JPH05259111A - 半導体装置におけるメタルプラグの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】上層配線層を形成する際、プロセス及び半導体
装置の信頼性を低下させることのないメタルプラグの形
成方法を提供する。 【構成】メタルプラグの形成方法は、層間絶縁層１６に
形成された開口部２０に密着層２２を介してメタルプラ
グ２６を形成する方法であり、（イ）層間絶縁層１６の
少なくとも上表面に酸化防止層１８を形成する工程と、
（ロ）酸化防止層１８上及び開口部２０内に密着層２２
を形成した後、密着層２２上に金属層２４を形成する工
程と、（ハ）酸化防止層１８をストッパー層として、層
間絶縁層１６の上表面に形成された酸化防止層１８上の
金属層２４及び密着層２２を研磨し、金属層から成るメ
タルプラグ２６を開口部２０内に形成する工程、から成
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造分野
において適用される配線形成方法、更に詳しくは、半導
体装置におけるメタルプラグの形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩやＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化及び高性能化が進むに伴
い、半導体装置内で配線部分の占める割合が増大する傾
向にある。それ故、半導体素子面積の増加を防止するた
めに多層配線が必須の技術となっている。半導体装置に
おいては、配線材料が埋め込まれたビアホールが多層配
線層間を接続するために形成されている。あるいは又、
配線材料が埋め込まれたコンタクトホールが、半導体基
板に形成された不純物拡散領域と配線層とを接続するた
めに形成されている。次世代以降の超々ＬＳＩ等の半導
体集積回路においては、その微細化、高集積化が著しく
進められる。そのため、ビヤホールやコンタクトホール
（以下、これらを総称して接続孔ともいう）等の開口径
は、例えば０．３５μｍというように益々小さくなりつ
つある。このように開口径が小さくなるに従い、従来の
アルミニウム合金等を用いたバイアススパッタ法では、
段差被覆性（ステップカバレッジ）の点から、高信頼性
を有する接続孔を形成することが不可能になってきてい
る。

【０００３】ステップカバレッジを改善する方法とし
て、メタルプラグ形成技術が実用化されつつある。この
技術は、下層配線層、不純物拡散領域あるいはゲート電
極領域が形成された半導体基板（以下、下地層ともい
う）上に層間絶縁層を形成し、この層間絶縁層に開口部
を設けた後、かかる開口部内を金属配線材料で選択的に
埋め込んでメタルプラグを形成し、接続孔を完成させる
技術である。このメタルプラグ形成技術においては、接
続孔のアスペクト比が大きくなるに従いメタルプラグ自
体の抵抗が増大し、大電流が流れた場合の発熱が問題と
なる。そのため、抵抗の低い高融点金属が使用されてい
る。

【０００４】メタルプラグ形成方法には、選択ＣＶＤ法
とブランケットＣＶＤ法の２つが知られている。選択Ｃ
ＶＤ法は、金属フッ化物や有機金属化合物等のガスを下
地層を構成する材料で還元することによって、開口部内
に選択的に金属を析出させる方法である。しかしなが
ら、この選択ＣＶＤ法よりも、プロセスの安定性、深さ
の異なる開口部へのメタルプラグの形成という観点か
ら、ブランケットＣＶＤ法が有利であり注目されてい
る。

【０００５】メタルプラグを形成するための配線材料と
して最も広く用いられている材料はタングステンであ
る。そこで、以下の明細書においては配線材料としてタ
ングステンを例にとり説明を行う。図６に、ブランケッ
トＣＶＤ法を用いて配線層間の接続を行う従来の方法を
示す。

【０００６】即ち、図６の（Ａ）に示すように、例えば
シリコン基板１０に不純物拡散領域を形成することによ
って下層配線層である下地層１２を設けた後、その上に
ＳｉＯ₂等から成る層間絶縁層１６を形成し、この層間
絶縁層１６に開口部２０を形成する。次いで、層間絶縁
層１６及び開口部２０内に、例えばＴｉ／ＴｉＮから成
る密着層２２を形成する。

【０００７】密着層２２を設ける理由は、ブランケット
ＣＶＤ法で形成される金属層はステップカバレッジには
優れるものの、異種材料層の界面における内部応力の差
に起因して、層間絶縁層に対する密着性が乏しいからで
ある。また、金属層を成膜するための原料ガスである金
属フッ化物ガスが下地層１２を浸食することを防止する
必要もある。更に、ブランケットＣＶＤ法による金属層
の形成は比較的高温で行われるため、下地層に対するバ
リヤ性を高める必要もあるからである。これらの問題を
解決するために、ＴｉＮ、ＴｉＷ等から成る密着層を設
ける必要がある。ところで、ＴｉＮ、ＴｉＷ等から成る
密着層を直接下地層上に形成すると、コンタクト抵抗が
増大する。それ故、ＴｉＮ、ＴｉＷと下地層の間にオー
ミック性に優れたＴｉ層を形成することが望ましい。従
って、密着層は、Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｔｉ／ＴｉＷ等から構
成される。

【０００８】尚、不純物拡散領域が形成された下地層１
２の上に、シート抵抗の低減及びバリヤ性の向上を目的
として、ＴｉＳｉ₂層１４を形成することが望ましい。
ＴｉＳｉ₂層１４は、例えば、特開平２−２６０６３０
号公報において本出願人が提案したＳＩＴＯＸ方法で形
成することができる。この方法は、先ず、シリコン基板
１０上の自然酸化膜を除去した後、薄いＳｉＯ₂層を形
成し、更にＴｉ層を積層してから不活性ガス中で熱処理
を行うことによって、Ｔｉをシリサイド化する方法であ
る。

【０００９】次に、図６の（Ｂ）に示すように密着層２
２全面に、ブランケットＣＶＤ法によって金属層２４を
形成する。この例においては、金属層はタングステンか
ら成る。その後、図６の（Ｃ）に示すように、金属層２
４及び密着層２２をエッチバックすることによって、開
口部２０内にのみ金属層を残し、メタルプラグ２６を形
成する。しかる後、図６の（Ｃ）に示すように、メタル
プラグ２６に接続する上層配線層２８を形成する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のブラ
ンケットＣＶＤ法によるメタルプラグ形成技術は有望な
技術ではあるが、実用にあたっては、種々の問題があ
る。その１つの問題として、金属層２４及び密着層２２
のエッチバック時の残渣の発生、及び密着層２２のオー
バーエッチによる形状不良がある。即ち、図７の（Ａ）
に示すように、Ｔｉ／ＴｉＮから成る密着層２２をエッ
チバックした際に層間絶縁層１６上に残渣３０が形成さ
れる。また、開口部の側壁の上部に、密着層のリセス部
３２が生成するという問題がある。

【００１１】即ち、ブランケットＣＶＤ法においては、
４００〜５００°Ｃにシリコン基板を加熱した状態で金
属層２４を形成するが、その間に、Ｔｉ／ＴｉＮから成
る密着層２２中のＴｉが、例えばＳｉＯ₂からなる層間
絶縁層１６の酸素と反応し、ＴｉＯ_Xが生成する。これ
は、ＳｉＯ₂の生成自由エネルギーよりもＴｉＯ_Xの生成
自由エネルギーの方が小さいためである。ＴｉＯ_Xは安
定な物質であるためエッチングされ難く、密着層２２の
エッチバック時、ＴｉＯ_Xが残渣として層間絶縁層１６
上に残ってしまう。尚、このＴｉＯ_Xは、パーティクル
汚染の原因ともなる。

【００１２】一方、ＴｉＮは比較的エッチングされ易い
物質であるため、密着層２２のエッチバック時ＴｉＯ_X
を除去するためにオーバーエッチを行うと、開口部２０
の側壁に形成され、開口部の上端部の僅かに露出した密
着層がエッチングされ、かかる密着層の部分にリセス部
３２が生成する。

【００１３】残渣３０及びリセス部３２は、これらの上
に上層配線層を形成する際、プロセス及び半導体装置の
信頼性を低下させる。そのため、本出願人は、密着層２
２を構成するＴｉが層間絶縁層１６によって酸化される
ことを防ぐために、層間絶縁層１６上に、酸化防止層を
形成する方法を提案した（平成３年９月２７日出願、特
願平３−２７５０６６号）。しかしながら、この方法に
おいても、メタルプラグを形成するための金属層及び密
着層２２のエッチバックの際、金属層の膜厚やエッチン
グの均一性を勘案してオーバーエッチを施す必要がある
ため、開口部２０内の金属層がエッチングされてしま
い、メタルプラグ２６の上面が酸化防止層の上面より凹
み、メタルプラグにリセス部３４が生成する（図７の
（Ｂ）参照）。そのため、かかるメタルプラグ上に上層
配線層を形成する時のカバレッジが問題となり、このよ
うなメタルプラグ上に上層配線層を形成した場合、プロ
セス及び半導体装置の信頼性の低下が問題となる。

【００１４】従って、本発明の目的は、上層配線層を形
成する際、プロセス及び半導体装置の信頼性を低下させ
ることのないメタルプラグの形成方法を提供することに
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明のメタルプラグの形成方法は、層間絶縁層に
形成された開口部に密着層を介してメタルプラグを形成
する方法であり、（イ）層間絶縁層の少なくとも上表面
に酸化防止層を形成する工程と、（ロ）酸化防止層上及
び開口部内に密着層を形成した後、該密着層上に金属層
を形成する工程と、（ハ）該酸化防止層をストッパー層
として、層間絶縁層の上表面に形成された酸化防止層上
の金属層及び密着層を研磨し、金属層から成るメタルプ
ラグを開口部内に形成する工程、から成ることを特徴と
する。

【００１６】本発明の好ましい実施態様においては、層
間絶縁層の上表面に酸化防止層を形成した後、層間絶縁
層及び酸化防止層に開口部を形成する。次いで、酸化防
止層上、及び開口部の底部並びに側壁に密着層を形成す
る。

【００１７】あるいは又、層間絶縁層に開口部を形成し
た後、全面に酸化防止層を形成し、次いで酸化防止層
上、及び開口部の底部並びに側壁に密着層を形成する。
この場合には、開口部の底部並びに側壁にも酸化防止層
が形成されている。尚、酸化防止層を構成する材料によ
っては、開口部の底部におけるバリヤ性が向上するとい
う副次的な利点がある。

【００１８】酸化防止層としては、プラズマＣＶＤ法で
形成されたＳｉＮ_X、あるいは、例えばＳｉＯ₂から成る
層間絶縁層の表面層を窒化処理することによって形成さ
れたＳｉＮ_Xが最適である。

【００１９】金属層は、タングステン、モリブデン、Ｗ
Ｓｉ₂から構成することができる。金属層は、例えばブ
ランケットＣＶＤ法で形成することができる。

【００２０】研磨は、近年、半導体基板の鏡面仕上げ、
ＳＯＩ（Silicon On Insulator）デバイスで用いられて
いる技術であり、例えば、文献「Trench Insulator by
Selective Epi and CVD Oxide Cap」 J. Electrochem S
OC, Vol. 137, No. 12, 1990年12月、に開示されている
ように、層間絶縁層の平坦化にも応用されている。研磨
法に用いられる研磨装置１００の概要を図４に示す。こ
の研磨装置１００は、研磨プレート１０２、基板支持台
１１０、スラリー供給系１１６から成る。研磨プレート
１０２は、回転する研磨プレート回転軸１０６に支承さ
れ、その表面には研磨パッド１０４が備えられている。
基板支持台１１０は、研磨プレート１０２の上方に配置
され、基板支持台回転軸１１２に支承されている。研磨
すべき基板１０８は基板支持台１１０に載置される。基
板支持台回転軸１１２は、基板支持台を研磨パッドの方
向に押す研磨圧力調整機構１１４に取り付けられてい
る。研磨剤を含んだスラリー１２０は、スラリー供給系
１１６からスラリー供給口１１８を通して研磨パッド１
０４に供給される。

【００２１】酸化防止層上の金属層及び密着層の研磨
は、このような研磨装置１００を用いて行うことができ
る。そして、研磨剤を含んだスラリー１２０を研磨パッ
ド１０４に供給しながら、研磨プレート１０２を回転さ
せる。同時に基板支持台１１０に載置された基板１０８
を回転させながら、研磨圧力調整機構１１４によって、
研磨パッド１０４に対する基板１０８の研磨圧力を調整
する。こうして、基板１０８の表面に形成された酸化防
止層上の金属層及び密着層を研磨することができる。

【００２２】あるいは又、実開昭６３−７５４号公報に
記載されたように、スラリーを、研磨プレート回転軸１
０６及び研磨プレート１０２の内部を経由して、研磨パ
ッド１０４に設けられたスラリー供給口１１８から供給
することもできる（図５参照）。

【００２３】

【作用】本発明のメタルプラグ形成方法においては、層
間絶縁層の上表面に形成された酸化防止層をストッパー
層として、層間絶縁層の上表面に形成された酸化防止層
上の金属層及び密着層を研磨するので、従来のメタルプ
ラグ形成技術のように、層間絶縁層上にエッチング残渣
（図６の（Ａ）の参照番号３０参照）が残ることがな
く、また、開口部の上端部における密着層のリセス部
（図６の（Ａ）の参照番号３２参照）の生成や、メタル
プラグの上面におけるリセス部（図６の（Ｂ）の参照番
号３４参照）の生成を防止できる。それ故、上層配線層
のカバレッジに優れ、高信頼性の半導体装置を製造する
ことができる。

【００２４】

【実施例】以下、図１乃至図４を参照して、本発明を実
施例に基づき説明する。

【００２５】（実施例１）本実施例は、ＳｉＯ₂層間絶
縁層上にプラズマＣＶＤ法でＳｉＮ_X層から成る酸化防
止層を形成した後、層間絶縁層及び酸化防止層に開口部
を形成し、次いでＴｉ／ＴｉＮ系の２層構造の密着層を
介してブランケットタングステンＣＶＤ法でタングステ
ンから成る金属層を形成し、層間絶縁層の上表面に形成
された酸化防止層上の金属層及び密着層を研磨する例で
ある。このプロセスを図１乃至図２を参照しながら説明
する。

【００２６】［工程−１００］先ず、下地層１２として
不純物拡散領域が形成されたシリコン基板１０上に、Ｃ
ＶＤ法等でＳｉＯ₂から成る層間絶縁層１６を約６００
ｎｍ厚さに形成した。尚、不純物拡散領域が形成された
下地層１２の上に、シート抵抗の低減及びバリヤ性の向
上を目的として、ＴｉＳｉ₂層１４を形成することが望
ましい。ＴｉＳｉ₂層１４は、例えば、特開平２−２６
０６３０号公報において本出願人が提案したＳＩＴＯＸ
方法で形成することができる。

【００２７】［工程−１１０］次に、プラズマＣＶＤ法
（ＰＥ−ＣＶＤ法）で、層間絶縁層１６の上にＳｉＮ_X
から成り約５０ｎｍ厚さの酸化防止層１８を形成した。
酸化防止層１８の形成は、ＳｉＨ₄とＮＨ₃を用いた通常
の条件とすることができる。ここで、ＰＥ−ＣＶＤ法を
用いる理由は、減圧ＣＶＤ法で形成したＳｉ₃Ｎ₄膜はス
トレスが大きいからである。

【００２８】［工程−１２０］次に、フォトリソグラフ
ィ法及びリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）
法を用いて、酸化防止層１８及び層間絶縁層１６に開口
部２０を形成した（図１の（Ａ）参照）。ＲＩＥは、例
えば、平行平板型ＲＩＥ装置を使用して、以下の条件で
行うことができる。 ＣＨＦ₃ ８０sccm ガス圧 ６．７Ｐａ ＲＦパワー密度 ０．２５Ｗ／ｃｍ²（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）

【００２９】［工程−１３０］次に、図１の（Ｂ）に示
すように、層間絶縁層１６の上表面１６Ａの上に形成さ
れた酸化防止層１８及び開口部２０内に、例えばＴｉ層
及びＴｉＮ層から成る密着層２２をスパッタ法等で順次
形成した。密着層２２の形成には枚葉式スパッタリング
装置を使用し、Ｔｉターゲットを装着したスパッタリン
グ・チャンバへの供給ガスの組成を順次変更すること
で、密着層２２の形成を行った。

【００３０】先ず、前処理として、枚葉式スパッタリン
グ装置に付属したマイクロ波プラズマ・クリーニング・
チャンバ内で開口部の底部に存在する自然酸化膜（図示
せず）を除去した。次いで、シリコン基板を高真空下ス
パッタリング・チャンバ内に移送して、例えば、以下の
条件でＴｉをスパッタリングすることによって、厚さ約
３０ｎｍのＴｉ層を形成した。 Ａｒ １００sccm ガス圧 １．３Ｐａ 基板温度 １５０゜Ｃ ターゲット電力 ４ｋＷ 次に、例えば、以下の条件でＴｉをスパッタリングする
ことによって、厚さ約７０ｎｍのＴｉＮ層を形成した。 Ａｒ ４０sccm Ｎ₂ ７０sccm ガス圧 １．３Ｐａ ターゲット電力 ５ｋＷ

【００３１】［工程−１４０］次に、図２の（Ａ）に示
すように、例えば、タングステンから成る金属層２４を
ブランケットタングステンＣＶＤ法で密着層２２上に形
成した。このブランケットタングステンＣＶＤの条件
を、例えば、以下のとおりとすることができる。 第１ステップ（核成長段階） ＷＦ₆／ＳｉＨ₄＝２５／１０sccm 圧力 １．０７×１０⁴Ｐａ（８０Torr） 温度 ４７５°Ｃ 第２ステップ（高速成長段階） ＷＦ₆／Ｈ₂ ＝６０／３６０sccm 圧力 １．０７×１０⁴Ｐａ（８０Torr） 温度 ４７５°Ｃ

【００３２】［工程−１５０］次に、図２の（Ｂ）に示
すように、酸化防止層１８をストッパー層として、層間
絶縁層１６の上表面１６Ａに形成された酸化防止層１８
上の金属層２４及び密着層２２を研磨した。研磨には図
４に示した研磨装置を使用した。研磨条件としては、 研磨圧力 ＝５．０ ＰＳＩ 研磨プレート回転数 ＝１２ ＲＰＭ 基板支持台回転数 ＝２６ ＲＰＭ とすることができる。こうして、金属層から成るメタル
プラグ２６を開口部２０内に形成した。

【００３３】［工程−１６０］その後、図２の（Ｃ）に
示すように、酸化防止層１８及びメタルプラグ２６の上
に、例えばＡｌ−１％Ａｌから成る上層配線層２８を形
成して、パターニングを行い、上層配線を完成すれば、
目的の多層配線の形成が完了する。

【００３４】（実施例２）本実施例においては、金属層
２４及び密着層２２の研磨の前に、金属層２４をエッチ
バックする工程が含まれる。 ［工程−２００］この工程−２００は、実施例１の［工
程−１００］から［工程−１４０］までの工程と同様で
あり、説明は省略する。 ［工程−２１０］タングステンから成る金属層２４をブ
ランケットタングステンＣＶＤ法で形成した後、金属層
の一部分をエッチバックした（図３参照）。エッチバッ
クには、例えば、平行平板プラズマＲＩＥ装置を使用
し、以下の条件で行うことができる。金属層２４のエッ
チバック量は、層間絶縁層の上方における金属層の厚さ
が元の厚さの約２０％となるような量とした。 使用ガス ＳＦ₆＝３０sccm 圧力 ＝６．６７Ｐａ パワー ＝０．０８Ｗ／ｃｍ²

【００３５】［工程−２２０］次に、実施例１の［工程
−１５０］及び［工程−１６０］と同様の方法で、残っ
た金属層２４及び密着層２２を研磨し、更に上層配線を
形成する。実施例２の方法によれば、研磨のスループッ
トを実質的に向上させることができる。

【００３６】以上、本発明のメタルプラグの形成方法を
好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの
実施例に限定されるものではない。実施例における各条
件は、適宜変更することができる。実施例においては、
不純物拡散領域が形成された半導体基板上に接続孔を形
成する例を取り上げたが、ゲート電極領域あるいは下層
配線層の上に接続孔を形成する場合にも本発明の方法を
適用することができる。

【００３７】例えば、ＳｉＮ_Xから成る酸化防止層をプ
ラズマＣＶＤ法で形成したが、プラズマＣＶＤ法で形成
されたＳｉＮ_X層の上に更に減圧ＣＶＤ法でＳｉＮ_X層を
堆積させることによって、酸化防止層を形成することも
できる。この場合、プラズマＣＶＤ法による内部応力の
小さいＳｉＮ_X層が下地となるので、減圧ＣＶＤ法によ
る内部応力の大きいＳｉＮ_X層が積層されても、シリコ
ン基板のクラック発生や酸化防止層の剥離を生じること
はない。

【００３８】酸化防止層は、層間絶縁層の表面窒化処理
によって形成することもできる。この場合、ＳｉＯ₂か
ら成る層間絶縁層を、１００％ＮＨ₃雰囲気下で、例え
ば１０００゜Ｃ、６０秒間のランプアニール処理する
と、層間絶縁層の表面が窒化され、層間絶縁層の表面に
はＳｉＮ_XとＳｉＮ_XＯ_Yとが混合した組成の酸化防止層
が形成される。このような酸化防止層の形成方法によれ
ば、層間絶縁層と酸化防止層の合計厚さが殆ど増加せ
ず、開口部のアスペクト比が増加する懸念がない。

【００３９】

【発明の効果】本発明のメタルプラグの形成方法によれ
ば、層間絶縁層上に研磨のストッパー層となる酸化防止
層を介して密着層を形成することにより、金属層及び密
着層の研磨整形時に、層間絶縁層上の密着層が残渣なく
除去され、開口部内の密着層にリセス部が生成すること
も、メタルプラグの上面にリセス部が生成することもな
い。それ故、信頼性の高いメタルプラグを形成すること
ができると共に、その後の上層配線の形成時のプロセス
の信頼性を向上することができる。

【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一実施例の
各工程を説明するための、半導体素子の模式的な一部断
面図である。

【図２】図１に引き続く工程を説明するための、半導体
素子の模式的な一部断面図である。

【図３】本発明のメタルプラグの形成方法の別の実施例
の工程の一部を説明するための、半導体素子の模式的な
一部断面図である。

【図４】金属層及び密着層の研磨に適した研磨装置の概
要を示す図である。

【図５】金属層及び密着層の研磨に適した別の研磨装置
の一部分を示す図である。

【図６】従来のブランケットＣＶＤ法によるメタルプラ
グの形成方法の各工程を説明するための、半導体素子の
模式的な一部断面図である。

【図７】従来のブランケットＣＶＤ法によるメタルプラ
グの形成方法における問題点を説明するための、半導体
素子の模式的な一部断面図である。

【符号の説明】 １０ シリコン基板 １２ 下地層 １４ ＴｉＳｉ₂層 １６ 層間絶縁層 １８ 酸化防止層 ２０ 開口部 ２２ 密着層 ２４ 金属層 ２６ メタルプラグ ２８ 上層配線層 ３０ エッチング残渣 ３２ 密着層のリセス部 ３４ メタルプラグのリセス部 １００ 研磨装置 １０２ 研磨プレート １０４ 研磨パッド １０６ 研磨プレート回転軸 １０８ 基板 １１０ 基板支持台 １１２ 基板支持台回転軸 １１４ 研磨圧力調整機構 １１６ スラリー供給系 １１８ スラリー供給口 １２０ スラリー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】層間絶縁層に形成された開口部に密着層を
   介してメタルプラグを形成するメタルプラグの形成方法
   であって、 （イ）層間絶縁層の少なくとも上表面に酸化防止層を形
   成する工程と、 （ロ）酸化防止層上及び開口部内に密着層を形成した
   後、該密着層上に金属層を形成する工程と、 （ハ）該酸化防止層をストッパー層として、層間絶縁層
   の上表面に形成された酸化防止層上の金属層及び密着層
   を研磨し、金属層から成るメタルプラグを開口部内に形
   成する工程、から成ることを特徴とするメタルプラグの
   形成方法。