JPH11214513A - 集積回路の配線構造と配線形成法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続部の抵抗が低く且つ製造容易な配線構造
を提供する。 【解決手段】 基板１０上に被接続部を覆って第１の絶
縁膜１６を形成した後、絶縁膜１６に被接続部に対応し
た接続孔を形成する。バリア層、Ａｌ系金属層及び反射
防止層を順次に堆積した後、これらの積層をパターニン
グして接続孔から突出するＡｌ系金属主体のプラグ２４
を形成する。絶縁膜１６及びプラグ２４を覆って第２の
絶縁膜２６を形成した後、絶縁膜２６をプラグ２４が露
呈するまでエッチバックする。Ａｌ合金層２８ａ及び反
射防止層３０ａを順次に堆積した後、これらの積層をパ
ターニングしてプラグ２４につながる配線層３２を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＬＳＩ等の集積
回路の配線構造及び配線形成法に関し、特に第１の絶縁
膜に設けた接続孔から突出するようにＡｌ（アルミニウ
ム）系金属主体のプラグを形成すると共に第２の絶縁膜
を介してプラグにつながるように配線層を形成すること
により接続部の抵抗が低く且つ製造容易な配線構造を実
現したものである。この明細書において、Ａｌ系金属と
は、Ａｌ又はＡｌ合金を意味する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＳＩ等の集積回路の配線形成法
としては、図１０〜１２又は図１３〜１５に示すものが
知られている。

【０００３】図１０の工程では、例えばシリコンからな
る半導体基板１の表面にシリコンオキサイド等のフィー
ルド絶縁膜２を選択酸化法により形成した後、絶縁膜２
の素子孔に対応して不純物ドープ領域３をイオン注入法
等により形成する。そして、ＣＶＤ（ケミカル・ベーパ
ー・デポジション）法等により基板上面にシリコンオキ
サイド等の絶縁膜４を形成し、絶縁膜４には、ホトリソ
グラフィ及びドライエッチング処理により不純物ドープ
領域３の一部に達する接続孔４ａを形成する。この後、
ＴｉＮ／Ｔｉ（Ｔｉが下層）積層等のバリア層５を介し
てスパッタ法によりＡｌ合金層６を形成する。

【０００４】次に、図１１の工程では、熱処理によりＡ
ｌ合金層６を流動化させて接続孔４ａをＡｌ合金層６で
埋め、Ａｌ合金層６の平坦性を改善する。図１１に示す
ようなＡｌ合金層６を得るための別の方法としては、Ａ
ｌ合金をスパッタする際に基板を加熱する方法あるいは
図１０の状態から基板を加熱しつつスパッタを続行する
方法などがある。

【０００５】次に、図１２の工程では、ホトリソグラフ
ィ及びドライエッチング処理によりバリア層５及びＡｌ
合金層６の積層をパターニングしてバリア層５の残存部
５ａとＡｌ合金層６の残存部６ａとを含む配線層６Ａを
形成する。配線層６Ａは、接続孔４ａを介して不純物ド
ープ領域３に接続される。

【０００６】図１３〜１５において、図１０〜１２と同
様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略す
る。図１３の工程では、基板上面にＴｉＮ／Ｔｉ積層等
の密着層７を介してブランケットＣＶＤ法によりＷ（タ
ングステン）層８を形成する。Ｗ層８は、接続孔４ａを
埋めるように形成される。

【０００７】次に、図１４の工程では、絶縁膜４が露呈
するまでＷ層８をエッチバックして接続孔４ａ内にＷ層
８の一部を残存させることによりＷ層８の残存部からな
るプラグ８ａを形成する。

【０００８】この後、図１５の工程では、基板上面にＡ
ｌ合金等の配線材層を被着する。そして、密着層７と被
着した配線材層との積層を所望の配線パターンに従って
パターニングすることにより密着層７の残存部７ａと配
線材層の残存部９ａとを含む配線層９を形成する。配線
層９は、プラグ８ａと、接続孔４ａ内の残存密着層７ｂ
とを介して不純物ドープ領域３に接続される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した図１０〜１２
の方法によると、配線の微細化に伴い接続孔のアスペク
ト比（深さＤと直径Ｒとの比Ｄ／Ｒ）が大きくなると、
接続孔を寸法精度よく形成するのが困難になる。また、
バリア層５を形成する際に通常のスパッタ法を用いる
と、アスペクト比が大きい接続孔の底部までスパッタ原
子が届かず、ボトムカバレッジが低下する。そこで、コ
リメートスパッタ法、ロングスロースパッタ法等のボト
ムカバレッジ良好なスパッタ法を用いることも提案され
ているが、これらのスパッタ法は、成膜速度が遅く、ス
ループットの低下を招く。

【００１０】Ａｌ系金属をスパッタ中又はスパッタ後に
加熱して流動化させる処理にあっては、接続孔のアスペ
クト比がある程度大きくなると、十分な埋込みを期待す
ることができない。

【００１１】従って、図１０〜１２の方法には、高アス
ペクト比の接続孔を有する配線構造を歩留りよく形成す
るのが容易でないという問題点がある。

【００１２】一方、図１３〜１５の方法によると、密着
層７を形成する際にバリア層５に関して前述したと同様
の問題がある。すなわち、通常のスパッタ法を用いてア
スペクト比が大きく接続孔に密着層を形成すると、ボト
ムカバレッジが低下する。

【００１３】その上、プラグ材料としてのＷは、Ａｌ系
合金に比べて抵抗率が大きいため、Ｗプラグからなる接
続部の抵抗が増大する。

【００１４】従って、図１３〜１５の方法には、低抵抗
の接続部を有する配線構造を歩留りよく形成するのが容
易でないという問題点がある。

【００１５】この発明の目的は、低抵抗の接続部を有
し、容易に製造することができる新規な配線構造を提供
することにある。

【００１６】この発明の他の目的は、低抵抗の接続部を
有する配線構造を歩留りよく形成することができる新規
な配線形成法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る集積回路
の配線構造は、一方の主面に被接続部を有する基板と、
前記一方の主面を覆って形成された第１の絶縁膜であっ
て、前記被接続部に達する接続孔が形成されたものと、
前記接続孔を埋め且つ前記接続孔から突出するＡｌ系金
属主体の導電性のプラグであって、前記接続孔の底部で
前記被接続部に接続されたものと、前記プラグの頂部を
露呈するように前記第１の絶縁膜を覆って形成された第
２の絶縁膜と、この第２の絶縁膜の上に形成され、前記
プラグに接続された配線層とを備えたものである。

【００１８】この発明に係る集積回路の配線構造によれ
ば、第２の絶縁膜の上に形成された配線層は、第１及び
第２の絶縁膜の積層を貫通するＡｌ系金属主体の導電性
のプラグを介して基板の被接続部に接続される。Ａｌ又
はＡｌ合金等のＡｌ系金属は、Ｗに比べて抵抗率が小さ
いので、プラグからなる接続部の抵抗が低減される。ま
た、配線層の下地となる絶縁膜が接続孔及びプラグを設
けた第１の絶縁膜に第２の絶縁膜を重ねた構成を有する
ので、第１の絶縁膜としては薄いものを用いることがで
き、接続孔やプラグの形成が容易となる。

【００１９】この発明に係る配線形成法は、基板の一方
の主面に被接続部を覆って第１の絶縁膜を形成する工程
と、前記被接続部に達する接続孔を前記第１の絶縁膜に
形成する工程と、Ａｌ系金属層を主体とする導電材層を
前記接続孔の底部で前記被接続部に接続され且つ前記接
続孔を埋めるように前記第１の絶縁膜を覆って形成する
工程と、前記導電材層をパターニングして前記導電材層
の一部を前記接続孔から突出する形で残存させることに
より前記導電材層の残存部からなる導電性のプラグを形
成する工程と、前記プラグ及び前記第１の絶縁膜を覆っ
て第２の絶縁膜を形成する工程と、前記プラグの頂部が
露呈するまで前記第２の絶縁膜を薄くして前記第２の絶
縁膜を前記第１の絶縁膜に重なる部分で残存させる工程
と、前記第２の絶縁膜の残存部の上に前記プラグに接続
されるように配線層を形成する工程とを含むものであ
る。

【００２０】この発明に係る配線形成法によれば、第１
の絶縁膜として薄いものを用いることができるので、第
１の絶縁膜には、アスペクト比が小さい接続孔を形成す
ることができる。従って、接続孔を寸法精度よく形成す
るのが容易になると共に、Ａｌ系金属で接続孔を十分に
埋めるのが容易になる。

【００２１】Ａｌ系金属層を主体とする導電材層を形成
する工程においては、Ａｌ系金属層を形成する前に接続
孔及び第１の絶縁膜を覆って導電性のバリア層を形成し
てもよい。バリア層を形成する際には、接続孔のアスペ
クト比が小さいので、コリメートスパッタ法等の特殊な
スパッタ法を用いる必要はなく、通常のスパッタ法で良
好なボトムカバレッジが得られる。

【００２２】導電材層を形成する工程では、Ａｌ系金属
層を形成中又は形成後に加熱して流動化させてもよい。
このようにすると、Ａｌ系金属層の平坦性が改善される
ので、導電材層をパターニングする際にパターニング精
度が向上する。また、Ａｌ系金属層を形成した後Ａｌ系
金属層を覆って導電性の反射防止層を形成してもよい。
このようにすると、導電材層をパターニングする際にパ
ターニング精度が向上する。

【００２３】導電材層をパターニングして導電性のプラ
グを形成する際には、第１の絶縁膜が基板保護膜及びエ
ッチングストッパとして役立つので、スムーズにパター
ニングを行なうことができる。導電性のプラグとして
は、Ａｌ系金属を主体とする低抵抗のプラグが得られ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１〜９は、この発明の一実施形
態に係る配線形成法を示すもので、各々の図に対応する
工程（１）〜（９）を順次に説明する。

【００２５】（１）例えばシリコンからなる半導体基板
１０の表面にシリコンオキサイド等のフィールド絶縁膜
１２を選択酸化法等により形成する。そして、絶縁膜１
２の素子孔に対応して不純物ドープ領域１４をイオン注
入法等により形成する。

【００２６】次に、不純物ドープ領域１４及び絶縁膜１
２を覆ってシリコンオキサイド等の絶縁膜１６をＣＶＤ
法等により形成する。絶縁膜１６は、図７の絶縁膜２６
と共に配線下地膜を構成すると共に図５のプラグ形成工
程ではドライエッチングから基板表面を保護するもの
で、通常の１／２程度の厚さでよく、例えば１００〜４
００ｎｍの厚さにすることができる。

【００２７】（２）周知のホトリソグラフィ及びドライ
エッチング処理により不純物ドープ領域１４の一部に達
する接続孔１６ａを絶縁膜１６に形成する。絶縁膜１６
が薄いので、接続孔１６ａのアスペクト比が小さくな
り、接続孔１６ａを寸法精度よく形成することができ
る。

【００２８】（３）スパッタ法により接続孔１６ａの内
面及び絶縁膜１６を覆ってバリア層１８を形成する。バ
リア層１８としては、例えば１０〜２０ｎｍの厚さのＴ
ｉ層に５０〜１００ｎｍの厚さのＴｉＮ（又はＴｉＯ
Ｎ）層を重ねた積層を形成することができる。

【００２９】接続孔１６ａのアスペクト比が小さいの
で、スパッタ法としては、コリメートスパッタ法、ロン
グスロースパッタ法等の特殊のスパッタ法を用いる必要
がなく、通常のスパッタ法を用いて良好なボトムカバレ
ッジを有するバリア層１８を形成することができる。ま
た、通常のスパッタ法は、コリメートスパッタ法やロン
グスロースパッタ法に比べて成膜速度が速いので、スル
ープットが向上する。

【００３０】次に、スパッタ法によりバリア層１８を覆
ってＡｌ合金層２０を常温で形成する。Ａｌ合金層２０
としては、例えば３００〜４００ｎｍの厚さのＡｌ−Ｃ
ｕ又はＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層を形成することができ
る。このとき、Ａｌ合金層２０には、接続孔１６ａに対
応して凹部２０ａが形成される。

【００３１】（４）熱処理（リフロー処理）によりＡｌ
合金層２０を流動化させて接続孔１６ａを埋め（凹部２
０ａをなくし）、Ａｌ合金層２０の平坦性を改善する。
図４に示したようなＡｌ合金層２０を得るには、基板を
加熱しながらスパッタする方法、常温でのスパッタに続
いて基板を加熱しながらスパッタする方法（コールド−
ホットスパッタ法）等を用いてもよい。

【００３２】次に、スパッタ法によりＡｌ合金層２０を
覆って導電性の反射防止層２２を形成する。反射防止層
２２としては、例えば５０〜２００ｎｍの厚さのＴｉＮ
（又はＴｉＯＮ）層を形成することができる。

【００３３】（５）ホトリソグラフィ及びドライエッチ
ング処理によりバリア層１８とＡｌ合金層２０と反射防
止層２２との積層からなる導電材層をパターニングして
導電材層の一部を接続孔１６ａに対応して残存させるこ
とにより導電材層の残存部からなる導電性のプラグ２４
を形成する。このとき、絶縁膜１６がエッチングストッ
パとして作用するので、基板表面は、エッチングから保
護される。

【００３４】ホトリソグラフィ処理の際には、Ａｌ合金
層２０の平坦性が改善されており、しかも反射防止層２
２がＡｌ合金層２０からの光反射を抑制するので、エッ
チングマスクとしてのレジスト層を寸法精度よく形成す
ることができ、層１８，２０，２２を含む導電材層のパ
ターニング精度が向上する。従って、プラグ２４として
は、微細パターンのプラグを容易に形成することができ
る。

【００３５】導電性のプラグ２４は、接続孔１６ａから
突出する形に形成され、接続孔１６ａの底部で不純物ド
ープ領域１４に接続される。プラグ２４は、バリア層１
８の残存部１８ａとＡｌ合金層２０の残存部２０ａと反
射防止層２２の残存部２２ａとを含むもので、Ａｌ合金
を主体とする低抵抗のものである。

【００３６】（６）プラグ２４及び絶縁膜１６を覆って
絶縁膜２６を形成する。絶縁膜２６としては、単層又は
積層のいずれでもよいが、平坦性良好に形成するのが好
ましい。一例として、水素シルセスキオキサン樹脂膜を
回転塗布法により３００〜４００ｎｍの厚さで平坦状に
形成した後、プレセラミック化及びセラミック化のため
の熱処理を行なうことによりセラミック状のシリコンオ
キサイド膜を形成することができる。このシリコンオキ
サイド膜の上には、必要に応じてＣＶＤ法によりシリコ
ンオキサイド膜等を形成してもよい。

【００３７】絶縁膜２６を形成する他の方法としては、
ＣＶＤ法によりＢＰＳＧ（ボロン・リン・ケイ酸ガラ
ス）膜を形成した後、ＢＰＳＧ膜上にＳＯＧ（スピンオ
ンガラス）膜を回転塗布法により平坦状に形成する方法
を用いてもよい。この場合、ＳＯＧ膜上には、必要に応
じてＣＶＤ法によりシリコンオキサイド膜又はＰＳＧ
（リン・ケイ酸ガラス）膜等を形成してもよい。

【００３８】（７）エッチバック処理により絶縁膜２６
をプラグ２４の頂部が露呈するまで平坦状に除去し、絶
縁膜２６を絶縁膜１６に重なる部分で残存させる。絶縁
膜２６を平坦状に除去する方法としては、ＣＭＰ（化学
機械研磨）処理を用いてもよく、あるいは等速エッチバ
ック処理を用いてもよい。等速エッチバック処理では、
例えばＣＶＤ法により非平坦状に形成されたＢＰＳＧ等
の絶縁膜２６の上にレジスト層を回転塗布法により平坦
状に形成し、レジスト層と絶縁膜２６とでエッチレート
が等しくなる条件でレジスト層及び絶縁膜２６の積層を
エッチバックする。

【００３９】（８）プラグ２４及び絶縁膜２６を覆って
Ａｌ−Ｃｕ等のＡｌ合金層２８をスパッタ法により形成
する。そして、Ａｌ合金層２８を覆って反射防止層３０
を形成する。反射防止層３０は、前述の反射防止層２２
と同様に形成することができる。

【００４０】（９）ホトリソグラフィ及びドライエッチ
ング処理によりＡｌ合金層２８及び反射防止層３０の積
層からなる配線材層をパターニングして配線材層の一部
をプラグ２４に接続されるように残存させることにより
配線材層の残存部からなる配線層３２を形成する。配線
層３２は、Ａｌ合金層２８の残存部２８ａと反射防止層
３０の残存部３０ａとを含むもので、Ａｌ合金を主体と
する低抵抗のものである。

【００４１】この発明は、上記した実施形態に限定され
るものではなく、種々の改変形態で実施可能なものであ
る。例えば、Ａｌ合金層２０，２８に代えてＡｌ層を用
いてもよい。また、この発明の配線構造及び配線形成法
は、上記した実施形態で示したようにシリコン等の半導
体からなる被接続部に直接的に接続される配線に限ら
ず、かような配線に接続される上層配線にも適用可能で
ある。この場合、上層配線のプラグ（プラグ２４に対
応）は、下層配線の一部（被接続部）に接続される。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、配線
下地膜を第１の絶縁膜に第２の絶縁膜を重ねた積層で構
成すると共に、該積層を貫通するＡｌ系金属主体の導電
性のプラグを介して第２の絶縁膜の上の配線層を基板の
被接続部に接続するようにしたので、接続部の抵抗が低
く且つ製造容易な配線構造を実現することができる。

【００４３】また、この発明の配線形成法によれば、第
１の絶縁膜にアスペクト比が小さい接続孔を形成すると
共に、該接続孔を埋めるようにＡｌ系金属層を主体とす
る導電材層を形成し、該導電材層をパターニングして導
電性のプラグを形成するようにしたので、接続孔の形成
や接続孔の埋込みを簡単に行なえると共に導電材層のパ
ターニングをスムーズに行なうことができ、低抵抗のプ
ラグ（接続部）を有する配線構造を歩留りよく形成する
ことができる。低抵抗のプラグは、導電材層の厚さを増
大することで容易に高さを増大できるから、高アスペク
ト比の接続孔を形成したのと等価の配線構造を簡単に形
成可能である。

【００４４】その上、Ａｌ系金属層を主体とする導電材
層を形成する際にＡｌ系金属層の下層として導電性のバ
リア層を通常のスパッタ法で形成可能であり、スループ
ットが向上する。通常のスパッタ装置を改造してコリメ
ートスパッタ装置又はロングスロースパッタ装置にした
り、タングステンＣＶＤ装置を設置したりすると、新た
な投資が必要となるが、この発明によれば、０．６５μ
ｍ程度のプロセスで使用してきたスパッタ装置を用いて
０．３５μｍ程度の微細配線プロセスを実現可能であ
る。

【００４５】さらに、第１の絶縁膜の上に接続孔を覆っ
て導電材層を形成する際に、Ａｌ系金属層を加熱し、流
動化させて平坦性を改善したり、Ａｌ系金属層の上に反
射防止層を形成したりすると、導電材層をパターニング
する際にパターニング精度が向上し、微細パターンのプ
ラグを容易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施形態に係る配線形成法にお
ける絶縁膜形成工程を示す基板断面図である。

【図２】 図１の工程に続く接続孔形成工程を示す基板
断面図である。

【図３】 図２の工程に続く導電材層形成工程を示す基
板断面図である。

【図４】 図３の工程に続くＡｌ合金リフロー工程及び
反射防止層形成工程を示す基板断面図である。

【図５】 図４の工程に続くプラグ形成工程を示す基板
断面図である。

【図６】 図５の工程に続く絶縁膜形成工程を示す基板
断面図である。

【図７】 図６の工程に続くエッチバック工程を示す基
板断面図である。

【図８】 図７の工程に続く配線材層形成工程を示す基
板断面図である。

【図９】 図８の工程に続く配線パターニング工程を示
す基板断面図である。

【図１０】 従来の一例に係る配線形成法におけるＡｌ
合金層形成工程を示す基板断面図である。

【図１１】 図１０の工程に続くＡｌ合金リフロー工程
を示す基板断面図である。

【図１２】 図１１の工程に続く配線パターニング工程
を示す基板断面図である。

【図１３】 従来の他の例に係る配線形成法におけるＷ
層形成工程を示す基板断面図である。

【図１４】 図１３の工程に続くエッチバック工程を示
す基板断面図である。

【図１５】 図１４の工程に続く配線層形成工程を示す
基板断面図である。

【符号の説明】

１０：半導体基板、１２，１６，２６：絶縁膜、１４：
不純物ドープ領域、１８：バリア層、２０，２８：Ａｌ
合金層、２２，３０：反射防止層、２４：プラグ、３
２：配線層。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方の主面に被接続部を有する基板と、 前記一方の主面を覆って形成された第１の絶縁膜であっ
   て、前記被接続部に達する接続孔が形成されたものと、 前記接続孔を埋め且つ前記接続孔から突出するＡｌ系金
   属主体の導電性のプラグであって、前記接続孔の底部で
   前記被接続部に接続されたものと、 前記プラグの頂部を露呈するように前記第１の絶縁膜を
   覆って形成された第２の絶縁膜と、 この第２の絶縁膜の上に形成され、前記プラグに接続さ
   れた配線層とを備えた集積回路の配線構造。
2. 【請求項２】基板の一方の主面に被接続部を覆って第１
   の絶縁膜を形成する工程と、 前記被接続部に達する接続孔を前記第１の絶縁膜に形成
   する工程と、 Ａｌ系金属層を主体とする導電材層を前記接続孔の底部
   で前記被接続部に接続され且つ前記接続孔を埋めるよう
   に前記第１の絶縁膜を覆って形成する工程と、 前記導電材層をパターニングして前記導電材層の一部を
   前記接続孔から突出する形で残存させることにより前記
   導電材層の残存部からなる導電性のプラグを形成する工
   程と、 前記プラグ及び前記第１の絶縁膜を覆って第２の絶縁膜
   を形成する工程と、 前記プラグの頂部が露呈するまで前記第２の絶縁膜を薄
   くして前記第２の絶縁膜を前記第１の絶縁膜に重なる部
   分で残存させる工程と、 前記第２の絶縁膜の残存部の上に前記プラグに接続され
   るように配線層を形成する工程とを含む配線形成法。
3. 【請求項３】 前記導電材層を形成する工程では、前記
   Ａｌ系金属層を形成する前に前記接続孔の内面及び前記
   第１の絶縁膜を覆って導電性のバリア層を形成し、この
   バリア層と前記Ａｌ系金属層とを含む積層を前記導電材
   層とする請求項２記載の配線形成法。
4. 【請求項４】 前記導電材層を形成する工程では、前記
   Ａｌ系金属層の形成中又は形成後に前記Ａｌ系金属層の
   平坦性を改善すべく前記Ａｌ系金属層を加熱して流動化
   させる請求項２又は３記載の配線形成法。
5. 【請求項５】 前記導電材層を形成する工程では、前記
   Ａｌ系金属層を形成した後前記Ａｌ系金属層を覆って導
   電性の反射防止層を形成し、前記Ａｌ系金属層と前記反
   射防止層とを含む積層を前記導電材層とする請求項２記
   載の配線形成法。