JPH0628261B2

JPH0628261B2 - 金属メッキ配線を有する半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0628261B2
Application number: JP2099096A
Authority: JP
Inventors: 通雄朝比奈
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-04-13
Filing date: 1990-04-13
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: JPH03114228A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に半導体装
置における配線の形成方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、ＣＬＢＩの高密度化，高集積化に伴い、微細加工
プロセスの開発が精力的に進められているが、殊に金属
配線方法に関しては未だにＡｌやＡｌ系の合金膜の蒸着
・湿式エッチング方法が量産の主流を占めており、微細
化，高信頼性化の障害となっている。

第１図は従来の代表的な配線形成方法による半導体装置
の断面概要図である。

図中、１は半導体基板の上に形成されたＬＯＣＯＳ酸化
膜、２はポリシリコンゲート、３はリンドープ層間酸化
膜であり、ポリシリコンゲート２と基板拡散層（図示せ
ず）との導通をとるために、周知のフォトプロセスでリ
ンドープ層間酸化膜３がコンタクト接続穴として開孔さ
れている。ポリシリコンゲート２のパターン端部下の酸
化膜は、拡散工程後のエッチング等で多少えぐれるの
で、この上にデポしたリンドープ酸化膜３のポリ段差部
はオーバーハングになってしまう。またコンタクト穴形
状もリンのout diffusion のため、開孔上部はオーバー
ハング形状となる。

〔発明が解決しようとする課題〕このような構造の基板にＡｌ又はＡｌ系合金４をデ
ポしたとき、ポリ段差部には５のマウスホールと呼ばれ
る空洞や６のクラックが生じ、信頼性に悪影響を及ぼ
す。

また配線パターンはＡｌ又はＡｌ系合金４の上に被
着したレジストをマスクにしてリン−硝酸系エッチング
液を使用し化学的エッチングで形成するが、ポリ段差部
でのレジスト−Ａｌ界面からのエッチング液のしみ込み
及びマウスホール，クラックへのエッチング液の侵入等
により、形成される配線には断線，細り，くびれ等が生
じ、半導体装置の歩留りを低下させている。

更に化学的等方エッチングであることから、配線パ
ターンの断面形状は７のようにサイドエッチングが大き
な形状となり、３μｍ以下の微細配線パターンを精度良
く形成することは困難である。

これらの問題を解消するために、化学的エッチングでな
く、リアクティブイオンエッチングの開発が精力的に押
し進められているが、未だに量産の緒につかない段階で
ある。このリアクティブイオンエッチングでもデポ膜
（Ａｌ又はＡｌ系合金４）の形成の必要があるので、配
線の本質的な信頼度，微細化を達成するには、デポ膜の
ステップカバー性の向上と、露光，エッチング方式の改
善を併せて行うわなければならない。

そこで、本発明は、上記の各問題点を解決するものであ
り、その課題は、３μｍ以下のパターンルールにおい
て、ポリ段差部等についてももともとマウスホールやク
ラックの発生がなく、配線幅の精度が高くしかも微細配
線の形成を可能とする金属メッキ配線を有する半導体装
置の製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の講じた手段は、ま
ず、絶縁膜を開孔して所要の拡散層又はポリシリコンゲ
ートなどの電極を露出させてから、この絶縁膜上にスパ
ッタ又は蒸着等でその拡散層又は電極に導電接触するオ
ーミックコンタクト層を形成する。次に必要に応じて、
形成されたオーミックコンタクト層の上にバリアメタル
層を形成する。そして、オーミックコンタクト層又はバ
リアメタル層の上にメッキ用下地金属層を形成し、この
メッキ用下地金属層を形成し、このメッキ用下地金属層
の上にメッキマスク用パターン（メッキ析出防止マス
ク）を形成する。このメッキマスク用パターンはメッキ
用下地金属層の露出領域上（パターン溝内）のみにメッ
キ層を形成するもので、このパターンに覆われた領域は
メッキ層の析出形成が阻止される。次に、メッキ液の中
に基板を漬けて、メッキ用下地金属層の露出領域の上に
金属メッキを析出成長させる。金属メッキの析出部の側
面はメッキマスク用パターンでその析出成長が規制され
ているため、析出部すなわち形成される金属配線の線幅
の精度が良い。金属メッキ配線の形成は成長発達的に進
行するので、断線，細り，くびれ等の配線品質の問題は
解消する。このメッキ処理工程においては、金属メッキ
層の厚みを、オーミックコンタクト層の厚みおよびメッ
キ用下地金属層の厚みの和、又は、オーミックコンタク
ト層の厚み，バリアメタル層の厚みおよびメッキ用下地
金属層の厚みの和に比して厚く形成しておくことが望ま
しい。

ここで留意すべき点は、配線としての金属メッキ層とし
ては金，銅，ニッケルなどのメッキ層の形成が容易で、
配線材料の選択自由度が増すことである。従来の化学的
エッチングやドライエッチングでは、これらの金属配線
の形成は殆ど不可能であった。またポリ段差部などにお
いてもメッキ用下地金属層の露出面を基として析出成長
が進行するため、Ａｌ膜などを堆積的に被着してから選
択的に除去する従来方法に比して、マウスホールやクラ
ックの発生が全くない。

この後、メッキマスク用パターンを除去し、イオンミー
リングを施す。このイオンミーリング工程は、メッキ法
による金属配線の形成において必須の後処理工程であ
る。すなわち、メッキマスク用パターンの除去により露
出したメッキ用下地金属層，バリアメタル層及びオーミ
ックコンタクト層を除去する必要があるが、ウェットエ
ッチング又はドライエッチングでも下地層をエッチング
除去できるものの、これらによると折角精度良く形成さ
れた金属メッキ配線層にサイドエッチングなどが生じて
しまい、メッキ形成法を採用した意義が没却する。

スパッタエッチング法がメッキ用下地金属層，バリアメ
タル層及びオーミックコンタクト層の除去のために採用
することも考えられるが、しかしながら、スパッタエッ
チングは一般に10^-2Torr程度のＡｒイオンエッチで、垂
直エッチであるものの、エッチング速度が非常に遅いた
め直進性に乏しい。また、エッチングされた金属などが
再被着し易い。特にメッキ用下地金属層の露出領域は非
露出領域の面積に比して無視できない割合を持っている
から、スパッタエッチングは下地層の除去方法としては
実用的でない。

このような事実に基づいて、本発明者はイオンミーリン
グにより下地層を除去することを見出した。イオンミー
リングは一般に10^-4Torr程度のＡｒイオンエッチで、エ
ッチング速度が非常に速く直線性が良い。スパッタエッ
チングより低圧であるから、エッチングされた金属など
が消えてしまい再被着しない。また試料即ち基板への入
射角を変更することでエッチング速度を容易に変更する
ことができる。このエッチング速度は金属の種類により
異なるが、メッキ下地層と金属メッキ層のエッチング速
度の比はその入射角の如何で変化する。この角度付きエ
ッチが可能であることから、イオンミーリングをし、金
属メッキ層をマスクとして下地層の除去と同時に金属メ
ッキ層自身のラウンドエッチ（角を落としなだらかにす
るエッチング）が行われる。ここで、３μｍ以下の微細
パターンルールにおいては、イオンミーリングといえど
も、長時間それを施すと、下地層が厚いときには、再デ
ポやパーティクル付着が起こり、金属メッキの配線がマ
イグレーションによって劣化したり、配線ショートが発
生し易くなってしまい、配線の信頼性が劣ることにな
る。そこで、本発明においては、メッキ処理工程で金属
メッキ層の厚みはメッキ用下地金属層，バリアメタル層
およびオーミックコンタクト層のそれに比して厚く設定
されている。この厚めの金属メッキ層をマスクとしてイ
オンミーリングを施すことにより、金属メッキ層のラウ
ンドエッチと同時に下地層の除去を再デポやパーティク
ル付着を解消しながら行うことが可能となった。従っ
て、本発明は３μｍ以下の微細パターンにおいて高信頼
性の配線を形成することができる。

以下に本発明を添付図面に基づいて更に詳述する。第２
図はコンタクトフォトエッチング上がりの半導体基板を
示す。形成されたリンドープ層間酸化膜３の上には、拡
散層とのオーミックコンタクトを得るためのコンタクト
メタル，メッキ形成用メタル及び必要に応じて金属メッ
キ層とＳｉ基板との拡散防止用のバリアメタルとして
の、下地層８がスパッタ，蒸着等で被着される。

続いてメッキマウス用レジストを塗布し、形成すべき配
線パターン部のレジストを現像で除去し、メッキマウス
用パターン９を下地層８上に形成する。

次に基板全体にメッキ処理を施し、第３図に示すよう
に、メッキマスク用パターン９をマスクとし、下地層８
を陰極としてこの露出領域上に１〜２μｍの厚みの配線
材料を析出させ、金属メッキ層10を形成する。ここで、
金属メッキ層10の厚さは、下地層８の厚さ、すなわち、
コンタクトメタル層，バリアメタル層およびメッキ形成
用メタル層の厚さの総和に比して厚く設定されている。

この金属メッキ層10の形成は下地層８からの析出成長で
あるから、ポリ段差部も第３図示の11の如くステップカ
バー性が非常に良好で、マウスホール，クラックの発生
は皆無である。また、第３図中の13のコンタクトホール
部も、蒸着のようなSelf-Shadow によるつきまわりの悪
さがなく、リフローしたようななだらかな形状に形成さ
れる。更に、配線パターン（メッキマスク用パターン９
の反転パターン）のみがメッキ形成にあずかり、析出す
るメッキ層の側壁を規制するメッキマスク用パターン９
はメッキ成長を阻止するものであるから、配線精度が非
常に高い。従来方法では蒸着金属層等をレジストマスク
によりエッチングし、結果的に配線パターンのみを残す
ものであったが、これとは逆に本発明のメッキ配線では
配線パターンのみを析出形成するものであるから、事実
上サイドエッチング，アンダーカットが第３図示12の如
く零になる。したがって、配線パターンの寸法（線幅）
はレジスト解像パターンの寸法に等しく、配線の微細化
が図れる上、段差部でのエッチング液しみ込みによるく
びれや断線もなく、信頼性向上に大きく寄与する。更に
特筆すべきことは、化学的エッチング方法では殆ど不可
能な金，銅，ニッケルなどの化学的に安定の金属を配線
材料として用いることが可能となる。

第４図は、メッキマスク用パターン９を剥離除去後、下
地層８の露出領域だけを金属メッキ層10をマスクとして
イオンミーリング（ion milling ）によりエッチング除
去したものである。下地層８はメッキ厚に比して薄いの
で、下地層８はイオンミーリングで容易に除去できる。

ところで、この下地層８の除去は金属メッキ配線の形成
において必須の後処理工程であるが、その除去方法とし
ては種々のものが考えられる。化学的エッチングでも下
地層８の除去が可能であるが、配線として形成された金
属メッキ層10のエッチングなども発生させてしまい、こ
れではメッキ配線の利益を害する事態となる。一方スパ
ッタエッチングによりメッキ下地層８を除去することも
できるが、エッチング除去された下地層８や金属メッキ
層の金属などが再デポし易い。スパッタエッチングは，
一般に10^-2Torr程度でのイオンエッチングであるため、
エッチング速度が遅く、エッチングされた金属が再デポ
し易いという問題がある。スパッタエッチングでも下地
層８の除去やこれと並行して行われる金属メッキ層10の
スムーシングが実現されるものの、エッチングされた金
属などの再デボにより金属メッキ層10表面に汚染を招
く。

このような状況の下において、本発明者はエッチングさ
れた金属などの再デボの問題をも解消できる下地除去法
としてイオンミーリングを採用した。このイオンミーリ
ングは一般にスパッタエッチングより低圧の10^-4Torr程
度でのイオンエッチングであるから、エッチング速度が
速く直進性がある。一度エッチングされた金属などは低
圧下で飛散するので、再デポが殆どなく、また各金属の
エッチング速度は入射角を変えることで比較的自由に選
択できるので、基板を回転させながら下地層８を余すこ
となく除去することができる。この利益は金属メッキ層
10の段差部などをなだらかにする際においても有意義で
ある。このイオンミーリングはメッキ工程において付着
した金属メッキ層10上の塩類などの残滓を同時にクリー
ニングし、飛散した残滓の再付着を防止でき、かかるイ
オンミーリングはそのまま清浄表面を有する金属メッキ
配線を実現する。金属メッキ層10のステップカバー性の
改善と表面清浄化の効果は、この上に形成される層間絶
縁の被着性の向上や多層配線の形成の容易化などを派生
する。更に、金属メッキ層10が厚く、下地層８が薄く形
成されているので、金属メッキ層10自身をラウンドエッ
チすることができると共に、長時間のイオンミーリング
によっても再デポやパーティクル付着の問題が起こら
ず、殊に、３μｍ以下の微細パターンにおいて、配線が
マイグレーションによって劣化せず、また配線ショート
の発生がない配線形成が可能となる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を説明する。

第１実施例オーミックメタル層としてＡｌ−Ｓｉ（１％）膜を厚さ
1000Åでデポした後、450 ℃，20分間乾燥し、基板拡散
層とのコンタクトをとった。そして、バリアメタルとし
てのＣｒ，メッキ下地層としてのＡｕを500Åずつ連続
デポし下地金属層を形成する。続いて、ＡＺ1370レジス
トで、約1.5 μｍの厚さのメッキ用レジストマスクを形
成し、電解メッキでメッキ厚さ1.5 μｍのＡｕを着け
る。レジスト除去後、Ａｒイオンミーリングを施す。加
速電圧750 Ｖ，ビーム電流密度0.7 ｍＡ／cm^３で約５分
間エッチングし、露出した領域の３層の薄膜（Ａｌ，Ｃ
ｒ，Ａｌ−Ｓｉ）をＡｕメッキ層をマスクとして除去す
る。除去後の配線パターンたるＡｕメッキ層の厚さは約
１μｍであった。

第２実施例オーミックメタル層としてＴｉ膜を厚さ1000Åでデポし
た後、450 ℃で乾燥し、バリアメタルとしてのＰｄ層，
メッキ用下地層としてのＣｕ層を1000Åずつ連続デポし
下地金属層を形成する。次にメッキ用レジストマスクを
形成した後、1.5 μｍのＣｕメッキを施す。次に、レジ
スト除去後、Ａｒイオンミーリングを施して、Ｃｕメッ
キ層をマスクとしてＴｉ−Ｐｄ−Ｃｕ層をエッチング除
去し、Ｃｕメッキ配線を形成した。

第３実施例オーミックメタル層としてＭｏＳｉ_２膜を厚さ1000Åで
デポした後、600 ℃，30分間アニールし、メッキ用下地
層としてＮｉ膜を厚さ1000Åデポする。その後ＡＺ1370
レジストでメッキ用レジストマスクを形成し、メッキ厚
さ1.3 μｍのＮｉ膜をメッキする。次にレジスト除去
後、ＡｒイオンミーリングでＮｉメッキ膜をマスクとし
て下地層たるＮｉ層とＭｏＳｉ_２膜を除去し、Ｎｉメッ
キ配線を得た。

上記実施例の使用マスクは２μｍ配線パターンルールの
64ＫＲＡＭであり、断線やくびれ等がなく、ＳＥＭでの
ステップカバー形状の良好であった。上記実施例におけ
るメッキ処理工程は電解メッキによる下地層と金属メッ
キ層とが同一組成メタルであったが、これに限らず、合
金メッキ，多層メッキでも差支えない。下地層はオーミ
ックコンタクトメタル層，バリアメタル層，メッキ下地
金属層の多層構造であるが、これに限らず、更に多層構
造とすることも可能で、少なくともその最上層がメッキ
用下地金属層であれば良い。このように多層構造の下地
層が一般的であろうが、それらの角層の元素や金属メッ
キ層の元素が同一又は異なる場合においても、イオンミ
ーリングの物理的な除去法によれば、下地層の各層の元
素を如何にかかわらず一挙除去が可能であるばかりか、
金属メッキ層の表面をなだらか形状にでき、しかも表面
クリーニングを同時に実現できた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、エッチング後のエッチ
ングマスクそれ自身を配線として利用する目的におい
て、金属メッキ層をマスクとしてイオンミーリングを施
すものであるが、長時間のイオンミーリングによる再デ
ポやパーティクル付着を回避するために、下地層を薄
く、金属メッキ層を厚く形成しておき、イオンミーリン
グの際には上述の不具合なくメッキ用下地金属層を除去
すると同時に金属メッキ層のラウンドエッチを行う点に
特徴を有するものである。従って、次の効果を奏する。

配線パターンの形成はエッチング除去により金属層
を選択的に残すのでなく、メッキ用下地金属層の露出領
域から選択的に析出成長させるものであるから、マウス
ホールやクラックの発生が皆無であり、断線やくびれ等
が起こらず、線幅精度が頗る向上し、配線の微細化に大
いに寄与する。殊に、導電配線の端部下のフィールド酸
化膜等の絶縁膜に存在しがちなえぐれを反映する形状
や、導電配線上のコンタクト穴において生じ易いオーバ
ーハングなどを原因として、上層配線の断線等が起こり
易い領域においては、上記のメッキ法による配線形成は
有意義である。

このようなメッキ法による配線形成によれば、メッ
キ用下地金属層，バイアメタル層及びオーミックコンタ
クト層の不要部を除去する必要があるが、これらの除去
法としてイオンミーリング処理が必ず施されるため、下
地の完全除去は勿論のこと、金属メッキ層のサイドエッ
チングを防止しつつ、同時並列的に金属メッキ層の表面
をなだらかにし、ステップカバー性の向上を図ることが
できる。エッチング速度は入射角を変更することで比較
的自由に設定することができる。このイオンミーリング
はスパッタエッチングに比して一度エッチング除去され
てメタルの再デポの割合が少ないので、特に金属メッキ
層の表面のクリーニング作用を同時に発揮し、以後の諸
工程において好都合となる。

メッキ法による配線形成は、化学的エッチングでは
従来不可能であった金，銅，ニッケルなどの化学的に安
定的な金属を配線材料として使用できる道を開き、配線
材料の多用化をもたらす一方、この多用化に伴うメッキ
用下地金属層，バリアメタル層，オーミックコンタクト
層及び金属メッキ層の元素材質や多層性の如何に対して
も、イオンミーリング処理によれば上記の効果を総じ
て発揮できるという相乗効果がある。

イオンミーリング工程においては、再デポやパーテ
ィクル付着の問題を抑制することができるので、金属メ
ッキ配線がマイグレーションによって劣化せず、また配
線ショートを無くすことができるので、３μｍ以下の微
細パターンの配線形成に用いるのに適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の金属配線形成方法による半導体装置の断
面概要図である。第２図、第３図は本発明の金属配線プロセスを工程をお
って示す断面図である。第４図は本発明の完成された金属メッキ層を示す断面図
である。〔符号の説明〕１……ＬＯＣＯＳ酸化膜２……ポリシリコンゲート３……リンドープ層間絶縁膜４……金属配線膜５……マウスホール６……金属配線膜のクラック７……金属配線断面エッチ形状８……コンタクトメタル、バリアメタル、メッキ用金属
薄膜（下地層）９……メッキ配線用レジスト膜 10……金属メッキ層 11……シリコン段差部のメッキつきまわり 12……メッキ上がり断面形状 13……コンタクト、メッキ用金属薄膜除去部 14……ポリ段差部のエッチング上がりメッキ配線形状 15……エッチングメッキ配線断面形状。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁膜を開孔してコンタクト穴を形成する
工程と、該コンタクト穴を介して露出された拡散層又は
電極に導電接触すべきオーミックコンタクト層を該絶縁
膜上に形成する工程と、形成されたオーミックコンタク
ト層の上にメッキ用下地金属層を形成する工程と、形成
された該メッキ用下地金属層の上に配線パターンを有す
るメッキ析出防止マスクを形成する工程と、メッキ処理
を施し該メッキ用下地金属層の露出領域上に配線となる
べき金属メッキ層を該オーミックコンタクト層および該
メッキ用下地金属層の厚み和に比して厚く析出成長させ
る工程と、該メッキ析出防止マスクを除去する工程と、
しかる後、該金属メッキ層をマスクとしてイオンミーリ
ングを施しその金属メッキ層自身をラウンドエッチする
と共に該メッキ用下地金属層及び該オーミックコンタク
ト層の露出領域を除去する工程と、を有することを特徴
とする金属メッキ配線を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】前記オーミックコンタクト層はＭｏＳｉ_２
層、前記メッキ用下地金属層はＮｉ膜で、前記金属メッ
キ層はＮｉメッキ層であることを特徴とする特許請求の
範囲第(1)項に記載の金属メッキ配線を有する半導体装
置の製造方法。
【請求項３】絶縁膜を開孔してコンタクト穴を形成する
工程と、該コンタクト穴を介して露出された拡散層又は
電極に導電接触すべきオーミックコンタクト層を該絶縁
膜上に形成する工程と、形成されたオーミックコンタク
ト層の上にバリアメタル層を形成する工程と、形成され
たバリアメタル層の上にメッキ用下地金属層を形成する
工程と、形成された該メッキ用下地金属層の上に配線パ
ターンを有するメッキ析出防止マスクを形成する工程
と、メッキ処理を施し該メッキ用下地金属層の露出領域
上に配線となるべき金属メッキ層を該オーミックコンタ
クト層，該バリアメタル層および該メッキ用下地金属層
の厚み和に比して厚く析出成長させる工程と、該メッキ
析出防止マスクを除去する工程と、しかる後、該金属メ
ッキ層をマスクとしてイオンミーリングを施しその金属
メッキ層自身をラウンドエッチすると共に該メッキ用下
地金属層，該バリアメタル層及び該オーミックコンタク
ト層の露出領域を除去する工程と、を有することを特徴
とする金属メッキ配線を有する半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記オーミックコンタクト層はＡｌ−Ｓｉ
膜、前記バリアメタル層はＣｒ膜、前記メッキ用下地金
属層はＡｕ膜で、前記金属メッキ層はＡｕメッキ層であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第(3)項に記載の金
属メッキ配線を有する半導体装置の製造方法。
【請求項５】前記オーミックコンタクト層はＴｉ膜、前
記バリアメタル層はＰｄ膜、前記メッキ用下地金属層は
Ｃｕ膜で、前記金属メッキ層はＣｕメッキ層であること
を特徴とする特許請求の範囲第(3)項に記載の金属メッ
キ配線を有する半導体装置の製造方法。