JPH0228955A - 多層配線層の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、半導体基板上に内部接続配線を形成する方法
に関し、より詳しくは、層相瓦間及び基板への低抵抗接
点、エレクトロマイグレーシ１ンに対する高い抵抗力、
及びサブミクロン級ＶＬＳＩに適した低い欠陥密度を実
現する方法に関する。

Ｂ、従来技術 特に製造環境では、長い間、アルミニウムを主体とする
配線が、シリコン半導体デバイスの内部接続用に好んで
使われてきた。アルミニウムは、その相対的に安価なコ
スト、扱いやすさ、電気特性、及び入手しやすさのため
に、半導体加工においておそらく他のどんな技術にもま
して研究開発の対象になってきた。製造環境で特定の配
線をうま（実施するには、いくつかの条件を溝たすこと
か必要である。その配線体は、異なる導電型の半導体基
板とのオーム接触、及び、多層構造では配線層相互間の
オーム接触を実現することができなければならない。そ
のシステムは、垂直寸法が極端に小さいにもかかわらず
、広い横寸法に沿った抵抗が適度に小さくなければなら
ない。高い収率を維持し、コストを抑えるため、最小の
処理ステップで形成できるものでなければいけない。従
来、アルミニウムがこれらの必要条件を溝たしていたが
、サブミクロン級リソグラフィの出現により、アルミニ
ウムはその限界に達したと思われる。

アルミニウムは、その初期から難点を抱えていた。半導
体加工技術者の直面した初期の問題の一つは、シリコン
・アルミニウム共融点の直ぐ下の温度テ、シリコンのア
ルミニウムに対する溶解度がかなり大きいことによるも
のであった。半導体加工中、このような温度が必要とな
る。アルミニウムとシリコンが接触すると、通常の処理
温度で、シリコンがアルミニウム中に拡散していき、ア
ルミニウムが浅い拡散領域に浸透して導体と基板の短絡
をもたらす。キュイパー（Ｋｕｉｐｅｒ）は、その米国
特許第３３８２５８８号明細書で、シリコンのアルミニ
ウムに対する溶解度をちょうど超える量のシリコンがア
ルミニウム中に存在する場合に、シリコンの固体拡散の
推進力をゼロに減少させることができることを認めた。

彼は、また、米国特許第３４１３１５７号明細書による
と、アルミニウム中に過剰のシリコンが存在すると、シ
リコンが固溶体から析出して、シリコン基板と金属の界
面にアルミニウムでドープされたシリコンのエピタキシ
ャル層を形成することも認めた。エピタキシャル層を形
成するのに使われるシリコンは、当該の接触領域から最
大数ミクロン離れたアルミニウムから抽出されたもので
ある。

エピタキシャル層の抵抗率が高いので、このようなエピ
タキシャル・シリコンがオーム接触配線中に存在するこ
とは望ましくない。したがって、アルミニウム中のシリ
コンの割合を注意深く制御することが必要になってきた
。アルミニウム中で必要なシリコン含有量を実現する方
法がいくつか提案されている。キュイバーは、シリコン
・アルミニウム合金の使用、及びアルミニウム／シリコ
ン／アルミニウムの多層構造すなわちサントイ、ソチ構
造の使用を提案した。グリーア（Ｇｒｅｅｒ）は、米国
特許第３８８１９７１号明細書で、付着工程後にシリコ
ン層をアルミニウム層上に付着させて、アルミニウム上
面の酸化を減少させるという追加の利点をもたらす方法
を示した。

アルミニウム配線の使用に付随する早くから認められて
いたもう一つの問題は、電流の通過によって導体内でア
ルミニウムが物理的に移動し、一定期間後に、導体の物
理的断絶による電気的故障をもたらすという、エレクト
ロマイグレーシロンの問題であった。エイムズ（Ａｗｅ
ｓ　）等は、米国特許第３７２５３８９号明細書で、少
量の異物質、特に銅をアルミニウムに加えるとアルミニ
ウムのエレクトロマイグレーション抵抗がかなり増大す
ることを見出した。この目的で通常使われる割合は、０
．１ないし１０重量％である。

アルミニウム・メタラジはまた、アルミニウムの「こぶ
」すなわちクラスタが形成されて、上にアルバッジベー
ジロン材料の層が裂けるほど導体の局部的厚さを増加さ
せることが判明している。

シリコン、銅、及びチタンなどの耐火金属を含む様々の
添加材がアルミニウムのこぶを形成する傾向を減少させ
ることが何年も前から検証されている。

半導体の寸法が絶えず減少するにつれて、新しい問題が
生じてきた。シリコンもアルミニウムも周囲大気にさら
されると非導電性の自然酸化物を形成する傾向があるの
で、コンタクト・ビアの寸法としてミクロン級及びサブ
ミクロン級の寸法が実際に使用されるようになると、層
相瓦間の抵抗率の増大が見られた。以前は接触領域に厚
さ約３０オングストロームの酸化物が存在していたもの
の、酸化物中に適当な密度で欠陥またはピンホールがあ
ったために、これらの酸化物の存在下で抵抗率が妥当な
低さの接点を作ることが可能であった。コンタクト・ビ
アの寸法が減少するにつれて、下の層に対する信頼性あ
るオーム接触を保証するには欠陥の密度が低すぎること
がわかってきた。

リング（Ｌａｎｄｓ　）等は、その米国特許第３４９９
２１３号明細書で、アルミニウムの下の薄いチタン層が
、アルミニウムとシリコンの間に不溶性のオーム障壁を
形成する能力をもつことを見出した。

チタン層の存在は、当初はアルミニウムにシリコンを付
加する代用としてシリコン基板中へのアルミニウムの浸
透を防止すると考えられていたが、追加の有利な特性を
有することが後で判明した。

チタンは、シリコンとアルミニウムの両方の酸化物と反
応する親和性を有し、したがって、自然酸化物によって
生じる抵抗を減少させることができ、またアルミニウム
と、多層構造中で各金属層を分離し絶縁するのに使用さ
れるパッジベージＢン酸化物との間の接着力を増加させ
る。ドレイク（Ｄｒａｋｅ）等は、米国特許第４１２１
２４１号明細書で、またシリング（Ｓｃｈｉｌｌｉｎｇ
）は米国特許第４１０７７２８号明細書で、それぞれ、
チタン／タングステンまたは耐火金属（特にチタン）と
アルミニウムの多層を含む多層配線構造が、シリコン基
板と上部金属層の間にオーム接触をもたらすことができ
ることを教示した。上記の付着工程は、下にある耐火層
のスパッタ、リングとアルミニウムの蒸着、それに続く
複合層のサブトラクティブ湿式化学エツチングを含むも
のであった。耐火金属をスパッタする前に、アルゴン逆
スパツタリング法を用いて、望ましくない酸化物を除去
した。

イナヨシも同様に、英国特許明細書第１５９８９０７号
で、エツチングする前にチタン及びアルミニウムを共に
蒸着させるという、多層配線形成工程を教示している。

半導体相互接続技術における導電特性の改善の他に、配
線の絶縁化または不働態化を改善する点でも進歩があっ
た。たとえば、二酸化シリコンなどガラス状無機物質パ
ッシベーション層を従来のように使用すると、配線層と
パッシベーション層の熱膨張特性の差によって物理的亀
裂を生じやすい。エピファーノ　（Ｅｐｉｆａｎｏ）等
は、米国特許第３７００４９７号明細書で、ガラス状酸
化物の代わりに有機ポリマー層を使用することの価値を
認めた。エピファーノは、半導体相互接続システムにお
いて、無機酸化物の代わりにポリイミドなどのガラス状
ポリマーが使用できることを教示した。

ポリイミドの前駆物質であるポリアミド酸を塗付し、エ
ツチングする前に一部分だけを硬化させるという、バー
ル（Ｂａｈｒｌｅ）等の米国特許第４１５２１９５号明
細書による改良を含めて、ポリイミドのパッシベーショ
ン層の使用には様々な改良が加えられてきた。

メタラジ線を画定する際に達成可能な最小の寸法を実現
することが絶えず求められていたので、多くの場合に、
従来の付着及びエツチングによる処理の代わりにステン
シル法を用いた「リフト・オフ」法を、湿式化学エツチ
ングの代わりに用いることができる。リフト・オフ法で
は、導体層を付着する前にメタラジ画定用マスクをがぶ
せ、マスクと上の層を基板から剥ぎ取って、所望の配線
を残す。リフト・オフ法の使用例が、本出願人による米
国特許第４４２３５４７号明細書に出ている。モリッツ
（Ｍｏｒｉｔｚ）等の米国特許第４１０４０７０号明細
書に記載された「像反転」フォトリングラフィ法の使用
により、リフト・オフ法をさらに改善することができる
。この場合、従来の処理と同じやり方で、メタラジ・パ
ターン・マスクを画定する、すなわち所期の実際の線を
表わすようにマスク・パターンを画定するが、半導体基
板上に形成されるパターンがそのパターンと相補的にな
るようにフォトレジストを処理する。本発明者等の米国
特許第４４２３５４７号明細書は、多層配線法における
リフト・オフ法の代表である。

化学エツチングがし難い材料であるチタンなどの材料が
リフト・オフ・マスクによって画定され、かつ付着後に
エツチングを必要としない点で、リフト・オフ法は、サ
ブトラクティブ・エツチングにまさる顕著な利点を宵す
る。

本発明者等の米国特許第４４２３５４７号明細書のもう
一つの特徴は、第１及び第２のアルミニウム段の間のバ
ッジベータ１フ層として窒化シリコンとポリイミドの両
方を使用すること、ならびに第２層を不働態化するため
にポリイミドを使用することである。

アルミニウムを主体とする配線体の実施及び分析のため
の技法を対象とする参照文献は多数あるが、次のものが
代表的なものと考えられる。前に引用したイナヨシの英
国特許明細書第１５９８９０７号は、リフトオフ−フォ
トレジスト・マスク層上に最大１５００　ｎ　ｍのアル
ミニウムの第２層を付着する前に、最大１００　ｎｍの
白金、金、銅、チタン、クロム、モリブデンまたはタン
グステンの第１層を蒸着するという、多段メタラジの形
成方法を教示している。薄い第１層とアルミニウムとの
間の反応、及び同じ第１層と結晶性シリコン及び多結晶
性シリコンとの間の反応が、層相瓦間に十分なオーム接
触をもたらすと考えられていた。

金属層相互間の絶縁体分離は、リンケイ酸ガラスなどの
無機物でも、ポリイミドなどの有機物でもよい。層相瓦
間の相互接続を行なうためのビアは、−辺が４ミクロン
ないし５ミクロンの正方形であると記載されている。

シマ等の論文、ｒＶＬｓＩ多段相互接続におけるＴｉＳ
ｉ２でコートしたＡｆｌ−８ｉ薄膜の新しい応用（Ａ　
Ｈｅｗ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｆｉ−Ｓｉ
　ＦｉｌｍｓＣｏａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＴｉＳｉ２　ｉ
ｎ　ＶＬＳＩ　Ｍｕｌｔｉ−ＬｅｖｅｌＩｎｔｅｒｃｏ
ｎｎｅｃｔｉｏｎｓ）　Ｊ　、第１５回国際固体デバイ
ス材料会議拡張要約（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａ
ｃｔｓ　ｏｆｔｈｅ　１５ｔｈ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
　ｏｎ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓａｎ
ｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）　、東京、１９８３年、Ｉ）
ｐ−２３３−２３８には、シリコン１％を含むスパッタ
付着させたアルミニウム薄膜にスパッタ付着させたＴｉ
Ｓｉ２を被せると、エレクトロマイグレーシロン寿命及
びとぶ成長の欠如という点で顕著な改善が得られること
が教示されている。著者等は、ＡＱ−８ｉ−Ｃｕから構
成されるメタラジは、こぶの成長が顕著なので多段相互
接続を実現するのに適していないと結論した。

ガードナー（Ｇａｒｄｎｅｒ　）等の論文「多段相互接
続用のチタン及びタングステンを含むアルミニウム及び
アルミニウム／シリコンの層状均質膜（Ｌａｙｅｒｅｄ
　ａｎｄ　Ｉｌｏ−ｔｏｇｅｎｅｏｕｓ　Ｆｉｌｍｓ　
ｏｆ　Ａｌｕｍｆｎｕｍａｎｄ　Ａ１ｕｍｉｎｕ＋＊／
５ｉｌｉｃｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｎｄ
Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｆｏｒ　Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｉ
ｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ）　Ｊ　ＮＩＥＥＥ電子デバ
イス紀要（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）　１Ｖｏ　１．　Ｅ
Ｄ−３２１ＮＯ０２，１９８５年２月、１）１）、１７
４−１８３には、（この著者等の米国特許第４８７３８
２３号明細書をも参照のこと）、金属相互接続要素の様
々な電気特性及び物理特性が記載されている。

すなわち、そこに記載されている構造は、層相瓦間の相
互接続用ビアを含む集積回路環境の一部ではない。そこ
に記載されている構造は、シリコン１％を含有する９０
０ｎｍのアルミニウムを被せた厚さ２０ｎｍないし５０
ｎｍの１層のチタンまたはタングステンの下履、Ａ　Ｑ
　−Ｓ　ｉの上部にＴ１またはＷ層がある同様な構造、
ＴＩまたはＷとＡＱ−８ｉの交互の薄い層から構成され
る多層薄膜、及びＴｉまたはＷｌＡｆｌ及びＳｉの均質
な層を含んでいる。すべての薄膜はスパッタ付着され、
Ｓｉを１％含有している。粗面を生じない均質な薄膜中
のチタンの最大原子％は４％であることがわかっている
。付着させたチタンの最大厚さは、５０ｎｍであった。

均一な薄膜はいかなる層状構造よりも好ましいものであ
った。

要約すると、半導体相互接続技術用のアルミニウムを主
体とする配線は著しく発展してきたが、現在までに行な
われた当技術における極めて多数の研究で証明されるよ
うに、従来提案されたどの構造や製造工程も十分に満足
されてはいない。開発を続ける理由の一つは、接触抵抗
、導体抵抗、電気移動、こぶ形成などの問題が初期から
認識されていたものの、このような問題を解決するため
の手法が、常に様々な欠点のいずれかを取捨選択する形
のものであることである。回路密度の増加及びその物理
的寸法の減少との決して終わることのない闘いで、古い
解決策は、常に不十分なことが判明している。現在の技
術の限界に到着するとき、新しい限界が確立される。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 したがって、本発明の目的は、とくに、信頼性がありコ
ストを意識したやり方で実現できない限り、すべての技
術研究が無用になるという製造環境において、半導体相
互接続技術の新しい限界を確立することにある。

本発明の具体的な目的は、とくに信頼性の高い低抵抗電
極間接点に関して、サブミクロン級の範囲の超大規模集
積回路及び超高速集積回路技術用の改良された多層配線
体を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、配線密度上の利点のために
、一部分にだけ相互接続配線で覆うことが許されるよう
な、抵抗が低く、信頼性あるオーム接点を提供すること
にある。

さらにもう一つの目的は、大容量、大量生産の集積回路
製造環境での製造に適した、改良された多層配線構造を
提供することにある。

Ｄ１問題点を解決するための手段 本発明によると、第１の相互接続レベルの付着以前に始
まり化学的洗浄工程の妥当な使用に至るまでの多数の相
互に関連するクリティカルな処理ステップの使用によっ
て、多層相互接続配線が形成される。約１１００ｎのほ
ぼ純粋なチタンの第１層の単一ポンプダウンによる蒸着
、及び、それに続く約０．５ないし１．０ミクロンのア
ルミニウムを主体とする導体の第２層の付着と組み合わ
せて、低温リフトオフ像反転フォトレジスト法を使用す
ることにより、第１レベル及び後続のレベルにおける金
属層の画定が行なわれる。第２層の導体は、０．５ない
し１０重量％の銅及び２．５ないし８重量％のシリコン
を含有するアルミニウムである。化学的溶媒処理を使っ
て、リフトオフ・レジストの上にある望ましくない金属
を除去する。

次に、プラズマ強化化学的気相成長法によって窒化シリ
コン層を付着させ、プラズマ法で第１レベル及び第２レ
ベルの相互接続相互間の接触を行なうためのビアをエツ
チングで形成する。平坦化処理用のポリイミド誘電体層
を付着させて、追加の不働態化及び窒化物層中のピンホ
ールに対する保護を行なう。ポリイミドの硬化後、反応
性イオン・エツチング法によりポリイミド層中に大きめ
のビアを形成する。相互接続配線用の第２レベルを画定
スる前に、プラズマ・アッシング及びそれに続くクロム
酸リン酸浸漬を含む洗浄化ステップを行なう。第２レベ
ルのリフトオフ・フォトレジスト・マスクの形成後、第
２のクロム酸リン酸洗浄ステップを行なう。第１レベル
について説明したやり方で、第２レベルの配線層を蒸着
させるが、シリコンに対する要件は基本原則に依存する
。すなわち、工程の基本原則により、第２レベルの配線
とシリコンの間の接触が許されない場合は、シリコンは
必要でない。第２レベルのりフトオフ後、第２のポリイ
ミド層を塗布する。ポリイミドの最終硬化前に湿式現像
及びエツチング法により、終端配線または後続の相互接
続層用のビアを形成する。第２のポリイミド層の最終硬
化後、チタン、銅、金、及びスズ／鉛はんだの順次蒸着
からなる終端配線層形成で工程が完了する。

Ｅ、実施例 第１図は、本発明の配線をその上に形成できる、典型的
な半導体基板の断面図である。基板は、誘電体領域で分
離された半導体デバイス素子に対応するような、前もっ
て形成された拡散領域を含む多数のタイプの基板のどれ
でもよい。図に示した特定のタイプの半導体デバイスは
、ＭＯ８技術によるものであるが、バイポーラまたはい
わゆるｂｉＦＥＴ技術によるものでもよい。半導体ウェ
ハ１０の上面は、Ｎ型でもＰ型でもよく、エピタキシャ
ル層または均一にドープされたバルク半導体から構成で
きる。表面上のフィールド酸化物は、半埋設型酸化物領
域１２として示しであるが、ウニ／１１０の表面上の能
動デバイスを絶縁する働きをする。通常、酸化物１２の
下にチャンネル・ストッパ拡散領域１３を形成して、さ
らに能動デバイス領域を絶縁する助けとする。表面に形
成した能動デバイス拡散領域１４は、その導電型がつ、
　／Ｘ１０と同じでも逆でもよく、オーム接触による上
方の導体へのアクセス点となる。第１図ないし第８図に
示した構造中には、実際に、５つの異なるレベルの相互
接続が示しである。第１レベルは、半導体基板内部自体
の様々なデバイス領域を接続させるのに使用できる拡散
層１４である。第２レベルは、通常、ポリシリコン層ま
たは耐火金属層１６から形成され、拡散領域に接続して
いてもいなくてもよく、通常、二酸化シリコンなどのガ
ラス状無機物層によって隣接する導電層から絶縁されて
いる。第２レベルに対するバッジベージ日ン化工程は、
通常、比較的高温のアニール・ステップを必要とするの
で、アルミニウムなど融点の低い金属は使用できない。

第３の相互接続レベルは、アルミニウムを主体とするも
のが好ましく、第１図から第８図のすべてに示されてい
る。この第３レベル２２は、基板１０及び第２レベル１
８に対する接続を行なうのに使用され、したがって、上
記のキュイバーの特許で言及されているアルミニウムの
浸透を受けやすい。第６図ないし第８図に示シた第４レ
ベルも、通常、アルミニウムを主体とするものであり、
第３レベルのいくつかの部分ト接続して使用される。コ
ンタクト・ビアを完全に覆う必要のない場合には、配線
密度の顕著な改善が実現できる。図面に示されているよ
うに、第３及び第４の相互接続レベルでは、リフトオフ
技法によって形成された一部分だけが覆われた接点が許
されることに留意されたい。多くの応用例では最大の配
線可能性を得るために、第３レベル及び第４レベルでそ
れぞれ主に直交する方向に走る線を画定することが望ま
しい。最後の第５レベルは、第８図にだけ示してあり、
半導体デバイスとその実装リード線（図示せず）の間の
接続を行なうのに用いられる様々な配線から構成される
。

第１レベル及び第２レベル１６の形成及びパッシベーシ
ョン化は、本発明にとって特に重要なものでなく、多数
の従来技術による方法のどれを利用してもよい。−例と
して、米国特許第４４７０１９１号明細書に記載されて
いるようなＮウェル０ＭＯ８工程を利用するものと仮定
すると、表面領域１０は、Ｐ＋シリコン基板上に形成さ
れた軽くドープされたエピタキシャル層の一部分を表わ
す。拡散領域１４は　Ｎ＋導電型であり、チャンネル・
ストッパ１３はＰ型である。第２し゛ベル１６は、リン
またはホウ素リンでドープされた酸化物層２０をその上
に付着された二酸化シリコン層１８によってパッシベー
ション化されたポリシリコン層またはポリサイド層によ
って形成できる。

フォトリソグラフィ法をプラズマ・エツチング法と組み
合わせて用いて、拡散領域１４及び第２レベルの層１６
に対するビア・ホールを形成する。

酸素プラズマ中でフォトレジストを剥ぎ取った後、加熱
した４０：１硫酸／過酸化水素洛中でコンタクト・ホー
ルを洗浄する。

本発明によると、相互接続の第３レベル及びアルミニウ
ムを主体とする導体の第１レベルは、次のようなステッ
プで形成する。まず、加熱した４：１硫酸／過酸化水素
浴中で基板を洗浄し、続いて脱イオン水ですすぎ、空気
乾燥させる。次に、フッ化アンモニウム緩衝フッ化水素
酸浴に基板をつけて、窒素中に水素約５％を含むフォー
ミング・ガス中でアニールし、再び４：１硫酸／過酸化
水素で洗浄する。この工程は、第１及び第２の相互接続
レベルに対するコンタクト・ビアのドライ・エツチング
によって生じるポリマ残渣、イオン性汚染物質、及び放
射線による損傷を除去するためのものである。これにつ
いては、たとえば、コリンズ（Ｃａｌｌｉｎｓ）等の米
国特許第３５４９３８８号明細書に教示されている。Ｌ
　１．２−）リクロロトリフルオロエタンを含有するヘ
キサメチルジシリザン（ＨＭＤＳ）の蒸気にさらして、
基板表面を増感させる。可溶性フェノール樹脂と米国特
許第４３９７９３７号明細書に記載されているような、
１％のイミダゾール及び０．６％のオラセッ）８ＧＦ（
メチン染料の一種）を含有する４、８−ビス（６−ジア
シー５−オキソ−５，６−シヒドロナフタレンスルホ二
ルオキシメチル）トリシクロ［：５．２．１．０コデカ
ンからなる増感剤とから形成された特別に処方されたリ
フトオフ用ポジ形フォトレジストを、約１．８ミクロン
の厚さに塗付する。ポジ形マスクによってフォトレジス
トを露光して、第１のアルミニウムを主体とする相互接
続パターンを画定する。所期の接点を設けるのに必要な
ビア・ホールは、ＩＸ１ミクロン程度である。抵抗率と
信頼性の点から、これらの接点のわずか２５％が覆われ
れば十分なことが判明している。米国特許第４１０４０
７０号明細書に一般的に記載されている像反転法による
と、レジストの露光領域における光分解生成物からカル
ボキシル基を除去して露光させた焼成領域の溶解度を未
露光領域よりも小さくするため、イメージ通りの露光後
に、約１００°Ｃで約２０分間焼成を行なう。その後、
ブランケット露光を行なって、以前に露光されなかった
レジストを可溶性にし、現像剤中で容易に除去できるよ
うにする。次いで、０゜１モルのメタケイ酸ナトリウム
溶液中でレジストを現像し、フォトレジストの最初に露
光されなかった領域だけを除去して、金属線を形成しよ
うとする場所以外のすべての場所にフォトレジストを残
す。

金属を実際に付着させる前に、数百オングストロームの
レジストを除去することのできるＲＦプラズマ法、続い
て緩衝フッ化水素酸浴によって、フォトレジストで覆わ
れた基板を洗浄する。次いで、基板を高周波蒸着室に入
れる。金属蒸着源は、タングステン・フィラメント上の
チタン、窒化ホウ素製蒸着るつぼに入った銅を約０．５
ないし約１０％含有するアルミニウム、及びカーボン製
るつぼに入ったシリコンから成る。すべての蒸着源が垂
直入射角をなす位置を占めることはできないので、ＡＱ
／Ｃｕ蒸着源を垂直入射角をなすように配置し、他のも
のはできるだけ垂直入射角に近くなるように配置する。

チタン蒸着源の位置は、垂直から１０度未満の角度にす
ることが好ましい。

適度の真空に達した後、チタン・フィラメントに電流を
通して、約７０ないし約１３０ｎｍのチタンを選択的に
蒸着させる。次に、真空を切らずに、チタン・フィラメ
ントを消勢し、高周波コイルを付勢して、それぞれ毎秒
約３．０ないし約４．０ｎｍ及び毎秒約０．２ｎｍ以上
の速度で、Ａｆｌ／Ｃｕ及びＳｉの蒸着を順次開始する
。厚さ合計が約５７０ｎｍと約８３０ｎｍの間に達する
と、蒸着工程を終了させる。第１図に示したように、得
られる導体は、銅でドープされたかなり厚いアルミニウ
ム層２２で覆われ、上部シリコン層２４を有する薄いチ
タン層２１である。チタン蒸着源の位置が上記のように
ずれているため、リフトオフ・フォトレジスト構造の物
理的構造とあいまって、チタン層は、アルミニウムを主
体とする層に対して少しずれている（第１図の場合では
、右側にずれている）。チタン下地層を使用すると、ア
ルミニウムがシリコン基板に接触するのを防止し、した
がって、アルミニウムをシリコンで予め飽和させておく
必要がなくなるような配線障壁ができることは知られて
いるが、リフトオフ付着の場合、オフセット効果によっ
てアルミニウムとシリコンが接触する可能性が増大し、
第１のアルミニウム層中にシリコンを存在させることが
必要となる。

すなわち、配線の高温アニール中にアルミニウムが浸透
するのを防止するため、アルミニウム中にシリコンを存
在させることが必要である。上記のように付着させたＡ
　Ｑ　−Ｃｕ　／　Ｔ　ｉ層に約１％という従来技術に
よる割合のシリコンが存在する場合、深刻なアルミニウ
ムの浸透が持続することを本発明者達は発見した。また
、シリコンの付着時の割合を２％まで増大させても、ア
ルミニウムの浸透は改善されないことが判明した。４０
０℃という最高金属アニール後温度で、０．３％という
アルミニウムに対するシリコンの固溶体溶解度をかなり
超えた、２．５ないし３．５％の範囲までシリコンの割
合を増大させたときに始めて、アルミニウムの浸透がな
くなった。このように高いシリコン濃度を必要とする理
由は不明であるが、アルミニウムー銅の層の下にチタン
が存在するために、かなりの量のシリコンが付着中に形
成されたチタン金属間化合物中に取り込まれ、シリコン
の量が不十分なことによるアルミニウムの浸透を防止し
、同時にシリコンが多すぎることによる高抵抗率のシリ
コン・エピタキシャル層の形成を防止するのに必要なシ
リコン溶解度に関する要件を滴定するずっと少量のシリ
コン・が残るものと本発明者は考える。アルミニウムを
主体とする層の相対的な厚さが減少するにつれて、必要
なシリコンの割合が増加する。たとえば、アルミニウム
を主体とする層が約２００ｎｍの場合、約８％のシリコ
ンが必要であると予測される。アルミニウムの付着層中
に存在する約０．５ないし約１０％の銅は、エレクトロ
マイグレーシロンに対する十分な保護を行ない、こぶの
形成を減少させるための従来技術の教示と矛盾しない。

金属層２１及び２２の付着に続いて、ｎ−メチル−２−
ピロリドン（ＮＭＰ）中に浸漬することにより、リフト
オフ・フォトレジスト及びその上部の金属を除去する。

次いで、フォーミング・ガス中で、４００℃で約２０分
間、基板をアニールする。

次に、第２図に示されるように、米国特許第４４２３５
４７号明細書に概略的に記載されているように、２重レ
ベル式誘電体によるパッジページ日ン化を行なう。イソ
プロピル・アルコール中で洗浄後、毎分約２５０ないし
約４５０ｃｃのシラン及び毎分約３２００ないし約３８
００ｃｃのアンモニアの混合物を使ってプラズマ強化化
学的気相成長法により、窒化シリコン層２４を基板表面
全体にわたって約２４０ｎｍないし約３６０ｎｍの厚さ
に付着させる。第１及び第２のアルミニウム主体配線間
の段差を減少させるために、第２のバッジベージロン層
の付着前に、ビア・ホールをエツチングする。ヘキサメ
チルジシリザン（ＨＭＤＳ）蒸気にさらした後、ｍ−ク
レゾール・ホルムアルデヒド樹脂及び５−置換ジアゾナ
フトキノン増感剤からなるフォトレジストを被せ、焼成
し、露光して、第１及び第２のアルミニウム主体段の間
の接触のために必要な所期のヴアイア・ホールを画定す
る。０．１規定水酸化カリウム中でレジストを現像する
。米国特許第４４５７８２０号明細書に記載されている
ものと同様な等方性エツチングと異方性エツチングの組
合せをもたらす反応性イオン・エツチング／プラズマ・
エツチング法を用いて、第３図に示すように、窒化物２
４を通してビア２６をエツチング形成する。具体的には
、この方法は、酸素中での有機的スカム除去、それに続
いてＣＦ　４及び酸素中で圧力約１５０ミリトルで４７
０ワツトの電力による等方性エツチング、次いで、ＣＦ
４及び酸素中で圧力約３０ミリトルで６００ワツトの電
力による異方性エツチングを含む。次に、６４°Ｃと７
０℃の間の温度の濃リン酸１ｍｆｉ及び水１ｍＱ当り約
０．２ｇの二酸化クロムを含む熱クロム酸リン酸浴に２
分間基板を浸漬して、プラズマ処理後に残っている無機
残渣を除去する。次に、約１トルの圧力の酸素プラズマ
に約４０分間基板をさらして、有機残渣を除去する。こ
れらの洗浄手順に続いて、Ｎ−メチル−２−ピロリドン
浴中で残っているフォトレジストを剥ぎ取る。最後に、
上記のように、基板を再び酸素プラズマにさらす。

窒化物層２４中にビア・ホール２６を画定した後、第４
図に示すように、米国特許第３４ｉ５５７２５号明細書
に記載されているようなγ−アミノプロピルトリエトキ
シシランの増感層上に、米国特許第４６１２２１０号明
細書に記載されているような平坦化用ポリアミドアルキ
ルエステルからなる第２のバッジベージロン層２８を被
覆する。

次に、３段階の熱硬化を行なう。第１段は約１４０℃で
行なって、ポリアミド前駆物質中の溶剤を追い出す。第
２の中間硬化は約１９５℃で３０分間行なう。最終硬化
は約３５０℃で約２０分間行なう。ポリアミド層の厚さ
は、約７５０ｎｍと約９５０　ｎｍの間にあることが好
ましい。

第５図を参照すると、次のような工程により、大きめの
ビア・ホール３０を形成する。シプレー（Ｓｈｉｐｌｅ
ｙ）　Ａ　Ｚ　４２１０などのフォトレジストを約２．
２ミクロンにコートした後、フォトレジストを乾燥し、
露光して、ポリアミド層２８中に所期のビア・ホールの
位置を画定する。０．１８モルの水酸化カリウム中で露
光したレジストを現像する。現像に続いて、酢酸の０．
５％溶液中に浸漬することにより、フォトレジスト上に
残っている残留水酸化物及び露光したポリアミド層２８
を中和させる。次いで、基板をブランケット露光して、
あとで行なうフォトレジストの溶媒除去の助けとし、次
に、約１３０°Ｃで約１５分間焼成して、現像したレジ
スト中のビアの側壁をリフローさせ、フォトレジストの
側壁が下層のポリアミド層となす角度を減少させる。約
１２５ミリトルの圧力の酸素プラズマ及び約５００ワツ
トの低電力極板を用いて、反応性イオン・エツチング法
でビア３０をエツチング形成する。反応性イオン・エツ
チングはフォトレジストとポリアミドの間で特に選択的
ではないので、終点検出器を使って、エツチングを終了
させる。エツチングが完了すると、ｎ−酢酸ブチル中で
残っているフォトレジストを除去し、続いて、イソフロ
ビルアルコールに浸漬する。

第１及び第２のアルミニウム主体層相互間でオーム接触
を得ることが重要なので、重要な洗浄すなわち素地調整
ステップが必要なことが判明している。圧力約１トルの
酸素中で約２０分間プラズマ・アッシングにより、痕跡
状に残っているフォトレジストを除去する。熱クロム酸
リン酸中で、基板を再び洗浄して、基板上、特にビア・
ホール中に存在する無機汚染物質を除去する。第１のア
ルミニウム主体層の場合と同様に、処理ステップは、ヘ
キサメチルジシリザン（ＨＭＤＳ’）を塗布し、続いて
フォトレジストをコートすることを含む。

第２レベルの金属のリフトオフ工程に好ましいフォトレ
ジストは、米国特許第４３９７９３７号明細書中に記載
されており、フェノール樹脂、及び１−オキソ−２−ジ
アゾナフタレンスルホン酸と非対称の第一または第二脂
肪族ジオールのジエステルである増感剤から形成され、
イミダゾールを約１゜０％含む、厚さ約２．４ミクロン
のポジ形レジストである。第１の金属リフトオフ・レジ
ストの場合と同様に、上記の諸工程に従って、まずレジ
ストを露光し、焼成し、次いで、ブランケット露光し、
メタケイ酸ナトリウム現像剤で現像し、酢酸で中和する
。現像に続いて、基板をもう一度酸素プラズマにさらし
、続いて熱クロム酸リン酸による洗浄ステップを実行す
る。最後の洗浄ステップ後６時間以内に、チタンの第１
層３２とアルミニウム主体配線のより厚い第２層３４を
含む第２レベルの相互接続層を蒸着によって付着させる
。この付着は、次のような相違点を除いて第１レベルの
相互接続層の場合と同じである。このレベルでは、シリ
コンを配線中に含めるかどうかは任意選択であり、工程
の基本原則により、配線が、潜在的にアルミニウム浸透
を引き起こすのに十分な量のシリコンを含む下層に接触
することが許されるかどうかによって決まる。

第２レベルのアルミニウム主体配線の付着に続いて、Ｎ
−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）浴中でリフトオフ
・フォトレジストを除去し、窒素中で約３５０°Ｃで約
２０分間基板をアニールする。

第６図に示すように、得られる第２レベルの相互接続層
は、銅を０．５ないし１０％ドープした厚さ約１０００
ないし約１２００ｎｍのアルミニウムの第２層３４を上
に載せた厚さ７０ないし１３０ｎｍのチタンの第１層３
２から構成されている。

本発明者等の米国特許第４４２３５４７号明細書の場合
と同様に、最終のパッジバー２８フ層はポリイミドから
形成される。ポリイミド層を形成する前に、ｎ−酢酸ブ
チル及びイソプロピルアルコールの洛中で基板を洗浄す
る。その後、１２５〜１３５℃で焼成し、もう−度酸素
プラズマ・アッシング工程を行なう。基板表面をγ−ア
ミノプロピルトリエトキシシランで増感させた後、デュ
ポン社のポリイミド前駆物質Ｐ、１．５８７８を約５．
６ミクロンの厚さに塗布し、約１２０°Ｃで約１５分間
焼成して、溶媒を除去し、ポリマーを部分的にイミド化
する。第７図に示すように、基板全体にわたって、ポリ
イミドのい（らか平坦化した層３６が形成される。次に
、上記で使用したＡＺ４２１０などのフォトレジストを
コートし、乾燥し、露光して、第２レベルのアルミニウ
ム主体金属と、実装リード線への接続に使用される選択
されたメタラジとの間にビア・ホールを画定する。

フォトレジストを現像し、テトラメチル水酸化アンモニ
ウムの５％溶液を用いて、１ステツプでエッチする。上
記のように、０．５％酢酸中で残留アルカリ性現像剤を
中和する。次に、ｎ−酢酸ブチル及びイソプロピルアル
コール中に浸漬することにより、部分的に硬化したポリ
イミド層からフォトレジストを選択的に剥ぎ取る。最終
的に画定されたポリイミド層３６を２段階の焼成工程で
硬化させる。第１段階は、空気中で約１８５ないし約２
０５℃で約２０分間行ない、第２段階は窒素中で約３４
５ないし約３５５°Ｃで約２０分間行なう。

第８図に示すように、単一チェンバ中での蒸着による終
端配線３８の付着によって、半導体デバイスは完成する
。以前の金属レベルと同様に、チタンを初期層として用
い、続いて、チタンと銅の混合物、銅の層、金の層、最
後に、鉛−スズはんだのパッド４０を用いる。蒸着源は
やはり抵抗加熱する。蒸着室内に基板を配置する前に、
約１トルの圧力で約２０分間、基板を酸素プラズマにさ
らす。次に、基板を熱クロム酸リン酸に約２分間浸漬す
る。次いで、基板を蒸着室内に配置しモリブテン金属マ
スクを基板上に置いて、前もって画定したビア・ホール
が形成されている場所以外の表面を遮蔽する。ポンプダ
ウンした後、２２５ないし２７５℃の温度に基板を加熱
する。蒸着を進めて、約１００ないし約１９０ｎｍのチ
タン、約７０ないし約２２０ｎｍのチタン・銅（銅とチ
タンの比３：１）、約９００ないし約１３００ｎｍの銅
、約８０ないし約１８０ｎｍの金を付着させ、Ｔｉ−Ｃ
ｕ−Ａｕの合計厚さを約１４７５ｎｍとする。次に、ス
ズを約３％含有する鉛を約０，１３ｍｍの厚さに付着さ
せる。終端金属の付着に続いて、モリブテン・マスクを
除去し、基板を約３５３℃に加熱してはんだをリフロー
させ、あとで行なう実装用リード線へのはんだボンディ
ングに適した滑らかな球状のパッドを形成する。

Ｆ６発明の効果 上述のように本発明によれば、サブミクロン級の集積回
路装置に適した多層配線構造を形成する形成方法を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は、第１レベルの配線から始まり、
最終の終端配線に至る、本発明の工程の様々な段階及び
その構造を示す半導体構造の断面図である。 １０・・・・ウェハ、１２・・・・半陥没型酸化物領域
、１３・・・・チャンネル・ストッパ拡散領域、１４・
・・・能動デバイス拡散領域、１６・・・・耐火金属層
、１８・・・・二酸化シリコン層、２０・・・・リン・
ドープまたはホウ素リン・ドープした酸化物層、２１・
・・・チタン層、２２・・・・アルミニウム層、２４・
・・・窒化シリコン層、２６・・・・ビア・ホール、２
８・・・・第２のパッシベーション用ポリイミド層、３
０・・・・太き目のビア・ホール、３２・・・・第１の
相互接続チタン層、３４・・・・第２の相互接続アルミ
ニウム主体配線層、３８・・・・終端配線層、４０・・
・・鉛・スズはんだパッド。 出願人　　インターナシロナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）接続用のコンタクト・ビアが形成されたパッシベ
   ーション層を上面に有するシリコン基板に接続する多層
   配線層の形成方法であって、 前記パッシベーション層及び前記コンタクト・ビアの上
   に、約１００ｎｍのチタン及びその上に約０．５から約
   １０重量％の銅及び約２．５から約８．０重量％のシリ
   コンを含むアルミニウムを蒸着させて第１レベルの配線
   層を形成し、 前記シリコン基板を加熱して前記第１レベルの配線層を
   アニールし、 前記第１レベルの配線層の少なくとも一部を露出させる
   コンタクト・ビアを有するポリマー層を含む多層パッシ
   ベーション層を前記第１レベルの配線層の上に形成し、 前記多層パッシベーション層及び前記コンタクト・ビア
   の上に、チタンの薄い層及びその上に前記第１レベルの
   配線層のチタン層の上の厚い金属層とは異なる組成を有
   する厚い金属層を蒸着させて第２レベルの配線層を形成
   する、 多層配線層の形成方法。
2. （２）請求項（１）に記載の方法において、前記第１レ
   ベルの配線層は、 前記パッシベーション層上に、前記第１レベルの配線層
   用のパターンを画定するマスク層を形成し、 基板表面全体に前記チタン層及び前記厚い金属層を蒸着
   し、 前記マスク層を除去して形成する多層配線層の形成方法
   。