JP2906873B2 - 金配線の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金配線の製造方法に関
し、特に金の表面が高融点金属に覆われた金配線の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体基板の表面に形成された半
導体素子間を接続する配線金属はＡｌ合金が広く使用さ
れてきたが、半導体装置の高集積化に伴なって配線の微
細化が進み，この配線の電流密度が高くなってきた。こ
のため、高密度の電子の流れにより配線のＡｌが移動
し，ついには断線にまでいたるエレクトロマイグレーシ
ョンが問題となってきた。さらに、Ａｌ配線上に形成さ
れた層間絶縁膜，あるいはパッシベーション膜の応力に
より、Ａｌが移動し，ついには断線にまでいたるストレ
スマイグレーションの問題も、配線の微細化，あるいは
多層化により顕著になってきた。

【０００３】このような背景から、Ａｌ合金に代る配線
材料として、銅や金が有望視され，検討が行なわれてい
る。しかしながら銅は、ドライエッチングが難かしく微
細加工性が悪いという問題と酸化されやすいという問題
とがあり、微細配線への適用は困難である。一方、金
は、メッキ法による形成が可能なため微細化も容易であ
り、固有抵抗も低く、耐酸化性，耐腐食性に優れている
ため、高信頼性を有する微細配線の材料として有望であ
る。しかしながら、金配線は絶縁膜との密着性が悪いと
いう問題がある。そこで、金配線表面を他の金属で覆う
ことにより、この問題を解決することが試みられてい
る。例えば、１９８９年６月発行のブイ−エル−エス−
アイ・マルチレベル・インターコネクション・コンファ
レンスの予稿集３３〜３９ページ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇ ｏｆ ＶＬＳＩ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｉｎｔｅ
ｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （Ｊ
ｕｎｅ１２−１３，１９８９）ｐｐ．３３−３９）の報
告によると、金配線の表面にのみ選択的にタングステン
を化学気相成長することにより、この問題を解決しよう
としている。またこの報告では、金配線上に層間絶縁膜
を形成し、この層間絶縁膜にこの金配線に対するスルー
ホールを形成し、このスルーホール内にのみに気相成長
法により選択的にタングステンを形成している。

【０００４】２層の金配線の製造方法の主要工程の断面
図である図２を参照すると、上記報告の金配線の製造方
法は、以下のようになる。

【０００５】まず、シリコン基板２１上にシリコン酸化
膜２２を形成し、シリコン基板２１の達するコンタクト
ホール（図示せず）をシリコン酸化膜２２に形成する。
全面に、スパッタリングによる膜厚１００〜３００ｎｍ
のＴｉＷ２３，膜厚１０〜１００ｎｍの金２４を順次形
成する。ここで、ＴｉＷ２３は、コンタクトホールにお
いて、金２４等からの金とシリコン基板２１からのシリ
コンとの相互拡散を防止するバリアメタルとして機能
し、金２４のシリコン酸化膜２２への密着性を良好にす
る。金２４は、次工程で金メッキを行なう際に、給電層
の役割を演ずる。次に、フォトリソグラフィ技術によ
り、金配線を形成する領域以外の場所をフォトレジスト
膜３２で覆う。電解金メッキ法により、上記フォトレジ
スト膜３２から露出している金２４表面に選択的に金２
５を形成する〔図２（ａ）〕。

【０００６】次に、フォトレジスト膜３２を除去した
後、イオンミーリング法により金２４，ＴｉＷ２３のエ
ッチングし、金２５，金２４ａ，およびＴｉＷ２３ａか
らなる第１の金配線を形成する。次に、６弗化タングス
テン（ＷＦ₆）とシラン（ＳｉＨ₄）とを原料ガスとし
た減圧化学気相成長法（シラン還元法）により、上記第
１の金配線の表面にのみ膜厚２０〜１００ｎｍのタング
ステン２６を形成する〔図２（ｂ）〕。このタングステ
ン２６の成長条件としては、ＳｉＨ₄／ＷＦ₆の流量比
が０．３〜１．０，圧力が１０〜１００ｍＴｏｒｒ，温
度が２００〜３００℃であることが好ましい。

【０００７】次に、全面にプラズマ化学気相成長法によ
るシリコン酸化膜（以後、プラズマ酸化膜と記す）２７
を形成し、上記第１の金配線に達するスルーホールをこ
のプラズマ酸化膜２７に形成する。上記タングステン２
６の形成方法と同様の方法により、このスルーホール内
に選択的にタングステン２８を形成し、スルーホールの
上端を含めてプラズマ酸化膜２７の表面を平坦化する
〔図２（ｃ）〕。

【０００８】続いて、上記第１の金配線の製造方法と同
様の方法により、ＴｉＷ２９，金３０，および金３１か
らなる第２の金配線を形成する〔図２（ｄ）〕。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記報告の金配線の製
造方法では、電解メッキによる金２５を形成し，フォト
レジスト膜３２を除去した後、イオンミーリング法で第
１の金配線を形成し、この第１の金配線の表面をタング
ステン２６で覆っている。このイオンミーリングにより
シリコン酸化膜２２の表面もイオンでたたかれる。この
ため、このシリコン酸化膜２２の表面にはダングリング
ボンドが多数形成され、タングステン２６の成長に際し
て、シリコン酸化膜２２の表面にもタングステンが粒状
に成長しやすくなり、たとえタングステン２６の膜厚が
薄くても第１の金配線が短絡しやすくなるという問題が
生じる。

【００１０】さらに上記報告では、プラズマ酸化膜２７
に設けられたスルーホール内に選択的にタングステン２
８を成長している。このとき、スルーホールの形成に用
いたフォトレジスト膜を酸素プラズマで除去することか
ら、プラズマ酸化膜２７の表面はこの酸素プラズマによ
るダメージが残留しており、タングステンがプラズマ酸
化膜２７の表面に成長しやすい状態になっている。この
タングステン２８の膜厚はプラズマ酸化膜２７の膜厚と
同程度と厚いため、タングステンはプラズマ酸化膜２７
の表面により成長しやすくなり、第２の金配線が短絡し
ていまうという問題がある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の金配線の製造方
法は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に金配線を
形成する工程と、同一真空容器中で、塩素を含む雰囲気
のプラズマにより上記絶縁膜表面を処理し，高々３００
℃の温度で上記金配線の表面に化学気相成長法により選
択的に高融点金属を成長する工程とを含んでいる。

【００１２】好ましくは、上記塩素を含む雰囲気が塩素
（Ｃｌ₂ ），３塩化ホウ素（ＢＣｌ₃ ），４塩化炭素
（ＣＣｌ₄ ），および４塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄ ）の少
なくとも１つを含み、上記高融点金属の成長が高融点金
属のハロゲン化合物の還元により行なわれる。さらに好
ましくは、上記高融点金属がタングステンであり、この
タングステンの化学気相成長法が６弗化タングステン
（ＷＦ₆ ）とシラン（ＳｉＨ₄ ）とを原料ガスとした化
学気相成長法である。

【００１３】本発明の２層からなる金配線の製造方法
は、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に第１の金配
線を形成する工程と、塩素を含む雰囲気のプラズマによ
り上記絶縁膜表面を処理する工程と、上記第１の金配線
の表面に化学気相成長法により選択的に第１の高融点金
属を成長する工程と、全面に層間絶縁膜を形成し、この
層間絶縁膜，および上記第１の高融点金属を順次エッチ
ングして上記第１の金配線に達するスルーホールを形成
する工程と、塩素を含む雰囲気のプラズマにより上記層
間絶縁膜表面を処理する工程と、上記スルーホール内に
選択的に第２の高融点金属を形成する工程と、上記層間
絶縁膜の表面に選択的に第２の金配線を形成する工程
と、を有している。

【００１４】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１５】金配線の製造方法の主要工程の断面図であ
る図１の参照すると、本発明の一実施例は、以下のよう
になる。

【００１６】まず、従来の製造方法と同様の方法によ
り、シリコン基板１上にシリコン酸化膜２を形成し、シ
リコン基板１の達するコンタクトホール（図示せず）を
シリコン酸化膜２に形成する。全面に、スパッタリング
による膜厚１００〜３００ｎｍのＴｉＷ，膜厚１０〜１
００ｎｍの金を順次形成する。ここで、ＴｉＷは、コン
タクトホールにおいて、金とシリコン基板１からのシリ
コンとの相互拡散を防止するバリアメタルとして機能
し、金のシリコン酸化膜２への密着性を良好にする。こ
の金は、金メッキを行なう際に給電層の役割を演ずる。
次に、フォトリソグラフィ技術により、金配線を形成す
る領域以外の場所をフォトレジスト膜（図示せず）で覆
う。電解金メッキ法により、上記フォトレジスト膜から
露出しているこの金表面に選択的に金５を形成する。次
に、このフォトレジスト膜を除去した後、イオンミーリ
ング法により給電層の金，ＴｉＷのエッチングし、Ｔｉ
Ｗ３，金４，および金５からなる第１の金配線を選択的
に形成する。

【００１７】次に、３塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）ガスを用
い、数１００ｍＴｏｒｒの比較的高い圧力の５０〜２０
０Ｗという低パワーのプラズマで、シリコン酸化膜２の
表面を１０〜６０秒程度処理する。これにより、このシ
リコン酸化膜２の表面の水酸基（ＯＨ基）が解離し，シ
リコン酸化膜２の表面のダングリングボンドには塩素が
結合する。続いて、高々３００℃の温度での６弗化タン
グステン（ＷＦ₆）とシラン（ＳｉＨ₄）とを原料ガス
とした減圧化学気相成長法（シラン還元法）により、上
記第１の金配線の表面にのみ膜厚２０〜１００ｎｍのタ
ングステン６を形成する〔図１（ａ）〕。

【００１８】なお、このタングステン６の選択成長を３
００℃より高い温度でおこなうと、ダングリングボンド
に結合した塩素が解離してしまう。ここで、ＢＣｌ₃プ
ラズマによる表面処理とタングステン６の選択成長と
は、同一の真空容器内で行なうのが好ましい。ＢＣｌ₃
プラズマによる表面処理の後、大気にさらしても本発明
の効果が皆無にはならないが、効果は薄れてしまい、シ
リコン酸化膜２上にタングステンが粒状に成長しやすく
なる。

【００１９】次に、全面に層間絶縁膜であるプラズマ酸
化膜７を形成する。このプラズマ酸化膜７とタングステ
ン６との密着性は、良好である。公知のフォトリソグラ
フィ技術およびドライエッチング法により、所望の位置
のプラズマ酸化膜７，およびタングステン６を除去し、
スルーホールを形成する。このスルーホールの底面に
は、金５の表面が露出する〔図１（ｂ）〕。

【００２０】次に、上記の同じ条件のＢＣｌ₃プラズマ
によりプラズマ酸化膜７の表面処理を行なう。続いて、
上記の同じ条件のシラン還元法により、スルーホールに
露出した金５の表面にタングステン８を選択的に成長
し、このタングステン８によりスルーホールを埋設する
〔図１（ｃ）〕。

【００２１】続いて、第１の金配線と同様の方法によ
り、プラズマ酸化膜７表面にＴｉＷ９，金１０，および
金１１からなる第２の金配線を形成する〔図１
（ｄ）〕。ここで、ＢＣｌ₃プラズマによるプラズマ酸
化膜７の表面処理を行なわぬ場合もあるが、この場合に
は、第２の金配線の形成の際に、プラズマ酸化膜７表面
に形成された粒状のタングステンをイオンミーリングで
完全に取り去ることが必要である。

【００２２】例えば、本実施例においてプラズマ酸化膜
７に設けられた第１の金配線に達するスルーホールの深
さが０．８μｍ，第２の金配線の間隔が０．６μｍであ
るとき、タングステン８の選択成長前にこのＢＣｌ₃プ
ラズマによる表面処理を行なわないと第２の金配線の間
の短絡により良品率は１０％以下になり、この表面処理
を行なう短絡は完全に無くなる。

【００２３】本実施例では、塩素を含む雰囲気としてＢ
Ｃｌ₃を用いたが、塩素（Ｃｌ₂），４塩化炭素（ＣＣ
ｌ₄），あるいは４塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）を用いて
もよい。また、高融点金属がタングステン，このタング
ステンの化学気相成長法が６弗化タングステン（Ｗ
Ｆ₆）とシラン（ＳｉＨ₄）とを原料ガスとした化学気
相成長法であるが、この方法に限定されるものではな
く、例えば、４塩化モリブデン（ＭｏＣｌ₄）をシラン
（ＳｉＨ₄）で還元してモリブデンを選択成長させる方
法も有効である。

【００２４】なお、タングステンの成長前にＢＣｌ₃を
用いた反応性イオンエッチングを行なうと、絶縁膜上に
タングステンが成長しにくくなることは、１９９０年に
開催されたドライプロセス・シンポジウムの予稿集５１
〜５６ページ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ １９９０
ＤＲＹ ＰＲＯＣＥＳＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ｐ
ｐ．５１−５６）に報告されている。この報告では、タ
ングステン上にタングステンの選択成長させている。

【００２５】しかしながら、本発明者の実験によると、
以下のことが明かになった。下地のタングステンの表面
をＢＣｌ₃プラズマにより処理すると、このタングステ
ン表面にタングステン塩化物が形成されるため、下地タ
ングステン表面にタングステンの選択成長がしにくくな
る。この場合、このタングステンの選択成長を良好に行
なうには、３００〜４００℃程度の熱処理を行ない、下
地タングステン表面のタングステン塩化物の塩素を解離
すればよい。ところが、このように３００〜４００℃程
度の熱処理を行うと、絶縁膜のダングリングボンドに結
合していた塩素も解離されてしまい、絶縁膜表面にもタ
ングステンが成長してしまう。

【００２６】上記実施例において、金５の表面に選択的
にタングステン８が成長するのは、ＢＣｌ₃プラズマに
よる表面処理を行なっても金８の表面には塩素が結合し
ないためである。そのため、タングステン８の成長前に
上記のような３００〜４００℃程度の熱処理は不用とな
り、プラズマ酸化膜７のダングリングボンドに結合した
塩素の解離は起らない。また、上記実施例での６弗化タ
ングステン（ＷＦ₆）とシラン（ＳｉＨ₄）とによるシ
ラン還元法は、２５０℃程度の低温でよいことから、プ
ラズマ酸化膜７表面へのタングステン成長は避けられ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の金配線の製
造方法では、絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に形
成された金配線の表面に化学気相成長法により選択的に
高融点金属を成長させる前に、塩素を含む雰囲気のプラ
ズマによりこの絶縁膜表面の処理を行なっている。この
ため、この絶縁膜表面への粒状の高融点金属の成長は避
けられ、金配線の間の短絡が起らなくなる。

【００２８】また、本発明の２層の金配線の製造方法で
は、第１の金配線に達するスルーホールを層間絶縁膜に
形成した後、塩素を含む雰囲気のプラズマによりこの層
間絶縁膜表面の処理を行ない、このスルーホールに高融
点金属を埋設し、第２の金配線を形成している。このた
め、層間絶縁膜表面への粒状の高融点金属の成長は避け
られ、第２の金配線の間の短絡が起らなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の主要工程の断面図である。

【図２】従来の金配線の製造方法の主要工程の断面図で
ある。

【符号の説明】

１，２１ シリコン基板 ２，２２ シリコン酸化膜 ３，９，２３，２３ａ，２９ ＴｉＷ ４，５，１０，１１，２４，２４ａ，２５，３０，３１
金 ６，８，２６，２８ タングステン ７，２７ プラズマ酸化膜 ３２ フォトレジスト膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/768

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に
   金配線を形成する工程と、同一真空容器中で、 塩素を含む雰囲気のプラズマにより
   前記絶縁膜表面を処理し、高々３００℃の温度で前記金
   配線の表面に化学気相成長法により選択的に高融点金属
   を成長する工程と、 を有することを特徴とする金配線の製造方法。
2. 【請求項２】 前記塩素を含む雰囲気が、塩素（Ｃｌ
   ₂），３塩化ホウ素（ＢＣｌ₃ ），４塩化炭素（ＣＣｌ
   ₄ ），および４塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄ ）の少なくとも
   １つを含むことを特徴とする請求項１記載の金配線の製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記高融点金属の化学気相成長法が、前
   記高融点金属のハロゲン化合物を還元することにより行
   なわれることを特徴とする請求項１記載の金配線の製造
   方法。
4. 【請求項４】 前記高融点金属がタングステンであり、
   前記タングステンの化学気相成長法が６弗化タングステ
   ン（ＷＦ₆ ）とシラン（ＳｉＨ₄ ）とを原料ガスとした
   化学気相成長法であることを特徴とする請求項１記載の
   金配線の製造方法。
5. 【請求項５】 ２層の金配線の製造方法において、 絶縁膜を介して半導体基板上に選択的に第１の金配線を
   形成する工程と、 塩素を含む雰囲気のプラズマにより前記絶縁膜表面を処
   理する工程と、 前記第１の金配線の表面に化学気相成長法により選択的
   に第１の高融点金属を成長する工程と、 全面に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶縁膜，および前
   記第１の高融点金属を順次エッチングして前記第１の金
   配線に達するスルーホールを形成する工程と、 塩素を含む雰囲気のプラズマにより前記層間絶縁膜表面
   を処理する工程と、 前記スルーホール内に選択的に第２の高融点金属を形成
   する工程と、 前記層間絶縁膜の表面に選択的に第２の金配線を形成す
   る工程と、 を有することを特徴とする金配線の製造方法。