JPH11135623A

JPH11135623A - 多層配線装置及びその製造方法

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Publication number: JPH11135623A
Application number: JP29808597A
Authority: JP
Inventors: Yuuji Satou; 裕時佐藤; Toshiyuki Matsushima; 俊幸松島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1999-05-21
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: JP3534589B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高密度化、微細化に適する多層配線装置を提
供する。【解決手段】基板上に形成された導電性層、該基板上
に形成された層間絶縁膜と、該導電性層と接続され、か
つ該層間絶縁膜の上表面とほぼ同一の平面をなす表面を
有する上層配線層からなり、該層間絶縁膜は少なくとも
第１絶縁膜と、該第１絶縁膜に対してエッチングレート
の小さい第２絶縁膜と、第３絶縁膜から構成されてお
り、第１絶縁膜、第２絶縁膜には前記導電性層と上層配
線層とを接続するコンタクト開口部が形成されており、
第３絶縁膜には上層配線層が配置される配線パターン溝
が形成された多層配線装置にあって、前記配線パターン
溝の側部に絶縁性の金属拡散防止層を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多層配線装置及び
その製造方法に関し、特に半導体装置に使用されるに好
適な多層配線装置及びその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の微細化、高集積化が
進んでおり、半導体装置の配線や微細コンタクトもさら
に縮小される動向にある。また、半導体装置の配線を一
層の絶縁膜上だけでは賄いきれなくなってきており、絶
縁膜上に配線層をしき、さらにその上に絶縁膜を介し配
線層を重畳していく多層配線技術が不可欠となってきて
いる。

【０００３】そのため、配線を重畳することによる累積
段差がより上層の配線形成を妨げ、さらに配線間のコン
タクトずれを引き起こし、配線抵抗の増大や断線、ショ
ートの問題が起こりやすくなる。また、熱処理で層間絶
縁膜や配線形成用もしくはコンタクト形成用金属系膜を
平坦化することは下層のデバイス特性や基板上のストレ
スに大きく影響するためそれを避ける方法が必要とな
る。この問題を解決し、多層配線形成や微細配線形成を
容易にするためにいくつかの平坦化技術が提案された。

【０００４】通常、アルミニウム系の金属や金属化合
物、合金からなるメタル配線は平坦な層間絶縁膜上に形
成されるが、該メタル配線のパターニングは凹凸構造を
表面に形成するため、その上層の絶縁膜が平坦になりに
くくなる。そのため、再度上層の絶縁膜を平坦化する必
要がある。これは多層配線形成プロセスにおいて平坦化
する工程が増加することを意味する。

【０００５】また、素子や配線の微細化の要求から、ア
ルミニウム系金属以外にも銅に代表される低抵抗な金属
や合金をメタル配線溝や微細コンタクト開口部へ埋め込
むこと及び平坦化することが一層大きく求められてい
る。例えば、レジスト等のマスクパターンを形成し、エ
ッチング方法で銅配線をパターン形成するには適当なエ
ッチャントがなく難しいため、ダマシン法と呼ばれる埋
め込み配線形成法が有望となる。

【０００６】ダマシン法では、層間絶縁膜に金属系配線
を埋め込むための配線パターン溝を形成し、該配線パタ
ーン溝に金属系膜を堆積して埋め込み、該層間絶縁膜上
の余分な金属系膜を除去して、該溝だけに金属系配線を
形成する。この方法では、通常、コンタクト形成用絶縁
膜にコンタクトを形成してから、配線形成用絶縁膜を堆
積し、配線パターン溝をコンタクト上に配置されるよう
形成することにて実施される。

【０００７】少なくとも１種以上の金属系膜を基板上に
被着させる方法として、スパッタ法や化学的気相成長法
（ＣＶＤと略す。）が知られており、特にＣＶＤは微細
な開口部への被覆性（カバレッジ）がよいことから、良
く用いられている。

【０００８】このような被着方法により、金属系膜を配
線パターン溝やコンタクト開口部に埋め込み、熱処理無
しで平坦化し、余分な金属系膜を除去する方法として、
エッチバック法や化学的機械研磨法が挙げられる。

【０００９】エッチバック法は、特に、成膜方法によら
ず配線パターン溝やコンタクト開口部を金属系膜でほぼ
完全に埋め込んだときに平坦化するのに有力な方法であ
る。ＣＶＤ法にて完全に配線パターン溝やコンタクト開
口部を金属系膜で埋め込んだ後、プラズマエッチングも
しくはウエットエッチングにて配線パターン溝部やコン
タクト開口部の周辺の金属系膜を除去し、配線パターン
溝部やコンタクト開口部のみ埋め込まれた状態にする。
しかし、この方法では、下地や該金属系膜の段差や凹凸
の影響が残り、埋め込まれた配線パターン上やコンタク
ト上を十分平坦化できないだけでなく、絶縁膜表面の段
差に残渣が生じ易い。さらに、多層配線形成において多
層の段差の積み重ねによる累積段差が配線加工精度を悪
くしたり、配線の断裂やパターニングできないなどの障
害となっていくる。

【００１０】そこで、エッチバック法に代わり、研磨方
法、特に、化学的機械研磨法（ＣＭＰ法と略す。）が有
力となってくる。この方法では、上層に段差や凹部があ
っても、絶縁性物質と導電性物質を選択的にも同等にも
研磨することができ、各層が平坦化されるので、各層毎
に研磨することで多層配線や多層配線間のコンタクトが
上記の障害なく形成しやすい。

【００１１】こうして、層間絶縁膜に配線パターン溝を
形成し、金属系膜を堆積し、該配線パターン溝に埋め込
みながら被着させ、ＣＭＰ法にて該金属系膜表面を研磨
し、埋め込まれた配線パターン上や層間絶縁膜上あるい
はコンタクト上も段差がなく広い範囲で平坦にすること
ができる。

【００１２】さらに、デュアルダマシン法が提案されて
いる。この方法では、図５に示すように、半導体基板上
３１に絶縁膜（Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂）３３を堆積及び平
坦化し、次いで該絶縁膜３３にレジストを塗布し、配線
パターン形成のため露光及び現像を行い、レジストを開
口し、異方性エッチングにて所望の配線高さに合わせて
配線パターン溝を形成し、レジストを除去する。その
後、コンタクト形成のために、再度レジストを塗布し、
露光及び現像を行い、レジストを開口する。このとき該
レジスト開口部は該配線パターン溝において形成され
る。その後、異方性エッチングを行い、半導体基板３１
が露出するようにコンタクト開口部を形成する。さら
に、レジストを除去した後、表面にバリアメタル３５
（高融点金属の金属化合物で窒化物、酸化物、珪化物、
炭化物を含むもので、ＷＳｉＮ、ＴｉＷ、ＴｉＮ等）を
被着し、次いで金属膜３４（Ａｌ、Ｃｕ等又はそれらの
合金）を堆積し、該配線パターニング溝及び該コンタク
ト開口部にも被着させ埋め込む。該金属膜３４をＣＭＰ
法にて研磨して平坦に削り、埋め込み配線３４ａ、３４
ｂとコンタクト部３４ｃを同時に形成する。この同時に
同じ種類の金属膜を用い、同時に配線溝とコンタクト開
口部の埋め込みを行う方法をデュアルダマシン法とい
う。この方法は、多層でもメタル配線形成が簡略化でき
る利点がある。

【００１３】さらに、絶縁性の配線保護膜３６を堆積し
た後、上記と同様の工程で下層配線上の絶縁膜３７、埋
め込み配線３８ａ、３８ｂ、コンタクト部３８ｃ及びそ
れぞれのバリアメタル３９ａ、３９ｂを形成の後、配線
保護膜３６と同種の絶縁膜の配線保護膜４０を堆積する
といったように同様の工程を繰り返すことで多層配線層
が形成できる。

【００１４】しかし、この方法では配線の高さが規定時
間のエッチングによる溝の深さで決まるため、エッチン
グばらつきが問題となる。そこで、できれば、エッチン
グの終了点検知できる加工方法をとるのが望ましい。そ
こで提案されたのが図１（ａ）、（ｂ）に示すプロセス
である。

【００１５】図１（ａ）に示すように、半導体基板１上
に第１絶縁膜３を堆積し、さらに該第１絶縁膜に比べて
エッチングレートが小さい異なった種類の第２絶縁膜４
を堆積する。尚、これらは通常平坦に形成されている。
次に、レジストを塗布し、コンタクト形成用の露光及び
現像を行い、コンタクトを形成するための開口部を形成
し、該開口部に対向する第２絶縁膜露出部に異方性エッ
チングを行い、第１絶縁膜を露出させる。こうして、第
２絶縁膜４はコンタクトを形成するための第２開口部を
有するマスクとして用いることができる。そして、該第
２絶縁膜４は、後述する配線パターン溝を形成する際、
後述する第３絶縁膜５及び第１絶縁膜３を連続的にエッ
チングする際のエッチングストッパー層となる。次に、
第１絶縁膜３の露出部及び第２絶縁膜の上に第３絶縁膜
５を堆積する。この第３絶縁膜５は第１絶縁膜と同種の
材料を用いてもよい。

【００１６】次に、図１（ｂ）に示すように、該第３絶
縁膜５上にレジスト６を塗布し、配線パターンを形成の
ための露光及び現像を行い、レジスト６をパターニング
し、第３絶縁膜５の配線パターン形成するための所定部
分を露出する。第３絶縁膜５の露出した部分に異方性エ
ッチングを行い、第２絶縁膜が露出するよう配線パター
ン溝７ａ，７ｂを形成し、かつ上記コンタクト形成用の
第２絶縁膜４の開口部に対向する絶縁膜も続けてエッチ
ングして半導体基板１もしくは下層配線層を露出するよ
うにコンタクト開口部８をも形成する。こうして、所望
の深さの配線パターン溝７ａ、７ｂとコンタクト開口部
８が同時に得られる。この方法を用いると、コンタクト
を自己整合で形成することができる。

【００１７】さらに、レジストを除去した後、表面にバ
リアメタル、金属系膜を堆積することにより、該配線パ
ターン溝７ａ、７ｂ及び該コンタクト開口部８に金属系
膜を被着させ埋め込み、該金属系膜をＣＭＰ法にて研磨
して表面を平坦化し、埋め込み配線及びコンタクト部が
同時に形成される。尚、エッチングストッパ層を有する
デュアルダマシン法については、例えば、米国特許４７
８９６４８に記載されている。

【００１８】ところが、金属系膜として例えば銅を用い
て銅配線を形成する際、ダマシン法、デュアルダマシン
法（配線溝及びコンタクト開口部の同時形成プロセス）
あるいはエッチング法においても共通の問題がある。そ
れは、銅配線及び銅コンタクトに外部からの不純物が混
入してしまい配線に悪影響を与えること、層間絶縁膜が
シリコン酸化膜の場合ではそれに直接銅配線が接して酸
化されて抵抗が高くなること、銅はシリコン酸化膜中を
拡散しやすく隣接配線層とのショートが問題となること
が挙げられる。その対策のために、銅配線の周囲に銅の
拡散防止のための層、この拡散防止に加えて銅の反応防
止の為の層が必要になる。

【００１９】そこで、図５に示すように、バリアメタル
層３５ａ、３５ｂ、３９ａ、３９ｂにＷＳｉＮを用いる
ことで銅の拡散を防止しつつ、シリコン酸化膜及び銅と
の密着性がよく、被覆性のよいバリアメタル層をうるこ
とができることは、半導体・集積回路技術第４９回シン
ポジウム講演論文集１９９５年１２月７日〜８日４２ペ
ージ「ＤｕａｌＤａｍａｓｃｅｎｅによるＣｕ配線形
成」に開示されている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上記の銅の拡散防止層
に用いられるバリアメタルは、銅の埋め込みのために用
いられるレーザアニール処理で壊れないような高温処理
に耐えられる安定な金属化合物が望ましい。これは次ぎ
の理由による。銅配線の一般的な形成工程である銅のス
パッタ時に、配線溝には銅が堆積するが、コンタクト開
口部内部には銅は完全には堆積しないので、銅を埋め込
むために、レーザアニール処理等熱処理を行う。この
際、この埋め込みを完全に行うために、レーザアニール
処理時間を長くする必要があり、薄いＷＳｉＮでは拡散
防止層としての効果が期待できない。厚くすれば問題な
いが、例えば図３の銅配線３４ａ、３４ｂ、３４ｃ領域
はそのままで、バリアメタル３５ａ、３５ｂを厚くする
ことは、配線間の距離が小さくなるので、３４ａ、３４
ｂの配線間容量が増加する。また、コンタクト開口部
は、基板側の拡散領域との関係で一方的には大きくでき
ない。即ち、コンタクト開口部に銅等のコンタクトプラ
グ材料を埋め込むときのアスペクト比が高くなり、被覆
性の低下や剥がれ、実質的なコンタクト径の縮小による
抵抗の増大といった問題が生じる。また、多層配線間の
コンタクト底部のバリアメタル３９ｂの抵抗が配線３４
ａ、３４ｂ及び配線３８ａ、３８ｂ間に直接効いてくる
ため、その抵抗成分を除去できればさらに望ましい。

【００２１】そこで、本発明はこの問題を防止する多層
配線装置及びその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の多層配線装置
は、基板上に形成された導電性層と、該導電性層上に形
成された層間絶縁膜と、該導電性層と接続され、かつ該
層間絶縁膜の上表面とほぼ同一の平面をなす表面を有す
る上層配線層からなり、該層間絶縁膜は少なくとも第１
絶縁膜と、該第１絶縁膜に対してエッチングレートの小
さい第２絶縁膜と、第３絶縁膜から構成されており、第
１絶縁膜、第２絶縁膜には前記導電性層と上層配線層と
を接続する第１のコンタクト開口部が形成されており、
第３絶縁膜には上層配線層が配置される配線パターン溝
が形成された多層配線装置にあって、少なくとも前記配
線パターン溝の側部に絶縁性の金属拡散防止層を備えて
いることを特徴とする。

【００２３】本発明の多層配線装置は、好ましくは、前
記第１のコンタクト開口部の側部に絶縁性の金属拡散防
止層を備えていることを特徴とする。

【００２４】本発明の多層配線装置は、さらに好ましく
は、前記第２絶縁層及び前記金属拡散防止層がシリコン
窒化膜であることを特徴とする。

【００２５】さらに、本発明の多層配線装置は、さらに
好ましくは、前記上層配線層上には第２の層間絶縁膜
と、前記上層配線層に接続されかつ該層間絶縁膜を介し
位置する第２の上層配線層を有し、前記第２の層間絶縁
膜は前記第１のコンタクト開口部に対向する部分に形成
された第２のコンタクト開口部を有し、この第２の層間
絶縁膜の第２のコンタクト開口部に対向する領域であっ
て第１のコンタクト開口部に対向する部分に層間接続用
開口部を有し、この層間接続用開口部により第１のコン
タクト開口部と第２のコンタクト開口部とが連通してい
ることを特徴とする。

【００２６】本発明の多層配線装置は、前記基板が、そ
の表面の１部分に導電性層として不純物のドープ又は金
属層の埋め込みによる導電性の部分或いは絶縁層上の導
電性の部分を有する半導体基板であることを特徴とす
る。

【００２７】又、本発明の多層配線装置の製造方法は、
導電性部分をその表面部分に有する基板上に第１絶縁膜
を形成する工程と、前記第１絶縁膜上に該第１絶縁膜に
対しエッチングレートの小さい、開口部を有する第２絶
縁膜を形成する第１の工程と、前記第２絶縁膜上に第３
絶縁膜を形成する第２の工程と、前記第３絶縁膜に複数
の配線パターン溝であって、該配線パターン溝のうち少
なくともあるものが前記第２絶縁膜に到達し、他のある
ものが前記開口部に連通する溝を形成し、さらに前記開
口部に対向して第１絶縁膜にコンタクト開口部を形成す
るようエッチングする第３の工程と、前記配線パターン
溝及び該配線パターンに連通するコンタクト開口部の側
壁に絶縁性の拡散防止材料を形成する第４の工程と、前
記配線パターン溝及び該配線パターンに連通するコンタ
クト開口部の内側の領域に金属系配線材料をその露出面
部がほぼ平坦になるよう埋め込む第５の工程とを有する
ことを特徴とする。

【００２８】本発明の多層配線装置の製造方法は、好ま
しくは、前記第１絶縁膜と第２絶縁膜に同じ材料を用い
ることを特徴とする。

【００２９】本発明の多層配線装置の製造方法は、好ま
しくは、前記第５工程の後に絶縁性の拡散防止層を形成
する第６工程を有する。

【００３０】本発明の多層配線装置の製造方法は、好ま
しくは、前記第３の工程の後にコンタクト開口部の底部
にバリアメタルを形成する第７の工程を有する。

【００３１】本発明の作用を以下に説明する。本発明の
多層配線装置では、配線幅及びコンタクトホール部の開
口は拡散防止層の膜厚分を考慮して開口し、絶縁性の拡
散防止層を形成するため、銅配線の導体部分は大きくな
っていないので、配線間の距離は小さくならない。又、
コンタクト部の幅も導体部分は大きくなっていないの
で、基板側の拡散領域を変更する必要もない。そして、
開口も拡散防止層の膜厚分を考慮して開口しているの
で、アスペクト比が大きくなることもない。

【００３２】さらに、層間接続用開口部により第１のコ
ンタクト開口部と第２のコンタクト開口部が連通してい
るので、従来は配線層間のコンタクト抵抗を上げる要因
となっていた３００Å以上の膜厚のバリアメタルの形成
を基板とのコンタクト部及び外部端子とのコンタクト部
以外は省くことができ、配線中の余分な抵抗成分を取り
除くことが可能となった。

【００３３】そして、本発明の多層配線装置の製造方法
は、少なくとも配線パターン溝の周囲、乃至コンタクト
開口部の周囲等ほとんどすべての周囲を絶縁性の拡散防
止膜で覆い、その後コンタクト部を含む金属配線例えば
銅配線、及び各配線層をつなぐすべてのコンタクト部を
含む多層金属配線を形成するので、基板特に半導体装置
の存在する基板について配線製造中の高温処理時の配線
の金属例えば銅の拡散や反応、及び外部からの不純物の
混入を抑制しつつ、配線することができ、多層配線の特
性の優れたものとすることができる。そして、従来のバ
リアメタルよりも高い温度で安定なバリア層を形成する
こともできる。

【００３４】

【発明の実施の形態】本発明は、基板としては絶縁基板
の上に金属層を積層または金属層を埋め込のだもの、さ
らには半導体にｎ型又はｐ型不純物をドーピングし導電
性層を形成した半導体基板又はこのような導電性層の上
に絶縁層を介し金属シリサイド（珪化物）層及びポリシ
リコン層等の導電性層を形成した半導体基板等を用いる
ことができる。このような導電性層も配線と呼ぶことが
できる。そして、この半導体基板としては、例えば、Ｍ
ＯＳトランジスタ等の半導体装置が形成されているもの
であってもよい。

【００３５】例えば、図１（ａ）を参照すれば、基板１
として、ボロンイオンをＰ型不純物としてドーピングさ
れた単結晶シリコン基板を用いる。この基板１上にはＬ
ＯＣＯＳによる厚いシリコン酸化膜２があり、段差形状
を有している。この基板１には、図示しないが、ＬＯＣ
ＯＳシリコン酸化膜２により素子分離されて半導体装
置、例えばＭＯＳトランジスタが形成されており、半導
体基板表面にシリコン酸化膜を介し例えばポリシリコン
層及び金属シリサイド層のゲート電極等が形成されてお
り、更に、ゲート電極を挟んで、半導体基板中にｎ型不
純物が高濃度にドーピングされたソース領域とドレイン
領域が対向形成されている。また、この基板中に、ソー
ス領域、ドレイン領域とは別に、Ｐ型不純物が高濃度に
ドーピングされた配線用領域を形成されることもでき
る。これらゲート電極、配線用領域、ソース領域、ドレ
イン領域、等の導電性層に接続する配線を形成し、多層
配線とする。例えば、基板１について図１（ｂ）を参照
すれば、コンタクト開口部８に対向する基板１の領域中
には図示しないｐ型不純物が高濃度にドーピングされて
いる領域が形成されており、この領域にコンタクトする
配線を層間絶縁膜を介して施すことができる。

【００３６】このような基板の上に形成された層間絶縁
膜に配線パターン溝及び該配線パターンに連通するコン
タクト開口部を有し、この配線パターン溝の側壁乃至コ
ンタクト開口部の側壁に拡散防止膜を有し、この配線パ
ターン溝、コンタクト開口部の内側の領域に埋め込みに
よる金属配線を有する。この金属配線としては、例えば
銅を用いる場合は銅の拡散を防止するために、拡散防止
層として例えばＳｉＮ、Ｓｉ０Ｎ（シリコン酸窒化
物）、ＳｉＣ（炭化物）を用いることができる。さら
に、この金属配線としてアルミニウム（Ａｌ）やタング
ステン（Ｗ）等を用いることができ、この場合も拡散防
止層としてＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ等を用いることが
できる。こうして、基板１の導電性層と前記コンタクト
開口部及び配線パターン溝に埋め込まれた金属配線が接
続されて多層配線が形成されたことになる。

【００３７】多層配線は、例えば次のようにして形成さ
れる。この基板１に、ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜２を例えば厚
さ約１．０μｍで、第２絶縁膜４にＣＶＤ−ＳｉＮ膜４
を例えば厚さ約１０００Åで、第３絶縁膜５に第１絶縁
膜２と同じＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜を例えば厚さ約３０００
Åでこの順に積層している。これらの絶縁膜に対する配
線溝やコンタクト開口部の形成には反応性イオンエッチ
ング（ＲＩＥと略す。）を用いた。具体的には、シリコ
ン酸化膜のエッチングには一般的なＣｘＦｙガスによる
異方性プラズマエッチングを用いた。また、シリコン窒
化膜のエッチングにはＣｘＨｙＦｚガスによる異方性プ
ラズマエッチングを用いた。これらのエッチングはそれ
ぞれの異なる絶縁膜に対して選択比が十分高いものであ
る。金属系膜はＣｕ厚さ約１．２μｍを使用した。使用
した配線幅は０．３〜１．０μｍ、配線溝の深さは約３
０００Å程度、使用したコンタクト径は０．２５〜１．
０μｍ、コンタクト深さは約１．１μｍ詳細にはＳｉＯ
₂が１μｍ、ＳｉＮが０．１μｍ程度である。

【００３８】（実施の形態１）本発明の多層配線装置及
びその製造方法の実施の形態１について図面に基づいて
説明する。なお、本発明の多層配線装置の製造方法は、
図１（ａ）及び（ｂ）は基本的には従来と同様であり、
まずこれに基づいて説明する。図１（ａ）に示すよう
に、ボロンイオンをＰ型不純物としてドーピングされた
基板１は、ＬＯＣＯＳによる厚いシリコン酸化膜２が形
成されており、その表面には段差形状を有している。

【００３９】この基板１には、図示しないが、ＬＯＣＯ
Ｓによるシリコン酸化膜２により素子分離されて半導体
装置、例えばＭＯＳトランジスタが形成されており、半
導体基板表面にシリコン酸化膜を介し例えばポリシリコ
ン層及び金属シリサイド層のゲート電極等が形成されて
おり、更に、ゲート電極を挟んで、半導体基板中にｎ型
不純物が高濃度にドーピングされたソース領域とドレイ
ン領域が対向形成されている。また、基板１について図
１（ｂ）を参照すれば、コンタクト開口部８に対向する
基板１の領域中には、ソース領域、ドレイン領域とは別
に、図示しないｐ型不純物が高濃度にドーピングされて
いる領域である導電性層（配線）が形成されており、こ
の部分にコンタクトする配線を層間絶縁膜を介して施す
例について以下に説明する。

【００４０】この基板１上に第１絶縁膜３としてＣＶＤ
によるＳｉＯ₂膜を厚さ約１．０μで堆積し、次いで、
該第１絶縁膜３に比べてエッチングレートが小さい異な
った種類の第２の絶縁膜４としてＣＶＤによるＳｉＮ膜
を厚さ約１０００Åで堆積する。

【００４１】次に、レジストを塗布し、コンタクト形成
用の露光及び現像を行い、レジストを第２絶縁膜４にコ
ンタクトを形成するため開口部を形成する。この開口部
は半導体基板１の接続すべき導電性層（配線）に対向し
ている。ここでは、例えば、図示しないソース領域に対
向している。次に、第２絶縁膜４に対しＣ_xＨ_yＦ_zガス
例えばＣＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨ₃Ｆガス等による異方性
プラズマエッチングを行い、開口により露出する部分が
エッチングされ、この開口に対向して開口部が第２絶縁
膜に形成される。こうして、開口部を有する第２絶縁膜
４は、コンタクトを形成するためのマスクとして得られ
る。そして、この第２絶縁膜４は後述の配線溝を形成す
る際エッチングストッパー層となる。

【００４２】この第２絶縁膜４上に第３絶縁膜としてＣ
ＶＤによりＳｉＯ₂膜を厚さ３０００Åで堆積する。な
お、この第３絶縁膜５は、第１の絶縁膜３と同じ種類の
ＳｉＯ₂を用いたがこれに限らず、第２絶縁膜４に比べ
てエッチングレートが大きいものであれば用いることが
できる。

【００４３】図１（ｂ）に示すように、第３絶縁膜５上
にレジスト６を塗布し、配線パターン形成のための露光
及び現像を行い、レジスト６をパターニングする。この
結果、第３絶縁膜５には配線パターン形成用開口が形成
される。次いで、第３絶縁膜５の該開口により露出した
部分をＣ_xＦ_yガス例えばＣＦ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｆ
₈ガス等による異方性プラズマエッチングを行い、第２
絶縁膜４が露出するように配線パターン溝７ａ、７ｂを
形成し、かつ第２絶縁膜４の開口部も続けてエッチング
して半導体基板１もしくは下層配線層を露出するように
コンタクト開口部分８も形成する。こうして、所望の深
さの配線パターン溝７ａ、７ｂとコンタクト開口部８が
同時に得られる。なお。このとき、第２絶縁膜４は第１
絶縁膜３をエッチングする際のエッチングストッパー層
となるため、配線パターン溝７ａの深さは所望の深さに
制御される。

【００４４】ここで、本発明のこの形態においては、配
線パターン溝７ａ、７ｂ及びコンタクト開口部８の幅を
配線として必要な幅に比べて、例えば０．１μｍ大きめ
に形成しておく。具体的には、０．４μｍの幅の配線パ
ターン溝４ａ、７ｂ及びコンタクト開口部８の幅を０．
３μｍとしている。これは、後述するように、該配線溝
パターン７ａ、７ｂ及び開口部８の側壁に５００Å程度
の絶縁膜が形成されることを考慮して大きさの設定（リ
サイズ。）を行ったものである。このような考慮による
構成がされている点において、従来のものとはことなる
本形態の特徴がある。

【００４５】次いで、レジスト６を除去する。その後、
本形態の更なる特徴とするところである、図１（ｃ）に
示すように、第２絶縁膜４と同種の第４絶縁膜９を更に
堆積する。すなわち、第２絶縁膜４と同じＳｉＮ層をＣ
ＶＤ法により厚さ５００Åで第４絶縁膜９として堆積す
るものである。なお、このＳｉＮ膜は周知のようにＣｕ
の拡散を防止するのに有効である。

【００４６】次に、このＳｉＮ膜９をＣ_xＨ_yＦ_zガス例
えばＣＨ₂Ｆガス等による異方性エッチングにてエッチ
バックすることにより配線パターン溝７ａ、７ｂ及びコ
ンタクト開口部８の側壁に側壁状のＳｉＮ層１０を形成
する（図２（ｄ）参照。）。このとき、この側壁状のＳ
ｉＮ層１０の厚さは５００Åであり、以下に説明する銅
Ｃｕの埋め込みのための熱処理においてＣｕの拡散を防
止するのに十分であり、Ｃｕの拡散を防止する絶縁性の
拡散防止膜が得られたことを意味する。このとき、コン
タクト底部ＳｉＮ層は除去されるが、配線パターン溝下
部のＳｉＮ層は残すものとする。

【００４７】尚、この結果、コンタクト底部にシリコン
基板１が露出することから、拡散防止用のバリアメタル
層膜１１をこの底部に形成しておく必要があり、選択的
に成長させる。図２（ｅ）に示すように、例えば選択的
ＣＶＤ法によりコンタクト底部にタングステンの珪化
物、例えばＷＳｉを３００Åの厚さで成長させ、さらに
窒素雰囲気中で熱処理することにより窒化させ、厚さ３
００ÅのＷＳｉＮ／厚さ１００ÅのＷＳｉの積層膜であ
るバリアメタル層膜１１を形成する。

【００４８】その後、図２（ｆ）に示すように、配線パ
ターン溝７ａ、７ｂ及びコンタクトホール８にＣｕ膜を
埋め込むようにＣｕ膜を堆積する。具体的には、Ｃｕを
例えばスパッタリーフローにより１．２μｍ厚さに形成
し、５００℃でアニールを行う。このとき、Ｃｕは側壁
状のＳｉＮ層１０によりＳｉＯ₂膜３、５への拡散が防
止される。そして、逆に、ＳｉＯ₂膜３、５からＣｕへ
の拡散がこのＳｉＮ層１０により防止され、Ｏの透過に
よるＣｕの酸化も防止される。これは、ＳｉＮ層１０が
緻密なこともあって不純物の透過を防止するからと考え
られる。そして、この熱処理に際し、ＳｉＮ層１０は十
分耐える耐熱性を示すものであり、耐熱層としても機能
する。なお、ＳｉＮとＣｕとの密着性を上げるために、
密着層として薄いＴｉＮ膜を先に被着してもよく、この
膜厚はＣｕの拡散やスパイク防止には至らない厚さ１０
０Å程度で十分である。

【００４９】次いで、図３（ｇ）に示すように、ＣＭＰ
法により配線形成用の第３絶縁膜層５であるＳｉＯ₂膜
表面のＣｕ膜１２（ＴｉＮ膜を設けた場合はその膜も含
めて）を完全に除去して平坦化し、Ｃｕが表面に露出し
た埋め込み配線１４ａ、１４ｂが配線パターン溝に形成
される。この結果、この配線１４ａ、１４ｂは、その上
表面が第３絶縁膜５の上表面とほぼ同一の平面をなすよ
うになる。この配線１４ａ、１４ｂは基板１の導電性層
（配線）に比べて上に位置することから上層配線と呼ぶ
ことができる。尚、第１絶縁膜３、第２絶縁膜４、第３
絶縁膜５は層間絶縁膜と呼ぶことができる。

【００５０】さらに、図３（ｈ）に示すように、絶縁性
の拡散防止層１５としてＣＶＤによりＳｉＮ膜が厚さ３
００〜５００Åで形成され、さらに図３（ｉ）に示すよ
うに、上層配線との層間絶縁膜１６としてＣＶＤにより
ＳｉＯ₂膜が厚さ１．０μｍで順次形成される。こうし
て、配線１４ａ、１４ｂは、基板１とのコンタクト部を
除いて、バリアメタルはほとんど形成されておらず、周
囲をＳｉＮで囲まれている。このため、従来における問
題点であったバリアメタルの密着性劣化の為に生じてい
た剥離やスパイクの問題が解消され、配線が良好に埋め
込まれた。又、実質コンタクト幅を確保しつつ、所望の
配線抵抗及びコンタクト抵抗が得られた。

【００５１】（実施の形態２）図４に示すように、配線
１４ａ、１４ｂ上に上層配線２４ａ、２４ｂもデュアル
ダマシング方法にて次の通り形成した。図３（ｈ）に引
き続き、レジストを塗布し、配線間コンタクト形成用の
露光及び現像を行い、レジストを拡散防止層１５に配線
間コンタクトを形成するため層間接続用開口部（層間コ
ンタクト開口部）を形成する。この層間接続用開口部は
前記コンタクト開口部連通し、このことにより配線１４
ｂの上面が露出する。なお、この拡散防止層１５はＳｉ
Ｎで形成されており、ここでは層間絶縁膜の一部として
の第４絶縁膜１５として機能している考えることとす
る。

【００５２】この次に、層間絶縁膜１６としてＣＶＤに
よるＳｉＯ₂膜を厚さ約１．０μｍで堆積する。次い
で、この層間絶縁膜１６上に層間絶縁膜としてのＳｉＮ
層を形成し、それをパターニングして配線間コンタクト
のための開口部を有するマスク２１とした。その上に層
間絶縁膜としてのＳｉＯ₂膜２２を形成する。この後、
実施の形態１と同様に、ＳｉＯ₂膜２２に異方性エッチ
ングによる配線パターン溝を形成し、さらに次いで配線
層間のコンタクト開口部も形成する。その後、このよう
に配線パターン、コンタクト開口部を形成された基板に
上にＳｉＮ膜２０を形成したのち、エッチバックして配
線パターン溝及びコンタクト開口部のそれぞれの側部に
側壁状のＳｉＮ膜２０を残す。このとき、コンタクト開
口部の底部においてＳｉＮ膜が除去され、配線パターン
溝に埋め込まれているＣｕ配線１４ｂが露出する。

【００５３】この後、その上に、実施の形態１と同様
に、さらにＣｕ膜の堆積、ＣＭＰ法による平坦化と埋め
込み配線、コンタクトプラグ形成完了がなされる。この
とき、配線パターンに埋め込まれている配線２４ａ、２
４ｂは、前者がＳｉＮ膜２１のエッチングストッパーの
作用により所望の深さに形成され、後者が配線（コンタ
クトプラグ）２４ｃを通じてＣｕ配線１４ｂに連続し、
ひいてはＣｕ配線１４ｃに連続する。ここで、配線２４
ａ、２４ｂの上表面は、ＳｉＯ₂膜２２の上表面とほぼ
同一の平面をなす状態にある。

【００５４】次いで、拡散防止膜としてＳｉＮ膜２５を
形成し、図４に示すように多層配線が得られる。３層以
上の配線形成工程はこのような工程を繰り返すことによ
り行われる。

【００５５】この実施の形態２の特徴は、コンタクトプ
ラグ２４ｃの底部にバリアメタルがないことであり、２
層のＣｕ配線２４ｂ、１４ｂは同種のＣｕプラグにて直
接連結している。これは、３層以上の配線間コンタクト
プラグにも適用されるため、配線層間のバリアメタルに
よる寄生抵抗が除かれることを意味する。

【００５６】以上の実施の形態においては、半導体基板
１としてｎ型不純物としてボロンをドープしたシリコン
基板に対し、バリアメタルを介しコンタクト開口部のＣ
ｕ配線を施した例について説明したが、この基板１の接
続すべき導電性層として金属配線が施されている場合、
例えばゲート電極としての金属例えば、ＷＳｉが施され
ているとバリアメタル形成工程を省略することによりそ
の配線に対しバリアメタルを介さないで直接コンタクト
ホールのＣｕ配線を介し接続するように本発明を適用す
ることができる。配線パターン溝及びコンタクト開口部
へ埋め込む配線用金属材料、例えば銅（Ｃｕ）または、
アルミニウム（Ａｌ）等は、接続される基板の配線（導
電性層）材料、例えば金属シリサイド（ＷＳｉ、ＴｉＳ
ｉ₂、ＣｏＳｉ₂）／ポリシリコンに対応して選ばれ、そ
の配線用金属材料に対応して配線上の金属シリサイドに
は、拡散防止層の材料ＷＳｉ、ＴｉＳｉ₂、ＣｏＳｉ₂、
ＭｏＳｉ₂、ＮｉＳｉ、ＴａＳｉ等が選ばれる。

【００５７】

【発明の効果】本発明の多層配線装置では、配線幅及び
コンタクトホール部の開口は拡散防止層の膜厚分を考慮
して開口し、絶縁性の拡散防止層を形成することによ
り、配線例えば銅配線の導体部分は大きくなっていない
ので、配線間の距離は小さくならない。又、コンタクト
部の幅も導体部分は大きくなっていないので、基板特に
半導体基板の場合ｎ型等の不純物等の拡散領域を変更す
る必要もない。その為、多層配線のより微細化、高密度
化に適するため、ひいては半導体装置等の微細化、高密
度化に寄与するところ大である。

【００５８】さらに、層間接続用開口部により第１のコ
ンタクト開口部と第２のコンタクト開口部が連通してい
るので、従来は配線層間のコンタクト抵抗を上げる要因
となっていた３００Å以上の膜厚のバリアメタルの形成
を基板とのコンタクト部及び外部端子とのコンタクト部
以外は省くことができ、配線中の余分な抵抗成分を取り
除くことが可能となり、特性の優れた多層配線を提供す
ることができる。

【００５９】そして、本発明の多層配線装置の製造方法
は、少なくとも配線パターン溝の周囲、乃至コンタクト
開口部の周囲等ほとんどすべての周囲を絶縁性の拡散防
止膜で覆い、その後コンタクト部を含む金属配線例えば
銅配線、及び各配線層をつなぐすべてのコンタクト部を
含む多層金属配線を形成するので、基板特に半導体装置
の存在する基板について配線製造中の高温処理時の配線
の金属例えば銅の拡散や反応、及び外部からの不純物の
混入を抑制しつつ、配線することができ、多層配線の特
性の優れたものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多層配線装置の実施の形態１の製造工
程を説明する断面図である。

【図２】本発明の多層配線装置の実施の形態１の製造工
程を説明する断面図である。

【図３】本発明の多層配線装置の実施の形態１の製造工
程を説明する断面図である。

【図４】本発明の多層配線装置の実施の形態２の断面図
である。

【図５】従来の多層配線装置の断面図である。

【符号の説明】

１半導体基板２シリコン酸化膜３第１絶縁膜４第２絶縁膜５第３絶縁膜６レジスト７ａ、７ｂ配線パターン溝８コンタクト開口部９第４絶縁膜１０拡散防止層１１バリアメタル１２銅膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃ配線１５拡散防止層１６第６絶縁膜２０拡散防止層２１第７絶縁膜２２第８絶縁膜２４ａ、２４ｂ、２４ｃ配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された導電性層と、該基板
上に形成された層間絶縁膜と、該導電性層に接続され、
かつ該層間絶縁膜の上表面とほぼ同一の平面をなす表面
を有する上層配線層からなり、該層間絶縁膜は少なくとも第１絶縁膜と、該第１絶縁膜
に対してエッチングレートの小さい第２絶縁膜と、第３
絶縁膜から構成されており、第１絶縁膜、第２絶縁膜に
は前記導電性層と上層配線層とを接続する第１のコンタ
クト開口部が形成されており、第３絶縁膜には上層配線
層が配置される配線パターン溝が形成された多層配線装
置にあって、前記配線パターン溝の側部に絶縁性の金属拡散防止層を
備えていることを特徴とする多層配線装置。
【請求項２】前記第１のコンタクト開口部の側部に絶
縁性の金属拡散防止層を備えていることを特徴とする請
求項１に記載の多層配線装置。
【請求項３】前記第２絶縁層及び前記金属拡散防止層
がシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１又は
２に記載の多層配線装置。
【請求項４】前記上層配線層上には、第２の層間絶縁
膜と、前記上層配線層に接続されかつ該層間絶縁膜を介
し位置する第２の上層配線層を有し、前記第２の層間絶
縁膜は前記第１のコンタクト開口部に対向する部分に形
成された第２のコンタクト開口部を有し、この第２の層
間絶縁膜の第２のコンタクト開口部に対向する領域であ
って第１のコンタクト開口部に対向する部分に層間接続
用開口部を有し、この層間接続用開口部により第１のコ
ンタクト開口部と第２のコンタクト開口部とが連通して
いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
の多層配線装置。
【請求項５】前記基板は、その表面の１部分に導電性
層として不純物のドープ又は金属層の埋め込みによる導
電性の部分或いは絶縁層を介し導電性の部分を有する半
導体基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいず
れかに記載の多層配線装置。
【請求項６】導電性部分をその表面部分に有する基板
上に第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜上に該第１絶縁膜に対しエッチングレー
トの小さい、開口部を有する第２絶縁膜を形成する第１
の工程と、前記第２絶縁膜上に第３絶縁膜を形成する第２の工程
と、前記第３絶縁膜に複数の配線パターン溝であって、該配
線パターン溝のうち少なくともあるものが前記第２絶縁
膜に到達し、他のあるものが前記開口部に連通する溝を
形成し、さらに前記開口部に対向して第１絶縁膜にコン
タクト開口部を形成するようエッチングする第３の工程
と、前記配線パターン溝及び該配線パターンに連通するコン
タクト開口部の側壁に絶縁性の拡散防止材料を形成する
第４の工程と、前記配線パターン溝及び該配線パターンに連通するコン
タクト開口部の内側の領域に金属系配線材料をその露出
面部がほぼ平坦になるよう埋め込む第５の工程とを有す
ることを特徴とする多層配線装置の製造方法。
【請求項７】前記第１絶縁膜と第２絶縁膜に同じ材料
を用いることを特徴とする請求項６に記載の多層配線装
置の製造方法。
【請求項８】前記第５工程の後に絶縁性の拡散防止層
を形成する第６工程を有することを特徴とする請求項６
又は７に記載の多層配線装置の製造方法。
【請求項９】前記第３の工程の後にコンタクト開口部
の底部にバリアメタルを形成する第７の工程を有するこ
とを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の多層
配線装置の製造方法。