JP3254763B2 - 多層配線形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多層配線形成方法にか
かわる。

【０００２】

【従来の技術】図５にその要部の断面図を示すように、
半導体集積回路装置等においては、第１の配線１（本明
細書でいう第１の配線は、例えば金属配線等による配線
パターンを指称するのみならず、電極もしくは配線（以
下配線という）の導出がなされる半導体基板ないしは、
半導体層における拡散領域等をも指称する）上にＳｉＯ
₂ 等による層間絶縁層２を介して、第２の配線３が積層
形成され、更にその上に絶縁層６が形成されて配線の高
密度化をはかった多層配線構造がしばしば採られる。

【０００３】この多層配線構造において、例えば第２の
配線３と第１の配線１との接続を、絶縁層６−第２の配
線３−下層の層間絶縁層２を貫通する接続孔４を穿設
し、この接続孔４内に導体５をその表面が上層の層間絶
縁層２の表面とほゞ同一平面を形成するように充填し、
この導体５によって第２の配線３と第１の配線１との電
気的接続を行うようにすることが望まれる。

【０００４】すなわち、このような構成とするときは、
その表面の平坦化が行われることによって、絶縁層６上
に図示しないが更に例えば層間絶縁層を介して第３の配
線が形成され、これと第２の配線とが接続される場合に
おいて、両配線間の層間絶縁層に接続孔を穿設してその
接続を行うに当たり、この接続部の位置を、上述の第１
及び第２の配線間の接続位置すなわち接続孔４上に、も
しくはこれの近傍位置に設定できることから、より集積
度の向上をはかることができる。

【０００５】すなわち、今例えば、上述の第１及び第２
の配線間の接続を、層間絶縁層２の接続孔４内に第２の
配線３自体を入り込ませることによってその接続を行う
態様をとるときは、この接続部の表面には凹部が生じる
ことから、信頼性の問題からこれの直上に、上述した第
２及び第３の配線間の接続部を設けることができない。

【０００６】そこで、昨今上述したような、層間絶縁層
２に穿設した接続孔４に導体５を充填するいわゆるプラ
グイン縦配線が重要視されるに到っている。

【０００７】このプラグイン縦配線を行う場合におい
て、その上述の導体５の充填は、例えばタングステンＷ
の選択ＣＶＤ（化学的気相成長）によってなされるが、
実際上このＷの成長は、図６に示すように、例えばＳｉ
からなる第１の配線１と、Ａｌ−Ｓｉ等からなる第２の
配線３等ではその成長速度が異なることから、導体５内
に空洞すなわちボイド７が生じて、機械的、電気的特性
の低下を来す恐れが生じてくる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したプ
ラグイン縦配線を有する多層構造の配線を形成するに当
たり、ボイド等の発生がなく信頼性の高い多層配線形成
方法を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、図１に
その一例の要部の断面図を示すように、第１の配線１１
上に層間絶縁層１２を介して第２の配線１３が形成さ
れ、その第２の配線１３とこれの下の層間絶縁層１２と
を貫通して形成された接続孔１４に、導体１５を充填し
て第１の配線１２と第２の配線１３との電気的接続がな
される多層配線形成方法において、図２（ｃ）で示す接
続孔１４の形成後に、図３（ａ）に示すように、第２の
配線１３の、接続孔１４の内周面に臨む露出面に酸化絶
縁膜１８を形成して後、接続孔１４への導体１５の充填
途上で絶縁膜１８に対する還元を行う。

【００１０】

【００１１】

【００１２】ここで、第１の配線、第２の配線とは、相
対的に下層の配線と、これの上に層間絶縁層を介して形
成される上層配線とを指称し、第１の配線は前述したよ
うに、例えば金属配線等による配線パターンを指称する
のみならず、配線の導出がなされる半導体基板ないし
は、半導体層における拡散領域等をも指称する。

【００１３】

【作用】本発明では、接続孔１４への導体１５の例えば
選択的ＣＶＤによる充填において、少なくともその成長
初期においては、下層の第１の配線１１上からは導体１
５の析出成膜がなされるものの、接続孔１４内に臨む上
層配線の第２の配線１３の露出面からは酸化絶縁膜１８
による被覆によってその析出成膜が生じないようにする
ものであって、その後この酸化絶縁膜１８の還元による
除去によってこの第２の配線１３の露出面に導体１５が
直接接触した状態でその充填が進行するようにするもの
である。

【００１４】従って、この方法では、接続孔１４の底部
から導体１５の充填が順次行われることによって、図６
で説明したようなボイドの発生を回避できるものであ
る。

【００１５】

【実施例】本発明方法の実施例を詳細に説明する。

【００１６】本発明では、図１にその一例の要部の断面
図を示すように、第１の配線１１上に層間絶縁層１２を
介して第２の配線１３が形成され、その第２の配線１３
とこれの下の層間絶縁層１２とを貫通して形成された接
続孔１４に、導体１５を充填して第１の配線１２と第２
の配線１３との電気的接続がなされる多層配線を形成す
るものである。

【００１７】図２及び図３を参照して本発明方法の一実
施例を説明する。この例では、第１の配線１３が、例え
ば半導体回路素子（図示せず）を有する半導体基板２１
上に被着形成された絶縁層（図示せず）上に、基板２１
の所定部と接続して形成され、この第１の配線１１とこ
れの上に層間絶縁層１２を介して形成した第２の配線１
３との電気的接続をプラグイン縦配線によって行う場合
である。

【００１８】この場合、まず、図２（ａ）で示すよう
に、基板２１上に、第１の配線１１、層間絶縁層１２、
第２の配線１３、絶縁層１６を順次形成する。

【００１９】第１の配線１１は、例えば順次Ｔｉ層、Ｔ
ｉＮ層、Ｔｉ層、Ａｌ−Ｓｉ層、ＴｉＯＮ層を、それぞ
れ３０ｎｍ、７０ｎｍ、３０ｎｍ、３００ｎｍ、３０ｎ
ｍの厚さに全面的に連続的に例えばスパッタリングし、
この積層金属層をフォトリソグラフィによるパターンエ
ッチングによって所要のパターンに形成する。

【００２０】ここで、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔｉはバリア層と
して形成するものであり、ＴｉＯＮはフォトリソグラフ
ィによるパターンエッチングを行うに際してのフォトレ
ジストに対するパターン露光の反射防止膜として形成さ
れるものである。

【００２１】層間絶縁層１２及び絶縁層１６は、常圧Ｃ
ＶＤによるＳｉＯ₂ によって形成し得る。

【００２２】第２の配線１３は、Ｔｉ層とＡｌ−Ｓｉ層
とを、それぞれ６０ｎｍ、９０ｎｍの厚さに、連続スパ
ッタリングによって形成し、その後同様に、例えばフォ
トリソグラフィによるパターンエッチングによって所要
のパターンに形成する。

【００２３】まず、図２（ｂ）に示すように、絶縁層１
６上にフォトレジスト（図示せず）を全面的に形成し、
その第１の配線１１と第２の配線１３との接続部に、例
えば半径０．５μｍの接続孔２４のパターンをステッパ
ーを用いて露光し、その後、現像して開孔した後、ドラ
イエッチングを用いて例えば垂直異方性の条件である、
Ｃ₄ Ｆ₃ 流量：４６ｓｃｃｍ，圧力：２．０Ｐａ，高周
波（ＲＦ）出力：２．７Ｗ／ｃｍ² で、絶縁層１６に、
膜面に対してほぼ垂直に開孔２４を穿孔する。

【００２４】次に図２（ｃ）に示す様に、同様にドライ
エッチングを用いて第２の配線１３を、例えば有磁場マ
イクロ波エッチャーで、各流量ＢＣｌ₃ ／Ｃｌ₂ ＝６０
／９０ｓｃｃｍ，圧力：２．０Ｐａ，マイクロ波：８０
０Ｗ，ＲＦバイアス：５０Ａの条件で異方性エッチング
する。更にこれの下層絶縁層１２を、その下層の第１の
配線１１の表面が露出するまで絶縁層１６に対すると同
じ条件でエッチングして接続孔１４を穿設する。その後
通常の方法で上述のフォトレジスト（図示せず）を除去
する。

【００２５】次に、図３（ａ）に示すように、例えば、
Ｏ₂ 流量：５０ｓｃｃｍ，圧力：１０Ｐａ，ＲＦ出力
０．１Ｗ／ｃｍ² のプラズマ酸化によって厚さ約１０ｎ
ｍ酸化膜による絶縁膜１８を接続孔１４の内面に形成
し、その後垂直異方性エッチングによって第１の配線１
１上の絶縁膜１８のみを除去する。

【００２６】その後、基板２１を、選択Ｗ（タングステ
ン）ＣＶＤ装置に入れて、ＮＦ₃ ／Ｈ₂ ＝１０／５０ｓ
ｃｃｍ，圧力：６．７Ｐａ，ＲＦ出力：０．５Ｗ／ｃｍ
² の条件で前処理を行ない、まず、ＷＦ₆ ／ＳｉＨ₄ ＝
１０／７ｓｃｃｍ，圧力：２６．６Ｐ₃ ，２６０℃で第
２の配線１３の下までＷを選択成長させて図３（ｂ）に
示すように導体１５の一部を形成する。

【００２７】次に、ＷＦ₆ ／Ｈ₂ ＝１０／１０００ｓｃ
ｃｍ，圧力：２６．６Ｐａ，４００℃の条件で導体１５
の形成を、側壁の酸化絶縁層１８を還元しながら行う。
この場合の還元は、この高温度下で有効に行われる。

【００２８】このようにして図１で示した導体１５によ
る第１及び第２の配線１１及び１３の接続がなされる。

【００２９】図４は本発明の他の実施例で、図１〜図３
に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略す
る。この場合まず、図４（ａ）に示すように、上述の実
施例と同様に接続孔１４を形成した後、選択ＷのＣＶＤ
によって接続孔１４の上部を残して形成する。その後、
カバレージのよいブランケットタングステン（以下Ｂｌ
ｋ−Ｗという）ＣＶＤによって接続孔１４を埋込んで上
層配線１９を形成する。これは、Ｂｌｋ−Ｗが全面に成
長する性質を利用したものである。この時もＷＦ₆ ／Ｈ
₂ で４５０℃以上でＢｌｋ−Ｗを成長させるものであり
酸化絶縁膜１８は還元される。

【００３０】なお、Ｂｌｋ−Ｗ下にバリア層を成長させ
ることもでき、この場合も酸化膜は還元される。このと
きのＢｌｋ−Ｗの成長は、２段階とし、第１段階の条件
は、ＳｉＨ₄ ／ＷＦ₆ ＝１０／２５ｓｃｃｍ，１０６４
０Ｐａ，４５０℃、第２段階はＨ₂ ／ＷＦ₆ ＝３６０／
３０ｓｃｃｍ，１０６４０Ｐａ，４５０℃である。

【００３１】尚、上述の例では、導体１５としてＷを用
いたが、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）等
のメタルを用いることもできる。

【００３２】また、本実施例は第１の配線１１と第２の
配線１３の２層配線を示したが、３層、４層の多層配線
に適用することもできる。

【００３３】また第２の配線１３が、ＴｉＯＮとＡｌ−
Ｓｉの例を示したが、これに限られるものではないこと
はいうまでもない。例えば、下層配線がＷポリサイド、
上層がＡｌ−Ｓｉという構成とすることもできる。

【００３４】

【発明の効果】上述したように、本発明では、接続孔１
４への導体１５の例えば選択的ＣＶＤによる充填におい
て、少なくともその成長初期においては、下層の第１の
配線１１上からは導体１５の析出成膜がなされるもの
の、接続孔１４内に臨む上層配線の第２の配線１３の露
出面からは酸化絶縁膜１８による被覆によってその析出
成膜が生じないようにするものであって、その後この酸
化絶縁膜１８の還元による除去によってこの第２の配線
１３の露出面に導体１５が直接接触した状態でその充填
を進行させるので、接続孔１４の底部から導体１５の充
填が順次行われることによって、図６で説明したような
ボイドの発生を回避できるものである。

【００３５】従って、信頼性の高い配線相互の接続と、
より高い集積度の向上を計ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法によって得た多層配線の要部の略線
的断面図である。

【図２】本発明方法の一例の工程図（その１）である。

【図３】本発明方法の一例の工程図（その２）である。

【図４】本発明方法の他の例の工程図である。

【図５】従来方法による多層配線の要部の略線的断面図
である。

【図６】従来方法による多層配線における問題点を示す
要部の略線的断面図である。

【符号の説明】

１１ 第１の配線 １２ 層間絶縁層 １３ 第２の配線 １４ 接続孔 １５ 導体

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の配線上に層間絶縁層を介して第２
   の配線が形成され、上記第２の配線と上記層間絶縁層と
   を貫通して形成された接続孔に、導体を充填して上記第
   １の配線と上記第２の配線との電気的接続がなされる多
   層配線形成方法において、 上記接続孔の形成後に、上記第２の配線の上記接続孔の
   内周面に臨む露出面に酸化絶縁膜を形成して後、上記接
   続孔への上記導体の充填途上で上記酸化絶縁膜に対する
   還元を行うことを特徴とする多層配線形成方法。