JPS63174336A - 多層配線間のコンタクトにおける鉱散バリヤ層の形成方法 - 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】 〔概要〕 半導体装置の内部配線に銅配線層を用いるに際して、該
銅配線層のパターンニングマスクとして用いる窒化チタ
ン膜の厚さを該銅配線層とシリコン基板との間の拡散バ
リヤ層形成用窒化チタン膜の厚さより大きくしてお（こ
とにより、該拡散バリヤ層形成用窒化チタン膜の選択除
去後に該銅配線層上に窒化チタン膜を残留させ、該残留
窒化チタン膜を、咳銅配線層とその上に形成される上層
金属配線層とのコンタクト形成時の拡散バリヤ層として
用いる。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置の内部配線に係り、特に多層金属配
線間のコンタクト形成時の拡散バリヤ層の形成方法に関
する。

〔従来の技術〕

半導体装置の集積度が高密度化するのに伴って、線幅が
１ミクロン（μｍ）以下の内部金属配線が必要とされる
ようになった。このような線幅では、従来の半導体装置
で用いられていたアルミ・シリコン（Ａｌ−５ｔ）合金
系の配線では不適当である。

その主な理由は、該配線層においては、Ｓｉが析出して
高抵抗層を形成するからである。このようなＡｌ−５ｔ
合金配線層に代わって、Ｔｉ／ＴｉＮ　／Ｃｕ構造の配
線層が提案されている。（特許出願中）該Ｃｕ系配線層
では、Ａｌ−５ｔ合金系配線層におけるＳｉの析出のよ
うな問題が生じず、熱的に安定な低抵抗の配線層が得ら
れる。なお、この構造の配線層におけるＴ　ｉ　＠　Ａ
　ｌもしくはｐｔで置き換えることも可能である。

上記Ｃｕ系配線層のパターンニングは、マスクとして窒
化チタン（ＴｉＮ　）膜を用い、アルゴンイオンミリン
グにより可能である。このＣｕ系配線層とシリコン基板
とのコンタクト部分には、Ｃｕ配線層とシリコン基板と
の相互拡散を防止するための拡散バリヤ層として窒化チ
タン膜が設けられ、さらに該窒化チタン膜拡散バリヤ層
とシリコン基板間にはオーミックコンタクト形成用の、
例えば金属チタン（Ｔｉ）の薄層が設けられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように、該窒化チタン膜をマスクとしてＣｕ系配
線層をアルゴンイオンミリングによりパターンニングし
た直後の状態では、該拡散バリヤ層が該Ｃｕ系配線層パ
ターンの周囲に残留している。

この残留拡散バリヤ層は該Ｃｕ系配線上のマスク用窒化
チタン膜とともに、６弗化硫黄（ＳＦ６　）をエツチン
グ剤として用いる反応性イオンエツチング（ＲＩＥ　）
により除去され、該Ｃｕ系配線層の下部のみに選択的に
残される。上記従来のＣｕ系配線層の形成においては、
マスク用の窒化チタン膜は該拡散バリヤ層用の拡散バリ
ヤ層と同等の厚さを持つように形成されていた。したが
って、該マスク用窒化チタン膜は該拡散バリヤ層の選択
除去時に完全に除去され、該Ｃｕ系配線層が露出する状
態となっていた。

このために、該Ｃｕ系配線層の上に、該Ｃｕ系配線層と
コンタクトを有する別の配線層を設けて多層配線構造を
形成しようとする場合には、これら配線層材料の相互拡
散防止用の拡散バリヤ層を形成するために、成膜および
エツチング工程が別途必要であった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記別途工程は、シリコン基板との間に拡散バリヤ層が
設けられた金属配線層を有する半導体装置の製造におい
て、該金属配線層形成用金属層上に窒化チタン膜パター
ンを所望のエツチング剤に関してその膜厚／エツチング
レート比が該拡散バリヤ層の膜厚／エツチングレート比
より太き（なるように形成し、該窒化チタン膜パターン
をマスクとして該金属層を該拡散バリヤ層および窒化チ
タン膜に対して不活性な第二のエツチング剤を用いて選
択除去することにより該金属配線層を形成したのち、該
窒化チタン膜パターンをマスクとして該金属配線層下以
外の領域に露出している該拡散バリヤ層を、該第一のエ
ツチング剤を用いて、選択除去することにより該金属配
線層の上に愉化チタン膜を残留させることを特徴とする
本発明の半導体装置の製造方法により削除可能となる。

〔作用〕

Ｃｕ系配線層のような金属配線層を形成する際のマスク
として用いられ為窒化チタン膜の厚さを、該Ｃｕ系配線
層とコンタクトを有する上層配線層との間の拡散バリヤ
層として必要な厚さ分だけ該拡散バリヤ層用窒化チタン
膜より大きくしてお（ことによって、該Ｃｕ系配線層と
シリコン基板間の拡散バリヤ層の選択除去工程において
、これら配線層間の拡散バリヤ層が自己整合的に形成さ
れ、その結果として工程の簡略化が可能となる。

〔実施例〕

以下に本配線の実施例を図面を参照して説明する。以下
の図において、同一部分は同一符号で示す。

まず、第１図に示すように、シリコン基板１にチタン（
Ｔｉ）あるいはアルミニウム（ＡＩ）から成るコンタク
トメタル層２を１００ないし２００オングストローム（
Ａ）の厚さに形成し、その上にＴｉＮから成る拡散バリ
ヤ層３を１０００ないし２０００への厚さに形成する。

コンタクトメタルＮ２および拡散バリヤ層３は、それぞ
れ通常の薄膜技術および化学気相蒸着（ＣＶＤ　）法を
用いて形成すればよい。

なお、シリコン基板１の上に窒化チタン膜から成る拡散
バリヤ層３を直接に形成してもオーミック接触が得られ
ない。このために、これらの間にコンタクトメタル層２
を設け、オーミック接触を確立する。さらにその上に金
属配線層を形成するためのＣｕ層４を、０．７ないし１
ミクロン（μｌＩ＋）の厚さに形成する。該Ｃｕ層４は
通常の薄膜技術を用いて形成すればよい。

つぎに、第２図に示すように、Ｃｕ層４の上に、厚さ３
０００〜４０００　Ａの第二の窒化チタン膜５を、拡散
バリヤ層３の窒化チタン膜と同様の方法により形成する
。窒化チタン膜５の上にレジストを塗布したのち、これ
をＣｕ層４に形成しようとする所望の配線パターンに対
応する形状にパターンニングする。このようにして、レ
ジストマスク層６が形成される。該レジストマスク層６
を用いて、窒化チタン膜５を選択除去する。この除去は
、例えば、レジストマスク層６が設けられている窒化チ
タン膜５の表面に、６弗化硫黄（ＳＦ６　）イオン７を
エツチング剤として照射する反応性イオンエツチングに
より行われる。このようにして、第３図に示すような窒
化チタン膜５のパターン５１が得られる。

上記のようにして得られた窒化チタン膜パターン５１を
マスクとして、Ｃｕ層４を選択除去する。該除去は、通
常のアルゴンイオンミリング法によって、すなわち第３
図に示すように、窒化チタン膜マスクパターン５１が設
けられているＣｕ層４表面にアルゴン（Ａｒ）イオン８
を照射することによって、行うことができる。この場合
の加速電圧は１０００　ｖ、イオンガン電流は８００　
ｍＡであり、これに対する窒化チタン膜とＣｕ層とのエ
ツチング速度は、それぞれ、約１５〇八／ｓｅｅおよび
６５０　Ａ／ｓｅｃである。

したがって、上記アルゴンイオンミリングによりＣｕ層
４が完全に選択除去されるまでの時間に減少する窒化チ
タン膜マスク５１の膜厚は約１６００八であり、なお拡
散バリヤ層３の窒化チタン膜の２倍以上の膜厚が残って
いる。その結果、第４図に示すように、窒化チタン膜マ
スク５１によって覆われていない領域のＣｕ層４は除去
され、所望のＣｕ配線層４１が形成されるとともに、そ
の周囲の拡散バリヤ層３が露出される。

つぎに、該露出部分の拡散バリヤ層３とその下部のコン
タクトメタル層２を除去する。この除去は、前記窒化チ
タン膜５の選択除去と同じく、ＳＦ６をエツチング剤と
して用いるＲＩＥ法により可能である。すなわち、第４
図に示すように、一部が窒化チタン膜５１とＣｕ層４１
との積層膜で覆われている拡散バリヤ層３の窒化チタン
膜およびコンタクトメタル層２に、ＳＦ６イオン９を、
該拡散バリヤ層３とコンタクトメタル層２とがちょうど
除去されるまでの時間照射する。この間に、窒化チタン
膜マスク層５１もエツチングされるので、その膜厚は拡
散バリヤ層３の窒化チタン膜の膜厚にほぼ等しい分だけ
減少するが、なお通常の拡散バリヤ層として必要な厚さ
を維持している。

上記のようにして、第５図に示すように、頂上部に窒化
チタン膜５２を有し、かつシリコン基板１と見掛は上オ
ーミック接触しているＣｕ配線層４１が嘘形成される。

このＣｕ配線層４１表面上には、拡散バリヤ層としての
機能を有する厚さの窒化チタン膜５２が存在するので、
別の上層金属配線層とのコンタクトをとる際に、改めて
拡散バリヤ層を設ける必要がない。すなわち、第６図に
示すように、Ｃｕ配線層４１を覆うように、例えば酸化
シリコン（Ｓｉ０２）膜１０を形成し、該５ｉ０２膜１
０のＣｕ配線層４１の所定位置上にコンタクト孔１１を
形成したのち、上層金属配線層用の、例えばアルミニウ
ム（ＡＩ）から成る金属層を形成する。該Ａ１層は通常
のフォトリソグラフ技術を用いて所望の上層金属配線パ
ターン１２を形成するようにパターンニングされる。

このようにして、Ｃｕ配線層４１と、例えばＡＩから成
る上層金属配線層１２とで構成される多層配線構造を有
する半導体装置が得られる。

なお、上記実施例においては、第一および第二拡散バリ
ヤ層は、ともに窒化チタン膜を用いて形成されたが、こ
れらは窒化チタン膜に限定されることはなく、また互い
に異なる物質であってもよいことは明らかである。さら
に、該第一拡散バリヤ層の選択除去方法は反応性イオン
エツチングに、またこの際に用いられる第一のエツチン
グ剤は６弗化硫黄に、それぞれ限定されないこと、さら
にまた、該金属層の選択除去方法はイオンミリングに、
またこの際に用いられる第二のエツチング剤はアルゴン
に、それぞれ限定されないことは明らかである。要は、
第一拡散バリヤ層より第二拡散バリヤ層の方が、第一の
エツチング剤に対して、より大きな膜厚／エツチングレ
ート比を持つように、言い替えれば、該第一エツチング
剤に対して、第二拡散バリヤ層が第一拡散バリヤ層より
大きな実効膜厚を有するように、望ましくは該実効膜厚
比が２以上であるように、該第二拡散バリヤ層を形成す
ることである。

〔発明の効果〕

通常ＡＩ配線層とＣｕ配線層とは相互拡散するために、
これらの組合せで多層配線を行う場合には、それら配線
層の間に、例えばＴｉＮから成る拡散バリヤ層を設ける
必要があり、このための成膜およびエツチング工程が別
途必要であったが、本発明によれば、上記目的の拡散バ
リヤ層を形成するための工程が省略できる効果がある。

かつ、該拡散バリヤ層は自己整合的に形成されるので、
該拡散バリヤ層形成における位置合わせ精度に起因する
不良が防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明に係る半導体装置の製造方
法の実施例を示し、製造工程の途上における該半導体装
置の部分断面図である。 図において、 １はシリコン基板 ２はコンタクトメタル層 ３は拡散バリヤ層 ４はＣｕＪｉ ５および５２は窒化チタン膜 ６はレジストマスク層 ７および９はＳＦ６イオン ８はＡｒイオン １０は５ｉ０２膜 １１はコンタクト孔 １２は上層金属配線パターン ４１はＣｕ配線層 ５１は窒化チタン膜マスク である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）多層金属配線を有する半導体装置において、基板
   上に第一の拡散バリヤ層用膜を形成し、該第一拡散バリ
   ヤ層用膜上に第一の金属配線層用の金属層を形成し、該
   金属層上に第二の拡散バリヤ層用膜を、第一のエッチン
   グ剤に関して、その膜厚／エッチングレート比が該第一
   拡散バリヤ層用膜の膜厚／エッチングレート比より大き
   くなるように形成し、該第二拡散バリヤ層用膜を該金属
   層に形成される該第一金属配線層のパターンに対応する
   ようにパターンニングし、該第二拡散バリヤ層用膜のパ
   ターンをマスクとして、該金属層を第二のエッチング剤
   を用いて選択除去することにより該第一金属配線層を形
   成し、該第二拡散バリヤ層用膜のパターンをマスクとし
   て、該第一金属配線層下以外の領域に露出している該第
   一拡散バリヤ層用膜を、該第一のエッチング剤を用いて
   選択除去し、該第一金属配線層の上に、該第一金属配線
   層と所望の位置で、該第二拡散バリヤ層用膜を介して接
   続された第二の金属配線層を形成することを特徴とする
   多層配線間のコンタクトにおける拡散バリヤ層の形成方
   法
2. （２）該第一および第二拡散バリヤ層が窒化チタン膜か
   ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の拡
   散バリヤ層の形成方法
3. （３）該第一拡散バリヤ層用窒化チタン膜に対して該第
   二拡散バリヤ層用窒化チタン膜が２倍以上の膜厚を有す
   るように形成されることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の拡散バリヤ層の形成方法
4. （４）該金属層が銅もしくは銅合金であることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の拡散バリヤ層の形成方
   法
5. （５）該第一拡散バリヤ層用窒化チタン膜と該銅もしく
   は銅合金層と該第二拡散バリヤ層用窒化チタン膜の厚さ
   が、それぞれ１５００±５００オングストローム、０．
   ８５±０．１５ミクロン、３５００±５００オングスト
   ロームであることを特徴とする特許請求の範囲第４項記
   載の拡散バリヤ層の形成方法
6. （６）６弗化硫黄（ＳＦ６）を該第一のエッチング剤と
   して用いる反応性イオンエッチングにより該第一および
   第二拡散バリヤ層用膜を選択除去することを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載の拡散バリヤ層の形成方法
7. （７）アルゴン（Ａｒ）を第二のエッチング剤として用
   いるイオンミリングにより該金属層を選択除去すること
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載の拡散バリヤ層
   の形成方法