JP2818804B2 - 半導体集積装置の接続用回路パターンの形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＶＬＳＩ装置の製造のバ
リヤ金属技術の分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層回路装置は、単結晶シリコン基板の
ような基板表面に導電体や絶縁体のパターン化された接
続用回路の層を形成する半導体処理技術で形成される。
半導体基板に形成された装置は金属層によって互いに接
続される。金属層は、相互接続、抵抗接続および金属／
半導体間整流接点に用いるための金属又は他の導電薄層
の回路パターンである。この金属層にはアルミニウムを
用いるのが一般的であるが、金、白金その他の金属を用
いることもできる。さらに導電路を形成するために多結
晶シリコンをも用いることができる。

【０００３】相互接続金属層又は接点層としてアルミニ
ウムを用いるのはいくつかの欠点がある。例えば、シリ
コン基板に形成された能動装置の電極領域への電気的接
触材としてアルミニウムを用いると、アルミニウムとシ
リコンとに相互拡散が生じる。これによって、ドープさ
れた領域と基板との間に形成される領域の下、すなわち
ソース又はドレイン領域の下のシリコン基板にアルミニ
ウムが移動する。その結果装置を短絡させる。そのう
え、アルミニウムに対してシリコンは相対的に固体溶解
度が高いので、装置製造過程のその後の高温によってア
ルミニウムの中にシリコンがとけ込んでゆく。また、シ
リコン基板の中にアルミニウムが増加し、シリコン基板
にアルミニウムのスパイクが生じる。このアルミニウム
のスパイクがシリコン基板のＰ−Ｎ接合を通過し、Ｐ−
Ｎ接合を破壊する。

【０００４】装置の幾何学的大きさがサブミクロンのレ
ベルまで低下すると接点、相互接続の問題はより敏感に
なる。そのような好ましくない現象には高接触抵抗、浅
い接合による品位低下およびアルミニウムの移動を含
む。これらの問題を解決するために従来はバリヤ金属を
用いた相互接続回路が用いられていた。

【０００５】アルミニウムの移動を減少させるための従
来の一つの方法は、アルミニウム層とシリコン基板との
間にチタニウム・タングステン（ＴｉＷ）のようなバリ
ヤ層を形成させることであった。このチタニウム・タン
グステン合金はＰ−Ｎ接合を短絡するアルミニウムのス
パイクの形成を妨げる。

【０００６】従来は、ＴｉＷは金属接点とシリコン層と
の間のバリヤ層として用いられていた。ＴｉＷは金属の
Ｎ＋−ウエルへの良（低）接触抵抗を与えるには効果的
であるが、金属のＰ＋−ウエルへの接触抵抗を高く保つ
ので矛盾する。そのうえアルミニウムはＴｉＷ粒界を通
って移動することができるので、ＴｉＷ層は接合スパイ
クを完全に除去することはできず、装置の動作を低下さ
せる。

【０００７】低抵抗のアルミニウム接点についての従来
の技術がデキスト（Ｄｉｘｉｔ）の米国特許第４，８８
４，１２３号に開示されている。ここにはチタニウム
層、そのチタニウム層の上に形成させたバリヤ層および
バリヤ層の上に形成させた導電層を有する低抵抗接点が
記載されている。このデキスト特許ではＴｉ層とＴｉＷ
層とがシリコン基板の上に形成されている。タングステ
ンやモリブデンの他の付加的な層はＴｉＷ層とアルミニ
ウム層との間に形成される。デキストの技法はＴｉ／Ｔ
ｉＷ／Ｗ／Ａｌアーキテクチャである。

【０００８】接点アーキテクチャに関する他の従来技術
は米国特許第４，９２７，５０５号のシャーマ（Ｓｈａ
ｒｍａ）の特許に開示されている。シャーマはチタニウ
ム−タングステン−窒化物／チタニウム−タングステン
／金（ＴｉＷＮ／ＴｉＷ／Ａｕ）パッケージング相互接
続金属化技法を提示している。

【０００９】米国特許第４，７０２，９６７号のブラッ
ク（Ｂｌａｃｋ）の特許はＴｉ／ＴｉＷ／Ａｕ接触技法
について述べており、米国特許第４，７８２，３８０号
のシャンカー（Ｓｈａｎｋｅｒ）特許にはバリヤ金属／
導電体／バリヤ金属／Ａｌ技法である多層導電体相互接
触が記載されている。これらの従来の接触アーキテクチ
ャ技法の欠点はこれらの技法を実施する上での処理の複
雑さである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は低および一定な接触抵抗値を備えたＶＬＳＩ装置の
相互接続回路の形成方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の相互接続回路は
シリコンの表面にＴｉＷ金属バリヤだけでなくＴｉ金属
バリヤ層を付着させることで形成されている。Ｔｉ／Ｔ
ｉＷ／Ａｌ金属サンドイッチ構造の異方性エッチングプ
ロセスが腐食や金属残留物がない状態で行われる。Ｔｉ
Ｗ層とシリコン表面との間へのＴｉ層の挿入は金属とＰ
＋シリコン接点との間の接点抵抗を減少させる。このＴ
ｉ層によってＴｉＷの粒界を通してシリコン表面へ移動
するアルミニウムをブロックすることが効果的に行うこ
とができる。金属とＰ＋接点の良い接点抵抗を実現する
ために本発明はシリコンの表面凝集を改善するプラズマ
・モード・エッチを採用している。このプラズマ・モー
ド・エッチは前のエッチングによってできたシリコンの
損傷を取り除く。本発明においては詳細なエッチング処
理が腐食や金属残留物を避けるようになされた。

【００１２】

【実施例】アルミニウムの侵入を防止し、低電気接点抵
抗を与える相互接続回路について説明する。以下の説明
においてアルミニウム層の厚み数値やバリヤの厚み数値
などの詳細を述べるが、当業者には分かるように、それ
らは本発明のよりよい理解のためのものであり、そのよ
うな詳細がなくても本発明は実施可能である。また、本
発明の説明を不必要に複雑にすることのないように、周
知の事項については記述を省略してある。

【００１３】本発明の相互接続回路は、サブミクロンの
レベルの集積回路の技術分野において特に有用である。
相互接続の製造性および機能性に関する問題点は、集積
回路のデバイス密度の増大とともに多くなる。問題点に
は、電気移動（ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ、金
属における電流の影響下での質量移動）および金属のス
テップ状の被着が含まれる。

【００１４】半導体装置の寸法が小さくなるにつれて、
アルミニウム中の電流密度が高くなる。高電流密度によ
り、電気移動に起因したデバイス故障が発生し得る。電
気移動は、電子から正の金属イオンへのモーメントの移
動（ｔｒａｎｓｆｅｒ）により生じる。集積回路におい
て薄い金属導体中を高電流が通ると、ある領域には金属
イオンが集中し、他の領域には金属イオンの欠けた部分
が形成される。金属イオンの集中は隣接する導体相互間
でショートを生じさせ、金属イオンの欠けは回路切断を
生じさせる。考慮すべき他の問題は、アニール処理中に
生じることがある、シリコン基板中へのアルミニウムの
スパイクである。

【００１５】本発明の説明に入る前に従来の技術につい
て記述する。これらの好ましくない事項を解決する従来
の１つの方法は、アルミニウムとシリコン基板との間に
バリヤ層を加えることであった。しかし、そのバリヤ層
は、次の要求を満たしていなければならない。（１）バ
リヤ層がシリコンと低接点抵抗を形成すること。（２）
バリヤ層がアルミニウムと反応しないこと。（３）バリ
ヤ層の付着と形成が製造の全プロセスとともに成立する
ものであること。窒化チタニウム（ＴｉＮ）やチタニウ
ムタングステン（ＴｉＷ）のようなバリヤ金属が評価さ
れ、接触アニール温度に対して安定であることが判明し
ている。

【００１６】図１Ａないし図１Ｄに、従来技術における
回路パターンの構成およびその形成方法が例示されてい
る。第１Ａ図には、トランジスタ，ダイオードのような
デバイス１２が形成されたシリコン基板を含む半導体１
０の断面が示されている。ソースまたはドレイン（Ｓ／
Ｄ）のウエル１１が領域１２内に形成されている。この
ウエル１１の表面の一部を接点領域として使用する。ウ
エル１１は第１のドーパントタイプであり、領域１２は
第２のドーパントタイプであろ。第１の絶縁層１４が半
導体１０上に形成される。絶縁層１４は、好ましくは、
２酸化シリコンのフィールドオキサイド（Ｆｏｘ）から
成る。そのフィールドオキサイドの厚みは通常５０００
オングストロームである。フィールドオキサイドは、所
望の接点領域にわたっている窒化マスクを用いて付着さ
れる。それから、そのような絶縁層は、通常９００℃で
２０分間アニールされる。

【００１７】次に図１Ｂを参照して、ホウリン酸ケイ酸
塩ガラス（ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ
ｇｌａｓｓ，ＢＰＳＧ）の第２の絶縁層１６が、第１の
絶縁層１４および半導体１０上に付着される。このＢＰ
ＳＧ層１６は、通常６０００〜１００００オングストロ
ームの厚みであり、熱的に稠密にされる。ＢＰＳＧ層１
６は、第１の絶縁層１４を完全に覆うがウエル１１上の
接点領域を開口するように、パターン化される。接点領
域の開口のために、ウエットまたはドライの接点エッチ
ング法を用いてＢＰＳＧ層がエッチングされる。部分的
に貫通させるために、先ず、ウエット緩衝オキサイドエ
ッチング（ｗｅｔ ｂｕｆｆｅｒｅｄｏｘｉｄｅ ｅｔ
ｃｈ）が用いられる。それから、エッチングはリアクテ
ィブ・イオン・エッチャーで完了させられる。かかるエ
ッチング法を用いる理由は、ＢＰＳＧ層の表面層に十分
な丸みを持たせ、（Ｓ／Ｄ）ウエル１１へと下がる垂直
で十分な側壁を得るためである。この方法により、改良
されたステップ状の被着が得られる。ここで用いられる
ＢＰＳＧの組成は典型的にはボロン２−５％およびリン
酸２−５％である。

【００１８】ＢＰＳＧは３成分オキサイド系Ｂ２Ｏ３−
Ｐ２Ｏ５−ＳｉＯ２であり、分離とパシベーションおよ
び表面平滑化に有用である。接点リフロー（ｃｏｎｔａ
ｃｔｒｅｆｌｏｗ）のプロセスにより、プロセスでの使
用において、リンケイ酸ガラス（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌ
ｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）のような他の材料よりも、Ｂ
ＰＳＧはより魅力的な材料となる。異方性エッチングの
後では、接点孔は鋭い上部角部を有するので、充填され
難くなる。第２の熱的フローのサイクルでその鋭い角部
に、有効に丸みを持たせることにより、それに続く金属
箔による接点の付着域（ｃｏｎｔａｃｔ ｃｏｖｅｒａ
ｇｅ）が大幅に改善される。接点領域において使用され
るＢＰＳＧにより、より滑らかな表面の形状が生成さ
れ、それにより、その後で付着される金属箔のステップ
の被着が可能とされる。フローはＢＰＳＧの組成に依存
するので、基板の全域にわたるドーパントの均一性を正
確に制御することが、均一なフローとその結果として得
られる接点の寸法の制御を確実にするために必要であ
る。ＢＰＳＧは、種々の異なるＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｏｎ）プロセスにより付
着させることができる。

【００１９】図１Ｃにおいて、接点開口にチタニウムタ
ングステン（ＴｉＷ）層２０が形成される。ＴｉＷ層２
０は、Ｐ＋ウエル１１およびＢＰＳＧ層１６の上に付着
される。 次に、アルミニウム層２２がＴｉＷ層２０上
に形成され、Ｐ＋ウエル１１に対する相互接続層として
働く。前述した如く、ＴｉＷ層２０により、金属と接点
との抵抗が減少されるが、アルミニウムはなおＴｉＷの
粒界を通して移動できるから、接続部スパイクを防止す
ることにはならない。

【００２０】図２に本発明による接点の構成を示す。本
発明のプロセスにおける最初のステップは、従来の方法
の図１のＡおよびＢと同様である。図１ＡおよびＢと相
違する点は、図１Ａのステップの後に、接点領域に対し
て２００〜３００オングストロームのシリコンエッチン
グが採用されることである。これは、接点表面からおお
よそ４００オングストローム下においてボロンの密度の
ピークが通常は見られるので、金属とＰ＋の接点抵抗の
抵抗値を下げるために行われる。＄図２Ａを参照する
と、チタニウム（Ｔｉ）１８の薄いバリヤ層が、ＢＰＳ
Ｇ層１６およびウエル１１上の接点領域に付着されてい
る。好ましい実施例においては、Ｔｉ層はおおよそ２５
０オングストローム厚であり、ヴァリアン（ｖａｒｉａ
ｎ）３２９０のようなスパッタリング・システムにより
接点領域に付着される。実施に際して、Ｔｉ層は、連続
層の形成に充分な厚みを持つべきであるが、シリコン中
に応力による破面および転移（ｓｔｒｅｓｓ ｆｒａｃ
ｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）を生じさ
せる程に厚くすべきではない。２００〜５００オングス
トロームの範囲のＴｉ層が使用される。Ｔｉ層は、シリ
コン基板の表面に接着する点で極めて優れている。これ
は、続いて行われる、薄いケイ珪素化合物層の形成のた
めの熱処理中に、Ｔｉ層がシリコンと反応するからであ
る。２５０オングストロームのＴｉ層を接点に付加する
ことにより、金属とＰ＋の接点抵抗の抵抗値の確実な低
下の達成も促進される。Ｔｉ層は、Ｐ＋の接点抵抗の効
果的な減少に加えて、Ｎ＋接点の低抵抗も維持される。
ＴｉＷのバリヤは、Ｔｉ層に結合されると、その特性が
著しく改善される。なぜなら、ＴｉＷの粒界を通しての
シリコン表面へのアルミニウムの移動をＴｉ層により阻
止することが、効果的に改善されるからである。

【００２１】図２Ｂに示されるように、薄いＴｉ層上に
チタニウムタングステン（ＴｉＷ）２０が全面に付着さ
れる。この実施例ではチタニウムタングステンが使用さ
れているが、窒化チタニウムを含む他のバリヤ層も利用
できる。１０％のＴｉを含むＴｉＷ層が、この実施例の
最も典型的なバリヤの組成である。ＴｉＷ層の厚みは約
１０００オングストロームであり、このバリヤ金属は、
金属とＮ＋の接点および金属とポリシリコンの接点に対
して、極めて優れた接点抵抗を呈する。ＴｉＷの薄層
は、Ｔｉ層と異なって大変に等方性（ｃｏｎｆｏｒｍａ
ｌ）であり、ステップ状の被着の実現を確保する。図２
Ｃは、約６５００オングストロームのアルミニウム２２
がＴｉＷ層に付着されて、完成した相互接続回路用金属
層が完成する。アルミニウムとＴｉＷ層はＴｉ層ととも
に、ヴァリアン３２９０スパッタリング・システムによ
って１サイクルの一連のステップで付着される。

【００２２】バリヤ金属層であるサンドイッチ（Ｔｉ／
ＴｉＷ／Ａｌ）の付着が終わると、そのＴｉ／ＴｉＷ／
Ａｌのサンドイッチに対して十分に異方性のエッチング
プロセスが適用される。所望の接続回路用のフォトレジ
ストをパターン化した後において、エッチングプロセス
の第１のステップとして自然酸化物のエッチングが、ア
ルミニウムの自然酸化物を突き破るために行われる。こ
の自然酸化物のエッチングでは、ＢＣ１３およびＣ１２
が、高直流バイアス（２２０Ｖ）下、２５ｍｔｏｒｒ
で、約２．５分間使用される。

【００２３】第２のステップはアルミニウム本来のエッ
チングで、アルミニウム薄層の主たるエッチャントとし
ては塩素が用いられる。ＢＣ１３も、優れたスカベンジ
ャーであるから、塩化物の揮発の促進に使用される。小
量のフレオン２３が、エッチング操作中にアルミニウム
の側壁にポリマーを形成させるために使用され、それが
腐食の制御に著しく役立つ。より高い直流バイアスと低
い気圧という条件が異方性の達成のために用いられる。
エッチングプロセスのこの第２のステップが（検出器に
よりアルミニウムのエッチングの終りが合図されること
により）終了点に自動的に至る時点では、ウエハのＴｉ
Ｗ薄層上のアルミニウムは殆ど除去されている。エッチ
ングされる不均一性と形状とに起因する残留金属ストリ
ンガーの全てを除去するために、アルミニウムをオーバ
ー・エッチングする第３のステップが行われる。ウエハ
上に残されたアルミニウム薄層の量は最小にされている
から、塩素反応種（ｃｈｌｏｒｉｎｅ ｒｅａｔｉｖｅ
ｓｐｅｃｉｅｓ）の正味必要量も減少している。それ
故、小量の塩素が使用される。これにより、過剰な塩素
反応種に起因する腐食を避けることができる。ＢＣ１３
および小量のフレオン２３もこのオーバー・エッチング
において用いられる。

【００２４】エッチングプロセスの第４のステップは、
チタニウムタングステンおよびチタニウム層のエッチン
グである。タングステン塩化物に比べてタングステンフ
ッ化物がより揮発性であるので、ＴｉＷのエッチングに
はフレオン１４が使用される。より高い直流バイアスと
低い気圧という条件が、アルミニウムに関連する異方性
の達成のために用いられる。強いイオン照射が薄いチタ
ニウム層のスパッタ・エッチングに役立つ。

【００２５】エッチングプロセスの第５のステップは、
チタニウムのオーバー・エッチングである。チタニウム
・ストリンガーの除去のためにＣ１２が使用される。チ
タニウム塩化物はより揮発性だからである。このオーバ
ー・エッチングではＢＣ１３およびフレオン１４も使用
される。チタニウムのオーバー・エッチングの後で、湿
分に関連した腐食の回避のための、側壁のポリマー形成
をさらにするのに、パシベーション・エッチングが必要
とされる。フレオン２３がこのパシベーション・エッチ
ングに用いられる。

【００２６】ＴｉＷ上のＡｌおよび酸化層上のＴｉＷに
対して終了点が自動的に得られる。さらに、ＴｉＷはア
ルミニウムに対して極めて優れたエッチング・バリヤで
あり、必要なだけのオーバー・エッチングをすることが
できる。

【００２７】図３Ａおよび図３Ｂは、金属とＮ＋の接点
抵抗、および、金属とＰ＋の接点抵抗を、３つの相異な
る相互接続構造について示すグラフである。これらの図
には、それぞれ２つの別のケース（ケルビン（Ｋｅｌｖ
ｉｎ）・ケースと接点ストリング（（Ｃｏｎｔａｃｔ
Ｓｔｒｉｎｇ）・ケース）が示されている。接点ストリ
ング・ケースは、接点の直列配列の総計の接点抵抗を示
す。グラフの結果は相互接続された接点の組合せの総計
の抵抗を表す。接点抵抗の決定に好ましいやり方である
ケルビン・ケースは、単一の接点の抵抗を示す。２つの
グラフから、Ｔｉ／ＴｉＷ／Ａｌバリヤのものだけが、
Ｎ＋シリコン領域およびＰ＋シリコン領域の双方に対し
て低い（１００オーム未満）の接点抵抗を呈することが
分かる。チタニウム層は、ＴｉＷ／Ａｌの相互接続のも
のに付加されてもＮ＋接点抵抗には何の効果も与えない
から、ＴｉＷ／Ａｌの相互接続のものに付加されるとＰ
＋領域に対する接点抵抗を著しく安定化し減少させる。

【００２８】図４は、３つの異なる相互接続構造（Ａ
ｌ、 ＴｉＷ／Ａｌ、 Ｔｉ／ＴｉＷ／Ａｌ）における
ジャンクション・リーケイジの大きさを示す。Ｔｉ／Ｔ
ｉＷ／Ａｌの相互接続システムのジャンクション・リー
ケイジが、ピコアンペア（ｐｉｃｏａｍｐｓ）のオーダ
ーであって、他の相互接続システムに比べてより低くよ
り一致した値であることが示されている。ＴｉＷ／Ａｌ
が４５０℃に３０分以上置かれると不安定になること
は、当業者には知られている。ＴｉＷは、４５０℃でＡ
ｌと反応し始め、金属シート抵抗値の２５％増大から確
認できるように、ＴｉＡｌ３およびＷＡｌ１２なる化合
物を形成する。４５０℃において、アルミニウムもま
た、ＴｉＷの粒界を通して移動を開始する。本発明によ
り付加される薄いチタニウム層は、アルミニウムがシリ
コンへ移動することを効果的に阻止するのである。以
上、金属接点について説明した。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明方法によればチタニ
ウム層を形成させたその上にバリヤ層および金属層を形
成させたので、チタニウム層によってアルミニウムがシ
リコンに侵入するのを防ぐことができ、そのうえシリコ
ンと金属との接点抵抗を減少させることができる。しか
も、Ｔｉ／ＴｉＷ／Ａｌメタルサンドイッチ構造の異方
性エッチングは腐食およびメタル残留物を生じません。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の金属バリヤ処理技法を図示した断面図で
ある。

【図２】本発明の金属バリヤ処理方法を図示した断面
図。

【図３】従来技術と本発明とで得られる装置の接点抵抗
値を示すグラフである。

【図４】従来技術と本発明とで得られた装置の接合リー
ク値を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 半導体基板 １１ ウエル １２ 領域 １４ 第１絶縁層 １６ ケイ酸ガラス １８ Ｔｉ層 ２０ ＴｉＷ層 ２２ アルミニウム層

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電タイプの半導体基板に第２導電
   タイプの埋込層を形成する工程と、 上記埋込層にインプラントして上記第１導電タイプを有
   すると共にその表面の一部が接点領域となるウエルを形
   成する工程と、 上記接点領域にマスクして上記半導体基板上に第１酸化
   物層を形成する工程と、 上記マスクを除去したしたのち、上記接点領域をエッチ
   ングする工程と、 上記半導体基板上にケイ酸ガラス層を形成したのち、上
   記接点領域上のこのケイ酸ガラス層をエッチングで除去
   する工程と、 上記半導体基板上にチタニウム（Ｔｉ）層を形成する工
   程と、 上記チタニウム層上に金属バリヤを形成する工程と、 上記金属バリヤ上にアルミニウム層を形成する工程と、 接続用回路パターンを形成するため上記アルミニウム層
   と金属バリヤとチタニウム層の３層をエッチングする工
   程と、 から成る半導体集積装置の接続用回路パターン形成方法
   において、 上記３層をエッチングする工程は、 アルミニウム層上の天然酸化物を除去する天然酸化物エ
   ッチングステップと、塩素、ＢＣｌ _３ およびフレオン−
   ２３を用いてアルミニウム層をエッチングするステップ
   と、 アルミニウムのオーバーエッチングステッブと、 フレオン−１４を用いて金属バリヤをエッチングするス
   テップと、 フレオン−１４，ＢＣｌ _３ およびＣｌ _２ を用いてＴｉス
   トリンガーを除去するためＴｉ層をオーバーエッチング
   するステップと、 腐食を防止するためのフレオン−２３を用いてパシベー
   ションエッチングするステップと、 から構成されることを特徴とする半導体集積装置の接続
   用回路パターンの形成方法。