JPS6236846A - 金属層の平坦化方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、一般的には集積回路ＮＣ）や他の電気的相
互接続回路網の製造に関するものであり、さらに詳しく
は、多層構造の製作に際して十分に平坦な微細構成（ｔ
ｏｐｏｏ　ｒａｐｈｙ　）を形成するための層平坦化（
ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ　＞に関するものである。

〈従来の技術と問題点〉 集積回路用の多層相互接続を組立てる場合には、より高
い層での薄膜の段差の被覆性（ｓｔｅｐｃｏｖｅｒａｇ
ｅ　）やリソグラフィーに必要とされる十分に平・坦な
微細構成を維持するために、一般に１回またはそれ以上
の平坦化工程を行なわなければならない。従来は、中間
絶縁体（誘電体）層をスピン−オン（ｓｐｉｎ−ｏｎ　
）法（例えばポリイミド）あるいはりフロー法（例えば
ホスホシリケー１〜・ガラス）によって平坦化する方法
が採られていた。

多層ＶＬＳＩ回路の製作には、薄膜平坦化操作を使用す
ることがしばしば必要となる。この要求は、ウェハ規模
の集積を達成するために特に大きい。すなわち、有効な
ハイパワーのウェハ規模の集積システムは４層の相互接
続と２層以上のグラウンドまたはパワー面を必要とする
。

最も厳しい微細構成上の問題は、下層の相互接続層から
上層へ接続体か伸びているようなバイア（ｖｉａ　）が
複数個積み重ねられている個所の周囲で起る。

従来の平坦化技術としては、金属層の間の誘電体を平ら
にする方法が知られていた。誘電体としてのポリイミド
の上でスピニングを施すことが平坦性を得るためにしば
しば用いられている。他の誘電体平坦化技術ではバイア
ス・スパッタ・エツチングが用いられており、さらにま
た、フｔトレジストを用いて平坦化し、次いで下層の５
ｉ０２層へプラズマ・バッターエツチングを施している
。小スボシリケー１〜・ガラスのフローは炉加熱により
達成できる。もう一つの平坦化技術では、走査ＣＷレー
ザーを用いてホスホシリケ−１〜・ガラスを急激にフロ
ーさせている。これらの技術はいずれも積み重ねられた
（嵌め合わされた）バイアを平坦化するものではない。

なぜならば、各層の間の接触領域から誘電体を除去しな
ければならず、その結果、バイアの個所での厚さが大き
く不足することになるからである。

高性能のＶＬＳＩウェハ規模の多層相互接続システムが
望まれている。このシステムはバイポーラ・ロジック技
術と適合するものとすべきであり、すなわら高電流駆動
性能とハイパワーをもたらす。抵抗降下を低くしかつタ
ロストークを低減するために、特にＥＣＬ技術において
は、パワー、グラウンド、クロックおよび基準電圧の面
がしばしば必要となる。電気抵抗を低くするためには金
の配線が好ましい。しかしながら、銀やアルミニウムで
も良い。信頼性および熱的許容範囲の観点から５ｆ０２
誘電体が好ましい。ガラスやその他の誘電体も利用でき
る。

かようなシステムは、例えば５＠またはそれ以上の多層
で、頂層から底層へ伸びるいくつかのバイアを備えなけ
ればならない。

そこでこの発明の目的は、電気的相互接続回路網の製造
方法を提供することである。

この発明の目的はまた、多層ＶＬＳＩ回路における各層
を平坦化することである。

この発明の別の目的は、平坦化された多層の電気的相互
接続回路網構造体を提供することである。

この発明のさらに別な目的は、パワー、グラウンドおよ
び／または基準電圧の面をもつ多層ＶＬＳ１回路構造体
を製造することである。

この発明のさらに別な目的は、頂層から底層へと伸びる
、あるいは各層間に伸びる複数のバイアを備えた、５層
以上といった多層溝造体を製造する方法を提供すること
である。

〈発明の要旨〉 この発明は、多層集積回路またはその他の電気的相互接
続網の製造のための平坦化方法であって、金属層にパタ
ーン形成する前にパルス化したレーザーを用いてその金
属層を溶融することによって各金属層を平坦化するもの
である。

金属層、接着層またはバリヤ層と誘電体層との間の望ま
しくない金属学的反応を阻止するために、例えば約１マ
イクロ秒程度の短いパルスが用いられる。レーザーにに
る金属の平坦化は、グラウンドまたはパワーの面を有す
る多層システムに特に適している。

特に、例えばフラッシュランプ・ポンプ色素レーザーの
ごときパルス化したレーザーを用いて、Ｓ！０２誘電体
層（接着層を有する）上で金の膜が平坦化される。１ミ
クロンの層に対しては、パルス持続時間は代表的には約
１マイクロ秒とし、これによって熱パルスは金を均一に
透過するが下層のＳ！０２は実質的に透過せず、それ故
、さらに下層の金属層を乱すことがない。

微細構成的にみて極端に変化のある表面から出発しても
、表面粗さが０．１ミクロン以下といった優れた金膜の
平坦化がなされるとともに、導電率も向」ニする。

薄いシリコンの被膜を用いてアルミニウムを不動態化し
てその初期の光吸収を増加させることにより、アルミニ
ウム配線を平坦化できる。

〈好ましい実施態様の説明〉 この発明は、金属層の平坦化によって、多層システムに
おりる平坦性を得ることができる方法、および゛かくし
て得られたプレーナ構造に関するものである。金属層お
よび誘電体層の代表的厚さは１ミクロンのオーダーであ
る。清浄な溶融金属の極めて高い表面張力（多くの非金
属液体の約５０倍）および比較的低い粘度（水と同じ）
のため、瞬間的に金属を溶融することによって金属の平
坦化がなされる。すなわち、表面張力は平坦化力となり
、一方粘度は制動力となる。かくして、迅速な平坦化が
達成できるのである。′旧性効果（かような条件下では
レイノルズ数は低い）を無視して、溶融金属表面にお（
プる低振幅、低波長の微細構成的変化の時間依存性緩和
をＷ１算すると、空間間隔ｌ−のフーリエ成分の振幅は
、 時間定数τ−３μＬ　／１６π４γｈ３とともに指数的
に衰える。＋こでμ、Ｔおよびｈはそれぞれ、溶融金属
の動力学的粘度、表面張力および厚さである。金の場合
、γ−１１３０エルグ／ｃｍ２であるが、その粘度につ
いての実験データは得られないため銀についての値、す
なわちμｍ０．０３ボイス゛を用いる。かくして、１ミ
クロン厚の闇について、わずか１マイクロ秒で、約２１
ミクロンよりも短い間隔での溶融金内の表面微細構成の
すべてのフーリエ成分は事実上除去されることになる。

多くのＶＬＳＩＩ苦造はもっと小さいから、これによっ
て極めて十分な平坦化がなしうる。１マイクロ秒より長
い溶融時間は薄膜内に望ましくない金属学的反応を誘導
する可能性がある。例えば、溶融アルミニウムはＳｉＯ
２誘電体を還元して数秒間でシリコンを生成する。もう
一つの例では、溶融金属中の代表的な拡散率を根拠とし
て、１ミクロンの溶融金は約１マイクロ秒でチタン接着
層と完全に合金化すると予測される。

従ってこの発明によれば、金属を平坦化するためには非
常に速い（マクイロ秒の）熱パルスが最適でおる。一般
に、この熱パルスは１マイクロ秒以下とずべきで必り、
１０ナノ秒〜１マクイロ秒の範囲がより一層好ましい。

初期の実験では、高出力操作電子ビームを用いて、シリ
カの１〜レンチ内のアルミニウムの線を溶融した。

良好なるシリカの濡れと部分的なアルミニウムの平坦化
が明瞭にｖＡ察された。しかしながら、細い電子ビーム
のラスタリング（ｒａｓｔｅｒｉｎｇ　）は完全に平ら
な表面を形成しない。なぜならば、十分な面積の金属を
一度に溶融しないからである。従って、この発明におい
ては、パルス化されたレーザーを用いて、単一パルスで
大きい面積、例えば４１ｍ２の金属を溶融することが好
ましい。

誘電体平坦化技術と違ってこの発明は、誘電体を例えば
ＳｉＯ２またはある種のガラスのような高温に耐えられ
るようなものとし、平坦化された金属を例えば△Ｕまた
はＡ１のような適切な融点をもつものとすることが必要
である。

従来の平坦化法はしばしば丁度これと逆であることが必
要とされる。ずなわら、ポリイミド（スピン平坦化に対
して）または小スボシリケー１〜・ガラス（熱的平坦化
に対して）のごとき比較的低温度の誘電体か、タングス
テンのごとき適度なまたは高い温度の金属とともに用い
られる。金属を平坦化する方法においては、耐熱性の誘
電体を使用できることになり、この誘電体はより高品質
でピンホールも少なく、強度や信頼性も高くできるため
に有利である。さらに、金属の相互接続層に対しては、
細いワイヤの電気的連続性が要求されるが、これは、蒸
着温度で一般に高い表面移動度を有する非耐熱性物質を
用いることによって、容易に達成できる。さらに、積み
重ねにれだバイアを埋めるという間題も、平坦化された
金属がバイア領域の上でそれに対応して厚くなるために
、回避できる。この発明は、金属のレーザー平坦化と誘
電体の平坦化との両方を用いて完全に平坦な相互接続構
造体を得るようにした多層相互接続方法も含むものであ
る。

金属の平坦化を誘電体の平坦化と組合せることによって
、第１Ａ、１Ｂ、ＩＣ図に示したように、嵌め合わされ
た複数のバイアに伴う問題をなくすことができる。平坦
化していない従来の構造を第１Ａ図に示しである。第１
の金層１０を第１の誘電体１２の上に形成する。次に第
２の誘電体層１４を形成してパターンを形成し、その結
果筒２の金層１６を第１の金層１０と電気的接触させて
形成できる。この第２の金層１６にパターン形成したの
ち、第３の誘電体層１８をその上に施す。最後に、第３
の金層２０を第２の金層と電気的接触させて形成し、要
すればパターン形成する。このようにして上記の操作を
繰返し、必要な数の層を形成することができる。しかし
ながら、電気的相互接続を形成する積み重ねられた金Ａ
１０．１６．２０によりつくられたバイアおよび隣接す
る誘電体層１４．１８の微細構成は不規則となる。第１
Ｂ図に示したように誘電体層の平坦化を施すことにより
この不規則は幾分改善されるが、依然として不規則であ
り、相Ｈ接続しうる層の数は制限される。この発明によ
り金属と誘電体の両方を平坦化すれば、第１Ｃ図に示し
たようにこの問題は解消する。すなわら第１Ｃ図におい
ては微細構成は均一になり、金層１６．２０または誘電
体層１４．１８には段差がなくなる。

かくして多数の層間の多層相互接続が可能となる。

金属膜をレーザーを用いて平坦化することは、金属や誘
電体の選択にいくつかの制約を与える。

溶融金属は誘電体を濡らさなければならない。

このことは、固体金属が下層の誘電体に対して良好な接
着性を有することが一般に必要となる。

ＳｉＯ２上に直接付着させた金の膜は良好に接着せず、
それに対応して溶融金はｓ　ｒ　０２を濡らさない（接
触角１４０’Ｃ）。これに対して、慣用されている例え
ばＣｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、またはＴ　’　０．Ｉ　Ｗｏ、９
合金のような接着層としての酸素活性金属は、金が固体
の場合に良好な接着を示し、それに対応して液層におい
て良好な濡れを示す。ＳｉＯ２上に直接付着させたアル
ミニウム膜は、固相で接着し液層で良好な濡れを示す。

良好な接着性を有することに加えて、金属膜は入射する
光エネルギーのかなりの量を吸収しうるちのとすべきで
ある。この理由から、アルミニウムや銀のように高反射
性金属類は金に比べて利用しにくい。すなわち、金は青
または緑で５０％以上の吸光度を有しているのである。

それ故、金層に対しては約６５０ｎｍ以下の波長が好ま
しい。高反射性金属類が利用しにくいという問題は、エ
ネルギーの要求性（入射束の単なる増加）でなく、反射
率が略１の場合には、表面組織、微細構成、および組成
におけるわずかな変化が吸収エネルギーを急激に変動さ
せうるという点である。これにより不安定な状態へと導
き、この状態においては、過剰の吸収熱が反射率をさら
に低減さけるように表面を変化させ、このため一層の光
吸収が起って遂には金属膜を蒸発させるに至る。しかし
ながら、１つの解決策は、薄い吸収層でこの金属膜の上
を被覆することである。

上記のような考察に基づけば、アルミニウムや銀も使用
しうるけれども、レーザー平坦化に対しては金が好まし
く使用できる。代表的な層厚は１ミクロンのオーダーで
ある。

アルミニウムは金よりも広＜ＩＣ金属配線に使われてい
るため、アルミニウム薄膜の平坦化が非常に重要となっ
てくる。アルミニウムの表面張力は５２０エルグ／ｃｌ
であり、粘度は８００　’Ｃで約０．０１４ポイズであ
る。しかしながら、アルミニウム膜のレーザー平坦化は
金よりも困難である。アルミニウムの反射率は約９２％
で、比較的高い光パルス・エネルギーを必要とする。

表面組織、微細（ず４成ｄシよび組成のわずかな変化に
よって吸収エネルギーをかなり増加させ、損傷をもたら
す。最も重大な問題は、アルミニウム表面に天然の耐熱
性酸化物（Ａｌ２Ｏ２＞層が存在または生成することで
ある。この固体酸化物層は、たとえその下層のアルミニ
ウムが溶解したとしても、平坦化を妨害しうるちのとな
る。この酸化アルミニウムも溶解させる稈に十分に加熱
する場合でも、その下層に損傷をもたらす。一つの解決
策は、例えばイオン・ミリング法によって真空中でこの
酸化物を除去したのち、真空中でレーザー平坦化を行な
うことである。

代表的には約１ミクロン厚のアルミニウム層をこの発明
の方法により平坦化する好ましい方法は、例えばスパッ
ター・エツチングによって天然のＡｌ２０３１１Ｏ化物
を除去したのち、代表的には約２００Å以下の薄い非晶
質シリコンの層を例えばスパッター蒸着によってアルミ
ニウムの上に形成することである。このシリコン層は２
つの働きをする。すなわち、酸化物形成に対してアルミ
ニウムを不動態化させることと、反則防止被膜として働
くことである。反則防止または低反射性とするためには
、この厚さを好ましくは１００〜１５０人の範囲とし、
またアルミニウム層よりかなり薄クシ、アルミニウム層
厚さの約１％とする。構造体上にアルミニウム層を形成
させるに際しては、酸素と接触させずに、例えば真空中
でのスパッター蒸着によってアルミニウムを蒸着させ、
酸化アルミニウムが生成しないようにする。シリコン層
も真空中でアルミニウム層上に蒸着させて、酸化アルミ
ニウムの生成を防止する。この状態ではアルミニウム層
は酸化反応から保護されているから、この後に、被覆さ
れたアルミニウム層を、酸素のない処理環境から除去す
ることができる（Ｓ　ｉ　ｏ２の形成は平坦化の妨げと
はならない）。レーザー平坦化工程においてシリコン被
覆されたアルミニウムをｌＪｎ熱すると、シリコンはア
ルミニウムと合金化し、この層は再び反射性となり、こ
れによって温度と熱吸収を制限することかできる。また
、シリコンはアルミニウムと合金化しているため、得ら
れた構造体にはシリコン層は存在しない。

金属を選択したのちには、誘電体を）蓑択する必要があ
る。この誘電体は、下層の溶融金属に対して瞬間的に露
出されても損傷を受けないことが不可欠である。従って
ポリイミドのような有機物は恐らく除外される。好まし
い誘電体は、主としてその物理的性質が良好なことから
、純粋なＳｉＯ２である。ある種のガラス類も使用でき
る。Ａｕ／Ｓ　ｉ　０２多層システムに対しては、これ
ら２つの物質量のいずれの界面にも、Ｃｒ、Ｔｉまたは
Ｗのごとき接着層が必要となる。

金属／誘電体システムが選択されれば、最適な熱パルス
を決定することができる。ＡｕまたはＡ１にあける光吸
収深さは、代表的波長で２００人と非常に短いため、実
質的には金属膜の表面で熱が発生する。この熱は、時間
士で深さ２−（αｔ）　　に拡散することになる。ここ
でαは熱拡散率であり、金の場合には７００°Ｃで１．
０ＴＩ１２／秒であり、それ故、大部分の熱か１ミクロ
ンの金を通して透過するのにはわずかに１０ナノ秒しか
要しない。例えば２０ミクロンの空間間隔といった十分
に大きい面積にわたって十分な金属流動を起させるため
には、幾分長いパルス幅が望ましい。１マイクロ秒の熱
パルスに対しては、金はこのパルス時間の間にほぼ熱的
平衡の状態（垂直温度勾配が比較的小さい状態）になり
うると思われる。下層のＳ　ｉ　Ｏ２誘電体は、α−０
，０３２（ｍ”７秒のかなり低い熱拡散率を有している
。これは２つの理由から有用である。すなわち、下層が
表面よりもかなり低い温度に曝されること、および完全
に溶融するのに要するパルス・エネルギーが最小となる
ことである。シリコン・ウェハ上の１ミクロン厚ＳｉＯ
２層の上の１ミクロン厚のＡＵを溶融するのに必要な最
小の吸収エネルギーは、パルス持続時間１０ナノ秒での
０．４Ｊ／ｃｍ２から、徐々に上昇して１マイクロ秒の
パルスでの０．８Ｊ／ｃｍ２までの範囲であり、その後
はパルス持続時間のほぼ平方根として増加する（シリコ
ン基板への熱浸透のため）。１０ナノ秒より短いパルス
は有効でない。なぜならば、金層内に大きな温度勾配が
生じ、この層の底部が融点に達する前に表面が蒸発する
ためである。ある条件では１マイクロ秒までのパルスが
使用できる。実験室での実験においては、金の反射率が
約５０％であるためにこれらのエネルギーを２倍にしな
ければならない。これらのエネルギーは最小限のもので
あって、実際の操作においては、ビームのコールド・ス
ポットを考慮して、これより若干高い値が必要となる。

Ａｕ／５ｉｎ２相互接続システムに対するレーザー平坦
化プロセスを計算し実験的に立証して、１マイクロ秒の
パルス長に対しては大きい操作窓を形成させた。エネル
ギーは、金属膜の重大な損傷または蒸発なしに、最小値
の代表的には２倍まで増加させることができる。

上述したように、好ましいパルス長は熱流動特性、すな
わら誘電体層の厚さの関数として一層）的に）言訳され
る。所定パルス幅のレーザーパルスは金属層の表面上に
小刻みにステップ状に投射される。ビーム・スボッ１〜
の寸法は、この層の表面特性の１つである空間間隔より
もかなり大とし、例えば２０ミクロンに対して２ｍｍと
する。ビーム・スボッ１〜は一般に重複するようなパタ
ーンで描かれ、例えば２ｍｍ径のスポット寸法に対して
１ｍｍのステップとする。所定幅の単一のレーザー・パ
ルスが、金属層表面上の各ステップに対して十分である
場合もしばしばある。しかしながらこの発明は、各ステ
ップ毎にいくつかのパルスを用いる場合も含むものであ
る。特に、層表面特性である間隔が長い場合には、平坦
化を行なうために複数のパルスを用いる必要があろう。

パルスを長くすることは、パルス長が層の熱流動特性に
より制限されるために一般的に有利ではないが、所定の
有効パルス幅の多数のパルスを使用することは有利とな
りうる。

この発明を実施するための第２図に示したような１つの
特定の装置においては、例えばクマリン色素を含んだ線
形フラッシュランプ・ポンプ色素レーザーのごときパル
ス・レーザー３０を用いて５０４ｎｍで光パルスを供給
し、その４８％が金膜により反射される。パルスは１マ
イクロ秒の持続時間（最大の１／２における全幅）、１
５０ｍＪのエネルギー、および１Ｈ７の繰返し数を有す
る。ビーム３２は、レンズ３６によりウェハ３４上の２
ｍｍｍｍポスポット束される。スポットの強度澄均−に
するための努力はしていない。そのため、パルス・エネ
ルギー（ビーム周囲での〉の約半分が、溶融しきい値以
下であり、それ故廃棄される。ウェハ３４はレンズ３６
との間の距離を調節することによって、スボッ１〜寸法
食変えることができる。そのため、ウェハはレンズ３６
の焦点の前に置くより焦点の後に置くことが望まましい
。Ｘ−Ｙ移動台３８はステッピング・モーターを有し、
この台上に載せたウェハ３４をパルス間で平衡移動させ
る。

代表的にはパルスは’１ｍｍの間隔をもつため、かなり
の重複が生じる。レーザー３０は、トリガー４２により
パルス化された電源４０によって駆動されて、レーザー
光パルスを発生する。トリが−４２はＸ−Ｙ移動台３８
も制御し、レーザー・スポットがウェハ３４の表面上を
ステップ状に横切って移動するように制御する。より一
層効果的でかつ汎用的な他の構成では、ビームを例えば
カライドスコープによって均質とすることができる。

実験は主として、５１０２誘電体層上にスパッター蒸着
された金の膜について行なった。先ず、下層の基材とし
て裸のシリコン・ウェハを用いた。熱的に成長させたＳ
ｉＯ２の上に金のパターン（“金属層１″）を４，８．
または１６ミクロンのピッチで蒸着させ、次にこの金を
化学的蒸着によって第２のＳ；Ｏ２層で被覆し、最後に
上層の金（″金属層２パ）をスパッター蒸着した。Ａｕ
／ＳｉＯ２界面には適当な接着層（例えばＯｒ、　Ｎｂ
またはＴ’０．１Ｗｏ、９＞を蒸着することが重要でお
る。さもないと、熱パルスを加えたときにこの構造体が
損壊してしまう。平坦化操作の結果を第３へおよび３Ｂ
図に示す。これらの図は、グラウンド面により被覆され
たマイクロス１〜リツプ（伝送線路）形状の構造体を示
している。第１のＳ：０２誘電体層５０をシリコン基板
５２上に形成する。第１の金層５４を誘電体＠５０」二
に形成し、これらの間には非常に薄い接着層５６が設（
プられる。次にこの金層５４にパターンを形成し、例え
ば幅７ミクロン、厚さ１ミクロン、中心間１６ミクロン
の一対の平行線を形成する。

金層５４を次に第２の誘電体層６０で被覆し、これらの
間にはもう一つの薄い接着層５８が設りられる。最後に
、この誘電体層５０を薄い接＠層６２と第２の金層６４
とで被覆する。この第２の金層６４はグラウンド面を形
成するものである。従って第３Ａ図は、平坦化の前のグ
ラウンド面６４を示している。これに対して第３Ｂ図は
平坦化の後のグラウンド面６／′Ｉを示している。金属
層６４のレーザー平坦化は、ＳｉＯ２誘電体層６０によ
り示された熱バリヤーによって、下層金属層５４には見
掛上の影響を及ぼさなかった。原ＱＩＪとしてこのプロ
セスは繰返すことができる。すなわち、ｓ　ｒ　ｏ２で
の被覆、接触窓の開孔、Ａｕでの被覆、レーザー平坦化
、前記△Ｕのパターン形成、５ｈｏ２での被覆等を繰返
すことができる。ＡＵの各層を蒸着したのちに、表面の
平坦性はレーザー平坦化によって修復される。

ウェハは平坦化プロセスの間、周囲空気に曝されたが、
これに伴う悪影響は現われなかった。

容易に酸化するアルミニウムの場合には、酸素のない環
境中で操作することができるが、そのようにしないアル
ミニウムによっても満足すべき結果が得られた。パルス
源としてＫｒＦエキシマ・レーザーを用いて若干の実験
を行なったが、１０ナノ秒のパルスによるときは実質的
に低減された操作窓を与えた。これに対して、１−　２
／！ｌ　− マイクロ秒のパルス色素レーザーによるときは２倍の窓
を与えた。

第３△および３Ｂ図かられかるように、平坦化プロセス
は非常に好結果であった。Ｓ：Ｏ２とＡＵの熱着に用い
た化学蒸着とスパッタリング法【、Ｊｌ、段差の被覆性
の問題を生じたが、しかし平坦化された金は滑らかで平
らであり、５００人より良好であった。下層のＳ　ｉ　
０２または金の層には何ら変化は認めらなかった。この
ことは、このプロセスが金属のもつと多くの層に対して
容易に適用しうろことを示している。図示した構成は特
に挑戦的なケースであった。なぜならば、これらの実施
例における金は、平坦化の完了後に比較的高い領域をか
ろうじて被う程度のものであった。平坦化の困難性、す
なわら必要な溶融時間はｈ−に従って変化する。ここで
ｈは金属膜厚である。比較的厚い金の膜は一層容易に流
動しやすい。垂直溝をエツチングされ０．４ミクロン５
１０２で被覆されたシリコンウェハ上に比較的厚い１．
６ミクロンの金膜を形成した構成で良好な結果が１ｑら
れた。

平坦化プ１］セスを成功させるためには、蒸着された誘
電体層は低い内部応力をもつべきである。例えば、スパ
ッター蒸着された５１０２は、化学蒸着されたＳｉＯ２
よりもかなり高い応力が加えられる傾向があった。スパ
ッター、されたＳ　ｉ　０２を用いる多層構造は、レー
ザー平坦化の間に破壊することが判明した。多層金属プ
ロセスを設計するためには、レーザー平坦化プロセスに
よって金属膜中にどんな物理的変化（明白な微細構成上
のものを除く〉が起るかを理解することが重要である。

一つの関心は、Ａｕ／Ｓ　ｉ　０２界面での接着層は金
が溶融するときにかなり列中へ拡散するか否かという点
である。二次イオン質量分光分析（ＳＴＭ’Ｓ）による
深さプロフィリングを用いて、Ｃｒ７．Ｎｂ、および丁
’０．ＩＷ０．９の接着層をもつ平坦化された金の試料
を調べたところ、どの接＠層も過激な移動はしていなか
った。

３１ＭＳデー、夕から定量的な結論を導くことは難しい
が、各種類の接＠層は金膜へわずかながら拡散すると考
えられる（すなわらガウス様の不純物部分が金膜へ浸透
しているのが観察された）。この濃度レベルは、接着層
から約０．２ミクロン以上の場合に、ｐｐｍ程度と思わ
れる。最も速い拡散物質はチタンであり、これは界面か
ら０．５ミクロン離れたところに弱いがしかし測定可能
な信号を発生した。最も遅い拡散物質はタングステンで
あり、これは測定しうる程には金膜へ拡散しなかった。

溶融金属中の不純物の拡散率は代表的には１１００°Ｃ
で１０　〜１０−”ｃｍ２７秒の間であるから、金はぜ
いぜい２〜３マイクロ秒の間に溶解されてしまうことが
確認できる。これらの不純物レベルはいずれも、多層相
互接続のためには重要でないと思われる。金の化学的エ
ツチング特性は、平坦化プロセスによって影響を受けな
いと思われる。

膜の平均厚さの変化は通常のエネルギー・レベルでは観
察されなかった。従って、同じ面積が繰返しパルスに当
てられた場合でも、平坦化の間に膜が大幅に蒸発するよ
うなことはない。

金膜の平均結晶粒麻は、レーザー平坦化の後に実質的に
増大し、蒸着口）の約０．３ミクロンから平坦化後の１
〜２ミクロンとなった。しかしながら、これによって、
この金を１ミクロン以下のエツジ粗さで化学的にエツチ
ングする性能は妨げられなかった。事実、この平ｆ、Ｆ
ｌ化された金は、スパッターされた膜よりも平滑である
ため、容易にｔｉｌｌｆｆよくパターン形成ができる。

入射する光パルスエネルギーが大きくなる稈、結晶粒度
は大きくなる。恐らくこれは、これらの面積がより多く
の熱エネルギーを基ｌＡ中に貯えさせ、それ故冷却時間
が一層長くなり、温度が過度に低下する前に結晶粒成長
の機会を多くさせる。スパッター蒸着された膜と違って
、組織は非常に平滑である（１００人粗さ）。Ｘ線回折
結果は、平坦化された結晶粒はほとんどすべてが＜　１
００＞方向に配向し、最初の配向（スパッター蒸着に対
しては＜　１１１＞であった）には無関係であることを
示した。

平坦化された金膜の接着は、平坦化前よりも良好となる
。すべての場合において、得られる引張り強さは５ｏｏ
ｏｐｓ　ｉよりも大であった。多くの場合において、最
終的な破壊はＡｕ／ＳｉＯ２界面よりもシリコン基板に
て生じた。

平坦化された膜のシート抵抗を４点ブロービング法によ
り測定し、平坦化前よりも約１２％低下していることが
判明した。代表的室温固有抵抗は平坦化前２．９５μｍ
Ω−ｃｍ、平坦化後２．６μｍΩ−ｃｍであった。これ
はバルク値である２、２μｍΩ−ｃｍよりかなり離れて
いる。このバルク値は最も低い値であろう。抵抗のこう
した低下は恐らく、電子的散乱を低減させる比較的大き
い結晶粒度に起因する。

上記した物理的性質はいずれも、パルスの数とは無関係
であると思われる。すなわち、多数の平坦化パルスを用
いることは有利にも不利にもならない。レーザー平坦化
に起因すると思われる唯一の欠陥は、接着の弱い部分に
おいて生じた。恐らくこの部分は、Ａｕ蒸着前に８ｉＯ
２基材が汚染されていたのであろう。かような部分にお
いては、熱伝導の低下が加熱をもたらし、その部分を蒸
発させて、直径約１０ミクロンのクレータ−を残した。

これらの欠陥に加えて、溶融領域の縁に可視の人為的欠
陥が認められるが、恐らくは平坦化した領域と平坦化し
ない領域との間のレベルのわずかな相違に起因するもの
であろう。これは代表的には非常に小さく、約１００人
程度のものである。

ＳｉＯ２誘電体層の上に、標準ＩＣ金属配線に用いる純
粋アルミニウムおよび１％シリコンを含むアルミニウム
合金を有するシリコン被覆試料を平坦化した。代表的な
フルエンスは１Ｊ／ｃＩ１２であり、これは金の平坦化
に用いられるものに匹敵する。非晶質シリコン被膜は溶
融中にアルミニウムと急速に合金化するので、表面の反
射率が回復し、プロセスは吸収エネルギーを制限するこ
とによって自己制限的となり、かくしてプロセスは、例
えばバイアによって熱伝達における不均等に対してより
高い許容範囲をもつことになる。非晶質シリコン被膜上
に形成する天然の酸化物は、ＳｉＯ２が溶融アルミニウ
ムときわめて急速に反応するために、平坦化の妨げとな
らない。シリコン被覆アルミニウムの平坦化を通常の周
囲空気環境でなり０．１トルの真空中で行なった場合に
、平坦化において何ら相違は認められなかった。

市販Ｃ−ＭＯＳゲート・アレイ上の１ミクロン厚アルミ
ニウム層７０の表面プロフィル７２を第４Ａ図に示す。

表面の変動は下層の（１４造体により生ずる。この下層
構造体は（図示していないが）、シリコン基材上のＳ！
０２誘電体層とこのＳ！０２上のポリシリコンの線を含
み、シリコン基材へ伸びるバイアを有している。この表
面を、先ず酸化アルミニウムを除去し、次（こ１２０人
のシリコンで′被覆すること（こよって処理する。次に
レーザー・パルスを印加することによってアルミニウム
層を平坦化し、第４Ｂ図に示した表面プロフィルを生じ
させた。この場合の表面変動は、最初の表面変動の１０
％以下である。

先ず最初に酸化アルミニウム層の形成を防止する工程ま
たは既に形成された酸化アルミニウム層を除去する工程
と、次にこのアルミニウム層を不動態化用でかつ反則防
止用の薄いシリコン層で被覆する工程とからなる平坦化
前処理工程を用いることによって、金層を平坦化するの
と同じ方法によってアルミニウム層でも平坦化すること
ができる。レーザー平坦化は、スパッター蒸着されたア
ルミニウムの結晶粒度を、蒸着されたままの約０．３ミ
クロンから平坦化１変の１〜２ミクロンへと実質的に増
加させる。アルミニウム膜の電気抵抗は代表的には４．
１４μΩ−ｃｍから３．７６μΩ−ｃｍへと低減する。

〈発明の効果〉 上述したごとき金属層のレーザー平坦化は、特に多数の
グラウンドまたはパワーの面を含む多層相互接続（ず４
造体を製造するために有効な技術である。△ｕ／Ｓ　ｉ
　０２の組合せがレーザー平坦化に適しているが、Ａ　
Ｉ　／Ｓ　！　０２の組合”けも良好な結果を与える。

金属の二層について例示したが、この発明の方法は、各
金属層を蒸着したのらに平坦化することによって、多数
の相ｎ接続層やグラウンド／パワー面を含む回路にまで
広く適用しうるもので市る。この発明の技術はそれ単独
で使用することもでき、あるいは両立しうる誘電体平坦
化法と組合せて真に平坦な多層相互接続構造をつくるこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図はそれぞれ、嵌め合
せた複数のバイアを有する平坦化されていない従来の多
層構造、誘電体の平坦化のみを施した従来の多層構造、
および誘電体と金属を両方とも平坦化した多層構造を示
ず断面図；第２図は、多層構造における金属層を平坦化
する装置のブロックダイアグラム；第３Ａ図および第３
Ｂ図はそれぞれ、金属層の平坦化の前および平坦化の後
にグラウンド面により被覆されたマイクロスＩ〜リップ
形状の多層構造を示す断面図；第４Ａ図および第１′Ｉ
Ｂ図はそれぞれ、平担化前および平坦化後の市販Ｃ−Ｍ
ＯＳゲー１へ配列」＝の１ミクロン厚アルミニウム層の
表面プロフィルを示す断面図である。 １０．１６．２０・・・金層、１２．’１４．１８・・
・誘電体層、５０．６０・・・誘電体層、５２・・・シ
リコン基板、！５４．６４・・・金層、５６，５８゜６
２・・・接着層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面に天然の酸化物被膜を形成するような金属の層
   の平坦化方法であって、酸化物被膜のない金属層を形成
   する工程と、該金属層よりも実質的に薄い不動態化する
   反射防止被膜を該金属層上に形成する工程と、被覆され
   た該金属層を加熱して瞬間的に溶融する工程とからなる
   ことを特徴とする金属層の平坦化方法。 ２、金属層を加熱して瞬間的に溶融し、該層にパターン
   形成を施す前に平坦な表面を形成せしめることを特徴と
   する金属層の平坦化方法。 ３、金属の層および誘導体の層を交互に配した複数の層
   を順次形成する工程と、各金属層にパターン形成を施す
   前およびその上の誘電体層を形成する前に各金属層を平
   坦化して平坦な表面を形成せしめる工程と、その上の層
   を形成する前に各金属層および誘電体層に所定パターン
   を形成する工程とからなることを特徴とする電気的相互
   接続回路網の製造方法。