JPH02134823A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 半導体装置の製造方法、とくに、微細配線層の形成方法
に関し。

所定配線パターンに対応して基板上の絶縁層に形成され
た溝内にタングステン（Ｗ）等の高融点金属を選択成長
させることによって、平坦かつ微細な配線層を自己整合
的に形成する際に、該配線層中に空洞等の欠陥が発生す
ることを防止可能な形成方法を提供することを目的とし
。

基板表面に堆積された第１の絶縁層に、所定の配線パタ
ーンに対応する形状を有し且つ該表面から深さ（Ｄ）に
位置する底面を有する溝を形成し。

液溝が設けられた該第１の絶縁層を有する該基板表面に
、厚さｄｌ　（但しｄｌ＜Ｄ）を有する半導体層もしく
は金属層を堆積し、該半導体層もしくは金属層上に、厚
さｄＺ　（但しｄ、＋ｄ２＜Ｄ）を有する第２の絶縁層
を形成し、該半導体層もしくは金属層と該第２の絶縁層
によって覆われた該溝内に、少なくとも該第２の絶縁層
の選択的除去に対するマスク材を充填し、該マスク材か
ら表出する該第２の絶縁層を除去して、液溝の少なくと
も底面に該第２の絶縁層を選択的に残留させ、少なくと
も液溝の底面に残留する該第２の絶縁層をマスクとして
。

表出する該半導体層もしくは金属層を除去し、液溝の底
面に該半導体層もしくは金属層を選択的に残留させ、該
マスク材および液溝の少なくとも底面に残留する該第２
の絶縁層を選択的に除去して。

液溝の少なくとも底面に該半導体層もしくは金属層を表
出し、液溝の少なくとも底面に表出した該半導体層もし
くは金属層を核として該溝内部に高融点金属を気相成長
させる諸工程を包含することから構成される。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体装置の製造方法、とくに、微細幅かつ
平坦な平面を有する配線層の形成方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置の高集積化にともない、配線の微細化が要求
されている。現状では、リソグラフ技術とエツチング技
術を駆使して形成された幅１．２μｍ程度のアルミニウ
ム薄膜配線が主用されている。

しかしながら、アルミニウム配線においては、いわゆる
アルミニウム（ＡＩ）原子のエレクトロマイグレーショ
ンや応力マイグレーションを生じやすく。

とくに配線が微細化した場合には、これらの現象による
断線が発生しやすくなり、信頬性の保証が困難になる。

これに対して、タングステン（−）を配線材料として用
いる方法がある。タングステンはアルミニウムに比べて
熱膨張率が小さく、また、原子間結合が強いため、これ
を配線層に用いても、上記のようなマイグレーションが
生じにくい。しかしながら、一般に、タングステン薄膜
はアルミニウム薄膜に比べて下地絶縁層との接着性が低
く、また。

薄膜内部に発生する応力が大きい。このため、成膜時あ
るいは後熱処理において、下地から剥離しやすいという
問題がある。

すなわち、タングステン薄膜は９通常、　ＣＶＤ法やス
パッタリング法等により形成される。その内部応力は成
膜条件により左右されるが、一般に大きな圧縮応力を生
じる。シリコンウェハ等の基板全面に形成されたタング
ステン薄膜に大きな圧縮応力が存在すると、下地絶縁層
との接着力の低い個所に応力集中が生じ、ここで剥離し
やすくなる。

一方、配線が微細化すると、この上に層間絶縁層または
保護絶縁層を形成した場合、配線間の谷部が絶縁物で完
全に埋められず、配線が露出した部分が生じる。その結
果、絶縁不良や、その後の処理で使用した種々の薬品や
水の長期間にわたる残留による配線の腐食等が発生し、
半導体装置の信頼性が低下する。このような理由から、
微細配線が形成された表面が平坦であることが望ましい
。

そこで、半導体回路基板上に形成された絶縁層に所定配
線パターンに対応する溝を設け、この溝を配線材料で埋
める構造の配線が提案されている。

（例えば特開昭６２−１４１７４０および６２−２４３
３２４）この構造によれば、タングステン薄膜と下地絶
縁層その接着面積が増加して剥離が生じ難くなり。

また、配線層は下地絶縁層と同一面を成すので。

この上に形成される層間絶縁層の絶縁不良等の問題を避
けることができる。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記出願は、気体状のタングステン化合物を水素還元す
ることにより、絶縁層に形成された凹状の溝内にタング
ステン（Ｗ）のような配線用材料を充填する際に、絶縁
物から成る溝側面に多結晶シリコン層をあらかじめ形成
しておくものである。

これにより、タングステンは多結晶シリコン層上に選択
的に成長し、遂には溝内を充填してしまうに至る。この
ようにして、溝が形成された絶縁層表面と平坦な表面を
成すタングステン配線が、所定配線パターンに対応して
自己整合的に形成される。

しかしながら、溝幅が小さくなると、溝内部の側面にお
ける成長速度の差が顕著になる。すなわち、溝の開口部
に近い側面部分はど成長速度が大きく、溝の底に近い側
面部分における成長速度は小さい。その結果、溝底部が
タングステンで完全に埋められる前に、溝開口部が比較
的高速度で成長したタングステンにより塞がれてしまい
、溝を充填する配線層中に空洞が生じる。この現象は。

溝の深さを大きく、すなわち、厚い配線層を形成しよう
とするほど著しい。上記のような空洞が生じた部分では
、タングステン層の厚さが小さくなっており、配線抵抗
が増大するばかりでなく、下地とのコンタクト抵抗の増
大や接触不良、あるいは、電流密度の増大に伴う自己発
熱により加速されたエレクトロマイグレーションによる
断線が発生しやすい。

したがって１本発明は、所定配線パターンに対応して基
板上の絶縁層に形成された溝内にタングステン等の高融
点金属を選択成長させることによって平坦かつ微細な配
線層を自己整合的に形成する際に、該配線層中に空洞の
ような欠陥が発生することを防止可能な形成方法を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、基板表面に堆積された第１の絶縁層に、所
定の配線パターンに対応する形状を有し且つ該表面から
深さ（Ｄ）に位置する底面を有する溝を形成する工程と
、液溝が設けられた該第１の絶縁層を有する該基板表面
に、厚さｄ、　（但しｄ、＜Ｄ）を有する半導体層もし
くは金属層を堆積する工程と、該半導体層もしくは金属
層上に、厚さｄ２（但しａ　＋　＋　ｄｚ　＜　ｏ）を
有する第２の絶縁層を形成する工程と、該半導体層もし
くは金属層と該第２の絶縁層によって覆われた該溝内に
、少なくとも該第２の絶縁層の選択的除去に対するマス
ク材を充填する工程と、該マスク材から表出する該第２
の絶縁層を除去して、液溝の少なくとも底面に該第２の
絶縁層を選択的に残留させる工程と、少な（とも液溝の
底面に残留する該第２の絶縁層をマスクとして１表出す
る該半導体層もしくは金属層を除去し、液溝の底面に該
半導体層もしくは金属層を選択的に残留させる工程と、
該マスク材および液溝の少な（とも底面に残留する該第
２の絶縁層を選択的に除去して、液溝の少なくとも底面
に該半導体層もしくは金属層を表出する工程と、該溝の
少なくとも底面に表出した該半導体層もしくは金属層を
核として該溝内部に高融点金属を気相成長させる工程と
を包含することを特徴とする本発明に係る半導体装置の
製造方法によって達成される。

〔作　用〕

絶縁層に設けられた所定微細幅の溝の底面にのみ３例え
ば多結晶シリコン層を形成し、この多結晶シリコンを核
として、タングステン等の高融点金属を選択成長させる
。その結果、溝は底部あるいは底部と側面の下部からタ
ングステン等によって埋められ、溝の開口部近傍は最後
に埋められるため、溝を充填する配線層に空洞が生じる
ことがな（、高信頬性の微細かつ平坦な配線層を形成す
ることができる。また、溝を深くしても配線層中に空洞
が生じ難いため、配線層の厚さを従来より大きくでき、
低抵抗の配線を得ることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例の工程を示す模式的要部断面図
であって、以下に第１図を参照しながら本発明を説明す
る。

第１図（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｔ）基板１上
に９周知の方法を用いて、素子分離Ｎ２および層間絶縁
層であるＰＳＧ（燐珪酸ガラス）層３を形成する。素子
分離層２はシリコン基板１上に画定された図示しない能
動領域を分離する。そして、　ｐｓｃ層３は素子分離層
２上から前記能動領域にわたって形成されている。この
能動領域には半導体素子または回路が形成されており、
　ＰＳＧＳａＯ２，前記能動領域におけるコンタクト領
域あるいは素子分離層２上を走る図示しない下層配線に
対応するコンタクト窓（図示省略）が設けられており、
このコンタクト窓は１例えば周知のＳｉＨ４還元法を用
いて選択成長させたタングステン等により埋められてい
るものとする。なお、ＰＳＧＳａＯ２さは０．８　μｍ
程度である。

次いで、第１図（ｂ）に示すように、　ＰＳＧＳａＯ２
成されたシリコン基板１の全面に１周知のＣＶＤ法を設
けいて、厚さ約１．２μｍの第２のＰＳＧ層４を形成し
たのち、所定の配線パターンに対応する開口が設けられ
たレジストマスク１０を形成する。そして５例えば周知
のりアクティブイオンエツチング（ＲＩＥ）法を用いて
、レジストマスクｌＯから表出するＰＳＧ層４を選択的
に除去し、第１図（Ｃ）に示すように、　ＰＳＧ層４に
溝５を形成する。溝５は前記配線パターンに対応し９図
示しない位置で、前記コンタクト窓上に達し、このコン
タクト窓に充填されているタングステンが溝５の底面に
表出している。

溝５を形成したのち１例えば周知のＣＶＤ法を用いて、
第１図（ｄ）に示すように、シリコン基板１の全面に、
厚さ約１０００人の多結晶シリコン層６を形成する。次
いで１例えば熱酸化法により、多結晶シリコン層６の表
面に厚さ約７００人のＳｉ０２層７を形成する。本実施
例においては、溝５の深さＣＤ）は、　ＰＳＧ層４の厚
さ１．２　μｍと等しく、多結晶シリコン層６の厚さ（
ｄ、）と５ｉ０２層７の厚さ（ｄ２）との間には、ｄｔ
＋ｄｚ＜Ｄなる関係が保たれている。

次いで、第１図（ｅ）に示すように、シリコン基板１の
全面に１例えばフォトレジストのような高分子Ｎ８′を
塗布し、所定温度でベーキングしたのち、これを、酸素
プラズマ処理等の方法を用いて。

溝５周囲のＳｉＯ□Ｎ７が表出するまで除去する。その
結果、第１図（ｆ）に示すように、溝５内部に高分子層
８が埋め込まれた状態となる。

高分子層８をマスクとして８表出するＳｉＯ□Ｎ７を選
択除去する。これは５例えばシリコン基板１を緩衝弗酸
溶液中に浸漬することにより行われる。

上記選択除去により、第１図（ｇ：）に示すように、溝
５の周囲および溝５の内部の側面には、多結晶シリコン
層６が表出される。上記選択除去の結果溝５の側面下部
にＳｉＯ□層７が残留している場合等。

必要に応じて、ＣＦ、およびＣｌＩＦ５をエツチングガ
スとしてＲＩＥを施し、残留ＳｉＯ□Ｎ７を除去する。

エツチングした結果、溝５の側面下部に若干のＳｉｎ、
が残留しても差支えない。

次いで、シリコン基板１に酸素プラズマ処理を施して、
溝５内部の高分子層８を除去する。その結果、高分子層
８によってマスクされていたＳｉ０２層７が、第１回出
）に示すように、溝５の底面に表出する。溝５の底面を
ＳｉＯ□層７でマスクした状態で、多結晶シリコン層６
を選択除去する。この選択除去においては９例えばＣＦ
４をエツチングガス除去される。なお、上記において、
溝５内部の高分子Ｎ８を除去する前に、上記等方性プラ
ズマエツチングを行って多結晶シリコン層６を選択除去
し、こののち、酸素プラズマによって高分子Ｎ８を除去
する順序としてもよい。

次いで９例えばシリコン基板１を緩衝弗酸溶液に浸漬し
て、溝５底面に存在するＳｉＯ２層７を除去する。これ
により１第１図（ｊ）に示すように、溝５底面に残留す
る多結晶シリコン層６が表出される。

上記のようにして、底面に多結晶シリコン層６が残留し
た状態で１溝５内部にタングステンを選択成長させる。

この選択成長方法としては１例えば６弗化タングステン
ｒｈｐａ）のような気体状のタングステン化合物を、水
素ガスで還元して金属タングステンを析出させる水素還
元法を用いる。その条件の例は、成長温度が４００°Ｃ
，ＷＦ６および１１２の各流量がｌｏｓｃｃｍおよび２
ｓｅｃｍ、反応ガスの全圧が０．２Ｔｏｒｒである。こ
れにより、溝５底面に存在する多結晶シリコン層６を核
としてタングステン層が成長開始し、開口部に向かって
成長が行われる。

溝５の側面からは成長が行われない。その結果。

第１図（資）に示すように、溝５内は底面方向から成長
したタングステンにより埋められ、所定の幅および厚さ
を有するタングステン配線Ｎ９が形成される。

上記ののち１図示しない眉間絶縁層の形成、この眉間絶
縁層に対するコンタクト窓の形成、上層アルミニウム配
線の形成、保護絶縁層の形成、ボンディング用の開口の
形成環８適常の半導体装置と同様の工程を経て１本発明
の半導体装置が完成される。

なお、上記おける高分子層８として３例えばポリイミド
系の樹脂環、フォトレジスト以外の高分子材料を用いて
も差支えない。また、溝５内にタングステンを選択成長
させる方法として、水素の代わりに５ｉＨｎ　（シラン
）を用いてＷＦｂを還元する方法を用いることも可能で
ある。さらに、タングステン以外の高融点金属配線層を
形成する場合には、　ＷＦ、の代わりに当該金属の気体
状化合物を用いて同様の工程を適用すればよい。さらに
また。

多結晶シリコンＮ６をシリコンを過剰に含むタングステ
ンシリサイド等の金属層に置き換えてもよい また。上記実施例においては、溝５の深さ（Ｄ）がＰＳ
ＧＳｉＯ４さ（１）　と等しい場合を示したが。

ＰＳＧＳｉＯ４けられる溝の深さが１＜０であっても１
本発明が適用できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、タングステン等の高融点金属から成る
配線層を、内部に空洞を生じさせることなく形成でき、
微細幅かつ平坦な配線を必要とする高密度半導体装置の
信頼性を向上する効果がある。

６は多結晶シリコン層。

７はＳｉＯ２層、　　　　　　８は高分子層。

９はタングステン配線層 １０はレジストマスク である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の工程を示す模式的要部断面図
である。 図において。 １はシリコン基板、　　　２は素子分離層。 ３と４はＰＳＧＪ’ｉ、　　　　　５は溝。 稠９ｊヒｅ月Ｏ工峙里゛を、示ずノ莫六６り又閂官ｐｍ
昨ｄＤＣコ笛　１図　（イ／）１） Ａ−側チε月０工４ｉΣ示４７莫六をり萎あア虐面図ｊ
　ｆ　あ（そｆ）２）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板表面に堆積された第１の絶縁層に、所定の配
   線パターンに対応する形状を有し且つ該表面から深さ（
   Ｄ）に位置する底面を有する溝を形成する工程と、 該溝が設けられた該第１の絶縁層を有する該基板表面に
   、厚さｄ＿１（但しｄ＿１＜Ｄ）を有する半導体層もし
   くは金属層を堆積する工程と、 該半導体層もしくは金属層上に、厚さｄ＿２（但しｄ＿
   １＋ｄ＿２＜Ｄ）を有する第２の絶縁層を形成する工程
   と、 該半導体層もしくは金属層と該第２の絶縁層によって覆
   われた該溝内に、少なくとも該第２の絶縁層の選択的除
   去に対するマスク材を充填する工程と、 該マスク材から表出する該第２の絶縁層を除去して、該
   溝の少なくとも底面に該第２の絶縁層を選択的に残留さ
   せる工程と、 少なくとも該溝の底面に残留する該第２の絶縁層をマス
   クとして、表出する該半導体層もしくは金属層を除去し
   、該溝の底面に該半導体層もしくは金属層を選択的に残
   留させる工程と、 該マスク材および該溝の少なくとも底面に残留する該第
   ２の絶縁層を選択的に除去して、該溝の少なくとも底面
   に該半導体層もしくは金属層を表出する工程と、 該溝の少なくとも底面に表出した該半導体層もしくは金
   属層を核として該溝内部に高融点金属を気相成長させる
   工程 とを包含することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. （２）該高融点金属の気相成長工程後に、該半導体層も
   しくは金属層と該高融点金属とを合金化させるための熱
   処理を施す工程を包含することを特徴とする請求項１の
   半導体装置の製造方法。
3. （３）該第１の絶縁層を有する該基板表面上に堆積され
   た該半導体層にドナーまたはアクセプターとなる不純物
   をドープする工程と、 該不純物をドープされた該半導体層の抵抗を下げるため
   熱処理を施す工程 とを包含することを特徴とする請求項１または２の半導
   体装置の製造方法。