JPH09120991A - Forming metal fills and interconnects for narrow apertures using a crystallographically oriented liner layer - Google Patents
Forming metal fills and interconnects for narrow apertures using a crystallographically oriented liner layerInfo
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- JPH09120991A JPH09120991A JP8208643A JP20864396A JPH09120991A JP H09120991 A JPH09120991 A JP H09120991A JP 8208643 A JP8208643 A JP 8208643A JP 20864396 A JP20864396 A JP 20864396A JP H09120991 A JPH09120991 A JP H09120991A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 誘電体層に形成されたアスペクト比の大きい
及びコンタクトの充填にとりわけ有効な、また、電気移
動に対する抵抗力が強い相互接続の形成にも有効な、ア
ルミニウム・スパッタ・プロセスを提供する。
【解決手段】誘導結合プラズマを用いて実施されるよう
な、高密度プラズマPVDによって、ライナー層の堆積
を行なう。ライナー層の第1の下層はTi層である。第
2の下層はTiNを含む。第3の下層はTiを含むがT
iNからTiに漸変させるのが望ましい。ライナー層の
上のアルミニウム層はライナー層によって320〜50
0゜Cの範囲の、できれば、350〜420゜Cの範囲
の比較的低い温度で、アルミニウム堆積の最も熱い部分
を実施することが可能になるが、同時に、狭いプラグ・
ホールの充填も行われることになり、TiNにアニール
を施して、シリコン内への拡散に対する有効なバリアを
形成する必要がなくなる。
(57) Abstract: Aluminum sputter, which has a large aspect ratio formed in a dielectric layer and is particularly effective for filling a contact, and also effective for forming an interconnect having high resistance to electromigration.・ Provide a process. The liner layer is deposited by high density plasma PVD, such as is performed using an inductively coupled plasma. The first underlayer of the liner layer is a Ti layer. The second lower layer comprises TiN. The third lower layer contains Ti, but T
It is desirable to gradually change from iN to Ti. The aluminum layer on top of the liner layer is 320-50 depending on the liner layer.
It makes it possible to carry out the hottest part of the aluminum deposition at relatively low temperatures in the range of 0 ° C, preferably in the range of 350-420 ° C, but at the same time a narrow plug
The holes will also be filled and the TiN need not be annealed to form an effective barrier to diffusion into the silicon.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、半導体デバイ
スの製造に関するものである。特に、本発明は、半導体
集積回路における絶縁層のコンタクト、ビア(via)、ま
たは、他のアパーチャに金属を充填し、コンタクト及び
ビアを相互接続する金属ラインを堆積させることに関す
るものである。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the manufacture of semiconductor devices. In particular, the invention relates to filling contacts, vias, or other apertures in an insulating layer in a semiconductor integrated circuit with metal and depositing metal lines interconnecting the contacts and vias.
【0002】[0002]
【従来の技術】最新の集積回路(IC)は、介在する誘
電体層にエッチングされたアパーチャを通って延びる垂
直相互接続をますます必要とするようになっている。I
Cの横寸法の縮小によって、該垂直相互接続の縦横比を
大きくすること、すなわち、相互接続の形状を狭く、深
くすることが必要になる。必要とされる複雑な電気経路
を実現するため、水平方向にワイヤ・ラインを相互接続
することによって、これらのコンタクト及びビアについ
て、互いに配線を施すことも必要になる。典型的な製造
プロセスには、半導体またはパターン化金属の水平相互
接続層の上に誘電体層を堆積させ、フォトリソグラフィ
によって、プラグ・ホールまたは他の構造が、その上部
から半導体または水平方向相互接続層の上に重なるその
底部まで延びるように、該誘電体層を形成し、さらに、
プラグ・ホール、すなわち、誘電体層の上になんとかし
て導電性材料を堆積させ、同時に、誘電体層の上に水平
相互接続のための材料も堆積させることが必要になる。BACKGROUND OF THE INVENTION Modern integrated circuits (ICs) increasingly require vertical interconnects that extend through apertures etched in intervening dielectric layers. I
Reducing the lateral dimension of C requires increasing the aspect ratio of the vertical interconnect, that is, making the interconnect narrower and deeper. It is also necessary to wire these contacts and vias to each other by interconnecting the wire lines in the horizontal direction to achieve the required complex electrical paths. A typical fabrication process is to deposit a dielectric layer on a horizontal interconnect layer of semiconductor or patterned metal, and photolithographically deposit a plug hole or other structure from above the semiconductor or horizontal interconnect layer. Forming the dielectric layer so that it extends to its bottom overlying the layer, and
It is necessary to somehow deposit a conductive material on the plug hole, ie the dielectric layer, and at the same time deposit a material for the horizontal interconnect on the dielectric layer.
【0003】メモリであろうと、論理回路であろうと、
あるいは、他のデバイスであろうと、通常の集積回路に
は、導電率、ドーピング・タイプ、または、ドーピング
順位の異なる各種領域が形成される半導体シリコン基板
が必要であり、これらの導電率、タイプ、及び、ドーピ
ング順位は、厳しく制御しなければならない。前述のよ
うに、シリコン基板の上に1つ以上の誘電体層が堆積さ
せられ、それぞれの層に、エッチングによってホールが
形成され、その後、ホールを充填して、シリコン基板で
あろうと、あるいは、堆積済みの誘電体層の上に形成さ
れた配線パターン層であろうと、とにかく下に位置する
層への垂直相互接続が形成される。上部の金属配線層
は、その下の垂直相互接続と同時に堆積させられるのが
普通である。垂直相互接続によって、その底部がシリコ
ン基板と接続される場合、それは、シリコン基板とコン
タクトするのでコンタクトと呼ばれ、金属とシリコンの
間には、過度のコンタクト抵抗を回避するため、適切な
安定したオーム抵抗を形成しなければならない。この相
互接続によって、その底部が、多層メタライゼーション
構造における金属と接続される場合、それはと呼ばれ
る。コンタクトまたはビアは、プラグまたは垂直相互接
続と呼ぶことも可能であるが、相互接続は、別段の指定
がない限り、水平相互接続であると仮定する。及びコン
タクトは、一般に、その表面積を最小限に抑えるため、
円形またはほぼ正方形である。ただし、他のホールが、
幅が狭く、長さが長いトレンチ(trench)の形状に形成さ
れる場合もあり、これらのトレンチには、さらに、金属
を充填する必要がある。Whether it is a memory or a logic circuit,
Alternatively, as with any other device, a typical integrated circuit requires a semiconductor silicon substrate in which various regions of different conductivity, doping type, or doping order are formed. Also, the order of doping must be strictly controlled. As described above, one or more dielectric layers are deposited on a silicon substrate, holes are formed in each layer by etching, and then the holes are filled to form a silicon substrate, or Any wiring pattern layer formed above the deposited dielectric layer will, in any event, form vertical interconnections to the underlying layers. The upper metal wiring layer is typically deposited at the same time as the vertical interconnects below it. When the bottom is connected to a silicon substrate by a vertical interconnect, it is called a contact because it makes contact with the silicon substrate, and between the metal and the silicon it avoids excessive contact resistance, so it has a suitable stable contact. Ohmic resistance must be formed. If this interconnection connects its bottom with the metal in the multi-layer metallization structure, it is called. Contacts or vias may also be referred to as plugs or vertical interconnects, but interconnects are assumed to be horizontal interconnects unless otherwise specified. And contacts generally minimize their surface area,
It is round or almost square. However, other holes
It may be formed in the shape of a trench having a narrow width and a long length, and these trenches need to be further filled with a metal.
【0004】充填すべきホールの縦横比が大きい場合、
厳しい問題が生じることになる。縦横比は、誘電体層ま
たは他のタイプの層に形成されるプラグの深さ対幅の比
である。トレンチの場合、縦横比を決める幅は、最小の
横寸法である。集積回路における構成要素の密度が増す
につれて、コンタクト、ビア、トレンチ、及び他のアパ
ーチャの幅が狭くなるが、集積回路におけるスタック層
を電気的に分離するのに、最小限の誘電体の厚さが必要
とされるので、その深さはあまり浅くならない。従っ
て、縦横比は増大している。旧式のテクノロジーは、一
般に、縦横比が0.5:1以下のコンタクト、ビア、及
びトレンチに対する充填に制限された。最新のテクノロ
ジーでは、約2:1までの縦横比が利用される。先進テ
クノロジーは、5:1以上の縦横比に適応しなければな
らない。When the aspect ratio of the holes to be filled is large,
Severe problems will arise. Aspect ratio is the depth-to-width ratio of plugs formed in a dielectric layer or other type of layer. In the case of a trench, the width that determines the aspect ratio is the minimum lateral dimension. As the density of components in integrated circuits increases, the width of contacts, vias, trenches, and other apertures decrease, but the minimum dielectric thickness to electrically isolate the stack layers in the integrated circuit. Is required, so its depth does not become too shallow. Therefore, the aspect ratio is increasing. Older technologies were generally limited to filling contacts, vias, and trenches with aspect ratios of 0.5: 1 or less. Modern technologies utilize aspect ratios up to about 2: 1. Advanced technology must adapt to aspect ratios of 5: 1 or greater.
【0005】通常通り、プラグまたはトレンチに充填さ
れる導電性材料の大部分が金属である場合、さらに、そ
の金属が下に位置する層と反応するか、あるいは、金属
とシリコンのコンタクトによって生じるような、有害な
相互拡散を生じる可能性がある場合、金属を堆積させる
前に、アパーチャに拡散バリヤ層のコーティングを行う
必要があり、さらに、該バリヤ層の上により厚く多量の
金属が充填される。適度な導電性を有し、何らかの追加
処理を施すと、シリコンとアルミニウムの両方に適合す
るので、バリヤ層には、現在のところ窒化チタン(Ti
N)が最も一般的に用いられている。As usual, if the majority of the conductive material filling the plugs or trenches is metal, then the metal may also react with the underlying layers or be caused by metal-silicon contacts. If there is the potential for harmful interdiffusion, the aperture must be coated with a diffusion barrier layer prior to metal deposition, and the barrier layer is filled with a thicker amount of metal. . The barrier layer is currently titanium nitride (Ti) because it has moderate conductivity and is compatible with both silicon and aluminum when subjected to some additional treatment.
N) is the most commonly used.
【0006】ホール充填プロセスでは、ほぼ必然的に、
誘電体層及びホールの上に横方向に厚さが変動する金属
層の堆積が行われることになる。結果として、通常は、
ホール充填プロセスの一部として金属層を平坦化し、比
較的平坦な表面に対して後続の処理を実施できるように
することが必要になる。波状の基板は、投影されるパタ
ーンの焦点をずらす可能性があるので、フォトリソグラ
フィには平坦な表面がとりわけ必要とされる。平坦な表
面は、大きい垂直方向の段差部の上に配置すると切れる
ことになりがちな、細い相互接続ラインの下に設けるの
にも望ましい。In the hole-filling process, almost inevitably,
A metal layer of laterally varying thickness will be deposited over the dielectric layer and the holes. As a result, usually
It will be necessary to planarize the metal layer as part of the hole filling process so that subsequent processing can be performed on relatively planar surfaces. A corrugated substrate can defocus the projected pattern, so a flat surface is especially required for photolithography. A flat surface is also desirable to provide underneath the thin interconnect lines that tend to break when placed over large vertical steps.
【0007】物理的蒸着(PVD)は、アパーチャに対
する金属の充填、及び、水平方向の相互接続のための平
坦な金属の堆積の両方に関して、集積回路の製造におい
て周知の方法である。最新のPVDシステムの一例とし
て、カリフォルニア州サンタ・クララのApplied
Materials,Inc.から入手可能なEnd
uraRPVD Systemがある。標準的なPVD
プロセスの場合、堆積を施すことが望ましい金属組成物
の金属ターゲットが、プラズマ反応室内において、金属
を堆積させることになるウェーハに比較的近接して向か
い合うように配置される。減圧したアルゴンが、ターゲ
ットとウェーハの間の空間に充填される。ウェーハに対
して十分に負の直流バイアスを金属ターゲットにかける
ことによって、アルゴン・ガスが放出され、アルゴン・
プラズマが形成される。プラズマ中にその結果生じる正
のアルゴン・イオンは、負のバイアスがかかったターゲ
ットに強力に吸引されて、大きいエネルギーでターゲッ
トにぶつかるので、ターゲット材料の原子または原子ク
ラスタが、ターゲットから押し退けられて放出される、
すなわち、ターゲットからスパッタされることになる。
スパッタされる原子の少なくとも一部は、実質上、衝撃
プロセスによってウェーハ上に堆積させられる。スパッ
タされる金属の例には、アルミニウムとチタンがある。Physical vapor deposition (PVD) is a well-known method in integrated circuit fabrication, both for filling the apertures with metal and for depositing planar metal for horizontal interconnects. Applied as an example of the latest PVD system in Santa Clara, California
Materials, Inc. Available from End
There is the uraRPVD System. Standard PVD
In the process, a metal target of the metal composition for which deposition is desired to be placed is placed in the plasma reaction chamber in relatively close proximity to the wafer on which the metal is to be deposited. The space between the target and the wafer is filled with decompressed argon. By applying a sufficiently negative DC bias to the wafer on the metal target, argon gas is released and the argon gas
A plasma is formed. The resulting positive argon ions in the plasma are strongly attracted to the negatively biased target and impact the target with high energy, causing atoms or atomic clusters of the target material to be ejected from the target. Will be
That is, the target is sputtered.
At least some of the sputtered atoms are substantially deposited on the wafer by an impact process. Examples of sputtered metals are aluminum and titanium.
【0008】PVDは、ほぼ純粋なチタンターゲットか
らチタンがスパッタされ、ターゲットとウェーハの間に
介在する空間を充填する窒素ガス(またはプラズマ)と
反応する、反応スパッタと呼ばれるプロセスにおいて、
TiNのような化合物のスパッタによる堆積を行うのに
利用される。これらの比較的低い圧力におけるチタン原
子は、ウェーハ上に堆積させられた後、窒素と表面反応
するので、ウェーハは、スパッタによってTiNが堆積
させられることになる。このプロセスについては、19
93年1月のSolid State Technol
ogy、73〜76、78、79、82ページにおけ
る、Pramanik他による「Barrier Me
tals for UL.SI:Depositon
and Manufacturing」に記載がある。PVD is a process called reactive sputtering in which titanium is sputtered from a nearly pure titanium target and reacts with nitrogen gas (or plasma) that fills the intervening space between the target and the wafer.
It is used to perform sputter deposition of compounds such as TiN. The titanium atoms at these relatively low pressures are surface-reacted with nitrogen after being deposited on the wafer, so the wafer will be sputtered with TiN. For this process, see 19
Solid State Technology in January 1993
No. 73-76, 78, 79, 82 by Pramanik et al., "Barrier Me.
tals for UL. SI: Deposition
and Manufacturing ".
【0009】特に、プラグ・アパーチャに対するアルミ
ニウムのスパッタ堆積に戻ると、図1には、結晶シリコ
ンまたはポリシリコンの表面部分を備えるものと仮定さ
れる基板100が示されている。基板100の上に誘電
体層102を重ねることによって、電界酸化物または層
間誘電体が形成される。最新のシリコン処理において、
誘電体層102は、一般にSiO2の熱成長またはプラ
ズマ強化科学蒸着(PECVD)によって形成されるの
が普通であるが、ケイ酸塩ガラス、さらには、有機誘電
体といった、他の絶縁体の利用も可能である。Returning specifically to the sputter deposition of aluminum on the plug aperture, FIG. 1 shows a substrate 100 which is assumed to comprise a surface portion of crystalline silicon or polysilicon. By overlaying the dielectric layer 102 on the substrate 100, a field oxide or interlevel dielectric is formed. In the latest silicon processing,
Dielectric layer 102 is typically formed by thermal growth of SiO 2 or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), although the use of silicate glass, as well as other insulators such as organic dielectrics. Is also possible.
【0010】誘電体層102を介した電気的アクセスを
可能にし、パターン化された上方の金属相互接続水平面
が誘電体層102の上に形成されて、MOSトランジス
タのソースまたはドレインのような、シリコン基板の特
定の限定された部分とコンタクトするようにするため、
コンタクトホール104が、フォトリソグラフィによっ
て形成され、さらに、誘電体層102へのエッチングに
よって、シリコン基板100にまで延びることになる。
代替案として、基板100を下方の金属相互接続水平面
とすることが可能であり、この場合、ビア・ホールと呼
ばれるホール104が、下方金属水平面の誘電体層11
0の上に重ねて形成された金属ラインの上にかぶさるよ
うに配置されるので、その金属ラインと上方金属水平面
におけるもう1つの金属ラインが電気的にコンタクトす
ることになる。さらにもう1つの代替案として、誘電体
層102にトレンチ・アパーチャを形成することが可能
であり、該アパーチャは、平面内を、例図の外まで、比
較的長い距離にわたって延びているが、図示のように比
較的幅が狭いので、結果として縦横比が大きくなる。A patterned upper metal interconnect horizontal plane that allows electrical access through the dielectric layer 102 is formed over the dielectric layer 102 and is used for silicon, such as the source or drain of a MOS transistor. In order to make contact with a specific limited part of the board,
The contact hole 104 is formed by photolithography, and is further etched into the dielectric layer 102 to extend to the silicon substrate 100.
Alternatively, the substrate 100 could be the lower metal interconnect horizontal, in which case the holes 104, called via holes, would be the lower metal horizontal dielectric layer 11.
Since the metal line is formed so as to cover the metal line formed on the 0, the metal line and another metal line in the upper metal horizontal plane are in electrical contact with each other. As yet another alternative, a trench aperture can be formed in the dielectric layer 102, which aperture extends a relatively long distance in the plane, out of the example, but shown. As described above, the width is relatively narrow, resulting in a large aspect ratio.
【0011】図2には、比較的縦横比の大きいコンタク
トホール104に標準的な低温によるアルミニウムのス
パッタを行った結果が示されている。PVDプロセスに
よって、誘電体層102の水平部分の上に平坦なアルミ
ニウムの層106が形成される。しかし、標準的なPV
Dの場合、アルミニウム原子のほぼ等方性の衝撃パター
ンが生じ、低温プロセスでは、スパッタされたアルミニ
ウムは、ウェーハとの衝突位置の比較的近くに固着する
ことになる。結果として、アルミニウム層106は、コ
ンタクトホール104の上方コーナー110の近くにオ
ーバーハング108を形成することになる。いったん形
成されると、オーバーハング108は、コンタクトホー
ル104の底壁112をシールドして、直接スパッタに
よるかなりの堆積によってホールが充填されるのを阻止
する。コンタクトホール104の側壁114の下方部分
は、等方性パターンによる堆積に適した配向が施されて
いない。FIG. 2 shows the result of the standard low temperature aluminum sputtering performed on the contact hole 104 having a relatively large aspect ratio. The PVD process forms a flat aluminum layer 106 over the horizontal portion of the dielectric layer 102. But standard PV
In the case of D, a nearly isotropic bombardment pattern of aluminum atoms occurs, and in the low temperature process, the sputtered aluminum will adhere to the wafer relatively close to the collision position. As a result, the aluminum layer 106 will form an overhang 108 near the upper corner 110 of the contact hole 104. Once formed, the overhang 108 shields the bottom wall 112 of the contact hole 104, preventing the hole from being filled by significant deposition by direct sputtering. The lower part of the sidewall 114 of the contact hole 104 is not oriented suitable for deposition by an isotropic pattern.
【0012】標準的なPVDプロセスが続行される場
合、図3の断面図で示すように、オーバーハング108
が合体して、コンタクトホール104にかかるブリッジ
112を形成し、このため、コンタクトホール104内
に堆積したアルミニウムにボイド(void)が生じること
になる。図3には、その影響が誇張して示されている
が、ボイドが含まれることによって、コンタクト導電率
が低下し、信頼性の問題が導入されることになる。ま
た、図3によって明らかなように、コンタクトにスパッ
タで堆積したアルミニウム層に、凹部116が形成され
ることになりがちである。ボイド114の形成が回避さ
れたとしても、堆積金属の平面性はやはり不十分であ
る。If the standard PVD process continues, overhang 108, as shown in the cross-sectional view of FIG.
Merge with each other to form a bridge 112 over the contact hole 104, which causes a void in the aluminum deposited in the contact hole 104. Although the effect is exaggeratedly shown in FIG. 3, the inclusion of voids lowers the contact conductivity and introduces a reliability problem. Also, as is clear from FIG. 3, the recesses 116 are likely to be formed in the aluminum layer sputter deposited on the contacts. Even if the formation of voids 114 is avoided, the planarity of the deposited metal is still inadequate.
【0013】縦横比が1:1か、または、それを多少上
回る場合、ボイドと平坦化の問題は、リフロー・プロセ
スによって解決することが可能である。アルミニウム
は、480゜Cに近いか、それを超える温度で移動また
はフローを生じる傾向があり、表面エネルギーを最小限
に抑えると、アルミニウムが移動して、非平面部分を充
填するので、コンタクトが完全に充填され、図4に示す
ように、アルミニウム層106が平坦化されるが、残留
凹部118は、おそらく残ることになる。基板100の
温度を480゜C以上に保持することによって、スパッ
タ堆積時に、リフローを連続して実施することが可能で
ある。代替案として、低温PVDプロセス後に、高温リ
フローを実施することも可能である。When the aspect ratio is 1: 1 or slightly higher, the void and planarization problems can be solved by the reflow process. Aluminum tends to move or flow at temperatures near or above 480 ° C, and minimizing surface energy causes aluminum to move and fill non-planar areas, resulting in complete contact. , And the aluminum layer 106 is planarized, as shown in FIG. 4, but the residual recess 118 will probably remain. By maintaining the temperature of the substrate 100 at 480 ° C. or higher, reflow can be continuously performed during sputter deposition. Alternatively, a high temperature reflow can be performed after the low temperature PVD process.
【0014】詳細に後述することになるコールド・ホッ
ト・プロセスによる典型的なAlのホール充填PVD堆
積には、最初に、短時間の、大電力及び低温によるシー
ド層の堆積が必要とされる。次に、長時間の、小電力及
び高温による残りの層のPVD堆積が行われる。後者の
ステップにおける温度は、リフロー温度と呼ばれる場合
もある。全てのアルミニウムを低温で堆積させ、次に、
同時にそれ以上のアルミニウムを堆積させないようにし
て、高温で堆積層にリフローを施すことが可能である
が、このプロセスは、時間が長くかかるので、中間構造
にボイドのような不連続部を導入する可能性がある。A typical Al hole-filling PVD deposition of a cold hot process, which will be described in more detail below, first requires a short, high power, low temperature seed layer deposition. PVD deposition of the remaining layers is then performed for a long time with low power and high temperature. The temperature in the latter step is sometimes called the reflow temperature. All aluminum was deposited at low temperature, then
It is possible to reflow the deposited layer at high temperatures without simultaneously depositing any more aluminum, but this process is time consuming and introduces void-like discontinuities in the intermediate structure. there is a possibility.
【0015】しかし、リフローは、完全な解決策にはな
らない。まず、リフロー温度は、幾分高めになり、複雑
なチップに関する熱割り当ての大部分を消費することに
なりがちである。実際、必要とされるリフロー温度は、
既に形成済みの層に含まれるいくつかの低温材料を排除
する可能性がある。フッ素化酸化ケイ素のような先進の
誘電体、または、ポリイミドまたはパラレンのような有
機ポリマーは、400゜C未満の最高処理温度を必要と
する。第2に、例えば、縦横比が2:1以上といったよ
うに、プラグが狭くなりすぎる場合、リフローはボイド
を回避することができないので、例示の形状寸法はリフ
ローの効用がある、限度ぎりぎりである。However, reflow is not a complete solution. First, the reflow temperature tends to be rather high, consuming most of the heat budget for complex chips. In fact, the required reflow temperature is
It may eliminate some low temperature materials contained in already formed layers. Advanced dielectrics such as fluorinated silicon oxide or organic polymers such as polyimide or paralene require maximum processing temperatures below 400 ° C. Second, the reflow cannot avoid voids if the plug becomes too narrow, such as an aspect ratio of 2: 1 or more, so the exemplary geometry is marginal, reflow has utility. .
【0016】リフローでは、縦横比の大きいプラグに充
填することはできない。というのも、こうした形状寸法
の場合、強力なシャドーイングに先立つプラグ・ホール
に対する材料の十分な堆積が阻止されるためである。リ
フロー・プロセスの高温には、少量のアルミニウムを半
球状の粒にまとめる作用もある。この粒は、プラグ・ホ
ールを有効に閉じる前に、合体によって表面を均一にカ
バーする平滑なフィルムになるのに十分なサイズまで、
成長することはない。ウェッティングについては、アル
ミニウムの自由表面の表面張力と、アルミニウムと基板
との間における表面張力との相対的大きさに関連して説
明することが可能である。アルミニウムは、Tiを十分
に濡らし、TiNを適度に十分に濡らすが、SiO2に
ついては不十分な濡らし方になる。250゜Cを超える
と、SiO2上におけるアルミニウムのディウェッティ
ングが生じるが、この正確な温度は、他のパラメータ間
における初期条件によって決まる。すなわち、アルミニ
ウムは、アルミニウムのフローが生じる温度より低い温
度で、ディウェッティングを生じるので、それ以上のス
テップを行わない限り、ウェッティングとフローイング
の状況を分離することによって、アルミニウムのリフロ
ーは簡単に阻止される。Reflow cannot fill a plug having a large aspect ratio. This is because such geometries prevent full deposition of material on the plug holes prior to strong shadowing. The high temperature of the reflow process also has the effect of bundling small amounts of aluminum into hemispherical grains. The grains are of a size sufficient to result in a smooth film that evenly covers the surface by coalescing before effectively closing the plug holes,
It will never grow. Wetting can be described in relation to the relative magnitude of the surface tension of the free surface of aluminum and the surface tension between the aluminum and the substrate. Aluminum wets Ti well and TiN reasonably well, but poorly with SiO 2 . Above 250 ° C, aluminum dewetting on SiO 2 occurs, but the exact temperature depends on initial conditions among other parameters. That is, aluminum causes dewetting below the temperature at which aluminum flows, so reflowing aluminum is easy by separating the wetting and flowing situations unless further steps are taken. Be blocked by.
【0017】狭いプラグの充填問題におけるこの問題の
克服を意図したプロセスの1つは、コヒーレント堆積と
呼ばれる。ターゲットからスパッタされた、例えばアル
ミニウムのような金属の粒子が、かなり縦横比の大きい
垂直アパーチャを備えるコリメータに通される。結果と
して、コリメータの主平面、従って、基板の主平面に対
してほぼ垂直に移動した粒子だけが、自由にコリメータ
を通過することになる。すなわち、スパッタされた粒子
の等方性衝撃パターンが、ほぼ垂直パターンに変更さ
れ、粒子は、シャドーイングを生じるオーバーハングを
形成することなく、アパーチャ内に深く浸透することが
可能になる。しかし、このプロセスは、粒子の残りの部
分が、コリメータ・アパーチャの側面、及び、アパーチ
ャを形成するコリメータの平面マトリックス部分に付着
し、スパッタされたアルミニウムの多くを損失すること
になるので、効率が悪い。ロング・スローと呼ばれる関
連プロセスによって、ターゲットと基板の間の離隔距離
が広がるので、PVDの軌道はいっそう垂直になる。し
かし、ロング・スローPVDは、ほぼ垂直にスパッタさ
れた粒子だけしか用いないので、そのスパッタ・レート
は、比例して低下する。One of the processes intended to overcome this problem in the narrow plug filling problem is called coherent deposition. Particles of metal, such as aluminum, sputtered from the target are passed through a collimator with a vertical aperture having a fairly large aspect ratio. As a result, only particles that have moved substantially perpendicular to the major plane of the collimator and thus the major plane of the substrate are free to pass through the collimator. That is, the isotropic impact pattern of the sputtered particles is altered to a nearly vertical pattern, allowing the particles to penetrate deeper into the aperture without forming shadowing overhangs. However, this process is less efficient because the rest of the particles will stick to the sides of the collimator aperture and to the flat matrix portion of the collimator that forms the aperture, losing much of the sputtered aluminum. bad. The associated process, called long throw, increases the separation between the target and the substrate so that the PVD trajectory is more vertical. However, since long-throw PVD uses only particles that are nearly vertically sputtered, its sputter rate decreases proportionally.
【0018】コヒーレント堆積とリフローを結合した比
較プロセスにおいて、アルミニウムの初期コヒーレント
(指向性)堆積が、例えば、150゜Cといった比較的
低い基板温度で実施され、プラグ・ホール内にシード層
が形成される。該温度では、リフローはあまり発生せ
ず、原子は、プラグ底部112(図2参照)の最初に衝
突した位置に固着する。平行化のため、オーバーハング
108は生じなくなる。側壁114における平行化ビー
ムの堆積に関する形状寸法は、好ましいものではない
が、プラグ底部112からの後方散乱を考慮すると、薄
くてかなり均一な層を生じさせるのに十分である。In a combined process of coherent deposition and reflow, an initial coherent deposition of aluminum is performed at a relatively low substrate temperature, eg 150 ° C., to form a seed layer in the plug holes. It At that temperature, reflow is less likely to occur, and the atoms stick to the first colliding position of the plug bottom 112 (see FIG. 2). Due to the parallelization, the overhang 108 does not occur. The geometry for collimated beam deposition on the sidewalls 114 is not preferred, but considering backscattering from the plug bottom 112 is sufficient to produce a thin, fairly uniform layer.
【0019】平行化低温度PVDは、その不経済な堆積
レートのため、プラグ・ホールの充填に十分な長さにわ
たって継続されない。代わりに、プラグ・ホール内にお
ける安定したシード層の堆積が済むと、ウウエーハは、
コヒーレントPVD室から標準的な等方性(すなわち、
非コヒーレント)PVD室に移され、標準的なPVDプ
ロセスによって、高いレートでアルミニウムの等方性堆
積が実施され、基板温度は、最終的に、堆積したアルミ
ニウムのリフローに十分な温度まで上昇する。新たに堆
積したアルミニウムは、既に堆積済みのシード層まで濡
れるので、堆積したアルミニウムは、ボイドを形成する
ことなく、プラグを充填する層として簡単にフローを生
じ、露出層を平滑にして、ほぼ平坦にする。Collimating low temperature PVD does not continue long enough to fill plug holes due to its uneconomical deposition rate. Instead, after a stable seed layer is deposited in the plug hole, the wafer will
From the coherent PVD chamber to the standard isotropic (ie
Transferred to a (non-coherent) PVD chamber, a standard PVD process performs isotropic deposition of aluminum at a high rate and the substrate temperature eventually rises to a temperature sufficient for reflow of the deposited aluminum. The newly deposited aluminum wets the seed layer that has already been deposited, so the deposited aluminum simply flows as a plug-filling layer without forming voids, smoothing the exposed layer to a nearly flat surface. To
【0020】シード層と高温リフロー層の両方を順次堆
積させるコールド・ホット標準等方性PVDプロセスに
おいて、極めてよく似た結果を得ることが可能であると
いうことが分かった。It has been found that it is possible to obtain very similar results in a cold hot standard isotropic PVD process in which both a seed layer and a high temperature reflow layer are sequentially deposited.
【0021】達成可能な結果の例として、リフローを利
用して、深さ1.2μm、縦横比約1:1のアパーチャ
にアルミニウムを充填する場合、基板温度が480゜C
であれば、アルミニウムは約3〜4分で平坦化する。し
かし、深さ1.2μmのプラグの幅が0.5μm以下に
縮小される場合、すなわち、縦横比が2:1以上になる
場合、リフローによって有効性が制限された。コヒーレ
ントPVDによって最初にプラグの堆積を行った場合で
も、許容可能な低リフロー温度で実施される標準的な等
方性堆積プロセスは、縦横比の大きいホールの充填に必
要な時間が長すぎる。As an example of achievable results, when using reflow to fill an aperture of 1.2 μm depth and an aspect ratio of about 1: 1 with aluminum, a substrate temperature of 480 ° C.
If so, the aluminum will planarize in about 3-4 minutes. However, when the width of the 1.2 μm deep plug was reduced to 0.5 μm or less, that is, when the aspect ratio was 2: 1 or more, the reflow limited the effectiveness. Even with the initial plug deposition by coherent PVD, a standard isotropic deposition process performed at an acceptable low reflow temperature takes too long to fill high aspect ratio holes.
【0022】高温堆積中に基板温度を高くすると、アル
ミニウムの平坦化が促進され、加速されるが、基板が熱
くなりすぎると、シード層が合体して小球となり、コン
フォーマル・フィルム層の形成を阻止する。さらに、P
VDに関するある基板温度を超えると、既に堆積済みの
他の材料が、寸法的に歪みを生じたり、あるいは、熱的
に劣化したりする。Increasing the substrate temperature during high temperature deposition promotes and accelerates aluminum planarization, but when the substrate becomes too hot, the seed layers coalesce into globules, forming a conformal film layer. Prevent. Furthermore, P
Above a certain substrate temperature for VD, other materials that have already been deposited can be dimensionally distorted or thermally degraded.
【0023】縦横比の大きいホールを充填するもう1つ
の既知の方法では、ターゲットからスパッタされた原子
の少なくとも一部をイオン化し、次に、イオン化された
ターゲット原子を電気的に基板に吸引することが必要に
なる。スパッタされたイオンの電界制御移動によれば、
電界に調整を加えることによって、スパッタされた原子
またはクラスタを基板平面に対してほぼ垂直に移動させ
ることが可能になる。これによって、スパッタされた材
料は、プラグ・ホールの底部並びに側壁の底部に達する
ことになり、プラグ・ホールの上方エッジには集まらな
い。Another known method of filling high aspect ratio holes is to ionize at least some of the atoms sputtered from the target and then electrically attract the ionized target atoms to the substrate. Will be required. According to the electric field controlled movement of sputtered ions,
Adjustments to the electric field allow the sputtered atoms or clusters to move approximately perpendicular to the substrate plane. This causes the sputtered material to reach the bottom of the plug hole as well as the bottom of the sidewalls and will not collect at the upper edge of the plug hole.
【0024】例えば、米国特許第5,178,739号
において、Barnes他は、端部スパッタ・ターゲッ
トと基板の間に配置された中空の円筒形スパッタ・ター
ゲットを備え、その全てが真空室内に納められている、
スパッタ堆積システムについて説明している。円筒形タ
ーゲットに隣接したアルゴン・プラズマの密度を高める
ことによって、該ターゲットからスパッタされる材料の
量を増大させるため、真空室の外側ではあるが、円筒形
ターゲットに隣接して、磁石が配置されている。ターゲ
ットに隣接して、プラズマを生じさせるため、RF電力
が、ターゲットとウエーハの間において真空室に誘導結
合される。高レベルのRF電力がプラズマに結合される
と、高密度のプラズマ(HDP)が生じ、ターゲット原
子のうち、ウエーハへの移動時にイオン化されることに
なる部分が増大する。イオン化ターゲット原子を吸引す
るため、ウエーハを支持するペデスタル、従って、ウエ
ーハには、電気的に直流バイアスがかけられる。ウエー
ハのバイアス量によって、ターゲット原子がウエーハに
衝突する時のエネルギー及び指向性が決まる。従って、
イオン化PVDプロセスの設計は、イオン化ターゲット
原子が、ウエーハに隣接したプラズマ・シースを通過し
た後、小さい角度の発散を生じ、これによって、縦横比
の大きい、プラグのようなアパーチャの底部を均一に充
填することができるように施される。後述のように、他
の方法を用いて、HDP−PVDプロセスを実施するこ
とも可能である。For example, in US Pat. No. 5,178,739, Barnes et al. Provide a hollow cylindrical sputter target located between an edge sputter target and a substrate, all of which are contained within a vacuum chamber. Has been
A sputter deposition system is described. A magnet is placed outside the vacuum chamber, but adjacent the cylindrical target, to increase the amount of material sputtered from the target by increasing the density of the argon plasma adjacent the cylindrical target. ing. RF power is inductively coupled into the vacuum chamber between the target and the wafer to create a plasma adjacent to the target. When a high level of RF power is coupled into the plasma, a high density plasma (HDP) is created, increasing the portion of the target atoms that will be ionized during transfer to the wafer. The pedestal supporting the wafer, and thus the wafer, is electrically DC biased to attract the ionized target atoms. The bias amount of the wafer determines the energy and directivity when the target atom collides with the wafer. Therefore,
The design of the ionized PVD process produces a small angular divergence of the ionized target atoms after passing through the plasma sheath adjacent to the wafer, which uniformly fills the bottom of the high aspect ratio, plug-like aperture. It is given as you can. As described below, other methods can be used to implement the HDP-PVD process.
【0025】既知のように、金属のイオン化堆積によっ
て、深いホールを充填することが可能であるが、この技
法は、明らかに、標準的なPVDよりも堆積レートが低
くなるので、その利用の経済性が損なわれるし、要求さ
れる電力が大きく、その装置は、標準的なPVD装置よ
りも高価である。こうした欠点にもかかわらず、多くの
人が、縦横比が約2:1を超えるホールの充填にはイオ
ン化PVDが必要であり、標準的なPVD及びリフロー
が後続するコヒーレントPVDのような他の技法では、
ICライン幅の縮小を続ける産業界の要求を満たすこと
ができないと信じている。As is known, it is possible to fill deep holes by ionizing deposition of metals, but this technique clearly has a lower deposition rate than standard PVD, so its economy of use. Loss of power, higher power requirements, and the device is more expensive than standard PVD devices. Despite these shortcomings, many people have found that ionizing PVD is required to fill holes with aspect ratios greater than about 2: 1, and other techniques such as standard PVD and coherent PVD followed by reflow. Then
We believe that we cannot meet the demands of the industrial world, which continues to shrink the IC line width.
【0026】コンタクトホールを充填するアルミニウム
が、下方に位置するシリコンと電気的にコンタクトする
必要があるコンタクトの場合、さらに問題が生じる。ア
ルミニウムとシリコンを直接物理的にコンタクトさせる
場合、アルミニウムがシリコン内に拡散し、その半導体
特性を激しく乱すことになる。従って、シリコンとコン
タクト充填材の間には、バリヤ層を形成しなければなら
ない。典型的な解決策は、プラグ・ホールにアルミニウ
ムを充填する前に、コンタクトホールにTi/TiNハ゛
リヤ層を堆積させることである。しかし、Ti/TiN
バリヤ層は、PVDによって堆積させられるが、結果生
じるTiNは、比較的多孔性であるため、やはり、アル
ミニウムがそれに拡散する可能性がある。結果として、
Ngan他によって米国特許第5,378,660号に
開示されているように、酸素を含む環境において、PV
D堆積によるTi/TiN層を450゜〜480゜C、
あるいは、できれば、それより幾分高い温度でアニール
するのが一般的な方法であった。この処理によって、T
iNの微細孔に酸素が「詰め込まれ」、アルミニウムの
拡散を阻止することになる。A further problem arises when the aluminum filling the contact hole is a contact that needs to make electrical contact with the underlying silicon. When aluminum and silicon are in direct physical contact, aluminum diffuses into the silicon and severely disturbs its semiconductor properties. Therefore, a barrier layer must be formed between the silicon and the contact filler. A typical solution is to deposit a Ti / TiN barrier layer in the contact holes before filling the plug holes with aluminum. However, Ti / TiN
The barrier layer is deposited by PVD, but the resulting TiN is relatively porous so that aluminum can still diffuse into it. as a result,
PV in an oxygen-containing environment, as disclosed by Ngan et al. In US Pat. No. 5,378,660.
Ti / TiN layer by D deposition at 450 ° -480 ° C,
Alternatively, if possible, it was common practice to anneal at a somewhat higher temperature. By this process, T
Oxygen is "stuffed" into the iN micropores, which prevents diffusion of aluminum.
【0027】通常、TiまたはTiNのようなTi化合
物の層は、アルミニウムを濡らすので、アルミニウム
は、その上にビードを形成しなくなり、その上により容
易にフローを生じることになる。ウェッティングによっ
て、適度な温度で狭いプラグ・ホールの充填が促進され
る。しかし、PVDによって堆積したTiNに酸素が詰
め込まれると、そのウエッティング特性が大幅に劣化す
る。この影響を回避するため、Ongは、米国特許第
5,371,042号において、酸素でアニールしたT
iNバリヤ層の上に、TiまたはTiを含む材料による
もう1つのウェッティング層を堆積させることを提案し
ている。このプロセスは、図5の流れ図においてより完
全に示されている。ステップ120では、標準的なPV
Dプロセスを用いて、最初に、Ti層を堆積させ、次
に、その上にTiN層を堆積させる。ステップ122で
は、一般に、独立したアニール室までウエーハを移動さ
せ、酸素環境においてアニールが施される。ステップ1
24では、ウエーハをPVD室に戻し、Ti層のスパッ
タ堆積が施される。ステップ126では、ウエーハをも
う1つのPVD室に送り、第1のコールド・ステップに
おいてアルミニウム層のスパッタ堆積が施され、ホット
・リフロー・ステップがこれに後続する。Typically, a layer of Ti or a Ti compound such as TiN will wet the aluminum so that it will not form beads on it and will more easily flow on it. Wetting facilitates the filling of narrow plug holes at moderate temperatures. However, if TiN deposited by PVD is packed with oxygen, its wetting properties are significantly degraded. To avoid this effect, Ong described in US Pat.
It is proposed to deposit another wetting layer of Ti or a Ti-containing material on top of the iN barrier layer. This process is more fully shown in the flow chart of FIG. In step 120, standard PV
The D process is used to first deposit a Ti layer and then a TiN layer thereon. In step 122, the wafer is generally moved to an independent anneal chamber and annealed in an oxygen environment. Step 1
At 24, the wafer is returned to the PVD chamber and a Ti layer sputter deposited. At step 126, the wafer is sent to another PVD chamber, where a sputter deposition of an aluminum layer is performed in a first cold step, followed by a hot reflow step.
【0028】Ongのプロセスは、現在企図されている
プラグ及びコンタクトについて十分なホール充填をもた
らすものと思われる。しかし、該プロセスは、過度に複
雑であり、酸素中におけるアニールによって分割される
TiまたはTiNの少なくとも2回のPVD堆積を必要
とする。縦横比の大きいプラグに充填するためのより単
純なプロセスを提供することが極めて望ましい。The Ong process appears to provide sufficient hole filling for the currently contemplated plugs and contacts. However, the process is overly complex and requires at least two PVD depositions of Ti or TiN split by annealing in oxygen. It would be highly desirable to provide a simpler process for filling high aspect ratio plugs.
【0029】垂直相互接続のような多くの用途に関し
て、コンタクトまたはを充填するために堆積させられる
アルミニウムは、同時に、誘電体層102の平坦な表面
上にも堆積させられる。図示していないが通常はTiN
による反射防止コーティングの堆積が済むと、その後、
この薄いアルミニウム層には、図6の正投影図に示すよ
うにフォトリソグラフィによるパターン化が施され、下
方に位置する2つのコンタクトまたは132、134を
接続する例示の相互接続130のように、所定の配線パ
ターンによって異なる素子をリンクする相互接続ライン
が形成されるが、132、134の一方または両方と上
に重なる層との接続が可能になる。For many applications, such as vertical interconnects, the aluminum deposited to fill the contacts or fills is also simultaneously deposited on the planar surface of the dielectric layer 102. Not shown but usually TiN
Once the anti-reflective coating has been deposited by
This thin aluminum layer is photolithographically patterned as shown in the orthographic view of FIG. 6 and has a predetermined shape, such as an exemplary interconnect 130 connecting two underlying contacts or 132,134. Although the wiring patterns of (1) and (2) form interconnection lines that link different elements, one or both of 132 and 134 can be connected to an overlying layer.
【0030】先進の集積回路の場合、配線パターンは、
極めて密度の高いものにすることが可能である。従っ
て、相互接続ラインは比較的細くなる。しかし、その細
さのために、電気素子間における相互接続を流れる電流
の、要求されるレベルによって、該相互接続における電
流密度が比較的高くなる。アルミニウムにおける高電流
密度のために、極在化する小さい欠陥136によって生
じるような、ホット・スポットから離れるアルミニウム
の電気移動が生じるのが、周知の問題である。しかし、
この移動によって、ホット・スポット136から材料が
除去されるので、そのポイントにおける相互接続の断面
積が小さくなり、電気移動がさらに促進される。図7に
正投影図で示すように、電気移動によって、小さな欠陥
136のまわりのホット・スポットが、相互接続130
の破損箇所138を生じることになり、これによって、
2つのプラグ132、134間の電気接続が破壊される
可能性がある。従って、電気移動によって、使用期間が
すぎると、アルミニウム相互接続が切断されることにな
る、故障メカニズムが導入される。In the case of advanced integrated circuits, the wiring pattern is
It can be extremely dense. Therefore, the interconnection lines are relatively thin. However, due to its fineness, the required level of current flowing through the interconnect between the electrical elements results in a relatively high current density in the interconnect. It is a well-known problem that the high current density in aluminum causes the electromigration of aluminum away from the hot spot, such as that caused by localized small defects 136. But,
This movement removes material from the hot spot 136, thus reducing the cross-sectional area of the interconnect at that point and further facilitating electromigration. As shown in FIG. 7 in an orthographic view, electromigration causes hot spots around the small defect 136 to appear in the interconnect 130.
Will result in a broken point 138 of the
The electrical connection between the two plugs 132,134 can be destroyed. Therefore, electromigration introduces a failure mechanism that results in the aluminum interconnect being broken after a period of use.
【0031】周知のように、あるタイプの結晶学的配向
が施されたTiNの上にアルミニウムを堆積させると、
電気移動が減少する。Proceedings IEEE VMIC Confe
rence,June 27-29,1995(104/95/0443),p.443の「The e
ffect of reactive-sputtered TiN on electromig
ration of Al alloy metallization」には、Kim他に
よってこうした結果が示されている。Journal of Ele
ctronic Materials,vol.22,1993,pp.589-596の「Relati
onship Between Texture and Electromigration L
ifetime in Sputtered Al-1% Si Thin Films」に
は、Campbell他によってその影響に関する徹底した調査
が示されている。Journal of AppliedPhysics,vol.7
9,1996,pp.2409-2417の「The role of texture in
the electromigration behavior in pure aluminu
m films」では、Knorr他によって、電気移動と堆積した
アルミニウム・フィルムの結晶学的配向とが関連づけら
れている。注目されるのは、Knorr他の報告によれば、
アルミニウムを堆積させる方法の1つにおけるイオンの
含有量が1〜2%という点である。Journal ofApplied
Physics,vol.74,1993,pp.5391-5394の「Correlation
between stress voiding of Al(Si)(Cu)metallizat
ions and crystal orentation ofalumimum grain」
には、Kordic他によって、別の故障モードについて、結
晶学的配向に対する同様の依存性が解説されている。と
もかく、どんなプラグ充填プロセスが開発されるにせ
よ、プレーナ・プロセスと統合可能であって、相互接続
における電気移動を満足のゆく程度に低減させることが
大いに所望される。As is well known, the deposition of aluminum on TiN with some type of crystallographic orientation results in:
Electric transfer is reduced. Proceedings IEEE VMIC Confe
rence, June 27-29, 1995 (104/95/0443), p. 443, `` The e
ffect of reactive-sputtered TiN on electromig
"Ration of Al alloy metallization" shows these results by Kim et al. Journal of Ele
ctronic Materials, vol.22, 1993, pp.589-596 `` Relati
onship Between Texture and Electromigration L
"Ifetime in Sputtered Al-1% Si Thin Films" provides a thorough study of its impact by Campbell et al. Journal of Applied Physics, vol.7
9, 1996, pp.2409-2417, `` The role of texture in
the electromigration behavior in pure aluminu
In "m films," Knorr et al. relate electromigration to the crystallographic orientation of deposited aluminum films. Of note, according to Knorr et al.
The point is that the ion content in one of the methods for depositing aluminum is 1 to 2%. Journal of Applied
Physics, vol.74, 1993, pp. 5391-5394, `` Correlation
between stress voiding of Al (Si) (Cu) metallizat
ions and crystal orentation of alumimum grain ''
Describes a similar dependence on crystallographic orientation for different failure modes by Kordic et al. Regardless, whatever plug fill process is developed, it is highly desirable to be able to integrate it with the planar process and satisfactorily reduce electromigration in the interconnect.
【0032】[0032]
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、とりわけ、縦横比の大きい、コンタクト、ビア、及
び、他のアパーチャに金属または他の材料を充填する方
法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention, inter alia, to provide a method of filling contacts, vias and other apertures having a large aspect ratio with metal or other material.
【0033】もう1つの目的は、経済的で、高い堆積レ
ートを示す前記方法を提供することにある。Another object is to provide such a method which is economical and which exhibits a high deposition rate.
【0034】さらにもう1つの目的は、水平方向の金属
相互接続平面の同時堆積に適合する、こうしたホール充
填プロセスを提供することにある。Yet another object is to provide such a hole filling process that is compatible with the co-deposition of horizontal metal interconnect planes.
【0035】さらにもう1つの目的は、結晶学的な質の
優れた金属平面層を堆積させる方法を提供することにあ
る。Yet another object is to provide a method of depositing a planar metal layer of excellent crystallographic quality.
【0036】以上の及びそれ以外の目的については、明
細書及び請求項を理解することによって明らかになるで
あろう。The above and other objects will become apparent upon an understanding of the specification and claims.
【0037】[0037]
【課題を解決するための手段】本発明は、とりわけ、縦
横比の大きいアパーチャに充填するのに有効な、さら
に、後で相互接続を形成することになる平面金属層の堆
積に有効な、PVD(物理的蒸着)によって金属の堆積
を行う方法と要約することができる。このプロセスに
は、できれば、高堆積レートをもたらす標準的なPVD
プロセスを利用したアルミニウムのPVD堆積が後続す
る、高密度プラズマ(HDP)を利用したPVDプロセ
スによって、ライナー層を堆積させることが含まれる。
該ライナー層には、1〜3の特有の下層が含まれてい
る。Tiのような耐熱金属が望ましい第1の下層は、特
に、金属が下方に位置するシリコンと接続される際に堆
積させられ、Tiを含んでいる。重要な第2の下層は、
耐熱化合物、とりわけ、HDP−PVDによって堆積さ
せると、より平滑で、密度の高い結晶構造を形成するこ
とになる、TiNのような耐熱窒化物を含む。第3の下
層には、Tiのような耐熱金属の上方部分が含まれてお
り、その下方部分におけるTiNから漸変させることが
可能である。それは、2つの機能を実施する。それを形
成することによって、次のウエーハのためのスパッタ・
ターゲットがクリーニングされ、その耐熱金属表面によ
って、狭いアパーチャ内におけるリフローが促進され
る。ホールを充填するため、2ステップ・プロセスで、
すなわち、最初に、コールド堆積、次に、ホット堆積と
いうやり方で、標準的なPVDによって、今日の用途で
はアルミニウムが望ましいとされる相互接続金属の堆積
が行われるが、これは、比較的低い温度範囲内の1つま
たは2つの室内において実施することが可能である。そ
の結果生じるアルミニウムの結晶学的特性によって、電
気移動に対する抵抗力が強化される。さらに、Alの堆
積が後続するHDP TiN層は、平坦化を必要とせ
ず、改良された結晶学的構造に起因する電気移動に対す
る抵抗力の強化の恩恵に浴する他の構造にも適用するこ
とが可能である。The present invention is particularly useful for filling high aspect ratio apertures and for depositing planar metal layers that will later form interconnects. It can be summarized as a method of performing metal deposition by (physical vapor deposition). This process is preferably standard PVD, which results in high deposition rates.
Included is depositing the liner layer by a PVD process utilizing high density plasma (HDP) followed by PVD deposition of aluminum utilizing the process.
The liner layer includes 1-3 unique underlayers. The first underlayer, which is preferably a refractory metal such as Ti, is deposited, especially when the metal is connected to the underlying silicon, and contains Ti. The second important layer is
Includes refractory compounds, especially refractory nitrides such as TiN, which, when deposited by HDP-PVD, will form smoother, denser crystalline structures. The third lower layer contains an upper portion of a refractory metal such as Ti, which can be graded from TiN in the lower portion. It performs two functions. By forming it, the spatter for the next wafer
The target is cleaned and its refractory metal surface facilitates reflow within the narrow aperture. To fill the holes, in a two-step process,
That is, standard PVD deposits the interconnect metal, where aluminum is desirable in today's applications, in a first cold deposition and then a hot deposition, but at relatively low temperatures. It is possible to work in one or two rooms within range. The resulting crystallographic properties of aluminum enhance its resistance to electromigration. In addition, the HDP TiN layer followed by Al deposition does not require planarization and may be applied to other structures that benefit from enhanced resistance to electromigration due to the improved crystallographic structure. Is possible.
【0038】[0038]
【発明の実施の形態】高アスペクト比を有するプラグの
充填がプラグホール又は他のアパーチャの内部をライナ
ー層で予め被覆することによって容易にできることを発
見した。ライナー堆積は、高密度プラズマを使用する物
理的気相堆積(PVD)によって実行される。そのよう
に形成されたライナー層は、アルミニウムのような後堆
積金属に対してその強い結晶配向、高密度、表面平滑
度、及び増加されたぬれ性によって特徴付けられてい
る。ライナー層は、アパーチャを充填するための標準P
VD処理によって堆積される材料の流れを促進し、充填
処理は、500℃より著しく低く、400℃よりもさら
に低い、比較的低い温度で実行できる。好ましくは、ラ
イナー層は窒化チタンの下層で形成されている。窒化チ
タンのいかなる酸素アニール又は他の酸素処理も、バリ
ヤ層の役目を果たすのに必要ない。電気的にコンタクト
されるべき下にある材料がシリコンである場合、窒化チ
タンの下層は、高温アニールでシリコンによってケイ化
物にされることができるチタンの下層の上に堆積される
ことができる。ケイ化チタンの2面間の層は、電子バリ
ヤの高さの金属ー半導体の中間面をほぼ減少し、したが
って良好なオームコンタクトを生成する。チタンの最上
部下層は、窒素のターゲットをクリーンにし、さらに狭
いプラグの中へのリフローを促進する。It has been discovered that filling a plug having a high aspect ratio can be facilitated by pre-coating the interior of the plug hole or other aperture with a liner layer. Liner deposition is performed by physical vapor deposition (PVD) using high density plasma. The so-formed liner layer is characterized by its strong crystallographic orientation, high density, surface smoothness, and increased wettability with respect to post-deposited metals such as aluminum. The liner layer is a standard P for filling the aperture.
The VD process promotes the flow of the deposited material and the filling process can be carried out at relatively low temperatures, significantly below 500 ° C and even below 400 ° C. Preferably, the liner layer is formed under the titanium nitride. No oxygen anneal or other oxygen treatment of titanium nitride is required to act as a barrier layer. If the underlying material to be electrically contacted is silicon, a titanium nitride underlayer can be deposited over the titanium underlayer, which can be silicided by silicon in a high temperature anneal. The two-sided layer of titanium silicide substantially reduces the electron-barrier height metal-semiconductor interface and thus produces a good ohmic contact. The topmost underlayer of titanium cleans the nitrogen target and promotes reflow into the narrower plug.
【0039】例えば、我々はアルミニウムの上にある金
属層が、2つのステップ、すなわちコールドーホットP
VD処理で堆積されるのが好ましいことをホール充填に
対しても発見した。ホット堆積さえ、好ましくは350
℃〜420℃の範囲又はさらに低い範囲の、比較的低い
温度で実行できる。For example, we have found that the metal layer on top of aluminum has two steps: cold hot P.
It has also been found for hole filling that deposition by VD processing is preferred. Even hot deposition, preferably 350
It can be carried out at relatively low temperatures in the range of ° C to 420 ° C or even lower.
【0040】図8の断面図は、例えば、シリコン基板1
44の上に形成された二酸化シリコンの誘電体層142
を通るコンタクト140を含む本発明の実施例を示す。
誘電体層142を通る図示されたコンタクト140は、
1.2μmの典型的な厚さ148を有する誘電体層14
2を通る0.25μmの典型的な幅146を有する。コ
ンタクト140は大体一定の比率に応じて示されている
が、コンタクトの中に充填された層は、明瞭にするため
に幾分誇張された厚さを有している。特に、コンタクト
側壁152上の層厚さは著しく誇張されている。前述の
コンタクトの寸法は、コンタクト140の約5:1のア
スペクト比を結果として生じ、本発明が重要となる近傍
である。これらの寸法のプラグが、アプライドマテリア
ル社から入手できるHDP酸化エッチング室内でCF4
又はC2F6でエッチングできることは公知である。しか
しながら、このような等しい寸法のプラグ又はトレンチ
のような充填は、現時点では著しい技術的な問題を提示
している。The sectional view of FIG. 8 shows, for example, a silicon substrate 1.
A dielectric layer 142 of silicon dioxide formed on 44
3 illustrates an embodiment of the present invention including a contact 140 therethrough.
The illustrated contact 140 through the dielectric layer 142 is
Dielectric layer 14 having a typical thickness 148 of 1.2 μm
It has a typical width 146 of 0.25 μm through 2. The contacts 140 are shown to a roughly constant ratio, but the layers filled in the contacts have a somewhat exaggerated thickness for clarity. In particular, the layer thickness on the contact sidewall 152 is greatly exaggerated. The contact dimensions described above result in an aspect ratio of about 5: 1 of the contact 140, which is an important neighborhood for the present invention. Plugs of these dimensions can be used with CF 4 in HDP oxide etch chambers available from Applied Materials.
Alternatively, it is known that etching can be performed with C 2 F 6 . However, such equal-sized plugs or trench-like fillings present a significant technical problem at this time.
【0041】本発明によると、好ましくはアルミニウム
又はアルミニウム合金である金属層156がPVD処理
によってコンタクト140の中に堆積される前に、高密
度プラズマを使用するPVD処理は、誘電体層142の
コンタクト140の両側152及び最下部154の上に
ライナー層150を被覆するために使用される。ライナ
ー層150は本発明では付加的な機能をとるが、それは
しばしばバリヤ層と称される。一般的には、ライナー層
150は、誘電体142の上部表面158上に同時に被
覆されているので、金属層156は、コンタクトホール
140を充填するばかりでなく、ライナー層150が介
在する平らな誘電体面158の上を横方向に延びる。し
たがって、ライナー層及び塗布(coater)層150、15
6は、コンタクト140と連結するように相互接続する
金属のような表面特徴を形成するためにフォトリソグラ
フィによって画成されることができる。According to the present invention, a PVD process using a high density plasma is used to contact the dielectric layer 142 before the metal layer 156, which is preferably aluminum or an aluminum alloy, is deposited in the contact 140 by a PVD process. Used to coat liner layer 150 on both sides 152 and bottom 154 of 140. Although liner layer 150 performs an additional function in the present invention, it is often referred to as a barrier layer. In general, since the liner layer 150 is simultaneously coated on the top surface 158 of the dielectric 142, the metal layer 156 not only fills the contact hole 140, but also flattenes the dielectric layer 156 through which the liner layer 150 intervenes. It extends laterally over the body surface 158. Therefore, the liner layer and the coater layer 150, 15
6 can be photolithographically defined to form metal-like surface features that interconnect to interlock with contacts 140.
【0042】金属層156は、ライナー層150又はそ
の下層のいずれとも機能的に判別されることができる。
ライナー層及びその下層は、フィルムの小さい寸法、す
なわち、その厚さを横切って導電することが予測されて
いる点で横の薄いフィルムとして機能する。したがっ
て、ライナー層及びその下層は導電する必要があるが、
その導電率の値は重要でなく、確かに窒化チタン及びチ
タンさえもアルミニウムよりも著しく小さい導電率を示
す。しかしながら、金属層は本体の主要寸法に沿ってあ
る方向に導電するように予測されている。主要寸法は、
プラグの深さ又は相互接続の縦の大きさであり得る。い
ずれの場合も、特に相互接続の場合を除いて、金属層の
低い抵抗が重要になる。Metal layer 156 can be functionally distinguished from either liner layer 150 or the underlying layers.
The liner layer and its underlying layers act as a lateral thin film in that it is expected to conduct across a small dimension of the film, namely its thickness. Therefore, the liner layer and the underlying layer need to be electrically conductive,
Its conductivity value is not critical, and certainly titanium nitride and even titanium show significantly less conductivity than aluminum. However, the metal layer is expected to conduct in a direction along the major dimension of the body. The main dimensions are
It can be the depth of the plug or the vertical size of the interconnect. In either case, the low resistance of the metal layer is important, especially in the case of interconnections.
【0043】HDPーPVD及び圧力依存関係の理論 本発明は、我々がその効果を説明すると信じている理論
によって限定されないが、下記の説明は本発明の機構の
いくつかの我々の理解を含んでいる。Theory of HDP-PVD and Pressure Dependence The present invention is not limited by the theory we believe to explain its effects, but the description below includes some of our understanding of the mechanism of the invention. There is.
【0044】ライナー層に対して好ましいHDPーPV
D処理によってスパッタされる粒子は10%〜100%
の範囲のイオン化部分で完全に又は部分的にイオン化さ
れると信じられている。イオン化部分は、RF電力レベ
ル及び処理ガスの圧力によって主に制御される。イオン
化部分は通常直接に測定されないが、イオン化の程度
は、結果として生じる狭いプラグの充填を示す走査電子
顕微鏡写真(SEM)の目視検査によって監視される。
さらに、イオン化されたスパッタ粒子は静電的に直流バ
イアスされた基板に引き寄せられ、この引き寄せは有効
的に狭いプラグホールの最下部を被覆し、より薄い層で
両側を被覆するために使用されることができると思われ
る。基板の直流バイアスは、直流自己バイアスを形成す
る基板ホールのRFバイアスで達成されることができる
ことが理解される。確かに、直流バイアスは、ウエーハ
の誘電体部分上に形成される電荷のために好ましくな
い。HDP-PV preferred for liner layer
Particles sputtered by D treatment are 10% to 100%
It is believed to be fully or partially ionized in the ionizing portion in the range of. The ionization portion is primarily controlled by the RF power level and the pressure of the process gas. The ionization fraction is usually not measured directly, but the degree of ionization is monitored by visual inspection of scanning electron micrographs (SEM) showing the resulting packing of narrow plugs.
In addition, the ionized sputtered particles are attracted to the electrostatically DC biased substrate, which effectively covers the bottom of the narrow plug hole and is used to coat both sides with a thinner layer. It seems that you can do it. It is understood that the DC bias of the substrate can be achieved with the RF bias of the substrate hole forming a DC self-bias. Indeed, DC bias is not preferred due to the charge formed on the dielectric portion of the wafer.
【0045】高密度プラズマは、内部の全容積を実質的
に充填し、1011cm-3よりも大きい平均イオン化密度
を有すると考えられる。実質的に容積を充填するプラズ
マは、境界層(外装)を充填することも予測されない
し、小さいアパーチャの背後の容積のような陰になった
容積を充填することも予測されない。プラズマの全容積
にわたって平均化されると、そのプラズマ密度は非常に
小さいために、容積充填要件は、1011cm-3より上の
プラズマ密度を限定するがHDP発生源とみなされない
プラズマ発生源について区別するように課される。例え
ば、標準マグネトロンスパッタ発生源は、ターゲットの
近くの浸食トラック内に非常に高いプラズマ密度を有す
るが、密度はターゲットから僅かな距離でさえ離れると
非常に低い。プラズマ密度を測定する好ましい方法は、
1993年に発行された「Journal ofVacuum Science and
Technology A」(第11巻、pp152〜156)のHopwood他著の
論文「RF誘導プラズマのラングミュアプローブ」に記
載されているようなラングミュアプローブの使用による
ものである。このような高密度プラズマは、多数の方法
によって達成されることができ、そのいくつかの例は下
記に示されている。It is believed that the high density plasma fills substantially the entire internal volume and has an average ionization density of greater than 10 11 cm -3 . A plasma that substantially fills a volume is not expected to fill the boundary layer (sheath), nor is it expected to fill a shadowed volume, such as the volume behind a small aperture. Volume-filling requirements limit plasma densities above 10 11 cm −3 but are not considered HDP sources because the plasma density is very small when averaged over the entire volume of the plasma. Imposed to distinguish. For example, a standard magnetron sputter source has a very high plasma density in the erosion track near the target, but the density is very low even a short distance from the target. A preferred method of measuring plasma density is
`` Journal of Vacuum Science and
Technology A "(Vol. 11, pp 152-156) by the use of Langmuir probes as described in the paper" Langmuir probes for RF induction plasmas "by Hopwood et al. Such high density plasma can be achieved by a number of methods, some examples of which are given below.
【0046】粒子がターゲットからスパッタされる場
合、粒子は通常は中性である。粒子は、ターゲットと基
板との間に介在する高密度プラズマを通過するときにイ
オン化されることができる。その結果生じる金属スパッ
タイオンは、適当に基板をバイアスすることによって基
板に指向されることができる。さらに、基板バイアス
は、金属イオンの投射エネルギーを制御するために使用
されることができ、したがって、より密で、より滑らか
なフィルムを達成するためのツールを提供する。When the particles are sputtered from the target, the particles are usually neutral. The particles can be ionized as they pass through a high density plasma interposed between the target and the substrate. The resulting metal sputter ions can be directed onto the substrate by biasing the substrate appropriately. Further, substrate bias can be used to control the projection energy of metal ions, thus providing a tool to achieve denser, smoother films.
【0047】2つのイオン化処理は、スパッタ原子が高
密度プラズマを通過し、プラズマ粒子内で粒子と相互作
用するときにスパッタ原子のイオン化をもたらすことが
できる。電子が原子のイオン化ポテンシャルよりも大き
いエネルギーを有するならば、プラズマにおけるスパッ
タ原子と電子との衝突は、スパッタ原子をイオン化でき
る。通常スパッタされるいくつかの金属のイオン化ポテ
ンシャルは表1に示される。Two ionization processes can result in the ionization of sputtered atoms as they pass through the dense plasma and interact with the particles within the plasma particles. The collision of sputtered atoms with electrons in the plasma can ionize the sputtered atoms if the electrons have an energy greater than the ionization potential of the atoms. The ionization potentials of some commonly sputtered metals are shown in Table 1.
【0048】[0048]
【表1】 第2のイオン化処理では、スパッタ原子とバックグラウ
ンドガスの準安定の中性子との衝突もまた、ペニングイ
オン化として知られている処理においてスパッタ原子を
イオン化できる。アルゴンは、スパッタにおいて最も一
般的に使用されるバックグラウンドガスである。アルゴ
ンは約12eVの準安定エネルギーを有するので、準安
定原子は重要なイオン化の発生源であり得る。[Table 1] In the second ionization process, collisions of sputtered atoms with metastable neutrons of the background gas can also ionize sputtered atoms in a process known as Penning ionization. Argon is the most commonly used background gas in sputtering. Since argon has a metastable energy of about 12 eV, metastable atoms can be a significant source of ionization.
【0049】図10に関係して詳細に後述される好まし
いPVDプラズマ反応装置は、チャンバの側面の周りに
巻かれている、RF電源に接続された誘導コイルによっ
て高密度プラズマを発生する。コイルを介して供給され
たRF電力は、通常軸方向の磁界を介して、チャンバ内
部に通常方位角にあり、バックグラウンドガス(アルゴ
ン)の分解を生じるのに十分強い電界を形成する。コイ
ル及びプラズマは、コイルが一次巻線でプラズマが巻数
1回の二次巻線である場合、変圧器とみなされることが
ある。この二次巻線に誘導された電流は主に循環する電
子で構成されている。The preferred PVD plasma reactor, described in detail below in connection with FIG. 10, produces a high density plasma with an induction coil connected to an RF power supply, wound around the sides of the chamber. The RF power supplied through the coil, usually via an axial magnetic field, is normally in azimuth inside the chamber and forms an electric field strong enough to cause decomposition of the background gas (argon). The coil and plasma may be considered a transformer if the coil is a primary winding and the plasma is a one-turn secondary winding. The current induced in this secondary winding is mainly composed of circulating electrons.
【0050】プラズマ密度は、通常コイルに印加される
RF電力に直線的に依存しているので、RF電力を二倍
にすることはプラズマ密度を二倍にする。しかしなが
ら、ターゲットに印加される直流電力は、プラズマ密度
を低下させる傾向があり、より多くスパッタされた原子
がプラズマに付加されるときプラズマにおける電子エネ
ルギーは降下する。したがって、スパッタ原子のイオン
化の部分は、RF電力を増加する場合、増加し、直流タ
ーゲット電力を増加する場合、減少する。Since the plasma density is usually linearly dependent on the RF power applied to the coil, doubling the RF power doubles the plasma density. However, the DC power applied to the target tends to reduce the plasma density and the electron energy in the plasma drops as more sputtered atoms are added to the plasma. Therefore, the ionization fraction of sputtered atoms increases when increasing RF power and decreases when increasing DC target power.
【0051】スパッタされた金属原子のイオン化の確率
は、プラズマ密度並びに金属原子がプラズマ内で費やす
時間の長さの両方に依存する。典型的な低圧スパッタで
は、スパッタ原子は、1から10eVのオーダーの顕著
なエネルギーを有するターゲットから放出される。この
ように、スパッタ原子は、ターゲットの方向に高速に進
行し、イオン化の低確率をもたらす。イオン化確率は、
衝突がエネルギーの減少及び方向のランダム化の両方を
行うプラズマ内の粒子とスパッタ原子の衝突を確実にす
ることによって劇的に増加されることができる。衝突確
率はより高いガス圧力でプラズマを機能することによっ
て増加される。一旦イオンのエネルギーが減少される
と、ウエーハ表面に垂直なその速度は、基板バイアスに
よって増加されることができる。The probability of ionization of sputtered metal atoms depends on both the plasma density as well as the length of time the metal atoms spend in the plasma. In a typical low pressure sputter, sputtered atoms are emitted from a target that has significant energy on the order of 1 to 10 eV. Thus, sputtered atoms travel rapidly toward the target, resulting in a low probability of ionization. The ionization probability is
Collisions can be dramatically increased by ensuring collisions of sputtered atoms with particles in the plasma that both reduce energy and randomize directions. The collision probability is increased by operating the plasma at higher gas pressures. Once the energy of an ion is reduced, its velocity perpendicular to the wafer surface can be increased by the substrate bias.
【0052】原子が、アルゴンバックグラウンドガスに
おけるチタンターゲットから高アスペクト比を有するア
パーチャへスパッタされる実験が実行された。最下部被
覆率はいろいろなアルゴン圧力で測定された。最下部被
覆率は、アパーチャの最下部で堆積された金属の厚さと
平らな表面上に堆積された厚さとを比較する。図9の線
159で示された結果は、10mTorr及びそれ以下で、
最下部被覆率が20%より小さいことを示している。最
下部被覆率は、10mTorr以上で増加し、30mTorrで約
50%であった。依存関係が約50mTorrで漸近線に近
づくことが予測される。これらのデータは、スパッタリ
ング中の圧力が10mTorr以上、好ましくは30mTorr又
はそれ以上であるべきであることを示している。これら
の値は、アパーチャの幾何学的形状、ターゲット材料、
及びチャンバ設計に依存するので、約1mTorrと100m
Torr間の好ましい圧力範囲が予想される。Experiments were performed in which atoms were sputtered from a titanium target in an argon background gas into an aperture having a high aspect ratio. Bottom coverage was measured at various argon pressures. The bottom coverage compares the thickness of metal deposited at the bottom of the aperture with the thickness deposited on a flat surface. The result, shown by line 159 in FIG. 9, is at 10 mTorr and below,
It shows that the bottom coverage is less than 20%. The bottom coverage increased above 10 mTorr and was about 50% at 30 mTorr. It is expected that the dependency will approach the asymptote at about 50 mTorr. These data indicate that the pressure during sputtering should be above 10 mTorr, preferably above 30 mTorr. These values are based on the aperture geometry, target material,
And about 1 mTorr and 100 m depending on the chamber design
A preferred pressure range between Torr is expected.
【0053】基板上に投射するスパッタ原子の方向性
は、基板バイアスによって決定され、深いホール充填の
場合、ウエーハ平面に垂直な速度成分は平行成分よりも
非常に大きくあるべきである。基板バイアスの静電引力
は、垂直成分だけ増加するのに対して、高圧操作は、静
電引力よりも前に垂直成分と同様に平行成分を減少す
る。特定の基板バイアスがない場合さえ、プラズマ電位
とウエーハの浮遊電位との差が存在するので、投射イオ
ンはある方向性を示す。浮遊電位は−2Vのオーダであ
る。プラズマ電位を測定しなかったが、10Vから30
Vのオーダーであると予測される。基板とプラズマとの
間のいかなる電位差も、通常中性であるが、導電性のプ
ラズマと基板との間の薄い境界層においてのみ現れる。
この境界層は、高密度プラズマの場合、1mmよりも小
さい幅を有するプラズマ外装(sheath)として知られてい
る。The directionality of the sputtered atoms projecting onto the substrate is determined by the substrate bias, and for deep hole filling the velocity component perpendicular to the wafer plane should be much larger than the parallel component. The electrostatic attraction of the substrate bias increases by the vertical component, while high voltage operation reduces the parallel component as well as the vertical component before the electrostatic attraction. Even in the absence of a specific substrate bias, there is a difference between the plasma potential and the floating potential of the wafer, so that the projected ions are directional. The floating potential is on the order of -2V. The plasma potential was not measured, but from 10V to 30
V order is expected. Any potential difference between the substrate and the plasma, which is usually neutral, appears only in the thin boundary layer between the conducting plasma and the substrate.
This boundary layer is known as a plasma sheath with a width of less than 1 mm for high density plasmas.
【0054】コンタクト構造 ライナー層150の第1の実施例は、3つの下層を含ん
でいる。この実施例のためにもたらされた材料は、本発
明で使用される可能な材料を全て含むものでない。Contact Structure The first embodiment of the liner layer 150 includes three underlayers. The materials provided for this example do not include all of the possible materials used in the present invention.
【0055】第1の下層160は、スパッタリング処理
中チタンターゲットからスパッタされ、部分的又は完全
にイオン化されるチタンを含んでいる。第1の下層16
0は、高温アニールステップによって下にあるシリコン
144とケイ化物にされてもよい。下にある基板が金属
相互接続のような金属であるならば、それほど著しく必
要とされない。The first underlayer 160 comprises titanium which is sputtered from a titanium target during the sputtering process and is partially or fully ionized. First lower layer 16
The 0 may be silicided with the underlying silicon 144 by a high temperature anneal step. If the underlying substrate is a metal, such as a metal interconnect, then it is not so much needed.
【0056】第2の下層162は、チタン化合物、この
ましくは、窒化チタンを含む。好ましくは、窒化チタン
は反応的にスパッタされる。この処理では、チタンはチ
タンターゲットからスパッタされ、またイオン化もされ
る。チタンは、圧力を減少するためにプラズマ反応室を
充填する窒素ガスと反応し、反応化合物窒化チタンがウ
エーハ上に被覆される。The second lower layer 162 contains a titanium compound, preferably titanium nitride. Preferably, titanium nitride is reactively sputtered. In this process, titanium is sputtered from a titanium target and also ionized. Titanium reacts with the nitrogen gas filling the plasma reaction chamber to reduce the pressure and the reactive compound titanium nitride is coated on the wafer.
【0057】第3の下層164は、窒化チタンとして始
まり、比較的純粋なチタンとして終わる漸変するスパッ
タ堆積材料の層である。この下層164は、その成分も
またTiyNx(ここで、y≧xである)と指定されるこ
とができるが、TiNx層(ここで、xは原子百分率で
約1から0まで変わる)としばしば称される。The third underlayer 164 is a graded layer of sputter deposited material that begins as titanium nitride and ends as relatively pure titanium. This underlayer 164 has a TiN x layer (where x varies from about 1 to 0 in atomic percent), although its composition can also be designated as Ti y N x, where y ≧ x. ) Is often referred to.
【0058】厚さが5〜100nm、好ましくは40〜
80nmの範囲にある得るが、ライナー層150の全厚
さは平坦な最上部表面158上で測定されたとき約80
nmである。イオン化されたPVDによる3つの下層1
60、162、164の形成は、側面162のある程度
と、及び特にコンタクトホール140の最下部154を
被覆することを確実にする。 HPD−PVDで堆積さ
れたライナー層150は、アルミニウムでのコンタクト
ホール140の有効充填を促進し、都合よく上に堆積さ
れた金属内部の高度に配向された結晶構造を促進する3
つの特性を有するように見える。The thickness is 5 to 100 nm, preferably 40 to
Although in the range of 80 nm, the total thickness of liner layer 150 is about 80 when measured on flat top surface 158.
nm. Three lower layers 1 with ionized PVD
The formation of 60, 162, 164 ensures that it covers some of the side surface 162 and, in particular, the bottom 154 of the contact hole 140. The HPD-PVD deposited liner layer 150 facilitates effective filling of the contact holes 140 with aluminum and conveniently facilitates the highly oriented crystalline structure within the deposited metal. 3
Looks like it has two characteristics.
【0059】第一番目に、ライナー層150のHPD−
PVD堆積、すなわち主に元素からなるチタン層160
及び反応的にスパッタされた窒化チタン下層162の両
方は、コンタクト140の最下部154を覆う層を堆積
する際に高い最下部被覆率を与える。スパッタされた粒
子の少なくとも相当な部分のイオン化によって、粒子が
ウエーハ144の表面と直角を成す角度で引き寄せら
れ、したがって深く狭いコンタクトホール140の中へ
大いに入り込むことができると思われる。側壁152の
被覆は、さらに効果が低いが、約10%の被覆率のため
になお生じる。First, the liner layer 150 HPD-
PVD deposition, ie titanium layer 160 consisting mainly of elements
Both and the reactively sputtered titanium nitride underlayer 162 provide high bottom coverage in depositing the layer over the bottom 154 of the contact 140. It is believed that the ionization of at least a substantial portion of the sputtered particles causes the particles to be attracted at an angle that is at right angles to the surface of the wafer 144, and thus can penetrate deeply into the deep and narrow contact hole 140. The coating of sidewalls 152 is less effective, but still occurs due to the coverage of about 10%.
【0060】第二番目に、HPD−PVD堆積は、非常
に滑らかな表面を有するライナー層150を生じる。こ
の効果は、チタン及び窒化チタン基板160、162で
起こると思われる。走査電子顕微鏡写真は、そのように
堆積されたライナー層の窒化チタン部が、非常に滑らか
な表面を有する密な結晶構造を有し、結晶構造が高材料
密度を示すことを示している。両方の効果は、平均熱エ
ネルギーが非常に低い場合、リフローと対照的に、約1
0eVの比較的高いエネルギーで基板に突き当たるイオ
ン化されたスパッタ粒子から生じると思われる。SEM
は、表面が、従来的にスパッタされた層を有する4〜5
nmの従来の値の約3分の一である約1.5nmRMS
(二乗平均平方根)の表面粗面度を有することを示す。
表面粗面度は、表面のSEM断面を目視検査すること、
及び平均表面レベルと上部及び下部の表面偏位の両方を
決定することによって測定される。偏位のRMS値は、
通常の統計サンプリングによって決定される。高密度
は、HPD堆積された窒化チタンが多孔質でなく、した
がっていかなる多孔質通路を詰めるためにアニールされ
る必要がないことを意味している。すなわち、HDP堆
積されるような窒化チタンは、有効なバリヤ層を提供す
る。Second, HPD-PVD deposition yields a liner layer 150 with a very smooth surface. This effect is believed to occur with titanium and titanium nitride substrates 160, 162. Scanning electron micrographs show that the titanium nitride portion of the so-deposited liner layer has a dense crystalline structure with a very smooth surface, with the crystalline structure exhibiting a high material density. Both effects have about 1 in contrast to reflow when the average thermal energy is very low.
It is believed to result from ionized sputtered particles striking the substrate with a relatively high energy of 0 eV. SEM
4-5, the surface of which has conventionally sputtered layers
about 1.5 nm RMS, which is about one third of the conventional value of nm
It has a surface roughness of (root mean square).
The surface roughness is obtained by visually inspecting the SEM cross section of the surface,
And the average surface level and the top and bottom surface excursions are both determined. The deviation RMS value is
Determined by normal statistical sampling. High density means that the HPD deposited titanium nitride is not porous and therefore does not need to be annealed to fill any porous passages. That is, titanium nitride, such as HDP deposited, provides an effective barrier layer.
【0061】第三番目に、そのように形成されたライナ
ー層150は、後堆積材料、特にアルミニウム及びその
合金に対して高度のぬれ性を示す。ライナー層とアルミ
ニウムとの間の界面での強いぬれ性のために、アルミニ
ウムの露出された表面上の表面張力は十分低く、アルミ
ニウムが数珠形にならず、したがってぬれ性はアルミニ
ウムが短い時間に低い温度でコンタクトホール140の
壁に沿って流れるのに有利である。ぬれ性はチタンで提
供されたぬれ性よりも小さいが、窒化チタン下層さえも
良好なぬれ性を与え、酸素を詰め込む必要もない。Third, the so-formed liner layer 150 exhibits a high degree of wettability with post-deposited materials, especially aluminum and its alloys. Due to the strong wettability at the interface between the liner layer and the aluminum, the surface tension on the exposed surface of the aluminum is low enough that the aluminum does not become beaded and thus the wettability is low for the aluminum in a short time. It is advantageous for the temperature to flow along the wall of the contact hole 140. Wettability is less than that provided by titanium, but even the titanium nitride underlayer provides good wetting and does not require oxygen stuffing.
【0062】さらに、下にある材料がシリコンであるな
らば、ライナー層150は、2つの付加機能を行なう。
ライナー層の窒化チタン部分は、アルミニウムとシリコ
ン基板144との間のバリヤ層としての役目を果たし、
したがってアルミニウムがシリコンの中に移動し、その
敏感な半導体特性に影響を及ぼすことを防止する。シリ
コン基板144はポリシリコンレベル、ライン、又は他
の特徴であり得るが、それはまた、ドーピング濃度が重
要であるトランジスタの一部を構成する不純物を加えら
れた結晶領域であってもよい。また、最下のチタン下層
160は、シリコン基板144のためにケイ化物にされ
ることができる。すなわち、チタンがシリコン上に堆積
された後、一般にはライナー層の第1の2つの下層が堆
積された後に、ウエーハは、界面近くのシリコン下層部
分(underlayment)の一部及びチタン層を一緒に拡散さ
せ、漸変する成分の合金領域を形成するように600℃
又はそれ以上の十分高い温度でアニールされることがで
きる。ケイ化物にすることは、界面でのエネルギーバリ
ヤを減少することによってオームコンタクトの形成を助
ける。Further, if the underlying material is silicon, liner layer 150 performs two additional functions.
The titanium nitride portion of the liner layer serves as a barrier layer between the aluminum and silicon substrate 144,
Therefore, aluminum is prevented from migrating into the silicon and affecting its sensitive semiconductor properties. The silicon substrate 144 can be a polysilicon level, line, or other feature, but it can also be a doped crystalline region that forms part of the transistor where the doping concentration is important. Also, the bottom titanium underlayer 160 can be silicided for the silicon substrate 144. That is, after the titanium is deposited on the silicon, typically after depositing the first two underlayers of the liner layer, the wafer holds the titanium layer together with a portion of the silicon underlayment near the interface. 600 ° C to diffuse and form alloy regions with graded components
Alternatively, it may be annealed at a sufficiently high temperature, or higher. The silicidation aids in ohmic contact formation by reducing the energy barrier at the interface.
【0063】前述の成分のライナー層150と共に、金
属層156は、従来のPVD処理によって堆積されるこ
とができ、比較的低い温度で及び比較的短い時間の間
に、実行されるリフロー処理は、ボイドの形成なしにコ
ンタクト140をさらに充填できる。好ましくは、下記
に詳述されるように、アルミニウム堆積は、より長いホ
ット堆積が後に続く短い初期のコールド堆積を有する2
つのステップPVD処理である。より多くのデータが後
に提示されるが、480℃よりも低く、350℃と同じ
くらい低い実際のリフロー温度が確認され、より低い温
度限界は、多くの材料の組み合わせ及び妥当なリフロー
期間によって320℃であることが予測される。例え
ば、2分間390℃でのリフロー、又は10分間350
℃でのリフローはコンタクトホールを充填する。したが
って、従来技術のいくつかの提案に反して、全てのプラ
グ充填に対してイオン化堆積は必要されない。そしてそ
の上により低いリフロー温度は、感温素子が既に形成さ
れた後にPVDが実行されることを可能にする。金属堆
積のバルクのための標準PVD堆積は、そのより高い堆
積速度のために非常に好ましく、システムで可能である
スループットを非常に増加する。同様に、金属層156
を堆積するための標準PVDの使用は、PVDシステム
のコスト及び複雑さを著しく低減する。 HDP−PVDチャンバ HDP−PVDプラズマチャンバの例は図10に示され
ている。真空室170は、スパッタターゲット172及
び処理されているウエーハ176を支持する基板ペデス
タル174を含む空間を囲む。スパッタターゲット17
2は、真空室170の壁の一部を形成するが、その残り
から電気的に絶縁されている。ターゲット172の後部
に配置されたスパッタマグネット178の回転アレー
は、スパッタ速度を増加するためにターゲット172に
隣接して強力なプラズマを形成するマグネトロンターゲ
ットアセンブリを形成する。DC電源180は、基板ペ
デスタル174にたいしてスパッタターゲット172を
負にバイアスするので、ターゲット172は陰極として
の役目を果たし、チャンバ壁170は陽極としての役目
を果たす。負の電圧は、真空室170内部のアルゴンプ
ラズマを部分的に維持し、したがってターゲット172
から粒子をスパッタするのに十分なエネルギーでターゲ
ット172に突き当たるようにイオン化アルゴン原子を
引き寄せる。RF電源182は、プラズマに対してペデ
スタル174を直流自己バイアスし、したがってウエー
ハ176に突き当たる粒子のエネルギーを制御するよう
に基板ペデスタル174に接続される。The metal layer 156, along with the liner layer 150 of the components described above, can be deposited by a conventional PVD process, and the reflow process performed at a relatively low temperature and for a relatively short period of time comprises: The contact 140 can be further filled without the formation of voids. Preferably, the aluminum deposit has a short initial cold deposit followed by a longer hot deposit, as detailed below.
It is a one-step PVD process. More data will be presented later, but actual reflow temperatures below 480 ° C and as low as 350 ° C were confirmed, lower temperature limits due to many material combinations and reasonable reflow periods to 320 ° C. Is expected to be For example, reflow at 390 ° C for 2 minutes, or 350 for 10 minutes.
Reflow at ℃ fills the contact hole. Therefore, contrary to some proposals in the prior art, ionization deposition is not required for all plug fills. And the lower reflow temperature then allows PVD to be performed after the temperature sensitive element has already been formed. Standard PVD deposition for bulk metal deposition is highly preferred due to its higher deposition rate, greatly increasing the throughput possible with the system. Similarly, the metal layer 156
The use of standard PVD for depositing PVD significantly reduces the cost and complexity of PVD systems. HDP-PVD Chamber An example of a HDP-PVD plasma chamber is shown in FIG. Vacuum chamber 170 encloses a space containing a sputter target 172 and a substrate pedestal 174 supporting a wafer 176 being processed. Sputter target 17
2 forms part of the wall of the vacuum chamber 170, but is electrically insulated from the rest. A rotating array of sputter magnets 178 located behind the target 172 forms a magnetron target assembly that forms a strong plasma adjacent the target 172 to increase the sputter rate. The DC power supply 180 negatively biases the sputter target 172 with respect to the substrate pedestal 174 so that the target 172 acts as a cathode and the chamber wall 170 acts as an anode. The negative voltage partially maintains the argon plasma inside the vacuum chamber 170 and thus the target 172.
Attract the ionized argon atoms so that they strike the target 172 with sufficient energy to sputter particles therefrom. An RF power source 182 is connected to the substrate pedestal 174 to DC direct bias the pedestal 174 with respect to the plasma and thus control the energy of the particles impinging on the wafer 176.
【0064】高密度プラズマを達成するために、誘導コ
イル186はターゲット陰極172とペデスタル陽極1
74との間の空間を囲み、他のRF電源188は、コイ
ル186の両端間に接続される。コイル186は、大量
のRFエネルギーをプラズマに誘導的に結合する。真空
室170の壁の正確な形状及びコイル186は本発明に
は重要でなく、図10は、単に概略的に表されている。
したがって、コイル186は真空室170の内部にある
ように示されているが、真空室170の片側を形成する
円筒状誘電体壁の外部にコイルを配置することが可能で
あり、コイルの他の形状及び配置は可能である。To achieve a high density plasma, the induction coil 186 includes a target cathode 172 and a pedestal anode 1.
Another RF power source 188 is connected between both ends of the coil 186, which encloses a space between the coil 186 and the coil. The coil 186 inductively couples a large amount of RF energy into the plasma. The exact shape of the walls of the vacuum chamber 170 and the coil 186 are not critical to the invention and FIG. 10 is only represented schematically.
Thus, although the coil 186 is shown to be inside the vacuum chamber 170, it is possible to place the coil outside the cylindrical dielectric wall that forms one side of the vacuum chamber 170, and other coils. Shapes and arrangements are possible.
【0065】コイル186によってプラズマに供給され
る付加エネルギーが、そのプラズマを通過するスパッタ
された粒子のかなりのイオン化を生じると我々は信じて
いる。我々はさらにイオン化の一部は、誘導コイル18
6に供給されたRF電力とターゲット陰極172に供給
された直流電力との比とともに増加するものとさらに信
じている。200%までの比が他の幾何学的形状のため
に必要とされ得るが、20から60%の範囲でのRF電
力対直流電力の比が、使用されているHDP−PVDチ
ャンバの幾何学的形状に対して好ましいように思える。
基板ペデスタル上にRF電源182によって発生された
直流自己バイアスが、プラグホールの中にさらにイオン
化粒子を引き寄せるように増加するにつれ、イオン化の
効果はより著しくなる。We believe that the additional energy supplied to the plasma by the coil 186 results in significant ionization of the sputtered particles passing through the plasma. We also found that part of the ionization is the induction coil 18
It is further believed that it will increase with the ratio of the RF power delivered to 6 and the DC power delivered to target cathode 172. Ratios of RF power to DC power in the range of 20-60% may be required for other geometries, although ratios up to 200% may be required, but the HDP-PVD chamber geometry used. Seems to be favorable for shape.
The effect of ionization becomes more significant as the DC self-bias generated by the RF power source 182 on the substrate pedestal increases to attract more ionized particles into the plug holes.
【0066】チャンバに供給される制御ガスがない場
合、真空ポンプシステム190は、真空室170内部の
ベース圧力を強い真空、好ましくは10-7トル及び一般
的には約2×10-8トルに維持する。窒素及びアルゴン
は、バス202を介してシステムコントローラに結合さ
れることができるコンピュータ化チャンバコントローラ
200によってそれぞれの質量流量コントローラ196
を通して制御される量でそれぞれの発生源192、19
4からチャンバ170に供給される。下記に詳述される
ように、プラグ充填は、HDPスパッタ中、チャンバ1
70に維持された圧力に非常に依存し、圧力は0.1mT
orrと60mTorrの間、好ましくは30mTorr以上であ
る。In the absence of control gas supplied to the chamber, the vacuum pump system 190 brings the base pressure inside the vacuum chamber 170 to a strong vacuum, preferably 10 −7 Torr and typically about 2 × 10 −8 Torr. maintain. Nitrogen and argon are each mass flow controller 196 by computerized chamber controller 200, which can be coupled to a system controller via bus 202.
Each source 192, 19 in an amount controlled through
4 to the chamber 170. As described in more detail below, plug filling is done during chamber 1 during HDP sputtering.
Very dependent on the pressure maintained at 70, the pressure is 0.1 mT
It is between orr and 60 mTorr, preferably 30 mTorr or more.
【0067】キーブルの米国特許第4,844,775
号によって記載されたシステムのような、類似したHD
P−PVDシステムが知られている。より正確に規定さ
れた処理パラメータは実験例で記載されているが、下記
に記載された実験で使用されたシステムは、いくらかよ
り詳細に記載されている。実験システムは、8インチ
(200mm)ウエーハを処理できる。ターゲットでチ
タンを合金にすることは周知であるが、ターゲット17
2の活性部分は、チタン又は窒化チタンのスパッタ堆積
のためのチタンで主に形成される。ターゲット172
は、14インチ(35.5cm)の直径を有し、約5イ
ンチ(12.7cm)だけペデスタル174から離隔さ
れている。ターゲット172は、約24kWの直流電力
まで電力を吸収できるが、実験では、直流電力は、約3
kWから5kWの間に制限されている。他の形状が容易
に採用されるが、コイル186は3回の巻数を有し、冷
却水が通過する0.25インチ(6.4mm)の直径の
金属管で構成されている。標準13.56MHzのよう
な他の周波数が使用されることができるが、そのRF発
生源188は、1.5kWの典型的なRF電力によって
2〜4MHzの範囲で作動する。Keible US Pat. No. 4,844,775
Similar HD, such as the system described by No.
P-PVD systems are known. More precisely defined process parameters are described in the experimental examples, but the system used in the experiments described below is described in some more detail. The experimental system is capable of processing 8-inch (200 mm) wafers. Although alloying titanium with a target is well known, the target 17
The second active portion is mainly formed of titanium or titanium for sputter deposition of titanium nitride. Target 172
Has a diameter of 14 inches (35.5 cm) and is separated from pedestal 174 by about 5 inches (12.7 cm). The target 172 can absorb electric power up to DC power of about 24 kW, but in the experiment, the DC power is about 3
Limited to between 5 and 5 kW. The coil 186 has three turns and is constructed of a 0.25 inch (6.4 mm) diameter metal tube through which cooling water passes, although other shapes are readily employed. Its RF source 188 operates in the 2-4 MHz range with a typical RF power of 1.5 kW, although other frequencies such as the standard 13.56 MHz can be used.
【0068】図10の誘導的に結合されるHDP−PV
Dシステムは好ましいが、高密度プラズマを形成でき、
スパッタされた材料をイオン化できる他のHDP−PV
Dシステムも知られている。このようなPVDシステム
は、参照することによってここに取り込まれている松岡
による米国特許第4,911,814号によって記載さ
れているようなECR(電子サイクロトロン共振)又は
参照することによって本明細書に取り込まれているキャ
ンベルによる米国特許第4,990,229号によって
記載されているようなヘリコン式結合装置を含む。スパ
ッタされた粒子をイオン化するために十分高密度のプラ
ズマを提供する他の形式が可能である。Inductively bound HDP-PV of FIG.
D system is preferable, but it can form high density plasma,
Other HDP-PV capable of ionizing sputtered materials
The D system is also known. Such PVD systems are referred to herein by ECR (Electron Cyclotron Resonance) or by reference, as described by US Pat. No. 4,911,814 by Matsuoka, which is hereby incorporated by reference. It incorporates a helicon type coupling device such as that described by Campbell by U.S. Pat. No. 4,990,229. Other forms of providing a plasma of sufficient density to ionize the sputtered particles are possible.
【0069】HDP−PVD反応器は標準PVD反応器
と対比される。例えばアプライドマテリアル社から入手
できるエンデュラPVDシステムで実施されるような現
在実施されている商用PVD処理は、より標準なPVD
処理によってもたらされる。この標準PVDシステム
は、プラズマの励起及びターゲットへのイオン化された
アルゴンスパッタイオンの引き寄せの両方を行うように
ウエーハに対して直流バイアスされているターゲットを
含む。したがって、ターゲットは、しかしながら、大部
分に関しては中性のままであるターゲットから粒子をス
パッタする。標準PVD反応室は、高密度プラズマを発
生せず、商用バージョンは、ペデスタル174に対して
誘導コイル186及びRF発生源182がない点で、図
10のHDP−PVDチャンバと異なる。その代わり
に、ペデスタルはターゲット172に対して電気的に浮
遊されたままであり、グランドから絶縁されている。前
述されたアプライドマテリアル社のエンデュラシステム
は高密度プラズマシステムとみなされず、いかなる手段
もスパッタされた金属粒子のフラックスをイオン化する
ように特に備えられていない。金属イオン化部分、すな
わちイオン化されているスパッタされた粒子は、10%
よりも小さく、一般的に標準PVDシステムでは1%よ
りも小さいと推測される。本発明は、全金属層156が
HDP−PVDシステムで堆積されることを可能にする
が、HDP−PVDが通常従来のPVDよりも非常に低
い速度で材料を堆積し、より高価な反応器もまた必要と
するため、このような一様な処理は低いスループットを
欠点として持つ。The HDP-PVD reactor is contrasted with the standard PVD reactor. Currently practiced commercial PVD processes, such as those performed in the Endura PVD system available from Applied Materials, Inc., are more standard PVD processes.
Brought by processing. This standard PVD system includes a target that is DC biased with respect to the wafer to both excite the plasma and attract the ionized argon sputter ions to the target. Thus, the target, however, sputters particles from the target that remain largely neutral. The standard PVD reaction chamber does not generate a high density plasma, and the commercial version differs from the HDP-PVD chamber of FIG. 10 in that there is no induction coil 186 and RF source 182 for the pedestal 174. Instead, the pedestal remains electrically floating with respect to the target 172 and is isolated from ground. The aforementioned Applied Materials, Inc. Endura system is not considered a high density plasma system, and no means are specifically provided to ionize the flux of sputtered metal particles. 10% metal sputtered particles, i.e. ionized parts
It is estimated to be less than 1% and typically less than 1% in standard PVD systems. The present invention allows the all-metal layer 156 to be deposited in a HDP-PVD system, but HDP-PVD typically deposits material at a much lower rate than conventional PVD, and also more expensive reactors. In addition, such uniform processing suffers from low throughput as it is needed.
【0070】クラスタツール スパッタは、非常に高真空を必要とする処理であり、多
くのスパッタされた層は、少量の酸素が存在しただけで
直ちに品質が低下する。したがって、本発明のステップ
の全てがないにしても、いくつかは図11で示されるエ
ンデュラプラットホーム210のようなマルチチャンバ
クラスタツールで実行されることが好ましい。エンデュ
ラプラットホームは、テップマン(Tepman)他による米国
特許第5,186,718号で機能的に記載され、初期
のマルチチャンバクラスタツールは、メイダン(Maydan)
による米国特許第4,951,601号によってより詳
細に記載されている。エンデュラプラットホームは、先
に引用された特許のオング(Ong)によって使用される。
3つの上記に引用された特許は、参照することによって
ここに取り込まれている。Cluster Tool Sputtering is a process that requires a very high vacuum and many sputtered layers are immediately degraded in the presence of small amounts of oxygen. Therefore, some, if not all of the steps of the present invention are preferably performed in a multi-chamber cluster tool such as the endura platform 210 shown in FIG. The Endura platform is functionally described in US Pat. No. 5,186,718 by Tepman et al., And early multi-chamber cluster tools were developed by Maydan.
Further details are provided by U.S. Pat. No. 4,951,601. The Endura platform is used by the previously cited patent Ong.
The three above cited patents are incorporated herein by reference.
【0071】ウエーハは、それぞれのロードロックチャ
ンバに装填されたウエーハカセットからシステムの内外
にウエーハを移送するように構成された2つの独立して
操作されるロードロックチャンバ212、214によっ
てシステム210に装填されている。ロードロックが図
示されていないスリットバルブを介して選択的に接続さ
れることができる第1のウエーハ移送チャンバ216の
圧力は、カセットの大気又は幾分の低圧から例えば10
-3から10-5Torrの範囲の適度な低圧の間で調整される
ことができる。第1の移送室216及び選択ロードロッ
ク室212、214のポンプダウン後、第1の移送室2
16にある第1のロボット218は、ウエーハをカセッ
トから2つのウエーハ配置器220、222の一つに移
送し、次に脱気配置室224に移送する。次に、第1の
ロボット218は、ウエーハを中間に配置されたプラズ
マ予洗浄室224の中に送り、そこから第2のロボット
228が、好ましくは10-7トール及び一般的には2×
10-8トールよりも小さい著しい低圧に保持される第2
の移送室230にウエーハを移送する。第2のロボット
228は、その周辺の周りに配置された反応室、例えば
図示されないスリットバルブによって第2の移送室23
0のために選択的に開放された例えば2つのHDP−P
VDチャンバ232、234及び2つの標準PVDチャ
ンバ236、238など、に向かって又はそこから選択
的に移送する。低圧PVD処理後、第2のロボット22
8は、ウエーハを中間に配置された冷却室240に移送
し、そこから、第1のロボット218はウエーハを取り
出し、標準PVDチャンバ242にそれを移送する。P
VDチャンバ242は、第2の移送室230の周りのP
VDチャンバに直前に堆積された金属層の上で反射防止
膜(ARC)として機能する制御された厚さ及び誘電率
の窒化チタン層をウエーハ上に堆積する。ARC層は、
非常に反射する金属層のフォトリソグラフィを容易にす
る。ARC堆積後、ウエーハは、2つのロードロック2
12、214のうちの一つのカセットに転送される。ク
ラスタツール及び関連チャンバの他の形状も可能であ
る。The wafer is loaded into the system 210 by two independently operated loadlock chambers 212, 214 configured to transfer wafers into and out of the system from wafer cassettes loaded in their respective loadlock chambers. Has been done. The pressure in the first wafer transfer chamber 216, to which the load lock may be selectively connected via a slit valve not shown, may be from the atmosphere of the cassette or some low pressure to eg 10
It can be adjusted between moderately low pressures in the range of -3 to 10 -5 Torr. After pumping down the first transfer chamber 216 and the selected load lock chambers 212 and 214, the first transfer chamber 2
The first robot 218 at 16 transfers the wafer from the cassette to one of the two wafer placers 220, 222 and then to the degassing placement chamber 224. The first robot 218 then feeds the wafer into an intermediately located plasma preclean chamber 224, from which the second robot 228 preferably feeds 10 -7 torr and typically 2x Torr.
Secondly maintained at a significantly lower pressure, less than 10 -8 torr
The wafer is transferred to the transfer chamber 230. The second robot 228 is provided with a reaction chamber arranged around the periphery thereof, for example, a slit valve (not shown), which causes the second transfer chamber 23 to move.
For example, two HDP-Ps selectively opened for 0
VD chambers 232, 234 and two standard PVD chambers 236, 238, etc. are selectively transferred to or from. After the low pressure PVD treatment, the second robot 22
8 transfers the wafer to a cooling chamber 240 located in the middle, from which the first robot 218 takes the wafer and transfers it to the standard PVD chamber 242. P
The VD chamber 242 is connected to the PD surrounding the second transfer chamber 230.
A titanium nitride layer of controlled thickness and permittivity that functions as an anti-reflective coating (ARC) on the metal layer just deposited in the VD chamber is deposited on the wafer. The ARC layer is
Facilitates photolithography of highly reflective metal layers. After the ARC deposition, the wafer has two load locks.
It is transferred to one of the cassettes 12 and 214. Other shapes of cluster tools and associated chambers are possible.
【0072】全システムは、システム及びそのいろいろ
なチャンバ、バルブ、及びロボットと制御バス202を
通して通信するパーソナルコンピュータ、ワークステー
ション、ミニコンピュータ、又は他の同様なディジタル
制御装置であってもよいシステムコントローラ250に
よってコンピュータ制御されている。単一の構成要素と
して示されているが、それはいろいろなチャンバ及びロ
ボットと関連する図10で示されるチャンバコントロー
ラ200のような単一のマスタコントローラ及びいくつ
かのサブコントローラを含み得る。本発明の処理は、プ
ログラム又はレシピ(recipe)が通常の方法で記録され
ているフロッピーディスク、光CD−ROM、磁気テー
プ、又は他の同様な媒体のような運ぶことのできる媒体
254のようなロード手段によってシステムコントロー
ラ250にロードされるプログラム及び方法によってシ
ステムコントローラ250によって最終的に指令され
る。一方、ロード手段は、局部的に端末に接続されるか
又はプログラム又はレシピが通信プロトコル(protocol
s)に従って転送されるデータリンクを通してシステム供
給者又は保守者のオフィスに遠隔に接続されている通信
リンク256を含んでもよい。The entire system is a system controller 250, which may be a personal computer, workstation, minicomputer, or other similar digital controller that communicates with the system and its various chambers, valves, and robots through control bus 202. Is computer controlled by. Although shown as a single component, it may include a single master controller and several sub-controllers such as the chamber controller 200 shown in FIG. 10 associated with various chambers and robots. The process of the present invention may be carried on a medium 254 such as a floppy disk, optical CD-ROM, magnetic tape, or other similar medium on which a program or recipe is recorded in a conventional manner. Ultimately commanded by the system controller 250 by the programs and methods loaded into the system controller 250 by the loading means. On the other hand, the loading means is locally connected to the terminal or the program or recipe is a communication protocol (protocol).
s) may include a communication link 256 that is remotely connected to the system supplier's or maintainer's office through a data link transferred in accordance with
【0073】コンタクト処理 下にあるシリコン層に本発明のコンタクトを形成するた
めの典型的な処理は、図8のコンタクト構造、図10の
HDP−PVチャンバ、及び図12の処理ステップを同
時に参照して今から説明される。ウエーハは、所望のシ
リコン表面構造、例えば、横形MOSトランジスタを形
成するために本発明のステップよりも前に処理される。
誘電体層142は、シリコン基板144の上に堆積さ
れ、ステップ270では、コンタクトホール140は、
シリコン144に到達するように誘電体層142を通し
てエッチングされる。全てのこれらの処理は周知であ
り、エッチング、CVD(化学気相堆積法)、フォトリ
ソグラフィ、フォトレジスト除去(stripping)、及び他
の周知の処理のための標準半導体処理装置で実行され
る。コンタクトホール140は、十分深くて狭いので、
標準PVD処理によって充填することが困難である高い
アスペクト比を有していると推測される。Contact Processing A typical process for forming the contacts of the present invention in the underlying silicon layer refers to the contact structure of FIG. 8, the HDP-PV chamber of FIG. 10, and the process steps of FIG. 12 simultaneously. Will be explained from now on. The wafer is processed prior to the steps of the present invention to form the desired silicon surface structure, eg, lateral MOS transistor.
The dielectric layer 142 is deposited on the silicon substrate 144, and in step 270, the contact hole 140 is
Etched through dielectric layer 142 to reach silicon 144. All these processes are well known and are performed in standard semiconductor processing equipment for etching, CVD (chemical vapor deposition), photolithography, photoresist stripping, and other well known processes. Since the contact hole 140 is deep and narrow enough,
It is speculated to have a high aspect ratio that is difficult to fill by standard PVD processing.
【0074】図8に図示された構造中のPVD以外の部
分の完成後に、部分的に処理されたウエーハ176は、
図11のマルチチャンバクラスタツール210に移送さ
れる。マルチチャンバクラスタツール210は、大気に
ウエーハをさらすさずにPVDステップの全てが実行さ
れることを可能にする利点及びその酸化効果を有してい
る。後述される処理は、第2の移送室230の中及び周
りの低圧PVD領域で酸素部分圧が10-7Torrよりも低
く、好ましくは5×10-7Torrよりも低く、最も好まし
くは5×10-8Torrよりも低く十分に保持される状態で
実行されるべきである。酸素装填は、多分、HDP成長
ライナー層のバリヤ特性を促進するが、そのぬれ特性を
減じる。前述のように、クラスタツール210のいろい
ろなチャンバは、反射防止膜を堆積するポストPVDス
テップと同様に配置、脱気、及びプラズマ予洗浄を含む
予備処理をウエーハ176上で実行する。これらのステ
ップは周知であり、直接本発明に含まれないので、ここ
では詳述しない。After completion of the portions other than PVD in the structure illustrated in FIG. 8, the partially processed wafer 176 is:
It is transferred to the multi-chamber cluster tool 210 of FIG. The multi-chamber cluster tool 210 has the advantage and its oxidizing effect of allowing all of the PVD steps to be performed without exposing the wafer to the atmosphere. In the treatment described below, the oxygen partial pressure in the low pressure PVD region in and around the second transfer chamber 230 is lower than 10 −7 Torr, preferably lower than 5 × 10 −7 Torr, and most preferably 5 ×. It should be run well below 10 -8 Torr. Oxygen loading probably enhances the barrier properties of the HDP growth liner layer but reduces its wetting properties. As previously mentioned, the various chambers of the cluster tool 210 perform pretreatments on the wafer 176 including placement, degassing, and plasma preclean, similar to a post PVD step of depositing an antireflective coating. These steps are well known and are not directly included in the present invention and will not be detailed here.
【0075】ライナー層堆積の場合、ウエーハ176
は、HDP−PVD反応室のペデスタル174の上に置
かれる。チタンの超硬合金層の堆積の場合、PVDター
ゲット172は、チタン又はチタン合金で形成される。For liner layer deposition, wafer 176
Is placed on the pedestal 174 of the HDP-PVD reaction chamber. For the deposition of a cemented carbide layer of titanium, PVD target 172 is formed of titanium or a titanium alloy.
【0076】ライナー層のための第1のHDPスパッタ
ステップ262を開始するために、HDP−PVDチャ
ンバはポンプダウンされ、減圧でアルゴンで充填され
る。陰極及びコイル電源180、188は、電源が入れ
られて高密度アルゴンプラズマを形成し、陽極電源18
2は電源が入れられてウエーハー176を直流自己バイ
アスする。アルゴンはターゲット172をスパッタし、
高密度プラズマを通過する、結果として得られるチタン
粒子は少なくとも部分的にイオン化される。ウエーハ1
76上の自己バイアスは、イオン化されたチタン粒子を
ウエーハの元の面にほぼ垂直な方向でウエーハ176に
突き当たるようにし、したがって、側面152の被覆率
を減少するが、高アスペクト比を有するコンタクトホー
ル160の最下部154の高被覆率を提供する。チタン
はまた、ライナー層150、特に、超硬合金層である第
1の下層160を形成する際に誘電体層142の平らな
最上部158も被覆する。典型的な堆積は、20nmの
厚さを有するチタンの平らな表面層を形成し、14nm
の厚さの層が、1.2μm幅及び5:1のアスペクト比
を有するコンタクトホール140の最下部154上に形
成される。すなわち、最下部被覆率は約70%である。
他のチタンの厚さは本発明とともに使用されることがで
きる。約2nmの最小厚さはアパーチャの最下部にとっ
て好ましい。50nmよりも厚い厚さが使用されること
ができるが、それは大部分の現在のアプリケーションに
とっては非経済的なように思える。To begin the first HDP sputter step 262 for the liner layer, the HDP-PVD chamber is pumped down and filled with argon at reduced pressure. The cathode and coil power supplies 180, 188 are turned on to form a high density argon plasma and the anode power supply 18
2 is powered up to direct current self bias the wafer 176. Argon sputters the target 172,
The resulting titanium particles passing through the dense plasma are at least partially ionized. Waha 1
The self-bias on 76 causes the ionized titanium particles to impinge on the wafer 176 in a direction substantially perpendicular to the original plane of the wafer, thus reducing the coverage of the side surfaces 152, but having contact holes with a high aspect ratio. It provides a high coverage of the bottom 154 of 160. Titanium also covers the liner layer 150, and in particular the flat top 158 of the dielectric layer 142 in forming the first underlayer 160, which is a cemented carbide layer. A typical deposition forms a flat surface layer of titanium with a thickness of 20 nm and a thickness of 14 nm.
Layer having a thickness of 1.2 μm is formed on the bottom 154 of the contact hole 140 having a width of 1.2 μm and an aspect ratio of 5: 1. That is, the bottom coverage is about 70%.
Other titanium thicknesses can be used with the present invention. A minimum thickness of about 2 nm is preferred for the bottom of the aperture. Thicknesses greater than 50 nm can be used, but that seems uneconomical for most current applications.
【0077】ライナー層150のチタン下層160が堆
積された後、チタンとシリコンとの間の接合はステップ
264によりケイ化物にされ、ステップは、標準PVD
チャンバ236、238又は、好ましくは、分離したR
TP(高速熱処理)チャンバ、(ランプ照射されたサセ
プタによって加熱されることができる)金属アニールチ
ャンバ、及び炉(furnace)、の内の1つで行なわれ、必
ずしも取り付ける必要はないが、その全てがエンデュラ
プラットホームに取り付けできる。ケイ化物にすること
は、シリコンにコンタクトしないビアには必要ない。ケ
イ化物にすることは、ナガン他の上記に引用された特許
で開示されているように、非酸化窒素の環境で約600
℃よりも高い温度での、好ましくは約750℃〜850
℃でのアニールを含む。全部の加熱経費を最少にするた
めに、ケイ化物化は高速加熱アニールRTPによって実
行されることが好ましい。ケイ化物にすることは、窒化
下層の堆積後まで遅延され得るが、高温の窒素に富んだ
ケイ化物にする環境はチタンを窒素チタンに変換するの
で、最上部チタン下層の堆積後まで遅延されるべきでな
い。After the titanium underlayer 160 of the liner layer 150 is deposited, the bond between titanium and silicon is silicided by step 264, which is standard PVD.
Chambers 236, 238 or, preferably, separate R
Performed in one of a TP (rapid heat treatment) chamber, a metal anneal chamber (which can be heated by a lamp-irradiated susceptor), and a furnace, which need not be installed, but are all Can be mounted on the Endura platform. Silicide is not needed for vias that do not contact silicon. The silicidation is performed in a non-nitric oxide environment at about 600 as disclosed in the above cited patents of Nagan et al.
Above ℃, preferably from about 750 ℃ to 850 ℃
Includes annealing at ° C. To minimize the overall heating cost, silicidation is preferably performed by a rapid thermal anneal RTP. The silicidation can be delayed until after the deposition of the nitriding underlayer, but is delayed until after the deposition of the top titanium underlayer because the hot nitrogen-rich silicidation environment converts titanium to titanium titanium. Should not
【0078】ライナー層のための第2のHDPスパッタ
ステップ266では、窒素もまたアルゴン窒素混合物を
形成するように同一のHDP−PVDチャンバの中に導
入される。高密度プラズマが継続されるので、スパッタ
されたチタンは部分的にイオン化される。チタンは、堆
積処理中、窒素と反応し、窒化チタンとしてウエーハ上
に堆積されている。典型的な堆積は、80nmの厚さを
有する窒化チタンの平たんな表面層及び狭いコンタクト
ホール140の最下部で約54nmの厚さを有する、す
なわち68%の最下部被覆率の層を形成する。ホールの
最下部での窒化チタンの最小の厚さは約10nmである
ことが予測される。最大の厚さはいくつかの要因に依存
する。狭いアパーチャの場合、それは金属充填に対する
空間を許容するめのアパーチャ幅よりもかなり小さいも
のであるべきである。より狭いアパーチャの場合、より
厚い窒化チタンは全抵抗率を増加する。したがって、大
部分の状況では、200nmよりも大きい厚さは、非生
産的である。In the second HDP sputter step 266 for the liner layer, nitrogen is also introduced into the same HDP-PVD chamber to form an argon nitrogen mixture. As the high density plasma is continued, the sputtered titanium is partially ionized. Titanium reacts with nitrogen during the deposition process and is deposited on the wafer as titanium nitride. A typical deposition forms a flat surface layer of titanium nitride having a thickness of 80 nm and a layer having a thickness of about 54 nm at the bottom of the narrow contact hole 140, ie a bottom coverage of 68%. . The minimum thickness of titanium nitride at the bottom of the hole is expected to be about 10 nm. The maximum thickness depends on several factors. For a narrow aperture, it should be much smaller than the aperture width to allow space for metal fill. For narrower apertures, thicker titanium nitride increases total resistivity. Therefore, in most situations, thicknesses greater than 200 nm are counterproductive.
【0079】ライナー層のための第3のHDPスパッタ
ステップ268では、同一のHDP−PVDチャンバへ
の窒素の供給は、高密度プラズマが継続する間中止さ
れ、チタンの他の層は、ライナー層150の第3の下層
164を形成するようにスパッタ堆積される。しかしな
がら、窒素環境でのチタンの反応スパッタから純チタン
スパッタへの遷移は、界面の近くでより高い窒素含有量
(x≒1)を有し、その他方で実質的に純チタン(x≒0)
であるTiNxの漸変する層の窒化チタン下層162を
生じる。典型的な堆積は、60%の最下部被覆率の場
合、表面で10nm、コンタクトホールの最下部で6n
mを堆積する。そのように形成された層は、第3の下層
164の最下部上に最初に形成された約10%の窒化チ
タンを形成している。多くの場合、最少量の上部チタン
だけが、おそらく2〜10nm堆積される必要があり、
厚さは好ましくは60nm又は100nmに制限される
ことを示すデータが後に提示される。In the third HDP sputter step 268 for the liner layer, the nitrogen supply to the same HDP-PVD chamber is stopped while the high density plasma continues, and the other layers of titanium are lined up with the liner layer 150. Sputter-deposited to form a third underlayer 164. However, the transition from reactive sputter to pure titanium sputter of titanium in a nitrogen environment is associated with higher nitrogen content near the interface.
(x ≈ 1) and the other is substantially pure titanium (x ≈ 0)
Resulting in a titanium nitride underlayer 162 of a graded layer of TiN x . A typical deposition is 10 nm at the surface and 6 n at the bottom of the contact hole for a bottom coverage of 60%.
deposit m. The so-formed layer forms about 10% titanium nitride initially formed on the bottom of the third lower layer 164. Often only the minimum amount of top titanium needs to be deposited, perhaps 2-10 nm,
Data will be presented later indicating that the thickness is preferably limited to 60 nm or 100 nm.
【0080】3つ全ての下層の最下部被覆率は、ホール
充填のための本発明の効果的な使用に対して比較的高く
あるべきである。ホールは効果的に充填されないので、
20%よりも低い値は好ましくない。100%が望まし
いが、90%よりも大きい値は、処理が十分推し進めら
れていないことを示す。The bottom coverage of all three underlayers should be relatively high for effective use of the invention for hole filling. The holes are not filled effectively, so
Values lower than 20% are not preferred. 100% is desirable, but a value greater than 90% indicates that the treatment is not being sufficiently promoted.
【0081】典型的な操作中、窒素の供給は、第3の堆
積ステップ268の開始でチャンバから急に遮断され
る。しかしながら、前の窒化チタン堆積ステップ266
では、大量の窒素がチャンバ170に導入され、特に、
チタンターゲット172上に窒化チタン表面を形成する
ようにチタンターゲット172と反応した。したがっ
て、第3のPVDステップ268の開始で、全ての窒素
がターゲット172から取り除かれるまで、かなりの量
の窒化チタンがターゲット172からスパッタされる。
第3の堆積ステップ268の主要な理由は、次のウエー
ハが処理される場合、ステップ262のチタン堆積がシ
リコン上の半導体特性に悪影響を及ぼす可能性があるい
かなる窒素も堆積させないように、窒素の中でチタンタ
ーゲット162を窒素から洗浄することにある。第3の
堆積ステップ268に対する要求は多くの要因に依存す
る。プラグが、プラグの最下部が他の金属にコンタクト
するように2つの金属層を相互接続するために使用され
ているならば、起こり得る窒素汚染は下部金属へのプラ
グコンタクトに大きく影響を及ぼさないので、第3の堆
積ステップ268のターゲット洗浄はターゲット洗浄と
して必要とされない。後のデータは、窒素が不足した金
属性チタンのいくつかの最小層が少なくともデータの重
要なパラメータの場合、狭いプラグへのアルミニウムの
リフローを促進するように窒化チタンの上に形成される
べきであることを示す。全てのプラグ、特に幅広いプラ
グのための最上部チタン湿潤及び平たい堆積の一般的な
要求は示されていない。During typical operation, the nitrogen supply is abruptly shut off from the chamber at the beginning of the third deposition step 268. However, the previous titanium nitride deposition step 266
Then, a large amount of nitrogen is introduced into chamber 170,
It reacted with the titanium target 172 to form a titanium nitride surface on the titanium target 172. Therefore, at the beginning of the third PVD step 268, a significant amount of titanium nitride is sputtered from the target 172 until all the nitrogen has been removed from the target 172.
The main reason for the third deposition step 268 is that if the next wafer is processed, the titanium deposition of step 262 does not deposit any nitrogen that could adversely affect the semiconductor properties on the silicon. Inside is to clean the titanium target 162 from nitrogen. The requirements for the third deposition step 268 depend on many factors. If the plug is used to interconnect two metal layers so that the bottom of the plug contacts the other metal, possible nitrogen contamination will not significantly affect the plug contact to the underlying metal. Therefore, the target cleaning of the third deposition step 268 is not required as a target cleaning. Later data show that some minimal layers of metallic titanium depleted in nitrogen should be formed on titanium nitride to facilitate reflow of aluminum into narrow plugs, at least if it is an important parameter of the data. Indicates that there is. The general requirements for top titanium wetting and flat deposition for all plugs, especially for a wide range of plugs, are not shown.
【0082】漸変するTiNx下層を堆積する前述のス
テップ268は窒素の供給を急激に遮断するが、窒化チ
タンからチタンへの漸変を調整するために窒素供給をさ
らに徐々に減少することは可能である。Although the above step 268 of depositing a graded TiN x underlayer abruptly shuts off the nitrogen supply, it is not possible to further reduce the nitrogen supply to accommodate the titanium nitride to titanium grading. It is possible.
【0083】上記の具体例で記載されているように、異
なる下層に対して別々のチャンバを使用することは可能
であるが、ライナー層を形成するための3つのHDP−
PVD堆積ステップ262、264、266は、コント
ローラ200、250のコントロールの下で、ガス成分
及び恐らく電力レベルの変化によって区別される3つの
ステップによって同一のHDP−PVDチャンバで実行
されることが好ましい。この制限された臨界は証明され
ていないが、HDP−PVD処理は窒化チタン下層16
2だけに重要であると信じられていて、もし十分な最下
部被覆率が他の方法で達成されることができるならば、
標準PVDチャンバは上部及び下部のチタン下層16
0、164のために使用されることができる。しかしな
がら、できるだけ経済的にプラグ充填を完了するために
は、ライナー層150の堆積後、ウエーハは、次に一般
的にはアルミニウム又はAlの0.5%Cu合金のよう
なアルミニウム合金である相互接続金属の堆積のために
従来のスパッタチャンバ236、238に移送されるべ
きである。標準PVD処理は、高密度プラズマのない状
態及びスパッタ粒子の比較的低いイオン化を有する状態
で実行される。しかしながら、スパッタ堆積は、高速
で、比較的安価な装置で実行される。Although it is possible to use separate chambers for different underlayers, as described in the above example, three HDP-formers for forming the liner layer are used.
The PVD deposition steps 262, 264, 266 are preferably performed in the same HDP-PVD chamber under the control of the controller 200, 250 with three steps distinguished by changes in gas composition and possibly power levels. Although this limited criticality has not been demonstrated, the HDP-PVD treatment does not yield titanium nitride underlayer 16
It is believed to be important only to 2, and if sufficient bottom coverage can be achieved in other ways,
The standard PVD chamber has an upper and lower titanium underlayer 16
Can be used for 0,164. However, in order to complete plug filling as economically as possible, after deposition of the liner layer 150, the wafer is then an interconnect, typically aluminum or an aluminum alloy, such as a 0.5% Cu alloy of Al. It should be transferred to conventional sputter chambers 236, 238 for metal deposition. Standard PVD processing is carried out in the absence of high density plasma and with relatively low ionization of sputtered particles. However, sputter deposition is performed on high speed, relatively inexpensive equipment.
【0084】好ましくは、アルミニウムは、ライナー層
のさらなるアニールのない、またライナー堆積とアルミ
ニウム堆積との間で空気ブレイクなしでの従来のスパッ
タ装置のコールドホットスパッタ処理である2つのステ
ップで堆積される。両方のステップは、2つのステップ
間でのペデスタル加熱を著しく変えることによって単一
標準PVD反応器で容易に実行されることができる。も
ちろん、別々のPVD反応器は2つのステップのために
使用されることができる。Preferably, the aluminum is deposited in two steps, the cold hot sputter process of a conventional sputter apparatus without further annealing of the liner layer and without air break between the liner deposition and the aluminum deposition. . Both steps can easily be performed in a single standard PVD reactor by significantly changing the pedestal heating between the two steps. Of course, separate PVD reactors can be used for the two steps.
【0085】第1のアルミニウムスパッタステップ27
0では、およそ200nmのアルミニウムが、130℃
又はそれよりも低い温度に保持された基板を有するライ
ナー層150の上にスパッタ堆積される。このコールド
スパッタは、玉状になること(beading)なしで上部チタ
ン層164にうまく付着する種層を形成する。第2のア
ルミニウムスパッタステップ272では、大部分のアル
ミニウムは、より高い温度に保持された基板を有するコ
ールド堆積層の上にスパッタ堆積される。ホットスパッ
タのために選択された温度は、より低い温度とより長い
リフロー時間との間の釣り合い(tradeoff)である。詳細
データは後で提示されるが、470゜Cより高くないホ
ットスパッタ温度が要求され、350℃と同じくらい低
いホットスパッタ温度は、適度に短い堆積又はリフロー
アニールを与えることが示されている。ホット堆積され
た金属層の典型的な厚さは、平らな平面上に800nm
であり、1.2μmの深さのプラグ140を充填するの
に十分であり、実質的にその上の表面を平面化するが、
他の厚さも可能である。First aluminum sputtering step 27
At 0, about 200 nm of aluminum is 130 ° C
Alternatively, it is sputter deposited on the liner layer 150 with the substrate held at a lower temperature. This cold sputter forms a seed layer that adheres well to the upper titanium layer 164 without beading. In the second aluminum sputter step 272, most of the aluminum is sputter deposited onto the cold deposition layer with the substrate held at a higher temperature. The temperature selected for hot sputter is a tradeoff between lower temperature and longer reflow time. Detailed data are presented later, but it has been shown that hot sputter temperatures no higher than 470 ° C. are required, and hot sputter temperatures as low as 350 ° C. give reasonably short deposition or reflow anneals. The typical thickness of a hot-deposited metal layer is 800 nm on a flat surface.
And is sufficient to fill the 1.2 μm deep plug 140, substantially planarizing the surface above it,
Other thicknesses are possible.
【0086】ライナー層の前述の3つのステップのPV
D堆積では、TiN及びTiNx下層は、酸素部分圧に
対するTiNの有効酸化温度よりもはるかに低い温度で
連続的に実行される処理シーケンスにおいて堆積され、
確かに300℃よりも低い温度で実行されることができ
ることは注目される。さらに、環境は、アルミニウム堆
積の終わりまでずっと酸素が実質的にないように保持さ
れている。したがって、窒化チタン層は、酸化しそのぬ
れ性を失う機会もなく、アルミニウムでさえほぼ酸化が
ない。PV of the above three steps of liner layer
In D deposition, the TiN and TiN x underlayers are deposited in a process sequence that is carried out continuously at a temperature well below the effective oxidation temperature of TiN to oxygen partial pressure,
It is noted that indeed it can be carried out at temperatures below 300 ° C. Furthermore, the environment is kept substantially oxygen free until the end of the aluminum deposition. Thus, the titanium nitride layer has no opportunity to oxidize and lose its wettability, and even aluminum has almost no oxidation.
【0087】[0087]
処理例1 HDP−PVD処理での部分的にイオン化されたチタン
の120nm/分の堆積速度が、200nmウエーハの
場合、前述のチャンバで下記のパラメータによって達成
された。コイルRF電源188は、2MhZの周波数を
有し、1.5kWのRF電源を誘導コイル186に結合
させた。直流電源180は、5kWの直流電力をチタン
ターゲット陰極172に印加した。ウエーハバイアス電
源182は、350Wの電力をペデスタル陽極174に
供給するように350kHzで作動し、その結果ウエー
ハ175上に45Vの直流自己バイアスを生じた。チャ
ンバ圧力は、アルゴンの20〜30mTorrの範囲で保持
されており、ウエーハ温度は約50℃であった(ケイ化
物にすることは別のステップで実行される)。平らな平
面上で120nm/分のチタン堆積を得るために、約4
5sccm(分当たりの標準立法センチメートル、すな
わち、ガスが760Torrの圧力にあり、0℃の温度であ
るならば、生じるであろうccにおける容積流量速度に
対応する質量流量速度)のアルゴン供給速度に対応する
圧力は、20mTorrに保持された。Process Example 1 A deposition rate of 120 nm / min of partially ionized titanium in the HDP-PVD process was achieved in the above chamber with the following parameters for a 200 nm wafer. Coil RF power supply 188 had a frequency of 2 MhZ and had a 1.5 kW RF power supply coupled to induction coil 186. The DC power supply 180 applied DC power of 5 kW to the titanium target cathode 172. Wafer bias power supply 182 operated at 350 kHz to provide 350 W of power to pedestal anode 174, resulting in a 45 V DC self-bias on wafer 175. The chamber pressure was maintained in the range of 20-30 mTorr of argon and the wafer temperature was about 50 ° C. (silicidation is performed in a separate step). To obtain a titanium deposition of 120 nm / min on a flat surface, approximately 4
Argon feed rate of 5 sccm (standard cubic centimeters per minute, ie the mass flow rate corresponding to the volumetric flow rate in cc that would occur if the gas was at a pressure of 760 Torr and a temperature of 0 ° C.) The corresponding pressure was kept at 20 mTorr.
【0088】処理例2 イオン化されたチタンを使用して反応的にスパッタされ
る窒化チタンの30nm/分の堆積速度は、200nm
ウエーハに対して、同一チャンバ及び下記の条件の下で
の同一周波数のRF電源を有する場合に得られる。コイ
ル186には、1.5kWのRF電力が印加され、ター
ゲット陽極172には、5kWの直流電力が印加され、
ペデスタル陽極174には90WのRF電力が印加さ
れ、その結果、ウエーハ176上に70Vの直流自己バ
イアスを生じた。同一の圧力範囲は使用可能であり、同
一の50℃基板温度を生じた。平らな平面上で30nm
/分の窒化チタン堆積を得るために、圧力は30mTorr
に保持されていて、上記圧力は45sccmのアルゴン
供給速度及び70sccmの窒素供給速度から生じた。Process Example 2 The deposition rate of 30 nm / min of titanium nitride reactively sputtered using ionized titanium was 200 nm.
Obtained when the wafer has the same chamber and the same frequency RF power supply under the following conditions. RF power of 1.5 kW is applied to the coil 186, and DC power of 5 kW is applied to the target anode 172.
90 W of RF power was applied to the pedestal anode 174, resulting in a 70 V DC self-bias on the wafer 176. The same pressure range can be used, resulting in the same 50 ° C. substrate temperature. 30 nm on a flat surface
Pressure of 30 mTorr in order to obtain titanium nitride deposits / min
The above pressure resulted from an argon feed rate of 45 seem and a nitrogen feed rate of 70 seem.
【0089】ライナー処理ウィンドウ 高いアスペクト比を有するプラグホール、特に0.35
μmの直径及び3.5:1のアスペクト比を有するプラ
グの堆積を増進するより良い処理パラメータを決定する
ために、電源180、182、188からの電力レベル
及びチャンバ圧力を変える一連の実験が実行された。プ
ラグホールは、約1.2μmの厚さを有するシリカ層で
形成されたが、実験で使用されたシリカ層は、シリコ
ン、金属、又は現在商用されているようなおそらくいく
らかの他の材料のいずれかの基板の上に、SiO2のP
ECVD堆積によってよりもむしろ下にあるシリコンの
熱酸化によって形成された。この処理は、PECVD−
SiO2に対して別々に最適化される必要があるが、結
果は、熱SiO2に対する結果に近いことが予測され
る。Liner Processing Window Plug holes with high aspect ratio, especially 0.35
A series of experiments were performed in which the power levels from the power sources 180, 182, 188 and the chamber pressure were varied to determine better process parameters to enhance the deposition of plugs with μm diameter and 3.5: 1 aspect ratio. Was done. The plug hole was formed with a silica layer having a thickness of about 1.2 μm, but the silica layer used in the experiment was either silicon, metal, or perhaps some other material such as those currently in commerce. On top of that substrate, P of SiO 2
It was formed by thermal oxidation of the underlying silicon rather than by ECVD deposition. This process is PECVD-
It is necessary to be separately optimized for SiO 2, results close to results of thermal SiO 2 is predicted.
【0090】データは、図13のグラフに示される。横
座標は、ペデスタル陽極176上で発生された直流自己
バイアスによって乗じられた、ターゲット陰極172に
供給される直流電力で除されたコイル186に供給され
るRF電力の、比に等しい電力パラメータに対して正規
化された。縦座標に沿って、百分率最下部被覆率、すな
わち、プラグホールの最下部部分での堆積層の厚さ対プ
ラグホールの最上部を囲む平らな表面上の厚さがプロッ
トされる。プラグホールの全体に延びるライナー層を高
速に形成する場合、高い最下部被覆率が望まれる。The data is shown in the graph of FIG. The abscissa is for a power parameter equal to the ratio of the RF power supplied to coil 186 divided by the DC power supplied to target cathode 172 multiplied by the DC self-bias generated on pedestal anode 176. Was normalized. Along the ordinate the percentage bottom coverage is plotted, ie the thickness of the deposited layer at the bottom of the plug hole versus the thickness on the flat surface surrounding the top of the plug hole. When forming a liner layer extending over the entire plug hole at a high speed, a high bottom coverage is desired.
【0091】一つの組の実験で、電力は、5mTorrから
10mTorrのアルゴン圧力下でチタンのHDP−PVD
堆積に対して変えられる。データは、通常、線280を
たどる三角形によって示される。最下部被覆率が低いこ
とを除いて、これらのデータはいかなる特定の傾向も示
さない。In one set of experiments, power was applied to titanium HDP-PVD under argon pressure of 5 mTorr to 10 mTorr.
Can be changed for deposition. The data is typically represented by a triangle that follows line 280. These data do not show any particular trend, except that the bottom coverage is low.
【0092】第2の組の実験では、アルゴン圧力は20
mTorrに上昇される。正規化電力による最下部被覆率の
変動は、通常、線282をたどる円で示されている。最
下部被覆率は、商用の可能なしきい値として解釈される
10〜15Vの正規化電力パラメータの場合、正規化電
力とともに通常増加する。In the second set of experiments, the argon pressure was 20
Raised to mTorr. The variation in bottom coverage with normalized power is typically indicated by the circle that follows line 282. The bottom coverage typically increases with normalized power for a normalized power parameter of 10-15V, which is interpreted as a commercially feasible threshold.
【0093】第3の組の実験では、窒化チタンは反応を
示すようにスパッタされる。チャンバ圧力は、10sc
cm及び70sccmのそれぞれの前述された値に保持
されているアルゴン供給及び窒素供給下で30mmTorr
に保持される。データは、通常線284をたどる正方形
によって示される。鋭い急な折れ曲がりが線284上の
15Vの正規化電力で存在し、それより上で最下部被覆
率は非常に高い値を示すが、許容可能な値は、10V及
びそれ以上の正規化電力の位置で発生する。In the third set of experiments, titanium nitride was reactively sputtered. Chamber pressure is 10sc
cm and 70 sccm, 30 mmTorr under Argon and Nitrogen supply, held at the above-mentioned values respectively.
Is held. The data is shown by the square that normally follows line 284. A sharp sharp bend exists at the normalized power of 15V on line 284 above which the bottom coverage shows a very high value, but acceptable values are for normalized powers of 10V and above. It occurs at the position.
【0094】コイルに供給されるRF電力の高い値での
効果的な最下部充填からかけ離れていても、プラズマの
密度を増加し、増加された最下部被覆率は堆積ライナー
層の増加された滑らかさを伴い、アルミニウムが予期し
ない容易さ、つまり低い温度でボイド形成なしでより容
易により迅速に堆積するように、プラグホールの壁を流
れることを可能にする。ライナー層の滑らかさは、10
eV近くのエネルギーで部分的に形成された表面に衝突
するイオン化された粒子から生じ、表面を洗浄し、平衡
状態に置くためであると思われている。したがって、本
発明の層もまた相互接続での電気移動に対する抵抗の増
加を提供すると信じられている。Far from the effective bottom fill at high values of the RF power delivered to the coil, it increases the density of the plasma and the increased bottom coverage increases the smoothness of the deposited liner layer. Along with that, it allows the aluminum to flow through the walls of the plug holes so that it deposits more easily and faster at lower temperatures without voiding and more quickly. The smoothness of the liner layer is 10
It is believed to result from ionized particles impacting the partially formed surface at energies near eV, to clean and equilibrate the surface. Therefore, it is believed that the layers of the present invention also provide increased resistance to electromigration in the interconnect.
【0095】上部及び下部チタン層 コンタクトがシリコンに対して形成されているとき、ラ
イナー層における下部チタン層のための主要な目的は、
良好なオームコンタクトを形成するように下にあるシリ
コンをケイ化物にするための原材料を提供することであ
る。もし一方、例えば、コンタクトが2つのレベルの配
線を接続する上部層誘電体におけるビアを通って金属に
対して形成されているならば、チタン層は必要ない。同
様に、漸変する上部TiNx下層は、次のウエーハのチ
タン堆積のための準備において窒素のスパッタターゲッ
トを洗浄することを主に必要とする。したがって、ホー
ル充填が窒化チタン下層だけで推進されることができる
ならば、漸変する上部TiNxは、金属に対する最下部
コンタクトを必要としない。いくつかの金属間コンタク
トを含むいくらかの材料及び構造上の結合といくつかの
平面構造の場合、ライナー層は、アルミニウムのその後
の堆積に対して滑らかな表面を与えるように本発明によ
って窒化チタン下層のみ成長させることを必要徒するこ
とが可能であると信じられている。Top and Bottom Titanium Layers When the contacts are made to silicon, the main purpose for the bottom titanium layer in the liner layer is to:
It is to provide a raw material for siliciding the underlying silicon so as to form a good ohmic contact. On the other hand, if, for example, contacts are made to the metal through vias in the upper layer dielectric that connect the two levels of wiring, then the titanium layer is not needed. Similarly, the graded top TiN x underlayer primarily requires cleaning the nitrogen sputter target in preparation for subsequent wafer titanium deposition. Thus, the graded top TiN x does not require a bottom contact to the metal if hole filling can be driven only in the titanium nitride underlayer. For some material and structural bonds, including some intermetallic contacts, and for some planar structures, the liner layer provides a titanium nitride underlayer according to the present invention to provide a smooth surface for subsequent deposition of aluminum. It is believed that it is possible to only need to grow.
【0096】コヒーレント対HDP TiN その両方が同様なプラグ被覆特性を提供するコヒーレン
ト(coherent)(直線にされた)TiNに対するライナー
層の主要な部分としてのHDP TiNの利点を示す実
験が実行された。コヒーレントTiNは、2:1コンタ
クトホールを充填するように設計されたチャンバで反応
的にスパッタされる。コヒーレントTiN膜は、ターゲ
ット陰極に印加される12kWの直流電力の場合、30
0秒の期間にわたって堆積された。基板は、熱酸化被覆
を有し、300℃に保持された。HDP TiN膜は、
ターゲットに印加された5kWの直流電力及びコイルに
印加された1.5kWのRF電力の場合、HDP−PV
Dチャンバで反応を示すようにスパッタされ、90Wの
RF電力は、−70Vの直流自己バイアスを生じるペデ
スタルに印加された。ペデスタルは25℃に保持され
た。Experiments were carried out showing the advantages of HDP TiN as a major part of the liner layer over coherent (straightened) TiN, both of which provide similar plug coating properties. Coherent TiN is reactively sputtered in a chamber designed to fill 2: 1 contact holes. The coherent TiN film has a thickness of 30 when the DC power of 12 kW applied to the target cathode.
It was deposited over a period of 0 seconds. The substrate had a thermal oxide coating and was held at 300 ° C. The HDP TiN film is
In the case of DC power of 5 kW applied to the target and RF power of 1.5 kW applied to the coil, HDP-PV
Sputtered reactive in the D chamber, 90 W of RF power was applied to the pedestal producing a DC self-bias of -70V. The pedestal was kept at 25 ° C.
【0097】TiN堆積(いかなる漸変するTiNx層
もない)後に、ウエーハは、300℃のペデスタル温度
の場合、36秒にわたって10kWの直流電力を使用し
て銅と0.5%で合金される300nmのアルミニウム
を堆積する標準アルミニウムスパッタ室に移送された。
密着して堆積されたウエーハに対して2時間の空気ブレ
イクがあるが、HDP堆積されたサンプルはいかなる空
気ブレイクもなかった。After TiN deposition (without any graded TiN x layer), the wafer was alloyed with copper at 0.5% with 10 kW DC power for 36 seconds for a pedestal temperature of 300 ° C. It was transferred to a standard aluminum sputter chamber where 300 nm of aluminum was deposited.
There was a 2 hour air break on the closely deposited wafer, but the HDP deposited sample did not have any air break.
【0098】目視検査によると、HDP-TiNの上に
堆積されたアルミニウムはコヒーレントTiNの上に堆
積されたアルミニウムよりも光沢のある外観を有してい
た。透過電子顕微鏡写真によると、HDP-TiNの上
に成長されたアルミニウム粒がコヒーレントTiNの上
に成長されたアルミニウム粒よりも約3倍大きかった。
HDP-TiNを有するサンプルのX線回折よると、約
70:1の信号対雑音比の場合、30゜から60゜の範
囲内で、アルミニウム<111>配向に対応する約3
8.7゜で単一のピークを示した。一方、コヒーレント
TiNを有するサンプルのX線回折によると、主ピーク
の約15%のピーク高さを有する36.8゜でのより小
さいピークを有する約20:1の信号雑音比を有する同
様の38.7゜のピークを示した。この二次ピークはH
DP-TiNが下に置かれたサンプルでは現れなかっ
た。By visual inspection, the aluminum deposited on HDP-TiN had a glossier appearance than the aluminum deposited on coherent TiN. Transmission electron micrographs showed that the aluminum grains grown on HDP-TiN were about 3 times larger than the aluminum grains grown on coherent TiN.
X-ray diffraction of a sample with HDP-TiN shows that for a signal to noise ratio of about 70: 1, in the range of 30 ° to 60 °, about 3 corresponding to the aluminum <111> orientation.
It showed a single peak at 8.7 °. On the other hand, X-ray diffraction of a sample with coherent TiN showed a similar 38 with a signal to noise ratio of about 20: 1 with a smaller peak at 36.8 ° having a peak height of about 15% of the main peak. It showed a peak of 0.7 °. This secondary peak is H
DP-TiN did not appear in the underlying sample.
【0099】X線振動曲線は図14のグラフで提示され
ている。振動曲線290は、HDPTiN層を含むサン
プルを有するアルミニウム<111>の場合であり、振
動曲線292は、コヒーレントTiN層を含むサンプルを
有する同様なピークの場合である。これらの振動曲線
は、コヒーレントTiNの上に成長されたアルミニウム
が、実質的にランダムな結晶学的配向を有するのに対し
て、HDP TiNの上に成長されたアルミニウムに平
面に垂直な<111>配向で密に配置されていることを示
している。The X-ray vibration curve is presented in the graph of FIG. Oscillation curve 290 is for aluminum <111> with a sample containing a HDPTiN layer and oscillation curve 292 is for a similar peak with a sample containing a coherent TiN layer. These oscillation curves show that aluminum grown on coherent TiN has a substantially random crystallographic orientation, whereas <111> perpendicular to the plane of aluminum grown on HDP TiN. It shows that they are densely arranged in the orientation.
【0100】データは、HDP TiN上に堆積された
アルミニウムに一直線にされたTiN上に堆積されたア
ルミニウムよりもより大きな粒構造及びより指向された
粒配向が現れることを示している。前述のように、一様
に大きいTiN結晶性及び増加された結晶学的配向は電
気移動を減少する。The data show that aluminum deposited on HDP TiN exhibits a larger grain structure and more oriented grain orientation than aluminum deposited on aligned TiN. As mentioned above, uniformly large TiN crystallinity and increased crystallographic orientation reduce electromigration.
【0101】上部チタン処理ウィンドウ HDP-PVDで成長されたとき、特にその密で滑らか
な結晶構造に現れるように、TiN層は後堆積されたア
ルミニウムの基本特性を追い出すように見える。しかし
ながら、TiNとAlとの間に介在するいかなるチタン
も重要な効果を有する。ほとんど純粋なチタンは、漸変
するTiNxの上部で得られるが、同様な効果は、もし
特別のチタンスパッタ処理が含まれているいかなる窒素
も含めないで実行されるならば、同様な効果が得られる
ことができる。Top Titanium Treatment Window When grown on HDP-PVD, the TiN layer appears to drive out the basic properties of post-deposited aluminum, especially as it appears in its dense and smooth crystal structure. However, any titanium intervening between TiN and Al has a significant effect. Almost pure titanium is obtained on top of graded TiN x , but a similar effect is obtained if a special titanium sputter process is performed without any nitrogen included. Can be obtained.
【0102】チタンは、それの上に堆積されたアルミニ
ウムに対して公知のぬれ性及び結合機能を提供する。し
たがって、上部表面でほぼ純粋な形(TiNx、x≒
0)でチタンを含む要求はこれまではっきりと示されて
いないが、重要な量のチタンは望ましいように思える。
一方、チタンの過剰な厚さは、チタンの上に堆積された
アルミニウムのリフロー特性を促進する際にTiN層の
結晶構造の有効性を減少するように思われる。プラグ充
填アプリケーションの場合、チタンのあまりの厚い層
は、プラグホールを潜在的に陰にするTiAl3のオー
バーハングを生じることが観測される。上記に提示され
たX線データは、Ti又はTiNx層なしであるがHD
P TiNだけを有する平面サンプルで測定されたこと
は注目される。しかしながら、プラグがないことは、リ
フローが必要されなかったことを意味する。Titanium provides the well-known wettability and bonding function to the aluminum deposited on it. Therefore, on the upper surface, a nearly pure form (TiN x , x ≈
Although the requirement to contain titanium in 0) has not been explicitly shown so far, a significant amount of titanium seems desirable.
On the other hand, an excess thickness of titanium appears to reduce the effectiveness of the crystalline structure of the TiN layer in promoting the reflow properties of aluminum deposited on titanium. For plug-filling applications, it is observed that too thick a layer of titanium results in TiAl 3 overhangs potentially shadowing the plug holes. The X-ray data presented above shows HD without a Ti or TiN x layer
It is noted that it was measured on a planar sample with P TiN only. However, the lack of a plug means that no reflow was needed.
【0103】漸変する層のTiNxの厚さを変えること
によって、またいくつかの場合、ホット堆積温度及びプ
ラグアスペクト比を変えることによって、一連の実験
は、実行された。A series of experiments were performed by varying the TiN x thickness of the graded layer and, in some cases, varying the hot deposition temperature and plug aspect ratio.
【0104】実験に対する典型的な処理パラメータは下
記のとおりである。プラグは、熱酸化シリコンで形成さ
れ、2:1〜4:1の範囲のアスペクト比を有した。こ
の構造は、20nmの厚さの下部チタン層、600nm
の厚さのTiN層、10nmの厚さのTiNxの漸変す
る層を有した。したがって、そのように形成されたライ
ナー層は、従来のPVD装置で200nmのコールドア
ルミニウム及び800nmのホットアルミニウムでスパ
ッタ堆積された。Typical process parameters for the experiment are as follows: The plug was formed of thermally oxidized silicon and had an aspect ratio in the range of 2: 1 to 4: 1. This structure consists of a 20 nm thick lower titanium layer, 600 nm
Layer of TiN x, with a graded layer of TiN x of 10 nm thickness. Therefore, the so-formed liner layer was sputter deposited with 200 nm cold aluminum and 800 nm hot aluminum in a conventional PVD apparatus.
【0105】SEMから、ホットアルミニウム堆積の場
合、450℃のヒータ温度で、充填特性は、薄い10n
mの厚さの漸変する層に対してさらに良いことは明かで
ある。より厚い60nmの漸変する層は、TiAl3を
形成するためにその上に堆積されたアルミニウムと反応
し、粗い粒構造がプラグの中へのアルミニウムのフロー
を示していると信じられている。535℃のより高い温
度で、より厚いTiNxの漸変する層は種層(コールド
堆積されたアルミニウム)のぬれ性低下(dewetting)を
示す傾向があるため、それは、僅かにより良好な動作を
行う。本発明は、下部アルミニウム堆積及びリフロー温
度によって第一目的を与えられているので、535℃で
のより厚い漸変する層のより良い性能は二番目に重要で
ある。From SEM, in the case of hot aluminum deposition, at a heater temperature of 450 ° C., the filling properties are 10 n thin.
It is clear that even better for graded layers of thickness m. It is believed that the thicker 60 nm graded layer reacts with the aluminum deposited thereon to form TiAl 3 and the coarse grain structure indicates the flow of aluminum into the plug. At a higher temperature of 535 ° C., it performs slightly better because the thicker graded layer of TiN x tends to show dewetting of the seed layer (cold deposited aluminum). . Better performance of thicker graded layers at 535 ° C is of second importance, as the present invention is primarily served by the lower aluminum deposition and reflow temperatures.
【0106】他の組の実験は、10nmの厚さのTiN
xの漸変する層の最上部への450℃でのリフローと、
TiNx層を使用しない、すなわち、一番上にTiぬれ
層のないリフローと比較した。SEMは、リフローが1
0nmのTiNxで著しく改良されたことを示した。Another set of experiments was performed with 10 nm thick TiN.
reflow at 450 ° C to the top of a graded layer of x ,
Compared to a reflow without the TiN x layer, ie without the Ti wetting layer on top. SEM has 1 reflow
It was shown to be significantly improved with 0 nm TiN x .
【0107】最終結論は、上部チタンぬれ層は、狭いプ
ラグ充填では要求され、恐らく平面堆積では必要なく、
少なくとも上記で提示された処理パラメータ空間では、
その厚さは60nmよりも小さくあるべきであるという
ことである。その大部分が実質的に純粋なチタンである
ので、引用された厚さはTiNxの漸変する層の場合で
ある。チタンの厚さの下限は多分アスペクト比及び他の
処理パラメータに密接に依存する。少なくとも典型的な
データの処理パラメータの場合、厚さは、10nmに等
しいか又はそれよりも大きい必要があり、10nmの厚
さは使用される処理パラメータに対して好ましい。The final conclusion is that the top titanium wetting layer is required for narrow plug fills, and perhaps not for planar deposition,
At least in the processing parameter space presented above,
It is that its thickness should be less than 60 nm. The quoted thicknesses are for a graded layer of TiN x , as most of it is substantially pure titanium. The lower limit of titanium thickness probably depends closely on the aspect ratio and other processing parameters. At least for typical data processing parameters, the thickness should be equal to or greater than 10 nm, with a thickness of 10 nm being preferred for the processing parameters used.
【0108】アルミニウム処理ウィンドウ 誘電体を通るプラグホールの中のライナー層の実質的に
適応した堆積は、以前よりもさらに高いアスペクト比を
有するプラグホールを残す。たとえライナー層が後堆積
金属によってプラグ充填を促進するとしても、プラグが
適当な長さの時間で、多くのアプリケーションの場合、
実用的である程度に低い温度で、ボイドなしに充填され
るのであるならば、金属化のための堆積パラメータは重
要である。前述のように、好ましい金属化は、2つのス
テップ、すなわちコールドーホットスパッタ処理を含
む。コールドーホットスパッタ処理それ自体は周知であ
る。オングの上記に引用された特許は、50℃〜150
℃でのコールド堆積及び550℃でのホットステップを
提案している。ワング(Wang)の米国特許第5,108,
570号は、50℃〜250℃でのコールド堆積及び4
00℃を越えないホット堆積温度を提案している。ワン
グは、ホット堆積の最小温度に対して良好なデータを提
示していなく、400℃よりもさらに低いこともあり得
るいかなる提案もない。しかしながら、特に適当に短い
PVD堆積時間が必要であるならば、ライナー層は、ホ
ットスパッタがほぼ低い温度で実行されることを可能に
することがわかった。Aluminized Window Substantially adapted deposition of the liner layer in the plug holes through the dielectric leaves plug holes with an even higher aspect ratio than before. Even if the liner layer promotes plug filling with post-deposited metal, for many applications the plug will be of adequate length of time,
The deposition parameters for metallization are important if they are filled without voids at temperatures that are practically low. As mentioned above, the preferred metallization involves two steps, a cold hot sputter process. Cold hot sputter processing itself is well known. The above cited patent of Ong is between 50 ° C and 150 ° C.
Cold deposition at ° C and hot step at 550 ° C are proposed. Wang US Patent No. 5,108,
No. 570, cold deposition at 50-250 ° C and 4
We propose a hot deposition temperature that does not exceed 00 ° C. Wang does not provide good data for the minimum temperature of hot deposition and there is no suggestion that can be even below 400 ° C. However, it has been found that the liner layer allows hot sputter to be carried out at approximately low temperatures, especially if a reasonably short PVD deposition time is required.
【0109】他の一連の実験は、高いアスペクト比を有
するプラグホールへの標準PVDによるアルミニウム堆
積に対して実行された。これらの実験の場合、誘電体層
は、熱酸化物であり、すなわち、シリコンは、表面を二
酸化シリコンへ酸化させるように酸素環境において高温
に保持されてた。それに反して、工業用製造は、通常、
プラズマ強化CVD又はその後に硬化されるスピンオン
(spin-on)ガラスによって堆積される酸化物で行われ
る。これらの材料の各々は、そのアルミニウム処理ウィ
ンドウを決定するために別々の組みの実験を必要とした
であろう。Another series of experiments was performed on standard PVD aluminum deposition on plug holes with high aspect ratios. For these experiments, the dielectric layer was a thermal oxide, that is, the silicon was kept at a high temperature in an oxygen environment to oxidize the surface to silicon dioxide. On the contrary, industrial manufacturing usually
Plasma-enhanced CVD or spin-on subsequently cured
(spin-on) done with oxide deposited by glass. Each of these materials would have required a separate set of experiments to determine its aluminized window.
【0110】図15の検査された領域300は、従来の
高アスペクト比のプラグを充填する処理が適用できる処
理ウィンドウを示している。特に、TiNライナー層
は、一直線にされたPVDによって堆積され、アルミニ
ウムはコールドホットPVD処理でそれの上に堆積され
る。縦軸は、アルミニウムのスパッタ堆積のホット部分
中の基板温度を示し、横軸は、プラグを有効的に充填す
るために堆積中又はその後の独立のリフロー処理中この
高い温度に保持されることを必要とする時間を示す。図
示されるように、430℃及びそれ以下で、リフロー期
間は、高いスループットPVDに対して過剰とみなされ
る3.5分以上の間保持されねばならない。The inspected area 300 of FIG. 15 shows a processing window to which the conventional high aspect ratio plug filling process can be applied. In particular, the TiN liner layer is deposited by aligned PVD and the aluminum is deposited on it by a cold hot PVD process. The vertical axis shows the substrate temperature during the hot part of the aluminum sputter deposition, and the horizontal axis shows that this high temperature is maintained during deposition or during subsequent independent reflow processes to effectively fill the plugs. Indicates the time required. As shown, at 430 ° C. and below, the reflow period must be held for 3.5 minutes or more, which is considered excessive for high throughput PVD.
【0111】それに反して、斜線が入れられた領域30
2は、アルミニウムがライナー層で、そしてまた低温ア
ルミニウム種層で予め被覆されたプラグホールに充填さ
れる本発明の処理を示している。データは、0.25μ
mの直径及び5のアスペクト比を有するホールへ800
nmのアルミニウムのホット堆積が後に続く200nm
のアルミニウムのコールド堆積に基づいている。スパッ
タは、0.5〜2mTorrの範囲のアルゴン圧力を有する
標準PVDチャンバで生じる。直流ターゲット電力は、
所与の時間に800nmのホットアルミニウムを堆積す
るように調整され、ターゲット対ウエーハの距離は、コ
ールド堆積とホット堆積との間に保持されている。デー
タは、ホールの異なる幾何学的形状、金属層の厚さ、及
び他の処理パラメータに対して幾分変わり得る。ぬれ性
低下温度が約250℃であるので、200℃又はそれ以
下でコールド堆積を実行することが好ましい。そしてま
た、プロットされた温度はホット堆積中の基板温度であ
り、時間はホット堆積中の時間である。On the other hand, the shaded area 30
No. 2 shows a process according to the invention in which aluminum is filled in the plug holes which are precoated with a liner layer and also with a low temperature aluminum seed layer. The data is 0.25μ
800 to a hole with a diameter of m and an aspect ratio of 5
200 nm followed by hot deposition of nm aluminum
Based on cold deposition of aluminum. Sputtering occurs in a standard PVD chamber with an argon pressure in the range 0.5-2 mTorr. DC target power is
Adjusted to deposit 800 nm of hot aluminum at a given time, the target-to-wafer distance is maintained between cold and hot deposition. The data may vary somewhat for different hole geometries, metal layer thicknesses, and other processing parameters. It is preferred to carry out cold deposition at 200 ° C or lower, as the wetting temperature is about 250 ° C. And again, the plotted temperature is the substrate temperature during hot deposition and time is the time during hot deposition.
【0112】本発明の処理は、より低い温度とより短い
堆積及びリフロー時間の場合の両方で有用であることが
わかる。特に、非常に短い堆積時間は、470℃で、4
30℃でさえ得られる。390℃でのホット堆積又はさ
らに350℃でのホット堆積の場合、リフロー時間は4
分よりももっと少ない。およそ350℃で、リフロー期
間はなお管理できる6分である。ホット堆積に対して好
ましい範囲の温度は350℃〜400℃であるが、32
0℃又は300℃程度の低さの基板温度が、より低い温
度のために最適化された処理ウィンドウに対して考えら
れる。The process of the invention proves to be useful both at lower temperatures and at shorter deposition and reflow times. In particular, the very short deposition time is 470 ° C.
Even obtained at 30 ° C. For hot deposition at 390 ° C or even 350 ° C, the reflow time is 4
Much less than a minute. At approximately 350 ° C., the reflow period is still manageable 6 minutes. The preferred temperature range for hot deposition is 350 ° C to 400 ° C, but 32
Substrate temperatures as low as 0 ° C. or 300 ° C. are considered for processing windows optimized for lower temperatures.
【0113】これらのデータは、比較的冷たい温度で堆
積された初期のアルミニウム層の利点を示している。本
発明のライナー層上に堆積された場合、このような層
は、滑らかであり、したがってリフローを促進する。そ
の後、ホットアルミニウム堆積には、アルミニウムを、
コールドアルミニウム層とライナー層との間の中間面を
妨害することなしにフローさせる。したがって、アルミ
ニウムは、比較的高温でさえ、ぬれ性が低下せずに球形
にならない。These data demonstrate the advantages of the initial aluminum layer deposited at relatively cold temperatures. When deposited on the liner layers of the present invention, such layers are smooth and thus promote reflow. Then, for hot aluminum deposition,
Allow the intermediate surface between the cold aluminum layer and the liner layer to flow without obstruction. Thus, aluminum does not become spherical without loss of wettability, even at relatively high temperatures.
【0114】インターレベルビア 上記の説明は、下にあるシリコンに対するコンタクト充
填に主に関係がある。2つの金属層間のビアの場合、下
にあるシリコンの価値を落とす問題は存在しない。した
がって、下部チタン層の必要性は明らかでない。それに
もかかわらず、本発明の多数の態様はビアにも等しく適
用可能である。Interlevel Vias The above discussion is primarily concerned with contact fill for the underlying silicon. In the case of vias between two metal layers, there is no problem defeating the underlying silicon. Therefore, the need for a lower titanium layer is not clear. Nevertheless, many aspects of the invention are equally applicable to vias.
【0115】典型的なビア構造は、それが充填される以
前に図16の断面に示されている。例えば、アルミニウ
ムのパターン化された中間の金属層310(ここでは、
金属1層と呼ばれる)は、金属層310からの過剰な反
射を防止する際のフォトリソグラフィパターン化中に有
用なTiNの反射防止(ARC)膜312を上に置く。
その上には、例えば二酸化シリコンのレベル間誘電体層
314が堆積されている。金属層310は一様な厚さで
示されているが、多くの直線的に延びる相互接続を含む
配線レベルに予めパターン化されているので、多くの領
域で、誘電体層314はより低いレベルの誘電体層31
6に直接コンタクトする。しかしながら、ビアは金属層
310の残りの部分の上に形成される。上部レベル誘電
体層314の上には、ビア領域320を露出するように
現像されるフォトレジスト318が堆積される。レベル
間誘電体層314は、ビア領域320でエッチングして
取り除かれ、その後、フォトレジスト318ははぎとら
れる。プラズマ予洗浄によって取り除かれるように残さ
れることもあるが、ときどき、TiN ARC層312
もまた誘電体エッチングによってエッチングされる。ど
ちらの場合も、フォトレジスト層318の除去から生じ
る薄い酸化アルミニウム層及び他の異物は、ビアホール
320の最下部に一般に形成する。絶縁酸化アルミニウ
ム層322の除去は、異物を除去する予洗浄以外のいか
なる他のステップも必要ないと思っているが、プラズマ
予洗浄によるこの安定絶縁酸化アルミニウム層322の
除去は問題がある。ビア318の最下部で良好なコンタ
クトを確実にするために、チタン層が堆積されることが
できる。チタンは、導電TiAl3を形成し、絶縁酸化
アルミニウムの介在層320を突破するように下にある
アルミニウムと強く反応する。したがって、下位レベル
金属層310のためにケイ化物にする必要もないが、ラ
イナー層150の下部チタン下層160は、下にある金
属層に対する良好なコンタクトを確実にするためにいく
つかの状況ではなお好ましい。A typical via structure is shown in cross section in FIG. 16 before it is filled. For example, an aluminum patterned intermediate metal layer 310 (here,
The metal 1 layer) is overlaid with an antireflective (ARC) film 312 of TiN that is useful during photolithographic patterning in preventing excessive reflection from metal layer 310.
Over that, an interlevel dielectric layer 314 of, for example, silicon dioxide is deposited. Although the metal layer 310 is shown to be of uniform thickness, in many areas the dielectric layer 314 is at a lower level because it is pre-patterned to wiring levels that include many linearly extending interconnects. Dielectric layer 31
Contact 6 directly. However, vias are formed over the rest of metal layer 310. Over the top level dielectric layer 314 is deposited a photoresist 318 that is developed to expose the via area 320. The interlevel dielectric layer 314 is etched away in the via area 320, after which the photoresist 318 is stripped. Sometimes it is left to be removed by the plasma preclean, but occasionally the TiN ARC layer 312 is
Is also etched by the dielectric etch. In either case, the thin aluminum oxide layer and other foreign material that results from the removal of photoresist layer 318 typically forms at the bottom of via hole 320. Although it is believed that the removal of the insulating aluminum oxide layer 322 does not require any other step other than the pre-cleaning to remove foreign matter, removal of this stable insulating aluminum oxide layer 322 by plasma pre-cleaning is problematic. A titanium layer can be deposited to ensure good contact at the bottom of the via 318. Titanium reacts strongly with the underlying aluminum to form conductive TiAl 3 and to break through the intervening layer 320 of insulating aluminum oxide. Thus, there is also no need for silicide for the lower level metal layer 310, but the lower titanium underlayer 160 of the liner layer 150 may still be useful in some situations to ensure good contact to the underlying metal layer. preferable.
【0116】したがって、好ましい充填されたビア構造
は、図17に断面で示されていて、その形成の主要なス
テップは図18のフロー図で示される。ステップ330
では、図16のビアホール320は、上部誘電体層31
4及びARC層322を貫通してエッチングされる。上
記ステップはプラズマ予洗浄を含んでもよい。レベル間
ビアとともに、前出のオング特許で記載されているよう
にエッチング及び予洗浄処理によってビアホール320
の上部コーナーの小面を刻む(facet)ことは好ましい。
エネルギープラズマ粒子が露出されたシリコンを損傷す
る恐れがあるため、このような小面を刻むことはコンタ
クトに対して使用されない。Therefore, a preferred filled via structure is shown in cross-section in FIG. 17 and the major steps in its formation are shown in the flow diagram of FIG. Step 330
Then, the via hole 320 of FIG.
4 and ARC layer 322 are etched through. The above steps may include plasma precleaning. Along with the interlevel vias, the via holes 320 are etched and pre-cleaned as described in the aforementioned Ong patent.
It is preferable to facet the upper corners of the.
Such faceting is not used for contacts because energetic plasma particles can damage exposed silicon.
【0117】ステップ262、266、268でHDP
−PVD処理は、図8のコンタクト140に対してなさ
れたものと同様にライナー層150を堆積するために使
用されている。ライナー層150は、ビアホール320
の内部及び誘電体層314の上部表面332を被覆す
る。ライナー層150は、Ti、TiN、及びTiNx
の3つの下層160、162、164を含んでいる。H
DP−PVD処理は、滑らかで、密で結晶学的に整列さ
れたライナー層150を確保する。HDP in steps 262, 266 and 268
The PVD process is used to deposit the liner layer 150 similar to that done for the contacts 140 of FIG. The liner layer 150 has a via hole 320.
Coating the interior and the top surface 332 of the dielectric layer 314. The liner layer 150 is made of Ti, TiN, and TiN x.
Three lower layers 160, 162, 164 of H
The DP-PVD process ensures a smooth, dense and crystallographically aligned liner layer 150.
【0118】アルミニウムの400℃堆積温度は、Ti
Al3を形成するために下にあるチタンとの合金化に十
分であるため、いかなる別々のケイ化物化もビアに対し
て実行されない。ステップ270、272で温かい上部
金属層(金属2)334は、図8のコンタクト140に
対して行われたように、ビア320の中へ及び誘電体層
314の上に堆積される。2つのステップ処理は、最初
のコールド標準PVD処理及びその後のホット標準PV
D処理を含んでいる。ステップ336では、ARC層3
38は、相互接続へのフォトリソグラフィ描写を容易に
するために上部金属層334の上に堆積される。The 400 ° C. deposition temperature of aluminum is
No separate silicidation is performed on the via, as it is sufficient for alloying with the underlying titanium to form Al 3 . A warm top metal layer (metal 2) 334 is deposited in steps 270, 272 into the via 320 and on the dielectric layer 314, as was done for the contact 140 of FIG. The two-step process consists of a first cold standard PVD process followed by a hot standard PVD.
D processing is included. In step 336, the ARC layer 3
38 is deposited over the top metal layer 334 to facilitate photolithographic delineation into the interconnect.
【0119】一番下のHDP TiN層はバリヤ特性を
可能にするために酸素で充填される必要もなく、チタン
がケイ化物にされる必要もないので、いくつかの状況で
は、一番下のHDP TiN層は必要な電気的コンタク
トを与えるが、ライナー層の3層の実施例は、高度に配
向された結晶の滑らかなライナー層という利点を提供す
る。さらに、TiNライナー層は、シリカ層314に取
り込まれたいかなる湿気もビア320に充填されたアル
ミニウムへ移動することを防止する。上記のデータは、
ライナー層での上部チタン下層の最小厚さの要求を示し
ているが、上部チタン下層がリフローのために必要とさ
れないときに処理ウィンドウが使用されるならば、上部
チタン下層の窒素洗浄機能はレベル間ビアに対しても必
要ないし、したがってなしで済ますこともできる。The bottom HDP TiN layer need not be filled with oxygen to enable barrier properties, and titanium need not be silicided, so in some situations the bottom While the HDP TiN layer provides the necessary electrical contact, the three layer embodiment of the liner layer offers the advantage of a highly oriented crystalline smooth liner layer. In addition, the TiN liner layer prevents any moisture trapped in the silica layer 314 from migrating to the aluminum filled via 320. The above data is
It shows the minimum thickness requirement of the top titanium underlayer in the liner layer, but if the processing window is used when the top titanium underlayer is not needed for reflow, then the nitrogen scrubbing function of the top titanium underlayer is level. It is not needed for intervias, and thus can be dispensed with.
【0120】このように、本発明は、金属で狭いアパー
チャを充填するための有効的であるが経済的な方法を提
供する。上記に提示された技術的データは、提示された
特別な例によって限定されないクレームで規定された多
くの結論に導く。Thus, the present invention provides an effective but economical method for filling narrow apertures with metal. The technical data presented above lead to a number of conclusions defined in the claims, which are not limited by the particular examples presented.
【0121】例は、ほぼ対称的なコンタクト及びビアと
主に関連しているが、本発明はそのように限定されな
い。同一の概念は、トレンチ幅がアスペクト比を決定す
るコンタクト又はビアトレンチに適用されることができ
る。Although the examples relate primarily to nearly symmetrical contacts and vias, the invention is not so limited. The same concept can be applied to contact or via trenches where the trench width determines the aspect ratio.
【0122】図19で正斜影で図示されている双対のダ
マシーン(damascene)模様と呼ばれる有望な構造は、相
互接続によりプラグと結合する。双対リソグラフィ処理
は、誘電体層342の最上部に沿って横方向に延びるト
レンチ340及びトレンチ340の最下部での上部アパ
ーチャ346から図示されないシリコン基板又は下部相
互接続レベルに隣接した誘電体層342の最下部での最
下部アパーチャまで延びるプラグ344の両方を形成す
る。本発明の充填処理の単一のステップは、プラグ34
4及びトレンチ340の両方へ金属を充填するために使
用される。トレンチ340の中の金属は相互接続として
使用されるが、プラグ344の中の金属は垂直層間接続
のために使用される。このような構造は、相互接続の高
密度形成を可能にする。そして、また誘電体層342の
パターン化されない部分を露出するための上部表面の化
学的機械的研磨によるような平面化のみで、いかなる金
属リソグラフィも必要とされない。しかしながら、トレ
ンチ及び下にあるプラグの両方が同時に充填される必要
があるので、双対のダマシーン模様構造は充填のための
非常に高いアスペクト比を示す。本発明はこのような狭
く深いホールを充填するように向けられている。A promising structure called the dual damascene pattern, which is shown in FIG. 19 in regular hatching, joins the plugs by interconnection. The dual lithographic process includes trenches 340 extending laterally along the top of the dielectric layer 342 and an upper aperture 346 at the bottom of the trench 340 to a dielectric layer 342 adjacent to a silicon substrate or lower interconnect level not shown. Form both plugs 344 that extend to the bottom aperture at the bottom. The single step of the filling process of the present invention is plug 34.
Used to fill both 4 and trench 340 with metal. The metal in the trench 340 is used as an interconnect, while the metal in the plug 344 is used for the vertical interlayer connection. Such a structure allows for high density formation of interconnects. And, again, no metal lithography is required, only planarization, such as by chemical mechanical polishing of the top surface to expose the unpatterned portions of the dielectric layer 342. However, the dual damascene pattern structure exhibits a very high aspect ratio for filling because both the trench and the underlying plug need to be filled at the same time. The present invention is directed to filling such narrow and deep holes.
【0123】本発明は、誘電体層を通って唯一の部分通
路に延びるDRAMのためのトレンチのような他のアパ
ーチャ構造に適用されることもまたできる。本発明の概
念の多くは、狭いアパーチャに決定的に依存しない平面
構造に適用されることができる。The present invention can also be applied to other aperture structures such as trenches for DRAMs that extend through the dielectric layer to the only partial path. Many of the inventive concepts can be applied to planar structures that do not depend critically on narrow apertures.
【0124】相互接続 コンタクト及びビア充填の両方の上記の論議は、本発明
のプラグ充填が充填プラグの上で相互接続するための金
属層の堆積と一体にできることを強調している。確か
に、図14に関して検討されたX線回折データは、本発
明のライナー層の上に形成された特にアルミニウムの金
属相互接続は、金属結晶の大きな均一な粒の大きさ及び
高い結晶学的配向のための最上の電気移動のふるまいを
示す。しかしながら、狭いプラグ充填を必要としないい
くつかのアプリケーションでは、ライナー層の3つ全て
の下層を必要としない。X線回折データは、TiN層の
上に直接堆積されたアルミニウムを有するサンプルに対
して測定されていることが注目される。同様に、上部チ
タン下層は、小さい導電プラグの充填に対して最も明ら
かに重要である。The above discussion of both interconnect contacts and via fills emphasizes that the plug fills of the present invention can be integrated with the deposition of metal layers for interconnection over fill plugs. Indeed, the X-ray diffraction data discussed with respect to FIG. 14 show that metal interconnects, especially aluminum, formed on the liner layer of the present invention show large uniform grain size and high crystallographic orientation of the metal crystals. Shows the best electric transfer behavior for. However, some applications that do not require a narrow plug fill do not require all three underlayers of the liner layer. It is noted that the X-ray diffraction data was measured on a sample with aluminum deposited directly on the TiN layer. Similarly, the top titanium underlayer is most obviously important for filling small conductive plugs.
【0125】したがって、本発明の相互接続構造は、図
20及び図21に断面で示されている。その最も重要な
製造ステップは、図22のフロー図で示されている。ス
テップ350では、HDP−PVD処理は、例えば、二
酸化シリコンの誘電体層354上にライナー層352を
堆積するために使用される。ライナー層352は、図8
のコンタクト140のTiN下層162と同様に少なく
ともTiN下層を含む。HDP-PVDによるその形成
は、X線回折実験で示されるように、滑らかな表面、大
きな結晶性、高度に配向された結晶性を有することにな
る。さらに、ライナー層352は、TiN下層の下の下
部チタン下層又はTiN下層の上の上部TiNx下層あ
るいは両者を含むが、その介在が相互接続に必要である
ことは知られていない。Therefore, the interconnect structure of the present invention is shown in cross section in FIGS. The most important manufacturing steps are shown in the flow diagram of FIG. At step 350, a HDP-PVD process is used to deposit a liner layer 352 over a dielectric layer 354 of, for example, silicon dioxide. The liner layer 352 is shown in FIG.
And at least a TiN underlayer as well as the TiN underlayer 162 of the contact 140 of FIG. Its formation by HDP-PVD will have a smooth surface, large crystallinity and highly oriented crystallinity, as shown by X-ray diffraction experiments. Further, the liner layer 352 includes a lower titanium underlayer under the TiN underlayer, an upper TiN x underlayer over the TiN underlayer, or both, although it is not known that intervening is necessary for interconnection.
【0126】ステップ356で、例えば、アルミニウム
の金属層358は、ライナー層352の上に堆積され
る。ホール充填の場合と違って、この平面堆積は重要で
ないので、もし望まれるならば、それは標準PVDによ
る単一温度ステップで実行されることができる。ステッ
プ360では、反射防止膜362は、金属層358の上
に堆積され、ステップ364では、フォトレジスト材の
フォトリソグラフィマスク366は、意図された相互接
続の上に堆積され、パターン化される。さて、図21を
参照すると、この構造は、ライナー層352上への形成
のために、密に配向された<111>結晶構造を有する
均一な大きな粒を有する相互接続370を残すようにス
テップ368でマスク366の周りをエッチングされ
る。At step 356, a metal layer 358, eg, aluminum, is deposited over the liner layer 352. Unlike the case of hole filling, this planar deposition is not critical, so if desired it can be performed in a single temperature step with standard PVD. In step 360, antireflective coating 362 is deposited over metal layer 358, and in step 364, photolithographic mask 366 of photoresist material is deposited and patterned over the intended interconnects. Referring now to FIG. 21, this structure leaves a uniform large grain interconnect 370 having a closely oriented <111> crystal structure for formation on the liner layer 352, step 368. Then, the periphery of the mask 366 is etched.
【0127】他の実施例 本発明の現在最も重要なアプリケーションは、プラグホ
ールを充填し、アルミニウムで相互接続を形成している
が、本発明はそのように限定されない。アルミニウム
は、例えば、10重量%まで、他の金属で合金にされて
もよい。このような合金の例は、アルミニウム‐銅、ア
ルミニウム‐銅‐シリコン、アルミニウム‐シリコン、
アルミニウム‐ゲルマニウム、及びアルミニウム‐パラ
ジウム‐シリコンである。銅のような他の金属及びその
合金並びにケイ化物は、コンタクト及び相互接続のため
に考慮され、アルミニウムコンタクト及び相互接続と同
じ制限を受け、したがって本発明の同様な利点を享受で
きる。Other Embodiments The presently most important application of the present invention is to fill plug holes and form interconnections with aluminum, but the present invention is not so limited. Aluminum may be alloyed with other metals, for example up to 10% by weight. Examples of such alloys are aluminum-copper, aluminum-copper-silicon, aluminum-silicon,
Aluminum-germanium and aluminum-palladium-silicon. Other metals such as copper and their alloys and suicides are considered for contacts and interconnects and are subject to the same limitations as aluminum contacts and interconnects, and thus can enjoy similar advantages of the invention.
【0128】実例の誘電体層は二酸化シリコンであった
が、本発明はそのように限定されない。Si3N4のよう
な他の無機誘電体は、現在のところ通常電界誘電体とし
て使用され、有機体を含む他の絶縁材は、それに適用す
ることが有利である本発明の場合、誘電体層として使用
されることができる。Although the exemplary dielectric layer was silicon dioxide, the present invention is not so limited. Other inorganic dielectrics such as Si 3 N 4 is currently commonly used as a field dielectric, another insulating material containing an organic material in the case of the present invention it is advantageous to apply thereto, the dielectric It can be used as a layer.
【0129】前述の実例のチタン層は、ぬれ性及びケイ
化物化の両方のために使用された。コバルトのような他
の超硬合金もまたこれらの機能のために使用されること
ができ、したがって、本発明内に含まれる。いくつかの
グループがオームコンタクト材料としてCoSiを調査
している。超硬合金は、化学量的に近い量の2つの超硬
合金を含む金属間合金であってもよい。The example titanium layer described above was used for both wettability and silicidation. Other cemented carbides such as cobalt can also be used for these functions and are therefore included within the invention. Several groups are investigating CoSi as an ohmic contact material. The cemented carbide may be an intermetallic alloy containing two stoichiometrically close amounts of the two cemented carbides.
【0130】好ましくは、本発明で使用されたTiN
は、良好な導電率を有し、非常に滑らかな表面を有する
金属化合物である。TiN層は、いくつかな有利な結果
を与えるが、他の導電超硬合金窒化化合物は、特に、銅
が相互接続金属として使用されるならば、TaNのよう
に取り換えられることができる。その元素形式及び窒化
物形式で使用されることができるTi及びTa以外の超
硬合金は、W及びNiである。Preferably the TiN used in the present invention
Is a metal compound that has good conductivity and has a very smooth surface. The TiN layer provides some advantageous results, but other conductive cemented carbide nitride compounds can be replaced, such as TaN, especially if copper is used as the interconnect metal. Cemented carbides other than Ti and Ta that can be used in their elemental and nitride forms are W and Ni.
【0131】[0131]
【発明の効果】したがって、本発明は、高アスペクト比
を有し、優れた結晶学特性の金属層を堆積するホールを
有効的に充填する方法を提供する。狭いホールを金属で
充填する処理は、電気移動に抵抗性がある相互接続に規
定されることができる金属の堆積と同時に実行されるこ
とができる。それにもかかわらず、処理は高価でない装
置で実行されることができ、一方なお高堆積速度を示
し、したがって削減されたコストで高スループットを達
成する。Accordingly, the present invention provides a method for effectively filling holes that deposit metal layers having high aspect ratios and excellent crystallographic properties. The process of filling the narrow holes with metal can be performed simultaneously with the deposition of the metal, which can be defined in an electromigration resistant interconnect. Nevertheless, the process can be carried out on less expensive equipment while still exhibiting high deposition rates and thus achieving high throughput at reduced cost.
【図1】半導体集積回路における誘電体層を通して延び
るコンタクト又はビアホールの概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a contact or via hole extending through a dielectric layer in a semiconductor integrated circuit.
【図2】部分的にスパッタされた金属で堆積された後の
図1のコンタクト又はビアの断面図である。2 is a cross-sectional view of the contact or via of FIG. 1 after being deposited with partially sputtered metal.
【図3】不適切な堆積がボイドを形成したコンタクト又
はビアの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a contact or via with improper deposition forming a void.
【図4】金属がコンタクト又はビアを充填し、表面を平
面化するようにリフローするコンタクト又はビアの概略
断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a contact or via in which metal fills the contact or via and reflows to planarize the surface.
【図5】従来のホール充填の処理のためのフロー図であ
る。FIG. 5 is a flow diagram for a conventional hole filling process.
【図6】相互接続及び電気移動によるその故障モードの
概略表現の正射影図である。FIG. 6 is an orthographic view of a schematic representation of interconnections and their failure modes due to electromigration.
【図7】相互接続及び電気移動によるその故障モードの
概略表現の正射影図である。FIG. 7 is an orthographic view of a schematic representation of its failure modes due to interconnection and electromigration.
【図8】本発明のライナー層で製造され、その後に金属
で充填されたコンタクトの断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a contact made with the liner layer of the present invention and subsequently filled with metal.
【図9】高密度プラズマでの圧力に依存する最下部被覆
率のグラフである。FIG. 9 is a graph of pressure dependent bottom coverage in high density plasma.
【図10】高密度プラズマ(HDP)での物理的蒸着
(PVD)を実行することができる反応室の概略立面図
である。FIG. 10 is a schematic elevational view of a reaction chamber in which physical vapor deposition (PVD) with high density plasma (HDP) can be performed.
【図11】本発明が実施できる多室クラスタツールの概
略平面図である。FIG. 11 is a schematic plan view of a multi-chamber cluster tool according to the present invention.
【図12】本発明の処理実施例のためのフロー図であ
る。FIG. 12 is a flow diagram for a processing embodiment of the present invention.
【図13】電力レベル及び圧力の関数としてライナー層
の堆積のための処理ウィンドウを示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing a process window for deposition of a liner layer as a function of power level and pressure.
【図14】本発明のーにより形成された窒化チタン層に
堆積されたアルミニウム層の結晶化度を実証するX線振
動曲線を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing an X-ray vibration curve demonstrating the crystallinity of the aluminum layer deposited on the titanium nitride layer formed according to the present invention.
【図15】本発明のライナー層を有するプラグの中への
アルミニウムの標準PVD堆積のための処理ウィンドウ
を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing a process window for standard PVD deposition of aluminum into a plug having a liner layer of the present invention.
【図16】ビアホールの断面図である。FIG. 16 is a sectional view of a via hole.
【図17】本発明によるその金属化後のビアホールの断
面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view of a via hole after its metallization according to the present invention.
【図18】本発明によるビアを充填する際の主要ステッ
プのフロー図である。FIG. 18 is a flow diagram of the major steps in filling a via according to the present invention.
【図19】その充填よりも前の双対ダマスク模様構造の
正射影図である。FIG. 19 is an orthographic view of the dual damask pattern structure prior to its filling.
【図20】本発明により形成された相互接続の断面図で
ある。FIG. 20 is a cross-sectional view of an interconnect formed in accordance with the present invention.
【図21】本発明により形成された相互接続の断面図で
ある。FIG. 21 is a cross-sectional view of an interconnect formed in accordance with the present invention.
【図22】本発明による相互接続を形成する際の主要ス
テップのフロー図である。FIG. 22 is a flow diagram of the salient steps in forming an interconnection according to the present invention.
140…コンタクト、142…誘電体層、144…シリ
コンウエーハ、156…金属層、160、162、16
4…下層、172…スパッタターゲット、174…ペデ
スタル、176…ウエーハ、186…誘導コイル、31
0…金属層、312…ARC膜、314…誘電体層、3
18…ホトレジスト、320…ビアホール、334…金
属層、338…ARC層、340…トレンチ、344…
プラグ、346…アパーチャ、352…ライナー層、3
54…誘電体層、358…金属層、362…ARC膜、
366…マスク。140 ... Contact, 142 ... Dielectric layer, 144 ... Silicon wafer, 156 ... Metal layer, 160, 162, 16
4 ... Lower layer, 172 ... Sputter target, 174 ... Pedestal, 176 ... Wafer, 186 ... Induction coil, 31
0 ... Metal layer, 312 ... ARC film, 314 ... Dielectric layer, 3
18 ... Photoresist, 320 ... Via hole, 334 ... Metal layer, 338 ... ARC layer, 340 ... Trench, 344 ...
Plug, 346 ... Aperture, 352 ... Liner layer, 3
54 ... Dielectric layer, 358 ... Metal layer, 362 ... ARC film,
366 ... Mask.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/285 301 H01L 21/285 301L (72)発明者 ジョン フォースター アメリカ合衆国, カリフォルニア州, サン フランシスコ, ハラム ストリー ト 41 (72)発明者 ツェ−ヤン ヤウ アメリカ合衆国, カリフォルニア州, サニーヴェール, ヴィセント ドライヴ 1243 ナンバー78 (72)発明者 ジェイム ヌルマン アメリカ合衆国, カリフォルニア州, パロ アルト, エル カミノ ウェイ 4155−ジー (72)発明者 フセン チェン アメリカ合衆国, カリフォルニア州, キュパティノ, ポータル プラザ 19910─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Internal reference number FI Technical indication location H01L 21/285 301 H01L 21/285 301L (72) Inventor John Forster San Francisco, California, United States , Haram Street 41 (72) Inventor Tse Yang Yau United States, California, Sunnyvale, Vicent Drive 1243 Number 78 (72) Inventor James Nullman United States, California, Palo Alto, El Camino Way 4155-Gee (72 ) Inventor Fusen Chen Portal Plaza 19910, Cupertino, California, United States 19910
Claims (58)
て、 高密度プラズマ中において前記基板に対し耐熱金属の化
合物を含む第1の層のスパッタ堆積を行なう第1のステ
ップと、 前記第1の層の上に、第2の金属層をスパッタ堆積する
第2のステップと、を含む方法。1. A method of performing sputtering on a substrate, comprising: a first step of performing a sputter deposition of a first layer containing a compound of a refractory metal on the substrate in high density plasma; and the first step. A second step of sputter depositing a second metal layer on the layer.
要素を形成することを特徴とする、請求項1に記載の方
法。2. The method of claim 1, wherein the second layer forms a conductive element along the major axis.
ップの前記高密度プラズマより実質的に小さい密度を有
するプラズマにより実施されることを特徴とする、請求
項1に記載の方法。3. The method of claim 1, wherein the second step is performed with a plasma having a density substantially less than the high density plasma of the first step.
ズマが前記高密度プラズマ空間を包囲する誘導コイルに
よって少なくとも部分的に付勢される、第1の反応室内
で実施されることを特徴とする、請求項3に記載の方
法。4. The first step is performed in a first reaction chamber, wherein the high density plasma is at least partially energized by an induction coil surrounding the high density plasma space. The method of claim 3, wherein
ズマが前記高密度プラズマ空間を包囲する誘導コイルに
よって少なくとも部分的に付勢される、第1の反応室内
で実施されることを特徴とする、請求項1に記載の方
法。5. The first step is performed in a first reaction chamber, wherein the high density plasma is at least partially energized by an induction coil surrounding the high density plasma space. The method of claim 1, wherein
金属の少なくとも一部を含むスパッタ・ターゲットと前
記基板を支持するペデスタルとの間に印加される電圧に
よって付勢される、プラズマ反応室内で実施されること
を特徴とする、請求項5に記載の方法。6. The plasma reaction chamber wherein the second step is energized primarily by a voltage applied between a sputter target containing at least a portion of the metal and a pedestal supporting the substrate. Method according to claim 5, characterized in that it is carried out.
化物を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。7. The method of claim 1, wherein the refractory metal compound comprises a refractory metal nitride.
含むことを特徴とする、請求項7に記載の方法。8. The method of claim 7, wherein the compound of the refractory metal comprises TiN.
テップの間に実施される、高密度プラズマ中において前
記第1の層に第3の層をスパッタ堆積させる、第3のス
テップを含み、前記第2の層に面する前記第3の層の少
なくとも一部が、主として少なくとも1つの耐熱金属か
らなることを特徴とする、請求項1に記載の方法。9. The method further comprises the third step of sputter depositing a third layer on the first layer in a high density plasma performed between the first and second steps. The method of claim 1, wherein at least a portion of the third layer facing the second layer consists primarily of at least one refractory metal.
を含むことを特徴とする、請求項9に記載の方法。10. The at least one refractory metal is Ti
10. The method of claim 9, comprising:
電体層備えて形成され、誘電体層を通り少なくとも1:
1のアスペクト比を有するアパーチャ(aperture)を含
み、前記第1、第2、及び、第3のステップが、前記第
1、第2、及び、第3の層を前記アパーチャに堆積する
ことを特徴とする、請求項9に記載の方法。11. The substrate is formed with a dielectric layer overlying the substrate layer and passing through the dielectric layer at least 1:
An aperture having an aspect ratio of 1, wherein the first, second, and third steps deposit the first, second, and third layers on the aperture. The method according to claim 9, wherein
に、主として、少なくとも1つの第2の耐熱金属を本質
的に含む第4の層を前記基板層上にスパッタ堆積する第
4のステップを含むことを特徴とする、請求項9に記載
の方法。12. The substrate layer comprises silicon and further comprises a fourth step of sputter depositing a fourth layer predominantly comprising essentially at least one second refractory metal onto the substrate layer. The method according to claim 9, characterized by:
がTiを含むことを特徴とする、請求項12に記載の方
法。13. The method of claim 12, wherein the at least one second refractory metal comprises Ti.
層をスパッタ堆積する第1のサブステップと、 前記基板が前記第1の温度より高い第2の温度に保持さ
れている間に、第2の下層をスパッタ堆積する第2のサ
ブステップと、を含むことを特徴とする請求項1に記載
の方法。14. The second deposition step comprises a first sub-step of sputter depositing a first underlayer while the substrate is held at a first temperature; and the substrate is the first sub-step. A second sub-step of sputter depositing a second underlayer while being held at a second temperature above the temperature, the method according to claim 1.
と、前記第1の温度が250゜Cより小さく前記第2の
温度が350゜Cと470゜Cの範囲内であること、を
特徴とする請求項13に記載の方法。15. The metal layer comprises aluminum, and the first temperature is less than 250 ° C. and the second temperature is within a range of 350 ° C. and 470 ° C. The method according to claim 13.
いことを特徴とする請求項14に記載の方法。16. The method of claim 14, wherein the second temperature is less than 430 ° C.
室を包囲する誘導コイルを含むプラズマ反応室内で実施
され、第1のRF電源によって電力供給を受け、直流電
源が、チタンを含むスパッタ・ターゲットと前記基板を
支持するペデスタルの間に接続されていることを特徴と
する請求項1に記載の方法。17. The sputter target, wherein the first step is performed in a plasma reaction chamber including an induction coil surrounding the plasma reaction chamber, is powered by a first RF power source, and the direct current power source includes titanium. The method of claim 1, further comprising a pedestal supporting the substrate and a pedestal supporting the substrate.
電源が前記コイルにRF電力PRFを供給し、前記直流電
源が前記ターゲットに直流電力PDCを供給すること、及
びPRFがPDCの20%と等しいか又はそれ以上であるこ
とを特徴とする請求項17に記載の方法。18. The RF during the generation of a high density plasma.
A power supply supplies RF power P RF to the coil, the DC power supply supplies DC power P DC to the target, and P RF is equal to or greater than 20% of P DC. 18. The method of claim 17, wherein
密度プラズマ中に直流自己バイアスVBIASを生じさせる
為に、前記ペデスタルにRFバイアスをかける第2のR
F電源が含むこと、及び前記高密度プラズマの前記発生
中に下記条件: 【数1】 が満たされることを特徴とする請求項17に記載の方
法。19. A second R biasing the pedestal in the plasma reaction chamber to RF bias the pedestal to create a DC self-bias V BIAS in the high density plasma.
The F power source includes and during the generation of the high density plasma the following conditions: 18. The method of claim 17, wherein:
記高密度プラズマを含み、1ミリトールより大きい圧力
を有する室内で実施されることを特徴とする請求項1に
記載の方法。21. The method of claim 1, wherein the first sputtering step is performed in a chamber containing the high density plasma and having a pressure greater than 1 milliTorr.
とを特徴とする請求項21に記載の方法。22. The method of claim 21, wherein the pressure is greater than 10 mTorr.
とを特徴とする請求項22に記載の方法。23. The method of claim 22, wherein the pressure is greater than 30 mTorr.
いことを特徴とする請求項23に記載の方法。24. The method of claim 23, wherein the pressure is less than 100 mTorr.
いことを特徴とする請求項21に記載の方法。25. The method of claim 21, wherein the pressure is less than 100 mTorr.
コイルを含む第1のスパッタ室内に基板を配置すること
と、 前記第1のスパッタ室内の前記基板上に、少なくとも1
つの耐熱金属の化合物を含む第1の層を堆積させる第1
のサブステップを含む第1のステップであって、前記誘
導コイルによって形成されるプラズマを利用している前
記第一堆積ステップと、 前記第1のスパッタ室から、プラズマが主として関連し
た少なくとも2つの電極によって発生される第2のスパ
ッタ室へ前記基板を移送するステップと、 前記少なくとも2つの電極によって発生する前記プラズ
マを利用して、金属を含む第2の層を前記第1の層に堆
積させるステップと、を含む金属層のスパッタを行う方
法。26. Placing a substrate in a first sputter chamber including an induction coil for forming a plasma therein, and at least 1 on the substrate in the first sputter chamber.
Depositing a first layer containing two refractory metal compounds
The first deposition step utilizing a plasma formed by the induction coil, and at least two electrodes to which plasma is primarily associated from the first sputter chamber. Transferring the substrate to a second sputtering chamber generated by: and depositing a second layer containing metal on the first layer utilizing the plasma generated by the at least two electrodes. And a method of performing sputtering of a metal layer including.
であることを特徴とする請求項26に記載の方法。27. The method of claim 26, wherein the compound is a nitride of the refractory metal.
を含むことを特徴とする、請求項26に記載の方法。28. The at least one refractory metal is Ti
27. The method of claim 26, comprising:
ブステップの前に実施される、主として少なくとも1つ
の第2の耐熱金属から本質的に成る第2の下層を堆積す
る第2のステップを含むことを特徴とする、請求項26
に記載の方法。29. The second step of depositing a second underlayer consisting essentially of at least one second refractory metal, wherein said first step is performed before said first substep. 27.
The method described in.
が、Tiを含むことを特徴とする請求項29に記載の方
法。30. The method of claim 29, wherein the at least one second refractory metal comprises Ti.
リコン部分を包含する基板上に形成された、誘電体層に
形成されているコンタクトホールをスパッタで充填する
ための方法であって、 高密度プラズマ中において実施される、前記コンタクト
ホールを包含する前記基板上に、金属チタンを含む第1
の層をスパッタ堆積する第1のステップと、 高密度プラズマ中において実施される、前記第1の層の
上にTiNを含む第2の層をスパッタ堆積する第2のス
テップと、 前記第2の層の上に、金属チタンを含む上部を有する第
3の層をスパッタ堆積する第3のステップと、 前記第3の層の上に、主としてアルミニウムを含む第4
の層をスパッタ堆積する第4のステップと、の各ステッ
プを含む方法。31. A method for sputter-filling a contact hole formed in a dielectric layer, formed on a substrate including a silicon portion adjacent to the bottom of the contact hole, in a high density plasma. First, including metal titanium on the substrate including the contact hole,
A second step of sputter depositing a second layer comprising TiN on the first layer, the second step being performed in a high density plasma; A third step of sputter depositing a third layer having an upper portion comprising titanium metal on the layer, and a fourth step comprising mainly aluminum on the third layer.
A fourth step of sputter depositing a layer of.
プが、第1のスパッタ室内で実施され、前記第4のステ
ップが、第2のスパッタ室内で実施されることを特徴と
する請求項31に記載の方法。32. The first, second, and third steps are performed in a first sputter chamber, and the fourth step is performed in a second sputter chamber. The method of claim 31.
スパッタ・ターゲットと前記基板を支持するペデスタル
の間に加えられる直流電気信号によって主として発生す
るプラズマ中において実施されることを特徴とする請求
項32に記載の方法。33. The fourth step is performed in a plasma primarily generated by a DC electrical signal applied between a sputter target containing titanium and a pedestal supporting the substrate. 32. The method according to 32.
を包囲するスパッタ室にガス状窒素を供給することと、 前記基板上にTiNが反応的にスパッタされるようにす
るように、前記窒素の存在する状態で前記スパッタ・タ
ーゲットをスパッタすることと、の各ステップを含むこ
とを特徴とする請求項31に記載の方法。34. The second step comprises supplying gaseous nitrogen to a sputtering chamber surrounding a surface of the substrate and a sputtering target containing titanium, and TiN is reactively sputtered on the substrate. 32. The method of claim 31, comprising: sputtering the sputter target in the presence of the nitrogen so as to do so.
がTiNとTiの間で漸変する(graded)組成物TiNx
を堆積されるように、前記第2のステップと第3のステ
ップの間にプラズマを持続させている間に前記室への前
記窒素の供給を中断することを含む、ことを特徴とする
請求項34に記載の方法。35. The third step is a composition TiN x in which the third layer is graded between TiN and Ti.
Comprising interrupting the supply of the nitrogen to the chamber while maintaining the plasma between the second step and the third step so as to be deposited. The method according to 34.
mTorrの圧力に維持された前記高密度プラズマを含む室
内で実施されることを特徴とする、請求項31に記載の
方法。36. The second step comprises 1 to 100
32. The method of claim 31, wherein the method is performed in a chamber containing the high density plasma maintained at a pressure of mTorr.
とを特徴とする、請求項36に記載の方法。37. The method of claim 36, wherein the pressure is 30 mTorr or higher.
法であって、 高密度プラズマ中において、誘電体層の上に耐熱金属の
化合物を含むライナー層を堆積させることと、 前記ライナー層の上に金属層を堆積させることと、 フォトリソグラフィによって前記金属層を水平方向に延
びる電気的相互接続をなすように画成すること、の各ス
テップを含む方法。38. A method of forming an interconnect on a dielectric layer, comprising depositing a liner layer comprising a refractory metal compound on the dielectric layer in a high density plasma, said liner layer. Depositing a metal layer on the substrate, and photolithographically defining the metal layer to form horizontally extending electrical interconnections.
を含むことを特徴とする請求項38に記載の方法。39. The compound of refractory metal comprises Ti and N.
39. The method of claim 38, comprising:
を特徴とする請求項39に記載の方法。40. The method of claim 39, wherein the metal layer comprises aluminum.
て広がるアパーチャを有する誘電体層と、 前記アパーチャの壁面及び底部に堆積し、第1の耐熱金
属を含む第1の層と、 前記第1の層の上に堆積した、第2の耐熱金属の化合物
を含む第2の層と、 前記第2の層の上に堆積した、第3の耐熱金属を含む第
3の層と、 前記第3の層の上に堆積した、第4の耐熱金属を含む第
4の層と、から構成され、 前記第3の層のRMS表面の粗さが、1.5nmより大
きくないことを特徴とするコンタクト構造。41. A substrate including a silicon surface portion, a dielectric layer having an aperture formed on the substrate and extending through the silicon surface portion, and a dielectric layer deposited on a wall surface and a bottom portion of the aperture, A first layer containing a refractory metal; a second layer deposited on the first layer, containing a second refractory metal compound; and a third layer deposited on the second layer. A third layer containing a refractory metal, and a fourth layer containing a fourth refractory metal deposited on the third layer, wherein the RMS surface roughness of the third layer is , A contact structure not larger than 1.5 nm.
ャがほぼ充填されることを特徴とする請求項41に記載
のコンタクト構造。42. The contact structure of claim 41, wherein the fourth layer substantially fills the aperture.
前記第3の耐熱金属の窒化物を含むことを特徴とする、
請求項41に記載のコンタクト構造。43. The compound of the second refractory metal,
A nitride of the third refractory metal is included,
The contact structure according to claim 41.
属が、それぞれ、チタンを含むことを特徴とする請求項
43に記載のコンタクト構造。44. The contact structure according to claim 43, wherein the first, second, and third refractory metals each include titanium.
とを特徴とする、請求項41に記載のコンタクト構造。45. The contact structure of claim 41, wherein the fourth layer comprises aluminum.
1の層と、 前記第1の層の上に堆積した、少なくとも1つの縦方向
に延びる電気接続を画成するように形成される金属の第
2の層と、から構成され、前記第1の層のRMS表面の
粗さが、1.5nmより大きくないことを特徴とする相
互接続構造。46. A substrate including a surface dielectric portion, a first layer comprising a first refractory metal compound deposited on the substrate, and at least one vertical layer deposited on the first layer. A second layer of metal formed to define a directionally extending electrical connection, the RMS surface roughness of the first layer being not greater than 1.5 nm. Interconnect structure.
特徴とする請求項46に記載の相互接続構造。47. The interconnect structure of claim 46, wherein the compound is a refractory nitride.
とを特徴とする請求項47に記載の相互接続構造。48. The interconnect structure of claim 47, wherein the first refractory metal comprises titanium.
れ第2の耐熱金属を含む前記基板の上に堆積された、第
3の層をさらに含むことを特徴とする請求項46に記載
の相互接続構造。49. The method of claim 46, further comprising a third layer deposited over the substrate by the first layer and including a second refractory metal. Interconnect structure.
特徴とする請求項49に記載の相互接続構造。50. The interconnect structure of claim 49, wherein the compound is a refractory nitride.
含むことを特徴とする請求項50に記載の相互接続構
造。51. The interconnect structure of claim 50, wherein the first and second refractory metals include titanium.
窒素ガス供給源を含む第1の高密度プラズマPVD反応
室、(b)前記第1のPVD反応室に比べて実質的に低
い最大密度のプラズマを発生することが可能であり、ア
ルミニウムを含むターゲットを有する第2のPVD反応
室、(c)前記第1と第2のPVD反応室に選択的に接
続可能であり、真空ブレイクをすることなく、前記PV
D反応室のそれぞれに選択的に基板を出し入れする少な
くとも1つの基板ハンドラを具備する、少なくとも1つ
の移送室、(d)前記第1及び第2のPVD反応室と前
記ロボットの働きを制御するコントローラ、を含む半導
体処理装置において、 前記第1のPVD反応室で、チタンと窒素を含むライナ
ー層を基板に堆積させることと、 次に、前記ロボットに、前記基板が前記第1のPVD反
応室から前記第2の反応室へ移送されるようにすること
と、 次に、前記第2のPVD反応室において、前記ライナー
層の上にアルミニウムの層を堆積させること、の各ステ
ップを含む制御プログラムを前記コントローラにロード
するローディング手段を含む半導体処理装置。52. (a) a first high density plasma PVD reaction chamber containing a target containing titanium and a nitrogen gas supply source; and (b) a maximum density substantially lower than that of the first PVD reaction chamber. A second PVD reaction chamber capable of generating a plasma and having a target containing aluminum, (c) selectively connectable to the first and second PVD reaction chambers, and subjecting to a vacuum break; Without the PV
D. at least one transfer chamber comprising at least one substrate handler for selectively loading and unloading a substrate into and from each of the D reaction chambers; And depositing a liner layer containing titanium and nitrogen on the substrate in the first PVD reaction chamber, and then instructing the robot to move the substrate from the first PVD reaction chamber. Transferring to the second reaction chamber, and then depositing a layer of aluminum on the liner layer in the second PVD reaction chamber. A semiconductor processing apparatus including loading means for loading the controller.
ル・プログラムが記録された、転送可能な記録可能な媒
体を含むことを特徴とする、請求項52に記載の半導体
処理装置。53. The semiconductor processing apparatus according to claim 52, wherein the loading means includes a transferable recordable medium in which the control program is recorded.
を前記第1のPVD反応室のプラズマに結合する誘導コ
イルを含むことと、 前記第2のPVD反応室に、主として前記第2のPVD
反応室内においてプラズマを発生するために直流電力を
結合する、少なくとも2つの電極を含むこと、を特徴と
する請求項52に記載の半導体処理装置。54. The first PVD reaction chamber includes an induction coil that couples RF power to the plasma of the first PVD reaction chamber; and the second PVD reaction chamber primarily the second PVD reaction chamber. PVD
53. The semiconductor processing system of claim 52, including at least two electrodes that couple direct current power to generate plasma in the reaction chamber.
マを発生させるために、RF電源に結合された誘導コイ
ルを具備する第1のPVDリアクタと、 主として第2リアクタ内部にプラズマを発生させるた
め、RF電源に結合された2つの電極を具備する第2の
PVDリアクタと、 前記第1と第2のPVDリアクタに対して選択的に開放
され、真空引きが可能で、且つその内部に、前記第1と
第2のリアクタへの基板の出し入れをするためのロボッ
トを具備する転送室と、 前記第1と第2のリアクタ及び前記ロボットを制御する
ためのコントローラと、を含む統合製造ツール。55. A first PVD reactor comprising an induction coil coupled to an RF power source for generating a high density plasma inside the first reactor, and mainly for generating plasma inside the second reactor. A second PVD reactor comprising two electrodes coupled to an RF power source, selectively open to the first and second PVD reactors, capable of evacuating, and having therein An integrated manufacturing tool comprising: a transfer chamber including a robot for loading and unloading substrates into and from the first and second reactors; and a controller for controlling the first and second reactors and the robot.
むPVDターゲットを含んでいることを特徴とする請求
項55に記載のツール。56. The tool of claim 55, wherein the first reactor includes a PVD target that includes a refractory metal.
徴とする、請求項56に記載のツール。57. The tool according to claim 56, wherein the refractory metal is titanium.
を含むPVDターゲットを含んでいることを特徴とす
る、請求項57に記載のツール。58. The tool according to claim 57, wherein said second reactor comprises a PVD target comprising aluminum.
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