JPH06310605A

JPH06310605A - 半導体装置およびその製造方法および半導体製造装置

Info

Publication number: JPH06310605A
Application number: JP9403493A
Authority: JP
Inventors: Tomoyasu Murakami; 友康村上; Kosaku Yano; 航作矢野; Tetsuya Ueda; 哲也上田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-04-21
Filing date: 1993-04-21
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】接続孔内における配線金属間もしくは半導体
層と配線金属間の接続を向上させる。【構成】配線金属３、第二の層間絶縁膜４、接続孔
５、金属膜６を形成した後、減圧下で基板表面に導電性
化合物となる流動体８を回転塗布し、常圧下に戻すこと
により接続孔５内の空洞７に流動体８を移動させ、その
後流動体８を固化し、導電性化合物８’にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関わり、特
にその金属配線層間の接続に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化に伴
い、半導体領域と金属配線層間を接続するコンタクトホ
ールや配線金属層間を接続するスールーホールの径が小
さくなってきている。

【０００３】以下スルーホールの場合について、図５を
参照しながら従来の技術の一例を説明する。図５（ａ）
において、すでにトランジスタ等が形成されている基板
１上に第一の層間絶縁膜２を堆積する。次にスパッタ法
によりシリコン（約１％程度）と銅（約0.5％程度）を
含むアルミニウム合金膜を形成する。このアルミニウム
合金膜を、レジストをマスクとしてドライエッチングを
用いてパターニングを行い、第一金属配線３を形成す
る。この金属配線としてはＳｉの析出またはアロイスパ
イクの防止のため高融点金属からなるバリアメタルを堆
積した後にアルミニウム合金を堆積する場合や、配線パ
ターン形成のための露光時に金属膜が光を反射して不要
なフォトレジストを感光させるのを防ぐために窒化チタ
ン（ＴｉＮ）やチタン等を反射防止膜としてアルミニウ
ム合金配線の上に堆積させる場合もある。

【０００４】次に図５（ｂ）に示すように、例えばＣＶ
Ｄ法により全面にシリコン酸化膜をを約８００ｎｍ程度
形成し、第二の層間絶縁膜４とする。このシリコン酸化
膜の所望の位置にフォトレジストをマスクとして、ドラ
イエッチングにより接続孔５を開孔する。他工程の加工
性や安定性の観点から、この第二の層間絶縁膜には平坦
性が望まれており、レジストエッチングバック法やＳＯ
Ｇ（スピンオングラス）法、最近ではＣＭＰ（ケミカル
メカニカルポリッシング）法などが行われている。

【０００５】次に図５（ｃ）に示すようにスパッタ法に
より金属膜６としてアルミニウム合金膜を約８００nm程
度堆積し、この後フォトレジストとドライエッチングを
用いて所望の配線パターンに加工して所望の金属配線を
形成する。この金属配線についても第一金属配線と同様
に上部に反射防止膜を用いたり、下部にチタンなどを形
成して第一金属配線との接続を良好にする場合がある。

【０００６】以上の工程は、スルーホールの場合につい
て述べたものであるが、半導体層と金属配線の接続を行
なうコンタクトホールの場合についてもホール下の材料
や、配線金属の膜構成が異なる事以外は同様である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】半導体デバイスの高集
積化に伴い、コンタクトホールやスルーホールの径が小
さくなってきている。これに伴い、これらの接続孔に金
属を埋め込む方法として、従来のスパッタ法を用いたア
ルミニウム合金の埋め込みを用いた場合は、段差被覆性
が悪く接続孔の底部近くでは金属の膜厚が薄くなり、接
続孔のアスペクト比が１を超えると膜厚は十分の一以下
になるため、接続の信頼性低下や断線といった問題が生
じてくる。また、接続はおこなえた場合でも、接続孔内
にボイドと呼ばれる空洞が生じてしまうために外見がわ
るいという問題がある。

【０００８】このため段差被覆性が優れたＣＶＤ法を用
いてタングステンを埋め込む方法が用いられつつある。
しかし、この為にはタングステンを堆積するための高価
な新設備の導入が必要であり、タングステン自体もアル
ミニウム合金と比較して抵抗が約３倍高いために、デバ
イスの設計に制約が生じている。

【０００９】また接続孔内にのみタングステンを埋め込
む方法としてブランケットタングステンのエッチバック
法があるが、この方法は従来のプロセスに容易に適用で
きる利点はあるが、工程数が増える事やコストが高い事
といった欠点がある。

【００１０】また、ＣＶＤ法によるアルミニウムの形成
や、選択タングステンＣＶＤ法も検討されているが、ど
ちらも複数の問題があり、まだ実用化には遠い。

【００１１】本発明の目的は、接続孔内における配線金
属間もしくは半導体層と配線金属間の接続を向上させる
半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点に鑑
み、従来と同様にスパッタ法によりアルミニウム合金な
どを接続孔の側壁と底部に堆積した後、ボイドと呼ばれ
る空洞を生じるがこのボイドに流動性の導電性化合物を
圧力や温度等を利用して埋め込む。圧力を利用する場合
は、流動体を減圧下で塗布し、圧力を上昇させることに
よりボイド内に流動体を移動させ、温度を利用する場合
は、高温下で流動体を塗布し、温度を下げることにより
ボイド内の圧力を低下させ、流動体をボイド内に移動さ
せる。この後、これを固化することにより安定化するこ
とにより、接続孔内における配線金属間の接続を良好に
する方法を提供するものである。

【００１３】また、本発明は上記の方法を簡便に行なう
ための装置として、密閉室と、密閉室内の半導体基板上
に気体以外の流動体を供給する流動体供給系と、密閉室
内に気体を供給する気体供給系と、半導体基板を回転さ
せる回転系と、密閉室から気体を排気する排気系を有す
る半導体製造装置を提供するものである。

【００１４】また、上述した方法により半導体基板もし
くは金属配線上に形成された絶縁膜と、この絶縁膜の所
望の位置に形成された接続孔と、接続孔内に下部より上
部の方が狭い空洞を残して、接続孔の側壁及び底部に形
成された少なくとも一層からなる金属と、接続孔内の空
洞に埋め込まれた導電性を有する化合物とを有すること
を特徴とする半導体装置を提供するものである。

【００１５】

【作用】本発明は従来のスパッタ法を用いて、接続孔内
にアルミニウム合金などを堆積した後、形成されるボイ
ドと呼ばれる空洞に流動性の導電性化合物を充填し、固
化することによりボイド内に導電性化合物を形成するも
のである。この方法により金属と導電性化合物を埋め込
んだ接続孔は、従来のように接続孔底部で金属が薄くな
っても、導電性化合物が有るために抵抗が高くなったり
することがなく、エレクトロマイグレーションに対する
信頼性が向上する。また、ボイドが存在しないために、
断面を観察しても外見が悪いということはない。

【００１６】さらに本発明は密閉室と、密閉室内の半導
体基板上に気体以外の流動体を供給する流動体供給系
と、密閉室内に気体を供給する気体供給系と、半導体基
板を回転させる回転系と、密閉室から気体を排気する排
気系を合わせ持った半導体製造装置により、上述した方
法を簡便に行なうことができるものである。

【００１７】

【実施例】（実施例１）以下本発明の半導体装置の製造
方法に関する第一の実施例を図面を参照しながら説明す
る。

【００１８】図１は本発明の第１の実施例として接続孔
がスルーホールの場合について、絶縁膜にシリコン酸化
膜、金属配線にチタンとアルミニウム合金と窒化チタン
からなる積層膜、流動体としてインジウムとスズを含む
シリコン酸化物を用いた場合について図面を参照しなが
ら説明する。

【００１９】図１（ａ）において、すでにトランジスタ
等が形成されている基板１上に例えばＣＶＤ法によりシ
リコン酸化膜を第一の層間絶縁膜２として堆積する。次
にスパッタ法によりチタン１０ｎｍ、窒化チタン１００
ｎｍ、シリコンと銅を含むアルミニウム合金７００ｎ
ｍ、窒化チタン３０ｎｍを順次形成する。この金属膜
を、レジストをマスクとして（図示せず）ドライエッチ
ングを用いてパターニングを行い、金属配線３を形成す
る。その後、シリコン酸化膜を８００ｎｍ程度堆積す
る。

【００２０】次に図１（ｂ）に示すように、シリコン酸
化膜の所望の位置にフォトレジストとドライエッチング
を用いて接続孔５を形成する。その後、スパッタ法によ
りチタン２０ｎｍ、アルミニウム合金６００nm、窒化チ
タン３０ｎｍを順次堆積し、金属膜６を形成する。この
際、０．６〜１．５μｍの径の接続孔内には完全に金属
が入ることはなく、ボイドと呼ばれる空洞７が完全に塞
がれていない状態で生じる。

【００２１】次に図１（ｃ）に示すように、基板を密閉
室９内に移し、密閉室内を１０torr程度の減圧状態にし
て、基板を回転させながら流動体８として、インジウム
とスズを含むシリコン酸化物を回転塗布する。

【００２２】次に図１（ｄ）に示すように基板を常圧下
に移すと、圧力差により流動体８が空洞７内に移動し、
接続孔５内部に生じていた空洞７がほぼ完全に埋められ
る。この後、約４００度で熱処理を行うことにより流動
体を固化し導電性化合物８’を形成する。

【００２３】次に図１（ｅ）に示すように、金属膜上の
平坦部の導電性化合物８’をケミカルメカニカルポリシ
ング（以下ＣＭＰと略す）により除去する。その後、フ
ォトレジストとドライエッチングを用いて金属膜６を所
望の配線形状に加工して、金属配線を形成する。

【００２４】以上の工程は、スルーホールの場合につい
て述べたものであるが、半導体層と金属配線の接続を行
なうコンタクトホールの場合についても同様の効果は得
られる。

【００２５】また、金属膜６を形成した後、接続孔上部
が塞がれて接続孔内部に完全な空洞が形成されているよ
うな場合は、異方性の強い条件で金属膜６を少しエッチ
ングして、上部を開口すればよい。

【００２６】なお、本実施例において、平坦部の導電性
化合物８はＣＭＰにより除去したが、金属膜をドライエ
ッチングする際に、適当な条件を用いて、エッチングし
て配線として用いても構わない。

【００２７】また、本実施例においては、配線金属とし
てスパッタ法によるチタン、窒化チタン、アルミニウム
合金からなる積層膜を用いたが、他の材料や他の方法を
用いてもかまわない。

【００２８】また、流動体としてインジウムとスズを含
むシリコン酸化膜を用いたが、金属錯体、導電性高分
子、固体イオニクスなど、流動性と導電性があり安定に
存在する化合物であればどの様なものを用いても構わな
い。

【００２９】（実施例２）以下本発明の半導体装置の製
造方法に関する第二の実施例について説明する。

【００３０】図２は本発明の第二の実施例として接続孔
がスルーホールの場合について、示したものである。

【００３１】本実施例が第一の実施例と異なるところ
は、流動体を接続孔内の空洞に移動させる方法である。
第一の実施例が減圧下で流動体を塗布し、その後大気圧
下にすることで流動体を移動させるのに対し、第二の実
施例では高温下で流動体を塗布し、温度を下げることに
より空洞中の圧力を下げて、流動体を空洞内に移動させ
るものである。

【００３２】以下本発明の第二の実施例を図面を参照し
ながら説明する。図２（ａ）と（ｂ）における工程は第
一の実施例と同様であるので省略する。図２（ｃ）にお
いて、基板を加熱装置付き回転ステージ１０上に移動さ
せ、３００℃に加熱しながらインジウムとスズを含むシ
リコン酸化物を流動体８として回転塗布する。

【００３３】次に図２（ｄ）に示すように基板を常温に
すると、圧力差により流動体８が空洞７内に移動し、接
続孔５内部に生じていた空洞７が流動体で埋められる。
この後、例えば硫酸中で処理を行うことにより流動体を
固化し導電性化合物８’を形成する。

【００３４】次に図２（ｄ）に示すように、第一の実施
例と同様に、金属膜上の平坦部の金属膜６上の導電性化
合物８’を除去し、金属膜を所望の配線形状に加工し
て、金属配線を形成する。

【００３５】以上の工程は、スルーホールの場合につい
て述べたものであるが、半導体層と金属配線の接続を行
なうコンタクトホールの場合についても同様の効果は得
られる。

【００３６】また、本実施例においては、配線金属とし
てスパッタ法によるチタン、窒化チタン、アルミニウム
合金からなる積層膜を用いたが、他の材料や他の方法を
用いてもかまわない。

【００３７】また、流動体としてインジウムとスズを含
むシリコン酸化膜を用いたが、金属錯体、導電性高分
子、固体イオニクスなど、流動性と導電性があり安定に
存在する化合物であればどの様なものを用いても構わな
い。

【００３８】また、基板の加熱方法もどの様なものを用
いても構わないし、温度も流動体が接続孔内に移動すれ
ばどの様な温度で行なっても構わない。

【００３９】（実施例３）次に、本発明の半導体製造装
置に関する一実施例について図面を参照しながら説明す
る。

【００４０】図３は本発明の一実施例の半導体製造装置
を説明するための装置の概略断面図である。図３におい
て、１は基板であり、密閉室９内の支持台１１上に固定
され、支持台はモーター１２により回転させることがで
き、支持台を回転させることにより基板も回転する。ま
た、タンク１３からは、バルブ１０ａの開閉により回転
している基板上に所望の体積の流動体を供給することが
できる。また、密閉室内の圧力を減圧状態にする真空ポ
ンプ１４と、減圧状態の密閉室内に窒素等の気体を導入
して圧力を上昇させる気体供給系１５が備わっている。

【００４１】まず、密閉室９内に基板１を導入し、支持
台１１に基板を固定する。次にバルブを１０ａ、１０ｂ
を閉じた後、バルブ１０ｃを開けて真空ポンプ１４で密
閉室９内を減圧状態にする。次にバルブ１０ａを開けて
基板の中央に流動体８を供給し、基板をモーター１２に
より１００〜数１０００ｒｐｍの速度で回転させると、
流動体８は遠心力により基板上に塗布される。次にバル
ブ１０ｂを開けて窒素を密閉室内に供給して密閉室内の
圧力を大気圧にし、基板表面の凹部に流動体を埋め込ん
だ後、基板１を密閉室より取り出す。

【００４２】なお、支持台１１に加熱ヒーターなどを備
え付けておき、流動体８を基板１上に塗布する際に基板
１を加熱しておけば、圧力が下がるため流動体が基板１
の凹部内に入りやすくなる。

【００４３】また、回転の遠心力で基板１上から飛び出
した流動体を回収できるような受け皿を支持台１１の周
りに設置しておき、後にこれを回収すれば流動体を効率
よく利用できる。

【００４４】なお、本実施例においては気体供給系から
窒素ガスを供給したが、アルゴンなど、流動体の質を低
下させないようなガスならばどの様なものを用いても構
わない。

【００４５】（実施例４）次に、本発明の半導体装置に
関する一実施例について図面を参照しながら説明する。
図４は接続孔がスルーホールの場合の半導体装置の構造
断面図である。

【００４６】図４において１は基板、２は半導体領域や
電極金属と金属配線の電気的絶縁を行うためのシリコン
酸化膜からなる第一の層間絶縁膜であり、３はアルミニ
ウム合金とチタンと窒化チタンからなる金属配線であ
る。第一の層間絶縁膜上や金属配線上にはシリコン酸化
膜からなる第二の層間絶縁膜４が形成されており、金属
配線３上の第二の層間絶縁膜には接続孔５が開口されて
いる。６’は第二の金属配線であり、接続孔内には導電
性化合物８’が充填されている。

【００４７】この構造においては、接続孔５内の金属配
線６’が薄くなり、金属配線６’のみで抵抗が高い場合
でも、導電性化合物８’としてインジウムとすずを含む
酸化物が充填されているために金属配線間の良好な接続
を行なうことができる。

【００４８】なお、本実施例においては接続孔５内以外
の導電性化合物８’は除去されているが、金属配線６’
上に残しても構わない。また、導電性化合物としてはイ
ンジウムとすずを含む酸化物以外の化合物でも導電性が
あれば、どの様なものでも構わない。また、金属配線と
して他の材料を用いても構わないし、層間絶縁膜として
シリコン酸化膜以外のものでも構わない。

【００４９】

【発明の効果】本発明は従来のスパッタ法を用いて、接
続孔内にアルミニウム合金などを堆積した後、形成され
るボイドと呼ばれる空洞に流動性の導電性化合物を充填
し、固化することによりボイド内に導電性化合物を形成
するものである。この方法により金属と導電性化合物を
埋め込んだ接続孔は、従来のように接続孔底部で金属が
薄くなっても、導電性化合物が有るために抵抗が高くな
ったりすることがなく、エレクトロマイグレーションに
対する信頼性が向上する。また、ボイドが存在しないた
めに、断面を観察しても外見が悪いということはない。

【００５０】さらに本発明は密閉室と、密閉室内の半導
体基板上に気体以外の流動体を供給する流動体供給系
と、密閉室内に気体を供給する気体供給系と、半導体基
板を回転させる回転系と、密閉室から気体を排気する排
気系を合わせ持った半導体製造装置により、上述した方
法を簡便に行なうことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例における半導体装置の製
造方法を示す工程断面図

【図２】本発明の第二の実施例における半導体装置の製
造方法を示す工程断面図

【図３】本発明の第三の実施例における半導体製造装置
の構造断面図

【図４】本発明の第四の実施例における半導体装置の構
造断面図

【図５】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図
の概略図

【符号の説明】

２第一の層間絶縁膜３金属配線４第二の層間絶縁膜５接続孔６金属膜６’ 第二の金属配線７空洞８流動体８’ 導電性化合物９密閉室１０ａ〜１０ｃバルブ１１支持台１２モーター１３タンク１４真空ポンプ１５気体供給系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された絶縁膜の所定領域に接
続孔を開口する工程と、前記接続孔内の側壁および底部
に少なくとも一層からなる金属を形成する工程と、大気
圧よりも低い第一の圧力において、流動体で前記金属の
表面を覆う工程と、前記基板を前記第一の圧力以上の第
二の圧力にし、第一の圧力と第二の圧力の差を利用して
前記接続孔内の空洞に前記流動体を移動させる工程と、
前記接続孔内の前記流動体を固化し、電気導電性を有す
る化合物とする工程とを有することを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項２】請求項１記載の半導体装置において、第一
の圧力が大気圧よりも低い圧力であることを特徴とする
半導体装置の製造方法。
【請求項３】請求項２記載の半導体装置において、前記
流動体が導電性高分子もしくは金属錯体もしくは固体イ
オニクスもしくはインジウムとスズを含む酸化物である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】請求項２記載の半導体装置において、流動
体で前記金属の表面を覆う方法が、前記基板を回転さ
せ、流動体を前記基板の表面に回転塗布することである
半導体装置の製造方法。
【請求項５】請求項２記載の半導体装置において、流動
体を固化する方法が流動体の加熱であることを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
【請求項６】基板上に形成された絶縁膜の所定領域に接
続孔を形成する工程と、前記接続孔内の側壁および底部
に少なくとも一層からなる金属を形成する工程と、前記
基板を第一の温度まで加熱した状態で、流動体で前記金
属の表面を覆う工程と、前記基板の温度を第一の温度よ
り低い第二の温度まで冷却し、前記接続孔内の空洞に前
記流動体を移動させる工程と、前記接続孔内の前記流動
体を固化し、電気導電性を有する化合物とする工程とを
有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】請求項６記載の半導体装置において、第一
の圧力が大気圧よりも低い圧力であることを特徴とする
半導体装置の製造方法。
【請求項８】請求項７記載の半導体装置において、前記
流動体が導電性高分子もしくは金属錯体もしくは固体イ
オニクスもしくはインジウムとスズを含む酸化物である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】請求項７記載の半導体装置において、流動
体で前記金属の表面を覆う方法が、前記基板を回転さ
せ、流動体を前記基板の表面に回転塗布することである
半導体装置の製造方法。
【請求項１０】請求項７記載の半導体装置において、流
動体を固化する方法が流動体の加熱であることを特徴と
する半導体装置の製造方法。
【請求項１１】密閉室と、前記密閉室内の基板を固定す
る支持台と、前記基板上に気体以外の流動体を供給する
流動体供給系と、前記密閉室内に気体を供給し、前記密
閉室内の圧力を上昇させることができる気体供給系と、
前記基板を回転させる機構と、前記密閉室から気体を排
気し、前記密閉室内の圧力を低下させることができる排
気系とを有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１２】半導体もしくは電極もしくは金属配線上
に形成された絶縁膜と、前記半導体もしくは電極もしく
は金属配線上の前記絶縁膜の所望の位置に開口された接
続孔と、前記開口部および前記絶縁膜上に形成された少
なくとも一層からなる金属配線と、少なくとも前記開口
部に形成された前記金属配線上に、導電性を有する化合
物が充填された構造の半導体装置。