JP3745460B2 - 半導体装置の配線形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に高段差のコンタクトホールの埋め込みに最も好適な半導体装置の配線形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体基板と導電層とを電気的に接続させるためのコンタクトホールは、半導体基板の上に形成された層間絶縁層を部分的にエッチングすることにより半導体基板の表面の一部を露出させることにより形成される。
電子機器の高速化、多機能化及び小型化のために、半導体装置の集積度は高まるにつれて、セルの面積が縮小してコンタクトホールの大きさも縮小し、接触抵抗はかえって増えつつある。従って、このような半導体装置の高集積化によりアスペクト比は増え、高段差のコンタクトホールの埋め込み及び配線のための技術が必要とされている。
【0003】
高段差のコンタクトホールを埋め込むための方法としては、選択的タングステン工程、ブランケット−タングステン工程、レーザリフロー工程、高温蒸着工程及びアルミニウムリフロー工程などが一般に用いられている。しかしながら、最近はLTS(Long Throw Sputtering )工程あるいは高圧リフロー工程が用いられる。
【0004】
前記のLTS工程の場合は、ターゲットとウェーハとの距離を増やして段差−塗布性を向上させ、コンタクトホールの埋め込み能力の向上を図っている。しかしながら、コンタクトホールを埋め込む導電物質の蒸着速度の低下と、蒸着後のコンタクトホールの中心部と縁部との非対称によりボイドが形成される可能性が高く、段差4以上のコンタクトホールにおける埋め込みには限界がある。
【0005】
前記高圧リフロー工程は、コンタクトホールにアルミニウムAlを5000Å以上に厚く蒸着したのち、ウェーハに400℃のチャンバで600MPaの高圧を加えることにより、段差10以上の高段差のコンタクトホールを埋め込む技術である。
現在、一般に用いられる高圧リフロー工程を用いたコンタクトホールの埋め込み技術を説明すると、次のとおりである。絶縁層の蒸着後、写真エッチング工程を経て前記層間絶縁層にコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールをフッ化水素(HF)を用いて洗浄した後、障壁層及びアルミニウムを蒸着してから(図1A参照)、蒸着されたアルミニウムに高温、高圧を加えアルミニウムをリフローする(図1B参照)。図1A及び図1Bの参照符号10は半導体基板を、12は絶縁層を、14は障壁層を、16はアルミニウム層を示す。
【0006】
前記高圧リフロー工程においては、初期のアルミニウム蒸着工程でコンタクトホールの上部にアルミニウムブリッジが形成されなければ、後続の高圧工程でコンタクトホールの埋め込みができなくなる。しかしながら、サイズの大きいコンタクトホールの場合、アルミニウム蒸着の際にブリッジの形成が困難になり、これにより後続の高圧リフロー工程の後、コンタクトホール内にボイドAが発生する問題がある(図1B参照)。したがって、高圧リフロー工程はブリッジが形成されない大きさのコンタクトホールの埋め込みには不向きであるという短所がある。
【0007】
一方、半導体装置の配線構造の多層化によりコンタクトホールのアスペクト比は増え、ことにより配線層の非平坦化、不良の段差塗布性、金属短絡、低収率及び信頼性の劣化などの問題が生ずる。したがって、最近ではこの問題点を解決するために新たな配線技術として、後続の平坦化工程が容易で経済性面から有利なダマシーン(Damascene)技術が用いられている。該工程によると、平坦な絶縁膜をエッチングしてビア(via)を形成した後、前記ビアを金属にて埋め込み前記絶縁膜上の過度な金属層をCMP方法で取り除く。
【0008】
Damascene工程のための材料としては、アルミニウムと化学気相蒸着(CVD)によるタングステンが多用されている。
CVDタングステンの場合は、接着層として用いられるチタンナイトライド膜がフッ化タングステン(WF6 )ガスによりリフティングされる現象が発生する。かつ、CVDタングステンの蒸着時の典型的な特性である割れ目により、CMPを用いる平坦化工程のときに金属ラインの中間に一定の欠陥が存在する短所がある。
【0009】
アルミニウムの場合には、スパッタリングの弱点である段差塗布性の不良によりコンタクトホールを完全に埋め込めず、ボイドB(図2参照)が発生する問題がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、コンタクトホール内のボイドの発生を防止して信頼性のある半導体装置の配線形成方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、サイズの大きいコンタクトホールの埋め込みに適する半導体装置の配線形成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】
前記目的を達成するために本発明による半導体装置の配線形成方法は、(a)平坦な絶縁層にコンタクトホールを形成する工程と、(b)前記コンタクトホールの形成された結果物の上に、スパッタリング方法を用いて、前記コンタクトホールの上部でオーバーハングが形成される程度の厚さで金属層を形成する工程と、(c)前記金属層を高圧リフローすることにより前記コンタクトホールを埋め込む工程とを含み、前記工程(a)は、(a−1)前記平坦な絶縁層上に、スタッドを形成するようパターニングした第1マスク層を形成し、更に該第1マスク層上に、相互接続ラインを形成するようパターニングした第2マスク層を形成する工程と、(a−2)前記第2マスク層をエッチングマスクとしてエッチングを行なって、前記コンタクトホールを形成すると共に、相互接続ラインを形成する領域の前記第1マスクを除去する工程と、(a−3)前記第1マスク層をエッチングマスクとしてエッチングを行なって、前記コンタクトホールを完全にすると共に、少なくとも前記コンタクトホールの開口に隣接する前記絶縁層をエッチングして相互接続ラインを形成する工程とを含むことを特徴とする。
【0012】
本発明において、前記工程(a)では、二重ダマシーン(Dual Damascene) によりコンタクトホールを形成することが望ましい。また、前記工程(b)で前記金属層はコンタクトホールの上部でオーバーハングが形成される程度の厚さで蒸着することが望ましい。また、前記金属層はアルミニウム及びアルミニウム合金よりなる群から選ばれた1つの物質で形成されることが望ましい。また、前記金属層は常温以上の温度で蒸着することが望ましい。
【0013】
前記目的を達成するために本発明の他の配線形成方法は、(a)半導体基板の上に第1,第2絶縁層を順次に形成する工程と、(b)前記第2絶縁層及び第1絶縁層を部分的にエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、(c)前記コンタクトホールにより露出された部分の第1,第2絶縁層をフッ化水素でエッチングして前記コンタクトホールの上部に突起を形成する工程と、(d)前記工程(c)で形成された結果物の上に金属物質を蒸着する工程と、(e)前記金属物質を高圧リフローすることによりコンタクトホールを埋め込む工程とを含むことを特徴とする。
【0014】
本発明において、前記コンタクトホールは底面の大きさが0.7μm以下であり、アスペクト比は2以上であることが望ましい。また、前記第2絶縁層はフッ化水素溶液に対して前記第1絶縁層を構成する物質とは異なるエッチング率を有する物質で形成されることが望ましい。また、前記第2絶縁層はフッ化水素溶液に対して前記第1絶縁層を構成する物質より低いエッチング率を有する物質で形成されることが望ましい。また、前記第1絶縁層はBPSG( boron-phosphorus silicate)及びUSG( undoped silicate glass )よりなる群から選ばれたいずれか一つの物質で形成され、前記第2絶縁層はシリコン窒化膜及びPEーシランよりなる群から選ばれたいずれか一つの物質で形成されることが望ましい。また、前記第2絶縁層の上にフッ化水素に対して前記第2絶縁層とは異なるエッチング率を有する物質で構成された1層以上の絶縁層を形成することが望ましい。また、前記第2絶縁層の上に第1絶縁層を構成する物質よりなる第3絶縁層を形成することが望ましい。また、前記第3絶縁層は、前記第1絶縁層の厚さより薄いことが望ましい。また、前記工程(d)の前に、前記コンタクトホールが形成された結果物の上に障壁層を形成する工程をさらに含むことが望ましい。また、前記障壁層はチタン及びチタンナイトライドよりなる群から選ばれたいずれか一つの物質で500Å以上の厚さで形成されることが望ましい。また、前記金属層はアルミニウム及びマルミニウム合金よりなる群から選ばれたいずれか一つの物質で2000Å以上の厚さで形成されることが望ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図3A〜図3E乃至図4A〜図4Dは、本実施の形態による配線形成方法を説明するための断面図である。
<第1実施の形態>
本発明の第1実施の形態による配線形成方法は、二重Damascene工程を用いてコンタクトホールの形成及びアルミニウムを塗布する工程と、高圧リフロー方法を用いたコンタクトホールの埋め込み技術を採用する。第1実施の形態によると、高いアスペクト比を有し平坦な配線を求める高集積素子の製造が可能となる。
【0016】
図3A乃至図3Eは、本第1実施の形態による配線形成方法を説明するための断面図である。
図3Aは、第1マスク層34及び第2マスク層36を形成した状態の断面図である。
これは、表面が平坦な層間絶縁層32の上に第1感光膜を塗布する工程と、前記第1感光膜をパターニングしてスタッドを形成するための第1マスク層34を形成する工程と、前記第1マスク層の上に第2感光膜を塗布する工程と、前記第2感光膜をパターニングして相互接続ラインを形成するための第2マスク層36を形成する工程とからなる。
【0017】
図3Bは、前記絶縁層に開口部を形成した状態の断面図である。
この開口部の形成工程は、前記第2マスク層をエッチングマスクとして前記第1マスク層を部分的にエッチングする工程、及び選択的相互接続と選択的スタッドを完全にエッチングする工程とからなる。
図3Cは、アルミニウムを蒸着した状態の断面図である。
【0018】
前記第1及び第2マスク層を取り除いた後、開口部が形成された結果物の上にスパッタリング方法を用いて、常温以上の温度で、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金を蒸着する。この際、蒸着されるアルミニウムが前記コンタクトホールの上部でオーバーハングされてブリッジが形成される程度の厚さでアルミニウムを蒸着する。
【0019】
図3Dは、高圧リアロー工程を示す断面図である。
アルミニウムブリッジが形成された半導体基板を高圧リフロー工程、即ち、ウェーハを温度400℃以上のチャンバに入れて600MPaの高圧を加えて前記アルミニウムにてコンタクトホールを埋め込むようにする。
図3Eは、表面を平坦化する状態の断面図である。
【0020】
前記アルミニウム層38の表面を平坦にするため、前記アルミニウム層に対して絶縁層32の表面が露出されるまでにCMPを用いたエッチバックを施す。
前記本発明の第1実施の形態によると、二重Damascene技術を用いて、スパッタリング方法でアルミニウムを塗布した後、高圧リフロー工程を用いてコンタクトホールを埋め込むことにより、高集積素子で求める平坦な配線を形成することができる。
【0021】
<第2実施の形態>
本発明の第2実施の形態によると、高圧リフローを用いたコンタクトホールの埋め込み技術において、従来では高圧リフロー工程でブリッジが形成できなかったサイズの大きいコンタクトホールの上部にブリッジを形成させることにより、コンタクトホールを埋め込む。本第2実施の形態はコンタクトホールの底面のサイズが0.7μm以下であり、アスペクト比が2以上であるコンタクトホールに適用することが望ましい。
【0022】
図4A乃至図4Dは、本第2実施の形態による半導体装置の配線形成方法を説明するための断面図である。
図4Aを参照すると、コンタクトホール46を形成した状態の断面図である。
これは、半導体基板40の上に第1絶縁層42を形成する工程と、前記第1絶縁層の上に第2絶縁層44を形成する工程と、前記第2絶縁層の上に感光膜を塗布した後、写真工程によりコンタクトホールが形成される部分の第2絶縁層を露出させる形態の感光膜パターン(図示せず)を形成する工程、及び前記感光膜パターンをマスクとして前記第1,第2絶縁層をエッチングしてコンタクトホール46を形成する工程とからなる。
【0023】
前記第2絶縁層44は、第1絶縁層42を形成する物質とはエッチング液であるフッ化水素に対してエッチング率の異なる物質で形成されることが望ましい。さらに望ましくは、前記第2絶縁層を構成する物質のフッ化水素に対するエッチング率が、前記第1絶縁層を構成する物質のエッチング率より遅いことが望ましい。
【0024】
例えば、本発明の望ましい実施の形態によると、前記第1絶縁層42はボロン−リンを含有するシリコン(BPSG)又はUSGのうちいずれか1つの物質で形成し、前記第2絶縁層44はシリコン窒化膜(SiN)及びPE−SiH4 (Plasma-enhanced silane)のうちいずれか1つの物質を200Å以上の厚さで形成する。この際、前記PE−SiH4 は200〜400℃の温度範囲で260〜600Å/45sec程度のエッチング率を有し、BPSGは2300〜2500Å/45sec程度のエッチング率を有する。
【0025】
前記第2絶縁層の上に、前記第2絶縁層とはフッ化水素に対するエッチング率の異なる他の絶縁層を多層に形成することができる。かつ、前記第2絶縁層の上に第1絶縁層を積層して、第1絶縁層−第2絶縁層−第1絶縁層の形態に積層することもできる。この際、第3絶縁層の厚さが第1絶縁層の厚さより薄いことが望ましい。
【0026】
図4Bは、障壁金属層48を形成する状態の断面図である。
これは、コンタクトホールの形成された結果物に対してフッ化水素を用いて洗浄を施す工程、及び前記結果物の上に障壁金属層48を形成する工程とからなる。
前記洗浄工程で、前記第2絶縁層44は前記第1絶縁層42よりフッ化水素に対するエッチング率が低いため、第1絶縁層42が第2絶縁層44よりさらに迅速にエッチングされてコンタクトホールの上部に突起が形成される。これにより、前記障壁金属の蒸着の際、コンタクトホールの上部にオーバーハングが形成される。前記障壁金属層48はチタン(Ti)又はチタンナイトライド(TiN)を500Å程度の厚さで蒸着して形成する。
【0027】
図4Cは、アルミニウム50を蒸着した状態の断面図である。
前記結果物の上に、例えば通常のスパッタリング方法によりアルミニウム又はアルミニウム合金のような金属物質を蒸着する。
前記アルミニウム50はコンタクトホールの上部にブリッジを形成し、後続の高圧リフロー工程により前記コンタクトホールを完全に埋め込む程度の厚さ、例えば、2000Å以上の厚さで蒸着することが望ましい。
【0028】
前記アルミニウム蒸着工程の際、前工程で形成されたオーバーハングがコンタクトホールのサイズを縮ませる作用をすることにより、コンタクトホールの上部にアルミニウムブリッジが形成される。
図4Dは、高圧リフロー工程によりコンタクトホールを埋め込んだ状態の断面図である。
【0029】
高圧リフロー工程は前記アルミニウムに対して施され、アルミニウム50にてコンタクトホールを完全に埋め込むようにする。
前記本発明の第2実施の形態によると、ブリッジが形成されないサイズの大きいコンタクトホールの場合、層間絶縁層をフッ化水素に対するエッチング率の異なる2層以上の物質で形成して、金属物質の蒸着時にコンタクトホールの上部にブリッジを誘発する。したがって、後続の高圧リフロー工程の時にコンタクトホールを完全に埋め込むことができ、従来のサイズの大きいコンタクトホールの埋め込み時に発生するボイド現象を防止しうる。
【0030】
本発明は前記の実施の形態に限定されず、本発明の属する技術分野において当分野の通常の知識を持つ者により多くの変形ができるということは明白である。
【0031】
【発明の効果】
本発明により、コンタクトホール内のボイドの発生を防止して信頼性のある半導体装置の配線形成方法を提供できる。又、サイズの大きいコンタクトホールの埋め込みに適する半導体装置の配線形成方法を提供できる。
すなわち、前述したように本発明による配線形成方法によると、第1に、二重Damascene技術を用いてスパッタリング方法でコンタクトホールにアルミニウムを塗布した後、高圧リフロー工程を用いてコンタクトホールを埋め込むことにより、高集積素子で求める平坦な配線を形成することができる。第2に、サイズの大きいコンタクトホールの場合、層間絶縁層をフッ化水素に対するエッチング率の異なる2層以上の物質で形成して金属物質の蒸着時にブリッジを誘発することにより、後続の高圧リフロー工程でコンタクトホールを完全に埋め込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1A】
【図1B】従来の高圧リフロー方法による配線形成方法を説明するための断面図である。
【図2】従来のDamascene方法による配線形成方法を説明するための断面図である。
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】本発明の一実施の形態による配線形成方法を説明するための断面図である。
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】本発明の他の実施の形態による配線形成方法を説明するための断面図である。
Claims (16)
- (a)平坦な絶縁層にコンタクトホールを形成する工程と、
(b)前記コンタクトホールの形成された結果物の上に、スパッタリング方法を用いて、前記コンタクトホールの上部でオーバーハングが形成される程度の厚さで金属層を形成する工程と、
(c)前記金属層を高圧リフローすることにより前記コンタクトホールを埋め込む工程とを含み、
前記工程(a)は、
(a−1)前記平坦な絶縁層上に、スタッドを形成するようパターニングした第1マスク層を形成し、更に該第1マスク層上に、相互接続ラインを形成するようパターニングした第2マスク層を形成する工程と、
(a−2)前記第2マスク層をエッチングマスクとしてエッチングを行なって、前記コンタクトホールを形成すると共に、相互接続ラインを形成する領域の前記第1マスクを除去する工程と、
(a−3)前記第1マスク層をエッチングマスクとしてエッチングを行なって、前記コンタクトホールを完全にすると共に、少なくとも前記コンタクトホールの開口に隣接する前記絶縁層をエッチングして相互接続ラインを形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の配線形成方法。 - 前記工程(a)では、二重ダマシーン(Dual Damascene) によりコンタクトホールを形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記工程(b)では、前記コンタクトホールの上部でオーバーハングが形成される程度の厚さで金属層を蒸着することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記金属層はアルミニウム及びアルミニウム合金よりなる群から選ばれた1つの物質で形成されることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記金属層は常温以上の温度で蒸着することを特徴とする請求項1または4に記載の半導体装置の配線形成方法。
- (a)半導体基板の上に第1,第2絶縁層を順次に形成する工程と、
(b)前記第2絶縁層及び第1絶縁層を部分的にエッチングしてコンタクトホールを形成する工程と、
(c)前記コンタクトホールにより露出された部分の第1,第2絶縁層をフッ化水素でエッチングして前記コンタクトホールの上部に突起を形成する工程と、
(d)前記工程(c)で形成された結果物の上に金属物質を蒸着する工程と、
(e)前記金属物質を高圧リフローすることによりコンタクトホールを埋め込む工程とを含むことを特徴とする半導体装置の配線形成方法。 - 前記コンタクトホールは底面の大きさが0.7μm以下であり、アスペクト比は2以上であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記第2絶縁層はフッ化水素溶液に対して前記第1絶縁層を構成する物質とは異なるエッチング率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記第2絶縁層はフッ化水素溶液に対して前記第1絶縁層を構成する物質より低いエッチング率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記第1絶縁層はBPSG( boron-phosphorus silicate)及びUSG( undoped silicate glass )よりなる群から選ばれたいずれか1つの物質で形成され、前記第2絶縁層はシリコン窒化膜及びPEーシランよりなる群から選ばれたいずれか1つの物質で形成されることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記第2絶縁層の上にフッ化水素に対して前記第2絶縁層とは異なるエッチング率を有する物質で構成された1層以上の絶縁層を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記第2絶縁層の上に第1絶縁層を構成する物質よりなる第3絶縁層を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記第3絶縁層は、前記第1絶縁層の厚さより薄いことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記工程(d)の前に、前記コンタクトホールが形成された結果物の上に障壁層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記障壁層はチタン及びチタンナイトライドよりなる群から選ばれたいずれか1つの物質で500Å以上の厚さで形成されることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置の配線形成方法。
- 前記金属層はアルミニウム及びマルミニウム合金よりなる群から選ばれたいずれか一つの物質で2000Å以上の厚さで形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の配線形成方法。
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