JP3731932B2 - 炭化ケイ素の金属拡散障壁層 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルフアス炭化ケイ素（α‐ＳｉＣ）膜を多重レベル金属集積回路および配線板設計における拡散障壁として使用することに関する。α‐ＳｉＣの機能は、電気回路におけるデバイスの相互接続体である隣接導体間の金属原子の移動を止めることである。α‐ＳｉＣの拡散障壁によって回路に加わる信頼性は、導体間の絶縁媒質としての低抵抗導体および低誘電率材料の使用を可能にする。低抵抗導体、α‐ＳｉＣ拡散障壁および低誘電率絶縁体の組合せは、回路のインピーダンスも最小にする。これは、回路を低周波から高周波に効率的に動作させる。
【０００２】
【従来の技術】
チヤングら〔Ｃｈｉａｎｇ ｅｔ ａｌ．ｉｎ “Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ Ｃｏｐｐｅｒ Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ” （ＶＭＩＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｊｕｎｅ ７−８．１９４４）〕は、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素および酸化ケイ素誘電体への銅の拡散を研究している。この文献は、窒化ケイ素およびオキシ窒化ケイ素が酸化ケイ素よりも金属移動に対する著しく良好な障壁であることを教示している。しかしながら、この文献は炭化ケイ素を障壁として使用することを検討していない。
【０００３】
同様に、米国特許第５，１０３，２８５号は、シリコン基板と金属配線層間の障壁層としての炭化ケイ素の使用を教示しているが、該特許は金属配線と隣接誘電層間の拡散障壁層としての炭化ケイ素の使用を教示していない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
我々は、炭化ケイ素が優れた障壁層を形成して誘電体層への低抵抗金属導体の拡散を妨げることを発見した。
【０００５】
本発明の重要な点は、高動作速度と信頼性を有する優れた集積回路を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による集積回路は、半導体材料製の基板内に形成された複数の固体デバイスの副アセンブリからなる。その副アセンブリ内のデバイスは、高導電率、低抵抗金属製の金属配線によって接続される。少なくとも金属配線の上にアモルフアス、炭化ケイ素の拡散障壁層が形成される。次に、その炭化ケイ素層の上に誘電層が形成される。
【０００７】
本発明は、アモルフアス炭化ケイ素が電気回路における隣接デバイス相互接続体間の金属原子の移動を止めるという我々の予期しなかった発見に基いている。この発見によって、ＩＣメーカーは（１）相互接続材料として高導電率、低抵抗金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、合金、超伝導体）を使用することができる；（２）金属配線間の絶縁層として極低誘電率材料を使用することができる。α‐ＳｉＣが存在しないと、高導電率金属と低誘電率絶縁層の組合せは、金属の移動および腐食のような問題に苦しむ。
【０００８】
本発明のプロセスに使用される集積回路副アセンブリは決定的なものではなく殆んど全てが有用である。該集積回路の製造に用いる方法も既知であって、本発明に決定的なものではない。該回路の例は、成長させたエピタキシヤル層を有する半導体基板（例えば、シリコン、ヒ化ガリウム、等）からなるものである。このエピタキシヤル層は、適当にドーピングされて回路の固体能動デバイス領域を構成するＰＮ−接合領域を形成する。これらの固体能動デバイス領域はダイオードおよびトランジスタであって、それらは金属配線層によって適当に相互接続されたときに集積回路を形成する。
【０００９】
【実施例】
図１は本発明のデバイスの横断面である。図１はデバイス領域（２）とデバイスを相互に接続する薄膜金属配線（３）を有する回路副アセンブリ（１）を示す。 従来の集積回路副アセンブリ上の金属配線層は、一般にアルミニウムの薄膜である。本発明を使用することによって、これらの薄膜はアルミニウムの代りに高導電率金属製にすることができる。ここで使用する高導電率金属は、２０℃で２．５μα‐ｃｍ以下の抵抗率を有するものであって、銅、銀、金、合金および起電導体を含む。
【００１０】
かかる高導電率金属層を蒸着する方法は技術的に既知であって特定の方法を利用することは重要でない。かかる方法の例は、スパッタリングおよび電子ビーム蒸着のような種々の物理蒸着（ＰＶＤ）法を含む。
【００１１】
本発明により、炭化ケイ素層が金属配線層の上に付着される。一般に、これは金属配線を含む回路副アセンブリの最上面全体をコーティングすることによって達成される。これは図１に被膜（４）として示す。しかしながら、これとは別に、例えば、マスキングによって炭化ケイ素を配線のみの上に選択的に付着させたり、その表面全体をコーティングした後に炭化ケイ素を必要としない領域を腐食することもできる。
【００１２】
炭化ケイ素層を付加する方法は本発明に決定的なものではなくて、多くの方法が技術的に知られている。該付加方法の例は、従来のＣＶＤ、光化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、ジェット蒸着のような種々の化学蒸着法およびスパッタリングおよび電子ビーム蒸着のような種々の物理蒸着法を含む。これらの方法は被蒸着物質へのエネルギー（熱、プラズマ、等）を添加して必要な反応をさせたり、材料の固体試料にエネルギーを集中させてその固体試料を蒸着させることを含む。
【００１３】
従来の化学蒸着における被膜は、必要な前駆物質ガス流を加熱基板上に通すことによって蒸着される。その前駆物質ガスは加熱表面と接触したときに、反応して被膜を蒸着する。必要な被膜の前駆物質および厚さに依存して、これらの被膜を数分〜数時間で形成させるには、基板の温度は、１００〜１０００℃の範囲内で十分である。必要ならば、かかるプロセスに反応性金属を使用して蒸着を促進することができる。
【００１４】
プラズマ強化化学蒸着法の場合、必要な前駆物質ガスはプラズマの場に通すことによって反応する。それによって生成された反応性物質は、次に、それらが容易に付着する基板に集束される。一般に、この方法がＣＶＤ法より優れる利点は、低い基板温度を使用できることである。例えば、５０℃〜６００℃の基板温度が機能的である。
【００１５】
かかる方法に用いられるプラズマは、放電、無線周波数またはマイクロ波領域における電磁場のような種々の源から誘導されるエネルギーからなる。一般に、大部分のプラズマ蒸着法においては、適度の電力密度（０．１〜５ワット／ｃｍ2 ）で無線周波数（１０ｋＨｚ〜２０2 ＭＨｚ）またはマイクロ波（０．１〜１０ＧＨｚ）の使用が望ましい。しかしながら、使用する前駆物質ガスおよび装置に対して特定の周波数、電力および圧力を調整する。
【００１６】
これらの方法に使用するのに適当な前駆物質ガスの例は、（１）メタン、エタンまたはプロパンのような炭素原子数が１〜６のアルカンの存在下でシランまたはトリクロロシランのようなハロシランの混合体；（２）メチルシラン、ジメチルシランおよびトリメチルシランのようなアルキルシラン；または（３）米国特許第５，０１１，７０６号に記載されているようなシルアシクロブタンまたはジシルアシクロブタンを含む。本発明に特に望ましいのは、トリメチルシランのプラズマ強化化学蒸着である。
【００１７】
炭化ケイ素の蒸着後、炭化ケイ素層の上に誘電層を蒸着する。これは図１に中間レベルの誘電体層（５）として示す。特定の誘導体層およびその蒸着法は本発意の決定的なものではないが、我々の方法を使用することによって、低誘電率（ＤＫ）層を利用することができる。ここで使用される低誘電率（ＤＫ）層は３．５以下のＤＫを有するものである。
【００１８】
適当な誘電材料の例は酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、炭化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、カルボ窒化ケイ素、シリコーン、ポリイミド、エポキシまたはパリレン（ＰＡＲＹＬＥＮ，商品名）のような有機物質を含む。１層以上のこれら誘電体が使用できることは明らかである。
【００１９】
これらの被膜を付着させる方法も技術的に既知である。それらはスピン・オン法、従来のＣＶＤ、光化学蒸着、ＰＥＣＶＤ、ＥＲＣ、ジェット蒸着、およびスパッタリングおよび電子ビーム蒸着のような種々の物理蒸着法を含む。
【００２０】
本発明における望ましい方法は、構造式（ＯＨ）ｘ（ＯＲ）ｙＯｚ／２（式中の各Ｒはそれぞれ酸素原子を介してＳｉに結合したときに加水分解性置換基を生成する有機基であり、ｘ＝０〜２、ｙ＝０〜２、ｚ＝１〜３そしてｘ＋ｙ＋ｚ＝３〕の単位を有するヒドリドシロキサンを蒸着することからなる。これらの樹脂は完全に縮合（ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝３）するか、または部分的加水分解するのみ（ｙは重合体の全ての単位について０にならない）および／または部分縮合 （ｘは重合体の全ての単位について０にならない）する。この構造式によって示されないが、これら樹脂の種々の単位は、それらの生成および処理に含まれる種々の要因のために０または１以上のＳｉ−Ｈ結合を有しうる。
【００２１】
これらの樹脂の例は、米国特許第３，６１５，２７２号；仝５，０１０，１５９号；仝４，９９９，３９７号および仝５，０６３，２６７号の方法によって生成されるものである。これらの樹脂はスピン・オン法、続いて加熱してセラミックに転化させることによって付着される。
【００２２】
多層デバイスが必要な場合には、その誘電層の上に別の金属配線層を形成させ、次に誘電層および炭化ケイ素層を腐食することによってそれらの層を相互に接続することができる。図１は、相互接続体（６）によって第１の配線層の選択領域で相互に接続されている第２の金属配線層（７）を示す。しかしながら、配線を高導電率材料にする必要がある場合には、誘電率と金属の間に炭化ケイ素層（８）を蒸着して誘電体中への金属の拡散を防止しなければならない。前記のように、この炭化ケイ素を形成することができる。このように、炭化ケイ素層の間の金属配線をサンドイッチにする。このプロセスを回路内の種々の金属化層に対して何回も反復することができる。例えば、図１は、第２の誘電体層（９）、第２の炭化ケイ素層（１１）によって保護された第３の配線層（１０）を示す。
【００２３】
誘電体層（すなわち、図１の層５および９）を低誘電率（例えば、ＤＫ＜５）の炭化ケイ素に代えることもできる。この実施例では、前記の金属配線層の上に炭化ケイ素層を形成し、次にその炭化ケイ素の上に別の金属層を形成するだけである。
【００２４】
この技術は配線板に応用してその上に上記回路を装着することに応用できる。これらの配線板上の金属配線および誘電層の構造は前記の構造と同一である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のデバイスの横断面図である。
【符号の説明】
１ 回路の副アセンブリ
２ デバイス領域
３ 金属配線層
４ 被膜
５ 誘電体層
６ 相互接続体
７ 第２の金属配線層
８ 炭化ケイ素層
９ 第２の誘電体層
１０ 第３の配線層
１１ 第２の炭化ケイ素層

Claims (7)

  1. （Ａ）固体デバイス領域を有する半導体基板、および該半導体基板の表面に蒸着され前記固体デバイス領域を相互に接続する２．５μΩ−ｃｍ以下の抵抗率を有する第１の金属配線からなる回路アセンブリ；
    （Ｂ）少なくとも前記金属配線を被覆する第１のアモルファス炭化ケイ素層；および
    （Ｃ）少なくとも前記第１のアモルファス炭化ケイ素層を被覆する誘電体層からなることを特徴とする集積回路用炭化ケイ素の金属拡散障壁層。
  2. 前記アモルファス炭化ケイ素層が、前記第１の金属配線およびデバイス領域を含む回路アセンブリの表面を被覆する請求項１記載の集積回路用炭化ケイ素の金属拡散障壁層。
  3. さらに、前記誘電体層を被覆する第２のアモルファス炭化ケイ素層からなる請求項1記載の集積回路用炭化ケイ素の金属拡散障壁層。
  4. さらに、前記第２のアモルファス炭化ケイ素層上に形成された第２の金属配線からなり、該第２の金属配線層が前記第１の金属配線層に接続される請求項１記載の集積回路用炭化ケイ素の金属拡散障壁層。
  5. 前記第１のアモルファス炭化ケイ素層用の前駆物質ガスは、（１）メタン、エタン又はプロパンを含む炭素原子数が１〜６のアルカンの共存するシラン又はトリクロロシランを含むハロシランの混合体；（２）メチルシラン、ジメチルシラン又はトリメチルシランからなるアルキルシラン；（３）シルアシルクロブタン又はジシルアシクロブタン；又は（４）それらの混合体であることを特徴とする請求項１記載の集積回路用炭化ケイ素の金属拡散障壁層。
  6. （Ａ）上に、２．５μΩ−ｃｍ以下の抵抗率を有する金属配線を含む配線板サブアセンブリ；
    （Ｂ） 前記金属配線を被覆するアモルファス炭化ケイ素層；および
    （Ｃ） 前記アモルファス炭化ケイ素層を被覆する誘電体層、からなることを特徴とする配線板用炭化ケイ素の金属拡散障壁層。
  7. 前記アモルファス炭化ケイ素層用の前駆物質ガスは、（１）メタン、エタン又はプロパンを含む炭素原子数が１〜６のアルカンの共存するシラン又はトリクロロシランを含むハロシランの混合体；（２）メチルシラン、ジメチルシラン又はトリメチルシランからなるアルキルシラン；（３）シルアシルクロブタン又はジシルアシクロブタン；又は（４）それらの混合体であることを特徴とする請求項６記載の配線板用炭化ケイ素の金属拡散障壁層。
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