JPH0817831A - 同平坦面の金属層および二酸化シリコン層の形成方法 - Google Patents

同平坦面の金属層および二酸化シリコン層の形成方法

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JPH0817831A
JPH0817831A JP6291012A JP29101294A JPH0817831A JP H0817831 A JPH0817831 A JP H0817831A JP 6291012 A JP6291012 A JP 6291012A JP 29101294 A JP29101294 A JP 29101294A JP H0817831 A JPH0817831 A JP H0817831A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】同平坦面の金属層および二酸化シリコン層を有
する構造を基板上に形成する方法を提供すること 【構成】基板70上にAl−Cuの金属層パターン72
を形成し、その上に二酸化シリコン層74を付着する。
金属層パターン72および二酸化シリコン層74の表面
が実質的に同平坦面になるまで、シリカ粒子を含む塩基
性スラリを用いて基板上面を化学機械的に研磨する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高性能VLSI半導体チ
ップの製造に関し、さらに具体的には、改善された研摩
スラリを用いる化学機械的研摩技術により基板上に同平
坦面(Coplanar)の金属層/二酸化シリコン絶
縁層を作るための方法に関するものである。この方法は
平坦化されたマルチレベル金属半導体構造の製造に広い
用途を見出すことができる。
【0002】
【従来技術】半導体チップは接点が金属配線パターンに
より相互接続されたデバイスの配列から成る。VLSI
チップでは、これらの金属パターンを多層化し、絶縁材
料の層により多層化する。それぞれの金属配線パターン
間の相互接続は絶縁材料の層を貫いてエッチングした穴
(すなわちバイヤホール)により行なう。典型的なチッ
プ設計は1つまたは2つの配線レベルから成り、最新の
技術では3つの配線レベルである。回路のコストや性能
に関して製造工程で常に要求されているのは、補足的な
配線レベルによって付加的な処理工程が必要になって
も、その回路に競争力があるということである。しか
し、今日広く用いられているとは言え、バイヤホールを
用いる技術は多くの制限と欠点を有し、図1から理解さ
れるように、金属層の数が増加するに従って配線は増々
難しくなる。
【0003】図1に示す半導体構造10は従来技術の典
型的な一例である。それは二酸化シリコン(SiO2
のパターン化された第一の絶縁層12をその上に有する
所定の導電形のシリコン基板11から成る。第1レベル
のメタライズをバイヤホール14を介して基板の領域1
5と電気的に接触する金属ランド13により表す。それ
は、たとえばオーミックコンタクトとして、バイボーラ
・トランジスタ(図示せず)のエミッタ領域と接触す
る。金属ランド16により表される第2レベルのメタラ
イズは第2の絶縁層18のバイヤホール17を介して金
属ランド13と電気的に接触する。この構造を第3の絶
縁層19でパッシベートする。第2図に示す構造は必ず
しも一定の寸法比で描かれているわけではないが、標準
的な工程で得られる平坦性からはほど遠い非常に不規則
な表面を与えることがわかる。
【0004】そのような構造で知られている問題点は、
第1に、層間の絶縁層が薄くなることに帰因する第1お
よび第2レベルのメタライズ間の位置Aにおける電位短
絡であり、第2に、位置Bにおける金属層が薄くなるこ
とに帰因する位置Bでの電位開放の問題(いわゆるネッ
キング効果)である。これらの問題はこの産業で要求さ
れている高水準の信頼性にとっては受け入れ難いもので
ある。したがって、現在真剣に必要とされているのは、
そのような不規則な表面を平坦化するという問題を解決
するためにバイヤホール技術を改善することである。
【0005】最新の平坦化技術の典型的な一例は、ヨー
ロッパ特許出願番号80302457.9に見出すこと
ができる。この参照文献によれば、半導体構造の表面に
おけるどのような種類の突起も次の工程により除去する
ことができる。すなわち、上記表面にほぼ平坦な表面を
有するフォトレジスの層を形成し、次にフォトレジスト
と上記突起を形成する材料の両方を同じ速度でエッチン
グする反応ガスを用いてこの構造の上部表面を乾式エッ
チングする。除去される材料が燐ケイ酸塩ガラス(PS
G)のときは、反応ガスは弗素化合物と酸素の混合物で
あり、材料がアルミニウムのときは、反応ガスは塩素を
ベースとした化合物と水素または酸素の混合物である。
それぞれの材料に対して反応ガスを適切に選択しなけれ
ばならない。
【0006】レジスト平坦化媒体を有する金属のプラズ
マ・エッチングまたは反応性イオン・エッチング(RI
E)は半導体デバイスを平坦化するための好ましい方法
に見えるが、それらの技術に固有な限界を有する。第1
に、これらの技術は全ての金属に用いることはできず、
揮発性反応生成物を形成する金属にのみ用いることがで
きる。また、アルミニウムでは、この金属の表面におけ
る薄いAl23層を除去する必要があるため、複雑で制
御困難な工程が必要になることが報告されている。最後
にRIE工程は複雑で費用がかかる。さらに、レジスト
の使用は汚染源にもなり得る。
【0007】金属および絶縁体を平坦化するため化学機
械的研摩工程を用いることについてはこれまで全く提案
されていなかった。試験目的のために、第2レベルのメ
タライズにおけるアルミニウム・ランドの急速除去に機
械的研摩(すなわち磨耗研摩)を使用することが、C.
H.スクリブナ(Scrivner)により書かれた2
つの論文に最近報告された。
【0008】IBMテクニカル・ディスクロージャ・ブ
ルテン、Vo1.20、No.11A、P.4430−
4431、1978年4月に発表された第1の論文に
は、試験用チップの第2レベルにおける金属を除去する
ために、ウエハ全体を並行研摩することが示されてい
る。研磨スラリの組成は明らかにされていないが、水を
ベースとしたシリカまたはアルミナ・スラリのような標
準的研摩スラリを用いることができる。
【0009】さらに、研摩スラリの使用に関する情報は
IBMテクニカル・ディスクロージャ・ブルテンVo
1.24、No.4、1981年、P.2138に発表
された第2の論文に見出すことができる。この文献によ
れば、試験用チップまたはそれを含む1枚のウエハを金
属スタッド(直径2.5cm)上に載せ、次にそれをチ
ップの表面を研摩する市販の並行研摩装置の中に挿入す
る。この論文は前に引用した技術の欠点をはっきりと指
摘し、具体的には、研摩工程がウエハにとって破壊的で
あると述べている。
【0010】T.フナツ(Funatsu)への米国特
許第4375675号はSi34エッチング停止層に対
してポリシリコン充填物の選択的な化学機械的除去を行
なうため、アルカリ添加剤を有するアルミナ・スラリを
用いるポリシリコン分離平坦化工程について記載してい
る。同様な開示を米国特許第3911562号に見出す
ことができる。
【0011】平坦化技術は、金属やポリシリコンを除去
して平坦化する場合だけでなく、絶縁層を除去して平坦
化する場合にも必要になる。最も典型的な場合は、二酸
化シリコン絶縁層を除去して同平坦面の金属層/二酸化
シリコン絶縁層を作る場合である。しかし、これまで
は、このような平坦化の目的を満たすのに適した化学機
械的研摩技術は提案されていなかった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
主な目的は、複雑で、制御が困難で、費用がかかり、さ
らに汚染のもととなる乾式エッチング平坦化技術を必要
とすることなく、同平坦面の金属層/二酸化シリコン絶
縁層を形成するための方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】同平坦面の金属層および
二酸化シリコン層を備えた構造を基板上に形成する本発
明の方法は、基板上に、金属層パターンを形成し、この
金属層パターン上に二酸化シリコン層を付着する。そし
て、金属層パターンおよび二酸化シリコン層が実質的に
同平坦面になるまで、シリカ粒子を含む塩基性スラリを
用いて基板上面を化学機械的に研磨することを特徴とす
る。
【0014】
【実施例】図2〜図6は、本願の親出願である特願昭6
1−214224号(特開昭62−102543号)の
第1A図、第1B図、第3A図、第3B図および第4図
と対応する図であり、図7は本発明の実施例を示してい
る。図2〜図6は、Al−Cuのようなアルミニウムを
ベースとする合金を化学機械的に研磨して、同平坦面の
金属層/絶縁層を作る場合を例示している。先ず、図2
〜図6を説明し、次いで第7図の実施例を説明する。
【0015】図2は、絶縁層22を上に有する半導体ま
たは絶縁体でよい基板21から成る構造20を示してい
る。たとえば、層22を形成する誘電体は厚さが所期の
金属の厚さと下側にある誘電体の厚さ(ゼロの場合もあ
り得る)の和に等しいスパッタリングされた二酸化シリ
コンでよい。研摩停止層、たとえばSi34を研摩での
一層良好な厚さの制御のためSiO2(石英)の上部に
付着することができる。層22を標準的なフォトリトグ
ラフィ技術でパターン化して、所期のパターン、たとえ
ばトレンチ24を生じる。トレンチとは、絶縁層の厚さ
を部分的に、または完全に貫通してもよい任意の形状の
くぼみを意味する。次にトレンチに金属を満たし、たと
えば金属線条23aを作る。Al−Cu合金のような高
導電性金属層23が構造に一律に付着され、さらにトレ
ンチ24を満たす。以下の方法に従って、合金をスパッ
タリングされたSiO2の上部表面まで除去し、トレン
チ内のものはそのままにしておく。
【0016】構造を直径18インチのストラスバーク
(Strasbaugh)片面研摩装置のような市販の
並行研摩装置、またはIBMテクニカル・ディスクロー
ジャ・ブルテイン、Vo1.15、No.6、1972
年11月、P.1760〜1761に記載された装置の
中に置く。好ましい組成の研摩スラリを2つの異なる方
法で調整することができる。1リットルのDI水中に浮
遊する1グラムのAl23粉末(0.06ミクロンの寸
法)を90ccのDI水中における10ミリリットルの
HNO3の容液と混合し、約3のpHを得る。または、
2台のポンプ装置を用いて、硝酸をニードル弁により第
1の溶液に加えて同じpHを得る。その他の研摩条件を
以下に要約する。
【0017】研摩媒体:pHが約3の酸をベースとした
アルミナ・スラリ スラリ流速:120cc/分 研摩圧:1400〜5700Kg/m2 研摩バッド:ローデル(Rodel)210 I2 (ローデル・プロダクツ社製) 水をベースとしたアルミナ・スラリを単独または別の希
酸と組合せて用いて、Al−Cu合金およびスパッタリ
ングされたSiO2の研摩速度を測定した。その結果を
下の表Iに示す。
【0018】 表 I 番号 ス ラ リ Al−Cu スパッタリング エッチング さ れ た 組 成 速 度 SiO2速度 速 度 比 1 アルミナ+DI水 30nm/分 30nm/分 1 2 アルミナ+DI水 85nm/分 33nm/分 3 +硫酸(pH2.2) 3 アルミナ+DI水 107nm/分 8nm/分 13 +硫酸(pH2.2) 4 アルミナ+DI水 150nm/分 425nm/分 3 +酢酸(pH2.8)
【0019】表Iの試験は酸の添加が水をベースとした
アルミナ・スラリのエッチング能力をある程度(事例2
および4)または大幅に(事例3)改善することを示
す。水をベースとしたアルミナ・スラリは金属を除去し
たり金属試料を調整するため研摩剤として一般に用いら
れてきたり、さらに上述のように、試験または調査のた
め半導体構造の表面から金属ランドを除去するため用い
られてきたことは明らかである。しかし、事例1から明
らかなように、水中のAl23の使用はAl−Cuとス
パッタリングされたSiO2間に所期の除去選択性を何
らもたらさず、これは不十分にしか制御できない工程で
SiO2層のかなりの部分も除去されることを意味す
る。対照的に、約3より小さいpHを生じるための酸の
添加、特にHNO3の添加はAl−Cuの除去速度を大
幅に増大させる化学機械的研摩スラリを生じ、一方、予
期しないことであるが、スパッタリングされたSiO2
の除去速度を同時に減少させ、全体として他とは異なる
大きなエッチング速度比をもたらす。HNO3は金属に
対する周知のエッチング剤であるが、驚くべきことに
は、本方法では、金属の工程の終りにおいてトレンチ内
で腐食されない。上記方法は、12回の別々の研摩作業
において再現可能なことが分った。詳細には、Al/C
uとスパッタリングされたSiO2の間の他とは異なる
大きなエッチング速度比は自動エッチング停止障壁とし
て働くSiO2層であるトレンチ内の残りの金属の厚さ
に対するすぐれた制御を保証する。
【0020】図3のようにトレンチ24を満たす金属2
3aの上部表面は絶縁層に埋め込まれた導体の線または
線条として考えることができる。したがって、広い用途
を見出すことが可能な非常に滑らかな表面を備える同平
坦面の金属層/絶縁層を結果として得る。
【0021】例II 図4は、スパッタリングされたSiO2のようなパター
ン化された絶縁層32でバッシペートされた所定の導電
形のシリコン基板31からなる半導体構造30を示して
いる。絶縁層はバイヤ(またはスルー)ホール33を備
える。バイヤホールにより、絶縁層の厚さを完全に貫通
し、金属で満たされたときそれぞれのレベルに置かれた
導電性材料の間に電気的相互接続をもたらす穴を意味す
る。Al−Cuのような高導電性金属の層34を基板上
に一律に付着した。金属は既にシリコン基板に形成され
ていた拡散領域35とオーミックコンタクトをなす。シ
リコン基板と関連して説明したが、基板は分離形(たと
えば)セラミック、ガラス、または工程の前の段階で形
成された金属層のいずれかであってもよいことは言うま
でもない。
【0022】図5は、例Iに関して説明した化学機械的
研摩技術を実施した結果として得られる構造を示してい
る。バイヤホール33は完全に金属で満たされ、その上
部表面は絶縁層32の上部表面と同平坦面である。金属
34aはたとえばスタッドと考えることができる。した
がって、この場合には、次にマルチレベルの相互接続体
系で用いることができる同平坦面の金属層/絶縁層も作
られる。金属付着の前に、プラチナ・シリサイド接点が
領域35で形成されるか、または、所望ならば、充填金
属が冶金と接触することができる。
【0023】例III 例Iに関して示された導電性の線、または例IIに示され
た金属充填バイヤホールを形成する工程の組合せは平坦
化されたマルチレベル金属構造の製造をもたらす。図6
に示すように、マルチレベル金属構造40は多層金属構
造42を備えた基板41から成る。構造42は上述の化
学機械的研摩技術を連続的に適用して、絶縁層44内に
導電性の線43を、次に絶縁層46内に金属充填バイヤ
ホール45を、最後に絶縁層48内に導電性の線47を
形成することにより形成される。
【0024】SiO2の代りにポリイミドを誘電体材料
として使うことができる。スパッタリングされたSiO
2層を標準的スパッタリング技術により付着し、ポリイ
ミドを標準的な回転および硬化工程により塗布する。絶
縁層はほぼ平坦な表面を覆って塗布されるので、層は平
坦化した膜である必要はなく、したがって、酸化物が関
係するところではPECVDのような高速付着技術を用
いることができる。ドーブされた、またはドーブされて
いないガラス質のような他の誘電体材料、さらに種々の
重合体も用いることができる。使用される材料における
唯一の制限は工程の残りの部分との適合性と絶縁層内に
トレンチまたはバイヤホールを形成する能力である。両
方とも標準的フォトリトグラフィ技術を用いて形成す
る。
【0025】次に、意図した金属パターンを湿式または
RIEエッチング技術により誘電体に転写するが、微細
な寸法が必要とされるところでは後者の方が好ましい。
トレンチまたはバイヤホールを形成するため使用可能な
他の技術には、投射レーザ支援エッチング、スパッタリ
ング技術または反応イオン・ビーム・エッチングがあ
る。絶縁層内に完成されたトレンチまたはバイヤホール
の寸法により画定されるので、微細な金属形状が得られ
ることが分る。絶縁体のRIEは金属のRIEよりもよ
く理解されると共にもっと制御性にすぐれた工程であ
る。製造には、その差異を利用できる。スパッタリン
グ、CVDまたは電気めっきを含むどのような共形的技
術によって金属を付着してもよい。もちろん、アルミニ
ウムとその合金(Al−Si、Al−Cu)が好ましい
とは言え、この技術はそれらに限定されるものではな
く、他の金属も同様に使うことができる。選択的な化学
機械的研摩を用いて同平坦面の金属/絶縁体膜を作る方
法は広い用途を有する。
【0026】大きな除去速度比を有する化学機械的研摩
技術を金属と誘電体材料の多くの組合せに対して見出す
ことができる。化学機械的技術の利点は、それが引揚げ
工程より速く、費用が安く、より微細な寸法にまで及ぶ
ことができることである。金属RIE技術に比べて広範
囲の金属に適用可能である。乾式エッチング平坦化技術
とは著しく違って、化学機械的平坦化技術は被覆材料が
始めに覆われた材料の上部表面と同平坦面である平坦な
構造を生じる。何故ならば、選択的スラリは自動エッチ
ング停止層として用いられる後者の材料を大幅に除去し
ないからである。乾式エッチング平坦化技術より広範囲
の金属に適用可能であり、さらにもっと制御性が良い。
【0027】図7は本発明の実施例を示している。図7
において、基板70上には、第1のレベル(Kレベル)
のパターン化された金属層と、その上に形成された第2
のレベル(Lレベル)のパターン化された金属スタッド
とよりなる金属層パターン72が形成されている。この
金属パターン72上には、絶縁材料の層74が図7に示
すように付着されている。スラリの成分を適当に変え、
下側の金属パターン72よりも大幅に速い速度で上側絶
縁層74を選択的に除去することにより、絶縁された構
造を破線50まで平坦化することができる。たとえば、
絶縁層74がスパッタリングされたSiO2であり、金
属72がAl−Cuであるとき、水酸化カリウムの塩基
性溶液(pH約11乃至11.5)と、ほぼ1乃至10
%の固体含量を有するシリカ粒子とを含むスラリを用い
るのが好適である。この方法によれば、下側の金属層よ
りも上側の二酸化シリコン層を優先的に除去し、簡単に
平坦化を実現できることが判明した。
【0028】研摩パッドの材料は好ましくはポリエステ
ルであり、研摩負荷の下で変形しないように十分な固さ
を有する。最初の平坦化作用の間は、下側にある金属ス
タッド構造の形状のため、高い地点51における絶縁材
料が低い地点52および53における絶縁材料よりも速
い速度で除去される。さらに、所望ならば、研摩エッチ
ング停止層を単独で用いることができるが、スラリの、
下側金属層に対する上側二酸化シリコン層の除去選択性
が十分に大きい場合は、研摩エッチング停止層の使用は
随意になる。好適な研摩エッチング停止材料としては、
たとえば、ポリイミド膜のような有機重合体(プラズマ
またはCVD付着されたSiO2をエッチングすると
き)、またはプラズマ窒化シリコン、MgOまたはAl
23のような無機材料(スパッタ付着されたSiO2
エッチングするとき)がある。
【0029】この実施例では、51のような高い地点の
寸法および密度にかかわらず、付着される絶縁層の厚さ
を、KおよびLレベルの金属を合わせた厚さ(最大厚
さ)よりも小さくすることが平坦化の最適な結果を得る
ために好ましいことがわかった。一般に、化学機械的研
摩においては、絶縁材料の厚さは、絶縁材料の完全な平
坦化が達成される前にスタッド金属に到達するように選
ばれるべきである。SiO2層の厚さを被覆金属の厚さ
よりもいく分小さい値に制限することにより、SiO2
はそれぞれの高い地点においてほぼ同時に除去される傾
向がある。
【0030】
【発明の効果】複雑で、制御が困難で、費用がかかり、
汚染のもととなる乾式エッチング平坦化技術を必要とす
ることなく、基板上に同平坦面(Coplanar)の
金属層/二酸化シリコン絶縁層構造を作ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】標準的工程に従つて製造され、平坦でない表面
を有する従来の典型的な多層金属半導体構造の概略断面
図である。
【図2】絶縁層内に形成された金属を研磨して同平坦面
の金属層/絶縁層を作るための方法を示す金属半導体構
造の概略断面図である。
【図3】図2の方法で平坦化された金属半導体構造の概
略断面図である。
【図4】絶縁層内に形成されたバイヤホール金属を研磨
して同平坦面の金属/絶縁体膜を作るための方法を示す
金属半導体構造の概略断面図である。
【図5】図4の方法で平坦化された金属半導体構造の概
略断面図である。
【図6】平坦化された多層金属半導体構造を示す概略断
面図、
【図7】同平坦面の金属層/二酸化シリコン絶縁層を形
成するための本発明の実施例の方法を示す金属半導体構
造の概略断面図である。
【符号の説明】
70 基板 72 金属層パターン 74 二酸化層シリコン層
フロントページの続き (72)発明者 ウイリアム・レスリー・ガスリー アメリカ合衆国ニューヨーク州ホープウエ ル・ジャンクション、ヴァン・ウイック・ レーク・ロード394番地 (72)発明者 スタンレー・リチャード・マーカレウイッ クズ アメリカ合衆国ニューヨーク州ニュー・ウ インドソー、チェリー・アベニュー17番地 (72)発明者 エリック・メンデル アメリカ合衆国ニューヨーク州ホーキプシ ー、ハイ・ポイント・ドライブ3番地 (72)発明者 ウイリアム・ジョン・パトリック アメリカ合衆国ニューヨーク州ニューバー グ、ロックウッド・ドライブ3番地 (72)発明者 キャサリーン・アリス・ペリー アメリカ合衆国ニューヨーク州ラグランジ ビル、アプトン・ロード、アールデイ1、 ボックス17番地 (72)発明者 ウイリアム・アロン・プリスキン アメリカ合衆国ニューヨーク州ポーキプシ ー、グリーンベイル・ファームス・ロード 31番地 (72)発明者 ヤコブ・ライズマン アメリカ合衆国ニューヨーク州ポーキプシ ー、バナード・アベニュー38番地 (72)発明者 ポール・マーチン・シャイブル アメリカ合衆国ニューヨーク州ポーキプシ ー、ヒリス・テラス46番地 (72)発明者 チャールズ・ランバート・スタンドレイ アメリカ合衆国ニューヨーク州ワッピンジ ャーズ、ホールズ、ヒルサイド・レーク、 フロスト・ロード番地なし

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】同平坦面の金属層および二酸化シリコン層
    を備えた構造を基板上に形成する方法であって、 基板上に、金属層パターンを形成し、 上記金属層パターン上に二酸化シリコン層を付着し、 上記金属層パターンおよび上記二酸化シリコン層が実質
    的に同平坦面になるまで、シリカ粒子を含む塩基性スラ
    リを用いて上記基板の上面を化学機械的に研磨すること
    を特徴とする、同平坦面の金属層および二酸化シリコン
    層の形成方法。
  2. 【請求項2】上記金属層パターンがAl−Cuであるこ
    とを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】上記金属層パターンが平坦でない上面を有
    し、二酸化シリコン層が上記金属層パターンの最大厚さ
    よりも薄く付着されることを特徴とする、請求項1に記
    載の方法。
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