JP3348327B2 - 多層配線形成方法および構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置製造過程にお
ける多層配線形成方法および多層配線構造に関し、特に
上層配線と下層配線とを連結するコンタクトホールまた
はビアホールを有しここにブランケットメタル技術によ
りメタルプラグを形成した多層配線の形成方法および多
層配線構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化に伴って配線
パターンも高密度化し、配線形成技術はますます微細化
および多層化の方向に進み、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占める比重はますます
大きくなっている。

【０００３】このような多層配線を形成する場合、例え
ばシリコン基板上に形成したトランジスタ等の能動素子
部上に、電極を介して第１層のアルミニウム配線パター
ンを形成し、この第１層配線上に層間絶縁膜を介して第
２層のアルミニウム配線パターンが形成される。第１層
および第２層の配線パターン同士は、層間絶縁膜に形成
したコンタクトホールやビアホール等の開口部に金属材
料を埋設してプラグを形成し、この金属プラグを介して
相互に電気的に導通させる。

【０００４】しかしながら、下層配線上に層間絶縁膜を
形成すると、この層間絶縁膜に下層配線パターンの形状
に従って段差が形成され、この段差が、配線の微細化と
多層化の進展によって、大きくなり且つ急峻となって上
層の配線パターンの加工精度やパターニングの信頼性を
低下させる原因となっていた。特にアルミニウム配線に
おいて、このような段差に対処した被覆性の大幅な改善
ができない現在、層間絶縁膜の平坦性を向上させる必要
がある。この平坦性向上の必要性は、リソグラフィーの
短波長化に伴う焦点深度の低下の点からも重要であり、
段差形成の問題は高精度、高品質、高信頼性の半導体装
置を製造するために重要な解決すべき問題点となる。

【０００５】このような問題に対処して層間絶縁膜の平
坦化を図るため、開口部形成前に層間絶縁膜全面に対し
化学的機械研磨（ＣＭＰ）処理を施すグローバル平坦化
技術が検討され一部実用化されている。

【０００６】もう一つの問題は、微細化されアスペクト
比の大きい（即ち縦長の）コンタクトホールやビアホー
ルに対し、信頼性の高いメタルプラグを形成することが
難しいという点である。この点に関し、これまでに各種
の絶縁膜の形成技術や平坦化技術およびメタルプラグ技
術が開発されてきた。その中でも特に、微細化されたコ
ンタクトホール等に配線材料を埋め込む技術としてメタ
ルプラグ技術が多層配線技術のキーテクノロジーとして
注目されている。このメタルプラグ技術としては、例え
ば、ブランケットＷ（タングステン）、選択成長メタル
技術、高温アルミスパッター技術、アルミリフロー技術
等が開発されている。このうち特にブランケットＷ等の
ブランケットメタル技術はプロセスは多少複雑になるも
のの安定な技術として量産現場でも実用化されている。
このブランケットメタル技術は、コンタクトホールを含
む層間絶縁膜全面にタングステン膜等のメタル膜を形成
しこれをエッチバック等によりコンタクトホール部分を
残して除去しコンタクトホール内にメタルプラグを形成
するものである。しかしながら、このブランケットメタ
ル技術においては、エッチバックの際のオーバーエッチ
ングによりコンタクトホール部分に凹部が形成され層間
絶縁膜に段差が生ずるプラグロスと呼ばれる問題が生じ
る。

【０００７】このようなエッチングによる問題を回避し
且つ前述のグローバルな層間絶縁膜の平坦化を図るため
に、メタル膜を化学的機械研磨処理するダマシーン（ｄ
ａｍａｓｃｅｎｅ）法が提案されている。このダマシー
ン法は、下層配線上に層間絶縁膜を形成しこの層間絶縁
膜に化学的機械研磨処理を施してグローバルに平坦化し
た後、この層間絶縁膜に下層配線に連通する開口部を形
成する。次にこの開口部を含む層間絶縁膜全面にメタル
膜を形成し開口部内にメタルを埋設する。その後、この
層間絶縁膜上のメタル膜を化学的機械研磨により完全に
除去して平坦化し、開口部内にメタルを残してメタルプ
ラグを形成する。その後、このメタルプラグ上に上層配
線を形成するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このダ
マシーン法についても、メタル埋設部の疎密分布に起因
する研磨ムラの問題が起こる。この問題について図６を
参照して以下に説明する。まず、下層配線１０１上に層
間絶縁膜１０２を形成し、この層間絶縁膜１０２に対し
化学的機械研磨処理を施して表面を平坦化する。その
後、この層間絶縁膜１０２にビアホール（またはコンタ
クトホール）となる開口部１０３を形成する。この開口
部１０３の内面を含む層間絶縁膜１０２上にオーミック
層（Ｔｉ）とバリア層（ＴｉＮ）からなる密着層１０４
を形成する。この密着層１０４上にブランケットメタル
（例えばタングステン）１０５を全面形成する（図６
（ａ））。

【０００９】この後、図６（ｂ）に示すように、再び化
学的機械研磨処理により開口部１０３内を残してブラン
ケットメタル１０５および密着層１０４を研磨除去し開
口部１０３内にメタルプラグ１０６を形成する。このと
き、成膜状態や研磨の不均一性をカバーするために化学
的機械研磨をやや過剰に行う必要がある。このため、ス
ラリーの種類や研磨条件あるいはメタルや絶縁膜の材質
等によっては（特にメタルと絶縁膜との間で研磨の選択
性が少ない場合）、メタルプラグ形成部の間隔の広い部
分と狭い部分とで研磨量に差が生じ、特にメタルプラグ
の間隔が広く疎な部分に、図６（ｂ）に示すように、凹
み１０７が形成される。

【００１０】このような凹み１０７を有する層間絶縁膜
１０２上に上層配線を形成すると、均一で平坦な配線パ
ターンが得られずＤＯＦ（Ｄｅｐｔｈ ｏf Ｆｏｃｕ
ｓ；焦点深度）に悪影響を与える可能性がある。

【００１１】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなさ
れたものであって、化学的機械研磨処理によるメタルプ
ラグ形成時にプラグ分布の疎な部分に形成される過剰研
磨による凹みの発生を防止し、層間絶縁膜上に均一な平
坦面が得られる多層配線形成方法および多層配線構造の
提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明においては、下層配線層上に層間絶縁膜を形
成し、該層間絶縁膜に前記下層配線層に連通する開口部
を形成する工程と；前記開口部を含んで前記層間絶縁膜
上全面にメタル膜を形成する工程と；前記層間絶縁膜上
のメタル膜を化学的機械研磨処理により前記開口部内を
残して除去し該開口部内にメタルプラグを形成する工程
と；前記層間絶縁膜上に前記開口部内のメタル材料に接
続する上層配線層を形成する工程とを含む多層配線形成
方法において、前記層間絶縁膜上全面にメタル膜を形成
する前に、開口部の分布が疎な部分の層間絶縁膜にダミ
ーの開口部を形成することを特徴とする多層配線形成方
法を提供する。

【００１３】好ましい実施例においては、前記開口部形
成後に該開口部内面および前記層間絶縁膜上全面に密着
層を形成し、該密着層形成後に前記メタル膜形成工程を
行うことを特徴としている。

【００１４】別の好ましい実施例においては、前記メタ
ル膜材料は、タングステン、モリブデン、アルミニウ
ム、チタン、それらの合金またはそれらのシリサイドで
あることを特徴としている。

【００１５】本発明ではさらに、層間絶縁膜を介して積
層した下層配線と上層配線とを有し、該下層配線および
上層配線同士を前記層間絶縁膜に埋設した複数のメタル
プラグにより接続した多層配線構造において、前記層間
絶縁膜にダミーのメタル埋設部を設けたことを特徴とす
る多層配線構造を提供する。

【００１６】さらにこの多層配線構造においては、前記
ダミーのメタル埋設部は下層配線と絶縁され、上層配線
の冗長層を構成することを特徴としている。

【００１７】

【作用】下層配線上に形成した層間絶縁膜内にメタルプ
ラグのダミーパターンが設けられメタルが埋設される。
このダミーパターンは本来のメタルプラグのパターン分
布が疎な部分に設けられパターン間隔を適度に均一化す
る。これにより、層間絶縁膜に形成するプラグパターン
間隔の広い部分においても研磨レートが増加することな
く均一に化学的機械研磨処理が行われ、局部的な凹みの
形成が防止される。

【００１８】このようなダミーパターンはメタルで形成
するので電気的に中性に落としておくことが望ましい。
具体的には上層配線または下層配線と重ならない位置に
形成しておけばよい。下層配線と重ならない位置に形成
するかあるいは下層配線と絶縁された状態で形成するこ
とにより、このダミーパターンを上層配線の冗長層とし
て利用することができる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の実施例に係る多層配線形成方
法のフローチャートであり、図２は各別のステップにお
ける配線構造の要部断面図である。まず、図示しない基
板上に第１層（下層）の下層配線１０１が例えばアルミ
ニウム配線でパターン形成される（ステップＳ１）。次
に、この下層配線１０１上に例えば酸化シリコン等の絶
縁材からなる層間絶縁膜１０２がＣＶＤ等により形成さ
れる（ステップＳ２）。続いて、ステップＳ３におい
て、層間絶縁膜１０２全面を平坦化するために化学的機
械研磨処理を施す。

【００２０】この化学的機械研磨処理に用いる研磨装置
の基本構成を図５に示す。研磨処理すべきウエハ５はキ
ャリヤ６にセットされ機械的チャック手段（図示しな
い）により固定される。キャリヤ６にセットされたウエ
ハ５は研磨プレート３の上面のパッド（研磨布）９に対
向して配置される。パッド９上にはスラリータンク１０
からスラリー２が矢印Ａのように供給される。スラリー
２は模式的に図示してあるが、適当な研磨粉を液体に混
濁させたものである。

【００２１】研磨処理を行う場合には、スラリー２を矢
印Ａのようにパッド９上に供給した状態で、研磨プレー
ト３を矢印４のように回転させかつキャリヤ６を矢印７
のように回転させながら、キャリヤにセットしたウエハ
５を矢印８のように所定の押圧力でパッド９に押し付け
てウエハ表面を研磨する。研磨プレート３の回転数およ
びキャリヤ６の回転数と押し付け力を調整することによ
り、ウエハ５に対応した最適のあるいは所望の研磨条件
で研磨が行われる。

【００２２】このように全面をグローバル平坦化した層
間絶縁膜１０２に上下配線導通用の真のコンタクトホー
ルとなる開口部１０３をＲＩＥ等により形成するととも
に、ダミーの開口部１０３’を真の開口部１０３の間に
形成する（図１ステップＳ４）。このダミーの開口部１
０３’は、真の開口部１０３の間隔が疎な部分に設け、
後の工程で行う研磨処理での研磨レートが全体としてほ
ぼ均一になるように真の開口部１０３間の間隔を狭める
ためのものである。

【００２３】次に、ステップＳ５において、これらの開
口部１０３、１０３’の内面および層間絶縁膜１０２の
上面に、オーミック層（例えばＴｉ）およびバリヤ層
（例えばＴｉＮ）からなる密着層１０４が、例えばスパ
ッタリング法やＣＶＤ法等の方法により形成される。

【００２４】この後、各開口部１０３、１０３’内を含
み層間絶縁膜１０２の上面全面に例えばタングステンか
らなるブランケットメタル１０５を、減圧ＣＶＤ法等の
方法により形成する（ステップＳ６）。ここまでの積層
状態は図２（ａ）に示されている。なお、ブランケット
メタル１０５としては、タングステンに限らず、モリブ
デン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合
金、チタン（Ｔｉ）あるいはそれらのシリサイドを用い
ることができる。

【００２５】次に、ステップＳ７において、前記図５に
示した化学的機械研磨装置を用いて、ブランケットメタ
ル１０５を開口部１０３、１０３’内を残して全面研磨
し層間絶縁膜１０２上を完全平坦化する（図２
（ｂ））。これにより、開口部１０３に真の導通用メタ
ルプラグ１０６が形成されるとともに、ダミー開口部１
０３’にダミーのメタルプラグ１０６’が形成される。
この化学的機械研磨処理において、層間絶縁膜１０２上
のブランケットメタル１０５とともに密着層１０４も研
磨除去する。このような化学的機械研磨処理はメタルの
研磨を行うため、中性又は、酸性の雰囲気で行う。この
ため、スラリーは水／アルコールに混濁させたものを用
いる。具体的な研磨条件の一例を示せば以下の通りであ
る。

【００２６】 研磨プレート回転数 ：５０ｒｐｍ キャリヤ回転数 ：１７ｒｐｍ 研磨圧力 ：８ｐｓｉ 研磨パッド温度 ：３０〜４０℃ スラリー流量 ：２２５ｍｌ／ｍｉｎ このような研磨条件で化学的機械研磨処理を行い、ブラ
ンケットメタル１０５と密着層１０４を研磨除去する。
この場合、メタルや密着層の成膜状態や研磨の不均一性
をカバーして層間絶縁膜１０２上からブランケットメタ
ル１０５および密着層１０４を完全に除去するため、研
磨をやや過剰に行う。このように研磨を過剰に行って
も、広い間隔のメタルプラグ１０６間にダミーのメタル
プラグ１０６’が形成されているため、層間絶縁膜１０
２に図６（ｂ）に示したような凹み１０７が形成される
ことはなく、図２（ｂ）に示すように、均一な平坦面が
得られる。

【００２７】この後、図４（ａ）に示すように、この平
坦な層間絶縁膜１０２上にアルミニウム等の上層配線１
０８を形成する（図１ステップＳ８）。この上層配線１
０８はダミーのメタルプラグ１０６’と重ならない位置
にパターン形成される。なお、配線パターンによって
は、ダミーパターンにより上下配線層同士が接続されて
も回路に支障を来さない場合がある。このような場合に
は上層配線１０８はダミーのメタルプラグ１０６’と重
なる位置に形成してもよい。

【００２８】図３は本発明の別の実施例の各別のプロセ
スにおける積層構造の要部断面図である。この実施例に
おいては、ダミーの開口部１０３’が下層配線１０１と
導通しないように、開口部１０３’の深さを真の導通用
開口部１０３より浅く形成している。このようなダミー
の開口部１０３’を形成する場合、まず真の開口部１０
３をパターニングして形成した後、別のマスクを用いて
再度パターニングを行い、浅いダミーの開口部１０３’
を形成する。この後、前記実施例と同様に密着層１０４
およびブランケットメタル１０５を全面形成する（図３
（ａ））。

【００２９】続いて、前記実施例と同様に化学的機械研
磨処理により、ブランケットメタル１０５および密着層
１０４を研磨除去する（図３（ｂ））。この化学的機械
研磨処理の研磨条件は、前記実施例と同じである。この
ようにして下層配線１０１と絶縁されたダミーのメタル
プラグ１０６’が形成される。従って、この実施例にお
いては、図４（ｂ）に示すように、上層配線１０８はダ
ミーのメタルプラグ１０６’と重ねて形成してもよい。
この場合、ダミーのメタルプラグ１０６’を上層配線１
０８と接続させることにより、上層配線の抵抗や伝送特
性を向上させるための冗長層として利用することも可能
になる。その他の構成および作用効果は前述の実施例と
同様である。

【００３０】なお化学的機械研磨処理について、密着層
は酸性の雰囲気で行い、層間絶縁膜は塩基性の雰囲気で
行ってもよい。また、上記フローにおける各ステップの
具体的方法としては、公知のリソグラフィー技術や、Ｃ
ＶＤ、スパッターおよびＲＩＥ等の技術を適宜用いるこ
とができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、層間絶縁膜に設けたメタルプラグを介して上下の配
線層を導通させる多層配線構造において、メタルプラグ
間隔の広い疎な部分にダミーのメタルプラグパターンを
設けて化学的機械研磨により層間絶縁膜上を全面研磨す
るため、研磨レートが適度に均一化され局部的な凹みの
形成が防止され均一な平坦面が得られる。従って、上層
配線のカバレージが向上し信頼性の高い配線構造が形成
され、高品質で信頼性の高い半導体装置が確実に得られ
歩留りの向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明方法のフローチャートである。

【図２】 本発明の実施例に係る多層配線形成方法の各
ステップを順番に示す積層構造の要部断面図である。

【図３】 本発明の別の実施例に係る多層配線形成方法
の各ステップを順番に示す積層構造の要部断面図であ
る。

【図４】 本発明方法により形成した多層配線構造の各
別の例の要部断面図である。

【図５】 本発明方法を実施するための化学的機械研磨
装置の要部構成図である。

【図６】 従来の多層配線形成方法の各ステップを順番
に示す積層構造の要部断面図である。

【符号の説明】

１０１：下層配線、 １０２：層間絶縁膜、 １０３：
真の導通用開口部、１０３’：ダミーの開口部、 １０
４：密着層、 １０５：ブランケットメタル、 １０
６：真の導通用メタルプラグ、 １０６’：ダミーのメ
タルプラグ、１０７：凹み、 １０８：上層配線。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下層配線層上に層間絶縁膜を形成し、該
   層間絶縁膜に前記下層配線層に連通する開口部を形成す
   る工程と；前記開口部を含んで前記層間絶縁膜上全面に
   メタル膜を形成する工程と；前記層間絶縁膜上のメタル
   膜を化学的機械研磨処理により前記開口部内を残して除
   去し該開口部内にメタルプラグを形成する工程と；前記
   層間絶縁膜上に前記開口部内のメタル材料に接続する上
   層配線層を形成する工程とを含む多層配線形成方法にお
   いて、前記層間絶縁膜上全面にメタル膜を形成する前
   に、開口部の分布が疎な部分の層間絶縁膜にダミーの開
   口部を形成することを特徽とする多層配線形成方法。
2. 【請求項２】 前記開口部形成後に該開口部内面および
   前記層間絶縁膜上全面に密着層を形成し、該密着層形成
   後に前記メタル膜形成工程を行うことを特徴とする請求
   項１に記載の多層配線形成方法。
3. 【請求項３】 前記メタル膜材料は、タングステン、モ
   リブデン、アルミニウム、チタン、それらの合金または
   それらのシリサイドであることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の多層配線形成方法。
4. 【請求項４】 層間絶縁膜を介して積層した下層配線と
   上層配線とを有し、該下層配線および上層配線同士を前
   記層間絶縁膜に埋設した複数のメタルプラグにより接続
   した多層配線構造において、前記層間絶縁膜にダミーの
   メタル埋設部を設け、前記ダミーのメタル埋設部は下層
   配線と絶縁され、上層配線の冗長層を構成することを特
   徴とする多層配線構造。