JPH08222631A - 多層配線形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 選択成長によるメタルプラグ形成時の段差の
問題を解消し層間絶縁膜を平坦化して上層の配線のカバ
レージを改善し信頼性の高いデバイスを得ることができ
る多層配線形成方法を提供する。 【構成】 下層配線層１０１上に層間絶縁膜１０２を形
成し、該層間絶縁膜に前記下層配線層に連通する開口部
１０３を形成する工程と；前記開口部１０３内に選択成
長によりメタル材を成長させ該開口部内にメタルプラグ
１０６を形成する工程と；前記層間絶縁膜１０２の上面
から化学的機械研磨処理を施して表面を平坦化する工程
と；前記層間絶縁膜１０２上に前記開口部内のメタルプ
ラグ１０６に接続する上層配線層１０８を形成する工程
とを含む。

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製造過程にお
ける多層配線形成方法に関し、特に上層配線と下層配線
とを連結するコンタクトホールまたはビアホールを有し
ここに選択成長によりメタルプラグを形成する多層配線
の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化に伴って配線
パターンも高密度化し、配線形成技術はますます微細化
および多層化の方向に進み、半導体集積回路の製造プロ
セスにおける多層配線形成技術の占める比重はますます
大きくなっている。

【０００３】このような多層配線を形成する場合、例え
ばシリコン基板上に形成したトランジスタ等の能動素子
部上に、電極を介して第１層のアルミニウム配線パター
ンを形成し、この第１層配線上に層間絶縁膜を介して第
２層のアルミニウム配線パターンが形成される。第１層
および第２層の配線パターン同士は、層間絶縁膜に形成
したコンタクトホールやビアホール等の開口部に金属材
料を埋設してプラグを形成し、この金属プラグを介して
相互に電気的に導通させる。また、３層以上の多層配線
構造においては、パターンの簡素化や配線抵抗の減少等
のために、上下のコンタクトホールの位置を一致させて
プラグ位置を重ね合わせたスタックコンタクト構造が用
いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、下層配
線上に層間絶縁膜を形成すると、この層間絶縁膜に下層
配線パターンの形状に従って段差が形成され、この段差
が、配線の微細化と多層化の進展によって、大きくなり
且つ急峻となって上層の配線パターンの加工精度やパタ
ーニングの信頼性を低下させる原因となっていた。特に
アルミニウム配線において、このような段差に対処した
被覆性の大幅な改善ができない現在、層間絶縁膜の平坦
性を向上させる必要がある。この平坦性向上の必要性
は、リソグラフィーの短波長化に伴う焦点深度の低下の
点からも重要であり、段差形成の問題は高精度、高品
質、高信頼性の半導体装置を製造するために重要な解決
すべき問題点となる。

【０００５】もう一つの問題は、微細化されアスペクト
比の大きい（即ち縦長の）コンタクトホールやビアホー
ルに対し、信頼性の高いメタルプラグを形成することが
難しいという点である。この点に関し、これまでに各種
の絶縁膜の形成技術や平坦化技術およびメタルプラグ技
術が開発されてきた。その中でも特に、微細化されたコ
ンタクトホール等に配線材料を埋め込む技術としてメタ
ルプラグ技術が多層配線技術のキーテクノロジーとして
注目されている。このメタルプラグ技術としては、例え
ば、ブランケットメタル技術、選択成長メタル技術、高
温アルミスパッター技術、アルミリフロー技術等が開発
されている。

【０００６】このうちタングステン（Ｗ）等を用いたブ
ランケットメタル技術はプロセスは多少複雑になるもの
の安定な技術として量産現場でも実用化されている。こ
のブランケットメタル技術は、コンタクトホールを含む
層間絶縁膜全面にタングステン膜等のメタル膜を形成し
これをエッチバックによりコンタクトホール部分を残し
て除去しコンタクトホール内にメタルプラグを形成する
ものである。しかしながら、このブランケットメタル技
術においては、エッチバック時のオーバーエッチングに
よりコンタクトホール部分に凹部が形成され段差が生ず
るプラグロスと呼ばれる問題が発生する。

【０００７】このようなプラグロスのないメタルプラグ
形成技術として、選択成長メタル技術が用いられてい
る。この選択成長メタル技術は、下層配線上の層間絶縁
膜に形成した開口部内に、金属の配線材料と絶縁膜材料
上におけるメタルプラグ金属材料の結晶成長速度の差に
より、絶縁膜上にメタルが成長する前に開口部内にのみ
メタルを成長させてメタルプラグを形成するものであ
る。

【０００８】このような選択成長技術を用いた多層配線
形成プロセスを図５に示す。まず、図５（ａ）に示すよ
うに、下層配線１０１上の層間絶縁膜１０２に開口部１
０３が形成される。次に、図５（ｂ）に示すように、こ
の開口部１０３内に選択成長により、メタル材料を成長
させてメタルプラグ１０６を形成する。このとき、層間
絶縁膜１０２上にメタル材料を形成されると絶縁膜の機
能が損われ配線の特性劣化等を来すため、層間絶縁膜１
０２上にメタル材料が成長する前に且つ開口部１０３内
のメタルの結晶成長が開口部より上に成長する前に成長
プロセスを止めなければならない。このため、メタルプ
ラグ１０６の上面に必然的に凹部１０９が形成され、こ
れにより層間絶縁膜１０２上に段差１０７が形成され
る。

【０００９】このような段差１０７を有する層間絶縁膜
１０２上に上層配線１０８を形成すると、図５（ｃ）に
誇張して示すように、段差１０７が形成された部分の上
層配線１０８に凹み１１０が形成される。このような凹
み１１０により上層配線のカバレージが悪化し、配線抵
抗を増加させたり接続の信頼性を低下させる等の不具合
を生ずる。特に前述のスタックコンタクト構造において
は、コンタクトホール部分が上下に重ね合わされるた
め、この凹み１１０の発生に基づく問題は顕著になりデ
バイス自体の信頼性に大きく影響することが考えられ
る。

【００１０】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなさ
れたものであって、選択成長によるメタルプラグ形成時
の開口部上面に形成される段差発生の問題を解消し層間
絶縁膜を平坦化して上層配線のカバレージを改善し信頼
性の高いデバイスを得ることができる多層配線形成方法
の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明においては、下層配線層上に層間絶縁膜を形
成し、該層間絶縁膜に前記下層配線層に連通する開口部
を形成する工程と；前記開口部内に選択成長によりメタ
ル材を成長させ該開口部内にメタルプラグを形成する工
程と；前記層間絶縁膜の上面から化学的機械研磨処理を
施して表面を平坦化する工程と；前記層間絶縁膜上に前
記開口部内のメタルプラグに接続する上層配線層を形成
する工程と；を含むことを特徴とする多層配線形成方法
を提供する。

【００１２】好ましい実施例においては、前記メタル膜
材料は、タングステン、モリブデン、アルミニウム、チ
タン、それらの合金またはそれらのシリサイドであるこ
とを特徴としている。

【００１３】

【作用】下層配線上に形成した層間絶縁膜にビアホール
（またはコンタクトホール）となる開口部を形成し、こ
の開口部に選択成長によりメタルプラグを形成する。こ
のとき開口部上面に段差が形成される。この段差は、メ
タルプラグ形成後に化学的機械研磨（ＣＭＰ）処理を施
すことにより消滅し層間絶縁膜上面の平坦化が図られ
る。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例に係る多層配線形成方
法のフローチャートであり、図２は各別のステップにお
ける配線構造の要部断面図である。まず、図示しない基
板上に第１層（下層）の例えばアルミニウム配線１０１
がパターン形成される（ステップＳ１）。次に、この下
層配線１０１上に例えば酸化シリコン等の絶縁材からな
る層間絶縁膜１０２がＣＶＤ等により形成される（ステ
ップＳ２）。続いて、ステップＳ３において、層間絶縁
膜１０２にコンタクトホールとなる開口部１０３がパタ
ーン形成される。

【００１５】次に、開口部１０３内に例えば公知のシラ
ン還元法等を用いた選択成長によりタングステンを成長
させメタルプラグ１０６を形成する（ステップＳ４）。
このとき、メタルの成長が層間絶縁膜１０２の上面を越
えないようにメタルの成長プロセスを層間絶縁膜の厚さ
以下で停止するため、図２（ａ）に示すように、メタル
プラグ１０６の上面に凹み１０９が形成され例えば２０
０ｎｍ程度の段差１０７ができる。

【００１６】具体的な選択成長の条件の一例を示せば以
下の通りである。

【００１７】 ガス流量 ：ＷＦ6 ／ＳｉＨ4 ／Ｈ2＝１０／７／
１０００ｓｃｃｍ 温度 ：２５０℃ 圧力 ：２７Ｐａ なお、メタルプラグ１０６としては、タングステンに限
らず、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、ア
ルミニウム合金、チタン（Ｔｉ）あるいはそれらのシリ
サイドを用いることができる。

【００１８】メタルプラグ１０６をタングステンに代え
てアルミニウムで形成する場合の選択成長の条件の一例
を示せば以下の通りである。この場合の選択成長は、公
知の水素還元法で行いアルミソースとしてＤＭＡＨ（ジ
メチルアルミニウムハイドライド）を用いることができ
る。

【００１９】 ガス流量 ：ＡｌＨ（ＣＨ3）2／Ｈ2 ＝１０／１０
００ｓｃｃｍ 温度 ：２７０℃ 圧力 ：１６０Ｐａ このような条件で、層間絶縁膜１０２の開口部１０３内
にアルミニウムのプラグ１０６が形成される。このと
き、タングステンの場合と同様に、メタルプラグ１０６
の上面に例えば２００ｎｍの段差１０７を有する凹み１
０９が形成されるように層間絶縁膜１０２の膜厚以下で
メタルの成長を停止して選択性の破れを防止する。

【００２０】次に、ステップＳ５において、上記段差１
０７を消滅させるために化学的機械研磨処理を層間絶縁
膜１０２の上面から施す。これにより、図２（ｂ）に示
すように、層間絶縁膜１０２の上面が平坦化する。

【００２１】この化学的機械研磨処理に用いる研磨装置
の基本構成を図４に示す。研磨処理すべきウエハ５はキ
ャリヤ６にセットされ機械的チャック手段（図示しな
い）により固定される。キャリヤ６にセットされたウエ
ハ５は研磨プレート３の上面のパッド（研磨布）９に対
向して配置される。パッド９上にはスラリータンク１０
からスラリー２が矢印Ａのように供給される。スラリー
２は模式的に図示してあるが、適当な研磨粉を液体に混
濁させたものである。

【００２２】研磨処理を行う場合には、スラリー２を矢
印Ａのようにパッド９上に供給した状態で、研磨プレー
ト３を矢印４のように回転させかつキャリヤ６を矢印７
のように回転させながら、キャリヤにセットしたウエハ
５を矢印８のように所定の押圧力でパッド９に押し付け
てウエハ表面を研磨する。研磨プレート３の回転数およ
びキャリヤ６の回転数と押し付け力を調整することによ
り、ウエハ５に対応した最適のあるいは所望の研磨条件
で研磨が行われる。

【００２３】このようにして、化学的機械研磨処理によ
り表面を平坦化した層間絶縁膜１０２上に、図３に示す
ように、第２層（上層）の配線１０８が形成される（図
１ステップＳ６）。この場合、図２（ａ）の段差１０７
が研磨処理によりなくなっているため、上層配線１０８
のカバレージは良好となり、信頼性の高い上層配線が形
成される。

【００２４】上記実施例のプロセスに従って実際に行っ
た具体的な研磨処理条件を示せば以下のとおりである。
スラリーは、塩基性の雰囲気で研磨を行うために、ＫＯ
Ｈ／水／アルコールに混濁させたものを用いた。

【００２５】 研磨プレート回転数 ：５０ｒｐｍ キャリヤ回転数 ：１７ｒｐｍ 研磨圧力 ：８ｐｓｉ 研磨パッド温度 ：３０〜４０℃ スラリー流量 ：２２５ｍｌ／ｍｉｎ このような研磨条件で化学的機械研磨処理を行い、メタ
ルプラグと層間絶縁膜の上面を研磨することにより、段
差のない平坦な絶縁膜表面が得られた。

【００２６】なお化学的機械研磨処理について、密着層
は酸性の雰囲気で行い、層間絶縁膜は塩基性の雰囲気で
行ってもよい。また、上記フローにおける各ステップの
具体的方法としては、公知のリソグラフィー技術や、Ｃ
ＶＤ、スパッターおよびＲＩＥ等の技術を適宜用いるこ
とができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、選択成長によるメタルプラグ形成に際し必然的に形
成される段差を化学的機械研磨処理により削除している
ため、層間絶縁膜上に均一な平坦面が形成される。従っ
て、上層配線のカバレージが向上し、安定して信頼性の
高い配線構造が得られ、高品質で信頼性の高い半導体デ
バイスが得られる。特にスタックコンタクト構造の多層
配線構造に適用すれば、各コンタクトホール部分での段
差形成が防止されるため顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明方法のフローチャートである。

【図２】 本発明の実施例に係る多層配線形成方法の各
別のステップを示す積層構造の要部断面図である。

【図３】 本発明方法により形成した多層配線構造の要
部断面図である。

【図４】 本発明方法を実施するための化学的機械研磨
装置の要部構成図である。

【図５】 従来の多層配線形成方法の各ステップを順番
に示す積層構造の要部断面図である。

【符号の説明】

１０１：下層配線、 １０２：層間絶縁膜、 １０３：
開口部、 １０６：メタルプラグ、 １０７：段差、
１０８：上層配線、 １０９：凹部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下層配線層上に層間絶縁膜を形成し、該
   層間絶縁膜に前記下層配線層に連通する開口部を形成す
   る工程と；前記開口部内に選択成長によりメタル材を成
   長させ該開口部内にメタルプラグを形成する工程と；前
   記層間絶縁膜の上面から化学的機械研磨処理を施して表
   面を平坦化する工程と；前記層間絶縁膜上に前記開口部
   内のメタルプラグに接続する上層配線層を形成する工程
   と；を含むことを特徴とする多層配線形成方法。
2. 【請求項２】 前記メタル膜材料は、タングステン、モ
   リブデン、アルミニウム、チタン、それらの合金または
   それらのシリサイドであることを特徴とする請求項１に
   記載の多層配線形成方法。