JPH0353532A - 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、半導体装置の多層配線形成方法６こ関する。

〔発明の概要〕

本発明は、下層配線層上の層間絶縁膜に接続孔を開口し
、前記接続孔に導電材料を埋め込んでなる多層配線形成
方法において、アルミニウム系の材料からなる下層配線
上の層間絶縁膜にフッ素系ガスを用いて接統孔を形成し
、次いで、塩素系ガスを用いて等方性エッチングを行う
ことにより、前記接続孔における前記層間絶縁膜等の側
壁の付着膜を除去し、信頼性に優れた電極配線が形成さ
れるものである。また、本発明は、下層配線層上の層間
絶縁膜に接続孔を開口し、前記接続孔に導電材料を埋め
込んでなる多層配線形成方法において、下層配線として
機能する半導体基板の表面の拡散層上の居間絶縁膜に接
続孔を開口した後、炭素原子を含まないフッ素系ガスと
酸素の混合ガスを用いて前記接続孔における前記拡散層
上の自然酸化膜と前記拡散層表面のダメージ層等を除去
することにより、接続孔における電気的接続を良好に行
うことかできるものである。

〔従来の技術〕

半導体装置の製造工程において、基板上のアルミニウム
系配線層上に形成される層間絶縁膜に接続孔を開口する
方法として、従来よりウエットエッチング５プラズマエ
ッチング及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のい
くつかの方法が知られている。しかし、半導体装置の高
集積化によってもたらされる配線の微細化に伴い、微細
な接続孔を形成する工程では高寸法精度，高形状制御性
．低損傷・低汚染性が要求される。近年、このような接
続孔を開口する工程において主に反応性イオンエッチン
グが行われている。

通常、層間絶縁膜は−シリコン酸化膜やプラズマシリコ
ン窒化股等から形成されているので、アルミニウム系配
線層上の層間絶縁膜を開口するための反応性イオンエッ
チングに番よフノ素系ガスが有効とされる。これは、フ
ソ素系ガスのシリコン酸化膜やプラズマンリコン窒化膜
に対ずる選択性が優れているためである。

一方、接続孔に導電材料を選択成長させる工程において
、スパソタ法によって接続孔が埋め込まれる場合にはス
パッタを行う前処理として、下層配線上の自然酸化膜や
、接続孔を形成するためのエンチングで損イ『された下
層配線の表面のダメージ層を除去することが要求される
。このような前処理には、通常、Ｈ　Ｆ系のエノチンダ
液を用いたウェ・冫トエンチングが行われる。また、ア
ノレゴン等の不活性ガスのスパノタエンチング機構を付
与したスパノタ装置を用いて、上述の前処理と導電材料
のスパンタを同一装置内で連続的に行う方法も知られて
いる。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、上述のようにフッ素系ガスを用いた反応性イオ
ンエッチングによりアルミニウム配線層上の層間絶縁欣
に接続孔を開口する場合、アルξニウム配線層はフン素
系ガスとの化学反応にってエッチングされることは殆ど
ないが、フッ素系ガスのイオン衝撃を受けて物理的に僅
かにエッチングされる。さらにオーハーエンチングされ
ると、イオン衝撃を受けたアルミニウム配線層は飛沫粒
子となって接続孔内を浮遊し、接続札内の層間絶縁膜や
レジストの側壁に付着してアルξニウム系の付着膜が形
成される（例えば、特開昭６３−４３３４７号公報参照
．）。この付着膜はレジストのアッシングによっても除
去されず、接続孔の上部に王冠状に残存し、電極配線の
信頼性を著しく損なう原因となる．さらに、アッシング
後にＨＦ系のエッチング液を用いてこの付着膜をエッチ
ング除去する方法も考えられるが、このようなウ工冫ト
エッチングでは、アル短ニウム配線層と基板との間にい
わゆる電池効果が起こるためエッチングの制御性に乏し
いという欠点がある。

一方、接続孔における導電材料の選択成長の前処理とし
てウエノトエンチングを行う場合、ウェン１・エッチン
グ法では避けることのできないアンダーカットがおこる
ため、接続孔の形状制御を行うことが不可能であり、電
極配線のステップカバレージの低下等の問題を生しる。

さらに、前処理を行った後、時間の経過にともなって接
続孔内の下層配線の表面に再び自然酸化膜が形成される
ため、前処理後より導電材料の選択Ｉ′Ｇ．長工程まで
の間で時間管理が必要とされるという欠点もある。

また、不活性ガスを用いたスパンタエッチングによって
前処理を行う場合、イオンｆＪｉｌｉによる下層配線の
損傷が著しいため、Ｓｉ基板を下層配線とする場合には
不適当とされる。

また、接続孔を形戒するための工冫チングにおいてフッ
素系ガスが使用される場合には、下層配線層上にフン化
炭素による汚染層が形成されており、前処理には、上記
汚染層の化学的除去効果の高い工冫チングを行うことが
要求される。

そこで、本発明は、上述の従来の実情に鑑みて提案され
たものであり、第一の目的は良好な電気的接続を実現す
るための多層配線形戒方法を提供することであって、特
に、層間絶縁膜等の側壁に付着する付着膜を除去するよ
うな多層配線形成方法の提供にある．また、本発明の第
二の目的は良好な電気的接続を実現するための多層配線
形成方法を提供することであって、特に、接続札内の自
然酸化膜やダメージ層等除去し、前処理後の時間管理を
不要とするような多層配線形成方法の提供にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の多層配線形成方法は上述の目的を達成するため
に提案されるものであり、下層配線上の層間絶縁膜に接
続孔を開口し、前記接続孔に導電材料を埋め込んでなる
多層配線形成方法において、下層配線がアルミニウム又
はアルミニウム合金からなり、層間絶ｕＷＡにフッ素系
ガスを用いて接続孔を開口した後、塩素系ガスにより等
方性エッチングを行うことを特徴とする．ここで、等方
性エッチ・ングは少なくとも接続孔における層間絶縁膜
の側壁の付着膜が除去されるような工・７チング時間や
ガス流量等の条件によって行われる。

また、本発明は下層配線上の層間絶縁膜に接続孔を開口
し、前記接続孔に導電材料を埋め込んでなる多層配線形
成方法において、下層配線が半導体基板の表面に形成さ
れた拡散層とされ、層間絶縁膜に接続孔を開口した後、
接続孔における前記拡散層上の自然酸化膜及び前記拡散
層の表面を炭素原子を含まないフッ素系ガスと酸素の混
合ガスによりエッチングすることを特徴とするものであ
る。ここで、エッチングには導電材料の選択威長を行う
スパ７夕装置にドライエッチング機構を付与した装置を
使用し、エッチング処理後、同し装置を使用して連続的
に導電材料の選択成長を行うものとすることができる。

〔作用〕

主に層間絶縁膜として使用されるシリコン酸化膜やプラ
ズマシリコン窒化膜に対して良い選択性を示すフッ素系
ガスを用いて反応性イオンエッチングを行うことにより
、アルミニウム系配線層上の層間絶縁膜を効果的に開口
することができる．この時、接続孔内の層間絶縁膜の側
壁にアルξニウム系の付着膜が形成される。そこで、塩
素系ガスによる等方性エッチングを行うことにより、こ
の付着膜は塩素系ガスと反応して揮発性の高いガス（Ａ
ＩＣＩ３等）となって除去されるので接続札内の付着膜
を除去することができる．また、前述の電池効果が抑制
されるので均一なエッチング効果が期待され、接続孔に
おいて良好な電気的接続を行うことができる． 一方、導電材料の選沢威長工程の前処理として炭素原子
を含まないフッ素系ガスと酸素ガスとの混合ガスを用い
たスパッタエッチングを行うことにより、炭素原子を含
まないフッ素系ガスによるエッチングにより汚染層が形
成されずに接続孔のダメージ層と自然酸化膜が除去され
、酸素ガスによりフフ化炭素等の汚染層が効果的にエッ
チングされる．従って、導電材料はダメージ層や自然酸
化膜が十分に除去された接続孔に埋め込まれることにな
り、電気的接続が良好に行われる。また、上述のような
エッチングを行った後、同一装置内で連続的に導電材料
を選択成長させた場合では、前処理後の導電材料の選択
成長工程までの時間管理が不要とされる。

〔実施例〕

本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。

第一の実施例 本実施例は、アルミニウム配ＩＩ層上の層間絶縁膜にフ
ッ素系ガスを用いて接続孔を開口した後、塩素系ガスで
エッチングを行うことにより、良好な配線形戒を行うも
のである。

先ず、第１図（ａ）に示すように、下層配線であるアル
ミニウムａｔ上にシリコン酸化膜２が形成される。ンリ
コン酸化膜２は層間絶縁欣として機能する。そのンリコ
ン酸化膜２上の全面にフォトレジスト３をスピンコー夕
等によって塗布した後、パターニングして、接続孔４が
形成される箇所に窓開けを行う。

次に、ＲＦパワーを９００Ｗ，圧力を５Ｐａ程度とする
条件下で、ＣＨＦｊガス流量とＣｔ　Ｆ＆ガス流量をそ
れぞれ２０ＳＣＣＭ，Ｏ　，ガス流量をＩＯＳＣＣＭと
して、これらのフッ素系ガスによる反応性イオンエッチ
ングを行い、第１図（ｂ）に示すように、シリコン酸化
膜２を開口して接続孔４が形成される。シリコン酸化膜
２を貫通する接続孔４を形成するために５０％のオーバ
ーエッチングが行われる。その結果、接続孔４における
フォトレジスト３及びシリコン酸化膜２の側壁にはフフ
化物等を含んだアルミニウム系の付着膜５が形成される
．この付着膜５はアルミニウム層ｌの表面がフッ素系ガ
スによってエッチングされて飛沫粒子が発生し、その飛
沫粒子が接続孔４のフォトレジスト３及びシリコン酸化
膜２の側壁に付着したものである． なお、フノ素系ガスによるエッチングの条件は適宜設定
すれば良い。また、フン素系ガスとして？、上述の他に
ＣＦｓ　，ＳＦｂ　，Ｆ２　，ＮＦ３等が使用可能とさ
れる。

続いて、塩素系ガスによる等方性エッチングを行い、第
１図（ｃ）に示すように、接続孔４における付着膜５を
除去する．この等方性エッチングにおいては、基板温度
を冷却し、圧力を１５〜２０Ｐａとする。

このように、塩素系ガスを用いて等方性エッチングを行
うことにより、接続孔４におけるシリコン酸化膜２及び
フォトレジスト３の側壁に形成された付着膜５は塩素系
ガスと反応して揮発性の高いガスとなって除去される。

また、電池効果が抑制されるので均一なエッチング効果
が期待される。

従って、接続孔４において良好な電気的接続が実現され
る。

なお、塩素系ガスとしては、Ｃ１■，ＢＣＩ．，ＣＣ　
１４　，ＣＣ　１３　Ｆ，Ｓ　ｉＣ　１４等が使用とさ
れる。

続いて、第１図（ｄ）に示すように、フォトレジスト３
をアッシングした後、接続孔４に導電材料としてタング
ステン（Ｗ）層６を選沢或長させて接続孔４の埋め込み
を行う。

導電材料としては、選択ＣＶＤ法により選択成長させる
ことが可能な金属であれば良く、モリブデン（Ｍｏ）や
アルミニウム（ＡＩ）等でも良い．最後に、シリコン酸
化膜２及びタングステン層６上の全面にアルミニウム系
配線層等の導電材料を形成し、パターニングして通常の
方法によって上層配線層を形戒する。

以上のように、本実施例の多層配線形戒方法では、フッ
素ガスを用いて接続孔４を形成し、次いで、塩素系ガス
を用いて等方性エッチングを行うことにより、接続孔４
内の付着膜５が゛除去されるので良好な電気的接続が行
われ、電極配線の信頼性が向上される。

第二の実施例 本実施例は、下層配線層上の層間絶縁股に接続孔を開口
した後、ドライエッチング機構を組み込んだ枚葉式スパ
ッタ装置内で炭素を含まないフッ素系ガスでドライエン
チングを行って接続孔を威形し、その同一装置を使用し
て連続的に接続孔に導電材料を選択成長させるものであ
る。

先ず、第２図（ａ）に示すように、Ｓｉ基板ｌ１の表面
に不純物領域を導入して下層配線としての拡散層ｌ２が
形成され、その拡散層ｌ２上にシリコン酸化膜ｌ３が形
成される．シリコン酸化膜ｌ３は層間絶縁膜として機能
する．そのシリコン酸化膜ｌ３をエッチングによって開
口し、接続孔１４が形成される．この接続孔ｌ４内の拡
散層ｌ２の表面にはダメージ層ｌ５が存在する。このダ
メージ層ｌ５は接続孔ｌ４を開口するためのエッチング
によって拡散７１１２の表面が損傷を受けて形成された
ものである．また、接続孔ｌ４内の拡散層ｌ２上には接
続孔ｌ４を形成するためのエッチングを行った後の時間
の経過とともに威長ずる自然酸化膜ｌ６が存在する．さ
らに、上述のエッチングにフッ素系ガスが用いられる場
合、拡散層ｌ２上にはフフ化炭素等による汚染層が形成
される。

次に、ドライエッチングの機構が付与された導電材料の
選択戒長を行うスパッタ装置内で、第２図（ｂ）に示す
ように、炭素を含まないフッ素系ガスとしてＮＦ，ガス
と０２ガスの混合ガスを用いてエッチングを行い、接続
孔１４におけるダメージ層１５，自然酸化膜ｌ６及び汚
染層を除去する。

上述のエッチング工程を行う装置は上述のような反応性
ガスを取り扱える構造とされ、また、エッチングが行わ
れる反応室は完全に密閉されており、スバッタが行われ
る反応室との間でガスの相互拡散は行われない構造とさ
れる． この装置の反応室内では、炭素を含まないフッ素系ガス
と酸素ガスの混合ガスを用いたエッチングにより、汚染
層が形成されることもなく、ダメージ層１５及び自然酸
化Ｗｌ４１６が除去される，この時同時に、接続孔ｌ４
を形成するためのエッチングによって形成された汚染層
も十分に除去され、接続孔において良好な電気的接続が
図れる。

なお、フッ素系ガスとしては、上述の他にＦ２，ＳＦ．
，ＣＩ３Ｆ等が使用可能とされる．続いて、上述のエン
チング工程を行った同一装置内で第２図（Ｃ）に示すよ
うに、接続孔ｌ４に導電材料１７を選択成長させる。こ
のように接続孔１４のエソチング工程に連続して導電材
料１７の選沢或長工程が行われることにより、接続孔ｌ
４内の拡散［１２上に再び自然酸化服が形成されること
が防止され、導電材料の選択成長工程までの特間管理が
不要になる。

最後に、シリコン酸化［１３及び導電材料１７上の全面
にアルミニウム層等の導電材料を形成し、バターニング
して通常の方法によって上層配線層を形成する。

以上のように本実施例の多層配線形成方法では、接続孔
のダメージ層，自然酸化膜及び汚染層が除去されるので
良好な電気的接続を行われる接続孔が得られ、電極配線
の品質及び半導体装置の品質を著しく向上させることが
できる。

〔発明の効果〕

本発明は、接続孔の層間絶縁膜等の側壁に形成された付
着膜が除去されるので、導電材料の密着性が向上し、導
電材料が接続孔内に確実に埋め込まれるため良好な電気
的接続が実現される。また、本発明は、導電材料の選択
成長を行う前処理で低損傷・低汚染性に優れたドライエ
ッチングにより接続孔のダメージ層や自然酸化膜が除去
されるので、良好な電気的接続が実現される．また、上
述の前処理に連続して同一装置を用いて接続孔における
導電材料の選沢威長を行うとか可能とされるので前処理
後の時間管理が不要になる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至第１図（ｄ）は本発明の多層配線形成
方法における一実施例をその工程順にしたがって説明す
る概略断面図であり、第１図（ａ）はフォトレジストの
形成工程、第１図（ｂ）は接続孔の形成工程、第１図（
ｃ）は付着膜の除去工程、第１図（ｄ）は導電材料の選
沢戒長工程をそれぞれ示す．第２図（ａ＞乃至第２図（
ｃ）は本発明の多層配線形成方法における他の実施例を
その工程順にしたがって説明する概略断面図であり、第
２図（ａ）は接続孔の形成工程、第２図（ｂ）は自然酸
化膜及びダメージ層の除去工程、第２図（ｃ）は導電材
料の選択成長工程をそれぞれ示す。 ｌ　・　・ ２１ ３　・　・ ４．　　１ ５　・　・ ６，１ １１　　・ ｌ　２　・ ｌ　５　・ ｌ　６　・ ・アルミニウム層 ３・・・シリコン酸化膜 ・フォトレジスト ４・・・接続孔 ・付着膜 ７・・・導電材料 ・・Ｓｉ基板 ・・拡散層 ・・ダメージ層 ・・自然酸化膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）下層配線上の層間絶縁膜に接続孔を開口し、前記
   接続孔に導電材料を理め込んでなる多層配線形成方法に
   おいて、 下層配線がアルミニウム又はアルミニウム合金からなり
   、層間絶縁膜にフッ素系ガスを用いて接続孔を開口した
   後、塩素系ガスにより等方性エッチングを行うことを特
   徴とする多層配線形成方法。
2. （２）下層配線上の層間絶縁膜に接続孔を開口し、前記
   接続孔に導電材料を埋め込んでなる多層配線形成方法に
   おいて、 下層配線が半導体基板の表面に形成された拡散層とされ
   、層間絶縁膜に接続孔を開口した後、前記接続孔におけ
   る前記拡散層上の自然酸化膜及び前記拡散層の表面を炭
   素原子を含まないフッ素系ガスと酸素の混合ガスにより
   エッチングすることを特徴とする多層配線形成方法。