JP4215546B2 - 軟金属導体およびその形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、半導体素子に使用するための軟金属導体とこのような導体の形成方法に関し、より具体的には、半導体素子に使用するためにその表面層の硬度が改善され、その後の化学的機械的研磨ステップで研磨したときにほぼ擦り傷なしの表面が得られるように表面層が十分な大きさの粒子サイズを有する金属粒子から構成される軟金属導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハ上に形成した様々な構成要素をまとめて電気接続するために半導体製造時に金属薄膜が使用されてきた。たとえば、バイア、素子間結線、トレンチなどはこのような応用分野の例の一部にすぎない。このような応用分野には、従来、単体アルミニウムと、アルミニウム−銅などのアルミニウム合金が使用されてきた。アルミニウムとその合金を使用する利点としては、抵抗率の低さ、ＳｉＯ2への付着力の強さ、パターン形成のしやすさ、純度の高さ、材料コストの低さなどがある。
【０００３】
半導体技術に使用した場合、アルミニウムとアルミニウム合金に欠点がないわけではない。このような欠点のうちの２つは、材料が柔らかいために研磨しにくいことと、エレクトロマイグレーション現象により回路障害が発生することである。たとえば、まず絶縁体に事前にエッチングしたトラフ（バイア、溝などのくぼみ部）を金属で充填し、次にトラフ間に付着された金属を研磨（ポリシング）で除去することにより、埋め込み式（象眼式）プロセスで金属薄膜または金属導線が形成されるようなプロセスでは研磨の問題が見られる。軟金属、すなわち、アルミニウム、銅、またはアルミニウム−銅の合金を使用する場合、金属線の表面には研磨プロセスで擦り傷ができる可能性がある。研磨中に金属表面に擦り傷、ポケット、くぼみ、または浸食などの欠陥が形成されると、線抵抗が大幅に増加し、その結果、半導体製造プロセスの歩留まりが低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
軟金属の研磨プロセスでできるこのような欠陥を避けるため、金属の表面層の耐摩耗性を改善するために硬質層によるキャッピングが試みられている。しかし、これは、線の厚さが増すにつれてキャパシタンスが高まるという犠牲を払って実施されている。研磨の処理ステップを必要とする軟金属の硬度を改善することは、本質的に困難である。研磨が不十分であると、線またはバイアの抵抗が変動する。
【０００５】
したがって、本発明の一目的は、従来技術の導体および従来技術の方法の欠点を持たず、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体と、それを形成する方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、化学的機械的研磨プロセスで研磨した後でほぼ擦り傷なしの表面が得られるような、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、軟金属用の付着プロセスの処理条件を変更するだけで、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、その最上部層に粒子サイズが大きい金属粒子から構成される軟金属層を付着することにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、導電性軟金属構造の最上部層に約２００ｎｍ以上の軟金属粒子を付着することにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する導電性軟金属構造を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、導電性軟金属構造の最上部層に軟金属構造の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する金属粒子を付着することにより、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する導電性軟金属構造を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有し、その表面がそこに付着された大きい粒子サイズの金属粒子からなる厚さが少なくとも約１００ｎｍの層を有するような、導電性軟金属構造を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、物理的蒸着または化学的蒸着技法により、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を作成する方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明により、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの最上部表面を有する軟金属導体とそれを作成する方法が提供される。
【００１４】
好ましい実施例では、軟金属導体の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する粒子から構成される導体の最上部層を付着することにより、軟金属導体が提供される。これは、たとえば、粒子サイズが２００ｎｍ以上の軟金属の粒子によって１００ｎｍ以上の厚さまで軟金属材料の最上部層を付着することによって実施される。粒子が大きいため、その後の化学的機械的研磨プロセスで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように、軟金属導体の最上部層の硬度が大幅に改善される。ほぼ擦り傷なしということは、１平方センチメートルの面積当たり５つ未満の擦り傷を有する表面が研磨後に得られることを意味する。
【００１５】
代替実施例では、まず、より小さい粒子、すなわち、５０ｎｍ以下の粒子サイズを有する軟金属の層が、６００ｎｍ以上の厚さまで軟金属導体に付着され、次に、２００ｎｍ以上の粒子サイズを有する大きい粒子の最上部層が小さい粒子の層の上に付着される。最上部層の粒子サイズが大きいため、研磨用に擦り傷なしの望ましい表面が得られ、小さい粒子の軟金属の中間層により、熱ボイド問題のない材料の層が得られる。
【００１６】
別の代替実施例では、サイズが２００ｎｍより大きい粒子からなる金属の最下部層と最上部層との間に、サイズが５０ｎｍ未満の小さい粒子を有する軟金属の層が挟まれる。
【００１７】
別の代替実施例では、大きい粒子の軟金属を付着した後で、その軟金属の上に続いてＴｉの層が付着され、Ｔｉ層の上に軟金属が付着される。境界面に付着されたＴｉ層は、その後、４００℃で行われるアニール・プロセスでＴｉ層をＴｉＡｌ3層に転換した後で軟金属導体の耐エレクトロマイグレーション特性を改善するため３０ｎｍ以下の厚さを有する。ＴｉＡｌ3層を通って電流が流れたとき軟金属の原子がＴｉＡｌ3層を介して拡散し、軟金属のエレクトロマイグレーション抵抗を改善する。
【００１８】
本発明は、複数ステップ付着プロセス、すなわち、まず４５０℃で１０〜１５秒間、次に４００℃で２分間、続いて４５０℃で１５〜２０秒間スパッタリングすることにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を作成する方法にも関する。最上部層の硬度が改善された軟金属導体が得られる。
【００１９】
本発明は、擦り傷や浸食なしで最適のボリューム除去を得るため、所定の処理パラメータ関係式に従うことにより、軟金属を研磨する方法にも関する。
【００２０】
本発明は、まず低い付着温度で軟金属層を付着し、次に金属の粒子サイズを大きくするためにより高い温度で軟金属層をアニールすることにより、軟金属導体上にほぼ擦り傷なしの表面を形成する方法にも関する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明は、研磨能力が大幅に改善された大きい粒子と小さい粒子の複合構造を有する、半導体素子に使用するための改良された軟金属導体を提供する。研磨を施したときに軟金属が擦り傷や浸食を受けやすいことが分かっている。金属の表面層の粒子サイズを大きくすることにより、軟金属の耐摩耗性が大幅に改善される。この耐摩耗性の改善は、標準的な構造に比べ、少なくとも４〜５倍である。
【００２２】
多層粒子構造は、スパッタリング付着プロセスにより達成することができる。たとえば、第１の層を高温で３０秒未満の間、付着させ、続いて線またはバイアを充填するために低温で処理し、最後に高温で３０秒未満の間、付着する。
【００２３】
アルミニウム、アルミニウム−銅、銅などの軟質で抵抗率の低い金属の耐摩耗性を改善するための構造および方法を開示する。この方法は、１回の付着サイクルで多層粒子構造を達成する。積層順序は、（１）大きい粒子、（２）小さい粒子、（３）大きい粒子にすることができる。下部層と上部層は研磨止めとして機能するのに対し、低温で付着した中間層は熱ボイドの形成を防止するのに役立つ。材料は均質なので、抵抗の損失は発生しない。この構造は、１回の付着サイクルで達成される。すなわち、厚さが１００〜２００ｎｍになるように高温で付着し、次に低温かつ低圧で７００〜８００ｎｍを付着し、最後に高温で１００〜２００ｎｍの厚さを付着する。付着の時間と温度は、熱量がボイド発生温度を十分下回るように調整することができる。また、多層粒子構造は、このような層の急速熱アニール（ＲＴＡ）によって達成することもできる。たとえば、約１００〜３００℃で形成したより小さい粒子を、十分な長さの時間の間、４００℃でアニールして、小さい粒子を２００ｎｍより大きい粒子サイズの粒子に成長させることができる。
【００２４】
多層粒子構造は、２レベル（２段）の軟金属埋め込み構造および単一レベルの軟金属埋め込み構造においてＰＶＤおよびＣＶＤプロセスとその後のアニール技法を使用することにより、作成される。様々な構造とそれに関連する実験プロセスの例を以下に示す。
【００２５】
例１
例１は、本発明の方法による２レベルの軟金属埋め込みバイア構造の形成を示している。まず、乾式エッチング法の１つである反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を使用して、アルミニウム−銅を付着する前に境界面をきれいにする。図１に示すように、半導体基板（図示せず）上に形成され、すでに反応性イオン・エッチングされた、図１にＭ１として示されている金属層の上に、バイア構造１０が形成される。金属層Ｍ１は、下側のＴｉ層、その上のＡｌ−Ｃｕ層、その上のＴｉ層２２および上側のＴｉＮ層２０からなる。酸化物層１２またはその他の低誘電率無機または有機層を付着し、コロイド・シリカを使用する化学的機械的研磨によって平坦化する。追加の酸化物１４を付着し、次に線およびバイア用のパターンを形成する。次に、ＲＩＥ技法を使用して、金属層Ｍ１に対するバイア領域に開孔を形成する。ＲＩＥ技法は、すでに形成したＭ１層の上のすべての非Ａｌ−Ｃｕ層を除去するための重要なステップである。次に、ＰＶＤプロセスを使用して、３０ｎｍ未満のＴｉの層１６と、Ａｌ−Ｃｕの層１８と、Ｔｉ／ＴｉＮの最終層（図示せず）を順に付着する。Ａｌ−Ｃｕ層の付着は、軟金属層の厚さの少なくとも約２０％の粒子サイズを有する金属粒子を生成することによって実施する。次に、シリカ粒子を含むスラリーと低圧を使用してこの構造を化学的に研磨し、１つのステップで素子間結線とバイアを形成する。
【００２６】
湿式エッチング法を使用して、２レベルの軟金属埋め込み構造用のＡｌ−Ｃｕを付着する前に境界面をきれいにする第２の方法を図２に示す。このバイア構造３０では、まず、緩衝ＨＦ（１０：１）を使用して、Ｍ１層の上のＴｉ／ＴｉＮ層３２および３４をきれいにする。その結果、その後の４００℃で３０分間のアニール中にＴｉＡｌ3層を形成するＴｉ層３２を備えたアンダカット構造が得られる。ただし、Ｍ１層の湿式エッチング域４４の肩部４２では、付着したＴｉの層が非常に薄く、場合によってはほとんど存在しないことに留意されたい。次にＴｉ層４６、Ａｌ−Ｃｕ層３８を付着する。Ｔｉ層４６（その後、４００℃のアニール後にＴｉＡｌ3を形成するもの）はバイアの下だけになる。Ａｌ−Ｃｕを付着するための残りの処理ステップは、乾式エッチング法を使用する上記の例と同じである。Ｔｉ層３２によって形成されるＴｉＡｌ3層の厚さは約３０〜約６０ｎｍになるが、バイアのすぐ下のＴｉ層４６の領域では３０ｎｍ未満になる。
【００２７】
例２
乾式エッチングＲＩＥ技法を使用して、Ａｌ−Ｃｕの付着前に境界面をきれいにすることにより形成した単一レベルの軟金属埋め込み構造を図３に示す。バイア構造５０は、すでに反応性イオン・エッチングを施したＴｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮのＭ１層の上に形成されている。酸化物またはその他の低誘電率無機または有機層５４を付着し、コロイド・シリカを使用する化学的機械的研磨によって平坦化する。酸化物層５４には、バイア５０用にパターンを形成する。ＲＩＥ技法を使用して、第１のバイアを開く。ＲＩＥ技法を使用して、すでに形成したＭ１層の上のすべての非Ａｌ−Ｃｕ層を除去することは、重要なステップである。次に、ＰＶＤプロセスを使用して、全体が３０ｎｍ未満の厚さの第１のＴｉ層５８と、次にＡｌ−Ｃｕの層６０とを形成する。これについては図４に示す。Ｔｉ層５８および６８は、その後、４００℃でのアニール後にＴｉＡｌ3を形成する。Ａｌ−Ｃｕ層の付着プロセスを行うと、その結果、軟金属層の厚さの少なくとも約２０％の粒子サイズを有する層が付着される。次に、シリカ粒子を加えたスラリーと低圧を使用して、バイア構造５０を化学的に研磨する。次に、非常に薄い、すなわち、３０ｎｍ未満のＴｉ層６４を下にして層Ｍ２を付着し、パターン形成し、反応性イオン・エッチングを施して、素子間結線構造を形成する。上部のＴｉ層６４は下部のＴｉ層５８より厚くすることができる。ＴｉＮの層６２および６６は、フォトマスク・プロセス用の反射防止膜として形成される。
【００２８】
単一レベルの軟金属埋め込み構造を形成する第２の方法では、湿式エッチング技法を使用して、Ａｌ−Ｃｕを付着する前に境界面をきれいにする。図５に示すバイア構造７０では、緩衝ＨＦ（５０：１）を使用して、層Ｍ１の上部のＴｉ層７２とＴｉＮ層７４をきれいにする。その結果、アンダカット構造が形成されている。Ｔｉ層８２、Ａｌ−Ｃｕ層７８の付着後、Ｔｉ層８２（その後、４００℃で３０分間のアニール後にＴｉＡｌ3を形成するもの）はバイアの下だけになる。Ａｌ−Ｃｕを付着するための残りの処理ステップは、単一レベルの軟金属埋め込み構造の乾式エッチング法で上述したものと同じである。この構造により、電界下でＡｌ−Ｃｕを容易に溶かすことができ、その結果、この構造のエレクトロマイグレーション抵抗が改善される。
【００２９】
湿式エッチングされたキャビティ８４の肩部８０では、Ｔｉ膜が非常に薄いか、ほとんど存在しないことに留意されたい。したがって、肩部８０には、連続したアルミニウム相が存在する。これは、本発明の軟金属導体の耐エレクトロマイグレーション特性をさらに促進するものである。
【００３０】
図１〜５に示す構造に対し、エレクトロマイグレーション抵抗のテストを行った。２レベル構造のエレクトロマイグレーション特性を評価するため、直径１μｍのＡｌ−Ｃｕスタッドで接続された、幅１．４−μｍで長さ３００μｍのＡｌ−２％Ｃｕの線を作成した。電流密度１．２２Ａ／ｃｍ2でエレクトロマイグレーション・テストを行った。障害の基準として、２０％の抵抗シフトを使用する。２レベルのＡｌ−Ｃｕ線／バイア構造をＣＶＤで形成したＷバイア／Ａｌ−Ｃｕ線構造と比較した。Ａｌ−Ｃｕバイアの平均故障間隔は、ＣＶＤで形成したＷスタッドの平均故障間隔より少なくとも１桁の改善されることを示していた。
【００３１】
軟金属導体の耐摩耗性の改善を確認するために一連のテストを行った。たとえば、スパッタリング・プロセスを使用して、アルミニウムと銅を付着し、大きい粒子の構造を形成した。得られたデータは表１に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１に示すように、ショート・スロー／ロング・スロー・スパッタリング技法を使用することにより、大きい金属粒子を作成することができる。その結果、シート抵抗を維持しながら、歩留まりが大幅に増加する。
【００３４】
表１では、テスト中の基板温度が３０℃に維持されていたことに留意されたい。いずれの場合も、Ａｌ−Ｃｕ膜の厚さは１〜１．５μｍに保たれた。銅についても同じテストを繰り返し、同様の結果が得られた。歩留まり分析のため、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造を使用した。ウェハ当たり５０サイトでシート抵抗データを測定した。充填したバイアのアスペクト比は３である。
【００３５】
自然にまたは個別の加熱（ＲＴＡまたはリフロー・プロセスによる）によって付着プロセスの温度を変化させると、粒子サイズをさらに改善し、耐摩耗性／耐ひっかき性を達成することができる。これらのデータについては、表２および３に示す。
【００３６】
【表２】
【００３７】
表２の場合、テスト中の基板温度は４００〜４７５℃に維持されている。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求める。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定した。充填後のアスペクト比は４である。
【００３８】
【表３】
【００３９】
表３に示すサンプルの基板温度は４７５〜５５０℃に維持されている。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求めた。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定した。充填後のアスペクト比は２である。
【００４０】
サンプルを溶融温度まで加熱するか、または急速熱アニール（ＲＴＡ）技法を使用して表面層を大きい粒子に転換すると、サンプルの耐摩耗性／耐ひっかき性をさらに改善できることが分かった。これらのデータは表４に示す。
【００４１】
【表４】
【００４２】
表４に示すように、約１００℃で３通りの圧力を使用して薄膜を付着し、次に、５８０℃の炉で５分間加熱し、接点／トレンチに金属を充填する。別の実験では、ＲＴＡ技法を使用して６００℃で２分間、薄膜を加熱した。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求める。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定する。充填後のアスペクト比は２である。
【００４３】
Ａｌ−ＣｕやＣｕなどの金属には、２ステップ・プロセスも使用する。まず、約１００〜３００℃の温度で金属を付着し、高アスペクト比のバイア（すなわち、２〜３）を充填する。次に、これを約４００℃の温度まで加熱し、粒子サイズを大きくする。次に、研磨プロセスを実行して、耐ひっかき性が増したことを確認する。
【００４４】
Ａｌ−ＣｕおよびＣｕの付着の際に蒸着、コリメーション、ＣＶＤなどのその他の付着技法も使用したが、同様の望ましい結果が達成された。
【００４５】
たとえば、Ａｌ2Ｏ3、シリカ、窒化ケイ素など、様々な硬度を有する粒子をスラリーに入れて使用することにより、すべての研磨実験を行った。所定の関係を使用して、Ａｌ−ＣｕおよびＣｕなどの軟質層を研磨することにより、研磨プロセスを行った。
【００４６】
ｄＶ／ｄｔ＝ＫＡＲpdＨpＶcＧp／ＨmＧm
【００４７】
式中、ｐはスラリー内の粒子を示し、ｍは軟金属を示し、ｐｄはパッドを示し、ｃはチャックまたはウェハ・ホルダを示す。ｄＶ／ｄｔは、金属ボリュームを除去する割合である。Ｈは硬度であり、Ａは露出した金属の面積であり、Ｇは粒子サイズであり、Ｒは粗さであり、Ｋは粒子間の化学結合、金属、パッド、ｐＨ係数などに依存する定数であり、Ｖcはチャックの速度である。
【００４８】
様々な粒子サイズを有する軟金属の研磨時間に対する抵抗データを示したグラフを図６に示す。均質粒子構造を有する第１の層を作成し、耐摩耗性を評価し、標準のＡｌ−Ｃｕ構造と比較する。図６に示すように、研磨速度は均質粒子構造を有する構造について求める。粒子サイズが大きくなるにつれ、軟金属の耐摩耗性も大きくなることを示す、予期せぬ結果が得られる。このような多層粒子構造の組合せを形成して研磨し、バイアを形成する。
【００４９】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００５０】
（１）半導体素子に使用するための軟金属導体において、その後の化学的機械的研磨ステップで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように十分大きい粒子サイズを有する粒子から構成される最上部層を含むことを特徴とする、軟金属導体。
（２）その最上部層の硬度が改善された、半導体素子に使用するための軟金属導体において、前記最上部層が前記軟金属導体の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する粒子から構成されることを特徴とする、軟金属導体。
（３）前記導体が、バイア、素子間結線、線から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（２）に記載の軟金属導体。
（４）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金および３元合金から構成されるグループから選択されることを特徴とする、上記（２）に記載の軟金属導体。
（５）半導体素子に使用する導電性軟金属構造において、
前記軟金属構造の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する粒子から構成される最上部層と、
前記最上部層に連続して直に隣接する第２の層であって、前記軟金属構造の厚さの約２０％以下の粒子サイズを有する粒子から構成される第２の層とを含むことを特徴とする、導電性軟金属構造。
（６）前記最上部層が、化学的機械的研磨方法で研磨後にほぼ擦り傷なしで浸食なしの表面が得られるほど十分大きい厚さを有することを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（７）前記構造が、アルミニウム、銅、銀、アルミニウムと銅と銀からなる２元合金および３元合金、その他の低抵抗金属から構成されるグループから選択された金属で作られることを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（８）前記構造が、バイア、素子間結線、線から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（９）前記最上部層が、粒子サイズが２００ｎｍ以上の金属粒子から構成されることを特徴とする、上記（２）に記載の軟金属導体。
（１０）前記最上部層が、粒子サイズが２００ｎｍ以上で厚さが少なくとも１００ｎｍの金属粒子を有することを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（１１）前記最上部層が、粒子サイズが２００ｎｍ以上の金属粒子を有し、前記第２の層が、粒子サイズが１００ｎｍ以下の金属粒子を有することを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（１２）前記第２の層が、粒子サイズが１００ｎｍ以下で厚さが６００ｎｍ以上の金属粒子を有することを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（１３）前記第２の層に連続して直に隣接する最下部層をさらに含み、前記最下部層が粒子サイズが２００ｎｍ以上の金属粒子から構成されることを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（１４）半導体素子に使用するための軟金属導体において、
第１の軟金属層と、
前記第１の軟金属層の上にあり、厚さが３０ｎｍ未満の第１のＴｉ層と、
前記第１のＴｉ層の上にある第２の軟金属層であって、前記第２の軟金属層の厚さの約２０％以上の粒子サイズの金属粒子をその最上部層に有する第２の軟金属層と、
前記第２の軟金属層の上にある第２のＴｉ層とを含み、
室温より高い温度でアニールしたときに、２つの軟金属層の間に挟まれた少なくとも前記第１のＴｉ層がＴｉＡｌ3に転換し、その結果、電流がそれを通過するときに前記ＴｉＡｌ3による前記軟金属の原子の拡散が発生し、それにより、前記軟金属導体のエレクトロマイグレーション抵抗が改善されることを特徴とする、軟金属導体。
（１５）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金、ＡｌとＣｕとＡｇからなる３元合金から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（１４）に記載の軟金属導体。
（１６）前記第２のＴｉ層が３０ｎｍ未満の厚さを有することを特徴とする、上記（１４）に記載の軟金属導体。（１７）前記軟金属材料の連続相またはその後形成されたＴｉＡｌ3層での前記軟金属原子の拡散を可能にし、その結果、前記軟金属導体のエレクトロマイグレーション抵抗の改善を可能にするように、前記第１のＴｉ層が、極めて薄い前記層の部分またはボイド状の前記層の部分を有するバイアの最下部に位置することを特徴とする、上記（１４）に記載の軟金属導体。
（１８）使用する前記軟金属がＡｌまたはＡｌ−Ｃｕであるときに、少なくとも前記第１のＴｉ層をＴｉＡｌ3に転換するのに十分な所定の長さの時間、所定の温度で行うアニール・ステップをさらに含むことを特徴とする、上記（１４）に記載の軟金属導体。
（１９）前記所定の温度が３００℃以上であり、前記所定の長さの時間が１０分以上であることを特徴とする、上記（１８）に記載の軟金属導体。
（２０）前記所定の温度が４００℃であり、前記所定の長さの時間が３０分であることを特徴とする、上記（１８）に記載の軟金属導体。
（２１）半導体素子に使用するための軟金属導体を作成する方法において、その後行われる化学的機械的研磨ステップで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように、十分大きい粒子サイズを有する粒子から構成される前記軟金属の第１の層を付着するステップを含むことを特徴とする方法。
（２２）前記第１の軟金属層が、物理的蒸着、化学的蒸着、蒸着、視準から構成されるグループから選択された技法によって付着されることを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２３）前記第１の軟金属層が、粒子サイズが２００ｎｍ以上の金属粒子から構成されることを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２４）前記第１の軟金属層が、少なくとも１００ｎｍの厚さを有することを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２５）その後のＣＭＰステップで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように十分大きい粒子を有する軟金属からなる前記第１の層を付着する前記プロセスの前に、１００ｎｍ以下の粒子サイズと６００ｎｍ以上の層厚を有する粒子から構成される前記軟金属の層を付着するステップをさらに含むことを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２６）その後のアニール・プロセスで前記Ｔｉ層がＴｉＡｌ3層に転換されたときに前記軟金属導体の耐エレクトロマイグレーション特性が改善されるように、前記第１の軟金属層の上に厚さが３０ｎｍ未満のＴｉの層と軟金属の第２の層とを順に付着するステップをさらに含むことを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２７）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金、ＡｌとＣｕとＡｇからなる３元合金から構成されるグループから選択されることを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２８）半導体素子内の軟金属導体を作成する方法において、
約１００℃〜約３００℃の第１の温度で導体用のキャビティを軟金属で充填するステップであって、前記軟金属が第１の粒子サイズを有する金属粒子から構成されるステップと、
前記金属粒子を前記第１の粒子サイズより大きい第２の粒子サイズまで成長させるのに十分な長さの時間、第２の温度で前記導体を加熱するステップとを含むことを特徴とする方法。
（２９）前記導体が、バイア、素子間結線、線から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３０）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金および３元合金から構成されるグループから選択されることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３１）前記第２の温度が３００℃以上であり、前記長さの時間が２分であることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３２）前記軟金属導体の研磨特性が改善されるように、前記第２の粒子サイズが前記第１の粒子サイズより大きいことを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３３）前記第２の粒子サイズが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３４）前記第１の粒子サイズが２００ｎｍ以下であり、前記第２の粒子サイズが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３５）以下の式によって提議される所定の研磨プロセスにより軟金属構造を研磨する方法において、
ｄＶ／ｄｔ＝ＫＡＲpdＨpＶcＧp／ＨmＧm
式中、ｄＶ／ｄｔは金属ボリュームを除去する割合であり、Ｈｍは金属の硬度であり、Ｈpはスラリー内の粒子の硬度であり、Ａは露出した金属の面積であり、Ｇmは金属の粒子サイズであり、Ｇpはスラリー内の粒子の粒子サイズであり、Ｒpdは研磨パッドの粗さであり、Ｋは粒子間の化学結合と、金属、パッド、ｐＨ係数に依存する定数であり、Ｖcはチャックの速度であり、前記方法により、金属内で擦り傷またはＲpd浸食が発生せずに最適ボリュームの金属を除去することができることを特徴とする方法。
（３６）軟金属構造が、バイア、素子間結線、線から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（３５）に記載の方法。
（３７）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金および３元合金から構成されるグループから選択されることを特徴とする、上記（３５）に記載の方法。
（３８）Ｇmが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、上記（３５）に記載の方法。
（３９） 半導体素子が内部に形成された半導体層と、
平滑化研磨された表面を有し、少なくとも２００ｎｍのサイズの粒子を含んで構成される多粒子構造の軟金属導体と
を含む半導体構造体。
（４０）前記半導体構造は、前記軟金属導体が配置される絶縁層を含み、前記軟金属導体の平滑化研磨された表面は、前記絶縁層の表面と同一レベルである、（３９）に記載の半導体構造体。
（４１）前記絶縁層と前記軟金属導体層との間に薄い金属層を含む、（４０）に記載の半導体構造体。
（４２）前記薄い金属層は、Ｔｉを含む、（４１）に記載の半導体構造。
（４３）前記Ｔｉの層に隣接するＴｉＮの層をさらに含む（４２）に記載の半導体構造体。
（４４）前記薄い金属層は、高融点金属を含む、（４１）に記載の半導体構造体。
（４５）前記高融点金属層に隣接する高融点金属窒化物層を含む、（４４）に記載の半導体構造体。
（４６）さらに、他の多粒子構造の軟金属導体を含む（４０）に記載の半導体構造体。
（４７）前記絶縁層内にバイア構造を含み、前記バイア構造は、前記少なくとも２００ｎｍ以上のサイズの粒子を含む前記多粒子構造の軟金属導体層と接続される、（４０）に記載の半導体構造体。
（４８）前記バイアは、アスペクト比が２以上である、（４７）に記載の半導体構造体。
（４９）前記軟金属導体は、ダマシーン・ラインである、（４７）に記載の半導体構造体。
（５０）前記軟金属導体は、デュアル・ダマシーン・ラインである、（４７）に記載の半導体構造体。
（５１）前記多粒子構造の軟金属導体は、前記半導体素子を相互接続する、上記（３９）〜（４１）のいずれかに記載の半導体構造体。
（５２）前記軟金属導体は、バイア・プラグである、（３９）に記載の半導体構造体。
（５３）前記軟金属導体は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、またはＣｕ、Ａｌ、Ａｇの合金からなる群から選択される、（３９）または（５１）または（５２）のいずれか１項に記載の半導体構造。
（５４）前記軟金属導体は、ＣｕまたはＣｕ合金から選択される、（３９）または（５１）または（５２）のいずれか１項に記載の半導体構造。
（５５）半導体素子が内部に形成された半導体層と、
平滑化研磨され、５本／ｃｍ２以下の傷を含む表面を有する多粒子構造の軟金属導体層とを有する半導体構造体。
（５６）前記軟金属導体は、ＣｕまたはＣｕ合金から選択される、（５５）に記載の半導体構造体。
（５７）前記半導体構造は、前記軟金属導体を収容する絶縁層を含み、前記軟金属導体の平滑化研磨された表面は、前記絶縁層の表面と同一レベルである、（５６）に記載の半導体構造体。
（５８）さらに、前記軟金属導体と前記絶縁層との間に高融点金属の薄い層を含む（５７）に記載の半導体構造体。
（５９）さらに、前記高融点金属の薄い層に隣接する高融点金属窒化物を含む、（５８）に記載の半導体構造体。
（６０）半導体素子が内部に形成された半導体層と、
平滑化研磨され、少なくとも２００ｎｍ以上のサイズの粒子を含み、ＣｕまたはＣｕ合金からなる多粒子構造の第１の軟金属導体層と、
前記半導体層と前記第１の軟金属導体層との間に形成された絶縁層と
を含む半導体構造体。
（６１）前記半導体構造は、前記軟金属導体は、前記絶縁層内に配置され、前記軟金属導体層の平滑化研磨された表面は、前記絶縁層の表面と面一である、（６０）に記載の半導体構造体。
（６２）さらに前記絶縁層内にバイア構造を含み、前記バイア構造が、前記軟金属を含む前記軟金属導体と接続される、（６１）に記載の半導体構造体。
（６３）前記バイア構造は、アスペクト比が２以上とされる、（６２）に記載の半導体構造体。
（６４）前記軟金属導体は、ダマシーン・ラインである、（６２）に記載の半導体構造体。
（６５）前記軟金属導体は、デュアル・ダマシーン・ラインである、（６２）に記載の半導体構造体。
（６６）前記軟金属導体は、前記半導体素子を相互接続する、（６３）〜（６５）のいずれか１項に記載の半導体構造体。
（６７）さらに、前記第１の多粒子構造の軟金属導体に電気的に接続された他の多粒子構造の軟金属導体を含む（６６）に記載の半導体構造体。
（６８）さらに、第１の前記軟金属導体と前記絶縁層との間に金属の薄い層を含む（６６）に記載の半導体構造体。
（６９）前記薄い金属層は、高融点金属から構成される、（６８）に記載の半導体構造体。
（７０）さらに、前記高融点金属の層に隣接する高融点金属の窒化物層を含む、（６９）に記載の半導体構造体。
（７１）前記高融点金属はＴｉである、（６９）に記載の半導体構造体。
（７２）前記高融点金属はＴｉであり、前記高融点金属の窒化物は、ＴｉＮである、（７０）に記載の半導体構造体。
（７３）前記第１の軟金属導体層は、２００ｎｍ以下のサイズの粒子を含む層を含んでなる、（６０）に記載の半導体構造体。
（７４）半導体構造体の製造方法であって、
内部に半導体素子を含む半導体層を有する基板を与えるステップと、
少なくとも２００ｎｍのサイズの粒子を含んで構成される多粒子構造の軟金属導体を前記半導体層の上に形成するステップと、
前記軟金属導体の表面を平滑化研磨するステップと
を含む、半導体構造体の製造方法。
（７５）前記少なくとも２００ｎｍの粒子は、前記軟金属導体の平滑化研磨された表面に存在する、（７４）に記載の製造方法。
（７６）前記平滑化研磨ステップの前に加熱ステップを含む、（７４）に記載の製造方法。
（７７）前記軟金属導体は、前記半導体素子間の配線である、（７４）に記載の製造方法
（７８）前記軟金属導体は、バイア・プラグである、（７４）に記載の製造方法。
（７９）前記平滑化研磨は、化学的機械的研磨ステップである、（７４）に記載の製造方法。
（８０）前記軟金属導体層と前記半導体層との間に絶縁層を形成するステップを含む、（７４）に記載の製造方法。
（８１）前記軟金属導体の形成の前に前記絶縁層に接する高融点金属の薄い層を形成するステップをさらに含む、（８０）に記載の製造方法。
（８２）前記高融点金属は、Ｔｉである、（８１）に記載の製造方法。
（８３）前記軟金属層は、前記絶縁層内に形成され、前記平滑化研磨ステップは、前記軟金属導体の研磨された表面を前記絶縁層の表面と同一レベルにする、請求項（８０）に記載の製造方法。
（８４）前記絶縁層に開口を設けるステップと、前記開口の内部に前記軟金属導体を形成するステップを含む、（８０）に記載の製造方法。
（８５）前記軟金属導体はまた、前記絶縁層の上に形成される、（８４）に記載の製造方法。
（８６）前記開口は、アスペクト比が少なくとも２である、（８４）に記載の製造方法。
（８７）前記軟金属導体は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇまたはそれらの合金から選択される、（８４）に記載の製造方法。
（８８）前記軟金属導体は、ＣｕまたはＣｕ合金から選択される、（８７）に記載の製造方法。
（８９）前記軟金属導体は、前記半導体層に対して平行な第１の面にあり、さらに、第２の面内に第２の軟金属導体を形成するステップを含み、前記第２の軟金属導体は、少なくとも２００ｎｍ以上のサイズの粒子を含む、（７４）に記載の製造方法。
（９０）前記軟金属導体は、電気的に接続される、（８９）に記載の製造方法。
（９１）半導体構造体を製造する方法であって、
素子を含む半導体層を与えるステップと、
前記半導体層の上に絶縁層を形成するステップと、
少なくとも２００ｎｍのサイズの粒子を含み、ＣｕまたはＣｕ合金からなる第１の多粒子構造の軟金属導体を形成するステップと、
前記軟金属導体の表面を平滑化研磨するステップと
を含む、半導体構造体の製造方法。
（９２）前記軟金属導体は、前記絶縁層に形成された開口内に形成される、（９１）に記載の製造方法。
（９３）前記第１の金属導体は、前記開口の形成と同時に前記絶縁層上に形成される、（９２）に記載の製造方法。
（９４）前記軟金属層は、ダマシーン・ステップにおいて形成される、（９１）に記載の製造方法。
（９５）前記軟金属層は、デュアル・ダマシーン・ステップにおいて形成される、（９１）に記載の製造方法。
（９６）さらに、金属の薄いフィルムを形成するステップと、その後に前記金属の薄いフィルム上に前記軟金属層を形成するステップとを含む、（９１）に記載の製造方法。
（９７）前記金属の薄いフィルムは、高融点金属からなる、（９６）に記載の製造方法。
（９８）前記高融点金属は、Ｔｉである、（９７）に記載の製造方法。
（９９）さらに、前記高融点金属のフィルムに隣接する高融点金属の窒化物を含む、（９７）に記載の製造方法。
（１００）前記開口内に前記軟金属導体を形成する前に、前記開口内に金属の薄いフィルムを形成するステップをさらに含む、（９２）に記載の製造方法。
（１０１）前記軟金属導体を形成する前に、前記開口内および前記絶縁層上に金属の薄いフィルムを形成するステップをさらに含む、（９３）に記載の製造方法。
（１０２）さらに、前記軟金属層を加熱するステップを含む、（９１）に記載の製造方法。
（１０３）さらに、前記第１の軟金属導体とは同一の表面を有さず、かつ少なくとも２００ｎｍ以上のサイズの粒子を含む第２の多粒子構造の軟金属導体を形成するステップを含む、（９１）に記載の製造方法。
（１０４）前記第１と第２の軟金属導体は、軟金属導体から形成されたバイア・プラグにより電気的に接続される、（１０３）に記載の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】２レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図２】境界面にＴｉＡｌ3が形成されている最終の２レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図３】単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図４】境界面にＴｉ層とＴｉＮ層が付着している単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図５】境界面にＴｉＡｌ3が形成されている最終の単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図６】様々な粒子サイズを有する表面について表面抵抗と研磨時間との依存関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ バイア構造
１２ 酸化物層
１４ 酸化物
１６ Ｔｉの層
１８ Ａｌ−Ｃｕの層
２０ ＴｉＮの層
Ｍ１ Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉの層
Ｍ２ Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉの層
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、半導体素子に使用するための軟金属導体とこのような導体の形成方法に関し、より具体的には、半導体素子に使用するためにその表面層の硬度が改善され、その後の化学的機械的研磨ステップで研磨したときにほぼ擦り傷なしの表面が得られるように表面層が十分な大きさの粒子サイズを有する金属粒子から構成される軟金属導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハ上に形成した様々な構成要素をまとめて電気接続するために半導体製造時に金属薄膜が使用されてきた。たとえば、バイア、素子間結線、トレンチなどはこのような応用分野の例の一部にすぎない。このような応用分野には、従来、単体アルミニウムと、アルミニウム−銅などのアルミニウム合金が使用されてきた。アルミニウムとその合金を使用する利点としては、抵抗率の低さ、ＳｉＯ2への付着力の強さ、パターン形成のしやすさ、純度の高さ、材料コストの低さなどがある。
【０００３】
半導体技術に使用した場合、アルミニウムとアルミニウム合金に欠点がないわけではない。このような欠点のうちの２つは、材料が柔らかいために研磨しにくいことと、エレクトロマイグレーション現象により回路障害が発生することである。たとえば、まず絶縁体に事前にエッチングしたトラフ（バイア、溝などのくぼみ部）を金属で充填し、次にトラフ間に付着された金属を研磨（ポリシング）で除去することにより、埋め込み式（象眼式）プロセスで金属薄膜または金属導線が形成されるようなプロセスでは研磨の問題が見られる。軟金属、すなわち、アルミニウム、銅、またはアルミニウム−銅の合金を使用する場合、金属線の表面には研磨プロセスで擦り傷ができる可能性がある。研磨中に金属表面に擦り傷、ポケット、くぼみ、または浸食などの欠陥が形成されると、線抵抗が大幅に増加し、その結果、半導体製造プロセスの歩留まりが低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
軟金属の研磨プロセスでできるこのような欠陥を避けるため、金属の表面層の耐摩耗性を改善するために硬質層によるキャッピングが試みられている。しかし、これは、線の厚さが増すにつれてキャパシタンスが高まるという犠牲を払って実施されている。研磨の処理ステップを必要とする軟金属の硬度を改善することは、本質的に困難である。研磨が不十分であると、線またはバイアの抵抗が変動する。
【０００５】
したがって、本発明の一目的は、従来技術の導体および従来技術の方法の欠点を持たず、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体と、それを形成する方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、化学的機械的研磨プロセスで研磨した後でほぼ擦り傷なしの表面が得られるような、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、軟金属用の付着プロセスの処理条件を変更するだけで、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、その最上部層に粒子サイズが大きい金属粒子から構成される軟金属層を付着することにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、導電性軟金属構造の最上部層に約２００ｎｍ以上の軟金属粒子を付着することにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する導電性軟金属構造を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、導電性軟金属構造の最上部層に軟金属構造の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する金属粒子を付着することにより、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する導電性軟金属構造を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有し、その表面がそこに付着された大きい粒子サイズの金属粒子からなる厚さが少なくとも約１００ｎｍの層を有するような、導電性軟金属構造を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、物理的蒸着または化学的蒸着技法により、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を作成する方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明により、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの最上部表面を有する軟金属導体とそれを作成する方法が提供される。
【００１４】
好ましい実施例では、軟金属導体の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する粒子から構成される導体の最上部層を付着することにより、軟金属導体が提供される。これは、たとえば、粒子サイズが２００ｎｍ以上の軟金属の粒子によって１００ｎｍ以上の厚さまで軟金属材料の最上部層を付着することによって実施される。粒子が大きいため、その後の化学的機械的研磨プロセスで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように、軟金属導体の最上部層の硬度が大幅に改善される。ほぼ擦り傷なしということは、１平方センチメートルの面積当たり５つ未満の擦り傷を有する表面が研磨後に得られることを意味する。
【００１５】
代替実施例では、まず、より小さい粒子、すなわち、５０ｎｍ以下の粒子サイズを有する軟金属の層が、６００ｎｍ以上の厚さまで軟金属導体に付着され、次に、２００ｎｍ以上の粒子サイズを有する大きい粒子の最上部層が小さい粒子の層の上に付着される。最上部層の粒子サイズが大きいため、研磨用に擦り傷なしの望ましい表面が得られ、小さい粒子の軟金属の中間層により、熱ボイド問題のない材料の層が得られる。
【００１６】
別の代替実施例では、サイズが２００ｎｍより大きい粒子からなる金属の最下部層と最上部層との間に、サイズが５０ｎｍ未満の小さい粒子を有する軟金属の層が挟まれる。
【００１７】
別の代替実施例では、大きい粒子の軟金属を付着した後で、その軟金属の上に続いてＴｉの層が付着され、Ｔｉ層の上に軟金属が付着される。境界面に付着されたＴｉ層は、その後、４００℃で行われるアニール・プロセスでＴｉ層をＴｉＡｌ3層に転換した後で軟金属導体の耐エレクトロマイグレーション特性を改善するため３０ｎｍ以下の厚さを有する。ＴｉＡｌ3層を通って電流が流れたとき軟金属の原子がＴｉＡｌ3層を介して拡散し、軟金属のエレクトロマイグレーション抵抗を改善する。
【００１８】
本発明は、複数ステップ付着プロセス、すなわち、まず４５０℃で１０〜１５秒間、次に４００℃で２分間、続いて４５０℃で１５〜２０秒間スパッタリングすることにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を作成する方法にも関する。最上部層の硬度が改善された軟金属導体が得られる。
【００１９】
本発明は、擦り傷や浸食なしで最適のボリューム除去を得るため、所定の処理パラメータ関係式に従うことにより、軟金属を研磨する方法にも関する。
【００２０】
本発明は、まず低い付着温度で軟金属層を付着し、次に金属の粒子サイズを大きくするためにより高い温度で軟金属層をアニールすることにより、軟金属導体上にほぼ擦り傷なしの表面を形成する方法にも関する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明は、研磨能力が大幅に改善された大きい粒子と小さい粒子の複合構造を有する、半導体素子に使用するための改良された軟金属導体を提供する。研磨を施したときに軟金属が擦り傷や浸食を受けやすいことが分かっている。金属の表面層の粒子サイズを大きくすることにより、軟金属の耐摩耗性が大幅に改善される。この耐摩耗性の改善は、標準的な構造に比べ、少なくとも４〜５倍である。
【００２２】
多層粒子構造は、スパッタリング付着プロセスにより達成することができる。たとえば、第１の層を高温で３０秒未満の間、付着させ、続いて線またはバイアを充填するために低温で処理し、最後に高温で３０秒未満の間、付着する。
【００２３】
アルミニウム、アルミニウム−銅、銅などの軟質で抵抗率の低い金属の耐摩耗性を改善するための構造および方法を開示する。この方法は、１回の付着サイクルで多層粒子構造を達成する。積層順序は、（１）大きい粒子、（２）小さい粒子、（３）大きい粒子にすることができる。下部層と上部層は研磨止めとして機能するのに対し、低温で付着した中間層は熱ボイドの形成を防止するのに役立つ。材料は均質なので、抵抗の損失は発生しない。この構造は、１回の付着サイクルで達成される。すなわち、厚さが１００〜２００ｎｍになるように高温で付着し、次に低温かつ低圧で７００〜８００ｎｍを付着し、最後に高温で１００〜２００ｎｍの厚さを付着する。付着の時間と温度は、熱量がボイド発生温度を十分下回るように調整することができる。また、多層粒子構造は、このような層の急速熱アニール（ＲＴＡ）によって達成することもできる。たとえば、約１００〜３００℃で形成したより小さい粒子を、十分な長さの時間の間、４００℃でアニールして、小さい粒子を２００ｎｍより大きい粒子サイズの粒子に成長させることができる。
【００２４】
多層粒子構造は、２レベル（２段）の軟金属埋め込み構造および単一レベルの軟金属埋め込み構造においてＰＶＤおよびＣＶＤプロセスとその後のアニール技法を使用することにより、作成される。様々な構造とそれに関連する実験プロセスの例を以下に示す。
【００２５】
例１
例１は、本発明の方法による２レベルの軟金属埋め込みバイア構造の形成を示している。まず、乾式エッチング法の１つである反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を使用して、アルミニウム−銅を付着する前に境界面をきれいにする。図１に示すように、半導体基板（図示せず）上に形成され、すでに反応性イオン・エッチングされた、図１にＭ１として示されている金属層の上に、バイア構造１０が形成される。金属層Ｍ１は、下側のＴｉ層、その上のＡｌ−Ｃｕ層、その上のＴｉ層２２および上側のＴｉＮ層２０からなる。酸化物層１２またはその他の低誘電率無機または有機層を付着し、コロイド・シリカを使用する化学的機械的研磨によって平坦化する。追加の酸化物１４を付着し、次に線およびバイア用のパターンを形成する。次に、ＲＩＥ技法を使用して、金属層Ｍ１に対するバイア領域に開孔を形成する。ＲＩＥ技法は、すでに形成したＭ１層の上のすべての非Ａｌ−Ｃｕ層を除去するための重要なステップである。次に、ＰＶＤプロセスを使用して、３０ｎｍ未満のＴｉの層１６と、Ａｌ−Ｃｕの層１８と、Ｔｉ／ＴｉＮの最終層（図示せず）を順に付着する。Ａｌ−Ｃｕ層の付着は、軟金属層の厚さの少なくとも約２０％の粒子サイズを有する金属粒子を生成することによって実施する。次に、シリカ粒子を含むスラリーと低圧を使用してこの構造を化学的に研磨し、１つのステップで素子間結線とバイアを形成する。
【００２６】
湿式エッチング法を使用して、２レベルの軟金属埋め込み構造用のＡｌ−Ｃｕを付着する前に境界面をきれいにする第２の方法を図２に示す。このバイア構造３０では、まず、緩衝ＨＦ（１０：１）を使用して、Ｍ１層の上のＴｉ／ＴｉＮ層３２および３４をきれいにする。その結果、その後の４００℃で３０分間のアニール中にＴｉＡｌ3層を形成するＴｉ層３２を備えたアンダカット構造が得られる。ただし、Ｍ１層の湿式エッチング域４４の肩部４２では、付着したＴｉの層が非常に薄く、場合によってはほとんど存在しないことに留意されたい。次にＴｉ層４６、Ａｌ−Ｃｕ層３８を付着する。Ｔｉ層４６（その後、４００℃のアニール後にＴｉＡｌ3を形成するもの）はバイアの下だけになる。Ａｌ−Ｃｕを付着するための残りの処理ステップは、乾式エッチング法を使用する上記の例と同じである。Ｔｉ層３２によって形成されるＴｉＡｌ3層の厚さは約３０〜約６０ｎｍになるが、バイアのすぐ下のＴｉ層４６の領域では３０ｎｍ未満になる。
【００２７】
例２
乾式エッチングＲＩＥ技法を使用して、Ａｌ−Ｃｕの付着前に境界面をきれいにすることにより形成した単一レベルの軟金属埋め込み構造を図３に示す。バイア構造５０は、すでに反応性イオン・エッチングを施したＴｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮのＭ１層の上に形成されている。酸化物またはその他の低誘電率無機または有機層５４を付着し、コロイド・シリカを使用する化学的機械的研磨によって平坦化する。酸化物層５４には、バイア５０用にパターンを形成する。ＲＩＥ技法を使用して、第１のバイアを開く。ＲＩＥ技法を使用して、すでに形成したＭ１層の上のすべての非Ａｌ−Ｃｕ層を除去することは、重要なステップである。次に、ＰＶＤプロセスを使用して、全体が３０ｎｍ未満の厚さの第１のＴｉ層５８と、次にＡｌ−Ｃｕの層６０とを形成する。これについては図４に示す。Ｔｉ層５８および６８は、その後、４００℃でのアニール後にＴｉＡｌ3を形成する。Ａｌ−Ｃｕ層の付着プロセスを行うと、その結果、軟金属層の厚さの少なくとも約２０％の粒子サイズを有する層が付着される。次に、シリカ粒子を加えたスラリーと低圧を使用して、バイア構造５０を化学的に研磨する。次に、非常に薄い、すなわち、３０ｎｍ未満のＴｉ層６４を下にして層Ｍ２を付着し、パターン形成し、反応性イオン・エッチングを施して、素子間結線構造を形成する。上部のＴｉ層６４は下部のＴｉ層５８より厚くすることができる。ＴｉＮの層６２および６６は、フォトマスク・プロセス用の反射防止膜として形成される。
【００２８】
単一レベルの軟金属埋め込み構造を形成する第２の方法では、湿式エッチング技法を使用して、Ａｌ−Ｃｕを付着する前に境界面をきれいにする。図５に示すバイア構造７０では、緩衝ＨＦ（５０：１）を使用して、層Ｍ１の上部のＴｉ層７２とＴｉＮ層７４をきれいにする。その結果、アンダカット構造が形成されている。Ｔｉ層８２、Ａｌ−Ｃｕ層７８の付着後、Ｔｉ層８２（その後、４００℃で３０分間のアニール後にＴｉＡｌ3を形成するもの）はバイアの下だけになる。Ａｌ−Ｃｕを付着するための残りの処理ステップは、単一レベルの軟金属埋め込み構造の乾式エッチング法で上述したものと同じである。この構造により、電界下でＡｌ−Ｃｕを容易に溶かすことができ、その結果、この構造のエレクトロマイグレーション抵抗が改善される。
【００２９】
湿式エッチングされたキャビティ８４の肩部８０では、Ｔｉ膜が非常に薄いか、ほとんど存在しないことに留意されたい。したがって、肩部８０には、連続したアルミニウム相が存在する。これは、本発明の軟金属導体の耐エレクトロマイグレーション特性をさらに促進するものである。
【００３０】
図１〜５に示す構造に対し、エレクトロマイグレーション抵抗のテストを行った。２レベル構造のエレクトロマイグレーション特性を評価するため、直径１μｍのＡｌ−Ｃｕスタッドで接続された、幅１．４−μｍで長さ３００μｍのＡｌ−２％Ｃｕの線を作成した。電流密度１．２２Ａ／ｃｍ2でエレクトロマイグレーション・テストを行った。障害の基準として、２０％の抵抗シフトを使用する。２レベルのＡｌ−Ｃｕ線／バイア構造をＣＶＤで形成したＷバイア／Ａｌ−Ｃｕ線構造と比較した。Ａｌ−Ｃｕバイアの平均故障間隔は、ＣＶＤで形成したＷスタッドの平均故障間隔より少なくとも１桁の改善されることを示していた。
【００３１】
軟金属導体の耐摩耗性の改善を確認するために一連のテストを行った。たとえば、スパッタリング・プロセスを使用して、アルミニウムと銅を付着し、大きい粒子の構造を形成した。得られたデータは表１に示す。
【００３２】
【表１】
表１に示すように、ショート・スロー／ロング・スロー・スパッタリング技法を使用することにより、大きい金属粒子を作成することができる。その結果、シート抵抗を維持しながら、歩留まりが大幅に増加する。
【００３４】
表１では、テスト中の基板温度が３０℃に維持されていたことに留意されたい。いずれの場合も、Ａｌ−Ｃｕ膜の厚さは１〜１．５μｍに保たれた。銅についても同じテストを繰り返し、同様の結果が得られた。歩留まり分析のため、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造を使用した。ウェハ当たり５０サイトでシート抵抗データを測定した。充填したバイアのアスペクト比は３である。
【００３５】
自然にまたは個別の加熱（ＲＴＡまたはリフロー・プロセスによる）によって付着プロセスの温度を変化させると、粒子サイズをさらに改善し、耐摩耗性／耐ひっかき性を達成することができる。これらのデータについては、表２および３に示す。
【００３６】
【表２】
表２の場合、テスト中の基板温度は４００〜４７５℃に維持されている。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求める。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定した。充填後のアスペクト比は４である。
【００３８】
【表３】
表３に示すサンプルの基板温度は４７５〜５５０℃に維持されている。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求めた。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定した。充填後のアスペクト比は２である。
【００４０】
サンプルを溶融温度まで加熱するか、または急速熱アニール（ＲＴＡ）技法を使用して表面層を大きい粒子に転換すると、サンプルの耐摩耗性／耐ひっかき性をさらに改善できることが分かった。これらのデータは表４に示す。
【００４１】
【表４】
表４に示すように、約１００℃で３通りの圧力を使用して薄膜を付着し、次に、５８０℃の炉で５分間加熱し、接点／トレンチに金属を充填する。別の実験では、ＲＴＡ技法を使用して６００℃で２分間、薄膜を加熱した。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求める。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定する。充填後のアスペクト比は２である。
【００４３】
Ａｌ−ＣｕやＣｕなどの金属には、２ステップ・プロセスも使用する。まず、約１００〜３００℃の温度で金属を付着し、高アスペクト比のバイア（すなわち、２〜３）を充填する。次に、これを約４００℃の温度まで加熱し、粒子サイズを大きくする。次に、研磨プロセスを実行して、耐ひっかき性が増したことを確認する。
【００４４】
Ａｌ−ＣｕおよびＣｕの付着の際に蒸着、コリメーション、ＣＶＤなどのその他の付着技法も使用したが、同様の望ましい結果が達成された。
【００４５】
たとえば、Ａｌ2Ｏ3、シリカ、窒化ケイ素など、様々な硬度を有する粒子をスラリーに入れて使用することにより、すべての研磨実験を行った。所定の関係を使用して、Ａｌ−ＣｕおよびＣｕなどの軟質層を研磨することにより、研磨プロセスを行った。
【００４６】
ｄＶ／ｄｔ＝ＫＡＲpdＨpＶcＧp／ＨmＧm
【００４７】
式中、ｐはスラリー内の粒子を示し、ｍは軟金属を示し、ｐｄはパッドを示し、ｃはチャックまたはウェハ・ホルダを示す。ｄＶ／ｄｔは、金属ボリュームを除去する割合である。Ｈは硬度であり、Ａは露出した金属の面積であり、Ｇは粒子サイズであり、Ｒは粗さであり、Ｋは粒子間の化学結合、金属、パッド、ｐＨ係数などに依存する定数であり、Ｖcはチャックの速度である。
【００４８】
様々な粒子サイズを有する軟金属の研磨時間に対する抵抗データを示したグラフを図６に示す。均質粒子構造を有する第１の層を作成し、耐摩耗性を評価し、標準のＡｌ−Ｃｕ構造と比較する。図６に示すように、研磨速度は均質粒子構造を有する構造について求める。粒子サイズが大きくなるにつれ、軟金属の耐摩耗性も大きくなることを示す、予期せぬ結果が得られる。このような多層粒子構造の組合せを形成して研磨し、バイアを形成する。
【００４９】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００５０】
（１）半導体素子に使用するための軟金属導体において、その後の化学的機械的研磨ステップで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように十分大きい粒子サイズを有する粒子から構成される最上部層を含むことを特徴とする、軟金属導体。
（２）その最上部層の硬度が改善された、半導体素子に使用するための軟金属導体において、前記最上部層が前記軟金属導体の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する粒子から構成されることを特徴とする、軟金属導体。
（３）前記導体が、バイア、素子間結線、線から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（２）に記載の軟金属導体。
（４）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金および３元合金から構成されるグループから選択されることを特徴とする、上記（２）に記載の軟金属導体。
（５）半導体素子に使用する導電性軟金属構造において、
前記軟金属構造の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する粒子から構成される最上部層と、
前記最上部層に連続して直に隣接する第２の層であって、前記軟金属構造の厚さの約２０％以下の粒子サイズを有する粒子から構成される第２の層とを含むことを特徴とする、導電性軟金属構造。
（６）前記最上部層が、化学的機械的研磨方法で研磨後にほぼ擦り傷なしで浸食なしの表面が得られるほど十分大きい厚さを有することを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（７）前記構造が、アルミニウム、銅、銀、アルミニウムと銅と銀からなる２元合金および３元合金、その他の低抵抗金属から構成されるグループから選択された金属で作られることを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（８）前記構造が、バイア、素子間結線、線から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（９）前記最上部層が、粒子サイズが２００ｎｍ以上の金属粒子から構成されることを特徴とする、上記（２）に記載の軟金属導体。
（１０）前記最上部層が、粒子サイズが２００ｎｍ以上で厚さが少なくとも１００ｎｍの金属粒子を有することを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（１１）前記最上部層が、粒子サイズが２００ｎｍ以上の金属粒子を有し、前記第２の層が、粒子サイズが１００ｎｍ以下の金属粒子を有することを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（１２）前記第２の層が、粒子サイズが１００ｎｍ以下で厚さが６００ｎｍ以上の金属粒子を有することを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（１３）前記第２の層に連続して直に隣接する最下部層をさらに含み、前記最下部層が粒子サイズが２００ｎｍ以上の金属粒子から構成されることを特徴とする、上記（５）に記載の導電性軟金属構造。
（１４）半導体素子に使用するための軟金属導体において、
第１の軟金属層と、
前記第１の軟金属層の上にあり、厚さが３０ｎｍ未満の第１のＴｉ層と、
前記第１のＴｉ層の上にある第２の軟金属層であって、前記第２の軟金属層の厚さの約２０％以上の粒子サイズの金属粒子をその最上部層に有する第２の軟金属層と、
前記第２の軟金属層の上にある第２のＴｉ層とを含み、
室温より高い温度でアニールしたときに、２つの軟金属層の間に挟まれた少なくとも前記第１のＴｉ層がＴｉＡｌ3に転換し、その結果、電流がそれを通過するときに前記ＴｉＡｌ3による前記軟金属の原子の拡散が発生し、それにより、前記軟金属導体のエレクトロマイグレーション抵抗が改善されることを特徴とする、軟金属導体。
（１５）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金、ＡｌとＣｕとＡｇからなる３元合金から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（１４）に記載の軟金属導体。
（１６）前記第２のＴｉ層が３０ｎｍ未満の厚さを有することを特徴とする、上記（１４）に記載の軟金属導体。（１７）前記軟金属材料の連続相またはその後形成されたＴｉＡｌ3層での前記軟金属原子の拡散を可能にし、その結果、前記軟金属導体のエレクトロマイグレーション抵抗の改善を可能にするように、前記第１のＴｉ層が、極めて薄い前記層の部分またはボイド状の前記層の部分を有するバイアの最下部に位置することを特徴とする、上記（１４）に記載の軟金属導体。
（１８）使用する前記軟金属がＡｌまたはＡｌ−Ｃｕであるときに、少なくとも前記第１のＴｉ層をＴｉＡｌ3に転換するのに十分な所定の長さの時間、所定の温度で行うアニール・ステップをさらに含むことを特徴とする、上記（１４）に記載の軟金属導体。
（１９）前記所定の温度が３００℃以上であり、前記所定の長さの時間が１０分以上であることを特徴とする、上記（１８）に記載の軟金属導体。
（２０）前記所定の温度が４００℃であり、前記所定の長さの時間が３０分であることを特徴とする、上記（１８）に記載の軟金属導体。
（２１）半導体素子に使用するための軟金属導体を作成する方法において、その後行われる化学的機械的研磨ステップで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように、十分大きい粒子サイズを有する粒子から構成される前記軟金属の第１の層を付着するステップを含むことを特徴とする方法。
（２２）前記第１の軟金属層が、物理的蒸着、化学的蒸着、蒸着、視準から構成されるグループから選択された技法によって付着されることを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２３）前記第１の軟金属層が、粒子サイズが２００ｎｍ以上の金属粒子から構成されることを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２４）前記第１の軟金属層が、少なくとも１００ｎｍの厚さを有することを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２５）その後のＣＭＰステップで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように十分大きい粒子を有する軟金属からなる前記第１の層を付着する前記プロセスの前に、１００ｎｍ以下の粒子サイズと６００ｎｍ以上の層厚を有する粒子から構成される前記軟金属の層を付着するステップをさらに含むことを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２６）その後のアニール・プロセスで前記Ｔｉ層がＴｉＡｌ3層に転換されたときに前記軟金属導体の耐エレクトロマイグレーション特性が改善されるように、前記第１の軟金属層の上に厚さが３０ｎｍ未満のＴｉの層と軟金属の第２の層とを順に付着するステップをさらに含むことを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２７）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金、ＡｌとＣｕとＡｇからなる３元合金から構成されるグループから選択されることを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。
（２８）半導体素子内の軟金属導体を作成する方法において、
約１００℃〜約３００℃の第１の温度で導体用のキャビティを軟金属で充填するステップであって、前記軟金属が第１の粒子サイズを有する金属粒子から構成されるステップと、
前記金属粒子を前記第１の粒子サイズより大きい第２の粒子サイズまで成長させるのに十分な長さの時間、第２の温度で前記導体を加熱するステップとを含むことを特徴とする方法。
（２９）前記導体が、バイア、素子間結線、線から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３０）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金および３元合金から構成されるグループから選択されることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３１）前記第２の温度が３００℃以上であり、前記長さの時間が２分であることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３２）前記軟金属導体の研磨特性が改善されるように、前記第２の粒子サイズが前記第１の粒子サイズより大きいことを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３３）前記第２の粒子サイズが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３４）前記第１の粒子サイズが２００ｎｍ以下であり、前記第２の粒子サイズが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、上記（２８）に記載の方法。
（３５）以下の式によって提議される所定の研磨プロセスにより軟金属構造を研磨する方法において、
ｄＶ／ｄｔ＝ＫＡＲpdＨpＶcＧp／ＨmＧm
式中、ｄＶ／ｄｔは金属ボリュームを除去する割合であり、Ｈｍは金属の硬度であり、Ｈpはスラリー内の粒子の硬度であり、Ａは露出した金属の面積であり、Ｇmは金属の粒子サイズであり、Ｇpはスラリー内の粒子の粒子サイズであり、Ｒpdは研磨パッドの粗さであり、Ｋは粒子間の化学結合と、金属、パッド、ｐＨ係数に依存する定数であり、Ｖcはチャックの速度であり、前記方法により、金属内で擦り傷またはＲpd浸食が発生せずに最適ボリュームの金属を除去することができることを特徴とする方法。
（３６）軟金属構造が、バイア、素子間結線、線から構成されるグループから選択された部材であることを特徴とする、上記（３５）に記載の方法。
（３７）前記軟金属が、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌとＣｕとＡｇからなる２元合金および３元合金から構成されるグループから選択されることを特徴とする、上記（３５）に記載の方法。
（３８）Ｇmが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、上記（３５）に記載の方法。
（３９） 半導体素子が内部に形成された半導体層と、
平滑化研磨された表面を有し、少なくとも２００ｎｍのサイズの粒子を含んで構成される多粒子構造の軟金属導体と
を含む半導体構造体。
（４０）前記半導体構造は、前記軟金属導体が配置される絶縁層を含み、前記軟金属導体の平滑化研磨された表面は、前記絶縁層の表面と同一レベルである、（３９）に記載の半導体構造体。
（４１）前記絶縁層と前記軟金属導体層との間に薄い金属層を含む、（４０）に記載の半導体構造体。
（４２）前記薄い金属層は、Ｔｉを含む、（４１）に記載の半導体構造。
（４３）前記Ｔｉの層に隣接するＴｉＮの層をさらに含む（４２）に記載の半導体構造体。
（４４）前記薄い金属層は、高融点金属を含む、（４１）に記載の半導体構造体。
（４５）前記高融点金属層に隣接する高融点金属窒化物層を含む、（４４）に記載の半導体構造体。
（４６）さらに、他の多粒子構造の軟金属導体を含む（４０）に記載の半導体構造体。
（４７）前記絶縁層内にバイア構造を含み、前記バイア構造は、前記少なくとも２００ｎｍ以上のサイズの粒子を含む前記多粒子構造の軟金属導体層と接続される、（４０）に記載の半導体構造体。
（４８）前記バイアは、アスペクト比が２以上である、（４７）に記載の半導体構造体。
（４９）前記軟金属導体は、ダマシーン・ラインである、（４７）に記載の半導体構造体。
（５０）前記軟金属導体は、デュアル・ダマシーン・ラインである、（４７）に記載の半導体構造体。
（５１）前記多粒子構造の軟金属導体は、前記半導体素子を相互接続する、上記（３９）〜（４１）のいずれかに記載の半導体構造体。
（５２）前記軟金属導体は、バイア・プラグである、（３９）に記載の半導体構造体。
（５３）前記軟金属導体は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、またはＣｕ、Ａｌ、Ａｇの合金からなる群から選択される、（３９）または（５１）または（５２）のいずれか１項に記載の半導体構造。
（５４）前記軟金属導体は、ＣｕまたはＣｕ合金から選択される、（３９）または（５１）または（５２）のいずれか１項に記載の半導体構造。
（５５）半導体素子が内部に形成された半導体層と、
平滑化研磨され、５本／ｃｍ２以下の傷を含む表面を有する多粒子構造の軟金属導体層とを有する半導体構造体。
（５６）前記軟金属導体は、ＣｕまたはＣｕ合金から選択される、（５５）に記載の半導体構造体。
（５７）前記半導体構造は、前記軟金属導体を収容する絶縁層を含み、前記軟金属導体の平滑化研磨された表面は、前記絶縁層の表面と同一レベルである、（５６）に記載の半導体構造体。
（５８）さらに、前記軟金属導体と前記絶縁層との間に高融点金属の薄い層を含む（５７）に記載の半導体構造体。
（５９）さらに、前記高融点金属の薄い層に隣接する高融点金属窒化物を含む、（５８）に記載の半導体構造体。
（６０）半導体素子が内部に形成された半導体層と、
平滑化研磨され、少なくとも２００ｎｍ以上のサイズの粒子を含み、ＣｕまたはＣｕ合金からなる多粒子構造の第１の軟金属導体層と、
前記半導体層と前記第１の軟金属導体層との間に形成された絶縁層と
を含む半導体構造体。
（６１）前記半導体構造は、前記軟金属導体は、前記絶縁層内に配置され、前記軟金属導体層の平滑化研磨された表面は、前記絶縁層の表面と面一である、（６０）に記載の半導体構造体。
（６２）さらに前記絶縁層内にバイア構造を含み、前記バイア構造が、前記軟金属を含む前記軟金属導体と接続される、（６１）に記載の半導体構造体。
（６３）前記バイア構造は、アスペクト比が２以上とされる、（６２）に記載の半導体構造体。
（６４）前記軟金属導体は、ダマシーン・ラインである、（６２）に記載の半導体構造体。
（６５）前記軟金属導体は、デュアル・ダマシーン・ラインである、（６２）に記載の半導体構造体。
（６６）前記軟金属導体は、前記半導体素子を相互接続する、（６３）〜（６５）のいずれか１項に記載の半導体構造体。
（６７）さらに、前記第１の多粒子構造の軟金属導体に電気的に接続された他の多粒子構造の軟金属導体を含む（６６）に記載の半導体構造体。
（６８）さらに、第１の前記軟金属導体と前記絶縁層との間に金属の薄い層を含む（６６）に記載の半導体構造体。
（６９）前記薄い金属層は、高融点金属から構成される、（６８）に記載の半導体構造体。
（７０）さらに、前記高融点金属の層に隣接する高融点金属の窒化物層を含む、（６９）に記載の半導体構造体。
（７１）前記高融点金属はＴｉである、（６９）に記載の半導体構造体。
（７２）前記高融点金属はＴｉであり、前記高融点金属の窒化物は、ＴｉＮである、（７０）に記載の半導体構造体。
（７３）前記第１の軟金属導体層は、２００ｎｍ以下のサイズの粒子を含む層を含んでなる、（６０）に記載の半導体構造体。
（７４）半導体構造体の製造方法であって、
内部に半導体素子を含む半導体層を有する基板を与えるステップと、
少なくとも２００ｎｍのサイズの粒子を含んで構成される多粒子構造の軟金属導体を前記半導体層の上に形成するステップと、
前記軟金属導体の表面を平滑化研磨するステップと
を含む、半導体構造体の製造方法。
（７５）前記少なくとも２００ｎｍの粒子は、前記軟金属導体の平滑化研磨された表面に存在する、（７４）に記載の製造方法。
（７６）前記平滑化研磨ステップの前に加熱ステップを含む、（７４）に記載の製造方法。
（７７）前記軟金属導体は、前記半導体素子間の配線である、（７４）に記載の製造方法
（７８）前記軟金属導体は、バイア・プラグである、（７４）に記載の製造方法。
（７９）前記平滑化研磨は、化学的機械的研磨ステップである、（７４）に記載の製造方法。
（８０）前記軟金属導体層と前記半導体層との間に絶縁層を形成するステップを含む、（７４）に記載の製造方法。
（８１）前記軟金属導体の形成の前に前記絶縁層に接する高融点金属の薄い層を形成するステップをさらに含む、（８０）に記載の製造方法。
（８２）前記高融点金属は、Ｔｉである、（８１）に記載の製造方法。
（８３）前記軟金属層は、前記絶縁層内に形成され、前記平滑化研磨ステップは、前記軟金属導体の研磨された表面を前記絶縁層の表面と同一レベルにする、請求項（８０）に記載の製造方法。
（８４）前記絶縁層に開口を設けるステップと、前記開口の内部に前記軟金属導体を形成するステップを含む、（８０）に記載の製造方法。
（８５）前記軟金属導体はまた、前記絶縁層の上に形成される、（８４）に記載の製造方法。
（８６）前記開口は、アスペクト比が少なくとも２である、（８４）に記載の製造方法。
（８７）前記軟金属導体は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇまたはそれらの合金から選択される、（８４）に記載の製造方法。
（８８）前記軟金属導体は、ＣｕまたはＣｕ合金から選択される、（８７）に記載の製造方法。
（８９）前記軟金属導体は、前記半導体層に対して平行な第１の面にあり、さらに、第２の面内に第２の軟金属導体を形成するステップを含み、前記第２の軟金属導体は、少なくとも２００ｎｍ以上のサイズの粒子を含む、（７４）に記載の製造方法。
（９０）前記軟金属導体は、電気的に接続される、（８９）に記載の製造方法。
（９１）半導体構造体を製造する方法であって、
素子を含む半導体層を与えるステップと、
前記半導体層の上に絶縁層を形成するステップと、
少なくとも２００ｎｍのサイズの粒子を含み、ＣｕまたはＣｕ合金からなる第１の多粒子構造の軟金属導体を形成するステップと、
前記軟金属導体の表面を平滑化研磨するステップと
を含む、半導体構造体の製造方法。
（９２）前記軟金属導体は、前記絶縁層に形成された開口内に形成される、（９１）に記載の製造方法。
（９３）前記第１の金属導体は、前記開口の形成と同時に前記絶縁層上に形成される、（９２）に記載の製造方法。
（９４）前記軟金属層は、ダマシーン・ステップにおいて形成される、（９１）に記載の製造方法。
（９５）前記軟金属層は、デュアル・ダマシーン・ステップにおいて形成される、（９１）に記載の製造方法。
（９６）さらに、金属の薄いフィルムを形成するステップと、その後に前記金属の薄いフィルム上に前記軟金属層を形成するステップとを含む、（９１）に記載の製造方法。
（９７）前記金属の薄いフィルムは、高融点金属からなる、（９６）に記載の製造方法。
（９８）前記高融点金属は、Ｔｉである、（９７）に記載の製造方法。
（９９）さらに、前記高融点金属のフィルムに隣接する高融点金属の窒化物を含む、（９７）に記載の製造方法。
（１００）前記開口内に前記軟金属導体を形成する前に、前記開口内に金属の薄いフィルムを形成するステップをさらに含む、（９２）に記載の製造方法。
（１０１）前記軟金属導体を形成する前に、前記開口内および前記絶縁層上に金属の薄いフィルムを形成するステップをさらに含む、（９３）に記載の製造方法。
（１０２）さらに、前記軟金属層を加熱するステップを含む、（９１）に記載の製造方法。
（１０３）さらに、前記第１の軟金属導体とは同一の表面を有さず、かつ少なくとも２００ｎｍ以上のサイズの粒子を含む第２の多粒子構造の軟金属導体を形成するステップを含む、（９１）に記載の製造方法。
（１０４）前記第１と第２の軟金属導体は、軟金属導体から形成されたバイア・プラグにより電気的に接続される、（１０３）に記載の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】２レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図２】境界面にＴｉＡｌ3が形成されている最終の２レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図３】単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図４】境界面にＴｉ層とＴｉＮ層が付着している単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図５】境界面にＴｉＡｌ3が形成されている最終の単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。
【図６】様々な粒子サイズを有する表面について表面抵抗と研磨時間との依存関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ バイア構造
１２ 酸化物層
１４ 酸化物
１６ Ｔｉの層
１８ Ａｌ−Ｃｕの層
２０ ＴｉＮの層
Ｍ１ Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉの層
Ｍ２ Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉの層
Claims (4)
- 半導体構造体を製造する方法であって、
素子を含む半導体層を与えるステップと、
前記半導体層の上にＡｌ−Ｃｕ合金からなる第１の軟金属導体層、Ｔｉ層、およびＴｉＮ層が順次積層された金属層を形成し、該金属層の上に絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層に開口を形成した後に、該開口底面の前記Ｔｉ層および前記ＴｉＮ層を除去して前記Ａｌ−Ｃｕ合金からなる第１の軟金属導体層を露出させるステップと、
前記開口内にＴｉからなる薄いフィルムを形成し、前記開口の内部の前記フィルムの上に前記Ａｌ−Ｃｕ合金からなるバイア構造としての軟金属導体を形成するステップと、
前記軟金属導体を加熱するステップと、
前記軟金属導体の表面を平滑化研磨するステップと、
前記絶縁層上にさらにＴｉからなる薄いフィルムを形成し、該フィルムを下にして前記Ａｌ−Ｃｕ合金からなる第２の軟金属導体層を形成するステップと、
を含む、半導体構造体の製造方法。 - 前記平滑化研磨は、化学的機械研磨ステップである、請求項１に記載の製造方法。
- 前記平滑化研磨するステップは、前記軟金属導体の研磨された表面を前記絶縁層の表面と同一レベルにする、請求項１に記載の製造方法。
- 前記開口は、アスペクト比が少なくとも２である、請求項１に記載の製造方法。
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