JP2884743B2 - 半導体装置用多重配線層およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、集積回路装置等の内部配線のために配線層
を複数回積層してなり、配線層内に平坦化膜を含む半導
体装置用多重配線層およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

高集積化技術の進展に伴い組み込み回路要素数が増加
するにつれ、回路要素間を接続する配線が錯綜して来る
ので最近の集積回路装置では特殊なものを除いて配線構
造を多層化する必要があり、集積度の高いものでは２層
ではまだ不充分で３層以上に多層化されることが多い。
ところが、層数が多くなるに従い下側層の配線膜等によ
る凹凸が累積されて表面に大きな段差がつきやすく、こ
の段差部で上側層の配線膜の断線や絶縁被覆の不足等の
トラブルが発生しやすい。このため、各層の配線膜を設
ける前にその下地表面の段差を埋める平坦化処理を施す
ことが多い。かかる平坦化処理付き２層配線構造の従来
例を第２図に示す。

第２図の下部はチップの半導体部分であって、例えば
ｎ形のエピタキシャル層２にMOSトランジタ用のｐ形の
ウエル４とウエル接続層７およびｎ形のソース層８が拡
散され、その表面が厚いフィールド酸化膜３と薄いゲー
ト酸化膜５で覆われているものとする。

１層目の配線層10は絶縁膜11と配線膜12とからなり、
図示の２個の配線膜12の内の左側はウエル接続層７とソ
ース層８に接続され、右側はフィールド酸化膜３の上側
の絶縁膜11の上に配設されている。この例では、左右の
配線膜12の間に凹部が発生する。２層目の配線層20は絶
縁膜21と平坦化膜22と絶縁膜23と配線膜24からなり、こ
れらの内の平坦化膜22が上述の凹部に基づく段差を埋め
るためのものである。

平坦化膜22は、例えばシラノール系化合物等を含む液
体をスピンコートし、焼き付けにより酸化シリコンにす
るSOG（Spin On Glass）と称される方法で形成する。こ
れにより表面を平坦化するには、まず１層目の配線膜12
を酸化シリコン膜等の絶縁膜21で覆った後、上述の平坦
化膜用液体をふつう複数回に分けてスピンコートにより
凹部に厚く凸部に薄く塗着した上で400℃程度の温度で
焼き付ける。かかる平坦化膜22はほぼ純粋な酸化シリコ
ンからなるが、その上をさらに緻密な膜質の絶縁膜23で
覆うのが望ましい。

２層目の配線膜24はかかる複合絶縁膜21〜23に開口し
た窓を介して１層目の配線膜12に接続するように配設さ
れるが、平坦化膜22によって段差が埋められて下地の絶
縁膜23の表面が平坦化されるので、断線のおそれがほと
んどなくなる。なお、必要に応じて３層目以降の配線層
もこれと同様な要領で積層される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上のように平坦化膜は液状材料をスピンコートした後
に、それを酸化シリコン等に焼成することによって形成
されるが、この際の焼成が必ずしも完全にはなされてい
ないことが多いので、後の工程で平坦化膜から水分等の
ガスが発生しやすい問題がある。このため、例えば第２
図のように２層目の配線膜24のアルミをスパッタ法等に
より被着して１層目の配線膜12に導電接触させる際、平
坦化膜22から発生するガスによって配線膜12のアルミの
表面に汚染部12aができやすく、これが配線膜12と24の
間に介在して両配線膜間に接続不良が発生することがあ
る。

この問題の解決には平坦化膜22の焼成を完全にするの
が本来であるが、その下側の配線層10内の配線膜12用の
アルミの融点が低いので焼成温度を前述の400℃程度以
上にはできない。焼成時間を長くすることは可能である
が、実験結果では短時間内の完全焼成には800℃程度の
温度が必要な位なので、400℃程度の温度では焼成時間
をいくら長くしても完全焼成は実際上不可能である。

なお、平坦化膜用の材料には無機シラノール系と有機
シラノール系とがあり、焼成をより完全にしてガス発生
を減らすには前者の方がかなり有利であるが、１回のス
ピンコートで塗着できる膜厚が薄いので塗着回数が増え
それだけ手間が掛かることになり、量産上は後者を用い
てスピンコートをできるだけ１回で済ませたい。

本発明の課題は、配線層を積層した多重配線層におけ
る上述のような問題を解決して、配線層内の平坦化膜の
焼成が例え不完全でガス発生を防止できなくても、配線
膜相互間に接続不良が発生するおそれを減少させること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は本発明の多重配線層によれば、下側膜を覆
う絶縁膜と、下側膜の表面の凹凸を埋める平坦化膜と、
絶縁膜と平坦化膜の上に所定の配線パターンで配設され
るアルミ系の配線膜からなる配線層を複数回積層し、上
層側の配線膜を平坦化膜と絶縁膜に明けた窓を介して下
層側の配線膜に導電接触させ、最上層を除く配線膜のア
ルミ表面を少なくとも部分酸化物が導電性を有する金属
の薄膜で覆うことにより達成される。

またその製造方法では、下側膜を覆って絶縁膜を被着
する工程と、下側膜の表面の凹凸を埋めるように平坦化
膜を塗着かつ焼成する工程と、平坦化膜の上に少なくと
も部分酸化物が導電性を有する金属の薄膜で覆われたア
ルミ系の配線膜を所定の配線パターンで配設する工程と
を複数回繰り返して多重配線層を構成し、上層側の配線
膜を平坦化膜と絶縁膜に開口した窓を介して下層側の配
線膜のアルミを覆う金属の薄膜に導電接触させることに
より達成される。

なお、上記の配線膜用のアルミを覆う金属にはチタン
が好適であり、その膜厚は0.01〜0.2μm,望ましくは0.1
μｍ程度とするのがよい。平坦化膜の材料は無機シラノ
ール系でもよいが、有機シラノール系を用いるのが塗着
回数を少なくて済ませる上で有利である。また、絶縁膜
としては通常のように酸化シリコン膜が好適であり、ふ
つうはその上に平坦化膜を配設することでよいが、さら
にその上に絶縁膜を被着して上下から平坦化膜を挟み込
むのが最も望ましい。

〔作用〕

本発明は、多重配線層内の上層側と下層側の配線膜の
導電接触に不良が発生するのは、平坦化膜から発生する
ガスによる汚染部は膜厚がごく僅かにも拘わらず、配線
膜のアルミが酸化した絶縁性のアルミ酸化物を含む点に
原因があることに着目したもので、配線膜の酸化されや
すいアルミ表面を少なくとも部分酸化物が導電性をもつ
チタン等の金属の薄膜であらかじめ覆って置くことによ
り課題を解決するものである。

このように本発明によってアルミを被覆すべき金属
は、汚染層の膜厚がごく僅かで部分的な酸化をうけるに
過ぎないからその完全酸化物が導電性である必要はな
く、少なくともその部分酸化物が導電性ないし半導体性
を有すれば充分で、上述のチタンの他にもかかる性質を
もつ銅等の金属を、その融点が平坦化膜の焼成温度より
低くない限り適宜利用することができる。また、この被
覆金属は下側のアルミの表面が酸化しない程度の膜厚が
あれば足り、かつ導電率がアルミより低い場合は配線膜
間の接続抵抗があまり大きくならない程度の薄膜とする
のがよい。実験結果では、被覆金属がチタンの場合は0.
01〜0.2μｍの膜厚が好適で、0.1μｍ程度とするのが最
も望ましい。

〔実施例〕

以下、第１図を参照して本発明の実施例を説明する。
同図はMOSトランジスタMTの上に配線層10,20および30を
３層に積層してなる多重配線層を示すもので、図の第２
図と共通な部分には同じ符号が付されている。

図示のｎチャネル形のMOSトランジスタMTは通例のよ
うにｐ形の基板１の上に成長されたｎ形のエピタキシャ
ル層２内の例えば0.6μｍの膜厚のフィールド酸化膜３
により囲まれた範囲内に作り込まれており、ｐ形のウエ
ル４とごく薄いゲート酸化膜５と、多結晶シリコンのゲ
ート６と,p形のウエル接続層７と、いずれもｎ形のソー
ス層８およびドレイン層９とを備える。

その上側に配設される１層目の配線層10では、ゲート
６を覆ういわゆる層間絶縁膜としてボロンを含む燐シリ
ケートガラス等の絶縁膜11を0.5〜１μｍの膜厚でまず
全面被着した上で、例えば１％の珪素と0.5％の銅を含
有するアルミを絶縁膜11に開口した窓内で半導体層に導
電接触するように0.6μｍ程度の膜厚に，さらにこの実
施例では上述のチタンを0.1μｍの膜厚にそれぞれスパ
ッタ法等により全面に被着し、それらを所定配線パター
ンにフォトエッチングすることによって薄いチタンの配
線膜13で上面が被覆されたアルミの配線膜12を形成す
る。

なお、図の例では配線膜12と13はMOSトランジスタMT
のソース層８とドレイン層９にそれぞれ接続されたもの
のほかに、フィールド酸化膜３の上の絶縁膜11上にも配
設されており、後者の方に２層目の配線層20の配線膜が
接続される。また、ゲート６が0.5μｍ程度の厚みでそ
れによる段差が小さいので、この１層目の配線層10には
平坦化膜が設けられてない。

２層目の配線層20では、１層目の配線層10の絶縁膜11
と配線膜12および13を下側膜として、その上にまず若干
の燐を含む酸化シリコンの絶縁膜21を0.3μｍ程度の膜
厚に全面被着した後、その表面の凹凸を平坦化膜22によ
り埋める。これ用の材料には、アルキル化シラノール等
の有機シラノールとイソプロピルアルコール等の溶剤を
含む液状体（例えば東京応化（株）のOCDタイプ７）を
用いるのがよく、これをスピンコートしかつ400℃程度
で焼成することにより、図のように下側膜の表面の凹凸
を埋めながら最も薄い個所で0.2〜0.3μｍ程度の膜厚を
もつ平坦化膜23とする。

この平坦化された表面上に、この例ではさらに酸化シ
リコン等の絶縁膜23を、0.5μｍ程度の膜厚に成膜した
上で、絶縁膜22,23と平坦化膜22に開口した窓の中で１
層目の配線層10の被覆用配線膜13に導電接触する0.8μ
ｍの膜厚のアルミ系配線膜24とそれを覆う0.1μｍの膜
厚のチタンの配線膜25を所定の配線パターンで配設す
る。

この際、上側の絶縁膜23は平坦化膜22で凹凸が埋めら
れた表面に成膜すれるので、その被覆不足やクラック発
生のおそれがない。また、配線膜24はこの絶縁膜23の段
差がない平坦な表面上に配設されるので断線発生のおそ
れがなく、かつ１層目のアルミの配線膜12と部分酸化物
が導電性をもつチタンの配線膜13を介して接続されるの
で、その表面が平坦化膜22から発生するガスで汚染され
ても接続不良が発生するおそれがない。

なお、平坦化膜22の材料には無機シラノール系を用い
ることもできるが、上述の有機シラノール系を用いてい
る方がスピンコートを１回で済ませ得る利点がある。

３層目の配線層30ではまず上と同様に0.3μｍの膜厚
の絶縁膜31と最低0.3μｍの膜厚の平坦化膜32と0.5μｍ
の膜厚の絶縁膜33を順次設けるが、今度は最上層なので
チタン等による被覆なしでアルミ系の配線膜34のみをそ
の上に例えば１μｍの膜厚で配設して、２層目の配線層
20のアルミの配線膜24とその上のチタンの配線膜25を介
して接続する。上側の絶縁膜33と配線膜34が平坦化膜32
によって平坦化された段差のない表面上に設けられる点
は前と全く同じである。

最後に、この実施例では絶縁膜33と配線膜34の表面の
凹凸をそのまま覆うように、燐シリケートガラス等の下
地絶縁膜41を0.6μｍ程度の膜厚で，その上に窒化シリ
コン等の保護膜42を0.6μｍ程度の膜厚でそれぞれ成膜
してウエハプロセスを完了する。以降は、スクライブに
よりウエハをチップに単離して各半導体装置とすればよ
い。

なお、以上の実施例中の絶縁膜や配線膜の膜厚はあく
まで例示であり、実際には場合に応じ適宜に設定される
のはもちろんである。

従来技術と本発明により第１図のように３重に配線層
を積層した半導体装置を数十個のウエハに作り込み、各
ウエハ内に分布した100個の配線膜について配線層間の
接続不良の有無を試験した。従来技術による場合は20％
の良品率であったが、本発明による場合は良品率が70％
以上の好結果が得られ、アルミ系配線膜をチタンで被覆
した効果が明らかに認められた。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明による半導体装置の多重配線層
では絶縁膜と，上下を絶縁膜で挟まれた平坦化膜と，部
分酸化物が導電性をもつ金属の薄膜で覆ったアルミ系配
線膜からなる配線層を積層して構成し、その製造方法で
は、絶縁膜の被着工程と，平坦化膜の塗着焼成工程と、
平坦化膜を覆う絶縁膜の被着工程と、部分酸化物が導電
性をもつ金属の薄膜で覆われたアルミ系配線膜の配設工
程を複数回繰り返して多重配線層を構成して、上層側の
配線膜を平坦化膜と絶縁膜に明けた窓内で下層側の配線
膜のアルミを覆う金属の薄膜に導電接触させることによ
り、次の効果を上げることができる。

（ａ）アルミ系配線膜の酸化されやすい表面を少なくと
も部分酸化物が導電性をもつ金属の薄膜で被覆すること
により、それと接続すべき上層側の配線膜用アルミの被
着時に平坦化膜から発生するガスにより被覆金属の表面
が汚染されても、接続不良が発生する確率を大幅に減少
させ、半導体装置の製造歩留まりを向上できる。

（ｂ）平坦化膜の材料に平坦化性能には優れるがガスが
発生しやすい有機シラノール系を用いても多重配線層内
の接続を確実にできるので、平坦化膜のスピンコート回
数を減らして工程を合理化でき、かつ平坦化を充分に行
なって段差に基づく絶縁膜の被覆不足や配線膜の断線の
トラブル発生を防止できる。なお、配線膜のアルミとそ
の被覆金属はマルチチャンバ式スパッタ設備等を用いて
１工程で被着できるので、本発明の実施による工程数の
増加はない。

（ｃ）アルミに対する金属被覆は多重配線層内の接続抵
抗の使用中の増加を防止する効果もあるので、半導体装
置の長期信頼性を向上できる。

（ｄ）平坦化膜の上下に絶縁膜を備えたことにより、被
覆不足やクラック発生のおそれがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多重配線層を３重構成の場合について
MOSトランジスタとともに示す半導体装置のチップの一
部拡大断面図である。第２図は従来技術による多重配線
層を２重構成の場合について示す半導体装置のチップの
一部拡大断面図である。図において、 1:半導体基板、2:エピタキシャル層、3:フィールド酸化
膜、4:ウエル、5:ゲート酸化膜、6:ゲート、7:ウエル接
続層、8:ソース層、9:ドレイン層、10:1層目の配線層、
11:絶縁膜ないし層間絶縁膜、12:アルミ系配線膜、12a:
平坦化膜の発生ガスによるアルミ系配線膜の汚染部、1
3:チタン等の配線膜、20:2層目の配線層、21,23:絶縁
膜、23:平坦化膜、24:アルミ系配線層、25:チタン等の
配線膜、30:3層目の配線層、31,33:絶縁膜、32:平坦化
膜、34:アルミ系配線膜、41:保護膜用下地絶縁膜、42:
保護膜、MT:MOSトランジスタ、である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/768

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体表面を覆う第１絶縁膜と、第１絶縁
   膜上に所定配線パターンで配設されるアルミ系の配線膜
   とからなる最下配線層と、 下側配線層を覆う第２絶縁膜と、該第２絶縁膜の表面の
   凹凸を埋めるように覆う平坦化膜と、平坦化膜を覆う第
   ３絶縁膜と、第３の絶縁膜上に所定配線パターンで配設
   されるアルミ系の配線膜とからなる最上配線層とからな
   り、 上層側の配線膜を平坦化膜と所定の絶縁膜にあけた窓を
   介して下層側の配線膜に導電接触されてなり、 最上配線層を除く配線層のアルミ系配線膜の表面を少な
   くとも部分酸化物が導電性を有する金属の薄膜により覆
   ったことを特徴とする半導体装置用多重配線層。
2. 【請求項２】請求項１に記載の配線層において、最下配
   線層と最上配線層との間に、 下側配線層を覆う第４絶縁膜と、該第４絶縁膜の表面の
   凹凸を埋めるように覆う平坦化膜と、平坦化膜を覆う第
   ５の絶縁膜と、第4,第５の絶縁膜と平坦化膜の上に所定
   配線パターンで配設されるアルミ系の配線膜とからなる
   中間配線層を備えたことを特徴とする半導体装置用多重
   配線層。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の配線層に
   おいて、配線膜用のアルミを覆う金属がチタンであるこ
   とを特徴とする半導体装置用多重配線層。
4. 【請求項４】請求項１に記載の配線層において、平坦化
   膜の材料が有機シラノール系であることを特徴とする半
   導体装置用多重配線層。
5. 【請求項５】半導体表面を覆って第１絶縁膜を被着する
   工程と、第１絶縁膜上に所定配線パターンでアルミ系の
   配線膜を配設する工程によって最下配線層を構成し、 下側配線層を覆って第２絶縁膜を被着する工程と、該第
   ２絶縁膜の表面の凹凸を埋めるように覆う平坦化膜を塗
   着かつ焼成する工程と、平坦化膜を覆って第３絶縁膜を
   被着する工程と、第３の絶縁膜の上に所定配線パターン
   でアルミ系の配線膜を配設する工程によって最上配線層
   を構成し、 上層側の配線膜を平坦化膜と所定の絶縁膜にあけた窓を
   介して下層側の配線膜に導電接触させるようにし、 最上配線層を除く配線層のアルミ系配線膜の表面を少な
   くとも部分酸化物が導電性を有する金属の薄膜により覆
   うことを特徴とする半導体装置用多重配線層の製造方
   法。