JPH08203900A - 多層配線形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 化学的機械研磨処理によるメタルプラグ形成
時にプラグ表面の凹凸形状の発生を防止し平坦なプラグ
表面が得られる多層配線形成方法を提供する。 【構成】 下層配線層１０１上に層間絶縁膜１０２を形
成し、該層間絶縁膜に前記下層配線層に連通する開口部
１０３を形成する工程と；前記開口部を含んで前記層間
絶縁膜上全面にメタル膜１０５を形成する工程と；前記
層間絶縁膜上のメタル膜を化学的機械研磨処理により前
記開口部内を残して除去し該開口部内にメタルプラグ１
０６を形成する工程と；前記層間絶縁膜上に前記開口部
内のメタルプラグに接続する上層配線層１０８を形成す
る工程とを含む多層配線形成方法において、前記層間絶
縁膜上全面にメタル膜１０５を形成後、前記化学的機械
研磨処理前に、前記メタル膜を非晶質化する工程を設け
た。

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製造過程にお
ける多層配線形成方法に関し、特に上層配線と下層配線
とを連結するコンタクトホールまたはビアホールを有し
ここにブランケットメタル技術や高温アルミスパッター
技術等によりメタル膜を形成し、これを化学的機械研磨
（ＣＭＰ）処理してメタルプラグを形成する多層配線形
成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化に伴って配線
パターンも高密度化し、配線形成技術はますます微細化
および多層化の方向に進み、半導体集積回路の製造プロ
セスにおける多層配線形成技術の占める比重はますます
大きくなっている。

【０００３】このような多層配線を形成する場合、例え
ばシリコン基板上に形成したトランジスタ等の能動素子
部上に、電極を介して第１層のアルミニウム配線パター
ンを形成し、この第１層配線上に層間絶縁膜を介して第
２層のアルミニウム配線パターンが形成される。第１層
および第２層の配線パターン同士は、層間絶縁膜に形成
したコンタクトホールやビアホール等の開口部に金属材
料を埋設してプラグを形成し、この金属プラグを介して
相互に電気的に導通させる。

【０００４】しかしながら、下層配線上に層間絶縁膜を
形成すると、この層間絶縁膜に下層配線パターンの形状
に従って段差が形成され、この段差が、配線の微細化と
多層化の進展によって、大きくなり且つ急峻となって上
層の配線パターンの加工精度やパターニングの信頼性を
低下させる原因となっていた。特にアルミニウム配線に
おいて、このような段差に対処した被覆性の大幅な改善
ができない現在、層間絶縁膜の平坦性を向上させる必要
がある。この平坦性向上の必要性は、リソグラフィーの
短波長化に伴う焦点深度の低下の点からも重要であり、
段差形成の問題は高精度、高品質、高信頼性の半導体装
置を製造するために重要な解決すべき問題点となる。

【０００５】このような問題に対処して層間絶縁膜の平
坦化を図るため、開口部形成前に層間絶縁膜全面に対し
化学的機械研磨処理を施すグローバル平坦化技術が検討
され一部実用化されている。

【０００６】もう一つの問題は、微細化されアスペクト
比の大きい（即ち縦長の）コンタクトホールやビアホー
ルに対し、信頼性の高いメタルプラグを形成することが
難しいという点である。この点に関し、これまでに各種
の絶縁膜の形成技術や平坦化技術およびメタルプラグ技
術が開発されてきた。その中でも特に、微細化されたコ
ンタクトホール等に配線材料を埋め込む技術としてメタ
ルプラグ技術が多層配線技術のキーテクノロジーとして
注目されている。このメタルプラグ技術としては、例え
ば、ブランケットＷ（タングステン）、選択成長メタル
技術、高温アルミスパッター技術、アルミリフロー技術
等が開発されている。このうち特にブランケットＷ等の
ブランケットメタル技術はプロセスは多少複雑になるも
のの安定な技術として量産現場でも実用化されている。
このブランケットメタル技術は、コンタクトホールを含
む層間絶縁膜全面にタングステン膜等のメタル膜を形成
しこれをエッチバック等によりコンタクトホール部分を
残して除去しコンタクトホール内にメタルプラグを形成
するものである。しかしながら、このブランケットメタ
ル技術においては、エッチバックの際のオーバーエッチ
ングによりコンタクトホール部分に凹部が形成され層間
絶縁膜に段差が生ずるプラグロスと呼ばれる問題が生じ
る。

【０００７】このようなエッチングによる問題を回避し
且つ前述のグローバルな層間絶縁膜の平坦化を図るため
に、メタル膜を化学的機械研磨処理するダマシーン（ｄ
ａｍａｓｃｅｎｅ）法が提案されている。このダマシー
ン法は、下層配線上に層間絶縁膜を形成しこの層間絶縁
膜に化学的機械研磨処理を施してグローバルに平坦化し
た後、この層間絶縁膜に下層配線に連通する開口部を形
成する。次にこの開口部を含む層間絶縁膜全面にメタル
膜を形成し開口部内にメタルを埋設する。その後、この
層間絶縁膜上のメタル膜を化学的機械研磨により完全に
除去して平坦化し、開口部内にメタルを残してメタルプ
ラグを形成する。その後、このメタルプラグ上に上層配
線を形成するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このダ
マシーン法についても、研磨に際しメタル埋設部の結晶
グレイン形状に基づいて凹凸が形成されるという問題が
起こる。この問題について図５および図６を参照して以
下に説明する。まず、下層配線１０１上に層間絶縁膜１
０２を形成し、この層間絶縁膜１０２に対し化学的機械
研磨処理を施して表面を平坦化する。その後、この層間
絶縁膜１０２にビアホール（またはコンタクトホール）
となる開口部１０３を形成する。この開口部１０３の内
面を含む層間絶縁膜１０２上にオーミック層（Ｔｉ）と
バリア層（ＴｉＮ）からなる密着層１０４を形成する。
この密着層１０４上にブランケットメタル（例えばタン
グステン）１０５を全面形成する（図５（ａ））。この
ブランケットメタル１０５は多結晶構造であり、小粒径
のグレイン領域内に大粒径のグレインが混在した構造で
ある。

【０００９】この後、図５（ｂ）に示すように、再び化
学的機械研磨処理により開口部１０３内を残してブラン
ケットメタル１０５および密着層１０４を研磨除去す
る。これにより、層間絶縁膜１０２の上面が完全に平坦
化するとともに、開口部１０３内にメタルプラグ１０６
が形成される。

【００１０】図６（ａ）は、このときのメタルプラグ１
０６をＳＥＭ写真により斜め方向から観察しこれを模式
的に図示したものであり、図６（ｂ）はそのｂ−ｂ断面
図である。図示したように、多結晶のメタルプラグ１０
６の表面には小粒径のグレイン１２１の領域内に大粒径
のグレイン１２０が形成されている。この断面形状は、
図６（ｂ）に示すように、凹凸が形成された形状であ
る。このような凹凸が形成される理由として、第１に、
大粒径のグレイン１２０の周囲の小粒径のグレイン１２
１が化学的機械研磨処理における機械的な力により剥離
され凹み１２２が形成されるためと考えられる。また第
２の理由として、グレインの大小によって研磨速度が異
なり、その結果小粒径グレイン領域に凹み１２２が形成
されるためと考えられる。

【００１１】このような凹凸は、例えば高温アルミスパ
ッター等により形成したアルミ膜の場合にも形成され
る。特にアルミの場合にはグレインが大きくなるので凹
凸形成が起こりやすいと考えられる。

【００１２】このような凹み１２２が形成されたメタル
プラグ１０６上に上層配線を形成すると、凹凸の影響で
上層配線の粒径や配向性に悪影響を与える可能性があ
る。この結果、上層配線の信頼性が悪化するおそれがあ
る。

【００１３】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなさ
れたものであって、化学的機械研磨処理によるメタルプ
ラグ形成時にプラグ表面の凹凸形状の発生を防止し平坦
なプラグ表面が得られる多層配線形成方法の提供を目的
とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明においては、下層配線層上に層間絶縁膜を形
成し、該層間絶縁膜に前記下層配線層に連通する開口部
を形成する工程と；前記開口部を含んで前記層間絶縁膜
上全面にメタル膜を形成する工程と；前記層間絶縁膜上
のメタル膜を化学的機械研磨処理により前記開口部内を
残して除去し該開口部内にメタルプラグを形成する工程
と；前記層間絶縁膜上に前記開口部内のメタルプラグに
接続する上層配線層を形成する工程とを含む多層配線形
成方法において、前記層間絶縁膜上全面にメタル膜を形
成後、前記化学的機械研磨処理前に、前記メタル膜を非
晶質化する工程を設けたことを特徴とする多層配線形成
方法を提供する。

【００１５】好ましい実施例においては、前記開口部形
成後に該開口部内面および前記層間絶縁膜上全面に密着
層を形成し、該密着層形成後に前記メタル膜形成工程を
行うことを特徴としている。

【００１６】別の好ましい実施例においては、前記メタ
ル膜材料は、タングステン、モリブデン、アルミニウ
ム、チタン、それらの合金またはそれらのシリサイドで
あることを特徴としている。

【００１７】さらに別の好ましい実施例においては、前
記非晶質化工程はイオンインプランテーションにより行
われることを特徴としている。

【００１８】

【作用】層間絶縁膜上面に形成されたメタル膜を化学的
機械研磨処理する前に、このメタル膜が、例えばイオン
インプランテーションにより、非晶質化される。これに
より開口部内のメタル膜も非晶質化してグレインがなく
なる。したがって、グレイン粒径の大小に基づく機械的
研磨力による小グレインの剥離がなくなり、凹凸形状は
形成されずメタルプラグ表面に均一な平坦面が形成され
る。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の実施例に係る多層配線形成方
法のフローチャートであり、図２は各別のステップにお
ける配線構造の要部断面図である。まず、図示しない基
板上に第１層（下層）の例えばアルミニウム配線１０１
がパターン形成される（ステップＳ１）。次に、この下
層配線１０１上に例えば酸化シリコン等の絶縁材からな
る層間絶縁膜１０２がＣＶＤ等により形成される（ステ
ップＳ２）。続いて、ステップＳ３において、層間絶縁
膜１０２全面を平坦化するために化学的機械研磨処理を
施す。

【００２０】この化学的機械研磨処理に用いる研磨装置
の基本構成を図４に示す。研磨処理すべきウエハ５はキ
ャリヤ６にセットされ機械的チャック手段（図示しな
い）により固定される。キャリヤ６にセットされたウエ
ハ５は研磨プレート３の上面のパッド（研磨布）９に対
向して配置される。パッド９上にはスラリータンク１０
からスラリー２が矢印Ａのように供給される。スラリー
２は模式的に図示してあるが、適当な研磨粉を液体に混
濁させたものである。

【００２１】研磨処理を行う場合には、スラリー２を矢
印Ａのようにパッド９上に供給した状態で、研磨プレー
ト３を矢印４のように回転させかつキャリヤ６を矢印７
のように回転させながら、キャリヤにセットしたウエハ
５を矢印８のように所定の押圧力でパッド９に押し付け
てウエハ表面を研磨する。研磨プレート３の回転数およ
びキャリヤ６の回転数と押し付け力を調整することによ
り、ウエハ５に対応した最適のあるいは所望の研磨条件
で研磨が行われる。

【００２２】このように全面をグローバル平坦化した層
間絶縁膜１０２に上下配線導通用のコンタクトホールと
なる開口部１０３をＲＩＥ等により形成する。（図１ス
テップＳ４）。

【００２３】次に、ステップＳ５において、この開口部
１０３の内面および層間絶縁膜１０２の上面に、オーミ
ック層（例えばＴｉ）およびバリヤ層（例えばＴｉＮ）
からなる密着層１０４が、例えばスパッタリング法又は
ＣＶＤ法等の方法により形成される。

【００２４】この後、開口部１０３内を含み層間絶縁膜
１０２の上面全面に例えばタングステンからなるブラン
ケットメタル（メタル膜）１０５を、減圧ＣＶＤ法等の
方法により形成する（ステップＳ６）。ここまでの積層
状態は図２（ａ）に示されている。なお、ブランケット
メタル１０５としては、タングステンに限らず、モリブ
デン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合
金、チタン（Ｔｉ）あるいはそれらのシリサイドを用い
ることができる。

【００２５】次に、ステップＳ７において、イオンイン
プランテーションによりブランケットメタル１０５を非
晶質化する。これにより、図２（ｂ）に示すように、層
間絶縁膜１０２上に非晶質メタル１０５’が形成され
る。なお、図では開口部１０３の上面で密着層１０４と
揃えて非晶質化メタル１０５’の境界面が描かれている
が、開口部１０３の内部の適当な深さまで非晶質化して
おくことが望ましい。

【００２６】このときのイオン打ち込み条件の一例を示
せば以下のとおりである。

【００２７】 イオン種 ：Ａｒ+ ドーズ量 ：５Ｅ１５ｃｍ-2 エネルギー ：５〜２０ｋｅＶ この場合、打ち込みエネルギーは研磨除去すべき膜厚と
同じになるように調整する。

【００２８】次に、ステップＳ８において、前記図４に
示した化学的機械研磨装置を用いて、ブランケットメタ
ル１０５を開口部１０３内を残して全面研磨し層間絶縁
膜１０２上を完全平坦化する（図２（ｃ））。これによ
り、開口部１０３に導通用メタルプラグ１０６が形成さ
れる。このような化学的機械研磨処理はメタルの研磨を
行うため、中性の雰囲気で行う。このため、スラリーは
水／アルコールに混濁させたものを用いる。具体的な研
磨条件の一例を示せば以下の通りである。

【００２９】 研磨プレート回転数 ：５０ｒｐｍ キャリヤ回転数 ：１７ｒｐｍ 研磨圧力 ：８ｐｓｉ 研磨パッド温度 ：３０〜４０℃ スラリー流量 ：２２５ｍｌ／ｍｉｎ このような研磨条件で化学的機械研磨処理を行い、ブラ
ンケットメタル１０５を研磨除去する。

【００３０】この研磨除去工程において、開口部１０３
の上部のメタル膜は非晶質化されているため、グレイン
がなくなり、グレイン粒径の大小に基づく研磨量の差に
よる凹凸の形成がなくなって平坦なメタルプラグ表面が
得られる。

【００３１】なお、この化学的機械研磨処理工程におい
て、メタル膜とともに密着層１０４も研磨除去してもよ
い。この場合、層間絶縁膜１０２の上面部分まで非晶質
化しておくことにより、メタルプラグ面と層間絶縁膜面
とが水平に一致して全体的にマクロな均一な平坦面が得
られるとともに、グレイン粒径の大小による微視的なミ
クロな凹凸がなくなり、平坦なメタルプラグ面および層
間絶縁膜面が得られる。

【００３２】この後、図３に示すように、この平坦な層
間絶縁膜１０２（または密着層１０４）上にアルミニウ
ム等の上層配線１０８を形成する（図１ステップＳ
９）。

【００３３】次に本発明の別の実施例について説明す
る。この別の実施例においては、図１のフローチャート
のステップＳ６において、メタル膜１０５を前記実施例
のタングステンに代えて、Ａｌ−１％Ｃｕにより形成す
る。このようなＡｌ−１％Ｃｕのメタル膜は、公知の高
温スパッタープロセスにより４５０〜５００℃の温度条
件で形成することができる。

【００３４】この後、前記実施例と同様に、このメタル
膜（Ａｌ−１％Ｃｕ膜）１０５をイオンインプランテー
ションにより非晶質化する。このときのイオン打込み条
件は前記実施例の場合と同じである。次に、前記実施例
と同様に、非晶質化したメタル膜１０５を化学的機械研
磨処理により研磨削除してメタルプラグ１０６を形成す
る。このときの研磨装置および研磨条件は前記実施例の
場合と同じである。その他のステップおよび構成、作用
効果については前記実施例と同様である。

【００３５】なお化学的機械研磨処理について、密着層
は酸性の雰囲気で行い、層間絶縁膜は塩基性の雰囲気で
行ってもよい。また、上記フローにおける各ステップの
具体的方法としては、公知のリソグラフィー技術や、Ｃ
ＶＤ、スパッターおよびＲＩＥ等の技術を適宜用いるこ
とができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、化学的機械研磨処理により層間絶縁膜内にメタルプ
ラグを形成し、このメタルプラグを介して上下の配線層
を導通させる多層配線構造において、メタルプラグ形成
のための化学的機械研磨処理前にメタル膜を非晶質化し
ておくため、グレインが消滅し、研磨後のメタル表面に
グレイン粒径の大小に基づく凹凸の形成が防止される。
したがって、化学的機械研磨による全体的な層間絶縁膜
の平坦化とともに微視的なメタルプラグ表面の平坦化が
達成され、信頼性の高い上層配線を安定して形成するこ
とができ、高品質で信頼性の高い半導体装置が確実に得
られ歩留りの向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明方法のフローチャートである。

【図２】 本発明の実施例に係る多層配線形成方法の各
ステップを順番に示す積層構造の要部断面図である。

【図３】 本発明方法により形成した多層配線構造の要
部断面図である。

【図４】 本発明方法を実施するための化学的機械研磨
装置の要部構成図である。

【図５】 従来の多層配線形成方法の各ステップを順番
に示す積層構造の要部断面図である。

【図６】 従来の多層配線形成方法により形成したメタ
ルプラグ表面に形成される凹凸状態の説明図である。

【符号の説明】

１０１：下層配線、 １０２：層間絶縁膜、 １０３：
導通用開口部、 １０４：密着層、 １０５：メタル
膜、 １０６：メタルプラグ、 １０８：上層配線。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下層配線層上に層間絶縁膜を形成し、該
   層間絶縁膜に前記下層配線層に連通する開口部を形成す
   る工程と；前記開口部を含んで前記層間絶縁膜上全面に
   メタル膜を形成する工程と；前記層間絶縁膜上のメタル
   膜を化学的機械研磨処理により前記開口部内を残して除
   去し該開口部内にメタルプラグを形成する工程と；前記
   層間絶縁膜上に前記開口部内のメタルプラグに接続する
   上層配線層を形成する工程とを含む多層配線形成方法に
   おいて、前記層間絶縁膜上全面にメタル膜を形成後、前
   記化学的機械研磨処理前に、前記メタル膜を非晶質化す
   る工程を設けたことを特徴とする多層配線形成方法。
2. 【請求項２】 前記開口部形成後に該開口部内面および
   前記層間絶縁膜上全面に密着層を形成し、該密着層形成
   後に前記メタル膜形成工程を行うことを特徴とする請求
   項１に記載の多層配線形成方法。
3. 【請求項３】 前記メタル膜材料は、タングステン、モ
   リブデン、アルミニウム、チタン、それらの合金または
   それらのシリサイドであることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の多層配線形成方法。
4. 【請求項４】 前記非晶質化工程はイオンインプランテ
   ーションにより行われることを特徴とする請求項１、２
   または３に記載の多層配線形成方法。