JPH069200B2 - 金属配線の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は金属配線の形成方法にかかり、特に高密度の半
導体装置の製造に使用されるものである。

（従来の技術） 従来、半導体装置に使用されている金属配線の例を第９
図を参照して説明する。

まず、シリコンウェーハ等の半導体基板１１上に絶縁膜
としてのシリコン酸化膜１２が形成され、その上にアル
ミニウム合金膜１３をスパッタリング法等を用いて約１
μｍの厚さで堆積させる（第９図(a)）。次にフォトレ
ジスト１４を堆積してパターニングし（第９図(b)）、
これをマスクとして異方性プラズマエッチング等の異方
性エッチング技術によりアルミニウム合金膜１３をエッ
チングすることにより、パターニングされたアルミニウ
ム配線層１５を形成する（第９図(c)）。続いてシリコ
ン酸化膜１６を層間絶縁膜としてＣＶＤ法により全面に
堆積する（第９図(d)）。

なお、多層構造とするときは、第９図（ｅ）に示すよう
に、シリコン酸化膜１６をエッチバック等の技術を用い
て平坦化した後、その所定位置に上下導通用の開口を設
け、再度アルミニウム合金膜をパターニングして第２の
アルミニウム配線１７層を形成し、その上にシリコン酸
化膜１８を堆積することが可能である。

このような方法により形成された金属配線において、配
線間隔が１−１．５μｍと微細化してくると第１０図
（ａ）に示すようにシリコン酸化膜１６が金属配線間に
完全に充填されにくくなり、ボイド１９を生じることが
ある。そしてこのようなボイド１９を減少させるために
シリコン酸化膜１６の形成温度を上昇させると、堆積中
にアルミニウムが成長してヒロック２０となり、隣接す
るアルミニウム配線とショートを起こすことがある。

このヒロックの原因はまだ正確に究明されてはいない
が、金属の再結晶化に伴うストレスあるいは金属とシリ
コンの熱膨脹係数の差異に基づくストレスが原因と言わ
れている。

また、多層配線の場合にボイド１９が障害となり、平坦
化が良好に行なえない。このようなボイドを含む絶縁膜
は通常の平坦部に堆積された膜と比較して膜質が劣り、
硬度が低く、またエッチング速度も大きい。したがって
多層配線工程中に前述したようなヒロックが発生し、隣
接配線間並びに上下配線間でショートが起りやすい。

さらに、アルミニウム膜を異方性エッチングによって配
線パターニングを行う場合にはレジストとの選択比は２
ないし３であること、および側壁に付着物が堆積するこ
と等のため、約０．２μｍのパターン変換差を生ずるた
めに、１μｍのラインおよびスペースを形成可能な分解
能を有するフォトリソグラフィ技術を用いてアルミニウ
ム膜をエッチングした場合、アルミニウム配線幅０.８
μｍ、スペース幅１.２μｍとなって線幅が細くなると
いう現象が見られる。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の金属配線の形成方法においては、微細
構造の場合、隣接配線間でショートが発生しやすいとい
う問題がある。また、従来の金属配線の形成方法におい
ては配線幅の減少からエレクトロマイグレーションやサ
ーマルマイグレーションなどに対する耐性劣化が問題と
なっている。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもの
で、隣接配線間でのショートを生じにくく、マイグレー
ションに対する耐性が大きく、かつ多層配線にも適した
金属配線の形成方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明にかかる金属配線の形成方法によれば、半導体基
板上に堆積された絶縁膜に予定された配線部に相当する
溝を形成する工程と、全面に金属層を形成し、溝内に金
属を充填させる工程と、溝部以外の金属を除去して溝内
に配線金属を残存させる工程と、全体に絶縁膜を形成す
る工程とを備えたことを特徴としている。

（作用） 本発明の方法では予め形成された溝に配線金属が充填さ
れるので、配線幅を広げることができる他、配線間には
良質な絶縁膜が介在するため、ヒロックによるショート
が発生しにくくなるとともにスペース幅を狭く、配線幅
を広く形成することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明にかかる金属配線の形成方法を図面を参照
して詳細に説明する。

第１図は本発明の方法を示す工程別素子断面図である。

まずシリコンウェーハなどの半導体基板２１上に絶縁膜
２２をＣＶＤ法等で堆積し、その上にＰＳＧ膜２３を約
４５０℃で常圧ＣＶＤ法により約１μｍの厚さで堆積す
る（第１図(a)。

次にＰＳＧ膜２３を配線パターンに対応して約１μｍの
深さでエッチングして溝２５を形成する（第１図
(b)）。このとき、残存部分２４は将来配線間のスペー
シングをなす部分となる。

続いて全面にＡ１・Ｓｉ（１％）・Ｃｕ（０.５％）の
合金膜２６をマグネトロンスパッタリング法を用いて基
板温度約５２０℃、堆積速度１５０Å／秒の条件で約８
０００Åの厚さに堆積させる（第１図(c)）。この段階
では基板温度が高温であり、堆積速度が大きいためにア
ルミニウム合金膜が半溶融状態で堆積され、溝の中は完
全に充填されることになる。

つぎに溝の外部に堆積されている合金膜２６を化学エッ
チング等により除去し、溝２５の中のみに残存した配線
２７を形成する（第１図(d)）。さらにこの上に層間絶
縁膜２８をプラズマＣＶＤ法を用い、３５０〜３８０℃
の条件で約１.４μｍの厚さに堆積させる（第１図
(e)）。なお、多層配線を形成しないときは層間絶縁膜
２８の代わりにパッシベーション膜とすれば良い。

続いて第２層の金属配線のための第２の溝３０を約１μ
ｍの深さで層間絶縁膜２８の表面に形成する（第１図
(f)）。

続いてパターニングされたレジスト３１を用いて層間接
続のための接続孔３２をエッチングにより形成し（第１
図(g)）、レジストを除去した後に第２のアルミニウム
合金膜を前述したのと同様に基板温度約５２０℃、堆積
速度１５０Å／秒の条件で約８０００Åの厚さに堆積さ
せ、第２の溝部以外の部分に堆積されたアルミニウム合
金膜をエッチング除去することによって第２の配線３３
を得る（第１図(h)）。

なお、溝が広いときには第２図(b)に示すように溝の中
央部で配線金属３５がくぼむ現象が見られるので、第２
図(a)に示すように１ないし２μｍの幅の複数の溝に分
割して配線金属３４を形成するようにすることが望まし
い。

第３図は溝が広い場合の配線金属形成の別の方法を示す
工程別断面図である。まず第３図（ａ）に示すように広
い溝部にアルミニウム合金膜（２６）を高温で堆積した
後に全面にレジスト膜（３６）を塗布する。この時レジ
スト膜は広い溝部にもほぼ平坦に塗布できる。しかる後
に該レジストを現像液でエッチバックし、該広い溝部に
のみにレジスト（３７）を残存させる（第３図(b)）。
次に化学エッチング等により溝の外部に堆積している合
金膜を除去すると溝内部の金属層３８はほぼ平坦となる
（第３図(c)）。この後、該残存レジストを除去すると
広い溝部に形成された配線金属３８を得ることができ
る。

また、このような配線金属を堆積させる際には、堆積を
行う基板に直流または交流のバイアスを印加してスパッ
タリングを行うバイアススパッタリングを採用すること
によって角度依存性を与え効率的に溝内を埋めることが
できるので、基板の加熱温度を低下させることができ
る。

第４図はボンディングパッドの形成の様子を示す工程別
断面図であって、第１図と同様の手順によって絶縁膜５
４中に埋め込まれてその上にパッシベーシヨン膜５２が
形成されたアルミニウム膜５１を露出させるため、パッ
シベーション膜５２の上にレジスト５３を所望の形状に
パターニングし（第４図(a)）、これをマスクとしてパ
ッシベーション膜５２と絶縁膜５４を５０００Åエッチ
ングする。これにより第４図(b)を示すようにアルミニ
ウム膜が突出するのでこれをボンディングパッドとして
使用することができる。

なお、上述した埋め込まれた金属配線層の形成にはトリ
イソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡ）を用いてＭＯＣＶ
Ｄ法によりアルミニウムを堆積させるような有機金属を
使用した方法を用いてもよい。

第５図は金属配線層の埋め込み方法の他の例を示す工程
別断面図であって、まず第５図(a)に示すように従来方
法で膜堆積を行えば溝には完全には埋め込まれないよう
にアルミニウム膜５６が堆積する。次にこれに電子ビー
ムあるいは赤外線を照射して溶融させると溝の中に流れ
込んで溝が完全に埋められた金属配線層５７が得られる
（第５図(b)）。

以上の実施例では配線用の金属としてアルミニウムを用
いているが、これに限ることなく他の金属を使用するこ
とができる。

第６図はこのような例としてタングステンを用いた実施
例を示す工程別素子断面図である。これによれば、まず
絶縁膜表面に溝７１を形成した後、ポリシリコン膜７２
をＬＰＣＶＤ法により約１０００Åの厚さで堆積させる
（第６図(a)）。次にエッチバックを行って溝内部のみ
にポリシリコン膜７２を残すようにし（第６図(b)）、
続いて選択ＣＶＤ法により溝内部にのみタングステンを
堆積させることによりタングステンの配線層７３を形成
する。この時ポリシリコン膜以外に、窒化チタン（Ｔｉ
Ｎ）などの金属膜でも同様に配線層形成を行うことが可
能である。

また、コンタクトホールの場合には以上説明した方法を
用いることも可能であるが、他の方法を採用することが
できる。

第７図はコンタクトホールへの金属の埋め込みの一実施
例を示す工程別素子断面図である。この実施例ではシリ
コン基板８１の表面に形成されたＮ^＋またＰ^＋の不純物
拡散領域８２に対してコンタクトを取るものとし、不純
物拡散領域８２の上に形成されているＢＰＳＧ等の絶縁
膜８３およびシリコン酸化膜８４に開口を設けるものと
する。

まず、所望のアルミニウム配線パターンに対応する溝９
１をシリコン酸化膜８４に形成し、その上にレジスト８
５を塗布し、第７図(b)に示すような拡散領域８２内に
位置するような開口部８７が得られるようにレジスト８
５をパターニングする。このパターニングされたレジス
ト８５をマスクとして異方性エッチングにより絶縁膜８
３および８４をエッチングすると拡散領域８２に開口８
７が形成されるとともに側壁部にテーパを有するコンタ
クトホール８６が形成される（第７図(c)）。

次にレジストを除去し、続いてチタンおよび窒化チタン
（ＴｉＮ）からなるバリアメタル層８９を全面に堆積
し、さらに配線材料としてのアルミニウムを基板温度４
５０いし５５０℃の条件でスパッタリング法により堆積
することにより、コンタクトホール内にアルミニウム９
０が充填される。最後にシリコン酸化膜８４の表面が露
出するように全面をエッチングすると第７図(d)に示す
ようなコンタクトホールへの金属埋め込み構造が得られ
る。

第８図はコンタクトを取る構造の他の実施例を示す工程
別素子断面図であって、第７図に示したのと同様な方法
で絶縁膜８３に設けられたコンタクトホール内に底面お
よび側壁にバリアメタル層１０１とその中にアルミニウ
ムまたはタングステンの金属層１０２を形成する（第８
図(a)）。

次に、この構造の上にシリコン酸化膜１０４を堆積さ
せ、前述した方法で金属層１０２に対応した位置および
配線パターンで溝を形成し、そこにアルミニウム膜１０
３を充填する（第８図(b)）。

このような方法で得られる接続構造は第８図(c)に示さ
れるようにコンタクトホール内の金属層１０２と配線金
属１０３とが多少パターンずれを生じていても接続に問
題を生じないので、高密度の半導体装置に適している。

〔発明の効果〕 以上のとおり、本発明にかかる金属配線の形成方法によ
れば、絶縁膜に形成された溝に金属を埋め込むようにし
て金属配線を形成しているので、隣接配線間に良質な絶
縁膜が存在することになり、ヒロックが発生してもショ
ートを起こしにくい。

また、金属配線を形成する際、溝幅をサイドエッチング
により広げることが可能となるため、金属配線の幅を増
加させてマイグレーションを減少させることができる。

さらに、多層配線の場合、第１層配線の上面が平坦にな
っていること、および特に第１層配線が複数の配線に分
割されているときヒロックの発生が少ないこと等から上
層の配線層をきわめて安定かつ信頼性高く形成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明にかかる金属配線の形成方法の一実施例
を示す工程別素子断面図、第２図は広幅の配線を形成す
る様子を示す素子断面図、第３図は広幅の配線を形成す
る他の方法の工程別素子断面図、第４図はボンデイング
パッドを形成する様子を示す工程別素子断面図、第５図
は金属の溝内への埋め込みを示す工程別素子断面図、第
６図は金属の溝内への埋め込みの他の方法を示す工程別
素子断面図、第７図および第８図はコンタクトの形成を
示す工程別素子断面図、第９図は従来の金属配線の形成
方法を示す工程別素子断面図、第１０図は従来の金属配
線の問題点を示す説明図である。 １１，２１，８１……半導体基板、１２，２２，２４，
３４……絶縁膜、１５，２６，３３，３８，５１，５
６，５７，７３，９０，１０３……アルミニウム膜。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に堆積された絶縁膜に予定さ
   れた配線部に相当する溝を形成する工程と、 充填用金属が半溶融状態になるような温度で全面に金属
   層を形成して前記溝内に前記金属を充填させる工程と、 前記溝以外の前記金属を除去して前記溝内に配線金属を
   残存させる工程と、 全体に絶縁膜を形成する工程とを備えた金属配線の形成
   方法。
2. 【請求項２】前記金属がアルミニウムあるいはアルミニ
   ウム合金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の金属配線の形成方法。
3. 【請求項３】金属層の形成がスパッタリングにより行わ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の金属配線の形成方法。