JPH0883844A

JPH0883844A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0883844A
Application number: JP21933494A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Matsuzaki; 一夫松崎
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 1996-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】使用面積が小さく、形成方法が容易で、しかも
信頼性の高いコンタクトを形成する。【構成】半導体基板の表面上の絶縁膜に形成された接続
孔に、粒径が１〜５００ｎｍの金属粒子を充填すること
によって、絶縁膜上の配線と半導体基板との接続、また
は絶縁膜上下の二層の配線の接続を行う。絶縁膜にフォ
トエッチング技術により接続孔を形成し、レジストを残
したまま不活性ガスが導入された減圧容器中で金属粒子
を加熱蒸着、或いはスパッタ蒸着により充填した後、レ
ジストを除去し、上層配線を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ（大規模集積回
路）に代表される低電圧、低消費電力の半導体装置、特
にその配線用金属膜の接続構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの分野では、高密度化、高集積化
の進展が著しい。その中に集積される素子のサイズは、
スケーリング則にのっとり、限り無く縮小化の方向にあ
り、配線や電極の面積も縮小を迫られている。配線や電
極の面積をなるべく小さくするために、配線幅の縮小化
は勿論のこと、配線と半導体基板との接続孔（コンタク
トホール）も小さくする努力がなされてきている。

【０００３】図６（ａ）および（ｂ）は、従来の半導体
装置の接続部を示す断面図である。図６（ａ）は従来の
比較的低密度、低集積の段階の接続部の断面図であり、
半導体基板１１の表面上の絶縁膜１３にテーパー状の接
続孔１６が設けられ、その上に金属膜１７が被着されて
半導体基板１１との接続部１９を形成していて、段差被
覆性が良い。図６（ｂ）は、最近の高密度、高集積化に
対応した接続孔部の断面図である。半導体基板２１の表
面上の絶縁膜２３にほぼ垂直な接続孔２６が設けられ、
その上に金属膜２７が被着されて半導体基板２１との接
続部２９を形成している。図６（ｂ）では、直径を小さ
くするとともに、接続孔２６の加工も従来の湿式エッチ
ングから、乾式エッチングに変更することによって、接
続孔２６が基板２１に対して直角になるようにして、接
続部２９の面積の縮小を図っているものである。

【０００４】図６に示すように、高密度、高集積化に対
応して接続孔の直径を小さくすると同時に、接続孔の加
工も従来の湿式エッチングから、乾式エッチングに変更
することによって、接続孔が基板に対して垂直になるよ
うにして、接続孔の部分の面積の縮小を図っている。し
かるに、この方法では、配線材料の烝着が接続孔の側壁
で不十分になるという欠点がある。すなわち、接続孔が
垂直に形成されるため、蒸着膜の段差被覆性が悪く、接
続孔側壁での烝着膜厚が極端に薄くなり、接続孔段差部
で断線を引き起こすという不具合が発生することがあ
る。

【０００５】最近になって、接続孔のみに選択的に金属
を烝着するプラグ技術によって、上記の課題を解決する
手法が開発されつつある〔ＩＥＤＭテクニカルダイジェ
スト１９８１年号７９ページ、１９８７年号２１３ペー
ジ、２１７ページ〕。図７（ａ）および（ｂ）に、その
プラグ型接続部の形成方法を説明する断面図を示す。し
かしながら、選択性の確保、低接触抵抗を保証する前処
理方法の開発など、まだいくつかの課題が残っていて量
産適用までには時間がかかると見られている。また、選
択性の確保の点を考慮すると、この方法の適用範囲は自
ずと限定されるという不具合がある。

【０００６】配線を二次元的に張り巡らすだけでは、高
密度、高集積化に限界があるため、最近では、三次元的
に形成する多層配線技術も用いられている。しかるに、
多層配線技術は、層間絶縁膜の形成や、平坦化の工程な
どが新たに付加されるため、工数増によるプロセスコス
トの上昇が避けられない。可能な限り二次元の配線です
ませる方がコスト的に有利であることは明らかである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】高密度、高集積化に対
応した接続部の図６（ｂ）の方法では、配線用金属の蒸
着が接続孔の側壁部分で不十分になるという欠点があ
る。すなわち、接続孔が垂直に形成されているため、蒸
着膜の段差被覆性が悪く、接続孔の側壁での蒸着膜厚が
極端に薄くなり、接続孔の段差部で断線を引き起こすと
いう不具合が発生する。

【０００８】以上の問題に鑑みて、本発明の目的は、使
用面積の小さい、信頼性の高い、しかもプロセスの容易
なコンタクトおよびその形成方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は、半導体基板の主表面上の絶縁膜に形成さ
れた接続孔を介して、半導体基板と絶縁膜上の配線との
電気的接続または絶縁膜の上下の配線の電気的接続が行
われる半導体装置において、その接続孔に充填された金
属粒子によって、半導体基板と絶縁膜上の配線との電気
的接続または絶縁膜上下の配線の電気的接続を行うもの
とする。

【００１０】特に、接続孔に充填された金属粒子の粒径
が１ｎｍ〜５００ｎｍであるものとする。また、本発明
の半導体装置の製造方法として、絶縁膜上にフオトレジ
ストのパターンを形成し、そのレジストをマスクとし
て、その絶縁膜に接続孔を形成し、金属粒子を被着させ
て接続孔に金属粒子を充填し、レジストを除去すること
によってレジスト上に被着した金属粒子を除去した後、
上層の配線の烝着を行うものとする。

【００１１】金属粒子の被着方法としては、被着される
半導体基板の主表面の近傍で烝発した金属原子が冷却さ
れるような構造を有する減圧容器内で烝着することによ
って行うものとする。配線金属の蒸着方法としては、減
圧容器内での加熱烝着もしくはスパッタ烝着とし、烝発
した金属原子の冷却方法としては、金属粒子の被着がＨ
ｅやＡｒなどの不活性ガスを導入するものとする。

【００１２】

【作用】上記の手段を講じ、絶縁膜に形成された接続孔
に、流動性のある金属粒子を充填することによって、半
導体基板と絶縁膜上の配線との電気的接続または絶縁膜
上下の配線の電気的接続が、小さな接続孔で確実に接続
できる。特に、接続孔に充填された金属粒子の粒径が１
ｎｍ〜５００ｎｍであれば、接続孔に多数の金属粒子が
入り、稠密な充填ができる。直径１ｎｍ以上の金属粒子
は下記の蒸着方法で容易に得られる、一方直径５００ｎ
ｍ以上の金属粒子は、直径１μｍ程度の接続孔には大き
すぎて適さない。

【００１３】今、図５（ａ）、（ｂ）に接続孔の大きさ
により、金属粒子が充填される状況の説明図を示す。接
続孔の寸法が直径Ｄ、深さｔであり、烝着金属粒子の平
均粒径をｄとすると、理想的（粒径ｄが全て等しく、立
方最密充填的に烝着されるとする）には、Ｄ₁＝ｄならば、図５（ａ）に示したように

【００１４】

【数１】なるｎ個の金属粒子を充填した時、接続孔が、丁度烝着
金属粒子で一杯に埋まることになるが、粒子がたてに一
列に並んだような状態では、粒子間の接触抵抗が問題に
なる。Ｄ₂≫ｄならば、図５（ｂ）に示したように、

【００１５】

【数２】なるｎ層の金属粒子を充填した時、接続孔が、丁度烝着
金属粒子で一杯に埋まることになる。

【００１６】接続孔が烝着金属粒で丁度一杯に埋まれ
ば、その上に烝着された配線材料は、ほぼｄの半分の凹
凸程度の平坦さで接続される。従って、上層の配線材料
の厚さはｄ以上であれば、段差被覆性は十分確保される
と考えられる。接続孔が、烝着金属粒子で丁度一杯に埋
まるように制御することは、烝着金属粒子の粒度分布や
烝着速度の制御などの点でほぼ不可能に近く、±ｄのば
らつきは覚悟しなければならないが、上層の配線材料の
厚さをｄ＋ｄすなわち、２ｄ以上とすれば段差被覆性は
保たれるものと考えられる。従って、上層配線材料とな
るべき金属を２ｄ以上の厚さだけ烝着し、加工すること
によって上層配線を形成すればよい。

【００１７】また、本発明の半導体装置の製造方法とし
て、シリコン基板上、または下層配線上の絶縁層上の所
望の部分ににフオトレジストのパターンを形成し、その
レジストをマスクとして、絶縁層に接続孔を形成し、続
いて金属粒子を被着させる。その際、接続孔の加工のた
めに用いたフォトレジストはそのまま除去せずに残して
おく、烝着した金属粒子は、加工された接続孔内に充填
されると同時にフォトレジスト上にも付着する。フォト
レジストのリフトオフを行うことによって、レジスト上
に被着した金属粒子を除去すれば、接続孔内にのみ烝着
金属粒子が残ることになる。この後、上層の配線の烝着
を行えば、確実な接続ができる。

【００１８】金属粒子の被着方法として、ＨｅやＡｒな
どの付活性ガスが導入された減圧容器内で、配線金属の
加熱烝着もしくはスパッタによる烝着するなどの、被着
される半導体基板主表面の近傍で烝発した金属原子が冷
却されるような構造を有する減圧容器内での烝着であれ
ば、冷却凝集により、比較的大粒で、粒径制御された烝
着金属粒子を充填できる。

【００１９】

【実施例】以下に、図を参照しながら本発明の実施例の
半導体装置およびその製造方法を詳細に説明する。図１
は、本発明の実施例の半導体装置の部分断面図である。
シリコン基板４１上に表面保護膜として、厚さ０．２μ
m の熱酸化膜４２が形成され、その上に厚さ０．５μm
のＡｌ−Ｓｉ膜からなる第一層の配線４７、その上にＣ
ＶＤ法により堆積した厚さ０．５μm 酸化シリコン膜４
３、更にその上に厚さ０．５μm のＡｌ−Ｓｉ膜からな
る第二層の配線４８が形成されている。酸化シリコン膜
４３には接続孔４６が形成され、その接続孔４６には、
平均粒径５０ｎｍのＡｌ粒子５０が充填されて、第一層
の配線４７と第二層の配線４８とを接続している。この
ように、接続孔４６内に金属粒子５０を充填して、上下
の配線間の接続をすることができる。接続孔４６内に通
常の様な多結晶金属膜でなく、流動性のある金属粒子を
充填すれば、空洞の無い密な充填が可能になる。

【００２０】図３（ａ）ないし（ｄ）および図４は、図
１の半導体装置の製造方法を説明するための各工程にお
ける断面図を工程順に示したものである。シリコン基板
４１上に表面保護膜として、熱酸化膜４２を厚さ０．２
μm 形成し、所望の部分に窓開けして、Ａｌ−Ｓｉ配線
を厚さ０．５μm 堆積し、必要によりフォトエッチング
技術を用いて、第一層配線４７を形成する〔図３
（ａ）〕。次に、層間絶縁膜として、厚さ０．５μm の
酸化シリコン膜４３をプラズマＣＶＤ法（ＳｉＨ₄／Ｎ
₂Ｏ＝５０ｓｃｃｍ／１５００ｓｃｃｍ，３６０℃）で
形成し、第一層配線４７との接続を行う接続孔形成のた
めのレジストパターン（膜厚１．２μm 、接続孔径０．
５μm ）４５を形成し、このレジストパターン４５をマ
スクとしてマグネトロン反応性イオンエッチング（印加
磁場：１２５ガウス、ＲＦ電力：６６０Ｗ、ガス流量：
Ａｒ／ＣＨＦ₃／ＣＦ₄＝７５／２５／５ｓｃｃｍ）に
より、酸化シリコン膜４３に接続孔４６を設けた〔同図
（ｂ）〕。ここまでは、従来一般に行われている半導体
プロセスと何ら変わるところはない。次に、不活性ガス
雰囲気下での烝着、もしくは烝着直前の冷却凝集によ
り、比較的大粒で、粒径制御された烝着金属粒をシリコ
ン基板全面に烝着する。その際、接続孔の加工のために
用いたフォトレジストはそのまま除去せずに残してお
く。

【００２１】図２は、本方法に用いた烝着装置５１の模
式図である。Ａ室５２とＢ室５３とに仕切られた二室か
らなり、Ａ室５２とＢ室５３とはノズル５４を介して繋
がっている。Ａ室には、ヒーター５７があつて、その部
分に置かれたＡｌソース５６が、加熱烝発されるように
なっている。また、Ａ室５２には、排気のための排気口
５９と、それに対向する位置にＡｒガス入口５８があ
り、Ａｒガスの導入量を調節することによってＡ室５２
の真空度は、１３．３から２６．６Ｐａまで変えられる
ようになっている。Ｂ室５３には、ウェハホルダ５５が
あって、シリコン基板４１が装着できるようになってい
る。また、Ａ室５２と独立した排気のための排気口５９
があり、Ｂ室５３の真空度は、０．１３３から１３．３
Ｐａの範囲で変えられるようになっている。Ａ室５２で
加熱烝発され微粒子となったＡｌは、Ａ室５２とＢ室５
３との差圧でＢ室５３に運ばれ、シリコンウェハ５１に
付着する。Ａ室５２とＢ室５３の真空度を適当に調節す
ることによって、粒径の調節ができる。

【００２２】図２の蒸着装置５１を用いて、図３（ｂ）
の半導体基板にほぼ５０ｎｍの平均粒径のＡｌ粒子がシ
リコン基板４１に烝着される〔図３（ｃ）〕。その時、
烝着金属粒子５０は、加工された接続孔４６内に充填さ
れると同時にレジストパターン４５上にも付着する。図
では、基板４１の蒸着面が下向きになっているが、被着
された金属粒子はファンデァワールス力によって凝集
し、落ちることはない。その後、アセトン中で超音波を
与えることによって、フォトレジストを除去する。その
結果、レジスト上に付着したＡｌ粒子は取り除かれ、接
続孔４６にのみ烝着金属粒子を残す〔同図（ｄ）〕。そ
の後、通常のスパッタ装置でＡｌ−Ｓｉを０．５μm の
厚さで形成し、フォトリソグラフィによって配線加工を
行い第二層配線４８を形成する〔図４〕。因みに、４５
０℃、３０分間のアニール後の接触抵抗は、約、２０オ
ームであった。接続抵抗増大の懸念がある場合には、図
４の工程後にシンタリングを行う。ここでは、二層配線
の接続についてのみ述べたが、一層配線でのシリコン基
板との接続でも同様に行えることは明白である。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、高アスペクト比の接続
孔であっても、金属粒子の粒径を制御することによっ
て、接続孔に充填できるため、配線の接続が容易である
ばかりでなく、その信頼性も確保される。さらに、一層
配線レベルでの高密度の配線が可能となるほか、接続部
も比較的平坦となり、多層配線も容易で一層の高密度配
線が実現できる。また本方法は、プロセスコストを低減
させる効果が大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の半導体装置の部分断面図

【図２】図１の半導体装置を形成するための製造装置の
図

【図３】（ａ）ないし（ｄ）は図１の半導体装置の製造
工程を説明するために工程順に示した各工程における部
分断面図

【図４】図３（ａ）ないし（ｄ）に続く図１の半導体装
置の工程における部分断面図

【図５】（ａ）および（ｂ）は接続孔に金属粒子が充填
される状況の説明図

【図６】（ａ）および（ｂ）は従来の半導体装置の部分
断面図

【図７】（ａ）および（ｂ）は従来の別の半導体装置の
部分断面図

【符号の説明】

１１、２１、３１、４１半導体基板またはシリコン基
板１３、２３、３３、４３酸化シリコン膜または絶縁膜１６、２６、３６、４６接続孔１７、２７、金属膜１９、２９、４９接続部３７プラグ４２熱酸化膜４４感光性樹脂４５感光性樹脂パターン４７第一層配線４８第二層配線５０Ａｌ粒子５１金属粒子蒸着装置５２Ａ室５３Ｂ室５４ノズル５５ウェハ−ホルダ５６Ａｌソース５７ヒーター５８ガス入口５９排気口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の主表面上の絶縁膜に形成され
た接続孔を介して、半導体基板と絶縁膜上の配線との電
気的接続が行われるものにおいて、その接続孔に充填さ
れた金属粒子によって半導体基板と絶縁膜上の配線との
電気的接続が行われることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】半導体基板の主表面上に、絶縁膜を挟む二
層の配線を有し、絶縁膜に形成された接続孔を介して、
その絶縁膜の上下の配線の電気的接続が行われるものに
おいて、その接続孔に充填された金属粒子によって絶縁
膜上下の配線の電気的接続が行われることを特徴とする
半導体装置。
【請求項３】接続孔に充填された金属粒子の粒径が１ｎ
ｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１または
２に記載の半導体装置。
【請求項４】絶縁膜上にフオトレジストのパターンを形
成し、そのレジストをマスクとして、その絶縁膜に接続
孔を形成し、金属粒子を被着させて接続孔に金属粒子を
充填し、レジストを除去することによってレジスト上に
被着した金属粒子を除去した後、上層の配線の烝着を行
うことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項５】金属粒子の被着が、被着される半導体基板
主表面の近傍で烝発した金属原子が冷却されるような構
造を有する減圧容器内で烝着することによって行われる
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項６】金属粒子の被着が、不活性ガスが導入され
た減圧容器内で配線金属の加熱烝着することによって行
われることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項７】金属粒子の被着が、不活性ガスが導入され
た減圧容器内で配線金属のスパッタ烝着することによっ
て行われることを特徴とする請求項５に記載の半導体装
置の製造方法。