JPS5998535A

JPS5998535A - 半導体集積回路の製造方法

Info

Publication number: JPS5998535A
Application number: JP20757682A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Mochizuki; 康弘望月
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-29
Filing date: 1982-11-29
Publication date: 1984-06-06
Also published as: JPS6362101B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は半導体集積回路の製造方法に係り、特に断線の
ない多層配線構造を有する半導体集積回路の製造方法に
関する。

（従来技術）半導体集積回路の高集積化、高速化には配線層の微細化
と多層化が不可欠である。

第１図は従来の半導体集積回路における２層配線構造の
平面図、第２図は第１図におけるＡ−Ａ’線断面の模式
図を示す。

これらの図において、１は半導体基体、２は第１層目の
配線層、３は層間絶縁膜、４は第１層目の配線層と第２
層目の配線層を接続するために、層間絶縁膜中に設けら
れたスルーホール、５は第２層目の配線層を示す。

このような多層配線構造の形成方法はつぎのとおりであ
る１、（１）まず半導体基体１上の全面に導電層を形成した後
、その不要部分を除去することによシ第１層目の配線層
２を形成する。この状態では、配線層２０箇所は高く、
他の部分は低く、シたがって表面に段差を生じている。

（２）次に、全表面に層間絶縁膜３を形成する。このよ
うに眉間絶縁膜３を形成した後で４、前記（１）の工程
で生じた段差は依然として残っている。

（３）つソいて、第１層目の配線層２と、後で形成され
る第２層目の配線とを接続する場所の、層間絶縁膜３に
スルーホール４を形成する。

これにより表面の凸部に新な段差を生ずる。

（４）次に、第２の配線層５を形成するため、全表面上
に導電層を形成した後、所望のパターンに配線を形成す
る１゜以上の工程によって、第１図に示した多層配線構造が形
成される。しかし、従来法による多層配線構造では、前
記の眉間絶縁膜３のスルーホール４の部分に残っている
段差により、第２層目の配線層５が断線を生じやすくな
り、歩留りや信頼性の低下を引起こし易いという欠点が
ある。

また、配線の層数が、２以上に多くなる場合には、表面
の凹凸や段差が重なり合うことがあり、配線の断線を生
じたシ、その後形成されるフォトレジスト層の厚みの不
均一に起因する微細なノくターンの露光不均一によって
、スルーホール内の接続不完全を生じたりしやすいとい
う欠点がおる。

この対策として、スルーホールの段差部をテーパーエツ
チングして傾斜をなだらかにする方法、スルーホール形
成用のホトレジストを用いて、スルーホール内に、金属
膜をリフトオフ法で充填する方法（特開昭５６−１３５
９４４　）、スルーホール内を選択的にメッキして充填
する方法（％開閉５６−１３８９４２）等々が提案され
ている。

しかし、これらの従来法では、パターンの面積が大きく
なったり、工程が複雑になったり、あるいはスルーホー
ル壁面への充填が良くない等の欠点がある。

（目　的）本発明の目的は、この様な従来技術によるスルーホール
部段差による配線の断線、各配線層の接続不良などを防
止した多層配線構造を有する半導体集積回路の製造方法
を提供するにある。

（概　要）本発明の特徴は、気相反応によシ層間絶縁膜のスルーホ
ール内に選択的に金属を充填し、眉間絶縁膜の表面を＃
ｔ　ｙ平担にしてから、その全面に金属膜を堆積して配
線パターンを形成することにある。

（実施例）以下本発明を実施例により詳細に説明する。

第３図（＆）は半導体基体２１に第１層目の配線層２２
を形成した状態を示す、、ここで示す半導体基体２１は
、シリコン単結晶中に所定パターンのｈ接合、バッジペ
ージ冒ン膜及びコンタクトホールを形成した状態をさす
。

第１層目の配線層２２は、例えば、アルミニウムｓ　シ
リコン（４Ｎ）をスパッタ法で堆積シーｔ”彫成するこ
とができ、その厚さ０．８μｍである１゜次に、眉間絶
縁膜２３として、プラズマ励起の気相化学反応により、
０．２μｍ厚さのシリコン酸化膜２３＆と０．７μｍ厚
さのリンガラス膜２３ｂを連続して堆積させた〔第３図
（ｂ）〕。

次に、四フフ化炭素と酸素を用いたプラズマエツチング
により、第１層目の配線層２２上の必要個所に３μｍ角
のスルーホール２４を形成した〔第３図（Ｃ）　）　、
、次に、後述するような気相反応により、スルーホール２
４内に選択的に金属を充填し〔第３図（ｄ）１引続いて
基体２１の全面一すなわち、層間絶縁膜２３＄−よび充
填金属２５Ａの全面に金属膜２５を堆積させた〔第３図
（ｅ）〕。

スルーホール２４内への選択的な金属の充填と、それに
連続して行なう層間絶縁膜２３および充填金属２５Ａの
全面への金属膜２５の堆積は、下記の様な気相反応によ
り実施される。

第４図は、気相反応による金属膜形成装置を示す、）充分な気密性を有する透明石英製の、反応容器３１の内
部に配置されたグラファイト製加熱支持台３２に、半導
体基体３３が載置される。この半導体基体３３は、第３
図Ｃｃ）に示すスルーホール２４を形成したものである
。

反応容器３１には、図から明らかなように、高Ｍ度水素
３４、アルゴン３５、六フッ化タングステン３６の各ガ
ス供給系が取り付けられている。

これらのガス供給系において、Ｆはフィルタであり、Ｌ
Ｍは流量計、３６Ａは六フッ化タングステンのボンベで
ある。また、第４図中の３０は高周波誘導加熱用コイル
である。

このような金属膜形成装置による金属膜形成工程はつぎ
のとおりである。

まず、反応容器３１内を水素で置換し、次いで加熱支持
台３２を、高周波誘導加熱コイル３０に通電することに
よって、３６５℃に加熱する。この状態で、ガス供給系
３４および３６から、水素および六７ツ化タングステン
を流入させる。

本発明者の実験では、六フッ化タングステンは、所定の
蒸気圧が得られる様に、２８℃に設定した恒温水槽にボ
ンベ３６Ａを浸し、フローメータＬＭを経由して、２０
ｍ１／−の割合で反応容器３１内に供給した。この時の
六７ツ化タングステンの水素還元反応は次式で示される
。

ＷＦｇ（ｇ）　＋　ａ　Ｈ，（ｇ）−＋　Ｗ（ｓ）　＋
　ａ　ＨＦ　（ｇ）前記式の反応によって生成される７
ツ化水素（ＨＦ）により、眉間絶縁膜２３の表面側にあ
るリンガラス層２３ｂ　ｆ）表面がエツチングされるの
で、タングステン（ト）の堆積は、スルーホール２４の
底部の金属表面にのみ限定される。すなわち、上記の反
応の利用により、スルーホール２４内への金属（タング
ステン）の選択堆積ができる。

前述のように、反応によりエツチングされ、スルーホー
ル部への選択膜形成が可能な眉間絶縁膜は、リンガラス
の他にシリコン酸化膜、ボロンガラス、パイレックスガ
ラス、ソーダガラス等がある。シリコン窒化膜、アルミ
ナ等の絶縁膜はエツチングされず不適尚である。１タングステン膜の堆積速度は、シリコン、アルミニウム
、り／ゲステン、ステンレス鋼等の上では０．４μｍ／
―　であり、リンガラス膜のエツチング速度は０．０１
μＷ′−である。したがって、約２分間の反応により、
スルーホール２４にタングステン膜を充填することがで
きる。

次いで、反応容器３１内をアルゴンで置換してから、六
７ツ化タングステンを、３０ｍ１／−の割合で再び流入
させる。六フッ化タングステンの熱分解反応は次式で示
される。明らかなように、この場合は、フッ化水素は生
成しない。

ｗＦ’ｓ（ｇ）→Ｗ（ｓ）＋３Ｆｍ（ｇ）このため、リ
ンガラス層の表面はエツチングされず、基板全面にタン
グステン膜が堆積する。熱分解によるタングステン膜の
堆積速度は０．２μＷ′−である。

以上の工程によシ、スルーホール２４への金属の選択的
な充填と、基板全面一すなわち、層間絶縁膜２３とスル
ーホール２４内の堆積金属２５Ａとの表面への金属膜形
成が、連続して−すなわち、半導体基体３３を反応容器
外へ取り出したりすることなしに、実行できる。

この反応において重要な点は、（ｉ）反応ガスの種類と
流量、および（２）反応温度である。

上述からも明らかなように、本発明は、六フフ化タング
ステンの水素還元と熱分解を併用している点が特徴であ
る。

水素還元法の場合は、水素雰囲気中の六フッ化タングス
テンの供給量が０．０５％より大きい範囲では、タング
ステン膜堆積速度の反応ガス流量依存性は小さい。一方
、熱分解法の場合は、アルゴン雰囲気中の六フッ化タン
グステンの供給量が１．５％以下になると、タングステ
ン膜の堆積速度が急激に低下する。

それ故、六フッ化タングステンガスの供給量は正確に制
御しなければならない。

また、タングステン膜堆積時の反応温度（基板温度は、
３５０℃以上が望ましい。

その理由は、′Ｍ５図から分るように、３５０℃以上の
反応温度で堆積させたタングステン膜の抵抗率は、バル
クのそれ（第５図中の点線で示す）に比べて１．５倍程
度で一定であるが、３５０℃以下の範囲では、反応温度
が低くなる程、堆積膜の抵抗率が急激に大きくなるから
である。抵抗率が大きいということは、膜の構成も緻密
でなくなっていると推測される。

なお、第５図において、横軸は反応温度（ト）であり、
縦軸は堆積タングステン膜の抵抗率（μΩ−副）である
。

また、第６図は反応温度（横軸；℃）と、タングステン
膜を堆積したシリコンウェハの反り（すなわち、曲率半
径）（縦軸；５＋）との関係を示す実測結果である。

この図から、反応温度が３２０℃以下に低下した場合に
は、半導体基板の反りが大きくなり、したがって、曲率
半径が小さくなっていることが分る。

以上のことから、この場合の反応温度の下限は、３５０
℃以上に選ぶ必要があることが分る。

つぎに１上記反応温度の上限は、基板内部の拡散プロフ
ィールの乱れや、第１層目の配線材料と基板や層間絶縁
膜との反応の進行状況によって決定される。

本実施例の場合では、第１層目の配線材料にアルミニウ
ムを用いていることにより、反応温度は５００℃以下、
できれば４５０℃以下が望ましい。この様な低温で、選
択堆積と、全面堆積とが容易に可能な反応ガスとしては
、六７ツ化夕／グステ／が適している１゜以上詳述したように、本発明によれば簡単な工程で精度
よく断線のない多層配線構造が形成できる。

本発明の実施例として、以上では二層配線の場合を説明
したが、よシ高次の多層配線にも、本発明が適用できる
ことは容易に理解されるであろう。

また、第１層目の配線材料にアルミニウム・シリコン合
金を用いているが、他の材料でもよいことは明らかであ
る。さらに、六フッ化タングステンの代りに７フ化モリ
ブデンを用いることもできる。

（効　果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば、層間
絶縁膜に穿設したスルーホールを、金属で完全に充填す
ることができるので、層間絶縁層の表面に凹凸が生ずる
のを完全に防止することができる。したがって、凹凸の
発生によっても九らされる従来技術の欠点を改善するこ
とができる。

さらに、前記スルーホールの金属による充填と、その後
の、前記金属および眉間絶縁層の表面全面への金属Ｉ−
の堆積とを、連続して一換言すれば、半導体基体を反応
容器から取９出すことなしに、一工程で実現できるので
、製造工程が簡略化され、能率化される利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の多ＪＩＩＩ配線構造を説明するための平
面図、第２図は第１図のＡ　−Ａ’線にそう断面図、第
３図は本発明による多層配線構造の製造工程での断面図
、第４図は本発明に用いた製造装置の模式図、第５図は
反応温度と堆積タングステン膜抵抗率との関係を、膜厚
をパラメータとして示す図、第６図は反心温度とタング
ステン膜を堆積したシリコンウェハの曲率半径（反り）
との関係を、膜厚をパラメータとして示す図である。１．２１・・・半導体基体、２．２２・・・第１層目の
配線層、３．２３・・・層間絶縁膜、４．２４・・・ス
ルーホール、５．２５・−・第２層目の配線層、２５Ａ
・・・充填金属代理人弁理士　　平　木　道　人第１図第２図第３図２

Claims

【特許請求の範囲】（１）　（ａ）半導体基体上に配線層を形成する工程と
、伽）該配線層上に眉間絶縁膜を形成する工程と、（ｅ
）上記層間絶縁膜に前記配線層の所定箇所を露出するス
ルーホールを形成する工程と。０）前記スルーホールに、気相反応により選択的に金属
を充填し、更に連続して基体上の眉間絶縁膜表面全面に
、気相反応によシ金属層を堆積して多層配線層を形成す
る工程と、からなることを特徴とする多層配線構造を有
する半導体集積回路の製造方法。（２、特許請求の範囲第１項において、層間絶縁膜の表
面はシリコン酸化膜を主体とする層であり、気相反応の
原料ガスは六７ツ化夕／ゲステンであることを特徴とす
る多層配線構造を有する半導体集積回路の製造方法。（３）特許請求の範囲第１項において、スルーホールに
充填される金属、および層間絶縁膜表面の全面に堆積さ
れる金属が、共にタングステンであることを特徴とする
多層配線構造を有する半導体集積回路の製造方法。