JPH08511656A - アルミニウム段差部被覆の超音波による強化および機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １μおよび１μ未満のバイアに充填すべく半導体基板１９上にアルミニウムをスパッタ被着させる方法および機器には、バイアの適切な充填を確保するため、超音波エネルギが利用されている。アルミニウムが基板表面１９上にスパッタ被着される際に、半導体がブロック１７上に支持されて加熱され、２５kHzを超える超音波エネルギを受ける。基板表面に沿った定常波や節点の形成を回避するためにアルミニウムが被着される際、超音波エネルギの周波数は、３５〜４２kHzまでに変動される。これにより、効率的で高品質なアルミニウムの付与と、半導体基板上のバイアの充填が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】 アルミニウム段差部被覆の超音波による強化および機器 発明の背景 集積回路の能動スイッチング素子は、物理蒸着、化学蒸着および蒸発のような 種々の方法で被着（デポジット）された金属線路により相互に連結される。一般 に集積回路には、交差が可能なように、金属線路が複数レベルで使用される。或 る場所では、種々のレベルにおける線路の間で電気的接触が行われる。この種の 接点はバイア（via）と称される。１ミクロン未満（サブミクロン）の構造への 集積回路の移行は、極度の縦横比と寸法から成るバイアと接点とをもたらした。 １μ未満のバイアや接点を導電性金属で充填することは極めて困難である。細心 の注意を払わなければ、空所が残り、ウェーハを排棄しなければならない。 アルミニウム製金属薄膜被覆は、大規模集積（ＬＳＩ）および超大規模集積 （ＶＬＳＩ）回路における金属皮膜から成る導体の主要材料である。これらの装 置の製造業者は、金属層と誘電体の下のけい素層とのレベル間接触を必要として いる。更に、誘電体により隔てられた金属層間の相互連結も必要であろう。この 目的を達成するために、導体金属皮膜は、基板の回路領域の他に垂直またはほぼ 垂直な表面を覆わなければならない。段差部被覆としての高さのある相互連結部 位に十分な材料を付与することは、縦横比（アスペクト比）、垂直壁角度および 皮膜付着技術の如何により困難になる。主として蒸発やスパッタリングのような 物理蒸着は、アルミニウム被着用として通常使用されるべき方法である。選択位 置被着技術による線路の欠点は、かなりの量の材料が被着された場合の自己投影 作用である。この自己投影が段差部被覆を制限し、相互連結部の金属被覆に欠陥 をもたらす。 相互連結バイアおよび接点にアルミニウムを充填すべく、各種方法が提案され ている。約４５０℃の温度で、スパッタ被着されたアルミニウムをバイア内へ移 行させるために表面拡散が行われる。これは、例えば米国特許第４９９４１６２ 号に開示されている。これには、後に被着される材料を拡散誘導するための高品 質の連続拡散経路を付与する低温種（シード）層が用いられている。該当箇所に 対する効率的な表面被着を行わせるための高温、低被着速度段階と、これに続く 、被着を完結させるための高温、高被着速度段階が採用されている。スガノ等著 、１９９２年刊行のＶＭＩＣ会議録「Quarter micron whole filling with SiN sidewalls by aluminum high temperature sputtering」において、バイア充填 機構としてバルク拡散も提案されている。スガノ・プロセスによれば、バイア充 填のための原動力は、チタン表面と被着アルミニウムとの間の界面である。この プロセスは、バイアの側壁上の連続的かつ高品質のチタン表面の存在を必要とす る。 さらに、米国特許第４９７０１７６号には、初めの温度における比較的厚いア ルミニウム層の被着（デポジション）と、高い温度における薄いアルミニウム層 から成る次の被着とが開示されている。該米国特許明細書には、温度上昇によっ て、結晶粒成長と再結晶とによるアルミニウムが再流動（リフロー）することが 述べられている。 アルミニウム段差部被覆を向上させるために利用可能な他の技術として、基板 温度の上昇に加えて、バイアス被着、所望方向への方向づけ（collimation）お よび化学蒸着が包含される。各技術は、処理過程および最終的な膜の性状におけ る妥協を必要とする。より高い基板温度およびバイアスによれば、それぞれ熱活 性化および物理的スパッタリングによって、アルミニウム移動性に関する駆動力 が得られる。しかし、粒寸法、反射率、合金析出および比抵抗のような膜特性は 可成り変化する。 ４５０℃を超える温度におけるアルミニウムとけい素との反応を制限するため には、アルミニウムとけい素との間の障壁（バリヤ）層の使用も必要であろう。 アルミニウムの下のチタン層または窒化チタン層の使用により、アルミニウムの 表面移動性および基板温度上昇が強められる。しかし、アルミニウムとチタンと の間のどのような反応も膜の比抵抗を可成り上昇させる。 スパッタされたアルミニウムの方向づけ（collimation）により、被着速度が 、方向づけされないものの１０〜２０％低下し、相互連結部の底部についてのみ 、段差部被覆がかなり改善されるだろう。結局、必要なドーパント（微量添加物 ） であるけい素および銅を伴う汚染のないアルミニウム膜の化学蒸着は極めて困難 である。 発明の要約 本発明は、アルミニウム金属を基板上に被着し、かつ超音波エネルギの付与に より移動度を増大させることができるという認識を前提とするものである。本発 明は更に、熱エネルギ移動度増大のみに通常必要とされるそれよりもかなり低い 温度において、この種超音波エネルギで強められた移動度を達成し得るという認 識を前提とするものである。 本発明によれば、３８kHzから約４２kHzまでの周波数範囲を走査し得る超音波 発生器を包有するブロックに半導体基板がクランプされている。放射ランプによ って、またはブロックによって適度の熱が付与されると、アルミニウムがスパッ タ被着される。 好適実施例の場合、本発明は、１００〜３００℃の基板温度で通常約２０００ Åの初期のアルミニウム被着を包含する多段階プロセスである。第二のアルミニ ウム被着中は、一般に３５０〜５００℃の、同時になされる基板加熱と共に超音 波エネルギが基板に付加される。材料のスパッタ被着は超音波エネルギを付与す る間を通じて継続するが、材料がウェーハの該当部分へ移動するだけの時間があ る低速度においてであろう。これは、所望のアルミニウム膜厚さが得られるまで 継続される。 本発明の諸目的および諸利点は、次の詳細な説明および図面に鑑みて更に理解 されよう。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明に用いられる機器の図式的断面図、 第２図は、第１図に示す機器に用いられるウェーハ保持機構の平面図、 第３図は、第１図に示す機器に用いられるウェーハ保持機構の底面図である。 詳細な説明 本発明は、半導体ウエーハまたは基板におけるバイアおよび接点を充填する方 法である。それは、高さ対直径の比である縦横比が１〜約４である、１μ未満の 直径を有するバイアや接点を充填するのに特に有利である。本発明を実施する際 には、１〜約０．１μ、一般には１ないし約０．３μの直径を有するバイアおよ び接点を充填することができる。本発明の諸目的のため、バイアおよび接点をま とめて単にバイアと称する。 本発明は基本的に３段階プロセスである。第１段階では、アルミニウムおよび アルミニウム合金が比較的に低い温度で被着される。第２段階においてはウェー ハがブロックにクランプされるが、それには、クランプされたウェーハを介して 伝達される超音波エネルギを生成する機器が包含されている。次いで、同じ段階 において超音波エネルギが付与され、同時にウェーハまたは基板が加熱され、か つアルミニウムが被着される。 本発明において被覆され得る、バイアを含む基板には、けい素基板、三ふっ化 ほう素がドープされたシリカ基板、石英基板および砒化ガリウム基板が含まれる 。アルミニウム層は１００％アルミニウムまたは、更に望ましくは、アルミニウ ムけい素（１％）、銅（０．５％）、アルミニウム銅（１％）およびアルミニウ ム・チタン（０．１５％）のようなアルミニウム合金であれば良い。 第１図に図式的に示す如く、本発明は、接地された気密の閉鎖容器である室１ ２を包含する修正されたスパッタリング・システム１１である。この室は、スパ ッタリングに先立ち、一般に１×１０⁸トールまたは１×１０^-8トール未満まで の所望レベルに圧力を低下させ得る真空システム（図示せず）に連結されている 。 室内には、直流電源の陰端子１５に付着されたカソード１４に取り付けられた アルミニウムのスパッタ・ターゲット１３がある。電源の陽端子は接地されてい る。スパッタ被着を実施すべく、室内にアルゴンが導入され、かつターゲットに 電力が付加される。 ターゲットの下方にはアノード基板保持器１６がある。第２図および第３図に 更に詳細に示す如く、これには、基板１９を保持する一連のクランプ１８を支え るブロック１７が包含されている。ブロック１７の真下には、ブロックを介して 超音波エネルギを供給し、結局それを基板に付与するようにされた機器がある。 この第３図に示す如く、この機構は、ブロック１７の底面へ物理的に付着された 一連の超音波変換器２１（９組を示す）である。 更に詳述すれば、超音波エネルギ源は、ウェーハの背面に対し、３８kHz〜４ ２kHzの周波数を供給しなければならない。この超音波エネルギ源は、節点形成 を回避するため、被着中、ウェーハを横断して調整されなければならない。例え ば、超音波コーポレーション（Ultrasonic Corporation）から適切な変換器を購 入することができる。 あるいはまた、静電クランプ機構のような別のクランプ機構を使用するよう、 ウェーハの取付機構を修正することもできる。 本発明の多段階被着は、望ましくは、エッチング室および少なくとも３個のス パッタリング室を包含する多室スパッタリング・ユニット内で行われる。スパッ タリング室の１つには、第１図に示す諸特徴が組み込まれている。多室スパッタ リング機器が周知されている。１つは例えば、矢張り米国特許第４９９４１６２ 号に関連する、マティリアルズ・リサーチ・コーポレイション（Materials Rese arch Corporation）により販売されるエクリプス印（Eclipse Brand）スパッタ リング・システムである。商業的に入手可能な他のシステムも同様に適している 。 第一室においては、基板またはウェーハが、表面の不純物を除去すべく、最初 にアルゴン・ガスでエッチングされる。基板を加熱することもガス発生の解消に 役立つ。これは随意であるが望ましいものである。 次いで、基板は第二室へ移送されるが、望むならば、ここで障壁層を付加する ことができる。亜硝酸ジルコニウム、酸化ルテニウム障壁層ならびにチタン・タ ングステン層を利用することもできるが、好適な障壁層は窒化チタンである。一 般に障壁層の厚さは約１０００Åである。初期のアルミニウム合金は第三室に供 給される。指摘した如く、これは1００〜３００℃、望ましくは約１００℃で行 われるべきである。一般に、約１５００Åの初期アルミニウム層が被着される。 これは、超音波エネルギの付与をせずに行われる。 ブロック上への最終のウェーハまたは基板の場合、それを定位置にクランプす る。初期の被着においては、毎秒１５０〜２５０Åの被着速度を以て、１０００ 〜３０００Åのアルミニウムまたはアルミニウム合金が１００〜３００℃で被着 する。第二段階においては、超音波エネルギが、３８kHzに始まり、毎秒１００ 〜３００回、約４２kHzにまでこれを変動させるように付与される。この場合、 ブロックを加熱するか、加熱ランプを利用するかの何れかにより基板が３００〜 ４５０℃に加熱されると同時に、３０００〜８０００Åのアルミニウム膜が被着 されるまで、毎秒５０〜２００Åの速度でアルミニウムが被着される。 この方法を用いれば、ウェーハの機能不全を生ずる可能性のあるバイアや表面 基板内のギャップまたはその他の非連続状態を許容することなく、効果的にバイ アが充填される。更にまた、このシステムの温度が望ましくは４５０℃未満に作 動するので、高温により生起される否定的な膜の影響は回避される。これにより 、バイアをアルミニウムで充填する、信頼性の高い効率的な方法が得られる。超 音波エネルギの供給により、過剰な時間や温度を必要としなくなる。従って、適 切なバイア被覆を得るためにも品質は犠牲にされていない。 上記は、本発明ならびに本発明を実施するに当たり目下周知されている好適な 方法の説明であった。しかし本発明は、添付の請求の範囲によってのみ定義され るべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年６月９日 【補正内容】 請求の範囲 １． 半導体基板内のバイアを充填する方法にして、 前記半導体の第一表面上に金属膜をスパッタ被着し、かつ前記バイアを被覆す る段階、および 前記第一表面上へ金属がスパッタ被着される際に、前記基板の第二表面へ、反 復的に変調する周波数で同時に超音波エネルギを付与する段階を含む方法。 ２． 請求の範囲第１項に記載された方法において、前記超音波エネルギが、 ２５kHzを超える周波数で付与される方法。 ３． 請求の範囲第２項に記載された方法において、前記超音波エネルギの周 波数が毎秒１００〜３００回、約３８kHz〜約４２kHzに調整される方法。 ４． 請求の範囲第１項に記載された方法にして、最初、超音波エネルギの付 与をせずに前記第一表面上へ１０００〜３０００Åのアルミニウムの第一層を被 着させ、次いで、超音波エネルギの付与と共に３０００〜８０００Åのアルミニ ウムの第二層を前記第一表面上に付与する段階を含む方法。 ５． 請求の範囲第４項に記載された方法において、前記第一層が１００〜３ ００℃の温度で付与され、前記第二層が３５０〜５００℃の温度で付与される方 法。 ６． 半導体基板内のバイアを充填する方法にして、 １００〜３００℃の温度での超音波エネルギの付与をせずに前記バイアを被覆 して、前記基板の表面上に１０００〜３０００Åのアルミニウムをスパッタ被着 する段階、および ３８〜４２kHzの周波数で毎秒１００〜３００回、前記周波数を調整しつつ超 音波エネルギを付与しながら、３５０〜５００℃の温度で、前記基板の表面上お よび前記バイア上へ３０００〜８０００Åのアルミニウムを付与する段階を含む 方法。 ７． 半導体へ金属をスパッタ被着する機器にして、 半導体支持材、 前記支持材上に支持された半導体上に金属をスパッタ被着させる装置、 前記半導体を前記支持材へクランプする装置、および 前記半導体上に金属をスパッタリングする前記装置により金属が被着される際 、前記支持材上に支持され、かつクランプされた半導体へ、反復的に調整される 周波数の超音波エネルギを付与する装置を含む機器。 ８． 請求の範囲第７項に記載された機器において、前記支持材がブロックを 含み、複数の超音波変換器が前記ブロックの底面に添付される機器。 ９． 請求の範囲第８項に記載された機器において、前記ウェーハを前記支持 材へクランプする前記装置が、前記半導体を前記ブロックヘ固定するようにされ たブラケットを含む機器。 10． 請求の範囲第８項に記載された機器において、前記ウェーハを前記支持 体へクランプする前記装置が静電保持器を含む機器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ， ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，Ｓ Ｅ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 半導体基板内のバイアを充填する方法にして、 前記半導体の第一表面上にアルミニウム膜をスパッタ被着し、かつ前記バイア を被覆する段階、および アルミニウムが被着されている前記基板の第二表面へ同時に超音波エネルギを 付与する段階を含む方法。 ２． 請求の範囲第１項に記載された方法において、前記超音波エネルギが、 ２５kHzを超える周波数で付与される方法。 ３． 請求の範囲第２項に記載された方法において、前記超音波エネルギが、 ３８kHz超〜４２kHzの周波数で付与されるようにする方法。 ４． 請求の範囲第１項に記載された方法において、前記アルミニウムが被着 される際に、前記超音波エネルギが調整される方法。 ５． 請求の範囲第１項に記載された方法にして、最初、超音波エネルギの付 与をせずに前記表面上へ１０００〜３０００Åのアルミニウムを被着させ、次い で、超音波エネルギの付与と共に３０００〜８０００Åのアルミニウムを付与す る段階を含む方法。 ６． 請求の範囲第４項に記載された方法において、前記第一層が１００〜３ ００℃の温度で付与され、前記第二層が３５０〜５００℃の温度で付与される方 法。 ７． 半導体基板内のバイアを充填する方法にして、 １００〜３００℃の温度での超音波エネルギの付与をせずに前記バイアを被覆 して、前記基板の表面上に１０００〜３０００Åのアルミニウムをスパッタ被着 する段階、および ３８〜４２kHzの周波数で、前記周波数を調整しつつ超音波エネルギを付与し ながら、３５０〜５００℃の温度で、前記基板の表面上および前記バイア上へ３ ０００〜８０００Åのアルミニウムを付与する段階を含む方法。 ８． 半導体上へアルミニウムをスパッタ被着する機器にして、 半導体支持材、 前記支持材上に支持された半導体上にアルミニウムをスパッタ被着させる装置 、 前記半導体を前記支持材へクランプする装置、および 前記半導体上にアルミニウムをスパッタリングする前記装置によりアルミニウ ムが被着される際、前記支持材上に支持され、かつクランプされた半導体へ超音 波エネルギを付与する装置を含む機器。 ９． 請求の範囲第８項に記載された機器において、前記支持材がブロックを 含み、複数の超音波変換器が前記ブロックの底面に添付される機器。 10． 請求の範囲第９項に記載された機器において、前記ウェーハを前記支持 材へクランプする前記装置が、前記半導体を前記ブロックヘ固定するようにされ たブラケットを含む機器。 11． 請求の範囲第９項に記載された機器において、前記ウェーハを前記支持 体へクランプする前記装置が静電保持器を含む機器。