JPH07130852A - 金属配線材料の形成方法 - Google Patents

金属配線材料の形成方法

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JPH07130852A
JPH07130852A JP5297389A JP29738993A JPH07130852A JP H07130852 A JPH07130852 A JP H07130852A JP 5297389 A JP5297389 A JP 5297389A JP 29738993 A JP29738993 A JP 29738993A JP H07130852 A JPH07130852 A JP H07130852A
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film
layer
metal
wiring material
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Keiji Shinohara
啓二 篠原
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンタクト孔をブランケット−W等の第1の
金属層で埋め込み、その上にさらにAl等の第2の金属
層を形成した積層構造の金属配線材料を形成するにあた
り、第2の金属層を表面平滑性よく形成する。 【構成】 基板1上に形成されている絶縁膜2にコンタ
クト孔aを形成し、次いでそのコンタクト孔aを埋め込
むように絶縁膜2上に第1の金属層5を形成し、さらに
第1の金属層5上に第2の金属層7を積層する金属配線
材料の形成方法において、第2の金属層7を基板温度を
400℃以上に加熱する高温スパッタ法により形成する
か、あるいは、第2の金属を通常のスパッタ法により成
膜後、基板温度を450℃以上に加熱して基板上で第2
の金属をリフローさせることにより第2の金属層を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置に配線を
形成する金属配線材料の形成方法に関する。さらに詳し
くは、この発明は、コンタクト孔を埋め込むブランケッ
ト−W等の金属層とその上に積層したAl等の金属層か
らなる積層構造の金属配線材料を、表面平滑性よく形成
する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、半導体装置の配線材料材料と
しては、比抵抗が低く、材料コストの低いAl又はAl
−Si等のAl系材料が広く使用されている。
【0003】一方、近年、半導体装置の設計ルールの微
細化に伴い、基板内でSiO等の層間絶縁膜を貫通す
るように設けるコンタクト孔の径が小さくなってきてい
る。ところが、層間絶縁膜の膜厚はほとんど変わってい
ないため、コンタクト孔のアスペクト比が大きくなって
きている。
【0004】しかしながら、アスペクト比の大きい配線
をAl系材料のみで形成すると、Al系材料は段差被覆
性が良くないのでコンタクト孔に導通不良が生じ易くな
り、半導体装置の信頼性が低下する。
【0005】これに対しては、コンタクト孔を形成した
後に、WFの還元反応を利用してコンタクト孔のみに
選択的にW膜を形成する所謂選択W−CVD法が提案さ
れている(特開昭62−229959号公報等)。しか
しながら、この選択W−CVD法により完全な選択性を
得ることは難しく、また、深さの異なるコンタクト孔を
同時に埋め込むことはできないという原理的な問題も存
在する。
【0006】そこで、コンタクト孔を形成した後に、そ
のコンタクト孔を埋め込むように絶縁膜の全面にW膜を
CVD法により堆積させ、次いでこのW膜をエッチング
してコンタクト孔内のみにW膜を残す所謂ブランケット
W−CVD法を用いた方法が提案されている(特開昭6
2−229959号公報等)。この方法によれば、深さ
の異なるコンタクト孔を同時に埋め込むことが可能とな
る。
【0007】また、このブランケットW−CVD法によ
れば、絶縁膜であるSiO膜上に予めSiO絶縁膜
とW膜との密着性を向上させる密着層としてTiON層
を形成し、次いでW膜を埋め込むことができる。さら
に、このブランケットW−CVD法によりW膜をSiO
絶縁膜上に形成する場合には、W自体の融点が338
0℃と高いので比較的高温でWが成膜されることとなる
が、このとき上述のTiON層がSiO絶縁膜とW膜
とのバリア層としても機能するので、WがSiO絶縁
膜へ侵入することを抑制でき、良好な電気的特性を得る
ことが可能となる。
【0008】しかしながら、ブランケットW−CVD法
によりコンタクト孔をカバレッジよく埋め込んでも、W
膜の比抵抗は10μΩ・cmであり、Al−Siの比抵
抗が2.9μΩ・cmであるのに対して電気抵抗が高
い。そのため、W膜のみで配線を形成する場合には配線
の断面積を大きくしなくてはならないという問題があ
る。
【0009】このような問題に対しては、コンタクト部
のみにWプラグを形成し、その上にAl−Si等の低抵
抗の配線層を積層した積層構造とすることが考えられ
る。この具体的な方法としては、まず、コンタクト部を
埋め込むようにブランケットW−CVD法によりW膜を
形成し、次に、形成したW膜をエッチバックしてプラグ
を形成し、このWプラグ上にAl−Si等からなる配線
層を形成する方法が考えられる。
【0010】しかし、この方法によるとW膜のエッチバ
ック工程が必要となるので配線の形成工程が複雑にな
る。また、エッチバック時にはSiO絶縁膜とW膜と
の間に形成したTi系の密着層もエッチバックされる
が、このときエッチバックを塩素ガスを用いて行うとW
膜よりもTi系の密着層の方がエッチング速度が速いた
めにコンタクト孔の側壁上部にくぼみが生じる。さら
に、W膜の形成時には、コンタクト孔内部ではその底面
と側壁とからWが堆積していくために、埋め込み終了後
のコンタクト孔の中央部では底部と側壁から成長したW
膜が接触して継ぎ目が生じ、この継ぎ目部分が脆弱にな
る。よって、埋め込み終了後にW膜をエッチバックする
と、この継ぎ目部分が多くエッチングされてくぼみが生
じる。このようにエッチバック後のW膜にくぼみがある
と、その上に形成する配線層の被覆性が悪化する。その
ため、配線の信頼性が大きく低下して問題となる。
【0011】そこでこのような問題に対して、この発明
者は、ブランケットW−CVD法によりW膜(第1の金
属層)でコンタクト孔を埋め込んだ後に、そのW膜をエ
ッチバックをすることなく、その上にAl系配線層(第
2の配線層)を形成する方法を提案した(特願平4−3
26128号明細書)。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ブランケットW−CVD法によりW膜を形成後、エッチ
バックすることなく、その上にAl系配線層を形成する
方法において、W膜のコンタクト孔内のカバレッジを向
上させるとW膜の表面に凹凸(例えば高低差200nm
程度)が発生する。このため、W膜の上にAl系配線層
を形成してもAll系配線層の表面にはW膜の凹凸がさ
らに強調した形状に形成され、Al系配線層のカバレッ
ジが低下するという問題があった。また、このAl系配
線層上にさらに配線構造を形成していくときに種々の悪
影響を及ぼすという問題もあった。例えば、この配線層
をフォトリソグラフィ法でパターニングする場合に、配
線層の表面が平滑でないと表面反射の影響で所期のパタ
ーンを形成することができないという問題があった。ま
た、この配線層にコンタクトプラグを形成する場合に、
コンタクトプラグと配線層との接触抵抗が増大するとい
う問題もあった。
【0013】一方、W膜の表面凹凸が減少するようにC
VD条件を制御すると、W膜のコンタクト孔内のカバレ
ッジが低下するという問題があった。
【0014】この発明は以上のような従来技術の課題を
解決しようとするものであり、コンタクト孔をブランケ
ット−W等の金属層で埋め込み、その上にさらにAl等
の金属層を形成した積層構造の金属配線材料において、
その表面平滑性を向上させることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】この発明者は、コンタク
ト孔をブランケット−W等の第1の金属層でコンタクト
孔を埋め込んだ後、その上に形成するAl等の第2の金
属層の形成時に、第2の金属層を400℃以上に加熱す
ればよいこと、より具体的には第2の金属層を高温スパ
ッタ法により形成するか、あるいは第2の金属を通常の
スパッタで成膜した後に基板を加熱して第2の金属膜を
基板上でリフローさせることにより第2の金属層を形成
すると上記の目的が達成できることを見出し、この発明
を完成させるに至った。
【0016】即ち、この発明は、基板上に形成されてい
る絶縁膜にコンタクト孔を形成し、次いで該コンタクト
孔を埋め込むように絶縁膜上に第1の金属層を形成し、
さらに第1の金属層上に第2の金属層を積層する金属配
線材料の形成方法において、第2の金属層形成時に基板
温度を400℃以上とすることを特徴とする金属配線材
料の形成方法を提供する。
【0017】以下、この発明を図面に基づいて詳細に説
明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成
要素を表している。
【0018】図1は、この発明の金属配線材料の形成方
法の基本的な態様を示す。この態様においては、まず、
図1(a)に示すように、基板1上に形成されている絶
縁膜2にコンタクト孔aを形成する。このような基板1
としては、特に制限はなく、例えば拡散層3が形成され
ているSi基板を使用することができる。また、この基
板1上の絶縁膜2としても、常法により形成した層間絶
縁膜を使用することができ、例えばCVD法により形成
したSiO膜とすることができる。コンタクト孔aの
開口方法も従来例と同様にフォトリソグラフ法を用いて
行うことができる。
【0019】次に、図1(b)に示すように、コンタク
ト孔aを埋めるように絶縁膜2上に第1の金属層5を形
成するが、この場合、好ましくは予め絶縁膜2上に、第
1の金属層5の密着性を向上させると共に絶縁膜2と第
1の金属層5との間のバリア機能も有する密着層4を形
成し、この密着層4の上に第1の金属層5を形成する。
【0020】このような密着層4は、スパッタ法、リア
クティブスパッタ法等によりTi系材料から形成するこ
とが好ましい。また、この密着層4は単一の層から構成
してもよく、複数層の積層構造としてもよい。例えば、
密着層4をTi層及びTiON層の積層構造とすること
ができる。
【0021】また、第1の金属層5としては、例えば
W、Mo、Ti、Pt、Cuもしくはこれらのシリサイ
ド化合物、又はAl系金属からなる金属層をCVD法に
より形成することができる。なかでもブランケットW−
CVD法によりW膜を形成することが好ましい。なお、
第1の金属層5としてAl系金属層をCVD法により形
成する場合、そのAl系材料としては(CHAl
等の有機アルミニウム化合物を使用することができる。
【0022】このようにして形成される第1の金属層5
は、図1(b)に示したように、コンタクト孔aの埋め
込み性よく形成すると、その表面に凹凸が形成される。
そこでこの発明においては、図1(c)に示すように、
第1の金属層5上に、好ましくは後述するように密着層
6を介して、第2の金属層7を、基板温度を400℃以
上とする高温スパッタにより形成し、配線材料とする。
【0023】この第2の金属層7の高温スパッタ時の基
板温度は、当該第2の金属層7を構成する金属の種類に
もよるが、通常400〜600℃が好ましく、450〜
500℃がより好ましい。このように、通常のスパッタ
条件よりも基板温度を高くする高温スパッタで第2の金
属層7を形成することにより、第2の金属層7を表面平
滑に形成することが可能となる。スパッタ時の基板温度
が300℃以下であると第2の金属層7の表面が十分に
平滑化されず、600℃を超えると第2の金属層7に高
温スパッタ特有の表面荒れが発生する。
【0024】あるいは、この発明においては、上述のよ
うな高温スパッタに代えて、通常の基板温度で第2の金
属をスパッタ成膜し、その後、基板温度を450℃以上
にし、基板上で第2の金属をリフローさせてもよい。こ
の方法によると、第2の金属の成膜時の基板温度は上述
の高温スパッタの場合よりも低くすることができるの
で、第2の金属層をより表面平滑性よく形成することが
可能となる。
【0025】このように第2の金属を成膜後リフローさ
せる場合、リフロー時の基板温度は、好ましくは450
〜500℃とする。基板温度を450℃よりも低くする
とリフローが不十分となり、逆に基板温度を600℃よ
りも高くすると第2の金属層自体が溶解し、平滑性が低
下する場合があるので好ましくない。
【0026】なお、コンタクト孔aを、W膜等の第1の
金属層5で埋め込むことなく、Al−Si等のAl系金
属を高温スパッタすることにより埋め込む場合には、高
温スパッタ時に基板温度を500℃程度に加熱する必要
があるが、この発明の方法では第2の金属層7の形成時
にコンタクト孔aは既にW膜等の第1の金属層5で埋め
込んであり、第2の金属層7はコンタクト孔aを埋め込
んでいるW膜等の第1の金属層5の表面凹凸を平滑化で
きればよいので、高温スパッタ時あるいはリフロー時の
基板温度は、高温スパッタでコンタクト孔aを埋め込む
場合に必要とされる基板温度よりも低い400℃以上と
すれば十分である。また、この発明においては、このよ
うに高温スパッタでコンタクト孔aを埋め込む場合より
も低い基板温度で高温スパッタすることができるので、
基板の熱履歴を緩和することができ、格別なバリアメタ
ル構造は不要となる。
【0027】以上のように高温スパッタあるいはリフロ
ーにより形成する第2の金属層の構成材料としては、A
l又はSi、CuもしくはTiを含有するAl系合金を
使用することがことが好ましい。
【0028】また、第2の金属層7の形成に先立ち、予
め第1の金属層5上にTi、TiON、TiN又はTi
Wからなる密着層6を形成しておくことが好ましい。こ
れにより第1の金属層5と第2の金属層7との密着性を
向上させることが可能となる。
【0029】以上のようにして形成したこの発明の金属
配線材料は、従来の配線材料と同様にフォトリソグラフ
法等を使用してパターニングすることができる。またこ
の発明の金属配線材料には、他の絶縁層又は配線層を積
層することができ、コンタクトプラグ等も形成すること
ができる。
【0030】例えば、図2に示すように、第2の金属層
7上に反射防止膜8を形成し、その上にレジスト膜9を
形成し、フォトリソグラフ法によりフォトレジストをパ
ターニングすることができる。この場合、第2の金属層
7は表面平滑に形成されているので、レジスト膜9を高
精度にパターニングすることが可能となる。
【0031】また、レジスト膜9をパターニング後、エ
ッチングすることにより、図3に示すように所定のパタ
ーンの金属配線にパターニングすることができる。な
お、このような配線の形成に際して使用する装置として
は特に制限はなく、従来より金属配線材料から配線を形
成する場合に使用されている種々の装置を使用すること
ができる。例えば、マイクロ波プラズマエッチング装
置、平行平板型エッチング装置、マグネトロンRIE装
置等を使用することができる。
【0032】
【作用】この発明の方法によれば、コンタクト孔を第1
の金属層で埋め込んだ後、その第1の金属層上に第2の
金属層を積層して金属配線材料を得るにあたり、第2の
金属層の形成時に基板温度を400℃以上に加熱する。
より具体的には、例えば、第2の金属層を高温スパッタ
により形成するか、あるいは第2の金属を通常のスパッ
タ法で成膜した後、基板を加熱してその第2の金属をリ
フローする。
【0033】したがって、第1の金属層の表面に凹凸が
形成されていても第2の金属層を表面平滑に形成するこ
とが可能となる。
【0034】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて具体的に
説明する。
【0035】実施例1 (i) 金属配線材料の形成 図1に示した工程にしたがって、次のように金属配線材
料を形成した。
【0036】まず、拡散層3が形成されているSi基板
1に層間絶縁膜2としてSiO膜を通常のCVD法に
より形成し、レジスト膜を塗布してフォトリソグラフ法
によりレジスト膜をパターニングし、このレジスト膜を
マスクとしてRIE装置により以下の条件Aで絶縁膜2
にコンタクト孔aを開口した(図1(a))。
【0037】[条件A] O/CHF=8/75sccm 圧力=50mtorr 高周波パワー=1000W 次に、密着層4としてTi層及びTiON層を順次積層
し、さらに第1の金属層5として、コールドウォール型
のCVD装置を使用して、以下の条件Bで、W膜を密着
層4を介して絶縁膜2の全面に堆積させた。
【0038】[条件B] H/WF(ガス比)=1/19 反応温度=400℃ 反応圧力=6.5torr こうして、W膜5をコンタクト孔aの直径の50%以上
の膜厚に形成した。このW膜5は、コンタクト部のカバ
レッジは良好であったが、表面には高低差約200nm
の凹凸が形成されていた(図1(b))。
【0039】次に、市販のマグネトロンスパッタリング
装置を用い、次の条件CでW膜5上に密着層6としてT
i層を形成し(第1ステップ)、その後基板温度を上昇
させて第2の金属層7としてSiを1%含有するAl−
Si合金膜を成膜し(第2ステップ)、この発明の金属
配線材料を形成した(図1(c))。
【0040】[条件C] 第1ステップ Arガス圧=2mtorr スパッタパワー=15kW 基板温度=200℃ スパッタ時間=4秒 第2ステップ Arガス圧=2mtorr スパッタパワー=7.5kW 基板温度=400℃ スパッタ時間=40秒 こうして得られたAl−Si膜7の表面は、W膜5の表
面凹凸にかかわらず平滑であった。 (ii)金属配線材料のパターニング (i) で形成した金属配線材料のAl−Si膜7上に、反
射防止膜8としてTiON膜をTiのO/Nガス中
でのリアクティブスパッタリング法により形成し、さら
にレジスト膜9を形成し、フォトリソグラフ法によりレ
ジスト膜9を図2に示したようにパターニングした。そ
の結果、レジスト膜9を高精度にパターニングすること
ができた。
【0041】次に、パターニングしたレジスト膜9をマ
スクとして、マイクロ波プラズマエッチング装置を使用
して次の条件Dで配線層をエッチングした。
【0042】[条件D] BCl/Cl=60/90sccm 圧力=1.1Pa(8mtorr) マイクロ波電流=300mA 基板バイアス=40W なお、このようなエッチング条件にすることにより、T
iON膜8、Al−Si膜7、Ti層6は塩素ガス系の
プラズマによってエッチングされる。しかし、エッチン
グが進行してW膜5が露出するとタングステンの塩化物
が形成され、このタングステンの塩化物は蒸気圧が低い
ためにエッチングが殆ど進行しなくなる。そこで、W膜
5が露出した時点で次の条件Eにエッチング条件を切り
替え、フッ素ガスと塩素ガスの混合ガス系で放電を行っ
た。
【0043】[条件E] SF/Cl=80/40sccm 圧力=1.1Pa(8mtorr) マイクロ波電流=300mA 基板バイアス=30W このような混合ガス系の条件とすることにより、エッチ
ング時にタングステンのフッ化物が生じるが、タングス
テンのフッ化物の蒸気圧は高いので、W膜5のエッチン
グは容易に進行した。また、このようなエッチング時に
は、塩素ラジカルとW膜との反応により蒸気圧の低いタ
ングステンの塩化物、例えばWCl、WCl等も形
成されるが、これらタングステンの塩化物はエッチング
底面ではイオンの入射によるスパッタリング反応により
除去され、一方、エッチング面の側壁では側壁保護膜と
して作用し、フッ素ラジカルのサイドアタック反応を防
止する。したがって、このエッチング条件によりW膜の
異方性加工を行うことができた。また、このエッチング
により、W膜5の下地となっていた密着層4もエッチン
グされた。なお、W膜5及び密着層4がエッチングされ
てSiO絶縁膜2が露出した後は、そのSiO絶縁
膜2に対する金属配線材料のエッチングの選択性を向上
させるために、エッチング条件を、フッ素ガスを使用し
ない前述の条件Dに切り替えても良い。
【0044】こうして図3に示したように、金属配線材
料をパターニングすることができた。
【0045】実施例2 実施例1と同様にして、拡散層3を有するSi基板1に
SiO絶縁膜2を形成し、コンタクト孔aを開口し、
密着層4を形成後、W膜5を形成した。
【0046】その後、通常のマグネトロンスパッタ法に
より、基板温度を200℃にしてTi層6及びAl−S
i膜7aを形成した。その結果、図4(a)に示したよ
うに、Al−Si膜7aの表面は、W膜5の表面凹凸が
誇張された凹凸形状になっていた。
【0047】次に、スパッタ装置内を減圧下のまま基板
温度を500℃として90秒間維持した。これにより、
Al−Si膜7aはリフロ−し、W膜の表面凹凸にかか
わらずその表面が平滑化されたAl−Si膜7となり、
この発明の金属配線材料を形成することができた(図4
(b))。
【0048】この後は実施例1(ii)と同様な操作を繰り
返すことにより、金属配線材料をパターニングすること
ができた。
【0049】比較例1 実施例1の金属配線材料の形成方法において、Al−S
i膜7を高温スパッタにより形成することなく従来のス
パッタリング法で形成する以外は実施例1と同様にして
金属配線を形成し、その上にレジスト膜9をパターニン
グした。
【0050】その結果、図5に示したように、Al−S
i膜7aの表面にはW膜5の表面凹凸が誇張された形状
の凹凸が形成されており、パターニングしたレジスト膜
9の側壁が露光時の乱反射の影響で荒れていた。
【0051】
【発明の効果】この発明の方法によれば、コンタクト孔
をブランケット−W等の金属層で埋め込み、その上にさ
らにAl等の金属層を形成した積層構造の金属配線材料
において、その表面平滑性を向上させることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の方法の工程説明図である。
【図2】この発明の方法により形成した金属配線材料上
にレジスト膜をパターニングした状態の断面図である。
【図3】この発明の方法により形成した金属配線材料を
パターニングした状態の断面図である。
【図4】この発明の方法の他の態様の工程説明図であ
る。
【図5】従来の方法により形成した金属配線材料上にレ
ジスト膜をパターニングした状態の断面図である。
【符号の説明】
1 基板 2 絶縁膜(SiO膜) 3 拡散層 4 密着層 5 第1の金属層(W膜) 6 密着層(Ti層) 7 第2の金属層(Al−Si膜) 8 反射防止膜(TiON膜) 9 レジスト膜 a コンタクト孔

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成されている絶縁膜にコンタ
    クト孔を形成し、次いで該コンタクト孔を埋め込むよう
    に絶縁膜上に第1の金属層を形成し、さらに第1の金属
    層上に第2の金属層を積層する金属配線材料の形成方法
    において、第2の金属層形成時に基板温度を400℃以
    上とすることを特徴とする金属配線材料の形成方法。
  2. 【請求項2】 第2の金属層を基板温度を400℃以上
    とする高温スパッタ法により形成する請求項1記載の金
    属配線材料の形成方法。
  3. 【請求項3】 第2の金属層を構成する金属を第1の金
    属層上にスパッタ後、基板温度を450℃以上に加熱し
    て基板上で該金属をリフローさせることにより第2の金
    属層を形成する請求項1記載の金属配線材料の形成方
    法。
  4. 【請求項4】 第1の金属層として、W、Mo、Ti、
    Pt、Cuもしくはこれらのシリサイド化合物、又はA
    l系金属からなる金属層をCVD法により形成する請求
    項1〜3のいずれかに記載の金属配線材料の形成方法。
  5. 【請求項5】 第2の金属層として、Al層又はSi、
    CuもしくはTiを含有するAl系合金層を形成する請
    求項1〜4のいずれかに記載の金属配線材料の形成方
    法。
  6. 【請求項6】 第1の金属層上にTi、TiON、Ti
    N又はTiWからなる密着層を形成後、この密着層の上
    に第2の金属層を形成する請求項5に記載の金属配線材
    料の形成方法。
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