JP2000106367A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】多層配線の微細加工を高精度に行い、かつ、簡
略化されたプロセスで上層配線を形成することが可能で
ある半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】半導体基板１上に、導電体からなる第１の
配線層２を形成する工程と、全面に層間絶縁膜３を形成
する工程と、その上層にメタルマスク層１３（８’）を
形成する工程と、メタルマスク層１３をマスクとして、
層間絶縁膜３にエッチングを行い、コンタクトホール５
を設ける工程と、前記開口部を含む全面に密着層６およ
び高融点金属層を形成する工程と、コンタクトホール内
にタングステンプラグ７を残して前記高融点金属層およ
び密着層６を除去し、さらに、メタルマスク層１３の表
面を除去して全面を平坦化する工程と、全面に導電体か
らなる第２の配線層１１を形成する工程とを有する半導
体装置の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多層配線を有する
半導体装置の製造方法に関し、特に、高精度に微細配線
加工を行い、簡略化されたプロセスで上層配線を形成す
ることが可能である半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴い、配線技術
の微細化や多層化が進んでおり、半導体集積回路の製造
プロセスにおける多層配線形成技術の重要性が増大して
いる。例えば、トランジスタのサイズが縮小されると、
トランジスタに接続される第１配線層の幅も縮小され、
同時に配線間ピッチも狭くなる。さらに、第１配線層と
その上層の第２配線層は、層間絶縁膜に設けられたコン
タクトホール（Ｖｉａホール）により接続されるが、ト
ランジスタの微細化に伴い、コンタクトホール径も縮小
される。このような微細コンタクトホールを第１配線層
上に、高精度なパターン合わせを行って開口する必要が
ある。また、第２配線層は通常、コンタクトホールにメ
タルプラグを埋め込み、それを被覆するように形成する
が、第２配線層の形成にも高精度な配線パターン合わせ
技術（位置合わせ技術）が要求される。

【０００３】上記のように、第１配線層の幅の縮小によ
り、第１配線層と第２配線層とを接続するコンタクトホ
ール径も縮小された結果、従来に比較して接触面積が小
さくなった。これにより、コンタクトホールのコンタク
ト抵抗が増加して、接続不良となる場合がある。また、
コンタクトホール内に埋め込まれたメタルプラグと、第
２配線層とのパターン合わせずれによって、メタルプラ
グの露出が起こりやすくなるという問題もある。メタル
プラグの一部が露出すると、半導体装置の製造過程にお
いて、露出部のメタルプラグと第２配線層が損傷を受け
やすくなる。

【０００４】例えば、第２配線層はレジストをマスクと
してドライエッチングによりパターニングされるが、エ
ッチング後、レジストを剥離する際にアルカリまたは有
機溶剤系の剥離液がメタルプラグ露出部近傍の第２配線
層を浸食する。これにより、接触面積が減少して接続不
良が起こり、半導体装置製造の歩留りが低下したり、半
導体装置の信頼性が低下したりする。これらの問題を避
けるため、パターン線幅やパターン合わせ等が高精度に
制御され、配線パターン設計寸法からのずれが少ない配
線やコンタクトホールを形成できる微細配線加工技術が
望まれている。

【０００５】従来の微細配線およびコンタクトホールの
形成方法について、図９〜図１４を参照して説明する。
この従来方法は、０．３５μｍ世代以降に用いられる。
まず、図９に示すように、不純物拡散領域が適宜形成さ
れている半導体基板１上に、第１配線層２を形成する。
第１配線層２は、スパッタリング等の方法により全面に
金属層を堆積させてから、例えばドライエッチング等の
方法によりパターニングして形成する。その上層に、例
えば減圧ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりシリコン酸化膜等からなる
層間絶縁膜３を堆積させ、第１配線層２が形成された半
導体基板１の表面を平坦化する。さらに、層間絶縁膜３
の上層にレジスト４を塗布し、コンタクトホール形成領
域のレジスト４に公知のフォトリソグラフィ技術により
開口を設ける。

【０００６】次に、図１０に示すように、エッチング装
置を用いて層間絶縁膜３にコンタクトホール５を開口す
る。図１１に示すように、コンタクトホール５内を含む
全面に、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）からなる薄膜を形
成し、メタルプラグ密着層６とする。メタルプラグ密着
層６の形成は、例えば、スパッタリングあるいはメタル
ＣＶＤ法により行う。メタルプラグ密着層６の上層にコ
ンタクトホール５を埋め込むように、例えば、メタルＣ
ＶＤ法によりメタルプラグ７を形成する。一般には、メ
タルプラグ７としてタングステン（ブランケットタング
ステン）が用いられることが多い。

【０００７】次に、図１２に示すように、層間絶縁膜３
上の不要なブランケットタングステン７をメタルエッチ
ング装置を用いたエッチバック、あるいは、化学的機械
研磨（ＣＭＰ；ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａ
ｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により除去する。全面にエッ
チバックあるいはＣＭＰを行い、コンタクトホール５内
のみメタルプラグ７を残す。

【０００８】続いて、図１３に示すように、バリアメタ
ル層８、アルミニウム（Ａｌ）合金配線層９および反射
防止層１０からなる上層配線（第２配線層）１１を、例
えばスパッタリングにより連続的に成膜する。バリアメ
タル層８としては例えばチタン（Ｔｉ）やＴｉＮ、Ａｌ
合金配線層９としては例えばＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕま
たはＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、反射防止層１０としては例えば
ＴｉやＴｉＮを成膜する。

【０００９】さらに、第２配線層１１をパターニングす
るため、第２配線層パターンを有するレジスト１２を公
知のフォトリソグラフィ技術により形成する。図１４に
示すように、レジスト１２をマスクとしてメタルエッチ
ング装置を用いて第２配線層１１のエッチングを行うこ
とにより、コンタクトホール５および多層配線が形成さ
れる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の多層配線形成方
法は、層間絶縁膜３にドライエッチングを行いコンタク
トホール５を形成する工程において、以下に示すような
問題が発生する。コンタクトホール開口のためのドライ
エッチング工程では、図１５（Ａ）に示すように、コン
タクト径φ₁ の設計寸法に対して、図１５（Ｂ）に示す
ように、コンタクト径φ₁ よりも大きい径φ₂ のコンタ
クトホールが開口される。これは、異方性のリアクティ
ブイオンエッチング（ＲＩＥ）を行う過程で、レジスト
４の側壁部がエッチングされることによる。

【００１１】レジスト側壁がエッチングされるとコンタ
クトホール径が大きくなり、図１６（Ａ）に示すよう
に、第２配線層１１とコンタクトとの合わせ余裕ｄが確
保できなくなる。デバイスの微細化が進み、第２配線層
１１の線幅が縮小されてもコンタクトホール径の増大
（φ₂ −φ₁ ）は変わらないため、合わせ余裕ｄは不足
することになる。

【００１２】さらに、図１６（Ｂ）に示すように、コン
タクトホール５と第２配線層１１の合わせずれが合わせ
余裕ｄよりも大きくなると、メタルプラグ７の一部が露
出してコンタクトホール５と第２配線層１１の接触面積
が減少する。これにより、コンタクト抵抗が増大するだ
けでなく、前述したように、第２配線層１１のエッチン
グ後、レジストを剥離する際にアルカリまたは有機溶剤
系の剥離液がメタルプラグ７の露出部近傍の第２配線層
１１を浸食する場合がある。これらの要因による接続不
良から、半導体装置製造の歩留りが低下したり、半導体
装置の信頼性が低下したりする。

【００１３】コンタクトホール形成のエッチング過程
で、レジストが浸食され開口が拡張される結果、コンタ
クトホール径が設計寸法よりも増大する問題に対し、メ
タルマスクを用いる方法が提案されている。例えば、特
開平７−９４４９０号公報には、基板上に下地配線、層
間絶縁膜およびメタル薄膜を順に積層させ、フォトレジ
ストをマスクとしてメタル薄膜をドライエッチングした
後、メタル薄膜をマスクとして層間絶縁膜にコンタクト
ホールを形成する方法が開示されている。

【００１４】メタル薄膜としては、ＷＳｉＮ₄ 等のタン
グステン（Ｗ）系材料やＴｉ等が用いられる。メタル薄
膜をマスクとして層間絶縁膜のドライエッチング、具体
的にはＲＩＥを行う際に、Ｏ₂ ガスのみを用いると、コ
ンタクトホール底部にメタル薄膜材料がエッチング残渣
として付着する。これは、コンタクトホールの接続不良
の要因となるため、特開平７−９４４９０号公報のエッ
チング方法においては、エッチングガスであるＯ₂ ガス
に、不活性ガスとして例えばヘリウムを混入させること
により、コンタクトホール底部のエッチング残渣を飛散
させ、除去する。

【００１５】上記の特開平７−９４４９０号公報記載の
エッチング方法によれば、層間絶縁膜にコンタクトホー
ルを形成後、コンタクトホール内およびコンタクトホー
ル周囲のメタル薄膜上に、上層配線を形成する。上層配
線材料としては、通常、低抵抗金属であるＡｌまたはＡ
ｌ合金が用いられるが、これらの材料は、シリコン酸化
膜からなる層間絶縁膜との親和性が低いため、微細コン
タクトホール内に良好な被覆性で埋め込むことが難し
い。また、下地のシリコンとＡｌの相溶を防止する必要
もある。このため、コンタクトホール内の層間絶縁膜と
の界面には、通常Ｔｉ、ＴｉＮまたはこれらの積層膜か
らなる薄膜が密着層として形成される。

【００１６】したがって、特開平７−９４４９０号公報
記載の方法によりコンタクトホールを開口した後、従来
の半導体装置の製造方法に従って上層配線を形成する
と、コンタクトホール以外の領域では、マスクとして用
いられたメタル薄膜上に、さらに、密着層が積層される
ことになる。メタル薄膜と密着層とは、同様な組成の膜
が用いられる場合が多く、必ずしも２層積層する必要は
ないが、製法上の理由により２層構造となっていた。こ
れらの層は、上層配線のパターニングを行う際に、上層
配線と同一のパターンでエッチングされるため、膜厚は
最小限で形成することが好ましい。また、特に多層配線
構造を形成する場合には、簡略なプロセスで各層を薄層
化することができれば、半導体装置の集積度を向上させ
るという観点からも有利である。

【００１７】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、したがって本発明は、高精度に微細配線加工
を行い、かつ、簡略化されたプロセスで上層配線を形成
することが可能となる半導体装置の製造方法を提供する
ことを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上
に、導電体からなる第１の配線層を形成する工程と、全
面に、層間絶縁膜を形成する工程と、該層間絶縁膜の上
層にメタルマスク層を形成する工程と、該メタルマスク
層をマスクとして、前記層間絶縁膜にエッチングを行
い、前記第１の配線層に接続する開口部を設ける工程
と、前記開口部内を含む全面に、密着層を形成する工程
と、前記開口部を埋め込むように、全面に高融点金属層
を形成する工程と、前記開口部の内部を除く前記高融点
金属層および前記密着層を除去し、全面を平坦化する工
程と、前記メタルマスク層の表面を除去し、全面を平坦
化する工程と、全面に、導電体からなる第２の配線層を
形成する工程とを有することを特徴とする。

【００１９】本発明の半導体装置の製造方法は、好適に
は、前記高融点金属層、前記密着層および前記メタルマ
スク層を除去する工程は、全面に化学的機械研磨（ＣＭ
Ｐ；ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌ
ｉｓｈｉｎｇ）を行う工程であることを特徴とする。

【００２０】本発明の半導体装置の製造方法は、好適に
は、前記メタルマスク層は、チタン（Ｔｉ）からなるこ
とを特徴とする。あるいは、本発明の半導体装置の製造
方法は、好適には、前記メタルマスク層は、窒化チタン
（ＴｉＮ）からなることを特徴とする。本発明の半導体
装置の製造方法は、好適には、前記密着層は、チタンお
よび窒化チタンの積層膜からなることを特徴とする。本
発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記開口部
内に埋め込まれる高融点金属層は、タングステンからな
ることを特徴とする。

【００２１】これにより、コンタクトホール形成のエッ
チング過程で、エッチングマスクが浸食されて口径が拡
張し、コンタクトホール径が設計寸法よりも大きくなる
問題が解消される。したがって、下層配線とコンタクト
ホール、あるいは、コンタクトホールと上層配線とのパ
ターン合わせ精度が向上し、良好な電気的接続が得られ
る。また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、コ
ンタクトホール形成用のメタルマスクの上部を均一にエ
ッチングし、上層配線とのバリアメタルとして利用す
る。これにより、プロセスが簡略化され、また、従来の
半導体装置の製造方法に比較して、上層配線を薄層化す
ることができるため、多層配線を形成して高集積化を図
る上で有利となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の半導体装置の製
造方法の実施の形態について、図面を参照して説明す
る。図１は、本実施形態の半導体装置の製造方法により
製造される半導体装置の断面図である。不純物拡散領域
（不図示）が適宜形成されている半導体基板１上に、第
１配線層２が形成され、その上層に、例えばシリコン酸
化膜等からなる層間絶縁膜３が形成されている。層間絶
縁膜３上には第２配線層１１が形成され、層間絶縁膜３
に形成されたコンタクトホール５により、第１配線層２
と第２配線層１１が電気的に接続されている。

【００２３】コンタクトホール内にはメタルプラグ密着
層６を介して、メタルプラグ７が埋め込まれている。ま
た、第２配線層１１はバリアメタル層８’、Ａｌ合金配
線層９および反射防止層１０の３層からなり、バリアメ
タル層８’はコンタクトホール５の周囲の層間絶縁膜３
上に、メタルプラグ密着層６に連続するように形成され
ている。メタルプラグ７の上面は、バリアメタル層８’
の上層にあるＡｌ合金配線層９と接触している。

【００２４】次に、上記の本実施形態の半導体装置の製
造方法について説明する。まず、図２に示すように、不
純物拡散領域（不図示）が適宜形成されている半導体基
板１上に、第１配線層２を形成する。第１配線層２は、
スパッタリング等の方法により全面に金属層を堆積させ
てから、例えばドライエッチング等の方法によりパター
ニングして形成する。その上層に、例えば減圧ＣＶＤ法
によりシリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜３を堆積さ
せ、第１配線層２が形成された半導体基板１の表面を平
坦化する。さらに、層間絶縁膜３の上層に、例えばスパ
ッタリング等の方法によりメタルマスク１３を形成す
る。メタルマスク１３は、例えば膜厚３００ｎｍのＴｉ
Ｎ膜とし、ＴｉターゲットをＮ₂ 雰囲気でスパッタする
通常のスパッタ法により成膜する。

【００２５】次に、図３に示すように、メタルマスク１
３の上層にレジスト４を塗布し、コンタクトホール形成
領域のレジスト４に公知のフォトリソグラフィ技術によ
り開口を設ける。レジスト４の膜厚は例えば１．０３μ
ｍとし、ｉ線ステッパーを用いて露光、現像を行い、口
径０．４５μｍの開口部をレジスト４に形成する。

【００２６】次に、図４に示すように、レジスト４をマ
スクとして、ＴｉＮからなるメタルマスク１３のエッチ
ングを行う。エッチングは、例えば、アルゴンを添加し
た塩素系ガスをメタルエッチング装置に供給することに
より行う。これにより、メタルマスク１３にコンタクト
パターンの開口が形成される。その後、有機溶剤を用い
てレジスト４を除去する。

【００２７】次に、図５に示すように、メタルマスク１
３を用いて層間絶縁膜３にエッチングを行い、コンタク
トホール５を開口する。シリコン酸化膜からなる層間絶
縁膜３のエッチングは、例えばフロロカーボン系のガス
を用いて行う。続いて、図６に示すように、メタルマス
ク１３の上層に、メタルプラグ密着層６としてＴｉ／Ｔ
ｉＮ：３０／７０ｎｍの積層膜を、例えばスパッタリン
グにより形成する。さらに、メタルプラグ密着層６の上
層に、例えばメタルＣＶＤ法によりメタルプラグ７を形
成する。メタルプラグ７は、コンタクトホール５を完全
に埋め込むような膜厚で形成し、膜厚は例えば５００ｎ
ｍとする。メタルプラグ７の材料としては、一般に、タ
ングステン（ブランケットタングステン）が用いられる
ことが多い。

【００２８】次に、図７に示すように、全面にメタルＣ
ＭＰ技術による平坦化を行い、コンタクトホール５以外
の部分に形成された不要なブランケットタングステン、
およびその下層のメタルマスク１３の一部を除去する。
メタルマスク１３のエッチバックは、層間絶縁膜３上に
ＴｉＮ膜が膜厚１００ｎｍ程度、残った状態で停止す
る。残ったメタルマスク１３（ＴｉＮ膜）は、層間絶縁
膜３と上層配線との間のバリアメタル８’として機能す
る。

【００２９】次に、図８に示すように、全面に、アルミ
ニウム（Ａｌ）合金配線層９および反射防止層１０を、
例えばスパッタリングにより連続的に成膜する。これら
の層は、メタルマスク１３から転用されるバリアメタル
層８’と合わせて、上層配線（第２配線層）１１を構成
する。Ａｌ合金配線層９としては、例えば膜厚５００ｎ
ｍのＡｌ−Ｃｕ層を、反射防止層１０としては、例えば
膜厚１００ｎｍのＴｉＮ層を形成する。その他、Ａｌ合
金配線層９には例えばＡｌ−ＳｉまたはＡｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ、反射防止層１０には例えばＴｉを用いることもでき
る。

【００３０】その後、第２配線層パターンを有するレジ
スト（不図示）を公知のリソグラフィ技術により形成
し、図１に示すように、メタルエッチング装置を用いて
第２配線層１１のエッチングを行う。これにより、コン
タクトホール５および多層配線が形成される。

【００３１】上記の本実施形態の半導体装置の製造方法
によれば、層間絶縁膜３にコンタクトホールを形成する
際にメタルマスクを用いるため、マスク開口径の拡がり
が起こらず、設計寸法からのずれが低減された微細コン
タクトホールを形成することができる。これにより、配
線層とコンタクトホールとのパターン合わせも、より高
精度となり、接続不良を防止することができる。

【００３２】また、上記の本実施形態の半導体装置の製
造方法によれば、メタルマスク１３をコンタクトホール
周辺部の層間絶縁膜３と、上層のＡｌ合金配線層９との
バリアメタルとして用いる。したがって、従来の半導体
装置の製造方法に比較して、上層配線を薄層化すること
ができ、多層配線を形成して高集積化を図る上で有利と
なる。

【００３３】本発明の半導体装置の製造方法は、上記の
実施の形態に限定されない。例えば、不要なブランケッ
トタングステンおよびメタルマスク１３の表面をエッチ
バックする工程は、上記のメタルＣＭＰ以外に、エッチ
ング装置を用いたエッチングによっても行うことができ
る。この場合、タングステンプラグ部分とメタルマスク
１３とのエッチング選択比を適宜調節し、コンタクトホ
ール内のタングステンプラグのオーバーエッチを防止す
る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
変更が可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明の半導体装置の製造方法によれ
ば、エッチングマスクが浸食されて、コンタクトホール
径が設計寸法よりも大きくなる問題が解消される。した
がって、コンタクトホールのパターン合わせ精度が向上
し、良好な電気的接続が得られる。また、本発明の半導
体装置の製造方法によれば、メタルマスクの一部をバリ
アメタルとして利用するため、プロセスが簡略化され
る。これにより、上層配線が薄層化され、多層配線を形
成して高集積化を図る上で有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の製造方法により形成され
る配線部分の断面図である。

【図２】本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図３】本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図４】本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図５】本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図６】本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図７】本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図８】本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図９】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示す
断面図である。

【図１０】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図１１】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図１２】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図１３】従来の半導体装置の製造方法の製造工程を示
す断面図である。

【図１４】従来の半導体装置の製造方法により形成され
る配線部分の断面図である。

【図１５】（Ａ）および（Ｂ）は、従来の半導体装置の
製造方法の製造工程を示す断面図である。

【図１６】（Ａ）および（Ｂ）は、従来の半導体装置の
製造方法により形成される配線部分の断面図である。

【符号の説明】 １…半導体基板、２…第１配線層、３…層間絶縁膜、
４、１２…レジスト、５…コンタクトホール、６…メタ
ルプラグ密着層、７…メタルプラグ（タングステン）、
８、８’…バリアメタル層、９…Ａｌ合金配線層、１０
…反射防止層、１１…第２配線層、１３…メタルマス
ク。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に、導電体からなる第１の配
   線層を形成する工程と、 全面に、層間絶縁膜を形成する工程と、 該層間絶縁膜の上層にメタルマスク層を形成する工程
   と、 該メタルマスク層をマスクとして、前記層間絶縁膜にエ
   ッチングを行い、前記第１の配線層に接続する開口部を
   設ける工程と、 前記開口部内を含む全面に、密着層を形成する工程と、 前記開口部を埋め込むように、全面に高融点金属層を形
   成する工程と、 前記開口部の内部を除く前記高融点金属層および前記密
   着層を除去し、全面を平坦化する工程と、 前記メタルマスク層の表面を除去し、全面を平坦化する
   工程と、 全面に、導電体からなる第２の配線層を形成する工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】前記高融点金属層、前記密着層および前記
   メタルマスク層を除去する工程は、全面に化学的機械研
   磨（ＣＭＰ；ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
   ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行う工程である請求項１記載
   の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】前記メタルマスク層は、チタン（Ｔｉ）か
   らなる請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】前記メタルマスク層は、窒化チタン（Ｔｉ
   Ｎ）からなる請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】前記密着層は、チタンおよび窒化チタンの
   積層膜からなる請求項１記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】前記開口部内に埋め込まれる高融点金属層
   は、タングステンからなる請求項１記載の半導体装置の
   製造方法。