JP2989408B2 - 基板に埋込み金属を形成する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、全般的には、半導体な
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の製造に関し、より詳細には、硬
質保護耐熱金属でキャップした軟質低抵抗率金属を有す
る導線およびバイアを製造する方法に関する。本発明は
特に、サブミクロン回路の製造に適用される。
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【０００２】
【従来の技術】アルミニウムや銅などの低抵抗率の金属
と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−Ｐ
ｄ−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、平面化な
ど、信頼性の面で問題が生じている。
と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−Ｐ
ｄ−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、平面化な
ど、信頼性の面で問題が生じている。
【０００３】ＩＢＭ Technical Disclosure Bulletin、
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ＳｉＨ
4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、フォトリソグラフィ・ツールのフ
ォトレジスト・イメージを集束し解像する能力が改善さ
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が難しい。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。
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ＳｉＨ
4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、フォトリソグラフィ・ツールのフ
ォトレジスト・イメージを集束し解像する能力が改善さ
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が難しい。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。
【０００４】ドルトン（Dalton）他は、VMIC Conferenc
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Ｃ
ＶＤ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ＷＦ6とアル
ミニウムの反応の副産物である。 式１ ＷＦ6 ＋ ２Ａｌ → ２ＡｌＦ3 ＋ 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。
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Ｃ
ＶＤ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ＷＦ6とアル
ミニウムの反応の副産物である。 式１ ＷＦ6 ＋ ２Ａｌ → ２ＡｌＦ3 ＋ 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。
【０００５】ドルトンは、まず平面状表面上にアルミニ
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。
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。
【０００６】ＲＩＥによって誘電体を平面化するのは難
しい。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に、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。
しい。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に、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。
【０００７】米国特許第４８２４８０２号は、多段ＶＬ
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
ッチングすると、平面化構造が得られる。米国特許第４
８２４８０２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−Ｃｕ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４８２
４８０２号の方法を使用してバイアおよび導線を完全に
充填することは難しい。
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
ッチングすると、平面化構造が得られる。米国特許第４
８２４８０２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−Ｃｕ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４８２
４８０２号の方法を使用してバイアおよび導線を完全に
充填することは難しい。
【０００８】米国特許第４９４４８３６号は、基板上に
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。
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。
【０００９】米国特許第４９５６３１３号には、基板上
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。
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。
【００１０】米国特許第４９４４８３６号も第４９５６
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。
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。
【００１１】ロスナーゲル（Rossnagel）他は、J. Vac.
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。
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。
【００１２】シオザキ他は、Abstracts of the 19th Co
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。
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。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、半導
体基板上に金属埋込み構造を形成するための改良された
方法を提供することである。
体基板上に金属埋込み構造を形成するための改良された
方法を提供することである。
【００１４】本発明の目的は、導線またはバイアが低抵
抗率の金属と耐摩耗性耐熱金属を共に含み、耐熱金属が
低抵抗率金属の保護キャップとして働く、埋込み導線お
よびバイアを基板上に製造する方法を提供することであ
る。
抗率の金属と耐摩耗性耐熱金属を共に含み、耐熱金属が
低抵抗率金属の保護キャップとして働く、埋込み導線お
よびバイアを基板上に製造する方法を提供することであ
る。
【００１５】本発明の別の目的は、タングステンでキャ
ップした金属線およびバイアを形成する方法を提供する
ことである。
ップした金属線およびバイアを形成する方法を提供する
ことである。
【００１６】本発明の別の目的は、基板中の高縦横比の
トレンチまたはホールを部分的に充填するための改良さ
れた方法を提供することである。
トレンチまたはホールを部分的に充填するための改良さ
れた方法を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、低抵抗
率金属の下層および耐摩耗性耐熱金属の上層から成る導
線およびバイアが、平坦な埋込み構造として製造され、
その際、厄介な誘電体平面化段階は必要でない。化学機
械式研磨による平面化に伴うひっかき傷、過剰エッチン
グ、および腐食の問題は、研磨の前に、部分的に充填さ
れたトレンチまたはバイアの上面に相対的に硬質の金属
キャップを設けることによって解決される。基板内の高
縦横比のホール（穴）またはトレンチ（溝）中にアルミ
ニウムなどの軟質金属をコリメート・スパッタリングす
る際に、付着温度を制御すると、比較的平坦な上面を持
つ、部分的に充填されたバイアまたは線が得られる。軟
質金属の付着後、部分的に充填されたバイアまたはトレ
ンチを、ＣＶＤ耐熱金属または他の比較的硬質の金属で
保護被覆できる。ＣＶＤ金属は、他の化学機械式研磨で
は発生する恐れがあるひっかき傷や腐食から下部の軟質
金属を保護する。
率金属の下層および耐摩耗性耐熱金属の上層から成る導
線およびバイアが、平坦な埋込み構造として製造され、
その際、厄介な誘電体平面化段階は必要でない。化学機
械式研磨による平面化に伴うひっかき傷、過剰エッチン
グ、および腐食の問題は、研磨の前に、部分的に充填さ
れたトレンチまたはバイアの上面に相対的に硬質の金属
キャップを設けることによって解決される。基板内の高
縦横比のホール（穴）またはトレンチ（溝）中にアルミ
ニウムなどの軟質金属をコリメート・スパッタリングす
る際に、付着温度を制御すると、比較的平坦な上面を持
つ、部分的に充填されたバイアまたは線が得られる。軟
質金属の付着後、部分的に充填されたバイアまたはトレ
ンチを、ＣＶＤ耐熱金属または他の比較的硬質の金属で
保護被覆できる。ＣＶＤ金属は、他の化学機械式研磨で
は発生する恐れがあるひっかき傷や腐食から下部の軟質
金属を保護する。
【００１８】
【実施例】図面、より詳細には図２および３を参照する
と、基板上に埋込み導線を形成する従来の方法が示され
ている。具体的には、基板上に位置する誘電体１０の開
口部が、メタライゼーション層１２で被覆されている。
このメタライゼーション層１２は、開口部を充填すると
共に誘電体１０の上面を覆う。メタライゼーション層１
２は、ＣＶＤ、スパッタリング、コリメート・スパッタ
リング、浸漬、蒸着、または他の周知の手段で付着でき
る。以下で詳細に説明するように、高縦横比のサブミク
ロン相互接続線を形成するとき、誘電体１０の開口部を
空隙なしで充填するには、コリメート・スパッタリング
・プロセスが好ましい。
と、基板上に埋込み導線を形成する従来の方法が示され
ている。具体的には、基板上に位置する誘電体１０の開
口部が、メタライゼーション層１２で被覆されている。
このメタライゼーション層１２は、開口部を充填すると
共に誘電体１０の上面を覆う。メタライゼーション層１
２は、ＣＶＤ、スパッタリング、コリメート・スパッタ
リング、浸漬、蒸着、または他の周知の手段で付着でき
る。以下で詳細に説明するように、高縦横比のサブミク
ロン相互接続線を形成するとき、誘電体１０の開口部を
空隙なしで充填するには、コリメート・スパッタリング
・プロセスが好ましい。
【００１９】超大規模集積（ＶＬＳＩ）回路の応用例で
は、誘電体１０は、数千の開口部を有し、これらの開口
部は、バイアでも横方向メタライゼーション線でもよ
く、形成されるメタライゼーション・パターンが、基板
上に形成された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、バイ
ポーラ・トランジスタ、ショットキー・ダイオードなど
の構造を相互接続する働きをする。誘電体１０は、二酸
化シリコンや窒化シリコンなどの無機層、ポリイミドな
どの有機層、または無機層と有機層の組合せとすること
ができる。ＶＬＳＩ回路、ならびに数百または数千の線
もしくはバイアを使用して数百もしくは数千の構造を相
互接続する他の応用例では、メタライゼーション層１２
は、アルミニウム、銅、アルミニウム銅合金、Ａｌ−Ｐ
ｄ−ＣｕやＡｌ−Ｐｄ−Ｎｂ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉなどの
三元合金、ならびに他の同様な低抵抗率金属をベースと
する合金を含めて、軟質低抵抗率タイプのものでなけれ
ばならない。高抵抗率金属は、熱を発生させ、相互接続
機能の適切な実施を妨げるので、このような応用例では
使用できない。
は、誘電体１０は、数千の開口部を有し、これらの開口
部は、バイアでも横方向メタライゼーション線でもよ
く、形成されるメタライゼーション・パターンが、基板
上に形成された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、バイ
ポーラ・トランジスタ、ショットキー・ダイオードなど
の構造を相互接続する働きをする。誘電体１０は、二酸
化シリコンや窒化シリコンなどの無機層、ポリイミドな
どの有機層、または無機層と有機層の組合せとすること
ができる。ＶＬＳＩ回路、ならびに数百または数千の線
もしくはバイアを使用して数百もしくは数千の構造を相
互接続する他の応用例では、メタライゼーション層１２
は、アルミニウム、銅、アルミニウム銅合金、Ａｌ−Ｐ
ｄ−ＣｕやＡｌ−Ｐｄ−Ｎｂ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉなどの
三元合金、ならびに他の同様な低抵抗率金属をベースと
する合金を含めて、軟質低抵抗率タイプのものでなけれ
ばならない。高抵抗率金属は、熱を発生させ、相互接続
機能の適切な実施を妨げるので、このような応用例では
使用できない。
【００２０】図３は、メタライゼーション層１２の付着
後、化学機械式研磨手順を使用して構造を平面化できる
ことを示している。上記で指摘したように、参照により
本明細書に組み込んだ米国特許第４９４４８３６号は、
希硝酸に溶かしたアルミニウム・スラリで化学機械式研
磨するか、あるいは他の酸性スラリ（たとえば、硝酸第
二鉄）を使用して、誘電体の表面からメタライゼーショ
ンを除去できることを開示している。化学機械式研磨に
は、金属の除去が一様であり除去が制御できる点でＲＩ
Ｅに比べていくつかの利点がある。しかし、本発明者等
は、図２のメタライゼーション層１２で示すような、ア
ルミニウム、アルミニウム銅合金、または銅をベースと
するメタライゼーション線もしくはバイア上で化学機械
式研磨スラリを使用する際に、特定の欠点があることを
発明した。すなわち、図３にもっともよく示されるよう
に、スラリが誘電体よりも軟質金属の除去に対する選択
性が高く、メタライゼーション層１２の上面１４からの
除去量が多すぎる。アルミニウム銅合金などの軟質低抵
抗率金属の化学機械式研磨に伴うこれよりはるかに重大
な問題は、上面１４がスラリによって容易にひっかかれ
腐食されるため、短絡やその他の問題が生じる可能性が
あることである。
後、化学機械式研磨手順を使用して構造を平面化できる
ことを示している。上記で指摘したように、参照により
本明細書に組み込んだ米国特許第４９４４８３６号は、
希硝酸に溶かしたアルミニウム・スラリで化学機械式研
磨するか、あるいは他の酸性スラリ（たとえば、硝酸第
二鉄）を使用して、誘電体の表面からメタライゼーショ
ンを除去できることを開示している。化学機械式研磨に
は、金属の除去が一様であり除去が制御できる点でＲＩ
Ｅに比べていくつかの利点がある。しかし、本発明者等
は、図２のメタライゼーション層１２で示すような、ア
ルミニウム、アルミニウム銅合金、または銅をベースと
するメタライゼーション線もしくはバイア上で化学機械
式研磨スラリを使用する際に、特定の欠点があることを
発明した。すなわち、図３にもっともよく示されるよう
に、スラリが誘電体よりも軟質金属の除去に対する選択
性が高く、メタライゼーション層１２の上面１４からの
除去量が多すぎる。アルミニウム銅合金などの軟質低抵
抗率金属の化学機械式研磨に伴うこれよりはるかに重大
な問題は、上面１４がスラリによって容易にひっかかれ
腐食されるため、短絡やその他の問題が生じる可能性が
あることである。
【００２１】本発明は特に、構造の平面化に化学機械式
研磨を使用するのが望ましいとき、導線またはバイアの
ひっかき傷、腐食、過剰エッチングという問題を解決す
ることを目的としている。シリコン、ガリウムヒ素、お
よび集積回路を製作するのに適したその他の材料、なら
びにセラミック、ガラス、および半導体のパッケージン
グおよび薄膜相互接続部の形成に一般に使用される複合
材料上に形成された、線およびバイアを備えたあらゆる
種類の基板を平面化するのに、この方法が使用できるこ
とに留意されたい。
研磨を使用するのが望ましいとき、導線またはバイアの
ひっかき傷、腐食、過剰エッチングという問題を解決す
ることを目的としている。シリコン、ガリウムヒ素、お
よび集積回路を製作するのに適したその他の材料、なら
びにセラミック、ガラス、および半導体のパッケージン
グおよび薄膜相互接続部の形成に一般に使用される複合
材料上に形成された、線およびバイアを備えたあらゆる
種類の基板を平面化するのに、この方法が使用できるこ
とに留意されたい。
【００２２】図４ないし６は、本発明で企図する改良点
を示している。具体的には、低抵抗率メタライゼーショ
ン層１２が誘電体１０上に付着され、誘電体１０中の開
口部を部分的に充填し、誘電体１０を被膜している。上
述のように、メタライゼーション層１２の付着は、ＣＶ
Ｄ、スパッタリング、コリメート・スパッタリング、浸
漬、および蒸着を含む多数の周知の方法で行うことがで
きる。本発明の非常に重要な態様は、付着時間の監視な
どによる制御された方式でメタライゼーション層１２が
付着されて、開口部中のメタライゼーションの上面１４
が誘電体１０の上面より下の位置にくるようになること
である。開口部容積の大部分（たとえば、９０％以上）
がメタライゼーション層１２で充填されることが好まし
い。なぜなら、メタライゼーション層１２は、アルミニ
ウム、銅、アルミニウム銅合金などの低抵抗率金属、な
らびにアルミニウムや銅などの元素を含む三元合金およ
び多成分系であり、基板上の多数の構造を相互接続する
という機能を果たすからである。多数の応用例では、誘
電体１０中の開口部は、誘電体の上面から約数百Åない
し数百ｎｍ下のレベルまでメタライゼーションで充填さ
れる。次に、図５にもっともよく示されるように、メタ
ライゼーション層１２上に耐熱金属（タングステン、チ
タン、タンタル、およびＴｉＮなどの合金または化合
物）などの硬質金属層１６を付着する。硬質金属層１６
の付着は、ＣＶＤ、めっき、または他の技術を使用して
行うことができる。図６にもっともよく示されるよう
に、硬質金属層１６を設けると、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技術を使用し
た構造の平面化が可能になる。硬質金属層１６は、化学
機械式研磨中にひっかき傷や腐食から下部の軟質低抵抗
率メタライゼーション層１２を保護するキャップとして
機能する。硬質金属層１６の別の利点は、電気移動を減
少させることである。耐熱金属は硬質で耐摩耗性がある
が、抵抗率が高い。したがって、上記で指摘したとお
り、低抵抗率メタライゼーション層１２でトレンチまた
はバイアの大半を充填し、最小量の硬質金属層１６でト
レンチまたはバイアをキャップすることが好ましい。
を示している。具体的には、低抵抗率メタライゼーショ
ン層１２が誘電体１０上に付着され、誘電体１０中の開
口部を部分的に充填し、誘電体１０を被膜している。上
述のように、メタライゼーション層１２の付着は、ＣＶ
Ｄ、スパッタリング、コリメート・スパッタリング、浸
漬、および蒸着を含む多数の周知の方法で行うことがで
きる。本発明の非常に重要な態様は、付着時間の監視な
どによる制御された方式でメタライゼーション層１２が
付着されて、開口部中のメタライゼーションの上面１４
が誘電体１０の上面より下の位置にくるようになること
である。開口部容積の大部分（たとえば、９０％以上）
がメタライゼーション層１２で充填されることが好まし
い。なぜなら、メタライゼーション層１２は、アルミニ
ウム、銅、アルミニウム銅合金などの低抵抗率金属、な
らびにアルミニウムや銅などの元素を含む三元合金およ
び多成分系であり、基板上の多数の構造を相互接続する
という機能を果たすからである。多数の応用例では、誘
電体１０中の開口部は、誘電体の上面から約数百Åない
し数百ｎｍ下のレベルまでメタライゼーションで充填さ
れる。次に、図５にもっともよく示されるように、メタ
ライゼーション層１２上に耐熱金属（タングステン、チ
タン、タンタル、およびＴｉＮなどの合金または化合
物）などの硬質金属層１６を付着する。硬質金属層１６
の付着は、ＣＶＤ、めっき、または他の技術を使用して
行うことができる。図６にもっともよく示されるよう
に、硬質金属層１６を設けると、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技術を使用し
た構造の平面化が可能になる。硬質金属層１６は、化学
機械式研磨中にひっかき傷や腐食から下部の軟質低抵抗
率メタライゼーション層１２を保護するキャップとして
機能する。硬質金属層１６の別の利点は、電気移動を減
少させることである。耐熱金属は硬質で耐摩耗性がある
が、抵抗率が高い。したがって、上記で指摘したとお
り、低抵抗率メタライゼーション層１２でトレンチまた
はバイアの大半を充填し、最小量の硬質金属層１６でト
レンチまたはバイアをキャップすることが好ましい。
【００２３】高縦横比のサブミクロン・ホールを部分的
に充填するための特に好ましい方法は、コリメート・ス
パッタリングによるものである。縦横比は一般に、トレ
ンチの場合は高さと幅の比率、バイアの場合は高さと直
径の比率を指す。縦横比が２を超えるトレンチおよびバ
イアは、一般に縦横比が高いとみなされる。コリメータ
を使用してスパッタリングされた材料（銅）を付着する
方法の例は、S. M.ロスナーゲル（Rossnagel）らの発
表"Lift-Off Magnetron Sputter Deposition"（America
n Vacuum Society 36th National Symposium、米国マサ
チューセッツ州ボストン、1989年10月23日〜27日、Fina
l Program、p.286（copper deposited on lift-off str
uctures to eliminate sidewall depositions）と、参
照により本明細書に組み込まれた米国特許第４８２４５
４４号に記載されている。要約すると、コリメータは、
高温度でも変形せず、付着すべき材料の原子が通過す
る、蜂の巣状に配設された複数の孔を持つ鋼、または他
の材料の薄い板から構成される。コリメータの温度を制
御すると、コリメート・スパッタリングによって金属が
付着される方式に大きな影響を及ぼせることが分かって
いる。
に充填するための特に好ましい方法は、コリメート・ス
パッタリングによるものである。縦横比は一般に、トレ
ンチの場合は高さと幅の比率、バイアの場合は高さと直
径の比率を指す。縦横比が２を超えるトレンチおよびバ
イアは、一般に縦横比が高いとみなされる。コリメータ
を使用してスパッタリングされた材料（銅）を付着する
方法の例は、S. M.ロスナーゲル（Rossnagel）らの発
表"Lift-Off Magnetron Sputter Deposition"（America
n Vacuum Society 36th National Symposium、米国マサ
チューセッツ州ボストン、1989年10月23日〜27日、Fina
l Program、p.286（copper deposited on lift-off str
uctures to eliminate sidewall depositions）と、参
照により本明細書に組み込まれた米国特許第４８２４５
４４号に記載されている。要約すると、コリメータは、
高温度でも変形せず、付着すべき材料の原子が通過す
る、蜂の巣状に配設された複数の孔を持つ鋼、または他
の材料の薄い板から構成される。コリメータの温度を制
御すると、コリメート・スパッタリングによって金属が
付着される方式に大きな影響を及ぼせることが分かって
いる。
【００２４】図７ないし９は、基板の断面図であり、さ
まざまなスパッタ付着温度で、縦横比が０．７：１（コ
リメータの厚さ：ホールの直径）のコリメータを使用し
た、アルミニウムの付着実験の結果を示している。図７
〜９で表される結果は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確
認された。図７を参照すると、１００℃の付着温度を使
用したとき、開口部の側壁にアルミニウムが見えるよう
になり、わずかなアルミニウムのオーバーハングによる
シャドウ効果のために縁部のアルミニウムが薄くなり、
開口部の底部のメタライゼーションに反りまたはこぶが
生じた。付着温度を上げるにつれて、アルミニウムの充
填が向上した。図８を参照すると、２５０℃の付着温度
を使用したとき、開口部の底部のアルミニウムと、上面
上のアルミニウムに切れ目が生じた。それにもかかわら
ず、開口部の底部ではアルミニウムにある程度の反りが
見られた。図９を参照すると、４００℃の付着温度を使
用したとき、側壁にアルミニウムは見えず、開口部の底
部におけるアルミニウムの反りは最小限になった。
まざまなスパッタ付着温度で、縦横比が０．７：１（コ
リメータの厚さ：ホールの直径）のコリメータを使用し
た、アルミニウムの付着実験の結果を示している。図７
〜９で表される結果は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で確
認された。図７を参照すると、１００℃の付着温度を使
用したとき、開口部の側壁にアルミニウムが見えるよう
になり、わずかなアルミニウムのオーバーハングによる
シャドウ効果のために縁部のアルミニウムが薄くなり、
開口部の底部のメタライゼーションに反りまたはこぶが
生じた。付着温度を上げるにつれて、アルミニウムの充
填が向上した。図８を参照すると、２５０℃の付着温度
を使用したとき、開口部の底部のアルミニウムと、上面
上のアルミニウムに切れ目が生じた。それにもかかわら
ず、開口部の底部ではアルミニウムにある程度の反りが
見られた。図９を参照すると、４００℃の付着温度を使
用したとき、側壁にアルミニウムは見えず、開口部の底
部におけるアルミニウムの反りは最小限になった。
【００２５】図７ないし９に示す結果は、温度が高くな
るほど、アルミニウム原子の表面移動性が高くなること
で説明できる。つまり、アルミニウム原子は、エネルギ
ーを失うまで、表面上を数百Å拡散できる。拡散の方向
は、アルミニウムの表面エネルギーを最小限にする効果
によって決定される。その結果、側壁におけるアルミニ
ウムはすべて、上部のアルミニウム膜またはトラフ内の
アルミニウムに向かって拡散する（２５０℃または４０
０℃）。スパッタリングされたアルミニウムの表面移動
性はまた、アルミニウムがその上にスパッタリングされ
る基板の影響をも受ける。図７ないし９に示した結果で
は、基板としてチタンを使用した。しかし、窒化チタン
膜を使用すると、移動性の増大が認められた。図７ない
し９で示された付着温度依存性は、スパッタリングの有
無を問わず、他の金属または合金にも当てはまると考え
られる。アルミニウムの表面移動性を高める材料で形成
した基板を用いる代わりに、トレンチまたはホールの内
面をこのような材料でライニングすることもできる。
るほど、アルミニウム原子の表面移動性が高くなること
で説明できる。つまり、アルミニウム原子は、エネルギ
ーを失うまで、表面上を数百Å拡散できる。拡散の方向
は、アルミニウムの表面エネルギーを最小限にする効果
によって決定される。その結果、側壁におけるアルミニ
ウムはすべて、上部のアルミニウム膜またはトラフ内の
アルミニウムに向かって拡散する（２５０℃または４０
０℃）。スパッタリングされたアルミニウムの表面移動
性はまた、アルミニウムがその上にスパッタリングされ
る基板の影響をも受ける。図７ないし９に示した結果で
は、基板としてチタンを使用した。しかし、窒化チタン
膜を使用すると、移動性の増大が認められた。図７ない
し９で示された付着温度依存性は、スパッタリングの有
無を問わず、他の金属または合金にも当てはまると考え
られる。アルミニウムの表面移動性を高める材料で形成
した基板を用いる代わりに、トレンチまたはホールの内
面をこのような材料でライニングすることもできる。
【００２６】図１０、図１１、図１２は、図４、図８、
図９に示した、基板上の誘電層１０中の開口部内に低抵
抗率メタライゼーション層１２が配置された構造を作成
する代替手順を示している。
図９に示した、基板上の誘電層１０中の開口部内に低抵
抗率メタライゼーション層１２が配置された構造を作成
する代替手順を示している。
【００２７】図１０は、誘電体１０がまず、チタン、タ
ングステン、タンタル、およびＴｉＷもしくはＴｉＮな
どの各種合金のような耐熱金属１８の薄いコーティング
でライニングできることを示している。耐熱金属１８は
銅の拡散障壁として働くので、メタライゼーション層１
２が銅をベースとする材料である場合、耐熱金属１８に
よる誘電体１０のライニングが特に重要となり得る。耐
熱金属のライナ１８は、コリメート・スパッタリングを
使用して形成することが好ましい。なぜなら、この手順
では、高縦横比の開口部中に均一な被覆が形成できるか
らである。耐熱金属のライナ１８は、付着後、低抵抗率
メタライゼーション層１２で保護被覆する。上述のよう
に、低抵抗率メタライゼーション層１２は、アルミニウ
ム、銅、アルミニウム銅合金とすることができ、またＡ
ｌ−Ｐｄ−Ｃｕなどの三元合金やＡｌ−Ｐｄ−Ｎｂ−Ａ
ｕなどの多成分系とすることもできる。低抵抗率メタラ
イゼーション層１２は、コリメート・スパッタリングも
しくは非コリメート・スパッタリング、または他の周知
の技術で付着できる。図１１に示すように、低抵抗率メ
タライゼーション層１２の付着後、スパッタ・エッチン
グ手順、ＲＩＥなどを施して、耐熱金属のライナ１８に
付着したメタライゼーション層１２をすべて除去する。
除去した部分は、台形のギャップ２０で示されている。
耐熱金属１８に付着した低抵抗率メタライゼーション層
１２を除去することは、そうすると、耐熱金属によるキ
ャッピングの前に、誘電体１０の開口部内のメタライゼ
ーション層１２が誘電体１０の上面より上に突き出さ
ず、耐熱金属キャップだけが研磨による平面化中、化学
機械式研磨スラリに当たるようになるので、重要であ
る。適切な量のメタライゼーションを除去した後、構造
を硬質金属（たとえば、ＣＶＤタングステン）で保護被
覆し、次に、上述のように化学機械式研磨を使用して平
面化することにより、台形のギャップ２０中に付着され
た硬質金属が、下部の低抵抗率メタライゼーション層１
２の保護キャップとして働くようになる。
ングステン、タンタル、およびＴｉＷもしくはＴｉＮな
どの各種合金のような耐熱金属１８の薄いコーティング
でライニングできることを示している。耐熱金属１８は
銅の拡散障壁として働くので、メタライゼーション層１
２が銅をベースとする材料である場合、耐熱金属１８に
よる誘電体１０のライニングが特に重要となり得る。耐
熱金属のライナ１８は、コリメート・スパッタリングを
使用して形成することが好ましい。なぜなら、この手順
では、高縦横比の開口部中に均一な被覆が形成できるか
らである。耐熱金属のライナ１８は、付着後、低抵抗率
メタライゼーション層１２で保護被覆する。上述のよう
に、低抵抗率メタライゼーション層１２は、アルミニウ
ム、銅、アルミニウム銅合金とすることができ、またＡ
ｌ−Ｐｄ−Ｃｕなどの三元合金やＡｌ−Ｐｄ−Ｎｂ−Ａ
ｕなどの多成分系とすることもできる。低抵抗率メタラ
イゼーション層１２は、コリメート・スパッタリングも
しくは非コリメート・スパッタリング、または他の周知
の技術で付着できる。図１１に示すように、低抵抗率メ
タライゼーション層１２の付着後、スパッタ・エッチン
グ手順、ＲＩＥなどを施して、耐熱金属のライナ１８に
付着したメタライゼーション層１２をすべて除去する。
除去した部分は、台形のギャップ２０で示されている。
耐熱金属１８に付着した低抵抗率メタライゼーション層
１２を除去することは、そうすると、耐熱金属によるキ
ャッピングの前に、誘電体１０の開口部内のメタライゼ
ーション層１２が誘電体１０の上面より上に突き出さ
ず、耐熱金属キャップだけが研磨による平面化中、化学
機械式研磨スラリに当たるようになるので、重要であ
る。適切な量のメタライゼーションを除去した後、構造
を硬質金属（たとえば、ＣＶＤタングステン）で保護被
覆し、次に、上述のように化学機械式研磨を使用して平
面化することにより、台形のギャップ２０中に付着され
た硬質金属が、下部の低抵抗率メタライゼーション層１
２の保護キャップとして働くようになる。
【００２８】図１２は、まず誘電体１０の開口部中に耐
熱金属のシード層２２を設け、次に、開口部中に低抵抗
率メタライゼーション層１２（たとえば、アルミニウ
ム、銅、アルミニウム銅合金、ならびに他の低抵抗率金
属もしくは合金）を選択的に付着するプロセスを示して
いる。メタライゼーション層１２を選択的に付着する１
つの方法は、耐熱金属シード層２２から成長させるもの
である。成長を適切なレベルにするには、時間制御およ
びその他の手段が使用できる。他の選択的付着方法も使
用できる。耐熱金属のシード層２２は、チタン、Ｔｉ
Ｗ、ＴｉＮ、およびその他の耐熱合金とすることがで
き、スパッタリング、蒸着、およびその他の技術で形成
できる。耐熱金属シード層２２はまた、最終的に形成さ
れる構造における拡散障壁としても機能する。図１３お
よび図１４はそれぞれ、まず、低抵抗率メタライゼーシ
ョン層１２の上にタングステンまたはその他の硬質金属
もしくは耐熱金属などの共形キャッピング層２４を設
け、次に、化学機械式研磨によって構造を平面化するこ
とを示している。共形キャッピング層２４は耐摩耗性で
あり、この層のおかげで、下部の軟質低抵抗率メタライ
ゼーション層１２をひっかいたり腐食することなく、化
学機械式研磨が円滑に進行できる。さらに、共形キャッ
ピング層２４は、電気移動に伴う問題を軽減する。
熱金属のシード層２２を設け、次に、開口部中に低抵抗
率メタライゼーション層１２（たとえば、アルミニウ
ム、銅、アルミニウム銅合金、ならびに他の低抵抗率金
属もしくは合金）を選択的に付着するプロセスを示して
いる。メタライゼーション層１２を選択的に付着する１
つの方法は、耐熱金属シード層２２から成長させるもの
である。成長を適切なレベルにするには、時間制御およ
びその他の手段が使用できる。他の選択的付着方法も使
用できる。耐熱金属のシード層２２は、チタン、Ｔｉ
Ｗ、ＴｉＮ、およびその他の耐熱合金とすることがで
き、スパッタリング、蒸着、およびその他の技術で形成
できる。耐熱金属シード層２２はまた、最終的に形成さ
れる構造における拡散障壁としても機能する。図１３お
よび図１４はそれぞれ、まず、低抵抗率メタライゼーシ
ョン層１２の上にタングステンまたはその他の硬質金属
もしくは耐熱金属などの共形キャッピング層２４を設
け、次に、化学機械式研磨によって構造を平面化するこ
とを示している。共形キャッピング層２４は耐摩耗性で
あり、この層のおかげで、下部の軟質低抵抗率メタライ
ゼーション層１２をひっかいたり腐食することなく、化
学機械式研磨が円滑に進行できる。さらに、共形キャッ
ピング層２４は、電気移動に伴う問題を軽減する。
【００２９】６４メガバイトのＤＲＡＭチップおよびそ
の他のＶＬＳＩデバイスにキャッピングおよび研磨技術
を使用することが予想される。図１５ないし１９は、多
段デバイスの製造にこのキャッピングおよび研磨技術が
使用できることを示している。図１５は、基板３２上に
形成された誘電層３０を示している。上述のように、誘
電層３０は、基板３２上で成長させた、または基板３２
上に付着させたＳｉＯ2、窒化シリコン、またはリンケ
イ酸ガラスやホウリンケイ酸ガラスなどのガラスのよう
な無機材料、ポリイミドなどの有機材料、あるいは無機
材料と有機材料の組合せとすることができる。基板３２
は、シリコン・チップまたはウェーハ、ならびにセラミ
ックまたはチップ実装材料とすることができる。図１６
は、誘電層３０が２段以上にパターン化できることを示
している。パターン化は、コントラスト強化リソグラフ
ィ（ＣＥＬ）またはその他の適切な技術で行うことがで
きる。図１６は、メタライゼーション線３４およびバイ
ア３６用の開口部が形成できることを示している。図１
７では、誘電層３０の複数の段で低抵抗率メタライゼー
ション３８が付着されている。図１０および図１２に関
して説明したとおり、低抵抗率メタライゼーション３８
を付着する前に、誘電体３０の開口部中に耐熱金属のラ
イナまたはシード層を設けておくことができる。図１８
は、次に耐熱金属（好ましくはタングステン、チタン、
タンタル、または適切な合金）などの硬質金属４０の層
で構造全体を保護被覆するステップを示している。硬質
金属４０は、ＣＶＤまたはその他の技術で付着できる。
また、ＣＶＤによって耐熱金属４０を付着する前に、Ｔ
ｉＮなどの接着促進材をスパッタリングしておくことが
できる。図１９は、次に化学機械式研磨によって構造全
体を平面化するステップを示している。硬質金属４０
は、研磨手順中、下部の低抵抗率メタライゼーション３
８を保護する。
の他のＶＬＳＩデバイスにキャッピングおよび研磨技術
を使用することが予想される。図１５ないし１９は、多
段デバイスの製造にこのキャッピングおよび研磨技術が
使用できることを示している。図１５は、基板３２上に
形成された誘電層３０を示している。上述のように、誘
電層３０は、基板３２上で成長させた、または基板３２
上に付着させたＳｉＯ2、窒化シリコン、またはリンケ
イ酸ガラスやホウリンケイ酸ガラスなどのガラスのよう
な無機材料、ポリイミドなどの有機材料、あるいは無機
材料と有機材料の組合せとすることができる。基板３２
は、シリコン・チップまたはウェーハ、ならびにセラミ
ックまたはチップ実装材料とすることができる。図１６
は、誘電層３０が２段以上にパターン化できることを示
している。パターン化は、コントラスト強化リソグラフ
ィ（ＣＥＬ）またはその他の適切な技術で行うことがで
きる。図１６は、メタライゼーション線３４およびバイ
ア３６用の開口部が形成できることを示している。図１
７では、誘電層３０の複数の段で低抵抗率メタライゼー
ション３８が付着されている。図１０および図１２に関
して説明したとおり、低抵抗率メタライゼーション３８
を付着する前に、誘電体３０の開口部中に耐熱金属のラ
イナまたはシード層を設けておくことができる。図１８
は、次に耐熱金属（好ましくはタングステン、チタン、
タンタル、または適切な合金）などの硬質金属４０の層
で構造全体を保護被覆するステップを示している。硬質
金属４０は、ＣＶＤまたはその他の技術で付着できる。
また、ＣＶＤによって耐熱金属４０を付着する前に、Ｔ
ｉＮなどの接着促進材をスパッタリングしておくことが
できる。図１９は、次に化学機械式研磨によって構造全
体を平面化するステップを示している。硬質金属４０
は、研磨手順中、下部の低抵抗率メタライゼーション３
８を保護する。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、低抵抗率金属の下層お
よび耐摩耗性耐熱金属の上層から成る導線およびバイア
が、平坦な埋込み構造として製造され、その際、厄介な
誘電体平面化段階は必要でない。化学機械式研磨による
平面化に伴うひっかき傷、過剰エッチング、および腐食
の問題は、研磨の前に、部分的に充填されたトレンチま
たはバイアの上面に相対的に硬質の金属キャップを設け
ることによって解決される。基板内の高縦横比のホール
またはトレンチ中にアルミニウムなどの軟質金属をコリ
メート・スパッタリングする際に、付着温度を制御する
と、比較的平坦な上面を持つ、部分的に充填されたバイ
アまたは線が得られる。軟質金属の付着後、部分的に充
填されたバイアまたはトレンチを、ＣＶＤ耐熱金属また
は他の比較的硬質の金属で保護被覆できる。ＣＶＤ金属
は、他の化学機械式研磨では発生する恐れがあるひっか
き傷や腐食から下部の軟質金属を保護する。
よび耐摩耗性耐熱金属の上層から成る導線およびバイア
が、平坦な埋込み構造として製造され、その際、厄介な
誘電体平面化段階は必要でない。化学機械式研磨による
平面化に伴うひっかき傷、過剰エッチング、および腐食
の問題は、研磨の前に、部分的に充填されたトレンチま
たはバイアの上面に相対的に硬質の金属キャップを設け
ることによって解決される。基板内の高縦横比のホール
またはトレンチ中にアルミニウムなどの軟質金属をコリ
メート・スパッタリングする際に、付着温度を制御する
と、比較的平坦な上面を持つ、部分的に充填されたバイ
アまたは線が得られる。軟質金属の付着後、部分的に充
填されたバイアまたはトレンチを、ＣＶＤ耐熱金属また
は他の比較的硬質の金属で保護被覆できる。ＣＶＤ金属
は、他の化学機械式研磨では発生する恐れがあるひっか
き傷や腐食から下部の軟質金属を保護する。
【図１】層間誘電体内のシームおよび不均一な表面を示
す、従来技術の半導体基板の断面図である。
す、従来技術の半導体基板の断面図である。
【図２】化学機械式研磨を使用した、食刻構造の作成に
使用される従来のステップを示す、基板の断面図であ
る。
使用される従来のステップを示す、基板の断面図であ
る。
【図３】図２に続くステップを示す、基板の断面図であ
る。
る。
【図４】本発明による研磨キャップの形成および使用を
示す、基板の断面図である。
示す、基板の断面図である。
【図５】図４に続くステップを示す、基板の断面図であ
る。
る。
【図６】図５に続くステップを示す、基板の断面図であ
る。
る。
【図７】付着に対する温度の影響を示す、基板の断面図
である。
である。
【図８】付着に対する温度の影響を示す、基板の断面図
である。
である。
【図９】付着に対する温度の影響を示す、基板の断面図
である。
である。
【図１０】トレンチまたはバイアを低抵抗率メタライゼ
ーションで誘電層の表面の真下の点まで充填するための
２段階プロセスの最初のステップを示す、基板の断面図
である。
ーションで誘電層の表面の真下の点まで充填するための
２段階プロセスの最初のステップを示す、基板の断面図
である。
【図１１】トレンチまたはバイアを低抵抗率メタライゼ
ーションで誘電層の表面の真下の点まで充填するための
２段階プロセスの図１０に続くステップを示す、基板の
断面図である。
ーションで誘電層の表面の真下の点まで充填するための
２段階プロセスの図１０に続くステップを示す、基板の
断面図である。
【図１２】トレンチまたはバイアを低抵抗率メタライゼ
ーションで誘電層の表面の真下の点まで充填するための
別のプロセスを示す、基板の断面図である。
ーションで誘電層の表面の真下の点まで充填するための
別のプロセスを示す、基板の断面図である。
【図１３】部分的に充填されたトレンチまたはバイアを
硬質不活性金属層で被覆し、それに続いて化学機械式研
磨を使って平面化するプロセスの最初のステップを示
す、基板の断面図である。
硬質不活性金属層で被覆し、それに続いて化学機械式研
磨を使って平面化するプロセスの最初のステップを示
す、基板の断面図である。
【図１４】部分的に充填されたトレンチまたはバイアを
硬質不活性金属層で被覆し、それに続いて化学機械式研
磨を使って平面化するプロセスの図１３に続くステップ
を示す、基板の断面図である。
硬質不活性金属層で被覆し、それに続いて化学機械式研
磨を使って平面化するプロセスの図１３に続くステップ
を示す、基板の断面図である。
【図１５】多段構造に本発明のキャッピング技術を使用
するためのプロセスの最初のステップを示す、基板の断
面図である。
するためのプロセスの最初のステップを示す、基板の断
面図である。
【図１６】図１５に続くステップを示す、基板の断面図
である。
である。
【図１７】図１６に続くステップを示す、基板の断面図
である。
である。
【図１８】図１７に続くステップを示す、基板の断面図
である。
である。
【図１９】図１８に続くステップを示す、基板の断面図
である。
である。
１０ 誘電体 １２ メタライゼーション層 １６ 硬質金属層 １８ 耐熱金属 ２０ 台形のギャップ ２２ 耐熱金属シード層 ２４ 共形キャッピング層 ３０ 誘電層 ３２ 基板 ３４ メタライゼーション線 ３６ バイア ３８ 低抵抗率メタライゼーション ４０ 硬質金属
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム・ジョーゼフ・コート アメリカ合衆国12570、ニューヨーク州 ポークァグ、スーザン・ドライブ（番地 なし) (72)発明者 ペイ＝イン・ポール・リー アメリカ合衆国05495、バーモント州ウ ィリストン、スターラップ・サークル 32 (72)発明者 トーマス・エドウィン・サンドウィック アメリカ合衆国12533、ニューヨーク州 ホープウェル・ジャンクション、ビーク マン・ロード 585 (72)発明者 ベルンド・ミハエル・フォルマー アメリカ合衆国12950、ニューヨーク州 ワッピンガーズ・フォールズ、マイヤー ズ・コーナー・ロード 295 (72)発明者 ヴィクター・ヴィノリウス アメリカ合衆国12569、ニューヨーク州 プレザント・バレー、フォレスト・バレ ー・ロード 19 (72)発明者 スチュアート・ハワード・ウルフ アメリカ合衆国74136、オクラホマ州タ ルサ、サウス・ニュー・ヘーヴン 6653 (56)参考文献 特開 昭58−110673（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−102545（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−83978（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−266719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−284937（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−55845（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／16725（ＷＯ，Ａ１)
Claims (6)
- 【請求項１】基板内のトレンチまたはホール中に、低抵
抗率の軟質金属または合金を、前記軟質金属または合金
が前記基板表面より下に位置して前記トレンチまたはホ
ール中に付着された第１の部分と、前記基板の表面上に
付着された第２の部分とに分離されるのに十分な温度
で、付着するステップと、 前記軟質金属または合金の上全体に保護キャップとして
働く硬質金属または合金を付着するステップと、 前記硬質金属または合金により前記軟質金属または合金
をひっかき傷および腐食から保護しながら前記基板を研
磨して、前記トレンチまたは前記ホール中に形成された
線またはバイアを、それぞれ前記基板の前記表面に対し
て平面化するステップとを含む、 基板に埋込み金属を形成する方法。 - 【請求項２】前記軟質金属または合金の付着ステップを
スパッタリングによって行うことを特徴とする、請求項
１に記載の方法。 - 【請求項３】前記研磨ステップを、アルミナを含有し酸
をベースとする化学機械式研磨コンパウンドによって行
うことを特徴とする、請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】さらに、前記軟質金属または合金を付着す
る前記ステップで付着された前記軟質金属または合金の
拡散障壁として働く材料を、前記トレンチまたはホール
に付着するステップを含むことを特徴とする、請求項１
に記載の方法。 - 【請求項５】少なくとも１つのトレンチまたはホールを
持つ基板上に、低抵抗率の軟質金属または合金を付着
し、該付着された軟質金属または合金が前記トレンチま
たはホール中の前記基板の表面より下の面まで充填され
た第１の部分と、前記基板上に付着された第２の部分
と、前記第１の部分及び前記第２の部分を接続する第３
の部分となるように前記トレンチまたはホールに充填す
るステップと、 前記第３の部分を除去するステップと、 前記軟質金属または合金の上全体に、化学機械式研磨に
対し耐摩耗性のある硬質金属または合金を付着するステ
ップと、 前記硬質金属または合金により前記軟質金属または合金
をひっかき傷および腐食から保護しながら前記基板を研
磨して、前記トレンチまたは前記ホール中に形成された
線またはバイアを、それぞれ前記基板の前記表面に対し
て平面化するステップとを含む基板に埋込み金属を形成
する方法。 - 【請求項６】基板内のトレンチまたはホール中に耐熱金
属シード層を付着するステップと、 前記金属シード層上に、低抵抗率の軟質金属または合金
を選択的に付着し、前記トレンチまたはホールを、前記
基板の上面より下の点まで充填するステップと、 前記軟質金属または合金の上全体に硬質金属または合金
を付着するステップと、 前記硬質金属または合金により前記軟質金属または合金
をひっかき傷及び腐食から保護しながら前記基板を研磨
して、前記トレンチまたは前記ホール中に形成された線
またはバイアを、前記基板の前記表面に対して平面化す
るステップとを含む基板に埋込み金属を形成する方法。
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