JPH09232430A - 半導体デバイスの配線形成方法及び配線構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 寸法を小さくしても電気的接続の信頼性低下
を抑える半導体デバイスの配線形成方法を提供する。 【解決手段】 本発明方法は、層間絶縁膜を貫通する接
続孔内に金属プラグを形成し、次いで金属プラグと導通
する上層配線を形成する半導体デバイスの配線形成方法
である。本発明方法は、金属プラグ１２の形成後に層間
絶縁膜２４をエッチングして金属プラグの上部を層間絶
縁膜上面から突出させる工程と、層間絶縁膜上及び金属
プラグ上面に上層配線層１０を成膜する工程と、上層配
線層をパターニングして突出した金属プラグ上に金属プ
ラグの断面寸法とほぼ同じ寸法のプラグ接触部１６とプ
ラグ接触部と同じ幅のリード部とを有するパターンの上
層配線を層間絶縁膜上に形成する工程とを備え、ボーダ
ーレスコンタクト構造の配線を形成する。これにより、
上層配線のパターニングの位置ズレが生じても、上層配
線と金属プラグの上面との接触面積は減少するが、上層
配線と金属プラグの突出した上部側面とが接触し、電気
的接続を確保することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
配線形成方法及び配線構造に関し、更に詳しくは、配線
密度を高めることができる半導体デバイスの配線形成方
法及び配線構造にに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高性能化及び高集積化に伴
い、半導体デバイスでの配線では、金属プラグによって
上層配線と下層の配線、上層配線と下層の素子領域とを
電気的に接続している多層配線構造が多用されている。

【０００３】以下に、図４から図９を参照して、更に詳
しく従来の半導体デバイスの配線形成方法を説明する。
図４は従来の配線形成方法により形成した上層配線の平
面図、図５は図４の矢視II−II断面の拡大図である。層
間絶縁膜２４上に形成された上層配線１０は、金属プラ
グ１２の上面１４と接触する略正方形のプラグ接触部１
６と、プラグ接触部１６のリード部２０とから構成され
ている。プラグ接触部１６は、上層配線１０の形成前に
露出していた金属プラグ１２の上面１４よりも多少大き
く形成され、金属プラグ１２の上面１４を覆って、金属
プラグ１２と接触している。層間絶縁膜２４上には、更
に、別の上層配線１８が上層配線１０に隣接してｍの間
隔で形成されている。

【０００４】従来の半導体デバイスの配線形成方法は、
先ず、スパッタリングにより下層配線層２２を形成し、
次いでＣＶＤ法により層間絶縁膜２４を形成する。次い
で、層間絶縁膜２４を貫通して下層配線層２２に達する
接続孔２６を形成し、接続孔２６内及び層間絶縁膜２４
上全面にスパッタリングにより密着層２８を成膜する。
更に、スパッタリングによりタングステン（Ｗ）膜等を
形成し、エッチングしてタングステン等からなる金属プ
ラグ１２を形成する。金属プラグ１２の上面は、層間絶
縁膜２４の上面と同じ高さに位置している。次いで、層
間絶縁膜２４上及び金属プラグ１２上全面に順次バリア
メタル層３０及び上層配線層１０を成膜し、更に上層配
線層１０をエッチングして所定のパターンにパターニン
グし、上層配線１０を得ている。

【０００５】上層配線層１０をパターニングする際、プ
ラグ接触部１６が、リソグラフィの精度上の問題から所
定位置から多少ズレて形成されたとしても、プラグ接触
部１６と金属プラグ１２の上面１４とが図６の拡大断面
図に示すように確実に接触するように、プラグ接触部１
６は、パターニングの位置ズレを見込んで、前述のよう
に金属プラグ１２の上面１４の寸法よりも多少広く形成
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の配線
構造において、配線密度を律する寸法は、図４に示すよ
うに、上層配線１０のプラグ接触部１６と隣り合う上層
配線１８との間の距離ｌである。配線密度を密にして半
導体デバイスの寸法を小さくするには、上層配線１０を
小さく、すなわちｍを小さして、距離ｌ＋金属プラグ１
２の上面幅の長さに近づける必要がある。一方、距離ｌ
はパターニングの精度から現状よりも小さく出来ない。

【０００７】そこで、図７に示すように、プラグ接触部
１６の形状を金属プラグ１２の上面１４と同一幅の長方
形状にするボーダーレスコンタクト構造にし、最短距離
ｌを維持しつつ上層配線のピッチをｎ（距離ｌ＋金属プ
ラグ１２の上面幅）に縮めて配線密度を高めることが検
討されている。図８は図７の矢視III −III 断面の拡大
図である。パターニングの位置ズレが生じなければ、図
８に示すように、金属プラグ１２の上面１４とプラグ接
触部１６との接触には問題ない。しかし、位置ずれが生
じた場合、図９に示すように、接触幅はｐに減少する。
このため、接触面積が減少し、接触不良による電気的接
続の信頼性低下等の問題が生じていた。

【０００８】以上のような事情に照らして、本発明の目
的は、電気的接続の信頼性を維持しつつ配線密度を高め
ることのできる半導体デバイスの配線形成方法及び配線
構造を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体デバイスの配線形成方法は、層
間絶縁膜を貫通する接続孔内に金属プラグを形成し、次
いで金属プラグと導通する上層配線を形成する半導体デ
バイスの配線形成方法において、金属プラグの形成後に
層間絶縁膜をエッチングして金属プラグの上部を層間絶
縁膜上面から突出させる工程と、層間絶縁膜上及び金属
プラグ上面に上層配線層を成膜する工程と、上層配線層
をパターニングして、突出した金属プラグ上に金属プラ
グの断面寸法とほぼ同じ寸法のプラグ接触部とプラグ接
触部と同じ幅のリード部とを有するパターンの上層配線
を層間絶縁膜上に形成する工程とを備え、ボーダーレス
コンタクト構造の配線を形成することを特徴としてい
る。

【００１０】ボーダーレスコンタクト構造の配線とは、
突出した金属プラグ上に金属プラグの断面寸法とほぼ同
じ寸法のプラグ接触部とプラグ接触部と同じ幅のリード
部とを有するパターンの上層配線を言う。本発明方法に
よれば、配線層のパターニングの位置ズレが生じて、金
属プラグの上面と上層配線のプラグ接触部との接触面積
が減少したとしても、金属プラグの突出部側面とプラグ
接触部とが接触して電気的接続のための接触面積を確保
することができるので、配線のプラグ接触部の寸法を金
属プラグの上面と同じ寸法に縮小して、配線のピッチを
小さくすることができる。よって、半導体デバイスの寸
法を小さくすることができる。

【００１１】層間絶縁膜の膜厚は、エッチング後に所定
の膜厚となるように、予めエッチングされる膜厚だけ多
く形成する。突出する高さは、パターニングの位置ずれ
が生じて金属プラグの上面と上層配線との接触面積が減
少しても、突出した金属プラグの側面との接触により補
償できる寸法である。本発明方法の配線層は、金属プラ
グの上面との間のバリアメタル層を含む概念である。ま
た、従来の方法と同様に、接続孔を形成した後、密着層
を成膜し、次いでブランケット法により金属プラグを形
成しても良く、密着層の成膜に代えて、選択Ｗ−ＣＶＤ
法等により接続孔内に金属プラグを形成しても良い。

【００１２】また、本発明方法により形成された半導体
デバイスの配線構造は、半導体デバイスの第１の配線と
それより上の第２の配線とを接続するために、第１の配
線と第２の配線の間の層間絶縁膜を貫通する金属プラグ
を有する配線構造において、層間絶縁膜より上に突出す
る金属プラグと、金属プラグの突出した部分に形成され
た金属プラグの断面寸法とほぼ同じ寸法のプラグ接触部
とプラグ接触部の幅と同じ幅のリード部とを有するパタ
ーンの配線層とを備えたボーダーレスコンタクト構造か
らなることを特徴としている。本発明において、第１の
配線は、配線に加えて、拡散領域等の基板領域を含む概
念である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、実施例を挙げ、添付図面
を参照して、本発明の実施の形態をより詳細に説明す
る。実施例 本実施例は本発明に係る半導体デバイスの配線形成方法
の一実施例であって、図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は
本発明方法を実施した際の各工程の基板断面図、図２は
配線層のパターニングの際に位置ずれが生じた場合の配
線層の平面図、及び、図３は図２の矢視Ｉ−Ｉの断面の
拡大図である。本発明方法により配線層を形成するに
は、先ず、従来の方法と同様にして、基板上に下層配線
層２２、例えば膜厚がそれぞれ１００ｎｍ、１００ｎ
ｍ、５００ｎｍ、１００ｎｍ及び１００ｎｍのＴｉＮ
層、Ｔｉ層、Ａｌ層、ＴｉＮ層及びＴｉ層の積層構造の
下層配線層２２を形成する。次いで、下層配線層２２上
に層間絶縁膜２４を成膜し、更に層間絶縁膜２４を貫通
して下層配線層２２に達する接続孔２６を形成する。次
いで、層間絶縁膜２４上及び接続孔２６内にそれぞれ膜
厚が１００ｎｍであるＴｉＮ層及びＴｉ層からなる密着
層２８を成膜し、続いてＷ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属のブラ
ンケット層を成膜し、エッチングして金属プラグ１２を
形成する（図１（ａ））。接続孔２６の開口寸法が小さ
い場合には、密着層２８のＴｉＮ層及びＴｉ層の厚さを
薄くしても良い。例えば、接続孔２６の開口寸法が０．
４μm以下の場合には、密着層２８のＴｉＮ層及びＴｉ
層の厚さをそれぞれ５０μm 及び２０μm とする。密着
層２８を形成する代わりに、選択Ｗ−ＣＶＤ法などによ
って接続孔内のみに金属プラグを形成する方法を使用し
ても良い。

【００１４】金属プラグ１２を形成した後、図１（ｂ）
に示すように、層間絶縁膜２４をエッチングして金属プ
ラグ１２の上部を層間絶縁膜２４から高さｑだけ突出さ
せる。次いで、層間絶縁膜２４上及び金属プラグ１２上
に密着層２８と同じ構成のバリアメタル層３０及び下層
配線層２２と同じ構成の上部配線層１０を順次成膜し、
更に上部配線層１０をエッチングして、図１（ｃ）に示
すように、所定のパターンの上部配線１０を形成する。
得た上部配線１０の平面は、図７に示すようになる。

【００１５】本発明方法において、上層配線層１０のパ
ターニングの際に、フォトリソグラフィの精度の理由か
ら図２に示すように上層配線層１０の位置ズレが生じた
とする。その結果、図３に示すように、上層配線層１０
のプラグ接触部１６と金属プラグ１２の上面との接触幅
はｐに減少する。しかし、金属プラグ１２の上部が層間
絶縁膜２４上に高さｑだけ突出しているので、層間絶縁
膜２４の表面の上に形成されている上層配線層１０は、
金属プラグ１２の突出部の高さｑに相当する側面にも接
触している。

【００１６】この結果、上層配線１０と金属プラグ１２
との接触面積は、金属プラグ１２の上面との接触面積は
低下するが側面との接触面積が増加し、上層配線１０と
金属プラグ１２の電気的接続に必要な接触面積が確保さ
れるので、従って、電気的接続について高い信頼性を維
持できる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、金属プラグの形成後に
層間絶縁膜をエッチングして金属プラグの上部を層間絶
縁膜表面から突出させ、次いで、幅が金属プラグ上部と
同じであるボーダーレスコンタクト構造に上層配線を形
成している。これにより、上層配線の形成位置のズレが
生じても、上層配線と金属プラグとの接触面積について
は金属プラグの上表面との接触面積は低下するが突出部
側面との接触面積が発生し、従って、電気的接続の信頼
性低下を抑えることができる。従って、上層配線のピッ
チを縮めて形成することができ、半導体デバイスの寸法
を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、実施例の半
導体デバイスの工程毎の断面図である。

【図２】実施例の半導体デバイスの平面図である。

【図３】図２の矢視Ｉ−Ｉの断面の拡大図である。

【図４】従来の半導体デバイスの平面図である。

【図５】図４の矢視II−IIの断面の拡大図である。

【図６】従来の半導体デバイスの金属プラグの断面拡大
図である。

【図７】半導体デバイスの上層配線の平面図である。

【図８】図７の上層配線の矢視III −III の断面の拡大
図である。

【図９】配線構造の金属プラグと上層配線の位置ずれを
説明する図である。

【符号の説明】

１０……上層配線（上層配線層）、１２……金属プラ
グ、１４……金属プラグの上面、１６……プラグ接触
部、１８……別の上層配線、２０……リード部、２２…
…下層配線層、２４……層間絶縁膜、２６……接続孔、
２８……密着層、３０……バリアメタル層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 層間絶縁膜を貫通する接続孔内に金属プ
   ラグを形成し、次いで金属プラグと導通する上層配線を
   形成する半導体デバイスの配線形成方法において、 金属プラグの形成後に層間絶縁膜をエッチングして金属
   プラグの上部を層間絶縁膜上面から突出させる工程と、 層間絶縁膜上及び金属プラグ上面に上層配線層を成膜す
   る工程と、 上層配線層をパターニングして、突出した金属プラグ上
   に金属プラグの断面寸法とほぼ同じ寸法のプラグ接触部
   とプラグ接触部と同じ幅のリード部とを有するパターン
   の上層配線を層間絶縁膜上に形成する工程とを備え、 ボーダーレスコンタクト構造の配線を形成することを特
   徴とする半導体デバイスの配線形成方法。
2. 【請求項２】 半導体デバイスの第１の配線とそれより
   上の第２の配線とを接続するために、第１の配線と第２
   の配線の間の層間絶縁膜を貫通する金属プラグを有する
   配線構造において、 層間絶縁膜より上に突出する金属プラグと、 金属プラグの突出した部分に形成された金属プラグの断
   面寸法とほぼ同じ寸法のプラグ接触部とプラグ接触部の
   幅と同じ幅のリード部とを有するパターンの配線層とを
   備えたボーダーレスコンタクト構造からなることを特徴
   とする半導体デバイスの配線構造。