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JP2005005697A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP2005005697A
JP2005005697A JP2004150503A JP2004150503A JP2005005697A JP 2005005697 A JP2005005697 A JP 2005005697A JP 2004150503 A JP2004150503 A JP 2004150503A JP 2004150503 A JP2004150503 A JP 2004150503A JP 2005005697 A JP2005005697 A JP 2005005697A
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JP
Japan
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film
semiconductor device
manufacturing
interlayer insulating
stopper
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Application number
JP2004150503A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuaki Inukai
和明 犬飼
Atsushi Matsushita
篤志 松下
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Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Original Assignee
Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a semiconductor device capable of forming copper wiring excellent in pattern shape and ashing a resist film without damaging a low-k film. <P>SOLUTION: A stopper film 3 is formed on a semiconductor substrate 2 on which a copper wiring layer 1 is formed, and then an interlayer insulating film 6 formed of a low dielectric material is formed on the stopper film 3. Further, a cap film 7 is formed on the interlayer insulating film 6 and then a resist film 8 having a predetermined pattern is formed on the cap film 7. The cap film 7 and the interlayer insulating film 6 are etched taking the resist film 8 as a mask to form an opening 9 reaching the stopper film 3. Successively, a stopper film 3a exposed to the opening 9 with the resist film 8 left behind is etched to form a via hole 10 and then the resist film 8 is ashed for its removal. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、低誘電率絶縁膜を用いたダマシン法による半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device by a damascene method using a low dielectric constant insulating film.

近年、半導体デバイスの高速化は著しく、多層配線部における配線抵抗と配線間や配線層間の寄生容量に起因する信号伝搬速度の低下による伝送遅延が問題となってきている。こうした問題は、半導体デバイスの高集積化に伴う配線幅および配線間隔の微細化につれて配線抵抗が上昇し且つ寄生容量が増大するので、益々顕著となる傾向にある。   In recent years, the speed of semiconductor devices has been remarkably increased, and a transmission delay due to a decrease in signal propagation speed due to a wiring resistance in a multilayer wiring portion and a parasitic capacitance between wirings or wiring layers has become a problem. Such a problem tends to become more prominent because the wiring resistance increases and the parasitic capacitance increases as the wiring width and the wiring interval become finer due to higher integration of semiconductor devices.

配線抵抗および寄生容量の増大に基づく信号遅延を防止するために、従来より、アルミニウム配線に代わる銅配線の導入が行われるとともに、層間絶縁膜として低誘電率の絶縁膜(以下、Low−k膜という。)を用いることが試みられてきた。   In order to prevent signal delay due to an increase in wiring resistance and parasitic capacitance, copper wiring has been introduced instead of aluminum wiring, and an insulating film having a low dielectric constant (hereinafter referred to as a low-k film) is used as an interlayer insulating film. Has been attempted.

Low−k膜を用いた銅配線の形成方法としては、ダマシン法によるものがある。これは、銅がアルミニウムに比較してエッチングレートの制御が困難であることに鑑み、銅をエッチングせずに配線を形成する技術として知られている。   As a method for forming a copper wiring using a low-k film, there is a damascene method. This is known as a technique for forming a wiring without etching copper, considering that it is difficult to control the etching rate of copper compared to aluminum.

図6および図7を用いて、ダマシン法による従来の銅配線形成工程について説明する。尚、これらの図において、同じ符号で示した部分は同じものであることを示している。   A conventional copper wiring forming process using the damascene method will be described with reference to FIGS. In these drawings, the parts denoted by the same reference numerals are the same.

まず、図6(a)に示すように、銅配線層20が形成されたシリコン基板21の上に、ストッパー膜22を形成する。ここで、銅配線層20はバリアメタル膜20aと銅層20bとを有している。次に、ストッパー膜22の上にLow−k膜23を形成した後、Low−k膜23の上にキャップ膜24を形成して、図6(b)に示す構造とする。続いて、キャップ膜24、Low−k膜23およびストッパー膜22をエッチングし、図6(c)に示すビアホール25および配線溝26を形成する。その後、ビアホール25および配線溝26の内面にバリアメタル膜27を形成し、ビアホール25および配線溝26に銅層28を埋め込んで、ビアプラグ29および銅配線層30を形成する。以上の工程によって、シリコン基板21に形成された銅配線層20と上層の銅配線層30とがビアプラグ29を介して電気的に接続された銅配線を形成することができる(図6(d))。   First, as shown in FIG. 6A, a stopper film 22 is formed on a silicon substrate 21 on which a copper wiring layer 20 is formed. Here, the copper wiring layer 20 has a barrier metal film 20a and a copper layer 20b. Next, after the Low-k film 23 is formed on the stopper film 22, the cap film 24 is formed on the Low-k film 23 to obtain the structure shown in FIG. Subsequently, the cap film 24, the low-k film 23, and the stopper film 22 are etched to form the via hole 25 and the wiring groove 26 shown in FIG. 6C. Thereafter, a barrier metal film 27 is formed on the inner surfaces of the via hole 25 and the wiring groove 26, and a copper layer 28 is embedded in the via hole 25 and the wiring groove 26 to form a via plug 29 and a copper wiring layer 30. Through the above steps, a copper wiring in which the copper wiring layer 20 formed on the silicon substrate 21 and the upper copper wiring layer 30 are electrically connected via the via plug 29 can be formed (FIG. 6D). ).

上記の工程において、ビアホール25の形成は、具体的には次のようにして行われる。まず、図7(a)に示すように、キャップ膜24の上に所定のパターンが形成されたレジスト膜31を形成する。そして、フォトリソグラフィー法によって、キャップ膜24およびLow−k膜23をエッチングし、ストッパー膜22に達する開孔部32を形成する(図7(b))。その後、不要となったレジスト膜31をアッシングによって除去した後、開孔部32から露出しているストッパー膜22aをエッチングすることによってビアホール33が形成される(図7(c))。   In the above process, the formation of the via hole 25 is specifically performed as follows. First, as shown in FIG. 7A, a resist film 31 having a predetermined pattern is formed on the cap film 24. Then, the cap film 24 and the low-k film 23 are etched by a photolithography method to form an opening 32 that reaches the stopper film 22 (FIG. 7B). Thereafter, the resist film 31 that is no longer needed is removed by ashing, and then the stopper film 22a exposed from the opening 32 is etched to form a via hole 33 (FIG. 7C).

しかしながら、従来のストッパー膜22aのエッチング工程においては、ストッパー膜22aとともにキャップ膜24もエッチングされていた。また、エッチングによりキャップ膜24が消失した部分では、露出した下地のLow−k膜23もエッチングされていた。これにより、ビアホール33の部分におけるこれらの断面形状が、図7(c)に示すようなテーパ形状を有するようになるという問題があった。Low−k膜23がテーパ形状に加工されると、所望の開孔寸法を有する銅配線構造を形成することができなくなり、半導体装置の電気特性は低下する。   However, in the conventional step of etching the stopper film 22a, the cap film 24 is also etched together with the stopper film 22a. Further, in the portion where the cap film 24 disappeared by etching, the exposed underlying Low-k film 23 was also etched. As a result, there is a problem that the cross-sectional shape of the via hole 33 has a tapered shape as shown in FIG. When the low-k film 23 is processed into a tapered shape, a copper wiring structure having a desired opening size cannot be formed, and the electrical characteristics of the semiconductor device are degraded.

また、レジスト膜31のアッシングは酸素プラズマなどによって行われるが、この際にLow−k膜23がプラズマダメージを受けて変質するという問題もあった。このようなダメージは、特に、2.5より低い比誘電率を有する多孔質のLow−k膜で顕著なものとなる。   Further, ashing of the resist film 31 is performed by oxygen plasma or the like, but there is also a problem that the Low-k film 23 is deteriorated due to plasma damage. Such damage is particularly noticeable in a porous low-k film having a relative dielectric constant lower than 2.5.

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、パターン形状の良好な銅配線を形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of forming a copper wiring having a good pattern shape.

また、本発明の目的は、Low−k膜にダメージを与えずにレジスト膜をアッシングすることのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of ashing a resist film without damaging the Low-k film.

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。   Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.

本発明の半導体装置の製造方法は、導電層が形成された半導体基板の上にストッパー膜を形成する工程と、このストッパー膜の上に低誘電率材料からなる層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜の上にキャップ膜を形成する工程と、このキャップ膜の上に所定のパターンを有するレジスト膜を形成する工程と、このレジスト膜をマスクとしてキャップ膜および層間絶縁膜をエッチングし、ストッパー膜に達する開孔部を形成する工程と、レジスト膜を残した状態で開孔部に露出しているストッパー膜をエッチングしビアホールを形成する工程と、ビアホールを形成した後にレジスト膜をアッシングして除去する工程とを有することを特徴としている。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a stopper film on a semiconductor substrate on which a conductive layer is formed, a step of forming an interlayer insulating film made of a low dielectric constant material on the stopper film, A step of forming a cap film on the interlayer insulating film; a step of forming a resist film having a predetermined pattern on the cap film; and etching the cap film and the interlayer insulating film using the resist film as a mask; A step of forming an opening reaching the stopper film, a step of etching the stopper film exposed in the opening while leaving the resist film to form a via hole, and an ashing of the resist film after forming the via hole And removing it.

本発明の半導体装置の製造方法は、ビアホールの内面にバリアメタル膜を形成する工程と、ビアホールの内部にバリアメタル膜を介して銅層を埋め込む工程とをさらに有することができる。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can further include a step of forming a barrier metal film on the inner surface of the via hole and a step of embedding a copper layer in the via hole via the barrier metal film.

本発明の半導体装置の製造方法において、アッシングは、水素と不活性ガスとの混合ガスを用いて200℃〜400℃の温度で行われることが好ましい。また、このとき、不活性ガスに対して水素を1体積%〜40体積%混合することが好ましい。この場合、不活性ガスをアルゴンガスとして、このアルゴンガスに対して水素を10体積%〜40体積%混合することができる。また、不活性ガスをヘリウムガスとして、このヘリウムガスに対して水素を1体積%〜30体積%混合することもできる。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, ashing is preferably performed at a temperature of 200 ° C. to 400 ° C. using a mixed gas of hydrogen and an inert gas. At this time, it is preferable to mix 1% by volume to 40% by volume of hydrogen with respect to the inert gas. In this case, the inert gas is an argon gas, and 10% to 40% by volume of hydrogen can be mixed with the argon gas. Moreover, 1 volume%-30 volume% of hydrogen can also be mixed with helium gas as inert gas.

本発明の半導体装置の製造方法において、導電層は銅配線層とすることが好ましい。また、層間絶縁膜としては、多孔性SiO膜、SiOC膜およびSOG膜よりなる群から選ばれるいずれか1つの膜を用いることができる。また、ストッパー膜としては、SiC膜、Si膜、SiCN膜およびSiOC膜よりなる群から選ばれるいずれか1つの膜を用いることができる。さらに、キャップ膜としては、SiO膜またはSi膜を用いることができる。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the conductive layer is preferably a copper wiring layer. In addition, as the interlayer insulating film, any one film selected from the group consisting of a porous SiO 2 film, a SiOC film, and an SOG film can be used. In addition, as the stopper film, any one film selected from the group consisting of a SiC film, a Si x N y film, a SiCN film, and a SiOC film can be used. Furthermore, as the cap film, a SiO 2 film or a Si x N y film can be used.

本発明によれば、レジスト膜を残した状態でストッパー膜のエッチングを行うので、キャップ膜および層間絶縁膜がエッチングされるのを防いで、良好なパターン形状を有する半導体装置を製造することができる。   According to the present invention, since the stopper film is etched with the resist film remaining, the cap film and the interlayer insulating film are prevented from being etched, and a semiconductor device having a good pattern shape can be manufactured. .

また、本発明によれば、レジスト膜除去のためのアッシングを水素と不活性ガスとの混合ガスを用いて常温より高い温度で行うので、層間絶縁膜の損傷を防いで良好な特性を有する半導体装置を製造することができる。   Further, according to the present invention, the ashing for removing the resist film is performed at a temperature higher than normal temperature using a mixed gas of hydrogen and an inert gas, so that the semiconductor having good characteristics by preventing damage to the interlayer insulating film The device can be manufactured.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1(a)〜(f)は、本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。図1(a)に示すように、導電層としての銅配線層1が形成された半導体基板2の上に、ストッパー膜3を形成する。ここで、銅配線層1は、バリアメタル膜4および銅層5を有している。尚、本実施の形態においては、銅配線層以外の他の導電層が形成されていてもよい。例えば、銅以外の他の金属の配線層または不純物ドーピング領域などが半導体基板に形成されていてもよい。   1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment. As shown in FIG. 1A, a stopper film 3 is formed on a semiconductor substrate 2 on which a copper wiring layer 1 as a conductive layer is formed. Here, the copper wiring layer 1 has a barrier metal film 4 and a copper layer 5. In the present embodiment, a conductive layer other than the copper wiring layer may be formed. For example, a wiring layer of metal other than copper or an impurity doping region may be formed on the semiconductor substrate.

半導体基板2としては、例えばシリコン基板などを用いることができる。また、ストッパー層3は、上に形成される層間絶縁膜とのエッチング選択比が大きい材料を用いることが好ましい。具体的には、層間絶縁膜の種類に応じて適宜決定されるが、例えば、SiC膜、Si(例えば、Si、Si、SiNなど。)膜、SiCN膜またはSiOC膜などを用いることができる。これらの膜は、CVD(Chemical Vapor Deposition,以下、CVDという。)法またはスパッタ法などによって成膜することができる。 As the semiconductor substrate 2, for example, a silicon substrate can be used. The stopper layer 3 is preferably made of a material having a high etching selectivity with respect to the interlayer insulating film formed thereon. Specifically, it is determined as appropriate depending on the type of the interlayer insulating film. For example, the film is a SiC film, a Si x N y (eg, Si 3 N 4 , Si 2 N 3 , SiN, etc.) film, a SiCN film, or the like. An SiOC film or the like can be used. These films can be formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition, hereinafter referred to as CVD) method, a sputtering method, or the like.

次に、図1(b)に示すように、ストッパー膜3の上に層間絶縁膜6およびキャップ膜7を順に形成する。   Next, as shown in FIG. 1B, an interlayer insulating film 6 and a cap film 7 are formed in order on the stopper film 3.

層間絶縁膜6は、低誘電率材料からなる絶縁膜(Low−k膜)であることが好ましい。例えば、多孔性SiO膜、SiOC膜またはSOG(Spin on Glass)膜などを用いることができる。また、SOG膜の材料としては、例えば、水素シルセスキオキサン(HSQ)またはメチルシルセスキオキサン(MSQ)などを挙げることができる。これらの膜は、CVD法またはSOD(Spin on Dielectric Coating)法などによって成膜することができる。 The interlayer insulating film 6 is preferably an insulating film (Low-k film) made of a low dielectric constant material. For example, a porous SiO 2 film, a SiOC film, a SOG (Spin on Glass) film, or the like can be used. Examples of the material for the SOG film include hydrogen silsesquioxane (HSQ) and methyl silsesquioxane (MSQ). These films can be formed by CVD, SOD (Spin on Dielectric Coating), or the like.

キャップ膜7は、後述するレジスト膜の形成の際に層間絶縁膜6がエッチングされるのを防ぐ役割を有する。また、銅配線層形成の際に行う研磨工程で、層間絶縁膜6を保護する役割も有している。キャップ膜7としては、例えば、CVD法またはスパッタ法などによって成膜された、SiO膜またはSi(例えば、Si、Si、SiNなど。)膜などを用いることができる。 The cap film 7 has a role of preventing the interlayer insulating film 6 from being etched during the formation of a resist film described later. Further, it also has a role of protecting the interlayer insulating film 6 in the polishing process performed when forming the copper wiring layer. As the cap film 7, for example, a SiO 2 film or a Si x N y (eg, Si 3 N 4 , Si 2 N 3 , SiN, etc.) film formed by CVD or sputtering is used. Can do.

キャップ膜7を形成した後は、この上に所定のパターンを有するレジスト膜8を形成して、図1(c)に示す構造とする。具体的には、キャップ膜7の上にフォトレジストを塗布した後、これを露光・現像することによってレジスト膜8を形成することができる。   After the cap film 7 is formed, a resist film 8 having a predetermined pattern is formed thereon to obtain the structure shown in FIG. Specifically, the resist film 8 can be formed by applying a photoresist on the cap film 7 and then exposing and developing the photoresist.

次に、レジスト膜8をマスクとして、キャップ膜7および層間絶縁膜6を異方性エッチングして開孔部9を形成する。このエッチングは、ストッパー膜3に達した時点で自動的に停止する。そして、図1(d)に示すように、ストッパー膜3の一部3aが開孔部9に露出する。   Next, using the resist film 8 as a mask, the cap film 7 and the interlayer insulating film 6 are anisotropically etched to form the opening 9. This etching is automatically stopped when the stopper film 3 is reached. Then, as shown in FIG. 1 (d), a part 3 a of the stopper film 3 is exposed to the opening 9.

エッチング装置としては、例えば、上部電極と下部電極にそれぞれ60MHzと2MHzの高周波を印加することのできる2周波励起平行平板型リアクティブイオンエッチャーを用いることができる。具体的には、オクタフルオロブテン(C)、窒素(N)およびアルゴン(Ar)からなる混合ガスをエッチングガスとして装置内に導き、圧力を75mTに維持した状態で、上部電極に2,400W、下部電極に3,300Wの電力をそれぞれ印加してプラズマを発生させる。この際、エッチングガスの流量比を、例えば、オクタフルオロブテンについて15sccm、窒素について225sccm、アルゴンについて1,400sccmとすることができる。また、半導体基板を載置するステージの表面温度を40℃に維持することができる。 As an etching apparatus, for example, a dual frequency excitation parallel plate type reactive ion etcher that can apply high frequencies of 60 MHz and 2 MHz to the upper electrode and the lower electrode, respectively, can be used. Specifically, a mixed gas composed of octafluorobutene (C 4 F 8 ), nitrogen (N 2 ), and argon (Ar) is introduced into the apparatus as an etching gas, and the pressure is maintained at 75 mT. Plasma is generated by applying power of 2,400 W and 3,300 W to the lower electrode. At this time, the flow rate ratio of the etching gas can be, for example, 15 sccm for octafluorobutene, 225 sccm for nitrogen, and 1,400 sccm for argon. In addition, the surface temperature of the stage on which the semiconductor substrate is placed can be maintained at 40 ° C.

キャップ膜7および層間絶縁膜6のエッチングには、上記の混合ガス以外のガスを用いることもできる。例えば、テトラフルオロメタン(CF)、ジフルオロメタン(CH)、ネオン(Ne)およびアルゴン(Ar)からなる混合ガスを用いてもよい。 For etching the cap film 7 and the interlayer insulating film 6, a gas other than the above mixed gas can be used. For example, a mixed gas composed of tetrafluoromethane (CF 4 ), difluoromethane (CH 2 F 2 ), neon (Ne), and argon (Ar) may be used.

キャップ膜7および層間絶縁膜6のエッチングが終了した後は、開孔部9に露出したストッパー膜3aのエッチングを行い、ビアホールを形成する。本実施の形態においては、レジスト膜8を残した状態でストッパー膜3aのエッチングを行うことを特徴としている。   After the etching of the cap film 7 and the interlayer insulating film 6 is completed, the stopper film 3a exposed in the opening 9 is etched to form a via hole. The present embodiment is characterized in that the stopper film 3a is etched with the resist film 8 remaining.

ストッパー膜3aのエッチングは、キャップ膜7および層間絶縁膜6のエッチングに続いて行うことが好ましい。具体的には、同一のエッチング装置を用い、連続した工程で行うことが好ましい。このようにすることによって、半導体装置の製造工程におけるスループットの向上を図ることができるとともに、異物の付着などを防いで歩留まりを向上させることが可能となる。   The etching of the stopper film 3 a is preferably performed following the etching of the cap film 7 and the interlayer insulating film 6. Specifically, it is preferable to carry out in a continuous process using the same etching apparatus. By doing so, it is possible to improve the throughput in the manufacturing process of the semiconductor device, and to improve the yield by preventing the adhesion of foreign matters.

例えば、上記の2周波励起平行平板型リアクティブイオンエッチャー内に、テトラフルオロメタン(CF)と窒素(N)との混合ガスを導き、圧力を150mTに維持した状態で、上部電極に1,000W、下部電極に200Wの電力をそれぞれ印加してプラズマを発生させる。この際、エッチングガスの流量比を、例えば、テトラフルオロメタンについて50sccm、窒素について300sccmとすることができる。また、半導体基板を載置するステージの表面温度を40℃に維持することができる。 For example, a mixed gas of tetrafluoromethane (CF 4 ) and nitrogen (N 2 ) is introduced into the above-mentioned two-frequency excitation parallel plate type reactive ion etcher, and the pressure is maintained at 150 mT, and 1 is applied to the upper electrode. Plasma is generated by applying electric power of 1,000 W and 200 W to the lower electrode. At this time, the flow rate ratio of the etching gas can be set to, for example, 50 sccm for tetrafluoromethane and 300 sccm for nitrogen. In addition, the surface temperature of the stage on which the semiconductor substrate is placed can be maintained at 40 ° C.

このように、本実施の形態によれば、キャップ膜7の上にレジスト膜8がある状態でエッチングを行うので、キャップ膜7がエッチングされるのを防ぐことができる。また、これによって、キャップ膜7の下地である層間絶縁膜6がエッチングされるのを防ぐこともできる。したがって、キャップ膜7および層間絶縁膜6がテーパ形状に加工されるのを防いで、良好なパターニング性を有するビアホールを形成することができる。   Thus, according to the present embodiment, the etching is performed with the resist film 8 on the cap film 7, so that the cap film 7 can be prevented from being etched. This can also prevent the interlayer insulating film 6 that is the base of the cap film 7 from being etched. Therefore, it is possible to prevent the cap film 7 and the interlayer insulating film 6 from being processed into a tapered shape, and to form a via hole having good patternability.

ストッパー膜3aをエッチングした後は、不要となったレジスト膜8をアッシングにより除去して、図1(e)に示すビアホール10を形成する。ここで、ビアホール10の底面には、下層の銅配線層1の表面が露出している。   After etching the stopper film 3a, the resist film 8 that is no longer needed is removed by ashing to form a via hole 10 shown in FIG. Here, on the bottom surface of the via hole 10, the surface of the lower copper wiring layer 1 is exposed.

ところで、ストッパー膜のエッチング前にレジスト膜のアッシングを行う従来法においては、例えば、酸素(O)ガス、アンモニア(NH)ガス、または窒素(N)と水素(H)との混合ガスなどを用い、常温以下の温度および0.1Torr以下の圧力でアッシングを行っていた。一方、層間絶縁膜は、その比誘電率が低いほど膜の緻密性が低下するために、アッシングによってクラックが入ったりするなどの損傷を受けやすい。上記の従来条件では層間絶縁膜が受けるダメージは大きく、特に、比誘電率が2.5未満の多孔質膜ではダメージが顕著なものとなる。 By the way, in the conventional method of performing ashing of the resist film before etching the stopper film, for example, oxygen (O 2 ) gas, ammonia (NH 3 ) gas, or a mixture of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ). Ashing was performed using a gas or the like at a temperature of room temperature or lower and a pressure of 0.1 Torr or lower. On the other hand, the interlayer dielectric film is more susceptible to damage such as cracking due to ashing because the film density decreases as the relative dielectric constant decreases. Under the above-described conventional conditions, the interlayer insulating film is greatly damaged. In particular, the porous film having a relative dielectric constant of less than 2.5 is markedly damaged.

本発明者は、鋭意研究した結果、水素と不活性ガスとの混合ガスを用い、常温より高い温度においてアッシングを行うことにより、層間絶縁膜の損傷を防ぐことができることを見出した。不活性ガスとしては、ヘリウム(He)またはアルゴン(Ar)などの水素と反応し難いガスを用いることができる。尚、窒素(N)ガスは層間絶縁膜へのダメージが大きくなることから好ましくない。 As a result of diligent research, the present inventor has found that damage to the interlayer insulating film can be prevented by performing ashing at a temperature higher than room temperature using a mixed gas of hydrogen and an inert gas. As the inert gas, a gas that does not easily react with hydrogen, such as helium (He) or argon (Ar), can be used. Nitrogen (N 2 ) gas is not preferable because damage to the interlayer insulating film is increased.

図2(a)は、水素とヘリウムの混合ガスを用いてアッシングした後の断面TEM(Transmission Electron Microscopy,透過型電子顕微鏡)写真の一例である。尚、比較のために、アンモニアガスを用いてアッシングした後の断面TEM写真についても示している(図2(b))。   FIG. 2A is an example of a cross-sectional TEM (Transmission Electron Microscopy) image after ashing using a mixed gas of hydrogen and helium. For comparison, a cross-sectional TEM photograph after ashing using ammonia gas is also shown (FIG. 2B).

図2(b)では、シリコン基板50上に、ストッパー膜51、Low−k膜52およびキャップ膜53が積層されていて、ビアホール54の中に銅配線層55が埋め込まれている。アッシングによりLow−k膜52がダメージを受けることによって、Low−k膜52中にボイド56が生じているとともに、ビアホール54の側壁がボーイング形状を呈している様子が分かる。   In FIG. 2B, a stopper film 51, a low-k film 52 and a cap film 53 are stacked on the silicon substrate 50, and a copper wiring layer 55 is embedded in the via hole 54. It can be seen that the low-k film 52 is damaged by the ashing, whereby a void 56 is generated in the low-k film 52 and the side wall of the via hole 54 has a bowing shape.

図2(a)も図2(b)と同様の構成であり、シリコン基板40上に、ストッパー膜41、Low−k膜42およびキャップ膜43が積層されていて、ビアホール44の中に銅配線層45が埋め込まれている。しかしながら、図2(a)では、Low−k膜42にボイドはなく、ビアホール44も良好な断面形状を呈していることから、Low−k膜42にダメージを与えることなしにアッシングが行われていることが分かる。   FIG. 2A also has the same configuration as FIG. 2B, and a stopper film 41, a low-k film 42 and a cap film 43 are laminated on the silicon substrate 40, and a copper wiring is formed in the via hole 44. Layer 45 is embedded. However, in FIG. 2A, the Low-k film 42 has no voids, and the via hole 44 also has a good cross-sectional shape. Therefore, ashing is performed without damaging the Low-k film 42. I understand that.

アッシングは、不活性ガスに対して水素を1体積%〜40体積%の範囲内で混合して行うことが好ましい。水素の量が1体積%より少なくなると、一般にアッシングレートが遅くなるので、スループットの点から好ましくない。一方、水素の量が40体積%より多くなると安全性の観点から好ましくない。   Ashing is preferably performed by mixing hydrogen in an amount of 1 to 40% by volume with respect to the inert gas. If the amount of hydrogen is less than 1% by volume, the ashing rate is generally slow, which is not preferable from the viewpoint of throughput. On the other hand, if the amount of hydrogen exceeds 40% by volume, it is not preferable from the viewpoint of safety.

図3は、水素とアルゴンの混合ガスを用いたときの水素濃度に対するアッシングレートの変化を表したものである。図より、水素濃度が大きくなるほどアッシングレートも大きくなることが分かる。スループットと安全性とを比較考量すると、アルゴンガスに対する水素の量が10体積%〜40体積%の範囲内であることが好ましい。   FIG. 3 shows the change of the ashing rate with respect to the hydrogen concentration when a mixed gas of hydrogen and argon is used. From the figure, it can be seen that the ashing rate increases as the hydrogen concentration increases. When throughput and safety are comparatively weighed, it is preferable that the amount of hydrogen with respect to the argon gas is in the range of 10 volume% to 40 volume%.

また、図4は、水素とヘリウムの混合ガスを用いたときの水素濃度に対するアッシングレートの変化を表したものである。ヘリウムを用いた場合には、水素濃度に関わらず良好なアッシングレートが得られることが分かる。したがって、この場合に混合する水素の量は、1体積%〜40体積%の範囲内で自由に変えることが可能である。但し、安全性を重視する場合には、水素の量を1体積%〜30体積%の範囲内とすることが好ましい。   FIG. 4 shows changes in the ashing rate with respect to the hydrogen concentration when a mixed gas of hydrogen and helium is used. It can be seen that a good ashing rate can be obtained regardless of the hydrogen concentration when helium is used. Therefore, in this case, the amount of hydrogen to be mixed can be freely changed within a range of 1% by volume to 40% by volume. However, when importance is attached to safety, the amount of hydrogen is preferably in the range of 1% by volume to 30% by volume.

アッシングの際の温度は常温より高い温度であることが好ましく、特に、200℃〜400℃の範囲内の温度であることが好ましい。200℃より低い温度では、アッシングレートが遅くなりスループットが低下する。一方、400℃より高い温度では、銅の酸化および拡散が激しくなる。尚、アッシングの際の圧力は温度に応じて適宜設定することが好ましいが、上記の温度範囲内であれば0.1Torr〜10Torrの範囲内とすることがスループットの点から好ましい。   The temperature at the time of ashing is preferably higher than room temperature, and particularly preferably within a range of 200 ° C to 400 ° C. At a temperature lower than 200 ° C., the ashing rate becomes slow and the throughput decreases. On the other hand, at temperatures higher than 400 ° C., copper oxidation and diffusion become severe. The pressure during ashing is preferably set as appropriate according to the temperature, but is preferably within the range of 0.1 Torr to 10 Torr within the above temperature range from the viewpoint of throughput.

図5は、ダウンフローした水素とヘリウムの混合ガスを用いてアッシングした場合の温度に対するアッシングレートの変化を示した図である。尚、比較のために、酸素ガスを用いた場合とアンモニアガスを用いた場合についても示している。アッシングは、リモートプラズマ装置を用い、圧力133Pa、プラズマパワー2,000Wで行った。また、ヘリウムガスに対する水素の量は5体積%とした。図5より、温度の上昇とともにアッシングレートが指数関数的に増大している様子が分かる。   FIG. 5 is a diagram showing a change in ashing rate with respect to temperature when ashing is performed using a mixed gas of hydrogen and helium that has flowed down. For comparison, the case of using oxygen gas and the case of using ammonia gas are also shown. Ashing was performed using a remote plasma apparatus at a pressure of 133 Pa and a plasma power of 2,000 W. The amount of hydrogen relative to helium gas was 5% by volume. FIG. 5 shows that the ashing rate increases exponentially with increasing temperature.

以上の工程によって層間絶縁膜6にビアホール10を形成した後は、フォトリソグラフィー法によってビアホール10の上に配線溝11を形成する。続いて、ビアホール10および配線溝11の内面にバリアメタル膜12を形成し、バリアメタル膜12を介してこれらの内部に銅層13の埋込みを行うことによって、ビアプラグ14および銅配線層15を形成する(図1(f))。この工程は、具体的には、次のようにして行うことができる。   After the via hole 10 is formed in the interlayer insulating film 6 by the above process, the wiring trench 11 is formed on the via hole 10 by photolithography. Subsequently, a barrier metal film 12 is formed on the inner surfaces of the via hole 10 and the wiring groove 11, and a copper layer 13 is embedded in these via the barrier metal film 12, thereby forming a via plug 14 and a copper wiring layer 15. (FIG. 1 (f)). Specifically, this step can be performed as follows.

まず、CVD法またはスパッタ法などによって、窒化チタン膜または窒化タンタル膜などのバリアメタル膜を成膜した後、この上にさらに銅層を成膜する。続いて、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing,以下、CMPという。)法によって、銅層およびバリアメタル膜の研磨を行う。これにより、ビアホールおよび配線溝の内部にのみ、銅層およびバリアメタル膜が残るようにすることができる。   First, after a barrier metal film such as a titanium nitride film or a tantalum nitride film is formed by a CVD method or a sputtering method, a copper layer is further formed thereon. Subsequently, the copper layer and the barrier metal film are polished by a chemical mechanical polishing (CMP) method. Thus, the copper layer and the barrier metal film can be left only in the via hole and the wiring groove.

バリアメタル膜の形成および銅層の埋め込みは、他の方法によって行ってもよい。例えば、CVD法およびCMP法によってバリアメタルを配線溝の内部にのみ形成した後、硫酸銅(CuSO)をベースとした電解液を用いるめっき法によって、配線溝の内部に銅を埋め込んでもよい。 The formation of the barrier metal film and the filling of the copper layer may be performed by other methods. For example, after the barrier metal is formed only inside the wiring groove by the CVD method and the CMP method, copper may be embedded in the wiring groove by a plating method using an electrolytic solution based on copper sulfate (CuSO 4 ).

以上の工程によって、銅配線層1を有する半導体基板2の上に、ビアプラグ14および銅配線層15を形成することができる(図1(f))。ここで、銅配線層15は、ビアプラグ14を介して銅配線層1と電気的に接続している。   Through the above steps, the via plug 14 and the copper wiring layer 15 can be formed on the semiconductor substrate 2 having the copper wiring layer 1 (FIG. 1F). Here, the copper wiring layer 15 is electrically connected to the copper wiring layer 1 via the via plug 14.

(a)〜(f)は、本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。(A)-(f) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. アッシング後の断面TEM写真であり、(a)は水素とヘリウムの混合ガスを用いた場合、(b)はアンモニアガスを用いた場合である。It is the cross-sectional TEM photograph after ashing, (a) is the case where the mixed gas of hydrogen and helium is used, (b) is the case where ammonia gas is used. 水素とアルゴンの混合ガスを用いたときの水素濃度に対するアッシングレートの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the ashing rate with respect to hydrogen concentration when using the mixed gas of hydrogen and argon. 水素とヘリウムの混合ガスを用いたときの水素濃度に対するアッシングレートの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the ashing rate with respect to hydrogen concentration when the mixed gas of hydrogen and helium is used. 水素とヘリウムの混合ガスを用いてアッシングした場合の温度に対するアッシングレートの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the ashing rate with respect to temperature at the time of ashing using the mixed gas of hydrogen and helium. (a)〜(d)は、従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the conventional semiconductor device. (a)〜(c)は、従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the manufacturing process of the conventional semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

1,15,20,30 銅配線層
2 半導体基板
3,22 ストッパー膜
4,12,27 バリアメタル膜
5,13,28 銅層
6,23 層間絶縁膜
7,24 キャップ膜
8,31 レジスト膜
9,32 開孔部
10,25,33 ビアホール
11,26 配線溝
14,29 ビアプラグ
21 シリコン基板
1, 15, 20, 30 Copper wiring layer 2 Semiconductor substrate 3, 22 Stopper film 4, 12, 27 Barrier metal film 5, 13, 28 Copper layer 6, 23 Interlayer insulating film 7, 24 Cap film 8, 31 Resist film 9 32 Open hole 10, 25, 33 Via hole 11, 26 Wiring groove 14, 29 Via plug 21 Silicon substrate

Claims (10)

導電層が形成された半導体基板の上にストッパー膜を形成する工程と、
前記ストッパー膜の上に低誘電率材料からなる層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の上にキャップ膜を形成する工程と、
前記キャップ膜の上に所定のパターンを有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜をマスクとして前記キャップ膜および前記層間絶縁膜をエッチングし、前記ストッパー膜に達する開孔部を形成する工程と、
前記レジスト膜を残した状態で前記開孔部に露出しているストッパー膜をエッチングしビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールを形成した後に前記レジスト膜をアッシングして除去する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a stopper film on the semiconductor substrate on which the conductive layer is formed;
Forming an interlayer insulating film made of a low dielectric constant material on the stopper film;
Forming a cap film on the interlayer insulating film;
Forming a resist film having a predetermined pattern on the cap film;
Etching the cap film and the interlayer insulating film using the resist film as a mask to form an opening reaching the stopper film;
Etching the stopper film exposed in the opening with the resist film left, and forming a via hole;
And a step of ashing and removing the resist film after forming the via hole.
前記ビアホールの内面にバリアメタル膜を形成する工程と、
前記ビアホールの内部に前記バリアメタル膜を介して銅層を埋め込む工程とをさらに有する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
Forming a barrier metal film on the inner surface of the via hole;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of burying a copper layer inside the via hole via the barrier metal film.
前記アッシングは、水素と不活性ガスとの混合ガスを用いて200℃〜400℃の温度で行われる請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the ashing is performed at a temperature of 200 ° C. to 400 ° C. using a mixed gas of hydrogen and an inert gas. 前記不活性ガスに対して前記水素を1体積%〜40体積%混合する請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the hydrogen is mixed in an amount of 1% by volume to 40% by volume with respect to the inert gas. 前記不活性ガスはアルゴンガスであり、該アルゴンガスに対して前記水素を10体積%〜40体積%混合する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the inert gas is an argon gas, and the hydrogen gas is mixed in an amount of 10 to 40% by volume with respect to the argon gas. 前記不活性ガスはヘリウムガスであり、該ヘリウムガスに対して前記水素を1体積%〜30体積%混合する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the inert gas is helium gas, and the hydrogen is mixed in an amount of 1% by volume to 30% by volume with the helium gas. 前記導電層は銅配線層である請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive layer is a copper wiring layer. 前記層間絶縁膜は、多孔性SiO膜、SiOC膜およびSOG膜よりなる群から選ばれる1つの膜である請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the interlayer insulating film is one film selected from the group consisting of a porous SiO 2 film, a SiOC film, and an SOG film. 前記ストッパー膜は、SiC膜、Si膜、SiCN膜およびSiOC膜よりなる群から選ばれる1つの膜である請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the stopper film is one film selected from the group consisting of a SiC film, a Si x N y film, a SiCN film, and a SiOC film. 前記キャップ膜はSiO膜またはSi膜である請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the cap film is a SiO 2 film or a Si x N y film.
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