JPH04278537A - 半導体装置の金属配線形成方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の金属配線形
成方法に関し、詳しくは多層配線構造を有するＬＳＩ等
における金属配線の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、多層配線構造を有するＬＳＩ
は、次のような方法で製造されている。まず、図４（ａ
）に示すように、Ｓｉ　基板１上にソース領域２とドレ
イン領域３とを不純物拡散で作り、その間の基板１表面
にゲート電極４（ポリシリコン）を設けて、ＭＯＳトラ
ンジスタを構成する素子層を形成する。尚、図中、５は
フィールドであり、ＭＯＳトランジスタを形成したくな
い領域に厚い酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）を形成するこ
とで、この上に金属配線が形成された場合でもトランジ
スタ動作をしないようにするものである。

【０００３】次に、図４（ｂ）に示すように、周知のＣ
ＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　　Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ　：化学気相成長法）により絶縁膜６（Ｓｉ
Ｏ２）を形成する。尚、図中においては、見やすくする
ために絶縁膜６にはハッチングを省略する。

【０００４】続いて、図４（ｃ）に示すように、選択エ
ッチングによりこの絶縁膜６にコンタクトホール７を形
成する。そして、図４（ｄ）に示すように、コンタクト
ホール７内に導電性のプラグ材料を埋め込んでプラグ８
を形成し、次に、絶縁膜６表面（プラグ８上面も含む）
に金属配線層をスパッタ法により成膜し、選択エッチン
グにより所定形状の第１層目金属配線１１を形成する。

【０００５】次に、図４（ｅ）に示すように、この上に
ＣＶＤにより層間絶縁膜９（ＳｉＯ２）を形成する。尚
、図中において、層間絶縁膜９にはハッチングを省略す
る。そして、上述した方法でコンタクトホールの形成，
プラグ材料の埋め込み，金属配線層の成膜，選択エッチ
ング，層間絶縁膜９の形成を繰り返すことにより、図５
に示すような多層配線構造が形成される。尚、図中、１
２，１３，１４は第２層目金属配線，第３層目金属配線
，第４層目金属配線を表す。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＬＳＩ
の高密度・高集積化に伴って、上記の方法で配線構造の
多層化を図った場合には、積層数が多くなるほど、上層
の金属配線の段差が大きくなり、配線の段切れ、つまり
、段差による金属配線の断線を生じやすくなるという問
題が生じていた。

【０００７】例えば、図５に示すように、第１層目金属
配線１１を覆う層間絶縁膜９は、基板１を覆う絶縁膜６
に対して第１層目金属配線１１の膜厚分だけ段差が増加
することから、この上に形成される第２層目金属配線１
２もその分段差が増加する。同様にして、第ｎ層目金属
配線では、第１層目金属配線１１から第（ｎ−１）層目
金属配線までの膜厚が累積されて大きな段差が生じてし
まう。この結果、上層の金属配線ほど段差による断線を
生じやすくなるのである。

【０００８】本発明の半導体装置の金属配線形成方法は
上記課題を解決し、多層配線構造の平坦化を図り、金属
配線の断線を低減すること目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明の半導体
装置の金属配線形成方法は、多層配線構造を有する半導
体装置の金属配線形成方法において、各層を絶縁するた
めの絶縁膜にコンタクトホールを形成し、上記絶縁膜よ
り薄い導電性のプラグを、上記コンタクトホール内の下
層側に形成し、その後、上記絶縁膜の表面の上記コンタ
クトホールにつながる所定領域を、上記コンタクトホー
ルの開口面から上記プラグの上面までの距離に略等しい
深さだけ除去し、上記除去された絶縁膜の所定領域およ
び上記プラグ上面を金属配線領域として、該金属配線領
域に、上記絶縁膜を除去した深さに略等しい厚さの金属
配線を形成することを要旨とする。

【００１０】上記構成を有する本発明の半導体装置の金
属配線形成方法では、絶縁膜に形成されたコンタクトホ
ール内の下層側に、絶縁膜よりも薄い導電性プラグが形
成される。従って、この時点では、プラグの上面は、コ
ンタクトホールの開口面より低い（下層側）位置にある
。そして、金属配線を形成する前に、このコンタクトホ
ール開口面からプラグの上面までの距離に略等しい深さ
で、絶縁膜の表面のコンタクトホールにつながる所定領
域が除去される。この除去により、コンタクトホールの
開口面とプラグ上面とはほぼ一致することとなる。また
、同時に絶縁膜の所定領域の境界には段差が生じる。 続いて、除去された絶縁膜の所定領域およびプラグ上面
を金属配線領域として、この金属配線領域に、絶縁膜を
除去した深さと略等しい厚さの金属配線が形成される。 こうしてプラグに接続された金属配線が形成されるが、
この場合、金属配線の厚さは絶縁膜を除去した深さと略
等しいため、絶縁膜の所定領域の境界に生じていた段差
は殆どなくなる。この結果、金属配線が形成された絶縁
膜の表面形状と、金属配線形成前の絶縁膜の表面形状と
は、ほぼ等しくなる。従って、上記の方法で多層配線構
造を形成すれば、金属配線の厚さによる上層の金属配線
の段差増化が低減される。尚、コンタクトホールは、基
板上の素子層と金属配線との接続穴であっても、各層の
金属配線間の接続穴であってもよい。

【００１１】

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の半導体装置の金属配線形
成方法の好適な実施例について説明する。

【００１２】図１は、第１実施例としての半導体装置の
金属配線形成方法を表すもので、コンタクトホール７形
成までの工程については、従来技術で示した工程と何等
変わりないため省略し、その説明に用いた図４，５と同
一符号を付したものはそれと同一または均等のものであ
る。また、以下の説明では、コンタクトホール７形成ま
での工程については省略する。

【００１３】まず、図１（ａ）に示すように、上述した
方法で絶縁膜６にコンタクトホール７が形成されると、
選択的化学気相成長法（以下、選択的ＣＶＤと呼ぶ）に
より、このコンタクトホール７の途中までプラグ材料（
本実施例ではタングステンＷを用いる）を埋め込みプラ
グ８を形成する。このプラグ８は、基板１に形成された
素子層と金属配線とを電気的接続して、金属配線がコン
タクトホール７でくぼむことを防止するものである。

【００１４】ここで、選択的ＣＶＤについて、Ｗを例に
とり説明する。ＷＦ６　ガスをＳｉＨ４中，Ｈ２　中な
どで還元すると、Ｗ成長速度に、下地による選択性が生
まれる。例えば、金属，Ｓｉ　上にはＷが成長するが、
ＳｉＯ２などの絶縁膜上にはほとんどＷが成長しない。 このメカニズムについては、現時点では明確には解明さ
れていないが、ＷＦ６　が反応する際に、下地との電子
のやりとりが必要で、その電子の供給が金属，Ｓｉ　の
場合にはあるがＳｉＯ２の場合にはないため選択性が生
まれると言われている。また、同じＳｉＯ２でも、表面
状態（凹凸）のちがいや、分子の結合状態の変化により
、Ｗが成長したりする。

【００１５】従って、この選択性によりコンタクトホー
ル７の途中までプラグ材料を埋め込むことができる。次
に、図１（ｂ）に示すように、金属配線領域を抜いたレ
ジストパターン１０を絶縁膜６の表面に付け、絶縁膜６
の表面がプラグ８上面と同一高さになるまでエッチング
する。つまり、コンタクトホール７の開口面からプラグ
８上面までの距離に等しい深さでエッチングするのであ
る。

【００１６】続いて、図１（ｃ）に示すように、レジス
トパターン１０を剥離し、絶縁膜６のエッチング除去さ
れた部位に金属配線材料（本実施例ではタングステンＷ
あるいはアルミニウムＡｌを用いる）を選択的ＣＶＤに
より埋め込み、エッチング除去した厚さの第１層目金属
配線１１を形成する。このときの選択性は、エッチング
による絶縁膜６表面の凹凸、あるいは分子の結合状態の
変化から得る。

【００１７】従って、第１層目金属配線１１を形成した
絶縁膜６の表面形状は、図４（ｂ）に示す金属配線形成
前の絶縁膜６の表面形状とほとんど同じである。つまり
、この上から後述する層間絶縁膜９を形成しても、なん
ら第１層目金属配線１１の厚さの影響を受けず、層間絶
縁膜９の表面段差は、素子層形成時の段差（ゲート電極
４，フィールド５による段差）のみとなる。

【００１８】尚、第１層目金属配線１１の成膜をより良
好に行なうには、図１（ｂ）の状態からＳｉ　イオンを
打ち込み、エッチングされた絶縁膜６表面をほぼＳｉ　
に近い状態にするとよい。この場合には、絶縁膜６表面
の凹凸、あるいは分子の結合状態の変化を利用する場合
よりも良好な選択性が得られる。また、Ａｌを選択的Ｃ
ＶＤにより埋め込む場合には、原料ガスとしてＡｌＨ（
ＣＨ３）２を用いる。

【００１９】次に、図１（ｄ）に示すように、ＣＶＤに
より層間絶縁膜９（ＳｉＯ２）を形成する。そして、多
層金属配線を設けるために上述した方法で、選択エッチ
ングによるスルーホール（金属配線間の接続穴）の形成
，選択的ＣＶＤによるプラグ材料の所定位置までの埋め
込み，金属配線領域のエッチング，選択的ＣＶＤによる
金属配線材料の埋め込み，ＣＶＤによる層間絶縁膜９（
ＳｉＯ２）の形成を繰り返して、図２に示すように、第
２層目金属配線１２，第３層目金属配線１３，第４層目
金属配線１４を形成する。従って、最上層となる第４層
目金属配線１４においても、表面段差はほぼ素子層形成
時の段差にとどまる。この結果、各層の平坦化により、
段差による金属配線の断線が防止される。

【００２０】以上、第１実施例としての半導体装置の金
属配線形成方法を説明したが、次に、表面段差を完全に
平坦化する第２実施例について説明する。図３は、第２
実施例としての半導体装置の金属配線形成方法を表すも
ので、第１実施例で用いた図１，２と同一符号を付した
ものはそれと同一または均等のものである。また、以下
の説明では、第１実施例と同じ部分については簡単な説
明にとどめる。

【００２１】まず、素子層形成後、ＣＶＤにより絶縁膜
６（ＳｉＯ２）を厚く形成し：図３（ａ）、続いて、エ
ッチバック等の完全平坦化を行なう：図３（ｂ）。その
後、選択エッチングによりコンタクトホール７を形成す
る：図３（ｃ）。次に、第１実施例と同様に、選択的Ｃ
ＶＤによるプラグ材料の所定位置までの埋め込み，金属
配線領域のエッチング，選択的ＣＶＤによる金属配線材
料の埋め込みを行なって、第１層目金属配線１１を形成
する。この結果、図３（ｄ）に示すように、第１層目金
属配線１１が形成された絶縁膜６表面は、完全に平坦と
なる。

【００２２】次に、この平坦面上に、層間絶縁膜９をＣ
ＶＤにより形成する。従って、層間絶縁膜９の表面も平
坦となる。同様にして、スルーホールの形成，プラグ材
料の所定位置までの埋め込み，金属配線領域のエッチン
グ，金属配線材料の埋め込み，層間絶縁膜９の形成を繰
り返して、図３（ｄ）に示すような多層配線構造を形成
することができる。この場合、最上層の第４層目金属配
線１４においても、ほぼ完全平坦に維持され、段差によ
る断線が防止される。

【００２３】ところで、従来から、コンタクトホールと
金属配線用溝とを、アルミナとＳｉＯ２　とをストッパ
ーとする選択エッチングで形成し、このコンタクトホー
ルと金属配線溝とに同時にＷを選択的に化学気相成長し
て金属配線を形成する方法が知られているが、この方法
では、コンタクトホール半径が金属配線膜厚以上の場合
には、コンタクトホール部分に金属配線のくぼみを生じ
てしまい、平坦化を図るには得策でない。また、この方
法では、Ｗの化学気相成長のための選択性を得るために
、コンタクトホールと金属配線用溝の底面，側面にＴｉ
Ｗ膜等の核形成層を形成しなければならない。

【００２４】これに対して、本第１，２実施例の半導体
装置の金属配線形成方法によれば、コンタクトホール７
の所定位置までのプラグ材料の埋め込み→金属配線領域
のエッチング→選択的ＣＶＤによる金属配線材料の埋め
込みという処理により、コンタクトホール径に関係なく
平坦化を図ることができ、しかも、なんら核形成層を必
要としない。

【００２５】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく
、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態
様で実施し得ることは勿論である。例えば、選択的ＣＶ
Ｄによる金属配線材料の埋め込みに代えて、金属配線層
を成膜してエッチバックにより金属配線領域のみに金属
配線を形成するようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の半導体装
置の金属配線形成方法によれば、金属配線が形成された
絶縁膜の表面形状と、金属配線形成前の絶縁膜の表面形
状とがほぼ等しくなり、金属配線の厚さによる上層の金
属配線の段差増化が低減される。この結果、金属配線の
断線を低減することができるという優れた効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の半導体装置の金属配線形成方法を
表す説明図である。

【図２】第１実施例の半導体装置の金属配線形成方法に
より形成された多層配線構造を表す説明図である。

【図３】第２実施例の半導体装置の金属配線形成方法を
表す説明図である。

【図４】従来からの半導体装置の金属配線形成方法を表
す説明図である。

【図５】従来からの半導体装置の金属配線形成方法によ
り形成された多層配線構造を表す説明図である。

【符号の説明】

１…基板、４…ゲート電極、６…絶縁膜、７…コンタク
トホール、８…プラグ、９…層間絶縁膜、１１，１２，
１３，１４…金属配線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　多層配線構造を有する半導体装置の金
   属配線形成方法において、各層を絶縁するための絶縁膜
   にコンタクトホールを形成し、上記絶縁膜より薄い導電
   性のプラグを、上記コンタクトホール内の下層側に形成
   し、その後、上記絶縁膜の表面の上記コンタクトホール
   につながる所定領域を、上記コンタクトホールの開口面
   から上記プラグの上面までの距離に略等しい深さだけ除
   去し、上記除去された絶縁膜の所定領域および上記プラ
   グ上面を金属配線領域として、該金属配線領域に、上記
   絶縁膜を除去した深さに略等しい厚さの金属配線を形成
   することを特徴とする半導体装置の金属配線形成方法。