JP3141382B2 - 配線形成方法 - Google Patents

配線形成方法

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JP3141382B2 JP02106990A JP10699090A JP3141382B2 JP 3141382 B2 JP3141382 B2 JP 3141382B2 JP 02106990 A JP02106990 A JP 02106990A JP 10699090 A JP10699090 A JP 10699090A JP 3141382 B2 JP3141382 B2 JP 3141382B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、配線形成方法に関し、特に、高融点金属層
により下地の開口を埋め込む工程を含む配線形成方法に
関するものである。本発明は、例えば、半導体装置の配
線構造や、その他各種電子材料における配線形成のため
に用いることができ、例えば高融点金属層としてタング
ステン(以下適宜、Wと記載することもある)層を形成
し、これを配線として用いた半導体装置を製造する場合
に適用することができる。
〔発明の概要〕
本出願の請求項1の発明は、開口を有する下地上に高
融点金属層を形成し、これにより開口の埋め込みを行う
に際し、密着層を形成し、高融点金属層を形成した後、
高融点金属層と密着層とのエッチング速度をほぼ等しく
してエッチバックを行うことにより、高融点金属層と密
着層とが同程度にエッチバックされ、両者間に段差が生
じないようにして、その後上層配線を形成する場合の信
頼性の向上を達成したものである。
〔従来の技術〕
配線を要する電子材料、例えば半導体装置の分野で
は、微細化・集積化の傾向が著しい(半導体装置の微細
化・集積化に関連する従来技術としては、例えば特開昭
64−23554号、同64−10629号公報などに記載の技術があ
る)。これに伴って、配線を形成すべき下地に形成され
る開口(コンタクトホールやビアホールと称される接続
孔等)も更に微細化の一途をたどっている。このような
背景で、従来、Al(アルミニウム)のバイアススパッタ
法により開口の穴埋めが行われていたが、これに替わ
り、 ポリシリコンにより埋め込みを行うポリ−Siプラグ W等の高融点金属により埋め込みを行うWプラグ等の
高融点金属プラグ の両者に関する提案がなされて来ている。
しかし上記の技術は、得られる接続の抵抗値が高い
という難点がある。また上記の技術の内、選択W等の
高融点金属材料の選択成長によるものは、該金属の成長
が安定でなく、プロセスが不安定であるという難点があ
る。
このため、上記の他の手法である、高融点金属を成
膜を要する部分全体に被覆し、その後パターニングする
技術が注目されている。代表的な技術は、Wを配線材料
として用いる場合のブランケットW−CVD法である。ブ
ランケットW−CVD法は、成膜を必要とする部分全体に
Wを被覆し、その後パターニングする技術であるが、こ
れは選択CVD法によるW埋め込みに比して、プロセスの
安定性が格段に良く、実用的であり、更に、例えばスパ
ッタ法に比較して低抵抗にWを形成できる。この種の技
術については、例えば特開昭62−219945号に記載があ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、上記プランケットW−CVD法により得られる
W(以下BLK−Wと略記することもある。)は、その密
着性が悪いという問題がある。従ってBLK−Wの密着性
を向上させるためには、下地にTiNやスパッタWなどの
薄膜を形成してこれを密着層にする必要がある。
ところがBLK−W形成のとき上記のようにTiN等を密着
層として下敷きし、その後開口をBLK−Wで埋め込んで
Wプラグを形成しようとすると、BLK−WとTiNとでTiN
の方がエッチングレートが速い条件下でエッチングする
場合は、埋め込まれたWと密着層であるTiNとの間に段
差が出来、このため、次に上層配線を形成する場合、段
切れや気泡部(void)発生により、信頼性が低下するこ
とがある。
図をもって具体的に説明すれば、第5図(a)の如く
開口2を有する下地1にTiNのスパッタ等で密着層3を
形成し、その後BLK−W層である高融点金属層4をCVDで
全面に形成して第5図(b)のようにし、その後開口2
のみに高融点金属を残そうとしてエッチバックすると、
上述の条件下でのエッチバックであると、密着層3の方
がより多くエッチングされて、第5図(c)に示す如く
段状に空隙3aが生じてしまう。第5図(c)に、破線
で、密着層3のあった部分3′を示す。
またエッチバックの場合にこのようにTiN等の密着層
と高融点金属層であるBLK−W層との選択比が充分でな
いと、第5図(c)の如くTiN等もエッチバックされて
しまう結果、その上に、上層配線を形成する際、例えば
該上層配線がAlであると、密着層3として形成したTiN
層のほかにもう一度、バリアメタルを形成しなければな
らない。これは、全体のスループット低下をもたらすも
のでもある。
本発明は、高融点金属層のエッチバック時に下地上の
密着層がエッチング除去されて段差が生じたり、消失し
たりすることに伴う上記問題点を解決して、信頼性高く
開口の埋め込みを達成でき、また、これをスループット
を低下させることなく形成できる技術を提供することを
目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、上記目的を達成すべく、以下の構成をと
る。
即ち、本出願の請求項1の発明は、開口を有する下地
上に高融点金属層を形成し、これにより開口の埋め込み
を行う工程を含む配線形成方法であって、下地上に密着
層を形成し、次いで高融点金属層を形成し、その後高融
点金属層と密着層とのエッチング速度がほぼ等しくなる
ように混合比が調整された混合ガスを用いてエッチバッ
クを行い、その後上層配線を形成することを特徴とする
配線形成方法である。
上記発明を実施するに際して、エッチバック時に高融
点金属層と密着層とのエッチング速度比がほぼ等しくな
るように混合比が調整された混合ガスを用いる形態とし
ては、各種の形態を採用できるが、例えばフッ素系ガス
に塩素系ガスを混合比を調整して添加してエッチングガ
スとする形態や、また、フッ素系ガスに酸素(O2)ガス
などを混合比を調整して加える形態などを用いることが
できる。
〔作 用〕
本出願の請求項1の発明は、高融点金属層と密着層の
エッチバック時のエッチング速度をほぼ等しくしたの
で、両者が同程度にエッチングされる。この結果、両者
間に段差は生じない。よってその後上層配線を形成する
場合、段切れなどの不都合は生じず、信頼性を向上させ
ることができる。
〔実施例〕
以下本発明の一実施例について、図面を参照して説明
する。なお当然のことではあるが、各発明は図示の実施
例により限定されるものではない。
実施例−1 第1図に、本実施例を、工程順に断面図で示す。この
実施例は、本出願の請求項1の発明を具体化したもので
あり、16MビットクラスのSRAMに適用可能な微細化・集
積化した半導体装置が得られるようにしたものである。
本実施例においては、例えばシリコン基板等の基板か
ら成る下地1に通常のレジスト工程を用いてフォトリソ
グラフィー技術により開口2を形成し、次いで密着層3
としてTiN層を形成する。この密着層3は、任意の条件
で形成できるが、例えば次のような条件でバイアスECR
−CVD法で形成することができる。
使用ガス : TiCl4/NH3/(H2)/Ar=10/10/(100)/40 SCCM (カッコ内の水素は、使用しなくてもよい) 圧 力 :5×10-3Torr マイクロ波:800W R F:300W その他各種の方法で密着層3を形成してよい。
これにより第1図(a)の構造を得る。
次に、ブランケットW−CVD法により、高融点金属層
4としてW層を形成する。この場合のプランケットW−
CVD法も各種の条件で実施できるが、例えば次のような
条件を採用してBLK−Wを形成することができる。
圧 力:0.1〜50Torr 使用ガス:WF6/SiH4=20/30(ガス比) 温 度:375〜500℃ その他種々の条件で高融点金属層4を形成してよい。
これにより第1図(b)の構造を得る。
次いでこれについて、上記高融点金属層4をなすBLK
−Wと、上記密着層3をなすTiNの選択比を1にして、
エッチバックを行う。
本実施例では、塩素系のガスを用いて、イオンエネル
ギーを強くしてエッチングすることにより、上記BLK−
WとTiNのエッチング速度をほぼ等しくして、エッチバ
ックを行った。選択比は、例えば、塩素系ガスの添加量
によってコントロールできる。TiFxは常温では固体であ
るので、TiNはフッ素系のガスではエッチングされにく
いが、塩素系のガスではエッチングされるので、この性
質を利用する。
具体的には、フッ素系ガスであるSF6にCl2(塩素ガ
ス)を添加したガス系を用い、該Cl2の添加量を調整し
て、所望のエッチング速度比を得るようにした。即ち、
第2図に示すように、Cl2の添加量が多くなる程TiNのエ
ッチング速度IIは大きくなるが、BLK−Wのエッチング
速度Iは逆に小さくなり、両者が等しくなるCl2添加量
が存在する(速度I,IIの交点)。よって、このCl2添加
量条件でエッチバックを行う。
例えば、この実施例の設定では、 使用ガス系:SF6/Cl2=5/5〜20 SCCM (この範囲での適正流量比を採用) 圧 力:10mTorr 印加電力 :0.23W/cm2 の条件でエッチバックを行った。これにより、高融点金
属層4であるBLK−Wのエッチング速度と、密着層3で
あるTiNのエッチング速度とを等しくしてエッチバック
を行い、これにより、第1図(c)に示すように、両者
3,4が同じ深さで段差なくエッチングされた構造を得る
ことができた。(なお第1図(c)は、エッチバックの
進行を明示するため、開口2内にかなり深くエッチング
が進行したように極端に図示してあるが、理想的には開
口2が丁度埋め込まれた平坦な埋め込みを達成でき
る)。
そのほか、エッチバックは、フッ素系のガスにO2(酸
素ガス)を添加して行う態様で実施することもできる。
この場合、選択比は、例えばO2添加量でコントロールで
きる。例えばフッ素系ガスにO2ガスを添加すれば、TiFx
は常温で固体だが、TiOFxは揮発するので、上記と同じ
くO2添加量とBLK−Wのエッチング速度との関係I、及
びO2添加量とTiNのエッチング速度との関係IIは第3図
に示すようになり、該I,IIの交点において、双方のエッ
チング速度が等しい点が見い出せる。
具体的には例えば、選択比をとれる条件(例えば特開
平1−130529号公報に記載の条件)より、O2を多く添加
して、上記に合致した条件にすることができる。
この態様を用いても、第1図(c)の構造を得ること
ができる。
このように本実施例では、開口2内の高融点金属層4
と、密着層3とが、同程度にエッチングされ、両者3,4
に段差が生じないので、この上に上層配線を形成する場
合良好な配線構造が得られ、信頼性が向上する。
実施例−2 これは参考例である。
第4図を参照する。
第4図(a)のように、開口2(コンタクトホールな
ど)を有する下地に密着層3を形成する。
この実施例では、スパッタ法で、開口2に、Ti/TiON/
Ti=300/700/300Åの積層構造で密着層3を形成する。
この構造は適宜変更して差支えない。但しこの密着層3
は、最終的にバリアメタルとして機能を果たし得る構成
としておく。
次に、BLK−Wを成長させて、これを高融点金属層4
とする。例えば次の条件のCVDにより、BLK−Wを形成で
きる。
使用ガス系:WF6/SiH4=20/30(ガス比) 圧 力:0.1〜50Torr 温 度:375〜500℃ これにより第4図(b)の構造を得る。
次に、RIEで、高融点金属層4をなすBLK−Wをエッチ
バックする。この時、密着層3と選択比がとれるように
して、両者のエッチング速度比の大きい条件でエッチバ
ックする。本例ではフッ素系のガスを用いて、低イオン
エネルギーでエッチングを行うことにより、この条件の
エッチバックを行った。フッ素系ガスであれば、イオン
エネルギーの低い条件でエッチングできるので、高融点
金属層4をなすBLK−Wと、密着層3をなす例えばTiON
との選択比をとることができる。
具体的には、次のエッチング条件を用いた。
使用ガス系:SF6=30 SCCM 圧 力:50mTorr 印加電力 :0.08W/cm2 これにより、密着層3が残った第4図(c)の構造を
得ることができた。
次に上層配線5を形成する。例えばAl配線を形成する
場合であれば、例えばAl−Si(Si−1%含有のアルミニ
ウム合金)などを4000Å程度の膜厚で形成して、上層配
線5とする。この時、密着層3が残っており、これがバ
リアメタルの役割を果たすので、既にバリアメタルは形
成してあることになり、ここで形成する必要はない。
上記のように本実施例では、開口2を有する下地1に
予めバリアメタルとして機能する密着層3を形成してお
き、その後BLK−Wより成る高融点金属層4を形成し、
この高融点金属層4を選択的に開口2内に残す際に、該
バリアメタルを兼ねる密着層3と選択比をとって高融点
金属層4をエッチバックするようにしたので、密着層3
を残して、これをそのままバリアメタルとして使用でき
る。
このように、この参考例においては、上層配線のバリ
アメタルと高融点金属層をなすBLK−Wの密着層とを兼
ねる構成にすることができ、また、高融点金属層を密着
層の選択比をとってエッチバックするので、そのまま密
着層を上層配線のバリアメタルとして使用でき、全体の
スループットを向上させることができる。
〔発明の効果〕
上述の如く、本発明によれば、エッチバック時に、高
融点金属層と密着層のエッチバック時のエッチング速度
をほぼ等しくしたので、両者が同程度にエッチングさ
れ、この結果、両者間に段差は生じず、よってその後上
層配線を形成する場合、段切れなどの不都合は生じず、
信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(c)は、実施例−1の工程を順に断面
図で示すものであり、第2図及び第3図は、実施例−1
を説明するための高融点金属と密着層とのエッチング速
度の対比を示す図である。第4図(a)〜(d)は、実
施例−2の工程を順に断面図で示すものである。第5図
(a)〜(c)は従来技術を示す。 1……下地、2……開口、3……密着層、4……高融点
金属層(BLK−W)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 H01L 21/3205 H01L 21/3213 H01L 21/768

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】開口を有する下地上に高融点金属層を形成
    し、これにより開口の埋め込みを行う工程を含む配線形
    成方法であって、 下地上に密着層を形成し、次いで高融点金属層を形成
    し、その後高融点金属層と密着層とのエッチング速度が
    ほぼ等しくなるように混合比が調整された混合ガスを用
    いてエッチバックを行い、その後上層配線を形成するこ
    とを特徴とする配線形成方法。
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