JP5476161B2 - 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する。

基板上に形成された絶縁層に開口を形成した後、この開口内に銅などの金属を埋め込むことで、ビアや配線を形成する工程を有する半導体装置の製造方法がある。

このような半導体装置の製造方法において、開口内に異物が存する状態で金属を埋め込んでしまうと、不導通・抵抗大などの不都合が生じる恐れがある。そこで、このような不都合を回避する手段が望まれる。

特許文献１には、基板上に形成されたＳｉＯＣ材料のような低誘電率の誘電性基板層に開口を形成した後、その直上に形成されたフォトレジストを除去する工程として、第１アッシング工程と、第１アッシング工程に続いて行われ、チャンバ圧力２０ｍＴｏｒr未満の条件で行われる第２アッシング工程と、を有する半導体装置の製造方法が記載されている。

そして、特許文献１には、上述のような第２アッシング工程において、プラズマ環境中の酸素含有ラジカルの濃度が低くなるため、誘電性基板層の有害な酸化を減少することができると記載されている（特許文献１の段落[００１６]）。また、上述のような第２のアッシング工程によれば、開口の底面となっているキャップ層の侵襲が最小となると記載されている。

このため、特許文献１に記載の半導体装置の製造方法では、アッシング後残余物およびフォトレジスト残余物の除去に十分な時間だけ、第２のアッシング工程が行われることが記載されている。

特表２００８−５２７６９１号公報

本発明者は、金属を埋め込むための開口内に、以下のようにして異物が発生することを新たに見出した。以下、図９を用いて説明する。

図９は、Ｍ／Ｆ（ミドルファースト）工程を用いた半導体装置の製造方法における製造過程の状態を模式的に示した断面図である。まず、図９（ａ）に示すように、基板（図示せず）上に、例えば、下層配線１０Ａ、Ｃｕプラグ２０Ａ、ストッパ膜３０Ａ、ＳｉＯ_２膜４０Ａ、Ｎを含むストッパ膜５０Ａ、反射防止膜６０Ａ、および、レジストパターン７０Ａをこの順に積層する。次に、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン７０Ａをマスクとして、Ｆを含むエッチングガス（フルオロカーボンＣ_ｘＦ_ｙなど）で反射防止膜６０Ａ、Ｎを含むストッパ膜５０Ａ、および、ＳｉＯ_２膜４０Ａをエッチングし、開口を形成する。その後、酸素ガスを用いたアッシング処理により、レジストパターン７０Ａ、および、反射防止膜６０Ａを除去することで、図９（ｃ）の状態が得られる。

続いて、図９（ｄ）に示すように、開口を埋めるようにＳｉＯ_２膜８０Ａを形成後、その上に、反射防止膜９０Ａ、および、レジストパターン１００Ａをこの順に積層する。

次に、レジストパターン１００Ａをマスクとして、Ｆを含むエッチングガス（フルオロカーボンＣ_ｘＦ_ｙなど）で反射防止膜９０Ａ、ＳｉＯ_２膜８０Ａ、Ｎを含むストッパ膜５０Ａ、ＳｉＯ_２膜４０Ａ、および、ストッパ膜３０Ａをエッチングする。その後、酸素ガスを用いたアッシング処理により、レジストパターン１００Ａ、および、反射防止膜９０Ａを除去することで、図９（ｅ）に示すような開口を有する状態が得られる。この後、図示しないが、開口内に金属を埋め込むことで、ビアおよび配線が形成される。

ここで、上述のような製造工程においては、Ｆを含むエッチングガス（フルオロカーボンＣ_ｘＦ_ｙなど）を用いたエッチングにより、Ｆを含むエッチング生成物（フッ化炭素ポリマーなど）が生成され、図９（ｂ）に示す開口の側壁などに蓄積する（図示せず）。

また、レジストパターン７０Ａおよび１００Ａを剥離するためのアッシング処理時に発生する酸素ガスラジカルは方向性を持たず、かつ反応性が比較的高いため、このアッシング処理によりレジストパターン７０Ａおよび１００Ａの下に位置するＮを含むストッパ膜５０Ａの露出面が酸化され、吸湿しやすくなってしまう。Ｎを含むストッパ膜５０Ａの露出面が例えば雰囲気中の水分を吸収してしまうと、この水分がストッパ膜５０Ａに含まれるＮと反応する。その結果、ＮＨ_３（デガス）が発生して雰囲気中に放出される。

かかる場合、開口の側壁などに蓄積しているエッチング生成物に含まれるＦと、雰囲気中のＮＨ_３とが反応し、図９（ｃ）に示すように開口の側壁などにＮＨ_４Ｆなどの異物Ａが発生する。なお、同様のメカニズムにより、図９（ｅ）に示す状態における開口の側壁などにもＮＨ_４Ｆなどの異物Ａが発生する。また、ここでは、Ｍ／Ｆ工程を用いた半導体装置の製造方法を例に本発明の課題を説明したが、ビアファースト工程を用いた場合も同様の課題が発生する。

本発明によれば、半導体基板上に、絶縁膜、Ｎを含むストッパ膜、および、レジストパターンをこの順に積層する積層工程と、前記レジストパターンをマスクとして、Ｆを含むエッチングガスで前記ストッパ膜および前記絶縁膜をエッチングし、開口を形成するエッチング工程と、前記エッチング工程の後に行われ、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いて、前記レジストパターンをアッシングし除去するアッシング工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明者は、本発明のアッシング処理におけるアッシングレートは、イオン密度ないしはイオンのエネルギーが支配的である事を見出した。このため、（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件でレジストパターンのアッシングを行っても、アッシングレートが悪化することはない。

また、本発明者は、（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件でレジストパターンのアッシングを行った場合、ビアや配線を形成するために設けられた開口内に異物が発生するのを抑制できることを見出した。これは、酸素ガスラジカルの比率を低減することで、Ｎを含むストッパ膜の露出面の酸化が抑制され、結果、ＮＨ_３（デガス）の発生を抑制できるためと考えられる。

本発明によれば、ビアや配線を形成するために設けられた開口内に異物が発生するのを抑制することが可能となる。

本実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。 本実施形態の半導体装置の製造方法の製造過程の一例を模式的に示す断面図である。 本実施形態の半導体装置の製造方法の効果を説明するための図である。 本実施形態の半導体装置の製造方法の効果を説明するための図である。 本実施形態の半導体装置の製造方法の効果を説明するための図である。 本実施形態の半導体装置の製造方法の効果を説明するための図である。 本実施形態の半導体装置の製造方法の効果を説明するための図である。 本実施形態の半導体装置の製造方法の効果を説明するための図である。 半導体装置の製造方法の製造過程の一例を模式的に示す断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の構造図は全て本発明の実施の形態を模式的に示すものであり、特にことわりがない限り、構成要素の図面上の比率により、本発明による構造の寸法を規定するものではない。

図１は、本実施形態の半導体装置の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図１に示すように、本実施形態の半導体装置の製造方法は、積層工程Ｓ１０と、エッチング工程Ｓ２０と、アッシング工程Ｓ３０と、を有する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、さらに、金属膜形成工程Ｓ４０を有してもよい。

図２は、本実施形態の半導体装置の製造方法における製造過程の状態を模式的に示した断面図である。なお、図２では、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例として、Ｍ／Ｆ（ミドルファースト）工程を用いた製造例を示してある。

積層工程Ｓ１０では、半導体基板上に、絶縁膜、Ｎを含むストッパ膜、および、レジストパターンをこの順に積層する。なお、ストッパ膜とレジストパターンとの間に、反射防止膜を形成してもよい。

例えば、積層工程Ｓ１０では、図２（ａ）に示すように、半導体基板（図示せず）上に、下層配線１０、Ｃｕプラグ２０、ストッパ膜３０、ＳｉＯ_２膜４０、Ｎを含むストッパ膜５０、反射防止膜６０、および、レジストパターン７０をこの順に積層する。なお、ストッパ膜３０および５０は、例えばＳｉＣＮで構成することができる。

エッチング工程Ｓ２０では、レジストパターンをマスクとして、Ｆを含むエッチングガスでストッパ膜および絶縁膜をエッチングし、開口を形成する。ストッパ膜とレジストパターンとの間に反射防止膜が形成されている場合には、この反射防止膜もエッチングする。

例えば、エッチング工程Ｓ２０では、図２（ｂ）に示すように、レジストパターン７０をマスクとして、Ｆを含むエッチングガス（フルオロカーボンＣ_ｘＦ_ｙなど）で反射防止膜６０、Ｎを含むストッパ膜５０、および、ＳｉＯ_２膜４０をエッチングし、開口を形成する。

アッシング工程Ｓ３０は、エッチング工程Ｓ２０の後に行われ、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いて、レジストパターンをアッシングし、除去する。ストッパ膜とレジストパターンとの間に反射防止膜が形成されている場合には、この反射防止膜もアッシングし、除去する。なお、不活性ガスは、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、および、水素ガスの中の１つ以上を有するガスであってもよい。

ここで、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いる手段の一例について説明する。

まず、酸素ガスラジカルおよび不活性ガスラジカルのラジカル比は、装置の構成（ラジカル源の配置やラジカル発生方法等）、ガス圧、ガス流量、ＲＦパワー、ＲＦパワーのマッチング（整合）方法などに起因して変化する。すなわち、これらの処理条件を適切に制御することで、所望のラジカル比を実現することができる。

そこで、例えば、上述のような処理条件の１つ以上を変化させつつ、各処理条件における酸素ガスラジカルおよび不活性ガスラジカルのラジカル比を、アクチノメトリー法などを用いた発光分光分析により測定する。このような処理を繰り返すことで、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いることが可能な処理条件を見つける。そして、以降、この処理条件を利用してアッシングを行うことで、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いたアッシングを実現する。なお、ここで示した手段はあくまで一例であり、これに限定されるのもではない。

ここで、アッシング工程Ｓ３０の後、かつ、以下で説明する金属膜形成工程Ｓ４０の前に、以下のような処理を行ってもよい。

例えば、アッシング工程Ｓ３０の後、図２（ｄ）に示すように、開口を埋めるようにＳｉＯ_２膜８０を形成後、その上に、反射防止膜９０、および、レジストパターン１００をこの順に積層する。続いて、レジストパターン１００をマスクとして、Ｆを含むエッチングガス（フルオロカーボンＣ_ｘＦ_ｙなど）で反射防止膜９０、ＳｉＯ_２膜８０、Ｎを含むストッパ膜５０、ＳｉＯ_２膜４０、および、ストッパ膜３０をエッチングする。

その後、酸素ガスラジカルを用いたアッシング処理により、レジストパターン１００、および、反射防止膜９０を除去することで、図２（ｅ）に示すような開口を有する状態が得られる。なお、ここでのアッシング処理も、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いて、レジストパターンをアッシングし、除去する処理としてもよい。

金属膜形成工程Ｓ４０は、アッシング工程Ｓ３０の後に行われ、半導体基板を大気中で放置後、開口内を金属で埋めるように半導体基板上に金属膜を形成する。

例えば、図２（ｅ）に示す開口に銅を埋め込むように、ＳｉＯ_２膜８０の上に金属膜を形成する（図示せず）。

なお、上記説明では、Ｍ／Ｆ工程を例にとって説明したが、本実施形態の半導体装置の製造方法はビアファースト工程に適用することも可能である。

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法による作用効果について説明する。

まず、本発明者は、（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）の値と、開口内に発生する異物との関係を調べた。

具体的には、上述のように、積層工程Ｓ１０、エッチング工程Ｓ２０に続いてアッシング工程Ｓ３０を行い図２（ｃ）に示す構造物を得た後、大気中で約２４時間放置後、開口内の異物の有無の判定および異物の厚みを測定した。なお、アッシング工程で用いる不活性ガスとしてはアルゴンガスを選択した。また、異物の厚みは、図３に示すように、開口の底面付近における異物の厚みＬを測定した。

図４に結果を示す。なお、図４では、酸素ガスラジカルをＯ^＊、アルゴンガスラジカルをＡｒ^＊と示している。他の図においても同様の表現を利用している。

図４に示すように、酸素ガスおよびアルゴンガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（アルゴンガスラジカル）≦５となる条件で用いてレジストパターンをアッシングした場合、開口内に異物はほとんど発生しないことが分かる。一方、酸素ガスおよびアルゴンガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（アルゴンガスラジカル）＞５となる条件で用いてレジストパターンをアッシングした場合には開口内に異物が発生し、酸素ガスラジカルの比率が増えるほど、異物の発生量が多くなることが分かる。なお、本発明者は、アルゴンガス以外の上記不活性ガスを利用した場合においても、同様の結果が得られることを確認している。

この結果から、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いてレジストパターンのアッシング処理を行うことで、開口の側壁などにＮＨ_４Ｆなどの異物が生成されるのを抑制できることがわかる。これは、レジストパターンの下に形成されているＮを含むストッパ膜の露出面の酸化を十分に抑制できたためであると考えられる。

次に、図５に、（酸素ガスラジカル）／（アルゴンガスラジカル）の値と、アッシングレートの関係を示す。当該データは、発明者が実際に実験を行い、測定したものである。図から、（酸素ガスラジカル）／（アルゴンガスラジカル）の値が約３から１５の間では、（酸素ガスラジカル）／（アルゴンガスラジカル）の値が小さくなるほど、アッシングレートが増大することがわかる。なお、本発明者は、アルゴンガス以外の上記不活性ガスを利用した場合においても、同様の結果が得られることを確認している。

次に、図６に、（酸素ガスラジカル）／（アルゴンガスラジカル）の値とバイアスパワーの関係を示す。また、図７に、アッシングレートとバイアスパワーの関係を示す。当該データは、発明者が実際に実験を行い、測定したものである。

図６より、電子密度Ｎｅがバイアスパワーにほとんど依存しないため、（酸素ガスラジカル）／（アルゴンガスラジカル）の値も同様にバイアスパワーにほとんど依存しないことが分かる。しかし、図７より、アッシングレートはバイアスパワーに大きく依存する事が分かる。つまり、このアッシングの系では、アッシングレートはイオン密度ないしはイオンのエネルギーが支配的である事が理解できる。なお、本発明者は、アルゴンガス以外の上記不活性ガスを利用した場合においても、同様の結果が得られることを確認している。

以上を考慮し、本実施形態では、アッシング工程において（酸素ガスラジカル）／（アルゴンガスラジカル）≦５となる条件を採用することで、アッシングレートに悪影響を与えず、かつ、金属を埋め込むための開口内に異物が発生するのを抑制している。

次に、本発明者は、参考資料として、ＦＯＵＰ内に挿入するウエハの量と異物発生との関係を調べた。

具体的には、積層工程Ｓ１０、エッチング工程Ｓ２０を行った後、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）＞５となる条件で用いて、レジストパターンをアッシングした。その後、上記処理後のウエハをＦＯＵＰ内で所定時間保管し、異物の発生具合を観察した。なお、１つのＦＯＵＰには一枚のウエハを挿入し（図８（ａ））、他方のＦＯＵＰには挿入可能な最大の枚数分のウエハを挿入した（図８（ｂ））。

ここで、所定時間経過後、ＦＯＵＰ内のウエハを取り出し、開口内の異物の発生を観察すると、図８（ａ）のＦＯＵＰから取り出したウエハには異物がほとんど発生していなかった。一方、図８（ｂ）のＦＯＵＰから取り出したウエハには異物が発生していた。これは、図８（ａ）のようにＦＯＵＰ内のウエハの密度が小さい場合には、ウエハから発生したＮＨ３（デガス）が希釈され、結果、開口の側壁などに蓄積しているエッチング生成物に含まれるＦと、雰囲気中のＮＨ３との反応が進まなかったためと考えられる。一方、図８（ｂ）のようにＦＯＵＰ内のウエハの密度が大きい場合には、ウエハから発生したＮＨ３の濃度が大きくなり、結果、開口の側壁などに蓄積しているエッチング生成物に含まれるＦと、雰囲気中のＮＨ３との反応が進んだためと考えられる。この結果は、上述した本発明者が新たに見出した異物発生のメカニズムを裏付けるものであると考えられる。
以下、参考形態の例を付記する。
１． 半導体基板上に、絶縁膜、Ｎを含むストッパ膜、および、レジストパターンをこの順に積層する積層工程と、
前記レジストパターンをマスクとして、Ｆを含むエッチングガスで前記ストッパ膜および前記絶縁膜をエッチングし、開口を形成するエッチング工程と、
前記エッチング工程の後に行われ、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いて、前記レジストパターンをアッシングし除去するアッシング工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
２． １に記載の半導体装置の製造方法において、
前記アッシング工程の後に行われ、前記半導体基板を大気中で放置後、前記開口内を金属で埋めるように前記半導体基板上に金属膜を形成する金属膜形成工程をさらに有する半導体装置の製造方法。
３． １または２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不活性ガスは、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、および、水素ガスの中の１つ以上を有する半導体装置の製造方法。
４． ３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不活性ガスは、アルゴンガスである半導体装置の製造方法。
５． １から４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記積層工程では、前記ストッパ膜と前記レジストパターンの間に、さらに、反射防止膜を形成し、
前記エッチング工程では、前記エッチングガスで前記反射防止膜をもエッチングし、
前記アッシング工程では、前記反射防止膜をもアッシングする半導体装置の製造方法。
６． １から５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記ストッパ膜は、ＳｉＣＮ膜である半導体装置の製造方法。
７． １から６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記エッチングガスは、Ｃ _ｘ Ｆ _ｙ ガスである半導体装置の製造方法。

１０ 下層配線
２０ Ｃｕプラグ
３０ ストッパ膜
４０ ＳｉＯ_２膜
５０ ストッパ膜
６０ 反射防止膜
７０ レジストパターン
８０ ＳｉＯ_２膜
９０ 反射防止膜
１００ レジストパターン

Claims (7)

1. 半導体基板上に、絶縁膜、Ｎを含むストッパ膜、および、レジストパターンをこの順に積層する積層工程と、
   前記レジストパターンをマスクとして、Ｆを含むエッチングガスで前記ストッパ膜および前記絶縁膜をエッチングし、開口を形成するエッチング工程と、
   前記エッチング工程の後に行われ、酸素ガスおよび不活性ガスを含むガスを３≦（酸素ガスラジカル）／（不活性ガスラジカル）≦５となる条件で用いて、前記レジストパターンをアッシングし除去するアッシング工程と、
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記アッシング工程の後に行われ、前記半導体基板を大気中で放置後、前記開口内を金属で埋めるように前記半導体基板上に金属膜を形成する金属膜形成工程をさらに有する半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記不活性ガスは、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、および、水素ガスの中の１つ以上を有する半導体装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記不活性ガスは、アルゴンガスである半導体装置の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記積層工程では、前記ストッパ膜と前記レジストパターンの間に、さらに、反射防止膜を形成し、
   前記エッチング工程では、前記エッチングガスで前記反射防止膜をもエッチングし、
   前記アッシング工程では、前記反射防止膜をもアッシングする半導体装置の製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ストッパ膜は、ＳｉＣＮ膜である半導体装置の製造方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記エッチングガスは、Ｃ_ｘＦ_ｙガスである半導体装置の製造方法。

Images