(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路（１０）の開口内を合成金属層（１６）で充填して金属プラグを形成する集積回路（１０）の製造方法において、前記合成金属層（１６）は、
（００２）のベース面と均一の粒子方向を有する組成制御用Ｔｉ層（２４）を２５−４００℃の範囲の温度で堆積するステップと、
前記組成制御用Ｔｉ層（２４）上に、５０−１００℃の範囲の温度でＡｌベースの第１サブレイア（１６．１）を堆積するステップと、
アルミ化Ｔｉ層が少なくとも前記Ｔｉ層（２４）と前記第１サブレイア（１６、１）の間に形成され、かつ、その堆積の終点において第２サブレイア（１６、２）の粒子の寸法が前記第１のサブレイアのものより大きくなるように、前記第１サブレイア（１６．１）上に、５０−１００℃の範囲の温度から４００−５００℃の範囲のピーク温度へ温度を上昇させながらＡ１ベースの第２サブレイア（１６．２）を堆積するステップと、
前記サブレイアのマイクロ構造が最大で３つの粒子を生成するようにそれ自体を適合させるように、前記第２サブレイア（１６．２）上に、前記４００−５００℃の範囲のピーク温度でＡ１ベースの第３サブレイア（１６．３）を堆積するステップと、を用いて形成される
ことを特徴とする集積回路の製造方法。
【請求項２】
前記Ｔｉ層（２４）は、最密構造（Closed Packed Structure）となるように堆積されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記第１サブレイア（１６．１）の平均粒子サイズは、堆積の終了時点で２５０ｎｍ以下であり、
前記第２サブレイア（１６．２）の平均粒子サイズは、堆積の終了時点で２５０−８００ｎｍの範囲内にあり、
前記第３サブレイア（１６．３）の平均粒子サイズは、堆積の終了時点で２５０−１０００ｎｍの範囲内にある
ことを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば集積回路の導体のような金属層の堆積に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路においては、金属層は、素子の活性領域（ＦＥＴのゲート、ソース、ドレインの電極）への電気接点を形成するために、および素子間を相互接続（ＩＣの同一レベル上の素子間のランナーあるいは異なるレベル上の素子間のバイアス）するために用いられる。両方の場合ともバイアス（すなわちウィンドウ）は、ほぼ垂直の側壁を有して誘電体層に開口し、下の層の１部を露出する（例えば素子の半導体活性領域は、金属の第１レベルとして、通常「第１金属」と称する）。この上の金属層からの金属製のプラグ（素子の接点の場合には、例えば「第１金属」と称し、相互接続の場合には「第２金属」と称する）は、バイアスから延びて、金属層と半導体（素子の電極）との間の電気的接続を形成するかあるいは２つの金属層との間の電気的接続（相互接続）とを形成する。簡単にするために本明細書においては、両方の場合（半導体と金属および金属と金属）の電気的接続を相互接続と称する。
【０００３】
アルミおよびアルミ合金がこのような金属層に使われる最も一般的な材料である。通常これらのアルミベースの層は、単一層としてスッパタリングのような１回のステップにより堆積される。このアルミベースの単一層の金属化は、ウィンドウ内で相互接続を形成するために用いられる時にいくつかの問題がある。例えば、（１）ウィンドウの上端部における良好でないステップカバレイジ、（２）ウィンドウの側壁に沿って金属の堆積が不足するかあるいはピンチオフの状態になる、（３）ウィンドウの上端部上に余分の金属が堆積する等の問題がある。これらの問題点のいずれもがＩＣの信頼性に悪影響を及ぼす。かくして良好でないステップカバレイジあるいは過剰金属によるオーバーハングは、ウィンドウ内にボイド（金属の不存在領域）を形成し、これにより電流を搬送する相互接続の信頼性を落とす。一方、ピンチオフすなわち金属堆積の不足は電子の密集を引き起こし、その結果好ましくない高電流密度を金属が存在しない側壁に発生させる。
【０００４】
垂直あるいはそれに近い壁を有する開口（すなわちバイアス）内で充分なステップカバレイジが得られない為、この問題は、特に１以上のアスペクト比を有する場合においては、従来では、テーパー状（すなわち傾斜した）の側壁を用いて解決していた。しかしこのテーパーを用いた技術では、より大きなピッチが形成されてしまう。このようなより大きなピッチが形成されることは、並列に形成された金属導体（例、ランナ）間のスペースを増加させるために、このような大きなテーパは、例えば０．５μｍ，０．３μｍあるいはそれ以下のデザインルールに対しては好ましくないものとなっている。
【０００５】
高アスペクト比のバイアスを充填する他の従来手法では、複数回の金属化ステップを必要としてしまう。ある従来技術においては、厚い金属層を低温で堆積し、そして残りの金属を金属層のリフロウができるように温度を上げながら堆積するというものである。これに関しては米国特許第４，９７０，１７６を参照のこと。他の従来技術においては、小粒子のアルミの非常に薄い層を低温（３５０℃以下）で堆積する。そして堆積は、温度が必要とされる堆積温度（５００℃以上）に上昇するまで停止し、その後アルミの堆積を再開する。これに関しては米国特許第５，１０８，９５１（第４コラム１−９行目）を参照のこと。前掲の特許は、ウェハを加熱しながらアルミを連続的に堆積する技術を開示するものである。すなわち小量のアルミが３５０℃以下で堆積され、そしてウェハを徐々に所望の堆積温度（４００−５００℃）に加熱しながらアルミの堆積を継続するものである。この前掲の特許の方法は、非常に小さい粒子サイズでもってアルミの層が堆積できることを開示しており、あとの段階で粒子サイズの成長を最小にするようにしている（第４コラム１０−２１行目）。
【０００６】
しかし高アスペクト比のバイアスを充填する多段の金属化プロセスは、いずれも相互接続の性能と大きな粒子サイズと特定の構造（すなわち粒子の方向性）との両方を有するようなプラグの必要性の重要な関係については認識していない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、ほぼ垂直壁を有するバイアスすなわちウィンドウ内に相互接続を形成するために上記の問題を解決することである。特に、現在の２分の１ミクロン以下のデザインルールにおける高アスペクト比のバイアスを金属で充填できる方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の開口（例、バイアスすなわちウィンドウ）を有する集積回路の製造方法において、この開口をＡｌベースのプラグでもって充填するために所定の方向を有し後でＡｌベース層を堆積するような条件下で組成制御のＴｉ層を堆積することにより行う。その後、複数個のＡｌベースのサブレイアが堆積される。第１に＜１１１＞の方向を有する微細粒子上の第１サブレイアがＴｉ層の上に低温で堆積される。次に第２のサブレイアが温度を前記の低温からピークの堆積温度まで上昇させながら前記の第１サブレイアの上に堆積される。この温度上昇の間、アルミ化Ｔｉ層（Ti-aluminide）が、Ｔｉ層と前記第１サブレイアとの間の境界に形成され、その結果Ａｌベースの材料の粒子サイズが増加する。そして次に第３サブレイアが前記のピーク堆積温度でもって堆積される。この第３サブレイアの堆積の間、プラグの全体の微細構造が自動的に調整され、その結果このプラグは、単一の粒子あるいは最大３個の粒子を含むだけであり、そしてさらにこのプラグ全体の組成は、ほぼ＜１１１＞方向を向いている。
【０００９】
本発明の他の側面においては、アルミ化Ｔｉ層と開口（バイアスすなわちウィンドウ）を充填するアルミベースのプラグの両方を含む集積回路である。このＡｌベースのプラグの組成はほぼ＜１１１＞方向を向いておりプラグそのものは、単一の粒子あるいは最大３個の粒子を含むだけである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
集積回路（ＩＣ）は、半導体ボディ（シリコン基板あるいは基板上のシリコンエピタキシャル層）を有し、そこに素子の活性領域（例、ＦＥＴ，バイポーラトランジスタ）あるいは、他の素子の受動領域（抵抗，キャパシタ）が形成される。ウェハの異なる部分上の素子は、通常互いに絶縁（酸化物）領域で絶縁されている。ある複数の素子は、導電性（金属製）層により相互接続されている。この相互接続のパターンが複雑になるために、金属層は、複数のレベル（通常２種類のレベルであるが最近は３種類のレベル４種類のレベルと増えつつある）の上に形成されている。
【００１１】
異なるレベルの金属層と半導体素子領域とは、所望の電気的接続が形成されるべき領域を除いて絶縁性（二酸化シリコンあるいは窒化シリコン性）の層により互いに電気的に絶縁されている。これらの絶縁層は、通常層間誘電体とも称する。これらの領域においては、バイアス（すなわちウィンドウ）が絶縁層に開口され、その後金属製プラグでもって充填されている。図１においては、集積回路１０は、半導体ボディ１４上に第１金属層１２を有している。例えば半導体ボディ１４は、シリコンエピタキシャル層の有無に係わらず、ウェハあるいは基板であり、通常素子および／または素子領域を分離するような酸化シリコン絶縁領域を有している。以下、第１金属層と第２金属層との間の相互接続に関して説明するが、これ以外にも第１金属層と半導体素子領域との間の相互接続および第２金属層とより高レベルに位置する金属との間の接続も本発明は適応できる。
【００１２】
第１金属層１２と第２金属層１６とは金属性プラグ１８により相互接続されている。第１金属層１２と第２金属層１６とは絶縁層２０により分離されており、この絶縁層２０内に開口（例えばバイアスすなわちウィンドウ）が形成されて金属性プラグ１８が第２金属層１６から第１金属層１２まで延びている。本発明によれば金属性プラグ１８と第２金属層１６とは、後で堆積されるＡｌベース層内で所定の結晶方向を有するような条件下で組成制御用Ｔｉ層２４を堆積することにより形成される。この組成制御用Ｔｉ層２４は、ベース面が（００２）方向を有するような最密化（ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ）されたＴｉ層を生成するような条件下で堆積しなければならない。このＴｉのベース面は、Ａｌベースの層の（１１１）面と同一の原子構成を有している。これによりＡｌベース層は、Ｔｉ層の上に堆積されたときに＜１１１＞方向を有するようになる。
【００１３】
組成制御用Ｔｉ層２４が堆積された後、複数のアルミベースのサブレイアが順に堆積される。そして各サブレイアは、異なる堆積条件で堆積されその結果粒子境界拡散，再結晶，粒子成長が行われる。例えばサブレイアは、異なる堆積速度と金属製プラグ１８が＜１１１＞方向を有し、１個の粒子あるいは最大３個の粒子を有するような条件で堆積される。できるだけ少ない単一のグレインを有するプラグを形成する事は、本発明により決定できるが、粒子の最大サイズは、プラグの寸法により決定される。通常グレインの数が少ないことは、グレインの境界が少なくなることを意味し、このことは欠陥が少なくなることを意味し、そしてその結果エレクトロマイグレイション特性がよくなり応力を引き起こすようなボイドが少なくなることを意味する。かくして単一のグレインは最も好ましいものであるが２個あるいは３個のグレインでも優れた性能を提供できるものである。
【００１４】
図２−６は、本発明の相互接続を形成する際のステップを順番に表わしたものである。この実施例においては、金属製プラグ１８と側面方向に延びたフィールド部分とがまず３種類のサブレイアとして堆積される。しかし、本発明は３種類のサブレイアに限定されるものではなく、それ以上のサブレイア例えば４種類のサブレイアについても適応できるものである。
【００１５】
以下の説明においては、全ての金属層は、スパッタリングにより堆積するものとしているが本発明はこれに限定されるものではなく、例えば蒸着でも適応できる。さらに本発明のプロセスは、従来のクラスタ装置あるいは堆積チェンバー内でも実施できる。ウェハ全域に亘って均一な堆積を行うためには、スパッタリングは、平面上のターゲットを用いて行うのが好ましい。
【００１６】
図２に示すような第１ステップにおいて、公知の合成バリア層２２が開口１９の底部と側壁と絶縁層２０の上部に堆積される。この合成バリア層２２は、２つの層（例えば開口１９の表面上に形成された耐火金属（Ｔｉ）とこの耐火金属（Ｔｉ）の上に堆積する耐火性の窒化金属（ＴｉＮ））を含む。合成バリア層２２の堆積は、２５−４００℃の範囲の基板すなわちウェハ温度で行われる。次に図３に示すように、薄い（２５０オングストローム（以下Ａで表わす））組成制御用Ｔｉ層２４が合成バリア層２２の上に堆積されその堆積条件は、ベース面が（００２）方向を有するような最密化構造（ｃｌｏｓｅｄ−ｐａｃａｋｅｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を生成するようなものである。かくして組成制御用Ｔｉ層２４は、２５−４００℃の温度範囲で基板上あるいはウェハ上に堆積される。２５−４００℃の温度範囲で好ましくは１００℃以下（５０℃が最適と思われる）の低温で堆積される。開口１９内へのアルミベースの金属をその後堆積する間、アルミ化Ｔｉ（Ｔｉ−ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）層が組成制御用Ｔｉ層２４と第１に堆積されＡｌベースの層との間の界面に形成される。Ａｌベースの金属の構成は、ほぼ＜１１１＞方向を有し、そこに形成された金属性プラグ１８は、単一の粒子（あるいは最大３個の粒子）を有する。組成制御用Ｔｉ層２４は、機械的電気的な信頼性を向上させるものである。
【００１７】
組成制御用Ｔｉ層２４が堆積された後、３種類のＡｌベースの金属サブレイア１６．１，１６．２，１６．３が順に図４−６に示すように堆積させる。しかし、組成制御用Ｔｉ層２４の堆積が完了した場合、基板すなわちウェハの温度は１００℃以上であるので基板は、第１サブレイア１６．１を堆積する前に冷却しなければならない。
【００１８】
このサブレイアは、Ａｌベースの金属例えばＡｌ系合金からなる。適当な合金としては、Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｃ，Ａｌ−Ｇｅ，Ａｌ−Ｓｃ−Ｘ，Ａｌ−Ｇｅ−Ｘ（ここでＸ＝Ｓｉおよび／またはＣｕ），Ａｌ−Ｐｄ−Ｎｂ，Ａｌ−Ｐｄ−Ｍｇ，Ａｌ−Ｈｆ−Ｔｉ等である。ＡｌＣｕ合金あるいはＡｌＳｉＣｕ合金の組成は、０．０５−５．０重量％のＣｕと０．０５−５．０重量％のＳｉと、０．５−２．０重量％のＣｕと０．５−１．５重量％のＳｉを含む。
【００１９】
図４に示すように第１サブレイア１６．１は、比較的薄く、次の第２サブレイアの堆積用の核形成層として機能する。この第１サブレイア１６．１は、粒子サイズの平均は小さく（例、２５００Ａ以下で通常１０００−１７００Ａ）を有し、これは５０−１００℃の低温の基板温度で堆積することにより達成できる。例えばこの堆積は、比較的高い堆積レートと高いパワー（例えば９−１１ｋＷと約１６０−１９０Ａ／秒）で行われる。この第１サブレイア１６．１の厚さは、３種類のサブレイアの全厚さの３０−５０％を占める。
【００２０】
この堆積の終了時に図５に示す第２サブレイア１６．２は、第１サブレイア１６．１よりもその粒子サイズの平均ははるかに大きい、プラグの寸法によっても異なるが通常２−３倍の大きさで２５００−８０００Ａである。次に第２サブレイア１６．２が第１サブレイア１６．１の堆積温度から４００−５００℃（より具体的には４６０−５００℃）の範囲のピーク温度まで徐々に上げながら堆積される。例えばこの第２サブレイア１６．２は、第１サブレイア１６．１よりもはるかに低い堆積レート（約１０−３０Ａ／秒）で且つはるかに低いパワー（０．５−１．５ｋＷ）で堆積される。この第２サブレイア１６．２の堆積の間前述したアルミ化Ｔｉ化合物は、約３００−３５０℃の温度で第１サブレイア１６．１と組成制御用Ｔｉ層２４との間の界面に形成される。組成制御用Ｔｉ層２４と第１サブレイア１６．１との相対的厚さに依存して組成制御用Ｔｉ層２４は、全部あるいは１部がアルミ化Ｔｉに変質する。変質しないものについては、組成制御用Ｔｉ層２４の１部はＩＣの製造が完了したときにもプラグ内に残る。さらにこのステップの間、堆積金属（Ｍ）がバイアス（図５）内に流れ込み、その結果３種類のサブレイア（あるいは第２金属層１６）の全厚さの約５０−７０％の厚さを占める。
【００２１】
この堆積の終了時に図６に示す第３サブレイア１６．３は、プラグの寸法にもよるがその平均粒子サイズは比較的大きい（例、２５００−１０，０００Ａである）。このような特性は、前のステップで用いられたピーク温度（４６０−５００℃）で堆積することにより得られる。第３サブレイア１６．３は、第１サブレイア１６．１に用いられた比較的高い堆積レートでもって堆積される。重要なことはこのステップにおいて、金属製プラグ１８の微細構造は、自分自身で調整し、その結果金属製プラグ１８は、１つの大きなサイズの粒子のみを含むかあるいは最大３個の大きなサイズの粒子を含むだけである。さらに金属製プラグ１８の構造は、＜１１１＞方向を向いている。
【００２２】
前述したように、最大の粒子サイズはプラグの寸法によって決まる。例えば８０００Ａの高さで８０００Ａの幅を有するプラグは、８０００Ａのサイズの１個の粒子あるいは、それぞれが８０００×４０００Ａのサイズの２つの粒子を含む。
【００２３】
図７に示すように、バイアスを充填する＜１１１＞方向の単一粒子（あるいは最大３個の粒子）を有するプラグを実現する本発明の方法は、ピンチオフ，オーバーハング，ボイド等の従来の問題を発生させることなく、さらにエレクトロマイグレーション特性を改良し、応力を引き起こすボイドも減少させる。プラグ領域内に単一の粒子（あるいは最大３個の粒子）しか存在しないために、図７は第２金属層１６の種々のサブレイアを示していない。
【００２４】
さらにＴＥＭ検査によれば第３サブレイア１６．３が堆積する前に、第１サブレイア１６．１と第２サブレイア１６．２との間の界面には小さな材料のアイランド（大きさは１０Ａのオーダー）の存在が分かった。このアイランドの成分は二酸化シリコン，二酸化アルミあるいはアルミの溶融担持沈澱物（solute-bearing precipitate of aluminum）（例えばＣｕＡｌ2 ）を含む。我々の発見によれば、これらのアイランドは界面拡散を防止し、Ａｌベースの層（これにより＜１１１＞組成ができる）の粒子境界をピニングしおよび／または応力導入ボイドに起因するボイドリンクを阻止できる。かくして素子の寿命が延びる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、相互接続の形成と開口の充填をするものとして説明したが、より一般的にカバリングステップおよび金属層の形成についても適応できるものである。さらにまた本発明のサブレイアの堆積ステップは、同一堆積チェンバー内で行われ、第１サブレイアの堆積中に基板のヒータをオフに保つことにより、そして第２サブレイアの堆積の開始時に基板のヒータをオンにし、そして全てのサブレイアの堆積が完了するまでオンにしておくことにより行うことができる。このようにしてプラグを形成することにより複数のチェンバーをサブレイアの堆積の並列プロセスにも用いることができるのでクラスタマシン内で複数のチャンバープロセスが可能となり、これによりスループットが向上する。さらに第２のサブレイアは、第１のサブレイアの堆積温度より低いあるいは等しいあるいは高い開始温度で堆積することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】集積回路において第１金属層と第２金属層を相互接続するバイアス内のプラグの断面を表わす図
【図２】本発明の１実施例による図１のプラグの製造の際の第１ステップを表わす図
【図３】本発明の１実施例による図１のプラグの製造の際の第２ステップを表わす図
【図４】本発明の１実施例による図１のプラグの製造の際の第３ステップを表わす図
【図５】本発明の１実施例による図１のプラグの製造の際の第４ステップを表わす図
【図６】本発明の１実施例による図１のプラグの製造の際の第５ステップを表わす図
【図７】単一層として示された様々なサブレイアを有する図６を表わす図
【符号の説明】
１０  集積回路（ＩＣ）
１２  第１金属層
１４  半導体ボディ
１６  第２金属層
１６．１  第１サブレイア
１６．２  第２サブレイア
１６．３  第３サブレイア
１８  金属製プラグ
１９  開口
２０  絶縁層
２２  合成バリア層
２４  組成制御用Ｔｉ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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