JPH02170536A - 半導体装置 - 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】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、半導体装置の配線層に係り、とくに。

配線パターンに対応して眉間絶縁層に設けられた溝内に
タングステン（Ｗ）等の高融点金属層を選択成長させる
ことにより形成された配線層に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置の配線層としては、従来からアルミニウム（
ＡＩ）Ｉ膜層が主用されてきた。ＡＩ配線層は低抵抗で
あり、下地の絶縁層に対する密着性がすぐれている等の
長所を有するが、電流によるエレクトロマイグレーシラ
ンが生じ易く、さらに、半導体装置の高集積化に伴って
配線が微細化すると。

応力によるストレスマイグレーションの発生が著しくな
ることは周知の通りである。

そこで、アルミニウムの代わりに、タングステン（Ｗ）
等の高融点金属が配線層材料として用いられる。これは
、タングステン等の高融点金属が比較的熱膨張率が低い
ために内部に発生する応力が小さく、また、原子間結合
力が大きいために。

マイグレーションを生じ難いからである。しかしながら
、タングステン等の高融点金属は、一般に下地の絶縁層
に対する密着性がアルミニウムに比べて劣り、しかも、
圧縮方向の内部応力が発生するため、成膜時あるいは後
熱処理において剥離し易＜、シたがって、厚い配線層を
形成できないという問題がある。

ところで、配線の微細化とともに、半導体装置を構成す
る各層の厚さを小さくすることが要求される。しかし、
配線層については、抵抗値の増大を避けるために、その
厚さを減少することには限度がある。その結果、配線層
は大きな高さ対幅比（アスペクト比）を有することにな
る。このため配線層の上に形成される眉間絶縁層には、
配線層の段差がそのまま現われ２段差部における眉間絶
縁層あるいはこの上に形成される上層配線層のステップ
カバレッジが充分でなく、下層配線と上層配線間の絶縁
層不良や上層配線の断線等の障害が発生し易くなり、半
導体装置の信転性が低下する。

上記のようにして眉間絶縁層表面に現れた段差を平坦化
するために９層間絶縁層上にスピンオングラスと呼ばれ
る珪酸ガラスを塗布する方法も用いられている。しかし
、この方法は湿式１程によるものであり９例えばこの方
法で平坦化された表面上に配線層を形成する際に、前取
って脱ガスのための熱処理を必要とする等、工程数の増
加が避けられない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記種々の問題を一挙に解決可能な方法として。

眉間絶縁層に配線パターンに対応する溝を設けておき、
この溝内を埋めるようにタングステンのような高融点金
属を選択的に成長させることが提案されている。（特開
昭６１−１１９０５９．特開昭６１−１３７３４４、特
開昭６２−１４１７４０．特開昭６２−２３００３５．
特開昭６３−１１７４４７等） これらは、いずれも溝内に選択成長の核を形成しておき
１例えば６弗化タングステン（ＷＦａ）と水素（Ｈ２）
の混合ガスと接触させる。−Ｆ６が水素還元されて生成
したタングステン原子が、前記核を成長開始点として成
長し、溝内を金属タングステンで埋める方法である。こ
の方法によれば、配線層による段差は生じず、この上に
形成される層間絶縁層表面は平坦であり、この平坦な眉
間絶縁層表面上に上層配線層を形成することができる。

また。

タングステン配線層は溝の底面および側壁面と接してい
るため、高い密着性を有しており、その層厚を大きくし
ても剥離し難くなる。

上記タングステンの選択成長の核としては、前記溝を形
成するために用いられた反応性エツチング（ＲＩＥ）に
より絶縁層表面に生じた損傷や、あるいは、溝の内壁面
に選択的に形成された多結晶シリコン層等が用いられる
。

上記従来のタングステン選択成長法においては。

核は溝の形成時または溝を設けたのちに形成される。す
なわち、核は溝とは独立の工程で形成されるか、少な（
とも溝形成の結果として形成される。

つまり、溝形成工程において、核となる物質は何等の機
能も発揮しない。また、多結晶シリコン層等から成る核
を用いる場合には、溝内に核となる物質を選択的に形成
するための工程を必要とする。

本発明は、タングステンが窒化シリコンを核として成長
する事実を見出した結果に基づくものであって、窒化シ
リコン層をタングステン選択成長の核として用いると同
時に２層間絶縁層に溝を形成する際のエツチング終点を
検出する手段としても機能させることにより、溝の形成
およびタングステン等の高融点金属の成長核の形成を容
易にする配線層構造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、半導体回路素子が設けられた基板上に形成
された第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成された
第２の絶縁層と、該第１および第２の絶縁層間に介在す
る窒化シリコン層と、所定の配線パターンに対応して少
なくとも該第２の絶縁層を貫通するように設けられ、そ
の有する底面もしくは該底面近傍における内壁面に該窒
化シリコン層が表出する溝と、該溝内に表出する窒化シ
リコン層を核として該溝内を充填するように選択成長せ
しめられた高融点金属から成る配線層とを備えたことを
特徴とする本発明に係る半導体装置によって達成される
。

〔作　用〕

本発明者は９例えばタングステンを気相成長させた場合
に、眉間絶縁層として一般に用いられる５ｉＯｚあるい
はＰＳＧ　（燐珪酸ガラス）等の表面には成長せず、一
方、窒化シリコン（ＳｉＪｎ）の表面には成長する事実
を見出した。この知見に基づき１本発明は５ｉ０２ある
いはＰＳＧから成る絶縁層に設けられた溝内に、　　Ｓ
ｉ３Ｎ４を核としてタングステンを選択成長させる。上
記のＳｉＪ４層は溝が形成される絶縁層とその下地の層
・間絶縁層との間に介在するようにあらかじめ設けられ
ている。したがって。

ＰＳＧ等から成る絶縁層にＲＩＥ等の方法を用いて溝を
形成する際に５ｉＪ４が分解して生じるＮ２の発光スペ
クトルを検出する等により、エツチングの終点を正確に
制御でき、その結果、溝内を充填する高融点金属配線層
の厚さを正確に制御できる。

さらに、上記タングステンの選択成長は、絶縁層に設け
られた溝内の底面もしくはその近傍から開始することが
必要である。これは、この選択成長が溝内側面の比較的
上部から開始した場合、比較的早い時期に溝上部がタン
グステン層によって塞がれ、溝を埋める配線層に空洞が
生じ易いからである。本発明の配線層構造によれば、タ
ングステンの選択成長は溝底面もしくはその周辺の側壁
部に表出するＳｉ３Ｎ４層を核として行われるため。

空洞のないタングステン配線層を形成できる。

〔実施例］ 以下本発明の実施例を図面を参照し°ζ説明する。

第１図は本発明の配線層の基本的構造を示す要部断面図
であって１例えばトランジスタ等の半導体回路素子が形
成されたシリコンチップのような基板１上には１通常の
半導体装置と同様の素子分離絶縁層２と、　ＰＳＧから
成る眉間絶縁層３が形成されている。層間絶縁層３上に
は約０．１μｍの厚さを有するＳｉＪ４層４と、さらに
、所定の配線パターンに対応する溝５＾が設けられた１
例えばＰＳＧから成る絶縁層５が形成されている。そし
て、溝５Ａ内を、ＳｉＪ、層４を核として選択成長した
１例えばタングステンから成る配線層６が埋めている。

図から明らかなように、絶縁層５は配線層６の選択成長
時にはマスクとして機能し、その後は配線層６間を分離
する絶縁層として機能する。

層間絶縁層３には、基板１の図示しない素子領域におけ
る所定位置に対応するコンタクト孔（図示省略）が設け
られており、このコンタクト孔を通じて基板１と配線層
６の一部が接続されている。

このようにして、配線層６により、基板１における同一
または異なる素子領域にそれぞれ形成されているトラン
ジスタ等の素子が相互接続されている。

配線層６の厚さは溝５Ａの深さ、すなわち、絶縁層５の
厚さに相当し２例えば１μｍ程度である。

この程度の厚さとなっても、タングステン等の高融点金
属配線層は溝５Ａ内底面および側壁面における５ｉＪ４
７１４および絶縁Ｎ５と密着しているため。

剥離することはない。また、絶縁層５と配線層６の面は
ほぼ平坦面を成しており、この上に通常の眉間絶縁層お
よび上層配線層を設けても、従来のような下層配線層の
段差によるステップカバレッジ不良は生じない。

第２図は本発明の配線構造を有する半導体装置の製造工
程の実施例を説明するための要部断面図である。

第２図（ａ）を参照して１例えばシリコンウェハのよう
な基板１の表面の所定領域（素子分離領域）に１例えば
周知のＬＯＣＯ３法を用いて、素子分離絶縁層２を形成
する。そして９図示しない素子形成領域に、トランジス
タ等の半導体回路素子を形成したのち、基板１上の全面
に１例えばＰＳＧから成る・層間絶縁層３を形成する。

層間絶縁層３の厚さは９例えば０．８μ糟であり１周知
のＣＶＤ法を用いて形成することができる。

次いで１周知のリソグラフ技術を用いて１層間絶縁層３
に、基板１に形成された前記半導体回路素子との電気的
接続をするための図示しないコンタクト孔を形成したの
ち、このコンタクト孔内にタングステン等の金属層また
はシリコン等の半導体層を選択成長させる。この場合の
選択成長は。

コンタクト孔に表出している基板１表面を核として成長
を行わせるものであり５周知の技術範囲内である。

次いで１例えば周知のＣＶＤ法を用いて、第２図０））
に示すように、基板１上の全面に、厚さ約０．１μｍの
５ｉ３Ｎｉ層４および９例えばＰＳＧから成る厚さ約１
μｍの絶縁層５とを順次堆積したのち、レジストマスク
を用いる周知のりソゲラフ技術を用いて、第２図（Ｃ）
に示すように、所定の配線パターンに対応する溝５Ａを
絶縁層５およびＳｉＪ、層４に形成する。この場合に、
　ＣＦ４　とＣＨＦ、とから成る周知の混合ガスを用い
てリアクティブイオンエツチング（ＲＩＥ）を用いる。

このＲＩＥにおいて９表出したＳｉ３Ｎ４層４がエツチ
ングされ始めたときに発生するＮ２の発光スペクトルを
検出する等の手段により、絶縁層５のエツチング終点を
決めることができる。このエツチングにおいて、溝５Ａ
の底面に層間絶縁層３が表出するまで５ｉｘＮａ層４の
エツチングを行う。この際１表出した眉間絶縁層３表面
が多少エツチングされても実質的に問題とはならない。

第２図（Ｃ）には、溝５＾の底面のＳｉＪ４層４がエツ
チングされ、溝５Ａ間に残留する絶縁Ｎ５と眉間絶縁層
３との間に介在する５ｉ３Ｎａ層４が溝５Ａ底面周辺の
側壁部に表出している状態が示されている。

なお、溝５Ａの一部は前記のように金属層等が充填され
たコンタクト孔上に延在しており、この充填された金属
層等が表出している。

上記のようにして溝５Ａが形成されたのち、第２図（ｄ
）に示すように、溝５Ａを埋めるタングステンの選択成
長を行う。この選択成長の条件を列記する。

成長温度（基板温度）：２５０’Ｃ 反応ガスおよび流量：　−Ｆ、　　３３ＣＣＭＳｉＨ＊
　　３３ＣＣＭ 反応ガスの分圧：　　　　３　ｘｔｏ−”　Ｔｏｒｒキ
ャリヤガスおよび流量：　Ｎ２　６００ＳＣＣＭなお、
　ＷＦ６は弗化タングステン、　ＳｉＨ４はシランであ
る。

上記により、溝５Ａ底面周辺の側壁部に表出するＳｉ：
＋Ｌ層４を核としてタングステンが選択成長し。

第２図（ｄ）に示すように、溝５Ａ内を埋める厚さ約１
μＩのタングステンから成る配線層６が形成される。

上記に引続き１通常の工程と同様にして１例えばｐｓｃ
から成る別の眉間絶縁層の形成、この層間絶縁層に対す
るコンタクト孔の形成、　ＡＩから成る上層配線層の形
成および保護絶縁層の形成等を行って本発明の半導体装
置が完成される。

なお、上記実施例においては、　　Ｓｉ：＋Ｎ４層４を
核としてタングステン層を選択成長させる場合を例に説
明したが、その他の高融点金属として、モリブデン（Ｍ
ｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）等を選択成長
させることも可能である。これらの選択成長に必要な気
体状化合物としては、それぞれ１例えば、　ＭＯＦ＆　
（６弗化モリブデンＬ　ＴｉＣ１４（４塩化チタン）、
　Ｔａ　Ｃ１ｓ　（５塩化タンタル）を用いることがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、タングステンの選択成長の核となるＳ
ｉ３Ｎ４層を溝内に選択的に形成するために特別の工程
を必要とせず、また、このＳｉ、Ｎ、層は。

溝を形成するためのエツチングにおいて終点検出手段と
して機能するため、溝のエツチング制御が正確かつ容易
になる。したがって、マイグレーションがなく、かつ、
平坦な表面を有する配線層を備えた半導体装置の製造工
程の能率を向上可能とする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の配線層の基本的構造を示す要部断面図
。 第２図は本発明の配線構造を有する半導体装置の製造工
程の実施例を説明するための要部断面図。 である。 図において。 １は基板。 ２は素子分離絶縁層。 木イ仁　ｇｌ１１１７１面己奪条ノ七ｎ外　オ（白り刑
（逐第　１　図 ボタ（１月の臼己朱祭オ作進を羊ｐ手導体東」１の製遁
ＬｒＬ第　２Ｉ２］（１月ｐ ３は眉間絶縁層。 ４は５ＩＪａ層。 ５は絶縁層。 ５Ａは溝 ６は配線層。 である。 家運１斤 （ぞの２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体回路素子が設けられた基板上に形成された第１の
   絶縁層と、 該第１の絶縁層上に形成された第２の絶縁層と、該第１
   および第２の絶縁層間に介在する窒化シリコン層と、 所定の配線パターンに対応して少なくとも該第２の絶縁
   層を貫通するように設けられ、その有する底面もしくは
   該底面近傍における内壁面に該窒化シリコン層が表出す
   る溝と、 該溝内に表出する窒化シリコン層を核として該溝内を充
   填するように選択成長せしめられた高融点金属から成る
   配線層 とを備えたことを特徴とする半導体装置。