JPH0311735A - 多層配線形成方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製造工程における多層配線の形
成方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、半導体装置の製造工程における多層配線の形
成方法に関し、更に詳しくは、基体の拡散層上に開口し
たコンタクトホールを、バリヤメタルを介して高融点金
属により選択的に埋め込むことにより、耐熱性に優れた
多層配線形成する方法に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等半導体装置の高集積度化にともない
、装置内配線の線幅はますます微細化するとともに、多
層化技術の重要性が高まっている。

とりわけコンタクトホールは、そのアスペクト比すなわ
ち深さと直径の比が例えば１以上と大きくなってきてお
り、この微細なコンタクトホールへの、耐熱性に優れた
導電性材料の埋め込み技術の重要性が増してきた。

従来、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基体の拡散層上の絶
縁膜に開口したコンタクトホール内部を、導電性材料で
埋め込む方法としては、スパッタリング法が主として用
いられてきた。しかしこの方法も、微細でアスペクト比
の大きなコンタクトホールになると、そのステップカバ
レッジ特性に限界が生じてきた。　そこで、コンタクト
ホール底部に露出したシリコン等の上に、自己整合的な
選択成長が可能な夕′ングステン（−）等の高融点金属
の選択ＣＶＤによる埋め込み方法が有望視されてきた。

しかしこの方法は耐熱性に問題があり、引き続く熱処理
工程において例えば６５０°Ｃ程度以上の熱履歴がかる
と、Ｓｉと−の界面でたやすくシリサイド化反応をおこ
したり、賀がＳｉの結晶欠陥にそって異常拡散しスパイ
クが発生しがちであった。

これにより、リーク電流の増大やコンタクト抵抗値の変
動等、半導体装置の信頼性に悪影響を及ぼす場合がしば
しばあった。

耐熱性を向上する手段として、コンタクトホール底部に
窒化タングステン（ＷＮ）や窒化チタン（ＴｉＮ）等の
バリヤメタル層を形成する方法があるが、これらバリヤ
メタル層の上にはタングステン（Ｗ）等の高融点金属が
選択成長しにくい。そこで例えばバリヤメタルとしてＴ
ｉＮを用い、この表面に極微量のＳｉをイオン注入して
ＴｉＮの表面改質を行ったのちに−の選択ＣＶＤを行う
方法が提出されている（例えば、第３６回応用物理学関
係連合講演会講演予稿集、３ａ−ＺＦ−１０，１９８９
年４月）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし前記した従来例による方法においても、工業的利
用の見地からは、必ずしもすべての場合において耐熱性
に優れたコンタクトホールからなる多層配線を高い歩留
で形成するには至っていない。

そこで本発明の課題は、Ｓｔ等等厚導体基体拡散層上の
コンタクトホールを、ＷＮやＴｉＮ等のバリヤメタルを
介してＷ等の高融点金属の選択ＣＶＤで埋め込むにあた
り、耐熱性に優れた多層配線を信頼性よく形成する方法
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

前述した課題を達成するため、本発明者らは以下の２つ
の多層配線形成方法°を発明するにいたった。

第１の多層配線形成方法は、コンタクトホールの少なく
とも底部に一層および−Ｎ層を薄く順次形成し、つぎに
−等高融点金属の選択成長の核となる層をこれも薄（形
成した後、前記コンタクトホールを一等高融点金属の選
択ＣＶＤにより埋め込むことを特徴とする多層配線形成
方法である。ここで言う選択成長の核となる層とは、前
記−ＮＨの表面を還元して得られる一金属層、同じく前
記−Ｎ層にＳｉ・イオン注入して得られるＳｉ改質ＷＮ
層、さらには同じ（ＷＮ層表面に形成して得られるポリ
シリコン（ｐ−５ｉ）層、アモルフ、アスシリコン（ａ
−５ｉ）層、タングステンシリサイド（ＷＳｉ、　）等
の高融点金属シリサイド層等のことを意味し、要はその
表面に−等の高融点金属の選択ＣＶＤを可能とする層を
意味する。

また本発明の第２の多層配線形成方法は、コンタクトホ
ールの少なくとも底部にＴｉＮ層およびＷ等の高融点金
属シリサイド層を薄く順次形成し、ついで前記コンタク
トホールを高融点金属の選択的ＣＶＤにより埋め込むこ
とを特徴とする多層配線形成方法である。ここで言う高
融点金属シリサイド層とは、ＷＳｉ　、　、モリブデン
シリサイド（ＭｏＳｉｇ）　、チタンシリサイド（Ｔｉ
Ｓｉｚ）　、ジルコニウムシリサイド（ＺｒＳｉ＊）等
高融点金属の珪化物の層を意味し、要はその表面に一等
高融点金属の選択ＣＶＤが可能であり、かつ耐熱性に優
れ、選択ＣＶＤにより埋め込まれる一等高融点金属と反
応しない材料からなる層のことを言う。

〔作用〕

本発明の第１の多層配線形成方法によれば、コンタクト
ホールの少なくとも底部にはＷ層およびＷＮ層からなる
バリヤメタル層があり、つぎに高融点金属の選択成長の
核となる層を形成するので、コンタクトホール内にｗ等
の高融点金属が自己整合的に選択成長して埋め込まれ、
耐熱性に優れた多層配線が形成される。

また本発明の第２の多層配線形成方法によれば、コンタ
クトホールの少なくとも底部にはＴｉＮ層および高融点
金属シリサイド層がこの順に形成されており、ついでコ
ンタクトホール内にＷ等の高融点金属が自己整合的に選
択成長して埋め込まれるので、耐熱性に優れた多層配線
が形成される。

ＷＮｌｉならびにＴｉＮ層ともに略二千°Ｃ以上の融点
を持つので、引き続く熱処理工程においても、コンタク
トホール底面に露出した拡散層と埋め込まれた高融点金
属とがシリサイド化反応をおこしたり、スパイクが発生
することはない。

高融点金属の選択成長の核となる層ならびに高融点金属
シリサイド層とも、この表面には高融点金属が再現性よ
く選択ＣＶＤにより成長するので、信頼性に優れた多層
配線の形成が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。なお実施例１〜４は請求項１によるものであり、
実施例５〜６は請求項２に対応するものである。

実隻聞よ 第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例による多
層配線形成方法を示す工程図である。同図（ａ）におい
て、Ｓｉ等の基体１の拡散層２上の絶縁膜３にコンタク
トホール４が開口しており、その底面には拡散層２が露
出している。コンタクトホール４底部の自然酸化膜を除
去した後、ここに同図（ｂ）のようにＷ層５を薄く、例
えば５００〜１０００人の厚さで選択ＣＶＤにより成長
させる。つぎにアンモニア（ＮＨ３）ガス雰囲気中例え
ば６００〜９００°Ｃの温度で短時間のランプアニール
等のＰＴＡを施し、同図（Ｃ）のようにＷ層５の表面を
窒化しＷＮ層６を例えば３００〜１０００人の厚さに形
成する。ＲＴＡは一層５の表面から加熱し、しかも短時
間であるのでＷ層５は下地の基体１の拡散層２とのシリ
サイド化反応に優先してＷＮ層６が形成される。

このＷＮＮ層上上は−は選択ＣＶＤにより成長し難い。

そこでさらに例えば水素（Ｈ２）ガス等の還元性雰囲気
中で８００〜１０００°ＣのＲＴＡを施し、同図（ｄ）
のようにｗＮ−層６表層部のみを還元して第２の一層７
とする。第２の一層７は、高融点金属の選択成長の核と
なる層である。つぎに、例えば６フツ化タングステン（
ＷＦａ）のシラン（ＳｉＨ４）還元条件または水素（Ｈ
２）還元条件による選択ＣＶＤにより、選択成長Ｗ　２
０をコンタクトホール４中に積み増し、第１図（ｅ）に
示すように埋め込みを完了する。

讐Ｆｂ　＋　３／２　ＳｉＨ４→−＋　３／２５ｉＦｎ
　＋　３ＨｚＷＦ６＋　　　３Ｈ２→Ｗ　＋　６ＨＦこ
の後、第１図には示していないが、上層配線を形成して
耐熱性に優れた多層配線が形成されるのである。

裏１桝又 本実施例は高融点金属の選択成長の核となる層として多
結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−５ｔ）を用いた例である。

第２図（ａ）〜（ｆ）は本発明の第２の実施例による多
層配線形成方法を示す工程図である。同図において（ａ
）〜（ｃ）までの工程は、実施例１における第１図（ａ
）〜（ｃ）に示される工程と同じであるので説明を省略
する。

つぎに第２図（ｄ）のごとく、減圧ＣＶＤ法により全面
にＰｏ１ｙ−Ｓｉ　　８を例えば１００〜１０００人の
厚さにコンタクトホール４が埋まらない程度に薄く堆積
する。さらにレジストを全面に塗布してコンタクトホー
ルをも埋め込み、表面の平坦なレジスト膜を形成する。

この平坦化レジスト膜をドライエツチングにより全面的
にエツチングし、コンタクトホール４底部付近のみにレ
ジストを残す。残されたレジストをマスクとして、Ｐｏ
１ｙ−５ｉ　　８の露出した部分をエツチング除去し、
ひきつづき残されたレジストも除去することにより第２
図（ｅ）のようにコンタクトホール側壁下部および底部
にのみＰｏ１ｙ−５ｉ　８を残す。

つぎにＷＦ、の選択ＣＶＤにより選択成長Ｗ　２０を埋
め込む。このとき、まずＳｉ還元条件で選択ＣＶＤを行
うことにより、残されたＰｏ１ｙ−Ｓｔ　８を完全に消
費しておく。

ｈｌＦ６＋　３／２５ｉ−４Ｗ　＋　３／２５ｉＦａこ
の後、５ｉＨａ還元条件で選択ＣＶＤを続け、第２図（
ｆ）に示すように選択成長Ｗ　２０の埋め込みを完了す
る。

本実施例においては高融点金属の選択成長の核となる層
としてＰｏ１ｙ−５ｊを用いたが、これを例えばジシラ
ン（ＳｉｚＨｉ）をソースガスとする減圧Ｃ■Ｄによる
アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）に置き換えることも
可能である。

また同じく高融点金属の選択成長の核となる層として、
例えばジクロルシラン（ＳｉＨｚＣｌ　ｚ）　と畦。

をソースガスとする減圧ＣＶＤによるタングステンシリ
サイド（ＷＳｉ、　）をもちいてもよい。この場合、高
融点金属の選択ＣＶＤはＳ　ｉ　Ｉｔ　ａ還元条件、あ
るいはＨ２還元条件のいずれでもよい。

また高融点金属の選択成長の核となる層であるＰｏ１ｙ
−５ｔ　、　ａ−Ｓｔ、および同１つともに減圧ＣＶＤ
により堆積したが、ステップカバレッジの点で本発明の
目的を達成しうるならば、通常のスパッタリング法によ
り薄く堆積して選択成長の核とすることが可能である。

実施五１ 本実施例はＷＮ層上の高融点金属の選択成長の核となる
層として、四層の表面にＳｉ冒オンによるイオン注入を
施し、Ｓｉ改質ＷＮ層を設けた例である。

第３図（ａ）〜（ｆ）は本発明の第３の実施例による多
層配線形成方法を示す工程図である。同図においても（
ａ）〜（Ｃ）までの工程は、実施例１における第１図（
ａ）〜（ｃ）に示される工程と同じであるので説明を省
く。

つぎに第３図（ｄ）のごとく、コンタクトホール４部分
を残して、絶縁膜３上にレジスト層９を形成する。この
後Ｓｉ＋を基体面垂直方向から全面的にイオン注入し、
第３図（ｅ）のごと（ＷＮＩ６の表面のみをＳｉ改質−
Ｎ層１１とする。そしてレジスト層９を除去し、ＷＦ、
の選択ＣＶＤにより選択成長−２０を第３図（ｆ）のご
とく埋め込む。

実流■↓ 前実施例１〜３においてはコンタクトホールの少なくと
も底部に設ける一層５の形成方法として、選択ＣＶＤを
用いたが、本実施例ではプランケラ）ＣＶＤ法による一
層５の形成方法の一例をのべる。

第４図（ａ）〜（ｆ）は本発明の第４の実施例による多
層配線形成方法を示す工程図である。同図（ａ）におい
てＳｉ基体１の拡散層２上の絶縁膜３にはコンタクトホ
ール４が開口しており、その底面には拡散層２が露出し
ている。拡散層２上の自然酸化膜を除去した後、ここに
同図（ｂ）のように−層５を薄く、例えば３００〜５０
０人の厚さでブランケットＣＶＤ法により全面に成長さ
せる。つぎにアンモニア（ＮＨ３）ガス雰囲気中例えば
６００〜９００°Ｃの温度で短時間のランプアニール等
のＲＴＡを施し、同図（ｃ）のように−層５の表面を窒
化しＷＮＮＯ３例えば２００〜５００人の厚さに形成す
る。ＲＴＡは一層５の表面から加熱し、しかも短時間で
あるので一層５は下地の基体１の拡散層２とのシリサイ
ド化反応に優先してＷＮＮＯ３形成される。

このＷＮ層６上には賀は選択ＣＶＤにより成長し難い、
そこで同図（ｄ）のように−Ｎ層６の表面にＳｔ　’″
１０をイオン注入し、Ｓｉ改質−Ｎ層１１を設ける。こ
のとき、回転斜めイオン注入法を用いることにより、コ
ンタクトホール４中の−Ｎ層６の側壁にむらなくイオン
注入が施されＳｉ改質−Ｎ層１１が形成されるようにす
る。次にレジスト９を全面に塗布して平坦化レジスト膜
を形成した後、コンタクトホール４部分のみにパターン
化して残し、これをマスクとしてＲＩＥにより絶縁膜上
３のＳｉ改質−Ｎ層１１、ＷＮＮＯ３よび一層５を共に
エツチングして除去し、同図（ｅ）の状態とする。この
後レジスト９をもエツチング除去してコンタクトホール
４内のＳｉ改質Ｈ層１１を露出し、最後に選択ＣＶＤに
より選択成長Ｗ　２０を第４図（ｆ）のごとく埋め込む
。

本実施例においては、ＷＮＮＯ３形成方法として一層５
の表面を窒化する方法を用いたが、勿論ブランゲットＣ
ＶＤ法により一層５の表面に−Ｎ層６を直接形成しても
よい。

なお前記実施例１〜４においては、拡散層２上に直接Ｘ
層５を形成したが、拡散層２上にあらかじめ自己選択的
にＴｉＳｉｘ層等を形成しておくことも可能である。こ
のシリサイド構造をとることにより、コンタクト抵抗値
を一層低減することができる。

文ｍ 本実施例および実施例６は請求項２記戦の発明を説明す
る実施例である。

本発明の第５の実施例による多層配線形成方法の工程図
である第５図（ａ）〜（ｆ）において、Ｓｔ等の基体１
の拡散層２上の絶縁膜３にはコンタクトホール４が開口
しており、その底面には拡散層２が同図（ａ）のごとく
露出している。拡散層２上の自然酸化膜を除去した後、
ここに同図（ｂ）のようにＴｉＮ層１２を例えば１００
０人、つづけて高融点金属シリサイド層となるーＳｉＸ
層１３を例えば５００人の厚さにスパッタリング法また
は減圧ＣＶＤ法等により全面に薄く順次形成する。この
とき、勿論コンタクトホール４内をＴｔＮ層１２および
ＷＳｉ　、　Ｊｉｌ１３で埋め込まないようにする。つ
ぎに同図（ｃ）のようにレジスト９を全面に塗布し、平
坦化膜とする。

このレジスト９をドライエツチング法により全面エツチ
ングし、同図（ｄ）のようにコンタクトホール４内のみ
にレジスト９を残す。さらに残されたレジスト９をマス
クとしてドライエツチングを施し、ＴｉＮ層１２および
同１８層１３ともにコンタクトホール４内のみに残し、
同図（ｅ）のようにする。

次に残されたレジスト９をドライエツチングにより除去
しＷＳｉ　、層１３を露出する。ＷＳｉ　、上には周知
のとうりＷの選択ＣＶＤを行うことが可能であるので、
畦、のＳｉＨ４還元条件またはＨ２還元条件による選択
ＣＶＤにより、選択成長Ｗ　２０をコンタクトホール４
中に形成して埋め込みを行い、埋め込みを完了する。

裏侮桝旦 本実施例は基体１上の異なる深さのコンタクトホールを
、同じ工程により同時に一等高融点金属の選択ＣＶＤで
埋め込む場合の実施例であり、その工程は実施例５に準
じている。第６図（ａ）〜（ｃ）は本発明の第６の実施
例による多層配線形成方法を示す工程図である。同図（
ａ）において、基体１上に深さの異なる微細なコンタク
トホール４が開口している。コンタクトホール４底部の
自然酸化膜を除去した後、この上にＴｉＮ層１２を例え
ば１０００人、つづけてＷＳｉ　Ｘ層１３を例えば５０
０人の厚さにスパッタリング法または減圧ＣＶＤ法等に
より薄く全面に形成する。このとき、勿論コンタクトホ
ール４内をＴｉＮ層１２およびＷＳｉ　ｘｉｉ１３で埋
め込まないようにする。つぎにレジスト９を全面に塗布
し、平坦化膜とする。このレジスト９をドライエツチン
グ法により全面エツチングし、コンタクトホール４内の
みに残す。さらに残されたレジスト９をマスクとしてド
ライエツチングを施し、ＴｉＮ層１２およびＷＳｉ　、
層１３ともにコンタクトホール４内のみに残し、同図（
ｂ）のようにする。次に残されたレジスト９をドライエ
ツチングにより除去し−ＳｉＸ層１３を露出する。ここ
にＷＦ、のＳｉＨ４還元条件またはＨ２還元条件による
選択ＣＶＤを行い、選択成長−２０をコンタクトホール
４中に形成し、同図（ｃ）のように埋め込みを完了する
。

本実施例によれば、深さの異なるコンタクトホールが同
じ基体上に存在していても、ＷＳｉ　Ｘ層の上端がエッ
チバックにより同じ深さまで出ており、このＷＳｉ　ｘ
層上には一等高融点金属が選択ＣＶＤにより等方的に成
長するので、埋め込みは第６図（ｃ）のように同時に完
了するのである。

以上、本発明の実施例について詳述したが、コンタクト
ホール中を埋め込む高融点金属としては選択成長−のみ
ならず、ソースガスとして６フツ化モリブデン（ＭＯＦ
＆）あるいは５フツ化タンタル（ＴａＦｓ）等を用いる
選択成長ＭｏやＴａ等を埋め込みに用いても、本発明の
効果を発揮することが可能である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明における第１の多層配線形
成方法は、まずＳｉ等半導体基体の接続層上に開口した
コンタクトホールの少なくとも底部にＷ層およびＫＮ層
を順次薄く形成し、つぎに高融点金属の選択成長の核と
なる層をこれも薄く形成した後、前記コンタクトホール
を高融点金属の選択ＣＶＤにより埋め込むことを特徴と
する。

また本発明の第２の多層配線形成方法は、コンタクトホ
ールの少なくとも底部にＴｉＮ層および高融点金属シリ
サイド層を順次薄く形成し、ついで前記コンタクトホー
ルを高融点金属の選択的ＣＶＤにより埋め込むことを特
徴とする。

これにより、バリヤメタルとしての性能は優れているも
のの、高融点金属の選択的成長が困難であった−６層ま
だはＴｉＮ層の表面に、高融点金属の選択ＣＶＤを再現
性良く施すことができるようになった。この結果、選択
成長Ｗ２０形成後に引き続き熱処理工程を加えても、選
択成長−２０と下地の拡散層２とがシリサイド化反応を
おこしたり、スパイクが発生することがなく、リーク電
流が増大したり、コンタクト抵抗値が変動する問題が解
消された。すなわち、本発明によれば、耐熱性に優れた
信頼性の高いコンタクトホールからなる多層配線が可能
となり、半導体装置製造工程に与える寄与は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例による多
層配線形成方法を示す工程図、第２図（ａ）〜（ｆ）は
本発明の第２の実施例による多層配線形成方法を示す工
程図、第３図（ａ）〜（ｆ）は本発明の第３の実施例に
よる多層配線形成方法を示す工程図、第４図（ａ）〜（
ｆ）は本発明の第４の実施例による多層配線形成方法を
示す工程図、第５図（ａ）〜（ｆ）は本発明の第５の実
施例による多層配線形成方法を示す工程図、そして第６
図（ａ）〜（ｃ）は本発明の第６の実施例による多層配
線形成方法を示す工程図である。 １・−・・・−・・−・−基体 ４・−一−−・・・・・−−−一−コンタクトホール５
・・−−−−−−−−−・−Ｗ層 ６・−・・−−一−−−−・・−Ｗ　Ｎ層７−−−−・
・ ９−−−−・−・− １０−−−−一・〜・・−・−・ １ １２〜−〜−−−−・−・・ １３−　・−・− ２０−−−−−−−・・−−−− ・第２のＷ層 Ｐｏ１ｙ　−Ｓ　ｉ ・レジスト ｉ０ ・Ｓｔ改質ＷＮ層 ＴｉＮ層 ＷＳｉｘ層 選択成長Ｗ （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第１図 ２０６− （ＣＩ） （ｅ） 本発明の第１の実施例による 多層配線形成方法段示す工程図 第１図 （ｄ） （ｅ） （ｆ） 本発明の第２の実施例による 多層配線形成方法段示す工程図 第２図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第２図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第３図 （ｄ） （↑） 第３図 （ｄ） （ｅ） 多層配線形成方法と示す工程図 第４Ｍ （８） （ｂ） （Ｃ） 第４図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） 第５図 （ｄ） （ｅ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基体の拡散層上にコンタクトホールを形成し
   てなる多層配線形成方法であって、コンタクトホールの
   少なくとも底部にタン グステン層および窒化タングステン層を順次形成し、つ
   ぎに高融点金属選択成長の核となる層を形成した後、前
   記コンタクトホールを高融点金属により選択的に埋め込
   むことを特徴とする多層配線形成方法。 ２、半導体基体の拡散層上にコンタクトホールを形成し
   てなる多層配線形成方法であって、コンタクトホールの
   少なくとも底部に窒化 チタン層および高融点金属シリサイド層を順次形成し、
   ついで前記コンタクトホールを高融点金属により選択的
   に埋め込むことを特徴とする多層配線形成方法。