JP2516307B2 - 耐熱金属でキャップした低抵抗率の導体構造およびその形成方法 - Google Patents
耐熱金属でキャップした低抵抗率の導体構造およびその形成方法Info
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Description
どの基板上の回路および関連するパッケージを相互接続
する導線およびバイアを有する回路装置及び製造方法に
関し、より詳細には、物理的蒸着すなわち物理的気相成
長(PVD)による低抵抗率金属の付着と化学的蒸着す
なわち化学的気相成長(CVD)による耐熱金属の付着
を組み合わせて使用して、基板内のシームまたはホール
を充填する低コストの方法に関する。本発明は特に、サ
ブミクロン回路の製造に適用される。
それらの二元合金および三元合金は、半導体製造におけ
る細線相互接続として広く使用されている。細線相互接
続金属の典型例には、AlxCuy(xとyの合計が1に
等しく、xとyが共に0以上で1以下)や、Al−Pd
−Cu、AL−Pd−Nb、Al−Cu−Siなどの三
元合金、ならびにその他の類似の低抵抗率金属をベース
とする合金がある。今日、超大規模集積(VLSI)回
路製造においては、線幅寸法を小さくすることに力が注
がれているため、不十分な分離、電気移動、および平面
化など、信頼性の面で問題が生じている。
Vol.33, NO.5, pp.217〜218(1990年10月)所載
のアーン(Ahn)他の論文には、水素の存在中でWF6と
SiH4の混合物を使用した選択的付着によって製造さ
れた、タングステンで包まれた銅導線およびバイア・ホ
ールを開示している。上記論文のようなカプセル封じさ
れた相互接続は、電気移動に対する抵抗力がかなり高
く、選択的なタングステン被膜の粒径が小さいため、反
射率が下がり、それによって、フォトレジスト・イメー
ジを集束し解像するフォトリソグラフィ・ツールの能力
が改善される。しかし、上記論文に記載された、低温を
使用して形成されたタングステン層はシリコンを豊富に
含有しており(たとえば、3〜4%)、ケイ化銅の形成
によって銅の抵抗率が低下するため、銅に対する良好な
拡散障壁とならない。したがって、低温で選択的手段に
よって拡散障壁を付着するのは困難である。さらに、ア
ーン他の技術は、通常は気体を放出する水分とWF6の
反応によって形成される、線の底部でのドーナツ形状の
形成に依拠している。ドーナツ形状の形成は信頼性に欠
けると考えられている。
e, pp.289〜292(1990年6月12〜13日)におい
て、WF6のSiH4還元またはH2還元を伴うホット・
ウォールCVD反応によってアルミニウムまたは合金の
導体上に選択的タングステン層を形成すると、アルミニ
ウムとタングステンの界面でフッ素が取り込まれること
を指摘している。このフッ素の取込みは、式1で示すW
F6とアルミニウムの反応の副産物である。
W フッ化アルミニウムの薄い層は、金属1のバイアと金属
2のバイアの間の直列接触抵抗を増大させる。ドルトン
は、CVDを使用したタングステンのカプセル封じの前
に、アルミニウムの上面にTiW膜をスパッタすると、
フッ素吸着の問題が解決されると報告している。
ウムを付着し、スパッタしたTiW層で保護被覆してか
ら(従来の加工との唯一の違い)、フォトレジストによ
る結像および現像、続いて反応性イオン・エッチング
(RIE)によってアルミニウムをパターン化する、相
互接続形成のための従来の方式を開示している。次に、
このようにして形成された構造をSiO2やポリイミド
などの不動態化誘電体で保護被覆する。不動態化誘電体
自体をその後、パターン化し、RIEを施し、メタライ
ズして、多層構造を形成する。図1はドルトンの論文か
ら転載したものであり、従来の加工方式で作成された多
層デバイスが、誘電層中の、金属導線の位置にシームが
あり、上面が非常に不規則であることを示している。
難である。平面性は一部には、パターン密度に依存し、
表面が平面でないと、以後のメタライゼーション中にパ
ドリングの問題が発生する。ポリイミド上でRIE技術
を使用する場合、アルミニウムまたは銅をベースとする
導線をポリイミド表面までエッチングする際、導線の上
面からフォトレジストを除去するのにエッチ・ストップ
が必要である。これは、フォトレジスト除去工程でポリ
イミドも除去されてしまうからである。銅含有率の高い
アルミニウム合金または銅合金のRIEはきわめて困難
である。金属RIEを含む従来の方法の重大な欠点は、
微細形状をもつ場合に粒子の欠陥により多数の金属短絡
が発生しがちなことである。
SIメタライゼーション構造における段間誘電体バイア
または接点ホールを充填する方法を開示している。具体
的には、タングステンやモリブデンなどの中間金属を、
CVDによって絶縁体中の開口部に選択的に付着し、あ
るいは表面全体および絶縁体の開口部に非選択的に付着
し、次に、中間金属の上面に、アゾキノンノヴォラック
型レジスト、ポリメタクリレート、ポリイミド、または
他の熱可塑性材料などの平面化レジストを付着する。次
に、中間金属がレジストと同一平面になるレベルまでエ
ッチングすることにより、平面化構造が得られる。米国
特許第4824802号の方法では、エッチングに伴う
金属腐食その他の問題を回避できない。また、Al−C
uや他の軟質合金は、タングステンやモリブデンなどの
硬質金属と異なる特性を持つため、これらの軟質合金の
平面化にはこの方法は役に立たない。さらに、米国特許
第4824802号の方法を使用して、バイアおよび導
線を完全に充填することは困難である。
共平面の金属/絶縁体膜を形成するのに使用できる化学
機械式研磨技術を開示している。具体的には、米国特許
第4944836号では、下にある絶縁層をパターン化
し、Al−Cu膜を付着してから、希硝酸に溶かしたア
ルミナ・スラリで表面を機械的にこすってAl−Cuを
除去する、化学機械式研磨技術を使用することを考えて
いる。この研磨用コンパウンドは、Al−Cuの除去率
が下の絶縁体よりもかなり高くなる傾向がある。得られ
る構造は、絶縁層で平面化されたAl−Cu線を備えて
おり、多層構造を製造する際に後続の層が容易に付加で
きる。
の第1の不動態化層の上面にAl−Cu合金線をパター
ン化し、Al−Cu合金線の輪郭と共形の、好ましくは
リンケイ酸ガラス(PSG)やホウリンケイ酸ガラス
(BPSG)などのドープ・ガラスである第2の不動態
層で線を保護被覆した後、第2の不動態層中にバイアを
形成して線を剥き出しにし、CVDによって第2の不動
態化層の表面上およびバイア内にタングステンを付着す
る、バイア充填および平面化技術が開示されている。こ
の特許では、CVDタングステンが共形となる特徴をも
ち、空隙を形成せずにバイアを充填できることが報告さ
れている。この構造は次に、研磨スラリによる研磨で平
面化される。
313号も、Al−Cu合金などの低抵抗率の軟質金属
には研磨が実用的でないことを認識していない。これ
は、スラリのために、このような金属の表面にひっかき
傷がついたり、表面が汚れたり、腐食する傾向があるか
らである。さらに、第4956313号による平面化構
造では、複数の加工段階が必要であり、コストが上昇し
生産高が低下する。
Sci. Technol. 2:261(1991年3月/4月)に所載
の論文で、リフトオフ・パターン化技術およびホール充
填に適合する被膜を付着するためのコリメート・マグネ
トロン・スパッタ付着技術を開示している。この技術
は、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第4
824544号でも提示されている。
nference on Solid State Devicesand Materialsに所載
の論文で、MoSixなどの高抵抗率の硬質金属の上面
のホールを充填するために選択的タングステン付着を使
用することを開示している。これは、軟質金属のカプセ
ル封じとは無関係である。
歩留りの高い方法を使って、サブミクロン・スケールで
基板上の回路を相互接続する、低コストで、耐食性およ
び耐摩耗性があり、電気移動の少ない電気導体を有する
回路装置を提供することである。
に、サブミクロン回路の製造に特に適した、カプセル封
じされた微細電気導線を低コストで形成する方法を提供
することである。
る耐摩耗性の硬質キャップを備えた、低抵抗率の導線ま
たはバイアを有する回路装置を提供することである。
プセル封じされたPVD低抵抗率金属から形成された独
特な相互接続線を有する回路装置を提供することであ
る。
D付着する前に、耐熱金属、またはその合金もしくは化
合物から形成されたバイアまたは相互接続線中にライナ
を設ける段階を含む、高縦横比のバイアまたは相互接続
線におけるCVDタングステンの接着を促進する方法を
提供することである。
および耐摩耗性があり、電気移動が少ない電気導体をも
たらし、加工歩留りの高い、簡単で費用効果の高い技術
が実現される。本発明の回路装置は、基板と、上記基板
上に形成された誘電体層と、上記基板表面を露出するよ
うに上記誘電体層に形成された開口部と、上記誘電体層
の表面と同一平面にある高さから上記基板に向かって延
び、上記誘電体層の開口部中に形成された導電体とを備
え、上記導電体が、耐熱金属または耐熱金属の合金によ
りカプセル封止された低抵抗率の金属または合金であ
り、上記低抵抗率の金属または合金が、上記誘電体層の
上記表面と同じ高さの上記導電体の上記表面に向かって
相互に互いに近づくように傾斜した側壁を有し、上記耐
熱金属または耐熱金属の合金が不均一な傾斜組成で存在
し、上記基板に近い位置よりも、上記導電体の上記表面
付近の位置の方が、上記耐熱金属または耐熱金属の合金
に取り込まれたシリコンの含有量が多い。そして、上記
耐熱金属または耐熱金属の合金が、チタン、タングステ
ン、タンタル、クロム、ならびにそれらの合金から成る
群から選ばれる。そして、上記低抵抗率の金属または合
金の少なくとも一部分と、上記耐熱金属または耐熱金属
の合金との間に位置する導電性接着層を備える。そし
て、上記接着層が、チタン、タングステン、クロム、タ
ンタル、ならびにそれらの合金から成る群から選ばれ
る。集積回路基板上の誘電体層に形成された開口部内
に、銅または銅を含む合金を充填する本発明の方法は、 (a)方向性付着が支配的になる1ミリトルよりも低い
圧力で、コリメータを介して、上記開口部の底部に耐熱
金属または耐熱金属の合金の第1層をスパッタリングす
る工程と、 (b)散乱付着が支配的になる1ミリトルよりも高い圧
力で、コリメータを介して、上記第1層の上及び上記開
口部の側壁に耐熱金属または耐熱金属の合金の第2層を
スパッタリングする工程と、 (c)上記第2層で内側が覆われた上記開口部内に上記
銅または銅の合金を充填する工程とを含む。集積回路基
板上の誘電体層に形成された開口部内に、導電体を充填
する本発明の方法は、 (a)方向性付着が支配的になる1ミリトルよりも低い
圧力で、コリメータを介して、上記開口部の底部に耐熱
金属または耐熱金属の合金の第1層をスパッタリングす
る工程と、 (b)散乱付着が支配的になる1ミリトルよりも高い圧
力で、コリメータを介して、上記第1層の上及び上記開
口部の側壁に耐熱金属または耐熱金属の合金の第2層を
スパッタリングする工程と、 (c)上記導電体を、上記第2層で内側が覆われた上記
開口部のうち、上記誘電体の上面よりも低い高さまで充
填する工程と、 (d)上記開口部の残部に耐熱金属または耐熱金属の合
金を充填する工程とを含む。そして、上記工程(d)
は、WF6のSiH4還元によるタングステンの化学蒸着
により、上記開口部の残部にタングステンを充填する。
そして、上記SiH4とWF6の比は、上記タングステン
の上面の近くでSiの含有量が多くなるように変化され
る。
が、耐食性および耐摩耗性があり電気移動が少ない比較
的硬質の耐熱金属でキャップされた軟質で低抵抗率の金
属を含み、かつバイアおよび導線が基板上に被覆された
誘電層と同一平面になっている、金属で充填したバイア
および導線を基板上に形成する方法に関するものであ
る。使用するPVD付着技術に応じて、図2ないし6、
図9ないし13、および図19ないし20に関して説明
する手順に従って、複数の異なる新規な構造が形成され
る。技術および形成される構造は、特定の基板および誘
電体オーバーレイの使用だけに限定されない(たとえ
ば、図2ないし6および図14ないし18に示すような
無機層と有機層の複合体も、単層無機絶縁体材料または
有機絶縁体材料と同様に使用できる)ことに留意された
い。さらに、本発明は特定の金属の組合せだけに限定さ
れるものではない。そうではなく、本発明の目的は、耐
摩耗性および耐食性があり、電気移動が少ない硬質耐熱
金属で軟質低抵抗率金属または合金を上張りすることで
ある。本発明は特に、アルミニウムおよび銅の合金を使
用する電気システムに関している。というのは、サブミ
クロン級のバイアおよびトレンチにおいて、耐熱金属ラ
イナ材料の均一な共形被覆がPVDコリメート・スパッ
タリングによって確実な高縦横比充填で付着できること
が分かったからである。耐熱金属ライナは、以後の加工
中、銅に対する有効な拡散障壁として働く。
れる誘電体で基板10を被覆する。基板10は、シリコ
ン、ガリウムヒ素または集積回路の製作に適した他の材
料であることが好ましい。しかし、基板10はセラミッ
ク、ガラス、または半導体をパッケージし、薄膜相互接
続を形成するのに一般に使用される複合材料でもよい。
基板10には、電界効果トランジスタ(FET)、バイ
ポーラ・トランジスタ、抵抗体、ショットキー・ダイオ
ードなどを含めて、複数の半導体デバイスを形成するこ
とが好ましい。図7ないし8、図9ないし13、図14
ないし18、図19ないし20、図21の各図に示す基
板10は、上述の属性のみならず、当技術分野で既知の
他の多数の属性を持つことができることに留意された
い。
層11および上部無機誘電層13を備えており、これら
の誘電層は二酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン
(Si3N4)などでよい。下部無機誘電層11および上
部無機誘電層13は共に、まず導電性基板10上に90
トルでSiO2を付着し、可動イオン拡散に対する障壁
としてSi3N4(0.075〜0.1μm)を形成す
る、プラズマ強化化学蒸着(PECVD)法を使用して
付着することが好ましい。下部無機誘電層11と上部無
機誘電層13の間にポリイミドなどのより厚い有機誘電
層12を付着する。下部無機誘電層11、有機誘電層1
2、および上部無機誘電層13で形成される誘電性複合
体の代わりに、SiO2、リンケイ酸ガラス、ホウリン
ケイ酸ガラスなどの無機誘電体、またはポリイミドなど
の有機誘電体の単層も使用でき、これらは酸化雰囲気中
での成長、スパッタリング、PECVDなど周知のいく
つかの技術により付着できる。図2ないし6および図1
4ないし18は複合体構造を使用するステップを示し、
図7ないし8、図9ないし13、および図19ないし2
0は単一無機層もしくは単一誘電層を使用するステップ
を示しているが、この誘電層(たとえば、無機もしくは
有機)は本発明の実施を制限するものではなく、本発明
を実施する際に、どんな誘電体も単独もしくは組合せで
使用できることに留意されたい。
部14を示している。この開口部は導線用のバイアまた
はトレンチとすることができる。VLSIの応用例で
は、基板10上または基板10内に形成された高密度の
複雑なパターンが回路を最終的に相互接続する、図2に
示すような数百ないし数千の開口部14が基板10にあ
る可能性が高い。開口部14は、まずコントラスト強化
リソグラフィ(CEL)を使用し、次にマルチウェーハ
・ツールによりCHF3およびO2を使って最適のオーバ
ーエッチでトレンチまたはホールのエッチングを行っ
て、開口部14が所望の寸法をもち、基板10の表面上
の接点まで延びて、バイア・スタッド・パターンを形成
するようにすることが好ましい。導線パターンの場合、
誘電層は、使用する金属厚さより約10%高い深さまで
部分的にエッチングすることが好ましい。ポリイミド1
2をエッチングする際は、低温でのO2 RIEが好ま
しい。図2ないし6、図9ないし13、図14ないし1
8、図19ないし20に示す開口部14の形成が当技術
分野で周知であり、多数の異なる技術で形成できること
に留意されたい。
イスのない平坦な基板10とは対照的に、図7および8
に示すようなデバイス18が開始基板10上に形成され
ている場合、開口部22の形成前に、デバイス18上に
被覆された絶縁体20を平面化しておく必要がある。平
面化は、RIE、化学機械式研磨、RIEと化学機械式
研磨の組合せ、または他の手段で行うことができる。
上部無機誘電層13上、および開口部14の底部で剥き
出しになった基板10上に付着された耐熱金属層15を
有する、本発明の第1の実施例である。この平面パター
ン化構造は、図2に示す構造、もしくは図8に示す構
造、または被覆された誘電体中に開口部14が形成され
た他の構造とすることができる。これは、マイセル(Ma
issel)およびグレン(Glen)編 Handbook of Thin Fil
m Technology(McGraw-Hill Co., 1983年、pp.1〜1
00)にもっともよく記載されているPVD技術を使用し
て実施する。この時点でPVDを使用することの重要な
特徴は、耐熱金属層15が誘電体中の開口部14の側壁
を被覆しないことである。本発明を実施する際に、米国
特許第4824544号に記載されたものと類似のPV
Dコリメート・スパッタリングが使用できるが、コリメ
ート・スパッタリングでは、図3とは対照的に、開口部
14の側壁を被覆する共形層が形成されることに留意さ
れたい。コリメート・スパッタリングによる耐熱金属ラ
イナの形成については、後で詳述する。耐熱金属は、チ
タン(Ti)、Ti/TiNなどのチタン合金または化
合物、タングステン(W)、チタン/タングステン(T
i/W)合金、またはクロム(Cr)もしくはタンタル
(Ta)およびそれらの合金、あるいは導電性酸化物、
それらの窒化物、ケイ化物のような他の適切な材料とす
ることができる。銅をベースとする線またはバイアを形
成する場合、銅の拡散障壁として働くことができる耐熱
金属を使用して、開口部14に付着された銅が後続の加
工中に基板10中に拡散しないようにする必要がある。
属層15上に単一、二元または三元メタライゼーション
16を付着する。この場合も、蒸発を使用するため、開
口部14の側壁は被覆されない。しかし、コリメート・
スパッタリングによって、メタライゼーション16を付
着することもできることに留意されたい。ただし、この
場合は、開口部14内および誘電スタックの上面におけ
るメタライゼーションの共形被覆が形成される。メタラ
イゼーションはAlxCuyであることが好ましい。ここ
で、xとyの合計は1に等しく、xとyは共に0以上、
1以下である。ただし、Al−Pd−Cuなどの三元合
金やAl−Pd−Nb−Auなどの多成分合金も適して
いる。メタライゼーション16の主要な特徴は、耐熱金
属層15に比べて低抵抗率で軟質の材料であることであ
る。線パターンまたは段間バイア・パターンを表す開口
部14は、線またはバイアの表面から100〜400n
mの深さまでメタライゼーション16で充填することが
好ましい。図9ないし13、図14ないし18、図19
ないし20に示すメタライゼーション16は、上記と同
じ種類のものであることに留意されたい。
タンタル、コバルト、ニッケル、モリブデン、またはT
i/TiNなどの合金または化合物のような耐熱金属1
7を構造上に付着するステップを示している。耐熱金属
17の付着には、1段階CVD、または図9ないし13
でもっともよく説明される2段階プロセスを用いること
ができる。2段階プロセスでは、第1段階でチタンや窒
化チタンなどの接着促進化合物のコリメート・スパッタ
リングなどによって共形ブランケット被覆を形成し、第
2段階で、タングステンの薄いCVD層を付着して共形
度を高める。耐熱金属のCVD付着には、WF6のSi
H4還元またはH2還元を用いることが好ましい。特に好
ましいCVD手順では、WF6のSiH4還元の後にWF
6のH2還元を行う。これは、TiN層上では、タングス
テンのCVDがWF6のSiH4還元によって円滑に進行
するが、H2還元によってはそうでないためである。耐
熱金属17は、開口部14中の下部軟質低抵抗率メタラ
イゼーション16に、耐摩耗性および耐食性を有し電気
移動の少ない被覆を提供する。CVDと、WF6のSi
H4還元を併用することの具体的な利点は、SiH4とW
F6の比率を様々に変えて、タングステンに取り込むシ
リコンの量を変化させれば、有利な特性が得られること
である。たとえば、誘電体の開口部14を充填する際
に、SiH4とWF6の比率を0.5:1にして耐熱金属
17を付着すると、低抵抗率耐熱金属が得られるので好
ましい。しかし、誘電体の上面に向かっては、SiH4
とWF6の比率を2.0:1にして付着すると、シリコ
ンの取込み量が増え、耐摩耗性が向上するので好まし
い。上述のCVD技術を使用すると、シリコンでドープ
したタングステンを耐摩耗性被覆または研磨ストップと
して使用できる(たとえば、このタングステンは化学機
械式研磨で使用される、硝酸第二鉄に混ぜたアルミナ・
スラリに対する抵抗力が高い)。蒸着によって付着され
るメタライゼーション16は開口部14の側壁を被覆し
ないので、耐熱金属17をCVD付着すると、メタライ
ゼーション16の周りにテーパ付き側壁ができ、メタラ
イゼーション16は、耐熱金属17および下部耐熱金属
層15中に完全にカプセル封じされる。
付着した後に構造を平面化して、硬質耐摩耗性耐熱金属
17中にカプセル封じされた中心の軟質低抵抗率メタラ
イゼーション16を備える、2部分からなる導電バイア
または線が、基板10上の誘電性複合体の上面と同一平
面にある上面を持つ、構造を形成するステップを示して
いる。希釈硝酸第二鉄に混ぜたアルミナなどのスラリに
よる化学機械式研磨、またはSF6もしくはCl2をベー
スとする薬品の存在中でのRIEによって、1段階また
は2段階で平面化を行うことができる。化学機械式研磨
を使用する場合、スラリは、スタック上のさまざまな金
属層を除去できるように選択できる。たとえば、希釈硝
酸第二鉄スラリに混ぜたアルミナを使って銅の上面のT
i/TiN/Wを除去でき、さらにアルミナなしのスラ
リに切り換えて、残りの銅を除去できる。耐熱金属17
をRIEで除去し、続いて上部の有機層または無機層上
の残りのメタライゼーション16および残りの耐熱金属
17を化学機械式に研磨することも可能である。可能な
特定の平面化手順としては、化学機械式研磨、あるいは
SF6もしくはCl2をベースとする薬品によるRIEに
よって、タングステン耐熱金属17を、図5に示すよう
にAl−Cu合金メタライゼーション16の表面まで除
去してから、タングステンをマスクとして使って、Al
−Cu CVD層をエッチングし、最後に誘電体層13
の表面上の残った耐熱金属層15を研磨するか、ウェッ
ト・エッチングするか、あるいはCl2中でRIEエッ
チングして、図6に示す構造を得る方法がある。
を示している。ここでは、上述の諸要素と同じ要素は、
各図で同じ数字で示してある。図9に示すように、基板
10上に形成された無機または有機誘電層22中に形成
された開口部14に銅メタライゼーション16が付着さ
れている。図9に示す構造と図3に示す構造との主要な
違いは、銅メタライゼーションを付着する前に、コリメ
ート・スパッタリングによって、無機または有機誘電層
22の表面上と開口部14内に、チタン、窒化チタン
(TiN)、タングステン、タンタル、クロム、または
それらの合金や化合物などの耐熱金属の薄いライナ層2
4が付着されることである。
グは、リフトオフ手順について述べた米国特許第482
4544号に全般的に記載されている。本発明では、方
向性付着が支配的になる低圧ではなく、散乱が支配的に
なる高圧でコリメート・スパッタリングを使用すると、
高縦横比のサブミクロン・レベルのトレンチまたはバイ
ア内に共形被覆を形成できる(たとえば、側壁と基部が
共に被覆される)ことが分かった。縦横比とは一般に、
トレンチの場合は高さと幅、バイアの場合は高さと直径
の比を指す。縦横比が2より大きなトレンチおよびバイ
アは一般に、縦横比が高いとみなされる。コリメート・
スパッタリングでは、圧力が1ミリトルより高い(好ま
しくは約3ミリトル)と散乱が支配的になる傾向があ
り、1ミリトルより低いと方向性付着が支配的になる。
コリメート・スパッタリングについては、後で、図14
ないし18および図19に関してより詳しく述べる。
び側壁を耐熱金属24で完全に被覆することは、銅をベ
ースとする合金のメタライゼーション16を使用すると
き特に重要である。なぜなら、銅は、拡散障壁が設けら
れていない場合、以後の高温加工中に基板10中に拡散
して、デバイスを破壊するからである。蒸発もしくはコ
リメート・スパッタリング、またはその他の技術を使用
し、PVDにより銅メタライゼーション16を付着でき
る。高縦横比のサブミクロン級のホールを充填する際、
従来のCVD技術では、アルミニウムおよび銅をベース
とする合金でホールをうまく充填できなかった。したが
って、充填のための好ましい方法として、PVD技術を
用いる。
着を促進するため、銅メタライゼーション16表面上に
チタン、タングステン、Ti/TiN、タンタル、また
はクロムを付着する。次に、WF6のSiH4還元または
H2還元によるCVDでタングステンなどの耐熱金属層
17を付着すると、図10に示す構造が得られる。上述
のとおり、CVD中にSiH4とWF6の比率を変える
と、耐熱金属層15の上面付近に、シリコンを取り込ん
だより硬質でより耐摩耗性の高いタングステン層が都合
よく形成できる。薄い界面層26は、下部の銅メタライ
ゼーション16を腐食しないものを選ぶ必要がある。耐
熱金属24と17は異なる材料にすることができる。
タングステンを平面化するステップを示しており、図1
2はウェット・エッチングで銅を選択的に除去するステ
ップを示している。銅線または銅合金線を形成する際に
は、過酸化水素(H2O2)および四酸化水素(H2O4)
をベースとするウェット・エッチ溶液を使って銅を平面
化するのが好都合である。室温では、この種の溶液はタ
ングステンまたは誘電体をエッチングしないが、誘電体
より上の位置にある銅はすべてエッチングによって除去
する。これは、このような銅がウェット・エッチ溶液か
ら保護されないためである(たとえば、室温において、
H2O2はほぼ無限の選択性を持つ)。図13は、ウェッ
ト・エッチ後、RIE、研磨、またはその他の技術によ
り耐熱金属17(タングステン)を選択的に除去できる
ことを示している。耐熱金属層24の表面より上に突き
出したタングステン耐熱金属17を除去するための好ま
しい方法は、硝酸第二鉄スラリに混ぜたアルミナなどに
よる化学機械式研磨を用いるものである。タングステン
は、比較的硬質の材料なので、化学機械式研磨を受けて
もひっかき傷がついたり腐食したりしない。上述の3段
階法ではなく、化学機械式研磨を使用して1段階で、タ
ングステン耐熱金属17、界面層26の接着促進材、お
よび絶縁層22の表面より上の位置にある銅メタライゼ
ーション16を除去することが好ましいこともある。
実施例を示す。ここで、同じ数字は同じ要素を示してい
る。図14は、参照によって本明細書に組み込まれる、
J. Vac. Sci. Technol. 2:261(1991年3月/4
月)に所載のロスナーゲル(Rossnagel)らの論文およ
び米国特許第4824544号に記載されたようなコリ
メート・スパッタリングを使用して、メタライゼーショ
ンの前に、開口部14に完全にまたは部分的に共形的に
耐熱金属ライナ28を付着するステップを示している。
コリメート・スパッタリングでは、耐熱金属原子は、
0.5ミリトルより高い圧力のとき、深さと面積の縦横
比が1より大きな蜂の巣形構造を通過する。表1に、ラ
イナ付着に使用した条件を示す。
トルから15ミリトルまで、電力は0.5kWから12
kWまで変化させた。表1は明らかに、コリメーション
を使用しないとステップ被覆度が悪いことを示してい
る。より高い圧力(たとえば、3ミリトル)と、縦横比
が少なくとも1:1のコリメータを使用して、7:8を
上回る縦横比のバイアまたは接点をTi/TiN二重層
またはTi/W二重層で被覆したところ、ステップ被覆
度が、底部では40%を超え、側壁では30%を上回っ
た。これは、半導体製造業者が、高縦横比のトレンチま
たはバイア内に、CVDタングステンの接着を促進する
共形層を形成できるようになるので、当技術分野におい
て大きな進歩である。さらに、以下に詳述するとおり、
TiNまたは他の適切な材料の共形層を形成すると、銅
をベースとする合金に対する有効な拡散障壁が得られ
る。上述のように、トレンチまたはバイアの側壁および
底部を完全に被覆するには、方向性付着が支配的になる
低圧ではなく、散乱付着が支配的になる(たとえば、1
ミリトルより高い)圧力を使用する必要がある。
Nをその場で付着する場合、チタン・ターゲットの存在
下でN2プラズマをアルゴンと共に使用した。このライ
ナは、接着力を改善し、下部基板上のCVDタングステ
ンの腐食を防止できる。コリメータの縦横比が増すと、
ライナの共形度が上がる。
するとき、拡散障壁として機能できる頑丈なライナが必
要である。耐熱ライナ(たとえば、Ta、Ti/TiN
やTi/Wなど)の低圧コリメーションによって、誘電
体の開口部14の側壁に多孔性構造が形成された。この
多孔性構造を防止し、側壁に高密度の構造を形成するた
め、2段階コリメーション・プロセスを使用した。具体
的には、第1段階で、0.8ミリトルより低い圧力で薄
いライナを付着し、60%を超える底部被覆率を、第2
段階では、圧力をその場で3ミリトルから4ミリトルに
高めて、同じコリメータを使用して側壁上に高密度のマ
イクロ構造を得た。本発明以前には、特に低温で高縦横
比のサブミクロン・ホール中にライナを形成する手段は
なかった。CVD耐熱金属17または低抵抗率軟質金属
の拡散障壁としてTi/W二重層ライナを使用した場合
も、Ti/TiN二重層ライナを使用した場合も、結果
は同様であった。
において、図3ないし6および図9ないし13に示すス
テップと類似のステップを使用することを示している。
図9の場合と同様、図15は、耐熱金属ライナの上面と
開口部14の底部に、PVD蒸着によりTi、Cr、T
a、Ti/Wなどの接着促進層26を付着することを示
している。図3の場合と同様、図15は、PVD蒸着技
術により、誘電体の表面から100〜400nm下のレ
ベルまでAl−Cu合金またはその他のメタライゼーシ
ョン16を付着するステップを示している。図16は、
タングステンまたはその他の耐熱金属の共形層を付着す
ることにより低抵抗率メタライゼーション16をキャッ
プするステップ、図17は、RIEもしくは研磨などに
よりタングステンを平面化するステップ、図18は、図
11および図12に示すように、H2O2によるアルミニ
ウム銅合金の2段階ウェット・エッチングを施し、続い
てタングステンの化学機械式研磨を施して構造を平面化
するか、あるいは1段階のRIEもしくは化学機械式研
磨により単に平面化するステップを示す。1段階の化学
機械式研磨では、タングステン研磨に使用するものと同
様のスラリが使用できる。図6に示す構造と同様、図1
8に示す構造は、テーパ付き耐熱金属17領域がある低
抵抗率メタライゼーション16をカプセル封じするCV
D耐熱金属17を有する。耐熱金属28と17は異なる
材料にすることができる。
実施例を示す。ここで、同じ要素は同じ数字で示してあ
る。図19に示すように、共形の好ましくは耐熱金属の
ライナ/拡散障壁層28と、共形AlxCuy(x+y=
1、0≦x≦1、0≦y≦1)または他の適切な低抵抗
率合金もしくはメタライゼーション16の層を共に、P
VDコリメート・スパッタリング手順によって基板10
上の有機または無機誘電層22の開口部に付着する。次
に、CVDによりタングステン、チタン、タンタルなど
の耐熱金属17キャッピング層を付着し、構造をブラン
ケット被覆する。図20は、次にRIE、化学機械式研
磨、またはその他の技術を使用して構造を平面化するス
テップを示している。図20の構造と図18の構造を比
較すると、バイアまたは線の形状が全く異なることが分
かる。どちらの構造も、耐熱金属17でキャップされた
低抵抗率メタライゼーション16を備えているが、2つ
のメタライゼーションはおそらく異なる環境で機能す
る。
ャップした線で実験を行った。実験では、線の長さを1
3.5cmから50cmまで変化させ、チップの面積を
1.6mm2近くとした。金属ピッチは1μmから2μ
mまで変化させた。充填したホールの縦横比は2〜8、
線の場合は2〜4とした。表2に、抵抗率試験の結果を
示す。
cmまで変化させ、チップの面積は1.6mm2近くと
した。金属ピッチは1μmから2μmまで変化させた。
充填したホールの縦横比は2〜8、線の場合は2〜4と
した。 b)蒸着実験では、コリメート・スパッタリングでTi
/TiN二重層を付着した。 c)コリメーション縦横比1:1 d)スパッタリング圧力の範囲0.5〜0.8ミリトル 表2の結果は、この新規技術の加工歩留りが非常に良
く、タングステン・キャップが存在しても線抵抗率はそ
れほど影響を受けないことを示している。上記データの
一部は、Al−Cu合金の真下にチタンが存在すると抵
抗率が増すことを示している。これは、界面にTiAl
3が形成されるためである。チタンとアルミニウム銅層
の間にチタンの合金または化合物(たとえばTiN)を
設けると、TiAl3が形成されなくなり、抵抗率が低
く維持される。表2の1番下の項目は、コリメーション
なしのスパッタリングを使用する場合、スパッタリング
は、圧力が低く(たとえば、1ミリトルを下回る)、方
向性付着が卓越する条件で行う必要があることを示して
いる。
でH2O2またはH2O4を使ってRIEまたはウェット・
エッチを行うと、キャッピング層の厚さを最低限にする
うえで好都合であると予想される。耐熱金属の層が厚い
と、キャパシタンスが増大し、好ましくない。研磨後の
ウェット・エッチ手順またはRIE手順(たとえばSF
6エッチング)が可能になるため、半導体設計者は、耐
熱金属の厚い層を使用して、化学機械式研磨の際下部の
低抵抗率Al−Cu線またはバイアを最大限に保護で
き、しかも次に余分な耐熱金属を除去することにより、
上部に耐熱金属がほとんどない構造を形成できる。たと
えば、厚さ500〜600nmの耐熱層を付着し、これ
を使って研磨による損傷から保護し、次にウェット・エ
ッチングまたはRIEにより耐熱金属層を50nmの厚
さまで縮小することができる。
あるタングステンでキャップしたAlxCuy合金線があ
る上面を備えた、1つの多レベル半導体デバイスの例を
示している。上記で詳述したように、CVDタングステ
ンを含むバイアまたはトレンチは、接着を促進するた
め、コリメート・スパッタリングで形成したTiNライ
ナ層を備えることが好ましい。本発明の実施の範囲内で
他の多数の半導体デバイスも製造できる。
あり、電気移動が少ない電気導体をもたらす、加工歩留
りの高い、簡単で費用効果の高い技術が提供される。も
っとも重要な点として、この技術では、最初に平面状表
面だけで付着を行うので、厄介な誘電体平面化ステップ
が必要でない。
基板の横断面図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
絶縁体で保護被覆したデバイスを備えた基板の横断面図
である。
絶縁体で保護被覆したデバイスを備えた基板の横断面図
である。
面図である。
断面図である。
断面図である。
断面図である。
断面図である。
板の横断面図である。
板の横断面図である。
板の横断面図である。
板の横断面図である。
板の横断面図である。
板の横断面図である。
板の横断面図である。
キャップした典型的な多レベル埋込み構造の断面図であ
る。
Claims (8)
- 【請求項1】基板と、 上記基板上に形成された誘電体層と、 上記基板表面を露出するように上記誘電体層に形成され
た開口部と、 上記誘電体層の表面と同一平面にある高さから上記基板
に向かって延び、上記誘電体層の開口部中に形成された
導電体とを備え、 上記導電体が、耐熱金属または耐熱金属の合金によりカ
プセル封止された低抵抗率の金属または合金であり、上
記低抵抗率の金属または合金が、上記誘電体層の上記表
面と同じ高さの上記導電体の上記表面に向かって相互に
互いに近づくように傾斜した側壁を有し、 上記耐熱金属または耐熱金属の合金が不均一な傾斜組成
で存在し、上記基板に近い位置よりも、上記導電体の上
記表面付近の位置の方が、上記耐熱金属または耐熱金属
の合金に取り込まれたシリコンの含有量が多いことを特
徴とする、回路装置。 - 【請求項2】上記耐熱金属または耐熱金属の合金が、チ
タン、タングステン、タンタル、クロム、ならびにそれ
らの合金から成る群から選ばれることを特徴とする、請
求項1に記載の回路装置。 - 【請求項3】上記低抵抗率の金属または合金の少なくと
も一部分と、上記耐熱金属または耐熱金属の合金との間
に位置する導電性接着層を備えることを特徴とする、請
求項1に記載の回路装置。 - 【請求項4】上記接着層が、チタン、タングステン、ク
ロム、タンタル、ならびにそれらの合金から成る群から
選ばれることを特徴とする、請求項3に記載の回路装
置。 - 【請求項5】集積回路基板上の誘電体層に形成された開
口部内に、銅または銅を含む合金を充填する方法におい
て、 (a)方向性付着が支配的になる1ミリトルよりも低い
圧力で、コリメータを介して、上記開口部の底部に耐熱
金属または耐熱金属の合金の第1層をスパッタリングす
る工程と、 (b)散乱付着が支配的になる1ミリトルよりも高い圧
力で、コリメータを介して、上記第1層の上及び上記開
口部の側壁に耐熱金属または耐熱金属の合金の第2層を
スパッタリングする工程と、 (c)上記第2層で内側が覆われた上記開口部内に上記
銅または銅の合金を充填する工程とを含む上記方法。 - 【請求項6】集積回路基板上の誘電体層に形成された開
口部内に、導電体を充填する方法において、 (a)方向性付着が支配的になる1ミリトルよりも低い
圧力で、コリメータを介して、上記開口部の底部に耐熱
金属または耐熱金属の合金の第1層をスパッタリングす
る工程と、 (b)散乱付着が支配的になる1ミリトルよりも高い圧
力で、コリメータを介して、上記第1層の上及び上記開
口部の側壁に耐熱金属または耐熱金属の合金の第2層を
スパッタリングする工程と、 (c)上記導電体を、上記第2層で内側が覆われた上記
開口部のうち、上記誘電体の上面よりも低い高さまで充
填する工程と、 (d)上記開口部の残部に耐熱金属または耐熱金属の合
金を充填する工程とを含む上記方法。 - 【請求項7】上記工程(d)は、WF6のSiH4還元に
よるタングステンの化学蒸着により、上記開口部の残部
にタングステンを充填することを特徴とする請求項6に
記載の方法。 - 【請求項8】上記SiH4とWF6の比は、上記タングス
テンの上面の近くでSiの含有量が多くなるように変化
されることを特徴とする請求項7に記載の方法。
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