JPH03280533A - 半導体装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置に係り、特に絶縁膜に形成された
接続孔への導体層の埋め込みに関する。

（従来の技術） 半導体装置の高集積化は素子の微細化によってもたらさ
れている。例えば、ＩＭＤＲＡＭ、２５６ＫＳＲＡＭ等
の超ＬＳＩは１〜１．．２μｍの設計基準で作られ、さ
らに高集積化を目的としてサブミクロンの設計基準で作
られようとしている。

しかし、この高集積化に伴う素子の微細化は、超ＬＳＩ
の製造を次第に困難にしている。例えば、電極配線技術
では接続孔か細く深くなってくるために従来から用いら
れているスパッタリング法で形成したアルミニウム合金
配線では十分な被覆性か得られなくなる。これはシャド
ウィング効果により接続孔の側壁底部て膜厚か薄くなる
ためである。二のようなアルミニウム配線のオーバーハ
ング形状はアルミニウム配線上に絶縁膜を形成した際に
１しるいわゆる“す゛の原因にもなる。”す“は多層配
線を形成する場合に上層の加工精度を劣化させる。この
ように、素子を微細化していくと、スパッタリング法で
形成したアルミニウム配線の信頼性か低下するという問
題か生してきている。

そこで、近年、減圧気相成長法（ＬＰＣＶＤ）で導体膜
を形成するという方法が提案されて０る。

中でも、タングステンなどの高融点金属薄膜ζよ、特定
の堆積条件では基板表面の半導体や導体膜上にのみ堆積
することか知られている。このような絶縁膜上には形成
されず、半導体や導体膜上にのみ堆積するようにしたい
わゆる選択ＣＶＤ法は、接続孔のアスペクト比が大きく
なることにより生しる問題を解決する方法として着目さ
れている。

例えば、第５図に示すように、シリコン基板１表面の拡
散層（図示せず）に層間絶縁膜としての酸化シリコン膜
（図示せず）に形成されたコンタクトホール（図示せず
）を介してコンタクトするように形成された第１のアル
ミニウム合金層２上に、さらに層間絶縁膜としてプラズ
マＣＶＤ法により酸化シリコン膜３を形成し、この酸化
シリコン膜３に形成した接続孔４内に選択ＣＶＤ法によ
りタングステン膜６を形成して埋め込み、この上層にア
ルミニウム配線７などを形成する構造が多く用いられて
いる。この場合、酸化膜とタングスングステン膜６との
密着性が悪く、微視的にみると隙間があることがある。

このような場合に、パターニングに際して用いられるフ
ォトリソグラフィによるパターンずれが生じると、エツ
チングガスがこの隙間を速やかに拡散し、極端な場合は
第１のアルミニウム層２をエツチングするような現象が
生じることもある。

また、アルミニウムのエツチングには塩素系のガスが用
いられることが多いために、タングステン膜形成に際し
て用いられる六弗化タングステンガスなどの金属弗素化
物からの残留弗素か、この第１のアルミニウム層の上に
残留するために、弗素と塩素が共存することにより、第
１のアルミニウム層の腐食の原因ともなると言う問題か
あった。

また、このように（層間）接続孔内に導体層を埋め込ん
だ後、配線パターンを形成する場合のみならす、層間接
続孔を埋め込むと共に層間絶縁膜上にまで伸びるように
、層間接続孔内に直接タングステン薄膜等を埋め込むよ
うな場合にも、絶縁膜とタングステン膜との密着性か悪
０ため、タングステン薄膜は接続孔の底部で密着してい
るのみとなり、剥離しやすいという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） このように、選択ＣＶＤ法に限らず、薄膜を接続孔から
基板表面全体に成長させるＣＶＤ（Ｂｌａｎｋｅｔ　Ｃ
ＶＤ　）　、Ａ　１膜のＣＶＤ、Ｃｕ膜のＣＶＤ等、金
属膜をＣＶＤ法によって形成する場合には、接続孔の側
壁と埋め込み導体層等の導体層との密着性が問題となる
。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、接続孔の
側壁との密着性か高く、信頼性の高いコンタクト構造を
有する半導体装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明では、下地基板表面に形成された半導体ま
たは導体からなる第１の層と、この下地基板および第１
の層の表面を覆う絶縁膜に開孔された接続孔と、少なく
とも前記接続孔の側壁の一部を被覆するように形成され
た導体層からなる中間層と、前記接続孔内に埋め込み形
成された導体からなる第２の層とを含むようにしている
。

（作用） すなわち、埋め込み層である第２の層と、絶縁膜との両
方に対する密着性の良好な導体層を中間層として介在さ
せるようにしているため、接続孔に対して密着性の良好
な第２の層を形成することが可能となる。

このため、第２の層上に形成される配線パターンのバタ
ーニングに際して用いられるフォトリソグラフィによる
パターンすれが生しても、接続孔に隙間がないためエツ
チングガスが拡散して下地の第１の層をエツチングする
ようなことはない。

また、膜はかれ等の不良を引き起こすことはない。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

実施例１ まず、素子分離のなされたシリコン基板１表面に、所望
の素子領域（図示せず）の形成を行った後、酸化シリコ
ン膜（図示せず）を形成してコンタクトホール（図示せ
ず）を形成し、この上層にマグネトロンスパタリング法
により第１の配線層としてアルミニウム合金（ＡＩ−５
ｉ）膜２を形成し、通常のフォトリソ法および反応性イ
オンエツチング（ＲＩ　Ｅ）法によりこのアルミニウム
合金膜をパターニングし、この上層に、ＣＶＤ法により
層間絶縁膜として膜厚１．４μｍの酸化シリコン膜３を
形成したのち、第１図（ａ）に示すように、フォトリソ
法および反応性イオンエツチング法により、層間接続孔
４を形成する。

このようにして形成された層間接続孔４の底部のアルミ
ニウム合金表面には、反応性イオンエツチングで開孔す
るときのエツチングガスのフッ素、炭素等が取り込まれ
、いわゆるダメージ層が形成されている。さらにその表
面層は、空気中の酸素、水蒸気により酸化されて酸化膜
か形成されている。

そこで、酸化膜およびダメージ層を除去するために、こ
のような状態の基板１を真空容器の中に入れ、ＢＣｌ３
ガスをガス流量１０　ｃｃ／ｓｉｎ、圧力２Ｘ　１０　
　Ｔｏｒｒ、基板温度２０℃、高周波人力電力２００　
ＷＢｉｔ、基板バイアス−５００ｖ１工ツチング時間１
２０Ｓの条件でエツチングし、さらにこの処理後の基板
を真空を破ることなく、真空度ＩＸ　１０−６Ｔｏｒｒ
以下に設定して、４００℃で１分間加熱する。このとき
、前記エツチングによって一層目アルミニウム合金膜の
表面は、１２０〜１５Ｑ八／ｗｉｎの速度でエツチング
され、アルミニウム合金膜表面のダメージ層や自然酸化
膜はエツチング除去される。この状態では、表面には硼
素、塩素等の原子が残存している。そこで、前記熱処理
を経ることによって、アルミニウム合金膜の表面に吸着
結合していた硼素、塩素等の原子が昇華あるいは蒸発し
て清浄なアルミニウム合金膜表面を得ることができる。

続いて、この処理後の基板を真空を破ることなく、ＣＶ
Ｄを行う真空装置に移し、基板温度３５０℃、ＷＦ６流
量１０ｃｃ／ｍｉｎ、　Ｓ　ｉ　Ｈ４流量］００　ｃｃ
／ｌｌ１ｉｎ、堆積圧力５０　ｗＴｏｒｒ　、堆積時間
６０ｓでタングステンシリサイド５を堆積する（第１図
（ｂ））。

この後、エツチングガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ６）
を用い、ＲＩＥ法により全面をエツチングし、第１図（
ｃ）に示すように、層間絶縁膜としての酸化シリコン膜
の側壁にタングステンシリサイド膜を残留せしめる。こ
こで真空を破ることなく基板を搬送しエツチングした場
合は、さらにそのまま真空を破ることなく搬送し、タン
グステンの成膜を行う。他の装置を用いてエツチングを
行ったり、レジストとふとエツチングを組み合わせたい
わゆるレジストエッチバック法を用いた場合には、再び
ＢＣ１３ガスを用いた酸化膜除去を行った後、真空を破
ることなく、基板を、ＣＶＤを行う真空装置に移し、タ
ングステンの成膜を行う。このタングステンの堆積は、
基板温度３００℃、ＷＦ６流量１０ｃｃ／１ｎ、　Ｓ　
ｉ　Ｈ４流量６０ｃｃ／ｌｌ１ｉｎ、堆積圧力１０　ｗ
Ｔｏｒｒ　、堆積時間６０ｓの条件で選択ＣＶＤ法を用
いて、行い、第１図（ｄ）に示すように、堆積速度的０
．２μｍ／ｎ＋ｉｎでタングステン膜６を層間接続孔４
内に埋め込む。

そして最後に再び、第１図（ｅ）に示すように、マグネ
トロンスパタリンク法によりアルミニウム合金（Ａｌ−
５ｉ）膜７を形成し、通常のフォトリソ法および反応性
イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）法によりこのアルミニウ
ム合金膜をパターニングし、第２層配線パターンを得る
ことかできる。

この方法によれば、埋め込み層としてのタングステン膜
６と層間接続孔４の側壁の酸化シリコン膜３との間に中
間層としてのタングステンシリサイド膜５が介在せしめ
られているため、密着性が良好で信頼性の高い多層配線
の形成が可能となる。

また、第２層配線パターンとしてのアルミニウム合金膜
のパターニングに際して用いられるフォトリソグラフィ
によるパターンすれか牛しても、接続孔において隙間か
ないためエツチングガスが拡散して下地のアルミニウム
合金膜をエツチングするようなことはない。

なお前記実施例では、中間層の形成にＣＶＤ法を用いた
が、ＣＶＤ法に限定されることなく、スパッタリング法
、熱酸化法等を用いてもよい。また、この中間層は層間
接続孔の側壁全体を覆うように形成されているのが望ま
しいが、僅かでも効果はあり、エツチング条件の選択に
より、この厚さおよび深さは適宜変更可能である。

また、中間層の材質としては、層間絶縁膜と埋め込み導
体層との両方に対して密着性が良好であるという条件の
他、この中間層自体のエツチングに際して、下地の導体
層の形状が著しく損なわれないものであればよく、アル
ミニウムあるいはその合金、チタンナイトライド、チタ
ンタングステン合金、アモルファスシリコン等、他の材
料でも良い。

また、前記実施例では、下地の第１の導体層としてアル
ミニウム合金膜を用いたが、銅薄膜等の金属膜の他、ｐ
十拡散層、ｎ十拡散層等のシリコン層、不純物の導入さ
れた多結晶シリコン層、モリブデンシリサイド、チタン
シリサイド、タングステンシリサイド等の珪化物、チタ
ンナイトライド等の窒化物等、他の導体層を用いてもよ
く、２種以上の下地上に同時に行うようにしても良い。

また、第３の導体層としてもアルミニウム合金膜に限定
されるものではない。

また、前記実施例では、層間接続孔内に導体層を埋め込
むに際し、選択ＣＶＤ法により層間接続孔内に選択的に
タングステン膜を形成するようにしたが、全面に堆積し
くブランケット）、エッチバックを行うようにしても良
い。

さらに、層間絶縁膜として、酸化シリコン膜を用いたが
、酸化シリコン膜に限定されることなく窒化ケイ素（Ｓ
ＩＮ）等他の絶縁膜を用いた場合にも適用可能である。

さらにまた、前記実施例では、層間接続孔内に導体層を
埋め込んた後、さらに別の導体膜を堆積しパターニング
することにより、配線パターンを形成する場合について
説明したか、タングステンの堆積時間をさらに長くし、
層間接続孔を埋め込むと共に層間絶縁膜上にまで伸びる
ように（いわゆるブランケット）形成し、タングステン
を直接パターニングし、配線パターンとして用いる場合
にも適用可能である。

実施例２ この例として、本発明の第２の実施例を説明する。

第１図（ｅ）に示したように、層間絶縁膜としての酸化
シリコン膜３の側壁にタングステンシリサイド膜５を残
留せしめる工程までは前記第１の実施例と全く同様に形
成する（第２図（ａ））。

この後、この処理後の基板を真空を破ることなく、ＣＶ
Ｄを行う真空装置に移し、基板温度３５０℃、ＷＦ６流
量２０　ｃｃ／ｗｉｎ、　Ｓ　ｉ　Ｈ４流量１２ｃｃ／
ｗｉｎ、堆積圧力２０　ｍＴｏｒｒの条件てＣＶＤ法を
用いて、基板表面全体にタングステン膜１６の堆積を行
う（第２図（ｂ））。

そして最後に、第２図（ｃ）に示すように、通常のフォ
トリソ法および反応性イオンエッチンク（ＲＩ　Ｅ）法
によりこのタングステン膜１６をパターニングし、第２
層配線パターンを得ることができる。

この方法によれば、第２層配線パターンとしてのタング
ステン膜１６と層間接続孔４の側壁の酸化シリコン膜３
との間に中間層としてのタングステンシリサイド膜５が
介在せしめられているため、層間接続孔の底部のるなら
ず側壁とも密着性の良好な配線パターンを得ることがで
きるため、剥離しにくく信頼性の高い多層配線の形成が
可能となる。

この実施例においても、前記第１の実施例の場合と同様
、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である
。

実施例３ 次に、本発明の第３の実施例について説明する。

二の例では、深さの異なる接続孔ｈｌ　　ｈ２に対し、
選択ＣＶＤ法を用いて同時に導体層を埋め込む方法につ
いて説明する。

まず、第３図（ａ）に示すように、素子分離のなされた
シリコン基板１１表面に、所望の素子領域（図示せず）
の形成を行った後、ＰＳＧ膜等の絶縁膜１２を形成し平
坦化を行った９ち、多結晶シリコン膜からなる配線パタ
ーン１３にコンタクトするように第１の接続孔ｈｔを形
成するとともに、シリコン基板１１表面のｎ十拡散層１
４に到達するように深い第２の接続孔ｈ２を形成する。

この後、第３図（ｂ）に示すように、実施例１て用いた
のと同様の方法で、表面処理を行い、基板表面および配
線パターン１３表面のダメージ層や自然酸化膜はエツチ
ング除去し、清浄な表面を得たのち、続いて、この処理
後の基板を真空を破ることなく、ＣＶＤを行う真空装置
に移し、基板温度３５０℃、ＷＦ６流量１０ｃｃ／ｓｉ
ｎ、　Ｓ　ｉＨ４流量１００　ｃｃ／ｎ＋ｉｎ、堆積圧
力５０１Ｔｏｒｒてタングステンシリサイド１５を堆積
する。

この後、エソチンクガスとしてＳＦ６を用いたＲＩＥ法
により全面をエツチングし、第３図（ｃ）に示すように
、層間絶縁膜としての酸化シリコン膜の側壁にタングス
テンシリサイド膜を残留せしめる。このとき、エツチン
グ条件を制御し、接続孔の側壁全体を覆うような形状に
タングステンシリサイド膜１５を残留せしめる。

続いて、この処理後の基板を、ＣＶＤを行う真空装置に
移し、基板温度３００℃、ＷＦ６流量１０ｃｃ／ｗｉｎ
ＳＳ　ｉ　Ｈ４流量６　ｃｃ／ｓｉｎ、堆積圧力１０ｍ
Ｔｏｒｒの条件で選択ＣＶＤ法を用いて、タングステン
の堆積を行い、第３図（ｄ）に示すように、タングステ
ン膜１６を第１および第２の接続孔ｈ１およびｈ２内に
埋め込む。

ここでは、中間層としてのタングステンシリサイド１５
が接続孔の側壁に存在しているため、選択ＣＶＤに際し
、膜の成長は接続孔底部の基板表面および配線パターン
１３からのみならずこのタングステンシリサイド１５か
らもおこるため、接続孔の深さに依存する二となく良好
な埋め込み形状を得ることか可能となる。

この様にして、深さの大きく異なる第１および第２の接
続孔ｈ１およびｈ２内に良好にタングステン膜１６を埋
め込むことかできる。

そして最後に再び、第３図（ｅ）に示すように、マグネ
トロンスバタリング法によりアルミニウム合金（ＡＩ−
５ｉ）膜〕７を形成し、通常のフォトリソ法および反応
性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）法によりこのアルミニ
ウム合金膜をパターニングし、第２層配線パターンを得
ることができる。

この方法によれば、埋め込み層としてのタングステン膜
１６と層間接続孔ｈｌ　ｈ２の側壁のＰＳＧ膜１２との
間に中間層としてのタングステンシリサイド膜１５か介
在せしめられているため、密着性が良好で信頼性の高い
多層配線の形成が可能となる。

比較のために、中間層の形成を行うことなく直接選択Ｃ
ＶＤ法により接続孔内にタングステン膜を成長せしめた
場合の成長結果を第４図に示す。

この場合、選択ＣＶＤに際し、膜の成長は接続孔底部の
基板表面および配線パターン１３からのみであるため、
浅い接続孔は埋め込むことかできるが、深い溝を同時に
埋め込む二とかできない。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の半導体装置によれば
、接続孔側壁の絶縁膜とその内部に形成される導体層と
の境界部分に、この導体層と、絶縁膜との両方に対する
密着性の良好な第２の導体層を介在させるようにしてい
るため、接続孔に対して密着性の良好な導体層を形成す
ることが可能となり、信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至第１図（ｅ）は本発明の第１の実施例
の半導体装置の製造工程を示す図、第２図（ａ）乃至第
２図（ｃ）は本発明の第２の実施例の半導体装置の製造
工程を示す図、第３図（ａ）乃至第３図（ｅ）は本発明
の第３の実施例の゛↑−導体装置の製造工程を示す図、
第４図および第５図は従来例の方法で形成された半導体
装置を示す図である。 １・　ンリコン基板、２・・アルミニウム合金（ＡＩ−
５ｉ）膜（第１の配線層）　３・・・酸化シリコン膜（
層間絶縁膜）、４・・層間接続孔、５・・・タングステ
ンシリサイド膜（中間層）、６・・タングステン膜（埋
め込み層）、７・・アルミニウム合金（ＡＩ−５ｉ）膜
（第２の配線層）、１１・・・シリコン基板、１２・・
・アルミニウム合金（ＡＩ−３ｉ）膜（第１の配線層）
、１３・・・酸化シリコン膜（層間絶縁膜）、１４・・
・拡散層、ｈｌ　ｈ２・・・接続孔、１５・・・タング
ステンシリサイド膜（中間層）、１６・・・タングステ
ン膜、１７・・・アルミニウム合金（ＡＩ−３ｉ）膜（
第２の配線層）。 第 図 ξ 第 ３ 図 （号の１） 第 図 （号の２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　下地基板表面に形成された半導体または導体からなる
   第１の層と、 前記下地基板および第１の層の表面を覆う絶縁膜に開孔
   された接続孔と、 少なくとも前記接続孔の側壁の一部を被覆するように形
   成された導体層からなる中間層と、前記接続孔内に埋め
   込み形成された導体からなる第２の層とを含むようにし
   たことを特徴とする半導体装置。