JP4771526B2 - 軟金属導体 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、半導体素子に使用するための軟金属導体とこのような導体の形成方法に関し、より具体的には、半導体素子に使用するためにその表面層の硬度が改善され、その後の化学的機械的研磨ステップで研磨したときにほぼ擦り傷なしの表面が得られるように表面層が十分な大きさの粒子サイズを有する金属粒子から構成される軟金属導体に関する。

半導体ウェハ上に形成した様々な構成要素をまとめて電気接続するために半導体製造時に金属薄膜が使用されてきた。たとえば、バイア、素子間結線、トレンチなどはこのような応用分野の例の一部にすぎない。このような応用分野には、従来、単体アルミニウムと、アルミニウム−銅などのアルミニウム合金が使用されてきた。アルミニウムとその合金を使用する利点としては、抵抗率の低さ、ＳｉＯ₂への付着力の強さ、パターン形成のしやすさ、純度の高さ、材料コストの低さなどがある。

半導体技術に使用した場合、アルミニウムとアルミニウム合金に欠点がないわけではない。このような欠点のうちの２つは、材料が柔らかいために研磨しにくいことと、エレクトロマイグレーション現象により回路障害が発生することである。たとえば、まず絶縁体に事前にエッチングしたトラフ（バイア、溝などのくぼみ部）を金属で充填し、次にトラフ間に付着された金属を研磨（ポリシング）で除去することにより、埋め込み式（象眼式）プロセスで金属薄膜または金属導線が形成されるようなプロセスでは研磨の問題が見られる。軟金属、すなわち、アルミニウム、銅、またはアルミニウム−銅の合金を使用する場合、金属線の表面には研磨プロセスで擦り傷ができる可能性がある。研磨中に金属表面に擦り傷、ポケット、くぼみ、または浸食などの欠陥が形成されると、線抵抗が大幅に増加し、その結果、半導体製造プロセスの歩留まりが低下する。

軟金属の研磨プロセスでできるこのような欠陥を避けるため、金属の表面層の耐摩耗性を改善するために硬質層によるキャッピングが試みられている。しかし、これは、線の厚さが増すにつれてキャパシタンスが高まるという犠牲を払って実施されている。研磨の処理ステップを必要とする軟金属の硬度を改善することは、本質的に困難である。研磨が不十分であると、線またはバイアの抵抗が変動する。

したがって、本発明の一目的は、従来技術の導体および従来技術の方法の欠点を持たず、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体と、それを形成する方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、化学的機械的研磨プロセスで研磨した後でほぼ擦り傷なしの表面が得られるような、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体を提供することにある。

本発明の他の目的は、軟金属用の付着プロセスの処理条件を変更するだけで、その最上部表面の硬度が改善された軟金属導体を提供することにある。

本発明の他の目的は、その最上部層に粒子サイズが大きい金属粒子から構成される軟金属層を付着することにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を提供することにある。

本発明の他の目的は、導電性軟金属構造の最上部層に約２００ｎｍ以上の軟金属粒子を付着することにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する導電性軟金属構造を提供することにある。

本発明の他の目的は、導電性軟金属構造の最上部層に軟金属構造の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する金属粒子を付着することにより、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する導電性軟金属構造を提供することにある。

本発明の他の目的は、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有し、その表面がそこに付着された大きい粒子サイズの金属粒子からなる厚さが少なくとも約１００ｎｍの層を有するような、導電性軟金属構造を提供することにある。

本発明の他の目的は、物理的蒸着または化学的蒸着技法により、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を作成する方法を提供することにある。

本発明により、半導体素子に使用するための研磨後にほぼ擦り傷なしの最上部表面を有する軟金属導体とそれを作成する方法が提供される。

好ましい実施例では、軟金属導体の厚さの約２０％以上の粒子サイズを有する粒子から構成される導体の最上部層を付着することにより、軟金属導体が提供される。これは、たとえば、粒子サイズが２００ｎｍ以上の軟金属の粒子によって１００ｎｍ以上の厚さまで軟金属材料の最上部層を付着することによって実施される。粒子が大きいため、その後の化学的機械的研磨プロセスで研磨後にほぼ擦り傷なしの表面が得られるように、軟金属導体の最上部層の硬度が大幅に改善される。ほぼ擦り傷なしということは、１平方センチメートルの面積当たり５つ未満の擦り傷を有する表面が研磨後に得られることを意味する。

代替実施例では、まず、より小さい粒子、すなわち、５０ｎｍ以下の粒子サイズを有する軟金属の層が、６００ｎｍ以上の厚さまで軟金属導体に付着され、次に、２００ｎｍ以上の粒子サイズを有する大きい粒子の最上部層が小さい粒子の層の上に付着される。最上部層の粒子サイズが大きいため、研磨用に擦り傷なしの望ましい表面が得られ、小さい粒子の軟金属の中間層により、熱ボイド問題のない材料の層が得られる。

別の代替実施例では、サイズが２００ｎｍより大きい粒子からなる金属の最下部層と最上部層との間に、サイズが５０ｎｍ未満の小さい粒子を有する軟金属の層が挟まれる。

別の代替実施例では、大きい粒子の軟金属を付着した後で、その軟金属の上に続いてＴｉの層が付着され、Ｔｉ層の上に軟金属が付着される。境界面に付着されたＴｉ層は、その後、４００℃で行われるアニール・プロセスでＴｉ層をＴｉＡｌ₃層に転換した後で軟金属導体の耐エレクトロマイグレーション特性を改善するため３０ｎｍ以下の厚さを有する。ＴｉＡｌ₃層を通って電流が流れたとき軟金属の原子がＴｉＡｌ₃層を介して拡散し、軟金属のエレクトロマイグレーション抵抗を改善する。

本発明は、複数ステップ付着プロセス、すなわち、まず４５０℃で１０〜１５秒間、次に４００℃で２分間、続いて４５０℃で１５〜２０秒間スパッタリングすることにより、研磨後にほぼ擦り傷なしの表面を有する軟金属導体を作成する方法にも関する。最上部層の硬度が改善された軟金属導体が得られる。

本発明は、擦り傷や浸食なしで最適のボリューム除去を得るため、所定の処理パラメータ関係式に従うことにより、軟金属を研磨する方法にも関する。

本発明は、まず低い付着温度で軟金属層を付着し、次に金属の粒子サイズを大きくするためにより高い温度で軟金属層をアニールすることにより、軟金属導体上にほぼ擦り傷なしの表面を形成する方法にも関する。

本発明は、研磨能力が大幅に改善された大きい粒子と小さい粒子の複合構造を有する、半導体素子に使用するための改良された軟金属導体を提供する。研磨を施したときに軟金属が擦り傷や浸食を受けやすいことが分かっている。金属の表面層の粒子サイズを大きくすることにより、軟金属の耐摩耗性が大幅に改善される。この耐摩耗性の改善は、標準的な構造に比べ、少なくとも４〜５倍である。

多層粒子構造は、スパッタリング付着プロセスにより達成することができる。たとえば、第１の層を高温で３０秒未満の間、付着させ、続いて線またはバイアを充填するために低温で処理し、最後に高温で３０秒未満の間、付着する。

アルミニウム、アルミニウム−銅、銅などの軟質で抵抗率の低い金属の耐摩耗性を改善するための構造および方法を開示する。この方法は、１回の付着サイクルで多層粒子構造を達成する。積層順序は、（１）大きい粒子、（２）小さい粒子、（３）大きい粒子にすることができる。下部層と上部層は研磨止めとして機能するのに対し、低温で付着した中間層は熱ボイドの形成を防止するのに役立つ。材料は均質なので、抵抗の損失は発生しない。この構造は、１回の付着サイクルで達成される。すなわち、厚さが１００〜２００ｎｍになるように高温で付着し、次に低温かつ低圧で７００〜８００ｎｍを付着し、最後に高温で１００〜２００ｎｍの厚さを付着する。付着の時間と温度は、熱量がボイド発生温度を十分下回るように調整することができる。また、多層粒子構造は、このような層の急速熱アニール（ＲＴＡ）によって達成することもできる。たとえば、約１００〜３００℃で形成したより小さい粒子を、十分な長さの時間の間、４００℃でアニールして、小さい粒子を２００ｎｍより大きい粒子サイズの粒子に成長させることができる。

多層粒子構造は、２レベル（２段）の軟金属埋め込み構造および単一レベルの軟金属埋め込み構造においてＰＶＤおよびＣＶＤプロセスとその後のアニール技法を使用することにより、作成される。様々な構造とそれに関連する実験プロセスの例を以下に示す。

例１
例１は、本発明の方法による２レベルの軟金属埋め込みバイア構造の形成を示している。まず、乾式エッチング法の１つである反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を使用して、アルミニウム−銅を付着する前に境界面をきれいにする。図１に示すように、半導体基板（図示せず）上に形成され、すでに反応性イオン・エッチングされた、図１にＭ１として示されている金属層の上に、バイア構造１０が形成される。金属層Ｍ１は、下側のＴｉ層、その上のＡｌ−Ｃｕ層、その上のＴｉ層２２および上側のＴｉＮ層２０からなる。酸化物層１２またはその他の低誘電率無機または有機層を付着し、コロイド・シリカを使用する化学的機械的研磨によって平坦化する。追加の酸化物１４を付着し、次に線およびバイア用のパターンを形成する。次に、ＲＩＥ技法を使用して、金属層Ｍ１に対するバイア領域に開孔を形成する。ＲＩＥ技法は、すでに形成したＭ１層の上のすべての非Ａｌ−Ｃｕ層を除去するための重要なステップである。次に、ＰＶＤプロセスを使用して、３０ｎｍ未満のＴｉの層１６と、Ａｌ−Ｃｕの層１８と、Ｔｉ／ＴｉＮの最終層（図示せず）を順に付着する。Ａｌ−Ｃｕ層の付着は、軟金属層の厚さの少なくとも約２０％の粒子サイズを有する金属粒子を生成することによって実施する。次に、シリカ粒子を含むスラリーと低圧を使用してこの構造を化学的に研磨し、１つのステップで素子間結線とバイアを形成する。

湿式エッチング法を使用して、２レベルの軟金属埋め込み構造用のＡｌ−Ｃｕを付着する前に境界面をきれいにする第２の方法を図２に示す。このバイア構造３０では、まず、緩衝ＨＦ（１０：１）を使用して、Ｍ１層の上のＴｉ／ＴｉＮ層３２および３４をきれいにする。その結果、その後の４００℃で３０分間のアニール中にＴｉＡｌ₃層を形成するＴｉ層３２を備えたアンダカット構造が得られる。ただし、Ｍ１層の湿式エッチング域４４の肩部４２では、付着したＴｉの層が非常に薄く、場合によってはほとんど存在しないことに留意されたい。次にＴｉ層４６、Ａｌ−Ｃｕ層３８を付着する。Ｔｉ層４６（その後、４００℃のアニール後にＴｉＡｌ₃を形成するもの）はバイアの下だけになる。Ａｌ−Ｃｕを付着するための残りの処理ステップは、乾式エッチング法を使用する上記の例と同じである。Ｔｉ層３２によって形成されるＴｉＡｌ₃層の厚さは約３０〜約６０ｎｍになるが、バイアのすぐ下のＴｉ層４６の領域では３０ｎｍ未満になる。

例２
乾式エッチングＲＩＥ技法を使用して、Ａｌ−Ｃｕの付着前に境界面をきれいにすることにより形成した単一レベルの軟金属埋め込み構造を図３に示す。バイア構造５０は、すでに反応性イオン・エッチングを施したＴｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉ／ＴｉＮのＭ１層の上に形成されている。酸化物またはその他の低誘電率無機または有機層５４を付着し、コロイド・シリカを使用する化学的機械的研磨によって平坦化する。酸化物層５４には、バイア５０用にパターンを形成する。ＲＩＥ技法を使用して、第１のバイアを開く。ＲＩＥ技法を使用して、すでに形成したＭ１層の上のすべての非Ａｌ−Ｃｕ層を除去することは、重要なステップである。次に、ＰＶＤプロセスを使用して、全体が３０ｎｍ未満の厚さの第１のＴｉ層５８と、次にＡｌ−Ｃｕの層６０とを形成する。これについては図４に示す。Ｔｉ層５８および６８は、その後、４００℃でのアニール後にＴｉＡｌ₃を形成する。Ａｌ−Ｃｕ層の付着プロセスを行うと、その結果、軟金属層の厚さの少なくとも約２０％の粒子サイズを有する層が付着される。次に、シリカ粒子を加えたスラリーと低圧を使用して、バイア構造５０を化学的に研磨する。次に、非常に薄い、すなわち、３０ｎｍ未満のＴｉ層６４を下にして層Ｍ２を付着し、パターン形成し、反応性イオン・エッチングを施して、素子間結線構造を形成する。上部のＴｉ層６４は下部のＴｉ層５８より厚くすることができる。ＴｉＮの層６２および６６は、フォトマスク・プロセス用の反射防止膜として形成される。

単一レベルの軟金属埋め込み構造を形成する第２の方法では、湿式エッチング技法を使用して、Ａｌ−Ｃｕを付着する前に境界面をきれいにする。図５に示すバイア構造７０では、緩衝ＨＦ（５０：１）を使用して、層Ｍ１の上部のＴｉ層７２とＴｉＮ層７４をきれいにする。その結果、アンダカット構造が形成されている。Ｔｉ層８２、Ａｌ−Ｃｕ層７８の付着後、Ｔｉ層８２（その後、４００℃で３０分間のアニール後にＴｉＡｌ₃を形成するもの）はバイアの下だけになる。Ａｌ−Ｃｕを付着するための残りの処理ステップは、単一レベルの軟金属埋め込み構造の乾式エッチング法で上述したものと同じである。この構造により、電界下でＡｌ−Ｃｕを容易に溶かすことができ、その結果、この構造のエレクトロマイグレーション抵抗が改善される。

湿式エッチングされたキャビティ８４の肩部８０では、Ｔｉ膜が非常に薄いか、ほとんど存在しないことに留意されたい。したがって、肩部８０には、連続したアルミニウム相が存在する。これは、本発明の軟金属導体の耐エレクトロマイグレーション特性をさらに促進するものである。

図１〜５に示す構造に対し、エレクトロマイグレーション抵抗のテストを行った。２レベル構造のエレクトロマイグレーション特性を評価するため、直径１μｍのＡｌ−Ｃｕスタッドで接続された、幅１．４−μｍで長さ３００μｍのＡｌ−２％Ｃｕの線を作成した。電流密度１．２２Ａ／ｃｍ²でエレクトロマイグレーション・テストを行った。障害の基準として、２０％の抵抗シフトを使用する。２レベルのＡｌ−Ｃｕ線／バイア構造をＣＶＤで形成したＷバイア／Ａｌ−Ｃｕ線構造と比較した。Ａｌ−Ｃｕバイアの平均故障間隔は、ＣＶＤで形成したＷスタッドの平均故障間隔より少なくとも１桁の改善されることを示していた。

軟金属導体の耐摩耗性の改善を確認するために一連のテストを行った。たとえば、スパッタリング・プロセスを使用して、アルミニウムと銅を付着し、大きい粒子の構造を形成した。得られたデータは表１に示す。

表１に示すように、ショート・スロー／ロング・スロー・スパッタリング技法を使用することにより、大きい金属粒子を作成することができる。その結果、シート抵抗を維持しながら、歩留まりが大幅に増加する。

表１では、テスト中の基板温度が３０℃に維持されていたことに留意されたい。いずれの場合も、Ａｌ−Ｃｕ膜の厚さは１〜１．５μｍに保たれた。銅についても同じテストを繰り返し、同様の結果が得られた。歩留まり分析のため、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造を使用した。ウェハ当たり５０サイトでシート抵抗データを測定した。充填したバイアのアスペクト比は３である。

自然にまたは個別の加熱（ＲＴＡまたはリフロー・プロセスによる）によって付着プロセスの温度を変化させると、粒子サイズをさらに改善し、耐摩耗性／耐ひっかき性を達成することができる。これらのデータについては、表２および３に示す。

表２の場合、テスト中の基板温度は４００〜４７５℃に維持されている。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求める。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定した。充填後のアスペクト比は４である。

表３に示すサンプルの基板温度は４７５〜５５０℃に維持されている。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求めた。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定した。充填後のアスペクト比は２である。

サンプルを溶融温度まで加熱するか、または急速熱アニール（ＲＴＡ）技法を使用して表面層を大きい粒子に転換すると、サンプルの耐摩耗性／耐ひっかき性をさらに改善できることが分かった。これらのデータは表４に示す。

表４に示すように、約１００℃で３通りの圧力を使用して薄膜を付着し、次に、５８０℃の炉で５分間加熱し、接点／トレンチに金属を充填する。別の実験では、ＲＴＡ技法を使用して６００℃で２分間、薄膜を加熱した。歩留まり分析データは、総線長が５０ｃｍの櫛状サーペンタイン構造によって求める。ウェハ当たり５０サイトに基づいて平均シート抵抗を測定する。充填後のアスペクト比は２である。

Ａｌ−ＣｕやＣｕなどの金属には、２ステップ・プロセスも使用する。まず、約１００〜３００℃の温度で金属を付着し、高アスペクト比のバイア（すなわち、２〜３）を充填する。次に、これを約４００℃の温度まで加熱し、粒子サイズを大きくする。次に、研磨プロセスを実行して、耐ひっかき性が増したことを確認する。

Ａｌ−ＣｕおよびＣｕの付着の際に蒸着、コリメーション、ＣＶＤなどのその他の付着技法も使用したが、同様の望ましい結果が達成された。

たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃、シリカ、窒化ケイ素など、様々な硬度を有する粒子をスラリーに入れて使用することにより、すべての研磨実験を行った。所定の関係を使用して、Ａｌ−ＣｕおよびＣｕなどの軟質層を研磨することにより、研磨プロセスを行った。

ｄＶ／ｄｔ＝ＫＡＲ_pdＨ_pＶ_cＧ_p／Ｈ_mＧ_m

式中、ｐはスラリー内の粒子を示し、ｍは軟金属を示し、ｐｄはパッドを示し、ｃはチャックまたはウェハ・ホルダを示す。ｄＶ／ｄｔは、金属ボリュームを除去する割合である。Ｈは硬度であり、Ａは露出した金属の面積であり、Ｇは粒子サイズであり、Ｒは粗さであり、Ｋは粒子間の化学結合、金属、パッド、ｐＨ係数などに依存する定数であり、Ｖ_cはチャックの速度である。

様々な粒子サイズを有する軟金属の研磨時間に対する抵抗データを示したグラフを図６に示す。均質粒子構造を有する第１の層を作成し、耐摩耗性を評価し、標準のＡｌ−Ｃｕ構造と比較する。図６に示すように、研磨速度は均質粒子構造を有する構造について求める。粒子サイズが大きくなるにつれ、軟金属の耐摩耗性も大きくなることを示す、予期せぬ結果が得られる。このような多層粒子構造の組合せを形成して研磨し、バイアを形成する。

まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。

（１）半導体素子に使用するための軟金属導体において、
Ａｌ、ＣｕおよびＡｇから成るグループから選択された単金属材料、または、Ａｌ、ＣｕおよびＡｇから成るグループから選択された２元合金材料もしくは３元合金材料から成る第１の軟金属層と、
前記第１の軟金属層の上に形成され、厚さが３０ｎｍ未満の第１のＴｉ層と、
Ａｌ、ＣｕおよびＡｇから成るグループから選択された単金属材料、または、Ａｌ、ＣｕおよびＡｇから成るグループから選択された２元合金材料もしくは３元合金材料から成り、前記第１のＴｉ層の上に形成された第２の軟金属層であって、当該第２の軟金属層の厚さの２０％以上の粒子サイズの金属粒子をその最上層に有する第２の軟金属層と、
前記第２の軟金属層の上にある第２のＴｉ層とを含み、
室温より高い温度でアニールしたときに、２つの軟金属層の間に挟まれた少なくとも前記第１のＴｉ層がＴｉＡｌ_３に転換させ、電流が前記第１のＴｉ層を通過するときに前記ＴｉＡｌ_３を通しての前記軟金属の原子の拡散を生じさせることにより、前記軟金属導体のエレクトロマイグレーション抵抗を改善した軟金属導体。
（２）前記第２のＴｉ層が３０ｎｍ未満の厚さを有することを特徴とする上記（１）に記載の軟金属導体。
（３）前記第１のＴｉ層が、バイアの最下部に位置することを特徴とする上記（２）に記載の軟金属導体。

２レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。 境界面にＴｉＡｌ₃が形成されている最終の２レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。 単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。 境界面にＴｉ層とＴｉＮ層が付着している単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。 境界面にＴｉＡｌ₃が形成されている最終の単一レベル埋め込み構造の本発明の軟金属導体を示す図である。 様々な粒子サイズを有する表面について表面抵抗と研磨時間との依存関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ バイア構造
１２ 酸化物層
１４ 酸化物
１６ Ｔｉの層
１８ Ａｌ−Ｃｕの層
２０ ＴｉＮの層
Ｍ１ Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉの層
Ｍ２ Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ／Ｔｉの層

Claims (1)

1. 半導体素子に使用するための軟金属導体において、
   Ａｌ−Ｃｕ合金から成る第１の軟金属層と、
   前記第１の軟金属層の上に形成されるＴｉＡｌ_３層であって、前記第１の軟金属層の上に形成したＴｉ層をアニールによって転換してなるＴｉＡｌ_３層と、
   Ａｌ−Ｃｕ合金から成り、前記ＴｉＡｌ_３層の上にバイア構造として形成された第２の軟金属層
   とを含み、
   前記ＴｉＡｌ_３層が、前記バイアの最下部の肩部において存在しない態様で該最下部に形成され、
   電流が前記ＴｉＡｌ_３層を通過するときに前記ＴｉＡｌ_３層を通しての前記軟金属の原子の拡散を生じさせることにより、前記軟金属導体のエレクトロマイグレーション抵抗を改善した軟金属導体。