JPH04313255A

JPH04313255A - 配線形成方法

Info

Publication number: JPH04313255A
Application number: JP10461791A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sato; 淳一佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-04-10
Filing date: 1991-04-10
Publication date: 1992-11-05

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用される配線形成方法に関し、特に接続孔を
介して下層配線層上にプラグ部となる導体材料層を選択
成長させる際の安定性の向上、導体材料層の密着性の向
上、コンタクト抵抗の低減等を可能とする方法に関する
。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、デバイス・チップ上では配線部分の占める割合
が増大する傾向にあるが、これによるチップ面積の大幅
な増大を防止するために多層配線が今や必須の技術とな
っている。配線形成方法としては、従来からアルミニウ
ム（Ａｌ）系の金属材料層をスパッタリング法により形
成することが広く行われてきた。しかし、上述のように
配線の多層化が進行し、その結果として基体の表面段差
や接続孔のアスペクト比が増大している状況下では、ス
パッタリング法におけるステップ・カバレッジ（段差被
覆性）の不足により上層配線と半導体基板との間の接続
不良や配線間における接続不良がすでに重大な問題とな
っている。

【０００３】そこで近年、タングステン（Ｗ）等に代表
される高融点金属もしくはそのシリサイド等をＣＶＤ法
により接続孔内に埋め込む、いわゆるプラグ形成技術が
提案されている。特に、上記ＣＶＤ法の中でも、接続孔
の底部に露出する下地層や添加ガスの還元性を利用して
該接続孔の内部にのみ選択的に高融点金属層もしくはそ
のシリサイド層等を成長させる選択ＣＶＤ法は、実用化
が大いに期待される技術である。上記高融点金属として
はタングステン（Ｗ）が良く研究されており、シリコン
基板やＡｌ系材料層の表面、あるいはＨ２　やシラン（
ＳｉＨ４　）等の添加ガスによりＷＦ６　を還元してＷ
を堆積させるプロセスがその代表例である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、選択ＣＶＤ
法は未だその機構が十分に解明されてはおらず、堆積条
件、層間絶縁膜の膜質や表面状態、反応副生成物等が複
雑に影響して均一性の劣化や選択性の破綻等をきたし易
い。たとえば、接続孔の内部にスパッタされた下地のＡ
ｌ系材料層が再付着しているような場合には、均一成長
が阻害される。この現象を図８（ａ）および（ｂ）を参
照しながら説明する。図８（ａ）は、段差を有するＡｌ
系下層配線２１上に酸化シリコン（ＳｉＯ２　）からな
る層間絶縁膜２２がほぼ平坦に形成され、該層間絶縁膜
２２に互いに深さの異なる第１の接続孔２３と第２の接
続孔２４が開口された状態を示している。これら接続孔
２３，２４は、層間絶縁膜２２についてＲＩＥ（反応性
イオン・エッチング）を行うことにより形成されるが、
かかるＳｉＯ２　の異方性エッチングはイオン性の強い
機構により進行する。したがって、層間絶縁膜２１のエ
ッチングがほぼ終了すると露出した該Ａｌ系下層配線２
１に高エネルギーのイオンが入射し、スパッタアウトさ
れたＡｌ系材料が接続孔２３，２４の側壁部に付着して
膜状の再付着物２５や粒子状の再付着物２６を形成する
。特に、浅い第２の接続孔２４内では深い第１の接続孔
２３内よりも早い時期にＡｌ系下層配線２１が露出する
ので、再付着物の生成量も多くなり、これがいわゆるア
ルミ・クラウン（ａｌｍｉｎｉｕｍ　　ｃｒｏｗｎ）を
形成する原因となっている。

【０００５】このような再付着物２５，２６が存在する
状態のまま選択ＣＶＤ法により接続孔２３，２４内にＷ
を成長させようとすると、該再付着物２５，２６が成長
の核として寄与するために、図８（ｂ）に示されるよう
にＷ層２７が不均一に成長し、その後の平坦化に大きな
支障をもたらす。また、Ｗ層２７の層間絶縁膜２２に対
する密着性が低下することも問題となる。また、上述の
ような再付着物２５，２６がたとえ形成されていなくて
も、深さの異なる接続孔２３，２４を選択ＣＶＤ法によ
りいずれも平坦に埋め込むことはまず不可能である。た
とえば図９に示されるように、深い第１の接続孔２３が
ほぼ平坦に埋め込まれる条件では、浅い第２の接続孔２
４においてネイルヘッドと通称される過剰成長部２７ａ
を生じてしまう。

【０００６】また、ＣＶＤ反応系における副生成物の影
響も問題となる。たとえば、上述の例では接続孔２３，
２４の底部に露出するＡｌ系下層配線２１の表面により
ＷＦ６　を還元するので、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ
３　）が副生する。しかし、このＡｌＦ３　は融点です
ら１２９１℃と高いことからも明らかなように、ＣＶＤ
反応系における蒸気圧が極めて低いため揮発除去が困難
である上、絶縁性物質である。したがって、ＡｌＦ３　
がＡｌ系下層配線２１とＷ層２７との界面に残留してい
ると、コンタクト抵抗を増大させる原因となる。そこで
本発明は、接続孔を介して下層配線材料層上に導体材料
層を選択成長させる際の安定性の向上、導体材料層の密
着性の向上、コンタクト抵抗の低減等を可能とする配線
形成方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の配線形成方法は
上述の目的を達成するために提案されるものであり、下
層配線層上の絶縁膜に開口された接続孔を導体材料層に
より充填する方法であって、前記接続孔を介して前記下
層配線層の層厚方向の一部を等方的にエッチングするこ
とにより前記接続孔の周縁よりも開口端が大とされた凹
部を形成する工程と、少なくとも前記凹部に第１の導体
材料層を選択的に成長させる工程と、前記接続孔を第２
の導体材料層により充填する工程とを有することを特徴
とするものである。

【０００８】

【作用】本発明は、導体材料層の形成に先立って、下層
配線層の層厚方向の一部を等方的にエッチングすること
を最大のポイントとしている。この等方的なエッチング
は、接続孔内部のクリーニングと、形状効果による密着
性の向上を目的として行われるものである。すなわち、
下層配線層を等方的にエッチングする条件では、同じ材
料からなる再付着物も同時に除去されるので、後工程に
おいて少なくとも第１の導体材料層の選択成長を行う際
に、不均一な核形成が起こる虞れがなくなる。また、本
発明において等方性エッチングにより形成される凹部は
、絶縁膜の直下にいわゆるアンダカット形状を有してい
る。この凹部が第１の導体材料層の選択成長により充填
され、さらにその上の接続孔が第２の導体材料層により
充填されると、これら両層は構造的に一体化されたプラ
グ部を構成する。つまり、このプラグ部は、接続孔を介
して下層配線層へ楔のように打ち込まれている恰好とな
る。

【０００９】ここで、上記第１の導体材料層はアンダカ
ット形状を有する凹部にも均一に埋め込まれることが前
提となるが、かかる埋め込みが可能となることは、本発
明者が先に第５１回応用物理学会学術講演会（１９９０
年秋季）講演予稿集第２分冊６６８ページ，演題番号２
８ａ−ＳＺＤ−１５に発表している。この研究は、選択
ＣＶＤ法において接続孔の上部にＳｉＮからなる庇を形
成した場合にも、庇が無い場合とほぼ同じ成膜速度にて
接続孔がＷ層により平坦に埋め込まれることを示したも
のである。上記庇は、選択ＣＶＤ法においてはＷＦ６　
が基板表面へ到達し還元反応が起こるまでの間が律速過
程となっている点に着目し、ＷＦ６　の拡散を抑制する
ために意図的に形成したものである。今回の発明では、
絶縁膜の下端が上記の庇と同様の役割を果たし、凹部が
速やかにかつ均一に埋め込まれるわけである。

【００１０】一方、上記第２の導体材料層はブランケッ
トＣＶＤ法やスパッタリング法等により基体の全面に形
成されても、あるいは選択ＣＶＤ法等により接続孔内部
にのみ選択的に形成されても構わない。いずれにしても
、前述の等方性エッチングにより接続孔内部の再付着物
が除去されているので、均一な成膜を行うことができる
。

【００１１】ここで、特にブランケットＣＶＤ法を適用
しようとする場合、この方法により形成されるＷ層は絶
縁膜との密着性に劣ることが従来から問題となっており
、両者の間にＴｉＮ等からなる密着層を介在させて剥離
を防止することが不可欠であるとされてきた。しかしこ
の場合には、エッチバック工程でオーバーエッチングを
行うと、ローディング効果により接続孔内部の密着層が
集中的にエッチングされ、接続孔の埋め込み特性を劣化
させるという問題があった。本発明によれば、上述のよ
うな形状効果により導体材料層が下層配線層に固定され
た状態となるため、絶縁膜と導体材料層（特に第２の導
体材料層）との間に密着層を介在させなくても、導体材
料層の剥離が防止できる。したがって、エッチバック工
程において埋め込み特性が劣化することもない。また、
ブランケットＣＶＤ法を適用した場合には、深さの異な
る接続孔が存在する場合にもエッチバックにより平坦化
することができるので、選択ＣＶＤ法を適用した場合の
ようにネイルヘッドが残る心配がない。

【００１２】もちろん、第２の導体材料層は選択ＣＶＤ
法により形成されても構わない。この場合には、配線材
料の種類が同一であれば、第１の導体材料層の形成工程
と連続工程として行うことができる。選択ＣＶＤ法は、
従来から成膜時間が長くなるにつれてプロセスの不安定
化要因が増大することが指摘されているが、本発明によ
ればその要因のひとつである接続孔内部の再付着物が予
め除去されるので、従来よりも遙かに制御性に優れた成
膜を行うことができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。実施例１本実施例は、下層配線層がＡｌ−１％Ｓｉ層、プラグ部
を構成する第１の導体材料層と第２の導体材料層とが共
にＷからなり、上記第１の導体材料層をＳｉＨ４　還元
を利用する選択ＣＶＤ法、上記第２の導体材料層をブラ
ンケットＣＶＤ法により形成した例である。このプロセ
スを、図１ないし図５を参照しながら説明する。

【００１４】図１は、段差を有するＡｌ−１％Ｓｉ層１
上に酸化シリコン（ＳｉＯ２　）からなる層間絶縁膜２
がほぼ平坦に形成され、該層間絶縁膜２に互いに深さの
異なる第１の接続孔３と第２の接続孔４が開口されてな
るウェハの状態を示している。これら接続孔３，４のう
ち相対的に浅い第２の接続孔４の側壁部には、層間絶縁
膜２のパターニング時に入射イオンによりスパッタされ
たＡｌ−１％Ｓｉ層ｌが再付着し、膜状の再付着物５や
粒子状の再付着物６が形成されている。

【００１５】上記のウェハを平行平板型プラズマ・エッ
チング装置にセットし、一例としてＣｌ２　流量３０Ｓ
ＣＣＭ，ガス圧８０Ｐａ（０．６Ｔｏｒｒ），ＲＦパワ
ー密度０．２Ｗ／ｃｍ２　（１３．５６ＭＨｚ）の条件
で上記Ａｌ−１％Ｓｉ層１の表層部を等方的にエッチン
グした。この結果、図２に示されるように、第１の接続
孔３および第２の接続孔４の底部においては、その周縁
よりも開口端が大とされた凹部３ａ，４ａがそれぞれ形
成された。これと同時に、第２の接続孔４の側壁部から
は再付着物５，６が除去された。

【００１６】次に、上記のウェハをＣＶＤ装置に移設し
、一例としてＷＦ６流量１０ＳＣＣＭ，ＳｉＨ４　流量
７ＳＣＣＭ，Ｈ２　流量１０００ＳＣＣＭ，ガス圧２７
Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ），基板温度２６０℃の条件で選
択ＣＶＤを行った。この過程では、ＷＦ６　の外部への
拡散が層間絶縁膜２の下端部である程度抑制されること
により、ＷＦ６　が凹部３ａ，４ａ内においてＡｌ−１
％Ｓｉ層１の表面と均一に接触しながら還元された。こ
の結果、図３に示されるように、凹部３ａ，４ａは選択
Ｗ層７で埋め込まれた。このとき、再付着物５，６は予
め第２の接続孔２の側壁部から除去されているため、異
常な核成長が生ずることもなかった。

【００１７】次に、一例としてＷＦ６　流量６０ＳＣＣ
Ｍ，Ｈ２　流量３６０ＳＣＣＭ，ガス圧１０６４０Ｐａ
（８０Ｔｏｒｒ），基板温度４７５℃の条件でブランケ
ットＣＶＤを行った。これにより、図４に示されるよう
に、ウェハの全面を被覆してほぼ平坦にブランケットＷ
層８が形成された。このとき、ブランケットＷ層８は既
に形成された選択Ｗ層７の上に成長され、これと構造的
に一体化されているので、特に密着層を設けなくとも層
間絶縁膜２に対する密着性は良好であった。

【００１８】次に、上記のウェハを平行平板型プラズマ
・エッチング装置に移設し、一例としてＳＦ６　流量３
０ＳＣＣＭ，Ｃｌ２　流量１０ＳＣＣＭ，ガス圧２Ｐａ
（１５ｍＴｏｒｒ），ＲＦパワー密度０．２５Ｗ／ｃｍ
２　（１３．５６ＭＨｚ）の条件で上記ブランケットＷ
層８をエッチバックした。この結果、図５に示されるよ
うに、第１の接続孔３および第２の接続孔４の内部が埋
め込みＷ層８ａによりほぼ平坦に埋め込まれ、プラグ部
９が完成された。

【００１９】実施例２本実施例は、プラグ部を構成する第１の導体材料層と第
２の導体材料層とが共にＷからなり、上記第１の導体材
料層をＨ２　還元を利用する選択ＣＶＤ法、上記第２の
導体材料層をＳｉＨ４　還元を利用する選択ＣＶＤ法に
より形成した例である。このプロセスを、図６（ａ）な
いし（ｄ）を参照しながら説明する。

【００２０】図６（ａ）は、下層配線であるＡｌ−１％
Ｓｉ層１１上の層間絶縁膜１２に接続孔１３が開口され
、該接続孔１３の側壁部にＡｌ−１％Ｓｉ層１１に由来
する膜状の再付着物１４および粒子状の再付着物１５が
形成されてなるウェハの状態を示している。

【００２１】上記のウェハを有磁場マイクロ波プラズマ
・エッチング装置にセットし、一例としてＣｌ２　流量
３０ＳＣＣＭ，ガス圧２．１Ｐａ（１６ｍＴｏｒｒ），
マイクロ波パワー８００Ｗ，ＲＦバイアス・パワー２０
Ｗ（２ＭＨｚ）の条件で上記Ａｌ−１％Ｓｉ層１１の表
層部を等方的にエッチングした。この結果、図６（ｂ）
に示されるように、接続孔１３の底部においては、層間
絶縁膜１２の下へアンダカットが入る形で凹部１３ａが
形成された。これと同時に、接続孔１３の側壁部からは
再付着物１４，１５が除去された。

【００２２】次に、上記のウェハをＣＶＤ装置に移設し
、一例としてＷＦ６流量５ＳＣＣＭ，Ｈ２　流量５００
ＳＣＣＭ，ガス圧２０Ｐａ（０．１５Ｔｏｒｒ），基板
温度４１０℃の条件で選択ＣＶＤを行った。ここでＨ２
　還元を行うのは、ＷＦ６　とＡｌ−１％Ｓｉ層１１と
の反応によるＡｌＦ３　の生成を抑制し、コンタクト抵
抗　　の増大やＷの不均一な成長を防止するためである
。この結果、図６（ｃ）に示されるように、上記凹部１
３ａは第１の選択Ｗ層１６で均一に埋め込まれた。

【００２３】次に、一例としてＷＦ６　流量１０ＳＣＣ
Ｍ，ＳｉＨ４　流量７ＳＣＣＭ，Ｈ２　流量１０００Ｓ
ＣＣＭ，ガス圧２７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ），基板温
度２６０℃の条件で選択ＣＶＤを行った。このようなＳ
ｉＨ４　還元を行うのは、ＳｉＨ４　によるＷＦ６　の
還元反応が発熱反応であり、吸熱反応であるＨ２　還元
に比べて成膜速度が著しく大きいからである。この結果
、接続孔１３内部は第２の選択Ｗ層１７により均一に埋
め込まれ、プラグ部１８が完成された。

【００２４】実施例３本実施例は、プラグ部を構成する第１の導体材料層と第
２の導体材料層とが共にＷからなり、しかもその形成を
単独工程の選択ＣＶＤ法により行った例である。このプ
ロセスを、図７（ａ）ないし（ｄ）を参照しながら説明
する。ただし、図７において、図６と共通の部分につい
ては同一の番号を用いて説明する。

【００２５】図７（ａ）は、下層配線であるＡｌ−１％
Ｓｉ層１１上の層間絶縁膜１２に接続孔１３が開口され
、該接続孔１３の側壁部にＡｌ−１％Ｓｉ層１１に由来
する膜状の再付着物１４および粒子状の再付着物１５が
形成されてなるウェハの状態を示している。

【００２６】上記のウェハを平行平板型プラズマ・エッ
チング装置にセットし、一例としてＣｌ２　流量３０Ｓ
ＣＣＭ，ガス圧８０Ｐａ（０．６Ｔｏｒｒ），ＲＦパワ
ー密度０．２Ｗ／ｃｍ２　（１３．５６ＭＨｚ）の条件
で上記Ａｌ−１％Ｓｉ層１１の表層部を等方的にエッチ
ングした。このエッチングにより、図７（ｂ）に示され
るように、接続孔１３の底部に凹部１３ａが形成される
と共に、再付着物１４，１５が除去された。しかし、上
記凹部１３ａの表面には、蒸気圧の低いエッチング反応
生成物であるＡｌＣｌ３　１９が若干残留しており、放
置しておくと後工程におけるＷの不均一成長の原因とな
る虞れがある。

【００２７】そこで、ウェハをＣＶＤ装置に移設してま
ず３００〜４００℃に加熱し、図７（ｃ）に示されるよ
うにＡｌＣｌ３　１９を揮発除去した。その後、一例と
してＷＦ６　流量１０ＳＣＣＭ，ＳｉＨ４　流量７ＳＣ
ＣＭ，Ｈ２　流量１０００ＳＣＣＭ，ガス圧２７Ｐａ（
０．２Ｔｏｒｒ），基板温度２６０℃の条件で選択ＣＶ
Ｄを行った。本実施例では再付着物１４，１５およびＡ
ｌＣｌ３　１９が予め除去されているので、凹部１３ａ
および接続孔１３を選択Ｗ層２０によりほぼ平坦に埋め
込み、プラグ部を形成することができた。

【００２８】以上、本発明を３つの実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、たとえば第１の導体材料層と第２の導体
材料層とが互いに異なる種類の金属等で形成されていて
も良い。また、上述の各実施例で行われたプロセスは適
宜組み合わせても良く、たとえば下層配線層を等方的に
エッチングした後にウェハを加熱して蒸気圧の低い反応
生成物を揮発除去し、Ｈ２　還元を利用した選択ＣＶＤ
法により凹部を第１の導体材料層により充填した後、ブ
ランケットＣＶＤ法により接続孔を充填するといったプ
ロセスも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば導体材料層の選択成長に先立って下層配
線層の一部を等方的にエッチングすることにより、接続
孔の側壁部に存在する再付着物を除去し、均一を選択成
長を行わせることが可能となる。しかも、この凹部の形
状効果により、プラグ部となる導体材料層の密着性が向
上し、従来のように密着層を別個に設ける必要がなくな
る。また、接続孔を充填する導体材料層を特にブランケ
ットＣＶＤ法により形成した場合には、成膜途中におけ
る選択性の破綻を懸念することなく、深さの異なる接続
孔を良好に埋め込むことができる。また、接続孔の充填
をすべて選択ＣＶＤ法により行ったとしても、予め異常
な核成長の原因となる反応副生成物や再付着物が除去さ
れているために、従来よりもプロセスの安定性は大幅に
向上する。したがって本発明は、微細なデザイン・ルー
ルにもとづいて設計され、高集積度および高性能を有す
る半導体装置の製造に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線形成方法の一実施例において、段
差を有するＡｌ−１％Ｓｉ層上に深さの異なる接続孔が
開口され、再付着物が形成された状態を示す概略断面図
である。

【図２】図１に示されるウェハにおいてＡｌ−１％Ｓｉ
層の等方性エッチングにより凹部が形成され、再付着物
が除去された状態を示す概略断面図である。

【図３】図２に示される凹部を選択ＣＶＤ法により選択
Ｗ層で充填した状態を示す概略断面図である。

【図４】図３に示されるウェハの全面にブランケットＣ
ＶＤ法によりブランケットＷ層を形成した状態を示す概
略断面図である。

【図５】図４に示されるウェハについて全面エッチバッ
クを行うことによりコンタクト・ホールの内部にのみブ
ランケットＷ層を残し、プラグ部を形成した状態を示す
概略断面図である。

【図６】本発明の配線形成方法の他の実施例をその工程
順にしたがって示す概略断面図であり、（ａ）はＡｌ−
１％Ｓｉ層上の層間絶縁膜に接続孔が開口され、再付着
物が形成された状態、（ｂ）は等方性エッチングにより
Ａｌ−１％Ｓｉ層に凹部が形成され再付着物が除去され
た状態、（ｃ）は凹部が第１の選択Ｗ層により充填され
た状態、（ｄ）は接続孔が第２の選択Ｗ層により充填さ
れた状態をそれぞれ表す。

【図７】本発明の配線形成方法のさらに他の実施例をそ
の工程順にしたがって示す概略断面図であり、（ａ）は
Ａｌ−１％Ｓｉ層上の層間絶縁膜に接続孔が開口され、
再付着物が形成された状態、（ｂ）はＡｌ−１％Ｓｉ層
の等方性エッチングにより凹部が形成された状態、（ｃ
）は凹部の表面から残留するＡｌＣｌ３　が揮発除去さ
れた状態、（ｄ）は凹部および接続孔が選択Ｗ層により
充填された状態をそれぞれ表す。

【図８】従来の配線形成方法の問題点を説明するための
概略断面図であり、（ａ）は接続孔の内部に再付着物が
形成された状態、（ｂ）は接続孔の内部に不均一にＷ層
が成長した状態をそれぞれ表す。

【図９】従来の配線形成方法において深さの異なる接続
孔が選択ＣＶＤ法により埋め込まれる場合の問題点を説
明する概略断面図である。

【符号の説明】

１，１１　　　　　　　　　　・・・Ａｌ−１％Ｓｉ層
２，１２　　　　　　　　　　・・・層間絶縁膜３　　
　　　　　　　　　　　　　　・・・第１の接続孔４　
　　　　　　　　　　　　　　　・・・第２の接続孔３
ａ，４ａ，１３ａ・・・凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　下層配線層上の絶縁膜に開口された接
続孔を導体材料層により充填する配線形成方法において
、前記接続孔を介して前記下層配線層の層厚方向の一部
を等方的にエッチングすることにより前記接続孔の周縁
よりも開口端が大とされた凹部を形成する工程と、少な
くとも前記凹部に第１の導体材料層を選択的に成長させ
る工程と、前記接続孔を第２の導体材料層により充填す
る工程とを有することを特徴とする配線形成方法。