(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
(b)前記層間絶縁膜上に金属配線領域を限定するフォトレジストパターンを形成する段階と、
(c)前記フォトレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜の一部をエッチングして浅いトレンチを形成しながら、その浅いトレンチの側壁にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマを形成する段階と、
(d)前記フォトレジストパターン及び前記浅いトレンチの側壁に形成されたポリマをマスクとして残りの層間絶縁膜をエッチングして、前記層間絶縁膜に、下部の幅が上部の幅より広いトレンチを形成する段階と、
(e)前記フォトレジストパターンを除去する段階と、
(f)前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜を形成する段階と、
(g)前記バリヤ膜が形成された結果物の全面に導電膜を蒸着させる段階と、
(h)前記導電膜が蒸着された結果物を化学機械的研磨して前記層間絶縁膜のトレンチの内部にのみ導電膜が充填されるようにする段階とを含むことを特徴とする半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項２】
前記(c)段階は、水素を含有するC−F系ガスと不活性ガスを使用してポリマを形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項３】
前記(d)段階は、水素を含有しないC−F系ガス及び不活性ガスに酸素又は窒素ガスを添加してエッチングすることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項４】
前記ポリマが形成される浅いトレンチの深さは前記層間絶縁膜の全体厚さの20乃至70%であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項５】
前記層間絶縁膜は、USG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項６】
前記バリヤ膜は、金属の拡散を防止し、かつ層間絶縁膜と導電膜との接着層として作用するTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜又はこれらの組み合わせ膜よりなる膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項７】
前記導電膜は、Cu又はWよりなる膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項８】
(a)半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
(b)前記層間絶縁膜上に金属配線領域を限定するフォトレジストパターンを形成する段階と、
(c)前記フォトレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜の上部をエッチングして第１トレンチを形成しながら、その第１トレンチの側壁にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマを形成する段階と、
(d)前記フォトレジストパターン及び前記第１トレンチの側壁に形成されたポリマをマスクとして前記層間絶縁膜の中間部をエッチングして、幅が上部の第１トレンチの幅より広い第２トレンチを形成する段階と、
(e)エッチングされた前記層間絶縁膜の中間部の下部にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマを形成する段階と、
(f) 前記フォトレジストパターン及び前記層間絶縁膜のエッチング部上部と中間部の下部に形成された前記ポリマをマスクとして残りの下部の層間絶縁膜をエッチングして、幅が中間部の前記第２トレンチの幅より狭い第３トレンチを形成する段階と、
(g)前記フォトレジストパターンを除去する段階と、
(h)前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜を形成する段階と、
(i)前記バリヤ膜が形成された結果物の全面に導電膜を蒸着する段階と、
(j)前記導電膜が蒸着された結果物を化学機械的研磨して前記層間絶縁膜のトレンチの内部にのみ導電膜が充填されるようにする段階とを含むことを特徴とする半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項９】
前記(c)及び(e)段階は、水素を含有するC−F系ガスと不活性ガスとを使用してポリマを形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項１０】
前記(d)及び(f)段階は、水素を含有しないC−F系ガス及び不活性ガスに酸素又は窒素ガスを添加してエッチングすることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項１１】
前記層間絶縁膜の中間部の厚さは、前記層間絶縁膜の全体厚さの20乃至50%であることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項１２】
前記層間絶縁膜は、USG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜であることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項１３】
前記バリヤ膜は、金属の拡散を防止し、かつ層間絶縁膜と導電膜との接着層として作用するTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜又はこれらの組み合わせ膜よりなる膜であることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【請求項１４】
前記導電膜は、Cu又はWよりなる膜であることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の金属配線製造方法。
【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及びその製造方法に係り、より詳しくは半導体素子の金属配線及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路技術は高集積化とチップ駆動速度とを高めるためにたゆまず発展している。チップのサイズは、デザインルールを縮小して高集積化を達成することにより減少している。一方、集積回路チップの駆動速度の向上、トランジスタの高性能化は、トランジスタの寄生抵抗と寄生キャパシタンスを減らす方法により達成している。
【０００３】
半導体配線技術において、高性能トランジスタを半導体チップ外部と連結させる時、最小限の抵抗と寄生キャパシタンスを有するようにして半導体素子のRC値(抵抗とキャパシタンスとの積)を減らすことが重要である。銅(Cu)はアルミニウム(Al)と比較して比抵抗(Alは2.7μΩ−cmであり、Cuは1.8μΩ−cmである)が低い。従って、銅配線層は抵抗が低いため金属厚さを低められる利点がある。だから、半導体配線技術のうち銅を用いた配線工程は半導体デザインルールが0.18μm以下になりながら配線抵抗及び寄生キャパシタンスを減らすために急速に使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１及び図２は従来のダマシン工程を用いた金属配線構造を示す断面図である。
図１及び図２を参照すれば、銅を導電膜として使用する金属配線工程では、半導体基板10上の層間絶縁膜12をトレンチしてバリヤ膜16と導電膜18とを蒸着した後、化学機械的研磨を行うダマシン(Damascene)工程を用いている。従来のダマシン工程を用いた金属配線は後続熱処理時、層間絶縁膜とのストレスによりトレンチ内部でリフティングされる。特に、トレンチ上部の幅が下部の幅より広い逆台形構造(図２参照）の断面を有する金属配線ではリフティング現象が大きく現れる。金属配線がトレンチ内部でリフティングされると、ビアと金属配線との間が接触せずオープンが発生して半導体チップ動作が不可能になる問題が発生する。
【０００５】
図３は従来の金属配線構造において、金属配線がトレンチの内部でリフティングされた様子を示す斜視図である。ここで、トレンチ角(θ)が小さいほど、即ち上部の幅が広いほどリフティングの可能性は高まる。
【０００６】
本発明の目的は金属配線のリフティングを防止できる半導体素子の金属配線を提供することにある。
本発明の他の目的は金属配線のリフティングを防止できる半導体素子の金属配線製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属配線下部の幅が金属配線上部の幅より広いことを特徴とする半導体素子の金属配線を提供する。
【０００８】
前記金属配線は、下部の幅を上部の幅より広くして半導体基板上の層間絶縁膜に形成されたトレンチの内部に段差に沿って形成されたバリヤ膜と、このバリヤ膜により取り囲まれて、前記層間絶縁膜のトレンチに埋め込まれ、下部の幅が上部の幅より広く形成された導電膜とを含む。
【０００９】
前記層間絶縁膜は、一つの層の絶縁膜で形成されている膜であり、USG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜よりなる膜であり得る。また、前記層間絶縁膜の上部の厚さは前記層間絶縁膜の全体厚さの20乃至70%であることが望ましい。
【００１０】
前記層間絶縁膜は、他の例として二つの層すなわち第１及び第２絶縁膜が順次に形成されている膜であり、第１絶縁膜のトレンチ幅が第２絶縁膜のトレンチ幅より広く形成されている膜であり得る。前記第２絶縁膜の厚さは前記第１及び第２絶縁膜の全体厚さの20乃至70%であることが望ましい。前記第２絶縁膜はUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜よりなる膜であり、前記第１絶縁膜は前記第２絶縁膜よりエッチング比が大きい流動性酸化膜又はHOSP膜よりなる膜であり得る。
【００１１】
また、本発明は、金属配線中間部の幅が金属配線下部及び上部の幅より広いことを特徴とする半導体素子の金属配線を提供する。
【００１２】
前記金属配線は、中間部の幅を上部及び下部の幅より広くして半導体基板上の層間絶縁膜に形成されたトレンチの内部に段差に沿って形成されたバリヤ膜と、このバリヤ膜により取り囲まれて、前記層間絶縁膜のトレンチに埋め込まれ、中間部の幅が上部及び下部の幅より広く形成された導電膜とを含む。
【００１３】
前記層間絶縁膜は、一つの層の絶縁膜で形成されている膜であり、USG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜よりなる膜であり得る。また、前記層間絶縁膜の中間部の厚さは前記層間絶縁膜の全体厚さの20乃至50%であることが望ましい。
【００１４】
前記層間絶縁膜は、他の例として三つの層すなわち第１，第２及び第３絶縁膜が順次に形成されている膜であり、中間部の第２絶縁膜のトレンチ幅が上部の第３絶縁膜及び下部の第１絶縁膜のトレンチ幅より広く形成されている膜であり得る。前記第２絶縁膜の厚さは前記第１，第２及び第３絶縁膜の全体厚さの20乃至50%であることが望ましい。前記第１及び第３絶縁膜はUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜よりなる膜であり、前記第２絶縁膜は前記第１及び第３絶縁膜よりエッチング比が大きい流動性酸化膜又はHOSP膜よりなる膜であり得る。
【００１５】
さらに、本発明は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜上に金属配線領域を限定するフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜の一部をエッチングして浅いトレンチを形成しながら、その浅いトレンチの側壁にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマを形成する段階と、前記フォトレジストパターン及び浅いトレンチの側壁に形成されたポリマをマスクとして残りの層間絶縁膜をエッチングして前記層間絶縁膜に、下部の幅が上部の幅より広いトレンチを形成する段階と、前記フォトレジストパターンを除去する段階と、前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜を形成する段階と、前記バリヤ膜が形成された結果物の全面に導電膜を蒸着する段階と、前記導電膜が蒸着された結果物を化学機械的研磨して前記層間絶縁膜のトレンチの内部にのみ導電膜が充填されるようにする段階とを含むことを特徴とする半導体素子の金属配線製造方法を提供する。
【００１６】
さらに、本発明は、半導体基板上に第１層間絶縁膜を形成する段階と、前記第１層間絶縁膜上に前記第１層間絶縁膜に比べてエッチング比が小さい第２層間絶縁膜を形成する段階と、前記第２層間絶縁膜上に金属配線領域を限定するフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記第２層間絶縁膜及び前記第１層間絶縁膜を順次にエッチングして、前記第１層間絶縁膜部分の幅が第２層間絶縁膜部分の幅より広いトレンチを形成する段階と、前記フォトレジストパターンを除去する段階と、前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜を形成する段階と、前記バリヤ膜が形成された結果物の全面に導電膜を蒸着する段階と、前記導電膜が蒸着された結果物を化学機械的研磨して前記第１及び第２層間絶縁膜のトレンチの内部にのみ導電膜が充填されるようにする段階とを含むことを特徴とする半導体素子の金属配線製造方法を提供する。
【００１７】
さらに、本発明は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、前記層間絶縁膜上に金属配線領域を限定するフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜の上部をエッチングして第１トレンチを形成しながら、その第１トレンチの側壁にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマを形成する段階と、前記フォトレジストパターン及び第１トレンチの側壁に形成されたポリマをマスクとして前記層間絶縁膜の中間部をエッチングして、幅が上部の第１トレンチの幅より広い第２トレンチを形成する段階と、エッチングされた前記層間絶縁膜の中間部の下部にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマを形成する段階と、前記フォトレジストパターン及び前記層間絶縁膜のエッチング部上部と中間部の下部に形成された前記ポリマをマスクとして残りの下部の層間絶縁膜をエッチングして、幅が中間部の前記第２トレンチの幅より狭い第３トレンチを形成する段階と、前記フォトレジストパターンを除去する段階と、前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜を形成する段階と、前記バリヤ膜が形成された結果物の全面に導電膜を蒸着する段階と、前記導電膜が蒸着された結果物を化学機械的研磨して前記層間絶縁膜のトレンチの内部にのみ導電膜が充填されるようにする段階とを含むことを特徴とする半導体素子の金属配線製造方法を提供する。
【００１８】
さらに、本発明は、半導体基板上に第１層間絶縁膜を形成する段階と、前記第１層間絶縁膜上にその第１層間絶縁膜に比べてエッチング比が大きい第２層間絶縁膜を形成する段階と、前記第２層間絶縁膜上にその第２層間絶縁膜に比べてエッチング比が小さい第３層間絶縁膜を形成する段階と、前記第３層間絶縁膜上に金属配線領域を限定するフォトレジストパターンを形成する段階と、前記フォトレジストパターンをマスクとして前記第３層間絶縁膜、第２層間絶縁膜及び第１層間絶縁膜を順次にエッチングして、前記第２層間絶縁膜部分の幅が前記第１及び第３層間絶縁膜部分の幅より広いトレンチを形成する段階と、前記フォトレジストパターンを除去する段階と、前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜を形成する段階と、前記バリヤ膜が形成された結果物の全面に導電膜を蒸着する段階と、前記導電膜が蒸着された結果物を化学機械的研磨して前記第１，第２及び第３層間絶縁膜のトレンチの内部にのみ導電膜が充填されるようにする段階とを含むことを特徴とする半導体素子の金属配線製造方法を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明に係る望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、以下の実施形態はこの技術分野の通常の知識を持つ者に本発明を十分に理解するために提供されるものであって、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は下記の実施形態に限らずに、本発明の技術的思想内で当分野に通常の知識を持つ者により多くの変形が可能なのは明白である。以下の説明において、ある層が他の層の上に存在すると記述される時、これは他の層が直接上に存在する場合もあるし、間に第３の層が介在される場合もある。又図面で各層の厚さや長さは説明の便宜及び明確性のため誇張されている。図面上で同一符号は同一要素を示す。
【００２０】
本発明の望ましい実施形態による半導体素子の金属配線は金属配線の下部の幅が金属配線の上部の幅より広いか、或いは金属配線中間部の幅が金属配線の上部及び下部の幅より広い構造を有する。図１及び図２に示されたように従来のダマシン工程を用いて形成した金属配線は後続熱処理時、層間絶縁膜とのストレスによりリフティングされる現象が発生するが、本発明の望ましい実施形態による金属配線は前記のような金属配線がリフティングされる問題を防止できる。
【００２１】
図４乃至図７は本発明の望ましい実施形態による半導体素子の金属配線構造を示した断面図である。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図４は本発明の望ましい第１実施形態による半導体素子の金属配線構造を示した断面図である。
図４を参照すれば、半導体基板100上に層間絶縁膜102が形成されており、この層間絶縁膜102には下部の幅T2を上部の幅T1より広くしたトレンチが形成されている。そして、このトレンチの内部に段差に沿ってバリヤ膜108aが形成されるとともに、このバリヤ膜108aにより取り囲まれるようにして、下部の幅が上部の幅より広く形成された導電膜110aが前記トレンチに埋め込まれることにより、本発明の望ましい第１実施形態の金属配線が構成されている。ここで、トレンチ部が狭幅な層間絶縁膜102の上部の厚さは層間絶縁膜102の全体厚さの20乃至70%程度であることが望ましい。層間絶縁膜102は一つの層の絶縁膜で形成されている膜であり、USG(Undoped  Silicate  Glass)膜、SiOF(Silicon  Oxide  Fluoride)膜、TEOS(Tetra  Ethyl  Ortho  Silicate)膜、SOG(Spin  On  Glass)膜又はBPSG(Boro  Phosphorus  Silicate  Glass)膜よりなる膜であり得る。半導体基板100は所定の下部膜上にUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜のような絶縁膜とシリコン窒化膜とが順次に形成されている基板であり得る。バリヤ膜108aはTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜又はこれらの組み合わせ膜よりなる膜であり、導電膜110aは銅又はタングステンよりなる膜であり得る。
【００２３】
＜第２実施形態＞
図５は本発明の望ましい第２実施形態による半導体素子の金属配線構造を示した断面図である。
図５を参照すれば、半導体基板200上に層間絶縁膜203が形成されており、この層間絶縁膜203には下部の幅T4を上部の幅T3より広くしたトレンチが形成されている。そして、このトレンチの内部に段差に沿ってバリヤ膜206aが形成されるとともに、このバリア膜206aにより取り囲まれるようにして、下部の幅が上部の幅より広く形成された導電膜208aが前記トレンチに埋め込まれることにより、本発明の望ましい第２実施形態の金属配線が構成されている。ここで、層間絶縁膜203は二つの層すなわち第１絶縁膜201及び第２絶縁膜202が順次に形成されている膜であり、第１絶縁膜201のトレンチ幅T4が第２絶縁膜202のトレンチ幅T3より広く形成されている膜である。第２絶縁膜202の厚さは第１絶縁膜201及び第２絶縁膜202の全体厚さの20乃至70%程度であることが望ましい。第１絶縁膜201は第２絶縁膜202に比べてエッチング比が大きく、低誘電率を有する流動性酸化膜（Flowable Oxide、以下‘FOX’という)又はHOSP(Hydride Organic Siloxane Polymer)膜よりなる膜であり、第２絶縁膜202は第１絶縁膜201に比べてエッチング比が小さいUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜よりなる膜であり得る。ここで、半導体基板200、バリヤ膜206a、導電膜208aの構成は前記第１実施形態の場合と同一である。
【００２４】
＜第３実施形態＞
図６は本発明の望ましい第３実施形態による半導体素子の金属配線構造を示した断面図である。
図６を参照すれば、半導体基板300上に層間絶縁膜302が形成されており、この層間絶縁膜302には中間部の幅T6を上部及び下部の幅T5,T7より広くしたトレンチが形成されている。そして、このトレンチの内部に段差に沿ってバリヤ膜308aが形成されるとともに、このバリヤ膜308aにより取り囲まれるようにして、中間部の幅が上部及び下部の幅より広く形成された導電膜310aが前記トレンチに埋め込まれることにより、本発明の望ましい第３実施形態の金属配線が構成されている。ここで、層間絶縁膜302の中間部の厚さは層間絶縁膜302の全体厚さの20乃至50%程度であることが望ましい。層間絶縁膜302は一つの層の絶縁膜で形成されている膜であり、USG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜よりなる膜であり得る。半導体基板300は所定の下部膜上にUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜のような絶縁膜とシリコン窒化膜とが順次に形成されている基板であり得る。バリヤ膜308aはTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜又はこれらの組み合わせ膜よりなる膜であり、導電膜310aは銅又はタングステンよりなる膜であり得る。
【００２５】
＜第４実施形態＞
図７は本発明の望ましい第４実施形態による半導体素子の金属配線構造を示した断面図である。
図７を参照すれば、半導体基板400上に層間絶縁膜405が形成されており、この層間絶縁膜405には中間部の幅T9を上部及び下部の幅T8,T10より広くしたトレンチが形成されている。そして、このトレンチの内部に段差に沿ってバリヤ膜406aが形成されるとともに、このバリヤ膜406aにより取り囲まれるようにして、中間部の幅が上部及び下部の幅より広く形成された導電膜408aが前記トレンチに埋め込まれることにより、本発明の望ましい第４実施形態の金属配線が構成されている。ここで、層間絶縁膜405は三つの層すなわち第１絶縁膜401，第２絶縁膜402及び第３絶縁膜403が順次に形成されている膜であり、中間部の第２絶縁膜402のトレンチ幅T9が上部の第３絶縁膜403及び下部の第１絶縁膜401のトレンチ幅T8,T10より広く形成されている膜である。第２絶縁膜402の厚さは第１絶縁膜401、第２絶縁膜402及び第３絶縁膜403の全体厚さの20乃至50%程度であることが望ましい。第１絶縁膜401は第２絶縁膜402に比べてエッチング比が小さいUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜よりなる膜であり、第２絶縁膜402は第１絶縁膜401に比べてエッチング比が大きく、低誘電率を有するFOX膜又はHOSP膜よりなる膜であり、第３絶縁膜403は第２絶縁膜402に比べてエッチング比が小さいUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜よりなる膜であり得る。ここで、半導体基板400、バリヤ膜406a、導電膜408aの構成は前記第３実施形態の場合と同一である。
【００２６】
以下では、本発明の望ましい実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を説明する。
【００２７】
＜第１実施形態＞
図８および図９は本発明の望ましい第１実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
図８（ａ）を参照すれば、半導体基板100上に層間絶縁膜102を形成する。層間絶縁膜102はUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜で形成するのが望ましい。半導体基板100は所定の下部膜上にUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜のような絶縁膜とシリコン窒化膜とが順次に形成されている基板であり得る。
【００２８】
図８（ｂ）を参照すれば、層間絶縁膜102上にフォトリソグラフィ工程を用いてフォトレジストパターン104を形成する。このフォトレジストパターン104をマスクとして層間絶縁膜102の一部をエッチングして浅いトレンチ106を形成しながら、この浅いトレンチ106の側壁にエッチングに対するマスキング役割を果たすポリマ105を形成する。浅いトレンチ106の深さは層間絶縁膜102の全体厚さの20乃至70%程度になるように形成するのが望ましい。一般的なエッチングガスはCHF3、CF4、C4F8又はC3F8のようなC−F系ガスとAr、He又はNeのような不活性ガスを主に使用する。水素を含有しないC−F系ガスはポリマ形成を抑えるが、水素を含有するC−F系ガス、例えばCHF3ガスは多くのポリマを形成させる。従って、本実施形態では水素を含有するC−F系ガスをエッチングガスとして使用して浅いトレンチ106の側壁にポリマ105を形成させ、これは後続のエッチング工程でエッチングに対するマスキング役割を果たさせるためである。
【００２９】
図９（ａ）を参照すれば、フォトレジストパターン104及び浅いトレンチ106の側壁に形成されたポリマ105をマスクとして残りの層間絶縁膜102をエッチングし、下部の幅T2が上部の幅T1より広いトレンチ107を形成する。下部の層間絶縁膜102のエッチング時には浅いトレンチ106を形成する場合より低いバイアスパワーを加えてエッチングする。この際、層間絶縁膜と基板との界面でエッチング粒子の不規則な反射が起こるため下部層間絶縁膜の側方方向に対してもエッチングが発生して下部の幅T2が上部の幅T1より広いトレンチ107が形成される。この場合、前記浅いトレンチ106の側壁に形成されたポリマ105はエッチングに対するマスキング役割を果たすため、層間絶縁膜の上部はこれ以上エッチングが進行せず、下部の層間絶縁膜のみにエッチングが継続して進行する。下部の層間絶縁膜のエッチング時にはポリマ形成を抑えながらエッチングしなければならないので、前述したように水素を含有しないC−F系ガスと不活性ガスとを使用する。又、ポリマ形成を防止するガスとしては酸素(O2)と窒素(N2)があるが、このガスを、エッチング時水素を含有しないC−F系ガスと不活性ガスに混ぜて使用してエッチング時ポリマ形成を防止できる。ポリマ形成を防止させる能力は窒素より酸素が相対的に大きい。例えば、1sccmの酸素が15sccmの窒素のような効果を示す。ポリマを形成させない程度の酸素ガスの投入量は大体でC−F系ガスの約50乃至75重量%程度である。酸素はCO又はCO2を形成しながらポリマを除去し、窒素はCN(cyanide  gas)を形成しながら、ポリマを除去する。結局下部の幅T2が上部の幅T1より広いトレンチ107構造が形成される。
【００３０】
図９（ｂ）を参照すれば、前記フォトレジストパターン104を通常の除去方法、例えばアッシング(ashing)工程を使用して除去し、前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜108を形成する。このバリヤ膜108は金属の拡散を防止し、かつ層間絶縁膜と導電膜との接着層として作用するTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜又はこれらの組み合わせ膜よりなることが望ましい。次いで、バリヤ膜108が形成された結果物の全面に導電膜110を蒸着する。この導電膜110は銅又はタングステンよりなり、電気メッキ法、化学気相蒸着法、スパッタリング法又はこれらを組み合わせた方法を使用して蒸着するのが望ましい。例えば、導電膜110はバリヤ膜108が形成された結果物の全面に第一次としてスパッタリング法を使用して蒸着し、第二次として電気メッキ法を使用して蒸着する。
【００３１】
次いで、導電膜110が蒸着された結果物を化学機械的研磨して層間絶縁膜102のトレンチの内部にのみ導電膜108が充填されるようにして図４に示されたような金属配線を形成する。
【００３２】
＜第２実施形態＞
図１０および図１１は本発明の望ましい第２実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
図１０（ａ）を参照すれば、半導体基板200上に第１層間絶縁膜201と第２層間絶縁膜202とを順次に形成する。第１層間絶縁膜201は第２層間絶縁膜202に比べてエッチング比が大きく、低誘電率を有するFOX膜又はHOSP膜で形成することが望ましい。第２層間絶縁膜202はUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜で形成するのが望ましい。第２層間絶縁膜202の厚さは第１層間絶縁膜201及び第２層間絶縁膜202の全体厚さの20乃至70%程度になるように形成するのが望ましい。第１層間絶縁膜201として使用されるFOX膜又はHOSP膜のような物質は第２層間絶縁膜202として使用されるUSG膜、SOG膜等に比べて誘電率が低いので、半導体素子の寄生キャパシタンスを減らせる。半導体基板200は所定の下部膜上にUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜のような絶縁膜とシリコン窒化膜が順次に形成されている基板であり得る。
【００３３】
図１０（ｂ）を参照すれば、第２層間絶縁膜202上にフォトリソグラフィ工程を用いて金属配線領域を限定するフォトレジストパターン204を形成する。
【００３４】
図１１（ａ）を参照すれば、フォトレジストパターン204をマスクとして第２層間絶縁膜202及び第１層間絶縁膜201を順次にエッチングして、エッチングされた第１層間絶縁膜201部分の幅T4がエッチングされた第２層間絶縁膜202部分の幅T3より広いトレンチを形成する。第１層間絶縁膜201は第２層間絶縁膜202に比べてエッチング比が大きいので、第１層間絶縁膜201がエッチングされてトレンチされる幅T4は第２層間絶縁膜202がエッチングされてトレンチされる幅T3より広いトレンチ構造が形成される。
【００３５】
図１１（ｂ）を参照すれば、前記フォトレジストパターン204を通常の除去方法、例えばアッシング(ashing)工程を使用して除去し、前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜206を形成する。このバリヤ膜206は金属の拡散を防止し、かつ層間絶縁膜と導電膜との接着層として作用するTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜又はこれらの組み合わせ膜よりなることが望ましい。次いで、バリヤ膜206が形成された結果物の全面に導電膜208を蒸着する。この導電膜208は銅又はタングステンよりなり、電気メッキ法、化学気相蒸着法、スパッタリング法又はこれらを組み合わせた方法を使用して蒸着するのが望ましい。例えば、導電膜208はバリヤ膜206が形成された結果物の全面に第一次としてスパッタリング法を使用して蒸着し、第二次として電気メッキ法を使用して蒸着する。
【００３６】
次いで、導電膜208が蒸着された結果物を化学機械的研磨して層間絶縁膜201, 202のトレンチの内部にのみ導電膜208が充填されるようにして図5に示されたような金属配線を形成する。
【００３７】
＜第３実施形態＞
図１２および図１３は本発明の望ましい第３実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
図１２（ａ）を参照すれば、半導体基板300上に層間絶縁膜302を形成する。この層間絶縁膜302はUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜で形成するのが望ましい。半導体基板300は所定の下部膜上にUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜のような絶縁膜とシリコン窒化膜とが順次に形成されている基板であり得る。
【００３８】
図１２（ｂ）を参照すれば、層間絶縁膜302上にフォトリソグラフィ工程を用いて金属配線領域を限定するフォトレジストパターン304を形成する。このフォトレジストパターン304をマスクとして層間絶縁膜302の上部をエッチングして第１トレンチ306を形成しながら、第１トレンチ306の側壁にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマ305′を形成する。一般的にエッチングガスはCHF3、CF4、C4F8又はC3F8のようなC−F系ガスとAr、He又はNeのような不活性ガスを使用する。水素を含有しないC−F系ガスはポリマ形成を抑えるが、水素を含有するC−F系ガス、例えばCHF3ガスは多くのポリマを形成させる。従って、本実施形態では水素を含有するC−F系ガスをエッチングガスとして使用して第１トレンチ306の側壁にポリマ305′を形成させ、これは後続のエッチング工程でエッチングに対するマスキングの役割を果たさせるためである。
【００３９】
図１３（ａ）を参照すれば、フォトレジストパターン304及び第１トレンチ306の側壁に形成されたポリマ305′をマスクとして層間絶縁膜302の中間部をエッチングして、幅T6が上部の第１トレンチ306の幅T5より広い第２トレンチを形成する。このとき、第１トレンチ306の側壁、すなわち層間絶縁膜302のエッチング部上部側壁に形成されたポリマ305′はエッチングに対するマスキングの役割を果たすので、層間絶縁膜の上部はこれ以上エッチングが進行せず、層間絶縁膜の中間部のみエッチングが継続して進行する。また、層間絶縁膜中間部のエッチング時には水素を含有しないC−F系ガス及び不活性ガスを使用する。しかし、エッチングが層間絶縁膜中間部の下部に至ると、水素を含有するC−F系ガス、例えばCHF3ガスを使用して層間絶縁膜の中間部の下部にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマ305″を形成する。結局、エッチングされた層間絶縁膜中間部の下部（第２トレンチの下部側壁）にエッチングに対するマスキングの役割を果たすポリマ305"が形成され、かつ幅T6が上部の第１トレンチ306の幅T5より広く形成された第２トレンチ構造が形成される。その後、前記フォトレジストパターン304及び前記層間絶縁膜のエッチング部上部と中間部の下部に形成された前記ポリマ305′,305″をマスクとして残りの下部の層間絶縁膜をエッチングして、幅T7が中間部の第２トレンチの幅T6より狭い第３トレンチ307を形成する。このとき、層間絶縁膜のエッチング部上部と中間部の下部に形成されたポリマ305′,305″はエッチングに対するマスキングの役割を果たすので、層間絶縁膜302の上部と中間部の下部はこれ以上エッチングが進行せず、残りの層間絶縁膜の下部のみエッチングされる。なお、層間絶縁膜302の中間部の厚さは層間絶縁膜302の全体厚さの20乃至50%程度になるように形成するのが望ましい。また、ポリマを抑えながらエッチングする方法は第１実施形態で前述した通りである。
【００４０】
図１３（ｂ）を参照すれば、フォトレジストパターン304を通常の除去方法、例えばアッシング(ashing)工程を使用して除去し、前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜308を形成する。このバリヤ膜308は金属の拡散を防止し、かつ層間絶縁膜と導電膜との接着層として作用するTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜又はこれらの組み合わせ膜よりなることが望ましい。次いで、バリヤ膜308が形成された結果物の全面に導電膜310を蒸着する。この導電膜310は銅又はタングステンよりなり、電気メッキ法、化学気相蒸着法、スパッタリング法又はこれらを組み合わせた方法を使用して蒸着するのが望ましい。例えば、導電膜310はバリヤ膜308が形成された結果物の全面に第一次としてスパッタリング法を使用して蒸着し、第二次として電気メッキ法を使用して蒸着する。
【００４１】
次いで、導電膜310が蒸着された結果物を化学機械的研磨して前記層間絶縁膜302のトレンチの内部にのみ導電膜310が充填されるようにして図6に示されたような金属配線を形成する。
【００４２】
＜第4実施形態＞
図１４および図１５は本発明の望ましい第4実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
図１４（ａ）を参照すれば、半導体基板400上に第１層間絶縁膜401と第２層間絶縁膜402とを順次に形成する。第１層間絶縁膜401は第２層間絶縁膜402に比べてエッチング比が小さいUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜で形成するのが望ましい。第２層間絶縁膜402はFOX膜又はHOSP膜で形成することが望ましく、第１層間絶縁膜401に比べてエッチング比が大きく、低誘電率を有する物質を使用して形成する。第２層間絶縁膜402として使用されるFOX膜又はHOSP膜のような物質は第１層間絶縁膜として使用されるUSG膜、SOG膜等に比べて誘電率が低いので、半導体素子の寄生キャパシタンスを減らせることができる。第２層間絶縁膜402上に第２層間絶縁膜402に比べてエッチング比が小さい第３層間絶縁膜403を形成する。この第３層間絶縁膜403はUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜で形成するのが望ましい。第２層間絶縁膜402の厚さは第１層間絶縁膜401、第２層間絶縁膜402及び第３層間絶縁膜403の全体厚さの20乃至50%程度になるように形成するのが望ましい。半導体基板400は所定の下部膜上にUSG膜、SiOF膜、TEOS膜、SOG膜又はBPSG膜のような絶縁膜とシリコン窒化膜とが順次に形成されている基板であり得る。
【００４３】
図１４（ｂ）を参照すれば、第３層間絶縁膜403上にフォトリソグラフィ工程を用いて金属配線領域を限定するフォトレジストパターン404を形成する。
【００４４】
図１５（ａ）を参照すれば、フォトレジストパターン404をマスクとして第3層間絶縁膜403、第２層間絶縁膜402及び第１層間絶縁膜401を順次にエッチングして、エッチングされた第２層間絶縁膜402部分の幅T9がエッチングされた第１層間絶縁膜401及び第３層間絶縁膜403部分の幅T10,T8より広いトレンチを形成する。これは、第２層間絶縁膜402のエッチング比が第１層間絶縁膜401及び第３層間絶縁膜403のエッチング比に比べて大きいので、第２層間絶縁膜402のエッチングされる幅T9が第１層間絶縁膜401及び第３層間絶縁膜403のエッチングされる幅T10,T8より広くなるためである。
【００４５】
図１５（ｂ）を参照すれば、フォトレジストパターン404を通常の除去方法、例えばアッシング(ashing)工程を使用して除去し、前記結果物の全面に段差に沿ってバリヤ膜406を形成する。バリヤ膜406は金属の拡散を防止し、かつ層間絶縁膜と導電膜との接着層として作用するTa膜、TaN膜、Ti膜、TiN膜又はこれらの組み合わせ膜よりなることが望ましい。次いで、バリヤ膜406が形成された結果物の全面に導電膜408を蒸着する。この導電膜408は銅又はタングステンよりなり、電気メッキ法、化学気相蒸着法、スパッタリング法又はこれらを組み合わせた方法を使用して蒸着するのが望ましい。例えば、導電膜408はバリヤ膜406が形成された結果物の全面に第一次としてスパッタリング法を使用して蒸着し、第二次として電気メッキ法を使用して蒸着する。
【００４６】
次いで、導電膜408が蒸着された結果物を化学機械的研磨して第１，第２及び第３層間絶縁膜401, 402, 403のトレンチの内部にのみ導電膜408が充填されるようにして図7に示されたような金属配線を形成する。
【００４７】
【発明の効果】
以上のような本発明に係る半導体素子の金属配線構造及び半導体素子の金属配線製造方法によると、金属配線がリフティングされる現象が発生することを防止できる。即ち、金属配線下部の幅が金属配線上部の幅より広い金属配線構造を形成するか、或いは金属配線中間部の幅が金属配線上部及び下部の幅より広い金属配線構造を形成することにより、金属配線が後続熱処理時、層間絶縁膜とのストレスによりリフティングされる現象が抑えられる。又、層間絶縁膜として低誘電率を有する絶縁膜を使用することにより寄生キャパシタンスを減少させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のダマシン工程を用いた金属配線構造を示した断面図である。
【図２】従来のダマシン工程を用いた金属配線構造を示した断面図である。
【図３】従来の金属配線構造において、金属配線がリフティングされた様子を示す斜視図である。
【図４】本発明の望ましい第１実施形態による半導体素子の金属配線を示した断面図である。
【図５】本発明の望ましい第２実施形態による半導体素子の金属配線を示した断面図である。
【図６】本発明の望ましい第３実施形態による半導体素子の金属配線を示した断面図である。
【図７】本発明の望ましい第4実施形態による半導体素子の金属配線を示した断面図である。
【図８】本発明の望ましい第１実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
【図９】本発明の望ましい第１実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
【図１０】本発明の望ましい第２実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
【図１１】本発明の望ましい第２実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
【図１２】本発明の望ましい第３実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
【図１３】本発明の望ましい第３実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
【図１４】本発明の望ましい第4実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
【図１５】本発明の望ましい第4実施形態による半導体素子の金属配線製造方法を工程順に示した断面図である。
【符号の説明】
100  半導体基板
102  層間絶縁膜
108a  バリヤ膜
110a  導電膜
【図１】
0004230689.tif 000002
【図２】
0004230689.tif 000003
【図３】
0004230689.tif 000004
【図４】
0004230689.tif 000005
【図５】
0004230689.tif 000006
【図６】
0004230689.tif 000007
【図７】
0004230689.tif 000008
【図８】
0004230689.tif 000009
【図９】
0004230689.tif 000010
【図１０】
0004230689.tif 000011
【図１１】
0004230689.tif 000012
【図１２】
0004230689.tif 000013
【図１３】
0004230689.tif 000014
【図１４】
0004230689.tif 000015
【図１５】
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