(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属充填物とその上のキャップ層との間の線膨張係数差に基づいて前記金属充填物内に発生される圧縮応力により前記金属充填物を強制的に流入させることにより孔内に金属充填物を形成する方法において、
前記孔内に１００℃以下の第１温度においてコンフォーマルなバリア層を形成し、
前記孔内に３００℃乃至４００℃の範囲内の第２温度においてアルミニウムからなる金属充填物を形成し、
前記金属充填物を１００℃以下の第３温度に冷却させて前記金属充填物内に負の引張り応力を発生させた後に前記第３温度において前記金属充填物の上に窒化チタンからなるキャップ層を形成し、
前記キャップ層によって加えられる前記金属充填物上の圧縮応力から前記金属充填物がリフローして前記孔内のボイドを減少させるように前記孔を前記第２温度より高い第４温度に加熱する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１において、前記コンフォーマルなバリア層がチタン層であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２において、前記チタン層が１００ｎｍの厚さを有していることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１において、前記キャップ層が３０ｎｍ乃至１２０ｎｍの厚さを有していることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１において、前記バリア層と、キャップ層とを形成するステップが１００℃の温度において実行されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５において、前記加熱ステップが、半導体装置を４００℃以上の温度へ加熱することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１において、前記金属充填物を形成するステップが、４００℃の温度において行なわれ、且つ前記バリヤ層及びキャップ層を形成するステップが１００℃の温度において行なわれることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７において、前記加熱ステップが、半導体装置を４００℃以上の温度へ加熱することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８において、前記加熱ステップが２分乃至３分の時間期間の間加熱することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８において、前記加熱ステップが、１５分乃至３０分の時間期間の間加熱することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項７において、前記加熱ステップが４００℃乃至５５０℃の範囲内に加熱することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１において、前記孔が垂直の側壁を有していることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１において、前記孔が傾斜した側壁を有していることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１において、前記孔が０．５０μｍ未満の上部直径を有してい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、大略、半導体装置の製造技術に関するものであって、特に、半導体装置においてコンタクト及びビア充填物を形成する技術に関するものである。更に詳細には、本発明は、ボイドが最小とされる半導体装置におけるコンタクト及びビア充填物を製造する改良した方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在の相互接続技術は、層間信号を伝達させるため及び同一の層に沿って信号を伝達させるためのラインを相互接続するためにコンタクト及びビアプラグ（ｖｉａ  ｐｌｕｇ）即ちビアプラグ（貫通導体充填物）を使用している。コンタクト又はビア充填物は、タングステンの化学蒸着（ＣＶＤ）又はホットアルミニウム物理的蒸着（ＰＶＤ）のいずれかによって充填される。相互接続ラインはＰＶＤアルミニウムを使用して形成される。コンタクト及びビア充填物用に現在使用可能なホットアルミニウムプロセスは、ビア（貫通導体）用の孔が層間誘電体内にエッチング形成した後に、基板上に薄いチタン層（１００ｎｍ）をＰＶＤによってスパッタ付着させて行なう。このチタン層は下側に存在する導体に対して良好なコンタクトを与え、且つその後のホットアルミニウムプロセスに対して良好なウエット用の層を提供する。その後に、ウエハを真空下でアルミニウム付着チャンバへ移動させ、そこで３つのステップが行なわれる。
【０００３】
第一に、ビアの底部及び側壁上を完全にチタンで被覆させるために、低温で約１５ｎｍ／ｓ乃至約２０ｎｍ／ｓの高い割合で２００乃至２５０ｎｍの厚さの核生成用のアルミニウム層を付着形成させる。次いで、基板温度を４００℃乃至５５０℃へ増加させる。約３ｎｍ／ｓのより遅い速度でより多くのアルミニウム（約４００ｎｍ）が付着形成される。この高温においての遅い付着速度は、アルミニウムが付着形成される場合に、アルミニウムがビア内へ流入することを可能とする。このプロセスは、表面拡散を利用してアルミニウムがビア内へ流入することを可能とさせている。表面拡散は高温度の表面上でのアルミニウム原子の運動のことを意味している。次いで、ビアがアルミニウムで完全に充填されると、必要とされる残りのアルミニウムが再度１５ｎｍ／ｓの速い速度で付着形成される。次いで、ウエハを窒化チタン（ＴｉＮ）付着チャンバへ移動させ、そこで３０ｎｍの厚いＴｉＮ膜が付着形成される。この膜は、後のホトリソグラフィ処理に対する反射防止コーティング（ＡＲＣ）として作用する。
【０００４】
アルミニウムを使用してビアを充填するために現在使用されている別のプロセスは、Ｓｈｔｅｒｅｎｆｅｌｄ−Ｌａｖｉｅ  ｅｔ  ａｌ．「革新的高圧アルミニウム充填物技術を使用した三層０．３５μｍ相互接続プロセス（Ａ  Ｔｈｒｅｅ−Ｌｅｖｅｌ，０．３５μ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｈｉｇｈ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ａｌｕｍｉｕｍ  Ｐｌｕｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」、ＶＭＩＣカンファランス、ＩＳＭＩＣ−１０４／９５／０３１、３１−３７頁に記載されているような強制充填プロセス（ｆｏｒｃｅ  ｆｉｌｌ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用する。この方法は、比較的低温（４３０℃）で金属膜を付着形成するために従来のスパッタリングを使用し次いでビア上へ高いアスペクトのコンタクト内へ金属の流入を促進させるために高圧アルゴンを使用することによって、コンタクト又はビア充填物内のボイドを取除くか又は最小とする。然しながら、この強制充填方法は、コンタクト及びビア充填物を形成するために高価な装置を必要とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、ボイドを最小としながらビア及びコンタクトのプラグ（充填物）を形成することの可能な改良した技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プラグ（ｐｌｕｇ）即ち充填物におけるボイド（ｖｏｉｄ）を最小とする方法を提供している。本方法は、ビア又はコンタクト孔内にコンフォーマル即ち適合的なバリア層を形成し、次いで該孔内に金属プラグ即ち充填物を形成することにより開始する。その後に、金属充填物の上にキャップ層を形成し、その場合にキャップ層は金属充填物よりも低い熱膨脹係数を有している。基板を加熱し、該ビア又はコンタクト孔内の金属を流動させて、金属充填物上のキャップ層によって発生される圧縮応力の結果としてボイドを除去する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に説明する本発明のステップ及び構成は、集積回路を製造するための完全な処理の流れを構成するものではない。本発明は、当該技術分野において現在使用されている集積回路製造技術に関連して実施することが可能なものであり、従って、本発明を理解するのに必要な一般的に使用されている処理ステップについてのみ説明する。製造過程における集積回路の一部の断面を示した添付の図面は、縮尺通りに描いたものではなく、本発明の重要な特徴をより良く理解するために適宜拡縮して示してある。
【０００８】
図１乃至５は本発明に従ってボイドを最小とするプロセスを例示した半導体装置の一部の概略断面図である。最初に、図１を参照すると、本発明に基づいて、絶縁層内に２つの孔を有する半導体装置の一部の概略断面図が示されている。図１において、基板１００はその表面上に形成されている絶縁層１０２を有している。図示例では基板を示しているが、基板１００は、本発明に従って、金属又は何等かのその他の中間の層とすることが可能である。絶縁層１０２は図示例においては酸化物層であるが、その他のタイプの絶縁層を本発明に従って使用することが可能であることは勿論である。
【０００９】
絶縁層１０２は傾斜した側壁１０６及び底部１０８を有する孔１０４を有している。絶縁層１０２は、更に、垂直な側壁１１２と底部１１４とを有する孔１１０を有している。図２に示したように、半導体装置上にバリア層１１６を形成する。図示例においては、バリア層１１６は物理的蒸着を使用してスパッタにより付着形成させた約１００ｎｍの厚さを有する薄いチタン層である。バリア層１１６は孔の側壁及び底部を被覆するコンフォーマル即ち適合的な層である。チタンは、典型的に１００℃以下の低い温度で付着形成させる。その後に、本装置をアルミニウムチャンバ内の真空下へ配置させ且つアルミニウムを１００℃以下の低温で付着形成させる。その付着の結果、孔１０４内にボイド１２０を有し且つ孔１１０内にボイド１２２を有するアルミニウム層１１８が形成される。アルミニウム層１１８は図示例においては約３００ｎｍ乃至８５０ｎｍの厚さであり且つ約３ｎｍ／ｓ乃至約２０ｎｍ／ｓの速度で付着形成される。その後に、反射防止コーティング１２４をアルミニウム層１１８の上に付着形成させる。「孔」という用語は、本発明に基づいて、ビア孔又はコンタクト孔のいずれかを言及するために使用される。図示例においては、反射防止コーティングは窒化チタン（ＴｉＮ）である。約３０ｎｍ乃至約１２０ｎｍのＴｉＮ膜を真空中において１００℃以下の低温でアルミニウム層１１８の上に付着形成させる。
【００１０】
その後に、半導体装置をＰＶＤシステム自身内において又は迅速熱アニール（ＲＴＡ）装置内において又はバッチタイプの炉内のいずれかにおいて、約１５分から約３０分の間アニールを行なう。このアニール用の温度は実施例においては約３５０℃乃至５５０℃であり、且つ孔の寸法及びアスペクト比に依存して変化することが可能である。ＰＶＤ又はＲＴＡ装置内でのアニール時間は約２乃至３分である。バッチタイプの炉内においてはより長いアニール時間を使用することが可能であり、例えば約１５分から約３０分とすることが可能である。半導体装置のアニール期間中に、アルミニウムは孔内へ移動し且つ下側に存在する金属又は導体層と接触し、ボイド１２０及び１２２を除去するか又は最小のものとさせる。図５から理解されるように、ボイド１２０及び１２２は除去されている。
【００１１】
キャップ層はスパッタリングによって付着形成させた窒化チタン層とすることが可能である。その他のタイプのキャップ層とすることも可能であり、例えば、ＰＥＣＶＤによるＳｉＯ2 （二酸化シリコン）又はＳｉ3 Ｎ4 とすることが可能である。タンタルもキャップ層に使用することが可能である。図示例においては、キャップ層は反射防止コーティングをも形成している。
【００１２】
半導体装置が加熱すると、アルミニウム及びバリア層１１６とキャップ層１２４との間の熱膨脹係数における差のために、アルミニウム膜１１８に増加した圧縮熱応力が発生する。この圧縮応力は強制的にアルミニウムを孔１０４及び１１０内へ完全に流入させボイド１２０及び１２２を除去する。キャップ層１２４が存在しない場合には、アルミニウム層１１８の上表面上にヒロックが形成され且つアルミニウムは孔１０２及び１１０内に流入してボイド１２０及び１２２を除去することはない。孔１０４及び１０６は上部において約０．３５μｍ乃至０．８５μｍの直径を有している。図示例においてはアルミニウムを使用しているが、金属又はその他の物質上の圧縮応力がバリア層を形成する物質の圧縮応力よりも一層大きいものである限り、その他の金属等の物質を使用することも可能である。更に、そのバリア層上での圧縮応力が孔を充填する物質の圧縮応力よりも小さい限り、その他のバリア層を使用することも可能である。
【００１３】
一方、アルミニウム層１１８は１００℃より高い温度で付着形成させ、次いで装置の温度をキャップ層１２４を付着形成するために使用される温度へ低下させることが可能である。アルミニウム層１１８を冷却させる場合に、アルミニウム層１１８内にある負の（引っ張り）応力が発生する。その結果、装置を加熱するか又はアニールすると、バリア層１１６に起因するアルミニウム層１１８上での圧縮応力の量は減少される。然しながら、キャップ層１２４に起因するアルミニウム層１１８上での圧縮応力は尚且つ存在している。例えば、バリア層１１６は約１００℃の温度で形成される。次いで、アルミニウム層１１８を約３００℃乃至約４００℃の温度で付着形成させる。ＴｉＮを使用してキャップ層１２４を形成するために、半導体装置を約１００℃へ冷却させる。その後に、半導体装置を約４００℃乃至約５５０℃へ加熱し、その結果キャップ層１２４に起因してアルミニウム層１１８内に熱圧縮応力が発生し、それにより孔１０４及び１１０内のボイド１２０及び１２２が除去される。然しながら、バリア層１１６に起因するアルミニウム層１１８上での圧縮応力の量は減少される。半導体装置をキャップ層１２４を形成するために使用した温度よりも高い温度でアニールすることによって、圧縮熱応力は尚且つボイドを除去するために存在している。
【００１４】
次に、図６Ａ及び６Ｂを参照すると、ビアチェーン（ｖｉａ  ｃｈａｉｎ）における抵抗値を示したグラフが示されており、その場合に、本発明に基づいて製造されたビアチェーンは公知のプロセスを使用したビアチェーンと比較されている。図６Ａにおいて、Ｘ軸はビアの寸法（直径）をμｍの単位で示しており、一方Ｙ軸は抵抗値をΩの単位で表わしている。各ビアチェーンはビアの上部及び底部上の金属と接続して一体的に密接して形成された１８，９００個のビアを包含している。各点に対して示した抵抗値は全体的な構成、即ち単一のビアチェーンの抵抗値である。ライン１００はアルミニウムを１００℃で付着形成した本発明の好適実施例に基づいて形成したビアチェーンに対する抵抗値を示している。ライン６０２は４００℃でアルミニウムを付着形成したビアチェーンからのデータを示している。ライン６００及びライン６０２の両方において、構成体は４５０℃でアニールした。特に、ライン６００及び６０２の両方は、チタンバリア層、及びアルミニウム充填物又は相互接続体、及び窒化チタンキャップを使用して製造したビアチェーンからのデータを表わしている。
【００１５】
ライン６０４は約１００ｎｍの薄いチタン層が基板上にスパッタリングされ且つビアの側壁及び底部上のチタンを完全に被覆するために低温で約１５乃至約２０ｎｍ／ｓの速い速度で約２００乃至約２５０ｎｍの厚さのアルミニウムの厚い各生成層を付着形成することによって最初に付着を行なう公知のホットフィル（ｈｏｔ  ｆｉｌｌ）プロセスからのデータを含んでいる。その後に、この従来のホットフィルプロセスにおいては、基板の温度を約４５０乃至約５５０℃へ増加させる。次いで、約３ｎｍ／ｓの遅い速度で付加的なアルミニウム（約４００ｎｍ）を付着形成させる。ビアを完全にアルミニウムで充填させた後に、残りのアルミニウムを１５ｎｍ／ｓの速い速度で付着形成させる。その後に、３０ｎｍの厚い窒化チタン膜を付着形成させて反射防止コーティングを形成する。
【００１６】
図６Ｂは図６Ａに示したようなビアチェーンからの有効パーセントを示している。Ｘ軸はビア寸法（直径）を示しており、一方Ｙ軸は抵抗値を示している。特に、１０Ωより大きな抵抗値を有するビアチェーンは無効であると考えられており且つグラフにおいて使用されていない。このグラフはボイドにおける欠点を表わしている。このグラフは図６Ａにおいて使用したものと同一のデータから発生されている。ライン６０６はライン６００と同一のデータから発生されており、ライン６０８はライン６０２に示したデータから発生されており、且つライン６１０はライン６０４における公知のホットフィル方法からのデータに対応している。
【００１７】
図７Ａ及び７Ｂは公知のプロセスと比較した本発明のプロセスを使用して個々のビアのテストからのデータを示している。特に、図７ＡはＹ軸においてΩの単位での抵抗値を示しており且つＸ軸はμｍの単位でのビア寸法を示している。ライン７００は、アルミニウムが１００℃で付着形成された場合のビアからの結果を示しており、且つライン７０２はアルミニウムが４００℃で付着形成された場合のビアからの結果を示している。ライン７００及び７０２は両方とも、本発明の好適実施例に基づいて発生させたビアからの結果を示している。ライン７０４は公知のホットフィル方法からの結果を示している。図７Ｂは上述したような図６Ｂに示したものと同様のデータを示している。ライン７０６は、アルミニウムが１００℃で付着形成された場合の、本発明の好適実施例に基づいて発生されたビアに対するデータを示しており、一方ライン７０８は、アルミニウムが４００℃で付着形成された場合の本発明の好適実施例に基づいて製造したビアからの結果を示している。ライン７１０は従来のホットフィル方法からの結果を示している。
【００１８】
従って、本発明は、アニーリングの前においてアルミニウムの表面が非常に滑らかである低温アルミニウム付着プロセスを提供している。アニーリング期間中に、ＴｉＮキャップ層は、アルミニウムの表面拡散を防止し、且つ該表面は高温においてアニーリングした後においても滑らかな状態を維持する。
【００１９】
ＴｉＮキャップ層は、反射防止コーティングとして作用するのみならず、アルミニウム層１１８上に圧縮応力を付与すべく作用する。アニーリング処理期間中に、熱圧縮応力がアルミニウムがボイド内へ流入することを助ける。約１００℃から５５０℃への温度変化から得られる圧縮応力は約９Ｅ９ダイン／ｃｍ2 である。アルミニウムは２５℃において２４ｅ１０-6／℃の線熱膨脹を有している。ＴｉＮは２５℃において９．３５ｅ１０-6／℃の線熱膨脹係数を有しており、シリコンは２５℃において約３ｅ１０-6／℃の線熱膨脹係数を有している。線熱膨脹係数に関する更なる情報は、Ｍｕｒａｋａ著「メタリゼーション：ＶＳＬＩ及びＵＬＳＩ用の理論及び実際（Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ：  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ｆｏｒ  ＶＳＬＩ  ａｎｄ  ＵＬＳＩ）」、バターワース・ハイネマン、ストーンハム、マサチューセッツ州（１９９３）の文献に記載されている。上表面上の表面拡散はボイドを充填する場合の重要なメカニズムではないが、表面拡散は高い真空でのＰＶＤシステムを必要とする。その結果、本発明は、高シンクＰＶＤシステムを必要としないという利点を提供している。更に、本発明は、高圧アルミニウム充填物プロセスにおいて使用されるような高価な圧力チャンバを必要としないという利点を提供している。
【００２０】
本発明の更なる利点は、現在のホットフィル（ｈｏｔ  ｆｉｌｌ）即ち、高温充填技術は、付着期間中に、動的表面拡散を使用し、且つ約０．５０μｍより小さな上部直径を有する孔等の小さなビア寸法に対して信頼性を持って操作するものではない。本発明はボイドを除去するために動的表面拡散を必要とするものではなく且つサブハーフ（ｓｕｂｈａｌｆ）ミクロン、即ち０．５μｍより小さな寸法の技術とともに使用することが可能である。更に、現在のアルミニウム高温充填プロセスは、例えば孔１０４における傾斜した側壁１０６のようなテーパーを必要とする。本発明は、例えば孔１１０のような垂直の側壁を有する孔に対しても効果的に使用することが可能である。
【００２１】
本発明はアルミニウムの高温付着に関して重要性のある表面拡散に依存するものではない。アルミニウム層の低温付着に基づいてグレイン境界拡散が増加される。低温であるためにより小さなグレインとなり、そのことは高いグレイン境界面積及び高いグレイン境界拡散を提供する。応力が高いのでより多くの転位を発生させるために、本発明のプロセスの下では転位拡散が増加される。
【００２２】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の１実施例に基づいてボイドを最小とするプロセスの１段階における半導体装置の一部を示した概略断面図。
【図２】  本発明の１実施例におけるプロセスの別の段階における半導体装置の一部を示した概略断面図。
【図３】  本発明の１実施例におけるプロセスの別の段階における半導体装置の一部を示した概略断面図。
【図４】  本発明の１実施例におけるプロセスの別の段階における半導体装置の一部を示した概略断面図。
【図５】  本発明の１実施例におけるプロセスの別の段階における半導体装置の一部を示した概略断面図。
【図６】  （Ａ）及び（Ｂ）は本発明プロセスと従来のプロセスとを比較するビアチェーンにおける抵抗値を示した各グラフ図。
【図７】  （Ａ）及び（Ｂ）は本発明プロセスと従来のプロセスとを比較するビアにおける抵抗値を示した各グラフ図。
【符号の説明】
１００  基板
１０２  絶縁層
１０４  孔
１０６  傾斜側壁
１０８  底部
１１０  孔
１１２  垂直側壁
１１４  底部
１１６  バリア層
１１８  アルミニウム層
１２０，１２２  ボイド
１２４  反射防止コーティング
【図１】
0004799715.tif 000002
【図２】
0004799715.tif 000003
【図３】
0004799715.tif 000004
【図４】
0004799715.tif 000005
【図５】
0004799715.tif 000006
【図６】
0004799715.tif 000007
【図７】
0004799715.tif 000008