JP2001023924A - プラグの形成方法およびプラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボーダーレス配線で、しかもリソグラフィー
ずれがあった場合にも配線とプラグとの間のコンタクト
抵抗を低く抑えることのできる、プラグの形成方法およ
びプラグの提供が望まれている。 【解決手段】 配線４を覆う層間絶縁膜５に、配線４に
通じるビア孔８を形成する工程と、ビア孔８内に露出す
る配線４の一部を選択的にエッチングしてビア孔８（８
ａ）を深くする工程と、ビア孔８ａに導電性材料１１を
埋め込んでプラグ１４を形成する工程と、を備えたプラ
グの形成方法。層間絶縁膜５が吸湿性材料からなってい
てもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置をはじ
め、半導体プロセスを用いて製造する液晶表示装置や固
体撮像素子、有機ＥＬ素子などにおいて、配線を覆う層
間絶縁膜に形成されたビア孔内に設けられる、プラグと
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置では、その配線部における寄
生容量が動作速度向上の障害となっていることから、層
間絶縁膜に誘電率の低い材料、例えば有機材料を用い、
これによって寄生容量を低下するといった研究開発が従
来よりなされている。また、半導体装置の集積度を上げ
るためには、当然ながらゲート長の縮小と同時に配線密
度を上げなければならない。

【０００３】ところで、配線構造として一般的であるボ
ーダー配線では、図２（ａ）に示すようにリソグラフィ
ーがずれた場合でもビア孔１内のプラグ（図示略）が配
線２をはみ出ないように、プラグが形成される部分のみ
配線２を太く形成している。したがって、このようなボ
ーダー配線では、部分的とはいえ配線幅を拡げなければ
ならないため、配線密度を上げることができないといっ
た不満があった。

【０００４】そこで、配線密度を上げるべく、図２
（ｂ）に示すようにプラグが接続する部分（ビア孔１形
成部分）も他の部分の配線２と同じ幅に形成する、ボー
ダーレス配線とすることが考えられる。しかしながら、
このようなボーダーレス配線の場合、図２（ｂ）中右側
の図に示したように一部にリソグラフィーずれが起こる
ことが避けられない。

【０００５】図３〜図４は、図２（ｂ）に示したボーダ
ーレス配線における、プラグの形成方法を説明するため
の図であり、特に配線部における寄生容量の低下を図る
べく、層間絶縁膜として誘電率の低い有機材料を用いた
場合の例を示す図である。なお、図３〜図４において
は、左側の図（以下、左図と記す）はリソグラィーずれ
がなく形成された場合を示し、右側の図（以下、右図と
記す）はリソグラィーずれが起きて形成された場合を示
している。

【０００６】この例では、まず、図３の（１）に示すよ
うに、基板３上にＴｉＮ膜４ａ、Ａｌ膜４ｂ、ＴｉＮ膜
４ｃからなる積層構造の配線４を形成する。この配線４
の形成方法としては、バリア層として機能するＴｉＮを
厚さ５０ｎｍに成膜し、この上に実質的に配線４として
機能するＡｌを厚さ１３００ｎｍに成膜し、さらにこの
上にバリア層として機能するとともに後述するようにエ
ッチングストッパとしても機能するＴｉＮを厚さ５０ｎ
ｍに成膜する。そして、この後これらをドライエッチン
グによって幅０．２５μｍの配線パターンにパターニン
グし、配線４を得る。

【０００７】次に、基板３上にポリアリルエーテル系の
有機膜（商品名；ＦＬＡＲＥ、ダウコーニング社製）を
スピンコート法等で厚さ８００ｎｍ程度に成膜し、図３
の（２）に示すように前記配線４を覆った状態の層間絶
縁膜５を形成する。続いて、この層間絶縁膜５の上に、
ＣＶＤ法等によってＳｉＯ₂ を厚さ２００ｎｍ程度に成
膜し、ＳｉＯ₂ からなるハードマスク層６を形成する。

【０００８】次いで、図３の（３）に示すようにハード
マスク層６の上にビア孔のパターンを有したレジストマ
スク７を形成する。なお、図３の（３）において左図で
はリソグラフィーずれがなく、右図では０．１μｍのリ
ソグラフィーずれがある場合を示している。

【０００９】次いで、図３の（４）に示すようにレジス
トマスク７をマスクにしてハードマスク層６をＲＩＥ法
でエッチングする。続いて、このエッチングによって得
られたハードマスク層６のパターン６ａをマスクにして
層間絶縁膜５をエッチングし、ビア径２００ｎｍのビア
孔８を形成する。

【００１０】このとき、オーバーエッチングとなるよう
に層間絶縁膜５を１０００ｎｍの深さに相当する分エッ
チングすると、リソグラフィーずれが無い場合には左図
に示したように配線４のＴｉＮ膜４ｃがエッチングスト
ッパとして機能し、このＴｉＮ膜４ｃ上にてエッチング
が止まる。一方、リソグラフィーずれがある場合には、
右図に示したようにビア孔８は、配線４から外れた位置
にて配線４の側部に深さ約２００ｎｍの細い空隙９を形
成してしまう。

【００１１】次いで、図４の（５）に示すように、ビア
孔８内に露出した配線４のＴｉＮ膜４をエッチングす
る。次いで、ビア孔８内にプラグを形成するべく、ま
ず、スパッタ法等によって密着層となるＴｉを、ビア孔
８の内面を覆うようにして厚さ２０ｎｍ程度に成膜し、
続いて、バリアメタル層となるＴｉＮを同様にして厚さ
５０ｎｍ程度に成膜し、図４の（６）に示すようにＴｉ
Ｎ／Ｔｉ膜１０を形成する。

【００１２】このようにしてＴｉＮ／Ｔｉ膜１０を形成
したところ、リソグラフィーずれが無い場合には左図に
示したようにこのＴｉＮ／Ｔｉ膜１０が配線４上に正常
に形成されるものの、リソグラフィーずれがある場合に
は、右図に示すようにビア孔８内の空隙９内にＴｉＮ／
Ｔｉ膜１０が形成されない。これは、空隙９が狭すぎ、
この部分ではスパッタでのカバレッジが極端に悪くなる
ためである。

【００１３】次いで、ＣＶＤ法により３８０℃でハード
マスク層６からなるパターン６ａ上にタングステン
（Ｗ）１１を成膜し、ブランケットタングステンをビア
孔８内に埋め込む。すると、リソグラフィーずれが無い
場合には左図に示したように良好にタングステン１１が
埋め込まれるものの、リソグラフィーずれがある場合に
は、右図に示したように配線４側部の空隙９にはタング
ステンが埋め込まれず、ボイド１２が形成されてしまう
ことがある。

【００１４】これは、ブランケットタングステンが高温
プロセスであるため、有機膜からなる層間絶縁膜５中よ
り脱ガスが起こり、このガスが、図４の（６）右図中矢
印で示すようにＴｉＮ／Ｔｉ膜１０が形成されていない
空隙９の形成面より空隙９内に入り込み、これによって
ブランケットタングステンの埋め込み特性が悪化したた
めである。なお、この脱ガスを分析したところ、成分は
主にＨ₂ Ｏであり、したがって層間絶縁膜５を形成する
有機膜中に吸着していた水分が放出され、この水分が脱
ガスとして空隙９の形成面から空隙９内に噴出したもの
と考えられる。

【００１５】その後、ＣＭＰ法によって前記タングステ
ン１１を平坦化し、ハードマスク層６からなるパターン
６ａ上のタングステン（Ｗ）１１を除去することによ
り、図４の（７）に示すようにタングステンからなるプ
ラグ１３を形成する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３〜
図４に示したプラグの形成方法では、リソグラフィーず
れがある場合に、図４の（７）右図に示したように配線
４とプラグ１３との間にボイド１２が形成されてしまう
ことがあることから、非常に歩留りが悪くなってしま
う。これは、ボイド１２が形成されてしまうと配線４と
プラグ１３との間での接触面積が小さくなり、コンタク
ト抵抗が高くなってしまって配線部分での電力消費量が
大きくなってしまうからである。このような不都合は、
特に半導体の集積度が上がってビア径がより小さくな
り、配線とプラグとの間の接触面積も小さくなる０．１
８μｍ以降の世代の半導体プロセスにおいて、大きな問
題となる。

【００１７】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、ボーダーレス配線で、し
かもリソグラフィーずれがあった場合にも配線とプラグ
との間のコンタクト抵抗を低く抑えることのできる、プ
ラグの形成方法およびプラグを提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明のプラグの形成方
法では、配線を覆う層間絶縁膜に前記配線に通じるビア
孔を形成する工程と、前記ビア孔内に露出する配線の一
部を選択的にエッチングしてビア孔を深くする工程と、
該ビア孔に導電性材料を埋め込んでプラグを形成する工
程と、を備えてなることを前記課題の解決手段とした。

【００１９】このプラグの形成方法によれば、層間絶縁
膜にビア孔を形成した後、前記ビア孔内に露出する配線
の一部を選択的にエッチングしてビア孔を深くするの
で、リソグラフィーずれによって配線の側部に空隙が形
成されていても、配線がエッチングされることによって
前記空隙が拡げられる。したがって、この配線エッチン
グ後のビア孔に導電性材料を埋め込むことにより、この
導電性材料の埋め込み性が良くなっていることから形成
されたプラグは配線との間で良好に接触し、コンタクト
抵抗が低く抑えられる。

【００２０】本発明のプラグでは、配線を覆う吸湿性材
料製の層間絶縁膜に、前記配線に通じるビア孔が形成さ
れ、該ビア孔内に導電性材料が埋め込まれて形成される
ものであり、前記ビア孔が、前記配線の一部を除去した
状態に形成され、前記導電性材料が前記配線の除去され
た箇所を満たすようにして埋め込まれたことを前記課題
の解決手段とした。

【００２１】このプラグによれば、配線の一部が除去さ
れた状態でビア孔が形成されているので、リソグラフィ
ーずれによって配線の側部に空隙が形成されてもその後
配線の一部が除去されることによりこの空隙が拡げら
れ、導電性材料の埋め込み特性が良好となってこの空隙
内に吸湿性材料製の層間絶縁膜から脱ガスが入り込んで
もボイドが形成されにくくなり、したがって導電性材料
が前記配線の除去された箇所を満たすようにして埋め込
まれたことにより、得られたプラグは配線との間で良好
に接触し、コンタクト抵抗が低く抑えられたものとな
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明のプラグの形成方法を図２（ｂ）に示し
たボーダーレス配線でのプラグの形成方法に適用した場
合の、一実施形態例を示す図である。なお、図１におい
ても、左側の図（以下、左図と記す）はリソグラィーず
れがなく形成された場合を示し、右側の図（以下、右図
と記す）はリソグラィーずれが起きて形成された場合を
示している。

【００２３】本例が図３〜図４に示した従来の形成方法
と異なるところは、層間絶縁膜５をエッチングしてビア
孔８を形成した後、配線４の一部を選択的にエッチング
する点にある。

【００２４】すなわち、本例では、図３の（１）〜
（４）に示した工程と同様にして、まず基板３上にＴｉ
Ｎ膜４ａ、Ａｌ膜４ｂ、ＴｉＮ膜４ｃからなる積層構造
の配線４を配線幅０．１７μｍに形成し、続いてポリア
リルエーテル系の有機膜（商品名；ＦＬＡＲＥ、ダウコ
ーニング社製）からなる層間絶縁膜５を前記配線４を覆
った状態に形成し、さらにこの層間絶縁膜５の上にＳｉ
Ｏ₂ からなるハードマスク層６を形成する。次いで、レ
ジストマスク７をマスクにしてハードマスク層６をＲＩ
Ｅ法でエッチングし、さらに得られたハードマスク層６
のパターン６ａをマスクにして層間絶縁膜５をエッチン
グし、ビア径１５０ｎｍのビア孔８を形成する。

【００２５】このとき、オーバーエッチングとなるよう
に層間絶縁膜５を１０００ｎｍの深さに相当する分エッ
チングすると、リソグラフィーずれが無い場合には左図
に示したように配線４のＴｉＮ膜４ｃがエッチングスト
ッパとして機能し、このＴｉＮ膜４ｃ上にてエッチング
が止まるものの、リソグラフィーずれがある場合には、
右図に示したようにビア孔８は、配線４から外れた位置
にて配線４の側部に深さ約２００ｎｍの細い空隙９を形
成してしまう。

【００２６】次いで、図１の（１）に示すように、ビア
孔８内に露出した配線４のＴｉＮ膜４をエッチングす
る。続いて、ビア孔８内に露出する配線４の一部、この
例ではＡｌ膜４ｂの一部をＲＩＲ法によって選択的にエ
ッチングする。すなわち、層間絶縁膜５をエッチングす
ることなく、図１の（２）に示すようにＡｌ膜４ｂのみ
を例えば２５０ｎｍの厚さ分エッチングし、ビア孔８を
深くして新たなビア孔８ａを形成する。

【００２７】ここで、Ａｌ膜４ｂのエッチング終点をど
のようにして決めるか、すなわちエッチングの度合い
（厚さ）をどのようにして制御するかについては、予め
決められたエッチング条件でのＡｌ膜４ｂのエッチング
速度を実験等によって求めておき、得られた結果に基づ
いてエッチング時間によりエッチングの度合いを制御
し、エッチングを所望する度合いとなるように行う。な
お、エッチング条件としては、例えば装置としてＥＣＲ
タイプのプラズマエッチング装置を用い、エッチングガ
スとしてＣｌ₂ ＋Ａｒ（またはＨｅ、Ｎｅ）を用い、プ
ラズマ雰囲気にて基板温度を１００℃、圧力を１０ｍＴ
ｏｒｒとする条件が採用される。

【００２８】このようにしてＡｌ膜４ｂを選択的にエッ
チングし、Ａｌ膜４ｂのエッチング面をビア孔８内に臨
む層間絶縁膜５からなる底面５ａのレベルよりさらに深
くなるようにすると、先に形成された空隙９は新たに深
く形成されたビア孔８ａ内に吸収された形となり、空隙
９は実質的に無くなる。

【００２９】次いで、図４の（６）に示した従来の工程
と同様にして、ビア孔８ａ内にプラグを形成するべく、
まず、スパッタ法等によって密着層となるＴｉを、ビア
孔８ａの内面を覆うようにして厚さ２０ｎｍ程度に成膜
し、続いて、バリアメタル層となるＴｉＮを同様にして
厚さ５０ｎｍ程度に成膜し、図１の（３）に示すように
ＴｉＮ／Ｔｉ膜１０を形成する。

【００３０】このようにしてＴｉＮ／Ｔｉ膜１０を形成
すると、リソグラフィーずれが無い場合はもちろん、リ
ソグラフィーずれがある場合でも、前述したようにビア
孔８ａ内に空隙９が無くなっていることから、右図に示
すように良好なカバレッジでＴｉＮ／Ｔｉ膜１０が形成
される。

【００３１】次いで、従来と同様にしてＣＶＤ法により
３８０℃でハードマスク層６からなるパターン６ａ上に
タングステン（Ｗ）１１を成膜し、ブランケットタング
ステンをビア孔８内に埋め込む。すると、リソグラフィ
ーずれが無い場合はもちろん、リソグラフィーずれがあ
る場合でも、前述したようにＴｉＮ／Ｔｉ膜１０が良好
なカバレッジで形成されていることから、ビア孔８ａ内
にボイドが形成されることなく良好にタングステン１１
が埋め込まれる。ここで、ボイドを形成することなくタ
ングステン１１を良好に埋め込むことができたのは、Ｔ
ｉＮ／Ｔｉ膜１０がビア孔８ａ内でカバレッジ良く形成
されているため、高温プロセスであるブランケットタン
グステンを行っても、ビア孔８ａ形成面からの脱ガスが
部分的に集中して起こることがないためである。

【００３２】その後、ＣＭＰ法により前記タングステン
１１を平坦化してハードマスク層６からなるパターン６
ａ上のタングステン（Ｗ）１１を除去し、さらに該パタ
ーン６ａも除去することにより、図１の（４）に示すよ
うに本発明のプラグの一例となる、タングステン製のプ
ラグ１４を形成する。

【００３３】このようなプラグ１４の形成方法にあって
は、層間絶縁膜５にビア孔８を形成した後、このビア孔
８内に露出する配線４の一部を選択的にエッチングして
ビア孔８（８ａ）を深くするので、リソグラフィーずれ
によって配線４の側部に空隙９が形成されていても、配
線４をエッチングすることによって前記空隙９を拡げ、
実質的にこの空隙９を無くすことができる。

【００３４】したがって、この配線エッチング後のビア
孔８ａに導電性材料を埋め込めば、この導電性材料の埋
め込み性が良くなっていることから形成されたプラグ１
４を配線４との間でボイドを形成することなくこれに良
好に接触させることができ、しかもこのプラグ１４をそ
の底面だけでなく側面においても配線４と接触させるこ
とができることから、コンタクト抵抗を低く抑えること
ができる。よって、ボーダーレス配線でのプラグの形成
に適用したことと合わせて、配線構造全体の低抵抗化を
図ることができる。

【００３５】また、このようにして得られたプラグ１４
にあっては、吸湿性材料である有機膜製の層間絶縁膜５
から脱ガスが生じても配線４との間でボイドを形成する
ことなく配線４と良好に接触し、これによりコンタクト
抵抗が低く抑えられたものとなるため、高速で低消費電
力の配線構造を歩留り良く実現することができる。ま
た、層間絶縁膜５として誘電率の低い有機膜を用いてい
るため、配線部における寄生容量を低減することができ
る。

【００３６】なお、前記実施形態例では、層間絶縁膜５
として、吸湿性材料であるポリアリルエーテル系の有機
膜（商品名；ＦＬＡＲＥ、ダウコーニング社製）を用い
たが、本発明の形成方法ではこれに限定されることなく
種々の材料を用いることができる。

【００３７】また、低誘電率材料としては、前記のよう
な有機膜の他、有機ＳＯＧ、気泡膜、減圧ＣＶＤ法によ
るＰＳＧなど多くの吸湿性材料がある。したがって、こ
れらの吸湿性材料は前述したように高温での埋め込み工
程で脱ガスを生じるものの、本発明の形成方法ではリソ
グラフィーずれがあった場合にも脱ガスに影響されるこ
となく、良好にプラグを形成することができることか
ら、これらの材料を層間絶縁膜５の材料として用いるこ
とができる。なお、気泡膜は酸化膜中に低誘電率の有機
成分を含有させ、これを加熱して有機成分を除去し気泡
を形成したもので、一部残留する有機成分によって吸湿
性を呈するものである。

【００３８】また、脱ガスを生じない吸湿性材料以外の
材料などを層間絶縁膜５の材料としてもよく、さらに
は、低温で埋め込みを行う銅メッキ法を導電性材料の埋
め込み法として採用することができる。このような低温
での埋め込み法を採用すれば、脱ガスの影響をますます
受けずにプラグを形成することができるため、コンタク
ト抵抗を低減して配線構造の信頼性をより高めることが
できる。

【００３９】また、前記実施形態例では、ビア孔８内に
露出する配線４の一部を選択的にエッチングする工程と
して、Ａｌ膜４ｂのエッチング面をビア孔８内に臨む層
間絶縁膜５からなる底面５ａのレベルよりさらに深くな
るようにしたが、このように底面５ａのレベルとほぼ同
じかそれより深くなるようにＡｌ膜４ｂ（配線４）をエ
ッチングすれば、先に形成された空隙９を新たに深く形
成されたビア孔８ａ内に吸収し、空隙９を実質的に無く
すことができ好ましい。

【００４０】ただし、本発明ではこれに限定されること
なく、底面５ａのレベルより浅いレベルとなるようにＡ
ｌ膜４ｂ（配線４）をエッチングしてもよく、その場合
にも、前記空隙９を拡げてビア孔８ａ内のカバレッジを
良好にし、得られるプラグと配線４とをプラグの底面だ
けでなく側面でも接触させることができるので、脱ガス
の影響を軽減することができるとともに接触面積を大き
くしてコンタクト抵抗を低く抑えることができ、これに
より配線構造全体の低抵抗化を図ることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明のプラグの形
成方法は、層間絶縁膜にビア孔を形成した後、このビア
孔内に露出する配線の一部を選択的にエッチングしてビ
ア孔を深くすることにより、リソグラフィーずれによっ
て配線の側部に空隙が形成されていても、配線をエッチ
ングすることによって前記空隙を拡げ、実質的にこの空
隙の影響を無くすようにした方法である。

【００４２】したがって、この配線エッチング後のビア
孔に導電性材料を埋め込めば、この導電性材料の埋め込
み性が良くなっていることから形成されたプラグを配線
との間でボイドを形成することなくこれに良好に接触さ
せることができ、しかもこのプラグをその底面だけでな
く側面においても配線と接触させることができることか
ら、コンタクト抵抗を低く抑えることができる。よっ
て、ボーダーレス配線でのプラグの形成に適用したこと
と合わせて、配線構造全体の低抵抗化を図ることができ
る。

【００４３】また、本発明のプラグは、吸湿性材料であ
る有機膜製の層間絶縁膜から脱ガスが生じても配線との
間でボイドを形成することなく配線と良好に接触し、こ
れによりコンタクト抵抗が低く抑えられたものであるか
ら、高速で低消費電力の配線構造を歩留り良く実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（１）〜（４）は、本発明のプラグの形成方法
を工程順に説明するための要部側断面図である。

【図２】（ａ）は一般的なボーダー配線を説明するため
の平面図、（ｂ）はボーダーレス配線を説明するための
平面図である。

【図３】（１）〜（４）は、従来のプラグの形成方法を
工程順に説明するための要部側断面図である。

【図４】（５）〜（７）は、従来のプラグの形成方法を
示す図であり、図３の（４）に続く工程を説明するため
の要部側断面図である。

【符号の説明】

４…配線、５…層間絶縁膜、８，８ａ…ビア孔、１０…
ＴｉＮ／Ｔｉ膜、１１…タングステン（導電性材料）、
１４…プラグ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鬼頭 英至 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 4M104 BB14 BB30 CC01 DD08 DD16 DD19 DD20 DD22 DD37 DD43 DD51 DD65 DD67 DD72 DD75 FF18 FF22 HH08 HH13 HH15 5F033 JJ18 JJ19 JJ33 KK08 KK33 MM01 MM05 MM08 MM13 NN13 PP06 PP15 QQ08 QQ09 QQ10 QQ13 QQ21 QQ24 QQ37 QQ48 RR04 RR21 SS21 TT04 XX09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配線を覆う層間絶縁膜に前記配線に通じ
   るビア孔を形成する工程と、 前記ビア孔内に露出する配線の一部を選択的にエッチン
   グしてビア孔を深くする工程と、 該ビア孔に導電性材料を埋め込んでプラグを形成する工
   程と、を備えてなることを特徴とするプラグの形成方
   法。
2. 【請求項２】 前記層間絶縁膜が吸湿性材料からなって
   いることを特徴とする請求項１記載のプラグの形成方
   法。
3. 【請求項３】 配線を覆う吸湿性材料製の層間絶縁膜
   に、前記配線に通じるビア孔が形成され、該ビア孔内に
   導電性材料が埋め込まれて形成されたプラグであって、 前記ビア孔が、前記配線の一部を除去した状態に形成さ
   れ、前記導電性材料が前記配線の除去された箇所を満た
   すようにして埋め込まれたことを特徴とするプラグ。