JPH0430451A

JPH0430451A - 電気的接続の形成方法とこれを用いて形成される集積回路

Info

Publication number: JPH0430451A
Application number: JP13569090A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Kanayama; 敏彦金山
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1992-02-03
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: JPH0756883B2

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）この発明は、例えば集積回路内で電気的な接続を行なう
方法とこれにより形成された集積回路に関するものであ
る。

（従来の技術）第８図は、集積回路内で電気的な接続を行なうための従
来の方法を表わす。

この従来法で電気的接続を形成するには、同図でははじ
めに、基板１上に形成されている第１の導電体２の上に
絶縁体３を堆積する。その後で接続箇所に接続孔４を開
け、次にこの孔４に埋め込むように第２の導電体５を全
面に亙って形成し、更にこの上にフォトレジストを塗布
し、光学的な露光などを行なってレジストパターン６を
形成した後、これをマスクとして第２の導電体５をエツ
チングして、第１の導電体２を結ぶ電気的接続を形成す
る。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、従来の方法では、多層の配線を一度作製した後
にこの間の電気的接続を形成するのは不可能であり、し
たがって、多層配線を形成する都度、接続箇所に接続孔
を形成して配線相互を電気的に接続する必要があり、こ
のため複雑な工程を必要とする。

また、以上のように形成した接続孔に第２の導電体を埋
め込むには、バイアススパッタやタングステンやアルミ
ニウムの選択堆積などの方法が試みられているが、何れ
の方法においてもアスペクト比（孔の深さ／孔径の比）
の大きな接続孔を確実に埋め込める方法は存在しないな
どの難点がある。

更に、接続孔を形成する際に、第１の導電体の表面に形
成されている絶縁体を取り除くためにエツチングする必
要があるが、このエツチングにより既に形成されている
トランジスタが損傷を受ける危険性がある。

また、以上の方法では第２の導電体に配線パターンを形
成する際にも、接続孔と正確に位置合ゎせを行なわねば
ならず、このため接続孔の大きさや配線の幅、間隔を十
分に大きく取っておく必要があり、これがマイクロプロ
セッサやカスタム■Ｃのような複雑な構造をもつ集積回
路の集積度を決定する要因の一つになっている。

更に、層間の接続を形成した後には第８区に示すように
その表面に凹凸ができており、これ以降の工程を進める
上で間頴となっている。

また、多層配線の配線層間のように、基板に垂直な方向
の電気的接続を行なうにも、従来は第８図に示すような
工程が取られていたが、この時は上記の欠点のほかに、
配線構造を作り上げた後に接続を行なう方法が存在しな
いので、多層配線を作製すると同時に必要な電気的接続
を全て形成しておかなければならないという問題点があ
った。

上記のように、集積回路の集積度を向上させるために、
占有面積の小さな電気的接続を表面の平坦さを保ったま
ま、少ない工程数で作製する方法が必要とされていた。

また、Ａ　Ｓ　Ｉ　Ｃ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　５ｐ
ｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ
）のようなカスタムＩＣの作製や配線の不良箇所の救済
のために、集積回路の配線構造を形成した後に電気的接
続を行なえる方法の出現が望まれている。

そこで、この発明の目的は上記問題点を除去し、占有面
積の小さな電気的接続を表面の平坦さを保ったまま、少
ない工程数で、集積回路の配線構造を形成した後に作製
する方法とこれによって形成された集積回路を提供する
ことにある。

（問題点を解決するための手段）以上の問題点を解決するために、この発明では絶縁体と
導電体が積層された構造にイオン注入を行なって、上記
導電体と接する上記絶縁体内部に導電性の領域を作製す
る方法とこの方法を利用して作成した集積回路を提案す
るものである。

なお、この発明では絶縁体と導電体が予め積層された構
造にイオン注入を行なって、この絶縁体に導電性の領域
を作製し、前記の導電体間に電気的な接続を形成するが
、このとき注入するイオンのエネルギーは、大部分のイ
オンが導電体を貫通して絶縁体に注入されるように選ぶ
のが望まし即ち、導電体２と絶縁体３を第１図（ａ）の
ように積層して導電体２側から絶縁体３側に向けてイオ
ン注入を行なうと、絶縁体３内にイオン自身が注入され
ると同時に、イオンが注入された領域に導電体を構成す
る原子が絶縁体原子と混じり合う、所謂導電体原子と絶
縁体との混合効果が生じ、この混合効果により絶縁体に
効果的に導電性が付与される。これは、上述のように注
入するイオンのエネルギーを、大部分のイオンが導電体
を貫通して絶縁体に注入するように選択すると、絶縁体
３内の結合が破壊され、格子欠陥が生じ、導電体原子が
絶縁体３内に拡散し易くなり、その結果絶縁体３内に拡
散、混合した導電体原子が絶縁体３に導電性を付与する
ものと推定される。

この発明では、上述のように導電体原子が絶縁体内に混
合する効果と注入イオン自身の効果の重畳により絶縁体
３に効果的に導電性を付与させることができるのである
が、−Ｍに注入されたイオン自身の効果と上記の混合効
果はその作用が第１図（ｂ）に示すように、混合効果は
導電体２と接する絶縁体３の界面で最大となるのに対し
、注入されたイオン自身の効果は、イオンが絶縁体の内
部に入り込んでいるために絶縁体内部で最大となる。こ
の事実が電気的接続の形成に極めて有効に働く。このた
め、イオン注入のみて絶縁体を導電化できる条件でイオ
ン注入を行なっても、絶縁体３の界面付近には導電性が
必ずしも付与されない。従って、イオン注入後に導電体
を積層しても電気的接続は形成されない。絶縁体と導電
体が積層された構造にイオン注入を行なうことによりは
じめてこの２つの作用を同時に生じさせることができ、
電気的接続を形成できる。

更に、イオン注入中に加熱すると、上記混合現象がより
進行し易くなる。このときの加熱温度は導電体と絶縁体
の熱拡散に要する温度よりも格段に低い温度でも顕著な
効果がある。

また、イオン注入中の加熱よりも効果は劣るものの、イ
オン注入後に熱処理を行なっても熱的なり易くなってい
ることによるものと推定される。

この発明においては、注入するイオンは原理的には任意
のイオンで良いが、金属元素のイオンが絶縁体に導電性
を与えるのに効果が大きい。このうち、特にチタンやア
ルミニウムのような化学的に活性な金属元素は、絶縁体
の化学結合を効果的に変化させられるため、有効である
。また、これらの元素は比較的原子量が小さ（、絶縁体
に同じエネルギーで注入されたときに重元素よりも飛程
が長いので厚い導電領域を形成できる点でも有利である
。

この発明の方法は、原理的には種々の絶縁体に有効であ
る。特に、窒化シリコンに対して効果が大きい。その理
由は、窒化シリコンは良好な絶縁体であるに拘らず、電
子のバンドギャップが５ｅＶ程度と比較的小さく、組成
や原子結合状態の変化で導電性が影響を受は易いためで
ある。

なお、窒化シリコンは集積回路やパッケージ基板の絶縁
体として広く用いられており、この発明はこの窒化シリ
コンに効果的に導電性の接続を形成できるので有用であ
る。

また、酸化シリコンを絶縁体として用いる場合にこの発
明を適用するに際しては、注入イオンにレニウムのイオ
ンを用いるのが特に有効である。

これは、レニウム酸化物が良い導電体であるためである
。

この発明の方法を適用できる導電体の材料には、原理的
に特に制限がないが、特にアルミニウムまたはアルミニ
ウムを含む合金が効果的である６その理由は、アルミニ
ウムは導電性が高く、化学的に活性で絶縁体の化学結合
を効果的に変化させられるためである。なお、アルミニ
ウムまたはアルミニウムを含む合金は、現在集積回路内
に広く使われている配線材料であり、この点からもこの
発明の有用性は高い。

第２図（ａ）〜（ｆ）は、この発明の実施態様の一例を
示すものである。

第２図（ａ）は、基板１上に部分的に導電体２．２　を
形成し、更にその上に絶縁体３を形成し、絶縁体３上か
らイオン注入を行なうものであるが、この発明では上述
のように導電体２と接する絶縁体３の内部に導電領域が
形成されるので、導電体２．２′間に導電領域７が形成
され、電気的接続が行なわれる。

第２図（ｂ）は、基板１上に絶縁体３を形成し、その上
に部分的に導電体２．２′を形成し、この上からイオン
注入を行なうものであるが、この場合においても前記同
様に、絶縁体３内に導電体２．２′間を接続する導電領
域７が形成される。

なお、この発明の方法が特に有効なのは、第２図（Ｃ）
のように導電体２．２が絶縁体を挟んで積層されている
ときである。この場合は、導電体原子と絶縁体の混合が
上下の２つの界面で同時に進行するため、導電性が一層
効果的に増加する。

この第２図（Ｃ）の方法を用いると、第８図の従来技術
のような複雑な工程を用いなくとも、簡単な工程で微細
な層間接続を高精度に形成できる。

また、この発明の方法では表面がほぼ平坦に保たれるこ
とができることも大きな特長である。

この発明の方法を適用するには、導電体は絶縁体と積層
されていればよく、配線形状などに予め整形されている
必要はない。しかし、予め配線形状にパターニングされ
ていると、イオン注入部分を厳密に特定しなくとも所望
の部分のみに電気的接続を形成できる。これは、第２図
（ｄ）のように、イオンの照射量を適当に選ぶと、導電
体が存在する部分のみで、イオン注入と導電体原子の混
合効果の重量により導電領域を形成し、導電体が積層さ
れていない部分では絶縁性を保持することができるから
である。

この発明を適用するには、所望の場所に電気的接続を形
成するために、集束イオンビームや適当なマスクを用い
てイオン注入する部分を特定するのがよい。この場合、
第２図（ｅ）のようにこの発明のイオン注入により導電
体のパターン形成を行なうことができるという、もう−
〇の特長が発生する。

これを行なうには、イオン注入の後に絶縁体と混合した
導電体のみを残して導電体を除去すればよい。絶縁体と
混合した導電体は、元の導電体と化学的な性質が異なる
ために適当なエツチング方法を用いれば、このような選
択的なエツチングが行なえる。

イオン注入の場所を特定するためのマスクには、金属の
孔開きマスクや基板上に塗布したフォトレジストなどの
種々の公知の方法を使用できる。特に有用な材料には酸
化シリコンを挙げることができる。即ち、酸化シリコン
は耐熱性が高いので高濃度のイオン注入を行なっても変
形を来さず、マスク材料に適している６また、酸化シリコンはイオン注入後に弗酸系のエツチン
グ液やＣＦ、やＳＦ、などのプラズマエツチングで容易
に除去できる。

また、酸化シリコンは集積回路で広範に使用されている
物質であり、汚染源とならない点でも好適である。さら
に、光学的に透明であるため、フォトリゾグラフィでマ
スクパターンを形成するときの位置合せを容易に行なう
ことができる。

シリコンアルコキシドなどの有機シリコン化合物の有機
温媒溶液を塗布し加熱焼成して形成する方法が簡便で有
効である。このような塗布膜は、ＳＯＧ　（Ｓｐｉｎ　
ｏｎ　Ｇｌａｓｓｌとしてよく知られているが、適当な
温度で焼成すれば高濃度のイオン注入にも変形を来さな
いので、マスク材料として優れている。

この発明の方法で作成した集積回路は、工程が簡単で作
製し易いという特長を有し、特にこの発明の集積回路の
構成は、従来の公知の方法で配線構造を一部作り上げた
後に、更にこの発明の方法で電気的接続を追加できるの
で、設計変更が容易で、Ａ、Ｓ　Ｉ　Ｃ（Ａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎ　５ｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
ＣｉｒｃｕｉｔｊなどのカスタムＩＣに最適である。特
に、第２図（ｆ）のようにイオン注入のエネルギーを適
当に選べば、特定の配線間のみを電気的に接続したり、
配線層内と眉間の接続を同時に行な（実施例）実施例１窒化シリコンの上に厚さ１２０ｎｍのアルミニウムを積
層した構造の試料を約２００’Ｃに加熱しなから４００
ｋｅＶのチタンイオンを注入した。イオン注入後、表面
のアルミニウム層を、リン酸８５：硝酸５゜酢酸５：水
５の組成の液でエツチングして取り除いた。この液で、
窒化シリコンと混合したアルミニウムを残して未反応の
アルミニウムを選択的に除去できた。即ち、この実施例
によればアルミニウムのパターン形成を予め行なわなく
ても、場所を特定してイオン注入した後に選択エツチン
グすれば、−挙に配線パターンを形成できる。

第３図は、以上により形成された導電領域のシート抵抗
率を、チタンイオンの注入量に対してプロットした図で
あり、右側の縦軸は、シート抵抗率から算出した形成さ
れた導電領域の抵抗率てあ図のように、アルミニウムを
積層した場合には２　Ｘ　１０”７ｃｍ２以上の注入量
で窒化シリコンに導電性が発生している。この時、表面
のアルミニウムの一部が窒化シリコンと混合してＡｌ５
ｉ、Ｎｙの化合物ができることをオージェ電子分光法に
より確かめた。

これに対し、アルミニウムを積層せずに窒化シリコンの
みにチタンイオンを注入した場合には、導電性を付与す
るのに５　Ｘ　１０”７ｃｍ２以上の注入量を要してお
り、アルミニウムの積層が効果的であることが明らかと
なった。

更に、アルミニウムを積層しながった場合には、導電領
域は形成されているものの窒化シリコンの内部に形成さ
れているので、その電気抵抗を測定するために表面の窒
化シリコンを弗酸で除去する必要があった。また、窒化
シリコン内部に導する窒化シリコンの界面内部に導電領
域が形成されるため、窒化シリコンにアルミニウムを積
層した後、イオン注入を行なうだけで、アルミニウムと
の電気的接続が簡単に形成できる。なお、この事実を利
用すれば、第２図（ａ）や（ｂ）のように導電体が部分
的形成されているときにこれを含む領域にイオン注入し
て埋め込み導電領域で導電体間を極めて簡単に電気的に
接続できる。

第４図は、同じアルミニウムと窒化シリコンの積層構造
に４００ｋｅＶのチタンイオンを注入したときの表面の
盛り上がりを測定した結果を示すもので、これより明ら
かなようにこのような高濃度の注入を行なっても表面の
盛り上がりは数１０ｎｍ以下に留まり、この発明の方法
で表面をほぼ平坦に保ったまま電気的接続を形成できた
。

また、イオン注入中に試料加熱を行わなかった場合にも
、導電領域の形成は可能であったが、抵抗率は２００°
Ｃに加熱した場合のほぼ１４倍であった。

実施例２実施例１のアルミニウムと窒化シリコンを積層した構造
で、注入イオンをチタンに替えてアルミニウムを用いて
もほぼ同様に導電領域を形成できた。但し、この時には
、同し導電率を得るために、チタンの約２．５倍の注入
量を必要とした。この相違は、チタンの窒化物が導電性
の良い金属であるのに対し、アルミニウムの窒化物が半
導体であるため、良い導電性を得るために必要なアルミ
ニウムの濃度が相対的に多くなることに起因する。

実施例３実施例１のアルミニウムとの積層構造で絶縁体を窒化シ
リコンから酸化シリコンに替えても、チタンイオン注入
で導電領域を形成できた。但し、導電領域の形成に必要
な注入量は約１　ｘ　１０′８７ｃｍ２と可なり大きな
ものとなった。そこで、注入イ才あった。

実施例４スパッタで堆積した２００ｎｍ厚の窒化シリコン層の上
下を１００ｎｍ厚のアルミニウムで挟んだ構造の試料に
ついて、この上に、有機シリコン化合物の液体（東京応
化工業株式会社製、製品名○ＣＤ）をスピン塗布し、３
００℃で焼成して厚さ１５μｍの酸化シリコン膜を形成
し、これをイオン注入マスクとして用いた。この酸化シ
リコンには通常のフォトリングラフィ工程で５μｍ角の
開口部を設け、次に試料を約１５０°Ｃに加熱しながら
、開口部を通して４００ｋｅＶのチタンイオンを注入し
、上下のアルミニウム層間の電気抵抗を測定した。その
結果は第５図に示す通りであった。

この結果からも明らかなように、チタンイオンの注入量
が２　Ｘ　１０”７ｃｍ２以上で上下のアルミニウム層
間を電気的に接続できた。注入量が３Ｘ１０１７る。こ
のように、イオン注入後の熱処理で電気抵抗が低下する
が、その効果はイオン注入中の加熱に比較すると小さい
。

なお、上層のアルミニウムを堆積せずに、窒化シリコン
にチタンイオンを注入し、その後に上層のアルミニウム
を堆積して上記構造の試料を作溝したときには、第５図
に示した注入量の範囲でも上下のアルミニウム層間に電
気的接続は形成されなかった。したがって、これからも
窒化シリコンの上下にアルミニウムを積層した構造にイ
オン注入することのの有効性が明らかになった。但し、
この場合でも上層のアルミニウムの堆積後に５００°Ｃ
で熱処理を行なうと、電気的導通が発生した。

また、チタンイオンの注入量を８　Ｘ　１０”’／ａｍ
２と増すことによっても電気的接続が可能となった。

実施例５る。

このように、シリコンイオンを用いても電気的接続を形
成できる。しかし、その抵抗値はチタンイオン注入の場
合よりも大きく、チタンのような化学活性の高い金属イ
オンが電気抵抗を低下させるのに有効であることを示し
ている。また、同じ構造の試料に４００ｋｅＶのＡｒイ
オンを注入しても第７区とほぼ同じ電気抵抗を得ること
ができた。但し、必要な注入量は８　Ｘ　１０”７ｃｍ
、と増加した。

実施例６実施例４の構造で、導電体の材料をアルミニウムから砒
素を高濃度に添加した多結晶シリ＝〕ンに替えても、チ
タンイオン注入で電気的接続を形成できた。これに必要
なチタンイオンの注入量は実施例４とほぼ同じであった
が、形成した接続の電工程で集積回路内の電気的接続を
形成できる。

また、この発明の方法は高いアスベスト比の接続を平坦
な表面を保ったまま形成でき、更にエツチングにより接
続孔を形成する必要がないために、トランジスタ等を損
傷する危険性がない。

また、この発明によれば基板表面に平行な方向と垂直な
方向の電気的接続を同じ工程で一挙に行なえるなどの特
長を有し、集積回路の作製に適用すれば著しい効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）はこの発明の原理説明図、第２図（
ａ）〜（ｆ）はこの発明の実施態様を示す図、第３図は
実施例１により製造した試料の電気抵抗率とチタンイオ
ンの注入量との関係を示す図、第４図は実施例１により
製造した試料の表面の盛り上がりとチタンイオンの注入
量との関係を示す図、第７図は実施例４の試料に、チタ
ンイオンに替えてシリコンイオンを注入したときの電気
抵抗とシリコンイオン注入量との関係を示す図、第８図
は従来の方法による電気的接続形成方法を表わす図であ
る。第１図ｆａ）（ｂｌ導電体原子と絶縁体の混合効果絶縁体表面からの深さイオン注入盛り七かりｍ１Ａ５図１　、王　入　が　（１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２）第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁体と導電体が積層された構造にイオン注入を
行なって、上記導電体と接する上記絶縁体内部に導電領
域を形成することを特徴とする電気的接続の形成方法。
（２）導電体が絶縁体を挟んで積層されていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の電気的接続の形成
方法。
（３）イオン注入と同時に加熱することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の電気的接続の形成方法。
（４）イオン注入の後に加熱することを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の電気的接続の形成方法。
（５）イオンが金属元素のイオンであることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の電気的接続の形成方法。
（６）金属元素がチタンまたはアルミニウムであること
を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の電気的接続の
形成方法。
（７）絶縁体が窒化シリコンであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の電気的接続の形成方法。
（８）絶縁体が酸化シリコンであり、金属元素がレニウ
ムであることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の
電気的接続の形成方法。
（９）導電体がアルミニウムまたはアルミニウムを含む
合金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の電気的接続の形成方法。
（１０）導電体が部分的に形成されていることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の電気的接続の形成方法
。
（１１）イオン注入を部分的に行なうことを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の電気的接続の形成方法。
（１２）部分的なイオン注入を酸化シリコンをマスクと
して行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１１項記
載の電気的接続の形成方法。
（１３）酸化シリコンを液体材料を塗布して形成するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１２項記載の電気的接
続の形成方法。
（１４）絶縁体と導電体が積層された構造にイオン注入
を行なって電気接続部を形成したことを特徴とする集積
回路。