(57)【要約】【課題】  低ｋ膜と金属マスクとの間の界面に歪みを引き起こすことなく、高い精度の望ましいパターンを得ること。【解決手段】  半導体装置を製造する方法では、金属マスクと絶縁マスクをと備える多層ハードマスクを用いて形成される配線層を含む半導体装置が形成される。第１パターンにアラインされた第２開口パターンを形成するために、第１ステップで多層ハードマスクが使用された後、金属マスクが除去され、絶縁マスクが、第２のステップで絶縁層中に第１のパターン構造を形成するために使用される。【選択図】図６Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上方の絶縁層を覆う絶縁膜と金属膜の両方に第１のパターンを形成する工程と、
前記絶縁膜と前記金属膜の上方にある第１のマスクにより部分的に規定される第２のパターンを前記絶縁層内に形成する工程と、
前記金属膜を前記第２のパターン形成後に除去する工程と、
第２のマスクとして前記絶縁膜を使用することにより、前記第１のパターンを前記絶縁層に転写する工程と
を備える半導体装置を製造する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記第２のパターンは、前記金属膜の前記第１のパターンと前記第１のマスクにより規定される
半導体装置を製造する方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のマスクは、フォトレジスト中に形成されたパターン化層を備える
半導体装置を製造する方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のパターンはトレンチパターンに対応する
半導体装置を製造する方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記第２のパターンは、ビアパターンに対応する
半導体装置を製造する方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のパターンは、その深さが前記絶縁層の厚さより少ないトレンチとして、
前記第２のパターンは、前記絶縁層を貫通するビアとして前記絶縁層に形成される
半導体装置を製造する方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
他の配線層が前記基板と前記絶縁層の間に存在する
半導体装置を製造する方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
前記絶縁層に前記第１のパターンを形成後、前記他の配線層を露出させるように前記絶縁膜はエッチングされる
半導体装置を製造する方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のパターンは、トレンチであり、前記第２のパターンはビアである
半導体装置を製造する方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
前記絶縁層と前記絶縁膜との間のエッチング選択性は、５から２０である
半導体装置を製造する方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
前記絶縁層は、５０％より多い炭素含有量を有する膜からなる
半導体装置を製造する方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記絶縁膜は、シリコン酸化物である
半導体装置を製造する方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、
前記金属膜は、ＴｉＮ、ＴａＮ、及びＷＮからなる
半導体装置を製造する方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のパターンを形成することと、前記第２のパターンを形成することと、前記金属膜を除去することと、前記第１のパターンを前記絶縁層に転写することが、共通の処理室で行われる
半導体装置を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路の製造方法に関し、特に、半導体装置の配線構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化により、配線では低抵抗の要求が増大し、従来のアルミニウムから銅が中心として使用されている。それらの構造は、銅で形成されるとき、銅をドライエッチングする際の困難性の観点でデュアルダマシン法が一般に使用される。
【０００３】
配線の線幅が減少し続ける結果、トレンチとビアを含むダマシン配線の絶縁信頼性を維持するために、プロセス技術の改善が必要となる。ブレインらは、「Low-k Interconnect Stack
with a Novel Self-Aligned Via Patterning Process for 32nm High Volume
Manufacturing」（ＩＩＴＣ２００９，セッション１３．１（頁２４９−２５１））の論文の中で、配線の微細ピッチの層を形成するために、セルフ−アライメント・ビア（ＳＡＶ）技術を用いたハードマスクプロセスを開示している。これを含めて従来のデュアルダマシンプロセスでは、ビアが最初にILDに形成され、続いてトレンチが形成され、金属銅バリア膜及び銅膜をトレンチ、ビアに埋め込んだ後、平坦化処理が行われる。
【０００４】
米国特許７，０６７，９１９は、トレンチパターンを有する金属ハードマスクが、配線上に堆積された絶縁膜上に堆積されるダマシン配線方法を開示している。ビアパターンは金属ハードマスクを覆うフォトレジスト層に定義され、絶縁膜はビアを形成するようにエッチングされる。ビア形成後、フォトレジスト膜は除かれ、トレンチは金属ハードマスクを用いて形成され、その後、トレンチとビアに銅が埋め込まれる。
【０００５】
米国特許７，５２４，７５２は、トレンチとビアをエッチングにより形成した後、金属ハードマスクを除去し、それから金属の埋め込み、化学的・機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（ＣＭＰ））を行うプロセスを開示している。これにより、金属の埋め込み性の向上と配線形状の制御性を容易にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許７，０６７，９１９公報
【特許文献２】米国特許７，５２４，７５２公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ブレインら、「Low-k Interconnect Stackwith a Novel Self-Aligned Via Patterning Process for 32nm High VolumeManufacturing」（ＩＩＴＣ２００９，セッション１３．１（頁２４９−２５１））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年の配線低容量化に向けた要求に応えるため、低誘電率膜（低k膜）が配線層間膜として使用されている。この低k膜は、一般に、膜中へのCHｘ構造の導入や膜の密度を下げることで比誘電率を下げているので、膜強度が低下する傾向にある。その結果、金属ハードマスクを用いて微細なパターンを形成すると、低膜強度の低ｋ膜と高膜強度の金属ハードマスクとの間の応力が増大し、パターン倒れや配線のうねりが発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、半導体装置を製造するための新規な方法を提供する。
半導体基板上に形成された絶縁層を覆う下層絶縁ハードマスクと金属ハードマスクの両方に第1のパターンが形成される。第２のパターンは、金属ハードマスクの上に形成されたフォトレジストマスクにより形成される。その後、金属ハードマスクは取り除かれ、第１のパターンは、マスクとして絶縁ハードマスク層を使用することにより、絶縁層に転写される。この際、第１のパターンは、絶縁層内の第２のパターンとは異なる深さまで絶縁層中に形成されていることが好ましい。
【００１０】
本実施形態では、第２のパターンは、金属ハードマスク中に形成された第１のパターンとフォトレジストマスク中に形成されたパターンの重畳プロファイルにより規定される。
【００１１】
第１のパターンは、絶縁層中に形成されるトレンチパターンに対応し、第２のパターンは、絶縁層を貫通するビアパターンに対応する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のこれらの実施形態により形成されるトレンチとビアは、ダマシン法により銅で埋め込まれることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の他の目的、特徴、長所は、添付図面を参照して与えられる、本発明の実施形態の詳細な説明からより明らかになるであろう：
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の方法の実施形態による処理の第１段階での半導体装置の断面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の方法の実施形態による処理の第１段階での半導体装置の上面図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａと１Ｂに示される半導体装置の後続の段階での断面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ａと１Ｂに示される半導体装置の後続の段階での上面図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、図２Ａと２Ｂに示される半導体装置の後続の段階での断面図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２Ａと２Ｂに示される半導体装置の後続の段階での上面図を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、図３Ａと３Ｂに示される半導体装置の後続の段階での断面図を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図３Ａと３Ｂに示される半導体装置の後続の段階での上面図を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、図４Ａと４Ｂに示される半導体装置の後続の段階での断面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４Ａと４Ｂに示される半導体装置の後続の段階での上面図を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａと５Ｂに示される半導体装置の後続の段階での断面図を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５Ａと５Ｂに示される半導体装置の後続の段階での上面図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、図６Ａに示される半導体装置の後続の段階での断面図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図６Ａに示される半導体装置の後続の段階での断面図を示す。
【図８】図８は、本発明の実施形態による半導体装置の全体概略断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施形態で利用される例示的材料の化学式を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施形態で利用される例示的材料の化学式を示す図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の実施形態で利用される例示的材料の化学式を示す図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本発明の実施形態で利用される例示的材料の化学式を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態で利用される他の例示的材料の化学式を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施形態で達成される寸法許容値の改善を概念的に示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施形態で達成される寸法許容値の改善を概念的に示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、図１１Ａに対応する実験結果を示すグラフである。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１１Ｂに対応する実験結果を示すグラフである。
【図１３】図１３は、従来技術と関連して、本発明の実施形態におけるエッチング選択性の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図示された実施形態を参照して、本発明を説明する。当業者は、本発明の教唆を用いて多くの他の実施形態が達成可能であり、本発明は説明のために図示された実施形態に制限されないことを理解するであろう。
【００１５】
図１Ａでは、絶縁膜１７３は、基板１００の上方に形成され、絶縁膜１７５は、絶縁膜１７３の上に形成されている。金属膜１７８は、絶縁膜１７３の上に形成され、フォトレジスト層１８８、シリコンベース反射防止層（ＳｉＡＲＣ）１８４あるいは低温シリコン酸化膜（ＬＴＯ）、及び有機層１８１を備えるフォトレジスト３層マスクが金属膜１７８を覆っており、有機層１８１は、有機平面化層（ＯＰＬ）であることが好ましく、非露出レジストのように作用する。
【００１６】
図１Ｂから分かるように、フォトレジスト層１８８はトレンチパターンを生じ、パターンの開口は下層ＳｉＡＲＣ層１８４を露出させる。
【００１７】
上記の配線層下の半導体装置は、この例では、トランジスタ１１０であり、それは素子分離領域１０６、絶縁層１３０、シリコン基板のような基板１００上に形成されたコンタクト１３５を含んでいる。絶縁層１３０、コンタクト１３５上に配線１６５を含む配線層１６０が形成されている。エッチングストッパー絶縁膜１７０、例えば、シリコンと窒素を含有する膜が、配線層１６０上に形成されている。
【００１８】
絶縁層１７３は、エッチングストッパー膜１７０上に形成されている。絶縁膜１７５と金属膜１７８は、その順に絶縁層１７３上にハードマスク層として形成されている。
【００１９】
絶縁層１７３は、例えば多孔性ＳｉＯＣＨ材料からなることが好ましい。例えばＳｉＯ２が絶縁膜１７５として使用されることが好ましいが、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮが絶縁膜１７５を形成するために使用されてもよい。金属膜１７８は、例えばＴｉＮ、ＴａＮ、或いはＷＮから構成される。トレンチパターンをハードマスク中に形成する際、トレンチパターンが高選択的に絶縁膜１７５中に形成されることが望ましいため、絶縁層１７３内の炭素含有量は、図１３に示されるように、４０atm％より多いことが好ましいが、特に炭素含有量が既定される必要はない。
【００２０】
図２Ａと２Ｂに示すように、ＳｉＡＲＣ層１８４、ＯＰＬ層１８１、金属膜１７８、絶縁膜１７５は、フォトレジストマスク１８８をマスクとして絶縁層１７３を露出させるように、ドライエッチングされる。例えば、アッシング、エッチングによる残留フォトレジスト３層マスク層の除去後、金属膜１７８と下層絶縁膜１７５は、フォトレジストマスク１８８から転写されたトレンチパターンを生じ、トレンチ開口部では下層絶縁層１７３が露出している（図２Ｂ参照）。
【００２１】
金属膜１７８がＴｉＮ、ＴａＮ、あるいはＷＮを含むとき、ＣＦ４／Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｎ２／ＣＯのようなカーボンフッ化物ベースのガスが絶縁膜１７５をエッチングするために利用されることが好ましい。本実施形態によれば、絶縁層１７３と絶縁膜１７５間のドライエッチングの選択性は、材料とエッチング条件を選ぶことにより、５−２０の範囲に入るように制御されることができる。
【００２２】
絶縁膜１７５がＳｉＯ２でできているときは、絶縁層１７３をエッチングするための主エッチングガスは、Ｏ２、Ｎ２、Ｈ２、Ｎ２／Ｈ２、ＮＨ３、ＣＯ、ＣＯ２から選択される。残留ＳｉＯを避けるために、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ４Ｆ８、ＣＦ３Ｉ、ＣＦ４、ＮＦ３から選択される少なくとも１つの添加ガスが主エッチングガスに添加されることが好ましい。主エッチングガスに対する添加ガスの割合は、０−２０体積％であり、望ましくは５−１０体積％である。高い選択性を得るためには、Ｏ２／ＣＨ２Ｆ２は、このエッチング段階のために使用されることが好ましい。また、絶縁層１７３へのダメージを減らすために、Ｎ２／ＣＨ２Ｆ２、Ｎ２／Ｈ２／ＣＨ２Ｆ２、或いはＣＯ２／ＣＯ／ＣＨ２Ｆ２がこのエッチング段階のために使用されることが好ましい。
【００２３】
絶縁膜１７５がＳｉＣ、ＳｉＮ、あるいはＳｉＣＮでできているとき、ＳｉＯ２に対するのと同じガスが使用されてもよい。Ｏ２／Ｃ４Ｆ８、Ｎ２／Ｃ４Ｆ８、Ｎ２／Ｈ２／Ｃ４Ｆ８、及びＣＯ２／ＣＯ／Ｃ４Ｆ８から選択されるエッチングガスを使用することが可能である。添加ガスとしてのＣ４Ｆ８は、０−２０体積％の量で添加される。Ａｒは、プラズマを発生するために添加されてもよい。
【００２４】
エッチングチャンバー内圧力は、例えば約６．７Ｐａ（５０ｍＴ）に設定されることが好ましく、バイアス電力は、例えば約５００Ｗの電源電力と約１００Ｗのバイアス電力に設定されることが好ましい。
【００２５】
次に、図３Ａと３Ｂに示されるように、ビア・リソグラフィーが行われる。３層ビアフォトレジストマスクは、例えば金属ハードマスク１７８上に形成されるＯＰＬ層１８２と、ＳｉＡＲＣ層１８５、及びフォトレジスト膜１８９とを備えている。図３Ｂの破線は、金属マスク１７８と絶縁膜１７５に形成される下層トレンチ開口の位置を示しており、それにより、絶縁層１７３内に形成されるべきビアがフォトレジストマスク１８９により、そしてトレンチハードマスクにより部分的に規定され、トレンチに対するビアのセルフ・アライメントを促す。
【００２６】
ビアフォトレジスト３層マスクは、トレンチパターン形成と関連して、前述したような手法を用いてドライエッチングされる。ビアパターン形成においては、図４Ａに示されるように、エッチングは、絶縁膜１７３中にビア１９０を形成するよう進められ、エッチングストッパ層１７０に達する。アッシング、エッチングによる残留フォトレジスト１８９、ＳｉＡＲＣ層１８５、およびＯＰＬ層１８２の除去後、図４Ｂの平面図に示すように金属膜１７８、ビア１９０の底に露出されるエッチングストッパ層１７０の領域とトレンチパターンがエッチングされて露出した絶縁層１７３が示されている。
【００２７】
本実施形態では、金属層１７８は、図５Ａ、５Ｂに示されるように、ドライエッチング又はウェットエッチングにより絶縁膜１７５上から除去される。トレンチパターンは、図５Ｂに示されるように、絶縁膜１７５に保存されているが、トレンチは、まだ絶縁層１７３に形成されてはいない。
【００２８】
Ｃｌ２は、ＴｉＮが金属膜１７８として使用されるときは、絶縁膜１７５に対して高い選択性を有するので、絶縁膜１７５上から金属膜１７８を除くためのエッチングガスとして使用される。他に、或いは、加えて、Ｈ２Ｏ２或いはＨ２Ｏ２とアルカリ添加剤との混合液は、ＴｉＮが金属膜１７８のために使用されているときには、ウェットエッチング液として使用されることができる。
【００２９】
図６Ａ、６Ｂに示されるように、トレンチパターン１８６は、絶縁膜１７５をマスクとして使用して、絶縁層１７３中にエッチングで形成される。このエッチングは、ビア１９０の底に露出しているエッチングストッパ膜１７０を除去して、ビア底に下層配線１６５を露出させることも並行して行う。ビア１９０は、トレンチパターンにアラインされて形成されているため、絶縁層１７３中へのトレンチエッチングを実施した後も、図６Ｂに示されるように、ビア１９０はトレンチパターン１８６にアラインされている。
【００３０】
絶縁層１７３へのトレンチパターン１８６の形成後、希釈したフッ化水素酸、或いは有機アミン液のような従来のクリーニング液を用いて、ウェットクリーニングプロセスが行われる。次に、図７Ａに示されるように、例えばＴａＮのようなバリア膜１７７が絶縁層１７３上に形成される。その後、金属、例えば銅の層１８０が、例えばＰｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＶＤ）によるシード層形成と、例えばメッキ法により形成され、余剰な金属膜は、図７Ｂに示されるように、例えばＣＭＰを用いて除去される。
【００３１】
図８は、本発明による方法により形成される半導体装置の全体を概略示している。配線１５５が描かれ、その各々は、絶縁層１７３内に形成される少なくとも１つのトレンチ１５０と少なくとも１つのビア１４０とを備えている。次の配線層は、配線層１５０と絶縁層１７３上に形成されたエッチングストッパ層１９２と絶縁層１９４とを備えている。配線１９６は、配線１５５と同様にして、絶縁層１９４に形成される。図８に示される多層配線を有する半導体装置は、上記のように、配線形成を繰り返すことにより形成される。
【００３２】
図９Ａ〜９Ｄは、絶縁層１７３，１９４等としての使用によく適している多孔質材料を形成するための化合物の例を示している。これらの化合物は、リング状有機シロキサンである。また、図１０に示される化合物とリング状有機シロキサンとを混合することにより形成される材料も用いることが可能である。これらの絶縁層形成技術は、例えば、米国公開特許出願２０１０／０２１９５１２に開示され、その全体が、引用によりここに組み込まれる。ただし、絶縁層１７３、１９４等は特に上記の材料から形成される低ｋ膜のみに特定されるものではない。
【００３３】
図１１Ａは、従来例に示したように、トレンチ１８６が金属膜１７８をマスクとして所定の位置に形成されるときの影響を概略的に示している。図１１Ｂは、本発明の種々の実施形態におけるように、絶縁層１７３へのトレンチ１８６の形成の前に、金属膜１７８が除去される場合を示している。多孔質ＳｉＯＣＨのような低ｋ膜が絶縁層１７３のために使用された場合、金属膜１７８から絶縁層１７３が受けるストレスによる影響は、パターンサイズが減少するにつれてより顕著に現われ、このストレスは、図１１Ａと１２Ａに示されるように、絶縁層１７３のパターン倒れ、或いはうねりを生じる。
【００３４】
他方、図１１Ｂ、図１２Ｂに示すように、絶縁層１７３にトレンチ１８６を形成する前に金属マスク１７８が除去され、絶縁膜１７５だけをマスクとして用いた場合、パターンサイズが減少しても、パターン倒れ或いはうねりは生じない。
【００３５】
これらの実施形態の付加的な長所は、トレンチ１８６のエッチングの間に金属膜１７９が絶縁膜１７６上に残らないように、めっき、ＰＶＤによりビアあるいはトレンチに金属を埋め込む際に、配線１５５のアスペクト比が減少することである。これは、ボイドを形成することなくトレンチあるいはビアに金属を埋め込むことを容易にする。
【００３６】
更に、トレンチパターン１８６のエッチングの間に絶縁膜１７５の上コーナーが丸められるので、銅めっきの前にＰＶＤバリア或いはシード膜を形成する際に絶縁膜パターンの上コーナー部に発生するせり出し（オーバーハング）を減少させることが可能である。上記の実施形態は、付加的なエッチング工程無しで、つまり、絶縁層１７３への付加的なプラズマダメージ無しで、望ましいトレンチ形状を提供することを可能とする。
【００３７】
図１３は、絶縁層１７３の炭素含有量に対して、絶縁層１７３と絶縁膜１７５或いは金属膜１７８の間におけるエッチング選択比の測定結果を示す。絶縁層１７３と金属層１７８の間のエッチング選択比の関係は、絶縁層１７３の炭素含有量によらずほぼ一定である。一方、絶縁層１７３の炭素含有量は、絶縁層１７３と例えばシリコン酸化膜を用いた絶縁膜１７５との間のエッチング選択比に大きな影響を与える。絶縁層１７３と絶縁膜１７５の間で５以上のエッチング選択比を確保するために、４０ａｔｍ％以上の炭素を含む多孔質ＳｉＯＣＨ材料は、絶縁層１７３として使用されることが好ましい。
【００３８】
本発明の実施形態が図面を参照して説明された。しかしながら、これらの実施形態は、本発明を例示するものであり、上記の説明以外の種々の構成を採用することも可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
2012235124.tif 000020
【図９Ｄ】
2012235124.tif 000021
【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１３】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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