(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置を製造する方法であって、
基板上に第１の誘電層を形成するステップと、
前記第１の誘電層の上に、間に空隙を有し第１の導電フィーチャを含む第１のパターニングされた複数の導電層を形成するステップと、
前記空隙を充填する水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）の層であるＨＳＱ空隙充填層を堆積させるステップと、
前記第１のパターニングされた導電層および前記ＨＳＱ空隙充填層の上に第２の誘電層を堆積させるステップと、
前記第２の誘電層の上面を平坦化するステップと、
前記第２の誘電層に、前記第１の導電フィーチャの上面の一部および側面の少なくとも一部を露出させ、かつ前記ＨＳＱ空隙充填層の一部を貫通し露出させる貫通孔を形成するステップと、
不活性雰囲気内で段階的な熱処理を行なうステップとを含み、この段階的熱処理は、
前記基板を３００℃の温度に保たれた炉の中に入れ、
前記炉の温度を３５０℃から４００℃の範囲まで上昇させ、
前記炉の温度を３００℃まで下降させ、
そして、前記基板を前記炉から取出すことによって行なわれ、
さらに前記貫通孔を導電材料で充填してボーダレスビアを形成するステップとを逐次的に含む、半導体装置を製造する方法。
【請求項２】
導電層は金属層を含み、前記第１の導電フィーチャは第１の金属フィーチャを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属層は複合金属層であり、
下部高融点金属層と、
アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む中間一次導電層と、
上部反射防止コーティングとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
パターニングされた金属層は０．２５ミクロン以下の大きさの複数の金属線を含み、前記空隙は配線間スペースを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の誘電層の上にフォトレジストマスクを形成するステップと、
反応性イオンエッチングを行なって前記貫通孔を形成するステップと、
前記フォトレジストマスクを除去するステップと、
前記貫通孔に対し湿式溶媒洗浄を行なうステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
炭化フッ素エッチャントで反応性イオンエッチングを行なうステップと、  酸素含有プラズマを用いて前記フォトレジストマスクを除去するステップと、
湿式溶媒洗浄を行なって反応性イオンエッチング中に生じたポリマを除去するステップとを含み、前記ＨＳＱ空隙充填層は湿式溶媒洗浄中に水を吸収し、さらに、
熱処理を行なって湿式溶媒洗浄中に吸収された水を除去するステップとを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
湿式溶媒洗浄の後かつ熱処理の前にプラズマ除去を行なうステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
熱処理を０．５から４５分間行なうステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
熱処理を３５０℃の温度で３０分間行なうステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
熱処理を、窒素、アルゴンおよび／または窒素と１０容量％までの水素とを含有する成形ガスを含む不活性雰囲気内で行なうステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記貫通孔を複合導電プラグで充填するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
第２の導電層に対し接着促進剤の役割をする第１の導電バリア層を堆積させるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の導電層は、チタン、チタン−窒化物、チタン−タングステンまたはチタン−窒化チタンを含み、前記第２の導電層はタングステンを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
熱処理のステップと、前記貫通孔を導電材料で充填して前記ボーダレスビアを形成するステップとの間に湿式または熱処理を行なわない、請求項４に記載の方法。
【請求項１５】
不活性雰囲気内での熱処理のステップと、前記貫通孔を導電材料で充填して前記ボーダレスビアを形成するステップとの間に介在する処理ステップを行なわない、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の誘電層を化学機械研磨により平坦化するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の誘電層は酸化物を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸化物は、プラズマ化学気相成長によりテトラエチルオルトケイ酸塩またはシランから得た酸化シリコンである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の誘電層を堆積させる前に中間酸化物を前記ＨＳＱ空隙充填層上に堆積させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記中間酸化物の層を平坦化するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
熱処理を０．５から４５分間行なうステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項２２】
熱処理を３５０℃の温度で３０分間行なうステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
熱処理を、窒素、アルゴンおよび／または窒素と１０容量％までの水素とを含有する成形ガスを含む不活性雰囲気内で行なうステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
第２のパターニングされた金属層を前記第２の誘電層の上に形成するステップを含み、前記第２のパターニングされた金属層は前記ボーダレスビアにより前記第１の金属フィーチャに電気的に接続された第２の金属フィーチャを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項２５】
熱処理を、先行する処理中に前記ＨＳＱ空隙充填層が吸収した水を除去するのに十分な条件下で行なうステップを含む、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、信頼性のある配線パターンを備えた高密度で多金属層の半導体装置に関する。この発明は特に、設計フィーチャが０．２５ミクロン以下の超々大規模集積多金属層半導体装置に応用できる。
【０００２】
【背景技術】
超々大規模集積半導体装置に対し高密度および高性能の要求が高まっており、この要求によれば、０．１８ミクロンといった０．２５ミクロン以下の設計フィーチャ、トランジスタおよび回路の高速化、ならびに高信頼性および製造スループットの増大が必要である。設計フィーチャを０．２５ミクロン以下に減じるということは、従来のフォトリソグラフィ、エッチングおよび堆積技術を含め従来の配線技術の限界に挑戦することである。
【０００３】
パターニングされた金属層を形成するための従来の方法論は、一次金属パターニング技術として減エッチングすなわちエッチバックステップを含む。このような方法は、典型的には単結晶シリコンである半導体基板上に第１の誘電層を形成し、半導体基板上のソース／ドレイン領域などの活性領域との電気的接続のために誘電層に導電コンタクトを形成することを含む。アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属層を第１の誘電層上に堆積し、所望の導電パターンに対応するパターンを有するフォトレジストマスクを金属層上に形成する。次に金属層をフォトレジストマスクを通してエッチングし、間に配線間スペースがある複数の金属線などの、空隙によって分離される金属フィーチャを含む導電パターンを形成する。次に、上記の結果得た導電パターンに誘電層を与えて空隙を充填し、表面を、従来のエッチングまたは化学機械研磨（ＣＭＰ）平坦化技術などにより平坦化する。
【０００４】
図１および２に示すように、従来のやり方は、トランジスタ（図示せず）を備える活性領域を含む半導体基板上に典型的には形成される誘電層１０の上に金属層１１を堆積することを含む。フォトリソグラフィ後、エッチングを行ない、間に空隙がある金属フィーチャ１１ａ、１１ｂ、１１ｃおよび１１ｄを含むパターニングされた金属層を形成する。スピンオンガラス（ＳＯＧ）などの誘電材料１２を、典型的には堆積して金属フィーチャ間の空隙を充填し、約３００℃から約３５０℃の温度でベーキングし、次に、使用した特定のＳＯＧ材料次第で約３５０℃から約４００℃で約１時間以内の期間垂直炉で硬化させて平坦化を行なう。別の酸化物をプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）により堆積し、次にＣＭＰなどにより平坦化を行なう。
【０００５】
たとえば金属線および配線間スペースといったフィーチャサイズが０．２ミクロン以下に縮小するのに伴い、この配線間スペースをボイドなしで十分に充填して適切な段差被覆性を得ることは益々困難になる。信頼性のある配線構造を形成することも益々困難になる。空隙充填のためのスピンオン誘電材料が、唯一の実行可能な解決策であるように思われる。次に、誘電層に貫通孔を形成して下にある金属フィーチャを露出させる。この金属フィーチャは貫通孔の底全体を占めるランディングパッドの役割をする。この貫通孔を金属プラグなどの導電材料で充填して導電ビアを形成すると、この導電ビアの底表面全体が直接金属フィーチャと接する。このような従来の技術は図３に示されており、第１のパターニングされた金属層の金属フィーチャ３０が、第１の誘電層３１の上に形成され、第２の誘電層３３に形成された貫通孔３２により露出させられている。従来のやり方に従うと、貫通孔３２は、金属フィーチャ３０が底の開口部全体を囲むことで、貫通孔３２を充填して導電ビア３５を形成する金属プラグ３４に対してランディングパッドの役割を果たすように、形成される。したがって、導電ビア３５の底表面全体は金属フィーチャ３０と直に接している。導電ビア３５は、金属フィーチャ３０と、第２のパターニングされた金属層の一部である金属フィーチャ３６とを電気的に接続する。図２および３に示されるように、たとえば３０Ａ、３０Ｂ、３６Ａおよび３６Ｂなどの、金属フィーチャまたは導電線の側部のエッジはエッチングの結果として幾分テーパ形状である。
【０００６】
設計フィーチャを０．２５ミクロン以下の範囲まで減ずるには極度の高密度化が必要である。従来の、導電ビアの底表面を完全に囲むランディングパッドを形成するやり方は、拡大しつつある高密度化要求に反し、半導体チップ上のかなりの量の貴重な領域を利用する。加えて、このような寸法が減じられた貫通孔をボイドなしで充填することは、アスペクト比すなわち貫通孔の直径に対する貫通孔の高さが極度に高いため、非常に困難である。したがって、これを改善するための従来の技術は、故意に貫通孔の直径を拡げてアスペクト比を減じることを含む。その結果、ずれが生じ、導電ビアの底表面が下にある金属フィーチャで完全に囲まれない。このタイプのビアは、チップの領域を節約もする「ボーダレスビア」と呼ばれる。
【０００７】
しかしながら、ボーダレスビアを用いると新たな問題が生じる。たとえば、ずれの結果、ＳＯＧ空隙充填層において、ずれた貫通孔形成の際にエッチングにより貫通が生じる。その原因はＳＯＧの密度が低く安定性が悪いことである。このような貫通の結果、湿度および気体が蓄積して配線の抵抗が高まる。さらに、スパイクが生じる可能性がある。すなわち金属プラグが基板に貫入することにより短絡が起こる。図４を参照すると、第１の誘電層４１を基板４０上に形成し、第１の金属フィーチャたとえば反射防止コーティング４５Ａを含む金属線４５を含む第１の金属パターンを、空隙がＳＯＧ４２で充填された第１の誘電層４１の上に形成する。次に誘電層４３を堆積し、その中に、金属線４５の上表面の一部および側面の少なくとも一部を露出させＳＯＧ層４２の一部を貫通して露出させる、ずれた貫通孔を形成する。貫通孔を、典型的には不活性バリア層（図示せず）およびタングステンを含む金属プラグ４４で充填すると、スパイクが生じるすなわち基板４０への貫通が起こり短絡が発生する。
【０００８】
水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）は、配線パターンにおいて使用するに当たり多くの利点をもたらす。ＨＳＱには相対的に炭素がないためポイズンビアの問題が生じない。さらに、事実上炭素がないので、短絡を避けるために金属線の上表面よりも下にＨＳＱをエッチバックする必要はない。加えて、ＨＳＱは、平坦性に優れており、従来のスピンオン機器を用いて０．１５ミクロン未満の配線間スペース空隙を充填できる。ＨＳＱにはおよそ２００℃で溶融相が生じるが、ＨＳＱは、メタル間応用については約４００℃、プリメタル応用については約７００℃から約８００℃の温度に達するまで、高誘電率ガラス相に変化しない。
【０００９】
しかしながら、ＨＳＱは処理中に劣化しやすく、ボーダレスビア形成の際のボイドといった種々の問題につながる。たとえば、ボーダレスビア形成の際、フォトレジストマスクを堆積し、下にある金属線の上面の一部および側面の一部を露出させＨＳＱを貫通し露出させるずれた貫通孔をエッチングで形成する。エッチングによる貫通孔形成は、典型的にはたとえばＣＦ4といった炭化フッ素化学作用による反応性イオンエッチングを用いて行ない、ポリマ形成を伴う。次にフォトレジストマスクを典型的には酸素（Ｏ2）含有プラズマを用いて取り除く。フォトレジストマスクをプラズマで除去した後、貫通孔を湿式溶媒を用いて従来通りに洗浄し、反応性イオンエッチング中に形成されたポリマを取り除く。従来用いられる溶媒は、ペンシルバニア州のAshland Chemical Companyから入手可能なＡＣＴ９３５TMおよびＡＣＴ９７０TMを含む。従来は湿式溶媒洗浄後にさらなるプラズマ除去ステップを行なう。
【００１０】
ボーダレスビアを含む配線パターンにおける空隙充填のためにＨＳＱを使用することの可能性を評価中に、ＨＳＱ空隙充填層が、ずれた貫通孔の溶媒洗浄中に水を吸収することがわかった。さらに、その後窒化チタンまたはチタン−窒化チタンなどのバリア金属を用い続いてタングステンを用いて貫通孔を充填すると、除気が生じて下側の金属フィーチャの側面に沿うボーダレスビアの部分だけでなくボーダレスビア全体にわたってボイドが発生することがわかった。このような除気は、バリア金属接着を抑制し、その結果タングステン堆積に用いる六フッ化タングステンと下側の金属フィーチャのアルミニウムまたはアルミニウム合金一次導電層との間に望ましくない相互作用が生じることもわかった。
【００１１】
こうしたＨＳＱの明らかな利点に鑑みれば、実質的にボイドがなく集積度の高いボーダレスビアを含む配線パターンを形成する際に、ＨＳＱを使用してボイドのない空隙充填を行なえるようにする技術を提供する必要がある。
【００１２】
【発明の開示】
ＥＰ−Ａ−０  ８１０６４８は、
基板上に第１の誘電層を形成するステップと、
空隙を有し、かつ第１の導電フィーチャを含む第一のパターニングされた導電層を第１の誘電層上に形成するステップと、
等角のプラズマエンハンストＴＥＯＳ酸化物の層を堆積するステップと、
ＨＳＱの層をスピンオンするステップと、
第２の誘電層（ＨＳＱ上のＰＥＴＥＯＳ）を堆積するステップと、
第１の導電フィーチャの上面の一部を露出し、かつＨＳＱへと貫通する貫通孔を第２の誘電層内に形成するステップと、
プラズマアッシュによって熱処理を行なうステップと、
導電材料を貫通孔に充填するステップとを連続して含む、半導体装置を製造する方法を開示している。
この発明の目的は、０．２５ミクロン以下の設計フィーチャを有する高密度多金属層半導体装置と、実質的にボイドのない高集積度ボーダレスビアを含む相互接続パターンとを製造する方法である。
【００１３】
この発明のさらなる目的、利点および他の特徴は、一部は以下の説明において記載され、一部は以下を検討することで当業者には明らかとなり、またはこの発明を行なうことで理解され得るであろう。この発明の目的および利点は前掲の特許請求の範囲に特に指摘したように実現され、得られ得る。
【００１４】
この発明に従うと、上記および他の目的は、基板上に第１の誘電層を形成するステップと、空隙を有し、かつ第１の導電フィーチャを含む第１のパターニングされた導電層を第１の誘電層上に形成するステップと、空隙を充填する水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）の層を堆積するステップと、第１のパターニングされた導電層とＨＳＱ空隙充填層との上に第２の誘電層を堆積するステップと、第２の誘電層の上面を平坦化するステップと、第１の導電フィーチャの上面の一部と側面の少なくとも一部とを露出し、かつＨＳＱ空隙充填層の一部を貫通してそれを露出する貫通孔を第２の誘電層内に形成するステップと、不活性雰囲気内で段階的な熱処理を行なうステップとを含み、この段階的熱処理は、基板を約３００℃の温度に保たれた炉の中に入れ、炉の温度を約３５０℃から約４００℃の範囲まで上昇させ、炉の温度を約３００℃まで下降させ、そして基板を炉から取出すことによって行なわれ、さらに貫通孔に導電材料を充填してボーダレスビアを形成するステップとを含む、半導体装置を製造する方法によって一部達成される。
【００１５】
この発明のさらなる目的および利点は、この発明を実行するために考えられる最良の態様の例示のみによってこの発明の好ましい実施例だけが示され、説明される以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかとなるであろう。理解されるように、この発明は他の異なる実施例が可能であり、そのいくつかの詳細はすべてこの発明から逸脱せずにさまざまな明らかな点で変更可能である。したがって、図面および説明は例示的な性質のものであり、限定的とはみなされないべきである。
【００１６】
【発明の説明】
この発明は、０．２５ミクロン以下の設計フィーチャを有する半導体装置を含む高密度の多金属層半導体装置において、ずれた貫通孔(misaligned through-hole)に導電材料を充填する際にＨＳＱ空隙充填層の脱気から生じる不利な結果を招かずにパターニングされた金属層の空隙を充填するためのＨＳＱを用いて、実質的にボイドがなく、かつ信頼性の高いボーダレスビアの形成を可能とする。たとえば、貫通孔を形成する際の従来の慣行は、誘電層上にフォトレジストマスクを形成するステップと、炭化フッ素の化学作用を用いて反応性イオンエッチングを行なって貫通孔を形成するステップと、Ｏ2を含むプラズマを用いてフォトレジストマスクを除去するステップと、反応性イオンエッチングの間に発生したポリマを除去するために湿式溶媒洗浄を行なうステップと、一般にＯ2を含むプラズマを用いて後にプラズマ除去を行なうステップとを含む。反応性イオンエッチングの間に発生したポリマを除去するために湿式溶媒洗浄を行なう間、ＨＳＱが湿気を吸収する。従来のＨＩ−ＶＡＣスパッタチャンバ内でチタン−窒化チタンのバリア層を堆積するときのように、ボーダレスビア形成のために貫通孔を後に充填する間、このような吸収された湿気は脱気され、それによって、ボイドを形成し、装置の信頼性を低下させる。脱気は化学気相成長によって窒化チタンを堆積する際にも起こる。
【００１７】
ＨＳＱは、従来のスピンオン装置の使用で優れた平坦性および空隙充填性を示す点で、空隙充填のための非常に望ましい誘電材料である。ＨＳＱは約０．１５ミクロン未満の空隙、たとえば配線間スペースを容易に充填することができる。さらに、炭素のないポリマ前駆物質が使用されるため、ポイズンビア（poison via)の問題が見られず、ＨＳＱは金属線の上面の下方をエッチバックされる必要がない。ＨＳＱのあるものは製品名Flowable Oxide（商標）またはＦＯx（商標）によりDow Corning Corp.から商業的に入手可能である。
【００１８】
堆積された状態のＨＳＱ空隙充填層の脱気によりボーダレスビア内にボイドが形成される問題は、好ましくはバリア金属層を堆積する直前に真空ベーキングを行ない、好ましくは真空ベーキングおよびバリア金属堆積のために同じ用具を用いることによって対処される。
【００１９】
この発明に従うと、ずれた貫通孔に導電材料を充填する間における、堆積されたＨＳＱ空隙充填層の望ましくない脱気は、貫通孔に導電材料を充填する前に熱処理工程を巧みに行なうことによって回避されるかまたは実質的に低減され、その熱処理工程の間、堆積されたＨＳＱ層は吸収された水を除去するために除気(outgas)される。貫通孔に導電材料を充填する前に、堆積されたＨＳＱ空隙充填層を除気することによって、ボーダレスビア内のボイド形成が著しく低減され、または実質的になくなり、それによってボーダレスビアの集積度が高まることがわかっている。
【００２０】
この発明の実施例に従うと、ずれた貫通孔に導電材料を充填する前に、堆積されたＨＳＱ空隙充填層を除気するための熱処理は不活性雰囲気において行なわれる。このような不活性雰囲気は、窒素、アルゴン、または窒素と約１０容量％の水素とからなる成形ガスのようなさまざまな不活性ガスのどのようなものを含んでもよい。この発明の目的を考えると、時間および温度のような熱処理条件は特定の状況に最適化され得る。たとえば、約３００℃から約４００℃、好ましくは約３５０℃から約４００℃、たとえば約３５０℃の温度で、約０．５分から約４５分、たとえば約３０分の期間にわたる熱処理が、ＨＳＱ層によって吸収された水を実質的に除気するために有効であり、それによって、実質的にボイドのない高集積度のボーダレスビアの形成が可能となることがわかっている。
【００２１】
小型化によって生じる他の問題はＲＣ時定数に関する。ＨＳＱは望ましくは、約３．９から約４．２の誘電率を有する、熱酸化または化学気相成長によって成長させられた二酸化シリコンに対して、堆積された状態で約２．９から約３．０の誘電率を有する。堆積された状態のＨＳＱの誘電率は突然の温度変化によって不利に高められることがわかっている。したがって、この発明の実施例では、堆積されたＨＳＱ空隙充填層からの吸収された水の除気を行なうための熱処理は徐々に行なわれる。この実施例の一局面では、このように製造された中間体の半導体装置を含む基板は、約３００℃の温度に予め加熱されるか保たれている炉に入れらる。基板が炉に入れられた後、炉の温度は望ましい熱処理温度、たとえば約３５０℃まで上げられる。堆積されたＨＳＱ空隙充填層を除気するための熱処理の後、温度は約３００℃まで下げられる。炉内の温度が約３００℃まで下げられた後、基板は取除かれる。この手順は堆積された状態のＨＳＱ空隙充填層を突然の温度変化に有利にさらさないようにし、それによってその誘電率の増加を最小にする。
【００２２】
この発明の実施例に従うボーダレスビアを形成する方法は、半導体基板上に第１の誘電層を形成するステップと、第１の誘電層上で第１の金属層をパターニングして、空隙によって分離される金属フィーチャ、たとえば配線間スペースによって分離される金属線を形成するステップとを含む。空隙は次に、適切な温度、たとえば約２００℃で、ＳＯＧのために採用される従来のスピニング装置を用いてスピニングなどによってＨＳＱを堆積することで充填される。ＨＳＱは０．１５ミクロン未満でも完全にボイドなしで空隙を充填することが容易に可能である。第２の誘電層が次に第１のパターニングされた金属層とＨＳＱ層との上に堆積される。貫通孔が次に第２の誘電層に形成され、ＨＳＱ層へと貫通し、第１の金属層の上面の一部と側面の少なくとも一部とを露出し、ＨＳＱ層の一部を露出する。
【００２３】
貫通孔は第２の充填層上にフォトレジストマスクを堆積し、フォトレジストマスクとＨＳＱ層の一部とをエッチングすることによって形成される。エッチングは一般に炭化フッ素を用いる反応性イオンエッチングによって行なわれ、それによってポリマが形成される。貫通孔をエッチングした後、フォトレジストマスクはＯ2を含むプラズマを用いることなどによって従来の態様で除去される。フォトレジストマスクが除去された後、湿式溶媒洗浄が従来の態様で行なわれて、反応性イオンエッチングの間に形成されたポリマを除去する。貫通孔をさらに洗浄するために後の随意のプラズマ除去工程が行なわれてもよく、これは一般にＯ2を含むプラズマを利用する。湿式溶媒洗浄の間、ＨＳＱは望ましくないことに水を吸収し、これは導電材料を貫通孔に後に充填する際の除気の間におけるボイド形成につながる。しかしながら、この発明に従うと、ボーダレスビア形成のためにずれた貫通孔を後に充填する間に、堆積されたＨＳＱ空隙充填層をこのように除気することが、ずれた貫通孔に導電材料を充填する前に巧みに熱処理を行なうことによって回避されるかまたは実質的に低減される。この発明に従う熱処理は一般に、約３００℃から約４００℃の温度で、約０．５分から約４５分の間、窒素、アルゴン、または窒素と約１０容量％までの水素とを含む成形ガスのような不活性雰囲気において行なわれる。好ましくは、基板は約３００℃の温度の炉に入れられ、炉は約３５０℃から約４００℃の温度に上げられ、その間、除気が行なわれる。適切な期間、たとえば約３０分後、炉内の温度が約３００℃まで下げられ、熱処理された基板が取出される。このように、ＨＳＱは突然の温度変化を受けず、したがって、堆積された状態のＨＳＱ空隙充填層における誘電率の望ましくない上昇が避けられる。
【００２４】
堆積された状態のＨＳＱ空隙充填層を除気するための熱処理の後、貫通孔は導電材料、たとえば複合プラグで充填される。初めに、チタン、チタン−窒化物、チタン−タングステンまたはチタン−窒化チタンのバリア層が堆積され、これは一次プラグ材料を構成する後に堆積されるタングステンのための接着促進剤となる。バリア材料、たとえばチタン−窒化チタンは従来のスパッタリング装置を用いてスパッタリングにより堆積され得る。
【００２５】
この発明の他の実施例では、ＣＶＤ−ＴｉＮバリア層が１９９７年９月５日付で提出された同時係属出願連続番号第 号（書類番号第１０３３−３５０号）に開示される方法に従って堆積される。この実現例の利点は、ＨＳＱ膜のＨ2／Ｎ2プラズマ処理と堆積されたＣＶＤ−ＴｉＮ膜のＨ2／Ｎ2プラズマ処理とが同じチャンバ内で行なわれ得ることである。
【００２６】
好ましくは、堆積された状態のＨＳＱ空隙充填層を除気するためのこの発明に従う熱処理の後と、ずれた貫通孔に導電材料を充填する前とに、湿式処理または熱処理が行なわれない。この発明の実施例はまた、堆積された状態のＨＳＱ空隙充填層を除気するための熱処理の直後に、介在する処理工程なしで、ずれた貫通孔に導電材料を充填するステップを含む。
【００２７】
この発明の実施例を図５に概略的に示す。図５では、パターニングされた金属層の金属フィーチャ５１が誘電層５０上に形成され、反射防止コーティング５１Ａがその上に形成されている。金属フィーチャ間の空隙はＨＳＱ５２で充填されている。随意に、ＳＯＧのような中間酸化物５３が堆積され、平坦化されてもよい。次に第２の誘電層５４、一般にＴＥＯＳ（テトラエチルオルトケイ酸塩）またはシランから派生する酸化シリコンのような酸化物上が、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によって堆積され、ＣＭＰが行なわれる。フォトレジストマスクが第２の誘電層の平坦化された上面上に形成される。ＨＳＱ層５２を貫通し、金属フィーチャ５１の側面の一部を露出するずれた貫通孔５５を形成するためにエッチングが次に行なわれる。エッチングは従来の態様、たとえば炭化フッ素の化学作用を用いる反応性イオンエッチングによって行なわれ、これはポリマを形成させる。貫通孔５５の形成後、使用されたフォトレジストマスクがＯ2を含むプラズマでのような従来の態様で除去される。湿式溶媒洗浄が次に従来の態様で行なわれ、その後プラズマ除去工程が続いてもよい。湿式溶媒洗浄の間、堆積されたＨＳＱ空隙充填層によって水が吸収される。
【００２８】
この発明に従うと、熱処理は堆積されたＨＳＱ層によって吸収された水を除気するために行なわれる。好ましくは、約３００℃の温度の窒素またはアルゴン雰囲気に保たれた炉内にウェハを入れることによって熱処理が行なわれる。ウェハを炉内に入れた後、温度が約３５０℃から約４５０℃まで上げられ、その温度が約３０分の適切な除気期間にわたって保たれる。除気の後、炉内の温度は約３００℃まで下げられ、その後、熱処理された基板が除去され、それによって、堆積されたＨＳＱ空隙充填層の誘電率が突然の温度変化により不利に高まることが避けられる。
【００２９】
貫通孔５５は次に、タングステン５６のための接着促進剤となるバリア層５７を初めに堆積することなどによって複合プラグで充填される。バリア層は一般に高融点金属、たとえば、チタン、チタン−窒化物、チタン−タングステンまたはチタン−窒化チタンである。
【００３０】
導電ビア５６を形成した後、第２のパターニングされた金属層が第２の誘電層５４上に形成され、これは、導電ビア５６によって金属フィーチャ５１に電気的に接続される金属フィーチャ５８を含む。この方法は次に、望ましい数のパターニングされた金属層が形成され、空隙を充填され、たとえば５つの金属層が形成されるまで、ＨＳＱを用いて第２のパターニングされた金属層に空隙充填を行なうことによって繰返される。上にある金属フィーチャを接続するにあたって後のボーダレスビアを形成する際に、堆積されたＨＳＱ空隙充填層は、堆積された状態のＨＳＱ空隙充填層によって吸収される水を除去するのに十分な条件下で、不活性雰囲気において、この発明に従って熱処理され、それによって、貫通孔を導電材料で充填する間のボイド形成が回避される。
【００３１】
この発明において用いられる金属層は従来の慣行に一致するものであり、一般にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む。この発明の実施例は、初期の高融点金属層、たとえばタングステン、チタンまたは窒化チタン、中間体のアルミニウムまたはアルミニウム合金層、および反射防止コーティング、たとえばチタン−窒化チタンを含むパターニングされた複合金属層を形成することを含む。
【００３２】
この発明は、１ミクロン以下のフィーチャ、特に０．２５ミクロン以下のフィーチャを有する、特に高密度な多金属パターニング層のさまざまなタイプのものであり、高速特性および信頼性向上を示す半導体装置の製造に適用可能である。この発明は、ずれた貫通孔に導電材料を充填する際のボイド形成問題を引起こさずに、パターニングされた金属層の空隙充填を行なうためにＨＳＱを有利に用いることを可能とする。この発明は既存の製造設備へと容易に実現でき、費用効果が良く、ボーダレスビアに導電材料を充填する間のボイド形成を実質的に低減するかなくすことによってボーダレスビアの集積度を高める。
【００３３】
この発明の実施例を行なうに当たり、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、金、金合金、銀、銀合金、高融点金属、高融点金属合金および高融点金属化合物のような、一般に半導体装置製造において用いられるどのような金属で金属層が形成されてもよい。この発明の金属層は半導体装置の製造において従来から用いられているどのような技術によって形成されてもよい。たとえば、金属層は減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）およびＰＥＣＶＤを含むさまざまなタイプのＣＶＤプロセスのような従来の金属化技術によって形成されてもよい。通常、タングステンのような高融点金属が堆積されるときにはＣＶＤ技術が用いられる。アルミニウム−銅合金を含む、アルミニウムおよびアルミニウム系合金のような低融点金属もまた溶融、スパッタリングまたは物理気相成長（ＰＶＤ）によって堆積され得る。
【００３４】
以上の説明において、具体的な材料、構造、化学物質、プロセス等のような数多くの具体的詳細がこの発明の理解を完全なものにするために記載された。しかしながら、この発明は具体的に記載された詳細に頼らずに実行されることも可能である。他の例では、不必要にこの発明を不明瞭にしないために周知の処理構造が詳細に説明された。
【００３５】
この発明の好ましい実施例とその融通性の例とのみがこの開示において示され、説明された。この発明は他のさまざまな組合せおよび環境において使用可能であり、発明概念の範囲内で変化または変更が可能であることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  パターニングされた金属層の従来の空隙充填を概略的に示す。
【図２】  パターニングされた金属層の従来の空隙充填を概略的に示す。
【図３】  従来の金属プラグビア相互接続を概略的に示す。
【図４】  ボーダレスビアにおけるスパイキングを概略的に示す。
【図５】  この発明に従って形成されるボーダレスビアを概略的に示す。
【図１】
0004401022.tif 000002
【図２】
0004401022.tif 000003
【図３】
0004401022.tif 000004
【図４】
0004401022.tif 000005
【図５】
0004401022.tif 000006