JPH01501985A - 改良メタライゼーションを有する半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良メタライゼーションを有する半導体デバイス技術分野 本発明は半導体デバイスの分野に関する。

発明の背景 集積回路は、集積回路内の個々のデバイスを接続するためにメタライゼーション （金属被着）を必要とする。複雑度とデバイス数との両方が増加するにつれて、 配線間の空間が減少することから、結線すなわちメタライゼーションを形成する 配線寸法は一般に減少する。配線の完全性に関連する問題がしばしば発生するけ れども、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）においては配線寸法がきわめて小さくな るので、これらの問題はさらに一層きびしさを増してくる。

アルミニウムは、抵抗が比較的小さいことと、ドープ（不純物注入）されたシリ コンとコンパティビリティ（両立性：相互影響がないこと）を有することとによ り、しばしば好んで使用されるメタライゼーションである。アルミニウムの使用 からは少なくとも４つの問題が発生する可能性がある。第１に、アルミニウムは それほど硬い金属ではないので、アルミニウムが不動態化される前に金属に引き 掻き傷をつける可能性があることである。第２に、配線内に原子のエレクトロマ イグレーション（移動）の可能性があることである。エレクトロマイグレーショ ンは電位的に配線内に電気的不連続部を形成する原因となる。この問題はエレク トロマイグレーションを食い止めるバンブー（竹）形構造にアルミニウムを被着 させることにより緩和され、おそらく解決可能であろう。１９８４年８月２０日 発行の米国特許第４．４３８．４５０号参照、第３に、電気的連続性を保持しな がら、物理的表面内の不連続部または段差部（ステップ）上にメタライゼーシぢ ンを被着するのが好ましいことである。これは通常の被着技術では、しばしばそ の実現がむずかしい。第４に、アルミニウム配線は、横方向または垂直方向のい ずれか、または両方にヒロック（小丘）を形成しやすいことである。ヒロックの 形成によって配線の所定形状が得られなくなり、それ以後の製造工程を困難にす るので、ヒロックの形成は好ましくない。

発明の要約 本発明は改良メタライゼーションを有する半導体デバイスに関する。シリコン基 板に重なる表面すなわち、重ね合せ誘電体層上に複数の金属導電体層、たとえば アルミニウム、が被着され、次に低温化学気相蒸着（析出）法により、導体の露 出面上に導電性リフラクトリ材料が選択的に蒸着される。このようにして製造さ れた半導体デバイスは、シリコン基板、前記基板上の誘電体層、その表面上の複 数のアルミニウム導体および露出アルミニウム表面上を被覆してカプセル化バイ メタル構造を形成するりフラクトリ材料、とからなる。したがって、「バイメタ ル構造」という用語は、第２の金属層の頂部に直接第１の金属層を付着させた構 造に限定されないことがわかるであろう。特定の実施例においては、リフラクト リ材料はタングステンからなる。本発明の方法により蒸着されるリフラクトリ材 料は戚た、ウィンドウやプラグ内に用いられた塗布金属にも使用可能である。本 発明によるバイメタル構造、メタライゼーションの使用はまた、多レベル相互結 合をも考えている。

図面の簡単な説明 第１図は本発明のよるデバイスの一実施例の図；第２図は本発明によるデバイス の他の実施例の図；第３図は本発明の態様図： 第４図は本発明の他の実施例の図；および第５図は本発明の態様図を示す。

図を見やすくするために、図示のデバイスの要素は正確な尺度で書かれてはいな い。

詳細な説明 第１図は本発明によるデバイスの略図である。これは、シリコン基板１１誘電体 層３、および頂部主要表面上の複数のアルミニウム導体すなわちメタライゼーシ ョン５、とを含む。誘電体内にはシリコン基板に違する孔７がある。図示のよう に、アルミニウム・メタライゼーションは、誘電体の表面上と孔７内とにあるが 、孔７はアルミニウムで被覆されているが、アルミニウムで完全に充満されては いない。図かられかるように、アルミニウム導体は露出表面、すなわちシリコン 基板または誘電体材料と、接していない表面を有する。アルミニウムの露出表面 上にリフラクトリ材料コーティング９が被着される。図かられかるように、リフ ラクトリ材料は、誘電体上のアルミニウム層の露出表面と、孔内のアルミニウム の３つの露出表面とを被覆する。アルミニウムは集積回路の個々の要素を形成す るデバイスと電気的に接触するのに使用されるが、このバブイスは図をわかりや すくするために図示されていないことは同業者には理解されよう。図示の構造は 、通常であれば露出されている表面が導電性リフラクトリ材料により被覆された アルミニウム特徴を含む。これらの構造はカプセル化バイメタル構造と呼ぶのが 便利である。バイメタル構造は低温化学気相蒸着法で形成するのが便利である。

リソグラフィ工程を用いることなく、リフラクトリ材料の選択蒸着が進行して、 アルミニウムの３つの側面をカプセル化するのがわかる。低温ではヒロックが形 成されることはないので、低温を用いることが好ましい。

この方法を、アルミニウム上へのタングステンの蒸着という特定の例を用いて説 明する。適当な工程が終了すると、誘電体層がシリコン上に被着されて、所定の パターンが形成される。次にアルミニウム層が被着されてパターンが形成される 。ここでタングステンが蒸着される。タングステンの化学気相蒸着の代表的な成 分は、水素およびＷＦ、である。得られた反応により、露出アルミニウム表面上 にタングステンが蒸着される。反応はアルミニウムとの表面活性化機構を介して てより迅速に進行し、制御温度範囲内で選択的に、すなわち露出アルミニウム表 面上のみ（こて、進行すると考えられる。したがって、希望しない表面上にはリ フラクトリの蒸着はほとんどないかまたは全くない。

約２８０℃から８５０℃の範囲の温度が好ましいことがわかった。

２８０℃より低い温度を用いてもよいが、蒸着速度が低くなって好ましくない。

３５０℃を超える温度ではヒロックが形成しはじめるので好ましくない。１μｍ の厚さのＡ１層の上では、２８０℃ないし３００℃の蒸着温度が使用された。Ｗ Ｆ　およびＨ２の流速はそれぞれ１Ｏ−１２０ｃｃ／分および８０００ｃｃ／分 であった。圧力は約Ｈ，６バスカルであった。１５分ないし３０分の蒸着時間に より５０ｎ日ないし１１００ｎ厚のタングステンが得られた。その他の処理シー ケンスは、接触焼付け、最終処理、および不働態化工程という通常の処理シーケ ンスに類似する。

タングステンの厚さは、正確な厚さとすることは重要ではないがｓ　５０ｎ■な いし１０（ｌｒｌｇであることが好ましい。配線間の空間内に２倍の厚さのタン グステンが蒸着されると、厚いフィルムが微細間隔で設けた配線間に短絡を生じ ることがある。配線間は、タングステンが蒸着される前より広がったり狭くなっ たりすることがあることもわかるであろう。エツチングあるいはりソグラフイを 行なうことなく、より狭い間隔が得られた。

タングステンの蒸着のほかに他の金属の蒸着が考えられる。たとえば、アルミニ ウム表面上にＭＯｌＴａまたはＴｉを蒸着してもよい。純アルミニウム以外の導 体の使用もまた考えられる。たとえば、シリコンのような他の元素を少量存在さ せることも考えられる。Ａ】ベース合金の使用も考えられる。またＭｏのような 他の金属の使用も考えられる。さらにバイメタル構造は、同一金属ではあるが粒 子構造が異なる２層で構成してもよい。たとえば、最初にタングステンをスパッ タリングさせ、次にタングステンを化学気相蒸着させてもよい。

多レベル相互結合もまた考えられる。多レベル相互接続の例を第２図に示す。第 １図に用いたものと同一番号は同一要素を示す。

前記の構造のほかに、第２の誘電体層１１も存在し、リフラクトリ材料９の表面 に露出する複数の孔１３を有する。すなわち、第２の誘電体層にパターンが形成 されている。リフラクトリ材料９の上にアルミニウム層１５が被着され、一方ア ルミニウム層１５の露出面はりフラクトリ材料層１７で被覆される。アルミニウ ムの端面の被覆が明確に図示されている頂部右端部には、とくに注意が払われる 。

このリフラクトリ材料は代表例では前のりフラクトリ材料に使用されてものと同 一であり、同一方法で蒸着される。誘電体材料は代表例はガラスである。

アルミニウムのパターン形成に使用されるエツチングは、アルミニウムはエツチ ングするが、リフラクトリ材料はエツチングしわせにおいて、従来技術に対応す るようなきわめて大きい許容度がある。第３図には第１のレベルのメタライゼー ション３１、誘電体３３および第２のレベルのメタライゼーション３５とを有す る構造を示す。もし従来技術の構造におけるように、両方のメタライゼーション がアルミニウムであると、第２のメタライゼーションをエツチングすると、第１ のレベルのメタライゼーションもエツチングする結果となる。しかしながら、第 １のメタライゼーション内にリフラクトリ材料があるので、これがエツチングを 食い止める。２つのレベルの相互結合の平面図を第４図に示す。第１のレベルの メタライゼーションは４１であり、第２のレベルのメタライゼーションは４３で あって、これらはウィンドウ４５を介して結合されている。

カプセル化構造の他の図を第５図に示す。誘電体層５１があり、この層５１の上 に３つのカプセル化バイメタル構造がある。各構造は、第１の導体５３と、導体 の露出面を被覆してカプセル化構造を形成する導電性リフラクトリ材料５５とを 含む。図かられかるように、交差ラインの重なりに対する許容度は大きく増加さ れる。

ＦＩＧ、　Ｉ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　５ 補正書の写しく翻Ｕｍ提出書（特許法第１８４条の７第１力昭和６３年３月３０ 日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．主要表面を有するシリコン基板； 前記表面の一部の上に重なり合う少なくとも１つの誘電体層；および 前記表面および前記誘電体層上の選択部分上にあって、露出表面を有する複数の 導体； とからなる半導体デバイスにおいて； 前記デバイスはさらに、前記導体の露出表面上を被覆してカプセル化バイメタル 構造を形成するリフラクトリ材料を含むことを特徴とする半導体デバイス。
2. ２．前記リフラクトリ材料はＷ、Ｍｏ、ＴａおよびＴｉから選択された少なくと も１つの材料であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の構造。
3. ３．前記導体はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする 請求の範囲第２項に記載の構造。
4. ４．孔を有する少なくとも２つの誘電体層；前記第２の誘電体層の上に重なり合 い、露出表面を有し、前記カプセル化バイメタル構造から垂直方向に間隔をなし て、配置された第２の複数の導体； 前記第２の複数の導体の前記露出表面上を被覆して、他のカプセル化バイメタル 構造を形成するリフラクトリ材料；および前記カプセル化バイメタル構造と前記 他のカプセル化バイメタル構造との間の複数の電気接続部材； とからなる請求の範囲第１項または第３項に記載の構造。
5. ５．シリコン基板の表面と、前記基板の一部の上に重なり合う第１の誘電体層と の選択部分上に、露出表面を有する複数の導体を形成するステップからなり； 化学気相蒸着法により、前記導体の前記露出表面上にリフラクトリ材料を選択的 に蒸着させて、カプセル化バイメタル構造を形成すること、をさらに含むことを 特徴とする前記請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の半導体デバイ スの製造方法。
6. ６．前記リフラクトリ金属はＷを含み、前記化学気相蒸着ステップはＷＦ６とＨ ２との混合物を用いることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の方法。
7. ７．前記第１の誘電体層と、カプセル化バイメタル構造との上に、重なり合うパ ターン形成された第２の誘電体層であって、前記バイメタル構造の一部を露出さ せる孔を有するパターン形成された第２の誘電体層を形成するステップ；および 前記複数の導体を形成するステップ、および選択的にリフラクトリ材料を蒸着さ せるステップを反復するステップ；とをさらに含むことを特徴とする請求の範囲 第６項に記載の方法。