JP4202450B2 - 集積回路構造の複数の絶縁レベルにおいて自己位置合わせされた導電性プラグを形成する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の絶縁層を通過する導電性プラグを形成することにより、集積回路構造の複数の金属配線レベルを相互接続する技術に関する。更に詳しくは、本発明は、複数の絶縁層を通過する開口（openings）を形成し、１つの金属配線層の一部分と別の金属配線層の一部分とを、絶縁層の間に位置するバイア・エッチ・マスクを用いて電気的に接続する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路構造における１つのレベルにある金属配線と別のレベルにある金属配線との間に電気的な接続を形成することは、通常は、これらの２つのレベルの金属配線を分離している１又は複数の絶縁層を通過するバイア（via）と称される垂直方向の開口を形成することにより、達成される。
【０００３】
これは、通常は、第１の金属配線レベルの上に１又は複数の絶縁層を形成し、バイア・エッチ・マスク（via etch mask）を用いてこの１又は複数の絶縁層をマスクし、次に、バイア・エッチ・マスクにおける開口を通過して下位の金属配線まで選択的にエッチングを行いバイアを形成することにより、実行される。次に、バイアには、独立のステップとして又は更なる金属層の積層の間に、金属が充填され、反転（逆）金属配線マスク（所望の金属配線に対応する部分がソリッドになっているマスク）を用いて積層された金属層のパターニングが行われて、第２の金属配線レベルが形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
バイアを形成するこの従来の方法及び複数の金属配線レベルを電気的に接続するのにこれらのバイアを用いることに関しては、複数の問題点が存在する。バイアは、自己位置合わせされておらず、バイアの上下での金属がいくらか重なっていることが必要である。更に、バイアを形成し（バイア・エッチ・マスクを介して下位の絶縁層をエッチングすることにより）、後に、後で積層された金属層をパターニングするためには、別個のエッチ・マスクとエッチング・ステップとが必要になる。また、バイアが後にパターニングされるのと同じ金属で充填されている場合には、追加的な層を加熱すると下にある金属を融解させ金属線を変形させるおそれがあるから、金属をバイアの中に流し込むことによってはただ１つの層だけしか充填できない。更に、基板に形成される接点開口又は下位の金属配線層に至るように形成されるバイアを後に有することになるジェネリックなゲート・アレー構造が当初に形成される場合には、例えば、ＭＯＳトランジスタの下位にあるゲート・アレーにおけるＭＯＳトランジスタのような選択された下位のデバイスを選択するだけのために、バイアが後にカスタム配線構造の一部として後に形成されなければならないときには、追加的なマスクや処理ステップが必要になる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、酸化物層などの第１の絶縁層が、集積回路構造の上の第１の金属配線レベルの上に形成される。次に、窒化物マスク層などのバイア・エッチ・マスク層が、絶縁層の上に形成され、第１の絶縁層を通過するバイアの形成によって電気的な接触を行うことが望まれる下位の金属配線の一部分の上のバイア・エッチ・マスク層に開口が形成される。第２の酸化物層から成る第２の絶縁層が、次に、バイア・エッチ・マスクの上に形成される。フォトレジスト・マスク又は別の窒化物マスクなどの第２の反転金属配線レベル・マスクが、次に、第２の絶縁層の上に形成され、下位のバイア・エッチ・マスクにおける開口とは好ましくは直交する部分を有する第２の金属配線層を定義する。この第２の絶縁層は、次に、第２のレベルの金属配線マスクとバイア・エッチ・マスクとに選択的である、すなわち、マスク材料のいずれもに優先して両方の絶縁層をエッチングするエッチング剤（エッチャント）を用いて、エッチングされる。上側の絶縁層をエッチングすることにより、例えば、トレンチ（溝、trench）である開口が形成されるが、これは、第２の金属配線レベルの所望の金属パターンに一致し、バイア・エッチ・マスクの位置で停止している。しかし、開口がバイア・エッチ・マスクのどの位置にあるとしても、エッチングは、その開口を通過し、下位にある第１の絶縁層を通過して進み、それによって、下にある金属配線の第１のレベルに達するバイアを形成する。次に、第２の金属配線レベル・マスクが除去され、金属層が、第２の絶縁レベルの上とトレンチなどの開口の中に積層され、所望の第２のレベルの金属配線に対応して、エッチングが行われる。同時に、金属が、バイアの中を第１の金属配線（異なる融点の合金を選択することにより、より高い温度で形成されるのが通常である）に至るまで積層される。次に、第２の絶縁層の表面上に積層された金属が除去され、第２のレベルの金属配線は、第２の絶縁層の中に形成された開口（トレンチ）の中に積層されたままになり、バイアの中に同時に積層された金属は、金属プラグを形成して、第１及び第２の金属配線レベルを電気的に相互接続するように機能する。
【０００６】
【発明の実施の態様】
次に、図１及び図２を参照すると、第１の金属配線レベルを表す金属線２、４、６及び８が、集積回路構造１０の上に形成されている様子が示されている。典型的には、これらの金属線は、約０．２マイクロメータ（μｍ）から約２μｍの範囲の厚さ又は高さを有している。もちろん、この第１の金属配線レベルよりも下の集積回路構造１０の少なくとも一部分は絶縁材料を含み、この絶縁材料を通って接点開口が形成され（そして、導電性材料によって充填され）、この集積回路構造の能動素子を第１の金属配線レベルと電気的に相互接続する。
【０００７】
図３に示されているように、第１の絶縁層１６が、金属線２、４、６及び８の上に形成されている。金属線２から８の上の絶縁層１６の厚さは、好ましくは、約０．１μｍから約１μｍの範囲にある。この実施例では、絶縁層１６は、平坦化されて、平坦な上側平面を与える。絶縁層１６は、好ましくは、酸化シリコン層から成り、最も好ましくは（平坦化の目的では）、例えば、ホウケイ酸ガラス（borosilicate glass = BSG）又はホウリンケイ酸ガラス（borophosphosilicate glass = BPSG）などの融点の低いドープされたシリコン酸化物ガラスから成る。絶縁層１６は、また、例えば、ドープされていない二酸化シリコン層の上にホウリンケイ酸ガラスが形成されている場合のように、ドープされていない二酸化シリコン層とドープされた二酸化シリコン層との複合層から成ることもある。
【０００８】
図３を更に参照すると、本発明によって、好ましくは、厚さが、約０．０５μｍから約０．５μｍの範囲にあるバイア・マスク層２０が、絶縁層１６の上に形成された様子が示されている。バイア・マスク層２０は、絶縁材料１６とは異なる材料から構成され、それによって、絶縁材料１６は、バイア・マスク層２０における開口を通って後にエッチングができるようになっている。好ましくは、バイア・マスク層２０は、例えば窒化シリコンやシリコン酸窒化物(オキシニトリド)のような窒化物ベースの材料など、集積回路構造の作成に通常用いられる他の材料と互換性のある材料で構成されている。
【０００９】
図４及び図５を参照すると、バイア・エッチ・マスク２０が与えられており、矩形のマスク開口２２、２４、２６、２８は、その長軸が、下位にある金属線２、４、６、８（破線で示されている）の長軸とほぼ一致するように形成され、バイアが、結果的に、下の金属線２、４、６、８に至るまで第１の絶縁層１６を通ってエッチングされることが可能になっている。最も好ましくは、矩形のバイア・マスク開口２２、２４、２６、２８の幅は、寸法的には、金属線２、４、６、８の幅の寸法よりも約０．０１μｍから約０．２μｍ程度、僅かに小さくなるように形成され、第１の絶縁層１６においてエッチングされるバイアとそれぞれの下位にある金属線との合致が維持されるのを補助している。
【００１０】
次に、第２の絶縁層３０が、図４及び図５の構造の上に、図６及び図７に示されるように、形成される。好ましくは、第２の絶縁層３０は、金属線２から８の厚さにほぼ等しい、すなわち、約０．２μｍから約２μｍの範囲の厚さを有し、第１の絶縁層１６と同じ絶縁材料から構成されているか、又は、少なくとも、第１の絶縁層１６と同時にエッチングされ得る絶縁材料から構成されている。すなわち、本発明によると、第１の絶縁層１６と第２の絶縁層３０とは、同じエッチング・システムに対応しなければならない。
【００１１】
次に、第２の絶縁層３０は、必要な場合には、平坦化がなされ、図８及び図９に示されるように、第２の反転金属配線レベル・マスク４０が、第２の絶縁層３０の上に形成される。第２の反転配線レベル・マスク４０は、開口４２、４４、４６を有しており、これらの開口は、図９に最もよく示されているように、好ましくは矩形であるが、これは、後に述べるように、第２の配線レベルを含む金属線が形成される第２の絶縁層３０におけるトレンチの形成のためである。
【００１２】
図９及び図１０に示されているように、第２の金属レベルの配線マスク４０に図解されている矩形の開口４２、４４、４６は、下位にあるバイア・マスク層２０における下の矩形の開口２２、２４、２６、２８とそれぞれ合致している（位置合わせがされている）が、直交して配置されており、それによって、第２の金属レベル・エッチ・マスク４０における開口４２−４６を通過する第２の絶縁層３０を後にエッチングすると、バイア・エッチ・マスク２０における開口２２−２８の一部が露出し、第１の絶縁層１６の下位の部分のエッチングにより、金属線２−８に至るまで延長するバイアの形成が可能になる。これについては、後に論じる。第２の反転配線レベル・マスク４０における矩形の開口４２−４６は、第１の配線レベルの金属線２−８に至るまでの自己位置合わせされたバイアが形成されるために、下位のバイア・エッチ・マスク２０における開口２２−２８と厳密に合致している必要はない。しかし、構造によっては、以下で述べるように、開口２２−２８を通過するエッチの深さを制御することが望まれる。
【００１３】
第２の絶縁層３０の上に第２の反転金属配線マスク４０を形成した後で、第２の絶縁層３０の露出した部分（それと、バイア・マスク２０における開口２２、２４、２６、２８を通過して露出された第１の絶縁層１６の部分）が、図１１、図１３、図１５に示されるように、第２の金属配線マスク４０における開口４２、４４、４６を通過して、異方性エッチングされる。既に述べたように、本発明によると、第１の絶縁層１６と第２の絶縁層３０とは、好ましくは、例えば酸化シリコンのような同じ材料から形成されるが、少なくとも、あるエッチング・システムにおいて同じ速度でエッチングがなされる材料から形成され、それによって、絶縁層３０においてトレンチ３２、３４、３６が、バイア・エッチ・マスク２０の開口２２、２４、２６、２８を通過する第１の層１６のエッチングと同じエッチング・ステップにおいて、バイア・エッチ・マスク２０に至るまでエッチングされ得る。好ましくは、開口２２、２４、２６、２８のバイア・エッチの深さは、バイアの底部が金属線２−８の上の絶縁層３０の厚さと等しいかそれを僅かに超えるように制御され、それによって、位置合わせが不完全であっても、バイアの深さが、下位の集積回路構造にまでは延長しないことが補償される。すなわち、バイア２２−２８の深さは、好ましくは、金属線２−８の上の絶縁層３０の厚さとその特定の金属線の厚さとの和よりも小さくなければならない。
【００１４】
エッチング・ステップと第２の金属配線エッチ・マスク４０の除去との後では、金属層が、エッチングされた第２の絶縁層３０の上に積層され、エッチングされたトレンチを充填し、更に、バイア・エッチ・マスク２０における開口を通して第１の絶縁層１６にエッチングされたバイアの中に金属プラグを形成する。第２の絶縁層３０の表面上に積層されたこの金属層は、すべてが除去され、図１２、図１４及び図１６に示されるように、第２の金属配線層５０が、充填されたバイアの中の金属プラグ５２、５４、４６、５８（図１２及び図１６）を通じて下位の金属線２−８に接続される。
【００１５】
第２の金属配線レベル５０を形成し第１の絶縁層１６にエッチングされたバイアを金属５２−５８を用いて充填するのに用いられる金属は、第１の金属配線レベルを構成する金属線２、４、６及び８を形成するのに用いられる下位の金属よりも低い融点を有していなければならない。そうであれば、バイアの充填と第２の金属配線レベルの形成とが、第１の金属配線レベルを構成する金属線２、４、６、８を妨害、例えば、融解させることがない。第１及び第２の両方の金属配線レベルのための金属として、そして更にバイアの充填用として、アルミニウムを用いる際には、アルミニウムを例えば銅などの他の金属と合金にして、結果的に得られるアルミニウム合金の融点を適切に変動させるように合金の相手方の金属の量を変動させることによって、このことは、容易に達成される。この点では、本発明によると、更なる金属配線層（第３、第４、など）も、上述のものと同じ態様で、自己位置合わせされたバイアを用いて形成することができる。これがなされた場合には、それぞれの配線レベル（及び、対応するバイア充填物）についても、それぞれの金属層に対して、先の層よりも低い融点の金属を用いて、実行されなければならない。
【００１６】
従って、本発明によれば、第１に絶縁層にバイアを形成し（バイア・マスク及びバイア・エッチを用いて）、オプションであるがそのバイアを独立に充填し、次に、充填された（又は充填されていない）バイアの上に金属層を積層し、更に、金属配線マスクと、金属配線エッチ・マスクを通過する金属エッチを配置して、下位のバイアと合致する金属線を形成する際に、別個のエッチ・マスクを個々のエッチング・ステップにおいて、用いる必要がない。本発明による埋込型バイア・マスクを用いることにより、上位の絶縁層にトレンチを形成するのに用いられるのと同じエッチ・ステップで、バイアが形成され（エッチングされ）、それにより、バイアは、トレンチと自己位置合わせされる。単一の金属充填ステップにより、バイアが充填され、上位の金属配線が形成される。
【００１７】
本発明の構造及び方法は、ゲート・アレー技術との関係でも用いることができるが、その場合には、ジェネリックな埋込型バイア・マスクを、下位の金属線それぞれへの開口を用いて、第１の絶縁層上に形成することができる。
【００１８】
従って、集積回路構造のカスタマイズを、カスタム用の反転金属配線マスクを与えることによってカスタム用のバイア・マスクを作成する必要なく、行うことができ、バイアが要求されない（つまり、下位の素子又は金属線への接続が不要である）場所では、埋め込まれたバイア・マスクにおける開口の上の金属配線に、開口が与えられることはない（従って、トレンチも形成されない）。従って、反転金属配線マスクを通過して後続のエッチングを行い次の配線レベルを形成しても、単純に、これらの領域には望まないバイアは形成されず、従って、別個のカスタム用のバイア・マスクを作成して用いることなく、構造のカスタマイズが可能になる。
【００１９】
次に、図１７から図２６を参照して、本発明の第２の実施例を説明する。この実施例では、金属線５２、５４、５６、５８が、第１の実施例の場合と類似した態様で集積回路構造の上に形成されている様子が示されている。しかし、平坦化された第１の絶縁層１６が金属線２−８の上に形成されていた先の実施例とは異なり、ドープされていない酸化シリコンの層であり好ましくは０．１μｍから約０．５μｍの範囲の厚さを有する整合（conformal）絶縁層６０が、図１７に示されているように、金属線５２−５８と集積回路構造１０との上に形成されている。次に、整合絶縁層６０の上に、整合バイア・マスク層７０が形成されるが、これは、先の実施例の場合のように、好ましくは、窒化シリコンから成るが、整合層として積層され、第１の実施例のバイア・マスク層のように用いることができる任意の材料を用いて形成することができる。整合マスク層７０は、好ましくは、約０．０５μｍから約０．５μｍの範囲の厚さを有する。
【００２０】
第１の絶縁層６０の上に整合バイア・マスク層７０を形成した後で、図１８に示されるように、レジスト層８０などの平坦化のための層を積層した後に異方性エッチングを行うか、又は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）のステップによって整合バイア・マスク層の上昇した部分を除去するか、のいずれかにより、平坦化を行う。平坦化用のレジスト層が用いられる場合には、レジスト層の残りの部分は、平坦化のステップの後で除去される。いずれの場合でも、結果的には、図１９及び図２０に示した構造が得られ、マスク開口７２、７４、７６、７８が、金属線５２−５８の上の（合致している）バイア・マスク層７０に形成されている。この実施例では、マスク層７０の平坦化において形成されるマスク開口７２−７８は、開口７２−７８が形成されている態様に起因して、下位の金属線の全体の長さに亘って延長する。すなわち、下位に金属線が存在しない位置には、上位の整合酸化物及びエッチ層コーティングの上昇している部分は存在せず、従って、平坦化のステップの間にこれらの地点のマスク層７０に開口は形成されない。
【００２１】
バイア・マスク層７０をパターニングしてその中に開口７２−７８を形成した後で、第２の絶縁層９０が、図２１に示されるように、バイア・マスク層７０の上に形成され、平坦化される。金属線５２−５８の上の第２の絶縁層９０の厚さは、好ましくは、約０．２μｍから約２．０μｍの範囲である。第２の絶縁層９０は、第１の整合絶縁層６０のように、酸化シリコン、又は、少なくとも、第１の整合絶縁層６０と同じエッチング・システムに応答する絶縁材料から構成され、それによって、両方の層が、同じエッチング・ステップの間にエッチングされるようになる。
【００２２】
次に、フォトレジスト・マスクなどの第２の反転金属配線エッチ・マスク１００が、図２１から図２４に示されるように、平坦化された第２の絶縁層９０の上に形成される。第２の金属配線マスク１００における図解されている開口１０２（これは、単に、複数のそのようなマスク開口を例示している）が、第２の絶縁層９０の下のバイア・エッチ・マスク７０における下位の開口７２−７８に直交するように形成される。トレンチ９２が、次に、図２３−２６に示されるように、第２の金属配線マスク１００における開口１０２を通過して、第２の絶縁層９０にエッチングされる。このエッチング・ステップの間に、先の実施例の場合のように、バイア金属マスク７０における開口の下の第１の整合絶縁層６０の一部分が、上にある第２の絶縁層９０がエッチングにより除去されると露出されるが、エッチングされて、図２３及び図２５のバイア６２によって示されるように、下位の金属線５２−５８までのバイアを形成する。第２の金属配線マスク１００を除去した後で、金属層１１０を積層してトレンチ９２を充填することの結果として、図２５の充填されたバイア６２によって示されるように、トレンチ９２から下向きに下位の金属線５２−５８までの整合絶縁層６０に形成されたバイアの充填が生じる。第２の絶縁層９０の表面上に積層されうる金属層１１０が一部分でも除去されることにより、図２５及び図２６に示されるように、第２の金属配線が、第２の絶縁層９０においてエッチングされる図示されているトレンチ９２のようなトレンチの中に形成されたままとなり、バイアを充填することによって形成される結果的な金属プラグが、この第２の配線と、下位の金属線５２−５６とを、図２５に示すように、電気的に接続する。
【００２３】
次に、図２７から図３１を参照して、第３の実施例を説明する。図１７から図２６に図解された先の実施例では、バイア・マスクに開口が形成される態様のために、すなわち、上昇した金属線の上の整合バイア・マスクの上昇した部分を除去することにより、バイア・マスクが、下位の金属線に自己位置合わせされるという長所を有する。しかし、この先の実施例では、バイア・マスクにおける開口は、下位の金属線の長さ全体に亘って延長する。このことは、場合によっては、バイア・マスクにおける開口の１つを、先の金属配線層においてこの下位の金属線と電気的な接触（バイア・マスクと結果的なバイアとを通して）を生じさせずに、次の配線レベルにおける直交する金属線と交差させることを望む場合には、問題が生じる可能性がある。この第３の実施例は、この問題に対処するものである。
【００２４】
先の実施例の図２１では、平坦化された第２の絶縁層９０が、整合バイア・エッチ層７０の上に形成され、第２の反転金属配線マスク１００が、次に、第２の絶縁層９０の上に形成される。この実施例では、図２７に示されているように、整合バイア・エッチ・マスク層７０の上に平坦化された絶縁層９０を形成した後で、第２のバイア・エッチ・マスク１２０が、第２の絶縁層９０の上に形成される。金属線５２−５８の上の第２の絶縁層９０の厚さは、この実施例では、第２の実施例の場合のように、好ましくは、約０．２μｍから約２．０μｍの範囲にある。開口１２２、１２４、１２６、１２８が、第２のバイア・エッチ・マスク層１２０に形成されるが、図２８に示されるように、これは、形状は矩形であり、下位の開口７２−７８とほぼ合致するように形成される。しかし、第２のバイア・エッチ・マスク１２０におけるバイア・マスク開口１２２−１２８の幅は、第１のバイア・エッチ・マスク７０における開口７２−７８の幅を超えることがあり得る。これは、開口７２−７８は、下位の金属線５２−５８の側面と自己位置合わせされており、金属線５２−５８にではなく、金属線５２−５８に隣接する下位の集積回路構造１０まで延長する開口１２２−１２８を通過する望ましくないバイアの形成を回避する。すなわち、自己位置合わせにより、バイアが金属線を逃すことが回避される。
【００２５】
第２のバイア・エッチ・マスク１２０の形成の後で、第３の絶縁層１３０が、バイア・エッチ・マスク１２０の上に形成され、第２の反転金属配線レベル・マスク１４０が、次に、図２９及び図３０に示されるように、第３の絶縁層１３０の上に形成される。第３の絶縁層１３０の厚さは、下位の金属線の厚さとほぼ等しく、すなわち、約０．０２μｍから約０．２μｍの範囲である。図３０及び図３１に示されている開口１４２のような開口が、図３０にもっとも良く示されているように、下位の第１のバイア・マスク開口７２−７８に直交し、第２のバイア・マスク１２０における開口１２２−１２８と交差するように、第２の反転金属配線マスク１４０に形成される。第２の反転金属配線マスク１４０が形成された後で、この構造は、異方性エッチングを施されて、マスク１４０における開口の下の第３の絶縁層１３０におけるトレンチ１３２のようなトレンチを形成し、また、同時に、金属線５２−５８の全部又は一部に至るバイアを形成する（第２のバイア・エッチ・マスク１２０において与えられるバイア開口に依存する）。この点では、このようなバイアは、ｘ及びｙの両方の方向において自己位置合わせされるが、これは、第１のバイア・マスク７０における開口の金属線５２−５８の側面と、第２のバイア・マスク１２０における開口の側壁とに対する自己位置合わせに起因する。すなわち、第１のバイア・マスク７０における開口は、ｘ軸に沿ったバイアに対する位置合わせを与え、第２のバイア・マスク１２０における開口は、ｙ軸に対する位置合わせを与える。従って、第２の反転金属配線マスクにおける開口１４２などのマスク開口の、バイア・マスク７０及び１２０における下位の開口に対する位置のずれは、結果として、集積回路構造１０とではなく下位の金属線と交差する絶縁層６０、９０を通過するバイアを生じさせる。もちろん、３つのマスク層におけるそれぞれのマスク開口をいくらか位置合わせしなければならない。そうでなければ、バイアは、形成されない。
【００２６】
従って、本発明は、上位の金属配線レベルのためのトレンチと、それぞれの金属配線レベルをより下位の金属配線レベルを含む下位の金属線と接続するバイアとを、単一のエッチング・ステップにおいて、形成することができる方法と構造とを含む。そのようなトレンチを金属を用いて充填して金属配線レベルを形成し、バイアを金属プラグを用いて充填して下位の金属配線層とそれ以後の金属配線レベルとを電気的に相互接続することは、同じ金属積層ステップにおいて同時に実行され、下位のバイア・エッチ・マスクすなわち下位の１又は複数の絶縁層におけるバイアの形成の際に機能するマスクは、バイア・エッチ・マスク層の上にある絶縁層に形成されたトレンチと合致している。異なる融点を有する金属を用いることにより、後続の金属配線層と金属が充填されたバイアとが本発明に従って形成され、それぞれの後続の金属配線レベルとそれに伴うバイアとは、先行の金属レベルよりも低い融点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】集積回路構造上に形成され下位の集積回路構造の種々の部分を選択的に電気的に相互接続する第１の金属配線レベルの一部分の図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩの線に沿った位置での垂直方向の部分的な断面図であり、第１の金属配線レベルから成る上昇した線を示す。
【図３】図２に示された構造の垂直方向の部分的な断面図であるが、金属配線の上に第１の絶縁層を積層し平坦化を行い、第１の絶縁層の上にバイア・マスク層を形成した後の図である。
【図４】図３の構造を上から見た部分的な図であるが、バイア・マスク層がパターニングされ、下位の第１の金属配線と位置合わせされた矩形のバイア開口を形成した後の図である。
【図５】図４のＶ−Ｖの線に沿った位置での部分的な断面図である。
【図６】パターニングされたバイア・マスク層の上に第２の絶縁層を形成した後での、図４及び図５の構造の垂直方向の部分的な断面図である。
【図７】図６の構造の平面図であり、第２の絶縁層の下のバイア・マスクにおける矩形の開口が、破線で示されている。
【図８】図６の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、第２の絶縁層の上にマスク層が形成され、パターニングがなされる前の状態を示している。
【図９】図８の構造の平面図であるが、第２の反転金属配線マスクのパターニングの後であり、この反転金属マスクの開口に位置合わせされた下位のバイア・マスクにおける矩形のバイア開口を破線で示している。
【図１０】Ｘ−Ｘの線に沿った位置での図９の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、それぞれのマスクを通過しての下位の絶縁層のエッチングの前の、パターニングされた第２の金属配線エッチ・マスクと、下位のバイア・エッチ・マスクとを示す。
【図１１】図１０の構造の部分的な断面図であり、第２の金属配線レベル・マスクを通過する上側の絶縁層をエッチングして第２の金属配線層の所望の部分に一致するトレンチを形成し、バイア・エッチ・マスクと下側の絶縁層とを通過してエッチングして第１の金属配線レベルに至るバイアを形成した後の図である。
【図１２】図１１の最終的な構造の垂直方向の部分的な断面図であり、トレンチが金属で充填され第２の金属配線レベルを形成し、バイアを金属で充填して第１の金属配線レベルと第２の金属配線レベルとを電気的に接続する状態を示している。
【図１３】図９の構造の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩの位置での垂直方向の部分的な断面図であり、パターニングされた金属配線エッチ・マスクを通過してバイア・エッチ・マスクに至るまで上側の絶縁層をエッチングした後での、パターニングされた金属配線エッチ・マスクと下位のバイア・エッチ・マスクのソリッド部分とを示している。
【図１４】図１３の最終的な構造の垂直方向の部分的な断面図であり、金属で充填され第２の金属配線レベルを形成するトレンチを示している。
【図１５】図９のＸＶ−ＸＶの線に沿った位置での垂直方向の部分的な断面図であり、パターニングされた金属配線エッチ・マスクを通過してバイア・エッチ・マスクに至るまで上側の絶縁層をエッチングした後での、パターニングされた金属配線エッチ・マスクと下位のバイア・エッチ・マスクのソリッド部分とを示している。
【図１６】図１５の最終的な構造の垂直方向の部分的な断面図であり、金属で充填され第２の金属配線レベルを形成するトレンチと、バイアを金属プラグで充填して第１の金属配線レベルと第２の金属配線レベルとを電気的に接続している状態を示している。
【図１７】本発明の第２の実施例によるバイア・マスクの構成を示す垂直方向の部分的な断面図の第１のものである。
【図１８】本発明の第２の実施例によるバイア・マスクの構成を示す垂直方向の部分的な断面図の第２のものである。
【図１９】本発明の第２の実施例によるバイア・マスクの構成を示す垂直方向の部分的な断面図の第３のものである。
【図２０】図１９に示されたバイア・マスク構造の部分的な平面図である。
【図２１】図１９及び図２０の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、バイア・マスク層の上に第２の絶縁層が形成され、第２の、反転金属配線エッチ・マスクが第２の絶縁層の上に形成された後の状態を示している。
【図２２】第２の絶縁層の上に形成された図２１に示された第２の、反転金属配線レベル・マスクの部分的な平面図である。
【図２３】図２２の構造のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩの線の位置での垂直方向の部分的な断面図であり、第２の反転金属配線レベル・マスクとバイア・マスクとの両方における開口を通過して第１のレベルの金属配線に至るまでエッチングされる下位の絶縁層の領域を、破線で示している。
【図２４】図２２の構造のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶの線の位置での垂直方向の部分的な断面図であり、第２の反転金属配線レベル・マスクにおける開口を通過してバイア・マスクに至るまでエッチングされる下位の絶縁層の領域を、破線で示している。
【図２５】図２３の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、示されたトレンチを金属で充填して第２の金属配線レベルを形成し、下位のバイアを金属で充填して第１の金属配線レベルと第２の金属配線レベルとを電気的に接続した後の状態を示している。
【図２６】図２４の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、示されたトレンチを金属で充填して第２の金属配線レベルを形成した後の状態を示している。
【図２７】図１９に示されたものと類似する構造の垂直方向の部分的な断面図であるが、本発明の第３の実施例により、第２の絶縁層がその上に形成され、第２のバイア・マスクが第２の絶縁層の上に形成された状態を示している。
【図２８】図２７の平面図であり、第２のバイア・エッチ・マスクを示しており、下位の第１のバイア・エッチ・マスクは破線で示されている。
【図２９】図２７の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、第２のバイア・エッチ・マスクの上に形成された第３の絶縁層を示しており、更に、第２の反転金属配線マスクが、第３の絶縁層の上に形成されている状態が示されている。
【図３０】図２９の第２の反転金属配線マスクの平面図であり、下位の第１及び第２のバイア・マスクが破線で示されている。
【図３１】図３０の構造のＸＸＸ−ＸＸＸの線の位置での垂直方向の部分的な断面図であり、この構造を異方性エッチングして第２の金属配線レベルを形成し、両方のバイア・マスクを通過して第１の金属配線レベルの金属線にまで至るバイアが形成される状態が示されている。
【図３２】本発明の方法を図解する流れ図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の絶縁層を通過する導電性プラグを形成することにより、集積回路構造の複数の金属配線レベルを相互接続する技術に関する。更に詳しくは、本発明は、複数の絶縁層を通過する開口（openings）を形成し、１つの金属配線層の一部分と別の金属配線層の一部分とを、絶縁層の間に位置するバイア・エッチ・マスクを用いて電気的に接続する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路構造における１つのレベルにある金属配線と別のレベルにある金属配線との間に電気的な接続を形成することは、通常は、これらの２つのレベルの金属配線を分離している１又は複数の絶縁層を通過するバイア（via）と称される垂直方向の開口を形成することにより、達成される。
【０００３】
これは、通常は、第１の金属配線レベルの上に１又は複数の絶縁層を形成し、バイア・エッチ・マスク（via etch mask）を用いてこの１又は複数の絶縁層をマスクし、次に、バイア・エッチ・マスクにおける開口を通過して下位の金属配線まで選択的にエッチングを行いバイアを形成することにより、実行される。次に、バイアには、独立のステップとして又は更なる金属層の積層の間に、金属が充填され、反転（逆）金属配線マスク（所望の金属配線に対応する部分がソリッドになっているマスク）を用いて積層された金属層のパターニングが行われて、第２の金属配線レベルが形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
バイアを形成するこの従来の方法及び複数の金属配線レベルを電気的に接続するのにこれらのバイアを用いることに関しては、複数の問題点が存在する。バイアは、自己位置合わせされておらず、バイアの上下での金属がいくらか重なっていることが必要である。更に、バイアを形成し（バイア・エッチ・マスクを介して下位の絶縁層をエッチングすることにより）、後に、後で積層された金属層をパターニングするためには、別個のエッチ・マスクとエッチング・ステップとが必要になる。また、バイアが後にパターニングされるのと同じ金属で充填されている場合には、追加的な層を加熱すると下にある金属を融解させ金属線を変形させるおそれがあるから、金属をバイアの中に流し込むことによってはただ１つの層だけしか充填できない。更に、基板に形成される接点開口又は下位の金属配線層に至るように形成されるバイアを後に有することになるジェネリックなゲート・アレー構造が当初に形成される場合には、例えば、ＭＯＳトランジスタの下位にあるゲート・アレーにおけるＭＯＳトランジスタのような選択された下位のデバイスを選択するだけのために、バイアが後にカスタム配線構造の一部として後に形成されなければならないときには、追加的なマスクや処理ステップが必要になる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、酸化物層などの第１の絶縁層が、集積回路構造の上の第１の金属配線レベルの上に形成される。次に、窒化物マスク層などのバイア・エッチ・マスク層が、絶縁層の上に形成され、第１の絶縁層を通過するバイアの形成によって電気的な接触を行うことが望まれる下位の金属配線の一部分の上のバイア・エッチ・マスク層に開口が形成される。第２の酸化物層から成る第２の絶縁層が、次に、バイア・エッチ・マスクの上に形成される。フォトレジスト・マスク又は別の窒化物マスクなどの第２の反転金属配線レベル・マスクが、次に、第２の絶縁層の上に形成され、下位のバイア・エッチ・マスクにおける開口とは好ましくは直交する部分を有する第２の金属配線層を定義する。この第２の絶縁層は、次に、第２のレベルの金属配線マスクとバイア・エッチ・マスクとに選択的である、すなわち、マスク材料のいずれもに優先して両方の絶縁層をエッチングするエッチング剤（エッチャント）を用いて、エッチングされる。上側の絶縁層をエッチングすることにより、例えば、トレンチ（溝、trench）である開口が形成されるが、これは、第２の金属配線レベルの所望の金属パターンに一致し、バイア・エッチ・マスクの位置で停止している。しかし、開口がバイア・エッチ・マスクのどの位置にあるとしても、エッチングは、その開口を通過し、下位にある第１の絶縁層を通過して進み、それによって、下にある金属配線の第１のレベルに達するバイアを形成する。次に、第２の金属配線レベル・マスクが除去され、金属層が、第２の絶縁レベルの上とトレンチなどの開口の中に積層され、所望の第２のレベルの金属配線に対応して、エッチングが行われる。同時に、金属が、バイアの中を第１の金属配線（異なる融点の合金を選択することにより、より高い温度で形成されるのが通常である）に至るまで積層される。次に、第２の絶縁層の表面上に積層された金属が除去され、第２のレベルの金属配線は、第２の絶縁層の中に形成された開口（トレンチ）の中に積層されたままになり、バイアの中に同時に積層された金属は、金属プラグを形成して、第１及び第２の金属配線レベルを電気的に相互接続するように機能する。
【０００６】
【発明の実施の態様】
次に、図１及び図２を参照すると、第１の金属配線レベルを表す金属線２、４、６及び８が、集積回路構造１０の上に形成されている様子が示されている。典型的には、これらの金属線は、約０．２マイクロメータ（μｍ）から約２μｍの範囲の厚さ又は高さを有している。もちろん、この第１の金属配線レベルよりも下の集積回路構造１０の少なくとも一部分は絶縁材料を含み、この絶縁材料を通って接点開口が形成され（そして、導電性材料によって充填され）、この集積回路構造の能動素子を第１の金属配線レベルと電気的に相互接続する。
【０００７】
図３に示されているように、第１の絶縁層１６が、金属線２、４、６及び８の上に形成されている。金属線２から８の上の絶縁層１６の厚さは、好ましくは、約０．１μｍから約１μｍの範囲にある。この実施例では、絶縁層１６は、平坦化されて、平坦な上側平面を与える。絶縁層１６は、好ましくは、酸化シリコン層から成り、最も好ましくは（平坦化の目的では）、例えば、ホウケイ酸ガラス（borosilicate glass = BSG）又はホウリンケイ酸ガラス（borophosphosilicate glass = BPSG）などの融点の低いドープされたシリコン酸化物ガラスから成る。絶縁層１６は、また、例えば、ドープされていない二酸化シリコン層の上にホウリンケイ酸ガラスが形成されている場合のように、ドープされていない二酸化シリコン層とドープされた二酸化シリコン層との複合層から成ることもある。
【０００８】
図３を更に参照すると、本発明によって、好ましくは、厚さが、約０．０５μｍから約０．５μｍの範囲にあるバイア・マスク層２０が、絶縁層１６の上に形成された様子が示されている。バイア・マスク層２０は、絶縁材料１６とは異なる材料から構成され、それによって、絶縁材料１６は、バイア・マスク層２０における開口を通って後にエッチングができるようになっている。好ましくは、バイア・マスク層２０は、例えば窒化シリコンやシリコン酸窒化物(オキシニトリド)のような窒化物ベースの材料など、集積回路構造の作成に通常用いられる他の材料と互換性のある材料で構成されている。
【０００９】
図４及び図５を参照すると、バイア・エッチ・マスク２０が与えられており、矩形のマスク開口２２、２４、２６、２８は、その長軸が、下位にある金属線２、４、６、８（破線で示されている）の長軸とほぼ一致するように形成され、バイアが、結果的に、下の金属線２、４、６、８に至るまで第１の絶縁層１６を通ってエッチングされることが可能になっている。最も好ましくは、矩形のバイア・マスク開口２２、２４、２６、２８の幅は、寸法的には、金属線２、４、６、８の幅の寸法よりも約０．０１μｍから約０．２μｍ程度、僅かに小さくなるように形成され、第１の絶縁層１６においてエッチングされるバイアとそれぞれの下位にある金属線との合致が維持されるのを補助している。
【００１０】
次に、第２の絶縁層３０が、図４及び図５の構造の上に、図６及び図７に示されるように、形成される。好ましくは、第２の絶縁層３０は、金属線２から８の厚さにほぼ等しい、すなわち、約０．２μｍから約２μｍの範囲の厚さを有し、第１の絶縁層１６と同じ絶縁材料から構成されているか、又は、少なくとも、第１の絶縁層１６と同時にエッチングされ得る絶縁材料から構成されている。すなわち、本発明によると、第１の絶縁層１６と第２の絶縁層３０とは、同じエッチング・システムに対応しなければならない。
【００１１】
次に、第２の絶縁層３０は、必要な場合には、平坦化がなされ、図８及び図９に示されるように、第２の反転金属配線レベル・マスク４０が、第２の絶縁層３０の上に形成される。第２の反転配線レベル・マスク４０は、開口４２、４４、４６を有しており、これらの開口は、図９に最もよく示されているように、好ましくは矩形であるが、これは、後に述べるように、第２の配線レベルを含む金属線が形成される第２の絶縁層３０におけるトレンチの形成のためである。
【００１２】
図９及び図１０に示されているように、第２の金属レベルの配線マスク４０に図解されている矩形の開口４２、４４、４６は、下位にあるバイア・マスク層２０における下の矩形の開口２２、２４、２６、２８とそれぞれ合致している（位置合わせがされている）が、直交して配置されており、それによって、第２の金属レベル・エッチ・マスク４０における開口４２−４６を通過する第２の絶縁層３０を後にエッチングすると、バイア・エッチ・マスク２０における開口２２−２８の一部が露出し、第１の絶縁層１６の下位の部分のエッチングにより、金属線２−８に至るまで延長するバイアの形成が可能になる。これについては、後に論じる。第２の反転配線レベル・マスク４０における矩形の開口４２−４６は、第１の配線レベルの金属線２−８に至るまでの自己位置合わせされたバイアが形成されるために、下位のバイア・エッチ・マスク２０における開口２２−２８と厳密に合致している必要はない。しかし、構造によっては、以下で述べるように、開口２２−２８を通過するエッチの深さを制御することが望まれる。
【００１３】
第２の絶縁層３０の上に第２の反転金属配線マスク４０を形成した後で、第２の絶縁層３０の露出した部分（それと、バイア・マスク２０における開口２２、２４、２６、２８を通過して露出された第１の絶縁層１６の部分）が、図１１、図１３、図１５に示されるように、第２の金属配線マスク４０における開口４２、４４、４６を通過して、異方性エッチングされる。既に述べたように、本発明によると、第１の絶縁層１６と第２の絶縁層３０とは、好ましくは、例えば酸化シリコンのような同じ材料から形成されるが、少なくとも、あるエッチング・システムにおいて同じ速度でエッチングがなされる材料から形成され、それによって、絶縁層３０においてトレンチ３２、３４、３６が、バイア・エッチ・マスク２０の開口２２、２４、２６、２８を通過する第１の層１６のエッチングと同じエッチング・ステップにおいて、バイア・エッチ・マスク２０に至るまでエッチングされ得る。好ましくは、開口２２、２４、２６、２８のバイア・エッチの深さは、バイアの底部が金属線２−８の上の絶縁層３０の厚さと等しいかそれを僅かに超えるように制御され、それによって、位置合わせが不完全であっても、バイアの深さが、下位の集積回路構造にまでは延長しないことが補償される。すなわち、バイア２２−２８の深さは、好ましくは、金属線２−８の上の絶縁層３０の厚さとその特定の金属線の厚さとの和よりも小さくなければならない。
【００１４】
エッチング・ステップと第２の金属配線エッチ・マスク４０の除去との後では、金属層が、エッチングされた第２の絶縁層３０の上に積層され、エッチングされたトレンチを充填し、更に、バイア・エッチ・マスク２０における開口を通して第１の絶縁層１６にエッチングされたバイアの中に金属プラグを形成する。第２の絶縁層３０の表面上に積層されたこの金属層は、すべてが除去され、図１２、図１４及び図１６に示されるように、第２の金属配線層５０が、充填されたバイアの中の金属プラグ５２、５４、４６、５８（図１２及び図１６）を通じて下位の金属線２−８に接続される。
【００１５】
第２の金属配線レベル５０を形成し第１の絶縁層１６にエッチングされたバイアを金属５２−５８を用いて充填するのに用いられる金属は、第１の金属配線レベルを構成する金属線２、４、６及び８を形成するのに用いられる下位の金属よりも低い融点を有していなければならない。そうであれば、バイアの充填と第２の金属配線レベルの形成とが、第１の金属配線レベルを構成する金属線２、４、６、８を妨害、例えば、融解させることがない。第１及び第２の両方の金属配線レベルのための金属として、そして更にバイアの充填用として、アルミニウムを用いる際には、アルミニウムを例えば銅などの他の金属と合金にして、結果的に得られるアルミニウム合金の融点を適切に変動させるように合金の相手方の金属の量を変動させることによって、このことは、容易に達成される。この点では、本発明によると、更なる金属配線層（第３、第４、など）も、上述のものと同じ態様で、自己位置合わせされたバイアを用いて形成することができる。これがなされた場合には、それぞれの配線レベル（及び、対応するバイア充填物）についても、それぞれの金属層に対して、先の層よりも低い融点の金属を用いて、実行されなければならない。
【００１６】
従って、本発明によれば、第１に絶縁層にバイアを形成し（バイア・マスク及びバイア・エッチを用いて）、オプションであるがそのバイアを独立に充填し、次に、充填された（又は充填されていない）バイアの上に金属層を積層し、更に、金属配線マスクと、金属配線エッチ・マスクを通過する金属エッチを配置して、下位のバイアと合致する金属線を形成する際に、別個のエッチ・マスクを個々のエッチング・ステップにおいて、用いる必要がない。本発明による埋込型バイア・マスクを用いることにより、上位の絶縁層にトレンチを形成するのに用いられるのと同じエッチ・ステップで、バイアが形成され（エッチングされ）、それにより、バイアは、トレンチと自己位置合わせされる。単一の金属充填ステップにより、バイアが充填され、上位の金属配線が形成される。
【００１７】
本発明の構造及び方法は、ゲート・アレー技術との関係でも用いることができるが、その場合には、ジェネリックな埋込型バイア・マスクを、下位の金属線それぞれへの開口を用いて、第１の絶縁層上に形成することができる。
【００１８】
従って、集積回路構造のカスタマイズを、カスタム用の反転金属配線マスクを与えることによってカスタム用のバイア・マスクを作成する必要なく、行うことができ、バイアが要求されない（つまり、下位の素子又は金属線への接続が不要である）場所では、埋め込まれたバイア・マスクにおける開口の上の金属配線に、開口が与えられることはない（従って、トレンチも形成されない）。従って、反転金属配線マスクを通過して後続のエッチングを行い次の配線レベルを形成しても、単純に、これらの領域には望まないバイアは形成されず、従って、別個のカスタム用のバイア・マスクを作成して用いることなく、構造のカスタマイズが可能になる。
【００１９】
次に、図１７から図２６を参照して、本発明の第２の実施例を説明する。この実施例では、金属線５２、５４、５６、５８が、第１の実施例の場合と類似した態様で集積回路構造の上に形成されている様子が示されている。しかし、平坦化された第１の絶縁層１６が金属線２−８の上に形成されていた先の実施例とは異なり、ドープされていない酸化シリコンの層であり好ましくは０．１μｍから約０．５μｍの範囲の厚さを有する整合（conformal）絶縁層６０が、図１７に示されているように、金属線５２−５８と集積回路構造１０との上に形成されている。次に、整合絶縁層６０の上に、整合バイア・マスク層７０が形成されるが、これは、先の実施例の場合のように、好ましくは、窒化シリコンから成るが、整合層として積層され、第１の実施例のバイア・マスク層のように用いることができる任意の材料を用いて形成することができる。整合マスク層７０は、好ましくは、約０．０５μｍから約０．５μｍの範囲の厚さを有する。
【００２０】
第１の絶縁層６０の上に整合バイア・マスク層７０を形成した後で、図１８に示されるように、レジスト層８０などの平坦化のための層を積層した後に異方性エッチングを行うか、又は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）のステップによって整合バイア・マスク層の上昇した部分を除去するか、のいずれかにより、平坦化を行う。平坦化用のレジスト層が用いられる場合には、レジスト層の残りの部分は、平坦化のステップの後で除去される。いずれの場合でも、結果的には、図１９及び図２０に示した構造が得られ、マスク開口７２、７４、７６、７８が、金属線５２−５８の上の（合致している）バイア・マスク層７０に形成されている。この実施例では、マスク層７０の平坦化において形成されるマスク開口７２−７８は、開口７２−７８が形成されている態様に起因して、下位の金属線の全体の長さに亘って延長する。すなわち、下位に金属線が存在しない位置には、上位の整合酸化物及びエッチ層コーティングの上昇している部分は存在せず、従って、平坦化のステップの間にこれらの地点のマスク層７０に開口は形成されない。
【００２１】
バイア・マスク層７０をパターニングしてその中に開口７２−７８を形成した後で、第２の絶縁層９０が、図２１に示されるように、バイア・マスク層７０の上に形成され、平坦化される。金属線５２−５８の上の第２の絶縁層９０の厚さは、好ましくは、約０．２μｍから約２．０μｍの範囲である。第２の絶縁層９０は、第１の整合絶縁層６０のように、酸化シリコン、又は、少なくとも、第１の整合絶縁層６０と同じエッチング・システムに応答する絶縁材料から構成され、それによって、両方の層が、同じエッチング・ステップの間にエッチングされるようになる。
【００２２】
次に、フォトレジスト・マスクなどの第２の反転金属配線エッチ・マスク１００が、図２１から図２４に示されるように、平坦化された第２の絶縁層９０の上に形成される。第２の金属配線マスク１００における図解されている開口１０２（これは、単に、複数のそのようなマスク開口を例示している）が、第２の絶縁層９０の下のバイア・エッチ・マスク７０における下位の開口７２−７８に直交するように形成される。トレンチ９２が、次に、図２３−２６に示されるように、第２の金属配線マスク１００における開口１０２を通過して、第２の絶縁層９０にエッチングされる。このエッチング・ステップの間に、先の実施例の場合のように、バイア金属マスク７０における開口の下の第１の整合絶縁層６０の一部分が、上にある第２の絶縁層９０がエッチングにより除去されると露出されるが、エッチングされて、図２３及び図２５のバイア６２によって示されるように、下位の金属線５２−５８までのバイアを形成する。第２の金属配線マスク１００を除去した後で、金属層１１０を積層してトレンチ９２を充填することの結果として、図２５の充填されたバイア６２によって示されるように、トレンチ９２から下向きに下位の金属線５２−５８までの整合絶縁層６０に形成されたバイアの充填が生じる。第２の絶縁層９０の表面上に積層されうる金属層１１０が一部分でも除去されることにより、図２５及び図２６に示されるように、第２の金属配線が、第２の絶縁層９０においてエッチングされる図示されているトレンチ９２のようなトレンチの中に形成されたままとなり、バイアを充填することによって形成される結果的な金属プラグが、この第２の配線と、下位の金属線５２−５６とを、図２５に示すように、電気的に接続する。
【００２３】
次に、図２７から図３１を参照して、第３の実施例を説明する。図１７から図２６に図解された先の実施例では、バイア・マスクに開口が形成される態様のために、すなわち、上昇した金属線の上の整合バイア・マスクの上昇した部分を除去することにより、バイア・マスクが、下位の金属線に自己位置合わせされるという長所を有する。しかし、この先の実施例では、バイア・マスクにおける開口は、下位の金属線の長さ全体に亘って延長する。このことは、場合によっては、バイア・マスクにおける開口の１つを、先の金属配線層においてこの下位の金属線と電気的な接触（バイア・マスクと結果的なバイアとを通して）を生じさせずに、次の配線レベルにおける直交する金属線と交差させることを望む場合には、問題が生じる可能性がある。この第３の実施例は、この問題に対処するものである。
【００２４】
先の実施例の図２１では、平坦化された第２の絶縁層９０が、整合バイア・エッチ層７０の上に形成され、第２の反転金属配線マスク１００が、次に、第２の絶縁層９０の上に形成される。この実施例では、図２７に示されているように、整合バイア・エッチ・マスク層７０の上に平坦化された絶縁層９０を形成した後で、第２のバイア・エッチ・マスク１２０が、第２の絶縁層９０の上に形成される。金属線５２−５８の上の第２の絶縁層９０の厚さは、この実施例では、第２の実施例の場合のように、好ましくは、約０．２μｍから約２．０μｍの範囲にある。開口１２２、１２４、１２６、１２８が、第２のバイア・エッチ・マスク層１２０に形成されるが、図２８に示されるように、これは、形状は矩形であり、下位の開口７２−７８とほぼ合致するように形成される。しかし、第２のバイア・エッチ・マスク１２０におけるバイア・マスク開口１２２−１２８の幅は、第１のバイア・エッチ・マスク７０における開口７２−７８の幅を超えることがあり得る。これは、開口７２−７８は、下位の金属線５２−５８の側面と自己位置合わせされており、金属線５２−５８にではなく、金属線５２−５８に隣接する下位の集積回路構造１０まで延長する開口１２２−１２８を通過する望ましくないバイアの形成を回避する。すなわち、自己位置合わせにより、バイアが金属線を逃すことが回避される。
【００２５】
第２のバイア・エッチ・マスク１２０の形成の後で、第３の絶縁層１３０が、バイア・エッチ・マスク１２０の上に形成され、第２の反転金属配線レベル・マスク１４０が、次に、図２９及び図３０に示されるように、第３の絶縁層１３０の上に形成される。第３の絶縁層１３０の厚さは、下位の金属線の厚さとほぼ等しく、すなわち、約０．０２μｍから約０．２μｍの範囲である。図３０及び図３１に示されている開口１４２のような開口が、図３０にもっとも良く示されているように、下位の第１のバイア・マスク開口７２−７８に直交し、第２のバイア・マスク１２０における開口１２２−１２８と交差するように、第２の反転金属配線マスク１４０に形成される。第２の反転金属配線マスク１４０が形成された後で、この構造は、異方性エッチングを施されて、マスク１４０における開口の下の第３の絶縁層１３０におけるトレンチ１３２のようなトレンチを形成し、また、同時に、金属線５２−５８の全部又は一部に至るバイアを形成する（第２のバイア・エッチ・マスク１２０において与えられるバイア開口に依存する）。この点では、このようなバイアは、ｘ及びｙの両方の方向において自己位置合わせされるが、これは、第１のバイア・マスク７０における開口の金属線５２−５８の側面と、第２のバイア・マスク１２０における開口の側壁とに対する自己位置合わせに起因する。すなわち、第１のバイア・マスク７０における開口は、ｘ軸に沿ったバイアに対する位置合わせを与え、第２のバイア・マスク１２０における開口は、ｙ軸に対する位置合わせを与える。従って、第２の反転金属配線マスクにおける開口１４２などのマスク開口の、バイア・マスク７０及び１２０における下位の開口に対する位置のずれは、結果として、集積回路構造１０とではなく下位の金属線と交差する絶縁層６０、９０を通過するバイアを生じさせる。もちろん、３つのマスク層におけるそれぞれのマスク開口をいくらか位置合わせしなければならない。そうでなければ、バイアは、形成されない。
【００２６】
従って、本発明は、上位の金属配線レベルのためのトレンチと、それぞれの金属配線レベルをより下位の金属配線レベルを含む下位の金属線と接続するバイアとを、単一のエッチング・ステップにおいて、形成することができる方法と構造とを含む。そのようなトレンチを金属を用いて充填して金属配線レベルを形成し、バイアを金属プラグを用いて充填して下位の金属配線層とそれ以後の金属配線レベルとを電気的に相互接続することは、同じ金属積層ステップにおいて同時に実行され、下位のバイア・エッチ・マスクすなわち下位の１又は複数の絶縁層におけるバイアの形成の際に機能するマスクは、バイア・エッチ・マスク層の上にある絶縁層に形成されたトレンチと合致している。異なる融点を有する金属を用いることにより、後続の金属配線層と金属が充填されたバイアとが本発明に従って形成され、それぞれの後続の金属配線レベルとそれに伴うバイアとは、先行の金属レベルよりも低い融点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】集積回路構造上に形成され下位の集積回路構造の種々の部分を選択的に電気的に相互接続する第１の金属配線レベルの一部分の図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩの線に沿った位置での垂直方向の部分的な断面図であり、第１の金属配線レベルから成る上昇した線を示す。
【図３】図２に示された構造の垂直方向の部分的な断面図であるが、金属配線の上に第１の絶縁層を積層し平坦化を行い、第１の絶縁層の上にバイア・マスク層を形成した後の図である。
【図４】図３の構造を上から見た部分的な図であるが、バイア・マスク層がパターニングされ、下位の第１の金属配線と位置合わせされた矩形のバイア開口を形成した後の図である。
【図５】図４のＶ−Ｖの線に沿った位置での部分的な断面図である。
【図６】パターニングされたバイア・マスク層の上に第２の絶縁層を形成した後での、図４及び図５の構造の垂直方向の部分的な断面図である。
【図７】図６の構造の平面図であり、第２の絶縁層の下のバイア・マスクにおける矩形の開口が、破線で示されている。
【図８】図６の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、第２の絶縁層の上にマスク層が形成され、パターニングがなされる前の状態を示している。
【図９】図８の構造の平面図であるが、第２の反転金属配線マスクのパターニングの後であり、この反転金属マスクの開口に位置合わせされた下位のバイア・マスクにおける矩形のバイア開口を破線で示している。
【図１０】Ｘ−Ｘの線に沿った位置での図９の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、それぞれのマスクを通過しての下位の絶縁層のエッチングの前の、パターニングされた第２の金属配線エッチ・マスクと、下位のバイア・エッチ・マスクとを示す。
【図１１】図１０の構造の部分的な断面図であり、第２の金属配線レベル・マスクを通過する上側の絶縁層をエッチングして第２の金属配線層の所望の部分に一致するトレンチを形成し、バイア・エッチ・マスクと下側の絶縁層とを通過してエッチングして第１の金属配線レベルに至るバイアを形成した後の図である。
【図１２】図１１の最終的な構造の垂直方向の部分的な断面図であり、トレンチが金属で充填され第２の金属配線レベルを形成し、バイアを金属で充填して第１の金属配線レベルと第２の金属配線レベルとを電気的に接続する状態を示している。
【図１３】図９の構造の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩの位置での垂直方向の部分的な断面図であり、パターニングされた金属配線エッチ・マスクを通過してバイア・エッチ・マスクに至るまで上側の絶縁層をエッチングした後での、パターニングされた金属配線エッチ・マスクと下位のバイア・エッチ・マスクのソリッド部分とを示している。
【図１４】図１３の最終的な構造の垂直方向の部分的な断面図であり、金属で充填され第２の金属配線レベルを形成するトレンチを示している。
【図１５】図９のＸＶ−ＸＶの線に沿った位置での垂直方向の部分的な断面図であり、パターニングされた金属配線エッチ・マスクを通過してバイア・エッチ・マスクに至るまで上側の絶縁層をエッチングした後での、パターニングされた金属配線エッチ・マスクと下位のバイア・エッチ・マスクのソリッド部分とを示している。
【図１６】図１５の最終的な構造の垂直方向の部分的な断面図であり、金属で充填され第２の金属配線レベルを形成するトレンチと、バイアを金属プラグで充填して第１の金属配線レベルと第２の金属配線レベルとを電気的に接続している状態を示している。
【図１７】本発明の第２の実施例によるバイア・マスクの構成を示す垂直方向の部分的な断面図の第１のものである。
【図１８】本発明の第２の実施例によるバイア・マスクの構成を示す垂直方向の部分的な断面図の第２のものである。
【図１９】本発明の第２の実施例によるバイア・マスクの構成を示す垂直方向の部分的な断面図の第３のものである。
【図２０】図１９に示されたバイア・マスク構造の部分的な平面図である。
【図２１】図１９及び図２０の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、バイア・マスク層の上に第２の絶縁層が形成され、第２の、反転金属配線エッチ・マスクが第２の絶縁層の上に形成された後の状態を示している。
【図２２】第２の絶縁層の上に形成された図２１に示された第２の、反転金属配線レベル・マスクの部分的な平面図である。
【図２３】図２２の構造のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩの線の位置での垂直方向の部分的な断面図であり、第２の反転金属配線レベル・マスクとバイア・マスクとの両方における開口を通過して第１のレベルの金属配線に至るまでエッチングされる下位の絶縁層の領域を、破線で示している。
【図２４】図２２の構造のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶの線の位置での垂直方向の部分的な断面図であり、第２の反転金属配線レベル・マスクにおける開口を通過してバイア・マスクに至るまでエッチングされる下位の絶縁層の領域を、破線で示している。
【図２５】図２３の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、示されたトレンチを金属で充填して第２の金属配線レベルを形成し、下位のバイアを金属で充填して第１の金属配線レベルと第２の金属配線レベルとを電気的に接続した後の状態を示している。
【図２６】図２４の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、示されたトレンチを金属で充填して第２の金属配線レベルを形成した後の状態を示している。
【図２７】図１９に示されたものと類似する構造の垂直方向の部分的な断面図であるが、本発明の第３の実施例により、第２の絶縁層がその上に形成され、第２のバイア・マスクが第２の絶縁層の上に形成された状態を示している。
【図２８】図２７の平面図であり、第２のバイア・エッチ・マスクを示しており、下位の第１のバイア・エッチ・マスクは破線で示されている。
【図２９】図２７の構造の垂直方向の部分的な断面図であり、第２のバイア・エッチ・マスクの上に形成された第３の絶縁層を示しており、更に、第２の反転金属配線マスクが、第３の絶縁層の上に形成されている状態が示されている。
【図３０】図２９の第２の反転金属配線マスクの平面図であり、下位の第１及び第２のバイア・マスクが破線で示されている。
【図３１】図３０の構造のＸＸＸ−ＸＸＸの線の位置での垂直方向の部分的な断面図であり、この構造を異方性エッチングして第２の金属配線レベルを形成し、両方のバイア・マスクを通過して第１の金属配線レベルの金属線にまで至るバイアが形成される状態が示されている。
【図３２】本発明の方法を図解する流れ図である。
Claims (13)
- 絶縁層において金属配線レベルと金属プラグが充填されたバイアとを形成する方法であって、前記金属プラグは、前記金属配線レベルと下位の金属配線レベルとを電気的に相互接続する、方法において、
（ａ）その上に第１の金属配線レベルが形成されている集積回路構造を提供するステップと、
（ｂ）前記第１の金属配線レベルの上に第１の整合絶縁層を形成するステップと、
（ｃ）前記第１の整合絶縁層の上に、整合バイア・エッチ・マスク層を形成するステップと、
（ｄ）前記第１の金属配線レベルの上にある前記整合バイア・エッチ・マスク層の上昇部分のすべてを除去するのに十分な程度まで前記整合バイア・エッチ・マスク層を平坦化し、よって、前記第１の整合絶縁層の下にある前記第１の金属配線レベルの上昇部分と位置合わせされた開口を前記整合バイア・エッチ・マスク層に形成するステップと、
（ｅ）前記平坦化された整合バイア・エッチ・マスク層の上に第２の絶縁層を形成するステップと、
（ｆ）前記第２の絶縁層の上に、前記バイア・エッチ・マスク層における前記開口の少なくともいくつかと合致する開口を有する第２の反転レベル金属配線マスクを形成するステップと、
（ｇ）前記第２の反転レベル金属配線マスクにおける前記開口を介して前記第２の絶縁層をエッチングして前記第２の絶縁層にトレンチを形成し、同時に、前記第２の絶縁層の前記エッチングにより露出された前記整合バイア・エッチ・マスク層における開口を介して前記第１の整合絶縁層にバイアをエッチングするステップと、
（ｈ）前記第２の絶縁層にエッチングされた前記トレンチと前記第１の整合絶縁層にエッチングされた前記バイアとを金属を用いて充填し、第２の金属配線レベルと、前記第１及び第２の金属配線レベルを電気的に接続する前記金属プラグとを形成するステップと、
を含んでおり、前記平坦化するステップ（ｄ）によって前記整合バイア・エッチ・マスク層に形成された前記開口は、前記開口の下にある前記第１の金属配線レベルと自己位置合わせされ、前記第２の絶縁層の前記エッチングにより露出された前記整合バイア・エッチ・マスク層における開口を介して前記第１の整合絶縁層にバイアをエッチングするステップ（ｇの一部）と、前記第１の整合絶縁層にエッチングされた前記バイアを金属を用いて充填して前記第１及び第２の金属配線レベルを電気的に接続するステップ（ｈの一部）とにより、結果的に、前記下位の金属配線と位置合わせされた金属プラグが形成されることを特徴とする方法。 - 請求項１記載の方法において、前記第１の整合絶縁層と前記第２の絶縁層とは、同じエッチング・システムを用いてエッチングすることが可能な材料から形成されていることを特徴とする方法。
- 請求項２記載の方法において、前記第１の整合絶縁層と前記第２の絶縁層とは、シリコン酸化物から形成されていることを特徴とする方法。
- 請求項３記載の方法において、前記バイア・エッチ・マスク層は、窒化シリコンから形成されていることを特徴とする方法。
- 請求項２記載の方法において、金属を用いて前記トレンチと前記バイアとを充填する前記ステップ（ｈ）は、前記第１の金属配線レベルを形成するのに用いられた金属よりも低い融点を有する金属を選択するステップを更に含み、よって、金属を用いて前記トレンチと前記バイアとを充填する前記ステップ（ｈ）は、結果的に前記第１の金属配線レベルを形成するのに用いられた金属の融解を生じさせないことを特徴とする方法。
- 請求項２記載の方法において、金属を用いて前記トレンチと前記バイアとを充填する前記ステップ（ｈ）において、前記トレンチの充填と前記前記バイアの充填とは同時に実行されることを特徴とする方法。
- 請求項２記載の方法において、第１の整合絶縁層を形成する前記ステップ（ｂ）は、前記第１の絶縁層の上側表面を平坦化するステップを更に含むことを特徴とする方法。
- 請求項２記載の方法において、前記第２のレベル金属配線マスクにおける前記開口は、矩形であり、前記第１の金属配線レベルにおける下位の金属線の長軸と直交する長軸を有することを特徴とする方法。
- 請求項２記載の方法において、金属配線レベルと相互接続バイアとが、ステップ（ｂ）から（ｇ）までを反復することにより前記集積回路構造の上に更に形成されることを特徴とする方法。
- 請求項２記載の方法において、
ａ）前記整合バイア・エッチ・マスクの上に、平坦化された絶縁層を形成するステップと、
ｂ）前記平坦化された絶縁層の上に、第２のバイア・エッチ・マスクを形成するステップと、
ｃ）前記第２のバイア・エッチ・マスクの上に、更なる絶縁層を形成するステップと、
ｄ）前記更なる絶縁層の上に、前記反転金属配線マスクを形成するステップと、
を更に含むことを特徴とする方法。 - 請求項２記載の方法において、前記第２の絶縁層を形成する前記ステップ（ｅ）よりも後に、
（ｅ−１）前記第２の絶縁層の上に、マスク開口のパターンが形成されている第２のバイア・エッチ・マスクを形成するステップと、
（ｅ−２）前記第２のバイア・エッチ・マスクの上に第３の絶縁層を形成するステップと、
を更に含んでおり、第２の反転レベル金属配線マスクを形成する前記ステップ（ｆ）は、前記第３の絶縁層の上に前記第２の反転金属配線マスクを形成するステップを更に含むことを特徴とする方法。 - 第２の金属配線レベルを形成し、前記形成された第２の金属配線レベルの下のシリコン酸化物絶縁層に形成されたバイアに金属プラグを形成する方法であって、前記金属プラグは前記第２の金属配線レベルと前記シリコン酸化物絶縁層の下の第１の金属配線レベルとを電気的に相互接続する、方法において、
（ａ）その上に１又は複数の上昇した金属線が形成されている集積回路構造を提供するステップと、
（ｂ）前記１又は複数の上昇した金属線の上に、第１の整合シリコン酸化物絶縁層を形成するステップと、
（ｃ）前記第１の整合シリコン酸化物絶縁層の上に、整合シリコン酸化物バイア・エッチ・マスク層を形成するステップと、
（ｄ）前記第１の金属配線レベルの上にある前記整合バイア・エッチ・マスク層の上昇部分のすべてを除去するのに十分な程度まで前記整合バイア・エッチ・マスク層を平坦化し、よって、前記第１の整合シリコン酸化物絶縁層の下にある前記第１の金属配線レベルの上昇部分と位置合わせされた開口を前記整合バイア・エッチ・マスク層に形成するステップと、
（ｅ）前記平坦化された整合バイア・エッチ・マスク層の上に第２のシリコン酸化物絶縁層を形成するステップと、
（ｆ）前記第２のシリコン酸化物絶縁層の上に、前記バイア・エッチ・マスク層における前記開口の少なくともいくつかと合致する開口を有する第２の反転レベル金属配線マスクを形成するステップと、
（ｇ）前記第２の反転レベル金属配線マスクにおける前記開口を介して前記第２のシリコン酸化物絶縁層をエッチングして前記第２のシリコン酸化物絶縁層にトレンチを形成し、前記第２のシリコン酸化物絶縁層の前記エッチングにより露出された前記整合バイア・エッチ・マスク層における開口を介して前記第１の整合シリコン酸化物絶縁層にバイアをエッチングするステップと、
（ｈ）前記第２のシリコン酸化物絶縁層にエッチングされた前記トレンチと前記第１の整合シリコン酸化物絶縁層にエッチングされた前記バイアとを、前記１又は複数の金属ライン金属よりも低い融点を有する金属を用いて充填し、第２の金属配線レベルと、前記第１及び第２の金属配線レベルを電気的に接続する前記金属プラグとを形成するステップと、
を含んでおり、前記平坦化するステップ（ｄ）によって前記整合シリコン酸化物バイア・エッチ・マスク層に形成された前記開口は、前記開口の下にある前記第１の金属配線レベルと自己位置合わせされ、前記第２のシリコン酸化物絶縁層の前記エッチングにより露出された前記整合バイア・エッチ・マスク層における開口を介して前記第１の整合シリコン酸化物絶縁層にバイアをエッチングするステップ（ｇの一部）と、前記第１の整合シリコン酸化物絶縁層にエッチングされた前記バイアを金属を用いて充填して前記第１及び第２の金属配線レベルを電気的に接続するステップ（ｈの一部）とにより、結果的に、下位にある前記第１の金属配線と位置合わせされた金属プラグが形成されることを特徴とする方法。 - 金属配線レベルを形成し、前記金属配線レベルよりも下位にある絶縁層において金属プラグが充填されたバイアを形成する方法であって、前記金属プラグは前記金属配線レベルと前記金属配線レベルよりも下位にある金属配線レベルとを電気的に相互接続する、方法において、
（ａ）その上に第１の金属配線レベルが形成されている集積回路構造を提供するステップと、
（ｂ）前記第１の金属配線レベルの上に、第１の整合絶縁層を形成するステップと、
（ｃ）前記第１の整合絶縁層の上に、整合バイア・エッチ・マスク層を形成するステップと、
（ｄ）前記第１の金属配線レベルの上にある前記整合バイア・エッチ・マスク層の上昇部分のすべてを除去するのに十分な程度まで前記整合バイア・エッチ・マスク層を平坦化し、よって、前記第１の整合絶縁層の下にある前記第１の金属配線レベルの上昇部分と位置合わせされた開口を前記整合バイア・エッチ・マスク層に形成するステップと、
（ｅ）前記平坦化された整合バイア・エッチ・マスク層の上に第２の絶縁層を形成するステップと、
（ｆ）前記第２の絶縁層の上に、マスク開口のパターンを有する第２のバイア・エッチ・マスクを形成するステップと、
（ｇ）前記第２のバイア・エッチ・マスクの上に第３の絶縁層を形成するステップと、
（ｈ）前記第３の絶縁層の上に、前記第２のバイア・エッチ・マスクにおける前記開口の少なくともいくつかと合致する開口を有する第２の反転レベル金属配線マスクを形成するステップと、
（ｉ）前記第２の反転レベル金属配線マスクにおける前記開口を介して前記第３の絶縁層をエッチングして前記第３の絶縁層にトレンチを形成し、前記第３の絶縁層における前記トレンチの前記形成と前記第２の絶縁層における前記バイアの前記形成とによってそれぞれ露出された前記第２のバイア・エッチ・マスクと前記整合バイア・エッチ・マスク層とにおける開口を介して前記第１の整合絶縁層と前記第２の絶縁層とにおいてバイアをエッチングするステップと、
（ｊ）前記第３の絶縁層にエッチングされた前記トレンチと前記第１の整合絶縁層にエッチングされた前記バイアとを金属を用いて充填し、第２の金属配線レベルと、前記第１及び第２の金属配線レベルを電気的に接続する前記金属プラグとを形成するステップと、
を含んでおり、前記平坦化するステップ（ｄ）によって前記整合バイア・エッチ・マスク層に形成された前記開口は、前記開口の下にある前記第１の金属配線レベルと自己位置合わせされ、前記第２の絶縁層における前記バイアの前記エッチングにより露出された前記整合バイア・エッチ・マスク層における開口を介して前記第１の整合絶縁層にバイアをエッチングするステップ（ｉの一部）と、前記第１の整合絶縁層と前記第２の絶縁層とにエッチングされた前記バイアとを金属を用いて充填して前記第１及び第２の金属配線レベルを電気的に接続するステップ（ｊの一部）とにより、結果的に、下位にある前記第１の金属配線と位置合わせされた金属プラグが形成されることを特徴とする方法。
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