JPH0357219A - 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、半導体装置に適用して有効な技術に関するも
ので、特に高集積化の図られた半導体装匿に利用して有
効な技術に関するものである６［従来の技術］ Ａｌ配線の信頼性を向上すべ＜Ａｎ配線にＣｕ添加をし
た配線が知られているが，最近においては、このＣｕ添
加のＡｌ配線（ＡＩ２Ｃｕ．ＡｌＣｕＳｉ等）を積層化
したものが提案されてきている。

この積層メタル構造の配線については、例えば、１９８
８年６月に発行されたＩ．　Ｎｕｌｔｙ．　ｅｔ　ａｌ
．　１９８８　Ｐｒｏｃ．５ｔｈ　ＶＭＩＣ論文番号Ｘ
−Ｄに記載されている。

このｆ！Ｃｆｆｉメタル構造の配線を備える半導体装置
の一例を示したのが第４図である。

同図において、符号１は，例えばＰ型のシリコン半導体
基板を示しており，この半導体基板上上には絶縁膜２が
形成され、該絶縁膜２にはコンタクトホールまたはスル
ーホール（第４図においてはコンタクトホール）が形成
されている。上記絶？膜２上には．ＴｉＷやＭｏＳｉ■
等の高融点導電性材料層３．ＡｌＣｕＳｉ等のＡｌ合金
層４、ＴｉＷやＭｏＳｉ２等の極薄の高融点導電性材料
Ｊ？Ｗ５が積層された３ｆｆ！Ｊ構造の配線層１０が形
成されており、この配１層１０により」二記コンタクト
ホールが充填されるようになっている。

上記下層の高融点導電性材料ＷＪ３は、Ａｌ合金層４と
基板１のシリコンとの反応を抑えるバリア層の役目を果
たしていると共に、耐エレクトロマイグレーション性向
上、段差力バレージ向上の役目も果たしており，一方最
上層の高融点導電性材料ＷＪ５は配線加工時の反射防止
膜としての役目を果たしていると共に、配線の補強の役
目も果たしている。

因に、上記高融点導電性材料層３、ＡｌＣｕＳｉ等のＡ
ｌ合金Ｎ４、ＴｉＷやＭ　ｏ　Ｓ　ｉ　．等の高融点導
電性材料層５の各層の厚さは、それぞれ０．２２μｍ．
０．４または０．８５μｍ．０．０７５μｍとなってい
る。

次に、上記構戊の半導体装置の製造プロセスの概要を説
明すれば以下のとおりである。

先ず，例えばＰ型のシリコン半導体基板１上に絶′縁膜
２を形成し、次にレジストマスク等を用いて該絶縁膜２
にコンタク１・ホールまたはスルーホール（第４図にお
いてはコンタクトホール）を形威し、次いで、全面に、
例えばＣＶＤ法によりＴ１ＷやＭ　ｏ　Ｓ　ｉ　２等の
高融点導電性材料層３、ＡｌＣｕ　Ｓ　ｉ等のＡｌ合金
層４、ＴｉＷやＭｏＳｉ２等の極薄の高融点ＩＲ電性材
料層５を順次積層し，この積層配線層３，４．５により
コンタクトホールの穴埋めを行ない，次いで加工速度を
考慮して選択された２系統（種類）のエノチガスを用い
て上記積ＦｆＪＭのパターニングを行なうと共にサイ１
一エッチを行ない、その後防食処理を行なって３層構造
配ａ層１０を形戊し、第４図に示される半導体装置を得
るようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ ここで，最近における半導体装置の高集積化の要請に伴
って、上記コンタクトホールやスルーホールが微細化の
傾向にあるが、上記構成の半導体装置においては，微細
化されたコンタクトホールやスルーホールを、例えばＣ
ＶＤ法により堆積される上記の積層配線層では充分に充
填できず、この接続部において導通不良等を起こす畏れ
がある。

また，上記３層構造配！！層１０の形成時のパタニング
において，サイドエッチの工程が必要とされ工程が煩雑
になるという問題があり、しかも０，十ＣＦ４のアッシ
ャやＣＦ４処理でエッチされた場合には．！下層の高融
点導電性材料ＷＪ３が逆テーパとなることがあり、防食
処理を容易に行なえないといった問題点もある。

また、コンタクトホールやスルーホールと配線１０とが
製造時の誤差によりずれてしまうと，上記３層構造配線
層ＩＯの形成時のパターニングにおいて，ずれた部分の
コンタクトホールやスルーホール内の配ＬＡＷＪによる
充填部分がエノチされ、シリコン基板ｌまでもがエッチ
されてしまう畏れがあることから、信頼性を向上すべく
、ドングボーンと称されるようなコンタクトホールやス
ルーホール上の配線パターンをわざわざ大きくしなけれ
ばならないといった問題点もある。

また，半導体基板ｌを特にＰ型シリコン半導体基板とし
た場合には，下層の高融点導電性材料層３ではＡｌ合金
Ｍ４と基板１のシリコンとのコンタクト抵抗を十分低く
保つことができないといった問題点もある。

ここで、このＡｌ合金層４と基板１のシリコンとの間の
電気抵抗を低く保つべく、第５図に示されるように配線
↓０のコンタクトする基板ｌ表面にＰ　ｔ　Ｓ　ｉ，層
６を形成するようにしたものもあるが、ＰｔＳｉ２／ｌ
ｉｌ６の形成工程が比較的難しく、接合リーク大や高融
点導電性材料層３のバリア性低下さらに工程が煩雑とな
るといった問題点がある。

本発明は係る問題点に鑑みなされたものであって、高集
積化及び信頼性の向上が図られると共に、簡易に製造さ
れ得る半導体装置を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段コ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、下記のとおりである。

すなわち，上層配線の基板本体表面または下層配線への
接続を、絶縁膜に形戊されるコンタクトホールまたはス
ルーホールを良好に充填する導電性材料により行ない、
前記上層配線を、前記導電性材料上に接するＡｌ合金と
高融点導電性材料とよりなる２層積層配線層で構或した
ものである。

［作用］ 上記した手段によれば、上層配線の基板本体表面または
下層配線への接続を，絶縁膜に形成されるコンタクトホ
ールまたはスルーホールを良好に充填する導電性材料に
より行ない、前記上層配線を、前記導電性材料上に接す
るＡｌ合金と高融点導電性材料とよりなる２Ｎ積層配線
層で構戊するようにしたので，コンタクトホールまたは
スルーホールを微細化しても、該コンタクトホールまた
はスルーホールを良好に充填する導電性材料は導通不良
を引き起こす畏れがないという作用により、高集積化及
び信頼性の向上を図るという上記目的が達或されること
になる。

また、配線は２層積層配線層であるので，そのパターニ
ングは，加工速度を考慮して選択された２系統（種類）
のエッチガスを用いるだけでなされるようになり、サイ
ドエッチの必要がなく、しかも最下層の高融点導電性材
料層において生じていた逆テーパ現象がなくなり、防食
処理が容易になるという作用により、簡易に製造すると
いう上記目的も達威されることになる。

また、上層配線の基板本体表面または下層配線への接続
を，絶縁膜に形威されるコンタクトホールまたはスルー
ホールを良好に充填する導電性材料により行なうように
しているので，シリコン析出防止用の拡散層を形成しな
くとも、該導電性材料が基板のシリコン析出を充分に防
止できるという作用により，工程を煩雑にすることなく
、信頼性の向上を図ることが可能になる。

また，上層配線の基板本体表面または下層配線への接続
を、絶縁膜に形威されるコンタクトホールまたはスルー
ホールを良好に充填する導電性材料により行なうように
しているので、該導電性材料が２層配ＭｃＮ形成時のエ
ッチングストツパの機能を果たすという作用により，ド
ッグボーン構造をわざわざ採らなくても良くなる６ 以上により、高集積化及び信頼性の向上を図ると共に、
簡易に製造するという上記目的が達威されることになる
。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図には本発明に係る半導体装置の実施例が示されて
いる。

この実施例の半導体装置においては、Ｐ型のシリコン半
導体基板１上の絶縁膜２に形成されるコンタクトホール
７は、例えば選択ＣＶＤ法を用いることにより形威され
る、例えばＷ等の導電性材料８により良好に充填されて
おり、このＷ等の導電性材料８上には、この導電性材料
８に接する，例えばＡｌＣｕ　（Ｓｉ）等のＡｌ合金層
１４と、例えばＴｉＷやＭ　ｏ　Ｓ　ｉｚ等の高融点導
電性材料層１５とよりなる２層積層配線層１１が形成さ
れている．Ａｌ中および特にＷ上へのＳｉ析出を防止す
るため．Ａｌ合金はＳｉを微量な一定限度以上含まない
ことが更に望ましい。

次に、このように構或される半導体装置の製造プロセス
について説明する。

先ず，半導体基板１上に絶縁膜２を形威し、次にこの絶
縁膜２にコンタクトホール７を開口して第２図（ａ）に
示される状態とする。

次いで、コンタクト抵抗を低減すべくコンタクトホール
７内の半導体基板１上に形成される自然酸化膜を除去し
た後に，例えば選択ＣＶＤ技術により、例えばＷ等の導
電性材料８をコンタクトホール７内にのみ堆積させ，第
２図（ｂ）に示される状態とする。

ここで，上記導電性材料８の被着量はコンタクトホール
７内をちょうど埋める程度が望ましいが、実際にはコン
タクトホール７の深さにバラッキ等があるのでコンタク
トホール７から導電性材料８が盛り上がることもあり得
るが、場合によってはエッチバンク工程が増えることに
なるので、工程増を嫌う意味では、第２図（ｂ）に示さ
れるように多少埋込み不十分のほうが良いと思われる。

このように、コンタクトホール７内の導電性材料の充填
を、選択ＣＶＤ技術により行なうようにしているので，
該コンタクトホール７が微細化されたコンタクトホール
であっても，良好なるコンタクトがなされるようになっ
ている。

また、該導電性材料８は基板１上のシリコン析出のスト
ツパとしての役目を果たすようになっている。

因に、上記コンタクトホール７は、本実施例においては
、径が０．５μｍ、深さが１．０〜１．５μｍとなって
おり，コンタクトホールの典型的な大きさとなっている
。

次に、全面に，例えばＡｌＣｕＳｉ等のＡｌ合金Ｍ　（
Ｃｕ　；　０．５　〜１．０％，Ｓｉ；Ｏ〜１％含有）
１４を０．４　〜０．８μｍ．更にその上に、例えばＴ
ｉＷやＭ　ｏ　Ｓ　ｉ　，等の高融点導電性材料層１５
を０．２μｍそれぞれスパッタデポする。

Ｓｉ量を極力低減するにはＭ　Ｏ　Ｓ　ｌ　２よりもＴ
ｉＷの方が更に望ましい。ＴｉＷにはＡｎ中からＳｉを
吸出する効果も認められる。

ここで，上記Ａｌ合金層１４のデポはできればバイアス
スパッタを用い、カバレージを更に改善することが望ま
しいが，不可欠の条件ではない。

また、上記工程においては、導電性材料８表面の自然酸
化膜除去のためのクリーニング工程を加えることが望ま
しいことはいうまでもない。

次いでホトレジ工程に入り、ＴｉＷやＭｏＳｉ２等の高
融点導電性材料層１５をＳ　Ｆ，＋Ｆ　１　１　３．Ａ
ｌＣｕ　（Ｓｉ）等のＡｌ合金層１４をＳｉＣＱ．とい
う２種類のガスを用いて異方性エッチして２層積層配１
ｉＮｌｌを形戊し、その後防食処理をなせば第１図に示
される半導体装置が得られることになる。

ここで、上記高融点導電性材料層１５は、ＡΩ欠け防止
、耐エレクトロマイグレーション性向上用補強と加工時
の反射防止の役目を果たしている。

また、Ｗ等の導電性材料８はＳｉＣＱ．ではエッチされ
ず、従来のようにコンタクトホール７と異方性エッチに
より形威されることになる配線とがずれていても、この
導電性材料８がエッチングストツパとして機能してシリ
コン基板１までもがエッチされることはないので、従来
のようにドッグボーン構造を採用する必要はなくなって
いる。

また、積層配線層１１は２層構造を採っているので，・
従来のような３Ｎ構造において必要とされたサイドエノ
チの必要がなく，また最下層の高融点導電性材料層にお
いて生じていた逆テーパ現象もない。

なお、コンタクトホール７内を充填する導電性材料８及
びＡｌ合金層１４上の高融点導電性材料層１５の材質は
，種々の境界条件を満たす範囲で変更が可能であるが、
現在の技術ではコンタクトホール７内を充填する導電性
材料８は本実施例中のＷが最も良＜．ＡＩ２合金層１４
上の高融点導電性材料Ｍ１５はＭｏＳｉ２，Ｗ，ＴｉＮ
等が考えられるが、その中で副作用が少なく、比抵抗お
よびＡｌ中Ｓｉ析出が小さいことにより耐エレクトロマ
イグレーション性に優れた材料として，ＴｉＷが最も望
ましい。また、Ａｌ合金層１４の材質もＡｆｆｉＳｉ，
ＡｌＣｕ、ＡｌＣｕＳｉ等いくつかあるが、本実施例中
のＡＲＣｕ（Ｓｉ）が最も標準的な材料と考えられる． 因に、更に多層配線とするには、上記２層積層配，ｌｕ
ｌｌ上に層間絶縁膜を形威した後，この眉間絶縁膜に形
成されるスルーホールを，上記と同様に、選択ＣＶＤ法
を用いて，例えばＷ等の導電性材料で穴埋めし，その後
この導電性材料に接する，例えばＡｎＣｕ　（Ｓｉ）等
のＡ氾合金層と，例えばＴｉＷやＭｏＳｉ２等の高融点
導電性材料層とよりなる２層積層配線層を形成すれば良
く、この工程を続ければさらなる多層配線が得られるこ
とになる。Ａｌ合金上の高融点材料層は比較的厚いので
、スルーホール加エオーバエッチ時にエッチされてなく
なることが松い。このためＷの選択成長が容易である， このように構成される半導体装置によれば次のような効
果を得ることができる． すなわち、上層配線の基板本体（上記実施例においては
基板であるが、基板上に形戊されるエビタキシャル層等
でも良い）１表面または下層配線への接続を、絶縁膜２
に形成されるコンタクトホール７またはスルーホールを
良好に充填する導電性材料８により行ない，前記上層配
線を，前記導電性材料８上に接するＡｌ合金１４と高融
点導電性材料■５とよりなる２層積層配線層１１で構或
するようにしたので、コンタクトホール７またはスルー
ホールを微細化しても、該コンタクトホール７またはス
ルーホールを良好に充填する導電性材料８は導通不良を
引き起こす畏れがないという作用により、高集積化及び
信頼性の向上を図ることが可能になる。

また、配線１１は２層積層配線層であるので、そのパタ
ーニングは、加工速度を考慮して選択された２系統（種
類）のエッチガスを用いるだけでなされるようになり、
サイドエッチの必要がなく，しかも最下層の高融点導電
性材料層において生じていた逆テーパ現象がなくなり、
防食処理が容易になるという作用により、簡易に製造す
ることが可能になる。

また、上層配線の基板本体ｌ表面または下層配線への接
続を、絶縁膜２に形威されるコンタクトホール７または
スルーホールを良好に充填する導電性材料８により行な
うようにしているので、シリコン析出防止用の拡散層を
形成しなくとも、該導電性材料８が基板１上のシリコン
析出を充分に防止できるようになるという作用により、
工程を煩雑にすることなく、信頼性の向上を図ることが
可能になる。

また、上層配線の基板本体１表面または下Ｗｊ配線への
接続を、絶縁膜２に形戒されるコンタクトホール７また
はスルーホールを良好に充填する導電性材料８により行
なうようにしているので、該導電性材料が２層配ｉ層１
１形戊時のエッチングストツパの機能を果たすようにな
るという作用により，ドッグボーン構造をわざわざ採ら
なくても良くなる。

第３図には本発明に係る半導体装置の他の実施例が示さ
れている。

この実施例の半導体装置が先の実施例のそれと違う点は
、前記Ａｌ合金Ｍ１４の下に、Ａｎ合金層１４上の導電
性材料１５よりもかなり薄い高融点の導電性材料層１３
が形威されている点である．この導電性材料Ｎ１３の厚
さは加工に負担をかけない程度の厚さとなっており、こ
の実施例においては１５〜６０ｎｍ程度となっている。

このように構威されても先の実施例と同様な効果を得る
ことができるというのはいうまでもなく，その上、該導
電性材料Ｎ３１３はＡＭ合金１１４の膜質（粒径等）制
御ができ、例えばバンブー構造の抑制によるストレス起
因の放置断線不良など、Ａｌ合金層工４の補強をさらに
なすことができるという効果も期待できるようになって
いる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

例えば、上記実施例においては、Ｐ型の半導体基板を用
いる半導体装置に対する適用例が述べられているが、本
発明は，Ｎ型の半導体基板を用いる半導体装置に対して
も適用可能である。

なお、本発明はサブミクロンレベルに微細化された半導
体装置に対して適用すれば特に有効である． ［発明の効果］ 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである
。

すなわち、上層配線の基板本体表面または下層配線への
接続を、絶縁膜に形威されるコンタクトホールまたはス
ルーホールを良好に充填する導電性材料により行ない，
前記上層配線を、前記導電性材料上に接するＡｎ合金と
高融点導電性材料とよりなる２Ｎ積層配線層で構成する
ようにしたので，コンタクトホールまたはスルーホール
を微細化しても、該コンタクトホールまたはスルーホー
ルを良好に充填する導電性材料は導通不良を引き起こす
畏れがない。その結果，高集積化及び信頼性の向上を図
ることが可能になる。

また、配線は２層積層配線層であるので、そのパターニ
ングは、加工速度を考慮して選択された２系統（種類）
のエッチガスを用いるだけでなされるようになり，サイ
ドエッチの必要がなく、しかも最下層の高融点導電性材
料層において生じていた逆テーパ現象がなくなり，防食
処理が容易になる。その結果、簡易に製造することが可
能になる。

また、上層配線の基板本体表面または下層配線への接続
を、絶縁膜に形成されるコンタクトホールまたはスルー
ホールを良好に充填する導電性材料により行なうように
しているので、シリコン析出防止用の拡散層を形成しな
くとも、該導電性材料が基板のシリコン析出を充分に防
止できるようになる。その結果、工程を煩雑にすること
なく、信頼性の向上を図ることが可能になる。

また，上層配線の基板本体表面または下層配線への接続
を、絶縁膜に形威されるコンタクトホールまたはスルー
ホールを良好に充填する導電性材料により行なうように
しているので、該導電性材料が２層配線層形成時のエッ
チングストッパの機娃を果たすようになる。その結果、
ドングボーン構造をわざわざ採らなくても良くなる。

【図面の簡単な説明】

第工図は本発明に係る半導体装置の実施例の縦断面図、 第２図（ａ）、（ｂ）は本発明に係る半導体装置の実施
例の製造方法を示す各工程図、第３図は本発明に係る半
導体装置の他の実施例の縦断面図， 第４図、第５図は従来技術に係る半導体装置の縦断面図
である。 ｌ・・・・基板本体（半導体基板）、２・・・・絶縁膜
、７・・・・コンタクトホール（スルーホール）、８・
・・・導電性材料、ｌ１・・・・２層積層配線層、１４
・・・・Ａｌ合金層、ｌ５・・・・高融点導電性材料層
。 第 １ 図 第 ２ 図 第 ２ 図 第 ３ 図 第 ４ 図 第５ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上層配線の基板本体表面または下層配線への接続を
   、絶縁膜に形成されるコンタクトホールまたはスルーホ
   ールを良好に充填する導電性材料により行ない、前記上
   層配線を、前記導電性材料上に接するＡｌ合金と高融点
   導電性材料とよりなる２層積層配線層で構成したことを
   特徴とする半導体装置。 ２、前記導電性材料は、選択ＣＶＤ法により堆積される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装
   置。 ３、前記Ａｌ合金層の下には、Ａｌ合金層上の導電性材
   料よりもかなり薄い高融点の導電性材料層が形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の半導体装置。