(57)【要約】【課題】タングステン埋め込み配線に接続される信頼性の高いタングステンコンタクトを有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体基板の主面上の第１層１１に配設されるとともに、貫通孔を有し、タングステンを主成分とする第１配線１２と、一端部１３ａが貫通孔を通って第１配線１２の底面に至るとともに、バリアメタル１４を介して貫通孔の側面１２ｂに接触し、他端部１３ｂが層間絶縁膜１５を挟んで第１層１１の上方の第２層１６に配設された第２配線１７に接続されたタングステンを主成分とする接続導体１３と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上の第１層に配設されるとともに、貫通孔を有し、タングステンを主成分とする第１配線と、
一端部が前記貫通孔を通って前記第１配線の底面に至るとともに、バリアメタルを介して前記貫通孔の側面に接触し、他端部が層間絶縁膜を挟んで前記第１層の上方の第２層に配設された第２配線に接続されたタングステンを主成分とする接続導体と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記貫通孔が、前記第１配線の平均的な幅より細い幅を有する部位に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記部位が、前記第１配線の端部、コーナ部およびエグレ部であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１配線と、前記第１配線の下地絶縁膜との間に、前記下地絶縁膜よりエッチングレートの小さいストッパー層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１配線の幅と等しい幅を有し、前記第１層に配設されたタングステンを主成分とする第３配線を備え、前記第３配線は内部に前記タングステンを主成分とする導電材が充填されていない未充填部を包含していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化、高集積化に伴って、配線抵抗の増加に起因する電気信号の遅れが問題になっている。このため、多層配線を有する半導体装置では、基板に配線溝を形成し、配線溝に銅（Ｃｕ）を埋め込んだＣｕ埋め込み配線と、Ｃｕ埋め込み配線に接続されるＣｕコンタクトプラグが用いられている（例えば、特許文献１、または特許文献２参照。）。
【０００３】
特許文献１に開示された半導体装置の製造方法は、層間絶縁膜に接続孔を形成し、接続孔の下のＣｕ埋め込み配線の一部も掘り込み、接続孔の底部をバリア導電性膜で覆い、接続孔にＣｕメッキ法によりＣｕを埋め込んでＣｕコンタクトプラグを形成している。  
これにより、Ｃｕコンタクトプラグと下層のＣｕ埋め込み配線との接触面積を増加させ、断線不良を防止している。
【０００４】
特許文献２に開示された半導体装置の製造方法は、多層配線に関し、下層配線上に、拡散防止膜、層間絶縁膜を形成する。接続孔の底部に下層配線を露出させる。接続孔が下層配線の内部に達する状態になるまで、接続孔の底部に露出された下層配線を掘り込む。接続孔内に形成されるビアと下層配線との接触面積を大きくし、配線の信頼性を向上させている。
【０００５】
然しながら、耐熱性が要求される多層配線として、タングステン（Ｗ）埋め込み配線にＷコンタクトプラグを接続する場合、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により堆積されるＷ膜は、配線幅の縮小に伴い、Ｗ膜にボイドなどのＷ埋め込み不良が生じる問題がある。  
その結果、Ｗ埋め込み配線とＷコンタクトプラグとの接触不良により、コンタクト不良（高抵抗化、オープン）が生じる問題がある。これにより、半導体装置の性能低下、信頼性に支障を及ぼす問題がある。
【０００６】
特許文献１および特許文献２においては、Ｗ埋め込み配線およびＷコンタクトプラグの場合については何ら開示しておらず、示唆する記載も見られない。
【特許文献１】特開２００７−２２７７０９号公報
【特許文献２】特開２００７−２９４６２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、タングステン埋め込み配線に接続される信頼性の高いタングステンコンタクトを有する半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板の主面上の第１層に配設されるとともに、貫通孔を有し、タングステンを主成分とする第１配線と、一端部が前記貫通孔を通って前記第１配線の底面に至るとともに、バリアメタルを介して前記貫通孔の側面に接触し、他端部が層間絶縁膜を挟んで前記第１層の上方の第２層に配設された第２配線に接続されたタングステンを主成分とする接続導体と、を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、タングステン埋め込み配線に接続される信頼性の高いタングステンコンタクトを有する半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１１】
本発明の実施例に係る半導体装置およびその製造方法について、図１乃至図６を用いて説明する。図１は本実施例に係る半導体装置の要部を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図、図２は半導体装置のコンタクトを形成する部位を説明するための図、図３は半導体装置のコンタクトの効果を比較例と対比して示す図で、図３（ａ）が本実施例を示す図、図３（ｂ）が比較例を示す図、図４乃至図６は半導体装置の製造工程を順に示す断面図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施例の半導体装置１０は、半導体基板（図示せず）の主面上の第１層１１に配設されるとともに、図示されない貫通孔を有し、タングステン（Ｗ）を主成分とする第１配線１２と、一端部１３ａが貫通孔を通って第１配線１２の底面１２ａに至るとともに、バリアメタル１４を介して貫通孔の側面１２ｂに接触し、他端部１３ｂが層間絶縁膜１５を挟んで第１層１１の上方の第２層１６に配設された第２配線１７に接続されたタングステンを主成分とする接続導体１３と、を具備している。
【００１３】
第１配線１２はバリアメタル１８を介して層間絶縁膜１９に形成された図示されない配線溝に埋め込まれている。  
貫通孔は第１配線１２の端部に形成されている。第１配線１２の端部は、先端が製造プロセスに起因して細く丸みをおびている。
【００１４】
第１配線１２と層間絶縁膜（第１配線１２の下地絶縁膜）２０との間に、後述するように貫通孔を形成する際に下地絶縁膜２０をエッチングしないように、下地絶縁膜２０よりエッチングレートの小さいストッパー層２１が設けられている。
【００１５】
接続導体１３の一端部１３ａはバリアメタル１４、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）を介して貫通孔に埋め込まれている。接続導体１３の他端部１３ｂの先端が第２配線１７に接触している。接続導体１３はコンタクトプラグとも呼ばれている。  
バリアメタル１４は、Ｗ主成分とする導電材の密着性を向上させ、層間絶縁膜１５へのＷの拡散を防止するために用いている。
【００１６】
第２配線１７は、層間絶縁膜１５上に形成され、層間絶縁膜２２で覆われている。第２配線１７は、例えばアルミニウムを主成分とする配線（以下、単にアルミニウム配線という）である。
【００１７】
更に、半導体装置１０は、第１層１１に配設され、第１配線１２の平均的な幅と等しい幅を有するタングステンを主成分とする第３配線２３を具備している。  
第３配線２３はバリアメタル２４を介して層間絶縁膜２１に形成された図示されない配線溝に埋め込まれている。
【００１８】
後述するように、第１配線１２および第３配線２３は、内部にタングステンを主成分とする導電材が充填されていない未充填部２５を少なからず包含している。また、第１配線１２と第３配線２３は同じ工程により形成され、かつ同じ層に形成されている。  
未充填部２５とは、具体的には第１配線１２および第３配線２３の表面の凹凸、先端が塞がれて内部に埋没したボイド、先端が表面に露呈した亀裂などのことである。
【００１９】
図２は半導体装置１０のコンタクトを形成する部位を説明するための図であり、半導体装置１０の第１配線１２の形状と未充填部２５との関係を示している。  
配線溝の幅が狭いほどＣＶＤ法によるタングステンを主成分とする導電材の埋め込みが難しくなるので、配線溝の幅が平均的な幅よりも細く仕上がった部位、具体的には端部、コーナ部、エグレ部などに未充填部２５が多く発生しやすくなる。
【００２０】
図２（ａ）は、第１配線１２の端部３０を示している。端部３０の配線幅Ｗ１ａは、リソグラフィやエッチングの影響を受けて角が取れて第１配線１２の配線幅Ｗ１より小さくなりやすいので、端部３０には正常な部位よりも未充填部２５が多く発生している。  
図２（ｂ）は、第１配線１２のコーナ部３１を示している。コーナ部３１の配線幅Ｗ１ｂは同様に第１配線１２の配線幅Ｗ１より小さくなりやすいので、コーナ部３１には正常な部位よりも未充填部２５が多く発生している。  
図２（ｃ）は、第１配線１２の途中に生じたエグレ部３２を示している。エグレ部３２の配線幅Ｗ１ｃは第１配線１２の配線幅Ｗ１より小さいので、エグレ部３２には正常な部位よりも未充填部２５が多く発生している。
【００２１】
図３は半導体装置１０のコンタクトの効果を比較例と対比して示す図で、図３（ａ）が本実施例を示す図、図３（ｂ）が比較例を示す図である。ここで、比較例とは接続導体１３が第１配線１２の上面に接触している半導体装置のことである。始めに、比較例について説明する。
【００２２】
図３（ｂ）に示すように、比較例では、第１配線１２の上面は未充填部２５の凹凸を有しているので、この凹部間にタングステンが埋まらず凸部の上面のみで第１配線１２と接続導体１３が接続することになり接続導体１３の端面と第１配線１２の上面との接触面積が減少する。  
その結果、コンタクト抵抗が増加するとともに、コンタクト抵抗には凹凸のサイズ、密度など依存してばらつきが生じる。
【００２３】
一方、図３（ａ）に示すように本実施例では、第１配線１２に形成された貫通孔３３の側面１２ｂに露出する未充填部２５は殆んど無い。さらに、バリアメタル１４により埋められるので、貫通孔３３の側面１２ｂは第１配線１２の上面より平坦である。  
その結果、第１配線１２に形成された貫通孔３３の側面１２ｂとだけ接触している接続導体１３は、未充填部２５による接触面積のばらつきが大幅に低減されるので、一定のコンタクト抵抗を安定して得ることが可能である。
【００２４】
接続導体１３の半径をｒ、第１配線１２の厚さをｈとすると、本実施例の接続導体１３の端面と第１配線１２の側面１２ｂとの接触面積Ｓ１は、次式で表わされる。  
Ｓ１＝２πｒｈ                     （１）
一方、比較例の接続導体１３と第１配線１２の上面との接触面積Ｓ２は、次式で表わされる。  
Ｓ２＝απｒ２                      （２）
ここで、αは第１配線１２の上面の凹凸のサイズ、密度など依存して定まる変数（０＜α＜１）である。
【００２５】
これより、ｈ＞αｒ／２のとき、Ｓ１＞Ｓ２となるので、本実施例は比較例よりコンタクト面積が増加し、低いコンタクト抵抗を安定して得ることが可能である。
【００２６】
また、上述した特許文献１および特許文献２に開示されたように、第１配線１２の一部まで掘り込んでも、第１配線１２の内部のボイドが次々と露出してくるので、掘り込んだ面は必ずしも平坦にはならず、依然凹凸を有している。  
その結果、凹凸のサイズ、密度などにより接触面積にばらつきが生じるので、一定のコンタクト抵抗を安定して得ることができない。
【００２７】
第１配線１２の一部まで掘り込んだ場合の接触面積Ｓ３は、次式であらわされる。  
Ｓ３＝βπｒ２＋２πｒｈγ          （３）
ここで、第１項は接続導体１３の端面と第１配線１２を掘り込んで露出した面との接触面積、βは第１配線１２を掘り込んで露出した面の凹凸のサイズ、密度など依存して定まる変数（０＜β＜１）、第２項は接続導体１３と第１配線１２を掘り込んで露出した側面との接触面積、γは第１配線１２の掘り込み率を示す定数（０＜γ＜１）である。
【００２８】
これより、ｈ＞βｒ／｛２（１−γ）｝のとき、Ｓ１＞Ｓ３となるので、本実施例はコンタクト面積が増加し、低いコンタクト抵抗を安定して得ることが可能である。  
従って、本実施例のコンタクトは、未充填部２５が多く生じやすい端部３０、コーナ部３１、エグレ部３２などに形成する場合に、特に適している。
【００２９】
次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。図４乃至図６は半導体装置の製造工程を順に示す断面図である。各図中の左図は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図に相当し、右図は図１（ｃ）の断面に相当する図面である。
【００３０】
始めに、図４（ａ）に示すように、半導体基板（図示せず）の主面に形成された層間絶縁膜２０、例えばＣＶＤ法によるＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）膜上に、ストッパー層２１、例えばプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を形成し、ストッパー層２１上に層間絶縁膜１９、例えばＴＥＯＳ膜を形成する。  
次に、層間絶縁膜１９上に第１配線１２に対応する部位に開口４０ａを有するレジスト膜４０を形成し、レジスト膜４０をマスクとして、フッ素系のガス、例えばＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６などを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により層間絶縁膜１９を異方性エッチングし、配線溝４１を形成する。
【００３１】
次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト膜４０を除去した後、配線溝４１を含む層間絶縁膜１９上にバリアメタル１８、例えばスパッタリング法による窒化チタン（ＴｉＮ）を形成し、バリアメタル１８上にＣＶＤ法によりタングステンを主成分とする導電膜（以後、単にタングステン膜という）４２を形成する。  
このとき、配線溝４１の開口側と底部側とで原料ガスの供給量に差が生じるので、それに応じて配線溝４１内のタングステンの堆積量に差が生じる。そのため、タングステン膜４２が充填されていない未充填部２５を包含している。また、タングステン膜４２の堆積速度は開口側の方が早いため、未充填部２５は配線溝４１の幅方向における中心部分に生じやすい。
【００３２】
次に、図４（ｃ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、絶縁膜１９が露出するまで余分なタングステン膜４２、バリアメタル１８を除去し、タングステン膜４２を配線溝４１に埋め込み、第１配線１２を形成する。その結果、未充填部２５の下部が露出し、第１配線１２の上面が凹凸になる。  
次に、第１配線１２を含む層間絶縁膜１９上に層間絶縁膜１５、例えばＴＥＯＳ膜を形成する。
【００３３】
次に、図５（ａ）に示すように、層間絶縁膜１５上に、接続導体１３を形成する部位に開口４３ａを有するレジスト膜４３を形成し、レジスト膜４３をマスクとしてストッパー層２１が露出するまで異方性エッチングを行い、層間絶縁膜１５および層間絶縁膜１９を貫通したコンタクト孔４４を形成する。  
この工程により、第１配線１２の上面に形成された未充填部２５も同時に除去される。一方、充填部２５は第１配線１２の幅方向における中心部分に形成される。ここで、コンタクト孔２５の中心を第１配線１２の幅方向における中心部に合せることにより、第１配線１２の露出された側面部には殆んど存在しなくなる。  
コンタクト孔４４のうち、層間絶縁膜１９を貫通したコンタクト孔４４は、上述した第１配線１２の貫通孔３３のことである。
【００３４】
次に、図５（ｂ）に示すように、レジスト膜４３を除去した後、コンタクト孔４４の内側を含む層間絶縁膜１５上にバリアメタル１４、例えはＴｉＮを形成し、バリアメタル１４上にタングステン膜４５を形成する。  
このとき、コンタクト孔４４内に堆積したタングステン膜４５は、タングステン膜４５が充填されていない未充填部２５（図示せず）を包含している。
【００３５】
次に、図６に示すように、ＣＭＰ法により、層間絶縁膜１５が露出するまで余分なタングステン膜４５、バリアメタル１４を除去し、コンタクト孔４４にタングステン膜４５を埋め込み、接続導体１３を形成する。
【００３６】
次に、接続導体１３を含む層間絶縁膜１５上に、例えばスパッタリング法によりアルミニウム膜を形成し、フォトリソグラフィ法およびＲＩＥ法によりパターンニングして第２配線１７を形成する。  
次に、第２配線１７を層間絶縁膜２２で覆うことにより、図１に示す半導体装置１０が得られる。
【００３７】
以上説明したように、本実施例の半導体装置１０は、第１層１１に配設されるとともに貫通孔を有する第１配線１２と、一端部１３ａが貫通孔を通って第１配線１２の底面に至るとともに、バリアメタル１４を介して貫通孔の側面１２ｂに接触し、他端部１３ｂが層間絶縁膜１５を挟んで第１層１１の上方の第２層１６に配設された第２配線１７に接続された接続導体１３とを具備している。
【００３８】
その結果、第１配線１２に形成された貫通孔の側面１２ｂとだけ接触している接続導体１３は、未充填部２５による接触面積のばらつきが大幅に低減されるので、一定のコンタクト抵抗を安定して得ることができる。
【００３９】
従って、タングステン埋め込み配線に接続される信頼性の高いタングステンコンタクトを有する半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例に係る半導体装置の要部を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図２】本発明の実施例に係る半導体装置のコンタクトを形成する部位を説明するための図。
【図３】本発明の実施例に係る半導体装置のコンタクトの効果を比較例と対比して示す図で、図３（ａ）が本実施例を示す図、図３（ｂ）が比較例を示す図。
【図４】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【図５】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【図６】本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１０  半導体装置
１１  第１層
１２  第１配線
１３  接続導体
１３ａ  一端部
１３ｂ  他端部
１４、１８、２４  バリアメタル
１５、１９、２０、２２  層間絶縁膜
１６  第２層
１７  第２配線
２１  ストッパー層
２３  第３配線
２５  未充填部
３０  端部
３１  コーナ部
３２  エグレ部
３３  貫通孔
４０、４３  レジスト膜
４０ａ、４３ａ  開口
４１  配線溝
４２、４５  タングステン膜
４４  コンタクト孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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