JPH05275366A - 埋込み形および突起状タングステンプラグを形成するための化学的・機械的ポリッシング方法 - Google Patents

埋込み形および突起状タングステンプラグを形成するための化学的・機械的ポリッシング方法

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JPH05275366A JP5026065A JP2606593A JPH05275366A JP H05275366 A JPH05275366 A JP H05275366A JP 5026065 A JP5026065 A JP 5026065A JP 2606593 A JP2606593 A JP 2606593A JP H05275366 A JPH05275366 A JP H05275366A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 タングステン等の導電性材料から成る従来よ
りも一層均一で凹みがないプラグを製造する方法を提供
する。 【構成】 コンタクト開孔１６を有する絶縁層１０を作
り、金属層１４をその上に重ねる。ポリッシングパッド
をウエハー面に対して回転させ乍ら金属に作用するスラ
リーを用いてウエハー面上に亙っている金属を除去し、
その化学的作用および繊維成分の作用によりコンタクト
開孔１６内の金属を凹ませる。次の工程では絶縁材料に
関して選択的に作用する酸または塩基を含有するスラリ
ーを用いて金属１４周辺から絶縁材料１０を除去する。
又これは表面を磨くための研磨性材料を含み金属の高さ
が絶縁層の面と同じになるようにする。絶縁材料の除去
は、プラグが僅かに突起するまで継続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体製造に関する。さ
らに詳しくは公知のタングステンプラグエッチバック技
法により形成した溝形プラグよりも一層改良された埋込
み形および突起状球形タングステンプラグが製造できる
化学的・機械的ウエハーポリッシング方法に関する。し
たがってスパッタリング法により引続いて形成させるア
ルミニウム等の導電性材料層との連結が一層容易にな
る。
【０００２】
【従来の技術とその課題】集積回路はシリコンまたはヒ
化ガリウムウエハー等の基板中に化学的・機械的に一体
化されており、基板中に複数の領域をパターニングし、
かつ基板上に複数の層をパターニングして製造する。導
体および抵抗体製造の場合には、これらの領域および層
を導電性にすることができる。またこれらの領域および
層を異なった導電率のもので構成させてもよく、トラン
ジスタおよびダイオード製造の場合には必要条件にな
る。半導体材料の単一ウエハー面上には数千以上のデバ
イスが同時に形成される。
【０００３】高収率でデバイスを生産するには、先ず平
坦な半導体ウエハーから出発する必要がある。表面が平
坦でないウエハーからデバイスの製造を行なうと、種々
の問題が起こり多数の欠陥デバイスが発生する。
【０００４】ウエハー面を平滑化（以後、プレーナリー
化とも呼称する）するための公知方法には、ウエハー面
上にホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）等の酸化物を形
成させ、次いでこのウエハーを加熱してリフローさせ酸
化物層をプレーナリー化する方法が包含される。ウエハ
ー面をプレーナリー化するためのこの“リフロー”方法
はかなり大形のデバイスの製造には適するが、小形サイ
ズを特徴とするデバイスの製造では満足な結果を与えな
い。
【０００５】プレーナーウエハー面を製造するために従
来採用されてきた他の方法は、上記酸化物リフロー方法
を採用し、次いでウエハーをフォトレジストでスピンコ
ートする方法である。ウエハー面に該材料をスピンコー
トすると、低い箇所（ポイン）が充填されてプレーナー
面が生成する。次いでドライエッチによりフォトレジス
トと酸化物を、できるだけ１、１に近い比率で除去して
フォトレジストとウエハーの高い箇所（ポイント）を取
り除いてウエハー面に平坦なプレーナー酸化物層を形成
させる。
【０００６】極く最近、化学的・機械的プレーナリー化
（ＣＭＰ）方法がデバイス製造工程においてウエハー面
をプレーナリー化するのに採用されている。このＣＭＰ
方法には、半導体材料から成る平坦な薄層ウエハーを湿
った回転ポリッシングパッドに対して下方に一定の圧力
を掛けながら保持する方法が包含される。化学的エッチ
成分としての塩基性もしくは酸性溶液の何れかを、研磨
性エッチ成分としてのアルミナまたはシリカ粒子と組合
わせた混合物等のポリッシングスラリーを使用する。通
常、回転ポリッシングプラテンに対して一定圧力下でウ
エハーを保持するために回転ポリッシングヘッドまたは
ウエハーキャリャを使用する。通常、このポリッシング
プラテンは中空ポリウレタン等の比較的軟質で湿ったパ
ッド材料でカバーする。
【０００７】平坦な薄層半導体ウエハーをポリッシング
するための装置は公知であり、例えば米国特許第４，１
９３，２２６号，同第４，８１１，５２２号および同第
３，８４１，０３１号公報に装置の開示がある。
【０００８】形成させた複数の導体は集積回路全体を構
成する一部分を成し、かつ電流の通路を形成する表面配
線の役割をする。特に、形成した導体はウエハー面に形
成させる各種のコンポネント類を一緒に電気的に接続す
るのに用いる。ウエハー内に形成した複数の電子デバイ
スは、金属等の導電性ランナーと接触させなければなら
ないアクチブ領域を有している。通常、絶縁材料層をウ
エハー頂部に重ねて選択的にマスクしてコンタクト開孔
パターンを形成させる。次いでこの層を例えば反応性イ
オンエッチ（ＲＩＥ）法によりエッチングして、絶縁層
の上部表面からウエハー中に下向きにコンタクト開孔を
作り特定アクチブ領域との電気的接触を行なわせる。
【０００９】真空蒸発法およびスパッタリング技法で形
成した、ある種の金属および合金はウエハー面に重ねた
場合、コンタクト開孔内部でのカバレージが不十分であ
る。不充分なカバレージを与える典型的金属の例は、ス
パッタリングによるアルミニウム、またはアルミニウム
とシリコンおよび／または銅との合金である。コンタク
トバイアス中に優れたカバレージを与える金属の例は、
化学蒸着法（ＣＶＤ）により形成したタングステンであ
る。しかしタングステンはアルミニウム程導電性ではな
い。したがって、タングステン層はエッチングまたはポ
リッシドバックして平坦な上部面を有するプラグを絶縁
層中に形成させ、この上部面の高さを絶縁体表面と同じ
にする。次いでアルミニウムの一層をウエハー面の頂部
に重ねてプラグと接触させる。このアルミニウム層をさ
らに選択的にエッチングして所望の相互連絡ランナーを
形成させてタングステンを他の回路素子と連結する。
【００１０】図１はタングステンプラグを形成させる方
法の好ましい一実施結果を示す。ウエハー製作技法に従
って、酸化物材料（１０）等の絶縁層をウエハー基板
（１２）に重ね合わす。酸化物材料（１０）中のコンタ
クト開孔（１６）中に充填されたタングステン（１４）
の高さを酸化物層の面と同じにする。図２はタングステ
ンエッチバック現行法の問題点の一つであるオーバーエ
ッチングの説明図であり、ウエハー面（１０）のコンタ
クト開孔（１６）内のタングステン（１４）の凹みを示
している。これにより引続いてスパッタリングで形成さ
せるアルミニウムまたはアルミニウム合金層（図示せ
ず）とタングステンプラグ（１４）との接触が不完全に
なる。反応性イオン エッチング（ＲＩＥ）等の公知タ
ングステンエッチバック技術を採用して得られる溝形タ
ングステンプラグとアルミニウム間の接触に関しては、
その信頼性を高めることは困難である。
【００１１】ＲＩＥ以外のタングステンエッチバック技
法も公知であり、例えばポリッシングスラリーおよびポ
リッシングパッドを用いる１工程ＣＭＰエッチバック法
がある。この方法は、ウエハー面上にＣＶＤまたは他の
手法でタングステン層を形成させ、これにより絶縁体層
中のコンタクト開孔をタングステンで充填する。ウエハ
ー面を磨いてウエハー面上に亙って重なっているタング
ステンを取り除き、タングステンで充填されたコンタク
ト開孔を残す。スラリーの化学的作用とポリッシングパ
ッドの圧縮作用により、ある程度の量のタングステン材
料がコンタクト開孔から取り除かれて図２に示すような
溝形タングステン構造が出来上がる。
【００１２】米国特許第４，９９２，１３５号公報には
タングステン層のエッチバック方法が開示されており、
ここに引用する。
【００１３】以上のように、半導体ウエハー上のタング
ステン層をエッチグバックするための改良方法であっ
て、引続いて形成させる金属層または他の導電性材料と
の優れた接触を可能ならしめるような方法の出現が要望
されている。
【００１４】本発明の目的は、タングステンもしくは他
の導電性材料から成るコンタクト（プラグ）を形成させ
るための方法において、従来よりも一層均一で凹みがな
いプラグを製造する方法の提供にある。
【００１５】他の目的は、タングステンまたは他の導電
性材料から成るプラグを形成するための方法において、
従来よりも均一で凹みがないためにアルミニウム等の他
の材料との接触が優れた表面を有するプラグの形成方法
の提供にある。
【００１６】本発明のさらに他の目的は、均一で突出し
た球形プラグをタングステンまたは他の導電性材料から
形成するための方法を提供することにあり、引続いて重
ねる導電性層との連結が、公知方法により製造した溝形
プラグよりも容易であるようなプラグを製造できる方法
の提供にある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】これらの目的は、本発明
が提案する化学的・機械的プレーナリー化（ＣＭＰ）技
術を採用した２工程プラグ形成方法により達成できる。
酸化物層（ＢＰＳＧ）を有するるシリコン等の材料から
成る基板は、その中にコンタクト開孔を包含させて製造
し、基板上にタングステン等の金属層を形成してコンタ
クト開孔中にタングステンを充填する。プラグ材料に関
して選択的に作用する第１ＣＭＰ工程では、ウエハー面
から酸化物を殆ど、または全く除去することなく酸化物
面上に重なるタングステン層を除去する。この工程の最
終段階ではウエハー面に亙って存在するチタン窒化物お
よびチタン層等のバリヤーを包含する金属残留物は完全
に取り除かれるが、この際酸化物表面の高さ以下のタン
グステンの一部も除去されるので、タングステンプラグ
に凹みができる。この溝形プラグは公知プラグ形成方法
では普通に見られる現象であるが、これにより引続いて
重ねる金属または他の材料との連結が困難になる。
【００１８】したがって、ウエハー面の酸化物材料に関
して選択的に働く第２ＣＭＰ工程において、絶縁材料の
一部を取り除いて高さがタングステンプラグと同じか、
または若干低めにする。表面上に伸長したタングステン
を整形してプラグの凹みに起因する凹形を取り除くため
には、所望量のタングステンが除去できるように調製し
た酸化物ＣＭＰのスラリーを使用する。すなわち、プラ
グ材料に関して選択性を有するエッチャントの量を増加
すればよい。
【００１９】本発明の方法では導電性材料（ここではタ
ングステン）からプラグが形成され、この場合のプラグ
の高さは酸化物（この場合ＢＰＳＧまたはＳｉＯ2 等の
他の材料）等の絶縁層の面と同じであるか、またはこれ
より若干突出している（第２実施態様）。突出プラグの
形状は制御しながら凸面体を形成させて、引続いて施工
するアルミニウム等の導電性材料との連結が一層改良さ
れた表面を提供させる。
【００２０】
【実施例】本発明の方法に従って、先ず酸化物（ＢＰＳ
Ｇ）等から成る約２乃至３μｍ厚さの絶縁材料（１０）
層を有するウエハーを公知方法により製作した（図
３）。材料（１０）中にはコンタクト開孔（１６）を公
知方法により形成した。金属（３０）層（この場合タン
グステン）でコンタクト開孔（１６）を充填し、かつ絶
縁層（１０）面上に亙ってタングステンを張り渡した。
このタングステン層（３０）は化学蒸着法（ＣＶＤ）で
形成させればコンタクト開孔を充分に充填できるが、他
の有効な方法を採用してもよい。この場合の酸化物（１
０）面上に亘るタングステン（３０）層の厚さは約１０
ＫÅであるが、この層は引続くウエハー処理工程で除去
されるので他の厚さでも構わない。
【００２１】次いで、このウエハーをタングステンに関
して選択的に作用する化学的・機械的ポリッシング（Ｃ
ＭＰ）方法で処理した。この方法では回転プラテン上に
載せたポリッシングパッドを使した。Ａｌ2 Ｏ3 等の研
磨性粒子、およびＨ2 Ｏ2 およびＫＯＨまたはＮＨ4 Ｏ
Ｈのいずれか、または他の酸もしくは塩基等のエッチャ
ントを含有するスラリーを用いて、予め決められた速度
でタングステンを除去したが、この間の絶縁層の除去量
は僅少であった。この方法は米国特許第４，９９２，１
３５号公報に開示されている。ポリッシングパッドは約
５乃至１０分間、７乃至９ｐｓｉの圧力下でウエハー面
と接触させた。この方法により、酸化物（１０）中のコ
ンタクト開孔（１６）内にタングステンプラグ（１４）
が充填された図２の構造のプラグが得られた。この段階
ではポリッシングパッド中の繊維質による機械的タング
ステンエロージョンに起因してタングステン（１４）は
僅かに凹んでいた。通常、凹みの程度は酸化物（１０）
の面の高さ以下約０．５ＫÅ乃至３ＫÅの範囲内で変動
した。選択的にタングステンを取り除くために、スラリ
ー中の化学成分がタングステンを酸化し、生成タングス
テン酸化物はスラリー中の研磨性材料により機械的に除
去された。少量ではあるがタングステン自体も研磨材に
より追加的に除かれた。何れの場合でも、このＣＭＰ方
法はタングステンに関して選択的に働き、絶縁層は殆ど
そのまま残る。
【００２２】磨くため、または凸面をなす突起状タング
ステンプラグを作るためのいずれかの目的では少量のタ
ングステンを取り除くことの方が好ましいのではある
が、この第２工程中には、絶縁層材料に関して選択的に
作用するＣＭＰプロセスも包含させた。この段階でタン
グステンを除去する場合は、絶縁材料を除去する場合の
速度よりも遥かに遅い速度で行なう。酸化物に関して選
択的なエッチャントを含有するスラリーを回転ポリッシ
ングパッドとウエハー面の間に供給した。この場合に使
用したコロイド性シリカスラリー中には上記のように研
磨材が含ませてあり、またＨ2 Ｏ2 およびＫＯＨの塩基
性混合物等の、酸化物に対して選択的に作用するエッチ
ャントも含ませた。他の非酸化物絶縁材料を使用した場
合には、殆どの場合で他の化学エッチャントの使用が要
求される。絶縁材料１０をタングステンプラグ（１４）
周辺から取り除いたが（図１）、その結果高さは絶縁材
料（１０）の面と同じになった。パッドの作用によりタ
ングステンおよび酸化物材料の表面が充分に研磨されて
表面の不規則性が消失した。タングステンのポリッシン
グ速度は５０Å／分以下の低速であったが、その下の酸
化物層は２５００Å／分以上の高速で磨いた。通常、
０．５ＫÅ乃至３ＫÅの絶縁材料層を第２ＣＭＰ工程で
取り除くが、コンタクト開孔中でタングステンが凹む程
度としてはこの程度が限度である。
【００２３】第１工程の第２実施態様も、かかるタング
ステンプラグの形成に用いて同様に有効である。この方
法ではＡｌ2 Ｏ3 研磨材粒子および水とＨ2 Ｏ2 との塩
基性混合物から成る新規ポリッシングスラリーを使用し
た。上記の混合物中の第二塩基であるＫＯＨまたはＮＨ
4 ＯＨはエッチング速度またはエッチングの良否には殆
ど影響を与えない。この新規スラリーでは、Ｈ2 Ｏ2 は
タングステン面を酸化してタングステン酸化物にするた
めに用い、生成タングステン酸化物は引続くポリッシン
グ方法で取り除き、新鮮なタングステン表面を露出させ
てＨ2 Ｏ2 とタングステン面との反応を継続させる。こ
れに対して、第１工程の第１実施態様ではＨ2 Ｏ2 と、
タングステン酸化物を化学的に除去するのに有効なＫＯ
ＨまたはＮＨ4 ＯＨ等の第２化学成分との使用について
記載した。タングステン酸化物はスラリー中の研磨材に
よる機械的ポリッシング効果によっても充分に取り除く
ことができることが判明した。この新規スラリーの場
合、ポリッシング速度は１ＫÅ乃至３ＫÅであることが
分かり、この速度はＨ2 Ｏ2 対Ｈ2 Ｏの比によって変動
する。１００％Ｈ2 Ｏ2 溶液では約３ＫÅ／分の速度で
タングステン酸化物が除去されるが、Ｈ2 Ｏ2 対Ｈ2 Ｏ
の容積比が１、１では約０．５ＫÅ／分の速度である。
この新規スラリーを使用すると、絶縁体（例えばＢＰＳ
Ｇ）に対するタングステンの優れたポリッシング選択性
が得られ、選択性は約２０、１であると算定された。
【００２４】本発明の他の実施態様によると、酸化物
（１０）を除去するウエハー第２ポリッシング工程を、
絶縁材料（１０）が除去され、なおかつ図４にみられる
凸形で球形に突起したタングステンプラグが得られる迄
継続した。しかしこの工程は必ずしも本発明の必須要件
ではない。タングステンプラグ（４０）の丸い面は、引
続くウエハー処理工程間中にスパッタリングもしくは他
の手段で形成させたアルミニウム層（図示せず）との連
結を容易にする球形面を備えている。タングステンプラ
グの直径は１ミクロン以下のものが形成された。
【００２５】絶縁層内で溝形を呈しない均一なプラグが
形成できるのみでなく、本発明の２工程方法によれば、
第２工程における酸化物ポリッシングによって一層平坦
なウエハー面が得られた。
【００２６】酸化物以外の絶縁材料、例えばＳｉ3 Ｎ4
等を使用する方法、および材料の修正もまた本発明に包
含される。しかし非酸化物絶縁材料では、ＫＯＨおよび
水溶液以外の化学エッチャントを使用する必要が生ず
る。また他の各種の酸類、塩基類および研磨性材料もＣ
ＭＰスラリー中に使用できる。
【００２７】
【発明の効果】公知のタングステンプラグ・エッチバッ
ク技法により形成した溝形プラグよりも一層改良された
埋込み形および突起状球形タングステンプラグを製造す
る方法が提供できる。したがってスパッタリング法によ
るアルミニウム等の導電性材料から成る隣接層との連結
が一層容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】好ましいプラグの断面図である。
【図２】公知ＣＭＰ方法により形成した典型的な溝形プ
ラグの一断面図である。
【図３】本発明方法の第１工程において基板上に形成し
た導電性材料（タングステン等の）層を示す一断面図で
ある。
【図４】本発明の２工程方法により形成した突起状球形
プラグの一断面図である。
【符号の説明】
１０ 絶縁材料層 １４，３０ 導電性材料 １６ コンタクト開孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トラング・ティー・ドーン アメリカ合衆国、83712 アイダホ州、ボ イーズ、シェナンドア・ドライブ 1574

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁層中に導電性プラグを形成する方法
    において該方法が次の工程、 ａ） 該絶縁層（１０）中にコンタクト開孔（１６）を
    形成するために絶縁層（１０）の一部を除去する工程、 ｂ） 該絶縁層（１０）の一表面に導電性材料（１４，
    ３０）層を重ね合わせて該導電性材料（１４）を該コン
    タクト開孔１６に充填することにより該絶縁層（１０）
    表面に亙って該導電性材料（３０）層を形成する工程、 ｃ） 絶縁層（１０）の該表面から該導電性材料（３
    ０）の少なくとも一部を取り除き、かつ該導電性材料
    （１４）で実質的に充填した該コンタクト開孔（１６）
    を残留させる工程、および、 ｄ） 該絶縁層表面の高さが該導電性材料（１４）の上
    面よりも下方に位置するまで絶縁層（１０）の一部を取
    り除く工程、 から成る方法。
  2. 【請求項２】 該コンタクト開孔（１６）をエッチング
    により形成させる請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 該導電性層（１４，３０）を化学蒸着法
    により形成させる請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 研磨性材料および酸化剤成分を含有する
    スラリーを用いて化学的・機械的プレーナリー化により
    工程ｃ）を実施する請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 該絶縁層（１０）表面の高さが該導電性
    材料（１４）の上面よりも下方に位置するまで工程ｄ）
    を継続することにより該導電性材料（４０）を該絶縁層
    （１０）表面から突起させる請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 酸化物材料の化学的・機械的プレーナリ
    ー化方法において該方法が次の工程、 ａ） 該酸化物材料（１０）中にコンタクト開孔（１
    ６）を形成するために酸化物材料（１０）の一部をエッ
    チングする工程、 ｂ） 酸化物材料（１０）の一表面にタングステン層
    （３０，１４）を重ね合わせて該タングステン（１４）
    を該コンタクト開孔（１６）中に充填することにより酸
    化物材料（１０）上に亙って該タングステン材料（３
    ０）層を形成させる工程、 ｃ） 過酸化水素および研磨性材料から成る第１溶液を
    用いて該酸化物材料（１０）の該表面から該タングステ
    ン（３０）の少なくとも一部を化学的・機械的に取り除
    き、かつ該タングステン（１４）を実質的に充填した該
    コンタクト開孔（１６）を残留せしめる工程、および、 ｄ） 該酸化物材料（１０）の該表面の高さを該タング
    ステン（１４）の上面よりも下方に位置せるために、Ｋ
    ＯＨおよび研磨性成分から成る第２溶液を用いて酸化物
    材料（１０）の一部を取り除く工程、 から成り、 これにより該コンタクト開孔中にタングステンプラグを
    形成させる方法。
  7. 【請求項７】 該第１溶液中に水をさらに含有させ、か
    つ過酸化水素、水の容量比を１、０乃至１、１の範囲と
    する請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 工程ｄ）において該酸化物材料（１０）
    を０．５ＫÅ乃至２ＫÅの範囲で取り除く請求項６記載
    の方法。
  9. 【請求項９】 該酸化物材料（１０）の該表面の高さが
    該タングステン（１４）の上面と実質的に同じになるま
    で工程ｄ）を継続する請求項６記載の方法。
  10. 【請求項１０】 該酸化物材料（１０）の該表面の高さ
    が該導電性材料（４０）の該上面よりも下方に位置する
    まで工程ｄ）を継続することにより、該タングステン
    （４０）を絶縁層（１０）から突起せる請求項６記載の
    方法。
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