JPS63166246A - 半導体装置の層間接続方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微細なコンタクト開口穴を介して半導体基板上
に設けられた下層導体と下層導体とを接続する方法に関
する。

〔従来の技術〕

半導体基板、特にシリコン半導体基板上に形成される集
積回路は高集積化、大容量化の一途を辿るり、メモリ素
子のような集積回路では１Ｍビット又はそれ以上へと集
積度が増大してきている。

大容量化に伴い、１素子当たりの占有面積も極力小さく
されており、例えばＤＲＡＭにおける１セル当たりの占
有面積は、６４Ｋｂｉｔ　ＤＲＡＭでは８０〜１００μ
ｍ２であるのに対し、４ＭｂｉｔＤＲＡＭでは約１０μ
ｍ２が要求される。

素子の微細化に対応して素子間或いは配線間の電気的な
接続をとるためのコンタクト開口穴も微細化される必要
がある。即ち、コンタクト開口穴の寸法は、例えば上記
の６４　Ｋｂｉｔ　Ｄ　ＲＡ　Ｍでは約２ｐｍ径であっ
たのに対し、４ＭｂｉｔＤＲＡＭでは約０．８μｍ径が
要求される。

コンタクト開口穴を介して上層と下層の電極層の電気的
接続をとるために、これまではスパッタリング蒸着技術
を用いてアルミニウム等の抵抗率の低い金属層を層間絶
縁膜上及び層間絶縁膜に設けられたコンタクト開口穴内
部に形成する方法をとってきた。スパッタリング蒸着技
術を用いるのは、段差被覆性が最も優れていたからであ
る。

しかし、コンタクト口穴の開口径が０．８μｍと小さく
なると、アルミニウム等の金属が穴の中に入りにくくな
り、また、コンタクト開口穴の深さと開口径の比（アス
ペクト比という）が１よりも大きいときにはコンタクト
開口穴の中には金属層がほとんど入らなくなる。

コンタクト開口穴内に低抵抗の金属が入らないと、上層
と下層の電極層の配線抵抗をいくら低くしても、このコ
ンタクト開口穴において高い抵抗となってしまうため、
抵抗値が上昇してしまう。

例えば、コンタクト抵抗は２μｍ径のコンタクトでは２
〜５Ωであったのに対し、０．８μｍ径のコンタクトで
は金属が埋まった場合では１０〜２０Ωと期待されるの
に反し、金属層が入っていかないために全く電気的接続
がとれな（なる。

金属層単独では難しいことからこれを改善する手段とし
て金属層の下層にポリシリコン等の導電性物質を設ける
ことも行われているが、コンタクトの抵抗は６００Ω〜
数にΩに達してしまうため、実用上問題である。

微小な信号量をチップ内にて扱うｐＲＡＭ等の集積回路
では、この抵抗値のためにパルス波の伝搬遅延を引き起
こし、部分的に動作が遅くなったりするため、正常の動
作が阻害されてしまう。回路設計上ではコンタクト開口
穴を大きくする等の手法で対処しているが、高集積化の
上では大きな問題となっている。

微細コンタクト穴に金属を埋込む手法として、近年蒸着
時にターゲットと基板間にバイアスを印加し、段差被覆
性を向上するバイアススパッタ法が提案されている。

例えば、第４図はこれを説明する断面図であり、２１は
半導体基板、２２は高濃度不純物拡散層、２３は層間絶
縁膜、２４はコンタクト開口穴、２７はスパッタ蒸着法
により形成したアルミニウム配線である。

また、コンタクト穴底部の露出している半導体基板部分
にのみタングステンを選択的に気相成長し、コンタクト
穴内にタングステンを埋込む方法が試みられている。

例えば、ＥＣＳ、　１３２．５．　ｐｐ１２４３〜１２
４６．　’　８５５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　５ｅｌｅ
ｃｔｉｖｅ　Ｌｏｗ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｈｅｍｉｃ
ａｌｌｙ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｅｄ　Ｆｉｌｍｓ
　ｏｆ　Ｔｕｎｇｓｔｅｎ’に記述されるごと（、コン
タクト開口穴内部に選択的にタングステンを成長し、絶
縁膜上にはタングステンが被着しないようにする方法が
提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上述した従来の金属のバイアススパッタ法によ
るコンタクト穴埋込みも、開口径が１μｍ以下となると
、殆どコンタクト開口穴内に金属が入っていかないとい
う問題がある。バイアススパッタ蒸着法では、イオンが
ランダムに入射スるため、立体角の大きいコンタクト開
口穴上部に金属膜が成長するため、コンタクト開口穴２
４を埋める前に上部のアルミニウム配線２７がコンタク
ト開口穴２４に蓋をしてしまう。従って、コンタクト開
口穴２４は内は空洞化してしまい、高濃度不純物拡散層
２２と上層のアルミニウム配線２７との電気的接続がと
れなくなるという問題がある。

一方、コンタクト開口穴への選択的タングステン気相成
長によるコンタクト開口穴埋め方法では、膜成長条件を
選ぶ必要がある。何故ならば、コンタクト開口穴に選択
的に成長する条件を選ばないとすれば、コンタクト開口
穴を埋込む前にコンタクト開口穴上部に成長したタング
ステン膜がコンタクト開口穴に蓋をし、コンタクト穴内
のタングステンの成長を阻害してしまうため、第４図の
場合と同様にコンタクト開口穴内部に空洞を作ってしま
うという問題があるからである。

つまり、コンタクト開口穴内のタングステンは次の反応
機構で起こる。

ＷＦｈ　＋　３／２Ｓ　ｉ→Ｗ＋３／２Ｓ　ｉ　Ｆ４　
　↑即ち、基板シリコンとの反応が関与することにより
選択性が達成されるわけであるが、コンタクト開口穴内
にある程度のタングステンが成長してしまうと基板から
のシリコンの供給が減少し、ついにはタングステンの選
択的な成長が止まってしまう。この方法によれば、４０
００〜５０００人のタングステン膜のコンタクト開口穴
内への選択的成長が可能であるが、集積回路上で用いよ
うとする深さ１μｍ程度のコンタクト開口穴は低抵抗で
埋込むことができないのが現状である。

本発明は微細なコンタクトの抵抗を上げることなく確実
にコンタクト開口穴の穴埋めを可能とし、集積回路の歩
留り及び性能を向上することができる単導体装置の層間
接続方法を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の半導体装置の層間接続方法は、コンタクト開口
穴に露呈される下層導体上に高融点金属層を形成する工
程と、この高融点金属層上のコンタクト開口穴内に溶融
金属を埋込み固化させる工程と、このコンタクト開口穴
を含む前記層間絶縁膜上に上層導体を形成する工程を含
んでいる。

〔実施例〕

次に、本発明を図面を参照して説明する。

（第１実施例） 第１図は本発明の第１実施例によるコンタクト形成方法
を適用して形成したコンタクト部の縦断面図である。

図において、１はシリコン基板、２はシリコン基板ｌに
形成した高濃度不純物拡散層、３は層間絶縁膜、４はコ
ンタクト開口穴である。そして、このコンタクト開口穴
４内には高融点金属膜５及び溶融金属を固化した金属６
を積層形成してコンタクト開口穴４を埋設し、この上に
アルミニウム配線７を形成している。

第２図（ａ）〜（ｄ）は第１図に示したコンタクト構造
の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、第２図（ａ）のように、シリコン基板１上に高濃
度の不純物拡散層、ここではｎ型拡散層２を形成し、シ
リコン基板１の全面に酸化シリコン或いはリンガラスの
ような層間絶縁膜３を形成後、反応性イオンエツチング
により周知の技術を用いて選択的にコンタクト開口穴４
を形成する。

次いで、第２図（ｂ）のように、コンタクト開口穴４内
のシリコン基板１上に選択的に高融点金属層５を形成す
る。これは例えば気相成長法により高融点金属であるタ
ングステンやモリブデンを選択的に形成すればよい。膜
厚は１０００〜２０００人あればよい。この場合、コン
タクト開口穴４内の層間絶縁膜３側壁に高融点金属層５
がせり上がってもよい。

続いて、第２図（Ｃ）のように、コンタクト開口穴４に
溶融金属６を埋込む。溶融金属６としては例えば錫や亜
鉛又はこれらの合金を用いればよい。錫、亜鉛の融点は
夫々約２３２℃、約４１９℃であり、タングステンの融
点３３８７℃に比べ充分低い融点であり、溶融金属にシ
リコン基板１を浸しても下地高融点金属層５が溶解、流
出してしまうことはない。また、溶融金属６は高融点金
属層５とは表面張力が小さくかつ合金化も起こし易いの
で、高融点金属層５上には被着するが、層間絶縁膜３に
対して一表面張力が大きくなるため層間膜面には残り難
い。

この場合、層間絶縁膜３上の不要な溶融金属６を除去す
るためにシリコン基板ｌを溶融金属槽に垂直に入れ、垂
直に取り出すことも一法である。

門た、高融点金属層５を構成するタングステンやモリブ
デンは空気中において比較的低温（約３００℃）にて酸
化反応を起こすため、不活性ガス雰囲気、例えばＡｒ、
Ｈｅ又はＮ２といった雰囲気のもとでウェハを溶融金属
層に浸すのがよい。これにより、微細なコンタクト開口
穴４内にのみ選択的に溶融金属６を埋込むことが可能と
なる。

しかる上で、第２図（ｄ）のように、上層の配線層とし
てアルミニウム配ｖＡ７゛をスパッタ蒸着法により形成
する。

以上の工程によりシリコン基板！上のｎ型拡散層２と上
層のアルミニウム配線７とを低抵抗にて電気的に接続す
ることができる。

（第２実施例） 第３図＜ａ）〜、（ｅ）は本発明の第２実施例を製造工
程順に示す断面図である。

先ず、第３図（ａ）のように、シリコン基板ｌｌ上に高
濃度ｎ型拡散層１２を形成し、シリコン基板１１上全面
に酸化シリコン或いはリンガラスのような層間絶縁膜１
３を形成後、フォトリソグラフィ固定及び反応性イオン
エツチングにより周知の技術を用いて選択的にコンタク
ト開口穴１４を形成する。なお、リソグラフィーに用い
たレジスト１８はそのまま残しておく。

次に、第３図（ｂ）のように、スパッタリング蒸着又は
電子ビーム加熱により高融点金属層１５を形成する。こ
の高融点金属層１５として、ここではタングステンを例
にとる。厚さは１０００〜２０００人程あればよい。

次に、レジスト１８のエッチバックによりコンタクト開
口穴１４以外の場所に被着している金属層１５を除去す
る。この工程により第３図（ｃ）のようにコンタクト開
口穴１４内のみに金属層１５を形成することができる。

続いて、第３図（ｄ）のように、コンタクトホール穴４
に溶融金属１６゛を埋込む。この溶融金属１６としては
例えば錫や亜鉛またはこれらの合金を用いればよく、前
記第１実施例と同様に埋込むことができる。

次に、上層の配線層としてアルミニウム配線１７をスパ
ッタ蒸着法により形成し、第３図（ｅ）のようなコンタ
クト構造を得ることができ、シリコン基Ｆｉ１１上のｎ
型拡散層１２と上層のアルミニウム配線１７とを低抵抗
にて電気的に接続することができた。

なお、前記各実施例における高濃度不純物拡散層２，１
２はｎ型拡散層或いはＰ型拡散層のいずれでもよく、又
拡散層が無い場合でも全く同様に適用できる。また、下
部配線層はシリコン基板でなくポリシリコン電極や金属
電極であっても全く同様に構成できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、コンタクト開口穴に露呈
される下層導体上に高融点金属層を形成しかつコンタク
ト開口穴内に溶融金属を埋込み固化した上で上層導体を
形成する工程を含んでいるので・微細なコンタクトの抵
抗を上げることなく確実に穴埋めができるようになり、
集積回路の歩留り及び性能を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の製造方法により形成され
たコンタクト構造の断面図、第２図（ａ）乃至（ｄ）は
第１図のコンタクト構造の製造方法を工程順に示す断面
図、第３図（ａ）乃至（ｅ）は本発明の第２実施例の製
造方法を工程順に示す断面図、第４図は従来の問題を説
明するためのコンタクト構造の断面図である。 １．１１．２１・・・シリコン基板、２，１２．２２・
・・高濃度不純物拡散層（下層導体）、３．１３゜２３
・・・層間絶縁膜、４，１４．２４・・・コンタクト開
口穴、５．１５・・・高融点金属層、６．１６川溶融金
属、７，１７．２７・・・アルミニウム配線（上層導体
）、１８・・・フォトレジスト。 第１図 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に層間絶縁膜を介して上下に形成し
   た下層導体と上層導体とを、層間絶縁膜に形成したコン
   タクト開口穴を介して相互に電気接続する層間接続方法
   において、前記コンタクト開口穴に露呈される下層導体
   上に高融点金属層を形成する工程と、この高融点金属層
   上のコンタクト開口穴内に溶融金属を埋込み固化させる
   工程と、このコンタクト開口穴を含む前記層間絶縁膜上
   に上層導体を形成する工程を含むことを特徴とする半導
   体装置の層間接続方法。
2. （２）高融点金属層は、選択気相成長法によりコンタク
   ト開口穴内の下層導体上にのみ形成してなる特許請求の
   範囲第１項記載の半導体装置の層間接続構造。
3. （３）高融点金属層は、コンタクト開口穴を開設するフ
   ォトレジスト上を含む全面に形成した後、フォトレジス
   トのエッチングバックによりコンタクト開口穴以外の部
   分を除去してなる特許請求の範囲第１項記載の半導体装
   置の層間接続方法。