(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置の多層配線におけるビアホール形成でビアホール内のタングステンプラグと第２メタル配線のコンタクト抵抗を低減する。【解決手段】半導体基板上に第1メタル配線１３が形成され、この第1メタル配線１３を被覆する層間絶縁膜１４ａｂと、この層間絶縁膜上に形成される第２メタル配線１８とを備えている。この第２メタル配線１８と第１メタル配線１３とを電気的に接続するために層間絶縁膜内に複数のビアホール１５，１５が形成されている。これらのビアホール１５，１５内部には、例えばタングステンプラグ１７が堆積され、隣り合うビアホール１５，１５は溝深さに比べて低い高さのビアホール分離形成部１６ｂで分離され、隣り合うビアホール１５，１５に堆積されたタングステンプラグ１７，１７はビアホール分離形成部を覆って相互に接続されている。【選択図】図３
2004363303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１メタル配線層と、この第１メタル配線層上に形成された層間絶縁膜と、この層間絶縁膜上に形成された第２メタル配線層と、これらの上第１および第２メタル配線層間の前記層間絶縁膜内に形成された複数のビアホールと、これらのビアホールを相互に分離し、その高さが前記複数のビアホールの溝深さに比べて低く形成されたビアホール分離形成部と、このビアホール分離形成部により互いに分離された前記複数のビアホール内に前記ビアホール分離形成部を埋め込むように堆積されたタングステン層とを備え、このタングステン層は前記ビアホール分離形成部の上端部において前記第２メタル配線層に接続されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ビアホールは、ほぼ１．０μｍ□以下の水平断面形状寸法を有することを特徴する請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板上に第１メタル配線層を形成する工程と、この第１メタル配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜上に形成された第２メタル配線層を形成する工程と、これらの第１および第２メタル配線層間の前記層間絶縁膜内に複数のビアホールを形成する工程と、これらのビアホールを相互に分離する前記層間絶縁膜を、その高さが前記複数のビアホールの溝深さに比べて低くしてビアホール分離形成部を形成する工程と、このビアホール分離形成部により互いに分離された前記複数のビアホール内に前記ビアホール分離形成部を埋め込むようにタングステン層を堆積する工程とを備え、このタングステン層は前記ビアホール分離形成部の上端部において前記第２メタル配線層に接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に第１メタル配線層を形成する工程と、この第１メタル配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜上に形成された第２メタル配線層を形成する工程と、これらの第１および第２メタル配線層間の前記層間絶縁膜内にビアホールを形成する工程と、このビアホール内にその高さが前記ビアホールの溝深さに比べて低いビアホール分離形成部を形成する工程と、このビアホール分離形成部により互いに分離された前記複数のビアホール内に前記ビアホール分離形成部を埋め込むようにタングステン層を堆積する工程とを備え、このタングステン層は前記ビアホール分離形成部の上端部において前記第２メタル配線層に接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層配線構造の半導体装置及びその製造方法にかかり、特にビアホール内に埋め込まれたタングステンプラグによる多層配線構造の半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化及び高性能化が進展するに伴い、半導体装置内で配線部分の占める割合が増大する傾向にある。それ故、半導体素子面積の増加を防止するために多層配線が必須の技術となっている。多層配線を採用した半導体装置においては、金属配線材料が埋め込まれたビアホール（接続孔）が多層配線層間を接続するために形成されている。回路素子の高密度集積化に伴い、配線のデザインルールも小さくなり、上層配線と下層配線を接続するために絶縁膜に形成されるビアホールは、デザインルールの縮小化に伴いそのアスペクト比（溝の深さと幅の比）も大きくなってきている。微小径の孔に十分な配線材料を堆積させるのは難しい。
そこで、ビアホール内への配線材料埋め込みに関する技術としては、埋め込みプラグが多用されている。この埋め込みプラグの形成法としては、ビアホールに例えば、ＴｉＮ膜等のバリア層とブランケットタングステン（Ｗ）膜を堆積し、その後平坦化プロセスとしてエッチバックにより、ビアホールのみにブランケットタングステン膜を残して、埋め込みプラグとしてのタングステンプラグを形成する、ブランケットタングステンＣＶＤ（化学的気相成長）法が多用されている。タングステンは耐熱性に優れている、ＣＶＤ法で形成可能である、埋め込み性と自己平坦性に優れている、抵抗値も他の高融点金属やシリサイドに比べてかなり低いという特徴をもち、配線材料として高い信頼性がある。
【０００３】
従来の半導体装置における多層配線構造の構成を図５に示す。同図において、半導体基板（図示せず）上に、例えばＡｌ−Ｓｉ合金からなる第１メタル配線３１を形成した後、プラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法で層間絶縁膜３２を堆積する。次に、配線部の平坦化を目的として、この層間絶縁膜３２に例えばフォトレジストをマスクとし、エッチングガスによりエッチバックして、平坦化処理を施す。次に、例えばプラズマＣＶＤ法でもう一度、層間絶縁膜の堆積を行った後、第１メタル配線３１と第２メタル配線３５を繋ぐビアホール３３，３３を層間絶縁膜３２の所定位置に複数形成する。これらビアホール３３，３３は、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の異方性エッチングを行って形成する。次にＣＶＤ法によりビアホール３３，３３を覆うように、タングステンを堆積させる。続いて、タングステンを全面エッチバックし、ビアホール３３、３３内にタングステンプラグ３４、３４を形成する（例えば、特許文献１参照。）次に、例えばＡｌ−Ｓｉ合金からなる第２メタル配線３５を形成し、多層配線構造を形成している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００―２３２１６１号公報  （第２頁−３頁、  第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、例えば二重拡散ＭＯＳ（ｄｏｕｂｌｅ−ｄｉｆｆｕｓｅｄ  ＭＯＳ）を搭載した半導体装置の動向としては、高出力が必要とされるため、配線抵抗及びビア抵抗等を含むオン抵抗低減の要請がある。
【０００６】
上述した従来技術では、ビア抵抗の低減を行うためタングステンプラグが採用されているが、ビアホール内のタングステンプラグの剥がれを防止するためにはビアホールを１．０μｍ□以下にする必要がある。ところがビアホールを１．０μｍ□以下と微細に形成すると、ビアホール内のタングステンプラグと第２メタル配線とのコンタクト抵抗が上昇し、オン抵抗の増加を生じるという技術的課題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体装置の多層配線におけるビアホール形成でビアホール内のタングステンプラグと第２メタル配線とのコンタクト抵抗低減を目的とする半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明の半導体装置においては、半導体基板上に形成された第１メタル配線層と、この第１メタル配線層上に形成された層間絶縁膜と、この層間絶縁膜上に形成された第２メタル配線層と、これらの上第１および第２メタル配線層間の前記層間絶縁膜内に形成された複数のビアホールと、これらのビアホールを相互に分離し、その高さが前記複数のビアホールの溝深さに比べて低く形成されたビアホール分離形成部と、このビアホール分離形成部により互いに分離された前記複数のビアホール内に前記ビアホール分離形成部を埋め込むように堆積されたタングステン層とを備え、このタングステン層は前記ビアホール分離形成部の上端部において前記第２メタル配線層に接続されることを特徴とするものである。
【０００９】
このことにより、タングステン表面と第２メタル配線層との接触面積が従来に比べ大幅に増え、その結果、タングステンと上導電層のコンタクト抵抗が大幅に抑制出来る。
【００１０】
さらに、本発明によれば、半導体基板上に第１メタル配線層を形成する工程と、この第１メタル配線層上に層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜上に形成された第２メタル配線層を形成する工程と、これらの第１および第２メタル配線層間の前記層間絶縁膜内に複数のビアホールを形成する工程と、これらのビアホールを相互に分離する前記層間絶縁膜を、その高さが前記複数のビアホールの溝深さに比べて低くしてビアホール分離形成部を形成する工程と、このビアホール分離形成部により互いに分離された前記複数のビアホール内に前記ビアホール分離形成部を埋め込むようにタングステン層を堆積する工程とを備え、このタングステン層は前記ビアホール分離形成部の上端部において前記第２メタル配線層に接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。かかる製造方法により、ビア内のタングステン表面と上層メタル配線のコンタクト面積を増加させ、ビア抵抗を下げた半導体装置が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
図１乃至図３は本発明の複数のビアホールによる多層配線構造を有する半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【００１３】
先ず、図１（ａ）に示すように、例えばシリコン基板である半導体基板１１上に、フィールド絶縁膜１２を形成する。このフィールド絶縁膜１２は、例えば膜厚６００ｎｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ法あるいは熱酸化法等により形成することができる。続いて、マグネトロンスパッタ法を用いて、上記フィールド絶縁膜１２の上に例えばアルミ合金からなる第１メタル配線１３を形成する。この第１メタル配線１３は、図示しないが、例えばチタン（Ｔｉ）薄膜（膜厚５０ｎｍ）、窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜（膜厚１００ｎｍ）、アルミ合金膜（Ａｌ−Ｓｉ（１％）−Ｃｕ（０．５％））（膜厚５００ｎｍ）、Ｔｉ薄膜（膜厚３０ｎｍ）、ＴｉＮ薄膜（膜厚２０ｎｍ）を順次下から形成する。
【００１４】
上記Ｔｉ薄膜及びＴｉＮ薄膜はＡｌとＳｉが反応しないようにするためのバリヤメタルとして機能するものである。また、上記Ｔｉ薄膜及びＴｉＮ薄膜（特にＴｉＮ薄膜）はリソグラフィ工程で光がＡｌに反射することを防止し、反射光がレジストに影響しないようにする反射防止膜として機能するものである。そして、レジスト塗布、露光といった通常のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術（ＲＩＥ法等）によるエッチング加工を経て、上記バリヤメタル、アルミ合金膜及び反射防止膜を所定形状にパターニングする。このようにして、第１メタル配線１３を形成することができる。
【００１５】
次に図１（ｂ）に示されるように、上記工程で形成した第１メタル配線１３間の段差を低減するために、減圧下で反応性ガスのプラズマ放電分解によって薄膜を形成するプラズマＣＶＤ法により、例えばテトラ・エキトシ・シラン膜の酸化膜による第１層間膜１４ａを１５００ｎｍ堆積させる。その後、フォトレジストをマスクとし、例えばエッチングガスとしてＣＦ４ガスとＯ２ガスの混合ガスによりエッチバックし、第１層間膜１４ａの平坦化を行う。続いて、平坦化した第１層間膜１４ａの上に、第１メタル配線１３と第２メタル配線間の耐圧を確保する目的で、プラズマＣＶＤ法にて例えば、厚さ５００ｎｍでテトラ・エキトシ・シラン膜の酸化膜による第２層間膜１４ｂを積層して、層間絶縁膜１４を形成する。
【００１６】
次に図１（ｃ）に示されるように、第１メタル配線１３と第２メタル配線を繋ぐビアホール１５を所定位置に形成する。すなわち、レジスト塗布、露光といった通常のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術（ＲＩＥ法等）によるエッチング加工を経て、上記した層間絶縁膜１４に第１メタル配線１３に達する２個のビアホール１５、１５を形成する。これらのビアホール１５，１５の形成は、例えば層間絶縁膜１４上に第１メタル配線１３に対応して窓が開いたレジストパターンを形成し、プラズマエッチングと比べて、より異方性のあるエッチングが可能なＲＩＥ等の異方性エッチングを行う。ただし、このエッチングの際には、第１メタル配線１３上の反射防止膜は除去せずに残存させる。これを満足するエッチングの条件としては、例えば、圧力０．８Ｔｏｒｒ、電力７００Ｗで、エッチングガス：ＣＦ４／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｈｅ＝４０／２０／８００／２０ｓｃｃｍを用いると好適である。
【００１７】
次に図２（ａ）に示される工程では、フォトレジストをマスクとし、例えばエッチングガスとしてＣＦ４ガスとＯ２ガスの混合ガスによりエッチバックし、ビアホール１５，１５間のビアホール分離形成部１６のみを３００ｎｍエッチングする。
【００１８】
次に図２（ｂ）に示される工程では、例えばＡｒ等の不活性ガスを用いたスパッタエッチングによって、ビアホール１５内をクリーニングした後、ＣＶＤ法にて層間絶縁膜１４上にタングステン膜を８００ｎｍ堆積する。このＣＶＤの条件としては、例えば、圧力９０Ｔｏｒｒ、温度４５０℃で、使用ガス：ＷＦ６／Ｈ２／Ａｒ＝７５／５００／２８００ｓｃｃｍを用いることができる。尚、温度は４２５℃〜４７５℃の範囲で、ガス流量比（Ｈ２／ＷＦ６）は５〜７０の範囲で適宜調整可能である。
【００１９】
形成したタングステン膜を、例えばＳＦ６ガスをエッチングガスとして全面エッチバックし、各ビアホール１５内にタングステンプラグ１７を形成する。
【００２０】
次に図３（ｂ）に示されるように、例えばＡｒ等の不活性ガスを用いたスパッタエッチングによって、タングステンプラグ１７表面の酸化膜等を除去する。続いて、マグネトロンスパッタ法を用いて、上記タングステンプラグ１７の上に、第２メタル配線１８を形成する。この第２メタル配線１８は、図示しないが、例えばＡｌ合金膜（Ａｌ−Ｓｉ（１％）−Ｃｕ（０．５％））（膜厚５００ｎｍ）、Ｔｉ膜（膜厚３０ｎｍ）及びＴｉＮ膜（膜厚５０ｎｍ）を順次積層する。そして、レジスト塗布及び露光といった通常のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術（ＲＩＥ法等）によるエッチング加工を経て、アルミ合金膜、Ｔｉ膜及びＴｉＮ膜を所定形状にパターニングして、第２メタル配線１８を形成する。
【００２１】
このようにして、ビアホール１５間を共有する形でタングステンプラグ１７と第２メタル配線１８の接続が可能な多層配線を形成する。隣り合うビアホール１５、１５間を分離するビアホール分離形成部１６をエッチバックし、ビアホール１５内に埋め込むタングステンプラグ１７とビアホール１５、１５間のタングステンを接続するようにしているので、タングステン表面と上層の第２メタル配線１８との接触面積が従来に比べ、約１．８倍と大幅に増えている。その結果、タングステンと上層の第２メタル配線のコンタクト抵抗が大幅に抑制出来る。
【００２２】
図３（ａ）は、このように形成された半導体装置の平面図である。
【００２３】
このように、本実施形態の半導体装置は、ビアホール１５内に埋め込むタングステンプラグ１７とビアホール１５、１５間のタングステンを接続するようにしているので、タングステン表面と上層の第２メタル配線１８との接触面積が従来に比べ大幅に増え、その結果、タングステンと上層の第２メタル配線のコンタクト抵抗が大幅に抑制出来る。
【００２４】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記した第１の実施の形態では隣り合うビアホール間を分離するパターンを使用したが、更にビアホールを拡大し、図４に示すようにビアホール２５内に層間膜をピラー状に形成することによりビア抵抗の低減を行うことができる。すなわち、図４に示すように、第１メタル配線２３上にはビアホール２５が略断面が長方形に形成されている。そして、ビアホール２５内には、スペース間分離として層間膜によるビアホール分離形成部２６、２６、２６…が配設してある。したがって、ビアホール２５内の最大スペース間隔が１．０μｍ程度であってもこのような構造とすることで、ビアホール内のタングステン表面と第２メタル配線２８のコンタクト面積を大幅に増加することができる。
【００２５】
本発明は上記した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、隣り合うビアホール間を分離する絶縁膜をエッチバックし、ビアホール内に埋め込む導電性プラグとビアホール間のタングステンを接続するようにしているので、タングステン表面と上層の第２メタル配線との接触面積が大幅に増え、タングステンと上層の第２メタル配線のコンタクト抵抗を抑制出来る。また、ビアホール内にスペース間分離として層間膜によるピラーパターンを配置することによっても、ビア内のタングステン表面と上層メタル配線のコンタクト面積を増加させるので、ビア抵抗を下げることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す半導体装置の製造プロセスを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す半導体装置の製造プロセスを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す半導体装置の製造プロセスおよび製造された半導体装置を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す半導体装置の構成を示す平面図である。
【図５】従来の半導体装置の構成を示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１１…半導体基板
１２…フィールド絶縁膜
１３、２３…第１メタル配線
１４…層間絶縁膜
１４ａ…第１層間膜
１４ｂ…第２層間膜
１５、２５…ビアホール
１６、２６…ビアホール分離形成部
１７…タングステンプラグ
１８、２８…第２メタル配線
【図１】
2004363303.tif 000003
【図２】
2004363303.tif 000004
【図３】
2004363303.tif 000005
【図４】
2004363303.tif 000006
【図５】
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