JP2557281B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、一般に、半導体装置に関するものであ
り、より特定的には、スルーホールを介して接続された
第１の配線層と第２の配線層とを含む半導体装置に関す
る。

［従来の技術］ 第４図は、半導体集積回路装置の、従来のスルーホー
ル部の断面図である。以下、製造工程を説明しながら、
その構造について説明する。

第４図を参照して、シリコン半導体基板１の上に絶縁
膜２を形成する。絶縁膜２の上に下層金属配線層３を形
成する。下層金属配線層３は、絶縁膜２の上に形成され
たバリヤメタル層3bと、バリヤメタル層3bの上に形成さ
れたAl系合金層3aと、Al系合金層3aの上に形成された高
融点金属層3cと、からなる。Al系合金層3aは、AlSi、Al
Cu、AlSiCu、AlSiTi等の材料よりなる金属層である。高
融点金属層3cは、高融点金属、あるいはそれらの硅化
物、窒化物または高融点金属の合金、たとえば、Ｗ、WS
i、MoSi、TiN、TiW、Ta、TaSi等で形成される。高融点
金属層3cは、Al系合金層3a中のAl原子のエレクトロマイ
グレーションやストレスマイグレーションを防止し、配
線の信頼性を向上させるとともに、Al突起物（ヒロッ
ク）の発生を防止するために設けられている。

Al系合金層3aの上に高融点金属層3cを形成しない場合
には、ヒロックが発生する。その理由は、次のとおりで
ある。すなわち、Al系合金層3aの形成は、スパッタ法に
て形成する場合、通常150〜200℃の温度で行なわれる。
このときにはヒロックは発生しない。しかしながら、そ
の後、写真製版工程およびエッチング工程を経てレジス
トを除去する工程を経由しなければならない。このレジ
スト除去工程において、あるいは、その後に行なわれ
る、上層にSiO₂のような層間絶縁膜をCVD法等で形成す
る工程において、ウェハの温度は300〜400℃に上昇す
る。そのときに、Al系合金層3aと、SiO₂のような層間絶
縁膜との熱膨張係数の違いが原因で、Al系合金層3a中に
応力が発生する。この応力を緩和するために、Al系合金
層3a中のAl原子の移動が起こり、ヒロックが発生する。

一方、上層に高融点金属層3cを形成した場合には、こ
の高融点金属層3cの押え込みによって、ヒロックの発生
頻度は少なくなる。高融点金属層3cの膜厚が500Å以上
であれば、ほとんどヒロックは発生しない。

また、高融点金属層3cを形成することによって、反射
率が低減され、ひいては、写真製版時に発生するパター
ンニング上の問題が、かなり低減される。すなわち、Al
系合金層3aの反射率を100％とした場合、高融点金属層3
cを約500Å形成することによって、第２図を参照して、
反射率は約30〜50％にまで低減される。反射率を低減さ
せることによって、フォトレジストプロセス時の寸法の
制御性が大幅に改善される。

続いて、下層金属配線層３を覆うように、絶縁膜２の
上に層間絶縁膜４を形成する。その後、通常の写真製版
およびエッチングにより、層間絶縁膜４に、下層金属配
線層３の表面の一部を露出させるためのスルーホール６
を形成する。

続いて、シリコン半導体基板１の表面全面に、上層金
属配線層５を形成し、これを写真製版およびエッチング
により、所望の形状にパターンニングする。

なお、上層金属配線層５は、通常、スパッタ法で形成
されるが、形成に先立ち、SiO₂膜換算で、層間絶縁膜４
の表面が100〜150Å程度スパッタエッチされ、これによ
り、層間絶縁膜４の表面がクリーンニングされる。

［発明が解決しようとする課題］ 下層金属配線層３と上層金属配線層５との従来の接続
は、以上の方法により行なわれていた。したがって、ス
ルーホール６の内部における上層金属配線層5aの膜厚
が、平坦部における上層金属配線層5bの膜厚の約10％程
度と、かなり薄くなる。スルーホール６の側壁において
は、上層金属配線層５の膜厚がさらに薄くなるために、
電流密度が平坦部に比べて、大幅に増大し、その結果、
エレクトロマイグレーションによる断線不良が生じやす
くなる。

上述のような問題を軽減するために、第４図を参照し
て、スルーホール６の上端部をテーパ形状にし、スルー
ホール６の側壁における上層金属配線層５の被覆性を改
善する方法が提案された。スルーホール６の上端部のテ
ーパ形状は、スルーホール６を開口するためのエッチン
グに、フッ酸水溶液を用いるウェットエッチングと、そ
の後に行なわれる反応性イオンエッチングのようなドラ
イエッチングとを併用することによって、形成される。
これによって、スルーホール６の側壁における上層金属
配線層５の膜厚は、平坦部の約15％程度に改善される。

しかし、この方法は完全なものでなく、スルーホール
６の側壁での、エレクトロマイグレーションによる断線
不良の問題は、相変わらず深刻であった。また、150〜2
50℃で、300時間程度以上の長時間にわたって行なわれ
る高温保持試験において生じる、ストレスマイグレーシ
ョンによる断線不良も多いという問題点もあった。

また、第５図を参照して、上層金属配線層５を高融点
金属層5cとAl系合金層5dとからなる２層構造にする方法
も提案されている。この方法によると、高融点金属層5c
はエレクトロマイグレーションによる断線に対して強い
ため、上層金属配線層５の断線は防止される。しかしな
がら、この方法は、工程数が増大し、ひいては製造コス
トが増大するという問題点があった。また、この方法に
おいては、下層金属配線層３と上層のAl系合金層5dと
が、スルーホール６において、高融点金属層5cを挟んで
接続されるため、高融点金属層5cの抵抗値分だけ、スル
ーホール接続抵抗が上昇することになり、デバイスの動
作特性上、不利になるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためにな
されたもので、工程数を増加させることなく製造でき、
かつスルーホール内において断線を生じさせない半導体
装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る半導体装置は、半導体基板と、上記半
導体基板の上に設けられ、その表層部に高融点金属層を
含む第１の配線層と、を備えている。上記第１の配線層
を覆うように、上記半導体基板の上に層間絶縁膜が設け
られている。上記層間絶縁膜には、上記高融点金属層の
表面の一部を露出させるためのスルーホールが設けられ
ている。露出した上記高融点金属層の表面の少なくとも
一部分は削り取られている。上記スルーホールの側壁に
は、削り取られて遊離した、上記高融点金属層の上記一
部分が、該側壁を被覆するように付着している。当該半
導体装置は、さらに、その一部が上記第１の半導体装置
と接触するように上記スルーホール内に埋め込まれた第
２の配線層を備える。

［作用］ この発明に係る半導体装置によれば、スルーホールの
側壁に高融点金属層が形成されている。高融点金属層は
エレクトロマイグレーションによる断線に対して強いた
め、第２の配線層の断線が防止される。

また、側壁に形成された高融点金属層は、スルーホー
ルによって露出した第１の配線層の、表層部に設けられ
ている高融点金属層の一部を削り取り、この削り取られ
て遊離した該高融点金属層の一部で形成される。このよ
うな構造は、スルーホールによって露出した第１の配線
層の、表面に設けられている高融点金属層の表面にスパ
ッタエッチング処理を施すという操作のみで形成され
る。その結果、新たな処理工程の追加は不要となり、工
程数は増加しない。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は、この発明の一実施例に係る半導体装置の、
スルーホール部の断面図である。

第１図を参照して、シリコン半導体基板１の上に絶縁
膜２が形成されている。絶縁膜２の上に、第１の配線層
である下層金属配線層３が設けられている。下層金属配
線層３は、絶縁膜２の上に設けられたバリヤメタル層3b
と、バリヤメタル層3bの上に設けられたAl系合金層3a
と、Al系合金層3aの上に設けられた高融点金属層3cとか
らなる。

Al系合金層3aは、Al、AlSi、AlCu、AlSiCu、AlSiTi等
のAlを含む合金からなる。高融点金属層3cはTi、Ｗ、M
o、Ta等の単独金属であってもよいし、これらの硅化物
あるいは窒化物であってもよい。またTiW等の２以上の
金属からなる合金であってもよい。また、高融点金属層
3cは、TiN/Ti、W/WSi、α−Si/W、TiN/WSiのように、高
融点金属あるいはその合金の積層構造であってもよい。

下層金属配線層３を覆うように、絶縁膜２の上に層間
絶縁膜４が形成されている。層間絶縁膜４には、高融点
金属層3cの表面の一部を露出させるためのスルーホール
６が設けられている。スルーホール６の上端はテーパ形
状にされている。露出した高融点金属層3cの表面は削り
取られている。スルーホール６の側壁には、削り取られ
て遊離した、高融点金属層3cの一部分が、該側壁を被覆
するように、付着している。当該装置は、さらに、その
一部が下層金属配線層３と接触するようにスルーホール
６内に埋め込まれた上層金属配線層５を備える。上層金
属配線層５は、Al系合金で形成される。この実施例によ
れば、スルーホール６の側壁に高融点金属層3dが形成さ
れている。高融点金属層3dはエレクトロマイグレーショ
ンによる断線に対して強いために、上層金属配線層５の
断線が防止される。

また、側壁に形成された高融点金属層3dは、スルーホ
ール６によって露出した下層金属配線層３の表層部に設
けられている高融点金属層3cの一部を削り取り、この削
り取られて遊離した該高融点金属層3cの一部で形成して
いる。このような構造は、後述するように、スルーホー
ルによって露出した、下層金属配線層３の表層部に設け
られている高融点金属層3cの表面にスパッタエッチング
処理を施すという操作のみで形成できる。その結果、新
たな処理工程の追加が不要となり、工程数は増加しな
い。

次に、第１図に示す半導体装置の製造方法を説明す
る。

第１図を参照して、シリコン半導体基板１の上に絶縁
膜２を形成する。絶縁膜２の上にバリヤメタル層3b、Al
系合金層3aおよび高融点金属層3cを、順次、形成する。
これらの金属層は、通常スパッタリング法によって形成
されるが、CVD法、蒸着法等の手法によって形成しても
よい。

なお、高融点金属層3cを、Al系合金層3aの形成後、引
続いて、連続的に形成することが望ましい。なぜなら、
Al系合金層3aを形成した後、大気中にさらすと、自然酸
化膜が表面に形成され、Al系合金層3aと高融点金属層3c
との電気的な接続が損なわれる場合があるからである。
Ｗ、Ti等の単独金属を高融点金属として用いる場合に
は、自然酸化膜がこれらの金属によって還元されるた
め、電気的な接続は損なわれることはないが、この場合
でも、Al系合金層3aの形成に続いて、連続的に、高融点
金属層3cを形成するのが好ましい。

続いて、全面にレジストを塗布して（図示せず）、写
真製版工程を行なうことによって、所望の下層金属配線
層３のパターンを形成する。このとき、高融点金属層3c
が存在するので、反射率は高融点金属層3cがない場合に
比べて、1/2〜1/4程度となり、レジストパターンの寸法
制御性がよくなる。このような低反射率を有する高融点
金属層3cを得るためには、第２図を参照して、その膜厚
を500Å以上にする必要がある。

次に、得られたレジストパターンをマスクにして、反
応性イオンエッチングのようなドライエッチングを行な
うことによって、所望の形状の下層金属配線層３のパタ
ーンを得る。

その後、下層金属配線層３を覆うように、絶縁膜２の
上に層間絶縁膜４を形成する。層間絶縁膜４は、SiH₄系
ガスを材料とするシリコン酸化膜であってもよいし、テ
トラエトキシシランを材料とするシリコン酸化膜、ある
いはスピンオングラス膜、あるいはこれらを組合わせて
作った多層膜であってもよい。

次に、通常の写真製版およびエッチングによって、層
間絶縁膜４に、下層金属配線層３の一部を露出させるた
めのスルーホール６を形成する。このときの写真製版時
においても、高融点金属配線層3cによる反射率低減の効
果は大きく、反射率は高融点金属層3cがない場合に比べ
て、1/2〜1/4に軽減される。

また、層間絶縁膜４のエッチングに、フッ酸水溶液に
よるウェットエッチングと、その後に行なわれる反応性
イオンエッチングのようなドライエッチングとを併用す
ることによって、図のように、その上端がテーパ形状に
されたスルーホール６が得られる。

ドライエッチングは、CHF₃を主要ガスに用いる反応性
イオンエッチングで行なわれる。ドライエッチングの条
件は、層間絶縁膜４であるSiO₂膜と高融点金属層3cとの
エッチング選択比が10:1程度になるように、設定され
る。この条件下では、高融点金属層3cの膜厚は500Å以
上必要である。膜厚が500Å以下だと、高融点金属層3c
がエッチングされて、Al系合金層3aが露出してしまう。

ドライエッチング中に、Al系合金層3aが露出してしま
うと、次に述べる問題点が生じる。すなわち、第3A図を
参照して、ドライエッチング時、Al系合金層3aが露出す
ると、レジストパターン７の側壁やスルーホール６の側
壁に、Alを含む膜８がエッチング途中に形成される。こ
の膜８が、第3B図を参照して、レジスト７を除去する際
にウェハ表面に残り、発塵の原因となり、デバイス製造
上の歩留まり低下の一因となる。高融点金属膜3cの膜厚
を500Å以上にすると、Al系合金層3aの表面は露出しな
くなり、上述の問題点は生じなくなる。

次に、第１図に戻って、スルーホール６を形成した
後、ウェハ全面をスパッタエッチング（SiO₂膜換算で30
0Å程度以上）する。これによって、スルーホール６の
底部において露出した高融点金属層3cがスパッタリング
され、スルーホール６の側壁にデポされる。

アルゴンガスを用いて、SiO₂膜換算で300Å、スパッ
タエッチングを行なった場合、スルーホール６の側壁に
は、約100〜200Å程度の高融点金属層3dがデポされる。
また、SiO₂膜換算で600Åスパッタエッチングした場合
には、スルーホール６の側壁に約200〜300Å程度の高融
点金属層3dがデポされる。

なお、スルーホール６の側壁でも、テーパ部分6aで
は、層間絶縁膜４の表面と同様、アルゴンイオンによる
スパッタエッチングがデポジションより支配的であるた
めに、高融点金属層が形成されない。その結果、スルー
ホール６の側壁にのみ、選択的に、高融点金属層3dが形
成される。

続いて、スパッタリング法、CVD法あるいは蒸着法な
どの手法により、Al、AlSiCu、AlSi、AlCu、AlSiTiなど
のAlを主成分とするAl系合金層の、上層金属配線層５を
形成する。

スルーホール６の側壁部において、上層金属配線層５
の膜厚は、平坦部に比べて約10〜15％程度と薄くなるも
のの、側壁に高融点金属層3dが存在するために、第５図
に示されるような２層構造の配線を形成したのと同じ構
造となり、断線不良の発生を抑制できる。

また、下層金属配線層３と上層金属配線層５とは、下
層金属配線層３の上層部に設けられ、かつ、その膜厚の
薄くなった高融点金属層3cを介して接続されている。し
たがって、実施例に係る構造は、第５図に示す従来構
造、すなわち、高融点金属層5cを高融点金属層3cの上に
積層した構造のものに比べて、接続抵抗が小さくなる。

なお、上記実施例では、下層金属配線層と上層金属配
線層とからなる２層配線構造を有する半導体装置を例示
したが、この発明はこれに限られるものでなく、３層あ
るいはそれ以上の金属配線層を有する半導体装置にも、
本発明を適用することができる。

また、上記実施例では、アルゴンガスを用いるスパッ
タエッチング法を例示したが、それ以外のガスを用いる
スパッタエッチング法であってもよい。また、反応性イ
オンエッチングのような化学的なエッチング手法であっ
ても、イオンエネルギを大きくして物理的なエッチング
効果を大きくしたようなエッチングであっても、実施例
と同様の効果を奏する。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明によれば、スルーホー
ルの側壁に高融点金属層が形成されている。高融点金属
層はエレクトロマイグレーションによる断線に対して強
いため、第２の配線層の断面が防止される。

また、側壁に形成された高融点金属層は、スルーホー
ルによって露出した第１時の配線層の表層部に設けられ
ている高融点金属層の一部を削り取り、この削り取られ
て遊離した該高融点金属層の一部で形成している。かか
る構造は、スルーホールによって露出した、第１の配線
層の表層部に設けられている高融点金属層の表面にスパ
ッタエッチング処理を施すという操作のみで形成でき
る。その結果、新たな処理工程の追加不要となり、工程
数は増加しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る半導体装置の、ス
ルーホール部の断面図である。 第２図は、Al系合金層の上に形成された高融点金属層の
膜厚と、反射率との関係を示すグラフである。 第3A図および第3B図は、スルーホールをドライエッチン
グによって形成する場合の、残渣物の発生状況を示す断
面図である。 第４図は、従来の半導体装置の、スルーホール部の断面
図である。 第５図は、他の従来例に係る半導体装置の、スルーホー
ル部の断面図である。 図において、１はシリコン半導体基板、３は下層金属配
線層、４は層間絶縁膜、５は上層金属配線層、６はスル
ーホール、3cは高融点金属層、3dは高融点金属層であ
る。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板と、 前記半導体基板の上に設けられ、その表層部に高融点金
   属層を含む第１の配線層と、 前記第１の配線層を覆うように、前記半導体基板の上に
   設けられた層間絶縁膜と、を備え、 前記層間絶縁膜には、前記高融点金属層の表面の一部を
   露出させるためのスルーホールが設けられており、 露出した前記高融点金属層の表面の少なくとも一部分は
   削り取られており、 前記スルーホールの側壁には、削り取られて遊離した、
   前記高融点金属層の前記一部分が、該側壁を被覆するよ
   うに、付着しており、 当該装置は、さらに、その一部が前記第１の配線層と接
   触するように前記スルーホール内に埋め込まれた第２の
   配線層を備える、半導体装置。