JPH10294370A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 配線層の信頼性を損なわずに、ビアホール内
部での配線抵抗及びコンタクト抵抗を低減する配線構造
をもつ半導体装置を提供する。 【解決手段】 配線層２とアルミニウム合金膜６が、ビ
アホール５により直接接続され、アルミニウム合金膜６
はチタン膜４を介してプラズマ酸化膜とＳＯＧからなる
絶縁膜３上に積層される。従って、ビアホール内でのコ
ンタクト抵抗を下げることができ、かつアルミニウム合
金膜６の被覆性が高まり半導体装置の信頼性を向上させ
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、多層にわたる配線
層を互いに導通させための、ビアホール等の接続部を有
する、特に高集積が必要なＬＳＩ等の半導体装置の構造
及び製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な多層配線技術では、被膜性を向
上させるため、配線層の下地にバリアメタル層を形成さ
せることが多い。

【０００３】一例として、特開平３−２６３８３７号公
報において開示された半導体装置の配線形成方法を以下
に示す。まず、素子の形成された半導体基板上にバリア
メタル層であるタングステンを被着し、それをパターニ
ングして第１の配線を形成し、さらに全面に第１の絶縁
膜であるＰＳＧ膜を被着して平坦化する。次に、前記第
１の絶縁膜に前記バリアメタル層を露出させる溝状の開
口を形成し、前記バリアメタル層の上にアルミニウムを
選択成長させて、厚い第１の配線を形成する。

【０００４】次に、全面に渡って第２の絶縁膜であるＰ
ＳＧ膜を被着し、表面を平坦化した後、前記厚い第１の
配線の一部を露出する第１のビアホールを形成する。そ
の後ＣＶＤ法により、第１のビアホールに露出する厚い
第１の配線上にアルミニウムを選択成長させて第１のビ
アホールを埋め込む。次に、全面にアルミニウムを被着
し、それをパターニングして、第１のビアホールを埋め
込んだアルミニウムに接続する第２の配線を形成する。
その後、全面に第３の絶縁膜であるＰＳＧ膜を被着して
平坦化した後、さらに第３の絶縁膜に溝状の開口を形成
して、その中にアルミニウムを成長させて、厚い第２の
配線を形成して２層の配線層を完成させる。

【０００５】この従来例によれば、バリアメタル層は半
導体基板と厚い第１の配線の間に積層され、半導体基板
とバリアメタル層の被膜性を高め、信頼性を向上させる
役割を果たしている。

【発明が解決しようとする課題】

【０００６】ところが、配線層とその下層との間に形成
されるバリアメタル層は、上述したように配線の被覆性
を保持して信頼性の向上に寄与する反面、以下に示すよ
うな問題が生じていた。バリアメタル層の電気抵抗率は
アルミニウムに比べて１０倍以上と非常に高いため、配
線層とその下層とのコンタクト抵抗が増大していた。ま
た、上述した例では行われていないが、やはり被膜性の
向上のために開孔部の側面にバリアメタル層を形成する
と、実効的な開孔径が小さくなり配線抵抗も増大すると
いう問題も深刻となっていた。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
に成されたものであり、配線層の信頼性を十分に保ちつ
つも、開孔部内でのコンタクト抵抗及び配線抵抗を低減
する方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明における半導体装
置は、半導体基板の上層に形成された第１の導電膜と、
前記第１の導電膜上に形成され、前記第１の導電膜の表
面に達する開孔が形成されてなる絶縁膜と、前記絶縁膜
の上面のみに形成された高融点金属を含む下地膜と、前
記開孔を充填するとともに前記下地膜上に形成され、前
記第１の導電膜と接続された第２の導電膜とを有する。

【０００９】本発明における半導体装置は、半導体基板
の上層に形成された第１の導電膜と、前記第１の導電膜
上に形成され、前記第１の導電膜の表面に達する開孔が
形成されてなる第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に
形成され、前記開孔に通じ、前記開孔の孔径より幅広の
溝が形成されてなる第２の絶縁膜と、前記溝の内壁面の
みに形成された高融点金属を含む下地膜と、前記開孔内
及び前記下地膜を介した前記溝内を充填し、前記第１の
導電膜と接続された第２の導電膜とを有する。

【００１０】本発明における半導体装置の一態様例にお
いて、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜の間にエッ
チング速度が前記第１の絶縁膜に比して小さい第３の絶
縁膜が形成され、前記開孔が前記第１の絶縁膜及び前記
第３の絶縁膜に形成されている。

【００１１】本発明における半導体装置の一態様例にお
いて、前記下地膜は、チタン、チタン化合物、タングス
テン、タングステン化合物、タンタル、タンタル化合
物、から選ばれた少なくとも１種類の材料から構成され
る。

【００１２】本発明における半導体装置の一態様例にお
いて、前記第２の導電膜は、アルミニウムあるいはその
合金、銅あるいはその合金から選ばれた１種類の材料か
ら構成される。

【００１３】本発明における半導体装置の一態様例にお
いて、前記第３の絶縁膜は、シリコン窒化膜である。

【００１４】本発明における半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に第１の導電膜を形成する工程と、前記導
電膜上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に高融
点金属を含む下地膜を形成する工程と、前記絶縁膜及び
前記下地膜を穿って、前記第１の導電膜の一部を露出さ
せる開孔を形成する工程と、前記開孔を充填し、前記下
地膜上に形成された、第２の導電膜を形成する工程を有
する。

【００１５】本発明における半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に第１の導電膜を形成する工程と、前記導
電膜上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶
縁膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第２の絶
縁膜上に第３の絶縁膜を形成する工程と、前記第２の絶
縁膜をストッパーとして、前記第３の絶縁膜に前記第２
の絶縁膜の一部を露出させる溝部を形成する工程と、前
記溝部の内壁面及び前記第３の絶縁膜上に、高融点金属
を含む下地膜を形成する工程と、前記溝部の底面に、前
記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜及び前記下地膜を穿
って前記第１の導電膜の一部を露出させる開孔部を形成
する工程と、前記開孔部及び前記溝部を充填して第２の
導電膜を形成する工程と、前記下地膜及び前記第２の導
電膜を、前記第３の絶縁膜が露出するまで研磨する工程
とを有する。

【００１６】本発明における半導体装置の製造方法の一
態様例において、前記高融点金属を含む下地膜は、チタ
ン、チタン化合物、タングステン、タングステン化合
物、タンタル、タンタル化合物、から選ばれた少なくと
も１種類の材料から構成される。

【００１７】本発明における半導体装置の製造方法の一
態様例において、前記第２の導電膜は、アルミニウムあ
るいはその合金、銅あるいはその合金から選ばれた１種
類の材料から構成される。

【００１８】本発明における半導体装置の製造方法の一
態様例において、前記第２の絶縁膜は、シリコン窒化膜
である。

【００１９】

【作用】本発明の半導体装置においては、第２の導電膜
と絶縁膜（第１の絶縁膜）との間に高融点金属を含む下
地膜が形成されているため、第２の導電膜の被覆性が向
上して十分な配線信頼性が確保される。しかも、下地膜
は開孔内には存しないため、実質的な開孔径が最大限に
確保されて配線抵抗が開孔径に見合った最小限に抑えら
れるとともに、上部配線層となる第２の導電膜と下部配
線となる第１の導電膜とが直接接続されることになって
コンタクト抵抗も最小限に抑えられる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明における多層配線を
有する半導体装置の構成及びその製造方法を共に説明す
る。

【００２１】（第１の実施形態）第１図は本発明の第１
の実施形態の主要工程を示す縦断面図である。まず、図
１（ａ）に示すように、トランジスタ等の素子の形成さ
れた半導体基板の上層１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒
化チタン膜と厚さ４００ｎｍ程度のアルミニウム合金膜
をスパッタ法により被着し、それをパターニングして配
線層２を形成する。

【００２２】次に、図１（ｂ）に示すように、半導体基
板の上層１及び配線層２上に、全膜厚が１０００ｎｍ程
度となるように、プラズマ酸化膜とＳＯＧ（Spin On Gl
ass)からなる絶縁膜３を形成する。

【００２３】次に、図１（ｃ）に示すように、プラズマ
酸化膜とＳＯＧからなる絶縁膜３上に、バリアメタル層
となる厚さ１００ｎｍ程度のチタン膜４を形成する。こ
のチタン膜４は後述するアルミニウム合金膜６と共に、
配線層２と接続される上部配線層を構成するものであ
る。

【００２４】次に、図１（ｄ）に示すように、配線層２
の表面の一部が露出するように、チタン膜４とプラズマ
酸化膜とＳＯＧからなる絶縁膜３を開孔し、直径が０．
６μｍ程度のビアホール５を形成する。

【００２５】次に、プラズマ酸化膜とＳＯＧからなる絶
縁膜３上に、アルミニウム合金膜６をスパッタ法によっ
て形成してビアホール５を充填した後、アルミニウム合
金膜６を配線形状にパターニングする。これにより、図
１（ｅ）に示すように、配線層２とアルミニウム合金膜
６をビアホール５により接続した２層構造の配線を完成
させる。

【００２６】以上示したように、第１の実施の形態にお
ける配線構造をもつ半導体装置においては、ビアホール
５内でバリアメタル層であるチタン膜４を介さずに、配
線層２とアルミニウム合金膜６を直接接続しているの
で、ビアホール５内でのコンタクト抵抗を最小限に抑え
ることができる。また、チタン膜４はビアホール５の側
壁には積層されていないため、ビアホール５の断面積は
減少せず、従って配線抵抗も最小限に抑えることができ
る。

【００２７】（第２の実施形態）第２の実施形態におけ
る半導体装置は、第１の実施形態と基本的な概念を同一
としたうえで、コンタクトプラグに適用したものであ
る。図２は本発明の第２の実施形態の主要工程を示す縦
断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、トラン
ジスタ等の素子の形成された半導体基板の上層１１上
に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化チタン膜と厚さ４００ｎ
ｍ程度のアルミニウム合金膜をスパッタ法により被着
し、それをパターニングして配線層１２を形成する。

【００２８】次に、図２（ｂ）に示すように、半導体基
板の上層１１及び配線層１２上に、全膜厚が１０００ｎ
ｍ程度となるように、プラズマ酸化膜とＳＯＧからなる
絶縁膜１３を形成する。

【００２９】次に、図２（ｃ）に示すように、プラズマ
酸化膜とＳＯＧからなる絶縁膜１３上に、厚さ２０ｎｍ
程度のシリコン窒化膜１４と厚さ１０００ｎｍ程度のプ
ラズマ酸化膜１５を順に形成する。

【００３０】次に、図２（ｄ）に示すように、フォトリ
ソグラフィ及びそれに続くドライエッチングにより、プ
ラズマ酸化膜１５にコンタクトプラグを形成するための
溝部１６を形成する。この際、シリコン窒化膜１４をエ
ッチングストッパーとして機能させ、溝部１６の領域に
おいてシリコン窒化膜１４が露出するまでドライエッチ
ングが行われる。

【００３１】次に、図３（ａ）に示すように、全面にバ
リアメタル層である厚さ１００ｎｍ程度の窒化チタン膜
１７を形成する。この窒化チタン膜１７は後述する銅膜
１９と共に、配線層１２と後述する上層のアルミニウム
合金膜との間のコンタクトプラグを形成するものであ
る。

【００３２】次に、図３（ｂ）に示すように、配線層１
２の表面の一部を露出するように、窒化チタン膜１７、
シリコン窒化膜１４、プラズマ酸化膜とＳＯＧからなる
絶縁膜１３を開孔し、直径０．６μｍ程度のビアホール
１８を形成する。

【００３３】次に、図３（ｃ）に示すように、有機原料
を用いた化学気相蒸着法により、コンタクトプラグの主
配線層である銅膜１９を形成し、ビアホール１８及び内
壁面に窒化チタン膜１７が形成された溝部１６を充填す
る。

【００３４】次に、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法を
用いて、プラズマ酸化膜１５が露出するまで銅膜１９と
窒化チタン膜１７を除去し、図３（ｄ）に示すように配
線層１２上のビアホール１８及び溝部１６内に形成され
た窒化チタン膜１７及び銅膜１９により構成されたコン
タクトプラグを完成させる。

【００３５】ここで、バリアメタル層である窒化チタン
膜１７は、溝部１６内でコンタクトプラグの主配線層で
ある銅膜１９を覆うようにして、プラズマ酸化膜１５に
対して形成されているため、銅膜１９のプラズマ酸化膜
１５に対する被覆性を高めている。

【００３６】このように、第２の実施の形態における配
線構造をもつ半導体装置においては、コンタクトプラグ
の主配線層である銅膜１９は、溝部１６の側面から底面
にかけてバリアメタル層である窒化チタン膜１７により
被膜されているため、直接プラズマ酸化膜１５上に形成
する場合と比較して、被覆性が高まり信頼性を向上する
ことができる。また、このコンタクトプラグは配線層１
２と直接導通しており、ビアホール内にはその側壁に窒
化チタン膜１７が形成されていないため、第１の実施形
態と同様にビアホール内でのコンタクト抵抗及び配線抵
抗を最小限に抑えることができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明による半導体装置及びその製造方
法によれば、配線層の信頼性を十分に保った上で、配線
層間を導通する開孔部内における、コンタクト抵抗及び
配線抵抗を最小限に抑えることが可能となる。従って、
多層に渡る配線層が形成された半導体装置に最適な構造
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法を工程順に示す概略断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法を工程順に示す概略断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の
製造方法を工程順に示す概略断面図である。

【符号の説明】

１、１１ 半導体基板の上層 ２，１２ 配線層 ３，１３ プラズマ酸化膜とＳＯＧからなる絶縁膜 ４ チタン膜 ５，１８ ビアホール ６ アルミニウム合金膜 １４ シリコン窒化膜 １５ プラズマ酸化膜 １６ 溝部 １７ 窒化チタン膜 １９ 銅膜

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の上層に形成された第１の導
   電膜と、 前記第１の導電膜上に形成され、前記第１の導電膜の表
   面に達する開孔が形成されてなる絶縁膜と、 前記絶縁膜の上面に形成された高融点金属を含む下地膜
   と、 前記開孔を充填するとともに前記下地膜上に形成され、
   前記第１の導電膜と接続された第２の導電膜とを有する
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 半導体基板の上層に形成された第１の導
   電膜と、 前記第１の導電膜上に形成され、前記第１の導電膜の表
   面に達する開孔が形成されてなる第１の絶縁膜と、 前記第１の絶縁膜上に形成され、前記開孔に通じ、前記
   開孔の孔径より幅広の溝が形成されてなる第２の絶縁膜
   と、 前記溝の内壁面に形成された高融点金属を含む下地膜
   と、 前記開孔内及び前記下地膜を介した前記溝内を充填し、
   前記第１の導電膜と接続された第２の導電膜とを有する
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜の
   間にエッチング速度が前記第１の絶縁膜に比して小さい
   第３の絶縁膜が形成され、前記開孔が前記第１の絶縁膜
   及び前記第３の絶縁膜に形成されていることを特徴とす
   る請求項２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記下地膜が、チタン、チタン化合物、
   タングステン、タングステン化合物、タンタル、タンタ
   ル化合物、から選ばれた少なくとも１種類の材料から構
   成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
   に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 前記第２の導電膜が、アルミニウムある
   いはその合金、銅あるいはその合金から選ばれた１種類
   の材料から構成されることを特徴とする請求項１〜４の
   いずれか１項に記載の半導体装置。
6. 【請求項６】 前記第３の絶縁膜が、シリコン窒化膜で
   あることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記
   載の半導体装置。
7. 【請求項７】 半導体基板上に第１の導電膜を形成する
   工程と、 前記導電膜上に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜上に高融点金属を含む下地膜を形成する工程
   と、 前記絶縁膜及び前記下地膜を穿って、前記第１の導電膜
   の一部を露出させる開孔を形成する工程と、 前記開孔を充填し、前記下地膜上に形成された、第２の
   導電膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体
   装置の製造方法。
8. 【請求項８】 半導体基板上に第１の導電膜を形成する
   工程と、 前記導電膜上に第１の絶縁膜を形成する工程と、 前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成する工程と、 前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成する工程と、 前記第２の絶縁膜をストッパーとして、前記第３の絶縁
   膜に前記第２の絶縁膜の一部を露出させる溝部を形成す
   る工程と、 前記溝部の内壁面及び前記第３の絶縁膜上に、高融点金
   属を含む下地膜を形成する工程と、 前記溝部の底面に、前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁
   膜及び前記下地膜を穿って前記第１の導電膜の一部を露
   出させる開孔部を形成する工程と、 前記開孔部及び前記溝部を充填して第２の導電膜を形成
   する工程と、 前記下地膜及び前記第２の導電膜を、前記第３の絶縁膜
   が露出するまで研磨する工程とを有することを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。
9. 【請求項９】 前記高融点金属を含む下地膜が、チタ
   ン、チタン化合物、タングステン、タングステン化合
   物、タンタル、タンタル化合物、から選ばれた少なくと
   も１種類の材料から構成されることを特徴とする請求項
   ７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記第２の導電膜が、アルミニウムあ
    るいはその合金、銅あるいはその合金から選ばれた１種
    類の材料から構成されることを特徴とする請求項７〜９
    のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記第２の絶縁膜が、シリコン窒化膜
    であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項
    に記載の半導体装置の製造方法。