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技術 配線の接続構造及び配線の接続部の形成方法

出願人 ラピスセミコンダクタ株式会社
発明者 原田裕介
出願日 1998年6月11日 (21年3ヶ月経過) 出願番号 1998-163304
公開日 1999年12月24日 (19年9ヶ月経過) 公開番号 1999-354637
状態 拒絶査定
技術分野 半導体集積回路装置の内部配線
主要キーワード 貫通孔位置 側面寄り 配線パターン溝 電流バイパス 溝埋め スルーホール抵抗 接続精度 主配線材料
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年12月24日)のものです。
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図面 (20)

課題

エレクトロマイグレーションにより配線を構成する金属原子が移動しても長い期間導通状態が良好であり、接続信頼性に優れた配線の接続構造及びその製造方法を提供する。

解決手段

第2の配線28の突状の接続部が、第1の配線18の接続部の貫通孔内に入り込むと共に、第1の配線18の接続部の開口の対向する長辺の一部を含む領域に接続して、貫通孔内に形成された接続部用TiN膜16aと接続部用のTi膜17aとを介して第1の配線の主配線部19と電気的に接続すると共に、貫通孔の開口部に露出するTi膜17aとTiN膜16aの端部及びその近傍の主配線部19にも直接接続する。

概要

背景

近年、LSIの高集積化に伴い、半導体素子微細パターン化が進んでおり、Cuなどの低抵抗配線の必要性が高くなってきている。一般に、Cu配線エッチング技術によってパターン形成することが難しいため、Cu配線を形成するために、半導体基板上にSiO2 膜やBPSG膜などの絶縁膜を形成し、この絶縁膜に配線の型となる配線パターンの溝を形成し、このパターン溝内にCuなどの低抵抗材料よりなる金属を埋め込んで配線とした溝埋め込み配線(以後、ダマシン(Damascene )配線と記す。)が利用されている。

このようなダマシン配線の接続部は、図21に示すように形成される。まず、半導体基板10上に1μm程度の厚さに形成した第1SiO2 膜12に、公知のホトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより第1の配線パターン溝を形成する。その後、第1の配線パターン溝内にTiNより成るバリア層16を形成したのち、Cuをスパッタリングにより全面に堆積した後、コロイダルシリカアルカリ溶液による研磨、すなわち、CMP(chemical mechanical polishing) 法によって表面のCu膜を取除き、Cuよりなる主配線部19を有する第1の配線18を形成する(図21(a))。

次に、第1の配線18が形成された第1SiO2 膜12上に再びSiO2 膜を1μm程度の厚さに形成して第2SiO2 膜22を形成した後、第1の配線18の上面のほぼ中央部が露出するように絶縁膜に第2の配線の接続部の型となるスルーホール55を形成する(図21(b))。

その後、スルーホール55を含むように第2の配線パターン溝24を形成し、第1の配線18パターン溝内にTiN膜より成るバリア層26を形成したのち(図21(c))、Cuをスパッタリングにより全面に堆積した後、CMP法によって表面のCu膜を取除き、Cuよりなる主配線部29を有する第2の配線28を形成する(図21(d))。

概要

エレクトロマイグレーションにより配線を構成する金属原子が移動しても長い期間導通状態が良好であり、接続信頼性に優れた配線の接続構造及びその製造方法を提供する。

第2の配線28の突状の接続部が、第1の配線18の接続部の貫通孔内に入り込むと共に、第1の配線18の接続部の開口の対向する長辺の一部を含む領域に接続して、貫通孔内に形成された接続部用のTiN膜16aと接続部用のTi膜17aとを介して第1の配線の主配線部19と電気的に接続すると共に、貫通孔の開口部に露出するTi膜17aとTiN膜16aの端部及びその近傍の主配線部19にも直接接続する。

目的

そこで、本発明は、エレクトロマイグレーションにより配線を構成する金属原子が移動しても長い期間導通状態が良好であり、接続信頼性に優れた配線の接続構造及びその形成方法を提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
4件
牽制数
9件

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請求項1

貫通孔を備えた主配線部に、該主配線部の貫通孔内を含む上面以外の面に低抵抗導電性材料からなる導通層バリヤ層とを順に備えた溝埋め込み式の第1の配線に、前記第1の配線の上層に設けられる第2の配線の接続部が、前記貫通孔の内面に設けられた導通層と前記貫通孔の内面に設けられたバリヤ層との少なくとも1つを含む領域に接続するように設けられた配線の接続構造

請求項2

前記第2の配線の接続部は、前記貫通孔内に入り込んでいる請求項1に記載の配線の接続構造。

請求項3

前記貫通孔は、長手方向が電子の流れる方向に沿って形成された長尺状の開口部を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の配線の接続構造。

請求項4

主配線部の上面以外の面に低抵抗の導電性材料からなる導通層とバリヤ層とを順に備えた溝埋め込み式の第1の配線に、該第1の配線の上層に設けられた第2の配線の接続部が、前記第1の配線の表面に露出した導通層の端部と、第1の配線の表面に露出したバリヤ層の端部と、第1の配線の側面側のバリヤ層の一部との少なくとも1つを含む領域に接続するように設けられた配線の接続構造。

請求項5

前記バリヤ層は、高融点金属の窒化物から構成され、前記導通層は、高融点金属と高融点金属のシリサイド化合物の何れか一方から構成されていることを特徴とする請求項1〜4に記載の配線の接続構造。

請求項6

第1の絶縁層に設ける第1の配線の形成予定領域内の予め定めた一部領域にマスクをした状態でエッチングした後マスクを取除いて、溝内に絶縁層を突状に残した第1の配線パターン溝を形成し、前記第1の配線パターン溝の内面に、バリヤ層と、低抵抗の導電性材料からなる導通層とを順に形成してから、導電性材料からなる主配線材料を埋め込んで第1の配線を形成し、前記第1の配線が形成された前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成し、前記突状に残した絶縁層の外側面に設けられた導通層とバリア層との少なくとも一方が露出するように第2の絶縁層にスルーホールを形成し、該スルーホール内に導電性材料を埋め込んで第2の配線と接続する接続部を形成する配線の接続部の形成方法

請求項7

第1の絶縁層に第1の配線パターン溝を形成し、前記第1の配線パターン溝の内面に、バリヤ層と、低抵抗の導電性材料からなる導通層とを順に形成してから、導電性材料からなる主配線材料を埋め込んで第1の配線を形成し、第1の配線が形成された前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成し、前記第1の配線パターン溝の内面に設けられたバリヤ層と導通層との少なくとも一方が露出するように第2の絶縁層にスルーホールを形成し、該スルーホール内に導電性材料を埋め込んで第2の配線と接続する接続部を形成する配線の接続部の形成方法。

請求項8

第1の絶縁層の形成中に、第1の絶縁層を形成する絶縁性材料エッチング条件の異なる絶縁性材料を用いてエッチングストップ用絶縁層を設け、さらにその上に前記第1の絶縁層を形成する絶縁性材料または前記第1の絶縁層を形成する絶縁性材料と同じエッチング条件の絶縁性材料を第1の配線パターン溝の深さと同じ厚さに形成してから、第1の配線パターン溝を形成する請求項6又は7に記載の配線の接続部の形成方法。

請求項9

前記バリヤ層は、高融点金属の窒化物から構成され、前記導通層は、高融点金属と高融点金属のシリサイド化合物の何れか一方から構成されていることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の配線の接続部の形成方法。

技術分野

0001

この発明は、配線接続構造及び配線の接続部の形成方法に関し、特に、下層側に配置された配線が溝埋め込み配線である場合の配線の接続構造及び配線の接続部の形成方法に関するものである。

背景技術

0002

近年、LSIの高集積化に伴い、半導体素子微細パターン化が進んでおり、Cuなどの低抵抗配線の必要性が高くなってきている。一般に、Cu配線エッチング技術によってパターン形成することが難しいため、Cu配線を形成するために、半導体基板上にSiO2 膜やBPSG膜などの絶縁膜を形成し、この絶縁膜に配線の型となる配線パターンの溝を形成し、このパターン溝内にCuなどの低抵抗材料よりなる金属を埋め込んで配線とした溝埋め込み配線(以後、ダマシン(Damascene )配線と記す。)が利用されている。

0003

このようなダマシン配線の接続部は、図21に示すように形成される。まず、半導体基板10上に1μm程度の厚さに形成した第1SiO2 膜12に、公知のホトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより第1の配線パターン溝を形成する。その後、第1の配線パターン溝内にTiNより成るバリア層16を形成したのち、Cuをスパッタリングにより全面に堆積した後、コロイダルシリカアルカリ溶液による研磨、すなわち、CMP(chemical mechanical polishing) 法によって表面のCu膜を取除き、Cuよりなる主配線部19を有する第1の配線18を形成する(図21(a))。

0004

次に、第1の配線18が形成された第1SiO2 膜12上に再びSiO2 膜を1μm程度の厚さに形成して第2SiO2 膜22を形成した後、第1の配線18の上面のほぼ中央部が露出するように絶縁膜に第2の配線の接続部の型となるスルーホール55を形成する(図21(b))。

0005

その後、スルーホール55を含むように第2の配線パターン溝24を形成し、第1の配線18パターン溝内にTiN膜より成るバリア層26を形成したのち(図21(c))、Cuをスパッタリングにより全面に堆積した後、CMP法によって表面のCu膜を取除き、Cuよりなる主配線部29を有する第2の配線28を形成する(図21(d))。

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、このようなダマシン配線の接続部は、第2の配線の接続部が第1の配線の上面に露出する主配線部に直接接続する構成であるため、第2の配線から第1の配線に電子が流れるように通電を行うと、エレクトロマイグレーションによって第1の配線の主配線部を構成するCuが、電子の流れの上流側、すなわち、第2の配線と接続する位置側から移動してしまい、その部分がボイドとなってしまう。

0007

このボイドは、時間の経過に連れて大きくなり、最終的には第1の配線と第2の配線との接続部分全体にまで広がって、第1の配線と第2の配線との導通遮断する。そのため、ダマシン多層配線は、長い期間良好な接続状態を維持できず、接続信頼性に乏しいという問題がある。

0008

そこで、本発明は、エレクトロマイグレーションにより配線を構成する金属原子が移動しても長い期間導通状態が良好であり、接続信頼性に優れた配線の接続構造及びその形成方法を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0009

上記目的を達成するために、請求項1の発明の配線の接続構造は、貫通孔を備えた主配線部に、該主配線部の貫通孔内を含む上面以外の面に低抵抗導電性材料からなる導通層バリヤ層とを順に備えた溝埋め込み式の第1の配線に、前記第1の配線の上層に設けられる第2の配線の接続部が、前記貫通孔の内面に設けられた導通層と前記貫通孔の内面に設けられたバリヤ層との少なくとも1つを含む領域に接続するように設けられている。

0010

請求項1の発明では、第1の配線が上面以外の面に低抵抗の導電性材料からなる導通層とバリヤ層とを順に備えており、これら導通層とバリヤ層との少なくとも一方が第1の配線の上層に設けられる第2の配線の接続部と接続されるため、エレクトロマイグレーションにより第2配線と接続する接続部の主配線部内にボイドが形成されて第1の配線の主配線部分と第2配線との接続が遮断されても、導通層がバイパスとなって第2の配線の接続部と第1の配線の主配線部との接続を維持するため、電気の流れが遮断するのを防ぐことができる。従って、従来よりも長い期間導通を維持できる配線の接続構造となる。

0011

また、第2の配線の接続部は、第1の配線の主配線部を貫通する貫通孔位置で第1の配線に接続する構成であるため、第1の配線と第2の配線とを接続するための接続部分の幅を接続のために広げる必要がない。そのため、配線の高密度化が実現できる。

0012

また、請求項2の発明は、請求項1に記載の配線の接続構造において、前記第2の配線の接続部は、前記貫通孔内に入り込んでいることを特徴としている。このような構成とすることにより、第1の配線と第2の配線とが確実に接続されるので接続精度の向上した配線の接続構造となる。好ましくは、第2配線の接続部を第1の配線の貫通孔の内面と接触するように構成すれば、接続面積が大きくなり導通層によるバイパス形成領域が広がるため、接触抵抗を小さくなる。そのため、スルーホール抵抗が低くなり、配線の接続構造の微細化のためにスルーホールを小さくしても信頼性にの高いものとなる。従って、エレクトロマイグレーション耐性の向上した配線の接続構造となる。

0013

更に、請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の配線の接続構造において、前記貫通孔は、長手方向が電子の流れる方向と平行に形成された長尺状の開口部を備えている。

0014

エレクトロマイグレーションによって主配線部内に形成されるボイドは、電子の流れの上流側から発生し、時間の経過に連れて電子の流れる方向に沿って拡大していく。請求項3の発明では、開口部の長手方向を電子の流れる方向に沿った構成とすることにより、ボイドが形成され始めてから貫通孔の周辺すべてを含む大きさに成長して貫通孔の周辺の主配線部がなくなるまでの時間が長くなる。そのため、より高く接続信頼性を維持できると共に、電流の集中によるさらなるエレクトロマイグレーションの発生を抑えることができる。

0015

また、請求項4の発明は、主配線部の上面以外の面に低抵抗の導電性材料からなる導通層とバリヤ層とを順に備えた溝埋め込み式の第1の配線に、該第1の配線の上層に設けられた第2の配線の接続部が、前記第1の配線の表面に露出した導通層の端部と、第1の配線の表面に露出したバリヤ層の端部と、第1の配線の側面側のバリヤ層の一部との少なくとも1つを含む領域に接続する。

0016

このような構成とすることにより、エレクトロマイグレーションにより第2配線と接続する接続部の主配線部内にボイドが形成されて第1の配線の主配線部分と第2配線との接続が遮断されても、導通層が電流バイパスとして機能し、第2の配線の接続部と第1の配線の主配線部との接続を維持するため、電気の流れが遮断するのを防ぐことができる。また、電流が広く分散して流れるようになるので電流の集中によるさらなるエレクトロマイグレーションの発生を抑えることができる。

0017

請求項5の発明は、請求項1〜4に記載の配線の接続構造において、前記バリヤ層は、高融点金属の窒化物から構成され、前記導通層は、高融点金属と高融点金属のシリサイド化合物の何れか一方から構成されている。

0018

また、請求項6の発明の配線の接続部の形成方法は、第1の絶縁層に設ける第1の配線の形成予定領域内の予め定めた一部領域にマスクをした状態でエッチングした後マスクを取除いて、溝内に絶縁層を突状に残した第1の配線パターン溝を形成し、前記第1の配線パターン溝の内面に、バリヤ層と、低抵抗の導電性材料からなる導通層とを順に形成してから、導電性材料からなる主配線材料を埋め込んで第1の配線を形成し、前記第1の配線が形成された前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成し、前記突状に残した絶縁層の外側面に設けられた導通層とバリア層との少なくとも一方が露出するように第2の絶縁層にスルーホールを形成し、該スルーホール内に導電性材料を埋め込んで第2の配線と接続する接続部を形成する。このような方法とすることにより上記請求項1の配線の接続構造を容易に得ることができる。

0019

また、請求項7の発明の配線の接続部の形成方法は、第1の絶縁層に第1の配線パターン溝を形成し、前記第1の配線パターン溝の内面に、バリヤ層と、低抵抗の導電性材料からなる導通層とを順に形成してから、導電性材料からなる主配線材料を埋め込んで第1の配線を形成し、第1の配線が形成された前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成し、前記第1の配線パターン溝の内面に設けられたバリヤ層と導通層との少なくとも一方が露出するように第2の絶縁層にスルーホールを形成し、該スルーホール内に導電性材料を埋め込んで第2の配線と接続する接続部を形成する。このような方法とすることにより上記請求項4の配線の接続構造を容易に得ることができる。

0020

また、請求項8の発明は、請求項6又は7に記載の配線の接続部の形成方法において、第1の絶縁層の形成中に、第1の絶縁層を形成する絶縁性材料エッチング条件の異なる絶縁性材料を用いてエッチングストップ用絶縁層を設け、さらにその上に前記第1の絶縁層を形成する絶縁性材料または前記第1の絶縁層を形成する絶縁性材料と同じエッチング条件の絶縁性材料を第1の配線パターン溝の深さと同じ厚さに形成してから、第1の配線パターン溝を形成する。

0021

このような方法とすることにより、第1の絶縁層のの上層に配線パターン溝などを形成する際にオーバーエッチングとなってもエッチングストップ用絶縁層によりそれ以上のエッチングの進行が阻止されるので、常に同じ深さの溝を精度よく形成でき、下地層への突き抜けを防ぐことができる。

0022

さらに、請求項9の発明は、請求項6〜8のいずれかに記載の配線の接続部の形成方法において、前記バリヤ層は、高融点金属の窒化物から構成され、前記導通層は、高融点金属と高融点金属のシリサイド化合物の何れか一方から構成されていることを特徴とする。

発明を実施するための最良の形態

0023

以下、本発明の実施の形態を図1図20を参照して説明する。すべての実施形態において、電子の流れeは、上層側の第2の配線28から下層側の第1の配線18に向かうものとしている。

0024

(第1の実施形態)図1図7を参照して第1の実施形態を説明する。図1(a)に示す上面図では説明をわかり易くするため、第1の配線18を実線で示し、第2の配線28は点線で示し、第1の配線18が形成された第1SiO2 膜12は一点鎖線で示し、第2の配線28が形成された第2SiO2 膜22は省略している。また、本第1の実施形態では下層の絶縁膜に設ける第1の配線18として、比較的幅広の配線を用いている。

0025

図1(a)及び図1(b)に示すように、第1の配線18は、第2の配線28との接続部が中央よりも側面寄りに設けられたCuから成る主配線部19と、主配線部19の上面以外のすべての面に、導通層としてTi膜17と、バリア層としてTiN膜16とを備えた溝埋め込み配線である。

0026

第1の配線18の接続部は、第1配線18の上面以外の面に形成されたTi膜17と繋がる接続部用のTi膜17aと、この接続部用のTi膜17aのバリア層として接続部用のTiN膜16aと、を内面に備え、開口の長辺が電子の流れる方向eに沿って配置された開口形状長方形の貫通孔である。

0027

また、第2の配線28は、下面側に突状の接続部が設けられたCuから成る主配線部29と、第1の配線と同様に主配線部29の上面以外のすべての面に、導通層としてTi膜27と、バリア層としてTiN膜26とを備えている。

0028

第2の配線28の突状の接続部は、第1の配線の接続部の貫通孔内に入り込むと共に、第1の配線18の接続部の開口の対向する長辺の一部を含む領域に接続して、貫通孔内に形成された接続部用のTiN膜16aと接続部用のTi膜17aとを介して第1の配線の主配線部19と電気的に接続すると共に、貫通孔の開口部に露出するTi膜17aとTiN膜16aの端部及びその近傍の主配線部19にも直接接続する。

0029

このような接続構造を有する配線において、第1の配線18が高電位、第2の配線28が低電位となるように電圧印加すると、電子は第2の配線28から第1の配線18に流れる。このとき、第1の配線18の主配線部19を構成するCu原子のうち電子の流れの上流側、すなわち、第2の配線28との接続部側のCu原子がエレクトロマイグレーションよって電子の流れとともに移動する。

0030

そのため、時間の経過とともに第1の配線18の接続部近傍の主配線部19にボイドが形成されるが、第2の配線28の接続部は、導通用に設けられた接続部用のTi膜17aにも直接接続しているため、このTi膜17aによって第1の配線と第2の配線との電気的接続が維持されることとなる。したがって、エレクトロマイグレーションにより主配線部19内にボイドが形成されても長い期間導通状態を良好に維持することができ、接続信頼性の高い配線の接続構造となる。

0031

このような配線の接続構造を製造する方法を図2図7を参照して以下に説明する。まず、半導体基板10上に第1の絶縁膜である第1SiO2 膜12を1μmの厚さに形成する。

0032

その後、第1SiO2 膜12の表面に図示しないレジストを塗布してホトリソグラフィ技術により第1の配線パターン以外の部分と第1の配線内に設けられる第1の配線の接続部となる領域とにレジストを残し、これをマスクとしてC2 F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いたプラズマエッチングにより深さ500nm程度の溝を形成する。その後、レジストを除去し、予め定めた接続部位置に突状のSiO2 膜12aが残留した第1の配線パターン溝14を得る(図2参照)。

0033

次に、第1の配線パターン溝14が形成された第1SiO2 膜12の表面にCVD法などによってTiN膜16を30nm程度形成した後、Ti膜17を5nm形成する。その後、CMP法により第1のSiO2 膜12の表面が露出するまで表面を研磨して、配線パターン溝14の内面にTi膜17とTiN膜16とを順に形成する。このとき、予め定めた接続部位置に設けた突状のSiO2 膜12aの側面にもTi膜17aとTiN膜16aとが順に形成される。

0034

その後、第1SiO2 膜12の表面にスパッタ法によって第1の配線パターン溝14が埋まるまでCuを形成した後、CMP法により第1のSiO2 膜12の表面が露出するまで研磨する。これにより、第1配線パターン溝14内にCuが埋め込まれて第1の配線18が形成される。この第1の配線18は、予め定めた接続部位置に、側面にTi膜17aとTiN膜16aとが形成された突状のSiO2 膜12aが貫通したものとなる(図3参照)。

0035

第1の配線18の形成後、第2の絶縁膜である第2SiO2 膜22を1μmの厚さに形成する。その後、第1の配線の主配線19内の突状のSiO2 膜12aと、突状のSiO2 膜12aの周囲に形成されたTi膜17aの端部とTiN膜16aの端部とを含む大きさで、かつ、深さが第1の配線18の厚さの半分程度までの孔50をC2 F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いてプラズマエッチングにより形成する。第1の配線18の厚さの半分程度までの深さに形成する。

0036

SiO2 膜のエッチング条件では、主配線部を構成するCuとTi膜17とTiN膜16はエッチングされないため、エッチング深さが第2SiO2 膜22の厚さよりも深くなると、第1の配線内の突状の絶縁膜12aのみが削られてTi膜17aとTiN膜16aの端部と、TiN膜16aの側面、突状の絶縁膜12a近傍の主配線部の上面が露出することとなる(図4参照)。

0037

その後、前記孔50と接続するように、第2の配線のパターンリソグラフィ技術により形成した後、C2 F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いたプラズマエッチングによって第2の配線28の型となる深さ500nm程度の第2の配線パターン溝24を第2SiO2 膜22に形成する(図5参照)。得られた第2の配線パターン溝24内に第1の配線の形成時と同様の工程で内面にTiN膜26とTi膜27とを順に形成し、TiN膜26とTi膜27とを備えた第2の配線パターン溝24を得る(図6参照)。

0038

さらに、第2SiO2 膜22の表面にスパッタ法やCVD法などによって第2の配線パターン溝24が埋まるまでCuを形成した後、CMP法により第2のSiO2 膜22の表面が露出するまで表面を研磨する。これにより、第1の配線の接続部用のTi膜17aの端部と、接続部用のTiN膜16aの端部と、接続部用のTiN膜16aの側面とに接続する突状の接続部を備えた第2の配線28が得られる(図7参照)。

0039

(第2の実施形態)本第2の実施形態は、前述した第1の実施形態の応用例であり、図1に示した配線の接続構造を得るための別の形成方法である。以下、図8図13を参照して説明する。

0040

まず、半導体基板10上に第1の絶縁膜12の下層の絶縁膜としてSiO2 膜34を500nmの厚さに形成したのち、エッチングストップ用絶縁層としてSiO2 のエッチング条件ではエッチングされない第1のSiN膜32を50nmの厚さに形成し、さらに第1の絶縁膜12の上層の絶縁膜としてSiO2 膜30を500nmの厚さに形成して、三層構造の第1絶縁膜12を得る。

0041

その後、最上層のSiO2 膜30の表面に図示しないレジストを塗布してホトリソグラフィ技術により第1の配線パターン以外の部分と第1の配線内に設けられる第1の配線の接続部となる領域とにレジストを残し、これをマスクとしてC2 F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いてプラズマエッチングする。

0042

最上層のSiO2 膜30の下層には、SiO2 のエッチング条件ではエッチングされない第1のSiN膜32が設けられているため、オーバーエッチングを施しても溝の深さは最上層のSiO2 膜30の厚さ寸法である500nm以上となることがない。従って、深さ500nmの溝が精度よく得られる。その後、レジストを除去し、底面にSiN膜32が露出し、かつ、予め定めた接続部位置に突状のSiO2 膜12aが残留した第1の配線パターン溝14を得る(図8参照)。

0043

次に、第1の配線パターン溝14が形成された第1SiO2 膜12の表面にCVD法などによってTiN膜16を30nm程度形成した後、Ti膜17を5nm形成する。その後、CMP法により上層のSiO2 膜30の表面が露出するまで表面を研磨して、配線パターン溝14の内面にTi膜17とTiN膜16とを順に形成する。このとき、予め定めた接続部位置に設けた突状のSiO2 膜12aの側面にもTi膜17aとTiN膜16aとが順に形成される。

0044

その後、上層のSiO2 膜30の表面にスパッタ法によって第1の配線パターン溝14が埋まるまでCuを形成した後、CMP法により最上層のSiO2 膜30の表面が露出するまで研磨する。これにより、第1配線パターン溝14内にCuが埋め込まれて第1の配線18が形成される。この第1の配線18は、予め定めた接続部位置に、側面にTi膜17aとTiN膜16aとが形成された突状のSiO2 膜12aが貫通したものとなる(図9参照)。

0045

第1の配線18の形成後、第2の絶縁膜22の下層の絶縁膜としてSiO2 膜44を500nmの厚さに形成したのち、エッチングストップ用絶縁層としてSiO2 のエッチング条件ではエッチングされない第2のSiN膜42を50nmの厚さに形成し、さらに第2の絶縁膜22の上層の絶縁膜としてSiO2 膜40を500nmの厚さに形成して、三層構造の第2絶縁膜22を得る。

0046

その後、第1の配線の突状のSiO2 膜12aと、突状のSiO2 膜12aの周囲に形成されたTi膜の端部17aと、TiN膜の端部16aと、第1の配線の主配線19の一部とを含む大きさの孔50をC2 F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いてプラズマエッチングにより第2の絶縁膜22に形成する。

0047

第2のSiN膜42が露出するとそれ以上のエッチングは進まなくなるため、エッチングガスSF6ガスとO2 ガスとの混合ガスに換えてプラズマエッチングすることにより第2のSiN膜42をエッチングする。完全に第2のSiN膜42がエッチングされると第2の絶縁膜22の下層の絶縁膜であるSiO2 膜44が露出するため再びエッチングが進まなくなるので、エッチングガスをC2 F8 ガスとO2 ガスとの混合ガスに換えて第2のSiN膜42の下層のSiO2 膜44をプラズマエッチングする。

0048

さらに、エッチングが進むと、第1の配線の主配線19内の突状のSiO2 膜12aと、突状のSiO2 膜12aの周囲に形成されたTi膜の端部17aと、TiN膜の端部16aと、第1の配線の主配線19の一部とが露出する。Ti膜の端部17aと、TiN膜の端部16aと、第1の配線の主配線19の一部はエッチングされずに残るため、第1の配線の突状のSiO2 膜12aのみがエッチングされ、第1の配線の突状のSiO2 膜12aが占めていた部分が空間となる。

0049

この場合も、オーバーエッチングしても第1のSiN膜32によってそれ以上のエッチングが阻止されるので、第1の配線の突状のSiO2 膜12aが完全に削れるとエッチングの進行がストップする。したがって、得られる孔50は、Ti膜の端部17aと、TiN膜の端部16aと側面と、第1の配線の主配線19の一部とが内部に露出したものとなる(図10参照)。

0050

その後、前記孔50と接続するように第2の配線のパターンをリソグラフィ技術により、第2の絶縁膜22の上層の絶縁膜であるSiO2 膜40に形成した後、C2 F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いてプラズマエッチングする。第2の絶縁膜にも第2のSiN膜42が設けられているため、オーバーエッチングしても第2のSiN膜42によってそれ以上のエッチングが阻止されるので、第2のSiN膜42が底面に露出すると、エッチングの進行がストップする。したがって、深さ500nmの第2の配線パターン溝24が精度よく得られる(図11参照)。

0051

得られた第2の配線パターン溝24内に第1の配線の形成時と同様の工程で内面にTi膜27とTiN26膜とを順に形成し、Ti膜27とTiN26膜とを備えた第2の配線パターン溝24を得る(図12参照)。

0052

さらに、最上層のSiO2 膜40の表面にスパッタ法やCVD法などによって第2の配線パターン溝24が埋まるまでCuを形成した後、CMP法により最上層のSiO2 膜40の表面が露出するまで表面を研磨する。これにより、第1の配線の接続部用のTi膜17aの端部と、接続部用のTiN膜16aの端部と、接続部用のTiN膜16aの側面とに接続する突状の接続部を備えた第2の配線28が得られる(図13参照)。

0053

以上述べた第2の実施形態の配線の接続構造の形成方法では、オーバーエッチングしても他の部位がエッチングされずに、予め定めたエッチング深さでエッチングが止まるため、層間絶縁膜膜厚バラツキエッチングレートのバラツキによる下地層へのエッチングの突き抜けに起因する製品不良の発生を抑えることができる。従って、第2の接続部を形成させる際のエッチング条件の制御が容易となり、且つ、配線間の接続信頼性の向上した半導体素子が得られるという利点がある。

0054

なお、本第2の実施形態では、エッチングストップ用絶縁層としてSiNを使用しているが、SiNに限らず、上層に設けられる絶縁膜のエッチング条件と異なるエッチング条件の絶縁性物質であれば用いることができる。また、第2の実施形態では、第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜の上層部分下層部分とを同じ絶縁性材料から成るものとしたが、下層側の絶縁膜はエッチングストップ用絶縁膜のエッチング条件と異なるエッチング条件の絶縁性材料であれば、上層と異なる種類の絶縁性材料により構成してもよい。もちろん、第1の絶縁膜だけ又は第2の絶縁膜だけにエッチングストップ用絶縁膜を設けるようにすることもできる。

0055

(第3の実施形態)図14は、図1に示した配線の接続構造の別の構成例であり、図1に示した第2の配線29が、第1の配線18との間にさらに第2のTi膜25を備え、第2の配線側の第2のTi膜25を第1の配線の上面に露出する主配線部分の導通層として用いる構成である。これにより、導通層を介して接続する面積が広くなるので電流の集中によるエレクトロマイグレーションの発生を極力抑えることができ、より一層接続信頼性の向上した配線となる。

0056

この構成の配線の接続構造は、上述した第1の実施形態と第2の実施形態の第2配線パターン溝を形成した後に、第1の配線の上面に露出する主配線部分の導通層として用いるためのTi膜25を形成してから、TiN膜26aとTi膜27aとを形成することにより形成される。

0057

本第3の実施形態では、TiN膜26aとTi膜27aとを形成する前に、Ti膜25を形成しているため、TiN膜26を形成する際に用いる窒素ガスアンモニアガスなどによって第2配線パターン24と連通する孔50内に露出する第1配線18の主配線19部の表面が窒化されて絶縁膜が形成されるなどの第1の配線18と第2の配線28との導通を損ねる恐れがないという利点がある。なお、その他は上述した第2の実施形態と同様であるので詳細説明は省略する。また、図14には、第2の実施形態と同様の方法で形成した配線の接続構造を示しているが、第1の実施形態の方法でも同様の効果が得られる。

0058

上記第1から第3の実施形態において、第1の配線18の接続部の開口形状を長辺が電子の流れる方向eに沿って配置された長方形としているが、特にこの形状に限らず、例えば、長軸が電子の流れる方向eに沿って配置された楕円形として同様の効果が得られる。なお、ボイドの形成開始から開口部周辺の主配線部を構成する金属がなくなるまでの時間をさほど長くしなくてもよいのであれば、円形やその他の多角形などすることもできる。

0059

また、上記第1から第3の実施形態では、特に幅の広い配線に他の配線が接続する場合に有効であり、上記第1から第3の実施形態では、接続部の位置を配線幅に対して側面側に偏って設けているが、この場所に限らず、主配線部内であれば、すべての位置に設けることができる。

0060

(第4の実施形態)図15を参照して第4の実施形態を説明する。図15(a)に示す上面図では説明をわかり易くするため、第1の配線38を実線で示し、第2の配線48は点線で示し、第1の配線38が形成された第1SiO2 膜12は一点鎖線で示し、第2の配線28が形成された第2SiO2 膜22は省略している。また、本第4の実施形態では第1の配線38として、比較的幅の狭い配線を用いている。

0061

図15(a)及び図15(b)に示すように、第1の配線38はCuから成る主配線部19と、主配線部19の上面以外のすべての面に、導通層としてTi膜17と、バリア層としてTiN膜16とを備えた溝埋め込み配線である。

0062

また、第2の配線48は、下面側に突状の接続部が設けられたCuから成る主配線部29と、第1の配線38と同様に主配線部29の上面以外のすべての面に、導通層としてTi膜27と、バリア層としてTiN膜26とを備えている。

0063

第2の配線28の突状の接続部は、第1の配線の幅よりも広く形成され、第1の配線38の上面に露出する導通層17の端部とバリア層16の端部及び側面とに第1の配線38の端部の3側面から接続するとともに、第1の配線38の端部の主配線部19の上面全面に直接接続する。このような構成とすることにより、接続面積が大きくなるので接触抵抗が低く、且つ、電流の流れやすい接続構造となる。したがって、エレクトロマイグレーションの起こりにくい接続構造が得られる。

0064

このような接続構造を有する配線において、第1の配線38が高電位、第2の配線48が低電位となるように電圧を印加すると、電子は第2の配線48から第1の配線38に流れる。このとき、第1の配線38の主配線部19を構成するCu原子のうち電子の流れの上流側、すなわち、第2の配線48との接続部側のCu原子がエレクトロマイグレーションよって電子の流れとともに移動する。

0065

そのため、時間の経過とともに第1の配線38の端部の主配線部19内にボイドが形成されるが、第2の配線48の接続部は、導通層として設けられたTi膜17にも直接接続しているため、このTi膜17によって第1の配線38と第2の配線48との電気的接続が維持されることとなる。したがって、エレクトロマイグレーションにより主配線部19内にボイドが形成されても長い期間導通状態を良好に維持することができ、接続信頼性の高い配線の接続構造となる。

0066

このような配線の接続構造を製造する方法を図16図19を参照して以下に説明する。まず、半導体基板10上に第1の絶縁膜である第1SiO2 膜12を1μmの厚さに形成する。

0067

その後、第1SiO2 膜12の表面に図示しないレジストを塗布してホトリソグラフィ技術により第1の配線パターン以外の部分にレジストを残し、これをマスクとしてC2 F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いたプラズマエッチングにより深さ500nm程度の溝を形成する。その後、レジストを除去し、第1の配線パターン溝を得る。

0068

次に、第1の配線パターン溝が形成された第1SiO2 膜12の表面にCVD法などによってTiN膜16を30nm程度形成した後、Ti膜17を5nm形成する。その後、CMP法により第1のSiO2 膜12の表面が露出するまで表面を研磨して、配線パターン溝の内面にTi膜17とTiN膜16とを順に形成する。

0069

その後、第1SiO2 膜12の表面にスパッタ法によって第1の配線パターン溝が埋まるまでCuを形成した後、CMP法により第1のSiO2 膜12の表面が露出するまで研磨する。これにより、第1配線パターン溝内にCuが埋め込まれて第1の配線38が形成される(図16参照)。

0070

第1の配線38の形成後、第2の絶縁膜である第2SiO2 膜22を1μmの厚さに形成する。その後、第1の配線38の幅よりも大きい寸法の孔51をC2F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いてプラズマエッチングにより第1の配線38の端部を覆うように形成する(図17参照)。

0071

その後、前記孔51と接続するように、第2の配線のパターンをリソグラフィ技術により形成した後、C2 F8ガスとO2 ガスとの混合ガスを用いたプラズマエッチングによって第2の配線48の型となる深さ500nm程度の第2の配線パターン溝23を第2SiO2 膜22に形成する。得られた第2の配線パターン溝23内に第1の配線の形成時と同様の工程で内面にTiN膜26とTi膜27とを順に形成し、TiN膜26とTi膜27とを備えた第2の配線パターン溝23を得る(図18参照)。

0072

さらに、第2SiO2 膜22の表面にスパッタ法やCVD法などによって第2の配線パターン溝24が埋まるまでCuを形成した後、CMP法により第2のSiO2 膜22の表面が露出するまで表面を研磨する。これにより、第2の配線の接続部が、第1の配線38のTi膜17の端部とTiN膜16の端部とを含む端部上面と、第1の配線38の端部の3側面とに接続した構成の配線の接続構造が得られる(図19参照)。

0073

(第5の実施形態)図20は、図15に示した配線の接続構造の別の構成例であり、図15に示した第2の配線48の接続部が、第1の配線38の一側面に接続する構成である。この場合は、上述の第4の実施形態に比べて接続部の幅を狭くできるという利点がある。なお、この配線の接続構造の形成方法は上記第4の実施形態において、第2SiO2 膜22に形成する孔の位置を第1の配線38の一側面にかかるように変えて形成するだけであるので詳細な説明は省略する。

0074

なお、第4と第5の実施形態において、第2SiO2 膜22に形成する孔の形状を長手方向が電子の流れる方向に沿った長方形状や楕円形状等の細長い形状とすることにより、ボイドが形成され始めてから接続部全体に広がるまでの時間を長く取ることができ、その分接続信頼性の向上したものとなるので好ましい。

0075

また、第4と第5の実施形態の配線の接続構造を上述した第2の実施形態のようにエッチングストップ用の絶縁層を使用する方法により形成することもできる。

0076

以上述べたすべての実施形態において、導通層としてTiを用いる場合を挙げたが、本発明ではこの物質に限らず、W、Pt、Pd、Mo、Co等の他の高融点金属や、WSi2 、PtSi、Pd2 Si、MoSi2 、CoSi2 等のこれらの高融点金属のシリサイド等を使用することができる。また、バリヤ層としてTiの窒化物を用いているが、上述したような他の高融点金属の窒化物を使用することもできる。

0077

また、主配線部を構成するCuをスパッタ法を用いて形成しているが、スパッタ法に限らず、CVD法やメッキ法などの他の方法によって形成してもよい。

0078

なお、以上述べたすべての実施形態では説明のため、二層に形成した配線同士の接続構造としているが、本発明は多層に形成した配線同士の接続に適用できるものである。もちろん、最上層の配線をダマシン配線としない場合も同様な配線の接続構造を採用することができる。

発明の効果

0079

以上説明したように、請求項1〜9の発明によれば、エレクトロマイグレーションにより配線を構成する金属原子が移動しても長い期間導通状態が良好であり、接続信頼性に優れた配線の接続構造及びその形成方法を提供できる、という効果が得られる。

図面の簡単な説明

0080

図1(a)は本発明の第1の実施形態における配線の接続構造の一部透視上面図であり、(b)は図1(a)におけるA−A線断面図である。
図2図1に示した配線の接続構造の形成工程において、第1配線パターン溝形成後の状態を示すA−A線断面図である。
図3図1に示した配線の接続構造の形成工程において、第1配線形成後の状態を示すA−A線断面図である。
図4図1に示した配線の接続構造の形成工程において、第1配線と第2配線との接続部の型となる孔を形成した後の状態を示すA−A線断面図である。
図5図1に示した配線の接続構造の形成工程において、第2配線パターン溝形成後の状態を示すA−A線断面図である。
図6図1に示した配線の接続構造の形成工程において、第2配線パターン溝内にバリア層と導通層とを形成した後の状態を示すA−A線断面図である。
図7図1に示した配線の接続構造の形成工程において、第2配線形成後の状態を示すA−A線断面図である。
図8本発明の第2の実施形態を示しており、図1に示した配線の接続構造を形成する第2の方法の形成工程において、第1配線パターン溝形成後の状態を示すA−A線断面図である。
図9図1に示した配線の接続構造を形成する第2の方法の形成工程において、第1配線形成後の状態を示すA−A線断面図である。
図10図1に示した配線の接続構造を形成する第2の方法の形成工程において、第1配線と第2配線との接続部の型となる孔を形成した後の状態を示すA−A線断面図である。
図11図1に示した配線の接続構造を形成する第2の方法の形成工程において、第2配線パターン溝形成後の状態を示すA−A線断面図である。
図12図1に示した配線の接続構造を形成する第2の方法の形成工程において、第2配線パターン溝内にバリア層と導通層とを形成した後の状態を示すA−A線断面図である。
図13図1に示した配線の接続構造を形成する第2の方法の形成工程において、第2配線形成後の状態を示すA−A線断面図である。
図14本発明の第3の実施形態を示しており、第1配線と第2配線との接続部を含む面における断面図である。
図15(a)は本発明の第4の実施形態における配線の接続構造の一部透視上面図であり、(b)は図15(a)におけるB−B線断面図である。
図16図15に示した配線の接続構造の形成工程において、第1配線形成後の状態を示すB−B線断面図である。
図17図15に示した配線の接続構造の形成工程において、第1配線と第2配線との接続部の型となる孔を形成した後の状態を示すB−B線断面図である。
図18図15に示した配線の接続構造の形成工程において、第2配線パターン溝内にバリア層と導通層とを形成した後の状態を示すB−B線断面図である。
図19図15に示した配線の接続構造の形成工程において、第2配線形成後の状態を示すB−B線断面図である。
図20(a)は本発明の第5の実施形態における配線の接続構造の一部透視上面図であり、(b)は図20(a)におけるC−C線断面図である。
図21従来のダマシン配線の形成方法の概略を示す工程図である。

--

0081

10半導体基板
12 第1SiO2 膜
12a 突状のSiO2 膜
14 第1の配線パターン溝
16、26TiN膜
16a 接続部用のTiN膜
17、27Ti膜
17a 接続部用のTi膜
18 第1の配線
19、29 主配線部
22 第2SiO2 膜
24 第2の配線パターン溝
28 第2の配線
50 孔

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