JP5291310B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
近年、半導体装置の高集積化が進み、通常、半導体装置における配線は多層化がなされている。また、半導体装置の微細化に伴い配線や接続孔(コンタクトホールやビアホール)の小サイズ化が進み、接続孔に充分に配線材を埋め込むことが複雑となってきている。充分に埋め込むことが出来ないと、配線の断線やコンタクトピットの発生といった弊害が起こりうる。そのため、Al-SiやAl-Si-Cuといった配線材を堆積させる前に伝導性のあるバリアメタル層を形成する。バリアメタル層はCVD法によりTiあるいはTiとTiNの両者を堆積させて形成することが多い。Tiは耐熱性や自己平坦性が上記Al等より優れているため、上記の弊害の解決において有効である。
従来の半導体装置における配線や接続孔の製造手順について、図２を用いて説明する。
半導体基板103上にCVD法(化学的気相成長法)によって第一の層間絶縁膜102、第二の層間絶縁膜101を形成する。これらの層間絶縁膜はTEOSやボロンやリンを含むシリコン酸化膜(BPSG膜)などが使用される[図２(a)]。
次に、この層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形成の方法としては幾つかあるが、ここでは、配線材のカバレジを良くする方法を示す。まず、レジスト膜107をマスクとし等方性エッチングをある深さ行いコンタクトホールの開口部を広げておき、その後に異方性エッチングを行い、コンタクトホールを形成する[図２(b)]。
次に、この接続孔にバリアメタル層104を形成し、さらにその上に配線材106を堆積させる。さらにこの配線材にフォトリソグラフィー工程によってマスクパターンを形成し、エッチングを施すことによって配線パターンを形成する[図２(c)および図２(d)]。（例えば、特許文献１参照。）
特開平８−３３０２５２号公報
しかしながら、上記方法でバリアメタル層を形成する場合に、バリアメタル層が断線してしまう可能性がある。層間絶縁膜に使用されるTEOSやBPSGといった別の素材を堆積しているため、エッチレートの違いにより、側壁を滑らかに均一に形成することは難しい。コンタクトホールの側面が滑らかでないと、このバリアメタル層が局所的に薄くなるなどして均一に堆積されにくくなる。加えて、配線材を堆積した後のAlloy等の熱処理の影響を受け、層間絶縁膜が熱膨張しさらに側壁の凹凸は顕著になり、このバリアメタル層が断線してしまう恐れがある。このバリアメタル層が断線または局所的に薄膜化すると上層の配線材であるAl-Si-CuやAl-Siからシリコンがバリアメタル層を介して、半導体基板へ染み出すスパイク現象が起こり、配線劣化や局所的な電流増加(リーク)等がおこる。
図３は顕著な不具合を示した図である。エッチングによって侵食されやすい酸化膜108が存在する場合、第一の層間絶縁膜102との界面に逆テーパー構造が形成される。半導体の製造工程は複雑であり、複数の絶縁膜を積層するものであり、箇所Aのように、断線や薄膜化の起こりやすいところが存在する。
このような不具合に対し、特許文献１ではコンタクトホール内に側壁を設ける改善方法が提案されている。
本発明では、配線の断線を防止できるような構造をもち、かつ配線材の染み出しを防止し、不具合を発生させないような構造をもつ半導体装置の製造方法を提案する。
上記、課題を解決するために本発明では以下の製造方法をとるものとする。
本発明は、半導体基板上に、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜を形成する工程と、それらの上に形成する配線と基板をつなぐコンタクトホールを作成する工程を有し、さらにその上にバリアメタル層を堆積し、その後に、配線材の基板への染み出しを保護する保護層を堆積させ、不要な部分をエッチングする工程と、さらにその上に配線材を堆積する工程と、フォトリソグラフィー技術によって配線マスクパターンを形成しエッチングによって配線パターンを形成する工程からなる、半導体装置におけるコンタクトホールと配線を形成する製造方法である。
本発明において、第１の配線層の上位にさらに配線層を形成し、それは多層にわたっても構わない。また、第２の絶縁膜等、絶縁膜の積層に関しては材質・層は必要に応じて作成するものとし、形態は限定しない。
バリアメタル層堆積後に、絶縁膜等で側壁に保護層を形成することにより、コンタクトホールの側壁やバリアメタル層の積層の状況によらず、Alloy等熱処理の影響における配線材の基板への染み出しを防止することができる。また、保護層を形成することにより、側壁をより滑らかにすることが出来るので、同時に配線材のカバレジも向上させることが出来る。また、この保護層のエッチングは等方性エッチングを用いるため、特にこの保護層のエッチングのためにフォトマスクやフォトリソグラフィー工程の追加は必要無く、保護層のデポとエッチングの工程を追加するだけでよい。
また、保護層をバリアメタル層の上部に形成するため、バリアメタル層の積層のバラツキによらず、Alloy等熱処理の影響における配線材の基板への染み出し等を防止することができる。
本発明を実施する方法について、図４および図１を用いて説明する。
以下、第一の実施例について述べる。
はじめに、半導体基板103上に第１の層間絶縁膜102としてCVD法によるシリコン酸化膜を形成する。さらにその上にBPSG膜等の第２の層間絶縁膜101を堆積させる[図４(a)]。その上にレジスト膜107を形成し、フォトリソグラフィー技術によってフォトマスクを形成する。
次に、等方性エッチングをある深さまで行い、コンタクトホールの開口部を広げ、その後、異方性エッチングを行い、コンタクトホールを形成する[図４(b)]。さらに、熱処理を施しコンタクトホール開口部の角を丸めるという方法もある。これらの方法により、配線材の断線やカバレジを向上せしめることができる。
次に、等方性エッチングをある深さまで行い、コンタクトホールの開口部を広げ、その後、異方性エッチングを行い、コンタクトホールを形成する[図４(b)]。さらに、熱処理を施しコンタクトホール開口部の角を丸めるという方法もある。これらの方法により、配線材の断線やカバレジを向上せしめることができる。
次に、このコンタクトホール内壁にバリアメタル層104を形成する。このバリアメタル層104にはTiまたはTiとTiNの両者を用いることが多い。これらを、スパッタで素子上に形成する。［図４(c)］
このスパッタ工程において、コンタクトホール側壁が滑らかでないと、バリアメタル層が局所的に薄くなり、あるいは、バリアメタルが断線した状態になり、上層の配線材中のシリコンが半導体基板中に染み出すことになる。これを解消するために、バリアメタル層をスパッタで堆積させた後に絶縁膜からなる保護膜105を堆積させる［図４(d)］。この保護膜にはBPSG膜やNSG膜等を用いるのがよい。次に、異方性エッチングでこの保護膜105を部分的に取り除く。異方性エッチングで行うことにより、フォトマスクを使用することなく、コンタクトホール側壁のバリアメタル層表面、および、コンタクトホール側壁とコンタクトホール底面の接合部にあたるコンタクトホール側底面のバリアメタル層表面に絶縁膜を残すことが出来る[図４(e)]。これにより、コンタクトホール内部のバリアメタル層表面が滑らかになり、以降の配線材のカバレジを向上させる効果がある。
このスパッタ工程において、コンタクトホール側壁が滑らかでないと、バリアメタル層が局所的に薄くなり、あるいは、バリアメタルが断線した状態になり、上層の配線材中のシリコンが半導体基板中に染み出すことになる。これを解消するために、バリアメタル層をスパッタで堆積させた後に絶縁膜からなる保護膜105を堆積させる［図４(d)］。この保護膜にはBPSG膜やNSG膜等を用いるのがよい。次に、異方性エッチングでこの保護膜105を部分的に取り除く。異方性エッチングで行うことにより、フォトマスクを使用することなく、コンタクトホール側壁のバリアメタル層表面、および、コンタクトホール側壁とコンタクトホール底面の接合部にあたるコンタクトホール側底面のバリアメタル層表面に絶縁膜を残すことが出来る[図４(e)]。これにより、コンタクトホール内部のバリアメタル層表面が滑らかになり、以降の配線材のカバレジを向上させる効果がある。
次に、スパッタによってAl−SiやAl-Si-Cu等の配線材106を堆積させる。特に図示はしないが、その配線材上にレジスト膜を塗布し、マスクパターンを形成した後に、エッチングを施して配線パターンを形成する［図４(f)および図1］。
以下に、第二の実施例について述べる。（図示せず）
上記の第一の実施例において、半導体基板と第１の層間絶縁膜の間に、第１の層間絶縁膜よりエッチングされやすい薄膜が存在している場合は、図３に示すように局所的にバリアメタル層が薄い部分が存在する。これに絶縁膜からなる保護膜を堆積させる。次いで、異方性エッチングを行うことで、コンタクトホール側壁のバリアメタル層表面、および、コンタクトホール側壁とコンタクトホール底面の接合部にあたるコンタクト側底面のバリアメタル層表面に絶縁膜を残すことができる。これにより、コンタクトホール内部のバリアメタル層表面が滑らかになり、以降の配線材のカバレジを向上させる効果がある。
上記の第一の実施例において、半導体基板と第１の層間絶縁膜の間に、第１の層間絶縁膜よりエッチングされやすい薄膜が存在している場合は、図３に示すように局所的にバリアメタル層が薄い部分が存在する。これに絶縁膜からなる保護膜を堆積させる。次いで、異方性エッチングを行うことで、コンタクトホール側壁のバリアメタル層表面、および、コンタクトホール側壁とコンタクトホール底面の接合部にあたるコンタクト側底面のバリアメタル層表面に絶縁膜を残すことができる。これにより、コンタクトホール内部のバリアメタル層表面が滑らかになり、以降の配線材のカバレジを向上させる効果がある。
101 第2の層間絶縁膜
102 第１の層間絶縁膜
103 半導体基板
104 バリアメタル層
105 絶縁膜からなる保護膜
106 配線材
107 レジスト膜
108 シリコン酸化膜
A 課題における、バリアメタル層が薄膜化している個所
102 第１の層間絶縁膜
103 半導体基板
104 バリアメタル層
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A 課題における、バリアメタル層が薄膜化している個所
Claims (4)
- 半導体基板の表面上に、第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜の表面に前記第１の層間絶縁膜と材質の異なる第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜表面に塗布されたレジスト膜にパターニングを行う工程と、
前記レジスト膜をマスクとして、前記第２の層間絶縁膜の厚さ方向の途中までを等方性エッチングし、次いで、前記第２の層間絶縁膜の残部と前記第１の層間絶縁膜を異方性エッチングして、前記半導体基板表面まで達するコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールの凹凸のある内壁、および前記第２の層間絶縁膜表面にバリアメタル層を形成する工程と、
前記バリアメタル層表面に、絶縁膜からなる保護膜を堆積する工程と、
前記保護膜に異方性エッチングを行い、前記コンタクトホール側壁のバリアメタル層表面、および、前記コンタクトホール側壁と前記コンタクトホール底面の接合部にあたる前記コンタクトホール側底面のバリアメタル層表面を覆うようにサイドウォール状の絶縁膜を残す工程と、
前記サイドウォール状の絶縁膜、前記バリアメタル層、前記第２の層間絶縁膜表面上に配線材を堆積する工程と、
前記バリアメタルと前記配線材を所望の形状にエッチングする工程と、からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板の表面上に、絶縁薄膜を形成する工程と、
前記絶縁薄膜の表面に前記絶縁薄膜と材質の異なる第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜の表面に前記第１の層間絶縁膜と材質の異なる第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜表面に塗布されたレジスト膜にパターニングを行う工程と、
前記レジスト膜をマスクとして、前記第２の層間絶縁膜の厚さ方向の途中までを等方性エッチングし、次いで、前記第２の層間絶縁膜の残部と前記第１の層間絶縁膜と前記絶縁薄膜を異方性エッチングして、前記半導体基板表面まで達するコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールの凹凸のある内壁、および前記第２の層間絶縁膜表面にバリアメタル層を形成する工程と、
前記バリアメタル層表面に、絶縁膜からなる保護膜を堆積する工程と、
前記保護膜に異方性エッチングを行い、前記コンタクトホール側壁のバリアメタル層表面、および、前記コンタクトホール側壁と前記コンタクトホール底面の接合部にあたる前記コンタクトホール側底面のバリアメタル層表面を覆うようにサイドウォール状の絶縁膜を残す工程と、
前記サイドウォール状の絶縁膜、前記バリアメタル層、前記第２の層間絶縁膜表面上に配線材を堆積する工程と、
前記バリアメタルと前記配線材を所望の形状にエッチングする工程と、からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記保護膜がＢＰＳＧ膜あるいはＮＳＧ膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記バリアメタル層がＴｉあるいはＴｉとＴｉＮの２層膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
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