JP2000182989A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続プラグの形成工程を伴わずに良好なオー
ミック接触を得ることを可能とするコンタクトホールを
有する半導体装置を提供する。 【解決手段】 コンタクトホール１４は、その開口の
端縁を一方の端縁として、ここから半導体基板１１の方
向に向かって傾斜するように形成された斜面１４ａと、
この斜面１４ａの他方の端縁から半導体基板１１の不純
物領域１２にまで達するように傾斜して形成された斜面
１４ｂとを含む内壁面を有する。この内壁面によって囲
まれたコンタクトホール１４内の空間は、半導体基板１
１の不純物領域１２に向かってテーパ形状をなしてい
る。斜面１４ａは半導体基板１１の表面に対して角度θ
１をなし、斜面１４ｂは半導体基板１１の表面に対して
角度θ２をなす。θ１が５４度〜５８度の範囲にあり、
かつ、角度θ２が８５度〜８７度の範囲にあれば、許容
し得る程度のカバレッジ特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体層と配線層
との間、複数の配線層の間、あるいはその他の層の間を
接続するための層間接続孔を有する半導体装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積装置の高密度化に伴い、配線
技術はますます微細化、多層化の方向に進んでおり、特
に、その製造プロセスにおける多層配線技術の占める重
要度はますます増大している。このような多層配線技術
を用いた半導体集積回路装置において、半導体層と配線
層との間、複数の配線層の間、あるいはその他の層の間
を電気的に接続するためには、それらの層の間に設けら
れた層間絶縁膜に、コンタクトホール、ヴィアホールま
たはスルーホールと呼ばれる層間接続孔を形成する必要
がある。このような層間接続孔（以下、単にコンタクト
ホールという。）の形成においては、従来より、以下の
ような問題があった。

【０００３】一般に、半導体装置のコンタクトホール
は、ＭＯＳ(Metal-Oxide-Semiconductor) トランジスタ
等の半導体素子内やその周辺回路における段差構造によ
って、様々な深さを有する。コンタクトホールの深さが
深い場合には、上記したデバイス微細化の要求からくる
コンタクトホールサイズの縮小と相まって、コンタクト
ホールの直径に対する深さの比であるアスペクト比が大
きくなる傾向にある。このため、コンタクトホール上部
におけるカバレッジ、すなわち、下地形状に対する膜被
覆性が悪化する。この問題を改善するため、従来より、
コンタクトホール内をタングステン（Ｗ）の接続プラグ
で埋め込む、いわゆるブランケット−タングステン(Bla
nket-W) プロセスが一般に行われている。

【０００４】しかしながら、このブランケット−タング
ステン・プロセスは、下地密着層をスパッタによって形
成するスパッタリングプロセス、タングステン層を形成
するためのＣＶＤ(chemical vapor deposition) プロセ
ス、および形成したタングステン層をエッチバックして
接続プラグのみを残すようにするためのエッチバックプ
ロセス等を含むことから、プロセス全体が長くなると共
に、これらの各プロセスに使用する装置が必要となるた
め、製造コストが上昇する。また、ブランケット−タン
グステン・プロセスでは、対象のコンタクトホール部分
以外のウェハ表面部分に段差があると、エッチバックプ
ロセス終了後、その段差部分にタングステンの残さが生
じやすく、不都合である。このため、平坦化プロセスに
よって予め段差を小さくしておかなければ安定した歩留
りを確保することができない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、最近では、プ
ロセスの簡素化を図るべく、従来のスパッタリング法に
より、コンタクトホールの内面に、直接、金属配線層を
形成するという試みがなされている。この際、コンタク
トホール上部におけるカバレッジ、すなわち、下地形状
に対する膜被覆性が悪化するのを防止するために、コン
タクトホールの入口部分に斜面（テーパ面）を形成する
ことが行われている。以下、この点を詳細に説明する。

【０００６】図８は、従来の半導体装置におけるコンタ
クトホール部の断面構造を表すものである。この図に示
したように、半導体基板１０１の表面近傍には、例えば
ＭＯＳトランジスタのソースまたはドレインとなる不純
物領域１０２が形成され、さらに、この不純物領域１０
２を含む半導体基板１０１の全体を覆うようにして、層
間絶縁膜１０３が形成されている。層間絶縁膜１０３に
は、不純物領域１０２に達するコンタクトホール１０４
が形成されている。このコンタクトホールの入口部分に
は、基板表面に対して約４５度の角度をなす斜面１０４
ａが形成されている。コンタクトホール１０４の内面、
すなわち、斜面１０４ａ、および基板１０１の表面にほ
ぼ垂直な壁面１０４ｂには、薄いバリアメタル層１０５
が形成され、さらにその上に、金属配線層１０６がコン
タクトホール１０４の内側全体を覆うように形成されて
いる。なお、壁面１０４ｂは、基板１０１に対して、例
えば８８度の角度をなすように形成される。金属配線層
１０６は、バリアメタル層１０５を介して不純物領域１
０２に、原則としてオーミック接触（オーミックコンタ
クト）により接続される一方、図示しない他の回路部分
または出力用のパッド等に接続される。なお、オーミッ
ク接触とは、周知のように、導電体と導電体とを接触さ
せた場合に、その接触部分の電流−電圧特性が直線的な
関係となるような接触をいう。

【０００７】しかしながら、図８に示したように、コン
タクトホール１０４の内壁面のうち、基板１０１に対し
てほぼ垂直に近い角度をなす壁面１０４ｂには、スパッ
タリングのカバレッジ特性上、十分なバリアメタル層１
０５が形成されない。また、アルミニウム合金等の金属
配線層は流動性が小さいため、斜面１０４ａに形成され
た金属配線層が下方へフローすることは殆どなく、壁面
１０４ｂには十分な量（膜厚）の金属配線層１０６が形
成されない。このため、特に丸枠１０６の部分におい
て、いわゆる段切れが生じ、不純物領域１０２と金属配
線層１０６との間で、良好なオーミック接触が得られな
いおそれがある。

【０００８】また、例えば特開平６−３３３８８２号公
報には、基板に対して第１の角度をなす上方の第１の斜
面と第２の角度をなす下方の第２の斜面とからなる内壁
面を有するコンタクトホールが開示されている。この公
報に開示された例では、第１の角度は４５度程度とさ
れ、第２の角度は６０度程度とされている。ところが、
この公報に記載された発明は、あくまで、第１および第
２の２つの斜面をそれぞれ目標の角度で安定的に形成す
るための形成方法を主題としたものであり、ここに示さ
れた角度の値は、単なる例示に過ぎず、上記したコンタ
クトホール内の段切れの防止のために特別に選択された
値ではない。したがって、ここに例示された角度の値に
よっては、必ずしも十分な段切れ防止効果が得られるか
否かは定かでなく、良好なオーミック接触を確保し得る
とはいい難い。

【０００９】また、例えば特開平８−１００２７８号お
よび特開平７−６６１８５号公報には、コンタクトホー
ル等のテーパ形状の制御方法が開示されているが、これ
らの公報においても、コンタクトホールのテーパ角度や
各部の寸法の最適化については言及がない。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、コンタクトホール内に接続プラグを
形成するような工程を伴わずに良好なオーミック接触を
得ることを可能とするコンタクトホールを有する半導体
装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
は、被接続層の上に形成された層間絶縁層と、層間絶縁
層に、被接続層に達するように形成された開口と、層間
絶縁層の上部に延在すると共に開口によって形成される
層間接続孔の内面を覆う配線層とを含む半導体装置であ
って、層間接続孔が、開口の端縁を一方の端縁として、
ここから被接続層の方向に向かって傾斜するように形成
された第１の斜面と、この第１の斜面の他方の端縁から
被接続層にまで達するように傾斜して形成された第２の
斜面とを含む内壁面を有し、この内壁面が被接続層に向
かってテーパ形状をなし、第１の斜面が被接続層の表面
となす角度が５４度ないし５８度であり、第２の斜面が
被接続層の表面となす角度が８５度ないし８７度である
ようにしたものである。

【００１２】本発明の半導体装置では、層間接続孔は、
開口の端縁を一方の端縁とし、被接続層の表面となす角
度が５４度ないし５８度である第１の斜面と、この第１
の斜面の他方の端縁から被接続層にかけて形成され、被
接続層の表面となす角度が８５度ないし８７度である第
２の斜面とを含む内壁面を有するように形成され、この
内壁面は、被接続層に向かってテーパ形状をなすように
形成されている。このような形状により、層間接続孔に
おける良好なカバレッジ特性が実現される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、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。

【００１４】図１および図２は、本発明の一実施の形態
に係る半導体装置のコンタクトホール部分における断面
構造を表すものである。ここで、図１はコンタクトホー
ルに金属配線層を形成した後の状態を示し、図２は、金
属配線層を形成する前の状態を示す。これらの図に示し
たように、例えばシリコンからなる半導体基板１１の表
面近傍には、例えばＭＯＳトランジスタのソースまたは
ドレインとなる不純物領域１２が形成され、さらに、こ
の不純物領域１２を含む半導体基板１１の全体を覆うよ
うにして、例えばシリコン酸化膜からなる膜厚Ｄの層間
絶縁膜１３が形成されている。層間絶縁膜１３には、不
純物領域１２に達するコンタクトホール１４が形成され
ている。ここで、層間絶縁膜１３が本発明における「層
間絶縁層」に対応し、不純物領域１２が本発明における
「被接続層」に対応し、コンタクトホール１４が本発明
における「層間接続孔」に対応する。

【００１５】コンタクトホール１４は、その開口の端縁
を一方の端縁として、ここから半導体基板１１の方向に
向かって傾斜するように形成された斜面１４ａと、この
斜面１４ａの他方の（下側の）端縁から半導体基板１１
の不純物領域１２にまで達するように傾斜して形成され
た斜面１４ｂとを含む内壁面を有している。この内壁面
によって囲まれたコンタクトホール１４内の空間は、半
導体基板１１の不純物領域１２に向かってテーパ形状
（すなわち、先細りの形状）をなしている。図２に示し
たように、斜面１４ａは半導体基板１１の表面に対して
角度θ１をなし、斜面１４ｂは半導体基板１１の表面に
対して角度θ２をなしている。ここで、斜面１４ａおよ
び斜面１４ｂが、それぞれ、本発明における「第１の斜
面」および「第２の斜面」に対応する。

【００１６】コンタクトホール１４の内面、すなわち、
斜面１４ａ，１４ｂおよび不純物領域１２の表面は、例
えばチタン（Ｔｉ）と窒化チタン（ＴｉＮ）とを積層し
てなる４０ｎｍ程度の厚みのバリアメタル層１５によっ
て覆われ、さらにその上に、例えばアルミニウム合金か
らなる金属配線層１６がコンタクトホール１４の内側全
体を覆うように形成されている。この金属配線層１６
は、バリアメタル層１５を介して不純物領域１２にオー
ミック接触により接続される一方、図示しない他の回路
素子部または出力用のパッド等に接続されている。な
お、バリアメタル層１５は、主として、層間絶縁膜１３
に含まれるシリコンが金属配線層１６の中に拡散するの
を防止するためのものである。

【００１７】図１に示したように、層間絶縁膜１３の膜
厚Ｄ、すなわち、コンタクトホール１４の深さＤ（図
１）は、例えば０．６ミクロン（μｍ）以下に設定され
る。また、図２に示したように、コンタクトホール１４
の開口端の直径Ｗ１は、例えば０．４μｍ〜０．８μｍ
に設定され、コンタクトホール１４の底部の直径Ｗ２
は、例えば０．２６μｍ〜０．４μｍに設定される。

【００１８】次に、以上のような構造のコンタクトホー
ルを有する半導体装置の作用について説明する。

【００１９】コンタクトホール１４の各部の形状寸法を
上記したような値とすることで、コンタクトホール１４
の部分における金属配線層１６のカバレッジ特性は従来
に比べて向上する。ここで、図１に示したように、層間
絶縁膜１３上における金属配線層１６の膜厚をＡとし、
コンタクトホール１４内における金属配線層１６の最小
膜厚をＢとすると、カバレッジ特性の良否を示す値（以
下、カバレッジ特性値という。）Ｃは、Ｂ／Ａ×１００
（％）で表される。このカバレッジ特性値Ｃが１００％
に近いほど、望ましいカバレッジ特性であるといえる。

【００２０】本出願人は、θ１＝５６度，θ２＝８６度
のときに最も良好なカバレッジ特性値Ｃが得られること
を見出した。また、本出願人は、θ１が５６度プラスマ
イナス２度、すなわち５４度〜５８度の範囲にあり、か
つ、角度θ２が８６度プラスマイナス１度、すなわち８
５度〜８７度の範囲にあれば、許容し得る程度のカバレ
ッジ特性値Ｃが得られることを見出した。さらに、本出
願人は、例えば、斜面１４ａが半導体基板１１となす角
度θ１を５６度とし、斜面１４ｂが半導体基板１１の表
面となす角度θ２を８６度とした場合には、コンタクト
ホール１４の深さＤによって次のようなカバレッジ特性
値Ｃが得られることを見出した。

【００２１】 深さＤ＝０．３μｍのとき、カバレッジ特性値Ｃ＝６０％ 深さＤ＝０．４μｍのとき、カバレッジ特性値Ｃ＝４０％ 深さＤ＝０．５μｍのとき、カバレッジ特性値Ｃ＝１０％

【００２２】次に、図３ないし図７を参照して、この半
導体装置の製造方法について説明する。

【００２３】図３ないし図７は、本実施の形態に係る半
導体装置のコンタクトホールを形成するための各工程に
おける断面を示している。本実施の形態では、まず、図
３に示したように、不純物領域１２が選択的に形成され
た半導体基板１１上に、膜厚Ｄが例えば０．５〜０．６
μｍ程度の層間絶縁膜１３を形成する。次に、層間絶縁
膜１３の上にフォトレジスト膜２０を形成したのち、フ
ォトリソグラフィ工程によるパターニングを行い、コン
タクトホール形成予定領域に開口２０ａを開ける。

【００２４】次に、図４に示したように、開口２０ａを
有するフォトレジスト膜２０をマスクとして等方性エッ
チングを行い、層間絶縁膜１３に、斜面１４ａを有する
孔部１４ｃを形成する。このときのエッチング条件は、
斜面１４ａと半導体基板１１の表面とのなす角度θ１が
５４度〜５８度で、孔部１４ｃの上端縁の直径Ｗ１が
０．４μｍ〜０．８μｍとなるように設定する。

【００２５】次に、図５に示したように、開口２０ａを
有するフォトレジスト膜２０をマスクとして、例えばＲ
ＩＥ（反応性イオンエッチング）法等による異方性エッ
チングを行い、開口２０ａの下部の層間絶縁膜１３に、
斜面１４ｂを有する孔部１４ｄを形成する。このときの
エッチング条件は、斜面１４ｂと半導体基板１１の表面
とのなす角度θ２が８５度〜８７度で、孔部１４ｄの底
部の直径Ｗ２が０．２６μｍ〜０．４μｍとなるように
設定する。

【００２６】但し、孔部１４ｃの上端縁の直径Ｗ１およ
び孔部１４ｄの底部の直径Ｗ２は、角度θ１，θ２が上
記の角度範囲（５４度≦θ１≦５８度、８５度≦θ２≦
８７度）を満たすような値とする。

【００２７】次に、図６に示したように、フォトレジス
ト膜２０を除去する。これにより、角度θ１をもつ斜面
１４ａと角度θ２をもつ斜面１４ｂとを含む内壁面を有
し、この内壁面によって囲まれた空間が半導体基板１１
の不純物領域１２に向かってテーパ形状をなすようなコ
ンタクトホール１４が形成される。

【００２８】次に、図７に示したように、コンタクトホ
ール１４の内面に、例えばチタン（Ｔｉ）と窒化チタン
（ＴｉＮ）とを順次積層して４０ｎｍ程度の厚みのバリ
アメタル層１５を形成する。次に、例えばアルミニウム
合金からなる金属配線層１６を、バリアメタル層１５が
形成されたコンタクトホール１４の内側全体を覆うよう
に形成する。このときの金属配線層１６の形成は、例え
ば３００〜４００°Ｃの温度下で、例えばアルミニウム
合金をスパッタすることで行う。このような条件下で
は、金属配線層１６は、コンタクトホール１４の内面
に、ほぼ均等で比較的厚い膜厚をもって形成され、良好
なカバレッジ特性が確保される。すなわち、コンタクト
ホール１４内で金属配線層１６の一部分が極端に薄くな
ったり、従来のような段切れ等が発生することが効果的
に防止される。したがって、金属配線層１６は、バリア
メタル層１５を介して不純物領域１２にオーミック接触
の形で、より確実に接続される。

【００２９】以上のように、本実施の形態に係る半導体
装置によれば、コンタクトホール１４の内壁面が大小２
つの傾斜角θ１，θ２をもつ２つのテーパ面をなすよう
にすると共に、これらの傾斜角θ１，θ２の値を最適化
したので、コンタクト部における良好なカバレッジ特性
が確保され、従来のような段切れ等の現象の発生を防止
できる。したがって、コンタクト部における確実なオー
ミック接触が可能となる。

【００３０】以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発
明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定さ
れず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形
態では、半導体基板１１に形成された不純物領域１２に
対するコンタクト部を形成する場合について説明した
が、本発明は、その他の層の間を接続するためのコンタ
クト部を形成する場合にも適用可能である。例えば、Ｍ
ＯＳトランジスタのゲート電極と配線層とを接続するた
めのコンタクト部や、複数の配線層の間を相互に接続す
るためのコンタクト部等を形成する場合等にも適用可能
である。

【００３１】なお、コンタクトホール１４の深さＤ、直
径Ｗ１，Ｗ２の寸法は、上記した値に限定されるもので
はなく、上記した傾斜角θ１，θ２の制限が満たされる
限りにおいて適宜変更可能である。但し、高密度化を図
るためには、コンタクトホール１４の直径Ｗ１，Ｗ２を
できる限り小さくするのが望ましい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし請
求項４のいずれかに記載の半導体装置では、層間接続孔
が、開口の端縁を一方の端縁とし、被接続層の表面とな
す角度が５４度ないし５８度である第１の斜面と、この
第１の斜面の他方の端縁から被接続層にかけて形成さ
れ、被接続層の表面となす角度が８５度ないし８７度で
ある第２の斜面とを含む内壁面を有するように形成する
と共に、この内壁面が被接続層に向かってテーパ形状を
なすようにしたので、層間接続孔における良好なカバレ
ッジ特性が確保される。したがって、従来のような段切
れ等の現象の発生を防止できるので、層間接続部におけ
る確実なオーミック接触が可能となり、製造上の歩留り
および信頼性が向上するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体装置のコン
タクトホール部分の構造を表す断面図である。

【図２】図１に示した断面図からバリアメタル層および
金属配線層を除いた状態を示す断面図である。

【図３】この半導体装置の製造方法の要部工程を説明す
るための断面図である。

【図４】図３に続く断面図である。

【図５】図４に続く断面図である。

【図６】図５に続く断面図である。

【図７】図６に続く断面図である。

【図８】従来の半導体装置のコンタクトホール部分の構
造を表す断面図である。

【符号の説明】

１１…半導体基板、１２…不純物領域、１３…層間絶縁
膜、１４…コンタクトホール、１４ａ…斜面、１４ｂ斜
面、１５…バリアメタル層、１６…金属配線層、２０…
フォトレジスト膜、２０ａ…開口

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被接続層の上に形成された層間絶縁層
   と、前記層間絶縁層に、前記被接続層に達するように形
   成された開口と、前記層間絶縁層の上部に延在すると共
   に前記開口によって形成される層間接続孔の内面を覆う
   配線層とを含む半導体装置であって、 前記層間接続孔は、 前記開口の端縁を一方の端縁として、ここから前記被接
   続層の方向に向かって傾斜するように形成された第１の
   斜面と、この第１の斜面の他方の端縁から前記被接続層
   にまで達するように傾斜して形成された第２の斜面とを
   含む内壁面を有し、 前記内壁面は、前記被接続層に向かってテーパ形状をな
   し、 前記第１の斜面が前記被接続層の表面となす角度は５４
   度ないし５８度であり、前記第２の斜面が前記被接続層
   の表面となす角度は８５度ないし８７度であることを特
   徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記層間絶縁膜層の膜厚は０．６ミクロ
   ン以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装
   置。
3. 【請求項３】 前記層間接続孔の入口部における開口径
   は０．４ミクロンないし０．８ｍミクロンであることを
   特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記層間接続孔の底部における開口径は
   ０．２６ミクロンないし０．４ミクロンであることを特
   徴とする請求項２記載の半導体装置。