JPH1187496A

JPH1187496A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH1187496A
Application number: JP24826997A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Ikura; 恒生伊倉
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 1999-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】ヴィアホールにおいて、異種金属界面を形成
することなく、耐マイグレーション性の低下及び工程数
の増加を防止する半導体装置の製造方法を提供すること
を目的とする。【解決手段】シリコン半導体基板１１の絶縁膜１２上
に第１金属膜１４から成る第１層目の配線パターン１６
を形成し、第１層目の配線パターン１６の形成された基
板上に層間絶縁膜１７を形成する。そして、層間絶縁膜
１７にヴィアホール１８を形成するとともにヴィアホー
ル１８の底部に前記第１金属膜１４が露出するように反
射防止膜１５をエッチングする。次に、表面の垂直方向
を軸方向として回転する半導体基板の斜め方向からの指
向性を有するスパッタによりヴィアホール１８の底部以
外に耐マイグレーション用膜２１を形成する。耐マイグ
レーション用膜２１上に第２金属膜１７及び反射防止膜
２３がこの順序で積層され、第１金属膜１４と第２金属
膜とが直接接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヴィアホールを介
して配線間を接続する半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高性能化、高集積化に
伴い、配線幅及び配線ピッチの微細化が進むとともにＡ
ｌ（アルミニウム）等の金属膜から成る配線の多層化が
進んでいる。図３は、従来の半導体集積回路における多
層配線構造を示す断面図である。トランジスタ等の素子
が形成されたシリコン半導体基板１上に絶縁膜２が形成
され、この絶縁膜２上にＴｉから成る耐マイグレーショ
ン膜３、Ａｌから成る第１金属膜４及びＴｉＮから成る
反射防止膜５が、この順序で例えばスパッタ法により積
層された後、所定のパターンに加工され、第１層目の配
線パターンが形成される。この第１層目の配線パターン
の反射防止膜５上に、例えばＣＶＤ法によりＰＳＧ等か
ら成る層間絶縁膜６が形成され、この層間絶縁膜６にヴ
ィアホール１０が形成される。その後、前記層間絶縁膜
６上とヴィアホール１０の側面及び底面にＴｉから成る
耐マイグレーション用膜７が形成される。そして、Ａｌ
から成る第２金属膜８がスパッタにより耐マイグレーシ
ョン用膜７及びヴィアホール１０上に形成される。この
耐マイグレーション用膜７は、第２金属膜８を形成する
ためのウエッティング膜としても機能する。従って、こ
の耐マイグレーション用膜７によって、スパッタにより
照射されたＡｌがヴィアホール１０内に充填され、その
後、第２金属膜８が耐マイグレーション用膜７の上及び
ヴィアホール１０の上に形成される。そして、ＴｉＮか
ら成る反射防止膜９が第２金属膜８の上に形成される。
この後、所定のパターンに加工して耐マイグレーション
用膜７、第２金属膜８及び反射防止膜９から成る第２層
目の配線パターンが層間絶縁膜６の上に形成される。上
述のように、ヴィアホール１０を介して第１層目の配線
と第２層目の配線とが接続される。

【０００３】前記ヴィアホール１０において、Ａｌから
成る第１金属膜４とＡｌから成る第２金属膜８との間に
は、第１層目の反射防止膜５と第２層目の耐マイグレー
ション用膜７が形成されている。即ち、同一種類の金属
Ａｌから成る第１金属膜４と第２金属膜８との間に、異
種金属膜であるＴｉＮ，Ｔｉが介在されており、第１金
属膜４から第２金属膜８までの間には、３つの異種金属
間界面が形成されている。このため、ヴィアホール１０
では、抵抗値が高くなるとともに、耐マイグレーション
性が低下するという問題が生じている。

【０００４】上述の問題を解消する技術が、例えば特開
平５−４７９４０号公報に提案されている。この技術
は、ヴィアホールの底面及び側壁に形成される耐マイグ
レーション用のＴｉＮ膜の膜厚が層間絶縁膜の上に形成
されるＴｉＮ膜の膜厚の１／３〜１／５になることを利
用して、ＴｉＮ膜に対して全面エッチバックを行い、ヴ
ィアホールの底部のＴｉＮ膜を除去している。そして、
ヴィアホールを介して第１層目の積層メタル配線層のＡ
ｌ合金膜と第２層目の積層メタル配線層のＡｌ合金膜と
を直接接続するとともに、層間絶縁膜の上に形成された
ＴｉＮ膜を耐マイグレーション用膜として用いている。

【０００５】また、上述の問題を解消する別の技術が、
例えば特開平５−１９８６８５号公報に提案されてい
る。この技術は、下層の金属配線のＡｌ合金膜及び上層
の金属配線のＡｌ合金膜と同一種金属Ａｌから成るプラ
グをヴィアホール内に形成し、このプラグ及び層間絶縁
膜の上に上層金属配線のＡｌ合金膜を直接形成し、上層
金属配線と下層金属配線とを接続している。

【０００６】また、エレクトロマイグレーションが発生
した場合に、断線等の不具合が生じないように配線に対
する信頼性を向上させる技術が、例えば、特開平１−３
０４７５２号公報に提案されている。この技術は、下層
配線のＡｌ合金膜と上層配線のＡｌ合金膜と同一種類の
金属膜であるＡｌ合金膜をヴィアホールの側壁に側壁膜
として形成し、異種金属から成るプラグをヴィアホール
内に形成して、下層配線と上層配線とを接続している。
そして、エレクトロマイグレーションが発生した場合に
も、Ａｌ合金膜から成る側壁膜によって断線等を防止
し、接続信頼性を向上させている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述の特開平５−４７
９４０号公報に提案されている技術は、耐マイグレーシ
ョン用のＴｉＮ膜を形成した後に、ＴｉＮ膜に対する全
面エッチバックを行い、ヴィアホールの底部のＴｉＮ膜
を除去する工程を行う。このため、工程が１つ増加する
ので、半導体装置の製造コストが増大する。また、Ｔｉ
Ｎ膜を除去する工程時に異物がヴィアホール内及びＴｉ
Ｎ膜上に付着する可能性もあり、歩留りが低下する等の
問題が生じる場合がある。

【０００８】また、前述の特開平５−１９８６８５号公
報に提案されている技術は、Ａｌから成るプラグをヴィ
アホールに形成し、下層金属配線及び上層金属配線を前
記プラグにそれぞれ直接接続する。このため、上層配線
のＡｌ合金膜の下に耐マイグレーション用の異種金属膜
を形成することができない。これによって、上層金属配
線の耐マイグレーション性が低下するという問題があ
る。

【０００９】なお、特開平１−３０４７５２号公報に提
案されている技術では、下層配線のＡｌ合金膜と上層配
線のＡｌ合金膜との間に２つの異種金属間界面が形成さ
れているので、ヴィアホールにおける抵抗値の増加を防
止することができないとともに、耐マイグレーション性
の低下を防止することもできない。

【００１０】本発明の目的は、ヴィアホールを介して接
続される多層配線の間に異種金属界面を形成することな
く、耐マイグレーション性の低下及び工程数の増加を防
止する半導体装置の製造方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、ヴィアホールを介して配線層間を接続する半
導体装置の製造方法であって、半導体基板上に形成され
た下層配線層上に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶縁膜
にヴィアホールを形成するとともに前記ヴィアホールの
底部に前記下層配線層表面を露出させ、基板の垂直方向
を軸方向として回転する前記半導体基板の斜め方向から
の指向性を有するスパッタにより前記ヴィアホールの側
壁部及び前記層間絶縁膜上に耐マイグレーション用或い
はウェッティング用の金属膜を形成し、この金属膜上及
びヴィアホール内に上層配線用金属膜を形成して、上層
配線層を前記層間絶縁膜上に形成することを特徴とす
る。

【００１２】前記下層配線層は積層金属配線構造からな
り、この下層配線層に反射防止膜が形成されると共に、
ヴィアホール上の反射防止膜を除去し、下層配線層表面
を露出させ、前記ヴィアホールの側壁部及び前記層間絶
縁膜上に耐マイグレーション用膜を形成し、前記耐マイ
グレーション用膜上及びヴィアホール内に上層配線用金
属膜を形成し、前記層間絶縁膜上に上層配線層を形成す
るように構成することができる。

【００１３】上述の半導体装置の製造方法によれば、回
転する半導基板の斜めから方向からの指向性を有するス
パッタによりヴィアホールの底部以外のヴィアホールの
側壁部及び層間絶縁膜上だけに耐マイグレーション用或
いはウェッティング用の金属膜を形成することができ
る。これによって、ヴィアホールの底部に耐マイグレー
ション用等の金属膜が形成されないので、ヴィアホール
の底部の耐マイグレーション用等の金属膜を除去する工
程は必要がない。従って、工程数の増加を防止すること
ができるので、製造コストの増加の防止及び異物付着の
可能性の低減による信頼性の向上を図ることができる。

【００１４】また、上層配線層の下には、耐マイグレー
ション用膜を形成することができるので、上層配線層の
耐マイグレーション性の低下を防止することができる。
さらに、ヴィアホールを介して接続される上層配線層と
下層配線層とが、異種金属を介さずに同一の金属だけで
接続することができる。これによって、ヴィアホールに
おける抵抗値を低減させることができるとともに、ヴィ
アホールの耐マイグレーション性を向上させることもで
きる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体装置の製造
方法の実施の形態について図面を参照して設定する。図
１は、本発明の実施の形態を示す断面図である。

【００１６】図１（ａ）に示すように、トランジスタ等
が形成されたシリコン半導体基板１１上に絶縁膜１２が
形成される。この絶縁膜１２上に、膜厚４００Å（オン
グストローム）のＴｉから成る耐マイグレーション用膜
１３、膜厚６０００ÅのＡｌから成る下層配線層となる
第１の金属膜１４、膜厚４００ÅのＴｉＮから成る反射
防止膜１５が、例えば、スパッタ法によりこの順序で積
層され、リソグラフィー及びエッチングプロセスにより
第１層目の配線パターン１６が形成される。そして、こ
の第１層目の配線パターン１６が形成された基板上に、
例えば、ＣＶＤ法により膜厚６０００〜９０００ÅのＰ
ＳＧ（Phospho-Silicate Glass）から成る層間絶縁膜１
７が形成される。

【００１７】そして、図１（ｂ）に示すように、リソグ
ラフィー及びエッチングプロセスにより、ヴィアホール
１８が層間絶縁膜１７に形成される。このエッチングプ
ロセスでは、フッ素原子を含んだガスが用いられ、この
ガスは、ヴィアホール１８を形成するとともにヴィアホ
ール１８の底部に露出した反射防止膜１５も同時に除去
する。これによって、ヴィアホール１８の底部には、Ａ
ｌから成る第１金属膜１４が露出している。

【００１８】次に、Ｔｉから成る耐マイグレーション用
膜がヴィアホール１８の側壁及び層間絶縁膜１７上に形
成される。図２は、耐マイグレーション用膜が形成され
る場合の半導体基板１１の状態を示した断面図である。

【００１９】この場合、スパッタにおいて、照射された
Ｔｉが、深さ方向と口径との比が１５：１０であるコリ
メータを通過し、通過したＴｉは、図２に示すように一
定方向進む。そして、この一定方向に進むＴｉは、前記
半導体基板に照射される。前記半導体基板１１は、Ｔｉ
の進む方向に対して角度θだけ傾けられ、半導体基板１
１の表面の垂直方向を軸方向として一定の速度で回転さ
れる。この角度θは、層間絶縁膜１７の膜厚をＤとし、
反射防止膜１５の膜厚をＸとし、ヴィアホール１８の口
径をＷとした場合に、下記の数式１で求められる。

【００２０】

【数式１】θ＝ｔａｎ^-1｛Ｗ／（Ｄ＋Ｘ）｝

【００２１】例えば、層間絶縁膜１７の膜厚Ｄが８００
０Åであり、反射防止膜１５の膜厚Ｘが４００Åであ
り、ヴィアホール１８の口径Ｗが０．４μｍである場
合、半導体基板１１の角度θは、約２５度に設定され
る。図１（ｃ）に示すように、一定速度で回転する半導
体基板１１の斜め方向からの指向性の有るスパッタによ
りヴィアホール１８の側壁及び層間絶縁膜１７上にだけ
膜厚４００ÅのＴｉから成る耐マイグレーション用膜２
１を形成することができる。即ち、ヴィアホール１８の
底部に耐マイグレーション用膜２１を形成しないように
することができる。

【００２２】そして、図１（ｄ）に示すように、上層の
配線層となる第２金属膜２２を形成するために、この耐
マイグレーション用膜２１が形成された半導体基板１１
に対して約５３０℃の熱処理を行い、スパッタによりＡ
ｌを耐マイグレーション用膜２１上に照射する。前記熱
処理により照射されたＡｌは高温Ａｌとなり、この高温
Ａｌは、ウエッティング膜として機能する耐マイグレー
ション用膜２１上を滑り、ヴィアホール１８内に導かれ
る。ヴィアホール１８内にＡｌが充填された後、膜厚６
０００ÅのＡｌから成る第２金属膜２２が前記耐マイグ
レーション用膜２１の上及びヴィアホール１８に形成さ
れる。

【００２３】上述のように、照射されたＡｌが高温Ａｌ
となり、耐マイグレーション用膜２１がウエッティング
膜として機能することで、確実にヴィアホール１８内に
Ａｌを充填することができる。これによって、平坦な第
２金属膜２２を形成することができる。

【００２４】次に、スパッタにより膜厚４００ÅのＴｉ
Ｎから成る反射防止膜２３が第２金属膜２２の上に形成
され、その後、リソグラフィー及びエッチングプロセス
が行われて、第２積層配線２４が形成される。

【００２５】上述の方法によって、ヴィアホール１８を
介して接続される第１層目の配線パターン１６と第２層
目の配線パターン２４との間には、異種金属は形成され
ない。即ち、第１金属膜１４と第２金属膜２２とは、直
接接続される。これによって、ヴィアホール１８におけ
る抵抗値を低減させることができるとともに、ヴィアホ
ール１８の耐マイグレーション性を向上させることがで
きる。さらに、第１金属膜１４及び第２金属膜２２の上
下には、反射防止膜１５，２３と耐マイグレーション用
膜１３，２１が形成されるので、第１層目の配線パター
ン１６及び第２層目の配線パターン２４の耐マイグレー
ション性の低下を防止することができる。

【００２６】また、本実施の形態は、耐マイグレーショ
ン用膜２１を形成する場合に、傾斜された半導体ウェハ
が回転され、その半導体ウェハには斜め方向からＴｉが
照射される。これによって、ヴィアホール１８の底部に
耐マイグレーション用膜２１を形成しない。従って、ヴ
ィアホール１８の底部の耐マイグレーション用膜２１を
除去する工程を省くことができるので、コストの増加の
防止、及び異物付着の可能性の低減による信頼性の向上
を図ることができる。なお、本実施の形態では、傾斜さ
れた半導体基板に対してＴｉを照射する方法について述
べたが、半導体基板を傾斜させずに半導体基板の斜めか
らＴｉを照射するようにしてもよい。

【００２７】また、本実施の形態は、ヴィアホール１８
を介して第１層目の配線パターン１６と第２層目の配線
パターン２４とを接続する方法について示したが、３層
以上の積層配線構造となる場合でも、本実施の形態で示
した方法と同様の方法を行うことで同様の効果を奏する
ことができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明の半導体装置の製造方法によれ
ば、ヴィアホールの底部に耐マイグレーション用等の金
属膜が形成されないので、工程数の増加を防止でき、コ
ストの増加の防止及び異物付着の可能性の低減による信
頼性の向上を図ることができる。さらに、ヴィアホール
において、下層の配線層と上層の配線層とが異種金属を
介さずに直接接続されるので、ヴィアホールにおける抵
抗値を低減させることができるとともに、耐マイグレー
ション性を向上させることもできる。

【００２９】また、上層配線層の下部には、耐マイグレ
ーション膜を形成することができるので、積層配線の耐
マイグレーション性の低下を防止することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す断面図である。

【図２】耐マイグレーション用膜が形成される場合の半
導体基板の状態を示した断面図である。

【図３】従来の半導体集積回路の多層配線構造の一部を
示す断面図である。

【符号の説明】

１１半導体基板１４第１金属膜１５反射防止膜１６第１層目の配線パターン１７層間絶縁膜１８ヴィアホール２１耐マイグレーション用膜２２第２金属膜２４第２層目の配線パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヴィアホールを介して配線層間を接続す
る半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に形成
された下層配線層上に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶
縁膜にヴィアホールを形成するとともに前記ヴィアホー
ルの底部に前記下層配線層表面を露出させ、基板の垂直
方向を軸方向として回転する前記半導体基板の斜め方向
からの指向性を有するスパッタにより前記ヴィアホール
の側壁部及び前記層間絶縁膜上に耐マイグレーション用
或いはウェッティング用の金属膜を形成し、この金属膜
上及びヴィアホール内に上層配線用金属膜を形成して、
上層配線層を前記層間絶縁膜上に形成することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記下層配線層は積層金属配線構造から
なり、この下層配線層に反射防止膜が形成されると共
に、ヴィアホール上の反射防止膜を除去し、下層配線層
表面を露出させ、前記ヴィアホールの側壁部及び前記層
間絶縁膜上に耐マイグレーション用膜を形成し、前記耐
マイグレーション用膜上及びヴィアホール内に上層配線
用金属膜を形成し、前記層間絶縁膜上に上層配線層を形
成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の
製造方法。