JPH10242268A - 多層配線構造における接続孔の埋め込み方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 下層配線に通じる接続孔内に配線材料を埋め
込むに際して、下層配線に影響のない比較的低温の処理
で埋め込みを行うことができ、しかも層間絶縁膜が水分
を多く含有していてもこれに影響されることなく良好に
埋め込みを行うことのできる、接続孔の埋め込み方法の
提供が望まれている。 【解決手段】 基体１０上に低融点金属あるいは低融点
合金からなる下層配線１１を形成し、下層配線１１を覆
って層間絶縁膜１２、１３を形成し、下層配線１１に通
じる接続孔１４を形成し、接続孔１４内を覆って層間絶
縁膜１２、１３上にチタンを成膜し、チタン膜１５にプ
ラズマ窒化法による窒化処理を施してチタン膜１５を窒
化チタン膜１６にし、窒化処理後、低融点金属あるいは
低融点合金からなる配線材料１７を成膜し、配線材料１
７からなる膜を高圧リフロー法によって接続孔１４内に
埋め込む、多層配線構造における接続孔の埋め込み方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は接続孔の埋め込み方
法に係わり、詳しくは下層配線が低融点金属あるいは低
融点合金から形成された多層配線構造における、接続孔
の埋め込み方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超ＬＳＩの高集積化による内部配線の微
細化に伴い、微細な接続孔に配線材料を埋め込む技術が
重要になってきている。微細な接続孔に配線材料を埋め
込む技術としては、従来、ＣＶＤブランケットＷ法や、
ＡｌまたはＣｕ等の配線材料を用いた高温スパッタ法、
リフロー法、高圧リフロー法等が検討され、一部が実用
化されている。

【０００３】ＣＶＤブランケットＷ法は、接続孔等を埋
め込む能力が高く安定なことより、配線の埋め込み技術
として最も広く用いられている。しかし、Ｗの成膜工程
以外に密着層（下地膜）成膜工程、Ｗエッチバック工
程、配線材料成膜工程等が必要であり、プロセスが複雑
であるといった欠点がある。ＡｌやＣｕを用いた高温ス
パッタ法やリフロー法は、前記ＣＶＤブランケットＷ法
に比べてプロセスが簡便であり、またＡｌやＣｕがＷよ
り低抵抗であるといった利点を有している。しかし、埋
め込みには概ね５００〜５５０℃程度の高温基板加熱が
必要であることから、特に多層配線構造における接続孔
への埋め込みに適用した場合、下層配線の信頼性低下等
の問題が懸念される。さらに、埋め込み能力自体がそれ
ほど高くなく、接続孔の場合ではアスペクト比２〜３程
度が限界であり、今後の微細デバイスへの適用は困難で
あると考えられている。ＡｌやＣｕを用いた高圧リフロ
ー法は、前記リフロー技術の埋め込み性を向上させた技
術として、近時、特に注目されている。

【０００４】高圧リフロー法による埋め込み技術を、下
層配線に通じる接続孔への埋め込みに適用した例に基づ
いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、基板
（図示略）上の下層配線１を覆って形成された層間絶縁
膜２に、前記下層配線１に通じる接続孔３を形成する。
次に、該接続孔３覆って、密着層として機能する下地膜
４を形成する。この下地膜４としては、この例では通常
スパッタ法でＴｉ、ＴｉＮをこの順に成膜し、ＴｉＮ／
Ｔｉの積層膜（下層がＴｉ、上層がＴｉＮ）を形成して
これを下地膜４としている。

【０００５】次に、基板を４００℃程度に加熱し、その
状態でＡｌあるいはＡｌ合金等の配線材料５を成膜す
る。このとき、配線材料５からなる膜の厚さを接続孔３
の径に比べて厚くすることにより、図３（ａ）に示した
ように接続孔３の開口部上に配線材料５がブリッジし、
これにより該開口部が配線材料５によって覆われ、接続
孔３内にボイド６が残された状態となる。続いて、高真
空雰囲気中にて基板を４００〜４５０℃程度に加熱し、
Ａｌを軟化させ、かつ、これと同時にＡｒ等の不活性ガ
スを高圧で導入し、図３（ｂ）に示すように配線材料５
を流動させながら接続孔３内に押し込む。さらに、これ
を続けることにより、図３（ｃ）に示すようにボイド６
が無くなる状態にまで、配線材料５を接続孔３内に埋め
込み充填する。このような高圧リフロー法による埋め込
み技術によれば、理想的な場合にアスペクト比が４〜５
程度の接続孔を埋め込むことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
高圧リフロー法による埋め込み技術では、図３（ａ）〜
（ｃ）に示したようにこの技術が多層配線構造における
下層配線１と上層配線との接続用埋め込みに用いられた
場合に、特に下層配線１が低融点金属あるいは低融点合
金から形成されている場合には、高温での熱処理が行え
ないといった制限が加えられる。

【０００７】また、この高圧リフロー法による埋め込み
技術では、その埋め込み性が接続孔３を形成する層間絶
縁膜２の状態に非常に敏感であり、特に層間絶縁膜２が
水分を多く含有している場合には、埋め込み性が著しく
低下する。この理由は以下のように考えられる。高圧リ
フロー時に基板は４００〜４５０℃程度に加熱される
が、この際、層間絶縁膜２から水分などが脱ガスし、図
４に示すように下地膜４のＴｉＮ表面に酸化層７が形成
される。すると、接続孔３内に押し込まれた配線材料５
と下地膜４におけるＴｉＮとの界面に流動しにくい酸化
層７が形成されることから、この部分で接続孔３内への
配線材料５の入り込みが止まり、図４に示したように埋
め込み不良となってしまうのである。

【０００８】しかして、近年では超ＬＳＩの微細化、多
層配線化に伴う層間絶縁膜平坦化の要請から、Ｏ₃ とテ
トラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）とを反応ガスとして常
圧ＣＶＤ法（化学気相成長法）で形成するＳｉＯ₂ 膜
（以下、Ｏ₃ −ＴＥＯＳ・ＳｉＯ₂ 膜と称する）や、ス
ピンオングラス膜（以下、ＳＯＧ膜と称する）など、平
坦性には優れているものの吸湿性が高い材質の層間絶縁
膜が多く採用される傾向にある。したがって、このよう
に吸湿性の高い材質の層間絶縁膜を用いた場合において
も、良好な埋め込みが可能となるような改善対策の提供
が望まれているのである。

【０００９】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、低融点金属あるいは低融
点合金からなる下層配線に通じる接続孔内に低融点金属
あるいは低融点合金からなる配線材料を埋め込むに際し
て、下層配線に影響のない比較的低温の処理で埋め込み
を行うことができ、しかも層間絶縁膜が水分を多く含有
していてもこれに影響されることなく良好に埋め込みを
行うことのできる接続孔の埋め込み方法を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の多層配線構造に
おける接続孔の埋め込み方法では、基体上に低融点金属
あるいは低融点合金からなる下層配線を形成する工程
と、前記下層配線を覆って層間絶縁膜を形成する工程
と、前記下層配線に通じる接続孔を前記層間絶縁膜に形
成する工程と、前記接続孔内を覆って前記層間絶縁膜上
にチタンを成膜する工程と、前記チタン膜にプラズマ窒
化法による窒化処理を施し、チタン膜を窒化チタン膜に
する工程と、窒化処理後、低融点金属あるいは低融点合
金からなる配線材料を前記接続孔を覆った状態で成膜す
る工程と、前記配線材料からなる膜を高圧リフロー法に
よって前記接続孔内に埋め込む工程とを備えたことを前
記課題の解決手段とした。

【００１１】この多層配線構造における接続孔の埋め込
み方法によれば、窒化処理を、低温で行うことのできる
プラズマ窒化法で行うので、下層配線に悪影響を及ぼす
ことなく窒化チタン膜を形成することが可能になる。ま
た、接続孔内を覆ってチタンを成膜し、次いでこのチタ
ン膜をプラズマ窒化法で窒化処理して窒化チタン膜にす
るので、このような窒化処理によって得られる窒化チタ
ン膜が反応性スパッタなどで得られる窒化チタン膜に比
べ緻密な膜となり、水分等に対するバリア性が高いもの
となる。したがって、層間絶縁膜として水分の高い膜を
用いても、水分等の脱ガスが接続孔内に透過してくるの
を前記窒化チタン膜で抑えることができ、これにより脱
ガスに起因する酸化層の形成を防止することが可能にな
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の多層配線構造における
接続孔の埋め込み方法の一実施形態例を説明するための
図であり、図１において符号１０は基体である。なお、
基体１０は、半導体装置の前駆体となるもので、シリコ
ンウエハに各種の半導体装置構成要素（図示略）を形成
ししたものである。

【００１３】まず、図１（ａ）に示すように基体１０の
上に配線材料としてＡｌ−Ｓｉ合金を成膜し、さらにこ
れをパターニングして前記構成要素に接続する下層配線
１１を形成した。続いて、下層配線１１の形成によって
生じた段差をなくして平坦化するべく、Ｏ₃ とテトラエ
トキシシランとを反応ガスとして常圧ＣＶＤ法でＳｉＯ
₂ を堆積し、Ｏ₃ −ＴＥＯＳ・ＳｉＯ₂ 膜からなる第一
の層間絶縁膜１２を形成した。ここで、この第一の層間
絶縁膜１２となるＯ₃ −ＴＥＯＳ・ＳｉＯ₂ 膜は、物理
的吸着による吸湿性が高く、したがって常温にて大気中
に放置した場合など、大気中の水分を容易に吸着してし
まう性質を有している。なお、この第一の層間絶縁膜１
２の厚さについては、下層配線１１の上面から０．５μ
ｍ程度とした。

【００１４】次いで、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ
₂ を第一の層間絶縁膜１２上に堆積して第二の層間絶縁
膜１３を形成した。ここで、この第二の層間絶縁膜１３
となるプラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ₂ 膜は、その形成
条件にもよるものの、通常吸湿性が低く、したがって前
記Ｏ₃ −ＴＥＯＳ・ＳｉＯ₂ 膜からなる第一の層間絶縁
膜１２に比べ、十分に吸湿性が低いものとなっている。
なお、この第二の層間絶縁膜１３の厚さについては０．
４μｍ程度とした。

【００１５】次いで、公知のフォトリソグラフィー技
術、ドライエッチング技術によって第二の層間絶縁膜１
３、第一の層間絶縁膜１２を開口し、下層配線１１に通
じる接続孔１４を形成した。ここで、この接続孔１４に
ついては、開口径０．３μｍ程度、深さ０．９μｍ程度
とした。次いで、基体１０をガスチャンバー内のヒータ
ステージに載せ、さらにガスチャンバー内にＡｒを導入
してＡｒ雰囲気とするとともにチャンバー内圧力を１３
３Ｐａに調整し、その状態で基体１０に４５０℃で２分
間前加熱処理を施した。続いて、従来公知のＡｒスパッ
タエッチングにより、接続孔１４の底部にて下層配線１
１上面に形成された自然酸化膜（図示略）を除去した。

【００１６】次いで、ＥＣＲＣＶＤ法によってＴｉを以
下の条件で成膜し、図１（ｂ）に示すように接続孔１４
の内壁面および該接続孔１４内に臨む下層配線１１の上
面を覆った状態でチタン膜１５を０．７μｍ程度の膜厚
に形成した。 Ｔｉ成膜条件 マイクロ波 ；２．４５ＧＨｚ、２．８ｋＷ プロセスガス；ＴｉＣｌ₄ ／Ｈ₂ ／Ａｒ＝３／１００／
１７０ｓｃｃｍ 圧力 ；０．４Ｐａ 基板温度 ；４５０℃ このようにＣＶＤ法によってＴｉを成膜したことによ
り、チタン膜１５を良好なステップカバレージで形成す
ることができ、したがって接続孔１４の内壁面にも十分
な厚さでチタン膜１５を堆積形成することができた。

【００１７】次いで、前記チタン膜１５にプラズマ窒化
法による窒化処理を施し、図１（ｃ）に示すようにチタ
ン膜１５を密着層として機能する窒化チタン膜１６にし
た。ここで、プラズマ窒化法による窒化処理としては、
以下の条件によるＥＣＲ方式の方法を採用した。 プラズマ窒化処理条件 プロセスガス；Ｈ₂ ／ＮＨ₃ ／Ａｒ＝３０／８／１７０
ｓｃｃｍ 圧力 ；０．２３Ｐａ μ波パワー ；２８００Ｗ 加熱温度 ；４００℃

【００１８】このようなプラズマ窒化法による窒化処理
にあっては、例えば熱窒化処理が９００℃程度の加熱を
必要とするのに比べ２００〜５００℃の低温で処理を行
うことができるため、低融点合金であるＡｌ−Ｓｉ合金
からなる下層配線１１に対して何等悪影響を及ぼすこと
なく、チタン膜１５を良好に窒化することができる。ま
た、このようにして形成された窒化チタン膜１６は、反
応性スパッタ等により形成された窒化チタン（ＴｉＮ）
膜に比べて緻密な膜となり、水分等に対するバリア性が
高いものとなる。

【００１９】次いで、ＤＣマグネトロンスパッタ法によ
ってＡｌ−０．５％Ｃｕ合金を以下の条件で成膜し、図
１（ｄ）に示すように前記窒化チタン膜１６上に上層配
線となる配線材料膜１７を厚さ０．５μｍ程度に形成し
た。 Ａｌ−０．５％Ｃｕ合金成膜条件 ＤＣパワー ；１５ｋＷ プロセスガス；Ａｒ １００ｓｃｃｍ 圧力 ；０．４Ｐａ 成膜温度 ；４００℃ このようにして配線材料膜１７を形成すると、接続孔１
４内には、下地膜１６と配線材料膜１７との間にボイド
１８が形成される。

【００２０】次いで、高圧リフロー法により、以下の条
件で配線材料膜１７をリフロー処理し、図１（ｅ）に示
すように該配線材料膜１７を構成する配線材料を接続孔
１４内に埋め込んだ。 高圧リフロー処理条件 プロセスガス；Ａｒ 圧力 ；７０ＭＰａ リフロー時間；１分間 基板温度 ；４５０℃ なお、前記のＡｒスパッタエッチから高圧リフローまで
の一連の処理については、マルチチャンバー装置を用い
て真空中で連続的に行った。その後、リフロー処理後の
配線材料膜１７をエッチングするなどにより、上層配線
（図示略）を形成して多層配線構造を得た。

【００２１】このような接続孔の埋め込み方法にあって
は、窒化処理をプラズマ窒化法で行っているので、温度
条件を２００〜５００℃程度の比較的低温にすることが
でき、したがって下層配線１１に悪影響を及ぼすことな
く窒化チタン膜１６を形成することができる。また、プ
ラズマ窒化法により形成されしたがって緻密な窒化チタ
ン膜１６が、層間絶縁膜を構成する第一、第二の層間絶
縁膜１２、１３のうち特に吸湿性が高くしたがって含有
水分の多い第一の層間絶縁膜１２からの水分等の脱ガス
を効果的にバリアするため、脱ガスに起因して配線材料
膜１７に酸化層ができ、これにより配線材料の埋め込み
不良が起こるのを防止することができ、よって良好な埋
め込みを行うことができる。

【００２２】そして、このように窒化チタン膜１６が水
分等の脱ガスを効果的にバリアするため、層間絶縁膜と
して吸湿性が高くしたがって含有水分の多いＯ₃ −ＴＥ
ＯＳ・ＳｉＯ₂ 膜を用いることができ、これにより層間
絶縁膜による平坦化を容易にすることができる。また、
チタン膜１５をＣＶＤ法で成膜しているので、例えばス
パッタ法で成膜した場合に比べて接続孔１４の内壁面で
のステップカバレージが良好であり、したがってより確
実な水分のバリア効果を得ることができ、これにより一
層良好な埋め込みを可能にすることができる。

【００２３】図２（ａ）、（ｂ）は、図１（ａ）〜
（ｅ）に示した実施形態例の変形例を説明するための図
である。この例が図１（ａ）〜（ｅ）に示した実施形態
例と異なるところは、Ａｒスパッタから高圧リフローま
でを一連の処理で行うことなく、チタン膜１５を成膜し
た後、この成膜に用いた装置とは別の装置で窒化処理を
行った点と、窒化チタン膜１６の上に下地膜としてさら
にＴｉＮ／Ｔｉからなる積層膜１９を形成した点にあ
る。

【００２４】すなわち、この例では、先の例と同様にし
て図２（ａ）に示すように接続孔１４を開口し、次にＡ
ｒスパッタエッチによって下層配線１１上面の自然酸化
膜を除去した。次いで、このＡｒスパッタエッチを行っ
た装置から基体１０を取り出して別のＣＶＤ装置に入
れ、先の例と同様の条件によるＣＶＤ法でチタンを成膜
してチタン膜１６を形成した。次いで、基体１０を取り
出して別のプラズマ処理装置に入れ、先の例と同様の条
件でプラズマ窒化処理を行い、チタン膜１５を窒化チタ
ン膜１６にした。

【００２５】続いて、この窒化チタン膜１６上に、ＤＣ
マグネトロンスパッタ法によって以下の条件でＴｉ、Ｔ
ｉＮをこの順に成膜し、積層下地膜１９を形成した。 Ｔｉ成膜条件 ＤＣパワー ；６ｋＷ プロセスガス；Ａｒ １００ｓｃｃｍ 圧力 ；０．４Ｐａ 成膜温度 ；４００℃ 膜厚 ；２０ｎｍ ＴｉＮ成膜条件 ＤＣパワー ；１２ｋＷ プロセスガス；Ａｒ／Ｎ₂ ２０／７０ｓｃｃｍ 圧力 ；０．４Ｐａ 成膜温度 ；４００℃ 膜厚 ；５０ｎｍ

【００２６】次いで、先の例と同様にしてＡｌ−０．５
％Ｃｕ合金からなる配線材料膜１７を形成し、さらに高
圧リフロー処理を行うことにより、図２（ｂ）に示すよ
うに該配線材料膜１７を構成する配線材料を接続孔１４
内に埋め込み、その後、リフロー処理後の配線材料膜１
７をエッチングするなどにより、上層配線（図示略）を
形成して多層配線構造を得た。

【００２７】このような接続孔の埋め込み方法にあって
も、先の例と同様に、窒化処理を低温によるプラズマ窒
化法で行っているので、下層配線１１に悪影響を及ぼす
ことなく窒化チタン膜１６を形成することができ、ま
た、プラズマ窒化法で形成された緻密な窒化チタン膜１
６が水分等の脱ガスを効果的にバリアするため、配線材
料の埋め込み不良が起こるのを防止して良好な埋め込み
を行うことができる。また、この例では、先の例のごと
く高価なマルチチャンバー装置を用いることなく、既存
のＣＶＤ装置、プラズマ処理装置を用いてそれぞれチタ
ン（Ｔｉ）の成膜処理、プラズマ窒化処理を行うように
しているので、生産コストの低減化を図ることができ
る。ここで、この例では装置間を搬送する際、基体１０
が当然大気中に曝されるものの、前述のごとく窒化チタ
ン膜１６は水分等に対するバリア性が高いことから、埋
め込み性の低下を招くことなく良好に埋め込みを行うこ
とができる。

【００２８】なお、前記実施形態例では、下層配線１１
の材料としてＡｌ−Ｓｉ合金を用い、上層配線となる配
線材料膜１７としてＡｌ−０．５％Ｃｕ合金を用いた
が、本発明はこれらに限定されることなく、いずれにつ
いても低融点金属あるいは低融点合金であればよく、具
体的にはＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの金属や、Ａｌ−
Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｇｅ等のＡｌ合金、さらにはＣｕ合
金などを用いることができる。また、プラズマ窒化法に
よる窒化処理条件についても、本発明は前記例に限定さ
れることなく、例えばプロセスガスとしてＮＨ₃ に代え
てにＮ₂ を用いることができ、また、平行平板方式、マ
グネトロン方式等他のプラズマ処理方式を用いることも
できる。さらに、前記実施形態例では、チタン膜１５の
形成をＣＶＤ法によって行ったが、通常のスパッタ法に
よって行ってもよいのはもちろんである。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の多層配線構
造における接続孔の埋め込み方法は、窒化処理を、低温
で行うことのできるプラズマ窒化法で行う方法であるか
ら、下層配線に悪影響を及ぼすことなく窒化チタン膜を
形成することができる。また、プラズマ窒化法で窒化処
理することによって得られる窒化チタン膜が緻密にな
り、したがってこの窒化チタン膜が水分等に対するバリ
ア性が高いものとなることから、層間絶縁膜として水分
の高い膜を用いても、水分等の脱ガスが接続孔内に透過
してくるのを前記窒化チタン膜で抑えることができ、こ
れにより脱ガスに起因する酸化層の形成を防止し、配線
材料の埋め込み不良が起こるのを防止して良好な埋め込
みを行うことができる。そして、このように窒化チタン
膜が水分等の脱ガスを効果的にバリアするため、層間絶
縁膜として吸湿性が高くしたがって含有水分の多いＯ₃
−ＴＥＯＳ・ＳｉＯ₂ 膜やＳＯＧ膜を用いることがで
き、これにより層間絶縁膜による平坦化を容易にするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の多層配線構造にお
ける接続孔の埋め込み方法の一実施形態例を工程順に説
明するための要部側断面図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は、図１（ａ）〜（ｅ）に示し
た実施形態例の変形例を説明するための要部側断面図で
ある。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は、従来の配線材料の埋め込み
技術を工程順に説明するための要部側断面図である。

【図４】従来の埋め込み方法の課題を説明するための要
部側断面図である。

【符号の説明】

１０ 基体 １１ 下層配線 １２ 第一の層間絶
縁膜 １３ 第二の層間絶縁膜 １４ 接続孔 １５ チ
タン膜 １６ 窒化チタン膜 １７ 配線材料膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に低融点金属あるいは低融点合金
   からなる下層配線を形成する工程と、 前記下層配線を覆って層間絶縁膜を形成する工程と、 前記下層配線に通じる接続孔を前記層間絶縁膜に形成す
   る工程と、 前記接続孔内を覆って前記層間絶縁膜上にチタンを成膜
   する工程と、 前記チタン膜にプラズマ窒化法による窒化処理を施し、
   チタン膜を窒化チタン膜にする工程と、 窒化処理後、低融点金属あるいは低融点合金からなる配
   線材料を前記接続孔を覆った状態で成膜する工程と、 前記配線材料からなる膜を高圧リフロー法によって前記
   接続孔内に埋め込む工程とを備えたことを特徴とする多
   層配線構造における接続孔の埋め込み方法。
2. 【請求項２】 前記層間絶縁膜は、少なくともその一部
   がオゾンとテトラエトキシシランとを反応ガスとしＣＶ
   Ｄ法で形成したＳｉＯ₂ 膜、あるいはスピンオングラス
   膜であることを特徴とする請求項１記載の多層配線構造
   における接続孔の埋め込み方法。
3. 【請求項３】 前記チタンを成膜する工程が、ＣＶＤ法
   によってなされることを特徴とする請求項１記載の多層
   配線構造における接続孔の埋め込み方法。