JPH098039A - 埋め込み配線の形成方法及び埋め込み配線 - Google Patents

埋め込み配線の形成方法及び埋め込み配線

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JPH098039A
JPH098039A JP15883595A JP15883595A JPH098039A JP H098039 A JPH098039 A JP H098039A JP 15883595 A JP15883595 A JP 15883595A JP 15883595 A JP15883595 A JP 15883595A JP H098039 A JPH098039 A JP H098039A
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groove pattern
wiring
insulating layer
conductive layer
layer
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Kazuhide Abe
一英 阿部
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  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 研磨表面の平坦化を確保できる埋め込み配線
の形成方法及び埋め込み配線を提供する。 【構成】 絶縁層12をエッチングすることによって、
絶縁層12に溝パターン13を形成すると共に絶縁層1
2からなり絶縁層12とほぼ同じ高さに達する島パター
ン14を溝パターン13内に所定間隔で形成する。溝パ
ターン13内を埋め込む状態で、絶縁層12上に導電層
15を成膜する。絶縁層12が露出するまで導電層15
を化学的機械研磨によって研磨し、溝パターン13内に
導電層15からなる埋め込み配線15を形成する。これ
によって、溝パターン14の開口幅を部分的に狭くした
状態で導電層15の化学的機械研磨を行い、ディッシン
グ現象を防止した埋め込み配線16の形成が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、埋め込み配線の形成方
法及び埋め込み配線に関し、特には半導体装置に用いら
れる埋め込み配線の形成方法及び埋め込み配線に関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体装置の製造工程では、化学
的機械研磨(Chemical Mechamical Polishing:以下、C
MPと記す)法を用いて埋め込み配線を形成する方法の
開発が進められている。この方法では、先ず、絶縁膜に
形成した溝パターン内を埋め込む状態で絶縁膜上に導電
層を成膜した後、CMP法によって絶縁膜上面が露出す
るまで上記導電層を研磨する。この研磨によって、溝パ
ターン内にのみ残った導電層を配線とする。この方法で
は、腐食性のエッチングガスを用いることなくかつ基板
温度を上昇させることなく導電層のパターニングを行う
ことができるため、配線の信頼性を向上させることが可
能になると共に、近年配線材料として注目されている銅
のパターン加工が容易になる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記半導体装
置の製造方法では、CMP法における研磨の終点検出方
法が確立されていないため、研磨時間を多めに設定して
絶縁膜上の導電層を完全に除去するようにしている。こ
のため、絶縁膜に形成した溝パターン内の導電層にまで
研磨が達する。このように、溝パターン内にまで研磨が
達した場合には、溝パターンの開口線幅に依存して導電
層の研磨が多く進むいわゆるディッシング現象が生じる
ため、埋め込み配線の上面に窪みが形成される。このデ
ィッシングによる窪みは、10μm以上の配線幅の埋め
込み配線では150nm以上の深さになる。したがっ
て、研磨表面を平坦化することができない。
【0004】そして、例えば上記研磨表面上に層間絶縁
膜を成膜すると、この層間絶縁膜の表面に研磨表面の窪
み形状が現れる。このような表面形状の層間絶縁膜に、
上記と同様の手順でCMP法を用いて上層埋め込み配線
を形成すると、層間絶縁膜に形成した溝パターン内の他
に上記窪み形状内にも導電層が残る。そして、溝パター
ン内の導電層すなわち上層埋め込み配線間に上記窪み形
状が位置する場合、この窪み形状内に残った導電層によ
って上層埋め込み配線間がショートしてしまう。したが
って、多層配線構造の信頼性を確保することが困難にな
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の埋め込み配線の形成方法は、絶縁層をエッ
チングすることによって当該絶縁層に溝パターンを形成
する際、当該溝パターン内に所定間隔で当該絶縁層から
なる島パターンを形成する。その後、絶縁層上に成膜し
た導電層を化学的機械研磨によって研磨して溝パターン
内に導電層からなる埋め込み配線を形成することを特徴
としている。
【0006】また、本発明の埋め込み配線は、埋め込み
配線内に、この溝パターンの底面から絶縁層の上面高さ
に達すると共に当該絶縁層と同様の材質からなる島パタ
ーンを所定間隔で配置してなることを特徴としている。
【0007】
【作用】上記埋め込み配線の形成方法では、絶縁層に溝
パターンを形成する際に当該溝パターン内に当該絶縁層
からなる島パターンを形成することによって、部分的な
開口幅が狭い溝パターンが形成される。このため、絶縁
層上の導電層を化学的機械研磨する際には、研磨が当該
絶縁層にまで達した後に、開口幅が広い溝パターン内の
導電層が絶縁層よりも速く研磨されるディッシング現象
が防止され、埋め込み配線の表面が平坦化される。
【0008】また、上記埋め込み配線の内部には、溝パ
ターンの底面から絶縁層の上面高さに達する絶縁層と同
様の材質の島パターンが配置されていることから、溝パ
ターンの部分的な開口幅が狭くなる。このため、当該埋
め込み配線は、開口幅が広い溝パターン内の導電層が絶
縁層よりも速く研磨されるディッシング現象を防止した
化学的機械研磨によって形成されたものになる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1(1)〜(3)は、本発明の請求項1記載の
埋め込み配線の形成方法を示す要部断面図であり、特に
図1(3)は請求項2記載の埋め込み配線の一例を示す
要部断面図である。ここでは、これらの図を用いて、請
求項2記載の埋め込み配線を形成する方法を第1実施例
として説明する。
【0010】先ず、図1(1)に示す第1工程では、例
えば、シリコンのような半導体からなる基板11上に絶
縁層12を成膜する。この絶縁膜12としては、酸化シ
リコン系の膜,窒化シリコン系の膜またはその他の絶縁
性材料で構成される膜が用いられ、ここでは酸化シリコ
ン膜を用いることとする。次いで、リソグラフィー法に
よって、ここでは図示しないレジストパターンを絶縁層
12上に形成する。その後、このレジストパターンをマ
スクにしたエッチングによって、絶縁層12に溝パター
ン13を形成すると共に、溝パターン13内に絶縁層1
2からなる複数の島パターン14を残す。
【0011】上記溝パターン13は、パッド部分や配線
部分を含む埋め込み配線形成用のものであり、例えば開
口幅W=10μm,深さD=0.35μmで形成する。
そして、上記島パターン14は、例えば上面が0.3μ
m×0.3μmの広さの正方形であり、長手方向及び短
手方向に隣接する島パターン14間及び溝パターン13
の側壁との間に、所定間隔d1 ,d2 で規則正しく配置
される。
【0012】ここで図2には、上記溝パターン内の埋め
込み配線と絶縁層とをCMP法によって研磨する際の、
溝パターンの開口幅とディッシング現象によって溝パタ
ーン内の導電層表面に生じる窪みの深さとの関係を示
す。このグラフから、溝パターンの開口幅が1μm以下
の範囲では当該溝パターン内の埋め込み配線にはディッ
シング現象による窪みが生じないことがわかる。このた
め、図1(1)に示した各島パターン14間の間隔をd
1 ,d2 =0.71μmに設定し、各島パターン14間
が1μm以下になるようにする。但し、簡略化のため図
面上では溝パターン13の短手方向に3列の島パターン
を配列した状態を示したが、短手方向には13列の島パ
ターンが配列されることになる。尚、島パターン14の
上面の形状及び上面積は限定されるものではない。ま
た、島パターン14の配置間隔も、後の工程で行われる
導電層の研磨量によって、溝パターン13内の導電層に
ディッシング現象による窪みが生じない間隔であれば、
上記に限定される値ではない。
【0013】次に、溝パターン13の内壁及び島パター
ン14の露出表面を含む絶縁層12の上面に、ここでは
図示しない下地層を成膜する。この下地層は、次の工程
で成膜する導電層と絶縁層12との密着層及び拡散防止
層になる材質を用いることとし、上記導電層として例え
ば銅を用いる場合には、上記下地層には、例えばCVD
法によって30nmの膜厚に成膜した窒化チタン膜を用
いる。
【0014】次に、図1(2)に示す第2工程では、溝
パターン13内を埋め込む状態で、絶縁層12上に導電
層15を成膜する。導電層15としては、アルミニウ
ム,銅,不純物を拡散させたポリシリコン等が用いら
れ、ここでは銅を用いることとする。この場合、スパッ
タ法によって0.4μmの膜厚で銅からなる導電層15
を成膜した後、ここで用いたスパッタ装置内の真空を破
壊することなく450℃の温度で30分間の熱処理を行
う。これによって、導電層15を溝パターン13内にフ
ローさせて当該導電層15の表面を平坦化する。
【0015】その後、図1(3)に示す第3工程では、
絶縁層12の上面が露出するまでCMP法によって導電
層15を上面から研磨する。ここでは、絶縁層12上面
の導電層15及び上記下地層が完全に除去されるまで導
電層15及び当該下地層を研磨して溝パターン13内に
のみ導電層15を残す。これによって、導電層15から
なる埋め込み配線16が形成される。この埋め込み配線
16は、溝パターン13の底面から絶縁層12の上面高
さに達すると共に絶縁層12と同様の材質からなる島パ
ターン14が所定間隔d1 ,d2 で配置されたものにな
る。
【0016】上記埋め込み配線の形成方法では、島パタ
ーン14の配置間隔を上記のように設定したことによっ
て、溝パターン13の部分的な開口幅が1μm以下にな
り、溝パターン13内の導電層15すなわち埋め込み配
線16にディッシング現象を発生させることなく研磨が
進行する。したがって、研磨表面17を平坦に保って埋
め込み配線16を形成することが可能になる。
【0017】このため、図3に示すように、埋め込み配
線16の上面を含む絶縁層12上に成膜した層間絶縁層
31の表面が平面形状になる。そして、この層間絶縁膜
31に溝パターン32とここでは図示しない埋め込み配
線16を露出させるスルーホールとを形成した後、上記
図1(2),(3)に示した第2工程及び第3工程と同
様にCMP法を用いて溝パターン32内に上層埋め込み
配線33を形成した場合、層間絶縁層31の表面上の一
部分に導電層が残ることはない。このため、上層埋め込
み配線33間が導電層残りによってショートすることが
防止される。したがって、埋め込み配線16及び上層埋
め込み配線33で構成された多層配線構造の信頼性を確
保するとが可能になる。尚、上層埋め込み配線33が形
成される溝パターン32内に、上記の図1(1)の第1
工程で示したと同様にして島パターンを形成することに
よって、さらに多層化が進んだ場合の多層配線の信頼性
を確保できる。
【0018】以上のように、信頼性の高い埋め込み配線
の形成が可能になることから、ドライエッチングによる
加工では信頼性に課題があった銅配線をドライエッチン
グフリーな工程で形成することが可能になる。すなわ
ち、RIEのようなドライエッチングによる銅配線の形
成では、基板温度を高温にする必要がある。しかし、基
板温度を高温にすることによって、銅配線の下地となる
バリアメタルが熱ストレスによる影響を受けて銅配線が
剥がれる場合があった。また、高温でのドライエッチン
グでは、エッチングガス成分である塩素と銅との化合物
がチャンバ内壁に付着することによってエッチングレー
トが変動する場合があった。このように、ドライエッチ
ングによる配線形成技術では、半導体装置への銅配線の
適用は困難であった。しかし、上記のようにドライエッ
チングフリーな工程で銅配線を形成することを可能にし
たことで、半導体装置への銅配線の適用を実用化するこ
とが可能になる。
【0019】次に示す図4は、埋め込み配線の第2実施
例を示す要部断面図である。この埋め込み配線16は、
上記第1実施例で示した埋め込み配線16の島パターン
14の上面形状を0.3μm×15μmのライン形状に
したものである。そして、この島パターン14は、溝パ
ターン13の長手方向に対してその長辺が平行になるよ
うに配置され、短手方向に位置する各島パターン14間
または島パターン14と溝パターン13の側壁との間が
1 =1μm以下の間隔に保たれるように配置される。
尚、島パターン14の上面の縦横比及び上面積は限定さ
れるものではない。また、島パターン14の配置間隔
も、後の工程で行われる導電層の研磨量によって、溝パ
ターン13内の導電層にディッシング現象による窪みが
生じない間隔であれば、上記に限定される値ではない。
【0020】上記構成の埋め込み配線16は、埋め込み
配線16の短手方向が島パターン14によって遮断され
た状態になっている。このことから、エレクトロマイグ
レーションやストレスマイグレーションによって埋め込
み配線16にボイドが形成された場合に、このボイドが
埋め込み配線16の短手方向を横断することが防止さ
れ、埋め込み配線16が断線することを防止できる。こ
れによって、電流密度が高くなる太い配線の信頼性の向
上を図ることが可能になる。
【0021】また、上記埋め込み配線16は、図1で示
したと同様の手順で製造される。この際、埋め込み配線
16の短手方向を遮断する島パターン14は、1μm以
下の間隔で配置されることから、上記第1実施例で形成
した埋め込み配線と同様に、ディッシング現象を防止し
た化学的機械研磨によって形成されたものになる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明の埋め込み配
線の形成方法によれば、絶縁層の溝パターン内に島パタ
ーンを形成して当該溝パターンの部分的な開口幅を狭め
ることによって、絶縁層上の導電層を化学的機械研磨し
て溝パターン内に埋め込み配線を形成する際に埋め込み
配線の表面にディッシング現象による窪みが形成される
ことを防止できる。したがって、研磨表面の平坦性が確
保され、埋め込み配線を適用した多層配線の信頼性の向
上を図ることが可能になる。
【0023】また、本発明の埋め込み配線によれば、絶
縁膜の溝パターン内に形成された埋め込み配線内に絶縁
層の上面高さに達する島パターンを配置して溝パターン
の部分的な開口幅を狭くすることで、当該埋め込み配線
をディッシング現象を防止した化学的機械研磨によって
形成したのものにすることが可能になる。したがって、
絶縁層及び埋め込み配線表面の平坦性を確保し、埋め込
み配線を用いた多層配線の信頼性の向上を図ることが可
能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例を説明する第1図である。
【図2】配線幅とディッシング深さを示すグラフであ
る。
【図3】第1実施例を説明する第2図である。
【図4】第2実施例を説明する図である。
【符号の説明】
12 絶縁層 13 溝パターン 14 島パターン 15 導電層 16 埋め込み配線

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁層をエッチングすることによって、
    当該絶縁層に溝パターンを形成すると共に当該絶縁層か
    らなり当該絶縁層とほぼ同じ高さに達する島パターンを
    当該溝パターン内に所定間隔で形成する工程と、 前記溝パターン内を埋め込む状態で、前記絶縁層上に導
    電層を成膜する工程と、 前記絶縁層が露出するまで前記導電層を化学的機械研磨
    によって研磨し、前記溝パターン内に当該導電層からな
    る埋め込み配線を形成する工程と、を行うことを特徴と
    する埋め込み配線の形成方法。
  2. 【請求項2】 絶縁層に形成された溝パターンと、当該
    溝パターン内に形成された埋め込み配線において、 前記埋め込み配線内には、前記溝パターンの底面から前
    記絶縁層の上面高さに達すると共に当該絶縁層と同様の
    材質からなる島パターンが所定間隔で配置されているこ
    とを特徴とする埋め込み配線。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の埋め込み配線において、 前記各島パターンは、前記溝パターンの短手方向に配置
    される各島パターンが長手方向に重なりを持って配置さ
    れていることを特徴とする埋め込み配線。
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