JPH10229092A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 初期の等方エッチングで電極にピンホールが
発生する事故を防止した半導体装置の製造方法を提供す
る。 【解決手段】 電極配線２９となる第１のアルミ層２１
を堆積し、その表面に意図的に第１の酸化物層２２を形
成する。第１の酸化物層２２の上に再び第２のアルミ層
２３を薄い膜厚で形成する。第２のアルミ層２３の表面
には、このウェハの製造工程を進める上で不可避的に第
２の酸化物層２４が形成される。第２の酸化物層２４の
上にレジストマスク２５を形成し、第１のアルミ層２１
の膜厚の半分程度まで等方エッチングを行い側壁にテー
パ２８を形成する。続いて残りの膜厚を異方性エッチン
グして、電極配線２９を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電極配線にピンホ
ールが発生することを防止した半導体装置の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化、高密度化は、集積化
した能動・受動素子間の電気的接続を行う配線技術の高
密度化に大きく左右される。高密度化に伴い電極配線の
線幅はより狭くなり、配線間の距離も狭くなる。配線間
の距離が狭くなると、両者の間に狭い谷間が形成され、
多層配線を行うときの層間絶縁膜の被覆性が悪化するの
で、前記谷間での絶縁膜の被覆性を改善することが新た
な問題点として浮上する。

【０００３】この問題点を改善するため、例えば特開平
３ー１１６９３０号や、本願出願人における特願平７ー
１３４５０７号に記載したように、配線層側壁の上部に
テーパを設けることを提案している。即ち、先ず図５
（Ａ）を参照して、絶縁膜１上に電極配線材料であるア
ルミ層２を形成し、アルミ層２をパターニングするため
のレジストマスク３を形成する。

【０００４】図５（Ｂ）を参照して、その膜厚の半分程
度まで、アルミ層２を等方性エッチングする。図５
（Ｃ）を参照して、レジストマスク３により残りの膜厚
を異方性エッチングして、アルミ層２からなる電極配線
４、５を形成する。図６（Ａ）を参照して、レジストマ
スク３を除去し、図６（Ｂ）を参照して、電極配線４、
５を被覆する層間絶縁膜６を形成し、層間絶縁膜６上に
２層目の電極配線７を形成する。

【０００５】斯る手法であれば、電極配線４、５の上部
側壁に等方性エッチングによるテーパを形成したので、
層間絶縁膜６の被覆性が改善される。故に層間絶縁膜６
表面の平坦化が容易であり第２の電極配線７のステップ
カバレイジも改善できるので、信頼性の高い高密度配線
を可能とするものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５
（Ｂ）の工程で膜厚の途中までしかエッチングしていな
いのに関わらず、本工程が終了した段階で部分的に膜厚
の全部が除去されたピンホールが発生することが明らか
になった。このメカニズムについては未だ明確な回答が
得られていないが、部分的に局部電池的な作用が働いて
いるものと推定している。

【０００７】推定したメカニズムを説明する。図７
（Ａ）を参照して、絶縁膜１上に堆積したアルミ層２の
表面には、ウェハを室内の大気中に放置することによっ
て膜厚数十Å程度の自然酸化物（アルミナ：Ａｌ↓２Ｏ
↓３）９が生じている。自然酸化物であるから膜厚は一
定していない。このようなアルミ層２を混酸エッチャン
トでエッチングすると、先ずエッチングの初期段階にお
いて、真っ先にアルミ層２表面を露出する酸化物のピン
ホール１０が生じる。アルミ層２が露出されると、式１
で示したような反応式でアルミが酸化し、３個の電子を
放出する。放出された電子は、酸化物９の表面で式２で
示したような還元反応により前記混酸中の水素イオン
（Ｈ＋）と結合し、水素ガスとして放出される。このよ
うな局部電池的な作用がアルミ層２のエッチングを加速
し、加速された反応は表面の酸化物９が完全に除去され
るまで続く。

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】この結果、図７（Ｂ）に示すように所望の
膜厚（図示符号１１）をエッチングしても前記加速エッ
チングされた部分は局部的に過大にエッチングされ（図
示符号１２）、これがアルミ層のピンホール１３として
形成されるのである。アルミ層のピンホール１３は、そ
れが除去される部分であれば問題ないが、例えば図７
（Ｃ）に示すように配線１４にまたがるような部分に発
生すると、配線１４の線幅が部分的に細くなる様な形状
に加工される（図示符号１５）。この形状でも電気的接
続だけは保たれるので、集積回路としての回路動作は可
能であるが、信頼性の面では全く欠如することになる。
このような製品を完成後の電気的試験測定で選別するこ
とは不可能であり、出荷された後で故障する原因にな
る。従って装置の信頼性を大幅に損なうという欠点があ
った。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる従来の課
題に鑑みなされたもので、アルミ層表面に第１の酸化物
層を形成し、第１の酸化物層の上に第２のアルミ層を形
成し、第２のアルミ層の上に第２の酸化物層を形成する
ことにより、ピンホールの発生を大幅に抑制した半導体
装置の製造方法を提供するものである。

【００１２】本発明によれば、アルミ層の加速エッチン
グが第１の酸化物層表面で一時停滞し、停滞している間
に上の第２の酸化物層を除去できるので、ピンホールの
発生までには至らないようにエッチングすることができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明を図面を参照しなが
ら詳細に説明する。先ず図１（Ａ）を参照して、受動素
子／能動素子を形成したシリコン半導体基板を被覆する
絶縁膜２０上に、第１層目の電極配線を形成すべく第１
のアルミ層２１をスパッタ手法によって形成する。必要
箇所では絶縁膜２０にコンタクトホールが設けられ、第
１のアルミ層２１と基板表面に形成した素子の拡散領域
とのオーミックコンタクトが取られている。一例とし
て、下層に膜厚１０００Å程度のチタン（Ｔｉ）、タン
グステン（Ｗ）等からなるバリアメタル２１ａを形成
し、その上に膜厚０．５μ程度の、１重量％のシリコン
を含有するアルミニウム・シリコンからなる第１のアル
ミ層２１を形成した。バリアメタル２１ａ自体は本発明
の骨子に関係しない。

【００１４】図１（Ｂ）を参照して、第１のアルミ層２
１の表面に、膜厚数〜数十Åの第１の酸化物層２２を意
図的に形成する。第１の酸化物層はアルミと雰囲気中の
酸素とを結合させたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、またはア
ルミとアルミナとの混合物である。図１（Ｃ）を参照し
て、２回目のスパッタ処理により、第１の酸化物層２２
の上に第１のアルミ層２１と同じ組成で第２のアルミ層
２３を形成する。膜厚は第１のアルミ層２１より薄く、
０．１μ程度とする。

【００１５】図２（Ａ）を参照して、第２のアルミ層２
３を形成した半導体ウェハをスパッタ装置のチャンバか
ら取り出してその表面を空気中に曝すことにより、第２
のアルミ層２３の表面を自然酸化させて膜厚数十Åの第
２の酸化物層２４を形成する。第２の酸化物層２４は半
導体を製造する上で不可避的に形成されるものである。

【００１６】図２（Ｂ）を参照して、電極配線を形成す
べく第２の酸化物層２４の上にホトレジストを塗布し、
所望パターンを露光・現像してレジストマスク２５を形
成する。図２（Ｃ）を参照して、レジストマスク２５を
形成した半導体ウェハを混酸エチャント（Ｈ↓３ＰＯ↓
４＋ＨＮＯ↓３＋ＣＨ↓３（ＯＯＨ））に浸す。このウ
ェットエッチングは第１のアルミ層２１の膜厚の半分
（０．３μ）程度エッチングするように時間制御する
が、その初期段階において従来例で説明した現象により
ピンホール２６が生じる。ピンホール２６が第１の酸化
物層２２の達すると、露出するアルミ表面がピンホール
２６の側壁部分だけになり、放出される電子（ｅ−）が
減少するので、アルミの増速エッチングが停滞する。

【００１７】図３（Ａ）を参照して、前記増速エッチン
グが停滞している間に、第２の酸化物層２４がエッチャ
ントに溶解して全面的に除去され、更に停滞している期
間と前後して第２のアルミ層２３の溶解が進行する。図
３（Ｂ）を参照して、第２のアルミ層２３が完全に除去
され、続いて第１の酸化物層２２の溶解が進行する。第
２の酸化物層２４が、ウェハを比較的長時間大気中に曝
し且つ他の工程（ホトエッチングなど）の処理に曝され
ることにより、膜厚、膜質共に不均一である（故にエッ
チング初期段階で局所的に速く除去される部分と遅く除
去される部分とが生じる）のに対し、第１の酸化物層２
２は時間制御によりほぼ均一の膜厚・膜質で極薄く形成
でき、しかもその上を第２のアルミ層２３で保護するこ
とで膜の変化がないので、従来のような局部電池による
増速エッチングは発生しにくく、全面的にほぼ同時刻で
除去されると考えている。発生したとしても、図２
（Ｃ）で発生するピンホール２６の影響２７が少し残る
程度で、少なくとも膜厚の全部が除去されるような不具
合は生じないと考えている。

【００１８】図３（Ｃ）を参照して、引き続きウェット
エッチングにより第１のアルミ層２１を除去し、第１の
アルミ層２１の膜厚を半分程度（０．３μ）を残すよう
に時間制御でエッチングを停止する。等方性エッチング
であるから、膜厚方向にエッチングされると同時に横方
向へのエッチングも進行し、第１のアルミ層２１にテー
パ部２８を形成する。

【００１９】図４（Ａ）を参照して、今度はウェハをＲ
ＩＥ装置などのドライエッチング装置に移設し、ＢＣｌ
３＋Ｃｌ２等のガス中の異方性エッチングにより第１の
アルミ層２１の残りの膜厚とバリアメタル２１ａを除去
する。図４（Ｂ）を参照して、レジストマスク２５を除
去することにより、上部にテーパ２８を具備する電極配
線２９が完成する。

【００２０】図４（Ｃ）を参照して、多層配線構造を得
るために、電極配線２９を被覆する層間絶縁膜３０を堆
積し、層間絶縁膜２９に層間接続用のスルーホールを開
口し、アルミ材料の堆積とパターニングにより２層目の
電極配線３１を形成する。層間絶縁膜３０としては、Ｐ
ＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、ＳｉＮ膜、ＴＥＯＳ膜、ポリイミ
ド系絶縁膜、およびこれらの複合構造が挙げられる。電
極配線２９にテーパ２８を形成したことにより、隣接す
る電極配線２９間の谷間が大きく広がり、層間絶縁膜３
０の被覆性が改善される。

【００２１】以上に説明した製造方法において、第１の
酸化物層２２の形成方法を以下の３種類で実験した。 （１）手法１：複数のチャンバ室を持つマルチチャンバ
・スパッタ装置を用い、第１のアルミ層２１を堆積した
後、ウェハを他のチャンバに移送し、当該チャンバ内で
２Ｅ−７ｔｏｒｒ程度の真空中に１００秒間ウェハを放
置した。その後同チャンバ内で第２のアルミ層２３を堆
積する。

【００２２】（２）手法２：複数のチャンバ室を持つマ
ルチチャンバ・スパッタ装置を用い、第１のアルミ層２
１を堆積した後、ウェハを他のチャンバに移送し、当該
チャンバ内で酸素混合ガスを導入した１ｍｔｏｒｒ程度
の真空中に１００秒間ウェハを放置した。その後同チャ
ンバ内で第２のアルミ層２３を堆積する。 （３）手法３：第１のアルミ層２１を堆積した後、ウェ
ハをチャンバから一旦外に取り出して大気に曝し、再び
チャンバ内に設置して第２のアルミ層２２を堆積した。
放置する時間は数秒から数十秒である。

【００２３】これらの手法で第１の酸化物層２２を形成
したウェハと、形成しない従来品のウェハとを用いて、
同パターンの電極配線２９を同条件でエッチング処理し
たときのピンホールの発生状況を観測した。尚、従来品
のアルミ層の膜厚は、第１のアルミ層２１と第２のアル
ミ層２３との膜厚の和と同じ（０．６μ）にした。その
結果を示すのが図８である。従来手法では１平方ミリメ
ートルあたり３０００個程度のピンホールが観測された
のに対し、手法１の真空中放置では約１０分の１の発生
確率となり、手法２の酸素混合ガス供給と手法３の大気
開放では１００分の１の発生確率となった。手法２、３
程度の確率であれば、ピンホールの発生をほぼ完全に防
止したと考えることができる。よって本発明によれば、
従来のようなピンホールによる信頼性低下を招くことな
く、上部にテーパ２８を形成した電極配線２９を製造す
ることができるものである。

【００２４】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明によれば
従来のピンホールの発生を抑制／防止できる利点を有す
る。これにより、配線技術の高密度高集積化に寄与する
ことができ、且つ装置の信頼性を大幅に向上することが
できる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための断面図である。

【図２】本発明を説明するための断面図である。

【図３】本発明を説明するための断面図である。

【図４】本発明を説明するための断面図である。

【図５】従来例を説明するための断面図である。

【図６】従来例を説明するための断面図である。

【図７】従来例を説明するための（Ａ）断面図、（Ｂ）
断面図、（Ｃ）平面図である。

【図８】本発明の効果を説明するための図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極配線を形成する第１の電極層を被着
   する工程と、 前記第１の電極層の上に第１の酸化物層を形成する工程
   と、 前記第１の酸化物層の上に第２の電極層を形成する工程
   と、 前記第２の電極層の上に第２の酸化物層を形成する工程
   と、 前記第２の酸化物層の上にレジスト膜を形成する工程
   と、 前記レジスト膜をマスクとして前記第１の電極層の膜厚
   の途中まで等方性エッチングを行う工程と、 前記レジスト膜をマスクとして残りの前記第１の電極層
   を異方性エッチングする工程と、を具備することを特徴
   とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第１の酸化物層を、チャンバ内にウ
   ェハを放置することで形成したことを特徴とする請求項
   １記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第１の酸化物層を、酸化性雰囲気を
   導入したチャンバ内にウェハを設置する事で形成したこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記第１の酸化物層を、前記第１の電極
   層を形成した後チャンバからウェハを取り出して大気中
   に曝すことにより形成したことを特徴とする請求項１記
   載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 前記等方性エッチングがウェット手法で
   あり前記等方性エッチングがドライ手法であることを特
   徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。