JPH04142062A

JPH04142062A - タングステンプラグの形成方法

Info

Publication number: JPH04142062A
Application number: JP26451990A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Hasegawa; 利昭長谷川; Junichi Sato; 淳一佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-10-02
Filing date: 1990-10-02
Publication date: 1992-05-15

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】一産業上の利用分野］本発明は、半導体装置製造における配線技術に関し、特
に、コンタクトホール等に埋釣込まれるタングステンプ
ラグの形成方法に係わる。

［発明の概要コ請求の範囲第１項記載の発明は、タングステンプラグの
形成方法において、絶縁膜表面にタングステンよりもエツチングレートが高
い中間層を形成する工程と、前記絶縁膜に配線用開口部
を開口する工程と、前記絶縁膜及び開口部内にブランケ
ットタングステンを堆積させる工程と、前記ブランケッ
トタングステンをエッチバックする工程と、前記中間層
をエツチングする工程を備えたことにより、また、請求の範囲第２項記載の発明は、絶縁膜に配線用
開口部を開口する工程と、密着層を前記配線用開口部内
よりも前記絶縁膜上に厚く堆積させる工程と、前記密着
層上にブランケットタングステンを堆積させる工程と、
前記ブランケットタングステンをエッチバックし、さら
に密着層をエツチングする工程を備えたことにより、共
に、配線用開口部の開口面に対して窪みのないタングス
テンプラグを形成し、上層配線の被覆性（カバレッジ）
を良好にして配線の信頼性を向上し得るようにしたもの
である。

［従来の技術：・次世代の超々ＬＳＩプロセスでの最大の課題は、配線技
術といってよい。第４図に示すように、従来のアルミニ
ウム配線３では、例えばシリコン基板ｌ上の層間絶縁膜
２に開口したコンタクトホール２ａ内にボイド４を生じ
た状態で形成されるなどの問題を有している。このよう
な、アルミニウム配線の膜被覆性（ステップカバレッジ
）やマイグレーション耐性の低下は、微細化に伴う薄膜
化で著しくなる。このため、ステップカバレッジが良く
、しかも従来のポリシリコンプラグなどと比較してコン
タクト抵抗を低くする、ブランケットタングステンＣＶ
Ｄとエッチバックを組み合せたプロセス技術が注目を集
めている。

この方法は、第５図Ａに示すように、例えばシリコン基
板１上の層間絶縁膜２にコンタクトホール２ａを開口し
た後、窒化チタン、チタンオキシナイトライドなどでな
る密着層４を被着させ、その後、タングステン層５を気
相成長法（ＣＶＤ）によりブランケット成長させる。

次に、第５図Ｂに示すようにタングステン層５のエッチ
バックを行ない、コンタクトホール２ａ内のみにタング
ステン層（タングステンプラグ）５を残し、次いで、第
５図Ｃに示すように、アルミニウム配線６をスパッタ法
により形成して上層配線とする。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記した方法は、エッチバックの終点判
定が難しく、コンタクトホール以外のタングステン層が
エッチバックされたところでエツチングされるタングス
テンの量が急激に減るため、エッチャントがコンタクト
ホール内のタングステンプラグに集中し、第５図Ｂに示
すように、コンタクトホールの開口縁より下方までオー
バーエツチングされてしまう問題点があった。

また、絶縁膜に段差かある場合（例えばゲート電極上方
など）にタングステンが残るため、このタングステンを
除去するには逆に上記したオーバーエツチングは必要で
あるとされている。

しかし、第５図Ｃに示すように、このようにタングステ
ンプラグかオーバーエツチングされた状態で上層配線と
してのアルミニウム配線６をスパッタ法などにより形成
した場合、段差部分のアルミニウム膜厚が薄くなり、ま
た、ともするとボイドを生じるため、ストレスマイグレ
ーションやエレクトロマイグレーンヨンを起し、配線の
信頼性を悪くする問題点を有している。

本発明は、このような問題点に着目して創案されたもの
であって、配線用開口部とタングステンプラグによる段
差をなくし、上層配線の信頼性を向上させるタングステ
ンプラグの形成方法を提供するものである。

二課題を解決するための手段］そこで、本発明は、絶縁膜表面にタングステンよりもエ
ツチングレートが高い中間層を形成する工程と、前記絶
縁膜に配線用開口部を開口する工程と、前記絶縁膜及び
開口部内にブランケットタングステンを堆積させる工程
と、前記ブランケットタングステンをエッチバックする
工程と、前記中間層をエツチングする工程を備えたこと
、及び、絶縁膜に配線用開口部を開口する工程と、密着
層をＦ′ｉ記配線用開口部内よりも前記絶縁膜上に厚く
堆積させる工程と、前記密着層上にブランケットタング
ステンを堆積させる工程と、前記ブランケットタングス
テンをエッチバックし、さらに密着層をエツチングする
工程を備えたことを、その解決方法としている。

１作用１請求の範囲第１項記載の発明にあっては、ブランケット
タングステンをエッチバックする工程において、中間層
が露出すると、エツチングレートがタングステンよりも
高い当該中間層のエツチングは速かに進行するが、タン
グステンのエツチング速度は相対的に遅くなる。このた
め、露出した中間層を基準にエッチバックを停止すれば
、配線用開口部内のタングステン（タングステンプラグ
）は凹状に段差を配線用開口部との関係で形成されるこ
とが防止される。また、このように中間層のエッチレー
トがタングステンよりも高いため、オーバーエツチング
を行なってもタングステンプラグが凹状に窪むことか防
止できる作用を有する。

また、請求の範囲第２項記載の発明にあっては、絶縁膜
上に堆積された密着層が厚みをかせぐため、エッチバッ
クに際してタングステンが配線用開口部内にオーバーエ
ツチングされるのを防止する作用がある。このため、密
着層をエツチングする工程を施した後は、タングステン
の上端面が、配線用開口部の開口面と同じ程度の高さ、
若しくは該開口面より突出した状態となるため、後工程
で形成される上層配線のカバレッジを良好にする。

［実施例コ。

以下、本発明に係るタングステンプラグの形成方法の詳
細を図面に示す実施例に基づいて説明する。

（第１実施例）第１図Ａ〜第１図Ｇは、本発明に係るタングステンプラ
グを形成方法の第１実施例を示している。

本実施例は、先ず、第１図Ａに示すように、ンリコン基
板１０上に堆積された５ｉｆｔでなる例えば５０００人
の膜厚の層間絶縁膜ｌｌ上にスパッタ法又はＣＶＤ法に
て例えば１０００人の膜厚の中間層としてのチタン膜１
２を形成する。

次に、このチタン膜１２にリングラフイー技術を用いて
レジストマスク（図示省略）を形成し、ドライエツチン
グを行なって、第１図Ｂに示すように、コンタクトホー
ル１３を開口する。

その後、第１図Ｃに示すようにＴｉ／ＴｉＮ膜１４をス
パッタ法により形成して密着層とする。

次に、第１図りに示すように、ブランケットタングステ
ン膜１５をＣＶＤ法にて形成する。このＣＶＤにより堆
積は、２段階の条件で行ない、各条件は以下の通りであ
る。なお、ＣＶＤ装置はコールドウオール型のＬＰＣＶ
Ｄ炉を用いている。

〈第１段階のＣＶＤ条件〉・雰囲気ガス及びその流量六フッ化タングステン（ｗ　ｐ　ｅ　）・・・２５５（
ＣＭンラン（Ｓ　ｉ　Ｈ４）　　　　　　　−１５５ｃ
ｃｘ・温度　　　　　　　　４７５℃ ・圧力　　　　　　　　８０Ｔｏｒｒく第２段階のＣＶＤ条件〉・雰囲気ガス及びその流量六フッ化タングステン（ｗ　ｐ　ｅ）・・・６０　ＳＣ
ＣＭ水素（Ｈｚ）　　　　　　　　　”・３６０ＳＣＣ
Ｍ次に、エッチバックを２段階のエツチング条件で行な
った。なお、エツチング装置は、ＲＦバイアス印加型の
ＥＣＲエツチャーを用いている。

ここで、第１段階のエツチングは、ブランケットタング
ステン膜１５をエツチングして第１図Ｅに示す状態にす
るものであり、以下の条件で行なった。

〈第１のエツチング条件〉・エツチングガス及びその流量六フッ化イオウ（Ｓ　Ｆ　ｓ）”’　４０５ｃｃｘ−圧
力　　　　　　　１０ｍＴｏｒｒ・マイクロ波出力　　８５０ｗ −ＲＦバイアス　　　１ｏｏｖ（２ＭＨｚ）次に、第２
段階のエツチングは、チタン膜１２が露出した後にチタ
ンとタングステンのエツチング比（Ｔｉ＞Ｗ）がとれる
ように以下の条件で行ない、第１ＥＦに示すようなタン
グステンプラグ１５Ａを形成した。

く第２のエツチング条件〉・エツチングガス及びその流量六フッ化イオウ（ＳＦ、）　＝・４０ｓＣ，。

酸素（０２）　　　　　　　−１０５ＣＣＭ・圧力　　
　　　　　１０ｍＴｏｒｒ・マイクロ波出力　　８５０ｗ −ＲＦバイ７７、　　　　＋　００Ｖ（２ＭＨｚ）この
とき、チタンは、ＴｊＯＦｘの形で速やかに反応か進行
するか、タングステンは表面が酸化されるため、エツチ
ングレートがＳＦ、ガスが単独の第１のエツチング条件
のときよりも遅くなり、エツチングレートは、Ｔ　ｉ　
＞Ｗとなる。

このようにして形成されたタングステンプラグ１５Ａ上
に上層配線としてのアルミニウム配線１６をスパッタ法
にて形成した場合、第１図Ｇに示すようにカバレッジが
良好になる。

また、本実施例においては、上記エッチバックの終点判
定にチタンを用いることが可能であり、タングステンプ
ラグのオーバーエッチをより確実に防止することが可能
となる。

なお、上記実施例におけるチタン膜の膜厚は、コンタク
トホール径やタングステン膜の膜厚により適宜設定すれ
ばよい。

（第２実施例）第２図Ａ〜第２図Ｆは、第２実施例を示している。

先ず、本実施例は、第２図Ａに示すように、シリコン基
板１０上に層間絶縁膜１１にコンタクトホールｌｌａを
開口する。

次に、窒化チタン（Ｔ　ｉ　Ｎ）膜１７をカバレッジの
良いＣＶＤ条件、例えば、反応ガスとしてＴｉ　（Ｎ　
（ＣＨ３）　−）　４ガスとＮＨ３ガスを用い、チャン
バ内圧力が１ｍＴｏｒｒ、温度が４００℃の条件で気相
成長させる。

次に、第２図Ｂに示すように、上記窒化チタン膜！７上
に、カバレッジの悪いＣＶＤ条件で再度窒化チタン膜１
８を形成する。このＣＶＤ条件は、前工程でのＣＶＤ条
件のうちチャンバ内圧力を例えば１００ｍＴｏｒｒに高
くすればよい。このような条件で形成された窒化チタン
膜１８は、同図Ｂに示すように、コンタクトホールｌｌ
ａ内では薄くなり、コンタクトホールｌｌａ以外（層間
絶縁膜１１上）では厚くなる。これら窒化≠タン膜Ｉ７
１８は、後記するタングステン膜の密着層としての機能
を有する。

次いで、第２図Ｃに示すように、ＣＶＤ法によりブラン
ケットタングステン膜１５を形成する。

このＣＶＤは、その条件を、上記した第１実施例におけ
るブランケットタングステン膜１５の形成工程と同様に
２段階に条件を変えて行なう。

次に、断るブランケットタングステン膜１５を、第２図
りに示すように、上記窒化チタン膜１８か露出するまで
以下に示す条件でエッチバックを施す。

なお、エツチング装置は、第１実施例と同様、ＲＦバイ
アス印加型のＥＣＲエツチャーを用いている。

・エツチングガス及びその流量六フッ化イオウ（Ｓ　Ｆ　ｅ）”’　４０　ＳＣＣＭ・
圧力　　　　　　　１０ｍＴｏｒｒ・マイクロ波出力　　８５０Ｗ −ＲＦバイｙス　　　Ｉ　ＯＯＶ　（２ＭＨｚ）次に、
前工程により露出した窒化チタン膜１８及び１７をエツ
チングする。以下、このエツチング条件を示す。

・エツチングガス及びその流量三塩化ホウ素（Ｂ　Ｃｆ２３）　”’　４０　ＳＣＣＭ
・圧力　　　　　　　１０ｍＴｏｒｒ・マイクロ波出力　　８５０Ｗ・ＲＦバイアス　　　５０Ｖ（２ＭＨｚ）上記エツチン
グ条件でエツチングを行なった場合、塩素系ガス（ＢＣ
ｆ２３）を用い、しかも低イオンエネルギーであるため
、第２図Ｅに示すように、タングステンはほとんどエツ
チングされない。

また、このようにして形成されたタングステンプラグ＋
５Ａ上に上層配線としてのアルミニウム配線１６を例え
ばスパッタ法にて形成した場合、第２図Ｆに示すように
カバレッジが良好になる。

本実施例においては、密着層としての窒化チタン膜をコ
ンタクトホールｌｌａ以外の場所に厚く堆積させている
ため、エッチバックに際して、窒化チタン膜が露出した
時点で窒化チタン膜上面よりタングステン膜表面が下方
にオーバーエツチングされていても、この時点でエッチ
バックを停止すれば、タングステン膜がコンタクトホー
ル１１ａの開口縁よりも下方に至るまでエツチングされ
ることが防止できる。

む松　　　ト呈−丁　い、壬ノく　ぃ、　々　２−１）
ムチ　ナー　丁　、、キ　・ノ　ゲガスは、三塩化ホウ
素に限られるものではなく、他の塩素系ガスを用いても
よい。

（第３実施例）第３図は、本発明の第３実施例を示している。

本実施例は同図に示すように、予め窒化チタン膜Ｉ９を
層間絶縁膜ＩＩ上に形成してコンタクトホールを開口し
、その後、この窒化チタン膜１９上及びコンタクトホー
ル内に他の窒化チタン膜１７をＣＶＤ法にて被着させ、
層間絶縁膜１１上の密着層としての窒化チタン膜の膜厚
を厚くしたものである。なお、他の工程は第２実施例と
同様である。

以上、各実施例について説明したが、本発明は、これに
限られるものではなく、各種の設計変更が可能である。

例えば、上記した各実施例は、シリコン基板上のコンタ
クトホールに本発明を適用したが、下層配線層上のピア
ホールに適用しても勿論よい。

また、上記第１実施例における中間層には、他のバリヤ
メタルや他の材料を適用してもよく、上記第２実施例及
び第３実施例における密着層として窒化チタン膜もこれ
に限定するものではない。

［発明の効果］以上の説明から明らかなように、本発明に係るタングス
テンプラグの形成方法によれば、配線用開口部において
タングステンプラグが凹状とならないため、上層配線を
カバレッジよく形成できる。

このため、半導体装置の配線の信頼性を高める効果があ
る。

具体的には、上層配線がアルミニウム配線等であれば、
配線用開口部におけるストレスマイグレーション、エレ
クトロマイグレーソヨンの発生を防止する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ〜第１図Ｇは本発明に係るタングステンプラグ
の形成方法の第１実施例の工程を示す断面図、第２図Ａ
〜第２図Ｆは第２実施例の工程を示す断面図、第３図は
第３実施例を示す断面図、第４図はアルミニウドを用い
た従来例の断面図、第５図Ａ〜第５図Ｃはタングステン
を用いた従来例の工程を示す断面図である。１】・・層間絶縁膜、ｌｌａ・・・コンタクトホール、
１２・・チタン膜（中間層）、１３・　コンタクトホー
ル、１４・・・Ｔｉ／ＴｉＮ膜、１５・・・ブランケッ
トタングステン膜、１５Ａ・・・タングステンプラグ、
１６・・・アルミニウム配線、１７．１８・・窒化チタ
ン膜（密着層）。（％１１ミ）乞１Ｆ１１　）第１図Ｃ（葛１曵方色１列）（第１支耗り１１）第１図Ｅ（〕６色１支万ヒ１り１１）（第１芙方乞１列）第１図Ｇ第２図Ａ（蔦２支）も１クリ第２図Ｃ第２図り第２図Ｅ第２図Ｆ第３夫λ乞１タ１１左カー１　断面「］第３図７ルミニウムと出いに４匙来１りｔ１第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁膜表面にタングステンよりもエッチングレー
トが高い中間層を形成する工程と、前記絶縁膜に配線用
開口部を開口する工程と、前記絶縁膜及び開口部内にブ
ランケットタングステンを堆積させる工程と、前記ブラ
ンケットタングステンをエッチバックする工程と、前記
中間層をエッチングする工程を備えたことを特徴とする
タングステンプラグの形成方法。
（２）絶縁膜に配線用開口部を開口する工程と、密着層
を前記配線用開口部内よりも前記絶縁膜上に厚く堆積さ
せる工程と、前記密着層上にブランケットタングステン
を堆積させる工程と、前記ブランケットタングステンを
エッチバックし、さらに密着層をエッチングする工程を
備えたことを特徴とするタングステンプラグの形成方法
。