JPH0777218B2 - 同平坦面の金属層および絶縁層の形成方法 - Google Patents
同平坦面の金属層および絶縁層の形成方法Info
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- JPH0777218B2 JPH0777218B2 JP61214224A JP21422486A JPH0777218B2 JP H0777218 B2 JPH0777218 B2 JP H0777218B2 JP 61214224 A JP61214224 A JP 61214224A JP 21422486 A JP21422486 A JP 21422486A JP H0777218 B2 JPH0777218 B2 JP H0777218B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高性能VLSI半導体チツプの製造に関し、さらに
具体的には、改善された研摩スラリを用いる化学機械的
研摩技術により基板上に同平坦面の金属/絶縁体膜を作
るための方法に関するものである。上記方法は平坦化さ
れたマルチレベル金属半導体構造の製造に広い用途を見
出すことができる。
具体的には、改善された研摩スラリを用いる化学機械的
研摩技術により基板上に同平坦面の金属/絶縁体膜を作
るための方法に関するものである。上記方法は平坦化さ
れたマルチレベル金属半導体構造の製造に広い用途を見
出すことができる。
半導体チツプは接点が配線金属線条のパターンにより相
互に接続されたデバイスの配列から成る。
互に接続されたデバイスの配列から成る。
VLSIチツプでは、これらの金属パターンを多層化し、絶
縁材料の層により多層化する。それぞれの金属配線パタ
ーン間の相互接続は上記絶縁材料の層を貫いてエツチン
グした穴(すなわちバイヤホール)により行なう。典型
的なチツプ設計は1つまたは2つの配線レベルから成
り、最新の技術では3つの配線レベルである。回路のコ
ストや性能に関して製造工程で常に要求されているの
は、補足的な配線レベルによつて付加的な処理工程が必
要になつても、その回路に競争力があるということであ
る。しかし、今日広く用いられているとは言え、バイヤ
ホールを用いる技術は多くの制限と欠点を有し、第2図
から明らかに理解されるように、金属層の数が増加する
に従つて配線は増々難しくなる。
縁材料の層により多層化する。それぞれの金属配線パタ
ーン間の相互接続は上記絶縁材料の層を貫いてエツチン
グした穴(すなわちバイヤホール)により行なう。典型
的なチツプ設計は1つまたは2つの配線レベルから成
り、最新の技術では3つの配線レベルである。回路のコ
ストや性能に関して製造工程で常に要求されているの
は、補足的な配線レベルによつて付加的な処理工程が必
要になつても、その回路に競争力があるということであ
る。しかし、今日広く用いられているとは言え、バイヤ
ホールを用いる技術は多くの制限と欠点を有し、第2図
から明らかに理解されるように、金属層の数が増加する
に従つて配線は増々難しくなる。
第2図に示す半導体構造10は上記従来技術の典型的な一
例である。それは二酸化シリコン(SiO2)のパターン化
された第一の絶縁層12をその上に有する所定の導電形の
シリコン基板11から成る。第1レベルのメタライズをバ
イヤホール14を介して基板の領域15と電気的に接触する
金属ランド13により表す。それは、たとえばオーミツク
コンタクトとして、バイポーラ・トランジスタ(図示せ
ず)のエミツタ領域と接触する。
例である。それは二酸化シリコン(SiO2)のパターン化
された第一の絶縁層12をその上に有する所定の導電形の
シリコン基板11から成る。第1レベルのメタライズをバ
イヤホール14を介して基板の領域15と電気的に接触する
金属ランド13により表す。それは、たとえばオーミツク
コンタクトとして、バイポーラ・トランジスタ(図示せ
ず)のエミツタ領域と接触する。
金属ランド16により表される第2レベルのメタライズは
第2の絶縁層18のバイヤホール17を介して金属ランド13
と電気的に接触する。この構造を第3の絶縁層19でハツ
シベートする。
第2の絶縁層18のバイヤホール17を介して金属ランド13
と電気的に接触する。この構造を第3の絶縁層19でハツ
シベートする。
第2図に示す構造は一定の割合で描かれていないが、標
準的工程から生じる平坦からはほど遠い非常に不規則な
表面についての概念を知す。
準的工程から生じる平坦からはほど遠い非常に不規則な
表面についての概念を知す。
そのような構造で知られている問題点は、第1に間の絶
縁層が薄くなることに起因した第1および第2レベルの
メタライズ間の位置Aにおける電位短絡であり、第2の
位置Bにおける金属層が薄くなることに起因した位置B
での電息開放の問題(いわゆるネツキング効果)であ
る。これらの問題はこの産業で要求されている高水準の
信頼性にとつては受け入れ難いものである。したがつ
て、現在真剣に必要とされているのは、そのような不規
則な表面を平坦化するという差し追つた問題を解決する
ためバイヤホール技術を改善することである。
縁層が薄くなることに起因した第1および第2レベルの
メタライズ間の位置Aにおける電位短絡であり、第2の
位置Bにおける金属層が薄くなることに起因した位置B
での電息開放の問題(いわゆるネツキング効果)であ
る。これらの問題はこの産業で要求されている高水準の
信頼性にとつては受け入れ難いものである。したがつ
て、現在真剣に必要とされているのは、そのような不規
則な表面を平坦化するという差し追つた問題を解決する
ためバイヤホール技術を改善することである。
最新の平坦化技術の典型的な一例をヨーロツパ特許出願
番号80302457.9に見出すことができる。この参照文献に
よれば、半導体構造の表面におけるどのような種類の突
起も次の工程により除去することができる。すなわち、
上記表面にほぼ平坦な表面を有するフオトレジストの層
を形成し、次にフオトレジストと上記突起を形成する材
料の両方を同じ速度でエツチングする反応ガスを用いて
この構造の上部表面を乾式エツチングする。除去される
材料が燐ケイ酸塩ガラス(PSG)のときは、反応ガスは
弗素化合物と酸素の混合物であり、材料がアルミニウム
のときに、反応ガスは塩素をベースとした化合物と水素
または酸素の混合物である。それぞれの材料に対して反
応ガスを適切に選択しなければならない。
番号80302457.9に見出すことができる。この参照文献に
よれば、半導体構造の表面におけるどのような種類の突
起も次の工程により除去することができる。すなわち、
上記表面にほぼ平坦な表面を有するフオトレジストの層
を形成し、次にフオトレジストと上記突起を形成する材
料の両方を同じ速度でエツチングする反応ガスを用いて
この構造の上部表面を乾式エツチングする。除去される
材料が燐ケイ酸塩ガラス(PSG)のときは、反応ガスは
弗素化合物と酸素の混合物であり、材料がアルミニウム
のときに、反応ガスは塩素をベースとした化合物と水素
または酸素の混合物である。それぞれの材料に対して反
応ガスを適切に選択しなければならない。
この工程は以下に挙げる幾つかの重大な欠点を有する。
(1) 第2レベル(および次のレベルの)メタライズ
のみが平坦化されるので、第2レベルの金属ランドに対
するネツキングの電位危険が依然として存続する(ヨー
ロッパ特許出願番号80302457.9の第5図参照)。
のみが平坦化されるので、第2レベルの金属ランドに対
するネツキングの電位危険が依然として存続する(ヨー
ロッパ特許出願番号80302457.9の第5図参照)。
(2) 第2の絶縁層は第1レベルの金属ランドが第1
の絶縁層の上にある位置では非常に薄い。このことはそ
れぞれのレベルにおける金属線間の短絡および望ましく
ない寄生キヤパシタンスおよび結合をも引起す可能性が
ある(ヨーロッパ特許出願番号80302457.9の第5図参
照)。
の絶縁層の上にある位置では非常に薄い。このことはそ
れぞれのレベルにおける金属線間の短絡および望ましく
ない寄生キヤパシタンスおよび結合をも引起す可能性が
ある(ヨーロッパ特許出願番号80302457.9の第5図参
照)。
(3) 工程を終らせるためのエツチング停止障壁が元
々備わっておらず、さらにウエハ内およびウエハ間にエ
ツチング速度の変動があるので、エツチング・バツク動
作を非常に正確に制御しなければならない。危険は第1
レベルのメタライズの上部を露出することである(ヨー
ロッパ特許出願番号80302457.9の第5図参照)。
々備わっておらず、さらにウエハ内およびウエハ間にエ
ツチング速度の変動があるので、エツチング・バツク動
作を非常に正確に制御しなければならない。危険は第1
レベルのメタライズの上部を露出することである(ヨー
ロッパ特許出願番号80302457.9の第5図参照)。
(4) 上記エツチング停止障壁がないので、反応ガス
の性質を変えて、アルミニウムの乾式エツチングを2段
階で行なう(第12および第13図参照)。
の性質を変えて、アルミニウムの乾式エツチングを2段
階で行なう(第12および第13図参照)。
さらに一般には、レジスト平坦化媒体を有する金属のプ
ラズマ・エツチングまたは反応性イオン・エツチング
(RIE)は半導体デバイスを平坦化するための好ましい
方法に見えるが、それらの技術に固有な限界を有する。
第1に、これらの技術は全ての金属に用いることはでき
ず、揮発性反応生成物を形成する金属にのみ用いること
ができる。次に、アルミニウムに関する限り、この金属
の表面における薄いAl2O3層の存在により工程は複雑に
なる。このAl2O3層を除去するため予期不能な開始時期
が必要とされ、さらにアルミニウム層自体の急速で不均
一な除去がそれに続き、そのため制御するのが難しい工
程になつていることが報告されていた。最後に、RIE工
程は複雑で費用がかかる。さらに、レジストの使用は汚
染源にもなり得る。
ラズマ・エツチングまたは反応性イオン・エツチング
(RIE)は半導体デバイスを平坦化するための好ましい
方法に見えるが、それらの技術に固有な限界を有する。
第1に、これらの技術は全ての金属に用いることはでき
ず、揮発性反応生成物を形成する金属にのみ用いること
ができる。次に、アルミニウムに関する限り、この金属
の表面における薄いAl2O3層の存在により工程は複雑に
なる。このAl2O3層を除去するため予期不能な開始時期
が必要とされ、さらにアルミニウム層自体の急速で不均
一な除去がそれに続き、そのため制御するのが難しい工
程になつていることが報告されていた。最後に、RIE工
程は複雑で費用がかかる。さらに、レジストの使用は汚
染源にもなり得る。
金属および絶縁体を平坦化するため化学機械的研摩工程
を用いることについてはこれまで全く提案されていなか
つた。機械的研摩(すなわち摩耗研摩)の使用が試験目
的のための第2レベルのメタライズにおけるアルミニウ
ム・ランドの急速除去に対するC.H.スクリブナ(Scrivn
er)により書かれた2つの論文に最近報告された。
を用いることについてはこれまで全く提案されていなか
つた。機械的研摩(すなわち摩耗研摩)の使用が試験目
的のための第2レベルのメタライズにおけるアルミニウ
ム・ランドの急速除去に対するC.H.スクリブナ(Scrivn
er)により書かれた2つの論文に最近報告された。
IBMテクニカル・デイスクロージヤ・ブルテン、Vol.2
0、No.11A、P.4430−4431、1978年4月に発表された第
1の論文では、試験用のチツプの特別な設計は研究室で
の容易な診断に向いていると記載されている。記載され
たこの試験用チツプを使うには、人はバイヤホールを分
離するため第2レベルにおける金属を除去する能力を持
たねばならない。これはウエハ全体を並行研摩すること
により摩耗的に達成される。金属は調査のためバイヤホ
ール内に元のまま残される。研摩スラリの組成は明らか
にされていないが、水をベースとしたシリカまたはアル
ミナ・スラリのような標準的研摩スラリを用いることが
できる。
0、No.11A、P.4430−4431、1978年4月に発表された第
1の論文では、試験用のチツプの特別な設計は研究室で
の容易な診断に向いていると記載されている。記載され
たこの試験用チツプを使うには、人はバイヤホールを分
離するため第2レベルにおける金属を除去する能力を持
たねばならない。これはウエハ全体を並行研摩すること
により摩耗的に達成される。金属は調査のためバイヤホ
ール内に元のまま残される。研摩スラリの組成は明らか
にされていないが、水をベースとしたシリカまたはアル
ミナ・スラリのような標準的研摩スラリを用いることが
できる。
さらに、1つの研摩スラリの使用に関する情報をIBMテ
クニカル・デイスクロージヤ・ブルテンVol.24、No.4、
1981年、P.2138に発表された第2の論文に見出すことが
できる。後者によれば、試験用チツプまたはそれを含む
1枚のウエハを金属スタツド(直径2.5cm)上に載せ、
次にそれをチツプの表面を研摩する市販の並行研摩装置
の中に挿入する。この論文は前に引用した技術の欠点を
はつきりと指摘し、具体的には、研摩工程がウエハにと
つて破壊的であると述べている。また、ウエハのわずか
な面積のみが関係するときは、論文はチツプ上の限定さ
れた部分における第2レベルの金属を手で除去するため
アルミナ粉末のスラリに浸した鉛筆形の消しゴムの使用
を提案している。
クニカル・デイスクロージヤ・ブルテンVol.24、No.4、
1981年、P.2138に発表された第2の論文に見出すことが
できる。後者によれば、試験用チツプまたはそれを含む
1枚のウエハを金属スタツド(直径2.5cm)上に載せ、
次にそれをチツプの表面を研摩する市販の並行研摩装置
の中に挿入する。この論文は前に引用した技術の欠点を
はつきりと指摘し、具体的には、研摩工程がウエハにと
つて破壊的であると述べている。また、ウエハのわずか
な面積のみが関係するときは、論文はチツプ上の限定さ
れた部分における第2レベルの金属を手で除去するため
アルミナ粉末のスラリに浸した鉛筆形の消しゴムの使用
を提案している。
アルミナ・スラリを有する上記機械的研摩技術を多層化
された金属構造の研摩に当業者が適用するのを妨げる幾
つかの理由がある。第1に、アルミナは研摩剤であると
考えられる。ラツピングに用いられるとはいえ、シリカ
・スラリと比べて結晶損傷傾向が大きいため、アルミナ
はシリコン基板の最終的化学機械的研摩のためには用い
られない。しかし、T.フナツ(Funatsu)への米国特許
第437567号はSi3N4エツチング停止層に対してポリシリ
コン充填物の選択的な化学機械的除去を行なうためアル
カリ添加剤を有するアルミナ・スラリを用いるポリシリ
コン分離平坦化工程について記載している。しかし、能
動および受動デバイスは両方とも工程のこの段階では未
だ形成されなかつた。同様な開示を米国特許第3911562
号に見出すことができる。
された金属構造の研摩に当業者が適用するのを妨げる幾
つかの理由がある。第1に、アルミナは研摩剤であると
考えられる。ラツピングに用いられるとはいえ、シリカ
・スラリと比べて結晶損傷傾向が大きいため、アルミナ
はシリコン基板の最終的化学機械的研摩のためには用い
られない。しかし、T.フナツ(Funatsu)への米国特許
第437567号はSi3N4エツチング停止層に対してポリシリ
コン充填物の選択的な化学機械的除去を行なうためアル
カリ添加剤を有するアルミナ・スラリを用いるポリシリ
コン分離平坦化工程について記載している。しかし、能
動および受動デバイスは両方とも工程のこの段階では未
だ形成されなかつた。同様な開示を米国特許第3911562
号に見出すことができる。
別の理由は、絶縁表面からAl−Cu層を除去するため水を
ベースとしたアルミナ・スラリを用いる機械的研摩の使
用はメタライズ構造を作るための制御可能な工程をもた
らさないということである。そのようなスラリはAl−Cu
およびSiO2を同じエツチング速度で研摩し、絶縁層の相
当な除去をもたらすことが後段に示される(表I参
照)。したがつて、依然として基板上に同平坦面の金属
/絶縁体膜を作る新しい改良された方法が要求されてい
る。
ベースとしたアルミナ・スラリを用いる機械的研摩の使
用はメタライズ構造を作るための制御可能な工程をもた
らさないということである。そのようなスラリはAl−Cu
およびSiO2を同じエツチング速度で研摩し、絶縁層の相
当な除去をもたらすことが後段に示される(表I参
照)。したがつて、依然として基板上に同平坦面の金属
/絶縁体膜を作る新しい改良された方法が要求されてい
る。
したがつて、本発明の主な目的は複雑な、不完全に制御
された、費用のかかる、さらに汚染のもととなる乾式エ
ツチング平坦化技術を必要とすることなく基板上に同平
坦面(Coplanar)の金属/絶縁体膜を作るための方法を
提供することにある。
された、費用のかかる、さらに汚染のもととなる乾式エ
ツチング平坦化技術を必要とすることなく基板上に同平
坦面(Coplanar)の金属/絶縁体膜を作るための方法を
提供することにある。
本発明の別の目的は金属または絶縁体の性質に関するい
かなる制限も持たない化学機械的技術により基板上に同
平坦面の金属/絶縁体膜を作るための方法を提供するこ
とにある。
かなる制限も持たない化学機械的技術により基板上に同
平坦面の金属/絶縁体膜を作るための方法を提供するこ
とにある。
本発明の別の目的は良好な金属形状が得られる化学機械
的技術により基板上に同平坦面の金属/絶縁体膜を作る
ための方法を提供することにある。
的技術により基板上に同平坦面の金属/絶縁体膜を作る
ための方法を提供することにある。
本発明のさらに別の目的は、絶縁体または金属を非常に
制御性の良い工程において自動エツチング停止障壁とし
て使用することを許容するため絶縁体に対するのとはか
なり違う金属に対する除去速度を有する改善された選択
的スラリを用いる化学機械的技術により、基板上に同平
坦面の金属/絶縁体膜を作るための方法を提供すること
にある。
制御性の良い工程において自動エツチング停止障壁とし
て使用することを許容するため絶縁体に対するのとはか
なり違う金属に対する除去速度を有する改善された選択
的スラリを用いる化学機械的技術により、基板上に同平
坦面の金属/絶縁体膜を作るための方法を提供すること
にある。
本発明によれば、基板の用意する工程、少くともバイヤ
ホールと、線状くぼみ、またはそれらの組合せを有する
絶縁材料の層を上記基板上に形成する工程、さらに導電
性金属をこの構造に付着する工程を含み、上記金属は絶
縁材料に対する場合よりかなり速い金属に対する除去速
度を有するスラリで化学機械的に研摩されることを特徴
とする方法により同平坦面の金属/絶縁体膜が基板上に
作られる。したがつて、上記絶縁材料の層は所望なら、
自動研摩またはエツチング停止層として用いることがで
きる。その代りに、研摩停止層だけを絶縁材料の上部に
おいて用いることもできる。
ホールと、線状くぼみ、またはそれらの組合せを有する
絶縁材料の層を上記基板上に形成する工程、さらに導電
性金属をこの構造に付着する工程を含み、上記金属は絶
縁材料に対する場合よりかなり速い金属に対する除去速
度を有するスラリで化学機械的に研摩されることを特徴
とする方法により同平坦面の金属/絶縁体膜が基板上に
作られる。したがつて、上記絶縁材料の層は所望なら、
自動研摩またはエツチング停止層として用いることがで
きる。その代りに、研摩停止層だけを絶縁材料の上部に
おいて用いることもできる。
Al−Cuのようなアルミニウムをベースとした合金とSiO2
のようなドープされた、またはドープされていないガラ
ス質をそれぞれ金属および絶縁材料として用いる場合
は、スラリは約3より小さいpHを生じるため希酸(典型
的にはHNO3溶液)内のアルミナ粉末から成ることが好ま
しい。所望ならば、好適な研摩停止材料は窒化シリコン
膜である。
のようなドープされた、またはドープされていないガラ
ス質をそれぞれ金属および絶縁材料として用いる場合
は、スラリは約3より小さいpHを生じるため希酸(典型
的にはHNO3溶液)内のアルミナ粉末から成ることが好ま
しい。所望ならば、好適な研摩停止材料は窒化シリコン
膜である。
上記方法は多層化された金属半導体構造の製造工程にお
けるどのレベルのメタライズにおいてでも使うことがで
き、さらに平坦な表面を作るため所期の回数だけ繰返す
ことができる。
けるどのレベルのメタライズにおいてでも使うことがで
き、さらに平坦な表面を作るため所期の回数だけ繰返す
ことができる。
例I 第1A図には、ほぼ平坦な表面を有し、絶縁層22を上に有
する半導体物体または絶縁物体でよい基板21から成る構
造20が描かれている。たとえば、層22を形成する誘電体
材料は厚さが所期の金属の厚さと下側にある誘電体の厚
さ(ゼロの場合もある得る)の和に等しいスパツタリン
グされた二酸化シリコンでよい。研摩停止層、たとえば
Si3N4を研摩での一層良好な厚さの制御のためSiO2(石
英)の上部に付着することができる。層22を標準的なフ
オトリトグラフイ技術でパターン化して、所期のパター
ン、たとえばトレンチ24を生じる。トレンチとは、絶縁
層の厚さを部分的に、または完全に貫通してもよい任意
の形状のくぼみを意味する。次にトレンチに金属を満た
し、たとえば金属線条23aを作る。Al−Cu合金のような
高導電性金属層23が構造に一律に付着され、さらに上記
トレンチ24を満たす。以下の方法に従つて、合金をスパ
ツタリングされたSiO2の上部表面まで除去し、トレンチ
内のものはそのままにしておく。
する半導体物体または絶縁物体でよい基板21から成る構
造20が描かれている。たとえば、層22を形成する誘電体
材料は厚さが所期の金属の厚さと下側にある誘電体の厚
さ(ゼロの場合もある得る)の和に等しいスパツタリン
グされた二酸化シリコンでよい。研摩停止層、たとえば
Si3N4を研摩での一層良好な厚さの制御のためSiO2(石
英)の上部に付着することができる。層22を標準的なフ
オトリトグラフイ技術でパターン化して、所期のパター
ン、たとえばトレンチ24を生じる。トレンチとは、絶縁
層の厚さを部分的に、または完全に貫通してもよい任意
の形状のくぼみを意味する。次にトレンチに金属を満た
し、たとえば金属線条23aを作る。Al−Cu合金のような
高導電性金属層23が構造に一律に付着され、さらに上記
トレンチ24を満たす。以下の方法に従つて、合金をスパ
ツタリングされたSiO2の上部表面まで除去し、トレンチ
内のものはそのままにしておく。
構造を直径18インチのストラスバーグ(Strasbaugh)片
面研摩装置のような市販の並行研摩装置、またはIBMテ
クニカル・デイスクロージヤ・ブルテイン、Vol.15.No.
6、1972年11月、P.1760〜1761に記載された装置の中に
置く。好ましい組成の研摩スラリを2つの異なる方法で
調整することができる。
面研摩装置のような市販の並行研摩装置、またはIBMテ
クニカル・デイスクロージヤ・ブルテイン、Vol.15.No.
6、1972年11月、P.1760〜1761に記載された装置の中に
置く。好ましい組成の研摩スラリを2つの異なる方法で
調整することができる。
1リツトルのDI水中に浮遊する1グラムのAl2O3粉末
(0.06ミクロンの寸法)を90ccのDI水中における10ミリ
リツトルのHNO3の容液と混合し、約3のpHを得る。また
は、2台のポンプ装置を用いて、硝酸をニードル弁によ
り第1の溶液に加えて同じpHを得る。その他の研摩条件
を以下に要約する。
(0.06ミクロンの寸法)を90ccのDI水中における10ミリ
リツトルのHNO3の容液と混合し、約3のpHを得る。また
は、2台のポンプ装置を用いて、硝酸をニードル弁によ
り第1の溶液に加えて同じpHを得る。その他の研摩条件
を以下に要約する。
研摩媒体:pHが約3の酸をベースとしたアルミナ・スラ
リ スラリ流速:120cc/分 研摩圧:1400〜5700Kg/m2 研摩パツド:ローデル(Rodel)210 I2(ローデル・プ
ロダクツ社製) 水をベースとしたアルミナ・スラリを単独または別の希
酸と組合せて用いて、Al−Cu合金およびスパツタリング
されたSiO2の研摩速度を測定した。その結果を下の表I
に示す。
リ スラリ流速:120cc/分 研摩圧:1400〜5700Kg/m2 研摩パツド:ローデル(Rodel)210 I2(ローデル・プ
ロダクツ社製) 水をベースとしたアルミナ・スラリを単独または別の希
酸と組合せて用いて、Al−Cu合金およびスパツタリング
されたSiO2の研摩速度を測定した。その結果を下の表I
に示す。
表Iの試験は酸の添加が水をベースとしたアルミナ・ス
ラリのエツチング能力をある程度(事例2および4)ま
たは大幅に(事例3)改善すること示す。水をベースと
したアルミナ・スラリは金属を除去したり金属試料を調
整するため研摩剤として一般に用いられてきたり、さら
に上述のように、試験または調査のため半導体構造の表
面から金属ランドを除去するため用いられてきたことは
明らかである。しかし、事例1から明らかなように、水
中のAl2O3の使用はAl−CuとスパツタリングされたSiO2
間に所期の除去選択性を何等もたらさず、これは不十分
にしか制御できない工程でSiO2層のかなりの部分も除去
されることを意味する。対照的に、約3より小さいpHを
生じるための酸の添加、特にHNO3の添加はAl−Cuの除去
速度を大幅に増大させる化学機械的研摩スラリを生じ、
一方、予期しないことであるが、スパツタリングされた
SiO2の除去速度を同時に減少させ、全体として他とは異
なる大きなエツチング速度比をもたらす。HNO3は金属に
対する周知のエツチング剤であるが、驚くべきことに
は、本方法では、金属の工程の終りにおいてトレンチ内
で腐食されない。上記方法は12回の別々の研摩作業にお
いて再現可能なことが分つた。詳細には、Al/Cuとスパ
ツタリングされたSiO2の間の他とは異なる大きなエツチ
ング速度比は自動エツチング停止障壁として働くSiO2層
であるトレンチ内の残りの金属の厚さに対するすぐれた
制御を保証する。
ラリのエツチング能力をある程度(事例2および4)ま
たは大幅に(事例3)改善すること示す。水をベースと
したアルミナ・スラリは金属を除去したり金属試料を調
整するため研摩剤として一般に用いられてきたり、さら
に上述のように、試験または調査のため半導体構造の表
面から金属ランドを除去するため用いられてきたことは
明らかである。しかし、事例1から明らかなように、水
中のAl2O3の使用はAl−CuとスパツタリングされたSiO2
間に所期の除去選択性を何等もたらさず、これは不十分
にしか制御できない工程でSiO2層のかなりの部分も除去
されることを意味する。対照的に、約3より小さいpHを
生じるための酸の添加、特にHNO3の添加はAl−Cuの除去
速度を大幅に増大させる化学機械的研摩スラリを生じ、
一方、予期しないことであるが、スパツタリングされた
SiO2の除去速度を同時に減少させ、全体として他とは異
なる大きなエツチング速度比をもたらす。HNO3は金属に
対する周知のエツチング剤であるが、驚くべきことに
は、本方法では、金属の工程の終りにおいてトレンチ内
で腐食されない。上記方法は12回の別々の研摩作業にお
いて再現可能なことが分つた。詳細には、Al/Cuとスパ
ツタリングされたSiO2の間の他とは異なる大きなエツチ
ング速度比は自動エツチング停止障壁として働くSiO2層
であるトレンチ内の残りの金属の厚さに対するすぐれた
制御を保証する。
第1B図のようにトレンチ24を満たす金属23a上部表面は
絶縁層に埋め込まれた導体の線または線条として考える
ことができる。したがつて、広い用途を見出すことが可
能な非常に滑かな表面を備える同平坦面をの金属/絶縁
体膜を結果として得る。
絶縁層に埋め込まれた導体の線または線条として考える
ことができる。したがつて、広い用途を見出すことが可
能な非常に滑かな表面を備える同平坦面をの金属/絶縁
体膜を結果として得る。
例II 半導体構造30の限定された部分を第3A図に示す。それは
スパツタリングされたSiO2のような誘電体材料のパター
ン化された層32でパツシベートされた所定の同電形のシ
リコン基板31からなる。絶縁層はバイヤ(またはスル
ー)ホール33を備える。バイヤホールにより、絶縁層の
厚さを完全に貫通し、金属で満たされたときそれぞれの
レベルに置かれた導電性材料の間に電気的相互接続をも
たらす穴を意味する。Al−Cuのような高導電性金属の層
34を基板上に一律に付着した。金属は既にシリコン基板
に形成されていた拡散領域35とオーミツクコンタクトを
なす。シリコン基板と関連して説明したが、基板は分離
形(たとえば)セラミツク、ガラス、または工程の前の
段階で形成された金属層のいずれかであつてもよいこと
は言うまでもない。
スパツタリングされたSiO2のような誘電体材料のパター
ン化された層32でパツシベートされた所定の同電形のシ
リコン基板31からなる。絶縁層はバイヤ(またはスル
ー)ホール33を備える。バイヤホールにより、絶縁層の
厚さを完全に貫通し、金属で満たされたときそれぞれの
レベルに置かれた導電性材料の間に電気的相互接続をも
たらす穴を意味する。Al−Cuのような高導電性金属の層
34を基板上に一律に付着した。金属は既にシリコン基板
に形成されていた拡散領域35とオーミツクコンタクトを
なす。シリコン基板と関連して説明したが、基板は分離
形(たとえば)セラミツク、ガラス、または工程の前の
段階で形成された金属層のいずれかであつてもよいこと
は言うまでもない。
例Iに関して説明した化学機械的研摩技術を実施した後
で、第3B図に示す構造を結果として得る。バイヤホール
33は完全に金属で満たされ、その上部表面は絶縁層32の
上部表面と同平坦面である。金属34aはたとえばスタツ
ドと考えることができる。したがつて、この場合には、
次にマルチレベルの相互接続系で用いることができる同
平坦面の金属/絶縁体膜も作られる。金属付着の前に、
プラチナ・シリサイド接点が領域35で形成されるか、ま
たは、所望ならば、充填金属が治金と接触することがで
きる。
で、第3B図に示す構造を結果として得る。バイヤホール
33は完全に金属で満たされ、その上部表面は絶縁層32の
上部表面と同平坦面である。金属34aはたとえばスタツ
ドと考えることができる。したがつて、この場合には、
次にマルチレベルの相互接続系で用いることができる同
平坦面の金属/絶縁体膜も作られる。金属付着の前に、
プラチナ・シリサイド接点が領域35で形成されるか、ま
たは、所望ならば、充填金属が治金と接触することがで
きる。
例III 例Iに関して教示された導電性の線が、または例IIに教
示された金属充填バイヤホールのいずれかを形成する工
程の組合せは平坦化されたマルチレベル金属構造の製造
をもたらす。第4図に示すように、マルチレベル金属構
造40は多層金属構造42に備えた基板41から成る。構造42
は上述の化学機械的摩待技術を連続的に適用して、絶縁
体44内に導電性の線43を、次に絶縁体46内に金属充填バ
イヤホール45を、最後に絶縁体48内に導電性の線47を形
成することにより形成される。SiO2の代りにポリイミド
を誘電体材料として使うことができる。スパツタリング
されたSiO2層を標準的スパツタリング技術により付着
し、ポリイミドを標準的な回転および硬化工程により塗
布する。絶縁層はほぼ平坦な表面を覆つて塗布されるの
で、層は平坦化した膜である必要はなく、したがつて、
酸化物が関係するところではPECVDのような高速付着技
術を用いることができる。ドープされた、またはドープ
されていないガラス質のような他の誘電体材料、さらに
種々の重合体も用いることができる。使用される材料に
おける唯一の制限は工程の残りの部分との適合性と絶縁
層内にトレンチまたはバイヤホールを形成する能力であ
る。両方とも標準的フオトリトグライ技術を用いて形成
する。次に、意図した金属パターンを湿式またRIEエツ
チング技術により誘電体に転写するが、微細な寸法が必
要とされるところでは後者の方が好ましい。トレンチま
たバイホールを形成するため使用可能な他の技術には、
投射レーザ支援エツチング、スパツタリング技術または
反応イオン・ビーム・エツチングがある。絶縁層内に完
成されたトレンチまたはバイヤホールの寸法により固定
されるので、微細な金属形状が得られることが分る。絶
縁体のRIEは金属のRIEよりもよく理解されると共にもつ
と制御性にすぐれた工程である。本発明はその差異を利
用できる。スパツタリング、CVDまたは電気めつきを含
むどのような共形的技術によつて金属を付着してもよ
い。。もちろん、アルミニウムとその合金(Al−Si、Al
−Cu)が好ましいとは言え、本発明はそれらに限定され
るものではなく、他の金属も同様に使うことができる。
選択的な化学機械的研摩を用いて同平坦面の金属/絶縁
体膜を作る本発明の広い概念は広い用途を有する。
示された金属充填バイヤホールのいずれかを形成する工
程の組合せは平坦化されたマルチレベル金属構造の製造
をもたらす。第4図に示すように、マルチレベル金属構
造40は多層金属構造42に備えた基板41から成る。構造42
は上述の化学機械的摩待技術を連続的に適用して、絶縁
体44内に導電性の線43を、次に絶縁体46内に金属充填バ
イヤホール45を、最後に絶縁体48内に導電性の線47を形
成することにより形成される。SiO2の代りにポリイミド
を誘電体材料として使うことができる。スパツタリング
されたSiO2層を標準的スパツタリング技術により付着
し、ポリイミドを標準的な回転および硬化工程により塗
布する。絶縁層はほぼ平坦な表面を覆つて塗布されるの
で、層は平坦化した膜である必要はなく、したがつて、
酸化物が関係するところではPECVDのような高速付着技
術を用いることができる。ドープされた、またはドープ
されていないガラス質のような他の誘電体材料、さらに
種々の重合体も用いることができる。使用される材料に
おける唯一の制限は工程の残りの部分との適合性と絶縁
層内にトレンチまたはバイヤホールを形成する能力であ
る。両方とも標準的フオトリトグライ技術を用いて形成
する。次に、意図した金属パターンを湿式またRIEエツ
チング技術により誘電体に転写するが、微細な寸法が必
要とされるところでは後者の方が好ましい。トレンチま
たバイホールを形成するため使用可能な他の技術には、
投射レーザ支援エツチング、スパツタリング技術または
反応イオン・ビーム・エツチングがある。絶縁層内に完
成されたトレンチまたはバイヤホールの寸法により固定
されるので、微細な金属形状が得られることが分る。絶
縁体のRIEは金属のRIEよりもよく理解されると共にもつ
と制御性にすぐれた工程である。本発明はその差異を利
用できる。スパツタリング、CVDまたは電気めつきを含
むどのような共形的技術によつて金属を付着してもよ
い。。もちろん、アルミニウムとその合金(Al−Si、Al
−Cu)が好ましいとは言え、本発明はそれらに限定され
るものではなく、他の金属も同様に使うことができる。
選択的な化学機械的研摩を用いて同平坦面の金属/絶縁
体膜を作る本発明の広い概念は広い用途を有する。
大きな除去速度比を有する化学機械的研摩技術を金属と
誘電体材料の多くの組合せに対して見出すことができ
る。化学機械的技術の利点は、それが引揚げ工程邸より
速く、費用が安く、より微細な寸法にまで及ぶことがで
きることである。金属RIE技術に比へて広範囲の金属に
適用可能である。乾式エツチング平坦化技術とは著しく
違て、化学機械的平坦化技術は被覆材料が始めに覆われ
た材料の上部表面と同平坦面である平坦な構造を生じ
る。何故ならば、選択的スラリは自動的エツチング停止
層として用いられる後者の材料を大幅に除去しないから
である。乾式エツチング平坦化技術より広範囲の金属に
適用可能であり、さらにもつと制御性が良い。
誘電体材料の多くの組合せに対して見出すことができ
る。化学機械的技術の利点は、それが引揚げ工程邸より
速く、費用が安く、より微細な寸法にまで及ぶことがで
きることである。金属RIE技術に比へて広範囲の金属に
適用可能である。乾式エツチング平坦化技術とは著しく
違て、化学機械的平坦化技術は被覆材料が始めに覆われ
た材料の上部表面と同平坦面である平坦な構造を生じ
る。何故ならば、選択的スラリは自動的エツチング停止
層として用いられる後者の材料を大幅に除去しないから
である。乾式エツチング平坦化技術より広範囲の金属に
適用可能であり、さらにもつと制御性が良い。
本発明の参考例では、絶縁材料の層を第5図に示すよう
な下のレベルのパターン化された金属の上に付着する。
スラリの成分を適当に変えて、本発明の化学機械的研摩
技術は研摩の終了時に露出される下側にある導電性金属
より大幅に速い速度で上側にある絶縁材料を選択的に除
去することにより、絶縁された構造を断続線50まで平坦
化するように適用できる。たとえば、絶縁材料がスパツ
タリングされたSiO2であり、金属がAl−Cuであるとき、
水酸化カリウムの塩基性溶液(pH約11乃至11.5)とほぼ
1乃至10%の固体含量を有するシリカ粒子とを含むスラ
リが好適である。研摩パツドの材料は好ましくはポリエ
ステルであり、研摩負荷の下で変形しないように十分固
い。最初の平坦化作用の間は、下側にある金属構造の形
状のため、高い地点51における絶縁材料は低い地点52お
よび53におけるより速い速度で除去される。さらに、所
望ならば、研間エツチング停止層を単独で用いることが
できるが、スラリの選択性が下側にある層の除去速度で
関連した上側にある層の除去速度に関して増大するとき
は随意になる。好適な研摩エツチング停止材料には、た
とえば、ポリイミド膜のような有機重合体を(エツチン
グ・プラズマまたはCVDがSiO2を付着したとき)、また
はプラズマ窒化シリコン、MgOまたはAl2O3のような無機
材料(エツチングがSiO2をスパツタリングしたとき)が
ある。下側にある構造の表面の残りの部分に対して、51
のような高い地点の形状の寸法および密度にかかわら
ず、付着された絶縁材料の厚さをLおよびKレベルの金
属を合わせた厚さより小さくすることが平坦化の最適な
結果を得るために好ましいことがこの参考例で分つた。
一般に、化学機械的研摩において、絶縁材料の完全な平
坦化が達成される前にスタツドの金属が到達されるよう
に絶縁材料の厚さを選ばなければならない。通常、SiO2
の厚さが大きすぎるときは、第5図のSiO2を大きなスタ
ツドのような大きな形状にわたつて、またはスタツドの
大きな配列にわたつて均一に除去することは分離された
スタツドにわたつて除去するよりも難しい。SiO2の厚さ
を覆われる金属の厚さよりも幾分小さい量に制限するこ
とにより、SiO2はそれぞれの高い地点にわたつてほぼ同
時に除去される傾向がある。
な下のレベルのパターン化された金属の上に付着する。
スラリの成分を適当に変えて、本発明の化学機械的研摩
技術は研摩の終了時に露出される下側にある導電性金属
より大幅に速い速度で上側にある絶縁材料を選択的に除
去することにより、絶縁された構造を断続線50まで平坦
化するように適用できる。たとえば、絶縁材料がスパツ
タリングされたSiO2であり、金属がAl−Cuであるとき、
水酸化カリウムの塩基性溶液(pH約11乃至11.5)とほぼ
1乃至10%の固体含量を有するシリカ粒子とを含むスラ
リが好適である。研摩パツドの材料は好ましくはポリエ
ステルであり、研摩負荷の下で変形しないように十分固
い。最初の平坦化作用の間は、下側にある金属構造の形
状のため、高い地点51における絶縁材料は低い地点52お
よび53におけるより速い速度で除去される。さらに、所
望ならば、研間エツチング停止層を単独で用いることが
できるが、スラリの選択性が下側にある層の除去速度で
関連した上側にある層の除去速度に関して増大するとき
は随意になる。好適な研摩エツチング停止材料には、た
とえば、ポリイミド膜のような有機重合体を(エツチン
グ・プラズマまたはCVDがSiO2を付着したとき)、また
はプラズマ窒化シリコン、MgOまたはAl2O3のような無機
材料(エツチングがSiO2をスパツタリングしたとき)が
ある。下側にある構造の表面の残りの部分に対して、51
のような高い地点の形状の寸法および密度にかかわら
ず、付着された絶縁材料の厚さをLおよびKレベルの金
属を合わせた厚さより小さくすることが平坦化の最適な
結果を得るために好ましいことがこの参考例で分つた。
一般に、化学機械的研摩において、絶縁材料の完全な平
坦化が達成される前にスタツドの金属が到達されるよう
に絶縁材料の厚さを選ばなければならない。通常、SiO2
の厚さが大きすぎるときは、第5図のSiO2を大きなスタ
ツドのような大きな形状にわたつて、またはスタツドの
大きな配列にわたつて均一に除去することは分離された
スタツドにわたつて除去するよりも難しい。SiO2の厚さ
を覆われる金属の厚さよりも幾分小さい量に制限するこ
とにより、SiO2はそれぞれの高い地点にわたつてほぼ同
時に除去される傾向がある。
複雑で費用がかかり、汚染のもととなる乾式エツチング
平坦化技術を必要とすることなく、基板上に同平坦面
(Coplanar)金属/絶縁体膜を作ることができる。
平坦化技術を必要とすることなく、基板上に同平坦面
(Coplanar)金属/絶縁体膜を作ることができる。
第1Aおよび第1B図は同平坦面の金属/絶縁体表面を作る
ため絶縁層内に形成された導電性の線に適用された本発
明の実施例の方法を示す多層金属半導体構造の概略断面
図、第2図は標準的公定に従つて製造され、典型的な平
坦でない表面を示す多層金属半導体構造の概略断面図、
第3Aおよび第3B図は同平坦面の金属/絶縁体膜を作るた
め絶縁体層内に形成された金属充填バイヤホールの形成
に適用された本発明の実施例の方法を示す多層金属半導
体構造の概略断面図、第4図は平坦化されたマルチレベ
ル金属構造の作るため上記工程を組合わせる本発明の実
施例の方法を示す多層金属半導体構造の概略断面図、第
5図は同平坦面の絶縁体/金属表面を作るため下側のレ
ベルのパターン化された金属の上に付着された絶縁材料
の層に適用された本発明の参考例の方法を示す多層金属
半導体構造の概略断面図である。 20、30、40……半導体構造、21、31、41……基板、22、
32……誘電体層、23、34……導電性金属層、23a、43…
…金属線条、24……トレンチ、33、45……バイヤホー
ル、44、46……絶縁体。
ため絶縁層内に形成された導電性の線に適用された本発
明の実施例の方法を示す多層金属半導体構造の概略断面
図、第2図は標準的公定に従つて製造され、典型的な平
坦でない表面を示す多層金属半導体構造の概略断面図、
第3Aおよび第3B図は同平坦面の金属/絶縁体膜を作るた
め絶縁体層内に形成された金属充填バイヤホールの形成
に適用された本発明の実施例の方法を示す多層金属半導
体構造の概略断面図、第4図は平坦化されたマルチレベ
ル金属構造の作るため上記工程を組合わせる本発明の実
施例の方法を示す多層金属半導体構造の概略断面図、第
5図は同平坦面の絶縁体/金属表面を作るため下側のレ
ベルのパターン化された金属の上に付着された絶縁材料
の層に適用された本発明の参考例の方法を示す多層金属
半導体構造の概略断面図である。 20、30、40……半導体構造、21、31、41……基板、22、
32……誘電体層、23、34……導電性金属層、23a、43…
…金属線条、24……トレンチ、33、45……バイヤホー
ル、44、46……絶縁体。
フロントページの続き (72)発明者 スタンレー・リチヤード・マーカレウイツ クズ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ニユー・ウ インドソー、チエリー・アベニユー17番地 (72)発明者 エリツク・メンデル アメリカ合衆国ニユーヨーク州ポーキプシ ー、ハイ・ポイント・ドライブ3番地 (72)発明者 ウイリアム・ジヨン・パトリツク アメリカ合衆国ニユーヨーク州ニユーバー グ、ロツクウツド・ドライブ3番地 (72)発明者 キヤサリーン・アリス・ペリー アメリカ合衆国ニユーヨーク州ラグランジ ビル、アプトン・ロード、アールデイ1、 ボツクス17番地 (72)発明者 ウイリアム・アロン・プリスキン アメリカ合衆国ニユーヨーク州ポーキプシ ー、グリーンベイル・フアームス・ロード 31番地 (72)発明者 ヤコブ・ライズマン アメリカ合衆国ニユーヨーク州ポーキプシ ー、バーナード・アベニユー38番地 (72)発明者 ポール・マーチン・シヤイブル アメリカ合衆国ニユーヨーク州ポーキプシ ー、ヒリス・テラス46番地 (72)発明者 チヤールズ・ランバート・スタンドレイ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ワツピンジ ヤーズ・ホールズ、ヒルサイド・レーク、 フロスト・ロード(番地なし) (56)参考文献 特開 昭50−64767(JP,A) 特開 昭50−99685(JP,A) 「半導体プロセス材料実務便覧」(株) サイエンスフォーラム発行,昭和58−4− 25,P.463〜466
Claims (1)
- 【請求項1】同平坦面の金属層および絶縁層を備えた構
造を基板上に形成する方法であって、 上記基板上に、くぼみまたは穴を有する絶縁層を形成
し、 上記絶縁層上に、上記くぼみまたは穴を埋めるのに十分
な厚さを有する金属層を付着し、 上記絶縁層および上記金属層の表面が実質的に同平坦面
になるまで、アルミナ粉末を含む酸添加スラリを用いて
上記基板の上面を化学機械的に研磨することを特徴とす
る、同平坦面の金属層および絶縁層の形成方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US791860 | 1985-10-28 | ||
US06/791,860 US4944836A (en) | 1985-10-28 | 1985-10-28 | Chem-mech polishing method for producing coplanar metal/insulator films on a substrate |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6291012A Division JP2659918B2 (ja) | 1985-10-28 | 1994-11-25 | 同平坦面の金属層および二酸化シリコン層の形成方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62102543A JPS62102543A (ja) | 1987-05-13 |
JPH0777218B2 true JPH0777218B2 (ja) | 1995-08-16 |
Family
ID=25155001
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61214224A Expired - Lifetime JPH0777218B2 (ja) | 1985-10-28 | 1986-09-12 | 同平坦面の金属層および絶縁層の形成方法 |
JP6291012A Expired - Lifetime JP2659918B2 (ja) | 1985-10-28 | 1994-11-25 | 同平坦面の金属層および二酸化シリコン層の形成方法 |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6291012A Expired - Lifetime JP2659918B2 (ja) | 1985-10-28 | 1994-11-25 | 同平坦面の金属層および二酸化シリコン層の形成方法 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4944836A (ja) |
EP (1) | EP0223920B1 (ja) |
JP (2) | JPH0777218B2 (ja) |
CA (1) | CA1245517A (ja) |
DE (1) | DE3676458D1 (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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