１）を満たすような角度で入射する場合には、窒化シリコン膜３の減少が見られなかった。しかし、θが上記式（１）を満たさない角度で入射する条件では、窒化シリコン膜３の減少が見られた。これは、θが上記式（１）を満たさないような小さな角度で入射した場合、ビアホールの底部に堆積したレジストが放射線照射により損傷を受け、エッチング耐性が小さくなるからである。
【００９２】
以上の結果より、照射工程において式（１）を満たすような入射角度で照射した場合、ビアホールの底部に堆積した高分子膜に対して損傷を与えることなく、かつ、ビアホール側壁に付着した高分子膜のエッチングレートが増大する。
【００９３】
【表５】
2004006878.tif 000009
本発明の半導体デバイスは、配線溝と、ビアホールによって接続された２つの配線層とを有する。半導体デバイスは、ＵＶ照射下で分解する光分解性ポリマー膜を用いて形成される。照射工程において、基板の表面の垂線方向に対する放射線の入射角度θが、ｔａｎθ≧Ｈ＋Ｈ’／２（Ｄ＋Ｄ’）（式中、Ｄは配線溝の深さ、Ｄ’はフォトレジストの膜厚、Ｈは配線溝の開口部内の前記ビアホールの直径、Ｈ’は配線溝の幅を示す）を満たす。
【００９４】
上で説明したように、本発明をさまざまな様態で変形し得ることが明らかである。このような変形例は、本発明の趣旨および範囲から逸れるものとはみなされない。そのような変形例の全てが特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図されていることは、当業者に明らかである。
【００９５】
【発明の効果】
本発明のある局面によると、ビアホール側壁部に付着した高分子膜１１のエッチングレートを増大させることが可能となり、第２配線層用の溝のエッチング工程後にビアホール周りにおいてフェンス状に発生するエッチング残留物を抑制することができる。
【００９６】
本発明の別の局面によると、ビアホール底部に堆積する高分子膜１１の厚みを、ビアホール側壁に付着した高分子膜厚の６倍以上に設定することにより、第２配線層のエッチング工程において発生する窒化シリコン膜３に対する損傷を最小化することができる。
【００９７】
本発明のさらに別の局面によると、上記放射線照射工程において、約１８０ｎｍ以下の波長を用いることにより、元来架橋反応が起こりやすい高分子についても高分子鎖の分解反応を選択的に促進させることができる。
【００９８】
本発明のさらに別の局面によると、高分子１１に対する照射処理に必要な時間を短縮でき、さらに、第２フォトレジスト９の耐エッチング性の低下を防止することができる。
【００９９】
さらに、本発明の別の局面によると、ビアホールの底部に堆積した高分子膜のエッチングレートを維持したまま、ビアホールの側壁に付着した高分子層のエッチングレートのみを増大させることができる。
【０１００】
本発明により、配線層の抵抗バラツキを抑制し、さらに下層配線層を損傷させることのない製造プロセスを安価に達成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１の（ａ）〜（ｄ）は、デュアルダマシン構造の配線を有する従来の半導体デバイスの製造方法を説明する第１の断面図である。
【図２】図２は、公知のデュアルダマシン法における問題点を示す図である。
【図３】図３の（ａ）〜（ｄ）は、デュアルダマシン構造の配線を有する従来の半導体デバイスの製造方法を説明する第２の断面図である。
【図４】図４の（ａ）〜（ｃ）は、デュアルダマシン構造の配線を有する従来の半導体デバイスの製造方法を説明する第３の断面図である。
【図５】図５の（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態１〜４における半導体装置の製造方法において実行される一連の処理を示す図である。
【図６】図６の（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態１〜５において使用される関係の記号を規定するための図である。
【図７】図７の（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態５における半導体装置の製造方法において実行される一連の処理を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態４における半導体装置の製造方法において使用される密閉容器の構造を示す図である。
【符号の説明】
１　第１配線層
２　層絶縁膜
３　窒化シリコン膜
４　酸化シリコン膜
５　窒化シリコン膜
６　酸化シリコン膜
７　第１フォトレジスト
８　ビアホール
９　第２フォトレジスト
１０　配線溝
１１　高分子膜
１２　フェンス
１３　レーザー光
【図１】
2004006878.tif 000011
【図２】
2004006878.tif 000012
【図３】
2004006878.tif 000013
【図４】
2004006878.tif 000014
【図５】
2004006878.tif 000015
【図６】
2004006878.tif 000016
【図７】
2004006878.tif 000017
【図８】
2004006878.tif 000018