JP2004513508A - 半導体基板においてアルミニウム充填バイア上にアルミニウムラインを形成する方法 - Google Patents

Abstract

半導体基板においてアルミニウム充填バイア上にアルミニウムラインを形成する方法であって、該充填バイアと該ラインとの間のミスアラインメントを補償しうる、前記方法。基板上にライナ−バリヤ層とアルミニウム層を交互に堆積させることにより、該アルミニウム充填バイア中にボイドをエッチングせずに該ラインを形成するために用いられるアルミニウム層を異方性エッチングすることができる、異なったエッチング化学が使用し得る。

Description

【０００１】
本発明は、アルミニウムで充填したバイア又はプラグ上にアルミニウムラインを形成する改良方法に関する。特に、本発明は、ミスアラインメントを補償することができる、アルミニウムで充填したバイア上にアルミニウムラインを形成する方法に関する。
【０００２】
発明の背景
アルミニウムは半導体デバイスの製造において導電性ラインやバイアを形成するために広く使われてきた。開口は、酸化シリコン層のような誘電層中に作られ、アルミニウム金属で充填されている。次に上に重なるアルミニウムラインがバイアの上に形成されてバイアを基板上の他のデバイスに接続する導電性ラインを与える。アルミニウム金属の使用は、非常に導電性であるのでアルミニウムで充填されたバイアは抵抗が小さいこと、スッパタリングか或いは化学気相成長（以下ＣＶＤ）により堆積させることが容易であること、また、プラズマエッチングによって導電性ラインを形成するためにアルミニウム層を容易にエッチングすることができることから有利である。
【０００３】
収縮しているバイアとラインの直径はバイアとラインの直径がほぼ同じであるということも必要となってきた。過去にはバイアの直径（オーバーラップ）より大きなライン幅を用いることができたので、バイアに対するラインとのパターン形成のミスアラインメントへの適応は容易に実現させることができた。しかしながら、回路密度が増え、形状サイズが小さくなってきたことから、オーバーラップはもはや許容することができず、ラインオーバーラップを少なくしたり排除すること（ゼロオーバーラップと呼ばれる）が必要となってきた。
【０００４】
しかしながら、アルミニウムラインを画成するために用いられるアルミニウム層の厚さは約５０００〜１０，０００オングストロームである。アルミニウムラインを形成するためにアルミニウム層をエッチングする場合、そのような厚いアルミニウム層をエッチングするのに経済上必要とされる急速なエッチング速度は制御が難しく、特にエッチングステップの終わり近くが難しい。
【０００５】
アルミニウムラインがアルミニウムバイア上に形成される場合、このエッチング速度の問題は悪化し、ミスアラインメントのために暴露されたアルミニウムバイアはラインに沿ってエッチングされ、バイア開口の空間が残る。これらの形状の間隔とライン幅が小さくなるにつれて、つまり、デザインルールが０．５０ミクロン未満の場合、特にデザインルールが０．２５ミクロン以下に小さくなるにつれて、非アラインメントの問題が目立つようになってきた。薄く狭いアルミニウムラインを正確にパターン形成することが難しいことからミスアラインメントが生じる。このミスアラインメントの結果として、アルミニウムラインを形成するエッチング中、ラインがアルミニウムバイアと完全に整列しない場合には、ラインを形成するために使われるアルミニウム層のエッチング剤によってアルミニウムのラインで被覆されていないバイアの暴露されたアルミニウムがエッチングされる。
【０００６】
本発明で取り組んだ問題は図１Ａ〜図１Ｃによって示すことができる。
【０００７】
図１Ａは、バイア１４がアルミニウムで充填された酸化シリコン基板１２を示す。アルミニウム層１６は充填されたバイア１４上に堆積されており、その上にパターン形成フォトレジスト層１８が形成されている。ミスアラインメントがバイア１４とフォトレジストパターン１８との間にあることは明白である。
【０００８】
図１Ｂに示されるように、アルミニウム金属層１６はフォトレジストライン１８の下のアルミニウムライン２０を形成するために異方性にエッチングされる。基板１２が接近するにつれてエッチングは制御が困難になるので、フォトレジストパターン外部の基板１２の表面上のアルミニウムだけでなくミスアラインメントしたラインによって暴露されたアルミニウムバイアの部分も取り除かれる。図１Ｃは、フォトレジスト１８が取り除かれた後に開口又はボイド２２がエッチング剤によってバイア１４に形成されたことを示している。
【０００９】
従って、アルミニウムラインをエッチングしかつアルミニウムバイア中にボイドを残さないアルミニウムバイア上のアルミニウムライン間のミスアラインメントを補償する方法が非常に望ましい。
【００１０】
発明の概要
我々はアルミニウムラインをパターン形成するのにミスアラインメントを補償するが、アルミニウムバイア中にボイドを残さないアルミニウムバイア上にアルミニウムラインをエッチングする方法を見出した。本方法はバリヤラインバイア上に化学気相成長によって薄層を堆積するものである。減圧下で加熱することによりアルミニウム薄層が引きつけられかつバイアを充填する。アルミニウム層とライナ−バリヤ層を交互に用いて充填バイア上にアルミニウムラインを形成し、異なったエッチング化学作用の使用を可能にするとともに充填バイア中にボイドを形成するアルミニウムをエッチングせずにアルミニウムラインのエッチングを可能にする。
【００１１】
第１実施形態においては、ライナ−バリヤ層をバイア中に堆積させる。次にアルミニウムを基板の表面上と、部分的に充填する開口に堆積させる。このアルミニウム層は厚さが約４００〜１０００オングストロームである。次に開口の中にアルミニウムを引きつけるためにアルミニウムを減圧下で加熱し、開口を充填する。次に基板の上面上のアルミニウム膜を除去する。エッチングストップとして作用するライナ−バリヤ層を基板上に堆積させ、アルミニウムラインを作るアルミニウム層を堆積させ、充填開口上にパターン形成フォトレジスト層を形成する。次にアルミニウム層を選択的に異方性エッチングすることによりパターン形成する。アルミニウムラインとアルミニウムバイア間のミスアラインメントは、バイア中のアルミニウムをエッチングしない、異なったエッチング化学を用いて除去されるバリヤ層によって補償される。
【００１２】
第２実施形態においては、最初のステップは同じであるが、基板上のアルミニウムは除去されない。ライナ−バリヤ層又はエッチングストップ層を基板上に堆積させ、アルミニウムを堆積させ、パターン形成フォトレジスト層の下にラインパターンが形成される。バリヤ層が下にあるアルミニウムを保護するためにエッチングステップ中のミスアラインメントが補償される。基板表面に隣接している最終のアルミニウム層は薄く、基板までのエッチングはエッチング剤が基板の表面上のアルミニウムを除去するがバイア中のアルミニウムをエッチングしないようにエッチング速度を制御することにより容易に制御されうる。
【００１３】
発明の詳細な説明
カリフォルニア州、サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるＥｎｄｕｒａ（登録商標）総合システムは、連続する堆積ステップとエッチングステップの種々の処理チャンバに取り付けることができる。例えば、ライナ／バリヤ層を物理的気相成長（ＰＶＤ）チャンバでスパッタリングすることにより堆積させることができ、ＣＶＤアルミニウムを化学的気相成長（ＣＶＤ）チャンバで堆積させることができ、アプライドマテリアルズ社の商標であるＣｅｎｔｕｒａ（登録商標） ＤＰＳ（登録商標） ＲＩＥ金属エッチングチャンバを１つ以上エッチングステップに用いることができる。フォトレジスト層を回転する装置やパターン形成する装置も周知である。
【００１４】
本発明の第１実施形態は、図２Ａ〜図２Ｈに関して記載される。
【００１５】
図２Ａを参照すると、誘電体基板２２はその中にバイア２４が形成されている。誘電体基板２２は酸化シリコンから一般に形成されるが、フッ素ドープした酸化シリコンや他の誘電材料も使うことができる。次にコンフォーマルバリヤ層２６を誘電体基板２２の上面２７を含む基板２２上にバイア２４の壁２８に沿って堆積させる。バリヤ層２６は、例として、タンタル、窒化タンタル、チタン又は窒化チタンの１種以上から製造し得る。このバリヤ層２６は、好ましくは、コンフォーマル層を与えるプラズマスパッタリング法によって形成される。
【００１６】
次にアルミニウムの薄層３０をジメチルアルミニウム水和物のようなアルミニウム化合物からＣＶＤによって堆積させる。このアルミニウム層が部分的にバイア２４を充填し、誘電体基板２２の上面２７を被覆する。十分なアルミニウムがバイア２４を充填することができるように堆積されなければならないが、このアルミニウム層３０は好ましくは１０００オングストローム厚以下である。図２Ｂはこのステップを示す図である。
【００１７】
バイア２４をアルミニウムで充填するために、基板２２を約０．２〜３０ミリトールの圧力下で約３５０〜５００℃の温度に加熱し、アルミニウムが軟化したときに、バイア２４の中に引きつけられてバイア２４を充填する。このことは図２Ｃに示されている。基板２２の上面２７に残存しているアルミニウム薄層３０は塩素系エッチングを用いてエッチングされる。図２Ｄに示されるように、このエッチングにより基板２２の上面２７上のアルミニウム金属層３０とバリヤ層２６の一部或いは全部が除去される。
【００１８】
図２Ｅに示されるように、第２ライナ／バリヤ層３２を基板２２と充填バイア２４上に堆積させ、第２アルミニウム層３４をその上に堆積させる。この第２アルミニウム層３４はＣＶＤ或いはスパッタリングによって堆積させることができる。フォトレジスト層を堆積させ、パターン形成してフォトレジストライン３６を形成する。このことは図２Ｆに示されている。図２Ｆにおけるフォトレジストライン３６は充填バイア２４に関して幾分ミスアラインメントされて示されている。次にアルミニウムライン３８が塩素系化学を用いた異方性エッチングによって形成される。このステップは図２Ｇに示されている。最後に、第２ライナ／バリヤ層３２がフッ素系化学を用いてエッチングされてバリヤライン４０を形成する。アルミニウム金属はこの化学で急速にエッチングされないので、アルミニウムのエッチングが起こらず、充填バイア２４中にボイドができない。このステップは図２Ｈに示されている。アルミニウムライン３８は充填バイア２４と幾分ミスアラインメントしているが、充填バイア２４はボイドを含んでいない。
【００１９】
所望される場合には、基板を酸化シリコンのような誘電層（図示されていない）で被覆することができる。
【００２０】
図３Ａ〜図３Ｉは本発明の充填バイアと金属ラインを形成する代替的方法を示す図である。
【００２１】
図３Ａ〜図３Ｃに示されるステップは図２Ａ〜図２Ｃと同じものである。アルミニウム薄層３０を除去せずにライナ／バリヤ層４２を図３Ｄに示されるように充填バイア２４上に堆積させ、第２アルミニウム層４４を図３Ｅに示されるようにその上に堆積させる。このアルミニウム層４４はＣＶＤ又はスパッタリングによって堆積させることができる。図３Ｆに示されるようにフォトレジスト層が堆積、パターン形成されてフォトレジストライン４６が形成される。このフォトレジストライン４６も充填バイア２４と幾分ミスアラインメントしている。アルミニウム層４４はアルミニウムライン４８を形成するために塩素系化学を用いて異方性エッチングされる。このエッチングは図３Ｇで示されるようにライナ／バリヤ層４２で止まる。次に図３Ｈに示されるようにライナ／バリヤ層４２をアルミニウム層３０まで異方性エッチングしてライン５０を形成する。
【００２２】
基板２２の上面２７上に残存しているアルミニウム層３０は注意深く制御された低エッチング速度法とフッ素系化学を用いてエッチングされて薄いライン５２を形成する。図３Ｉに示されるようにアルミニウムライン４８と５２は充填バイア２４と完全に整列していないが、ボイドを含んでいない。最後に、フォトレジストライン４６が除去される。
【００２３】
アルミニウムラインの下にライナ−バリヤ層を用いることにより、異なったエッチング化学がアルミニウムラインをエッチングしかつライナ−バリヤラインをエッチングすることを可能にする。後者のエッチングは充填バイアからアルミニウムを除去しないように制御することができる。基板の表面上に残存しているアルミニウムをエッチングする場合、非常に薄層であるので高速エッチングの塩素系エッチング剤よりフッ素系エッチング剤を用いることにより低エッチング速度でエッチングすることができる。
【００２４】
本発明を個々の方法ステップによって記載してきたが、当業者は既知である材料の種類や処理の可変部分を変動させることができる。このように本発明は前述の特許請求の範囲の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１Ａ〜図１Ｃは従来の方法を用いた充填バイアとアルミニウムラインの断面図である。この方法は充填バイア中にボイドを生じる。
【図２】
図２Ａ〜図２Ｈはアルミニウム充填バイア上にアルミニウムを形成するが充填バイア中のボイドの形成を回避している本発明の方法の実施形態の方法のステップを示している断面図である。
【図３】
図３Ａ〜図３Ｉはアルミニウム充填バイア上にアルミニウムを形成するが充填バイア中のボイドの形成を回避している本発明の方法の他の実施形態の方法のステップを示している断面図である。
【符号の説明】
１２…酸化シリコン基板、１４…バイア、１６…アルミニウム層、１８…フォトレジスト層、２０…アルミニウムライン、２１…ボイド又は開口、２２…基板、２４…バイア、２６…バリヤ層、２７…上面、２８…壁、３０…アルミニウム層、３４…第２アルミニウム層、３６…フォトレジストライン、３８…アルミニウムライン、４０…バリヤライン、４２…ライナ／バリヤ層、４４…第２アルミニウム層、４６フォトレジストライン、４８…アルミニウムライン、５０…ライン、５２…薄いライン。

Claims (13)

1. 誘電体基板においてアルミニウム充填バイア上にアルミニウムラインを形成する方法であって、
   ａ）該基板においてバイアを形成するステップと、
   ｂ）該バイアと該基板の表面上にコンフォーマルライナ−バリヤ層を堆積させるステップと、
   ｃ）該バイアを部分的に充填する、該基板の表面上にアルミニウム層を堆積させるステップと、
   ｄ）該基板を減圧下に約３５０〜５００℃の温度まで加熱して該アルミニウム層を該バイアの中に拡散させるとともに充填するステップと、
   ｅ）充填した該バイア上に厚いアルミニウム層を堆積させるステップと、
   ｆ）該アルミニウム層上にフォトレジストラインを形成するステップと、
   ｇ）該アルミニウム層を異方性エッチングしてアルミニウムラインを形成するステップと、
   ｈ）該フォトレジストを除去するステップと
   を含む、前記方法。
2. ステップｄ）後に該基板の上面上に残存している該アルミニウムをエッチングし、該アルミニウム層を堆積させる前にライナ−バリヤ層を堆積させ、ステップｇ）後に、充填した該バイアからアルミニウムを除去せずに該ライナ−バリヤ層を異方性エッチングする、請求項１記載の方法。
3. ライナ−バリヤ層をステップｃ）後の該基板の上面上に残存している該アルミニウム上に堆積させ、該ライナ−バリヤを異方性エッチングして該アルミニウムラインの下にラインを形成し、充填した該バイアからアルミニウムを除去せずに残存している該アルミニウム層をエッチングする、請求項１記載の方法。
4. ステップｃ）の該アルミニウム層をアルミニウム化合物から化学気相成長によって堆積させる、請求項１記載の方法。
5. ステップｃ）での圧力が約０．２〜３０ミリトールである、請求項１記載の方法。
6. アルミニウムを塩素系化学作用を用いてエッチングする、請求項２記載の方法。
7. 該ライナ−バリヤを、フッ素系化学作用を用いてエッチングする、請求項１記載の方法。
8. 残存している該アルミニウム層をフッ素系化学作用を用いてエッチングする、請求項３記載の方法。
9. 金属充填バイア上にアルミニウムラインを形成する方法であって、次の工程：
   ａ）バイアを含む基板上に化学気相成長によって厚さが約４００〜１０００オングストロームのアルミニウム層を堆積させ該バイアを部分的に充填するステップと、
   ｂ）該バイアをアルミニウムで充填するために約０．２〜３０ミリトールの圧力下で約３５０〜５００℃の温度に加熱することにより該基板をアニールするステップと、
   ｃ）該基板の表面上に残存している該アルミニウムを除去するステップと、
   ｄ）該基板と充填した該バイア上にライナ−バリヤ誘電層を堆積させるステップと、
   ｅ）アルミニウム層を堆積させるステップと、
   ｆ）該アルミニウム層をエッチングして、充填したバイア上にアルミニウムラインを形成させるステップと、
   ｇ）該ライナ／バリヤ層を該基板までエッチングするステップと
   を含む、前記方法。
10. ステップｃ）における該アルミニウムをエッチングによって除去する、請求項８記載の方法。
11. ステップｃ）における該アルミニウムを機械化学的研磨によって除去する、請求項９記載の方法。
12. 誘電体基板においてアルミニウム充填バイア上にアルミニウムラインを堆積させる方法であって、
    ａ）前記基板においてバイアを形成するステップと、
    ｂ）前記基板上に厚さが約４００〜１０００オングストロームのアルミニウム層を堆積させるステップと、
    ｃ）約０．２〜３０ミリトールの圧力下に約３５０〜５００℃の温度で前記基板をアニールして前記バイアをアルミニウムで充填するステップと、
    ｄ）前記基板上にライナ−バリヤ層を堆積させるステップと、
    ｅ）前記ライナ−バリヤ層上にアルミニウム層を堆積させるステップと、
    ｆ）前記アルミニウム層を異方性エッチングすることによりアルミニウムラインを形成するステップと、
    ｇ）該ライナ−バリヤ層をステップｆ）に用いられたものと異なったエッチング化学作用を用いて該ライナ−バリヤ層を異方性エッチングするステップと、
    ｈ）該基板の表面上の下にある該アルミニウムをステップｇ）のエッチング剤でエッチングし続けるステップと
    を含む、前記方法。
13. アルミニウムラインと充填バイアとの間のミスアラインメントを補償することができる、基板におけるアルミニウム充填バイア上にアルミニウムラインを形成する方法であって、
    該基板上にライナ−バリヤ層とアルミニウム層を交互に堆積させるステップと、該アルミニウム充填バイアにボイドを形成しない該アルミニウム層と該ライナ−バリヤ層をエッチングするために異なった異方性エッチング剤を用いるステップとを含む、前記方法。