JPH10261624A

JPH10261624A - エッチング方法及び多層配線構造

Info

Publication number: JPH10261624A
Application number: JP9066346A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Onodera; 貴弘小野寺; Yoshihiro Hayashi; 喜宏林
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-29
Also published as: CN1154158C; CN1193811A; CN1503330A

Abstract

(57)【要約】【課題】有機絶縁膜のエッチングに際し、エッチング
終点検出用の膜を成膜せずにエッチング終点を検出する
方法を提供する。【解決手段】被エッチング材料１上に形成された開口
パターン３を有するレジスト２をマスクに被エッチング
材料をエッチングするに際し、両者を同時にエッチング
し、前記材料１とエッチングガスとの反応生成物７の発
光スペクトル強度をモニタしながらエッチングを行い、
レジスト２が全て除去された時点で反応生成物７の強度
が急激に増加する変化からエッチング終点を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置製造プ
ロセスなどで実施されるエッチングの終点を検出する方
法に関する。また本発明は、そのようなエッチング法で
形成される半導体装置、特に多層配線の構造及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の配線形成工程では、第１の層間絶
縁膜にスルーホールを形成し、該スルーホールにタング
ステン（Ｗ）を埋め込み、層間絶縁膜全面にＴｉＮ/Ｔ
ｉ等のバリアメタル膜とアルミ（Ａｌ）等の配線金属膜
とＴｉＮ等の反射防止膜とを連続成膜する。更に、露光
・現像により形成されるフォトレジストパターンをマス
クとして、塩素系プラズマガスを用いたドライエッチン
グで配線を形成する。更に、配線上にＣＶＤ法で第２の
層間絶縁膜を成長し、層間絶縁膜を化学機械研磨法（Ｃ
ＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)で平坦化する。

【０００３】この方法の場合、（１）腐食性の高い配線
金属膜をドライエッチングしなければならないこと、
（２）狭ピッチの金属配線上に層間絶縁膜を成長しなけ
ればならないこと、等により、配線の微細化による技術
的困難性が増している。

【０００４】また、微細配線の多層化により、下層配線
/Ｗプラグ/上層配線間の縦接続部での断線が多発してい
る。これは、電子流により金属原子が移動されやすい、
すなわちエレクトロマイグレーション耐性（以後、ＥＭ
耐性とよぶ）の比較的低い配線金属（Ａｌ）とＥＭ耐性
の高いプラグ埋め込み金属（Ｗ）の接続界面で、配線金
属側にボイドが発生するためである。また、配線微細化
による下層配線/Ｗプラグ/上層配線からなる接続部の位
置合わせズレによる不良確率も増大している。

【０００５】更に、狭ピッチ化により配線間容量の増大
による配線信号伝送遅延が増大する傾向にあり、配線性
能がＬＳＩ性能を支配する因子となっている。このた
め、層間絶縁膜の低誘電率化が急務となっている。

【０００６】これらのＬＳＩ配線の技術課題を解決する
ため、配線金属膜のドライエッチングを使用することな
しに、配線溝とその底部から下層配線に至るスルーホー
ルに一括して配線金属を埋め込む配線形成方法が提案さ
れている。図１２に、カンタら（C.W. Kaanta, 1991 VM
IC Conference, p144）によって提案された層間絶縁膜
に埋め込み配線を形成する従来例を示す。

【０００７】まず、下層配線６１上に直接シリコン酸化
膜からなる層間絶縁膜６２を成長し、第１のフォトレジ
スト６３の塗布、縦接続孔パターンの露光と現像からな
る一連の工程で第１のフォトレジストに縦接続孔パター
ン６４を形成する（図１２(ａ)）。更に、第２のフォト
レジスト６５の塗布、配線溝パターンの露光と現像から
なる一連の工程で、第１のフォトレジスト６４上に配線
溝パターン６６を有する第２のフォトレジストパターン
６５を形成する（図１２(ｂ)）。しかる後、フッ素系ガ
スを用いたドライエッチングで、第１及び第２のフォト
レジストパターンをマスクとして、前記層間絶縁膜６２
に縦接続孔６７（スルーホール）を形成する。この時、
エッチング時間を制御して縦接続孔６７の底部が層間絶
縁膜中間部に位置する程度でエッチングを終える（図１
２（ｃ））。次に、エッチングガスをＯ₂ガスに切り替
えて、第２のフォトレジストに形成されている配線溝パ
ターン６６を、第１のフォトレジスト６３に転写する
（図１２（ｄ）)）。エッチング終了時には第２のフォ
トレジストは除去されている。再びエッチングガスをフ
ッ素系に切り替えて、配線溝パターン６６の転写された
第１のフォトレジスト６３をマスクとして、層間絶縁膜
６２に配線溝６８を形成する。この際、エッチング時間
を制御することで、層間絶縁膜６２に予め形成されてい
る縦接続孔６７（スルーホール）底部が下層配線６１に
達するようにする（図１２（ｅ））。Ｏ₂プラズマガス
で層間絶縁膜６２上の第１のフォトレジスト６３を除去
し（図１２（ｆ））、ＣＶＤ法で層間絶縁膜６２に形成
された配線溝６８と縦接続孔６７とを埋め込みながらア
ルミ等の金属膜７０を成長する（図１２（ｇ））。最後
に、化学機械研磨法で層間絶縁膜上の金属膜を選択的に
除去し、配線溝と縦接続孔とに金属の埋め込まれた配線
構造を得ている（図１２（ｈ））。

【０００８】この方法の場合、（１）金属膜の微細加工
工程と微細配線上への層間絶縁膜成長工程を必要としな
いこと、（２）少なくとも配線溝と縦接続孔とに埋め込
まれる金属が同一で接続界面が存在しないこと等の利点
がある。ただし、縦接続孔及び配線溝の深さの制御はエ
ッチング時間を変化させることで行われている。また、
層間絶縁膜が無機物でエッチングマスク材が有機物（フ
ォトレジスト）であるため、少なくとも２種類のエッチ
ングガス（ここでは、フッ素系プラズマガスと酸素プラ
ズマガス）を切り替えて使っている。

【０００９】一方、配線間容量の抑制を目的として、特
願平2-235359号には、有機膜を用いた多層配線形成プロ
セスも提案されている。すなわち、上記したように、一
般に層間絶縁膜にはプラズマＣＶＤ法によるシリコン酸
化膜が用いられているが、その比誘電率（ε）は３．９
〜４．５程度である。酸化膜中にフッ素（Ｆ）を添加す
ることで、εは３．１程度まで低減できるが、無機薄膜
材料による層間絶縁膜の誘電率を３．０以下にすること
はむずかしいことから、ポリイミド（ε=２．５〜３．
５）に代表される有機膜が適用されている。

【００１０】図１３に、ポリイミドとシリコン酸化膜を
用いた多層配線形成プロセスを示す。まず、第１のアル
ミ配線７２上にシリコン酸化膜からなる無機層間絶縁膜
７３を成長し、更にポリイミド７４をスピンコーティン
グ法で成膜する（図１３（ａ））。次に、ポリイミド７
４上に第１のフォトレジスト７５を成膜し、縦接続孔パ
ターン７６を形成する（図１３（ｂ））。その後、Ｏ₂
を反応ガスとするドライエッチングで、ポリイミド７４
に縦接続孔７７を形成する（図１３（ｃ））。この際、
Ｏ₂プラズマエッチングの時間を制御することでポリイ
ミド７４上のレジスト７５も同時に灰化除去する。ここ
では、Ｏ₂プラズマガスを用いているため、ポリイミド
７４下の無機層間絶縁膜７３が現れると、エッチングは
停止する。次に、エッチングガスをＣＦ₄に切り替え
て、無機層間絶縁膜７３に縦接続孔７７（スルーホー
ル）を形成する（図１３（ｄ））。続いてアルミを成膜
し、配線パターン有する第２のフォトレジスト７８をマ
スクとして、Ｃｌ₂ガスによるドライエッチングで第２
のアルミ配線７９を形成する（図１３（ｅ））。最後
に、Ｏ₂プラズマガスで第２のフォトレジスト７８を除
去する（図１３（ｆ））。

【００１１】上記２つの従来例では、ドライエッチング
に関する詳細な記述はなされていないが、エッチング時
間を制御することでエッチング深さを制御することには
プロセス安定性の観点から問題がある。そこで一般に
は、ドライエッチングガス中の発光スペクトルの強度変
化を調べることで、エッチングの終点検出を行ってい
る。最も一般的な従来例として、フォトレジストマスク
でＴｉＮを塩素系ガスでエッチングする方法が、特開平
3-12927号公報に開示されている。ここでは、被エッチ
ング物であるＴｉＮとエッチングガスとの反応生成物ガ
スに対応するスペクトル（410ｎｍ〜420ｎｍ）領域の発
光強度をモニターし、被エッチング物のエッチングが終
了すると該発光が減少する強度変化を検出している。

【００１２】特開平3-12927号公報に開示の従来例で
は、被エッチング物とエッチングガスとの反応生成物ガ
スの発光を直接検出する方法であったが、エッチングガ
スにエッチングには直接関与しないガスを添加して、該
添加ガスとエッチング反応生成ガスとの相互作用を利用
して、添加ガスの発光強度をモニタすることでエッチン
グ終点を検出する方法も開示されている。

【００１３】すなわち、特開平4-287919号公報にフォト
レジスト等の有機膜をパターンニングする場合の従来例
が記載されれている。ここでは、エッチングガスに窒素
ガスを含む酸素プラズマガスを用いて、被エッチング物
である有機膜と酸素の反応生成ガスである一酸化炭素の
発光強度を検出するのでなく、一酸化炭素の存在により
窒素分子の発光強度が低下する現象を利用して終点検出
を行っている。このように、エッチングガス中に終点検
出に用いるガスを添加しておく方法がある。

【００１４】特開平6-232090号公報には、酸化膜へのコ
ンタクトホール形成のように、被エッチング面積が小さ
く、エッチングガスと被エッチング物との反応生成ガス
発生量が少なく、反応生成ガスの発光スペクトルの強度
減少を検出しにくい場合の従来例が記載されている。

【００１５】図１４に、２種類のフォトレジストを含む
多層レジストを用いてシリコン酸化膜にコンタクトホー
ルを形成する場合の従来例を示す。まず、シリコン基板
８１上にシリコン酸化膜８２を形成し、最下層レジスト
（第１のレジスト）８３、ＳＯＧ層（第２のレジスト）
８４、及び最表層レジスト（第３のレジスト）８５から
なる多層レジストを形成する。この時、予めシリコン酸
化膜８２と最表層レジスト８５とのエッチング速度比を
測定しておき、酸化膜エッチング終了と同時に最表層レ
ジスト８５がエッチング除去されてＳＯＧ層８４が現わ
れるように、最表層レジスト８５の厚さを調整してお
く。このような多層レジストに開口部８６を形成し（図
１４（ａ））、ＣＦ₄等のプラズマガスを用いてドライ
エッチングを開始すると、多層レジストの開口部８６に
露出した部分のシリコン酸化膜８２と同時に多層レジス
トの最表層レジスト８５もエッチングされる。この時、
有機物である最表層レジスト８５のエッチングに伴って
放出される反応生成ガス中には酸素がほとんど存在しな
いため、プラズマガス中の酸素に起因する発光（437ｎ
ｍ）の発光強度は低い。多層レジスト開口部８６下のシ
リコン酸化膜８２がすべてエッチングされると、同時に
最表層レジスト８５もすべてエッチングされる（図１４
（ｂ））。そして、第２のレジストであるＳＯＧ層８４
のエッチングが始まる。酸素原子とシリコン原子等から
構成されるＳＯＧ層８４のエッチングが開始されると、
プラズマガス中の酸素に起因する発光強度が増加する。
この発光強度の増加時をエッチングの終点としている。

【００１６】すなわち、この従来例では、パターン形成
する被エッチング材料であるシリコン酸化膜８２上に特
定発光スペクトルの異なる２種類のレジストを形成し
て、これらのレジストがエッチングされる際の特定発光
スペクトルの違いを利用して、エッチングの終点検出を
行ってシリコン酸化膜８２にパターン８７を形成してい
る。

【００１７】シリコン酸化膜８２上に終点検出用膜を形
成しておく方法は、絶縁膜表面平坦化を目的としたエッ
チバック法にも用いられている。

【００１８】特開平2-310921号公報に記載された方法
は、平坦性犠牲膜をエッチバックすることで被エッチン
グ材料の表面をエッチバックする場合のエッチバックの
終点検出方法である。まず、表面の平坦でないフィール
ド酸化膜（被エッチング材料）９１上に終点検出用絶縁
膜であるシリコン窒化膜９２を成長する（図１５
（ａ））。ついで、終点検出用絶縁膜９２上に、表面の
平坦な犠牲膜であるＳＯＧ膜（シリコン酸化膜）９３を
成膜する（図１５（ｂ））。このような基板をＲＩＥ装
置に入れ、ＣＨＦ₃ガスを用いてエッチバックすると、
初期状態においては、犠牲膜であるＳＯＧ膜９３とＣＨ
Ｆ₃とのエッチング反応生成ガスであるＣＯ、ＣＯ₂が発
生する。更に、エッチングが進行して終点検出用絶縁膜
である窒化シリコン膜９２が現われると、ＳＯＧ膜９３
とＣＨＦ₃との反応生成ガスであるＣＯの発生量が減少
する（図１５（ｃ））。従って、ＣＯの発光スペクトル
に対応する波長の強度変化をＲＩＥ装置に備えられた分
光器を通してモニタすることによって、終点検出用絶縁
膜９２の露出を検出し、エッチバック終点を検出する。

【００１９】この方法においても、平坦化したいフィー
ルド酸化膜上に終点検出用絶縁膜を成長していることが
特徴である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記い
ずれの従来例にも、それぞれ以下に述べる課題がある。

【００２１】まず、第１の従来例の方法は、配線溝と縦
接続孔に一括して金属膜を形成することで、配線金属膜
の微細パターン形成のためのドライエッチング工程と微
細配線パターン上への層間絶縁膜形成工程を不要として
いる。しかしながら、第１の従来例では、第１のフォト
レジストからなる縦接続孔パターンと第２のフォトレジ
ストからなる配線溝パターンを、ドライエッチングによ
り層間絶縁膜に転写しているが、層間絶縁膜にシリコン
酸化膜を用いているためエッチングガスの切り替え回数
が多く、またそのエッチング量をエッチング時間で制御
していたため、エッチング終点検出機能を有していない
といった欠点があった。

【００２２】ここでは、まずＣｌ系ガスで第１のフォト
レジストの縦接続孔パターンを層間絶縁膜に転写する。
次に、Ｏ₂プラズマガスで第２のフォトレジストの配線
溝パターンを第１のフォトレジストに転写し、Ｃｌ系ガ
スに再び切り替えて第１のフォトレジストに転写された
配線溝パターンをマスクとして層間絶縁膜に配線溝パタ
ーンを転写し、最後に再びＯ₂プラズマガスで第１のフ
ォトレジストパターンを除去している。すなわち、Ｃｌ
系→Ｏ₂系→Ｃｌ系→Ｏ₂系のエッチングガス切り替えが
必要となっている。

【００２３】また、この方法の場合、縦接続孔パターン
を形成した第１のフォトレジスト上に第２のフォトレジ
ストを形成する際、第１のフォトレジストを高温・長時
間ベークしておかないと、部分溶解によって縦接続孔パ
ターンが変形する場合があった。更に、第１のフォトレ
ジストに形成された縦接続孔パターン上の第２のフォト
レジストに、縦接続孔パターンの径よりも幅の広い配線
溝パターンを形成する必要がある。従って、配線設計す
る際に少なくとも縦接続孔上の配線溝幅が広くなるよう
にパターン設計をしなければならず、すくなくとも配線
設計段階で配線溝の設計ピッチを広くする必要があると
いった課題もあった。

【００２４】更に、一般に下層配線とその上部に位置す
る上層配線とは、互いに直交するような格子状となって
いる。例えば、下層配線が南北方向に一定間隔に配置さ
れていれば、層間絶縁膜を挟んで上層配線は東西方向に
一定間隔に設置されている。上層配線は層間絶縁膜で立
体的に分離されてはいるが、少なくとも下層配線を横断
するように設置されている。層間絶縁膜上にアルミ等の
配線金属膜を形成し、露光・現像工程で配線金属膜上に
所望のフォトレジストパターン形成とドライエッチング
で配線を形成する通常プロセスの場合、露光によるレジ
ストパターン形成は配線金属膜上であるため、下層配線
からの反射は無視できる。通常配線の場合には、配線金
属膜上に窒化チタン等の反射防止膜を形成後、露光工程
を行っている。一方、第１の従来例では、層間絶縁膜に
配線溝と縦接続孔（スルーホール）を形成した後に配線
金属を成膜するため、層間絶縁膜上に形成するフォトレ
ジスト露光の際に下層配線からの反射を考慮しなければ
ならない。しかしながら、第１の従来例にはこの露光時
の下層配線からの反射に関する考慮はなされていない。

【００２５】更に、最上層配線にこの溝埋め込み配線を
適用する場合、チップ外部との電気的接続をするための
パッド領域が形成されており、チップのパッケージング
の際、接続パッドにはアルミ線や金線のワイヤボンドや
半田バンプが形成される。ここで、配線溝に埋め込む金
属を銅とした場合、接続パッド部は銅となるが、この銅
表面には酸化銅層が形成されるため接続信頼性がないと
いった問題があった。したがって、少なくともパッド領
域の表面層には銅以外の金属、例えばアルミ等の金属層
が形成されている必要があるが、この点に関しても全く
考慮されていない。

【００２６】第２の従来例では、層間絶縁膜に低ε有機
膜であるポリイミドとシリコン酸化膜から成る積層絶縁
膜を用い、第１のフォトレジストに形成した縦接続孔パ
ターンのみを積層絶縁膜に転写している。この際、フォ
トレジストとポリイミドを同時にエッチングしている
が、このエッチングの終点検出に関する記述はない。す
なわち、このエッチングを時間制御で行っているため、
第１のフォトレジストが全面除去された後、下地ポリイ
ミド表面をもオーバーエッチングしてしまう場合が懸念
される。更に、エッチング速度が変動する場合があり、
このようなエッチング時間制御でのパターン形成の信頼
性には問題がある。

【００２７】第１及び第２の従来例では、エッチング時
間を制御することでエッチング深さを制御していたが、
第３の従来例では、フォトレジストマスクでＴｉＮを塩
素系ガスで完全にエッチングする際、被エッチング物
（ＴｉＮ）とエッチングガスとの反応生成物ガスに対応
するスペクトルの発光強度をモニタし、被エッチング物
のエッチングが終了すると該発光が減少することに起因
する強度変化を検出している。

【００２８】しかしながら、例えば、層間絶縁膜として
の低誘電率の有機膜に配線溝を形成する場合、酸素プラ
ズマと有機絶縁膜との反応生成物（例えば、ＣＯ）の発
光強度をモニタしたとしても、エッチングの進行してい
る配線溝底部には、未エッチングの有機層間絶縁膜が存
在しており、発光強度の変化は観測されない。従って、
有機層間絶縁膜にフォトレジストマスクで配線溝を形成
しようとする場合には、被エッチング物とエッチングガ
スとの反応生成物の発光強度の減少をモニタする方法は
適用できない。すなわち、被エッチング物のエッチング
が終了すると該発光が減少する強度変化を検出する方法
は、低誘電率の有機膜に配線溝を形成する場合には適用
できない。

【００２９】同様に、添加ガスと反応生成物ガスの相互
作用を利用する第４の従来例の場合であっても、エッチ
ングの進行している配線溝底部には、未エッチングの有
機層間絶縁膜が存在しており、発光強度の変化は観測さ
れない。

【００３０】第５の従来法では、エッチング終点検出を
容易にするため、エッチングでパターン形成する膜上に
発光特性の異なる多層レジストを形成する方法である。
この方法の場合、多層レジストからのエッチングガスの
発光強度変化をモニタするので、エッチングの進行して
いる配線溝底部に未エッチングの有機層間絶縁膜が存在
して反応生成物ガスの発光強度変化がない場合であって
も、エッチングの終点検出をすることが出来る。但し、
有機膜上に多層レジストを形成しなければならず、レジ
スト膜形成の工程数増加によりコストアップが問題とな
る。同様に、第６の従来法においても、エッチング終点
検出用の膜をフィールド酸化膜上に成長しており、工程
数が増大するといった課題があった。

【００３１】本発明の第１の目的は、層間絶縁膜に低誘
電率の有機絶縁膜を利用し、かかる有機絶縁膜に配線溝
及び縦接続孔（スルーホール）を形成する際のエッチン
グ終点検出方法を提供することで、多層配線の生産性を
向上させることである。

【００３２】本発明の第２の目的は、第１のフォトレジ
ストと第２のフォトレジストからなる積層フォトレジス
ト構造を形成することなく、層間絶縁膜に配線溝とその
底部から下地配線層に至るスルーホールとを形成する方
法を提供することで、多層配線の生産性を向上させるこ
とである。

【００３３】本発明の第３の目的は、ＬＳＩの最上層に
配線溝に銅を埋め込んだ場合、チップの少なくともパッ
ド領域の表面に選択的に耐酸化性金属を形成した配線構
造とその製造方法を提供することで、多層配線の信頼性
と生産性を向上させることである。

【００３４】本発明の第４の目的は、露光時にスルーホ
ールプラグからの局所的反射を利用して、自己整合的に
スルーホール上の配線溝幅を大きくして、スルーホール
と配線溝との接続マージンを確保して多層配線間の縦接
続の信頼性を向上させた配線構造とその製造方法を提供
することで、多層配線の信頼性と生産性を向上させるこ
とである。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明は、被エッチング
材料上にフォトレジスト膜を形成する工程、フォトレジ
ストに開口部パターンを形成する工程、被エッチング材
料とフォトレジストの両者を同時にエッチング可能な組
成を有するエッチングガスによりドライエッチングする
工程、により、フォトレジストに形成した開口部パター
ンを被エッチング材料に転写すると同時にフォトレジス
トの除去を行うエッチング方法であって、前記被エッチ
ング材料とエッチングガスの少なくとも一つの組成成分
との反応生成物による第一の発光強度をモニタしながら
前記ドライエッチングを行い、前記フォトレジストがす
べて除去されて全面に前記被エッチング材料が現われる
ことで前記発光スペクトル強度が増加する変化からエッ
チングの終点を検出することを特徴とする方法である。

【００３６】また、本発明は、少なくとも基板最表面の
一部に無機物を含有する有機絶縁膜が配された基板上
に、該有機絶縁膜の目的エッチング量に対応した膜厚を
有するフォトレジストを形成する工程、該フォトレジス
トにパターンを形成する工程、フォトレジストに形成さ
れたパターンを、該フォトレジストをマスクとするエッ
チングにより前記有機絶縁膜に転写する工程とを含む半
導体装置の製造方法において、前記有機絶縁膜に含有さ
れている無機物とエッチングガスとの反応物の発光スペ
クトル線を測定しながら前記フォトレジストと前記有機
絶縁膜との同時エッチングを行い、前記フォトレジスト
がすべて除去されて全面に前記有機絶縁膜が現われるこ
とで前記発光スペクトル強度が増加する変化からエッチ
ングの終点を検出することを特徴とする半導体装置の製
造方法である。

【００３７】本発明では、有機絶縁膜を用いた多層配線
の形成方法において、第１の配線上に無機物を含有する
有機絶縁膜を形成する工程と、前記有機絶縁膜上の第１
のフォトレジストにスルーホールパターンを形成する工
程と、前記有機絶縁膜に含まれる無機物とドライエチン
グガスとの反応生成物ガスの発光スペクトルをモニタし
ながら第１のフォトレジストと前記有機絶縁膜とを同時
エッチングすることで第１のフォトレジストを除去する
と同時に底部が前記有機絶縁膜途中にあるスルーホール
を形成する工程と、有機絶縁膜上に第２のフォトレジス
トを形成する工程と、第２のフォトレジストに前記スル
ーホール形成領域を通過する配線溝パターンを形成する
工程と、前記有機絶縁膜に含まれる無機物とドライエチ
ングガスとの反応生成物ガスの発光スペクトルをモニタ
しながら第２のフォトレジストと前記有機絶縁膜との同
時エッチングを行うことで第２のフォトレジストを除去
すると同時に有機絶縁膜に配線溝と配線溝底部より第１
の配線に至るスルーホールを形成する工程と、かかる配
線溝とスルーホールに金属を埋め込む工程を特徴とする
多層配線の形成方法が提供される。

【００３８】また、第２の発明では、配線領域とボンデ
ィングパッド領域とから構成される多層配線最上層にお
いて、最上層の層間絶縁膜に埋め込まれた第１の金属の
表面に不動酸化物層を形成する第２の金属が形成されて
いることを特徴とするボンディングパッドの構造が提供
される。

【００３９】第３の発明は、下地配線の反射防止膜上に
第１の絶縁膜と第２の絶縁膜が形成され、かかる第１の
絶縁膜に形成された孔に第１の金属が埋め込まれ金属プ
ラグが形成され、更に第２の絶縁膜の配線溝に第２の金
属が埋め込まれた配線が形成されており、金属プラグ形
成領域以外では金属プラグ径と同じ配線幅で、金属プラ
グ上を通過する領域では金属プラグ径より２０％程度広
くなっており、配線の終端部に位置する金属プラグ上で
は配線幅が２０％程度広くなっていると同時に長さ方向
にも２０％程度長くなっていることを特徴とする配線構
造である。

【００４０】

【発明の実施の形態】第１の発明では、フォトレジスト
と被エッチング材料とを同時にエッチバックしてフォト
レジストパターンを被エッチング材料に転写する際、被
エッチング材料とエッチングガス中の少なくとも一つの
組成成分との反応生成物ガスの発光強度をモニタし、被
エッチング材料上のフォトレジストが完全に除去されて
該反応生成物ガスの発光強度が急増する時点をエッチバ
ックの終点とするということである。これにより、フォ
トレジストと被エッチング材料とのエッチング速度比と
フォトレジストの塗布膜厚を調整しておくことで、所望
の深さの開口パターンを被エッチング材料に形成できる
ようにしている。

【００４１】この方法を有機絶縁膜を有する半導体装置
の製造に適用するには、エッチングする有機絶縁膜中に
無機物を予め添加しておき、露光によりパターン形成さ
れたフォトレジストを有機絶縁膜上に形成し、フォトレ
ジストと有機絶縁膜とを同時エッチングして、フォトレ
ジストが除去されて有機絶縁膜の全面が現れて、エッチ
ングガスと有機膜に添加された無機物との反応生成物ガ
スの発光スペクトル強度が増加する変化をモニタして、
エッチングの終点とする。これにより、有機絶縁膜上に
終点検出用の膜を成長する必要がなく、工程短縮を可能
ならしめている。また、フォトレジストの膜厚を調整し
ておけば、有機絶縁膜の内部に底部を有するような配線
溝を形成する場合において、所定の深さの配線溝を再現
性よく形成することが出来る。また、有機絶縁膜とフォ
トレジストを同時にエッチバックすることで有機絶縁膜
にパターン形成しているため、有機絶縁膜とフォトレジ
ストの両者をエッチングするガスを用いれば良く、エッ
チングガスの切り替え操作も不必要となり、工程数の大
幅削減を可能としている。

【００４２】また、まず底部が層間絶縁膜内部にあるス
ルーホールを形成した後、かかるスルーホール上を通る
配線溝エッチングを行い、層間絶縁膜に配線溝を形成す
ると同時に、スルーホール底部を下地配線上にまで至ら
せている。このため、層間絶縁膜上にスルーホールパタ
ーンを形成する第１のフォトレジストと配線溝パターン
を形成する第２のフォトレジストパターンからなる積層
フォトレジストを層間絶縁膜上に形成する必要はない。

【００４３】第２の発明では、最上層の層間絶縁膜に埋
め込まれた第１の金属（例えば銅）からなるボンディン
グパッドの表面層に、不動酸化物層を形成する第２の金
属（例えばＡｌ）が形成されているため、ワイヤボンデ
ィング法による金細線やフリップチップ法による半田バ
ンプ等の密着性が向上し、パッケージングの信頼性を改
善できる。

【００４４】このようなボンディングパッド構造を形成
するには、最上層絶縁膜に少なくともボンディングパッ
ド溝を形成する工程と、かかるボンディングパッド溝深
さよりも薄い第１の金属（例えば、銅）を形成する工程
と、第１の金属上に不動酸化物を形成する第２の金属
（例えば、アルミ）を形成する工程と、最上層絶縁膜表
面の第１及び第２の金属を除去する工程を特徴とする一
連の工程により、自己整合的に第１の金属で形成された
表面層に形成される。この結果、ボンディングパッドの
表面層に耐酸化性金属をは形成される。このため、パッ
ド表面に耐酸化性金属を形成するための露光・現像・エ
ッチング工程を必要としないで、信頼性の高いボンディ
ングパッドの形成が可能となる。

【００４５】第３の発明では、第１の層間絶縁膜に金属
プラグを埋め込んだ後、第２の層間絶縁膜の配線溝に第
２の金属を埋め込んだ配線を形成する場合、金属プラグ
上を通過する領域では配線幅が金属プラグ径より２０％
広く、かつ配線の終端部に位置する金属プラグ上では配
線幅及び配線長さが２０％長くなっている。金属プラグ
と溝埋め込み配線との接続マージンを大きくすること
で、多層配線の信頼性を向上させている。

【００４６】これは、第１の層間絶縁膜に金属プラグを
埋め込んだ後、第２の層間絶縁膜の配線溝に第２の金属
を埋め込んだ配線を形成する場合であっても、金属プラ
グ表面からの反射を利用して金属プラグ上の溝埋め込み
配線幅及び長さを自己整合的に大きくさせている。この
ため、配線マスクパターン設計時に、金属プラグ上の配
線溝幅を広げておく等の配慮はいらない。また、配線の
設計ピッチを大きくしておく必要もない。

【００４７】第１の発明の実施の形態について図１を参
照して詳細に説明する。ここでは、フォトレジスト２と
被エッチング材料１とのエッチング速度が同じとなるエ
ッチングガスを用いた場合を例にして説明する。

【００４８】まず、図１（ａ）に示すように、被エッチ
ング材料１上にフォトレジスト２を塗布する。その際、
被エッチング材料１に形成する開口部の目標深さと同じ
となるよう、フォトレジストの塗布膜厚４を調整する。
次に、露光・現像工程でフォトレジスト２の開口パター
ン３を形成する。しかる後（図１（ｂ））、プラズマガ
スチャンバー５内でフォトレジスト２と被エッチング材
料１を同時にエッチングするプラズマガスを用いて、ド
ライエッチングを行う。エッチング初期では、フォトレ
ジスト２がほぼ被エッチング材料１の全面を覆っている
ため、プラズマガス中にはフォトレジスト２とエッチン
グガスとの反応による第１の生成物ガス６が多量に存在
する。更に、エッチングが進行してフォトレジスト２が
完全に除去されると（図１（ｃ））、被エッチング材料
１の全面が現われてプラズマガス中には、被エッチング
材料１とエッチングガスとの反応による第２の生成物ガ
ス７が多量に存在するようになる。そこで、プラズマ中
の第２の反応生成物ガス７の発光をモニタし、発光強度
が急激に増加する時点をエッチングの終点とすること
で、被エッチング材料１に所望の深さの孔や溝等の開口
部８を形成できる。更に、エッチングの終了と同時にフ
ォトレジストは完全に除去されていることから、エッチ
ング終了後に新たなフォトレジスト除去は必須でない。

【００４９】図１に示した工程を２回繰り返して、第１
の開口部と第２の開口部が積層された本発明の実施の形
態について、図２を用いて詳細に説明する。ここでは、
下地層９上の被エッチング材料からなる薄膜１０に第１
の開口部１１と第２の開口部１３を形成する場合を示
す。まず、図２（ａ）に示すように、第１の開口部１１
の形成された薄膜１０に、フォトレジスト２を塗布し、
露光・現像によりフォトレジスト２に第２の開口パター
ン１２ａ，１２ｂを形成する。フォトレジスト２と薄膜
１０との相対エッチング速度比に依存するが、両者のエ
ッチング速度が等しくなるようなエッチングガスを用い
た場合、フォトレジストの膜厚は第１の開口部１１の底
部から下地層９の表面までの距離と同じとする。次に、
フォトレジスト２と薄膜１０を同時にエッチングするプ
ラズマガスを用いて、ドライエッチングを行う。この
際、薄膜１０表面に形成されたフォトレジスト２の第２
の開口パターン１２ａでは薄膜表面から第２の開口部１
３ａが形成され、薄膜に予め形成された第１の開口部１
１上に形成されたフォトレジスト２の第２の開口パター
ン１２ｂでは第１の開口部１１の底部をエッチングしな
がら薄膜表面から第２の開口部１３ｂが形成される。更
に、エッチングが進行して、第１の開口部１１の底面が
下地層９に達すると、同時にフォトレジストが薄膜１０
から完全に除去される（図２（ｂ））。従って、全面が
露出した薄膜１０のエッチングが始まるため、エッチン
グガスと薄膜１０との反応生成物ガスの発光をモニタ
し、その発光強度が急激に上昇した時点を検出すること
でドライエッチングを終了する。ただし、実際にはドラ
イエッチングの基板面内方向のばらつきを考慮して、反
応生成物ガスの発光強度が急増した後、一定期間エッチ
ングを継続するオーバーエッチングを行う場合が多い。
かかる一連の工程により、薄膜１０の表面から第２の開
口部１３ａと第１の開口部１１の底部から下地層９に至
る第２の開口部１３ｂを形成できる。

【００５０】第２の発明の実施の形態について図７を参
照して詳細に説明する。半導体集積回路チップの最上層
配線には、素子間を接続する配線や電源線の他に、チッ
プ外部との信号を入出力するためのボンディングパッド
が形成されている。一般に、ボンディングパッドの大き
さは５０μｍ角〜１００μｍ角である。しかしながら、
最上層配線を銅とした場合、ボンディングパッド部も銅
となり、チップパッケージングの際に銅表面が酸化され
て、チップ外部との接続ワイヤー線を上手く接続出来な
いという技術課題があった。

【００５１】この技術課題に対して、この実施形態で
は、図７（ａ）に示したように、下層配線に至るスルー
ホール３２ｂや微細配線溝３０を層間絶縁膜３４に形成
するとともに、ボンディングパッド用凹部３５を形成す
る。しかる後、スルーホール３２と微細配線溝を完全に
埋め込み、かつボンディングパッド用凹部の深さよりも
薄い第１の金属膜３６を成長する。この際、微細配線溝
幅及びスルーホール径をＷ、ボンディングパッド用凹部
の深さをＤ、第１の金属膜の成長膜厚をＴとすると、（Ｗ/２）＜Ｔ＜Ｄなる条件を満たす第１の金属を成長する。その後、耐酸
化性の第２の金属膜３７を成長する。この時、第１の金
属膜と第２の金属膜を足し合わせた膜厚は、ボンディン
グパッド用開口部の深さより厚くなるようにする（図７
（ｂ））。最後に、層間絶縁膜３４上の第１と第２の金
属をＣＭＰ法で選択的に除去することで、微細配線溝と
スルーホールには第１の金属が埋め込まれ、ボンディン
グパッド用凹部には第１の金属の表面層に第２の金属が
埋め込まれている構造が得られる（図７（ｃ））。実際
には、この埋め込みボンディングパッド３８の形成され
た層間絶縁膜３４上に、シリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）と
シリコン窒化酸化膜（ＳｉＯＮ）、更にはパッシベーシ
ョン膜としてポリイミドが形成される（図示せず）。

【００５２】層間絶縁膜上の第１の金属は銅または銀で
あり、第２の金属はアルミまたは金、白金等の耐酸化性
貴金属でもよい。最も一般的な場合、ボンディングパッ
ド用凹部の深さは約0.8μｍで、第１の金属である銅の
膜厚が0.6μｍ、第２の金属であるアルミの膜厚は0.2μ
ｍである。また、ボンディングパッド用凹部の深さＤは
かならずしも微細配線溝の深さＤ‘と同じとする必要は
なく、ボンディングパッド用凹部を深くすることも可能
である。層間絶縁膜に形成する微細配線溝とスルーホー
ルと比較してボンディングパッド用凹部は大きいため、
その領域の層間絶縁膜エッチング速度が速く、特別な配
慮をしなくともボンディングパッド用凹部が相対的に深
くなっている場合が多い。この場合のボンディングパッ
ド用凹部の深さをＤ’（＞Ｄ）とすれば、第１の金属の
成膜厚Ｔの範囲を広くすることが可能である。

【００５３】前記第１の発明の実施形態では、有機絶縁
膜に下地層に至るスルーホールと配線溝に一括して金属
を埋め込む方法であった。この場合、スルーホールと配
線溝の一体化した縦横比（アスペクト比）の大きい開口
部に金属膜を埋め込みながら成長する必要があるといっ
た困難さもあった。更に、スルーホール上を確実に配線
溝を通過させる必要があったため、配線溝のマスクパタ
ーン設計時にスルーホール上の配線溝幅を局所的に広
げ、位置合わせズレに対するマージンを設定する必要が
あった。このため、配線溝パターン設計が複雑になり、
更にこの接続マージン設定のため配線溝パターンピッチ
を広くする必要もあった。

【００５４】第３の発明の実施形態は、スルーホールに
金属を埋め込んだ金属プラグを形成後、配線溝形成と配
線溝への金属埋め込みを行う方法であり、金属プラグか
らの露光時の局所的反射を利用して自己整合的に金属プ
ラグ上の配線溝幅を広くさせる方法である。図８〜１０
を用いて、第３の発明の実施形態を詳細に説明する。ま
ず、下地配線層３９上に反射防止膜２８を形成し、第１
の層間絶縁膜４０に形成した第１の開口部に第１の金属
を埋め込んだ金属プラグ４１ａ、４１ｂを形成する。更
に、第１の層間絶縁膜上に第２の層間絶縁膜４２を成長
する。しかる後、ポジ型フォトレジスト２３を塗布す
る。図８（ａ）は、ポジ型フォトレジスト２３の露光・
現像後の上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’線
上の断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ’線上の
断面図である。ポジ型フォトレジストに金属プラグの一
辺と同じ幅の配線溝パターンを露光した場合であって
も、金属プラグ４１ａ，４１ｂからの反射光４３により
金属プラグ周辺のポジ型フォトレジトが局所的に露光さ
るため、金属プラグ周辺のポジ型フォトレジストの配線
幅が局所的に広がる。図９（ａ）及び（ｂ）に示したよ
うに、ポジ型フォトレジスト２３と第２の層間絶縁膜４
２とを等速でエッチバックして、金属プラグ４１ａ，４
１ｂに至る配線溝４４を形成する。次に、図１０（ａ）
及び（ｂ）に示したように、かかる配線溝４４に第２の
金属４５を埋め込むことで、金属プラグ上の配線幅が自
己整合的に広くなっている構造が得られている。なお、
配線端部に位置する金属プラブ４１ａ上では、配線幅方
向に広がっているのみならず、長さ方向にも自己整合的
に伸びている。従って、配線設計時に配線幅を局所的に
広げてピッチを広げることなく、配線と金属プラブとが
確実に接続している多層配線を形成している。

【００５５】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明
するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００５６】実施例１次に、第１の発明の実施例として、被エッチング材料と
してシリコン等の無機物を含有する有機絶縁膜に配線溝
とスルーホールを形成し、かかる配線溝とスルーホール
とに一括して金属を埋め込むことで配線を形成する場合
を説明する。

【００５７】本発明の第１の実施例について図３を参照
して詳細に説明する。まず、図３（ａ）に示すように、
シリコン半導体基板１４に、トレンチ素子分離膜１５に
よって分離されたＭＯＳＦＥＴを形成する。ＭＯＳＦＥ
Ｔを構成する拡散層１８とサイドウォールの形成されて
いるポリシリコンゲート電極１７上にはチタンシリサイ
ド膜１６が形成されている。かかるＭＯＳＦＥＴ上に
は、５０ｎｍ厚程度の熱ＣＶＤシリコン酸化膜（図示せ
ず）と５００ｎｍ厚程度のコンタクトエッチングのスト
ップ膜として用いる熱ＣＶＤによるシリコン窒化膜（図
示せず）が形成されている。更に、ゲッタリング層とし
てプラズマＣＶＤ法でボロン・リンガラス膜（ＢＰＳＧ
膜）１９を成長し、８００℃、１０秒程度のランプアニ
ールを行った後、化学機械研磨法でＢＰＳＧ膜１９表面
を平坦化する。更に、５０ｎｍ程度のプラズマＣＶＤ法
によるシリコン酸化膜（図示せず）をＢＰＳＧ膜１９上
に形成する。

【００５８】次に、ＢＰＳＧ膜１９にコンタクトホール
２０を形成する（図３（ｂ））。この際、ＣＯ添加した
フッ素系エッチングガスを用いて、ＢＰＳＧ膜１９底部
に存在するシリコン窒化膜でエッチングを停止させる。
ストップ膜として堆積したシリコン窒化膜表面上の有機
堆積膜を除去し、シリコン拡散層１８やゲート電極１７
上のシリサイド膜１６上の熱ＣＶＤシリコン酸化膜を除
去する。次に、コリメートスパッタ法でＴｉ／ＴｉＮ積
層膜からなるバリアメタル（図示せず）を成長後、CVD
法でタングステン膜を成長し、化学機械研磨法でＢＰＳ
Ｇ膜１９上のタングステンを選択除去してタングステン
プラグ２１を形成する（図３（ｃ））。

【００５９】次に、シリコン含有有機絶縁膜として、Ｄ
ＶＳ−ＢＣＢ膜（ダウケミカル社、商品名：「サイクロ
テン」）２２をスピンコーティング法によって成膜す
る。ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２は、ベンゼン環と炭素の４員
環とシリコンとから構成されている低誘電率の有機絶縁
膜である。このＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２上に、フォトレジ
スト２３を成膜する（図３（ｄ））。図６は、ＥＲＣプ
ラズマエッチング装置を用いて、フォトレジストとＤＶ
Ｓ−ＢＣＢ膜のエッチング速度に及ぼすエッチングガス
組成の影響を示している。ここでは、エッチングガス圧
力を2.5ｍＴｏｒｒ，ＲＦパワーを２００Ｗとし、エッ
チングガスにはＣＨＦ₃とＯ₂の混合ガスを用いた。酸素
比10％〜50％の実験範囲において、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜と
フォトレジストのエッチング速度はほぼ同じであった。
尚、本発明では酸素比１０〜６０％の範囲で等速エッチ
ングが可能である。但し、Ｏ₂が２０％を越えた場合、
フォトレジストパターンにテーパーが付くため、Ｏ₂濃
度を２０％以下にすることが望ましい。基本的には、エ
ッチングガスとして有機絶縁膜に含有しているシリコン
をエッチングするフッ素系ガス成分と酸素ガスとを含む
ガスであればよく、ＣＨＦ₃−Ｏ₂−Ａｒ、ＣＦ₄−Ｏ₂、
ＣＦ₄−Ｏ₂−Ａｒ、ＳＦ₆−Ｏ₂、ＳＦ₆−Ｏ₂−Ａｒガス
を用いた場合でもＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２とフォトレジス
ト２３のエッチング速度はほぼ同じであった。従って、
ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２上に形成するフォトレジスト２３
の厚さは、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２とほぼ同程度とした。
具体的には、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜厚５００ｎｍ〜８００ｎ
ｍ、フォトレジスト膜厚を５００ｎｍ〜８００ｎｍとし
た。かかるフォトレジスト２３に第１の開口パターンと
して第１の配線溝パターン２４を形成した。

【００６０】次に、エッチングガス圧力を2.5ｍＴｏｒ
ｒ，ＲＦパワーを２００ＷとしたＥＣＲプラズマチャン
バーに、８０％ＣＨＦ₃と２０％Ｏ₂の混合ガスを用い
て、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２とフォトレジスト２３とを等
速エッチバックした。これにより、フォトレジスト２３
の膜厚が薄くなると同時に、第１の配線溝パターン２４
下のＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２もエッチングされ、ＤＶＳ−
ＢＣＢ膜２２にも第１の開口部である第１の配線溝２５
が形成される（図３（ｅ））。この際、プラズマガス中
のＳｉ−Ｆの発光をモニタする。Ｓｉ−Ｆは、ＤＶＳ−
ＢＣＢ膜２２中のシリコンとエッチングガス中のＣＨＦ
₃との反応生成物であり、エッチングガスとフォトレジ
スト２３との反応では生じないものである。すなわち、
エッチング初期ではＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２表面の大部分
がフォトレジスト２３に覆われているため、Ｓｉ−Ｆに
対応する発光強度は弱い。更にエッチングが進行する
と、フォトレジスト２３が完全に除去されてＤＶＳ−Ｂ
ＣＢ膜２２全面が現われてＳｉ−Ｆの発光強度が急上昇
する。このＳｉ−Ｆの発光強度が急上昇した時点をエッ
チング終点とした。すなわち、フォトレジスト２３の膜
厚をＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２と同じとし、かつフォトレジ
スト２３とＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２とを等速エッチバック
していることから、フォトレジスト２３が完全に除去さ
れた時点で、第１の配線溝２５の底部はＤＶＳ−ＢＣＢ
膜２２を貫き、下地タングステンプラグ２１に達する。

【００６１】この際、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２のパターニ
ングに酸素プラズマを含むエッチングガスを利用してい
るため、下地タングステンプラグ２１の表面に酸化物が
形成される場合もあった。そこで、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜エ
ッチング終了後、エッチングガスをＣＨＦ₃あるいはＡ
ｒのみとして、表面酸化膜除去工程を行っても良い。更
に、有機洗浄（例えば、剥離液：「リムーバ７１０」
（商品名）、東京応化製）で３０秒程度の洗浄を行うこ
とでも、下地膜（Ａｌ，Ｗ，ＣｕやＴｉＮ）表面の酸化
膜を除去することもできる。有機洗浄により、ドライエ
ッチング後のＤＶＳ−ＢＣＢ膜の表面洗浄を兼ねること
になる。仮に、未エッチングのフォトレジストがＤＶＳ
−ＢＣＢ膜上に残存することがあっても、この表面洗浄
工程を行うことにより除去できる。

【００６２】具体的な一例として、ＲＦパワー２００Ｗ
で、Ｏ₂（１０％）−ＣＨＦ₃（９０％）ガスプラズマ
（圧力＝１〜１０ｍＴｏｒｒ、ＲＦ＝１００〜２５０
Ｗ、基板温度＝４０〜６０℃）でフォトレジスト２３と
ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２を等速エッチバックして配線溝パ
ターンを形成後、ＣＨＦ₃プラズマガス（圧力＝１〜１
０ｍＴｏｒｒ、ＲＦ＝１００〜２５０Ｗ、基板温度＝４
０〜６０℃）で３０秒間エッチングして下地導電層表面
の酸化膜を除去し、更に有機剥離液「リムーバ７１０」
で３０秒、ＭＥＫ（メチルエチルケトン）液で３０秒、
ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）で６０秒、水洗１０
分からなる有機洗浄を行った。ここで、有機洗浄液とし
ては、有機絶縁膜を溶解しないものならばいずれでも良
い。また、パターニングする有機絶縁膜としては、ＤＶ
Ｓ−ＢＣＢ膜以外の材料でも良く、例えば、ポリイミ
ド、ポリエーテル、フッ素樹脂（例えば、デュポン社商
品名「テフロン」）等の有機層間絶縁膜でも良い。

【００６３】次に図４（ａ）に示すように、下地ＭＯＳ
ＦＥＴ層へのバリアメタル層２６として、Ｔｉ（１０ｎ
ｍ）/ＴｉＮ（５０ｎｍ）を成膜し、第１の配線溝２５
を埋め込みながら熱ＣＶＤ法により銅膜２７を成長す
る。ここで、成長基板温度は１７０℃〜２５０℃とし、
銅の成長膜厚は８００ｎｍ程度とした。更に、銅膜２７
とバリアメタル層２６との密着性向上のため、真空中で
２５０℃〜３００℃、１０分間程度のアニールを行っ
た。その後、過酸化水素水等の酸化剤を加えた純水にシ
リカ粒子を分散させた研磨液を用いた化学機械研磨法
（ＣＭＰ法）で、銅膜２７及びバリアメタル層２６を除
去し、第１の配線溝２５に銅を埋め込んだ第１層目配線
２７を形成した。ここで、銅のＣＭＰ条件は、圧力を
０.１ｋｇ/ｃｍ²以下とし、第１ステップでは硬質研磨
パッド（ロデール・ニタ社製、ＩＣ1000/ＳＵＢ400積層
パッド）を用いて約５００ｎｍの銅を研磨し、引き続く
第２ステップでは軟質研磨パッド（ロデール・ニッタ社
製：ＭＨ３５Ｓ）を用いて残りの約３０ｎｍの銅を研磨
した。研磨後、電解イオン水を用いたブラシ洗浄で研磨
液を除去した後、上層配線形成のための露光時に第１層
目配線からの反射を防止する反射防止膜２８を形成す
る。ここでは、５０ｎｍ厚のシリコン窒化膜をプラズマ
ＣＶＤ法で成長した（図４（ｂ））。

【００６４】次に、１０００ｎｍ厚程度のＤＶＳ−ＢＣ
Ｂ膜２２を成長し、第２の開口パターンであるスルーホ
ールパターン２９を形成したフォトレジスト２３を形成
する（図４（ｃ））。ここでは、フォトレジスト厚を５
００ｎｍとした。しかる後、エッチングガス圧力を2.5
ｍＴｏｒｒ，ＲＦパワーを２００ＷとしたＥＣＲプラズ
マチャンバーに、８０％ＣＨＦ₃と２０％Ｏ₂の混合ガス
を用いて、エッチングガスと有機絶縁膜に含有されてい
るシリコンとの反応生成物ガスであるＳｉ−Ｆの発光を
モニタしながら、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２とフォトレジス
ト２３とを等速エッチバックした。フォトレジストが全
面除去された時点をＳｉ−Ｆの発光強度の上昇により検
出することで、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２に第２の開口部で
ある深さ５００ｎｍ程度のスルーホール３０を形成した
（図４（ｄ））。なお、このスルーホール３０の底部は
ＶＤＳ−ＢＣＢ膜２２中にある。

【００６５】次に図５（ａ）に示すように、第３の開口
パターンである配線溝パターン３１の形成されたフォト
レジスト２３を形成する。すべてのスルーホール３０上
には配線溝パターン３１ｂが通過し、それ以外の領域に
も配線溝パターン３１ａが形成される。ここでは、フォ
トレジスト２３の厚さを５００ｎｍとした。また、スル
ーホール３０上を配線溝パターン３１ｂが確実に通過す
るよう、配線溝マスク設計時にスルーホール上の配線溝
を２０％程度広くしておいた。これは、スルーホール３
０上の一部に配線溝パターンが形成されていない領域が
存在すると、配線スルーホール３０内部にフォトレジス
ト２３が残り、実質的なスルーホール径が小さくなって
しまうためである。

【００６６】次に、エッチングガス圧力を2.5ｍＴｏｒ
ｒ，ＲＦパワーを２００ＷとしたＥＣＲプラズマチャン
バーに、８０％ＣＨＦ₃と２０％Ｏ₂の混合ガスを用い
て、エッチングガスと有機絶縁膜に含有されているシリ
コンとの反応生成物ガスであるＳｉ−Ｆの発光をモニタ
しながら、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２とフォトレジスト２３
とを等速エッチバックする。フォトレジスト２３の配線
溝パターン３１ａ下のＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２がエッチン
グされて第２の配線溝３２ａが形成されると同時に、第
２の配線溝３２ｂ下のスルーホール３０底部もエッチン
グされて反射防止膜２８に到達する（図５（ｂ））。こ
こでも、ＤＶＳ−ＢＣＢ膜２２上のフォトレジスト２３
全面が除去された時点をＳｉ−Ｆの発光強度の上昇によ
り検出することで、エッチングの終点検出を行う。な
お、８０％ＣＨＦ₃と２０％Ｏ₂の混合ガスを用いた場
合、５０ｎｍ程度の反射防止膜２８も連続的にエッチン
グして、スルーホール底部を第１層目配線２７表面に至
らせることも可能である。この反射防止膜のエッチング
時にガスを切り替えて、例えばＡｒ−ＣＦ₄等のガスで
行ってもよい。その結果、図５（ｃ）に示したように、
第１の銅配線２７上に至るスルーホール３０が第２の配
線溝３２ｂの底部から形成されている構造が、有機絶縁
膜であるＤＶＳ−ＢＣＢ膜に形成される。

【００６７】最後に、Ｔｉ/ＴｉＮの密着膜（図示せ
ず）を積層し、熱ＣＶＤ法により第２の配線溝３２ａ、
３２ｂ及びスルーホール３０を一括して埋め込みながら
銅膜を成長し、真空中で２５０℃〜３００℃、１０分間
程度のアニールを行った。その後、化学機械研磨法（Ｃ
ＭＰ法）で、銅膜及び密着膜を除去することで、低誘電
率有機絶縁膜であるＤＶＳ−ＢＣＢ膜に形成された第２
の配線溝３２ａ、３２ｂ及びスルーホール３０とに一括
して銅が埋め込まれた構造の第２層目配線３３を形成し
た（図５（ｄ））。

【００６８】なお、本実施例では、層間絶縁膜にシリコ
ンを含有した有機絶縁膜であるＤＶＳ−ＢＣＢ膜を用い
たが、シリコンを含有したポリイミドでもよい。また、
シリコンを含有したアクリル系樹脂やテフロン系樹脂で
もよい。本発明では、フォトレジストには含まれていな
い元素がパターン形成する被エッチング材料に含まれて
いることが重要であり、含有元素としてはゲルマニウ
ム、アルミニウム、マグネシウム等でもよい。更に、被
エッチング材料として、フォトレジストとは明らかに構
成元素の異なるシリコン酸化膜やポリシリコン膜、更に
はシリコン基板でもよいことは自明である。

【００６９】実施例２第３の発明の実施の形態に属する実施例を、図１１を用
いて詳細に説明する。

【００７０】まず、図１１（ａ）に示すように、ＭＯＳ
ＦＥＴ上のＢＰＳＧ膜１９にタングステンプラグ２１が
形成され、更にプラズマ酸化膜４６にアルミが埋め込ま
れた下地配線４７が形成されている半導体基板１４上
に、５０ｎｍ厚のシリコン窒化膜からなる反射防止膜２
８を形成する。第１の層間絶縁膜として５００ｎｍ〜１
０００ｎｍ厚のプラズマＣＶＤシリコン酸化膜４０を形
成した後、ポジ型フォトレジスト２３にスルーホールパ
ターン２９を形成する（図１１（ｂ））。次に、ポジ型
フォトレジストをマスクとして、ＣＨＦ₃ガスを用いた
ドライエッチングで下地配線４７に至るスルーホール３
０を形成する。コリメートスパッタ法で１０ｎｍのＴｉ
と５０ｎｍのＴｉＮを成膜後、Ｗ−ＣＶＤ法で４００ｎ
ｍのタングステンを成膜する。更に、シリカスラリを用
いたＷ−ＣＭＰで第１の層間絶縁膜４０上のタングステ
ンを選択除去することで、Ｗプラグ（金属プラグ）４１
を形成する（図１１（ｃ））。

【００７１】次に、図１１（ｄ）に示すように、第２の
層間絶縁膜としてシリコン酸化膜４２を６００ｎｍ成膜
し、シリコン酸化膜厚と同じ６００ｎｍのポジ型フォト
レジスト２３を塗布し、配線溝パターンを露光する。こ
の時、Ｗプラグ４１からの反射によりフォトレジストに
形成される配線溝パターンは局所的に広くなる。例え
ば、Ｗプラグからの反射のない領域のフォトレジストに
形成された配線溝幅が０.３μｍの場合、０.３μｍ径の
Ｗプラグ上の配線溝パターン幅は０.３５μｍであっ
た。

【００７２】次に図１１（ｅ）に示すように、エッチン
グガス圧力を2.5ｍＴｏｒｒ，ＲＦパワーを２００Ｗと
したＥＣＲプラズマチャンバーにて、９０％ＣＨＦ₃と
１０％Ｏ₂の混合ガスを用いて、第２の層間絶縁膜であ
るシリコン酸化膜４２とフォトレジスト２３とを等速エ
ッチバックする。この際、プラズマガス中のＳｉ−Ｆの
発光をモニタする。Ｓｉ−Ｆは、シリコン酸化膜４２と
エッチングガス中のＣＨＦ₃との反応生成物であり、エ
ッチングガスとフォトレジストとの反応では生じないも
のである。すなわち、エッチング初期ではシリコン酸化
膜４２表面の大部分がフォトレジスト２３に覆われてい
るため、Ｓｉ−Ｆに対応する発光強度は弱い。更にエッ
チングが進行すると、フォトレジストが完全に除去され
てシリコン酸化膜全面が現われてＳｉ−Ｆの発光強度が
急上昇する。このＳｉ−Ｆの発光強度が急上昇した時点
をエッチング終了時とする。その結果、第１の層間絶縁
膜４０に至る配線溝が第２の層間絶縁膜４２に形成され
る。Ｗプラグ４１上では、配線溝幅が局所的に広くなっ
ている（図１１（ｅ））。

【００７３】最後に図１１（ｆ）に示すように、かかる
配線溝４４にコリメートスパッタ法で１０ｎｍのＴｉを
形成し、連続して高温スパッタ法で１μｍのアルミを成
膜する。基板温度を３８０℃〜４８０℃とすることで、
深さ０.６μｍ、幅０.３μｍの配線溝４４にアルミを埋
め込むことができた。更に、過酸化水素水を加えたシリ
カスラリーで第２の層間絶縁膜４２上のアルミを選択研
磨することで、第２の層間絶縁膜であるシリコン酸化膜
に形成された配線溝にアルミを埋め込んだ配線４５を形
成する。配線４５の幅はＷプラグ４１上で局所的に広く
なっていることから、Ｗプラグの全上面で配線４５と接
続した構造を可能ならしめている。

【００７４】なお、ここでは層間絶縁膜としてシリコン
酸化膜を用いたが、シリコンを含有する有機絶縁膜でも
良いことは自明である。更に、フォトレジストには含ま
れない元素を含む有機絶縁膜を用いても良いことも自明
である。更に、金属プラブ４１はタングステンで形成し
たが、金属の種類に限定はなく、アルミ、銅、銀または
金でもよい。

【００７５】

【発明の効果】第１の効果は、フォトレジストと被エッ
チング材料とを同時にエッチバックしてフォトレジスト
パターンを被エッチング材料に転写する際、被エッチン
グ材料とエッチングガスとの反応生成物ガスの発光強度
をモニタし、被エッチング材料上のフォトレジストが完
全に除去されて該反応生成物ガスの発光強度が急増する
時点をエッチバックの終点とするということである。こ
れにより、フォトレジストと被エッチング材料とのエッ
チング速度比とフォトレジストの塗布膜厚を調整してお
くことで、所望の深さの開口パターンを被エッチング材
料に形成できるようになる。

【００７６】第２の効果は、フォトレジストと有機絶縁
膜の等速エッチバック法で有機絶縁膜へのパターン転写
の終点を、フォトレジストには含まれずかつ有機絶縁膜
に含まれる元素とドライエッチングガスとの反応生成物
ガスの発光強度の変化をモニタすることでエッチバック
の終点を検出するということである。これにより、有機
絶縁膜上に終点検出用の膜を成長する必要がなく、工程
短縮を可能ならしめている。また、フォトレジストの膜
厚を調整しておけば、有機絶縁膜の内部に底部を有する
ような配線溝を形成する場合において、所定の深さの配
線溝を再現性よく形成することが出来る。有機絶縁膜
に、配線溝と配線溝底部から下層配線層に至るスルーホ
ールとが一体となった開口パターンを精度良く形成する
ことができる。かかる開口パターンに一括して金属を埋
め込めば、容易に有機絶縁膜を用いた多層配線が形成さ
れる。

【００７７】第３の効果は、最上層の層間絶縁膜に埋め
込まれた第１の金属（例えば銅）からなるボンディング
パッドの表面層に、不動酸化物層を形成する第２の金属
（例えばＡｌ）が形成できることにある。その結果、ワ
イヤボンディング法による金細線やフリップチップ法に
半田バンプ等の密着性が向上し、パッケージングの信頼
性を改善できる。

【００７８】第４の効果は、第１の層間絶縁膜に金属プ
ラグを埋め込んだ後、第２の層間絶縁膜の配線溝に第２
の金属を埋め込んだ配線を形成する場合において、金属
プラグ表面からの反射を利用して金属プラグ上の溝埋め
込み配線幅及び長さを自己整合的に大きくさせている。
このため、配線マスクパターン設計時に、金属プラグ上
の配線溝幅を広げておく等の配慮はいらない。また、配
線の設計ピッチを大きくする必要もなくなった。その結
果、多層配線の縦接続の信頼性を大幅に改善することが
できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する断面工程
図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態を説明する断面工程
図である。

【図３】本発明の第１の実施例の製造方法を説明するた
めの工程断面図である。

【図４】本発明の第１の実施例の製造方法を説明するた
めの工程断面図である。

【図５】本発明の第１の実施例の製造方法を説明するた
めの工程断面図である。

【図６】本発明の第１の実施例の製造方法を説明するた
めのエッチング特性図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態を説明する工程断面
図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態を説明する図で、
（ａ）は平面図、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、Ａ−
Ａ’，Ｂ−Ｂ’での断面図である。

【図９】図８の次の工程を説明する図であり、（ａ），
（ｂ）はそれぞれ図８の（ｂ），（ｃ）に対応する断面
図である。

【図１０】図９の次の工程を説明する図であり、
（ａ），（ｂ）はそれぞれ図８の（ｂ），（ｃ）に対応
する断面図である。

【図１１】本発明の第２の実施例を説明するための断面
工程図である。

【図１２】第１の従来例を説明するための工程断面図で
ある。

【図１３】第２の従来例を説明するための工程断面図で
ある。

【図１４】第５の従来例を説明するための工程断面図で
ある。

【図１５】第６の従来例を説明するための工程断面図で
ある。

【符号の説明】

１被エッチング材料２フォトレジスト３開口パターン４フォトレジストの塗布膜厚５プラズマガスチャンバー６第１の生成物ガス７第２の生成物ガス８開口部９下地層１０薄膜１１第１の開口部１２第２の開口パターン１３第２の開口部１４シリコン半導体基板１５トレンチ素子分離膜１６シリサイド膜１７ゲート電極１８拡散層１９ＢＰＳＧ膜２０コンタクトホール２１タングステンプラグ２２有機絶縁膜（ＢＣＢ膜）２３ポジ型フォトレジスト２４第１の配線溝パターン２５第１の配線溝２６バリアメタル層２７銅膜２８反射防止膜２９スルーホールのレジストパターン３０スルーホール３１配線溝のレジストパターン３２第２の配線溝３３第２層目配線３４層間絶縁膜３５ボンディングパッド用凹部３６第１の金属膜３７第２の金属膜３８ボンディングパッド３９下地配線層４０第１の層間絶縁膜４１金属プラグ４２第２の層間絶縁膜４３反射光４４配線溝４５第２の金属４６プラズマ酸化膜４７アルミ配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被エッチング材料上にフォトレジスト膜
を形成する工程、フォトレジストに開口部パターンを形成する工程、被エッチング材料とフォトレジストの両者を同時にエッ
チング可能な組成を有するエッチングガスによりドライ
エッチングする工程、により、フォトレジストに形成し
た開口部パターンを被エッチング材料に転写すると同時
にフォトレジストの除去を行うエッチング方法であっ
て、前記被エッチング材料とエッチングガスの少なくとも一
つの組成成分との反応生成物による第一の発光強度をモ
ニタしながら前記ドライエッチングを行い、前記フォト
レジストがすべて除去されて全面に前記被エッチング材
料が現われることで前記発光スペクトル強度が増加する
変化からエッチングの終点を検出することを特徴とする
方法。
【請求項２】少なくとも基板最表面の一部に無機物を
含有する有機絶縁膜が配された基板上に、該有機絶縁膜
の目的エッチング量に対応した膜厚を有するフォトレジ
ストを形成する工程、該フォトレジストにパターンを形成する工程、フォトレジストに形成されたパターンを、該フォトレジ
ストをマスクとするエッチングにより前記有機絶縁膜に
転写する工程とを含む半導体装置の製造方法において、前記有機絶縁膜に含有されている無機物とエッチングガ
スとの反応物の発光スペクトル線を測定しながら前記フ
ォトレジストと前記有機絶縁膜との同時エッチングを行
い、前記フォトレジストがすべて除去されて全面に前記
有機絶縁膜が現われることで前記発光スペクトル強度が
増加する変化からエッチングの終点を検出することを特
徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記半導体装置が有機絶縁膜を用いた多
層配線であって、第１の配線上に無機物を含有する有機絶縁膜を形成する
工程、前記有機絶縁膜上の第１のフォトレジストにスルーホー
ルパターンを形成する工程、前記有機絶縁膜に含まれる無機物とドライエチングガス
との反応生成物の発光スペクトルをモニタしながら第１
のフォトレジストと前記有機絶縁膜とを同時エッチング
することで第１のフォトレジストを除去すると同時に底
部が前記有機絶縁膜途中にあるスルーホールを形成する
工程、有機絶縁膜上に第２のフォトレジストを形成する工程、第２のフォトレジストに前記スルーホール形成領域を通
過する配線溝パターンを形成する工程、前記有機絶縁膜に含まれる無機物とドライエチングガス
との反応生成物ガスの発光スペクトルをモニタしながら
第２のフォトレジストと前記有機絶縁膜との同時エッチ
ングを行うことで第２のフォトレジストを除去すると同
時に有機絶縁膜に配線溝と配線溝底部より第１の配線に
至るスルーホールを形成する工程、及びかかる配線溝と
スルーホールに金属を埋め込む工程とを有することを特
徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】最上層絶縁膜に少なくともボンディング
パッド溝を形成する工程と、かかるボンディングパッド
溝深さよりも薄い第１の金属を形成する工程と、第１の
金属上に不動酸化物を形成する第２の金属を形成する工
程と、最上層絶縁膜表面の第１及び第２の金属を除去す
る工程からなる一連の工程により、第１の金属の表面に
不動酸化物を形成する第２の金属を埋め込むことを特徴
とするボンディングパッドの製造方法。
【請求項５】配線領域とボンディングパッド領域とか
ら構成される多層配線最上層において、層間絶縁膜に埋
め込まれた第１の金属の表面に不動酸化物層を形成する
第２の金属が形成されていることを特徴とするボンディ
ングパッドの構造。
【請求項６】下地配線の反射防止膜上に第１の絶縁膜
を形成する工程、第１の絶縁膜に形成された孔に金属を埋め込んで金属プ
ラグを形成する工程、第２の絶縁膜を形成する工程、フォトレジストを形成する工程、金属プラグ表面からの反射を利用して配線溝レジストパ
ターン幅を露光領域よりも局所的に広げる露光工程、配線溝レジストパターンをマスクとして第２の絶縁膜に
配線溝を形成する工程、配線溝を埋め込みながら第２の絶縁膜に金属膜を成長す
る工程、及び第２の絶縁膜上の金属を選択的に除去する
工程とを有することを特徴とする配線の形成方法。
【請求項７】下地配線の反射防止膜上に第１の絶縁膜
と第２の絶縁膜が形成され、かかる第１の絶縁膜に形成
された孔に第１の金属が埋め込まれ金属プラグが形成さ
れ、更に第２の絶縁膜の配線溝に第２の金属が埋め込ま
れた配線が形成されており、金属プラグ形成領域以外で
は金属プラグ径と同じ配線幅で、金属プラグ上を通過す
る領域では金属プラグ径より２０％あるいはそれ以下の
範囲で広くなっており、配線の終端部に位置する金属プ
ラグ上では配線幅及び長さが２０％あるいはそれ以下の
範囲で長くなっていることを特徴とする配線構造。
【請求項８】酸素を含むプラズマガスで有機絶縁膜に
下地導電層に至る開口部を形成した後、酸素を含まない
プラズマガスで下地導電層表面の酸化膜を除去する工程
を含む請求項３に記載の半導体装置の製造方法。