JP6317056B2 - アルミニウム膜被着方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄い基材上にアルミニウムの層又は膜を被着させることに関する。

多くの用途において、シリコンウエハはそれらの上に被着されるべき厚いアルミニウム層を必要とする。例えば、ウエハから製作されるデバイスに高出力のトランジスタが含まれる場合、これらのデバイスに固有の非常に高い電流密度に対処するために、コンタクト層として厚いアルミニウム層が必要になることがある。

一般に、このようなデバイスは、厚さが１〜２０μｍの１以上のアルミニウム層を含むソースコンタクトを備えた垂直構造を有する。これらは、厚さの完全なウエハに組み込まれた半導体デバイス（例えばＭＯＳＦＥＴ．ＩＧＢＴバイポーラ）上に被着される。一般に、ドレインコンタクトはウエハの裏面に形成される。しかし、大半の厚さはデバイスの性能にとって有効ではなく、どちらかと言えば電力を浪費する直列抵抗に寄与するので、ウエハはドレインコンタクトの被着前に一般に７２０μｍから＜２００μｍまで研磨して薄くされる。このような薄いウエハはかなり曲がりやすく、様々な被着層によって誘起される応力にさらされたときに相当の反り又は撓みを受ける。約２０℃未満の温度でスパッタリングにより被着したアルミニウム層は、膜とその下にある基材との熱膨張の不一致のため伸張する。例えば、８μｍのスパッタアルミニウム膜は一般に、約６０ＭＰａの応力を有する。下記の表１は、いろいろな厚さのウエハにおいて誘起される反りを示している。２００μｍのＳｉウエハの場合で、およそ約２ｍｍの反りが誘発されることがあることが分かる。このような反りは、ウエハをその後の工程で処理するのを困難にする。

冷却した静電チャックでウエハを固定して低温で膜をスパッタリングすることにより、応力をほぼゼロまで減らすことができることが知られている。定盤にＲＦバイアスをかけていないときの８μｍの膜についての応力と定盤又はチャック温度との関係を、図１に示す。更に、ＲＦバイアスを加えることにより応力を圧縮応力にすることができることが知られており、これを図２に示している。

しかし、出願人らは、固定した低温のアルミニウムはかなり大きな間隙で隔てられた非常に小さな柱状結晶粒を含む好ましくない結晶粒組織を示すことを確認した。この組織は、異なる２つの被着速度（それぞれ１．８μｍ／ｍｉｎ及び０．６μｍ／ｍｉｎ）にて静電チャック（ＥＳＣ）上で−１５℃で被着させた８μｍのアルミニウム膜の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である図３、４で、はっきりと見ることができる。この粗くて間隙のある結晶粒組織は、デバイスの電気機械的特性を低下させてデバイスの性能低下を招きかねないことが容易に理解される。従って、他の不都合に混じって、抵抗率が増大しデバイスの寿命が短くなりかねない。

図５は、固定していない８μｍのアルミニウム膜のより一般的な結晶粒組織を示している。間隙のない全体に大きくて平らな六方晶系の粒子のあることが分かる。Ａｌの被着を行う直前に別のモジュールでウエハを予熱することにより、結晶粒組織をある程度まで回復することを試みた。しかし、これが有効であるためには、ウエハの出発温度は約４００℃である必要があることが研究から示された。これは、図６、７に示した２つの処理により説明される。ウエハは間隙を実質的になくすために約４００℃に加熱する必要があることが分かる．この温度は、下層の構造体の安定した処理を可能とするのには高すぎる。初期のウエハ温度を上昇させても、Ａｌ膜の引張応力が増大することになり、従ってバイアスによって補償するのがより困難になる。それゆえに、出願人らは、このアプローチはアルミニウム結晶粒組織を改善し同時に低応力を保持するという問題を現実的に解決することにはならないことを突き止めた。

図８、９は、ＲＦバイアスを加えるとある程度まで膜を緻密にすることを説明している。これは、図２に示したように膜を圧縮性にする。しかし、これは結晶粒組織を有意には改善しないことが分かる。表面粗さと間隙ができる問題は非常に高いバイアスに至るまで存続する。

本発明は、上記問題を解決しようとするものである。

出願人らは、そのようなアルミニウム膜及びアルミニウム合金膜を被着させる方法であって過度の応力及び不十分な結晶粒組織の上記問題を克服し、あるいは少なくとも軽減する方法を見いだした。

本発明は、薄い基材上にアルミニウム膜又はアルミニウム合金膜を被着させる方法であって、
ａ）基材を支持体上に配置すること、
ｂ）前記基材を固定していない状態で前記基材上にアルミニウム又はアルミニウム合金の第１層を被着させること、
ｃ）前記基材を前記支持体に固定し、そして前記第１層より厚いアルミニウム又はアルミニウム合金の第２層を約２２℃未満、好ましくは２０℃未満の基材温度で、前記第１層に連続して被着させること、
を含む方法にある。

この方法は、好ましくは、当該方法の固定を行う部分を実施している間、支持体にＲＦバイアスをかけることを含む。ＲＦ出力は、例えば１００Ｗと５００Ｗの間でよい。

第１層は、約０．５μｍ〜約２μｍ（好ましくは約１μｍ）の厚さでよく、第２層の厚さは約７μｍでよいが、用途によってはもっと大きい厚さが求められることもある。好ましくは、第１層の第２層に対する厚さの比は１：３と１：１５の間である。

被着工程は、異なる基材上で（例えば異なる被着を行って又は異なるモジュールで）行ってもよいが、同一の基材上で被着工程を行うのが好ましく、その場合は第２の被着工程は第１の被着工程と連続して行い、基材を固定することで開始することができる。これは、支持体が静電チャックである場合には特に簡単に行うことができる。

既に示したように、基材は「薄い」基材であり、一般的にこれはその厚さが２５０μｍ未満であることを意味する。基材はシリコンウエハでよい。

アルミニウム合金は、好ましくはＡｌ（Ｃｕ，Ｓｉ（＠＜５％））、すなわち合計量で５％未満の銅とケイ素を含有するアルミニウム合金である。

本発明は上に明示されてはいるが、それは上に記載した又は以下で説明する特徴のいずれの独創的組み合わせをも含むものと解されるべきである。

本発明はいろいろなやり方で実施することができ、次に一例として具体的な実施形態を、添付の図面を参照して説明することにする。

定盤にＲＦバイアスをかけていないときの８μｍの膜についての応力と定盤又はチャック温度との関係を示すグラフである。 ＲＦバイアスを加えることにより応力を圧縮応力にすることができることを示す図である。 １．８μｍ／ｍｉｎにて静電チャック上で−１５℃で被着させた８μｍのアルミニウム膜の走査型電子顕微鏡写真である。 ０．６μｍ／ｍｉｎにて静電チャック上で−１５℃で被着させた８μｍのアルミニウム膜の走査型電子顕微鏡写真である。 固定していない８μｍのアルミニウム膜のより一般的な結晶粒組織を示す電子顕微鏡写真である。 直前に別のモジュールでウエハを予熱して被着したＡｌ膜の結晶粒組織を示す電子顕微鏡写真である。 直前に別のモジュールでウエハを予熱して被着したＡｌ膜の結晶粒組織を示す別の電子顕微鏡写真である。 ＲＦバイアスを加えて被着したＡｌ膜の結晶粒組織を示す電子顕微鏡写真である。 ＲＦバイアスを加えて被着したＡｌ膜の結晶粒組織を示す別の電子顕微鏡写真である。 本発明の実施形態により作製した膜の断面と表面を示す電子顕微鏡写真である。 本発明の実施形態により作製した膜の断面と表面を示す別の電子顕微鏡写真である。 本発明の実施形態により作製した膜の断面と表面を示す別の電子顕微鏡写真である。 １．８μｍ／ｍｉｎでアルミニウムを被着した場合の被着膜厚に対しウエハ温度をプロットしたグラフである。 ウエハにバイアスをかける本発明の実施形態の断面及び表面のＳＥＭ写真である。 バイアスなしでの本発明の実施形態の断面及び表面のＳＥＭ写真である。 異なる被着プロセスについて定盤バイアスに対し膜の反射率をプロットしたグラフである。 本発明の実施形態についての応力−バイアス曲線を示すグラフである。

従来技術の被着プロセスによって提起された課題に鑑み、発明者らは、低温でも応力の調節が可能な緻密で平滑な間隙なしのアルミニウム膜を被着するアプローチを追求してきた。概して言えば、発明者らは、厚さが０．５〜２μｍの固定していないアルミニウムのシード層を被着させてから、その膜を固定して低い静電チャック（ＥＳＣ）定盤温度で被着を完了させると、満足できる膜が得られることを見いだした。この技術を使用すると、非常に小さな柱状結晶粒の形成を抑えアルミニウム膜の構造を改善する一方で、低い引張応力を維持することが可能であるということが判明した。これは、図１０と１１で説明される。固定していない薄いアルミニウム層は膜の残りの部分の成長のためのテンプレートとして働き、標準的な固定した低温（＜２０℃）での被着において普通である非常に小さい強固な柱状結晶粒構造の形成を抑制する。固定していないシード層の厚さをほぼ０．５μｍ未満まで減少させると、柱状結晶粒の組織が再び幅をきかせ始めて、図１２に見られるように膜はもう一度粗くて間隙も持つようになる、ということが分かった。なお、この図のアルミニウムシード層の厚さは０．２μｍである。

シード層は、別個のモジュールで被着させてもよく、あるいは静電チャックのスイッチを切って同じモジュールで被着させてもよい。固定していないシード層を被着させる定盤温度は、構造上の変化に対する推進因子ではない。これは、固定していない被着の場合、プラズマの熱と被着の潜熱の両方のために、ウエハ温度は定盤よりもずっと高い温度まで上昇することができるからである。図１３は、１．８μｍ／ｍｉｎでアルミニウム膜を被着させた際の固定していない厚さの完全なＳｉウエハの温度を示している。ウエハ温度は、１μｍの被着の終了時には２００℃より高い温度まで上昇し、そして８μｍの被着の終了時には約３５０℃に接近することがある。ウエハを同じモジュールで処理する場合には、静電チャックはその前の冷却のために冷たくなっていることもある。

しかしながら、被着によって発生する固有の熱は、通常は、ウエハが定盤と熱的に良好に接触していて（すなわち固定されていて）系から熱エネルギーを除去するための何らかの有効な冷却源がある場合に除去されるだけである。これを実現することによって、発明者らは、厚いアルミニウム膜の残りの部分と同じ低い温度の定盤上にシード層を被着させることができた。図７に関連して理解されるように、予熱ステーションを使って初期のウエハ温度を上昇させることが、より良好な品質を得るのに有効であるが、必要なウエハ温度は一般には更に高い。それはまた、結果として費用と時間とが密接に関係する、もう一つの処理工程である。

上述の基本的プロセスを使用すると、固定している間にＲＦバイアスを適用することによって応力を約１００ＭＰａの圧縮応力まで更に抑制することができ、そして同時に緻密で平滑な膜を得ることができる。バイアスの作用を図１４と１５に示す。

膜の構造の改善は、膜の反射率によって示すこともできる。これは固定されていないシード層の厚さとともに増加することが、図１６で理解される。反射率の測定値は、アルミニウム膜の表面粗さの指標である。低温の固定膜は本質的に非常に粗く、固定されていないより平滑なシード層と比べてずっと低い反射率を示すことが注目される。

図１７は、本発明の方法の一実施形態を使用して被着させた８μｍのＡｌ膜、すなわち固定しない１μｍのシード層と固定した７μｍの膜について、定盤のＲＦバイアスに対する応力を示している。固定していないシード層を用いるこの新しい方法の場合の調節可能な応力範囲は、標準的な固定した低温のＡｌ膜について得られるそれに匹敵する。とは言え、先に検討したように、間隙のないより緻密な結晶粒組織がその応力範囲全体にわたり保持されて、この方法を実用的な半導体デバイスの製作に非常に適したものにする。

従って、本発明は、低い引張応力から圧縮応力へと応力を調節することが可能な平滑で緻密な間隙なしの膜を形成するやり方でもって、低温でアルミニウムを被着させるための簡単な方法を提供する。この方法は、０℃未満の被着温度で実施してもよい。応力の調節は、固定して被着を行う工程を実施している間にＲＦバイアスを適用しながら約１００ＭＰａの圧縮応力に至るまでの範囲にわたってなされる。その応力範囲全体にわたり、且つ厚さが最小で０．５μｍまでのシード層を用いて、デバイスの製作にとって好適な結晶粒組織が保持される。この基本的方法を使って改善される膜の利益は、応力の調節が必要されようとされまいと、有利であることが理解される。

Claims (13)

1. 薄いシリコンウエハである基材上にアルミニウム膜又はアルミニウム合金膜をスパッタリングにより被着させる方法であって、
   （ａ）基材を支持体上に配置すること、
   （ｂ）前記基材を固定していない状態で前記基材上にアルミニウム又はアルミニウム合金の第１層を０．５μｍ以上被着させること、
   （ｃ）前記基材を前記支持体に固定し、そして前記第１層より厚いアルミニウム又はアルミニウム合金の第２層を２２℃未満の基材温度で、前記第１層に連続して被着させること、
   を含むアルミニウム膜又はアルミニウム合金膜被着方法。
2. 固定している間、前記支持体にＲＦバイアスを供給する、請求項１記載の方法。
3. ＲＦバイアス出力が１００Ｗと５００Ｗの間である、請求項２記載の方法。
4. 前記第１層が０．５〜２μｍの厚さである、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 前記第２層が７μｍの厚さである、請求項４記載の方法。
6. 前記第１層の前記第２層に対する厚さの比が１：３と１：１５の間である、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 前記被着の工程を異なる支持体上で行う、請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. 前記被着の工程を同じ支持体上で行う、請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
9. ２番目の被着の工程が１番目の被着の工程に続くものであり、前記基材を固定することにより開始される、請求項８記載の方法。
10. 前記基材が２５０μｍ未満の厚さである、請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
11. 前記基材がシリコンウエハである、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の方法。
12. 前記（ｃ）における前記基材温度が２０℃未満である、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の方法。
13. 前記アルミニウム合金が合計量で５％未満の銅とケイ素を含有するアルミニウム合金である、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の方法。