JP4228833B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）を用いて絶縁膜内にタングステンプラグを埋め込む方法に適用して好適なものである。

従来の半導体装置では、例えば、特許文献１に開示されているように、タングステンプラグを絶縁膜内に形成する場合、研磨速度の異なる研磨剤を用いてタングステン膜、窒化チタン膜およびチタン膜の研磨を行うことにより、絶縁膜によるエロージョンを低減することが行われている。
特開平１０−２１４８３４号公報

しかしながら、従来の半導体装置では、ＣＭＰを用いてタングステン膜の研磨を行うと、タングステンプラグが埋め込まれる開口部内に絶縁膜の研磨屑が堆積し、タングステンプラグの導通不良が発生するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、絶縁膜内に埋め込まれたプラグの導通不良を低減させることが可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、絶縁層上に形成された下層配線層と、前記下層配線層上に形成された層間絶縁層と、前記層間絶縁層上に形成された上層配線層と、前記層間絶縁層に形成された開口部と、前記開口部に埋め込まれ、前記下層配線層と前記上層配線層とを接続するプラグと、前記プラグ上に存在する酸化層が除去された酸化層除去領域とを備えることを特徴とする。

これにより、プラグ上に存在する酸化層が除去された状態で、プラグと上層配線層とを接続することができる。このため、層間絶縁層に埋め込まれたプラグを形成する際に、プラグ上に酸化層が生成された場合においても、層間絶縁層内に埋め込まれたプラグの導通不良を低減させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記酸化層は前記層間絶縁層の研磨屑を含むことを特徴とする。

これにより、プラグを形成するためのＣＭＰに起因して、層間絶縁層の研磨屑がプラグ上に堆積した場合においても、プラグ上に存在する研磨屑が除去された状態で、プラグと上層配線層とを接続することができ、層間絶縁層内に埋め込まれたプラグの導通不良を低減させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、絶縁層上に形成された下層配線層と、前記下層配線層上に形成された層間絶縁層と、前記層間絶縁層上に形成された上層配線層と、前記層間絶縁層に形成された開口部と、前記開口部の途中まで埋め込まれ、前記下層配線層と前記上層配線層とを接続するプラグとを備えることを特徴とする。

これにより、プラグを形成するためのＣＭＰに起因して、プラグが埋め込まれた開口部内に研磨屑が堆積した場合においても、開口部から研磨屑が除去された状態で、プラグと上層配線層とを接続することができ、層間絶縁層内に埋め込まれたプラグの導通不良を低減させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、絶縁層上に下層配線層を形成する工程と、前記下層配線層上に層間絶縁層を形成する工程と、前記層間絶縁層に開口部を形成する工程と、前記下層配線層に接続され、前記開口部に埋め込まれたプラグを形成する工程と、前記プラグ上に生成された酸化層を除去する工程と、前記酸化層が除去されたプラグに接続される上層配線層を前記層間絶縁層上に形成する工程とを備えることを特徴とする。

これにより、プラグ上に生成された酸化層を除去してから、プラグと上層配線層とを接続することができる。このため、層間絶縁層に埋め込まれたプラグを形成する際に、プラグ上に酸化層が生成された場合においても、層間絶縁層内に埋め込まれたプラグの導通不良を低減させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、絶縁層上に下層配線層を形成する工程と、前記下層配線層上に層間絶縁層を形成する工程と、前記層間絶縁層に開口部を形成する工程と、前記開口部内を埋め込むようにして、前記層間絶縁層上に導電膜を形成する工程と、前記導電膜の研磨を行うことにより前記層間絶縁層の表面を露出させ、前記開口部に埋め込まれたプラグを形成する工程と、前記プラグ上に堆積された前記層間絶縁層の研磨屑を除去する工程と、前記研磨屑が除去されたプラグに接続される上層配線層を前記層間絶縁層上に形成する工程とを備えることを特徴とする。

これにより、プラグを形成するためのＣＭＰに起因して、プラグが埋め込まれた開口部内に研磨屑が堆積した場合においても、開口部から研磨屑を除去した後に、プラグと上層配線層とを接続することができ、層間絶縁層内に埋め込まれたプラグの導通不良を低減させることが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、前記層間絶縁層の研磨屑を除去する工程は、前記研磨屑のドライエッチング工程、前記研磨屑のウェットエッチング工程または前記研磨屑の研磨工程であることを特徴とする。

これにより、層間絶縁層の研磨屑が開口部内に堆積した場合においても、層間絶縁層の研磨屑を安定して除去することができ、縁膜内に埋め込まれたプラグの導通不良を低減させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る半導体装置およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。
図１および図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図１（ａ）において、例えば、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮを絶縁層１上に順次スパッタし、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮからなる積層構造をパターニングすることにより、絶縁層１上に下層配線層２を形成する。

そして、例えば、高密度プラズマＣＶＤにより、下層配線層２間の隙間の深い部分が埋め込まれるように、層間絶縁膜３を下層配線層２上に形成する。ここで、高密度プラズマＣＶＤを用いて層間絶縁膜３を形成することにより、ギャップフィル特性を向上させることが可能となり、下層配線層２のアスペクト比が高く、間隔が狭い場合においても、下層配線層２間の隙間を精度よく埋め込むことができる。

なお、下層配線層２上に層間絶縁膜３を形成する場合、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いたプラズマＣＶＤにより、層間絶縁膜３を成膜するようにしてもよい。
そして、層間絶縁膜３が下層配線層２上に形成されると、例えば、ＣＭＰを用いて、層間絶縁膜３の表面を研磨することにより、層間絶縁膜３の表面を平坦化する。

そして、層間絶縁膜３の表面が平坦化されると、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、層間絶縁膜３をパターニングすることにより、下層配線層２を露出させる開口部４を層間絶縁膜３に形成する。
そして、開口部４が層間絶縁膜３に形成されると、スパッタリングなどの方法を用いてＴｉ／ＴｉＮを順次成膜することにより、開口部４が設けられた層間絶縁膜３にバリアメタル膜５を形成する。そして、層間絶縁膜３にバリアメタル膜５が形成されると、例えば、ＷＦ₆／ＳｉＨ₄／Ｈ₂／Ａｒ系ガスを用いたＣＶＤを行うことにより、バリアメタル膜５上にタングステン膜６を形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、ＣＭＰを用いてバリアメタル膜５およびタングステン膜６の研磨を行うことにより、層間絶縁膜３の表面を露出させ、開口部４内に埋め込まれたタングステンプラグ６´を形成する。ここで、ＣＭＰを用いてバリアメタル膜５およびタングステン膜６の研磨を行うと、層間絶縁膜３の表面が露出した際に、層間絶縁膜３の研磨屑７がタングステンプラグ６´上の開口部４内に堆積し、研磨屑７を含む酸化層がタングステンプラグ６´上に形成される。

次に、図２（ａ）に示すように、タングステンプラグ６´上に形成された研磨屑７を含む酸化層のドライエッチングまたはウェットエッチングを行うことにより、研磨屑７を含む酸化層を除去する。ここで、ドライエッチングを用いて研磨屑７を含む酸化層を除去する場合、エッチングガスとして、例えば、Ｃ₄Ｆ₈、Ｏ₂、ＣＯおよびＡｒの混合ガスを用いることができる。または、Ｃ₄Ｆ₈、Ｏ₂、ＣＯおよびＡｒの混合ガスにＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨＦ₃またはＣＦ₄を添加するようにしてもよい。また、ウェットエッチングを用いて研磨屑７を含む酸化層を除去する場合、エッチング液として、例えば、フッ酸またはフッ酸とフッ化アンモンとの混合液などを用いることができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、例えば、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮを研磨屑７が除去された層間絶縁膜３上に順次スパッタし、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮからなる積層構造をパターニングすることにより、タングステンプラグ６´に接続された上層配線層８を層間絶縁膜３上に形成する。

これにより、タングステンプラグ６´を形成するためのＣＭＰに起因して、タングステンプラグ６´が埋め込まれた開口部４内に研磨屑７が堆積した場合においても、開口部４から研磨屑７を除去した後に、タングステンプラグ６´と上層配線層８とを接続することができ、層間絶縁層３内に埋め込まれたタングステンプラグ６´の導通不良を低減させることが可能となる。

図３および図４は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図３（ａ）において、例えば、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮを絶縁層１１上に順次スパッタし、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮからなる積層構造をパターニングすることにより、絶縁層１１上に下層配線層１２を形成する。

そして、例えば、高密度プラズマＣＶＤにより、下層配線層１２間の隙間の深い部分が埋め込まれるように、層間絶縁膜１３を下層配線層１２上に形成する。ここで、高密度プラズマＣＶＤを用いて層間絶縁膜１３を形成することにより、ギャップフィル特性を向上させることが可能となり、下層配線層１２のアスペクト比が高く、間隔が狭い場合においても、下層配線層１２間の隙間を精度よく埋め込むことができる。

そして、層間絶縁膜１３が下層配線層１２上に形成されると、例えば、ＣＭＰを用いて層間絶縁膜１３の表面を研磨することにより、層間絶縁膜１３の表面を平坦化する。
そして、層間絶縁膜１３の表面が平坦化されると、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、層間絶縁膜１３をパターニングすることにより、下層配線層１２を露出させる開口部１４を層間絶縁膜１３に形成する。

そして、開口部１４が層間絶縁膜１３に形成されると、スパッタリングなどの方法を用いてＴｉ／ＴｉＮを順次成膜することにより、開口部１４が設けられた層間絶縁膜１３にバリアメタル膜１５を形成する。そして、層間絶縁膜１３にバリアメタル膜１５が形成されると、例えば、ＷＦ₆／ＳｉＨ₄／Ｈ₂／Ａｒ系ガスを用いたＣＶＤを行うことにより、バリアメタル膜１５上にタングステン膜１６を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＣＭＰを用いてバリアメタル膜１５およびタングステン膜１６の研磨を行うことにより、層間絶縁膜１３の表面を露出させ、開口部１４内に埋め込まれたタングステンプラグ１６´を形成する。なお、バリアメタル膜１５およびタングステン膜１６の研磨を行う場合、研磨スラリーとしては、例えば、砥粒としてＳｉＯ₂、加工液／添加剤としてＦｅ（ＮＯ₃）₂、Ｈ₂Ｏ₂、（ＫＩＯ₃）を用いることができる。または、砥粒としてＡｌ₂Ｏ₃またはＭｎＯ₂、加工液／添加剤としてＦ₂（ＮＯ₃）₂、Ｈ₂Ｏ₂、（ＫＩＯ₃）を用いることができる。

ここで、ＣＭＰを用いてバリアメタル膜１５およびタングステン膜１６の研磨を行うと、層間絶縁膜１３の表面が露出した際に、層間絶縁膜１３の研磨屑１７がタングステンプラグ１６´上の開口部１４内に堆積し、研磨屑１７を含む酸化層がタングステンプラグ１６´上に形成される。
次に、図４（ａ）に示すように、ＣＭＰを用いて研磨屑１７を含む酸化層の研磨を行うことにより、タングステンプラグ１６´上に形成された研磨屑１７を含む酸化層を除去する。なお、タングステンプラグ１６´上に形成された研磨屑１７を含む酸化層の研磨を行う場合、バリアメタル膜１５およびタングステン膜１６の研磨時の研磨スラリーと異なるものを用いることができ、例えば、砥粒としてＳｉＯ₂、加工液／添加剤としてＫＯＨ、ＮＨ₄ＯＨ、Ｈ₂Ｏを用いることができる。または、砥粒としてＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂、ＡｌＯ₃またはＭｎ₂Ｏ₃、加工液／添加剤としてＨ₂Ｏ、（ＮＨ₄ＯＨ）を用いることができる。
水酸化カリウム（ＫＯＨ）やアンモニア（ＮＨ₄ＯＨ）などのアルカリベースの液にシリカ砥粒を分散させたものを用いることができる。

次に、図４（ｂ）に示すように、例えば、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮを研磨屑１７が除去された層間絶縁膜１３上に順次スパッタし、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮからなる積層構造をパターニングすることにより、タングステンプラグ１６´に接続された上層配線層１８を層間絶縁膜１３上に形成する。

これにより、タングステンプラグ１６´を形成するためのＣＭＰに起因して、タングステンプラグ１６´が埋め込まれた開口部１４内に研磨屑１７が堆積した場合においても、開口部１４から研磨屑１７を除去した後に、タングステンプラグ１６´と上層配線層１８とを接続することができ、層間絶縁層１３内に埋め込まれたタングステンプラグ１６´の導通不良を低減させることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、下層配線層２、１２および上層配線層８、１８として、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造をそれぞれ用いる方法について説明したが、下層配線層２、１２および上層配線層８、１８として、ＴｉＮ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造、ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／ＴｉＮ構造、ＴｉＮ／Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造、ＴｉＮ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造またはＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造などをそれぞれ用いるようにしてもよい。

また、層間絶縁層３、１３としては、例えば、シリコン酸化膜またはフッ化珪酸ガラス膜（ＦＳＧ膜）などを用いることができる。また、例えば、「Ｓｉｌｋ（米Ｔｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．製）」などのＰＡＥ（ｐｏｌｙ ａｒｙｌｅｎｅｅｔｈｅｒ）系材料、ＨＳＱ（ｈｙｄｒｏｇｅｎｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）系材料、ＭＳＱ（ｍｅｔｈｙｌ ｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）系材料などの有機ｌｏｗｋ材料などを用いるようにしてもよい。

第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図

符号の説明

１、１１ 絶縁層、２、１２ 下層配線層、３、１３ 層間絶縁層、４、１４ 開口部、５、１５ バリアメタル膜、６、１６ タングステン膜、６´、１６´ タングステンプラグ、７、１７ 削り屑、８、１８ 上層配線層

Claims (5)

1. 第１配線層を形成する工程と、
   前記第１配線層上に層間絶縁層を形成する工程と、
   前記層間絶縁層に開口部を形成する工程と、
   前記開口部および前記層間絶縁層上にタングステン膜を形成する工程と、
   前記タングステン膜を研磨することにより、前記開口部内にタングステンプラグを形成する工程と、
   前記タングステンプラグ上に形成された酸化層をアルカリベースのスラリーを用いて研磨することにより、該酸化層を除去する工程と、
   前記タングステンプラグ上に第２配線層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 第１配線層を形成する工程と、
   前記第１配線層上に層間絶縁層を形成する工程と、
   前記層間絶縁層に開口部を形成する工程と、
   前記開口部および前記層間絶縁層上にタングステン膜を形成する工程と、
   前記タングステン膜を研磨することにより、前記開口部内にタングステンプラグを形成する工程と、
   前記タングステンプラグ上に形成された酸化層を、水酸化カリウムを含むスラリーを用いて研磨することにより、該酸化層を除去する工程と、
   前記タングステンプラグ上に第２配線層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 第１配線層を形成する工程と、
   前記第１配線層上に層間絶縁層を形成する工程と、
   前記層間絶縁層に開口部を形成する工程と、
   前記開口部および前記層間絶縁層上にタングステン膜を形成する工程と、
   前記タングステン膜を研磨することにより、前記開口部内にタングステンプラグを形成する工程と、
   前記タングステンプラグ上に形成された酸化層を、アンモニアを含むスラリーを用いて研磨することにより、該酸化層を除去する工程と、
   前記タングステンプラグ上に第２配線層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記タングステン膜の研磨はＣＭＰであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記酸化層の研磨はＣＭＰであることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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