(57)【要約】　　　（修正有）【課題】ビアバリヤー層を通ってエッチングされたビアホール内へ金属が突き出して変形するのをなくす。【解決手段】ビア内への金属突き出しがない多層集積回路デバイスを形成する方法において、誘電体層を有する半導体基板を設け、金属スタックを蒸着し、パターニングしてエッチングし、相互接続ライン３０１を形成し、１つ又はそれ以上の誘電体層３０２を蒸着し、前記誘電体層をパターニングしてエッチングし、１つの相互接続ラインに接触するためのビアホールを形成し、前記相互接続ライン上の変形が実質的になくなる十分低い温度に制御された温度でシード層とビアバリヤー層３０７を蒸着し、前記ビアホールを金属プラグ３０３で満たす、ステップを備えることを特徴とする方法。【選択図】　　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビア内への金属突き出しがない多層集積回路デバイスを形成する方法において、
誘電体層を有する半導体基板を設け、
金属スタックを蒸着し、パターニングしてエッチングし、相互接続ラインを形成し、
１つ又はそれ以上の誘電体層を蒸着し、前記誘電体層をパターニングしてエッチングし、１つの相互接続ラインに接触するためのビアホールを形成し、
前記相互接続ライン上の変形が実質的になくなる十分低い温度に制御された温度でシード層とビアバリヤー層を蒸着し、
前記ビアホールを金属プラグで満たす、
ステップを備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造に関し、より詳しくは半導体デバイスにビアを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造では、より小さい面積によりパワフルで複雑な集積回路を形成するという継続的なトレンドがある。製造者は、個々のフィーチャのサイズを小さくし、またこれらのフィーチャをより近接して配置することにより、この目的を達成している。トランジスタ、キャパシタ、レジスタ等の多くの能動及び受動のデバイスは、シリコン等の半導体基板上に形成される。これらのデバイスは、基板上で相互に分離して配置され、後に相互接続されて、機能的回路を形成する。これらの相互接続構造の品質は、完成した回路の性能と信頼性に大きな影響を与える。
【０００３】
しばしば、相互接続は、パターン化した金属と誘電体材料の交互の層を有する多層構造として製造される。誘電体層はしばしば酸化珪素の形であり、垂直と水平の両方向に導体を分離するのに役立ち、ビアを満たす非常に小さい垂直金属が、金属のレベル間の相互接続の手段を与える。安定なデバイスを与えるため、相互接続と誘電体の性能は、精密で予見できるものでなければならない。
【０００４】
多層構造では、金属導体は、ベース層と、バルク導体層と、キャッピング層とを含んでも良く、これらの層の総計を金属スタックという。金属スタックは、典型的にはスパッタリングにより誘電体層上に形成され、次にフォトリソグラフィー技術を使用して、エッチングされ、相互接続構造を画定する。アルミニウムとアルミニウム合金が、しばしば金属スタックのバルク導体として使用される。
【０００５】
特に０．３５ミクロン以下の技術では、ビアの小さいサイズと複雑さの結果、現代の超大規模集積回路の製造と完全性と収率と信頼性は、重大な問題を起す。
【０００６】
図１に示す単純なビア構造は、典型的には、水平金属相互接続層１０１（しばしばアルミニウム、銅、又はアルミニウム合金でできている）と、１つ又はそれ以上の誘電体層１０２（通常は酸化珪素のある形）と、ビア内の導電性金属プラグ１０３（タングステン（Ｗ）等））とを含む。複雑なデバイスでは、金属レベルは、現在ポピュラーなチタン（Ｔｉ）１０４と、導電性相互接続金属を挟む窒化チタン（ＴｉＮ）１０５を含む材料の複数の層で出来ていても良い。層１０４，１０５は、接着の促進、反射防止、粒子構造を定義する助け等の多数の目的に役立っても良い。また、ＴｉＮ層の適当な配向と形成には、最初にシード層として作用するチタン金属層１０５の清浄な表面を与えることが必要である。
【０００７】
しかし、アルミニウム及び／又は銅と他の材料との相互作用のために、通常は金属相互接続層とビアプラグとの間にビアバリヤー層１０７が設けられる。ＣＶＤ蒸着したＴｉＮ等の典型的なビアバリヤー層１０７は、タングステンのプラグを形成する前にビアの内面に適合して形成される。
【０００８】
金属スタックの調整不良があると、プラグの金属が露出し、次のプロセスの間に腐食が起こることは明らかである。バリヤー金属によるカバーが不十分だと、タングステンソースガスがアルミニウムと反応して、相互接続にボイドが出来ることが有る。多くの他のビアの故障機構が起こり、それに対する対策方法も示されている。
【０００９】
ビアの完全性に関連するより微妙な収率の損失により、製造業者は悩まされてきた。ビアの抵抗は非常に高いかもしれないが、作動周波数の不安定性により、デバイスの収率低下と作動故障が起こる。このような微妙な故障は検出し制御するのが困難であったが、応力に誘起されたアルミニウムのビア内への突き出しは、Ａ，　Ｏｌｉｖａらの「Ｒｅｆｌｏｗ　ｏｆ　ＡｌＣｕ　ｉｎｔｏ　Ｖｉａｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ＣＶＤ　ＴｉＮ　Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」ＩＳＲＭ２０００と、Ｂｅｓｓｅｒらの米国特許第５，７８９，３１５号（１９９８）に、このようなデバイスの信頼性低下の１つの要因として記載されている。
【００１０】
図２に、金属突き出し故障の概略図を示す。比較的高い熱膨張係数を有する金属導体２０１が、ずっと低い熱膨張係数のビアの誘電体層２０２により、拘束され、圧縮状態に置かれる。熱エクスカーション（変化）の間、バリヤー層２０４を通ってビアのベース内への突き出し２０６により、金属の応力はいくらか解放されるかもしれない。故障は熱により誘起された金属ライン内の圧縮応力に関連し、そのため金属がビアに突き出して応力を緩和したのだが、この欠陥を減少させる良い解決策はこれまでなかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、多層集積回路デバイスにおいて、エッチングされたビアホールのバリヤー層を通る、金属の突き出しを減少させる方法を提供することである。
本発明の目的は、応力に誘起されるビア内への突き出しの根本原因を見出し、故障の原因をなくすことである。
【００１２】
本発明の目的は、ビアのバリヤーを形成するための改善された製造プロセスを提供することである。
本発明の目的は、スループットを低下させない製造プロセスを提供することである。
【００１３】
本発明の目的は、バリヤー層を通りビア内への金属突き出しを減少させる製造プロセスで、第２の変数又はプロセスに関係せず独立であるプロセスを提供することである。
【００１４】
本発明の目的は、収率と信頼性を改善する半導体デバイスの製造方法を提供することである。
本発明の目的は、他の金属スタックにも適用できる、応力に誘起される金属のビア内への突き出しを減少させる方法を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、バリヤーの厚さによらない、応力に誘起される金属のビア内への突き出しを減少させる方法を提供することである。
本発明の目的は、金属突き出しに対するビアバリヤーの完全性を示す、チタンアルミ化合物を含む相互接続金属被覆を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
これらおよび他の目的は、本発明のビアバリヤー層を通ってベース内への金属突き出しをなくすプロセスによって解決される。プロセス中のウェハの温度と、ビアバリヤー蒸着の温度は、４００℃より低く、好ましくは約３８０℃に制御され、それにより、故障が明らかに故障の原因であるプロセスステップにおける金属上の圧縮応力を減少させる。
【００１７】
金属突き出しの原因をなくす、即ち誘電性のビアホールにより二軸方向に拘束される金属上に、過度の熱により誘起される応力をなくすことにより、欠陥のないビアができる。これはバリヤーの厚さと独立であり、この方法は異なる金属スタックに適用することが出来、そのためデバイスの収率と信頼性が著しく改善される。
【００１８】
【発明の実施の形態及び実施例】
図１に示す従来のビアの断面は、本発明のビアの断面と近似する。しかし、実際は層は完全には滑らかではなく、各層の厚さは均一ではないかもしれず、フィーチャは図示するほど整列していないかもしれない。さらに、本発明の好適な実施の形態のビアの断面をより詳細に見ると、図３に示すように、金属スタック内にチタンアルミ化合物の反応した層３０４を備える。主にＴｉＡｌ３として存在するチタンアルミ化合物は、ビアのエッチングストップ層、電気移動抵抗の改善、及びアルミニウム突き出し即ち小山に対するバリヤーとして役立つ。
【００１９】
チタンアルミ化合物のこれらの利点は、新規なものではなく、本発明の課題でもない。本発明の課題は、層の完全性、全体のビアの完全性、金属突き出しに対するビアバリヤーの完全性である。反応した金属層とビアバリヤーの完全性が損われ、金属突き出しとアルミ化合物界面が存在するため、金属の接合が不安定になるかもしれない。乱れた界面は反応し、チタンアルミ化合物の反応に伴う体積減少により、ビアの下にボイドを形成するかもしれない。更に、相互接続ライン内のアルミニウムは、ジャンクションから放散して、機械的に誘起される応力マイグレーションを起すかもしれない。
【００２０】
好適な実施の形態では、金属スタックは、銅（Ｃｕ）をドープしたアルミニウム（Ａｌ）の、相互接続ライン３０１を備え、このラインは反応性チタン（Ｔｉ）スティック層の間に挟まれる。金属スタックの第１表面３１１上の窒化チタン（ＴｉＮ）３０６又は酸窒化珪素層が、反射防止コーティング（ＡＲＣ）として作用する。
【００２１】
チタンのスティック層３０８が、ＣＶＤ蒸着した窒化チタンのビアバリヤー層３０７のすぐ下にある。このビアバリヤー層３０７は、エッチングされたビアホールの側壁と底面の両方をカバーする。ビアがパターン化され、１つ又はそれ以上の酸化物層からなる誘電体材料３０２内にエッチングされる。ビアホールはタングステンプラグ３０３で満たされる。
【００２２】
本発明の多層集積回路デバイスのビア形成のプロセスステップは、次の通りである。図４ａに示す金属スタックは、中間層の誘電体基板４００上に蒸着される。スタックは、清浄で酸化物のないアルミニウム合金層４０１の１つの主面４６１上の、約１４０オングストローム厚さのチタン層４０２と、第２の表面４６２上の約２００オングストローム厚さのチタン層４０５とを含む。ＴｉＮ、酸窒化珪素、又は他の反射防止コーティング（ＡＲＣ）４０６が、露出した表面上に蒸着される。アルミニウム相互接続ライン４０１は、４２５℃でアニールされると、非常に清浄で酸化物のないチタンと反応して、チタンアルミ化合物４１２（図４ｂ）を形成する。金属スタックは、公知の技術により、パターン化されエッチングされる。
【００２３】
図４ｂに示すように、中間層誘電体４０２０は、パターン化された金属ライン４０１を取囲む高密度プラズマ（ＨＤＰ）蒸着層４０２１と、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）４０２２の酸化物とを含むのが好ましい。誘電体は、現存の技術によりパターン化されエッチングされて、ビアホール４１０を形成し、次に機械化学的研磨により研磨される。次に、３５０℃で典型的な金属脱ガスプロセスが行われる。
【００２４】
図４ｃにおいて、比較的低い温度で、ビア内にチタンシード層４０７が蒸着され、原位置でＴｉＮ薄膜４０８がＣＶＤ蒸着され、ビアバリヤーを形成する。その後、ビアホールはＣＶＤ蒸着したタングステンプラグ４０３で満たされる。
【００２５】
高温でのＣＶＤによるＴｉＮのビアバリヤー蒸着の間の熱エクスカーションを注意深く制御し、金属上の過剰な圧縮応力が比較的薄いビアバリヤー層を突き破らないようにする必要が有る。本発明によれば、基板とビアバリヤー蒸着の温度は、約３８０℃に制御され、バリヤーを通る金属突き出しをなくすことが出来る。タングステンプラグは、いったん蒸着されると金属の膨張を閉じ込め、ビアバリヤーを通ってはみ出すのを防止する。
【００２６】
ビア内への金属突き出しが起こるプロセスステップは、異常な突き出しのＡｌ／Ｃｕ、Ｔｉ、Ｆを示す分析により確認された。さらに、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）解析により、チタン層は、突き出しの下に有ることが分かり、これは突き出しはバリヤーの蒸着中に起こることを示す。更に、ＣＶＤによるＴｉＮは金属突き出しの頂部に見出され、突き出しはＣＶＤのＷプラグ蒸着に関連しては起こらず、典型的に高温のプロセスであるＣＶＤの窒化チタン蒸着中に起こることが確認された。
【００２７】
それゆえ、エッチングされたビアホール内の金属突き出しを減少させる鍵は、プロセス温度を制御し、比較的熱膨張の大きい金属が、これを拘束する低熱膨張係数の誘電体層により、過度に応力をかけられないようにし、ビアを満たす前に金属がビアバリヤー層を突き破ることがないようにすることである。
【００２８】
ＢａｓｓｅｒとＣｈｕｎｇの米国特許第５，７８９，３１５号をここに参照する。この特許では、中間層の酸化物が３８０℃で蒸着されれば、金属ライン上の応力がゼロ近くまで減少することを認識している。しかし、彼らは、金属突き出しを、金属脱ガスプロセスを酸化物蒸着の温度より低い温度に制御することと関連付けた。これでは、次のプロセス中に、特に、突き出した金属により破られる層である比較的薄いビアバリヤー層の蒸着中に、高レベルの応力が導入されることを排除することが出来ない。
【００２９】
本発明によれば、ビアバリヤーの蒸着温度は、４００℃より低く制御する必要が有り、好ましくは３８０℃近くである。ＣＶＤによるＴｉＮ蒸着温度が４００℃では、金属突き出しは完全にはなくならないが、３８０℃では金属突き出しは完全にはなくなることが分かった。しかし、典型的にはＣＶＤ蒸着温度は反応器の製造者により４００℃より高くすることが推奨されている。
【００３０】
１つのビアの抵抗測定が出来るビア試験構造を使用して、窒化チタンのビアバリヤー蒸着の温度を約３８０℃まで低下させたときの影響を測定した。ビアバリヤー蒸着温度を比較する多数のプロセスロットからのパラメータデータに基づいて、３８０℃でビアバリヤー蒸着をしたこれらの試験デバイスの抵抗は、目標値に近く、範囲外のものはない。一方４００℃より高い温度で処理したデバイスは、目標値にあう可能性が低く、多数のデバイスが受入れ可能な範囲の外側に出る。
【００３１】
本発明の好適な実施の形態は、３８０℃から３９０℃の範囲内での、ＴｉＮビアバリヤーのＣＶＤ蒸着を含む。このプロセスは、プレヒート時間を短くすることにより、反応器のスループットを低下させずに、達成することが出来る。基板温度制御と、プレヒート時間の短縮は、ウェハの裏面に加熱したＮ２ガスを衝突させることにより、援助される。プレヒート技術は本発明の対象ではなく、反応器のスループットを上げるのに他の技術も同様に有効であるかもしれない。この技術は１つの例としてあげてある。
【００３２】
好適な実施の形態により制御された温度のビアバリヤープロセスを記述した。しかし、導体の両面のＴｉ／ＴｉＮ、ＴｉＮ、ＴｉＮ／Ｔｉ等の別の金属スタックにも適用することが出来る。本発明はある与えられたバリヤーの厚さに限定されず、色々の異なる材料とビアの構成に適用することが出来る。
【００３３】
３８０℃の特定のビアバリヤー蒸着温度では、選択する相互接続金属は、熱膨張係数（ＣＴＥ）約２６ＰＰＭのアルミニウム、約１７ＰＰＭの銅又はこれらの色々の合金等の高膨張材料である。これらは、ＣＴＥが２．２から２．５ＰＰＭの範囲であるシリコンと酸化珪素よりかなり大きい熱膨張を示す。別の金属の組み合わせでは、ビアバリヤーの蒸着温度は、金属応力レベルがゼロに近づくように選択される。
【００３４】
ビアバリヤー層をより厚くすると、プロセスに安全の余裕を加えるが、アルミニウムのビア内への突き出しは改善されない。一方、ビアバリヤーの蒸着温度を制御すると、突き出しの原因がなくなり、ビアホール内へ金属の突き出しがないプロセスを提供することができる。
【００３５】
ここに記述した実施の形態の多くの変形と改変が当業者には明らかであろう。それゆえ、本発明の特許請求の範囲は、従来技術の観点から可能な限り広く解釈され、このような変形をすべて包含するものである。
【００３６】
以上の記載に関連して、以下の各項を開示する。
１．　ビア内への金属突き出しがない多層集積回路デバイスを形成する方法において、
誘電体層を有する半導体基板を設け、
金属スタックを蒸着し、パターニングしてエッチングし、相互接続ラインを形成し、
１つ又はそれ以上の誘電体層を蒸着し、前記誘電体層をパターニングしてエッチングし、１つの相互接続ラインに接触するためのビアホールを形成し、
前記相互接続ライン上の変形が実質的になくなる十分低い温度に制御された温度でシード層とビアバリヤー層を蒸着し、
前記ビアホールを金属プラグで満たす、
ステップを備えることを特徴とする方法。
【００３７】
２．　前記ビアバリヤー蒸着の温度は、３８０℃から３９０℃に制御される前記第１項に記載した方法。
３．　前記金属スタックは、チタンの層に挟まれたアルミニウム又はアルミニウム合金の導電性層と、色々の組み合わせの窒化チタンとを備える前記第１項に記載した方法。
【００３８】
４．　前記金属スタックは、反応したチタンアルミ化合物を含む前記第１項に記載した方法。
５．　前記誘電体は、酸化珪素、ＨＤＰ、ＴＥＯＳ、又は他のコンフォーマルな誘電体コーティングを備える前記第１項に記載した方法。
【００３９】
６．　前記ビアバリヤーは、ＣＶＤ蒸着したＴｉＮである前記第１項に記載した方法。
７．　前記シード層はＴｉである前記第１項に記載した方法。
【００４０】
８．　前記金属プラグはＣＶＤ蒸着したタングステンである前記第１項に記載した方法。
９．　前記第１項の方法を使用して作った多層金属構造を有する集積回路デバイス。
【００４１】
１０．ビアバリヤー層（４０８）を通ってエッチングされたビアホール（４１０）内へ金属が突き出して変形するのをなくす。ビアバリヤー層（４０８）の蒸着温度を４００℃より低く、好ましくは約３８０℃にする。誘電体の壁により二軸方向に拘束される金属上に熱応力に誘起される過度の変形の原因をなくすことにより、欠陥のないビアはバリヤーの厚さによらない。本発明の方法は、異なる金属スタックに適用することが出来、その結果デバイスの収率と信頼性が著しく改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のビア構造の断面図。
【図２】従来技術のバリヤー層を通る金属突き出しがあるビアの断面図。
【図３】本発明の好適な実施例のビアの断面図。
【図４ａ】本発明の好適な実施例の金属スタックの断面図。
【図４ｂ】反応した金属スタックとエッチングされたビアを通る断面図。
【図４ｃ】反応した金属スタックと充填されたビアを通る断面図。
【符号の説明】
１０１　水平金属相互接続層
１０２　誘電体層
１０３　導電性金属プラグ
１０４　窒化チタン層
１０５　チタン金属層
１０７　ビアバリヤー層
２０１　金属導体
２０２　誘電体層
２０４　バリヤー層
２０６　突き出し
２０７　ビアバリヤー層
３０１　相互接続ライン
３０２　誘電体材料
３０３　タングステンプラグ
３０４　チタンアルミ化合物の反応した層
３０６　窒化チタン（ＴｉＮ）
３０７　ビアバリヤー層
３０８　スティック層
３１１　第１表面
４００　誘電体基板
４０１　アルミニウム合金層
４０２　チタン層
４０３　タングステンプラグ
４０５　チタン層
４０６　反射防止コーティング（ＡＲＣ）
４０７　チタンシード層
４０８　ＴｉＮ薄膜
４１０　ビアホール
４１２　チタンアルミ化合物
４６１　主面
４６２　第２の表面
【図１】
2004031911.tif 000003
【図２】
2004031911.tif 000004
【図３】
2004031911.tif 000005
【図４ａ】
2004031911.tif 000006
【図４ｂ】
2004031911.tif 000007
【図４ｃ】
2004031911.tif 000008