JP2003023068A

JP2003023068A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2003023068A
Application number: JP2001208281A
Authority: JP
Inventors: Narakazu Shimomura; 奈良和下村; Yuji Fukui; 雄司福井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】多層配線層における、いわゆるボーダレス接
続穴でも良好な電気的接続を実現することができる半導
体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】下層配線層１１上の層間絶縁膜１２に形
成された接続穴１６の内部に、高融点金属のバリア層と
該バリヤ層を介して高融点金属のコンタクトプラグ１７
を埋設する。前記コンタクトプラグと絶縁膜上にバリア
層とアルミニウム又はその合金膜からなる積層膜１８を
形成し、コンタクトプラグに接触するように、前記積層
膜膜をパターニングする。さらにエッチング生成物を除
去することにより上層配線を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、より詳細には、特にサブミクロンよ
りの微細な素子構造や多層配線構造を有する半導体装置
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年の
半導体装置の微細化に伴い、多層配線構造における電気
的接続を良好に保つことが困難になってきている。これ
は、メタル配線材料の段差被覆性（ステップカバレッ
ジ）があまり良好ではないにもかかわらず、接続穴のア
スペクト比は大きくなってきているとともに、接続穴に
おける上層メタル配線のオーバーラップが確保されなく
なってきたためである。

【０００３】接続穴の内部に導電性材料を埋め込んで
（以下、プラグと呼ぶ）接続穴のアスペクト比を小さく
することにより、良好な電気的接続を得る技術が、例え
ば、特開平４−２７１１４４号に報告されている。

【０００４】この技術によれば、多層メタル配線層間の
絶縁膜に接続穴を開口した後、チタン膜及びチタン化合
物膜を堆積し、その上にタングステン膜を形成した後、
ウェハ上のチタン膜、チタン化合物膜およびタングステ
ン膜をエッチバックし、接続穴にのみこれらの膜を埋め
込んで、アスペクト比を小さくした後に、上層メタル配
線材料として、チタン膜、チタン化合物膜及びアルミ合
金膜からなる多層膜を堆積して上層メタル配線層を形成
し、上層メタル配線材料の段差被覆性を向上させたもの
である。

【０００５】これにより、接続抵抗が安定した接続穴の
形成が可能となり、エレクトロマイグレーションを抑制
し、歩留まりを向上させることができる。

【０００６】上記のような技術においては、通常、図３
（ａ）に示すように、接続穴２０と上層メタル配線２１
とは十分なオーバーラップ（Ｌ１）が確保されている。

【０００７】しかし、半導体装置の微細化が進むにつ
れ、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、オーバーラッ
プ（Ｌ２）が小さい（Ｌ１＞Ｌ２）か、オーバーラップ
がない（Ｌ２＝０）接続穴（以下、ボーダレス接続穴と
呼ぶ）が使用されつつある。

【０００８】上記従来技術において、ボーダレス接続穴
を形成した場合、以下のようなメカニズムにより良好な
電気的接続が保てなくなることがある。

【０００９】つまり、図４（ａ）に示すように、下層配
線層２２上の層間絶縁膜２６に形成された接続穴内にチ
タン膜２３、窒化チタン膜２４及びタングステンプラグ
２５を埋め込み、その上に上層配線層３０として、チタ
ン膜２７、窒化チタン膜２８及びアルミニウム合金膜２
９を、接続穴に対して余分なオーバーラップのないよう
にパターニングし、上層配線層３０のパターニング後に
発生するエッチング生成物を除去するためにアミン系の
薬液に浸漬するが、この際、接続穴近傍の段差部分（図
４（ａ）中、Ｂ）にアミン系の薬液が残存し、図４
（ｂ）に示すように、チタン膜２３、２７や窒化チタン
膜２４、２８を侵食する。このため、タングステンプラ
グ２５と上層配線層３０との間に空洞が生じ、電気的接
続が悪化して接続抵抗が大きくなるという問題がある。

【００１０】本発明は上記課題に鑑みなされたもので、
多層配線層におけるボーダレス接続穴でも良好な電気的
接続を実現することができる半導体装置及びその製造方
法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、下層配
線層上の層間絶縁膜に形成された接続穴の内部に、高融
点金属のバリア層と該バリア層を介して高融点金属のコ
ンタクトプラグが埋設され、該コンタクトプラグに接触
するように、前記コンタクトプラグ上にアルミニウム又
はその合金膜の上層配線層が形成されてなる半導体装置
が提供される。

【００１２】また、本発明によれば、下層配線層上に層
間絶縁膜を形成し、該層間絶縁膜に接続穴を形成し、得
られた層間絶縁膜上に高融点金属のバリア層とコンタク
トプラグ材料膜を形成し、該コンタクトプラグ材料膜を
前記バリア層が露出するまでエッチバックし、得られた
層間絶縁膜上にアルミニウム又はその合金膜を堆積し、
所望の形状にエッチングするとともに、該エッチングの
際に生じるエッチング生成物を除去する半導体装置の製
造方法が提供される。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明における半導体装置は多層
配線構造を有し、主として、下層配線層、その上の層間
絶縁膜、層間絶縁膜に形成された接続穴の内部に埋設さ
れた高融点金属のバリア層、バリア層を介して接続穴の
内部に埋設された高融点金属のコンタクトプラグ、コン
タクトプラグに接触するようにコンタクトプラグ上に形
成されたアルミニウム又はその合金膜の上層配線層から
なる。

【００１４】下層配線層としては、通常の半導体装置に
おける配線層として機能するものであれば特に限定され
るものではなく、半導体基板自体、導電材料からなる電
極及び配線のいずれであってもよい。

【００１５】層間絶縁膜としては、上層配線層と下層配
線層との絶縁性を確保するための膜であれば、その材料
は特に限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化
膜（熱酸化膜、低温酸化膜：ＬＴＯ膜等、高温酸化膜：
ＨＴＯ膜）、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、Ｓ
ＯＧ膜、ＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、ＰＺＴ、Ｐ
ＬＺＴ、強誘電体膜又は反強誘電体膜等の単層膜又は積
層膜等が挙げられる。層間絶縁膜の膜厚は、特に限定さ
れず、上記のような絶縁性を確保するために十分な膜厚
が挙げられる。

【００１６】接続穴は、通常、下層配線層と上層配線層
との電気的な接続を行うために用いられるものであり、
その大きさ、深さ、形状等は、層間絶縁膜、得ようとす
る半導体装置の性能、上下配線層材料の種類により適宜
調整することができる。

【００１７】接続穴の内部に埋設される高融点金属のバ
リア層としては、特に限定されず、例えば、チタン、タ
ンタル、タングステン、コバルト等の高融点金属又はそ
れらの窒化膜等の単層膜又は積層膜が挙げられる。その
膜厚は、コンタクトプラグとの密着性、上下層配線層の
密着性、コンタクト抵抗等を考慮して適宜調整すること
ができる。なお、このバリア層は、接続穴の内部のみな
らず、接続穴の周辺部における層間絶縁膜の上及び／又
は後述する上層配線層の下にまで延設されていてもよ
い。また、高融点金属のコンタクトプラグとしては、上
記の高融点金属の単層又は積層膜によるものが挙げられ
る。

【００１８】上層配線層は、コンタクトプラグに接触す
るようにコンタクトプラグ上に形成されていることが必
要であり、また、アルミニウム又はその合金膜により形
成されてなる。上層配線層は、少なくとも一方の端部
が、好ましくは三方の端部が、接続穴の端部とほぼ整合
されていることが好ましい。この接続構造は、例えば、
図３（ｃ）に示したような、いわゆるボーダレス接続穴
のような構造が例示される。なお、この場合の、整合さ
れているとは、ほぼ両者の端部が揃っているような状態
を意味するが、上層配線層形成の際のアライメントずれ
を考慮して、若干のずれが生じていてもよい。ずれは、
接続穴径の１／２〜１／３程度が許容される。上層配線
層は、コンタクトプラグと接触している領域以外の部分
において、その下に高融点金属のバリア層が形成されて
いる。この場合のバリア層は、上述のバリア層と同様の
材料により形成することができる。また、上述のような
接続穴内部に形成されたバリア層が層間絶縁膜上にまで
延設されたものでもよいし、そのようなバリア層とは別
個に形成されたものでもよい。

【００１９】本発明の半導体装置の製造方法では、ま
ず、下層配線層上に層間絶縁膜を形成し、該層間絶縁膜
に接続穴を形成する。層間絶縁膜は、その材料によっ
て、スパッタ法、ＣＶＤ法、酸化法、スピンコート法、
ゾルゲル法等種々の方法により形成することができる。
接続穴は、公知の方法、例えば、フォトリソグラフィ及
びエッチング方法により形成することができる。

【００２０】得られた層間絶縁膜上に高融点金属のバリ
ア層とコンタクトプラグ材料膜を形成する。これらの膜
は、その材料によって、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着
法、ＥＢ法等の種々の方法で形成することができる。

【００２１】コンタクトプラグ材料膜をバリア層が露出
するまでエッチバックする方法としては、ドライエッチ
ング、ＣＭＰ法等種々の方法により行うことができる。
この場合、コンタクトプラグ材料膜とバリア層を構成す
る材料膜との間で、選択比が大きいエッチング方法を選
択することが好ましい。

【００２２】得られた層間絶縁膜上にアルミニウム又は
その合金膜を堆積する方法は、スパッタ法、ＣＶＤ法、
蒸着法、ＥＢ法等の種々の方法が挙げられる。

【００２３】アルミニウム又はその合金膜を所望の形状
にエッチングするとともに、該エッチングの際に生じる
エッチング生成物を除去する方法としては、ドライエッ
チング、ウェットエッチング等の種々の方法を利用する
ことができるが、例えば、アルミニウム又はその合金膜
をエッチングして所望の形状にパターニングした後、エ
ッチング生成物を除去してもよいし、エッチング生成物
を除去しながらパターニングを行ってもよい。具体的に
は、プラズマエッチング等のドライエッチングによって
パターニングを行い、その後、酸又はアルカリ溶液等の
エッチャントを用いたウェットエッチングによってエッ
チング生成物を除去する方法が挙げられる。ウェットエ
ッチングに使用されるエッチャントとしては、例えば、
ヒドロキシルアミンを主成分とする薬液が挙げられる。

【００２４】以下、本発明の半導体装置及びその製造方
法を図面に基づいて詳細に説明する。

【００２５】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板上に、絶縁膜１０及び下層配線層１１を形成し、そ
の上に、層間絶縁膜１２として、ＣＶＤ法によるシリコ
ン酸化膜を０．５〜３μｍ程度の膜厚で堆積し、フォト
リソグラフィ及びエッチング工程を行って、層間絶縁膜
１２に接続穴１６を開口した。

【００２６】次に、図１（ｂ）に示すように、得られた
シリコン基板上全面に、スパッタ法で、チタン膜１３を
膜厚３０〜１００ｎｍ程度、窒化チタン膜１４を膜厚５
０〜２００ｎｍ程度、順次堆積した。その後、タングス
テン膜１５を、ＣＶＤ法により、ＷＦ₆ガス、ＳｉＨ₄ガ
ス、Ｈ₂ガスを用い、圧力８０ｔｏｒｒ、温度４２５℃
の成膜条件で、膜厚３００〜１０００ｎｍ程度、堆積し
た。

【００２７】続いて、図１（ｃ）に示すように、窒化チ
タン膜１４が露出するまでタングステン膜１５をエッチ
バックし、接続穴１６中にタングステンプラグ１７を形
成した。エッチバック条件は、ＳＦ₆とＡｒガスとを用
い、圧力２６５ｍｔｏｒｒ、ＲＦ出力３００Ｗとした。
この条件では、タングステン膜１５エッチバック時のエ
ッチング選択比は対Ｔｉ、対ＴｉＮともに約１００であ
った。

【００２８】次に、図１（ｄ）に示すように、シリコン
基板上の全面にアルミニウム合金膜１８を、スパッタ法
で膜厚４００〜１０００ｎｍ程度、堆積した。

【００２９】その後、図１（ｅ）に示すように、シリコ
ン基板上全面に、フォトレジストと塗布し、フォトリソ
グラフィ技術により所望の形状にパターニングしてレジ
ストパターン１９を形成し、このレジストパターン１９
をマスクとして用いて、アルミニウム合金膜１８をエッ
チングした。アルミニウム合金膜１８のエッチ条件は、
マイクロ波プラズマエッチング装置を使用し、Ｃｌ₂、
ＢＣｌ₃ガスを用い、圧力は２Ｐａ、マイクロ波（２．
４ＧＨｚ）パワーは１０００Ｗとした。この条件では、
アルミニウム合金膜１８エッチ時の選択比は対チタン膜
１３及び対窒化チタン膜１４ともに、１〜２であった。
なお、アルミニウム合金膜１８エッチ時には、Ａ部に、
Ａｌ、Ｃｌ₂、Ｃ等を主成分とするエッチング生成物が
生成する。

【００３０】続いて、図１（ｆ）に示すように、フォト
レジスト１９を除去し、エッチング生成物を除去するた
めヒドロキシルアミンを成分とする薬液に浸液し、エッ
チング生成物を除去し、水洗、乾燥を行った。この際、
接続穴１６内のチタン膜１３及び窒化チタン膜１４の積
層膜は、ヒドロキシルアミンを成分とする薬液でエッチ
ングされてしまうが、タングステンプラグ１７の直上に
は、直接アルミニウム合金膜１８が形成されているの
で、この薬液にはエッチングされず、タングステンプラ
グ１７とＡｌ合金膜１６とのコンタクト面積は減少しな
い。よって、コンタクト抵抗が増加しない。

【００３１】図２に、本発明のボーダレス接続穴と従来
のオーバーラップを有する接続穴のコンタクト抵抗値の
比率（横軸）についてプラグ上にチタン膜１３及び窒化
チタン膜１４の積層膜の有無で比較した結果を示す。測
定点はそれぞれ１５０ポイントの測定点の結果である。

【００３２】従来のチタン膜１３及び窒化チタン膜１４
のある場合の抵抗値は、通常型接続穴の１．１倍以上の
ボーダレス接続穴が１０％ほど存在しており、高抵抗部
が発生しているが、本発明における、タングステンプラ
グ上にチタン膜１３及び窒化チタン膜１４のないのボー
ダレス構造では、抵抗値が１．１倍以上のボーダレス接
続穴は存在せず、良好な電気的接続が保たれる。

【００３３】本発明によれば、ボーダレス接続穴におい
ても良好な電気的接続が得られ、高歩留まりと高信頼性
を実現することが可能になる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、コンタクトプラグが上
層配線層と直接接続されており、コンタクトプラグ上
に、バリア層等が存在しないため、上層配線層のパター
ニングの際に使用されるエッチャントによってバリア層
が侵食しても、コンタクトプラグと上層配線層との接続
面積は変動しないため、電気的な接続を確保することが
可能となる。しかも、接続穴と上層配線層との接続にお
いて、余分なオーバーラップが存在しない、いわゆるバ
ーダレス接続穴の構造を有している場合にも、コンタク
トプラグと上層配線層の良好な電気的接続を確実とする
ことができる。

【００３５】また、本発明の半導体装置の製造方法によ
れば、特別な製造工程を必要とせず、コンタクトプラグ
と上層配線層の良好な電気的接続を、簡便な製造方法に
より確保することが可能となり、半導体装置の歩留まり
の低下を抑制し、信頼性の高い半導体装置を、製造コス
トの増加なく、製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態を
示す要部の概略断面製造工程図である。

【図２】本発明の半導体装置の製造方法により形成され
た多層配線構造部分の抵抗値を説明するためのグラフで
ある。

【図３】接続穴と上層配線層との位置関係を説明するた
めの要部の概略平面図である。

【図４】従来の半導体装置の製造方法を説明するための
要部の概略断面工程図である。

【符号の説明】

１０絶縁膜１１下層配線層１２層間絶縁膜１３チタン膜１４窒化チタン膜１５タングステン膜１６接続穴１７タングステンプラグ１８アルミニウム合金膜１９レジストパターン

フロントページの続きＦターム(参考） 5F033 HH08 HH18 HH33 JJ18 JJ19 JJ33 KK00 MM05 MM13 NN06 NN07 PP04 PP09 PP15 PP19 QQ08 QQ09 QQ10 QQ12 QQ31 QQ37 XX08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下層配線層上の層間絶縁膜に形成された
接続穴の内部に、高融点金属のバリア層と該バリヤ層を
介して高融点金属のコンタクトプラグが埋設され、該コ
ンタクトプラグに接触するように、前記コンタクトプラ
グ上にアルミニウム又はその合金膜の上層配線層が形成
されてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】上層配線層の少なくとも１つの端部が、
接続穴の端部とほぼ整合されてなる請求項１に記載の半
導体装置。
【請求項３】コンタクトプラグと接触している領域以
外の上層配線層下に高融点金属のバリア層が形成されて
なる請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】下層配線層上に層間絶縁膜を形成し、該
層間絶縁膜に接続穴を形成し、得られた層間絶縁膜上に
高融点金属のバリア層とコンタクトプラグ材料膜を形成
し、該コンタクトプラグ材料膜を前記バリア層が露出す
るまでエッチバックし、得られた層間絶縁膜上にアルミ
ニウム又はその合金膜を堆積し、所望の形状にエッチン
グするとともに、該エッチングの際に生じるエッチング
生成物を除去することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
【請求項５】エッチング生成物を、ヒドロキシルアミ
ンを主成分とする薬液で除去する請求項４に記載の方
法。