JP4523351B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、ドライエッチング方法および半導体装置の製造方法に係り、詳しくは、レジストマスクのエッチング荒れが少なく、微細なレジストパターンの被加工材料へのパターン転写が容易なドライエッチング方法および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a dry etching method and a semiconductor device manufacturing method, and more particularly, a dry etching method and a semiconductor device manufacturing method in which a resist mask has less etching roughness and a pattern transfer of a fine resist pattern onto a workpiece material is easy. Regarding the method.
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 transmission delay due to a decrease in signal propagation speed due to wiring resistance and parasitic capacitance between wirings 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。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。 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 tried to use. 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.
ダマシン法は、具体的には、たとえば、下層配線の上にエッチングストッパー層あるいは絶縁性バリア層としてたとえばSiC(炭化シリコン)膜、そしてLow−k膜およびキャップ膜を順に形成した後、レジスト膜をマスクとしたドライエッチングによって配線溝を形成し、アッシングによりレジスト膜を除去し、上記エッチングストッパー層をエッチングしてから配線溝内にバリアメタル、銅あるいは銅合金材で成る配線材料膜を埋込むことによって溝配線を形成する方法である。配線材料膜の埋込みは、CVD法、メッキ法等により配線溝を埋設するようにして配線材料膜を形成した後、配線溝の内部にのみ配線材料膜を残すようにCMP(Chemical Mechanical Polishing;化学的機械研磨)法を用いて表面を平坦化することによって実現することができる。 Specifically, in the damascene method, for example, an SiC (silicon carbide) film, a low-k film, and a cap film are sequentially formed as an etching stopper layer or an insulating barrier layer on a lower layer wiring, and then a resist film is formed. Wiring grooves are formed by dry etching using a mask, the resist film is removed by ashing, the etching stopper layer is etched, and a wiring material film made of a barrier metal, copper or copper alloy material is embedded in the wiring grooves. This is a method of forming a trench wiring. The wiring material film is embedded by CMP (Chemical Mechanical Polishing) so as to leave the wiring material film only inside the wiring groove after the wiring material film is formed by embedding the wiring groove by CVD method, plating method or the like. It can be realized by planarizing the surface using a mechanical polishing method.
130nmノード〜65nmノードの溝配線の形成では、ArFエキシマレーザー(波長;約193nm)露光によりレジストパターンが形成されるのが主流であり、ArFエキシマレーザー露光に対応したレジスト(膜)をマスクにしてLow−k膜をドライエッチングした場合、レジスト表面が荒れるという問題がある。このレジスト荒れは、パターン側壁において、被加工材料のLow−k膜に転写され、Low−k膜のパターン側壁(配線溝側壁)がぎざぎざになる、いわゆるストライエーション(Striation)が発生する。微細化に伴い、配線の場合は、配線間隔が狭くなり、65nmノードでは、1層目の配線では、180nm〜200nmピッチになると予想される。即ち、ライン/スペース(L/S)が90nm/90nm〜100nm/100nmになる。ストライエーション値を配線寸法の最大値と最小値との差で表すと、その値が10nm程度でも、配線幅寸法のおよそ10%を占め、配線長の非常に長くなる溝配線ではその影響が無視できなくなる。このストライエーションの影響としては、配線間において、リーク電流の増大や、ショートが挙げられる。さらに、配線材料膜の下層に設けられるバリアメタルの成膜不良により生じる、CuメッキでのCu膜中のボイドも発生しやすくなる。そして、配線層間を接続ための接続孔(ビアホール)に銅材等の導電体材料を埋込んでビアプラグを形成する場合も、全く同様の問題が生じる。 In the formation of groove wirings of 130 nm node to 65 nm node, a resist pattern is mainly formed by ArF excimer laser (wavelength; about 193 nm) exposure, and a resist (film) corresponding to ArF excimer laser exposure is used as a mask. When the low-k film is dry-etched, the resist surface becomes rough. This resist roughness is transferred to the low-k film of the material to be processed on the pattern side wall, and a so-called striation occurs in which the pattern side wall (wiring groove side wall) of the low-k film becomes jagged. Along with miniaturization, in the case of wiring, the wiring interval is narrowed, and at the 65 nm node, the first layer wiring is expected to have a pitch of 180 nm to 200 nm. That is, the line / space (L / S) is 90 nm / 90 nm to 100 nm / 100 nm. Expressing the striation value as the difference between the maximum and minimum wiring dimensions, even if the value is about 10 nm, it accounts for about 10% of the wiring width dimension, and the effect is negligible for trench wiring that has a very long wiring length. become unable. As an influence of this striation, an increase in leakage current and a short circuit between wirings can be mentioned. Furthermore, voids in the Cu film due to Cu plating, which are generated due to defective film formation of the barrier metal provided under the wiring material film, are likely to occur. The same problem occurs when a via plug is formed by embedding a conductor material such as a copper material in a connection hole (via hole) for connecting between wiring layers.
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、レジスト膜をマスクにして被加工材料をドライエッチングするとき、レジスト膜の荒れを抑制しパターン側壁に生じるストライエーションを低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to suppress the resist film from being roughened and to reduce the striations generated on the pattern side walls when dry etching a material to be processed using the resist film as a mask. To do.
上記課題を解決するために、ドライエッチング方法にかかる発明は、少なくとも炭素およびフッ素を含むガスをプラズマ励起し被加工材料上のレジスト膜をマスクにして前記被加工材料を選択的にエッチングするドライエッチング方法であって、前記ガスに含まれる炭素に対するフッ素の原子比率が4以上である構成になっている。 In order to solve the above-mentioned problems, an invention relating to a dry etching method is directed to dry etching in which a gas containing at least carbon and fluorine is plasma-excited and the work material is selectively etched using a resist film on the work material as a mask. In the method, the atomic ratio of fluorine to carbon contained in the gas is 4 or more.
上記発明において、前記ガスはフルオロカーボンガスを含む。あるいは、前記ガスにHFガス、F2ガス、SF6ガスあるいはNF3ガスを添加する構成になっている。 In the above invention, the gas contains a fluorocarbon gas. Alternatively, HF gas, F 2 gas, SF 6 gas, or NF 3 gas is added to the gas.
そして、半導体装置の製造方法にかかる発明は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に配線溝パターンを有するレジスト膜を形成する工程と、少なくとも炭素およびフッ素を含むガスであって前記炭素に対する前記フッ素の原子比率が4以上であるガスをプラズマ励起し、前記レジスト膜をマスクにして前記層間絶縁膜をドライエッチングして、前記層間絶縁膜に配線溝を形成する工程と、前記レジスト膜を除去した後、前記配線溝に配線材料膜を埋設して配線層を形成する工程と、を有する構成になっている。 The invention according to the method for manufacturing a semiconductor device includes a step of forming an interlayer insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a resist film having a wiring groove pattern on the interlayer insulating film, and at least carbon and fluorine A gas having a fluorine atomic ratio of 4 or more with respect to carbon is plasma-excited, and the interlayer insulating film is dry-etched using the resist film as a mask to form a wiring groove in the interlayer insulating film. And a step of forming a wiring layer by embedding a wiring material film in the wiring groove after removing the resist film.
本発明の構成によれば、レジスト膜をマスクにした被加工材料のドライエッチングにおいて、レジストマスクの荒れが抑制され、パターン側壁のストライエーションが低減して、パターン形状が細長くなる微細なエッチング加工が可能になる。 According to the configuration of the present invention, in dry etching of a material to be processed using a resist film as a mask, resist mask roughness is suppressed, striations on the pattern side walls are reduced, and a fine etching process that makes the pattern shape elongated is performed. It becomes possible.
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法の一例として、被加工材料である低誘電率の層間絶縁膜をドライエッチングしシングルダマシン法による銅配線を形成する方法について図1〜図3を参照して説明する。そして、その中で、本発明のドライエッチング方法について併せて説明する。図1乃至3は上記配線の製造工程順の素子断面図である。 Hereinafter, as an example of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a method of dry etching a low dielectric constant interlayer insulating film, which is a material to be processed, to form a copper wiring by a single damascene method will be described with reference to FIGS. I will explain. And in that, the dry etching method of this invention is demonstrated collectively. 1 to 3 are element sectional views in the order of the manufacturing process of the wiring.
まず、図1(a)に示すように、シリコン基板上に形成された下層配線1の上に第1エッチングストッパー層2を成膜する。第1エッチングストッパー層2は、たとえばSiC膜、SiCN膜あるいはSiN膜で構成される。 First, as shown in FIG. 1A, a first etching stopper layer 2 is formed on a lower wiring 1 formed on a silicon substrate. The first etching stopper layer 2 is composed of, for example, a SiC film, a SiCN film, or a SiN film.
この上にLow−k膜3を成膜する。Low−k膜3は、二酸化シリコン膜(SiO2 )よりも低い誘電率の絶縁材料から成る。好ましくは比誘電率3.0以下、より好ましくは比誘電率2.5以下のものが用いられ、たとえばオルガノポリシロキサンをポーラス化した材料が好適である。 A low-k film 3 is formed thereon. The Low-k film 3 is made of an insulating material having a dielectric constant lower than that of the silicon dioxide film (SiO 2 ). A material having a relative dielectric constant of 3.0 or less, more preferably a dielectric constant of 2.5 or less is preferably used. For example, a porous material of organopolysiloxane is suitable.
ここで、オルガノポリシロキサンとは、有機官能基を有するポリシロキサンであり、誘電特性および加工性に優れることから、アルキルシルセスキオキサンが好適である。たとえば、図4に示すようにメチル基を含有した膜組成を有するメチルシルセスキオキサンが好ましく用いられ、その成膜方法の違いから、塗布系はMSQ膜、CVD系はSiOC膜と呼ばれる。比誘電率が2.5〜3.0のLow−k膜は130nm〜90nmノードに適用されている。65nmノードでは、比誘電率を2.5以下にする必要があり、空孔を含有した、ポーラスMSQ膜あるいはポーラスSiOC膜が検討されている。 Here, the organopolysiloxane is a polysiloxane having an organic functional group, and an alkylsilsesquioxane is preferable because it is excellent in dielectric properties and processability. For example, as shown in FIG. 4, methylsilsesquioxane having a film composition containing a methyl group is preferably used, and the coating system is called an MSQ film and the CVD system is called an SiOC film because of the difference in the film forming method. Low-k films having a relative dielectric constant of 2.5 to 3.0 are applied to 130 nm to 90 nm nodes. At the 65 nm node, the relative dielectric constant needs to be 2.5 or less, and porous MSQ films or porous SiOC films containing pores are being studied.
上記Low−k膜3の形成方法を少し具体的に説明する。プラズマCVD法による場合は、原料ガスとして、アルキルシランガスおよび酸化性ガスの混合ガスを用いる。アルキルシランガスとしては、モノメチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシランまたはテトラメチルシラン等が挙げられ、これらを単独で使用、または2種以上を併用することができる。このうち、トリメチルシランが好適に用いられる。酸化性ガスとは、アルキルシランに対する酸化作用を示すガスであって、分子中に酸素元素を含むものが用いられる。たとえば、NO、NO2、CO、CO2およびO2からなる群から選ばれる1または2以上のガスを用いることができ、このうち、酸化力の強さが適度であることから、NOおよびNO2が好ましく用いられる。一方、スピンコート法(塗布法)により形成する場合は、所定の回転速度で回転するウェーハ上に層材料の溶解した溶液を滴下して塗布し、次いで多段階の熱処理を行って乾燥、固化を行うことにより成膜する。さらに、熱処理条件により、ポーラス度を増加し、比誘電率を低下させることも可能である。一般的に、ポーラスSiOC膜のポア径は1nm前後、ポーラスMSQ膜のポア径は1nm〜20nmが主流である。 A method for forming the Low-k film 3 will be described in a specific manner. In the case of the plasma CVD method, a mixed gas of an alkylsilane gas and an oxidizing gas is used as a source gas. Examples of the alkyl silane gas include monomethyl silane, dimethyl silane, trimethyl silane, and tetramethyl silane. These can be used alone or in combination of two or more. Of these, trimethylsilane is preferably used. The oxidizing gas is a gas that exhibits an oxidizing action on alkylsilane, and includes an oxygen element in the molecule. For example, one or two or more gases selected from the group consisting of NO, NO 2 , CO, CO 2 and O 2 can be used, and among these, the strength of oxidizing power is moderate, so NO and NO 2 is preferably used. On the other hand, when forming by spin coating method (coating method), a solution in which a layer material is dissolved is applied dropwise onto a wafer rotating at a predetermined rotation speed, and then subjected to multi-step heat treatment to dry and solidify. A film is formed by performing. Furthermore, the degree of porosity can be increased and the dielectric constant can be lowered depending on the heat treatment conditions. In general, the pore diameter of the porous SiOC film is around 1 nm, and the pore diameter of the porous MSQ film is mainly 1 nm to 20 nm.
次に、上記のようにして形成したLow−k膜3上にキャップ層4を成膜する。キャップ層4は、レジスト膜形成のリワーク時にレジストのO2プラズマアッシング耐性を高め、また、Low−k膜3の吸湿による誘電率上昇を防止し、さらにCuメッキ後のCMPの研磨ストッパー等の目的で形成される。このキャップ層4は、たとえばシリコン酸化膜で形成される。 Next, the cap layer 4 is formed on the Low-k film 3 formed as described above. The cap layer 4 increases the O 2 plasma ashing resistance of the resist during rework for forming the resist film, prevents the dielectric constant from increasing due to moisture absorption of the low-k film 3, and further serves as a polishing stopper for CMP after Cu plating. Formed with. The cap layer 4 is formed of a silicon oxide film, for example.
そして、キャップ層4上に有機高分子の反射防止膜であるARC膜5及びレジストマスク6を形成する。ここで、レジストマスク6には配線溝パターン7を形成する。 Then, an ARC film 5 and a resist mask 6 which are organic polymer antireflection films are formed on the cap layer 4. Here, a wiring groove pattern 7 is formed in the resist mask 6.
次に、図1(b)に示すように、ARC膜5、キャップ層4及びLow−k膜3を順次にドライエッチングして第1エッチングストッパー層2表面に達する配線溝8を形成する。このドライエッチングの時、エッチングガスとして、フルオロカーボン(CxHyFz)/Ar/N2の混合ガス系を用いる。このガス系を用いることで、Low−k膜3に対する膜ダメージが少なくなる。ここで、x、y、zは零あるいは正整数である。 Next, as shown in FIG. 1B, the ARC film 5, the cap layer 4, and the low-k film 3 are sequentially dry-etched to form a wiring groove 8 that reaches the surface of the first etching stopper layer 2. In this dry etching, a mixed gas system of fluorocarbon (CxHyFz) / Ar / N 2 is used as an etching gas. By using this gas system, film damage to the Low-k film 3 is reduced. Here, x, y, and z are zero or a positive integer.
ここで、上記Low−k膜3を含んで成る低誘電率の層間絶縁膜のドライエッチングにおいて、フルオロカーボンをCF4、CHF3、CH2F2、C4F8、C5F8、C4F6と種々に変えてドライエッチングした。その結果、F(フッ素)/C(炭素)の原子比が大きい方が、上記レジストマスク6のレジスト荒れが低減することが明らかになった。 Here, in the dry etching of the interlayer insulating film having a low dielectric constant comprising the Low-k film 3, fluorocarbon CF 4, CHF 3, CH 2 F 2, C 4 F 8, C 5 F 8, C 4 and dry etching instead of F 6 and various. As a result, it has been clarified that the resist roughness of the resist mask 6 is reduced when the atomic ratio of F (fluorine) / C (carbon) is large.
図5は、上記混合ガスのフルオロカーボンとしてCF4、CHF3、CH2F2ガスを用い、ポーラスMSQ膜をドライエッチングした後の上面のレジストマスクの形状を示す顕微鏡写真である。ここで、図5(a)がCF4ガスをフルオロカーボンとした場合であり、図5(b)がCHF3ガスをフルオロカーボンとした場合であり、図5(c)がCH2F2ガスをフルオロカーボンとした場合である。これらの写真から判るように、レジスト荒れの大きさ(粒径)は、CF4ガスの場合が約24nm、CHF3ガスの場合が約48nm、CH2F2ガスの場合が約80nmである。そして、上記ドライエッチング後のレジスト荒れが大きくレジストマスクのパターン側壁の荒れが大きい程、また、レジスト残膜が少ない程、上記層間絶縁膜のドライエッチング後において、Low−k膜3のパターン側壁すなわち配線溝の側壁にストライエーションが形成され易くなる。 FIG. 5 is a photomicrograph showing the shape of the resist mask on the upper surface after dry etching the porous MSQ film using CF 4 , CHF 3 , CH 2 F 2 gas as the fluorocarbon of the mixed gas. Here, FIG. 5A shows a case where CF 4 gas is fluorocarbon, FIG. 5B shows a case where CHF 3 gas is fluorocarbon, and FIG. 5C shows CH 2 F 2 gas being fluorocarbon. This is the case. As can be seen from these photographs, the resist roughness (particle size) is about 24 nm for CF 4 gas, about 48 nm for CHF 3 gas, and about 80 nm for CH 2 F 2 gas. Then, as the resist roughness after the dry etching is large and the pattern sidewall roughness of the resist mask is large, and as the resist residual film is small, the pattern sidewall of the low-k film 3 after the dry etching of the interlayer insulating film, that is, A striation is easily formed on the side wall of the wiring groove.
ここで、上記の理由をエッチングガスのF/C比の観点から説明する。CF4ガス、CHF3ガス、CH2F2ガスを比較した場合、F/C比の大きい方が、Fとレジスト中のCとの反応性が大きく、レジストの主鎖、側鎖を切断しやすい。また、デポ性も弱いため、反応は促進される。よって、レジスト成分のマクロな不均一性によらず、均一にエッチングされると考えられる。逆に、F/C比が小さくなると、エッチングと相対的にデポ性が増大するため、レジスト成分のマクロな不均一性も加わって、エッチング反応部分と未反応部分が顕著になると考えられる。 Here, the above reason will be described from the viewpoint of the F / C ratio of the etching gas. When CF 4 gas, CHF 3 gas, and CH 2 F 2 gas are compared, the larger the F / C ratio, the greater the reactivity between F and C in the resist, and the main chain and side chain of the resist are cut. Cheap. In addition, the reaction is promoted because the deposit is weak. Therefore, it is considered that etching is performed uniformly regardless of the macro non-uniformity of the resist component. On the other hand, when the F / C ratio is decreased, the deposition property is increased relative to the etching, so that it is considered that the etching reaction portion and the unreacted portion become conspicuous with the addition of macro non-uniformity of the resist component.
同様にして、CF4ガス、C4F8ガス、C5F8ガス、C4F6ガスを比較すると、C4F8ガス、C5F8ガス、C4F6ガスでは、CH2F2ガスと同程度にレジスト荒れが大きい。高分子量のフルオロカーボンガスは、プラズマ中で分解され、低分子量のイオン、ラジカルも生成されるため、一概には言えないが、高分子量の方が、F/C比が1.5〜2.0と低く、CF4ガス比べ反応性が低いこと、デポ性が大きいことによると考えられる。 Similarly, when CF 4 gas, C 4 F 8 gas, C 5 F 8 gas, and C 4 F 6 gas are compared, in C 4 F 8 gas, C 5 F 8 gas, and C 4 F 6 gas, CH 2 The resist roughness is as large as F 2 gas. The high molecular weight fluorocarbon gas is decomposed in plasma, and low molecular weight ions and radicals are also generated. Therefore, although it cannot be generally stated, the high molecular weight has an F / C ratio of 1.5 to 2.0. It is considered that the reactivity is low compared with CF 4 gas and the deposition property is large.
以上より、CF4ガスにおいて最もレジスト荒れの粒径が小さく、上記ストライエーションを抑制できることが判った。特に、F/Cの比が4以上であれば、銅配線の電気特性上、問題のない配線溝の加工形状が得られる。 From the above, it was found that the resist roughening particle size is the smallest in CF 4 gas, and the striation can be suppressed. In particular, if the F / C ratio is 4 or more, the processed shape of the wiring groove can be obtained without any problem in terms of electrical characteristics of the copper wiring.
また、上記ドライエッチングのガスとしてフルオロカーボンガスにフッ素含有ガスを添加したものを用いても、上記レジスト荒れを防止できることも明らかになった。その添加ガスとしてはHFガス、F2ガス、SF6ガス、NF3ガスが好適である。この添加されたエッチングガスにおいても、エッチングガス中におけるF/C比が増大することで、上記ストライエーションは抑制される。そして、この場合でも特に、F/Cの原子比4以上が好適になり、半導体装置の溝配線間のリーク電流あるいはショート等の電気特性上において全く問題のない配線溝の加工形状が得られるようになる。 It has also been clarified that the resist roughening can be prevented even when a fluorine-containing gas added to a fluorocarbon gas is used as the dry etching gas. As the additive gas, HF gas, F 2 gas, SF 6 gas, and NF 3 gas are suitable. Even in the added etching gas, the striation is suppressed by increasing the F / C ratio in the etching gas. Even in this case, in particular, an F / C atomic ratio of 4 or more is suitable, and it is possible to obtain a processed shape of a wiring groove that has no problem in terms of electrical characteristics such as leakage current or short circuit between groove wirings of a semiconductor device. become.
ここで、レジスト膜はArFエキシマレーザー露光用に限定されるものでない。上記エッチングガスのF/C比の増加により、特にその比が4以上になると、I線、KrF、F2、EB用露光用の各種レジスト膜の場合においても顕著なストライエーション抑制の効果が得られるようになる。 Here, the resist film is not limited to ArF excimer laser exposure. When the F / C ratio of the etching gas is increased, particularly when the ratio is 4 or more, the striation suppression effect is remarkable even in the case of various resist films for exposure for I-line, KrF, F 2 and EB. Be able to.
以上のようにして、Low−k膜3を含む層間絶縁膜に配線溝8を形成した後、図1(c)に示すように、レジストマスク6およびARC膜5を高温H2/Heプラズマ、低温N2/H2プラズマなどを用いて膜ダメージなくレジストマスクを除去し、キャップ層4を露出させる。 After forming the wiring trench 8 in the interlayer insulating film including the low-k film 3 as described above, as shown in FIG. 1C, the resist mask 6 and the ARC film 5 are subjected to high-temperature H 2 / He plasma, The resist mask is removed without film damage using a low temperature N 2 / H 2 plasma or the like, and the cap layer 4 is exposed.
次に、図2(a)に示すように、キャップ層4をハードマスクにしたドライエッチングにおいて、エッチングガスとしてCHF3/Ar/N2混合ガス、CF4/Ar/N2混合ガスなどを用いて第1エッチングストッパー層2をドライエッチングし、配線溝8を下層配線1に達するように貫通させる。 Next, as shown in FIG. 2A, in dry etching using the cap layer 4 as a hard mask, a CHF 3 / Ar / N 2 mixed gas, a CF 4 / Ar / N 2 mixed gas, or the like is used as an etching gas. Then, the first etching stopper layer 2 is dry-etched to penetrate the wiring groove 8 so as to reach the lower layer wiring 1.
次に、図2(b)に示すように、Ta/TaNバリアメタルのスパッタ、Cuシード、Cuメッキを行い、配線材料膜9を下層配線1に接続して配線溝8に埋設する。次に、配線材料膜9に対して、図2(c)に示すようにCuアニールを350℃で行う。さらに、図3(a)に示すように、キャップ層4を研磨ストッパーとしその上の配線材料膜9の不要部分をCMPにより研磨除去し銅配線10を形成する。そして、図3(b)に示すように、銅配線10およびキャップ層4を被覆する第2エッチングストッパー層11をSiC膜等で形成し溝配線が完成する。 Next, as shown in FIG. 2B, Ta / TaN barrier metal sputtering, Cu seed, and Cu plating are performed, and the wiring material film 9 is connected to the lower layer wiring 1 and buried in the wiring groove 8. Next, Cu annealing is performed on the wiring material film 9 at 350 ° C. as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 3A, the copper layer 10 is formed by polishing and removing unnecessary portions of the wiring material film 9 thereon using the cap layer 4 as a polishing stopper. Then, as shown in FIG. 3B, a second etching stopper layer 11 covering the copper wiring 10 and the cap layer 4 is formed with a SiC film or the like, thereby completing the groove wiring.
本実施形態では、上述したように、Low−k膜3を含む層間絶縁膜のドライエッチングによる配線溝の形成おいて、配線溝側壁のストライエーションが大幅に抑制されるので、ダマシン配線間の電流のリークおよびショートの抑制が可能になる。さらに、配線溝の側壁が滑らかになるので、上記バリアメタルのステップカバレッジも優れており、バリア成膜不良によるCuメッキでのボイド発生も抑制できる。 In the present embodiment, as described above, striations on the side walls of the wiring grooves are greatly suppressed in the formation of the wiring grooves by dry etching of the interlayer insulating film including the low-k film 3. Leakage and short-circuiting can be suppressed. Furthermore, since the side wall of the wiring groove is smooth, the step coverage of the barrier metal is excellent, and the occurrence of voids in Cu plating due to defective barrier film formation can be suppressed.
この銅配線の上に同様の方法でビアを形成することを繰り返して、多層配線を形成する。ビアに関しても、配線の場合と同様の効果が得られる。以上で、信頼性の高い高速動作の半導体装置を製造することが可能となる。 A multilayer wiring is formed by repeatedly forming a via on the copper wiring in the same manner. As for vias, the same effect as in the case of wiring can be obtained. As described above, a highly reliable semiconductor device that operates at high speed can be manufactured.
なお、ドライエッチング装置は、2周波RIE型、ICP型、いずれの装置でも可能であり、アッシング装置としては、ダウンフロー型表面波プラズマアッシャー、ICP型プラズマアッシャー、又は、エッチング装置(2周波RIE、ICP)エッチャーなどいずれの装置を利用してもよい。 The dry etching apparatus can be either a two-frequency RIE type or an ICP type, and the ashing apparatus can be a downflow type surface wave plasma asher, an ICP type plasma asher, or an etching apparatus (two-frequency RIE, Any device such as an ICP) etcher may be used.
上記実施形態によれば、レジストマスクによりLow−k膜を含む層間絶縁膜をドライエッチングする時に、フルオロカーボン(CxHyFz)/Ar/N2混合ガス系あるいはこの混合ガス系にフッ素含有ガスを添加するエッチングガスにおいて、上記エッチングガス中の全炭素量に対する全フッ素量の原子量比を4以上とすることで、レジストマスクのレジスト荒れを抑制できる。そして、Low−k膜のドライエッチング後のパターン側壁である配線溝側壁のストライエーションを大幅に抑制できるので、ダマシン配線間の電流のリークや、ショートが大幅に低減する。さらに、配線溝側壁が滑らかになるので、バリアメタルのステップカバレッジがよくなり、バリア成膜不良によるCuメッキでのボイド発生も抑制することができる。このようにして、微細で配線長の非常に長いダマシン配線を有する半導体装置が高歩留まりに製造できるようになる。 According to the above embodiment, when dry etching the interlayer insulating film including the low-k film using the resist mask, the fluorocarbon (CxHyFz) / Ar / N 2 mixed gas system or the etching that adds a fluorine-containing gas to the mixed gas system is performed. In the gas, when the atomic weight ratio of the total fluorine amount to the total carbon amount in the etching gas is 4 or more, the resist roughness of the resist mask can be suppressed. And since the striation of the wiring trench side wall, which is the pattern side wall after dry etching of the Low-k film, can be greatly suppressed, current leakage between damascene wirings and short circuit are greatly reduced. Furthermore, since the wiring trench side wall becomes smooth, the step coverage of the barrier metal is improved, and the occurrence of voids in Cu plating due to barrier film formation failure can be suppressed. In this way, a semiconductor device having a damascene wiring that is fine and has a very long wiring length can be manufactured with a high yield.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments do not limit the present invention. Those skilled in the art can make various modifications and changes in specific embodiments without departing from the technical idea and technical scope of the present invention.
たとえば、上記の実施形態において、Low−k膜としては、MSQ膜の他にシロキサン骨格を有する他の絶縁膜あるいは有機高分子を主骨格とした絶縁膜をを用いることができる。上記シロキサン骨格を有する絶縁膜には、シルセスキオキサン類の絶縁膜であるSi−CH3結合、Si−H結合、Si−F結合のうち少なくとも1つの結合を含むシリカ膜があり、有機高分子を主骨格とした絶縁膜には、有機ポリマーで成るSiLK(登録商標)がある。そして、シルセスキオキサン類の絶縁膜としてよく知られた絶縁材料には、上記MSQの他、ハイドロゲンシルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)、メチレーテッドハイドロゲンシルセスキオキサン(MHSQ:Methylated Hydrogen Silsesquioxane)等がある。さらに、多孔質構造の低誘電率膜としては、CVD法により成膜する多孔質のSiOCH膜、SiOC膜も同様に使用することができる。 For example, in the above embodiment, as the Low-k film, in addition to the MSQ film, another insulating film having a siloxane skeleton or an insulating film having an organic polymer as a main skeleton can be used. The insulating film having a siloxane skeleton includes a silica film containing at least one of a Si—CH 3 bond, a Si—H bond, and a Si—F bond, which is an insulating film of silsesquioxanes. As an insulating film having molecules as a main skeleton, there is SiLK (registered trademark) made of an organic polymer. Insulating materials well known as insulating films of silsesquioxanes include MSQ, hydrogen silsesquioxane (HSQ), and methylated hydrogen silsesquioxane (MHSQ). Silsesquioxane). Furthermore, as the low dielectric constant film having a porous structure, a porous SiOCH film or SiOC film formed by the CVD method can be used in the same manner.
また、上記ドライエッチングにおける被加工材料は層間絶縁膜に限定されず、他の絶縁体材料あるいは半導体材料、導電体材料の場合でも本発明のドライエッチング方法は同様に適用できる。さらに、半導体基板に限らず液晶表示基板、プラズマディスプレイ基板上の被加工材料のエッチングでも同様に適用できる。 Further, the material to be processed in the dry etching is not limited to the interlayer insulating film, and the dry etching method of the present invention can be similarly applied to other insulator materials, semiconductor materials, and conductor materials. Furthermore, the present invention can be similarly applied to etching of a material to be processed on a liquid crystal display substrate and a plasma display substrate as well as a semiconductor substrate.
1 下層配線
2 第1エッチングストッパー層
3 Low−k膜
4 キャップ層
5 ARC膜
6 レジストマスク
7 配線溝パターン
8 配線溝
9 配線材料膜
10 銅配線
11 第2エッチングストッパー層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower layer wiring 2 1st etching stopper layer 3 Low-k film 4 Cap layer 5 ARC film 6 Resist mask 7 Wiring groove pattern 8 Wiring groove 9 Wiring material film 10 Copper wiring 11 2nd etching stopper layer
Claims (1)
前記層間絶縁膜上に配線溝パターンを有するレジスト膜を形成する工程と、
少なくとも炭素及びフッ素を含むガスであって前記炭素に対する前記フッ素の原子比率が4以上であるガスをプラズマ励起し、前記レジスト膜をマスクにして前記層間絶縁膜をドライエッチングして、前記層間絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記レジスト膜を除去した後、前記配線溝に配線材料膜を埋設して配線層を形成する工程と、
を有し、
前記ガスに、HFガス、F 2 ガス、SF 6 ガス、又はNF 3 ガスを添加することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an interlayer insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less on a semiconductor substrate;
Forming a resist film having a wiring groove pattern on the interlayer insulating film;
Plasma-exciting a gas containing at least carbon and fluorine and having an atomic ratio of fluorine to carbon of 4 or more, and dry-etching the interlayer insulating film using the resist film as a mask, to thereby form the interlayer insulating film Forming a wiring groove in
After removing the resist film, a step of burying a wiring material film in the wiring groove to form a wiring layer;
I have a,
To the gas, HF gas, a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that the addition of F 2 gas, SF 6 gas, or NF 3 gas.
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