JP2509394B2 - メタラジ構造体の形成方法 - Google Patents

メタラジ構造体の形成方法

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JP2509394B2 JP3077307A JP7730791A JP2509394B2 JP 2509394 B2 JP2509394 B2 JP 2509394B2 JP 3077307 A JP3077307 A JP 3077307A JP 7730791 A JP7730791 A JP 7730791A JP 2509394 B2 JP2509394 B2 JP 2509394B2
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体デバイスの相
互接続構造体に関するものであり、より詳細には、複数
の異なるレベルのメタラジ線を自己整合的に相互接続す
る方法および構造体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】VLSI技術の開発において、実際上可
能なできるだけ多数の自己整合する微細形状を1工程で
実現することが、長年望まれていた。半導体技術によっ
て相互接続の線分を自己整合させることにより、集積回
路デバイスの組合せが占める必要面積を減少させ、これ
によって集積密度を高めるとともに、構成部品の製造コ
ストを低下させることができる。
【0003】従来は、半導体加工では、工程の最初だけ
最小の画定可能な寸法を使用していた。マスクの画定レ
ベルが増大するとともに、整合の許容誤差が累積し、下
段への相互接続の線分を正しく整合させるための位置決
では、各レベルの寸法を次々に増大させなければならな
かったからである。多くの半導体加工では、15以上の
マスク・レベルが必要であり、最終メタライゼーション
工程、すなわちバック・エンド・オブ・ザ・ライン(B
EOL)が、VLSIの集積度を増大する際の限定要因
になっている。
【0004】BEOL技術で使用可能な集積度に影響を
与える他の要因は、工程数が増えるほど、半導体基板の
上面が不規則になり、または凹凸ができることである。
適切な機能的構造を形成するには、相互接続メタラジの
異なるレベル間の接触バイア・ホールの寸法を大きくす
る必要があった。
【0005】最近、回路の集積度を増大し続けるには、
技術の改良が必要なことが明らかになった。この改良の
1つが、相互接続に使用するメタラジと、それに関連す
る誘電体層の平面性を増す方法の開発であった。たとえ
ば、平面化技術の1つは、「基板上に同一平面の金属及
び絶縁フィルムを形成する化学的/機械的研磨方
法」("Chem-Mech Polishing Method for Producing Co
planar Metal/Insulator Films on a Substrate")と題
する米国特許第4,944,836号明細書に詳細に記載され
た、化学・機械的研磨(CMP)法である。CMP法を
使用すると、高密度のデバイスを製作するのに必要な加
工および整合の許容誤差を減少させるために、金属、誘
電体、または両方を平面化させることができる。
【0006】高集積度BEOL処理は、単一の金属層を
レベル間バイアおよび相互接続として使用することか
ら、個別に画定可能なバイア・スタッドおよび線の加工
を使用することにまで発展してきた。米国特許第458
2563号明細書に、個別のバイア・スタッドを形成し
て、垂直方向の相互接続として機能させ、実質的に平坦
な相互接続を、水平方向の相互接続として使用する、こ
のような技法の1例が記載されている。
【0007】位置合せの許容誤差を減らすまたはなくす
るのに有用なもう1つの技法は、1つまたは複数のマス
ク・レベルで、自己整合する微細形状を実現することで
ある。自己整合したスタッドおよび相互接続線を形成で
きるいくつかの技法が知られている。「二重レベル自己
整合のための単一マスクと像形成」("Single Mask and
Imaging for a Dual Level Self Aligned Definitio
n", IBMテクニカル・ディスクロージャ・ブリテン、
1987年12月、pp.195-196)に「スタッド・アップ」自
己整合技法が教示されている。米国特許第4,789,648号
明細書、論文「形状に沿った配線を形成する単一ステッ
プ多層金属化手法」("Single-Step, Multilevel, Meta
lization Technique for Conformal Wiring", IBMテ
クニカル・ディスクロージャ・ブリテン、1988年9月, p
p.400-401)、および、米国特許第5091289号明細書に
は、自己整合「スタッド・ダウン」相互接続メタラジを
形成するそれぞれ異なる技法が教示されている。また、
「単一金属付着からの多層集積回路配線構造」("A Mul
ti-Level Integrated Circuit Wiring Structure from
a Single Metal Deposit")と題する米国特許第4,962,0
58号明細書には、スタッド・アップ構造およびスタッド
・ダウン構造の両方を形成する技法が教示されている。
上記の各文献では、スタッドと、メタラジの界面層が、
共にスタッドと線の自己整合が達成される処理によって
形成される。
【0008】回路の集積度を増大し続けるには、BEO
L技術をさらに改善する技法が、さらに必要となる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、3
段自己整合メタラジを提供することにより、多段相互接
続メタラジの自己整合を得る能力を大幅に改善すること
にある。
【0010】この発明の他の目的は、第1段の相互接
続、第2段の相互接続、およびそれらに関連するスタッ
ドの間の自己整合を達成するための方法を提供すること
にある。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明によれば、第1
段の相互接続を表す第1のマスクによって画定される共
通の垂直縁部、または共通平面を使用することにより、
メタラジ用のバイアを形成する際にマスクの位置合せ誤
差を考慮する必要がなくなる。相互接続バイアおよび第
2段の相互接続を画定するための以後のマスクは、以後
の金属段を画定する共通エレメントとして、第1のマス
ク・パターンの少なくとも1つの縁部を使用する。エッ
チ・ストップ層と、オーバサイズの第2段マスクの組合
せにより、マスクのオーバレイが避けられる。
【0012】
【実施例】この発明を効果的に実施するには、従来技術
の各種の教示を理解することが必要である。下記の文献
は、この発明を実施するために必要な特殊技術の一部を
示すものである。
【0013】表面を平面化するための化学・機械的研磨
については、上述の文献、米国特許第4,944,836号、米
国特許第4,789,648号、および米国特許第4,962,058号
各明細書に記載されている。
【0014】スタッドおよび相互接続のための、タング
ステン等の超硬金属の形成方法は、シード式CVDにつ
いては、「タングステン・スタッドの選択的CVDプロ
セス」("Process for Selective Chemical Vapor Depo
sition of Tungsten Studs",Research Disclosure, May
1988, item 28923)、六フッ化タングステンおよびシ
ランからのタングステンのCVDについては米国特許第
4,892,843号明細書、有機誘電体BEOL環境でのタン
グステンの使用については「ポリイミド・フィルム特性
及びポリイミドへのタングステンの選択的LPCVD」
("PolyimideFilm Properties and Selective LPCVD of
Tungsten on Polyimide", R.W.Patee et al, J. Elect
rochemical Society、June 1988, pp. 1477-83)、多段
メタラジBEOL法における選択的タングステン・スタ
ッドの使用については、「タングステン・バイアの選択
的CVDを使用した平坦多層相互接続」("ThermallySt
able and Completely Planarized Multilevel Intercon
nection with Selective CVD-W Via and 31P+/11B+ Imp
lanted WSix/TiN/Si Contact", K.Mitsuhashiet al, 19
88 Symposium on VLSI Technology Digest of Technica
l Papers、pp. 71-2, May 10-13, 1988)に記載されて
いる。
【0015】図1を参照すると、第1段メタラジによっ
て接触される複数の領域(図示せず)を含む、部分的に
加工された半導体基板10が示されている。基板10の
上に、好ましくはCMP法によって平面化された不動態
化誘電体層12がある。層12は、通常の二酸化シリコ
ン、またはホウ素またはリンあるいはその両方をドーピ
ングしたガラス、またはポリイミド等の有機材料であ
る。誘電体層12の上に、誘電体層12に対して選択的
にエッチングできる、窒化シリコン、酸化アルミニウ
ム、その他の材料のエッチ・ストップ層14がある。
【0016】基板10の上の様々なデバイス領域を相互
接続するための第1段メタラジ(M1)を画定するため
に、マスキング16層が形成され、選択的にパターン形
成されてチャネル18を画定している。このチャネル
は、規則的で平行なものとして示してあるが、所要のど
んな構成でもよい。
【0017】M1チャネルの画定後、基板上のチャネル
の経路をコンフォーマルな導電層を形成する。図2に示
すように、第1のメタラジ層20を、いくつかの周知の
方法で形成する。たとえば、リフトオフ付着法を使用す
ることができる。他の方法には、イオン・クラスタ・ビ
ーム法や、任意の方向性付着法がある。M1 20の付
着が、マスク16によって形成されたパターンを充填す
るように付着されないことが、重要な特徴である。M1
の付着後、マスク16を、マスクの材料に適した方法で
除去する。
【0018】スタッドの形成に適した材料を使用して、
図3に示すように、基板上にマスク22を形成する。ス
タッドを無電解法で形成する場合は、有機レジストが使
用できる。スタッドの形成に選択的タングステンを使用
する場合は、ポリイミド、酸化物、または他の絶縁性マ
スクが必要である。マスク22を形成した後、スタッド
が必要な位置で、M1の選択された部分を露出させる。
この形成は選択的過程であるため、マスク22の整合は
重要ではない。各スタッドの少なくとも1つの縁部が最
初の誘電体12のチャネル縁部によって画定されること
に留意されたい。次に、スタッド24を形成して、スタ
ッド・バイアを部分的に充填する。
【0019】マスク22の除去後、基板の表面全体を第
2の誘電体26、好ましくは酸化物で被覆し、CMPま
たは反応性イオン・エッチング(RIE)エッチバック
法により、基板の表面を、エッチングされないマスク1
4のレベルで平面化する。
【0020】次に、図4に示すように、第2段相互接続
M2を画定するマスク28を、平面化した表面上に付着
させる。マスク28は、必要なメタライゼーション・パ
ターンよりオーバーレイ誤差だけ故意に大きく作成す
る。次に、適当な材料のコンフォーマル層を、オーバー
レイ誤差に等しい厚みに付着させて、側壁スペーサ30
を形成する。方向性RIEを用いて、内周上にスペーサ
30を形成する。この工程は、誘電体12と、その上の
エッチングされない層の元の縁部が、マスク28の縁部
で露出しないようにするために行う。次に、層14の露
出部分をエッチングによってすべて除去して、開口部中
の誘電体12を露出させ、M2用の相互接続パターンを
画定する。次に、露出した誘電体層12および26を、
前に形成したスタッド24を露出させるのに十分な深さ
まで選択的にエッチングする。次に、スペーサ30を選
択的に除去して、層14の、マスク16によって最初に
画定された部分を露出させる。次にM2マスク28を除
去する。この工程の結果、マスク14によって画定され
た、誘電体12の元の縁部に自己整合した、M2のくぼ
んだ像が得られる。
【0021】次に、図5に示すように、第2段の金属を
ブランケット付着させる。CMPまたはその他の反応性
イオン・エッチング等の適当な方法を用いて、誘電体1
2の表面内に画定されたM2パターン32を残して、基
板表面全体を平面化させる。層32の縁部は、そのスタ
ッド上にある部分で、マスク16の元のパターンに自己
整合する。
【0022】次に、図6を参照すると、M1マスク16
によって画定された理想的な平面34の概略図が示され
ている。図から分かるように、斜線で示した部分で、M
120、スタッド24、およびM2 32は、面34と
同レベルに平面化されている。
【0023】この発明を1つの実施例に関して示した
が、他の周知の処理方法を使用することにより、この発
明の他の態様も実現できることが、当業者に理解される
であろう。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、第1段相互接続を画定する第1のマスクによって画
定される共通の垂直縁部または共通平面を使用すること
により、メタラジ用のバイアを形成する際にマスクの位
置合せ誤差を考慮する必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明により基板上に不動態化誘電体、エッチ
・ストップ、マスクの各層を形成し、相互接続用の第1
段メタラジ用チャネルを形成した構造を示す断面図。
【図2】図1の構造に第1のメタラジ層を形成し、マス
ク層を除去した構造を示す断面図。
【図3】図2の構造にスタッド形成のためのマスクを形
成し、スタッドが必要な位置を露出させ、スタッドを形
成した構造を示す断面図。
【図4】図3の構造に、エッチ・ストップ層で画定され
た不動態化誘電体層に自己整合した、第2段相互接続層
メタラジ用の凹部が形成された構造を示す断面図。
【図5】図4の構造に第2段の金属をブランケット付着
させ、基板表面全体を平面化させた構造を示す断面図。
【図6】相互接続の3つのレベルを画定する共通面を示
す仮想構造の断面図。
フロントページの続き (72)発明者 カーター・ウェリング・カーンタ アメリカ合衆国 05456、バーモント州、 コルチェスター、グランドビュー・ロー ド(番地なし) (56)参考文献 特開 昭63−76457(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の誘電体層を形成し、 上記第1の誘電体層中に、第1のパターンを画定し、 上記第1の誘電体層中に形成した上記第1のパターン
    を、導体で部分的に充填し、 上記第1の誘電体層中に形成した第1のパターンの少な
    くとも1つに少なくとも部分的に整合した複数の導電性
    スタッドを選択的に形成し、上記スタッドで上記第1の
    誘電体層中の上記第1のパターンを部分的に充填し、 上記第1の誘電体層中の上記第1のパターンの残りの部
    分を、第2の誘電体層で充填して平面化し、上記第1のパターンを含む第1および第2の誘電体層の
    領域から、上記スタッドの上端が露出するよう該第1お
    よび第2の誘電体を平面的に取り除き、 上記取り除かれた領域を導電性材料で充填することを含
    む、半導体基板中に、少なくとも3つの自己整合したメ
    タラジ構造体を形成する方法。
  2. 【請求項2】 上記の第1および第2のパターンが、上
    記の導電性スタッドによって結合された相互接続の第1
    段および第2段を表すことを特徴とする、請求項1に記
    載の方法。
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JPH0669199A JPH0669199A (ja) 1994-03-11
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