JPH09283519A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨プロセスを用いて一層の配線を形成する
場合、従来は、絶縁膜の研磨とプラグ材料の研磨の２回
研磨プロセスを必要としたが、生産コストを低減するた
めに１回のみの研磨で絶縁膜の平坦化とプラグ形成を行
う。 【解決手段】 半導体基板１０上にアルミニウム合金配
線１２を形成し、全面に均一な厚さの絶縁膜１３を堆積
する。前記絶縁膜の凸部に開口部１４を形成し、タング
ステン１５を選択的に開口部１４内に埋め込む。その
後、ＫＯＨまたはＮＨ₄ＯＨまたは有機アルカリまたは
水に研磨粒子であるシリカまたはセリウムを含有するス
ラリーを用いて開口部１４内以外のタングステン１５を
完全に除去し、かつ、絶縁膜表面の段差を緩和し、タン
グステンプラグ１６を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に、プラグの形成方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置のプラグを形成する手
法として、平坦な絶縁膜に設けた開口部内に金属を埋め
込んだ後、余剰の金属を化学機械研磨等を用いて除去す
るプロセスが実用化されつつある。

【０００３】上記の開口部内に金属を埋め込む方法とし
ては、金属を全面に堆積する方法と、開口部内に選択的
に堆積する方法の２種類がある。この２種類の方法のう
ち、全面堆積の場合、絶縁膜上に密着層（バリヤー層）
を堆積するのが一般的であるが、密着層（バリヤー層）
のオーバーハングによりプラグ内部にボイドが発生する
という問題が生じるため、選択堆積が現在主流になりつ
つある。

【０００４】選択堆積の場合、絶縁膜に形成されたホー
ルの深さのばらつきや堆積条件のばらつきなどを考慮し
て、開口部の上部まで堆積するのが一般的であり、余剰
の金属を化学機械研磨によって除去する。そこで、以下
では図面を参照しながら選択堆積を用いたプラグの形成
方法（半導体装置の製造方法）について説明する。

【０００５】図２は従来法における、プラグ形成方法の
概略工程断面図を示したものである。

【０００６】まず図２（ａ）に示すように、例えば半導
体基板２０の上に形成された平坦な絶縁膜２１上にアル
ミニウム合金などの配線２２を形成し、その後、絶縁膜
２３を全面に均一な厚さになるように堆積する。このと
き、絶縁膜２３の表面には、配線２２の高さと同等の段
差が生じている。

【０００７】次に、図２（ｂ）に示すように、ＫＯＨま
たはＮＨ₄ＯＨまたは有機アルカリまたは水に、シリカ
またはセリウムなどの研磨粒子を含有する研磨剤（スラ
リー）を用いて絶縁膜２３に化学機械研磨を施し、絶縁
膜２３表面の段差を緩和する。

【０００８】次に、図２（ｃ）に示すように、配線２２
上のコンタクトを形成する領域の絶縁膜２３をドライエ
ッチングにより除去し、配線２２まで到達する開口部２
４を形成する。

【０００９】その後、図２（ｄ）に示すように、開口部
２４内に選択的に、プラグ材料として例えばタングステ
ン２５を堆積する。しかしここでは、前述したように、
タングステン２５は、開口部２４の深さのばらつきや堆
積条件のばらつきなどを考慮する必要性があり、開口部
２４の上部までタングステン２５を堆積する。

【００１０】次に、図２（ｅ）に示すように、開口部２
４内以外に堆積したタングステンを、酸化剤として例え
ば過酸化水素または硝酸鉄、研磨粒子として例えばアル
ミナなどを含むスラリーを用いた化学機械研磨を施して
除去し、タングステンプラグを形成する。

【００１１】以上配線上にコンタクトを形成する場合に
ついて説明したが、素子領域上にコンタクトを形成する
場合においても同様である。

【００１２】上記したように、プラグ材料の選択堆積、
及び研磨プロセスを用いてタングステンなどのプラグを
形成する従来の方法においては、絶縁膜表面の平坦化
と、開口部内以外のプラグ材料の除去の２回の研磨プロ
セスを用いる必要がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２回の
研磨プロセスを行うには、２台の研磨装置が必要である
ため、生産コストが上昇してしまう。当然のことなが
ら、配線層数の増加により（１層形成するのに２台の研
磨装置が必要であるため）、そのコストはさらに上昇し
てしまう。

【００１４】そこで、本発明の絶縁膜の開口部内に金属
を埋め込む半導体装置の製造方法は、金属材料の選択堆
積の場合に於て、研磨プロセスを用いて低コストな製造
方法を提供することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、半導体基板上に、少なくとも、段差を形
成する工程と、全面に均一な厚さの絶縁膜を堆積する工
程と、前記絶縁膜の凸部の所望の領域を除去して開口部
を形成する工程と、金属を前記開口部内に選択的に堆積
し前記開口部に前記金属を埋め込む工程と、上記金属な
らびに上記絶縁膜を研磨する工程により構成されたもの
であって、上記金属ならびに上記絶縁膜を研磨する際の
研磨剤（スラリー）は、 ＫＯＨまたはＮＨ₄ＯＨまたは
有機アルカリまたは水に、研磨粒子であるシリカまたは
セリウムを含有していることを特徴とするものである。

【００１６】そして本発明は上記した構成によって、研
磨する際に金属材料と絶縁膜にかかる圧力が等しい場
合、研磨される速度は金属材料より絶縁膜の方が大きく
なるが、金属材料は絶縁膜の凸部に埋め込まれているた
め、その部分では圧力が増大し、金属材料の研磨速度は
凸部以外の絶縁膜の研磨速度より大きくなる。よって、
絶縁膜及び金属材料全体が平坦化され、すなわち、絶縁
膜の平坦化と金属材料の余剰部分の除去の２回の研磨を
施さなくても、一般に絶縁膜の研磨平坦化に用いられて
いるスラリーにて一度に両方を研磨することにより、両
目的を達成することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の絶縁膜の開口部内
に金属を埋め込む半導体装置の製造方法の一実施の形態
について、図面を参照しながら説明する。

【００１８】図１は本発明の実施の形態におけるプラグ
の形成方法（半導体装置の製造方法）の断面工程図を示
したものであり、以下では図１（ａ）〜（ｄ）にそって
本発明を説明する。

【００１９】まず図１（ａ）に示すように、半導体基板
１０上に形成された絶縁膜１１上に、導電性材料の配線
として例えば幅２μｍ、厚み０．５μｍのアルミニウム
／シリコン／銅の合金配線１２を形成し、その後、均一
な厚さの絶縁膜１３をＣＶＤにより例えば１μｍ堆積す
る。このとき、絶縁膜１３の表面には配線１２の存在に
伴う段差が生じるため、その段差の高さは配線１２の厚
みと同じ０．５μｍとなる。

【００２０】次に、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜１
３の凸部の領域（すなわちプラグを形成し、配線１２と
整合する領域）にドライエッチングを施し、配線１２に
到達する例えば直径０．８μｍの開口部１４を形成す
る。

【００２１】次に、図１（ｃ）に示すように、開口部１
４内部に、選択的にプラグ材料として例えばタングステ
ン１５をＣＶＤで堆積する。ここでは、開口部１４の深
さのばらつきや堆積条件のばらつきなどを考慮する必要
性があり、開口部１４の上部までタングステン１５を堆
積する。なお、プラグ材料はタングステン以外にもアル
ミニウム、銅などの金属を用いてもよい。

【００２２】次に、図１（ｄ）に示すようにＫＯＨまた
はＮＨ₄ＯＨまたは有機アルカリまたは水に、シリカま
たはセリウムなどの研磨粒子を含有するスラリーを用い
た化学機械研磨を、絶縁膜及びタングステンに同時に施
す。絶縁膜及びタングステンにかかる圧力が等しい場
合、絶縁膜の方が研磨速度は大きいが、タングステン１
５は図１（ｃ）に示すように絶縁膜１３の凸部に埋め込
まれており、さらに凸部の上部まで堆積されているた
め、この部分には高圧力が作用し、タングステン１５の
研磨速度は大幅に増大する。また凸部の絶縁膜は凸部以
外の絶縁膜より高圧力が作用するため、凸部の絶縁膜の
研磨速度は凸部以外の絶縁膜の研磨速度より大きくな
る。よって、結局、絶縁膜１３の平坦化と余剰のタング
ステンの除去が、その表面が平坦になるように、同時に
達成される。

【００２３】なお、本発明では、絶縁膜の段差は、下部
の配線の厚みによって生じるとしたが、絶縁膜に段差を
生じさせるものは配線に限らずゲート絶縁膜等の素子領
域などでもかまわない。

【００２４】また、本発明では、プラグが堆積される開
口部を形成する絶縁膜が配線によって生じた段差を有す
るものの上に形成される場合に適用されるものであり、
この段差とは、配線等によって積極的（意識的に）に生
じた段差のことを示しており、絶縁膜を単に堆積した際
に多少生じる凹凸のような段差のことを示しているので
はない。

【００２５】さらに、意識的に生じた段差も、その側面
が非常になだらかな場合には、その上に堆積される絶縁
膜にも段差が生じにくくなるため、段差の角度も３０度
以上のものが本発明の対象となる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明は、一層の配線を形
成する際の研磨プロセスを、プラグ材料と絶縁膜を１度
に研磨することにより、従来必要とされた２回から１回
に低減することができ、生産コストを下げることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるプラグを有する半
導体装置の製造工程断面図

【図２】従来のプラグを有する半導体装置の製造工程断
面図

【符号の説明】

１０ 半導体基板 １１ 絶縁膜 １２ 配線 １３ 絶縁膜 １４ 開口部 １５ タングステン １６ タングステンプラグ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 友康 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】段差を有する半導体基板上全面に均一な厚
   さの絶縁膜を堆積する工程と、前記絶縁膜の凸部の所望
   の領域を除去して開口部を形成する工程と、前記開口部
   内に金属を選択的に堆積し前記開口部に前記金属を埋め
   込む工程と、前記金属及び前記絶縁膜を同時に研磨する
   工程とを有する半導体装置の製造方法であって、前記金
   属及び前記絶縁膜を研磨する工程において、その研磨剤
   が、ＫＯＨ、ＮＨ₄ＯＨ、有機アルカリまたは水に対し
   て研磨粒子であるシリカまたはセリウムを含有させたも
   のであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】半導体基板上に形成された段差が、配線パ
   ターンまたはゲート電極の形成によって生じたものであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造
   方法。