JPH0430450A - 多層配線の製造方法 - 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、多層配線の製造方法に関し、詳しくは、配線
ピッチが極めて小さくても、十分高い信頼性を確保する
ことのできる多層配線の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路の集積度の向上に伴い、トランジスタな
どの各種素子の面積は小さくなり、その結果、それらの
トランジスタなどを接続するための配線についても、微
細化の要求が高まっている。

配線を微細化にするためには、配線幅を小さくしなけれ
ばならない。しかし、ＬＳＩを正常に動作させるために
は、所定の電流が必要であることはいうまでもないこと
であり、配線に流すことのできる最大電流書庫は、その
配線の材料で決まってしまうため、配線幅を小さくする
ことには、おのずと限界がある。そこで、最近では、ア
ルミニウム配線に代わって、タングステン等の高融点金
属からなる配線が使われるようになったが、アルミニウ
ム配線にくらべて抵抗が大きいという欠点がある。この
問題を解決するためにも、高集積密度を有する集積回路
では多層配線の使用は不可欠であり、しかも配線層数は
増加する傾向にある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、多層配線には、配線層数の増加に伴う歩留まり
の低下や、眉間絶縁膜の信頼性の問題等、本質的な課題
が多い。しかも、層間絶縁膜に設けた開孔を介して各配
線を互いに接続させなければならないため、配線の配置
や配線の幅が制約され、最適な位置や幅を選択するのが
難かしいなど、実用上、大きな問題が生ずる。すなわち
、第２図に示したように、従来は下層配線１３に接続さ
れたコンタクト孔を開口する際、コンタクト孔が所定の
位置からずれることを想定して、コンタクト１４周辺の
配線１３は、コンタクト孔１４が配線１３から外れない
ように、余裕を含めた分だけ幅を太くしているのが普通
である。これにより、コンタクト孔が所定の位置からず
れても、配線層１３の下地である絶縁膜（通常は酸化シ
リコン膜）がエッチされて孔が形成され、最悪の場合に
は、基板や他の導体層に接触する等の不良発生が防止さ
れる。

第２図に示したようにコンタクト１４の周辺領域のみ配
線１３の幅を太くすることによって、配線と基板との短
絡等の問題を防ぐことは可能であるが、この結果、配線
のピッチが大きくなり、微細化の妨げになっている。ま
た、配線のピッチだけでなく、配線の長さ方向にも余分
な領域が必要となり、これも、微細化の妨げになる。

本発明は、上記従来の問題を解決し、微細化に好適で、
かつ、高い信頼性を有する多層配線を形成し得る方法を
提供することである。

本発明の他の目的は、コンタクト孔近傍における下層配
線の線帳を大きくする必要のない、多層配線の製造方法
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、有機樹脂膜のよう
に、無機絶縁膜に対して実質的に無限大のエツチング選
択比を有する膜に、コンタクト孔を形成し、このコンタ
クト孔に導電性材料を充填した後、上記有機樹脂膜を除
去するものである。

この有機樹脂膜を下層の配線１１を被うように周知の回
転塗布法などによって全面に塗布し、この有機樹脂膜に
コンタクト孔を開ける。コンタクト孔形成のための有機
樹脂膜のエツチングは酸素プラズマを用いた周知の反応
性イオンエツチングによって行うが、酸素プラズマを用
いたエツチングによっては、下地の無機絶縁膜は実質的
にエッチされない。従って、上記有機樹脂膜に形成され
たコンタクト孔が配線からずれても、下地の無機絶縁膜
を削ることはない。このコンタクト孔の中に上下の配線
を接続するための導体層を埋め込んだ後、上記有機樹脂
膜は除去される。この際も酸素プラズマによるエツチン
グが用いられるが、下地である無機絶縁膜が、この場合
も、実質的にエッチされないことは、いうまでもない。

この後、全体を酸化膜等の無機絶縁膜で覆い、全面エツ
チングを行なって、上記無機絶縁膜を上部から順次エッ
チし、コンタクト孔内に充填された導体層の表面を露出
させる。

この導体層の露出された表面と接続する上層配線を形成
するが、この場合も、パターニングの際に合わせ余裕を
とる必要はない。このため、マスク合わせのずれがある
と、上層配線を形成するときに、露出されたコンタクト
孔内導体層の一部がエッチされることになるが、この導
体層は眉間絶縁膜と同程度の厚さがあるので、すべてが
エッチされることはなく、支障は生じない。

〔作用〕 従来の方法では、下層の配線を層間ＩＩ＠縁膜で覆った
後に、この眉間絶縁膜にコンタクト孔を形成し、さらに
、上層の配線を形成する。この時、下層の配線も層間絶
縁膜と同種の絶縁膜上に設けられているので、コンタク
ト孔が下層の配線からずれた時には、下地の＃！縁膜に
も孔が開き、最悪の場合は、配線が基板や他の導体層と
電気的短絡等の不良を引き起こすことになる。

これに対して、本願発明では有機樹脂膜にコンタクト孔
を形成する。そのため、コンタクト孔を形成する際に、
下地である絶縁膜のエッチを無視することができるので
、コンタクト孔が形成される部分の下層配線の幅を大き
くする必要はない。

このため隣接する配線間の間隔を小さくすることが可能
である。

また、本発明では、この有機樹脂膜はコンタクト孔を導
体層によって充填した後で除去されてしまい、最終的に
は、５ｉ０２などの無機絶縁物からなる層間絶縁膜によ
って、各導体層の間は埋められる。そのため、眉間＃＠
縁膜の強度不足による配線の断線という問題が起る恐れ
はない。

すなわち、本発明によって、従来の方法によって形成さ
れた多層配線の特性および信頼性を低下させることなし
に、従来よりもはるかに微細な多層配線が実現できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第３（Ａ）図から第３（Ｈ）図
を用いて詳細に説明する。ここでは、説明を簡単にして
理解を容易にするために、半導体基板上に形成された絶
縁膜上に下層の配線が形成されている状態を出発点とし
、この状態を第３（Ａ）図に示した。集積回路の作成に
当っては、この絶縁膜（下地のシリコン基板の熱酸化に
よって形成されたＳ　ｉ　Ｏ，膜）１５の下にトランジ
スタ等が作成されていることは言うまでもない。また、
半導体基板は、本発明とは直接関係がないので図示を省
略しである。

第３（Ａ）図に示したように、上記！縁膜１５の上に、
第１層目の配線１６として、所定の形状を有するアルミ
ニウムやタングステン等の金属膜を形成した。配線幅や
配線スペースは公知のドライエッチ法やりソグラフイ法
で決まる、最小寸法とすることができ、本実施例ではそ
れぞれ０．３μｍおよび０．２μｍとした。膜厚は、要
求される配線抵抗で決まるが、本実施例では０．２μｍ
とした。　次に、第３（Ｂ）図に示したように、有機樹
脂膜１７を塗布した。基板表面に段差が存在しても、こ
の有機樹脂膜によって、表面は平坦化される。有機樹脂
膜には種々の材料を用い得るが、耐熱性のすぐれたＰＩ
Ｑ　（日立化成株式会社登録商標：ポリイミドイソイン
ドロキナゾリンジオン）を本実施例では用いた。膜厚は
約０．５μ−とした。この上に、酸化物系の塗布膜１８
を形成しく本実施例ではＳＯＧを使用した）、さらに、
ホトレジスト膜１９を塗布して、周知のりソグラフイ技
術によって、露光現像を行なった。

上記塗布膜の代りに、例えば、リンガラス膜など、有機
樹脂膜よりも耐ドライエツチング性が著るしく大きな材
料からなる膜を用いることができる。

このようにして、レジストパターン１９を形成した後、
上記酸化物系の塗布膜１８の露出された部分をエッチし
て除去し、さらに、これをマスクにして、有機樹脂膜１
７の露出された部分をエッチして除去した。有機樹脂膜
１７のエツチングを行なうと、レジスト膜１９は消失す
るが、酸化物系の塗布膜１８がマスクとなるので、有機
樹脂膜１７のエツチングは支障なく行なわれる。有機樹
脂膜１７のエツチングは、酸素プラズマを用いた反応性
イオンエツチング法によって行なわれるが、これは周知
の多層レジスト法の場合と同じである。

上記エツチングによって下層配線１６の表面を露出させ
、さらにエツチングを続けて、第３（Ｃ）図に示したよ
うに、下地の絶縁膜１５の表面を露出させる。このよう
に、コンタクト孔の位置がずれ、下地絶縁膜１５の表面
が露出されたのは、コンタクト孔の形成に用いたマスク
の位置が、所定の位置よりずれたために生じたものであ
る。しかし、この場合も、上記のように、有機樹脂膜１
７と下地絶縁膜１５との間には実質的に無限大のドライ
エツチング選択比が有るため、このような位置ずれが起
っても、下地絶縁膜１５に孔が形成される恐れはない。

この段階では、有機膜加工のマスクになった塗布酸化膜
１８が残っているので、これは、ＳＦ、をエツチングガ
スとして用いた、周知のドライエツチングで除去した。

この時、下地絶縁膜１５も同時にエッチされるが、塗布
膜１８は下地絶縁膜１５に比べれば非常に薄いので、下
地絶縁膜１５がこの処理によって著るしくエッチされる
ことはない。

次に、第３（Ｄ）図に示したように、コンタクト孔を上
下配線間を接続するための導体層２０で埋める。本実施
例では、周知のＣＶ　Ｄ　（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏ
ｕｒ　Ｄｉρｏｓｉｔｉｏｎ）法により、タングステン
を堆積させてコンタクト孔を充填した。堆積温度は約３
００℃であり、この程度の温度では有機樹脂膜に影響を
及ぼす恐れはない。この際、タングステンは、第３（Ｄ
）図に示したように、有機樹脂膜１７の表面上にも堆積
される。

次に、第３（Ｅ）図に示すように、周知の全面エツチン
グを用いて上部から全面にエッチし、有機樹脂膜１７の
上に堆積されたタングステンを除去し、コンタクト孔内
のタングステンのみを残す。

これによって、それぞれのコンタクト孔内に充填された
タングステン層２０は、互いに分離される。

有機樹脂膜１７を酸素プラズマを用いた周知の除去法に
よって完全に除去すると、第３（Ｆ）図に示すように、
コンタクト孔を埋めていたタングステン２０が柱状に残
る。

次に、第３（Ｇ）図に示すようにＣＶＤによる酸化シリ
コン膜２１、ＳＯＧによる塗布酸化膜２２、および再び
ＣＶＤによる酸化シリコン膜２３を順次積層して、上記
タングステンの柱２０を埋める。

さらに、第３（Ｈ）図に示したように、上記酸化シリコ
ン膜２３など上部から全面にエッチしてタングステン２
０の上面を露呂させた後、上層の配線２４を形成する。

上層の配線２４もマスク合わせの誤差によって、タング
ステン２０に対して、若干の位置ずれが生じ、露出した
タングステン２０の表面がエッチされるが、タングステ
ン２０はコンタクト孔を完全に埋めているので、露出さ
れた表面が若干エッチされても、配線不良が生ずる恐れ
はない。

なお、本実施例では、コンタクト孔の充填にタングステ
ンを用いたが、モリブデンや多結晶シリコンなど、各種
導電材料を用いることができる。

また、上層および下層の配線には、ＡΩ−３ｉなど各種
ＡＱ金合金Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＷやＭｏもしくはＴａのシ
リサイドまたはポリサイド、多結シリコン膜など各種材
料の単層または積層膜を使用できる。下地の絶縁膜とし
てはＳｉｎ、膜が最も一般的に用いられる。有機樹脂膜
としてはＰＩＱばかりでなく、ポリイミドなど、各種の
ものが用いられる。

実施例２ 第４（Ａ）図および第４（Ｂ）図は、それぞれ本発明お
よび従来の多層配線形成法を用いて、形成された下層の
配線の平面形状を示した図である。

周知のりソグラフィ法やドライエツチング法で決まる加
工寸法の最小値をΩとする。配線にコンタクトと接続す
るための余裕を形成した従来の方法では、第４（Ｂ）図
に示したように配線１２の一部領域の幅を余裕分Ｓだけ
大きくしなければならない。余裕分Ｓの値は、使用され
たリングラフィ装置やドライエツチング装置の精度、加
工時のパターン寸法変化等多くの要因で決まるが、最小
化工寸法をＱとすると、少なくとも、＋２／２以上は必
要である。例えば、最小加工寸法を０．５μｍとすると
、Ｓは０．２５μｍ以上必要である。この余裕が大きい
ほどコンタクトの信頼性が向上するのは言うまでもない
。

しかし、この余裕をとるために、配線１３の幅だけでは
なく、長さ方向にも余分な領域を必要とし、集積回路の
チップ面積を増大させる原因の一つとなる。

これに対して、第４（Ａ）図に示した、本発明の多層配
線形成法を用いるとしたときは、上記のように、コンタ
クト孔の位置が、所定の位置よりも若干ずれても、下地
の絶縁膜が著るしくエッチされて、信頼性が低下する恐
れはない。従って、配線の幅方向および長さ方向にも余
裕を設ける必要は全くないので、配線幅および配線間の
間隔は最小寸法とすることができる。また、配線１１の
長さ方向にも余分な領域が必要ないので、この点におい
ても、所要面積の減少に有用である。実際のパターン形
成においては、コンタクト孔１２の位置は設計位置から
若干ずれるのは避けられないが、この場合でも、ずれ量
０．１は配線の最小スペース０．２より小さいので、隣
接する配、＄１１１の間隔が最小加工寸法だけあれば、
たとえ最大限ずれたとして、隣の配線にまでコンタクト
孔１２が接することはない。

〔発明の効果〕

上記のように、本発明によれば、配線にコンタクト孔形
成用の余裕を取ることなしに、電気的短絡などのような
不良を起こすことはなく、信頼性の高い多層配線を実現
することが可能となる。また、上記コンタクトを形成す
るための余裕を省くことができるので、配線間の間隔を
狭くし、集積度を向上させることができる。例えば、最
小加工寸法を、６４ＭビットＤ　ＲＡ　Ｍ　（Ｄｙｎａ
ｍｉｃ　ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）を
実現できる０、３．ｃｃｍとした場合、本発明によれば
、配線ピッチは０．６μｍである。しかし、従来の方法
では、０．２μｍ程度の余裕が必要であるから、配線ピ
ッチは０．８μｍとなり、上記本発明の場合よりも約３
０％大きくなり、さらに配線の長さ方向にも１μｍのま
ったく余分な領域を設けなければならない。

このように、本発明の多層配線形成法を用いることによ
り、最小の配線ピッチで、信頼性の高い配線を形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、それぞれ本発明および従来方法
における配線の平面形状とコンタクト孔の関係を説明す
るための図、第３（Ａ）図乃至第３（Ｈ）図は、本発明
の一実施例を示す工程図、第４（Ａ）図と第４（Ｂ）図
は、それぞれ本発明および従来方法における配線ピッチ
を示す図である。 符号の説明 １１．１３・・・下層の配線、１２．１４・・・コンタ
クト孔、１５・・・酸化膜、１６・・・第１配線、１７
・・・有機膜、１８・・・塗布酸化膜、１９・・・ホト
レジスト、２０・・・埋込導体層、２１，２３・・・Ｃ
ＶＤ酸化膜、２２・・・塗布酸化膜、２４・・・上層の
配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、無機絶縁膜上に所定の形状を有する導電膜からなる
   下層配線を形成する工程と、有機樹脂膜を全面に塗布す
   る工程と、上記有機樹脂膜上に上記有機樹脂膜よりも耐
   ドライエッチング性が大きい材料からなり、所定の形状
   を有するマスクを形成する工程と、上記有機樹脂膜の露
   出された部分を異方性エッチして、上記下層配線の表面
   の一部を露出するコンタクト孔を形成する工程と、上記
   コンタクト孔を導電性材料によって充填する工程と、上
   記マスクおよび上記有機樹脂膜を除去して柱状の上記導
   電性材料を残す工程と、上記導電性材料の周囲を無機絶
   縁物によって埋める工程と、上記導電性材料の上面の少
   なくとも一部を覆い、所定の形状を有する導電膜からな
   る上層配線を形成する工程を含むことを特徴とする多層
   配線の製造方法。 ２、上記無機絶縁膜は下地のシリコン基板の熱酸化によ
   って形成されることを特徴とする請求項１記載の多層配
   線の製造方法。 ３、上記有機樹脂膜は、ポリイミドイソインドロキナゾ
   リンジオンおよびポリイミド樹脂からなる群から選ばれ
   た材料を塗布することによって形成されることを特徴と
   する、請求項１もしくは２記載の多層配線の製造方法。 ４、上記導電性材料は、タングステン、モリブデンおよ
   び多結晶シリコンからなる群から選ばれた材料であるこ
   とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多層
   配線の製造方法。 ５、上記配線は、アルミニウム合金、タングステン、モ
   リブデン、タンタル、アルミニウムシリサイド、タング
   ステンシリサイド、モリブデンシリサイド、タンタルシ
   リサイドおよび多結晶シリコンからなる群から選ばれた
   材料を堆積することによって形成されることを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれかに記載の多層配線の製造方
   法。 ６、上記有機樹脂膜の異方性エッチングは、酸素プラズ
   マを用いた反応性イオンエッチングによって行なわれる
   請求項１乃至５のいずれかに記載の多層配線製造方法。 ７、上記導電性材料によるコンタクト孔の充填は、化学
   気相蒸着法によって行なわれる、請求項１乃至６のいず
   れかに記載の多層配線の製造方法。 ８、上記導電性材料の周囲を絶縁物によって埋める工程
   は、化学気相蒸着法および塗布法によって行なわれる、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の多層配線の製造方法
   。 ９、半導体基板上に形成された無機絶縁膜と、該無機絶
   縁膜上に延伸して形成された、所定の形状を有する下層
   配線と、該下層配線を少なくとも覆い、該下層配線の所
   定部分をコンタクト孔を介して露出する絶縁膜と、上記
   コンタクト孔を充填し、上記下層配線に接続された導電
   性材料と、上記絶縁膜上を延伸し、上記導電性材料の上
   面の少なくとも一部を覆う、所定の形状を有する上層配
   線を少なくとも有し、上記導電性材料の底面の一部は、
   上記無機絶縁膜の表面と接触していることを特徴とする
   半導体装置。 １０、上記導電性材料と接続された部分の上記下層配線
   の幅は、他の部分における上記下層配線の幅と実質的に
   等しいことを特徴とする請求項９記載の半導体装置。 １１、上記無機絶縁膜は二酸化シリコン膜であることを
   特徴とする請求項９もしくは１０記載の半導体装置。 １２、上記有機樹脂膜は、ポリイミドイソインドロキナ
   ゾリンジオンおよびポリイミド樹脂からなる群から選ば
   れた材料からなる膜である、請求項９乃至１１のいずれ
   かに記載の半導体装置。 １３、上記配線は、アルミニウム合金、タングステン、
   モリブデン、タンタル、アルミニウムシリサイド、タン
   グステンシリサイド、モリブデンシリサイド、タンタル
   シリサイドおよび多結晶シリコンからなる群から選ばれ
   た材料の膜からなる請求項９乃至１２のいずれかに記載
   の半導体装置。