JP4291811B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、多層配線構造を有する半導体装置の製造プロセスにおいて、いわゆるボーダレス構造のビアエッチングの後のコンタクトプラグ形成工程に関する。

半導体装置の微細化に伴い、デバイスの集積度を向上させるための多層配線において、ボーダレス構造となることが多い。ボーダレス構造とは、下層または上層の配線が、これらの配線間を接続するビアプラグの接触面を完全にカバーせずに、基板に沿った方向にずれて一部でオーバーラップする構造を言う（たとえば、特許文献１参照）。微細化により、マージン内でのマスク合わせズレ、露光ズレなどによって、必然的にボーダレス構造とならざるを得ないとも言える。

図１および図２は、ボーダレス構造を有する多層配線の従来の製造工程図である。図１（ａ）において、半導体基板（不図示）上の第１層間絶縁膜（Ｄ１）１１上に、第１メタル配線（Ｍ１）１２が位置し、第１メタル配線１２を覆う第２層間絶縁膜（Ｄ２）１３上に、上層の第２メタル配線（Ｍ２）１６が位置する。第１メタル配線１１と第２メタル配線１６を接続するビアコンタクト（金属プラグあるいはコンタクトプラグＰ）１５が、バリアメタル１４を介して設けられている。ここで、第２メタル配線１６は、完全にビアコンタクト１５を覆わないで、一部だけオーバーラップしている。このような構造をボーダレス構造と呼ぶ。ビアコンタクト１５および第２メタル配線１６を覆って、第３層間絶縁膜（Ｄ３）１７が形成され、第３層間絶縁膜１７上には、所定の開口パターンを有するレジスト（Ｒ）１８が形成されている。

この状態から、図２（ｂ）に示すように、第２メタル配線１６に到達するコンタクトホール１９をエッチングで形成する。ボーダレス構造のため、コンタクトホール１９は、第２メタル配線をストッパーとして、そのまま下層のビアコンタクト１５に達する。その結果、コンタクトホール内で、２種類の異なる金属が露出することになる。たとえば、第２メタル配線１６を構成するアルミニウム（Ａｌ）と、ビアコンタクト１５を構成するタングステン（Ｗ）等である。

コンタクトホール１９の形成後に、レジスト１８を除去すべく、アッシングを行なう。従来の方法では、酸素（Ｏ _２ ）アッシング、あるいはＯ _２ ／Ｎ _２ 、Ｏ _２ ／Ｎ _２ −Ｈ _２ ／ＣＦ _４ のように、酸素にＮ _２ やＣＦ _４ を添加したガスでプラズマアッシングを行なっている。

このとき、コンタクトホール１９内で、第２メタル配線１６の下方で露出するビアコンタクト（Ｗプラグ）１５の表面も、アッシャーのプラズマに曝される。その結果、プラグ表面が帯電してしまう。

その後、図２（ｃ）に示すように、アッシング後に残存する重金属などの堆積物を洗浄するために、アミン系のウェット処理を行なうと、先に帯電した金属プラグ（Ｗなど）が容易に溶出し、溶出部２０が生じる。コンタクトホール１９を埋め込んだとしても、溶出部２０は空洞となって残り、コンタクトがとれなくなる。すなわち、デバイスとして不良になるという問題が生じる。
特開２００３−２１８１１７号公報

そこで、本発明は、上述した問題点を解決し、ボーダレス配線構造であっても、電気的なコンタクトを確実に行い、動作特性の信頼性を向上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を課題とする。

上記課題を達成するために、本発明では、コンタクトホール形成に用いたレジストマスクを剥離する際に、ウェットでの洗浄処理に先立って、Ｈ _２ Ｏを含むプラズマガスを照射する。

具体的には、本発明の半導体装置の製造方法は、
（ａ）半導体基板上に、下層の第１メタル配線と接続する第１コンタクトプラグの表面の一部にオーバーラップする第２メタル配線を形成し、
（ｂ）前記第１コンタクトプラグおよび第２メタル配線を覆う層間絶縁膜を全面に形成し、
（ｃ）前記層間絶縁膜に、前記第２メタル配線と第１コンタクトプラグのオーバーラップ部分に到達するコンタクトホールを形成して、当該コンタクトホール内で、前記第２メタル配線と第１コンタクトプラグを露出させ、
（ｄ）前記コンタクトホールが形成された半導体基板に、Ｈ _２ Ｏを含むガスでプラズマ照射を行ない、
（ｅ）アミン系有機溶剤を用いたウェット処理により、反応生成物を除去し、
（ｆ）前記コンタクトホール内に金属を充填して第２コンタクトプラグを形成する
工程を含む。

コンタクトホール内で２種の異なる金属が露出するボーダレス配線構造において、ビアエッチングの後、レジスト剥離時のウェット処理前に、Ｈ _２ Ｏを含むガスでプラズマを照射することによって、金属プラグの帯電を軽減することができる。

この結果、金属プラグの溶出を防止し、電気特性の良好なコンタクトプラグを形成することができる。

図３〜図５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程図である。

まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板（不図示）上の第１層間絶縁膜１１上に、ＴｉＮ膜１２ａ、Ａｌ膜（あるいはＡｌ−Ｃｕ膜）１２ｂ、ＴｉＮ膜１２ｃを順次形成し、所定の形状にパターニングして第１メタル配線（Ｍ１）１２を形成する。第１メタル配線は、たとえば、半導体基板上に形成された図示しない素子に電気的に接続されている。

第１メタル配線１２を覆って、全面に第２層間絶縁膜１３を堆積し、ＣＭＰで平坦化した後、コンタクトホールを形成する。コンタクトホール内にバリアメタル１４を成膜し、ホール内を埋め込むようにタングステン（Ｗ）などの金属膜を成膜した後、ＣＭＰまたはエッチバックにより第１金属プラグ（Ｗプラグ）１５を形成する。

第２層間絶縁膜１３上に、ＴｉＮ膜１６ａ、Ａｌ膜（あるいはＡｌ−Ｃｕ膜）１６ｂ、ＴｉＮ膜１６ｃを順次成膜し、所定の形状にパターニングして、第２メタル配線（Ｍ２）１６を形成する。第２メタル配線１６は、第１金属プラグ（Ｗプラグ）１５の上面の一部とのみオーバーラップする、いわゆるボーダレス配線構造となっている。第２メタル配線１６を覆って、全面に第３層間絶縁膜１７を形成し、平坦化する。第３層間絶縁膜１７上に、所定の開口パターンでレジストマスク１８を形成する。

図３（ｂ）に示すように、レジストマスク１８を用いて、第３層間絶縁膜１７に、第２メタル配線１６と、下層の第１金属プラグ１５とに到達するコンタクトホール１９を形成する。このとき、第２メタル配線１６はストッパー膜として機能し、第３層間絶縁膜１７を異方性エッチングすることで、第１金属プラグ１５に達するコンタクトホール１９を形成することができる。

コンタクトホール１９の形成後、通常のアッシングにより、レジストマスク１８の少なくとも一部を剥離する。このアッシングの過程で、コンタクトホール１９内で一部露出する下方の第１金属プラグ１５の表面が帯電する。

図４（ｃ）に示すように、Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いてプラズマ照射を行なう。このＨ _２ Ｏプラズマ照射により、残存するレジストマスク１８を除去するとともに、タングステンプラグ１５の表面に帯電する電荷を、十分に低減することができる。Ｈ _２ Ｏプラズマ照射工程の詳細については後述する。

その後、アミン系有機溶剤によるウェット処理により、反応生成物を洗浄する。第１金属プラグ１５の表面の電荷が十分に低減されているので、アミン系有機溶剤を用いたウェット処理を行なっても、タングステンの溶出は防止される。ウェット処理後、必要に応じて、Ｏ _２ を含むガスによる第２のアッシングを行なってもよい。

図４（ｄ）に示すように、コンタクトホール１９内にバリアメタル２１を成膜し、タングステンなどの金属膜を成膜し、ＣＭＰまたはエッチバックにより第２の金属プラグ２２を形成する。第２金属プラグ２２は、第２メタル配線（Ｍ２）１６および第１金属プラグ１５に接続する。第２金属プラグ２２と第２メタル配線（Ｍ２）の関係は、ボーダレスとなっている。

図５（ｅ）に示すように、第３層間絶縁膜１７上に、たとえばＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／ＴｉＮの第３メタル配線２３を形成し、必要に応じてさらに上層のプラグや配線等を形成して、点線のサークルで示すようなボーダレス配線構造を有する半導体装置が完成する。この半導体装置は、下層の金属プラグ１５に溶出による損傷箇所がなく、電気特性の信頼性が向上している。

図６は、上述した半導体製造工程のうち、コンタクトホール１９の形成のためのビアエッチングから金属プラグの充填（図４（ｃ））までの処理フローを示すフローチャートである。

ビアエッチングによりコンタクトホール１９を形成した後（Ｓ１０１）、ウェーハをダウンフローアッシャー内に設置し、Ｈ _２ Ｏを含まない通常のアッシング（第１アッシング）を行なう（Ｓ１０２）。第１アッシングは、たとえば、Ｏ _２ ガスを３５５０ｓｃｃｍ、Ｎ _２ ガスを１４０ｓｃｃｍで供給し、パワー１１００Ｗ、２５０℃で９０秒行う。これにより、コンタクトホール１９の形成に用いたレジストマスク１８を除去する。

次いで、ウェーハをメタルエッチャーのアッシングチャンバーに移し、Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いてプラズマ照射を行なう（Ｓ１０３）。Ｈ _２ Ｏプラズマ照射後に、アミン系有機溶媒で残留する反応生成物を洗浄する（Ｓ１０４）。その後、Ｏ _２ を含むガスで第２アッシングを行なう（Ｓ１０５）。コンタクトホール１９内にバリアメタル２１を成膜し（Ｓ１０６）、コンタクトプラグ用に金属膜２２を成膜する（Ｓ１０７）。

図７（ａ）および７（ｂ）は、図６のＨ _２ Ｏプラズマ照射ステップＳ１０３における条件の設定例を示す。図７（ａ）の例では、圧力２Ｔｏｒｒ、Ｈ _２ Ｏの供給量５００ｓｃｃｍ、パワー０Ｗ、２８０℃で、４０秒の第１照射を行なう。

次に、圧力２Ｔｏｒｒで、Ｏ _２ を５００ｓｃｃｍ、Ｈ _２ Ｏを１００ｓｃｃｍ、ＣＦ _４ を５０ｓｃｃｍの割合で供給し、１４００Ｗ，２８０℃で７０秒間、第２照射を行う。

さらに、圧力２ＴｏｒｒでＨ _２ Ｏを５００ｓｃｃｍ供給し、８００Ｗ，２８０℃で４０秒間、第３照射を行う。

このように、ウェット処理に先立って、Ｈ _２ Ｏを含むガスでプラズマ照射することにより、第１金属プラグ１５上に帯電する電荷を低減することができる。なお、第１照射と第３照射は、第２メタル配線（Ｍ２）１６を構成するアルミニウム（Ａｌ）のコロージョンを抑制する効果もある。

図７（ｂ）の例では、圧力１Ｔｏｒｒ，Ｈ _２ Ｏの供給が９００ｓｃｃｍ、１０００Ｗ、２７５℃で９０秒間の第１照射と、圧力１Ｔｏｒｒ，ガス供給は、Ｈ _２ Ｏを９００ｓｃｃｍ、Ｏ _２ を４５００ｓｃｃｍで行い、１０００Ｗ、２７５℃で６０秒間の第２照射を行なう。第１照射と第２照射は順番を入れ替えても良いし、第２照射のみであっても、十分に電荷抑制効果を達成することができる。

図８は、図６の処理フローの変形例を示す図である。ビアエッチングによりコンタクトホール１９を形成した後（Ｓ２０１）、本発明の実施形態に従って、Ｈ _２ Ｏを含むプラズマ照射（第１アッシング）を行なう（Ｓ２０２）。このときのＨ _２ Ｏプラズマ照射は、たとえば、図７（ｂ）に示す条件で行なう。これにより、下方のプラグ１５表面での帯電を防止しつつ、レジストマスク１８を除去する。Ｈ _２ Ｏプラズマ照射後に、アミン系有機溶媒で残留する反応生成物を洗浄する（Ｓ２０３）。その後、必要に応じて、Ｏ _２ を含むガスで第２アッシングを行なう（Ｓ２０４）。コンタクトホール１９内にバリアメタル２１を成膜し（Ｓ２０５）、コンタクトプラグ用に金属膜２２を成膜する（Ｓ２０６）。

この方法によっても、第２メタル配線（Ｍ２）１６と、その下方の第１金属プラグ１５にボーダレスで接続する第２金属プラグ２２を形成する際に、第１金属プラグ１５表面の帯電を効果的に抑制し、その後のウェット処理でのプラグ金属の溶出を防止できる。

図９（ｂ）は、本発明のＨ _２ Ｏプラズマ照射によるタングステン溶出防止効果を示す表面ＳＥＭ写真、図１０（ｂ）は、図９（ｂ）の画像を模試化した図である。比較例として、図９（ａ）、図１０（ａ）に、従来方法（Ｈ _２ Ｏを含まないアッシング後にウェット処理してコンタクトホールを埋め込む）によるＳＥＭ観察結果を示す。

図９は、下方の金属プラグ（Ｐ１）に対する第２メタル配線（Ｍ２）のオーバーラップの度合いを変化させ、コンタクトホールをあけた状態で、下方プラグのタングステン溶出状態を観察したＳＥＭ画像である。水平方向に延びるＵ字型の第２メタル配線（Ｍ２）から一部露出する円形のプラグ（Ｐ１）の中央で、黒い影の部分がタングステンの溶出部である。従来例では、プラグＰ１と第２メタル配線Ｍ２の重なり具合にかかわらず、プラグＰ１を構成するタングステンの溶出が生じ、特に、プラグＰ１と第２メタル配線Ｍ２のズレが大きい場合に、顕著になる。これに対し、本発明のように、通常アッシングの後にＨ _２ Ｏ照射を行なってからウェット処理した場合は、タングステンの溶出はほとんどなく、プラグＰ１と第２メタル配線Ｍ２とのズレが最大になった場合でも、タングステンの溶出を最小に抑えることができる。

このように、本発明では、ボーダレス配線構造におけるコンタクト不良を防止し、半導体デバイスの動作の信頼性を向上することができる。

最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１） ボーダレス配線構造を有する半導体装置の製造方法において、
開口内で２種類の異なる金属が露出するボーダレスビアホールを形成し、
前記ビアホールの形成に用いたレジストマスクを剥離する際のウェット処理に先立って、Ｈ _２ Ｏを含むプラズマでアッシングする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２） 半導体基板上に、下層の第１メタル配線と接続する第１コンタクトプラグの表面の一部にオーバーラップする第２メタル配線を形成し、
前記第１コンタクトプラグおよび第２メタル配線を覆う層間絶縁膜を全面に形成し、
前記層間絶縁膜に、前記第２メタル配線と第１コンタクトプラグのオーバーラップ部分に到達するコンタクトホールを形成して、当該コンタクトホール内で、前記第２メタル配線と第１コンタクトプラグを露出させ、
前記コンタクトホールが形成された半導体基板に、Ｈ _２ Ｏを含むガスでプラズマ照射を行ない、
アミン系有機溶剤を用いたウェット処理により、反応生成物を除去し、
前記コンタクトホール内に金属を充填して第２コンタクトプラグを形成する
工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記３） 前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトホールに対応する開口パターンを有するレジストマスクを形成する工程と、
前記コンタクトホール形成後、Ｈ _２ Ｏプラズマ照射前に、Ｈ _２ Ｏを含まないガスでアッシングを行う工程と、
をさらに含むことを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記４） 前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトホールに対応する開口パターンを有するレジストマスクを形成する工程、
をさらに含み、前記Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いたプラズマ照射により、前記レジストマスクのアッシングを行うことを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記５） 前記ウェット処理工程の後に、Ｏ _２ を含むガスによる第２のアッシングを行なう工程、
をさらに含むことを特徴とする付記３または４に記載の半導体装置の製造方法。
（付記６） 前記Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いたプラズマ照射は、Ｈ _２ ＯとＯ _２ を含む混合ガスによる第１照射を含むことを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７） 前記Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いたプラズマ照射は、Ｈ _２ Ｏガスによる第２照射をさらに含むことを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８） 前記混合ガスによる第１照射は、Ｈ _２ ＯとＯ _２ とＣＦ _４ の混合ガスによる照射を含むことを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９） 前記第１コンタクトプラグと、第２メタル配線は、異なる金属材料を用いて形成されることを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０） 前記Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いたプラズマ照射により、前記コンタクトホール内で露出する前記第１コンタクトプラグ表面の帯電を低減することを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１） 前記第１メタル配線は、前記半導体基板上に形成された素子と電気的に接続することを特徴とする付記２に記載の半導体装置の形成方法。
（付記１２） 前記第２メタル配線と、第２コンタクトプラグは、ボーダレスの配置関係にあることを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。

従来のボーダレス構造のビアエッチングにおける問題点を説明するための概略断面図（その１）である。 従来のボーダレス構造のビアエッチングにおける問題点を説明するための概略断面図（その２）である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程図（その１）である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程図（その２）である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程図（その３）である。 本発明の一実施形態に係るビアエッチングの処理フローを示すフローチャートである。 図６のフローにおけるＨ _２ Ｏプラズマ照射ステップの処理条件の例を示す図である。 図６のビアエッチング処理フローの変形例を示すフローチャートである。 本発明のＨ _２ Ｏプラズマ照射によるタングステン溶出防止効果を示す表面ＳＥＭ画像である。 図９のＳＥＭ画像を模試化した図である。

符号の説明

１１ 第１層間絶縁膜（Ｄ１）
１２ 第１メタル配線（Ｍ１）
１３ 第２層間絶縁膜（Ｄ２）
１４、２１ ホール内バリアメタル
１５ 第１金属プラグ（Ｐ１）
１６ 第２メタル配線（Ｍ２）
１７ 第３層間絶縁膜（Ｄ３）
１８ レジストマスク
１９ コンタクトホール
２０ 金属溶出部
２２ 第２金属プラグ（Ｐ２）
２３ 第３メタル配線（Ｍ３）

Claims (7)

1. 半導体基板上に、下層の第１メタル配線と接続する第１コンタクトプラグの表面の一部にオーバーラップする、前記第１コンタクトプラグとは異なる金属材料を用いた第２メタル配線を形成し、
   前記第１コンタクトプラグおよび第２メタル配線を覆う層間絶縁膜を全面に形成し、
   前記層間絶縁膜上に、コンタクトホールに対応する開口パターンを有するレジストマスクを形成し、
   前記層間絶縁膜の前記開口パターンに対応する部分に、前記第２メタル配線と第１コンタクトプラグのオーバーラップ部分に到達するコンタクトホールを形成して、当該コンタクトホール内で、前記第２メタル配線と第１コンタクトプラグを露出させ、
   次いでＨ _２ Ｏを含まないガスでアッシングを行い、
   次いで、前記レジストマスク及び前記コンタクトホールが形成された半導体基板に、Ｈ _２ Ｏを含むガスでプラズマ照射を行ない、
   次いで、アミン系有機溶剤を用いたウェット処理により、前記コンタクトホールを形成した際に生成した反応生成物を除去し、
   次いで、前記コンタクトホール内に金属を充填して第２コンタクトプラグを形成する
   工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いたプラズマ照射で、前記レジストマスクのアッシングを行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記ウェット処理工程の後に、Ｏ _２ を含むガスによる第２のアッシングを行なう工程、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いたプラズマ照射は、Ｈ _２ ＯとＯ _２ を含む混合ガスによる第１照射を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いたプラズマ照射は、Ｈ _２ Ｏガスによる第２照射をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記混合ガスによる第１照射は、Ｈ _２ ＯとＯ _２ とＣＦ _４ の混合ガスによる照射を含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記Ｈ _２ Ｏを含むガスを用いたプラズマ照射により、前記コンタクトホール内で露出する前記第１コンタクトプラグ表面の帯電を低減することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。