JPH04247642A - メタルプラグの形成方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子製造工程にお
ける開口部内への金属層の埋め込みを行うようなメタル
プラグの形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の微細化や多層配線構造化に
従って、極めて小さな面積で電気的な接続を図る必要が
増加していると共に、全体としての平坦化が要求されて
きている。従来より、素子の高集積化技術の１つとして
、層間絶縁膜に形成した開口部に金属層（プラグ層）を
埋め込む技術が知られており、このようなプラグ形成技
術の一例としては、例えば特開昭６２−２２９９５９号
公報に記載される技術がある。この公報のプラグ形成技
術は、まず接続すべき導電層上を被覆している層間絶縁
膜に開口部を形成する。次に、埋め込むべき金属層を開
口部内を含む全面に形成し、その上に平坦化のためのレ
ジスト膜を塗布する。そして、形成したレジスト膜と開
口部外の金属層をエッチバックして平坦化を図り、さら
に配線層となる金属層を開口部内に残存した金属層と接
続させるようにする。このようなプラグ形成技術によっ
て、微細な開口部でも電気的な接続が可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のプラ
グ形成技術では、平坦化のためにレジスト膜と金属層の
プラズマエッチングや反応性イオンエッチングが行われ
るが、レジスト膜と金属層を実質的に同じ速度でエッチ
ングすることが十分な平坦化を図る上で要求される。例
えば、レジスト膜のエッチング速度が金属層に比べて速
い場合では、先にレジスト膜のみが除去されて、十分な
平坦化ができなくなり、ひいては開口部内に残る金属層
も薄くなる。従って、製造の際には所要の条件設定が多
数伴っており、プロセス再現性の保持は容易ならないも
のとされていた。

【０００４】そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑
み、微細な開口部に対しても確実なプラグの形成が実現
され、且つプロセスの再現性も良好なメタルプラグの形
成方法の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明のメタルプラグの形成方法は、下部導電層
や半導体基体等の基体上に絶縁膜を形成し、その絶縁膜
に上端部側が狭くされる形状の開口部を形成して上記基
体の一部を該開口部内に臨ませた後、その開口部内を含
む全面に上記上端部で段切れが生ずるように金属層を形
成する。そして、その金属層上に低粘度材料層を塗布し
て上記段切れ部分に該低粘度材料層を充填し、上記低粘
度材料層及び上記金属層をエッチバックして開口部内の
金属層上に該低粘度材料層の一部を残存させ、上記残存
した低粘度材料層を除去して、上記開口部内の金属層に
接続される配線層を形成することを特徴とする。

【０００６】ここで、上記金属層は、例えばアルミニュ
ーム系材料層や高融点金属層やそのシリサイド層等であ
り、その下部にバリヤメタル層を有するものであっても
良い。

【０００７】

【作用】上端部側が狭くされる形状の開口部によって、
金属層の段切れが発生し易くなり、金属層の段切れが生
ずることで、金属層の一部は開口部内に分離されて形成
される。本発明では、低粘度材料層が段切れ部分に充填
され、その低粘度材料層が、開口部内の金属層を覆う。 このため低粘度材料層と金属層のエッチバックの際は、
同じ速度で両層をエッチングする必要はなく、低粘度材
料層の開口部内の一部が残存するようなエッチングを行
えば良い。そして、残存した低粘度材料層を除去した後
、配線層を形成することで、平坦な配線層が得られるこ
とになる。

【０００８】

【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１の実施例〕本実施例は、アルミニューム系材料層
の金属層が形成され、低粘度材料層としてレジスト層が
形成されるメタルプラグの形成方法の例である。

【０００９】まず、導電層若しくはシリコン基板の一部
であり、電気的な接続を取るべき基体１上に、層間絶縁
膜であるシリコン酸化膜２が形成される。このシリコン
酸化膜２は基体１を被覆する。次に、シリコン酸化膜２
に開口部３を形成して、図１に示すように基体１の表面
の一部を該開口部３内に臨ませる。開口部３の形状は、
上端部３ａ側が狭くされ且つ底部３ｂ側が広くされる形
状とされ、その側壁４は逆テーパー状とされる。このよ
うな逆テーパー状を得る開口部３のエッチングは、反応
性イオンエッチングで側壁保護膜が付着しにくい条件で
形成可能とされる他、反応性イオンエッチングとウエッ
トエッチングを組合せたり、或いは層間絶縁膜２の底部
３ｂ側の膜質を上端部３ａ側よりエッチングされ易いも
のに改質させることで可能である。また、上端部３ａが
狭くされる開口部３を得るために、エッチングの速度が
異なる多層構造で層間絶縁膜を構成しても良く、逆テー
パー以外の形状として側壁４の中間部分の径が大きくさ
れ且つ上端部３ａが狭いような開口部であっても良い。 上記反応性イオンエッチングの一例としては、例えばＣ
Ｆ系ガスと酸素ガスを用いたもの等が使用できる。

【００１０】次に、図２に示すように、開口部３内を含
む全面に、上記上端部３ａで段切れが生ずるように金属
層５を形成する。この金属層５はアルミニューム系材料
層であり、スパッタリング法等の物理的な薄膜形成方法
により形成される。金属層５の膜厚を制御することで、
上記上端部３ａではカバレージが悪化して金属層５に段
切れが生ずる。この段切れによって、開口部３内の底部
には、金属層５の一部が堆積する。その開口部３内に堆
積した金属層５ａは、シリコン酸化膜２上の金属層５と
上端部３ａで分離され、その上端部３ａ側では側壁４の
一部が開口部３内に露出する。ここでシリコン酸化膜２
上の金属層５と開口部３内の金属層５ａは、完全に分離
しているが必要であり、一部が段切れせずに接続してい
る場合は硫酸系のエッチングで分離させるようにしても
良い。

【００１１】金属層５ａを段切れさせて開口部３内に形
成した後、図３に示すように、全面に低粘度材料層であ
るレジスト層６が形成される。このレジスト層６は、例
えばスピンコーター等により全面に塗布され、特に上記
開口部３では、粘度が低いため分離された上端部３ａに
も充填される。

【００１２】レジスト層６を塗布した後、そのレジスト
層６を硬化させる。そして、全面のエッチバックを図る
。このエッチバックの結果、金属層５上のレジスト層６
が除去されると共に、シリコン酸化膜２上の金属層５も
除去されるが、図４に示すように、金属層５の間で上記
上端部３ａに充填されたレジスト層６ａが残され、その
下部の金属層５ａも残存する。このようなエッチバック
は、レジスト層６よりも金属層５の方が速くエッチング
されるような条件で行えば良く、或いは初めに金属層５
上のレジスト層６を選択的に除去した後にシリコン酸化
膜２上の金属層５を選択的に除去するようにしても良い
。金属層５が選択的に除去され或いは速い速度で除去さ
れている時、上端部３ａに充填されたレジスト層６ａは
、開口部３内の金属層５の耐エッチング膜として機能す
る。従って、開口部３内の金属層５ａは確実に残存する
。

【００１３】次に、耐エッチング膜として機能したレジ
スト層６ａを除去し、開口部３内部の金属層５ａの表面
を露出させる。このように金属層５ａの表面を露出させ
た後、図５に示すように、全面にアルミニューム系材料
層である第２の金属層７を形成し、この第２の金属層７
をパターニングして配線構造を得る。

【００１４】このような本実施例のメタルプラグの形成
方法では、逆テーパー形状の開口部３を利用して形成し
た段切れ部分に一度レジスト層６を充填し、エッチバッ
クの際には、そのレジスト層６が耐エッチング膜として
機能するため、開口部３の内部に残存した金属層５ａは
プラグメタルとして確実に残存する。このため第２の金
属層７は、略平坦に配線させることが可能となり、素子
製造の歩留りが向上する。

【００１５】〔第２の実施例〕本実施例は、メタルバリ
アを形成する例であり、図６〜図１０を参照しながら説
明する。

【００１６】まず、第１の実施例と同様に、シリコン基
板等の基体１１に層間絶縁膜となるシリコン酸化膜１２
を被着し、そのシリコン酸化膜１２の配線層を接続させ
るべき領域に開口部１３を形成する。この開口部１３は
、図６に示すように、逆テーパー状の側壁１４を有し、
上端部１３ａが底面部１３ｂよりも狭い形状とされる。 開口部１３をこのような逆テーパー状とすることで、次
に説明するように段切れが発生する。この開口部１３の
底部では、前記基体１１の表面が臨む。

【００１７】逆テーパー状の開口部１３を形成した後、
バリヤメタルとして機能するチタン膜１５及びチタン窒
化酸化膜１６が比較的薄い膜厚で形成される。このよう
なバリヤメタルを形成することで、基体１１と次に形成
する金属層との反応が防止される。チタン膜１５及びチ
タン窒化酸化膜１６の形成後、全面に金属層としてアル
ミニューム系材料層１７が図７に示すように形成される
。この時、開口部１３の上端部１３ａは狭くされて逆テ
ーパー状となっていることから、アルミニューム系材料
層１７は段切れが発生する。この上端部１３ａの段切れ
部分では、開口部１３の側壁１４が露出する。ここで、
アルミニューム系材料層１７は完全に開口部１３内のア
ルミニューム系材料層１７ａと分離されるものとされ、
その分離が不十分な場合では一部を溶液エッチングによ
り分離させても良い。

【００１８】次に、アルミニューム系材料層１７ａを段
切れさせて開口部１３内に形成した後、図８に示すよう
に、全面に低粘度材料層であるレジスト層１８が形成さ
れる。このレジスト層１８は、例えばスピンコーター等
により全面に塗布され、特に上記開口部１３では、粘度
が低いため上端部１３ａにも充填されて、アルミニュー
ム系材料層１７ａを覆うように形成される。

【００１９】レジスト層１８を硬化させた後、エッチバ
ックを行って、開口部１３以外のレジスト層１８及びア
ルミニューム系材料層１７が除去される。この時、レジ
スト層１８よりもアルミニューム系材料層１７が速い速
度でエッチングされ、或いはアルミニューム系材料層１
７上のレジスト層１８が選択的にエッチングされた後に
アルミニューム系材料層１７が選択的にエッチングされ
る。このエッチバックの際、上端部１３ａに充填された
部分のレジスト層１８ａは、下部のアルミニューム系材
料層１７ａの耐エッチング膜として機能し、図９に示す
ように、開口部１３には、その底部にチタン膜１５及び
チタン窒化酸化膜１６を有したアルミニューム系材料層
１７ａが該レジスト層１８ａに保護されながら残存する
。通常、バリアメタル上のアルミニューム系材料層１７
のエッチングの際には、電池作用に起因するアフターコ
ロージョンの発生が懸念されるが、本実施例では、基体
１１上のバリアメタルは、耐エッチング膜として機能し
ているレジスト層１８ａと開口部１３の側壁１４に囲ま
れているため、アフターコロージョンの問題も解決され
る。

【００２０】アフターコロージョンを防止するための膜
であり、且つ耐エッチング膜として機能したレジスト層
１８ａを除去し、全面に第２のアルミニューム系材料層
１９を被着し、このアルミニューム系材料層１９をパタ
ーニングする。このアルミニューム系材料層１９は、開
口部１３内にアルミニューム系材料層１７ａが存在する
ことから、平坦化され、素子の３次元化に極めて有利と
なる。

【００２１】この第２の実施例のメタルプラグの形成方
法では、第１の実施例と同様に段切れを積極的に利用し
て、耐エッチング膜として機能するレジスト層１８ａを
形成し、開口部１３内にアルミニューム系材料層１７ａ
を形成することができる。そして、特に本実施例では、
基体１１上のバリアメタルとして機能するチタン膜１５
及びチタン窒化酸化膜１６がアルミニューム系材料層１
７の切断の際には、レジスト層１８ａと開口部１３の側
壁１４によって囲まれているため、露出することがない
。従って、アフターコロージョン対策も十分である。

【００２２】〔第３の実施例〕本実施例は、段切れを発
生される形状の開口部の形成工程の他の例を示すもので
あり、図１１に示す如き開口部を形成する例である。す
なわち、図１１に示すように、基体２１上に第１の絶縁
膜２２と第２の絶縁膜２３が形成され、これらが層間絶
縁膜として用いられる。一例として、第１の絶縁膜２２
はシリコン酸化膜であり、第２の絶縁膜２３はシリコン
窒化膜である。このような積層構造の絶縁膜で基体２１
を被覆した後、電気的な接続を図るべき領域に開口部２
４，２５が形成される。第２の絶縁膜２３に形成される
開口部２４は例えば反応性イオンエッチングにより所要
のマスクを使用しながら開口され、第１の絶縁膜２２に
形成される開口部２５は開口部２４をマスクとしながら
溶液エッチング等により開口される。このため開口部２
５の径は開口部２４の径よりも大きくされ、上端部が狭
くされる形状の開口部が得られることになる。

【００２３】以下、本実施例は、このような多層構造の
開口部２４，２５を形成した後、段切れが生ずる金属層
及び低粘度材料層の形成を行い、開口部内にのみ低粘度
材料層と金属層を残存させてから、配線層を形成する。

【００２４】〔第４の実施例〕本実施例は、低粘度材料
層を開口部内に残存させてから、層間絶縁膜をエッチバ
ックする例である。

【００２５】図１２に示すように、シリコン基板等の基
体３１上に電極層３２を被覆する層間絶縁膜３３が形成
され、その層間絶縁膜３３に形成された開口部３５は逆
テーパー状の側面を有する。この開口部３５内には、第
１の実施例と同様に、金属層３４が段切れにより形成さ
れ、その段切れ部分に充填されたレジスト層３６がエッ
チバックに対する耐エッチング膜として機能して金属層
３４の表面を覆うように残される。

【００２６】次に、図１３に示すように、残存したレジ
スト層３６を除去すると共に層間絶縁膜３３のエッチバ
ックを行う。残存したレジスト層３６の除去と層間絶縁
膜３３のエッチバックは、一方を先としても良く、同時
に行うようにしても良い。このエッチバックによって、
開口部３５の内部の金属層３４の上面３４ａと、層間絶
縁膜３３の上面は同様な高さとされる。

【００２７】残存したレジスト層３６の除去及び層間絶
縁膜３３のエッチバックの後、図１４に示すように、全
面にアルミニューム系材料層の如き配線層３６が形成さ
れる。この配線層３６は、層間絶縁膜３３及び金属層３
４が同様の高さを以て平坦化されて形成されているため
、容易な３次元化や再現性に優れた素子の製造が実現で
きることになる。

【００２８】なお、上述の各実施例においては、低粘度
材料層としてレジスト層を用いたが、これに限定されず
他の低粘度な絶縁膜或いは有機膜を使用することも可能
である。

【００２９】

【発明の効果】本発明のメタルプラグの形成方法は、上
述のように、上端部側が狭くされる形状の開口部によっ
て、積極的に金属層の段切れを発生させ、その段切れ部
分に低粘度材料層を充填する。この低粘度材料層は、段
切れで残存した開口部内の金属層の耐エッチング膜とし
て機能することから、開口部以外の金属層や低粘度材料
層をエッチングしても、確実に開口部内に金属層の一部
が残存し、その金属層の一部をプラグとして用いること
で、平坦な配線層が再現性良く得られることになる。プ
ラグとなる金属層形成のためのエッチングは低粘度材料
層と同じ速度とする必要がなく、プロセスマージンに優
れる。また、バリアメタルを金属層の下部に形成した場
合には、アフターコロージョンを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のメタルプラグの形成方法の第１の実施
例における逆テーパー状の開口部の形成工程の工程断面
図

【図２】上記第１の実施例における段切れの発生する金
属層の形成工程の工程断面図

【図３】上記第１の実施例における低粘度材料層の形成
工程の工程断面図

【図４】上記第１の実施例におけるエッチバック工程の
工程断面図

【図５】上記第１の実施例における第２の金属層の形成
工程の工程断面図

【図６】本発明のメタルプラグの形成方法の第２の実施
例における逆テーパー状の開口部の形成工程の工程断面
図

【図７】上記第２の実施例におけるバリアメタルの形成
及び段切れが生ずる金属層の形成工程の工程断面図

【図
８】上記第２の実施例における低粘度材料層の形成工程
の工程断面図

【図９】上記第２の実施例におけるエッチバック工程の
工程断面図

【図１０】上記第２の実施例におけるアルミニューム系
材料層の形成工程の工程断面図

【図１１】本発明のメタルプラグの形成方法の第３の実
施例における逆テーパー状の開口部の形成工程の工程断
面図

【図１２】本発明のメタルプラグの形成方法の第４の実
施例におけるレジスト層を開口部内に残存させた後の工
程断面図

【図１３】上記第４の実施例における層間絶縁膜のエッ
チバック及びレジスト層の除去工程の工程断面図

【図１
４】上記第４の実施例におけるアルミニューム系材料層
の形成工程の工程断面図

【符号の説明】

１，１１，２１，３１…基体 ２，１２…シリコン酸化膜 ３，１３，２４，２５，３５…開口部 ５，３４…金属層 ６，１８，３６…レジスト層 １７…アルミニューム系材料層 ３３…層間絶縁膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体若しくは導電性の基体上に形成
   された絶縁膜に上端部側が狭くされる形状の開口部を形
   成して上記基体の一部を該開口部内に臨ませる工程と、
   その開口部内を含む全面に上記上端部で段切れが生ずる
   ように金属層を形成する工程と、その金属層上に低粘度
   材料層を塗布して上記段切れ部分に該低粘度材料層を充
   填する工程と、上記低粘度材料層及び上記金属層をエッ
   チバックして上記開口部内の上記金属層上に上記低粘度
   材料層の一部を残存させる工程と、上記残存した低粘度
   材料層を除去する工程と、上記開口部内の上記金属層に
   接続される配線層を形成する工程とからなることを特徴
   とするメタルプラグの形成方法。