JPH07169834A - 層間接続孔の埋め込み方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、微細な層間接続孔にＡｌを選択性
良く埋め込む方法を提供することを目的とする。 【構成】 本発明に係るヴィア孔３ａの埋め込み方法
は、半導体基板上方の下層Ａｌ配線２上に酸化シリコン
層３を被覆する第１工程と、下層Ａｌ配線２上の酸化シ
リコン層３にドライエッチングを用いてヴィア孔３ａを
形成する第２工程と、ヴィア孔３ａにおける下層Ａｌ配
線２の露出表面に形成されている自然酸化膜２ａと、第
２工程によって生じた酸化シリコン層３ａ表面の変質層
３ｂと該変質層３ｂ上の汚染物４質とを、塩素と、炭素
と、水素とを含むガス雰囲気中でプラズマエッチングす
ることによって除去する第３工程と、有機金属ガスを原
料として用いた化学気相堆積法によりヴィア孔３ａ内に
アルミニウムを選択的に堆積する第４工程とを備えるこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の多層配線
構造に関するものであり、特に、Ａｌ配線上の微細な層
間接続孔の埋め込み方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術の高集積化、高密度化
に伴い多層配線構造が注目されている。このような多層
配線構造を半導体装置に形成する場合に、下層Ａｌ配線
と上層Ａｌ配線とを接続するための配線であるヴィアプ
ラグを形成するために、層間接続孔であるヴィア孔へ金
属材料を埋め込む技術が重要となってきている。例え
ば、１．０μｍ程度径以下の微細なヴィア孔の埋め込み
方法としては、Ａｌ−ＣＶＤ技術によってＡｌを選択的
にヴィア孔内に堆積させる技術がある。このＡｌ−ＣＶ
Ｄ技術とは、一般的に低抵抗で微細な孔埋めに優れた技
術として評価されている。

【０００３】このようなＡｌ−ＣＶＤ技術を用いて下層
Ａｌ配線上のヴィア孔部分にＡｌを選択的に堆積させる
際には、Ａｌ−ＣＶＤによる成膜前にＡｌ配線上に生ず
る自然酸化膜を除去する必要がある。これは、Ａｌ配線
上に自然酸化膜が残っていると、Ａｌ−ＣＶＤによる成
膜時に選択堆積が困難になるといった問題点や、ヴィア
抵抗の増大等の問題が生ずる。

【０００４】このため、従来、Ａｌ−ＣＶＤによるＡｌ
配線上への選択堆積の方法として、例えば、特開平３−
２９１９２０号公報では、ＣＣｌ₄ とＣｌ₂ の混合ガス
雰囲気中でＡｌ配線上の自然酸化膜をプラズマエッチン
グした後、大気にさらさずにジメチルアルミニウムハイ
ドライド〔（ＣＨ₃ ）₂ ＡｌＨ〕（以下、ＤＭＡＨとい
う）を原料として、このＡｌ配線上に選択的にＡｌを堆
積させる方法が開示されている。

【０００５】しかし、前処理としてＡｌ配線上の自然酸
化膜を除去しただけでは、ヴィア孔のみに埋め込むとい
う完全な選択性は得られない。このため、ヴィア孔内に
埋め込まれたＡｌと層間絶縁膜上に形成される上層のＡ
ｌ配線との接続が悪くなり、ヴィア抵抗が増大してしま
うといった問題があった。

【０００６】これらの問題点を解決するための手段とし
て、Ａｌ配線上のヴィア孔に選択性よく埋め込む技術と
して（ａ）半導体基板上方のアルミニウムを含む金属配
線上に層間絶縁膜を被覆する第１工程と、（ｂ）金属配
線上の層間絶縁膜にドライエッチングを用いてヴィア孔
を形成する第２工程と、（ｃ）ヴィア孔における金属配
線の露出表面に形成されている酸化アルミニウムと、第
２工程によって生じた層間絶縁膜表面の変質層とこの変
質層上の汚染物質とを、塩素を含むガス雰囲気中でプラ
ズマエッチングすることによって除去する第３工程と、
（ｄ）有機金属ガスを原料として用いた化学気相堆積法
によりヴィア孔内にアルミニウムを選択的に堆積する第
４工程とを備える技術がすでに開示されている（特願平
４−３４６８３８）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、生産性の観
点からは短時間でヴィア孔にＡｌの埋め込みが行えるこ
とが望ましく、Ａｌの成長速度を増加させるためには、
供給するＡｌ原料の量を多くすればよい。そこで、発明
者らが特願平４−３４６８３８に記載の技術を用いて供
給されるＡｌ原料の量を増加させ、即ち、従来ではＤＭ
ＡＨ分圧が３０ｍＴｏｒｒであったところをＤＭＡＨ分
圧を１５０ｍＴｏｒｒにまで増加させて選択堆積を行っ
たところ、以下のような問題点を生じた。

【０００８】１）ヴィア孔の周囲で層間絶縁膜上にＡｌ
が堆積する現象（選択破れ）が発生した。この選択破れ
で生じたＡｌは、パーティクルの原因となったり、上層
Ａｌ配線を形成するために行うドライエッチング時に除
去しきれなかったりするという問題点がある。

【０００９】２）ヴィア孔の内周面、特に内周面の上部
やヴィア孔の開口部にＡｌが堆積し、ヴィア孔の底部か
ら成長しにくくなるので、ヴィア孔が完全に埋め込まれ
なくなる。埋め込み性が悪いと配線抵抗が上昇したり、
エレクトロマイグレーション耐性が劣化したりするとい
う問題点が発生する。

【００１０】本発明者らの鋭意努力した実験・研究の結
果、上述した問題点はプラズマエッチング時のスパッタ
リング作用に起因するものであるとの結論を導くに至っ
た。そこで、この研究の結果得られた結論について若干
の説明を行う。

【００１１】一般にプラズマエッチング装置では、プラ
ズマと基板との間に電位差が生じ基板が負に帯電してお
り（シース効果）、エッチング中に下層金属配線はプラ
ズマ中の各種イオンの衝撃を受けてスパッタされる。ス
パッタされた金属は粒子となって空間中に放出される
が、粒子の運動は層間接続孔内では制限されるので、こ
の粒子は層間接続孔の内周面に付着しやすくなる。ま
た、一方でイオンはシース効果による電界により、基板
に対して垂直方向に加速されるので、層間接続孔の内周
面はイオン衝撃を受けにくくなる。従って、層間接続孔
の内周面に付着した金属粒子は再びスパッタされること
がないので、この内周面に残存することになる。

【００１２】例えば、下地金属配線がＴｉＮで、エッチ
ングガスがＢＣｌ₃ とＡｒとの混合ガスの場合であれ
ば、ＴｉＮはＢＣｌｘ⁺ イオンやＡｒ⁺ イオンのイオン
衝撃によってスパッタエッチングされ、層間接続孔の内
周面に付着する。なお、ここでＴｉＮは、トランジスタ
へのコンタクト電極のバリアメタルや、Ａｌ配線上の反
射防止膜として、あるいはＡｌ配線のエレクトロマイグ
レーション耐性を高めるための積層金属として用いられ
る。また、ＴｉＮ表面は空気、水及び有機溶剤によって
容易に酸化される。

【００１３】また、例えば、下地金属配線がＡｌで、エ
ッチングガスがＢＣｌ₃ とＡｒとの混合ガスの場合であ
れば、Ａｌは主としてＢＣｌ₃ から生成したＣｌ₂ と化
合してＡｌＣｌとして揮発する。しかし、すべてのＡｌ
がこのようにしてエッチングされるのではなく、ＢＣｌ
ｘ⁺ イオンやＡｒ⁺ イオンによるスパッタエッチングも
常に行われているので、金属ＡｌやＡｌイオンあるいは
非化学量論的組成の化合物となって層間接続孔の内周面
に付着することになる。

【００１４】このように層間接続孔の内周面に付着した
付着金属はＤＭＡＨの分解触媒として作用する。即ち、
電子不足型化合物である有機アルミニウムは一般に極め
て高いルイス酸性を示し、金属等の電子供与物質によっ
て還元される。従って、ＤＭＡＨは層間接続孔の底面
（例えば底面で露出した下地金属配線の表面）に向かっ
て供給される際に、この内周面に付着した金属の触媒作
用によってＡｌを析出し、その結果、層間接続孔の開口
部付近で底面に優先してＡｌが成長し、埋め込み不良を
きたすことになる。また、Ａｌ析出反応中に、主として
層間接続孔の開口部付近で生成した中間体は層間絶縁膜
の表面や気相中を拡散し、層間接続孔以外の層間絶縁膜
の表面部分に到達して、到達した部分にＡｌを析出させ
る。つまりこのようにして選択性が破られるのである。

【００１５】そこで、本発明は上記問題点を解決する層
間接続孔の埋め込み方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明に係る層間接続孔の埋め込み方法は、半導
体基板上方の金属配線上に層間絶縁膜を被覆する第１工
程と、金属配線上の層間絶縁膜にドライエッチングを用
いて層間接続孔を形成する第２工程と、層間接続孔にお
ける金属配線の露出表面に形成されている自然酸化膜
と、第２工程によって生じた層間絶縁膜表面の変質層と
該変質層上の汚染物質とを、塩素と、炭素と、水素とを
含むガス雰囲気中でプラズマエッチングすることによっ
て除去するとともに、炭素と水素とを含む重合膜を層間
接続孔の内周面に形成する第３工程と、有機金属ガスを
原料として用いた化学気相堆積法により層間接続孔内に
アルミニウムを選択的に堆積する第４工程とを備えるこ
とを特徴とする。

【００１７】

【作用】上記の方法によれば、第３工程で塩素によって
金属配線の露出した表面の自然酸化膜のみならず、層間
絶縁膜表面の変質層やこの上の汚染物質がプラズマエッ
チングにより除去されてる。さらに、プラズマ中で炭素
と水素とが反応して生じた重合膜が層間接続孔の内周面
にのみ形成されている。この重合膜は触媒作用がなく、
また大気中の塵などによって汚染されてもいない。従っ
て、第４工程にあたって、アルミニウムを層間接続の孔
底部のみから選択性良く堆積させることができる。

【００１８】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。

【００１９】まず、図１（ａ）に示すように、図示しな
い半導体基板上にＦＥＴ等の各種デバイスからなる下層
デバイス層１を形成し、この下層デバイス層１上に厚さ
５０００オングストロームの下層Ａｌ配線層２を形成
し、さらに、この下層Ａｌ配線層２上に厚さ１μｍの層
間絶縁膜である酸化シリコン層３を形成する。

【００２０】次に、図１（ｂ）に示すように、フォトリ
ソグラフィーを用いて酸化シリコン層３上にレジストパ
ターンを形成し、フッ素系の混合ガスを用いたドライエ
ッチングによりヴィア孔３ａを酸化シリコン層３に穿設
した後、酸化シリコン層３上のレジストパターンを除去
する。このとき、ヴィア孔３ａの底面に露出している下
層Ａｌ配線２の表面には自然酸化膜２ａが形成されてい
る。この自然酸化膜２ａはヴィア孔３ａの形成等にとも
なって形成されたものである。また、酸化シリコン膜３
の表面付近は、ヴィア孔３ａ形成過程で変質層３ｂが形
成されており、さらに変質層３ｂ上にはレジスト残りな
どの汚染物４が付着している。

【００２１】次に、上記の各層が形成された基板を平行
板型ＲＩＥ装置の図示しないエッチング室内に挿入し、
このエッチング室内にＡｒと塩素系のガスとしてＢＣｌ
₃ とを分圧比１対１の割合で導入するとともに、さらに
炭素原子及び水素原子を含む塩素系のガスとしてＣＨＣ
ｌ₃ （クロロホルム）をＡｒに対する分圧比で０．２の
割合で導入し、全圧０．１Ｔｏｒｒでプラズマエッチン
グを１５分間行った。このときのプラズマ電力は０．０
５Ｗ／ｃｍ³ 程度で、ＲＩＥ装置の電極間の距離は７ｃ
ｍであった。

【００２２】このプラズマエッチングの結果、図１
（ｃ）に示すようになった。すなわち、ヴィア孔３ａ底
面の自然酸化膜２ａは除去された。また、酸化シリコン
層３の表面側が約３００オングストローム除去されるこ
とによって、変質層３ｂ及び変質層３ｂ上の汚染物４が
取り除かれた。これは、塩素が下層Ａｌ配線や酸化シリ
コン層３の表面付近の変質層３ｂ及び汚染物質をプラズ
マエッチングし、浄化する作用を有するからである。ま
た、このプラズマエッチングによって、ヴィア孔３ａの
内周面にはプラズマ重合膜５が形成された。これは次の
ように説明される。即ち、炭素と水素とはプラズマ中で
反応し、有機重合膜であるプラズマ重合膜５を形成す
る。通常の重合反応では、モノマーが２重結合等の官能
基を持つことが必要であるが、プラズマ中で炭素と水素
とが共存する場合にはこのような官能基が存在しない場
合でも重合膜が形成される。この重合膜は酸化シリコン
層３の表面、ヴィア孔３ａの底面に露出した下層Ａｌ配
線及びヴィア孔３ａの内周面に堆積するが、ヴィア孔３
ａ以外は、基板に垂直に入射するイオンによってスパッ
タエッチングされてしまう。なお、この工程で用いるガ
スとしては、塩素と、炭素と、水素とを同時に含むガ
ス、若しくは同時に含むように配合されたガスであれば
特に制限はなく、このようなガスとしては次に示すもの
の中からそれぞれ任意に組み合わせたものを用いること
ができる。

【００２３】ここで、塩素成分を供給する原料として
は、Ｃｌ₂ 、ＨＣｌ、ＡｓＣｌ₃ 、ＣＣｌＦ₃ 、ＣＣｌ
₃ Ｆ、ＣＣｌ₂ Ｆ₂ 、Ｃ₂ Ｃｌ₃ Ｆ₃ 、ＣＣｌ₄ 、ＣＨ
₃ Ｃｌ、Ｃ₂ Ｈ₅ Ｃｌ、ＣＨＣｌ₃ 、Ｃ₂ ＨＣｌ₃ 、Ｇ
ｅＣｌ、ＰＣｌ₃ 、ＰＣｌ₅ 、ＰＯＣｌ₃ 、ＳｉＣ
ｌ₄ 、ＳｉＨＣｌ₃ 、ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ 、Ｓｉ（ＣＨ₃ ）
Ｃｌ₃ 、Ｓｉ（ＣＨ₃ ）₂ Ｃｌ₂ 、Ｓｉ（ＣＨ₃ ）₃ Ｃ
ｌ、ＳｂＣｌ₅ 、ＳｅＣｌ₂、ＳｎＣｌ₄ 、ＴｅＣ
ｌ₂ 、ＴｉＣｌ₄ 等がある。

【００２４】また、炭素成分を供給する原料としては、
ＣＨ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₆ 、Ｃ₃Ｈ₆ 、Ｃ₃ Ｈ₈ 、Ｃ
₄ Ｈ₁₀、Ｃ₂ Ｈ₄ 、ＣＦ₄ 、ＣＨＦ₃ 、ＣＯ、ＣＯ₂ 等
がある。

【００２５】さらに、水素成分を供給する原料として
は、Ｈ₂ 、ＮＨ₃ 、Ｎ₂ Ｈ₄ 、ＰＨ₃Ｂ₂ Ｈ₆ 、ＨＦ、
ＨＣＮ、ＡｓＨ₃ 等がある。

【００２６】なお、プラズマ媒体としてヘリウム、Ａ
ｒ、キセノン、窒素等を添加することもできる。さら
に、本発明の効果を著しく損なうことがなければ他の種
類のガスを添加してもよい。

【００２７】次に、この基板を大気にさらすことなく図
示しないＣＶＤ室に導入し、Ａｌ原料であるＤＭＡＨの
ガスとＨ₂ のガスとを用いたＣＶＤ法により、ヴィア孔
３ａ内にＡｌを堆積させることによってヴィアプラグ６
を形成した。このときヴィア孔３ａの底面から成長し、
ヴィア孔３ａが完全に埋め込まれている。これは層間絶
縁孔の内周面に形成されたプラズマ重合膜５が触媒作用
がなく、また、大気中の塵等による汚染を受けないため
である。なお、この場合、ＤＭＡＨはＨ₂ によってバブ
リングさせて供給されている。また、このときの成膜条
件は、基板温度が２６０℃で、全圧が２．０Ｔｏｒｒ
で、ＤＭＡＨ分圧が１５０ｍＴｏｒｒで、Ｈ₂ 流量が１
００ＳＣＣＭであった。このようなＡｌ成膜は選択性が
極めてよく、酸化シリコン層３上へのＡｌの堆積は全く
認められなかった。なお、埋め込み所要時間は約９０秒
であった。

【００２８】次に、この基板を大気にさらさずにスパッ
タ室へ搬入し、スパッタ法によって基板上にＡｌ合金膜
を形成し、このＡｌ合金膜を所望のパターンに加工し図
示しない上層Ａｌ配線を形成した。

【００２９】以上のようにして得られたヴィア構造で
は、微細なヴィア孔３ａであってもこれを良好な形状の
ヴィアプラグ６で埋め込むことができ、ヴィアプラグ６
と上層Ａｌ配線（図示せず）との接触を良好なものとす
ることができる。さらに、ヴィア孔３ａ底から自然酸化
膜２ａが除去されているので、ヴィア抵抗を極めて低く
することができる。実施例の場合、０．８μｍ径のヴィ
ア構造においてヴィア抵抗０．２Ω以下という非常に低
い値が得られた。

【００３０】以下、図２を参照しつつ従来技術に対応す
る比較例について説明する。図２（ａ）の工程では、下
層デバイス層１上に下層Ａｌ配線２を形成する。この下
層Ａｌ配線２上に酸化シリコン膜３を形成する。図２
（ｂ）の工程では、ドライエッチングを用いて酸化シリ
コン膜３にヴィア孔３ａを形成する。これら図２（ａ）
及び図２（ｂ）の工程は本発明に係る実施例と同じであ
る。図２（ｃ）の工程では、ＢＣｌ₃ とＡｒとの混合ガ
スを用いたプラズマエッチングを行い、ヴィア孔６ａの
底面の自然酸化膜２ａと酸化シリコン上の変質層３ｂ及
び変質層上の汚染物４とを除去する。但し、ヴィア孔３
ａの内周面には重合膜は形成されていない。

【００３１】図２（ｄ）の工程では、ＤＭＡＨとＨ２と
を用いたＣＶＤ法によりヴィア孔３ａ内にＡｌ成膜を行
うが、内周面が保護されないため、内周面や開口部付近
でＡｌの優先的成長が起こり、ヴィア孔３ａの底面から
Ａｌが成長しないのでヴィア孔は埋め込まれない。従っ
て、下層Ａｌ配線２と上層Ａｌ配線（図示せず）との電
気的な接続が不良となる。

【００３２】さらに、図３を参照しつつ、特願平４−３
４６８３８の技術との比較例について説明する。図３
（ａ）〜図３（ｃ）の各工程は、図２（ａ）〜図２
（ｃ）の各工程と同一の工程である。図３（ｄ）の工程
では、基板温度２６０℃で、全圧２．０Ｔｏｒｒで、Ｄ
ＭＡＨ分圧３０ｍＴｏｒｒで、Ｈ₂ 流量１００ＳＣＣＭ
である。この場合、Ａｌの選択性は比較的よく、酸化シ
リコン膜３上へはＡｌは堆積せず、また、埋め込みも下
層Ａｌ配線から行われるが、埋め込みに１０分を要し、
本発明に係る実施例に比べ６〜７倍の時間を要すること
が分かった。このように、堆積速度が小さい場合には、
埋め込み性・選択性が良好でも埋め込みに要する時間が
長くなるので、結果として生産性が低くなるという問題
点を持つことになる。

【００３３】なお、本発明においてＡｌ原料としては上
記実施例で開示したＤＭＡＨの他、トリメチルアルミニ
ウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミ
ニウム、トリプロピルアルミニウム、ジエチルアルミニ
ウムハイドライド、トリメチルアミンアラン、ジメチル
アルミニウムハイドライドアラン、トリメチルフォスフ
ィンアラン、トリメトキシアルミニウム、トリエトキシ
アルミニウム、ジメチアルミニウムクロライド、塩化ア
ルミニウム等を用いることができる。

【００３４】また、上記実施例では、基板上に形成され
る上層金属配線及び下層金属配線の接続のためにヴィア
プラグを例にして説明したが、本発明はこれに限定され
ず、例えばシリコン基板に形成される各種デバイスのコ
ンタクト部にも適用できる。さらに、アルミニウムを埋
め込む下地金属としては、ＴｉＮ、アルミニウムのほか
各種バリアメタル、反射防止膜、配線金属を用いること
ができ、これには例えば、ＴｉＷ、ＷＮ、Ｗ、Ｔａ、Ｔ
ｉ、ＴｉＳｉ_x 、ＷＳｉ_x 、ＣｏＳｉ_x 、Ｃｕ、Ａｕ等
がある。

【００３５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る層間接続孔の埋め込み方法によれば、第３工程で、金
属配線の露出した表面の自然酸化膜のみならず、層間絶
縁膜表面の変質層やこの上の汚染物質がプラズマエッチ
ングにより除去するとともに、層間接続孔の内周面を重
合膜によって保護しているので、第４工程にあたって、
アルミニウムを層間接続の孔底部のみから選択性良く堆
積させることができる。したがって、層間接続孔内に埋
め込まれたアルミニウムとその後層間絶縁膜上に形成さ
れる金属配線との接続の電気特性を極めて良好なものと
することができる。よって、非常に高い信頼性を有する
多層配線構造を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る層間接続孔の埋め込み方
法を示す工程図である。

【図２】比較例の方法を示す工程図である。

【図３】他の比較例の方法を示す工程図である。

【符号の説明】

２…下層Ａｌ配線、２ａ…自然酸化膜、３…酸化シリコ
ン層、３ａ…ヴィア孔、３ｂ…変質層、４…汚染物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上方の金属配線上に層間絶縁
   膜を被覆する第１工程と、 前記金属配線上の前記層間絶縁膜にドライエッチングを
   用いて層間接続孔を形成する第２工程と、 前記層間接続孔における前記金属配線の露出表面に形成
   されている自然酸化膜と、前記第２工程によって生じた
   前記層間絶縁膜表面の変質層と該変質層上の汚染物質と
   を、塩素と、炭素と、水素とを含むガス雰囲気中でプラ
   ズマエッチングすることによって除去するとともに、前
   記炭素と前記水素とを含む重合膜を前記層間接続孔の内
   周面に形成する第３工程と、 有機金属ガスを原料として用いた化学気相堆積法により
   前記層間接続孔内にアルミニウムを選択的に堆積する第
   ４工程と、 を備えることを特徴とする層間接続孔の埋め込み方法。