(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下層金属材料と上層金属材料とを電気的に導通させるためのヴィアホールの形成方法であって、
層間絶縁膜を形成する第１の工程と、
該絶縁膜上に塗布したレジストにヴィアホール開口部の形状をパターニングする第２の工程と、
該ヴィアホール開口部パターンに基づいて前記層間絶縁膜をエッチング除去してヴィアホールを形成する第３の工程と、
前記レジストに熱処理を施して該ヴィアホール開口部パターンのレジスト側壁部の角度をなまらせる第４の工程と、
前記ヴィアホール内部及び前記レジスト上に金属を堆積する第５の工程と、
該レジストを除去して該レジスト上の金属をリフトオフ除去する第６の工程とを備えることを特徴とするヴィアホールの形成方法。
【請求項２】
前記第３の工程と前記第４の工程との間に、前記レジストを酸素プラズマに晒すことにより、前記ヴィアホール開口部パターンを拡大させると同時に該レジストの厚さを減ずる第７の工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のヴィアホールの形成方法。
【請求項３】
前記第７の工程終了後の前記レジストの厚さが、１．０μｍ以下０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載のヴィアホールの形成方法。
【請求項４】
前記第４の工程終了時における前記レジスト側壁面と前記層間絶縁膜表面との成す角度が、４５°以上７５°以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヴィアホールの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接続孔（ヴィアホール）の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヴィアコンタクトは、ＬＳＩにおける相異なる２層の金属配線を電気的に接続するために層間絶縁膜に形成されるためのもので、このコンタクトの形成に際しては２層の金属配線を接続する金属を埋め込むための接続孔（ヴィアホール）を形成する必要がある。
【０００３】
従来のヴィアコンタクトの形成方法は、先ず、下層金属配線を形成した後に、この金属配線を電気的に絶縁するための層間絶縁膜を形成し、この絶縁膜上にレジストを塗布して写真製版処理及びエッチング処理を施して接続孔（ヴィアホール）パターンを形成し、次に、このパターンに基づいて、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により下層金属配線上の層間絶縁膜をエッチングで除去してヴィアホールを形成する。
【０００４】
これに続いて、ヴィアホール内部に埋め込み金属を形成するために、レジスト上に満遍なく金属（Ａｕが一般的）を蒸着させて埋め込み金属と下層金属配線とを電気的に接続させ、最後に、有機溶剤を用いてレジストを除去する。なお、このレジスト除去の工程で、レジスト上に付着した金属もリフトオフされて除去される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のヴィアホールの形成工程によると、上述した層間絶縁膜のエッチング工程において、いわゆる「サイドエッチング」が生じ、層間絶縁膜はレジストパターンどおりにエッチングされず、レジストが庇の形状となって残るアンダーカットが形成される。この状態で金属を蒸着すると、パターニングされたレジスト側面にも徐々に金属が付着し、エッチング工程で形成されたアンダーカット量が益々増大して、レジストと金属による庇の張り出しの程度が益々激しくなる。このような庇の張り出しは、ヴィアホール開口面積を狭めることになり、ビアホール内への埋め込み金属量を減らしてしまう。その結果、埋め込み金属の断面形状は、直方体ではなく、根元が広く（太く）先端に向かって狭くなる台形形状となる。
【０００６】
例えば幅１μｍの微細なコンタクトホールに埋め込み金属であるＡｕを約０．７μｍ埋め込む場合には、台形の断面形状を有する埋め込み金属に対して、リフトオフ法によるレジスト及びレジスト上の金属の除去を行なうと、埋め込み金属先端部と層間絶縁膜エッジ部との距離が０．３μｍ以上にも広がってしまい、片側０．３μｍの空隙が生じることとなる。このような状態のヴィアコンタクトの上に上層金属配線を形成しても、金属はこの隙間を充分に埋めることができず、配線にクラックが発生して、断線による導通不良等によって信頼性が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ヴィアホール金属とその上に形成される上層金属配線との接続不良を解消するためのヴィアホール形成方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、下層金属材料と上層金属材料とを電気的に導通させるためのヴィアホールの形成方法であって、層間絶縁膜を形成する第１の工程と、該絶縁膜上に塗布したレジストにヴィアホール開口部の形状をパターニングする第２の工程と、該ヴィアホール開口部パターンに基づいて前記層間絶縁膜をエッチング除去してヴィアホールを形成する第３の工程と、前記レジストに熱処理を施して該ヴィアホール開口部パターンのレジスト側壁部の角度をなまらせる第４の工程と、前記ヴィアホール内部及び前記レジスト上に金属を堆積する第５の工程と、該レジストを除去して該レジスト上の金属をリフトオフ除去する第６の工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のヴィアホールの形成方法において、前記第３の工程と前記第４の工程との間に、前記レジストを酸素プラズマに晒すことにより、前記ヴィアホール開口部パターンを拡大させると同時に該レジストの厚さを減ずる第７の工程を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のヴィアホールの形成方法において、前記第７の工程終了後の前記レジストの厚さが、１．０μｍ以下０．５μｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
更に、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のヴィアホールの形成方法において、前記第４の工程終了時における前記レジスト側壁面と前記層間絶縁膜表面との成す角度が、４５°以上７５°以下であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明のヴィアホールの形成方法の例を説明するための図で、図１（ａ）は、レジストの開口部をマスクとして下地の層間絶縁膜をエッチングした直後の様子を示している。すなわち、下部金属配線１１を覆う例えばＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）の層間絶縁膜１２の上にレジスト１３を塗布した後、ヴィアホールの開口孔１４のみを除去する様にこれを現像し、その後、ＲＩＥ法により、この開口パターンをマスクとしてＳＯＧ層間絶縁膜１２をエッチングする。なお、ＲＩＥの反応ガスとしては、ＣＦ４を一般的に使用するが、これに限定されず、フッ素系のガスであれば、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＳＯＧ等の層間絶縁膜に対してエッチングガスとして適用可能である。
【００１４】
このエッチング工程においては、その条件にもよるが、層間絶縁膜１２を深さ方向にエッチングするのと同時に、層間絶縁膜１２の横方向にも僅かにエッチングが進行（サイドエッチング）し、その結果、開口孔１４の形状は、表面側で広く深部で狭くなる。このままの状態で、開口孔１４部に金属を埋め込もうとすると、レジスト１３が、いわゆる庇の役割を果たし、レジスト１４の上角部に金属が集中的に堆積されることとなり、この庇の張り出しが益々大きくなってヴィアホールの開口面積を益々狭めることとなる。そのため、本発明のヴィアホールの形成方法では、金属を蒸着する前に、レジスト１３に熱処理（ベーキング）を施すことによりその形状を変化させることとしている。
【００１５】
図１（ｂ）は、レジスト１３にベーキングを施した後のレジスト形状を説明するための図で、ベーキング後のレジストのエッジ角度（側壁部の角度：θａ）が、ベーキング前（図１（ａ））のレジストのエッジ角度（側壁部の角度：θｂ）の８５°〜９０°から４５°〜７５°と変化している。
【００１６】
このベーキング条件（温度／時間）は、用いるレジスト１３の種類（基本材料樹脂）に依存するが、このベーキング処理は、レジスト１３のエッジ角度が４５°〜７５°の範囲となることに意味があるため、パターン形状に丸めが生じてしまう１５０℃程度以上の温度や、レジスト形状に何らの変化も生じない１００℃以下の温度は適当でなく、１２０℃〜１５０℃の温度範囲でハードベーク（この温度に昇温した炉内にパターニングしたウェハを所定時間（数十分）保持）することでなされる。
【００１７】
また、ベーキング後のエッジ角度が４５°以下の場合には、レジスト１３側面に付着する金属が多くなり過ぎ、その後の工程で行うリフトオフが不可能となり、７５°以上の場合には、金属による庇形成の抑制効果が低下してしまうため好ましくない。
【００１８】
このようなベーキングを施してレジスト形状を変化させた後に、このレジスト１３をマスクにして金属の蒸着を行う。
【００１９】
図１（ｃ）は、金属蒸着後の様子を説明するための図で、この例では、埋め込み金属としては、Ｔｉ、Ｐｔ、及び、Ａｕを用い、Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（４０ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）の３層構造の金属層１５を連続形成した。ここで、最下層のＴｉ層１５ａは、下層金属配線１１（この場合には電極金属、熱処理したＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）との接着性を高めるため、Ｐｔ層１５ｂはＴｉ層１５ａとＡｕ層１５ｃの固相反応を抑制するために設けられたもので、導電機能を支配するのはＡｕ層１５ｃである。
【００２０】
このような金属の蒸着工程において、蒸着金属はレジスト１３のエッジ部に最も堆積され易いが、本発明のヴィアホールの形成方法では、予め、レジスト１３のエッジ角度を鈍らせているために、例えエッジ部に金属が堆積されたとしてもレジスト開口部を狭めることがない。従って、ヴィアホールに埋め込まれた後の金属形状は、台形とはなるもののその上底と下底との長さの差は顕著ではなく方形に近い形状が得られている。
【００２１】
また、方形に近い金属形状を得るためには、金属蒸着を行う前に、層間絶縁膜１２上のレジスト１３を横方向に後退させることも効果的である。すなわち、ＲＩＥ後のレジスト１３と下層絶縁膜１２の開孔径を比較した場合、層間絶縁膜１２の開孔径の方が大きいため、例え、レジスト形状を鈍らせてエッジ部への金属堆積を抑制したとしても、レジスト１３と下層絶縁膜１２の開孔径差に起因して、依然としてヴィアホール埋込金属と、ヴィアホール開孔径との差が生ずることがあり、これを避けるために、金属蒸着を行う前にレジスト開孔径を広げておくのである。
【００２２】
具体的には、レジスト１３をパターニングした基板を、酸素プラズマ中に晒してレジスト１３をエッチングして開孔径を広げる。エッチングの条件は等方的であることが好ましく、従って、ＲＩＥモードよりもプラズマモードを選択する（前者は、ガス圧が小さく、印加高周波信号のパワーが大きい時、すなわち、個々の酸素分子／ラジカルが電界により加速されやすい条件に対応し、後者は、ガス圧が高く、高周波パワーが小さい時で、酸素イオン／ラジカルが等方的に加速され易い条件に対応する）。
【００２３】
この条件下では、レジスト１３は縦横の両方向にほぼ等しくエッチングされるため、レジスト厚を減少させると同時に開孔径も大きくすることができる（異方性条件では開孔径が大きくなるよりも先にレジスト厚が減少する）。レジスト１３の後退距離（開孔径拡大程度）は、片側０．１〜０．３μｍ程度となることが好ましく、このエッチング工程終了後のレジストの厚さが、１．０μｍ以下０．５μｍ以上となることが好ましい。
【００２４】
図１（ｄ）は、金属蒸着後のレジスト除去を行なった後の様子を説明するための図で、ヴィアホール内にほぼ方形の金属層１５が埋め込まれたヴィアコンタクトが得られている。レジスト上に堆積されていた余剰金属は、レジストを有機溶剤等で除去する際にリフトオフされる。このレジスト除去工程においては、レジストの側面（開孔部側面）にも若干の金属は堆積しているもののその量は極めて僅かであり、レジスト除去用の有機溶剤のレジスト中への染み込みを阻害するということは生じない。なお、有機溶剤中でレジストに超音波等を用いて振動を加えながら除去プロセスを実行することで金属のリフトオフは促進される。
【００２５】
〔実施例〕
以下に、本発明のヴィアホールの形成方法を用いて、トランジスタにヴィアコンタクトを形成する実施例を説明する。
【００２６】
図２は、本発明のヴィアホールの形成方法を用いてヴィアコンタクトを形成するヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構造例を説明するための図で、このＨＢＴは、半絶縁性ＩｎＰ基板２１上に、ｎ＋−ＩｎｘＧａ1−ｘＡｓサブコレクタ層２２と、ｎ−ＩｎｘＧａ1−ｘＡｓコレクタ層２３と、ｐ＋−ＩｎｘＧａ1−ｘＡｓベース層２４と、ｎ−ＩｎＰエミッタ層２５と、ｎ＋−ＩｎｘＧａ1−ｘＡｓエミッタコンタクト層２６とを順次積層して構成されている。
【００２７】
コレクタ電極２７（Ｃ電極）、ベース電極２８（Ｂ電極）、及び、エミッタ電極２９（Ｅ電極）の各電極は、それぞれ、サブコレクタ層２２、ベース層２４、及び、エミッタコンタクト層２６上に設けられ、これらの電極材料としては、Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕが共通に用いられる。ベース電極２８は薄く形成されたエミッタ層２５を介してベース層２４に接続する構成がとられており、電極金属を熱処理する過程で、ベース金属は半導体中にシンターされ、エミッタ層２５を貫通してベース層２４に達してベース電極２８が形成される。
【００２８】
図２に示した構成のＨＢＴの各電極にヴィアコンタクトを形成するプロセスの概略を以下に説明する。
【００２９】
図２に示した構成のＨＢＴの高さ（厚さ）は、基板２１からエミッタ電極２９の頂部までの高さが１．３μｍにもなり、１．３μｍの段差上に微小幅（１．０〜１．５μｍ）のエミッタ引き出し配線を段切れなく安定して形成することは困難なため平坦化を行う。
【００３０】
図３は、この平坦化プロセスの概略を説明するための図である。なお、この図では、ＨＢＴの内部構造は簡略化して描いている。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、ＨＢＴ３２を形成した基板３１上に厚さ８５０ｎｍ程度の層間絶縁膜３３を、例えばプラズマＣＶＤ法で堆積する。ここで層間絶縁膜３３の材料としては、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２などとすることが可能である。
【００３２】
次いで、ＳＯＧ３４等をウェハを回転させながら塗布する。ＳＯＧ３４は常温で液体（粘度は高い）であり、昇温処理することでＳｉＯ２（ガラス材）に転換する材料である。これをレジストを塗布する様にスピンナーを用いてウエハ上に塗布すると、下地膜が薄いエミッタ電極上は薄く、コレクタ電極上は厚く塗布され、全体として平坦化がなされる。この状態で昇温処理（１００℃〜２００℃）してＳＯＧ３４を固化させた後、ウエハ全体をエッチングする。この時、固化したＳＯＧ３４のエッチング速度と、層間絶縁膜３３のエッチング速度をほぼ等しくしておくことが重要であり、エッチング後は図３（ｂ）に示したような形状となる。
【００３３】
本実施例では、層間絶縁膜３３としてＳｉＯＮ膜を８５０ｎｍ、ＳＯＧ３４を約５００ｎｍの厚みで塗布し、全体を約１μｍエッチバックする工程としている。この場合、エミッタ電極上には約３５０ｎｍ、ベース電極上には約７００ｎｍ、コレクタ電極上には約１μｍのＳｉＯＮ膜が残っていることとなる。
【００３４】
なお、ＳＯＧ３４に替えて、ポリイミドやレジスト等も用いることが可能である。但し、その場合には、ＳＯＧと同様の方法をレジストに適用すると、レジストが厚く堆積した個所では平坦化エッチングを行った後もレジストが残るので、層間絶縁膜３３をさらに厚く堆積しておき、レジストが完全に除去されるまでエッチングすることが必要になる。
【００３５】
次に、ヴィアコンタクトの形成を行なうこととなるが、各電極上に残っているＳｉＯＮ膜の厚さがそれぞれ異なっており、特に、最も深い位置にあるコレクタ電極上には１μｍ、最も浅い位置にあるエミッタ電極上には０．３５μｍ程度のＳｉＯＮ膜が残存しているため、一度のプロセスで各電極へのヴィアコンタクト形成することはできない。すなわち、埋め込み金属の厚みをコレクタ電極に合わせた場合には、エミッタ電極上では金属膜厚が余ることになるし、逆に、エミッタ電極に合わせた場合には、コレクタ電極上のヴィアホールを埋め込むことができなくなる。従って、本実施例では、ベース電極及びコレクタ電極のヴィアホールを同一工程で埋め込み、エミッタ電極は別工程で埋め込むこととしている。
【００３６】
具体的な手順は既に図１で説明したとおりであるが、本実施例の場合には、コレクタ電極及びベース電極用のヴィアホールでは、７００ｎｍ〜１０００ｎｍの絶縁膜をエッチングしなければならず、片側２００ｎｍ程度のサイドエッチングが層間絶縁膜に導入されるのは避けることができない。従って、レジストを１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度後退させることでヴィアホール埋込金属の形状を整えることが有効である。
このヴィアホール金属埋め込みに続けて、第１層配線を行う。
【００３７】
図４及び図５は、第１層配線のプロセス例を説明するための図で、図４はミリングを用いる方法の配線プロセスを説明するための図で、図５はヴィアホール埋め込みで用いたリフトオフ法による配線プロセスを説明するための図である。
【００３８】
図４に示したミリングを用いる方法では、下部金属配線４２、層間絶縁層４３、及び、ヴィアコンタクト４４を形成した基板４１のウェハ全面に配線金属４５（ＴｉＷ（４５ａ）／Ａｕ（４５ｂ）＝２０ｎｍ／５００ｎｍ）を形成し（図４（ａ））、その上に、配線部を覆う様にレジスト４６をパターニングする（図４（ｂ））。このレジストパターンをマスクとして、不要部のＡｕ配線金属４５ｂをミリング除去する（図４（ｃ））。
【００３９】
ミリングは、Ａｒイオンを用い、このＡｒイオンによるミリングでは、ＴｉＷのミリングレートが小さいため、このＴｉＷ層４５ａでミリングが終了する。その後Ｆ系ガスを用いたＲＩＥで残ったＴｉＷ層４５ａをエッチングすることで、配線形成が完了する（図４（ｄ））。
【００４０】
図５に示したリフトオフを用いる方法の場合には、層間絶縁膜が存在しないので、レジスト／絶縁膜／レジストという多層レジストを用いることとなる。すなわち、下部金属配線５２、層間絶縁層５３、及び、ヴィアコンタクト５４を形成した基板５１のウェハ全面にレジスト５５、絶縁膜５６、及び、レジスト５７からなる３層構造を形成し（図５（ａ））、上層のレジスト５７のみ配線金属のパターニングを行うこのパターンをマスクとして中間層の絶縁膜をエッチングする。
【００４１】
次いで、ここでエッチングされた絶縁膜をマスクとして下層のレジスト５５を酸素プラズマでエッチングする。この時の条件は、先に説明した異方性の強い条件で行うことが肝要であり、深さ方向により多くのエッチングが進み、横方向にはさほど大きくないエッチングの条件を適用する。このエッチングにより下層のレジスト５５をパターニングし、さらには、絶縁膜５６の開孔に対して若干サイドエッチングが施されたマスク形状が得られる（図５（ｂ））。
【００４２】
下層のレジスト５５の酸素プラズマによるエッチングで、上層のレジスト５７は完全にその全体がエッチングされる。このようにして得られたマスクの形状は、絶縁膜５６が、いわゆる庇の役割を果たし、その下の下層のレジスト５５が、ヴィアホール金属埋め込み工程での絶縁膜の役割を果たすこととなる。
【００４３】
この工程では、ヴィアホール埋め込みで必要としたレジストの後退や傾斜化は必要としない。なぜならば、開口の幅が、ヴィアホール工程では１μｍ程度であったが、この配線工程ではその幅は少なくとも２μｍ以上は確保されるからである。ヴィアホールの狭い開孔径では、レジスト肩（角）への金属の付着は大きな問題となるが、配線工程のように開口幅を広い場合には、このことは大きな問題とはならないからである。
【００４４】
次いで、配線金属５８を全面に形成する（図５（ｃ））。この場合の金属としては、Ｔｉ（５８ａ）２０ｎｍ／Ｐｔ（５８ｂ）２０ｎｍ／Ａｕ（５８ｃ）６００ｎｍを用いる。Ｔｉ層５８ａは下地金属（ヴィアホール埋め込み金属の最上層金属のＡｕ）との密着性を確保するためのものであり、Ｐｔ層５８ｂはＴｉ層５８ａとＡｕ層５８ｃとの相互作用（長期的に両者が混合すると、配線抵抗の増大に繋がる）防止のためのものであり、Ａｕ層５８ｃが本来の配線金属の役割を果たす。
【００４５】
金属蒸着後に、リフトオフ法によりレジスト（および絶縁膜）上の余剰金属を除去することで配線が完成する（図５（ｄ））。なお、この方法においては、中間の絶縁膜に変えて、例えばＴｉＷやＷＳｉ等の金属を用いることもできる。要は、下層のレジスト５５を酸素プラズマでエッチングする際に、この酸素プラズマに侵されない性質の金属であって、かつ、この膜自体がエッチング容易である必要がある。また、その形状がレジストを変質させない温度（１５０℃以下）で行えることが必要条件である。例えばＳｉＯ２を用いた場合には、フッ素系のガスでＲＩＥエッチング可能であるし、ＴｉＷやＷＳｉなどを用いれば同様にフッ素系ガスでエッチングが可能である。
【００４６】
なお、次工程を行う場合には、再度、絶縁膜被覆、ヴィアホール金属埋め込み、第２層配線形成、を実施することで、集積回路を作製することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レジストにベーキングを施すことでレジストのエッジ角度を４５°〜７５°と変化させたり、金属蒸着を行う前に層間絶縁膜上のレジストを横方向に後退させることとしたので、方形に近いヴィアコンタクトの金属形状が得られ、ヴィアホール金属とその上に形成される上層金属配線との接続不良を解消することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヴィアホールの形成方法の例を説明するための図である。
【図２】本発明のヴィアホールの形成方法を用いてヴィアコンタクトを形成するヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構造例を説明するための図である。
【図３】本発明のヴィアホールの形成方法を用いてＨＢＴを作製する実施例における、平坦化プロセスの概略を説明するための図である。
【図４】本発明のヴィアホールの形成方法を用いてＨＢＴを作製する実施例における、ミリングを用いる方法の配線プロセスを説明するための図である。
【図５】本発明のヴィアホールの形成方法を用いてＨＢＴを作製する実施例における、ヴィアホール埋め込みで用いたリフトオフ法による配線プロセスを説明するための図である。
【符号の説明】
１１、４２、５２  下部金属配線
１２、３３、４３、５３  層間絶縁膜
１３、４６、５５、５７  レジスト
１４  開口孔
１５  金属層
４４、５４  ヴィアコンタクト
２１、３１、４１、５１  基板
２２  サブコレクタ層
２３  コレクタ層
２４  ベース層
２５  エミッタ層
２６  エミッタコンタクト層
２７  コレクタ電極
２８  ベース電極
２９  エミッタ電極
３２  ＨＢＴ
３４  ＳＯＧ
４５、５８  配線金属
５６  絶縁膜
【図１】
0003835684.tif 000002
【図２】
0003835684.tif 000003
【図３】
0003835684.tif 000004
【図４】
0003835684.tif 000005
【図５】
0003835684.tif 000006