JPH0878525A

JPH0878525A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0878525A
Application number: JP21399594A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Kato; 義彦加藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-09-07
Filing date: 1994-09-07
Publication date: 1996-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体装置の配線部分の接続孔内でのステップ
カバレッジを改善する。【構成】半導体装置の配線部分について、配線をスパッ
タ法で形成した後、配線自体を陰極として、電解メッキ
法、あるいは無電解メッキ法を用いることにより、接続
孔内のつきまわりの悪い部分にメッキ金属層を埋め込
む。接続孔内はその形状により電界強度が高くなるため
に、他の平坦部と比較してメッキ金属が析出しやすく、
つきまわりの悪い部分に容易に析出できる。メッキ金属
は一例として、金、銀、銅、ニッケル、クロムあるいは
これらを組み合わせた合金等である。【効果】半導体基板全体を配線層が覆っていることか
ら、メッキ液中の電解質、あるいは還元剤に含まれる汚
染源から半導体基板を守ることができる。従来の配線構
造を残したままメッキ法で補強してあるために、配線層
の長期信頼性の向上および配線層上に形成される絶縁膜
層の絶縁性の低下を防ぐこともできる。

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配線部分の
構造および製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体装置の高速化、微細化が盛
んに取組まれており、これに対応して配線構造は、配線
自由度の向上、配線負荷の低減を目的として、３層構造
等の多層化が進む傾向にある。そこで絶縁層を介する配
線間の接続の製造方法に関しても、様々な課題が生じて
きている。図２は半導体基板と配線層の接続部に関する
従来の半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図で
ある。以下、図２に従って、半導体基板と配線間の接続
部に関する従来の製造方法について説明する。

【０００３】図２（ａ）に層間絶縁膜を形成した段階で
の半導体装置の断面図を示す。２０１は半導体基板であ
り、２０２は素子分離領域である。ＭＯＳ型トランジス
タ２０３を半導体基板２０１上に形成する。２０４は半
導体基板２０１と第１層配線を絶縁するための層間絶縁
膜であり、例えば化学気相法により酸化シリコンで形成
される。この場合、絶縁膜容量を低下させるために、層
間絶縁膜２０４の膜厚はおよそ１ミクロン程度と厚くす
る必要がある。図２（ｂ）は配線の接続孔を形成した段
階での半導体装置の断面図である。半導体基板２０１と
第１層配線を接続するための接続孔２０５の製造方法の
代表的な一例として図２（ｂ）に示すような等方性エッ
チングと異方性エッチングの組合せによる方法が挙げら
れる。等方性エッチングにはウェットエッチングを用
い、異方性エッチングにはドライエッチングが用いられ
る。なお、デバイスのデザインルールが１ミクロン以下
になるに伴い、接続孔の直径も１ミクロン以下が必要と
されている。図２（ｃ）は金属配線を形成した段階での
半導体装置の断面図である。配線層２０６は、下層にシ
リコンとＡｌとの反応を防ぐためのバリアメタル層を、
例えば窒化チタンで設け、その上層に、おもにＳｉを添
加したＡｌ等の金属をスパッタ法により形成、フォト、
エッチング工程を経てパターニングされる。

【０００４】以上、従来の半導体装置の半導体基板と配
線間の接続部の製造方法の１例を示した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体集積回路
の高集積化、高密度化の要求にともない、半導体基板と
第１層配線、あるいは第１層配線と第２層配線とを接続
するための接続孔の微細化も当然進展している。それに
対して前記に示した従来の接続孔および配線の形成方法
では、接続孔内での配線のつきまわりの低下に関して問
題が生じる。

【０００６】具体的に最近の半導体装置の配線周りのデ
ザインルールに沿って上記課題を説明する。例えば、
０.８ミクロンゲート寸法デザインルールＭＯＳトラン
ジスタを用いる半導体装置の配線まわりのデザインルー
ルは一般的に次のようである。半導体装置の半導体基板
と配線間の絶縁層となる層間絶縁膜の膜厚は１ミクロ
ン、接続孔の直径は０.８ミクロン、接続孔と接続孔の
間隔は１ミクロンとする。

【０００７】接続孔の開孔プロセスで、第１にウェット
エッチングによる等方性エッチングがある。ウェットエ
ッチング量は、異方性エッチングで形成される接続孔の
垂直部分の高さを接続孔直径で割った値（以下、この値
をアスペクト比と記す。）を０.５以下になるように設
定したい。なぜならば、アスペクト比が０.５である場
合には、Ａｌをスパッタして配線を形成した際に、接続
孔の垂直部分の側壁につくＡｌ配線の膜厚を、平坦部で
のＡｌ配線膜厚で割った値（以下ステップカバレッジと
記す。）が０.１以下となり、例えば平坦部で５０００
Åの膜厚をつけたとき、側壁部では５００Å程度しかＡ
ｌがつかないこととなるためである。Ａｌ配線の膜厚が
薄くなることのデメリットとして、配線マイグレーショ
ン特性の劣化が起こり、配線の長期信頼性面で問題が発
生し、上記例でのＡｌ膜厚５００Åでは３年程度の寿命
しか確保できない。この他の課題として、接続孔垂直部
分でのＡｌ配線の低ステップカバレッジの状態では、接
続孔内の配線の埋め込まれた部分に０.２ミクロン程度
の間隙が発生する。配線層の上層におもに酸化シリコン
を用いて第２層絶縁膜層を形成した場合には、前記接続
孔内の間隙部分には第２層絶縁膜が入り込むことができ
なくなり、ボイド、クラックができて、第２層絶縁層の
絶縁性の低下を引き起こすことが考えられる。

【０００８】また、等方性エッチング量を決めるもう一
つの大きな要因として、等方性エッチの横方向の広がり
もある。接続孔間隔がデザインルール最小寸法で多数密
集するパターンで、周囲に隣接する８つの接続孔の等方
性エッチングされる部分と中心の接続孔の等方エッチン
グされる部分が重なると、接続孔間の層間絶縁膜厚が他
の部分と比較して薄くなってしまうことになる。

【０００９】つまり、接続孔の密集するパターン全体で
層間絶縁膜が薄くなることが起こる。このことにより接
続孔をパターニングする際に形成してあるフォトレジス
ト膜は、接続孔密集部分上で、層間絶縁膜と接すること
なく、浮いてしまう状態となり、レジストパターンのず
れ、あるいはレジストの剥離を引き起こし、接続孔の異
方性エッチングのパターンずれが発生してしまう。

【００１０】従って、等方性エッチング量については、
アスペクト比を０.５以下にしなくてはならないという
観点から深さ方向が、隣接する接続孔の等方性エッチン
グされる部分と重なりが生じないという観点から横方向
の量が決定されると言える。

【００１１】以上の点を前記デザインルールと照らしあ
わせてみる。仮にアスペクト比０.５を確保するのに必
要な等方性エッチング量は、接続孔の直径が０.８ミク
ロン、層間絶縁膜厚１ミクロンであることから、最低
０.６ミクロンとなる。また横方向のエッチング量は、
接続孔間の間隔が１ミクロンであることから、対角線上
で隣接する接続孔間の間隔を考慮して最大０.８ミクロ
ンとなる。なお、等方性エッチングといっても深さ方向
と横方向でのエッチング量は等しくなく、深さ方向１に
対し、横方向で１.３程度である。そこで、前記デザイ
ンルールでの等方性エッチング量を考えてみると、横方
向を仮に最大の０.８ミクロンの広がりにするとすれ
ば、深さ方向で０.６２ミクロンとなる。この場合、接
続孔のアスペクト比はおよそ０.４８とかなり大きいこ
とがいえるが、エッチング量を増せばパターンずれが生
じる可能性が高いため、これ以上増すことはできない。

【００１２】従って、前記デザインルールで従来の製造
方法に基づく配線接続孔の形成を行なった場合は、アス
ペクト比がほぼ０.５となり、前述した通り、ステップ
カバレッジの確保ができずに、配線の長期信頼性に問題
が生じること、接続孔内でボイド、クラックが発生し、
配線層上層の絶縁膜層の絶縁性の低下を招くことは明ら
かであり、半導体装置の微細化の対応の観点から限界で
あるといえる。しかし、前記従来の製造方法は、比較的
容易で、実績もあり安定した方法である点や、低コスト
であることから今後も継続して使用したい製造方法であ
ることも否定できない。

【００１３】そこで、本発明は前記のような課題を解決
しようとするものであり、その目的とするところは従来
の製造方法を踏まえた上で、ステップカバレッジの改善
を図り、配線部分の長期信頼性を向上させる技術を提供
するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

（手段１）おもに半導体基板−絶縁膜−金属配線からな
る半導体装置において、前記金属配線部分が少なくとも
バリアメタル層と配線層とメッキ法による埋め込み金属
層からなることを特徴とする半導体装置。

【００１５】（手段２）おもに半導体基板−絶縁膜−金
属配線からなる半導体装置の配線部分の製造方法におい
て、少なくとも接続孔を形成する工程と、配線層をスパ
ッタ法により形成する工程と、配線上に電解メッキ法あ
るいは無電解メッキ法による金属層を形成する工程と、
フォト、エッチングにより配線層をパターニングする工
程からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【００１６】（手段３）おもに半導体基板−絶縁膜−金
属配線からなる半導体装置の配線部分の製造方法におい
て、接続孔を形成する工程と、配線をおもにバリアメタ
ル層と配線層を組み合わせてスパッタ法により形成する
工程と、配線上に電解メッキ法あるいは無電解メッキ法
による金属層を形成する工程と、メッキ法により形成し
た金属層をエッチバックする工程と、反射防止膜をおも
に窒化チタンを主成分としてスパッタ法により形成する
工程と、フォト、エッチングにより配線層をパターニン
グする工程からなることを特徴とする半導体装置の製造
方法。

【００１７】（手段４）前記手段１の半導体装置におい
て、メッキ法により形成する埋め込み金属層を構成する
主要素が金、銀、銅、ニッケル、クロム、あるいは前記
金属の組合せからなる合金であることを特徴とする手段
１記載の半導体装置。

【００１８】

【作用】配線部分の信頼性を劣化させる要因として、配
線金属の低ステップカバレッジ、およびこれに起因し
た、配線層上の絶縁膜層で発生するボイド、クラックが
あげられる。本発明は、スパッタ法を用いて配線を形成
した後、配線自体を陰極として、電解メッキ法、あるい
は無電解メッキ法を用いることにより、接続孔内の配線
金属のつきまわりが良好でない部分に金属を析出させ、
ステップカバレッジを改善するものである。メッキ法を
用いる利点として、化学気相法やスパッタ法では配線金
属のつきまわりに限界のある接続孔内は、その形状によ
り電界強度が高くなるために、他の平坦部と比較してメ
ッキ金属が析出しやすく、つきまわりの悪い部分に容易
に析出できる。また、配線をスパッタで形成した後でメ
ッキを施すため、陰極に配線金属をそのまま用いる簡便
さや、半導体基板全体を配線層が覆っていることから、
メッキ液中の電解質、あるいは還元剤に含まれる汚染源
から半導体基板を守ることができるといった利点があ
る。

【００１９】なお、本発明が、従来のメッキを用いた製
造方法と異なる点について以下に示す。

【００２０】例えば、特開昭５９−１１５５８９、特開
昭６０−１４５６４５、特開昭６３−１２７５５０はい
ずれも、バリア層を介して配線接続孔を埋める金属配線
層はメッキ法だけにより形成されている。メッキ法によ
り形成された金属配線層は、不純物を多く含むなどの点
からマイグレーション特性などの信頼性上の問題点が大
きい。本発明の製造方法では、前記問題点に対し、従来
の配線構造を残したままメッキ法で補強してあるため
に、信頼性面で良好な特性が望められるといった作用も
得られる。

【００２１】

【実施例】図１は本発明による半導体装置の配線層の製
造方法を示す工程断面図である。以下、図１に従って、
本発明による半導体装置の配線層の製造方法の一例を説
明する。

【００２２】図１（ａ）は配線層となる金属を形成した
後の半導体装置の断面図である。ここまでの製造方法に
関しては、前記従来の技術で説明した半導体装置の製造
方法と同様である。１０１は半導体基板で、例えば比抵
抗１０Ω・ｃｍのＰ型シリコン基板を用いる。半導体基
板１０１上に素子を形成する。素子分離領域１０２は厚
い熱酸化膜で形成される。ゲート酸化膜１０３は例えば
乾燥酸素中、１０００℃、３０分の熱酸化で２０ｎｍ形
成される。ゲート電極１０４はゲート酸化膜１０３上に
多結晶シリコン膜を化学気相法により堆積させ、形成し
た。高濃度拡散層１０５は、Ｎチャンネルトランジスタ
の場合、例えば砒素イオンを５×１０¹⁵個／ｃｍ²注入
して形成する。半導体基板と配線層間を絶縁する層間絶
縁膜１０６は化学気相法により酸化シリコンで形成され
る。層間絶縁膜１０６は例えば膜厚は１ミクロンで形成
される。高濃度拡散層１０５と第１層配線とを接続する
ための接続孔１０７は、例えば等方性エッチングと異方
性エッチングの組合せにより形成される。例えば、等方
性エッチングには溶液を用いたウェットエッチングが、
等方性エッチングにはプラズマエッチングが用いられ
る。接続孔１０７の直径は例えば０.８ミクロンで、従
来のフォト工程によりパターニングする。金属配線１０
８は２層構造で、第１層目は半導体基板と配線材料であ
るアルミニウムとのシリサイド化反応を防ぐためのバリ
アメタル層でチタンと窒化チタンで形成される。第２層
目は主にシリコンあるいは銅を含むアルミ合金からな
り、スパッタ法により形成される。金属配線１０８の膜
厚はバリアメタルとアルミ合金の両方でたとえば０.６
ミクロンで形成される。

【００２３】前記接続孔１０７での金属配線１０８のつ
きまわりに関しては前記、発明が解決しようとする課題
に詳細したように、前記実施例の条件で製造すれば、接
続孔１０７の垂直部分での金属配線のつく膜厚はおよそ
０.０６ミクロンとなり、ステップカバレッジは０.１と
極めて低い値となってしまう。従って図１（ａ）に示す
ように接続孔１０７内部は金属配線１０８により壷状の
間隙ができる。前記間隙を以後、低カバレッジ部１０９
と記述する。

【００２４】従来の製造方法では金属配線１０８上には
パターニングの際のフォト工程でのハレーションによる
レジストパターンの形状異常を防ぐために、反射防止膜
として、おもに窒化チタンを形成するが、本発明では反
射防止膜の形成を行なう前にメッキ処理を行なう。メッ
キ処理方法は一例として電子部品、半導体装置に使用さ
れ、歩留り、信頼性上実績も高い金メッキ処理について
説明する。被メッキ材として前記半導体装置は陰極とし
て使用され、金属配線１０８が電源装置と接続される。
陽極にはたとえば、チタンメッシュ上に白金メッキした
板が使用される。メッキ浴には例えばメッキの電流効率
の変化の少ないクエン酸アンモニウム浴が使用され、濃
度は５０ｇ／ｌとする。浴組成は金源にシアン化金カリ
ウムが７ｇ／ｌ、電解質に硫酸アンモニウム５０ｇ／
ｌ、ｐＨ調整材としてクエン酸が用いられる。前記浴組
成で浴のｐＨは５から６.５と弱酸性を示す。メッキ槽
には円形槽が用いられ、前記電極がメッキ浴に浸され
る。直流電源にはセレン整流器が使用され、整流された
直流波形には一般的に３相全波整流が用いられる。処理
中は均一な金薄膜を形成するために、浴は液循環方式で
撹拌され、間接加熱で浴温度が保たれる。電流密度は
０.５Ａ／ｄｍ²、浴温度６０℃、メッキ時間１０分でお
よそ１.５ミクロンの厚みの金が析出され、析出された
金の純度は９９.９％となる。図１（ｂ）に金析出後の
半導体装置の断面図を示す。接続孔１０７内部の低カバ
レッジ部１０９は壷状の間隙であり、メッキ浴は水溶液
であるため、容易に低カバレッジ部１０９に入り込める
こと、また形状の凹凸が大きいため、金属配線１０８の
平坦部と比較して電界強度は５倍程度と高くなることか
ら、金メッキ層１１０は接続孔１０７でできた前記低カ
バレッジ部１０９を適切に埋めることが可能となり、接
続孔１０７内の低カバレッジ部１０９のステップカバレ
ッジは１を越えることになる。

【００２５】以上電解メッキ法による金メッキを説明し
たが、この方法以外に、無電解メッキ法で処理すること
も可能である。この場合メッキ浴には例えば、シアン化
金カリウム、クエン酸ナトリウム、塩化アンモニウム、
還元剤の次亜りん酸ナトリウムが用いられる。析出は還
元剤による反応で進むために、前記半導体基板に電圧を
印加する必要がないことや、金属配線１０８の浴への溶
出がないことが利点として挙げられる。

【００２６】図１（ｂ）の状態では半導体装置全面に金
属配線１０８が堆積され、上層に金メッキ層１１０が形
成されている。本発明の目的は金属配線１０８の低カバ
レッジ部１０９に金メッキ層１１０を形成すること、ま
た、金属配線１０８を形成するアルミニウムと金メッキ
層１１０は密着性が十分でなく界面で剥離が起る可能性
もあることから、低カバレッジ部１０９以外の金メッキ
層１１０は除去する必要がある。図１（ｃ）に金属配線
１０８平坦部の金メッキ層１１０を除去した場合の半導
体装置の断面図を示す。除去の方法として、例えば、ア
ルゴンイオンを前記半導体装置に照射し、物理的に半導
体装置表面をエッチングバックするイオンミリング法が
挙げられる。イオンミリング法によるエッチングは被エ
ッチング物質の材料に依存しないため、金属配線１０８
もエッチングされ、金属配線１０８の信頼性を損ねるこ
とも考えられる。従って、エッチング量は金メッキ層１
１０の平坦部で金がなくなる程度が望ましい。

【００２７】次に金メッキ層１１０を含む金属配線１０
８のパターニングについて説明する。パターニングに
は、一般的なフォト技術とエッチング技術を用いる。フ
ォト技術では、露光時の反射防止膜が必要である。図１
（ｄ）に反射防止膜１１１を形成した段階での半導体装
置の断面図を示す。反射防止膜１１１は、金属配線１０
８上に例えば窒化チタンをスパッタ法で形成する。さら
に反射防止膜１１１は金メッキ層上に形成されることか
ら、金により発生するパーティクルをキャップして、金
属配線１０８間の短絡を防ぐ効果もある。

【００２８】以上、実施例では金メッキについて説明し
たが、金以外にも様々なメッキ材が挙げられる。メッキ
材として用いる条件には、アルミニウム形成後のメッキ
処理であり、アルミニウムは両性金属なので、反応浴は
中性であることが望ましい。また、アルミニウムとの密
着性、つきまわりの良好性、表面の平滑さを考慮する必
要がある。ただし、半導体基板１０１に直接接触がない
ため、基板との仕事関数差については考慮する必要はな
い。これらの点より、金の他には、銀、銅、ニッケル、
クロムあるいは前記金属の組合せによる合金もメッキ材
として使用できる。また、工程短縮の観点から図１
（ｃ）に示したメッキ層１１０のエッチバックを行なわ
ず、そのまま前記メッキ層１１０を残すことも可能であ
る。加えて、クロム等をメッキ材として用いる場合、前
記メッキ層のエッチバックを行なわなければ、形成され
たクロムメッキ層が前記反射防止膜１１１の役割を果た
すことも可能である。

【００２９】また、前記実施例では、金属配線１０８
（バリアメタル層−アルミ配線層）−メッキ層１１０−
反射防止膜１１１という構造を示した。この構造以外に
も、接続孔１０７内にバリアメタルのみ形成後、前記と
同様なメッキ処理、エッチバック処理を施し、接続孔を
埋め込み、その後スパッタ法によるアルミ層と反射防止
膜を形成する方法により、バリアメタル層−メッキ層−
アルミ配線層−反射防止膜という構造に変えても前記実
施例と同様な効果が得られる。

【００３０】なお、本発明による製造方法は前記実施例
では半導体基板と接続される配線層で適用したが、配線
多層構造を有する半導体装置においては、どの配線層に
も適用できるといえる。

【００３１】

【発明の効果】以上本発明によれば、配線層を形成した
際に生じる配線接続孔内の低カバレッジ部分を良好に埋
め込むことが可能となり、半導体装置の配線層の信頼性
を著しく向上させることができる。また、配線接続孔上
部に形成される層間絶縁膜の絶縁性の低下を防ぐことも
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の製造方法を示す工程断面
図。

【図２】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面
図。

【符号の説明】

半導体基板１０１素子分離領域１０２ゲート酸化膜１０３ゲート電極１０４高濃度拡散層１０５層間絶縁膜１０６接続孔１０７金属配線１０８低カバレッジ部１０９金メッキ層１１０反射防止膜１１１半導体基板２０１素子分離領域２０２ＭＯＳ型トランジスタ２０３層間絶縁膜２０４接続孔２０５配線層２０６

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】おもに半導体基板−絶縁膜−金属配線から
なる半導体装置において、前記金属配線部分が少なくと
もバリアメタル層と配線層とメッキ法による埋め込み金
属層からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】おもに半導体基板−絶縁膜−金属配線から
なる半導体装置の配線部分の製造方法において、少なく
とも接続孔を形成する工程と、配線層をスパッタ法によ
り形成する工程と、配線上に電解メッキ法あるいは無電
解メッキ法による金属層を形成する工程と、フォト、エ
ッチングにより配線層をパターニングする工程からなる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】おもに半導体基板−絶縁膜−金属配線から
なる半導体装置の配線部分の製造方法において、接続孔
を形成する工程と、配線をおもにバリアメタル層と配線
層を組み合わせてスパッタ法により形成する工程と、配
線上に電解メッキ法あるいは無電解メッキ法による金属
層を形成する工程と、メッキ法により形成した金属層を
エッチバックする工程と、反射防止膜をおもに窒化チタ
ンを主成分としてスパッタ法により形成する工程と、フ
ォト、エッチングにより配線層をパターニングする工程
からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記請求項１の半導体装置において、メッ
キ法により形成する埋め込み金属層を構成する主要素が
金、銀、銅、ニッケル、クロム、あるいは前記金属の組
合せからなる合金であることを特徴とする請求項１記載
の半導体装置。