JPH0215619A - 小寸法電気的コンタクトの形成方法 - 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】 本発明は、絶縁層にエツチングされた開口内の局所接続
スタッドの技術を用いて、半導体装置上に小寸法電気的
コンタクトを形成する方法に関する。この方法は、高集
積モノリシック集積回路の技術分野での使用に特に適し
ている。

半導体技術は、当該モノリシック集積回路に増大する数
多くの基本素子を集積化する点で目を見張る発展を示し
ている。

この目的を達成し同時にその集積回路の動作速度を向上
させるために、基本素子の寸法を最小にしその結果これ
らのコンポーネントの能動領域と共に接続スタッドも減
少させようとする試みがなされている。

最低の体積で低い抵抗値を確保するために、導７ｔライ
ンの幅は狭くしても、その厚さは厚くし、半導体基板に
対するこれらのラインの寄生容量を可能な限り小さくす
るために、かなり厚い絶縁層によってこの構造を支持す
ることが可能であるような相互接続の金属構造が得られ
ることも又必要である。

経験によると、従来の接続方法は、絶縁層の接続開口の
アスペクト比とも呼はれる深さと直径の比が１に近い値
又はそれ以上の値を有する場合には使用不可能になるこ
とが判明している。

例えば、真空蒸着によって形成されたＡ１またはＡ１合
金層は被覆特性が充分でないので、コンタクト窓に必然
的に存在する急峻エツジによる不連続を除去する事が出
来ない。またこれらの窓のアスペクト比が略１の場合、
コンタクト窓の人口でＡ１層が堆積してしまう一方で、
これらの窓の底部と壁部分では金属層の被覆が一様とは
ならない事も判明している。

ヨーロッパ公開特許公報第２４５　、６２７号には、絶
縁層内に形成されたコンタクト窓から構成されるキャビ
ティ内の局所コンタクト・スタッドにより、ＶＬＳＩ型
の集積回路上に小寸法電気接点を設ける事によりこの問
題点を解決する点が開示されている。

この方法によると、絶縁層にコンタクト窓をエツチング
した後、例えば、タングステン−シリコン合金の第一導
電層をコンタクト窓の内側表面も含めて表面全体に被覆
特性の良い方法を用いて付着させる。この第一導電層は
コンタクト窓の直径に、比較して薄いのでこの付着によ
りこれらの窓が塞がってしまうことは無い。この導電層
は、コンタクト窓内で絶縁層の材料と半導体のコンタク
ト領域に付着しそこに形成されるコンタクトの抵抗が低
抵抗となる様に選択される。この工程の後、また−補性
の高い被覆を実現する方法を用いて、コンタクト窓が埋
まるのに充分な厚さに第二導電層を付着させる。この後
、局所コンタクト・スタットが形成されるコンタクト窓
には導電材料を残しておいて、絶縁層の表面からは導電
層を除去する。

次に、例えば、Ａ１合金層の金属層を付着させそれを所
望の形状にエツチングし、コンタクト・スタッド間に必
要な電気接続を形成して相互配線を形成させる。

実際には、第二導電層の上側表面には、コンタクト窓の
真上にキャビィティを埋めるために材料が使用されたこ
とによる窪みが発生している事が一般的に判明している
。二層の導電層を一様に除去して絶縁層の表面を露出さ
せる場合、コンタクト・スタットはそれらの上面のレベ
ルで同様な窪みを有することになる。絶縁層の表面から
導電材料を全て完全に除去するようにするためには、導
電層を少しオーバーエツチングする必要がある。

しかしながら、絶縁層の表面上の全ての残留物を除去す
るために導電材料をオーバーエツチングすることは次の
ような問題を発生させる。つまり、ａ）絶縁層がそのエ
ツチング処理によりエツチングされない場合には、残留
コンタクト・スタッドもまたオーバーエツチングされそ
れらの上側のレベルが絶縁体表面より低下してしまい、
ｂ）絶縁層が金属に対して低いレートでエツチングされ
る場合でも、レベルが低下すると言う同様な問題が生じ
さらに絶縁層に粗さが発生すると言う問題（第１０頁第
１６行〜第１１頁第１４行参照）も発生する。

経験上判明したことであるが、コンタクト・スタッドと
それを被覆する金属層との間のコンタクトに高い信頼性
を持たせるためには、コンタクト・スタッドの上側表面
が絶縁層と同じレベルにあるか又はこのレベルを僅か越
える様にさせる事が必要で、ざらに゛どの場合に於いて
もそのコンタクト・スタットがコンタクト窓内で小さく
なってしまうことのない様にする事が重要である。

ヨーロッパ公開特許第２４５　、６２７号により知られ
ている方法は、有機材料の補助層を使用し、この材料の
異方性及び部分エツチング特性により第二導電層の窪ん
だ部分に残存島を設け、次に二層の導電層をエツチング
する間、これらの残存島を下側の導電材料の保護用マス
クとして使用すると言う方法によりこの問題を解決して
いる。

この方法は、それが完全に窪みの存在とそれらの形状に
依存しており、その一方でこれらの窪みの形成が制御性
の無い方法で行われると言う欠点を有している。

さらに、有機材料の層から残存島を形成する際、これら
の島の寸法が大幅に拡大されない限り、エツチングの停
止時点は高精度に決定されなければならないと言う欠点
もある。

それ故、本発明によって解決される具体的な技術上の問
題点は、絶縁層内のコンタクト窓に局所導電コンタクト
・スタッドを形成する技術を用いて半導体装置上に小寸
法電気的コンタクトを設ける方法を提供する点にあり、
この方法によると、そのコンタクト・スタッドを再現可
能な形で得ることが可能で、しかもその上側表面を隣接
する絶縁層の表面レベルと少なくとも同じレベルか、あ
るいは、所望により所定の高さだけ僅か高くする事が可
能である。

この目的のために、本発明によると、半導体基体から形
成された半導体装置上に小寸法電気的コンタクトの形成
方法であって、前記装置を被覆する絶縁層にコンタクト
窓をエツチングした後、前記半導体基体とコンタクトを
形成し前記絶縁層に密着する第一の薄い導電層と次にコ
ンタクト窓を完全に埋めるのに充分な厚さの第二導電層
とを一様性の高い被覆を実現する方法を用いて順次前記
装置の表面全体に付着させ、その後前記導電層の材料を
前記絶縁層の表面を露出するために除去するが、前記コ
ンタクト窓内ではそれは残存して局所コンタクト・スタ
ッドを形成し、次にそれらスタッドをそれらを被覆する
金属相互配線に接続さ仕る、小寸法電気的コンタクトを
形成する方法が、前記第一導電層を付着させた後、前記
第二導電層の材料に対し選択的にエツチングすることの
出来る導電材料により形成されている薄いいわゆる分離
層を付着させることと、次いで前記絶縁層の表面を露出
させる前記方法の次の段階の間、前記コンタクト窓の外
側に位置するこの分離層の大部分を選択的にエツチング
することとを特徴としている。

い゛わゆる分離層の厚さを適切に選択することによって
、選択的に除去される分離層の厚さに対応させてコンタ
クト・スタッドにレベル差を効率的に与えることが出来
る。

実際の処理条件の函数、特に分離層を被覆している導電
材料をエツチングする工程の長さの時間の函数としては
、分離層の大体の実質上の厚さが絶縁層のレベルより多
少突出しているコンタクト・スタッドを得る為に選択さ
れる。

本発明は、第二導電層をエツチングした後この層の如何
なる残存物も容易に分離層と共に一除去・させることが
出来ると言う効果を有している。

本発明のさらに別の効果は、第二導電層表面がかなりの
厚さのこの層内に発生ずるマイクロクリスタルに関係す
る粗さを有する場合、この粗さが分ｉｌｌωによって吸
収されるので、これがエツチングによって絶縁層に転移
されることが無いことである。これは、分Ｆｆｉ層を第
一導電層の材料に関し選択的に除去することが出来ると
言う事実によっている。先行技術の方法を使用すると、
しばしば、第二導電層の表面粗さが絶縁ｌ舒の表面に転
移されることが実際に観測される。これは、二層の導電
１傷を除去するのに使用されるエツチング方法が分離層
の材料に関し充分な選択性を有していないことによる。

一方、絶縁層のこの表面粗さは、この方法の次の段階の
間に大きな問題、特に相互配線を規定する金属層をフォ
トマスクする工程時の受は入れ難い解像度の低下と言う
問題をもたらす。

本発明の第一実施例の方法の特徴は、前記分離層が、こ
の処理の間ストッパ層として機能するように、前記第二
導電層を除去する間に実行される前記エッチング工程に
対し抵抗性を示すようにも選択された材料により形成さ
れていることである。

従って、第二導電層をエツチングする工程は高い再現性
をもたらし、特にこの処理が終了する時点を再現性良く
選択することが可能となる。

本発明の第二実施例の方法の特徴は、前記分離層の付着
と前記第二導電層の付着との間に前記第一導電層と同一
の材料の薄いバリア層をさらに付着させたことと、面記
分雛層がこの処理の間ストッパ層として機能し前記バリ
ア層を除去する間に実行される前記エツチング工程に抵
抗性を示すように前記分離層の材料を選択したことであ
る。分離Ｊ５と第二導電層との間にバリア層を挿入する
ことにより、連続する付＠層に全体的な整合性を再度確
立させることが出来る。一方第二導電層の付着はそれが
分離層上に直接形成される場合は不利になる。

分離層の形成材料はアルミニウムまたはコバルトが望ま
しく、また第一導電層はタングステンリッチな合金によ
りまた第二導電層はタングステンにより形成されるのが
望ましい。

［実施例］ 本発明を容易に実行することが出来るように、例に基づ
き添付の図面を参照して、本発明をより詳しく説明する
。

本発明の方法は、その一部が第１図に示されている半導
体装置上に小寸法電気的コンタクトを設ける方法に関す
る。

例えはＳｉの基板１０には、集積回路の様々な能動素子
が既に形成されている。本発明の方法の複数の段階によ
って、ＭＯ５型ＦＥＴのソースまたはドレイン領域の様
な素子の能動領域１１と共に電気的コンタクトが形成さ
れる。基板１０上には、シリカガラスの例が多い絶縁層
１２が形成されている。このシリカガラスには場合によ
っては燐またはボロンがドープされる。

適切に相互配線を絶縁するために（後に絶縁層１２によ
って行われるが）、また寄生容量を最小にするために、
絶縁層は０．８〜１μと言うかなり厚い厚みを有してい
る。

続いて、コンタクト窓１３が絶１ｔＮ１２にエツチング
される。この窓の直径又は横方向のうちの少なくとも一
辺は非常に小さく、絶縁層１２の厚さと同し程度か又は
その厚みより小さい。

第一の薄い導電層１４を、次いて、既知の方法によって
付着させ、これによりコンタクトの内側面を含めて素子
の良好な表面被覆を可能にする。この第一導電層の種類
は、一方では、絶縁層１２と能動領域１１の半導体材料
への満足の行く密着を可能にし、他方では、この領域と
の良好なコンタクトを確実にするように選択される。

例えば、第一導電層は、タングステン、タングステン−
チタニウム合金、又はタングステン−シリコン合金によ
り形成される。この第一導電層は相対的に薄く、つまり
、これがコンタクト窓１３を塞ぐ事がない程度に薄く、
その厚さはコンタクト窓の直径の何分の−でしかない。

第一導電層の望ましい厚さは、例えば直径（Ｌ８μのコ
ンタクト窓１３に対して１１００ｎである。

本発明の方法によると、第二導電層１５を付着する前に
、第二絶縁層１５の材料に対して選択エツチングする事
が可能な導電材料からなる薄い分離層Ｉ６を先ず付着さ
せる。

後に判る様に、分離Ｊｉｉ！１６はコンタクト窓１３の
外側に位置する表面部分でその本質的な機能を果たす。

従って、分離層１６の付着に使用される方法がコンタク
ト窓の内側面を良好に被覆するかどうかは重要ではない
。

第１図の例では、物理的蒸着法のような被覆性の良くな
い付着方法が使用され、分離層１６はコンタクト窓１３
の急峻なエツジを被覆せず、当該窓の底部にたった一個
の分離した島１６ａが形成される。

この第一実施例の場合には、分離層１６はスパッタリン
グによって形成される約１１００ｎの最小厚さを有する
コバルト層である。

次に第二導電層１５が付着される。これはコンタクト窓
１３を埋めるのに充分な厚さを有している。

この実施例に於いては、この層は最低１μの厚みを有す
るタングステンにより形成されていて、弗化タングステ
ン（ＷＦｓ　）を水素によって希釈したガスを用いた既
知のＬＰＣＶＤ　（低圧化学気相成長）法により得られ
る。

続いて、第二導電層１５を形成する材料の大部分が除去
され、このｔ４料はコンタクト窓１３内のみに残り、こ
こに局所コンタクト・スタット１５ａが形成される。

このエツチング処理は弗化硫黄ＳＦａのプラズマ法によ
って行われる。

本方法のこの段階が第２図に示されている。この例に於
いて、コバルトの分離層１６はタングステンのエツチン
グ処理に於いてストッパ層となる。

第２図に示されるように、コンタクト・スタッド＋５ａ
の上側レベルは、分離層１６のレベル１７より僅か下の
位置にある。これは導電層のエツチング処理が、分離層
１６の表面りからこの層の全ての残存物が除去されるよ
うに、必要以上に意図的に続けられると言う事実による
。

続いて、ダメッジを受けなつかった第二導電層の材料と
第一導電層の両方の材料に対する選択エツチングによっ
て、分ｍ層１６が除去される。

この処理段階に対応する第３図は、タングステンのコン
タクト・スタッド１５ａが第一導電層１４のレベル１８
より僅か突出していることを示している。

コバルトの分離層１６は、３０％に希釈された塩酸３部
と過酸化水素水１部の混合物を含む溶液により室温で数
分間処理することにより選択的に除去することが出来る
。

第４図に示されるように、第−導？ｔ　Ｆｄの大部分は
この時除去され、コンタクト窓１３内に位置する部分１
４ａが残る。その後コンタクト・スタッド１４ａ、１５
ａに接続されていてその一部が２０で示される金属相互
配線が得られる。相互配線２０は、既知の方法を用いた
、例えは本導体装置全体をカバーしフォトリソグラフィ
と選択エツチングによって所望の配線が形成されている
ほぼ１μｍの厚さのアルミニウムーシリコン合金層によ
り得られる。

本発明の方法によると分１ｉｉ１層の厚さを適当に選択
することによって容易に絶ＢＦＬ’１２の上側レベルに
対するコンタクト・スタット１５ａのレベルを調整する
ことが出来る。

第１図に示されるように、コンタクト・スタッドが絶縁
層１２０表面のレベルより僅かに突き出ている場合には
、より良好な電気的特性が得られる。

この結果コンタクト・スタッド１５ａと相互配線２０と
の間の接続は抵抗値が最低となりその耐久性も高くなる
。

第５．６及び７図により本発明の詳細な説明する。

これらの図に於る第１から第４図に対応する部分には同
一の参照番号が付されている。半導体装置の能動領域を
形成した後に、絶８層１２を被着させコンタクト窓１３
をそこに形成し、その後第一導電７１４により表面全体
を被覆する段階は、第１図に示したものと変わらない。

次に分離１５２６を被着させるが、この場合この層はＩ
ｏｏｎｍの厚みを有するアルミニウムである。第５図に
示されるようにこの場合に於いても、分離層２Ｇがコン
タクト窓Ｉ３内の第一導電層を連続的に被覆する必要は
ない。それ故、分離層１６はいかなる方法、例えは真空
蒸着、スパッタリング、あるいはプラズマによる気相成
長法等によって形成することが出来る。

アルミニウムは分離Ｆｊ２６を形成するのに望ましい材
料である。なぜならは、アルミニウムは一方では第二導
電層１５を形成するタングステンに対し選択的にエツチ
ングする事が可能であり、他方では当該第二層が除去さ
れるときに行われるエツチング工程に対して抵抗性があ
るからである。

しかしながら、タングステン１５の第二導電層を付着さ
せるのに低圧気相成長法が用いられる場合には、この反
応は水素によって希釈された弗化タングステン（ＷＦｅ
）のガスが使用されるので、この反応の間かなりの歌の
弗素が放出され、これによりアルミニウムと共に不揮発
性の不導電化合物が形成されると言う欠点がある。従っ
て、本発明の変形例では、分離層２６は第一導電Ｎ１４
と同様な材料の比較的薄いバリア層２４によって被覆さ
れている。

実施例に於いてはバリア層２４は５０ｎｍの厚さを有す
るチタニウム−タングステンの合金から形成され、第一
導電層と同様な方法、つまりスパッタリングによって得
られる。次いで、水素によって希釈された弗化タングス
テンのガスを用いて、低圧気相成長法によりタングステ
ンからなる第二導電層１５を得ろことが出来る。この層
はコンタクト窓１３が埋まるのに充分な厚さを有してい
る。

第一導電Ｊ傷１４と同様にバリア層２４も高被覆特性を
実現する方法によって得られる。その結果分離７１６と
コンタクト窓１３の底部に位置するこの層の島２Ｇａは
完全にこのバリア層２４により被覆される。

このＰ！２４により分離Ｆ’２（３のアルミニウムが第
二導電層１５の被着開始時に弗素によりエツチングされ
ることが防止される。

次にバリア層２４と第二導電層１５の大部分が除去され
、コンタクト窓１３の中にのみこれらの材料が残る。こ
のエツチング工程はＳＦｅのプラズマ中で行われ、これ
によりタングステンとチタニウム−タングステン合金が
順次且つ実際上同じエツチングレートでエツチングされ
る。

この処理の終了時に於いて分離層２６はエツチングスト
ッパとして機能する。この層は次に燐酸をベースにした
溶液を用いたウェットエツチング法か、ＢＣｌ３または
ＣＣＩ：ｌの様な塩素リッチ化合物を用いたプラズマの
ドライエツチング法を用いて選択的にエツチングされる
。

第６図はこの処理の段階にある半導体装置を示す。この
変形例によると、分離層２６の選択エツチングは、第二
導電層の局所ニレメン）　１５ａのレベル及びバリア層
の局所ニレメン）　２４ａのレベルを第一導電［１４の
レベルに対してシフトさせるためにも使用される。農後
に絶縁層１２よリートにある第一導電層１４の大部分を
除去する。その結果コンタクト窓１３内のこの第一導電
層の局所ニレメン）　１４ａ　（第７図参照）のみが残
される。非局所的な方法で実行されるこのエツチング工
程により、局所エレメメ）　１５ａ及び２４ａのレベル
が突出している状況は維持される。それ散策７図に示さ
れるように、コンタクト窓１３内に、それらの上側レベ
ルは絶縁層１２の表面のレベルと大部分に於いて一致す
るか又はそれより突出しているスタッド１５ａ、２４ａ
、　１４ａ及び２６ａにより構成されるコンタクト・ス
タッドの形成が可能となる。次にこの半導体装置は、例
えばアルミニウムの厚い層により金属相互配線を形成す
ることによって終了する。そしてこの配線は所望の配置
に局所的なエツチングによってカットされる。これらの
処理（図示せず）は、本発明の前述した実施例に関して
述べたものと同様である。

分離層を形成する材料としてアルミニウム、またはコバ
ルトを使用することが有利である。なぜならば第二導電
層またはバリア層を除去する間、その分ａＪΔがエツチ
ングストッパーとして機能するからである。しかしなが
ら、池の材料も又次の条件のもとで使用することが可能
である。その条件とは、部分１６ａまたは２６ａがコン
タクト接続の一部を形成しているので良好な導電体であ
ることと、このバリア層が第二導電層の材料に対して選
択エツチング出来ることである。もちろん分離層１６．
２６の厚さの選択に関し、第二導電層を除去する処理ま
たはバリア層を除去する処理の最終時にエツチングされ
るこの層の部分については、分離層がこの処理の問エツ
チングに完全な抵抗性を示さない場合には、考慮してお
かなけれはならない。続いてバリア層は第−導電層及び
第二導電層に対して選択的にエツチングされるので、こ
れは絶縁層の表面を露出する処理の間に第二導電層の表
面の粗さが絶縁層に転移する如何なる問題に対しても実
効的な解決策を与える。

１０・・・基板、１１・・・能動領域、１２・・・絶キ
ゑ層、１３・・・コンタクト窓、１４・・・１１−導電
層、　１５・・・第二導電ｔビ、　１５ａ・・・コンタ
クト・Ｚタノトー　、１Ｇ−・・分ＡＪｆＭ、　１６ａ
−島、＋７．、　＋８＝・い１；、

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は、本発明の第一実施例の方法の主要な工程
の断面図を示し、 第５〜７図は、第二実施例を示す同様な図である。 １０・・・基板、 １２・・・絶縁層、 １４・・・第一導電層、 １４ａ、　１５ａ・・・コンタク １６・・・分離層、 ２０・・・相互配線、 ２６・・・分離層、 １１・・・能動領域、 １３・・・コンタクト窓、 １５・・・第二導電層、 ト・スタッド、 １７．１８・・・レベル、 ２４・・−バリア層、 １６ａ、２６ａ−・・島 ＩＯ・−・基板、　　　１１・・・能動領域、１４・・
・第一導電層、１５・・・第二導電層、１１３ａ、　２
６ａ・・・島、　２０・・・相互配線、１２・・・絶１
３層、１３・・・コンタクト窓、１４ａ、　　＋５ａ・
・・コンタクト・スタッド“　、２４・・・バーリア層
、２６・・・分離層ＩＯ・・・基板、＋１・・・能動領
域、１４ａ、　　１５ａ・・・］シ乃ト・Ｚクリド１２
・・・絶縁層、 ２０ａ・・・島、 １３・・・コンタクト窓、 第７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基体から形成された半導体装置上に小寸法
   電気的コンタクトを形成する方法であって、前記装置を
   被覆する絶縁層にコンタクト窓をエッチングした後、前
   記半導体基体とコンタクトを形成し前記絶縁層に密着す
   る第一の薄い導電層と次にコンタクト窓を完全に埋める
   のに充分な厚さの第二導電層とを一様性の高い被覆を実
   現する方法を用いて順次前記装置の表面全体に付着させ
   、その後、前記絶縁層の表面を露出するために前記導電
   層の材料を除去するが、前記コンタクト窓内ではそれを
   残存させて局所コンタクト・スタッドを形成し、次にそ
   れらスタッドをそれらを被覆する金属相互配線に接続さ
   せる、小寸法電気的コンタクトを形成する方法に於いて
   、 前記第一導電層を付着させた後、前記第二導電層の材料
   に対し選択的にエッチングすることの出来る導電材料に
   より形成されている薄いいわゆる分離層を付着させるこ
   とと、次いで前記絶縁層の表面を露出させる前記方法の
   次の段階の間、前記コンタクト窓の外側に位置するこの
   分離層の大部分を選択的にエッチングすることとを特徴
   とする小寸法電気的コンタクトの形成方法。
2. （２）前記分離層が、この処理の間ストッパ層として機
   能するように、前記第二導電層を除去する間に実行され
   る前記エッチング工程に対し抵抗性を示すようにも選択
   された材料により形成されていることを特徴とする請求
   項（１）に記載の小寸法電気的コンタクトの形成方法。
3. （３）前記分離層の付着と前記第二導電層の付着との間
   に前記第一導電層と同一の材料の相対的に薄いバリア層
   をさらに付着させたことと、前記分離層がこの処理の間
   ストッパ層として機能するように前記バリア層を除去す
   る間に実行される前記エッチング工程に抵抗性を示すよ
   うに前記分離層の材料を選択したこととを特徴とする請
   求項（１）に記載の小寸法電気的コンタクトの形成方法
   。
4. （４）前記第一導電層がタングステンリッチの合金で、
   前記第二導電層がタングステンから形成され、かつアル
   ミニウム又はコバルトが前記分離層の形成材料に選択さ
   れることを特徴とする請求項（１）〜（３）の何れかに
   記載の小寸法電気的コンタクトの形成方法。
5. （５）前記分離層の最小厚さが前記コンタクト窓の最小
   横方向寸法の１／４と１／１５の間の値を有することを
   特徴とする請求項（１）〜（４）の何れかに記載の小寸
   法電気的コンタクトの形成方法。