JPH11220026A - 半導体素子の配線形成方法 - Google Patents
半導体素子の配線形成方法Info
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- JPH11220026A JPH11220026A JP10232834A JP23283498A JPH11220026A JP H11220026 A JPH11220026 A JP H11220026A JP 10232834 A JP10232834 A JP 10232834A JP 23283498 A JP23283498 A JP 23283498A JP H11220026 A JPH11220026 A JP H11220026A
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Abstract
防止するのに適した半導体素子の配線形成方法を提供す
る。 【解決手段】 半導体基板11上にコンタクトホール1
3を有するILD層12を形成する段階と、前記コンタ
クトホール13を含むILD層12の全面にバリヤメタ
ル層14を形成する段階と、前記バリヤメタル層14の
表面に非晶質シリコン層15を形成する段階と、前記非
晶質シリコン層15の表面に沿ってオーバーハングが発
生するよう第1タングステン層16を形成する段階と、
前記第1タングステン層16のオーバーハング部分を除
去する段階と、前記コンタクトホール13を含む第1タ
ングステン層16の全面に第2タングステン層17を形
成する段階と、を備える半導体素子の配線形成方法。
Description
成方法に関し、特に漏れ電流の発生及び配線ライン間の
短絡を防止するのに適した半導体素子の配線形成方法に
関する。
バイスにおける電極配線技術は、ゲート電極、ソース/
ドレイン不純物拡散領域、コンタクト、及び各素子を相
互接続するアルミニウム配線等に分類される。スケーリ
ング法則による素子寸法や電源電圧の1/Kの低下によ
って、電極配線の特性は影響を受ける。このとき、ゲー
ト電極に関しては、抵抗がK培に増加するため、信号伝
達の遅延時間が増加して素子動作速度の低下をもたら
す。そして、コンタクトに関しては、抵抗がK2倍に増
加するため、電流密度がK培に増加して配線としての信
頼性が低下する。又、配線に関しては、K培の抵抗の増
大とK培の電流密度の増大を引き起こすためイレクトロ
マイグレーション(EM:Electromigration)によって配線
の信頼性が低下する。
ート電極以外にメモリのワード線等の配線にも用いられ
るため、抵抗率の低い材料が使用される。特に、デザイ
ンルールがサブミクロン化するに従って、微細化による
配線抵抗(R)の増加と、配線ピッチの縮小による静電容
量(C)の増大とによって、RCに起因する伝達遅延の問
題が発生する。例えば、デザインルールが1μm以下で
ある場合、一般的にゲート電極の材料として使用したポ
リシリコンをそのまま使用すると、上述したデザインル
ールの微細化及びRCの伝達遅延の問題に起因して高集
積化による動作速度の向上が図られず、動作速度及び信
頼性の面で問題が生じる。これは、ドープされたポリシ
リコンの比抵抗(抵抗率)が200μΩ・cm以上であ
るためである。
的に段差被覆(step coverage)特性に優れ、且つ比抵抗
がほぼ100μΩ・cmであるWSix膜をポリシリコ
ン層上に蒸着して電極として用いることができる。すな
わち、ポリサイド(polycide)(ポリシリコン+高融点金
属(refractory)シリサイド)構造を用いてWSix膜を
電極(通常ワードライン)として使用するようになっ
た。しかしながら、上記したように、比抵抗が約100
μΩ・cmであるWSix膜も、デザインルールが約
0.5μmの線幅以下の場合には、その有効性が失われ
ることが知られている。このような問題を解消するため
に、タングステンW(比抵抗10μΩ・cm以下)、T
iSi2(比抵抗20μΩ・cm以下)、COSi2(比
抵抗20μΩ・cm以下)、そしてTiN(比抵抗30
μΩ・cm以下)等の材料を用いる研究が活発に進んで
いる。更に、半導体素子の集積化が進むに従って、素子
の電気的な接続のためのコンタクトホールの縦横比が急
激に増加するようになり、これによりコンタクトホール
を埋める際の段差改善の問題が生じるようになった。
方法を添付図面に基づき説明する。図1(a)〜図2は
従来の半導体素子の配線形成工程を示す断面図である。
まず、図1(a)に示すように、半導体基板1上に酸化
膜2を蒸着した後、前記酸化膜2上に感光膜PRを塗布
する。その後、露光及び現像工程によりコンタクトホー
ル形成領域を定義してコンタクト形成領域の感光膜PR
を除去するように選択的にパターニングする。次いで、
パターニングされた前記感光膜PRをマスクとして用い
て食刻工程で前記酸化膜2を選択的に除去することによ
り、前記半導体基板1が露出するようにコンタクトホー
ル3を形成する。ここで、前記酸化膜2はILD(Inter
Layer Dielectric)層、即ち層間絶縁層である。
を除去する。次いで、前記コンタクトホール3内の前記
半導体基板1の上面及びコンタクトホール3の内壁を含
む酸化膜2の全面にTi(Titanium)/TiN(Titanium
Nitride)からなるバリヤメタル層4を形成する。このと
き、前記バリヤメタル層4は、後の工程で形成される配
線層の特性変化を防止するために形成される。
界寸法CDは減少しコンタクトホール3の縦横比は増加
するため、コンタクトホール3の内壁及び底部のコーナ
ー部Bにおけるバリヤメタル層4の蒸着量がコンタクト
ホールの上部Aからボトムに向かうに従って減少するオ
ーバーハングが発生することが分かる。この現象は64
M級以上の素子を製造するコンタクトホールにおいては
更に悪化する問題であり、底部のコーナー部Bでは酸化
膜2がそのまま露出される場合もある。このような現象
を防止するべく、コリメータを用いてコンタクトホール
3の隅々にバリヤメタル層4を蒸着する方法、又はバリ
ヤメタル層4の蒸着時間を延ばしてボトムのコーナー部
Bにバリヤメタルを蒸着する方法を用いることが可能で
ある。
3を含む前記バリヤメタル層4の全面に化学気相蒸着
(CVD: Chemical Vapor Deposition)法でタングステン
層5を形成する。
て簡単に説明すると、積層される物質の原子を含んだ化
学物質が反応室に導入され、その反応室で化学物質(ガ
ス状態)が他のガスと反応して所望の物質が生成され、
その生成された物質が基板の表面に積層されることを利
用する。その後、不要な物質(ガスを含む)は反応室か
ら排出される。
程について説明する。まず、タングステン層5を形成す
るための初期反応によりシード層を形成する。すなわ
ち、前記バリヤメタル層4までの工程が完了した後、前
記基板の全面にSiH4ガスを流すと、SiH4(ガス)
→非晶質Si+2H2(ガス)のような反応によって前
記バリヤメタル層4上に非晶質シリコンを材料としてシ
ード層(図示せず)が形成される。ここで、前記SiH
4ガスは25SCCM(StandardCubic Centimeter per M
inute)にて5秒間という条件で流される。
として形成されたバリヤメタル層4上に、SiH4ガス
及びWF6ガスを流すことにより、3SiH4(ガス)+
2WF6(ガス)→2W+3SiF4(ガス)+6H
2(ガス)のようにバリヤメタル層4上にタングステン
層5が蒸着し始める。前記タングステン層5は2Wの物
性を有するが、このような2Wのタングステンは蒸着率
が速く、且つ粘着性に優れている。次いで、前記2Wの
物性を有するタングステン層5にWの物性を有するタン
グステン層5を蒸着する。すなわち、H2ガス及びWF6
ガスを流すことにより、3H2(ガス)+WF6(ガス)
→W+6HF(ガス)のように2Wの物性を有するタン
グステン層5上にWの物性を有するタングステン層5が
蒸着される。このとき、2Wの物性を有するタングステ
ン層上にWの物性を有するタングステンを蒸着する理由
は、Wの物性を有するタングステン層5が2Wに比べて
段差被覆性および蒸着率(deposition ratio)に優れてい
るためである。しかし、前記バリヤメタル層4がオーバ
ーハング状態に形成されているため、前記タングステン
層5をバリヤメタル層4上に蒸着する際、コンタクトホ
ール3内にタングステン層5が完全に形成されずボイド
6が形成される。
線形成方法においては次のような問題があった。第1
に、半導体素子が高集積化するほど臨界寸法は減少し、
かつコンタクトホールの縦横比が増加するため、コンタ
クトホールの底部のコーナー部にはバリヤメタル層が形
成されないオーバーハング問題が発生するようになる。
これにより、タングステンを蒸着するための化学反応中
にWF6ガスがコンタクトホール内のバリヤメタル層の
TiNを通過し拡散してTiと結合するとTiF3(ガ
ス)が発生し、該TiF3ガスはバリヤメタル層にVO
LCANO問題を発生させる。即ち、コンタクトホール
内で発生したTiF3ガスが上方に噴出することによ
り、バリヤメタル層が損傷する。このとき、前記VOL
CANO問題は配線ライン間の間隙が微細な場合、隣接
する配線層間に短絡問題を発生させることになる。又、
半導体基板内へWF6ガスが直接に拡散する場合、侵食
を誘発して半導体基板の特性を低下させるため、漏れ電
流発生の原因となる等、素子の特性を低下させる。
限らず、タングステンを形成する工程においてもオーバ
ーハングが発生し、それによりボイドが発生するという
問題がある。更に、このような問題点を解決するべくコ
リメータを用いるか、或いはバリヤメタル層の蒸着時間
を延ばすことは可能であるが、コリメータを用いた場合
には製造コスト及び製造時間の増大を招くという問題が
あり、バリヤメタル層の蒸着時間を延ばした場合にはオ
ーバーハングの問題が一層悪化するという問題がある。
ー部にTi/TiN構造のバリヤメタル層が形成されな
い場合、タングステン層を蒸着するための化学反応中に
WF 6ガスがコンタクトホール内の酸化膜とTiとの界
面へ拡散するようになる。そして、WF6ガス中のフッ
素(F)が酸化膜とTiとの界面の粘着性不良を引き起こ
して半導体素子の配線の信頼性を低下させる。
成方法の問題を解決するためになされたものであり、コ
ンタクトホール内にバリヤメタル層を形成した後に非晶
質シリコン層を形成する工程とタングステンを蒸着する
際にオーバーハング部分を除去する工程とを追加するこ
とによって漏れ電流の発生を防止し、且つ配線ライン間
の短絡を防止して、信頼性の向上した半導体素子の配線
形成方法を提供することにその目的がある。
に、請求項1の発明は、半導体基板上にコンタクトホー
ルを有する絶縁膜を形成する段階と、前記コンタクトホ
ールを含む絶縁膜の全面にバリヤメタル層を形成する段
階と、前記バリヤメタル層の表面に半導体層を形成する
段階と、前記半導体層の表面に沿ってオーバーハングが
発生するように、半導体層上に第1伝導層を形成する段
階と、前記第1伝導層のオーバーハング部分を除去する
段階と、前記コンタクトホールを含む半導体層の全面に
第2伝導層を形成する段階とを備えることを特徴とす
る。
シリコン層であることを特徴とする。請求項3の発明
は、前記半導体層を形成する段階、前記第1伝導層を形
成する段階、前記第1伝導層のオーバーハング部を除去
する段階、および前記第2伝導層を形成する段階は同じ
反応室で行われることを特徴とする。
内に前記バリヤメタル層が完全に形成されなかった場合
に、前記半導体層を形成することを特徴とする。請求項
5の発明は、前記第1伝導層を形成する際、オーバーハ
ング部により前記コンタクトホールの開口部をほぼ閉塞
することを特徴とする。
階において、SiH4(ガス)とWF6(ガス)との反応
によってオーバーハングが発生するように前記第1伝導
層を形成し、前記オーバーハング部除去段階において、
前記SiH4(ガス)の供給を停止してWF6(ガス)の
みを供給することを特徴とする。
半導体素子の配線形成方法を添付図面に基づき説明す
る。
導体素子の配線形成方法を示す断面図である。まず、図
3(a)に示すように、半導体基板11上にILD層1
2を蒸着した後、前記ILD層12上に感光膜PRを塗
布する。その後、コンタクトホール形成領域を定義した
後、露光及び現像工程でコンタクトホール形成領域の感
光膜PRを除去するように選択的にパターニングする。
次いで、前記パターニングされた感光膜PRをマスクと
して用いて食刻工程で前記ILD層12を選択的に除去
して、前記半導体基板11が露出するようにコンタクト
ホール13を形成する。このとき、前記コンタクトホー
ル13は64MDRAM級以上の場合を示しており、前
記コンタクトホール13の縦横比は4以上であり、臨界
寸法(CD)は0.4μm以下である。
膜PRを除去する。その後、前記コンタクトホール13
内の内壁および前記半導体基板1の上面を含むILD層
12の全面にTi/TiNからなるバリヤメタル層14
を形成する。ここで、半導体素子が高集積化するに従っ
て、前記コンタクトホール13の上部における前記バリ
ヤメタル層14がオーバーハング状に形成される。すな
わち、半導体素子が高集積化するほど、臨界寸法CDは
減少し、縦横比は増加するため、コンタクトホール13
内の前記ILD層12の内壁や底部のコーナー部Bでの
バリヤメタル層14の蒸着量がコンタクトホールの上部
Aから底部に向かうに従って減少するオーバーハングが
発生する。かかる現象は一般的なコンタクトホール内に
或る膜を形成する場合に発生する問題であり、特に64
MDRAM級以上の素子を製造する工程中においては更
に悪化し、コンタクトホールの底部のコーナー部Bでは
ILD層12の内壁及びILD層12下部の基板の表面
が露出するようになる。
ホール13を含む前記バリヤメタル層14の全面に非晶
質シリコン層15を形成する。ここで、前記非晶質シリ
コン層15を形成する工程は、前記バリヤメタル層14
の全面にタングステン層を形成するための開始反応時に
SiH4ガスを用いてシード層を形成する工程を利用す
る。すなわち、従来ではシード層として用いる非晶質シ
リコン層の形成時の条件はSiH4ガスを25SCCM
の流量にて約5秒間流してシード層を形成したが、本実
施形態では従来よりSiH4ガスに対する流量を増加、
或いは時間を増加、或いは流れ率及び時間を同時に増加
させている。これにより、SiH4(ガス)→非晶質S
i+2H2(ガス)のようにバリヤメタル層14の全面
に非晶質シリコン層15を形成する。このとき、バリヤ
メタル層14の形成されないILD層12の内壁及びコ
ンタクトホール13下部のコーナー部にも非晶質シリコ
ン層15を形成する。ここで、前記非晶質シリコン層1
5は200〜300Å程度の厚さに形成される。
コン層15上にSiH4ガスとWF6ガスを流すことによ
り、3SiH4(ガス)+2WF6(ガス)→2W+3S
iF4(ガス)+6H2(ガス)のような反応によって前
記非晶質シリコン層15上に第1タングステン層16が
蒸着し始める。すなわち、図4(a)に説明したように
非晶質シリコン層15を形成するべくSiH4ガスを流
し、一定の時間が経過するとSiH4ガスとともにWF6
ガスを流すのである。ここで、前記第1タングステン層
16は2Wの物性を有するタングステン層16である。
このような2Wのタングステンは蒸着率が高く、且つ粘
着性に優れているため、図示したようにオーバーハング
が生じる。この際、上記の2Wの物性を有するタングス
テン層16の蒸着工程は、コンタクトホール13の上部
A(図3(b)参照)において前記コンタクトホール1
3の開口を完全に塞ぐようなオーバーハング状になるま
で進行させることができる。
ステン層16のうちコンタクトホール13の上部のオー
バーハングした部分の第1タングステン層16を除去す
る。ここで、前記第1タングステン16のオーバーハン
グ部分を選択的に除去する工程は、前記図4(b)に示
すように3SiH4(ガス)+2WF6(ガス)→2W+
3SiF4(ガス)+6H2(ガス)のような反応を用い
て非晶質シリコン層15上に第1タングステン層16を
蒸着する間に、SiH4(ガス)の供給を停止し、WF6
(ガス)のみを供給することにより、WF6(ガス)+
W→WF5(ガス)のような反応によりオーバーハング
部分の第1タングステン層16が選択的に除去される。
このとき、前記コンタクトホール13の内壁の非晶質シ
リコン層15上側に形成された第1タングステン16も
やはり除去される。そして、図4(b)でも説明したよ
うに、前記第1タングステン層16を形成するに際して
オーバーハングが悪化して前記コンタクトホール13の
上部を第1タングステン層16が完全に塞ぐ場合、前記
WF6(ガス)を用いて第1タングステン層16を食刻
する際、コンタクトホール13内部に形成された第1タ
ングステン層16に対する不要な食刻が大幅に低減され
る。この場合、コンタクトホール13の開口部を覆うタ
ングステン層16のみが除去される。
ング部分の除去された第1タングステン層16を含む非
晶質シリコン層15上に第2タングステン層17を形成
して、コンタクトホール13に対するプラグ工程および
配線ライン工程を完了する。ここで、前記第2タングス
テン層17を形成する工程は、図5(a)に示すように
WF6+W→WF5(ガス)のような反応を用いて第1タ
ングステン層16のオーバーハング部分を選択的に除去
する間に、WF6ガスとH2ガスを共に供給する。その結
果、3H2(ガス)+WF6(ガス)→W+6HF(ガ
ス)のような反応によりWの物性を有する第2タングス
テン層17が形成される。ここで、前記図4(a)から
図5(b)までの工程は同じ反応室で連続的に実行でき
る。
線ラインとして形成する工程以後に、前記コンタクトホ
ール13以外の部分に形成された第2タングステン層1
7を選択的に除去し、タングステンプラグを形成した
後、アルミニウム又はアルミニウム合金等の配線金属を
形成してもよい。すなわち、前記タングステン層16、
17を選択的にパターニング(フォトリソグラフィ工程
+食刻工程)して配線ラインとして使用してもよく、前
記タングステン層16、17をタングステンプラグとし
て形成した後、その上に再び配線ラインとして用いるア
ルミニウム又はアルミニウム合金等の配線物質層を形成
してもよい。
成方法によれば、VOLCANO問題及び侵食の誘発を
防止することができる。従って、漏れ電流の発生、およ
び配線ライン間の短絡といった不具合を防止することが
でき、半導体素子の配線の信頼性を向上させることがで
きる。
ールの底部のコーナー部に非晶質シリコン層を形成する
ことにより、タングステン層を蒸着するための化学反応
中に発生するWF6ガスに起因するVOLCANO問題
及び侵食の誘発を防止して、配線層間の短絡や漏れ電流
の発生を防止することができる。更に、オーバーハング
に起因するボイドの発生を防止して信頼性の高い半導体
素子の配線形成方法を提供することができる。
を形成する工程中に非晶質シリコンを形成するため、そ
の工程自体が容易である。請求項3の発明によれば、半
導体層及び第1伝導層を形成する工程、第1伝導層のオ
ーバーハング部を除去する工程、第2伝導層を形成する
工程を同じ反応室で進行するため、一連の工程を迅速に
行うことができる。
なり臨界寸法が小さくなるほど、コンタクトホールの底
部のコーナー部にはバリヤメタル層が形成されない可能
性が高いが、タングステン層を形成する工程を利用して
半導体層を形成することにより、WF6ガスの発生によ
って生じる配線間の短絡や侵食に因る漏れ電流発生とい
う問題などを防止することができる。従って、信頼性の
高い配線層を形成することができる。
のオーバーハング部がコンタクトホールの開口部を完全
に閉塞するようにすると、コンタクトホールの開口部に
おける第1伝導層を除去するに際してコンタクトホール
内に形成された第1伝導層に対する不要な食刻を防止す
ることができる。
の形成時に用いる反応ガスを用いて第1伝導層のオーバ
ーハング部分を除去するため、簡単な工程で第1伝導層
のオーバーハング部を除去することができ、第2伝導層
を形成する工程を容易に実施できる。
図。
断面図。
成工程を示す断面図。
成工程を示す断面図。
成工程を示す断面図。
Claims (6)
- 【請求項1】 半導体基板上にコンタクトホールを有す
る絶縁膜を形成する段階と、 前記コンタクトホールを含む絶縁膜の全面にバリヤメタ
ル層を形成する段階と、 前記バリヤメタル層の表面に半導体層を形成する段階
と、 前記半導体層の表面に沿ってオーバーハングが発生する
ように、半導体層上に第1伝導層を形成する段階と、 前記第1伝導層のオーバーハング部分を除去する段階
と、 前記コンタクトホールを含む半導体層の全面に第2伝導
層を形成する段階と、を備えることを特徴とする半導体
素子の配線形成方法。 - 【請求項2】 前記半導体層は非晶質シリコン層である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成
方法。 - 【請求項3】 前記半導体層を形成する段階、前記第1
伝導層を形成する段階、前記第1伝導層のオーバーハン
グ部を除去する段階、および前記第2伝導層を形成する
段階は同じ反応室で行われることを特徴とする請求項1
記載の半導体素子の配線形成方法。 - 【請求項4】 前記コンタクトホール内に前記バリヤメ
タル層が完全に形成されなかった場合に、前記半導体層
を形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子
の配線形成方法。 - 【請求項5】 前記第1伝導層を形成する際、オーバー
ハング部により前記コンタクトホールの開口部をほぼ閉
塞することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配
線形成方法。 - 【請求項6】 前記第1伝導層形成段階において、Si
H4(ガス)とWF6(ガス)との反応によってオーバー
ハングが発生するように前記第1伝導層を形成し、前記
オーバーハング部除去段階において、前記SiH4(ガ
ス)の供給を停止してWF6(ガス)のみを供給するこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR2329/1998 | 1998-01-26 | ||
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