JPH09186158A - 軟金属導体およびその形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 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
有する、半導体素子に使用するための軟金属導体７８で
ある。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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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７００〜８００
ｎｍ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（ＲＴ
Ａ）によって達成することもできる。たとえば、約１０
０〜３００℃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２
００ｎｍ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−Ｃ
ｕ層を除去するための重要なステップである。次に、Ｐ
ＶＤ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Ｔ
ｉＡｌ₃を形成するもの）はバイアの下だけになる。Ａ
ｌ−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５
０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５
４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５
０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５
８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、Ａ
ｌ−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８
２（その後、４００℃で３０分間のアニール後にＴｉＡ
ｌ₃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−Ｃ
ｕ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、Ｃ
ＶＤ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 スパッタ圧 ターゲット／工作物距離 粒子サイズ 歩留まり＊ シート抵抗 ｍＴ ｃｍ μｍ ％ Ω／□ ０．２ １５ １．０ ９２ ０．０３５ ０．３ １５ ０．８ ９５ ０．０３２ ０．８ ２０ ０．７ ９０ ０．０３３ １．０ ３０ ０．７ ９３ ０．０３４

【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 スパッタ圧 ターゲット／工作物距離 粒子サイズ 歩留まり＊ シート抵抗 ｍＴ ｃｍ μｍ ％ Ω／□ ０．２ １５ ２．４ ９０ ０．０３４ ０．３ １５ ２．２ ９３ ０．０３４ ０．８ ２０ １．９ ９２ ０．０３３ １．０ ３０ １．８ ９６ ０．０３２ ２．０ ３０ １．８ ９３ ０．０３３

【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 スパッタ圧 ターゲット／工作物距離 粒子サイズ 歩留まり＊ シート抵抗 ｍＴ ｃｍ μｍ ％ Ω／□ ０．８ １５ ２．９ ８９ ０．０３５ １．０ １５ ２．７ ９４ ０．０３４ ２．０ １５ ２．４ ８７ ０．０３４ ３．０ １５ ２．８ ８７ ０．０３４

【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 スパッタ圧 ターゲット／工作物距離 粒子サイズ 歩留まり＊ シート抵抗 ｍＴ ｃｍ μｍ ％ Ω／□ １．０ １５ ３．２ ９６ ０．０３３ ２．０ １５ ３．３ ９０ ０．０３３ ３．０ １５ ３．４ ９６ ０．０３４

【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＝ＫＡＲ_pdＨ_pＶ_cＧ_p／Ｈ_mＧ_m

【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、Ｖ_c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１０
０ｎｍ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ＴｉＡ
ｌ₃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（１
８）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（２
１）に記載の方法。 （２３）前記第１の軟金属層が、粒子サイズが２００ｎ
ｍ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（２
１）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Ｔ
ｉＡｌ₃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（２
８）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＝ＫＡＲ_pdＨ_pＶ_cＧ_p／Ｈ_mＧ_m 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、Ｈ_p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、Ｇ_mは
金属の粒子サイズであり、Ｇ_pはスラリー内の粒子の粒
子サイズであり、Ｒ_pd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、Ｖ_c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Ｒ_pd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（３
５）に記載の方法。 （３８）Ｇ_mが２００ｎｍ以上であることを特徴とす
る、上記（３５）に記載の方法。

【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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マヌ・ジャムナダース・テジワーニー アメリカ合衆国10598 ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ イーサン・コート 1327

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項３】前記軟金属が、Ａｌ、ＣｕおよびＡｇ、な
   らびにＡｌ、ＣｕおよびＡｇの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、請求項２に記載の軟金属導体。
4. 【請求項４】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、 前記最上部層に直接隣接し、前記軟金属構造の厚さの約
   ２０％未満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。
5. 【請求項５】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、請求項４に記載の導
   電性軟金属構造。
6. 【請求項６】前記構造が、アルミニウム、銅および銀、
   ならびにアルミニウム、銅および銀の２元合金および３
   元合金を含む低抵抗金属の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、請求項４に記載の導電性
   軟金属構造。
7. 【請求項７】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、請求
   項２に記載の軟金属導体。
8. 【請求項８】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、
   請求項４に記載の導電性軟金属構造。
9. 【請求項９】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、請求項４に記載の導電性軟金属構造。
10. 【請求項１０】前記第２の層に直接隣接し粒子サイズが
    ２００ｎｍ以上の金属粒子から構成される下部層を含む
    ことを特徴とする、請求項４に記載の導電性軟金属構
    造。
11. 【請求項１１】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ＴｉＡ
    ｌ₃に転換し、その結果、電流がそれを通過するときに
    前記ＴｉＡｌ₃を通しての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。
12. 【請求項１２】前記軟金属が、Ａｌ、ＣｕおよびＡｇ、
    ならびにＡｌ、ＣｕおよびＡｇの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た部材であるこ
    とを特徴とする、請求項１１に記載の軟金属導体。
13. 【請求項１３】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、請求項１１に記載の軟金属
    導体。
14. 【請求項１４】前記第１のＴｉ層が、バイアの最下部に
    位置することを特徴とする、請求項１１に記載の軟金属
    導体。
15. 【請求項１５】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。
16. 【請求項１６】前記第１の軟金属層が、粒子サイズが２
    ００ｎｍ以上の金属粒子から構成されることを特徴とす
    る、請求項１５に記載の方法。
17. 【請求項１７】前記第１の軟金属層が、少なくとも１０
    ０ｎｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１５に
    記載の方法。
18. 【請求項１８】前記第１の層を付着する前記ステップの
    前に、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する粒子からな
    り、６００ｎｍ以上の層厚を有す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、請求項
    １５に記載の方法。
19. 【請求項１９】前記第１の軟金属層の上に厚さが３０ｎ
    ｍ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、請求項１５に
    記載の方法。
20. 【請求項２０】前記軟金属が、Ａｌ、ＣｕおよびＡｇ、
    ならびにＡｌ、ＣｕおよびＡｇの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、請求項１５に記載の方法。
21. 【請求項２１】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、第１の粒子サイズを有する金属粒子からなる軟
    金属で充填するステップと、 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。
22. 【請求項２２】前記軟金属が、Ａｌ、ＣｕおよびＡｇ、
    ならびにＡｌ、ＣｕおよびＡｇの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、請求項２１に記載の方法。