JP4852234B2

JP4852234B2 - ボイド発生が防止される金属配線構造及び金属配線方法

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Publication number: JP4852234B2
Application number: JP2004222508A
Authority: JP
Inventors: 正勳安; 孝鐘李; 京泰李; 敬雨李; 守根李; 鋒錫徐
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: CN1581476A; CN100392853C; JP2005057277A; US6953745B2; US20050029010A1; KR100555513B1; KR20050015190A

Description

本発明は半導体素子の金属配線構造及び金属配線方法に係り、特にビアコンタクト内のボイド発生が防止される金属配線構造及び金属配線方法に関する。

最近、半導体素子の高速化に関わる多くの要求によって金属配線として既存のアルミニウム配線の代わりに銅配線が脚光を浴びている。ほぼ２．７４μｍ−ｃｍの比抵抗を有するアルミニウムに比べ、銅はほぼ１．７２μｍ−ｃｍの低い比抵抗を有するので、銅配線が採用された半導体素子はアルミニウム配線を採用した半導体素子に比べて向上された性能を示せる。

この他にも、銅配線は低温工程で形成できるので、金属間絶縁膜として低誘電率を有する物質膜を使用でき、これにより信号伝達（ＲＣ）遅延を顕著に減少させられるという利点も提供される。しかし、アルミニウム配線パターンを形成することより、銅配線パターンを形成することの方がさらに困難である。その理由は銅がアルミニウムに比べてエッチングがさらに困難なためである。

しかし、最近にはダマシン工程を適用して銅配線パターンを形成することによってこのような問題が解決され、ほとんどあらゆる半導体分野でアルミニウム配線の代わりに銅配線を使用している趨勢である。

ダマシン工程を使用して銅配線を形成するためには、まず下部銅配線膜上に順次に積層される金属間絶縁膜パターン及び層間絶縁膜パターンを形成する。金属間絶縁膜パターンは下部銅配線膜の一部表面を露出させるビアコンタクトホールを有し、層間絶縁膜パターンはビアコンタクトホールを露出させるトレンチを有する。この状態で障壁金属層を形成し、続いて銅配線膜をトレンチ及びビアコンタクトホール内部が完全に充填されるように形成する。次に、平坦化工程を行って上部銅配線膜を完成する。

ところで、このようにダマシン工程を使用して銅配線を形成する過程で、熱応力と結晶粒成長による体積収縮とによって銅配線内に応力が発生する。この応力は上部銅配線膜の幅が狭い場合、すなわち上部銅配線膜内の空孔が少ない場合には大きい問題とならない。しかし、上部銅配線膜の幅が広い場合、すなわち上部銅配線膜内の空孔が多い場合には応力勾配により、ビアコンタクトホール内に前記空孔が集まりボイドを形成させ、配線短絡を誘発させて全体的に素子の信頼性を劣悪にする。この時、上部金属膜内の空孔は結晶粒界のような移動経路を介して拡散して集まる。

本発明が解決しようとする技術的課題は、ボイドがビアコンタクト内にできない構造を有する金属配線構造を提供することである。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、ダマシン工程を使用してメタル配線構造を形成する際に、ビアコンタクト内にボイドを発生させない金属配線方法を提供することである。

前記技術的課題を達成するために、本発明のさらに他の実施例による金属配線構造は、第１層間絶縁膜内に配された下部金属配線膜パターンと、前記第１層間絶縁膜及び下部金属膜パターン上で前記下部金属膜パターンの一部表面を露出させるビアコンタクトホールを有する金属間絶縁膜と、前記ビアコンタクトホール内部面及び前記下部金属配線膜パターンの露出表面上に形成された障壁金属層と、前記障壁金属層上で前記ビアコンタクトホール内部を充填するビアコンタクトと、前記金属間絶縁膜及びビアコンタクト上で前記金属間絶縁膜の一部表面及びビアコンタクトの上部表面を露出させるトレンチを有する第２層間絶縁膜と、前記金属間絶縁膜及び前記ビアコンタクト上で前記トレンチの底面および側面を被覆する、第１厚さの第１上部金属配線膜パターンと、前記第１上部金属配線膜パターン上に形成されたボイド拡散防止膜と、前記ボイド拡散防止膜上で前記トレンチ内部を全て充填する第２厚さの第２上部金属配線膜パターンとを備えることを特徴とする。

前記第２上部金属配線膜パターンの第２厚さは前記第１上部金属配線膜パターンの第１厚さの５倍以上であることが望ましい。

前記技術的課題を達成するために、本発明のさらに他の実施例による金属配線構造は、第１層間絶縁膜内で相互離隔された第１領域及び第２領域にそれぞれ配される第１及び第２下部金属配線膜パターンと、前記第１層間絶縁膜と前記第１及び第２下部金属配線膜パターン上に形成され、前記第１下部金属配線膜パターンの一部表面を露出させる第１ビアコンタクトホール及び前記第２下部金属配線膜パターンの一部表面を露出させる第２ビアコンタクトホールを含む、ビアコンタクトホールのみを有する金属間絶縁膜と、前記第１ビアコンタクトホール及び第２ビアコンタクトホール内にそれぞれ形成された第１及び第２障壁金属層と、前記第１及び第２障壁金属層上でそれぞれ第１及び第２ビアコンタクトホールを充填するように形成された第１及び第２ビアコンタクトと、前記金属間絶縁膜上に形成され、前記第１ビアコンタクトの上部面を露出させる第１トレンチ及び前記第２ビアコンタクトの上部面を露出させる第２トレンチを有する第２層間絶縁膜と、前記第１トレンチを充填するように形成された第１上部金属配線膜パターンと、前記第２トレンチの底面および側面を被覆するように前記第１および第２障壁金属層上に形成されることによって、前記第２トレンチ内の第３トレンチを形成させる第２上部金属配線膜パターンと、前記第２上部金属配線膜パターン上に形成されたボイド拡散防止層と、前記ボイド拡散防止層上で前記第３トレンチを充填する第３上部金属配線膜パターンとを含むことを特徴とする。

前記他の技術的課題を達成するために、本発明の他の実施例による金属配線方法は、第１層間絶縁膜内に相互離隔された第１及び第２下部金属配線膜パターンを形成する段階と、前記第１層間絶縁膜と前記第１及び第２下部金属配線膜パターン上に金属間絶縁膜を形成する段階と、前記金属間絶縁膜の一部を除去し、前記第１及び第２下部金属配線膜パターンの一部表面をそれぞれ露出させる第１コンタクトホール及び第２コンタクトホールを形成する段階と、前記金属間絶縁膜と前記第１及び第２下部金属配線膜パターンの露出表面上に障壁金属層を形成する段階と、前記第１コンタクトホール及び第２コンタクトホールが充填されるように前記障壁金属層上に金属膜を形成する段階と、平坦化を行い、前記金属膜を前記第１コンタクトホール内の第１ビアコンタクト及び前記第２コンタクトホール内の第２ビアコンタクトに分離させる段階と、前記金属間絶縁膜、第１ビアコンタクト及び第２ビアコンタクト上に第２層間絶縁膜を形成する段階と、前記第２層間絶縁膜の一部を除去し、前記第１ビアコンタクト及び第２ビアコンタクトの上部面をそれぞれ露出させる第１トレンチ及び第２トレンチを形成する段階と、前記第１トレンチが充填されるように第１上部金属配線膜を形成し、前記第２トレンチ内部底面および側面を被覆するように前記障壁金属層上に第２上部金属配線膜を形成することにより、第３トレンチを形成させる段階と、前記第３トレンチを有する第１上部金属配線膜上にボイド拡散防止層を形成する段階と、前記第３トレンチが充填されるように前記ボイド拡散防止層上に第２上部金属配線膜を形成する段階と、平坦化を行い、前記第１トレンチ内の第１上部金属配線膜と前記第２及び第３トレンチ内の第２及び第３上部金属配線膜とを分離させる段階とを含むことを特徴とする。

本発明による金属配線構造及び金属配線方法によれば、応力勾配により上部金属配線膜パターン内のボイドが下部のビアコンタクト内部に広がる経路上にボイド拡散防止膜を配することにより、ビアコンタクト内部にボイドを発生させず、これにより素子の安定性を向上させられる。

以下、添付された図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は本発明による金属配線構造の一実施例を示した断面図である。

図１を参照すれば、第１層間絶縁膜１０６内に相互離隔された第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂが配される。図面上では、第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂは相互離隔されているが、図示されていない他の部分で相互連結されることもある。また、第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂは絶縁膜１０４を介在して半導体基板１０２から分離されているが、図示されていない他の部分でのコンタクトを介して半導体基板１０２の所定領域、例えばアクティブ領域と連結されるのが一般的である。第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂは銅膜パターンであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。

第１層間絶縁膜１０６と、第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂ上には金属間絶縁膜１１２が配される。金属間絶縁膜１１２は低誘電率、例えば３以下の誘電率を有する低誘電体物質膜である。このように低誘電率を有する低誘電体物質膜を金属間絶縁膜１１２として使用することによってＲＣ遅延時間を縮められる。金属間絶縁膜１１２は第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第２ビアコンタクトホール１２０ｂを有する。第１ビアコンタクトホール１２０ａは金属間絶縁膜１１２を貫通して第１下部金属配線膜パターン１０８ａの一部表面を露出させる。第２ビアコンタクトホール１２０ｂは金属間絶縁膜１１２を貫通して第２下部金属配線膜パターン１０８ｂの一部表面を露出させる。一方、金属間絶縁膜１１２下部には第１エッチング停止膜１１０が配される。第１エッチング停止膜１１０は第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第２ビアコンタクトホール１２０ｂ形成のためのエッチング工程時にエッチング停止のために設けられる膜である。

金属間絶縁膜１１２上には第２層間絶縁膜１１６が配される。第２層間絶縁膜１１６は第１トレンチ１１８ａ及び第２トレンチ１１８ｂを有する。第１トレンチ１１８ａは第２層間絶縁膜１１６を貫通して第１ビアコンタクトホール１２０ａを完全に露出させる。したがって、第１トレンチ１１８ａの幅または断面積は第１ビアコンタクトホール１２０ａの幅または断面積より広い。第２トレンチ１１８ｂは第２層間絶縁膜１１６を貫通して第２ビアコンタクトホール１２０ｂを完全に露出させる。したがって、第２トレンチ１１８ｂの幅または断面積は第２ビアコンタクトホール１２０ｂの幅または断面積より広い。第２トレンチ１１８ｂの幅または断面積は、第１トレンチ１１８ａの幅または断面積より顕著に広いが、その差については後述する。

一方、第２層間絶縁膜１１６下部には第２エッチング停止膜１１４が配される。第２エッチング停止膜１１４は第１トレンチ１１８ａ及び第２トレンチ１１８ｂの形成のためのエッチング工程時にエッチング停止のために設けられる膜である。

第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第１トレンチ１１８ａ内部と第１下部金属配線膜パターン１０８ａの露出表面上には第１障壁金属層１２２ａが配される。第１障壁金属層１２２ａは第１ビアコンタクトホール１２０ａ内部を充填する第１上部金属配線膜１２４ａからの金属成分が金属間絶縁膜１１２に浸透して入っていく現象を防止するためのものもあり、この他にも公知のさまざまな利点を提供する。第１障壁金属層１２２ａは、タンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜及び窒化チタン膜のうち少なくともいずれか一つを含む単層膜または多層膜である。

第１障壁金属層１２２ａ上には第１上部金属配線膜パターン１２４ａが配される。第１上部金属配線膜パターン１２４ａは第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第１トレンチ１１８ａ内部を完全に充填する。第１上部金属配線膜パターン１２４ａは銅膜パターンであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。

第２ビアコンタクトホール１２０ｂ及び第２トレンチ１１８ｂ内部と第２下部金属配線膜パターン１０８ｂの露出表面上には第２障壁金属層１２２ｂが配される。第２障壁金属層１２２ｂは、前述の第１障壁金属層１２２ａと同様に第２ビアコンタクトホール１２０ｂ内部を充填する第２上部金属配線膜１２４ｂからの金属成分が金属間絶縁膜１１２に侵入して入っていく現象を防止するためのものであり、この他にも公知のさまざまな利点を提供する。第２障壁金属層１２２ａもタンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜及び窒化チタン膜のうち少なくともいずれか一つを含む単層膜または多層膜である。

第２障壁金属層１２２ｂ上には第２上部金属配線膜パターン１２４ｂが配される。第２上部金属配線膜パターン１２４ｂは銅膜パターンであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。この第２上部金属配線膜パターン１２４ｂは第２ビアコンタクトホール１２０ｂ内部を完全に充填するが、第２トレンチ１１８ｂ内部は完全に充填できずに一部だけを充填する。その結果、第２上部金属配線膜パターン１２４ｂにより第２トレンチ１１８ｂ内には第３トレンチ１２６が設けられる。第３トレンチ１２６が第２トレンチ１１８ｂより狭い幅または断面積を有するということは当然である。

第３トレンチ１２６内でボイド拡散防止膜１２８が第２上部金属配線膜パターン１２４ｂ上に形成される。そして、ボイド拡散防止膜１２８上には第３上部金属配線膜パターン１３０ｂが第３トレンチ１２６を充填しつつ配される。第３上部金属配線膜パターン１３０ｂは、第２上部金属配線膜パターン１２４ｂのような銅膜パターンであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。第３上部金属配線膜パターン１３０ｂの厚さは第２上部金属配線膜パターン１２４ｂの厚さの少なくとも５倍以上である。望ましくは、第２上部金属配線膜パターン１２４ｂの厚さはほぼ１０００Åほどであり、第３上部金属配線膜パターン１３０ｂの厚さはほぼ７０００Åほどである。

前記ボイド拡散防止膜１２８は、第３上部金属配線膜パターン１３０ｂ内に存在するボイドを第２ビアコンタクトホール１２０ｂ内に移動させないための膜である。このボイド拡散防止膜１２８は、タンタル膜、チタン膜及びアルミニウム膜のうち少なくともいずれか一つを含む単層膜または多層膜である。

前記金属配線構造は、デュアルダマシン工程により設けられうる金属配線構造である。デュアルダマシン工程を使用して金属配線構造を形成するにあたり、上部金属配線膜パターンが十分な幅または広さを有する場合、上部金属配線膜パターン内に存在するボイドが応力勾配によりビアコンタクトホール内に流入されて合わさり、その結果ビアコンタクトホール内に大きなボイドが設けられうるということはすでに説明した。しかし、実施例による金属配線構造において、第１上部金属配線膜パターン１２４ａは比較的狭い幅または断面積を有するが、その程度は第１上部金属配線膜パターン１２４ａ内のボイド密度が低く、たとえある程度の応力勾配が存在したとしても、ボイドが第１ビアコンタクトホール１２０ａ内部に円滑に流入されない程度である。一方、第２及び第３上部金属配線膜パターン１２４ｂ，１３０ｂは、第１上部金属配線膜パターン１２４ａに比べて比較的広い幅または断面積を有するが、その程度は第２及び第３上部金属配線膜パターン１２４ｂ，１３０ｂ内のボイド密度が高く、このボイドが第２ビアコンタクトホール１２０ｂ内部に円滑に流入される程度である。

本実施例による金属配線構造において、比較的狭い幅または断面積を有してボイド密度が低い領域、すなわち図面の左側配線領域では別のボイド拡散防止膜がなくとも、第１ビアコンタクトホール１２０ａ内にボイドが発生しない。そして、比較的広い幅または断面積を有してボイド密度が高い領域、すなわち図面の右側配線領域では第２上部金属配線膜パターン１２４ｂと第３上部金属配線膜パターン１３０ｂ間にボイド拡散防止膜１２８が配されることにより、第３上部金属配線膜パターン１３０ｂ内に多量に分布しているボイドが第２ビアコンタクトホール１２０ｂ内部に流入できず、その結果第２ビアコンタクトホール１２０ｂ内にもボイドが発生しない。

図２は本発明による金属配線構造の他の実施例を示した断面図である。本実施例による金属配線構造はシングルダマシン工程を適用して設けられる金属配線構造という点でデュアルダマシン工程を適用した図１の実施例とは異なる。

図２を参照すれば、第１層間絶縁膜２０６内に相互離隔された第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂが配される。図面上では、第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂは相互離隔されているが、図示されていない他の部分で相互連結されることもある。また第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂは絶縁膜２０４を介して半導体基板２０２から分離されているが、図示されていない他の部分でのコンタクトを介して半導体基板２０２の所定領域、例えばアクティブ領域と連結されることが一般的である。第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂは銅膜パターンであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。

第１層間絶縁膜２０６と、第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂ上には金属間絶縁膜２１２が配される。金属間絶縁膜２１２は低誘電率、例えば３以下の誘電率を有する低誘電体物質膜である。金属間絶縁膜２１２は第１ビアコンタクトホール２１４ａ及び第２ビアコンタクトホール２１４ｂを有する。第１ビアコンタクトホール２１４ａは金属間絶縁膜２１２を貫通して第１下部金属配線膜パターン２０８ａの一部表面を露出させる。第２ビアコンタクトホール２１４ｂは金属間絶縁膜２１２を貫通して第２下部金属配線膜パターン２０８ｂの一部表面を露出させる。一方、金属間絶縁膜２１２の下部には第１エッチング停止膜２１０が配される。第１エッチング停止膜２１０は第１ビアコンタクトホール２１４ａ及び第２ビアコンタクトホール２１４ｂ形成のためのエッチング工程時にエッチング停止のために設けられる膜である。

第１ビアコンタクトホール２１４ａの内部面と第１下部金属配線膜パターン２０８ａの露出面上には第１障壁金属層２１６ａが配される。第１障壁金属層２１６ａは、タンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜及び窒化チタン膜のうち少なくともいずれか一つを含む単層膜または多層膜である。第１障壁金属層２１６ａ上には第１ビアコンタクト２１８ａが形成される。第１ビアコンタクト２１８ａは、上下部の金属配線パターンを連結させるものであり、金属膜のような導電性物質膜であり、第１ビアコンタクトホール２１４ａ内部を完全に充填する。

同様に、第２障壁金属層２１６ｂが第２ビアコンタクトホール２１４ｂの内部面と第２下部金属配線膜パターン２０８ｂの露出面上に配される。第２障壁金属層２１６ｂは、タンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜及び窒化チタン膜のうち少なくともいずれか一つを含む単層膜または多層膜である。第２障壁金属層２１６ｂ上には第２ビアコンタクト２１８ｂが形成される。第２ビアコンタクト２１８ｂもまた上下部の金属配線パターンを連結させるものであり、金属膜のような導電性物質膜であり、第２ビアコンタクトホール２１４ｂの内部を完全に充填する。

金属間絶縁膜２１２上には第２層間絶縁膜２２２が配される。第２層間絶縁膜２２２は第１トレンチ２２４ａ及び第２トレンチ２２４ｂを有する。第１トレンチ２２４ａは第２層間絶縁膜２２２を貫通して第１ビアコンタクト２１８ａの上部面とその周囲の金属間絶縁膜２１２の一部とを露出させる。第２トレンチ２２４ｂは第２層間絶縁膜２２２を貫通して第２ビアコンタクト２１８ｂの上部面とその周囲の金属間絶縁膜２１２の一部とを露出させる。第２トレンチ２２４ｂの幅または断面積は、第１トレンチ２２４ａの幅または断面積より顕著に広いが、その差については前述のようにボイド密度の差と関係がある。一方、第２層間絶縁膜２２２の下部には第２エッチング停止膜２２０が配される。第２エッチング停止膜２２０は、第１トレンチ２２４ａ及び第２トレンチ２２４ｂ形成のためのエッチング工程時にエッチング停止のために設けられる膜である。

第１トレンチ２２４ａ内には第１上部金属配線膜パターン２２６ａが配される。第１上部金属配線膜パターン２２６ａの下部面は第１ビアコンタクト２１８ａの上部面とコンタクトされる。第２上部金属配線膜パターン２２６ａは銅膜パターンであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。

第２トレンチ２２４ｂ内には第２上部金属配線膜パターン２２６ｂ、ボイド拡散防止膜２３０及び第３上部金属配線膜パターン２３２ｂが順次に配される。第２上部金属配線膜パターン２２６ｂは銅膜パターンであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。具体的に、第２上部金属配線膜パターン２２６ｂの下部面は第２ビアコンタクト２１８ｂの上部面とコンタクトされ、第２トレンチ２２４ｂの内部を完全に充填できずに一部だけを充填する。その結果、第２上部金属配線膜パターン２２６ｂにより第２トレンチ２２４ｂ内には第３トレンチ２２８が設けられる。第３トレンチ２２８が第２トレンチ２２４ｂより狭い幅または断面積を有するということは当然である。第３トレンチ２２８内でボイド拡散防止膜２３０が第２上部金属配線膜パターン２２６ｂ上に形成され、ボイド拡散防止膜２３０上には第３上部金属配線膜パターン２３２ｂが第３トレンチ２２８が完全に充填されるように配される。

第３上部金属配線膜パターン２３２ｂは、第２上部金属配線膜パターン２２６ｂのような銅膜パターンであるが、必ずしもこれに限定されるものではない。第３上部金属配線膜パターン２３２ｂの厚さは第２上部金属配線膜パターン２２６ｂの厚さの少なくとも５倍以上である。望ましくは、第２上部金属配線膜パターン２２６ｂの厚さはほぼ１０００Åほどであり、第３上部金属配線膜パターン２３２ｂの厚さはほぼ７０００Åほどである。前記ボイド拡散防止膜２３０は、第３上部金属配線膜パターン２３２ｂ内に存在するボイドを第２ビアコンタクト２１８ｂ内に移動させないための膜であるということは前述のところと同一である。このボイド拡散防止膜２３０は、タンタル膜、チタン膜及びアルミニウム膜のうち少なくともいずれか一つを含む単層膜または多層膜である。

図３ないし図６は本発明による金属配線方法の一実施例を説明するために示した断面図である。本実施例による金属配線方法はデュアルダマシン工程を適用する配線方法である。

まず図３を参照すれば、第１層間絶縁膜１０２内に相互離隔された第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂを形成する。第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂは、絶縁膜１０４により半導体基板１０２と分離されているように図示されているが、実質的には半導体基板１０２内の一定領域、例えばアクティブ領域に電気的に連結される。また、第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂと半導体基板１０２間には絶縁膜１０４以外にも他の複数個の膜が形成されることもある。前記第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂは銅膜パターンより形成できる。

次に図４を参照すれば、第１層間絶縁膜１０２、第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂ上に第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第２ビアコンタクトホール１２０ｂを有する金属間絶縁膜１１２を形成する。そして、金属間絶縁膜１１２上に第１トレンチ１１８ａ及び第２トレンチ１１８ｂを有する第２層間絶縁膜１１６を形成する。このためにまず、第１層間絶縁膜１０２、第１下部金属配線膜パターン１０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン１０８ｂ上に第１エッチング停止膜１１０、金属間絶縁膜１１２、第２エッチング停止膜１１４及び第２層間絶縁膜１１６を順次に積層する。次に、第２層間絶縁膜１１６上に第１マスク膜パターン（図示せず）を形成する。この第１マスク膜パターン（図示せず）は第１トレンチ１１８ａ及び第２トレンチ１１８ｂが設けられる部分の第２層間絶縁膜１１６を露出させる。次に、前記第１マスク膜パターン（図示せず）をエッチングマスクとしたエッチング工程を行って第２層間絶縁膜１１６の露出部分を除去する。このエッチング工程は第２エッチング停止膜１１４の一部表面が露出されるまでなされる。それにより、比較的狭い幅の第１トレンチ１１８ａ及び比較的広い幅の第２トレンチ１１８ｂが設けられる。

第１トレンチ１１８ａ及び第２トレンチ１１８ｂが設けられれば、第１マスク膜パターン（図示せず）を除去し、露出された第２エッチング停止膜１１４を除去して金属間絶縁膜１１２の一部表面を露出させる。場合により、第１マスク膜パターンは第２エッチング停止膜１１４を除去した後に除去することもある。

次に、全面に第２マスク膜パターン（図示せず）を形成する。この第２マスク膜パターン（図示せず）は第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第２ビアコンタクトホール１２０ｂが設けられる部分の金属間絶縁膜１１２を露出させる。次に、前記第２マスク膜パターン（図示せず）をエッチングマスクとしたエッチング工程を行って金属間絶縁膜１１２の露出部分を除去する。このエッチング工程は第１エッチング停止膜１１０の一部表面が露出されるまでなされる。それにより、第１トレンチ１１８ａ及び第２トレンチ１１８ｂ内にそれぞれ第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第２ビアコンタクトホール１２０ｂが形成される。次に、第２マスク膜パターン（図示せず）を除去し、露出された第１エッチング停止膜１１０を除去して第１下部金属配線膜１０８ａ及び第２下部金属配線膜１０８ｂの一部表面を露出させる。場合により、第２マスク膜パターンは第１エッチング停止膜１１０を除去した後に除去することもある。

次に図５を参照すれば、全面に障壁金属層１２２を形成する。この障壁金属層１２２はタンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜及び窒化チタン膜のうち少なくともいずれか一つが含まれるように形成する。次に、第１上部金属配線膜１２４を形成する。第１上部金属配線膜１２４は、電気メッキ法を使用して形成する。すなわち、全面に金属シード層を形成し、この金属シード層を陰極としてメッキ液との化学反応を発生させることによってメッキ液からの金属イオンを金属シード層表面に蒸着させる。この場合、第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第２ビアコンタクトホール１２０ｂの内部は第１上部金属配線膜１２４により完全に充填される。そして、第１トレンチ１１８ａも比較的狭い幅または断面積を有するので、その内部が第１上部金属配線膜１２４により完全に充填される。しかし、比較的広い幅または断面積を有する第２トレンチ１１８ｂの場合には、第１上部金属配線膜１２４によりその内部が完全に充填されず、従って第２トレンチ１１８ｂ内部の第３トレンチ１２６が設けられる。

次に図６を参照すれば、第１上部金属配線膜１２４上にボイド拡散防止膜１２８及び第２上部金属配線膜１３０を順次に形成する。このボイド拡散防止膜１２８は、第２上部金属配線膜１３０内に存在するボイドを第１上部金属配線膜１２４を介して第２ビアコンタクトホール１２０ｂ内に流入させないためのものである。ボイド拡散防止膜１２８はタンタル膜、チタン膜及びアルミニウム膜のうち少なくともいずれか一つを含み、特にアルミニウム膜は金属配線膜の結晶粒界に偏析されてボイドと拡散防止にさらに効果的である。ボイド拡散防止膜１２８は物理的気相蒸着（ＰＶＤ：ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、化学的気相蒸着（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法または原子層蒸着（ＡＬＤ：ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使用して形成する。ボイド拡散防止膜１２８及び第２上部金属配線膜１３０を形成した後には平坦化工程を行う。平坦化工程としては、公知の化学的機械的平坦化（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を使用し、「Ａ」と示された点線上に存在する全てのものを除去する。それにより、図１に図示されたように、第１上部金属配線膜（図６の１２４）は第１ビアコンタクトホール１２０ａ及び第１トレンチ１１８ａ内の第１上部金属配線膜パターン１２４ａと、第２ビアコンタクトホール１２０ｂ及び第２トレンチ１１８ｂ内の第２上部金属配線膜パターン１２４ｂとに分離され、第２上部金属配線膜（図６の１３０）は第３トレンチ１２６内の第３上部金属配線膜パターン１３０ｂとしてだけ残る。

図７ないし図９は本発明による金属配線方法の他の実施例を説明するために示した断面図である。本実施例による金属配線方法はシングルダマシン工程を適用する配線方法である。

まず図７を参照すれば、第１層間絶縁膜２０２内に相互離隔された第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂを形成する。本実施例においても、第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂは、実質的に半導体基板２０２内の一定領域、例えばアクティブ領域に電気的に連結される。また、第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂと半導体基板２０２間には絶縁膜２０４以外にも他の複数個の膜が形成されることもある。前記第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂは銅膜パターンより形成できる。

次に、第１層間絶縁膜２０２、第１下部金属配線膜パターン２０８ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂ上に第１エッチング停止膜２１０及び金属間絶縁膜２１２を順次に形成する。そして、所定のエッチングマスク膜パターンを利用したエッチング工程を行って金属間絶縁膜２１２の一部を除去する。このエッチング工程は第１エッチング停止膜２１０の一部表面が露出されるまで行われる。次に、露出された第１エッチング停止膜２１０を除去すれば、第１下部金属配線膜パターン２０８ａの一部表面を露出させる第１ビアコンタクトホール２１４ａ及び第２下部金属配線膜パターン２０８ｂの一部表面を露出させる第２ビアコンタクトホール２１４ｂが設けられる。

次に、障壁金属層を全面に形成し、続いて第１ビアコンタクトホール２１４ａ及び第２ビアコンタクトホール２１４ｂが充填されるようにコンタクト用金属膜を障壁金属層上に形成する。障壁金属層はタンタル膜、窒化タンタル膜、チタン膜及び窒化チタン膜のうち少なくともいずれか一つが含まれるように形成する。次に、１次平坦化工程を行って金属間絶縁膜２１２の表面を露出させる。それにより、障壁金属層は第１ビアコンタクトホール２１４ａ内の第１障壁金属層２１６ａと、第２ビアコンタクトホール２１４ｂ内の第２障壁金属層２１６ｂとに分離される。また、コンタクト用金属膜も第１ビアコンタクトホール２１４ａ内の第１ビアコンタクト２１８ａと、第２ビアコンタクトホール２１４ｂ内の第２ビアコンタクト２１８ｂとに分離される。

次に図８を参照すれば、金属間絶縁膜２１２、第１ビアコンタクト２１８ａ及び第２ビアコンタクト２１８ｂの上部面上に第２エッチング停止膜２２０及び第２層間絶縁膜２２２を順次に形成する。次に、所定のエッチングマスク膜パターンを利用したエッチング工程を行って第２層間絶縁膜２２２の一部を除去する。このエッチング工程は第２エッチング停止膜２２０の一部表面が露出されるまで行われる。次に、露出された第２エッチング停止膜２２０を除去すれば、第１ビアコンタクト２１８ａの上部面を完全に露出させる第１トレンチ２２４ａ及び第２ビアコンタクト２１８ｂの上部面を完全に露出させる第２トレンチ２２４ｂが設けられる。第１トレンチ２２４ａの幅または断面積は第２トレンチ２２４ｂの幅または断面積より小さい。

次に、全面に第１上部金属配線膜２２６を形成する。第１上部金属配線膜２２６は、電気メッキ法を使用して形成する。すなわち、全面に金属シード層を形成し、この金属シード層を陰極としてメッキ液との化学反応を発生させることにより、メッキ液からの金属イオンを金属シード層表面に蒸着させる。この場合、狭い幅または断面積を有する第１トレンチ２２４ａ内部は第１上部金属配線膜２２６により完全に充填される。しかし、広い幅または断面積を有する第２トレンチ２２４ｂの場合には、第１上部金属配線膜２２６によりその内部が完全に充填されず、従って第２トレンチ２２４ｂ内部の第３トレンチ２２８が設けられる。

次に図９を参照すれば、第１上部金属配線膜２２６上にボイド拡散防止膜２３０及び第２上部金属配線膜２３２を順次に形成する。このボイド拡散防止膜２３０は、第２上部金属配線膜２３２内に存在するボイドを第１上部金属配線膜２２６を介して第２ビアコンタクト２１８ｂ内部に流入させないためのものである。ボイド拡散防止膜２３０はタンタル膜、チタン膜及びアルミニウム膜のうち少なくともいずれか一つを含み、特にアルミニウム膜は金属配線膜の結晶粒界に偏析されてボイドの拡散防止にさらに効果的である。ボイド拡散防止膜２３０はＰＶＤ法、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法を使用して形成する。ボイド拡散防止膜２３０及び第２上部金属配線膜２３２を形成した後には平坦化工程を行う。平坦化工程としてはＣＭＰ法を使用し、「Ａ」と示された点線上に存在する全てのものを除去する。それにより、図２に図示されたように、第１上部金属配線膜（図９の２２６）は第１トレンチ２２４ａ内の第１上部金属配線膜パターン２２６ａと、第２トレンチ２２４ｂ内の第２上部金属配線膜パターン２２６ｂとに分離され、第２上部金属配線膜（図９の２３２）は第３トレンチ２２８内の第３上部金属配線膜パターン２３２ｂとしてだけ残る。

以上、本発明を望ましい実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、本発明の技術的思想内で当分野で当業者によってさまざまな変形が可能であることは明らかである。

本発明は金属配線を有する半導体素子を利用するあらゆる産業分野に適用できる。

本発明による金属配線構造の一実施例を示した断面図である。本発明による金属配線構造の他の実施例を示した断面図である。本発明による金属配線方法の一実施例を説明するために示された断面図である。本発明による金属配線方法の一実施例を説明するために示された断面図である。本発明による金属配線方法の一実施例を説明するために示された断面図である。本発明による金属配線方法の一実施例を説明するために示された断面図である。本発明による金属配線方法の他の実施例を説明するために示された断面図である。本発明による金属配線方法の他の実施例を説明するために示された断面図である。本発明による金属配線方法の他の実施例を説明するために示された断面図である。

符号の説明

１０２、２０２半導体基板、
１０４、２０４絶縁膜、
１０６、２０６第１層間絶縁膜、
１０８ａ、２０８ａ第１下部金属配線膜パターン、
１０８ｂ、２０８ｂ第２下部金属配線膜パターン、
１１０、２１０第１エッチング停止膜、
１１２、２１２金属間絶縁膜、
１１４、２２０第２エッチング停止膜、
１１６、２２２第２層間絶縁膜、
１１８ａ、２２４ａ第１トレンチ、
１１８ｂ、２２４ｂ第２トレンチ、
１２０ａ、２１４ａ第１ビアコンタクトホール、
１２０ｂ、２１４ｂ第２ビアコンタクトホール、
１２２ａ、２１６ａ第１障壁金属層、
１２２ｂ、２１６ｂ第２障壁金属層、
１２４ａ、２２６ａ第１上部金属配線膜パターン、
１２４ｂ、２２６ｂ第２上部金属配線膜パターン、
１２８、２３０ボイド拡散防止膜、
１３０ｂ、２３２ｂ第３上部金属配線膜パターン、
２１８ａ第１ビアコンタクト、
２１８ｂ第２ビアコンタクト、
２２８第３トレンチ。

Claims

第１層間絶縁膜内に配された下部金属配線膜パターンと、
前記第１層間絶縁膜及び下部金属膜パターン上で前記下部金属膜パターンの一部表面を露出させるビアコンタクトホールを有する金属間絶縁膜と、
前記ビアコンタクトホール内部面及び前記下部金属配線膜パターンの露出表面上に形成された障壁金属層と、
前記障壁金属層上で前記ビアコンタクトホール内部を充填するビアコンタクトと、
前記金属間絶縁膜及びビアコンタクト上で前記金属間絶縁膜の一部表面及びビアコンタクトの上部表面を露出させるトレンチを有する第２層間絶縁膜と、
前記金属間絶縁膜及び前記ビアコンタクト上で前記トレンチの底面および側面を被覆する、第１厚さの第１上部金属配線膜パターンと、
前記第１上部金属配線膜パターン上に形成されたボイド拡散防止膜と、
前記ボイド拡散防止膜上で前記トレンチ内部を全て充填する第２厚さの第２上部金属配線膜パターンとを備え、
前記第１上部金属配線膜パターンと第２上部金属配線膜パターンとは、同一の金属から形成され、
前記第１上部金属配線膜パターンの側壁は、前記第２層間絶縁膜と接することを特徴とする金属配線構造。
前記第２上部金属配線膜パターンの第２厚さは前記第１上部金属配線膜パターンの第１厚さの５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属配線構造。
第１層間絶縁膜内で相互離隔された第１領域及び第２領域にそれぞれ配される第１及び第２下部金属配線膜パターンと、
前記第１層間絶縁膜と前記第１及び第２下部金属配線膜パターン上に形成され、前記第１下部金属配線膜パターンの一部表面を露出させる第１ビアコンタクトホール及び前記第２下部金属配線膜パターンの一部表面を露出させる第２ビアコンタクトホールを含む、ビアコンタクトホールのみを有する金属間絶縁膜と、
前記第１ビアコンタクトホール及び第２ビアコンタクトホール内にそれぞれ形成された第１及び第２障壁金属層と、
前記第１及び第２障壁金属層上でそれぞれ第１及び第２ビアコンタクトホールを充填するように形成された第１及び第２ビアコンタクトと、
前記金属間絶縁膜上に形成され、前記第１ビアコンタクトの上部面を露出させる第１トレンチ及び前記第２ビアコンタクトの上部面を露出させる第２トレンチを有する第２層間絶縁膜と、
前記第１トレンチを充填するように形成された第１上部金属配線膜パターンと、
前記第２トレンチの底面および側面を被覆するように前記第２障壁金属層上に形成されることによって、前記第２トレンチ内の第３トレンチを形成させる第２上部金属配線膜パターンと、
前記第２上部金属配線膜パターン上に形成されたボイド拡散防止層と、
前記ボイド拡散防止層上で前記第３トレンチを充填する第３上部金属配線膜パターンとを含むことを特徴とする金属配線膜構造。
第１層間絶縁膜内に相互離隔された第１及び第２下部金属配線膜パターンを形成する段階と、
前記第１層間絶縁膜と前記第１及び第２下部金属配線膜パターン上に金属間絶縁膜を形成する段階と、
前記金属間絶縁膜の一部を除去し、前記第１及び第２下部金属配線膜パターンの一部表面をそれぞれ露出させる第１コンタクトホール及び第２コンタクトホールを形成する段階と、
前記金属間絶縁膜と前記第１及び第２下部金属配線膜パターンの露出表面上に障壁金属層を形成する段階と、
前記第１コンタクトホール及び第２コンタクトホールが充填されるように前記障壁金属層上に金属膜を形成する段階と、
平坦化を行い、前記金属膜を前記第１コンタクトホール内の第１ビアコンタクト及び前記第２コンタクトホール内の第２ビアコンタクトに分離させる段階と、
前記金属間絶縁膜、第１ビアコンタクト及び第２ビアコンタクト上に第２層間絶縁膜を形成する段階と、
前記第２層間絶縁膜の一部を除去し、前記第１ビアコンタクト及び第２ビアコンタクトの上部面をそれぞれ露出させる第１トレンチ及び第２トレンチを形成する段階と、
前記第１トレンチが充填されるように第１上部金属配線膜を形成し、前記第２トレンチ内部底面および側面を被覆するように前記障壁金属層上に第２上部金属配線膜を形成することにより、第３トレンチを形成させる段階と、
前記第３トレンチを有する第１上部金属配線膜上にボイド拡散防止層を形成する段階と、
前記第３トレンチが充填されるように前記ボイド拡散防止層上に第２上部金属配線膜を形成する段階と、
平坦化を行い、前記第１トレンチ内の第１上部金属配線膜と前記第２及び第３トレンチ内の第２及び第３上部金属配線膜とを分離させる段階とを含むことを特徴とする金属配線方法。