JP3950889B2 - コンタクトホール充填方法 - Google Patents

Description

本発明は、主成分として窒化物を含む被覆層が堆積されるコンタクトホールの充填方法に関する。

コンタクトホールは２つの金属層間に位置する。そのようなコンタクトホールは、ビアとも呼ばれる。

被覆層は、いわゆるライナ層の構成要素であり、接続される金属とコンタクトホール充填材との間における機械的な接着助長層として機能する。接着助長層用の材料として、例えば窒化チタンあるいは窒化タンタルが、例えば、コンタクトホールの下に位置するアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる配線部の場合に、コンタクトホールをタングステンあるいはタングステン化合物で充填するために使用される。窒化物を含む接着助長層は、好ましい接着助長特性を有し、窒素のもとでのスパッタリングによって、比較的容易に生成される。

本発明の課題は、特に確実な接続および低い接続抵抗を保証する、簡易なコンタクトホールの充填方法を提示することにある。さらに、それに関連する集積回路構造を提示することにある。

上記課題は、請求項１に記載に提示された方法工程によって解決される。さらなる形態は従属請求項に示される。

本発明の方法では、不活性ガスのもとで、コンタクトホール内に、主成分として窒化物を含む基底層が堆積される。基底層の堆積の後に初めて被覆層が堆積される。

最初に不活性ガスのもとで基底層が堆積されることによって、本発明の方法においては、コンタクトホールの底部の金属上に、該金属と反応ガスに含まれる窒素とによるいかなる障害となる窒素化合物も形成されない。にもかかわらず、本発明の方法においては、例えば、好ましい電気接続を形成し、かつ、所望しない効果あるいは純金属とコンタクトホール底部の金属との化合物を避けるためあるいは削減するために、金属窒化物層が金属上に直接形成される。そのため、例えば、ＴｉＡｌ_３は、周囲の材料の密度とかなりかけ離れた密度を有するため、障害となる。さらに、ＴｉＡｌ_３は粒子状であり、かつエレクトロマイグレーションを助長する不均一な構造を有する。

続くガス状の窒素のもとでの被覆層の堆積の際、窒素は、すでに堆積された基底層によって、もはや、コンタクトホール底部の金属にとって障害となる窒化物を形成するために該金属にまで到達しない。そのため、被覆層は簡易な方法によって、すなわち窒素雰囲気の利用のもとで堆積される。

本発明による方法のさらなる形態では、基底層および被覆層は、指向性スパッタリング（ｇｅｒｉｃｈｔｅｔｅｓ Ｓｐｕｔｔｅｒｎ）によって堆積される。無指向性スパッタリング法は、材料の平坦面への堆積に好適である。一方、指向性スパッタリングは、コンタクトホールの内外において基底層あるいは被覆層の厚さに大きな相違が生じることなく、狭いコンタクトホール内に、特にコンタクトホール底部上に、基底層あるいは被覆層の十分な材料を堆積する可能性を提供する。そのような相違は、指向性スパッタリングにより回避される、あるいは大幅に削減されるため、集積回路構造の製造のための全プロセスにおいて、該さらなる形態による方法は容易に結合され得る。

本発明による方法の次のさらなる形態では、基底層の堆積の後であって、しかもなお、被覆層の堆積の前に、中間層がコンタクトホール内に堆積される。中間層の堆積によって、基底層を堆積する方法から被覆層を堆積する方法へ連続的な移行が提供され得る。例えば、このとき、プロセスガスが交換され得る。さらに、基底層の材料および被覆層の材料と区別される材料を有する中間層を組み入れることによって、窒化物フリー（ｎｉｔｒｉｄｆｒｅｉ）のために、改善された機械的接着特性および/または改善された電気接続特性および/または改善された他の特性、例えば拡散あるいはエレクトロマイグレーションの防止に関する改善された特性を有する積層を生成するための自由度が生じる。そのため、後に提供されるコンタクトホール充填材の接着特性は、コンタクトホール内において自ずと中間層によって、大幅に改善され得る。ここで、中間層は主成分としてチタンを含む、すなわち中間層は、例えばチタンからなり、あるいは中間層内において、少なくとも８０％の原子は、チタン原子である。

他のさらなる形態では、まず、スパッタターゲット表面が窒素雰囲気下において窒化される。続いて、基底層の生成の際に、スパッタターゲット表面は削り取られる。次に、中間層は、実質的に窒化物フリーのスパッタターゲット表面から削り取られる。その際、不活性ガスはそのまま留まる。このとき、他の雰囲気への変更によって、被覆層を生成するための条件が設定される。この措置は、簡易であり、しかしながら、コンタクトホールを充填するための積層を生成する際のプロセス条件の設定のための効果的な方法を形成する。特に、全方法がプロセスチャンバの変更なしに実行され得る。

次のさらなる形態では、コンタクトホールは、誘電性のキャリア材内において、導電性の接続部にまで達して形成される。ここで、接続部は、主成分としてアルミニウム、アルミニウム合金、あるいは他の材料、例えば銅または銅合金を含む。また、特に、いかなるガス状の窒素もコンタクトホール底部に達しないため、そのように深く達したコンタクトホールは本発明の方法によって好適に充填され得る。そのため、例えば、上記したような障害となる窒化アルミニウムの形成は、他の措置によって、すなわち、特に不活性ガス雰囲気下の基底層の生成によって回避される。

次のさらなる形態では、半導体盤プロセスにおいて、複数のコンタクトホールが同時にエッチング形成される。半導体盤は、またウエーハと呼ばれ、例えば１５０ｍｍから３００ｍｍまでの直径を有する。これらの大きさに起因して、エッチング条件は、半導体盤の全ての場所で同一ではない。例えば、半導体盤の端部においては、その中央部に比べて早くエッチングされる。また、コンタクトホール外部における誘電体層の厚さは、半導体盤の場所によって異なる。本発明による方法によって、さらなる形態では、誘電体層と金属層の間に位置する補助層をエッチストッパのための所定点として設定することは可能である。しかしながら、それにもかかわらず、特に半導体盤の一部において、補助層の貫通エッチングが許可され得る。全てのコンタクトホールは、エッチング条件および厚さ条件の相異にもかかわらず、好ましい電気特性を有する。特に、誘電体層と補助層との間のエッチング選択性が小さい場合、上記措置によって、エッチングの際に大きなエッチング窓が作成され得る。また、補助層の厚さも減少され得る。

補助層は、例えばエレクトロマイグレーションを回避させ得たり、あるいは減少させ得たりする特性を有する。たとえ補助層がエッチングにより貫通しても、障害とはならない。なぜなら、後に、エレクトロマイグレーションの回避に関して補助層と同様な特性を有するライナ層が提供されるからである。同様な特性は、例えば、補助層およびライナ層において同一の材料と層構成を使用することによって生じる。

他のさらなる形態では、コンタクトホール内への被覆層の堆積の後に、主成分としてタングステンを含むコンタクトホール充填材が堆積される。またこのとき、中間層がチタンからなる場合、タングステンの提供の際に障害となる四フッ化チタンの形成は、回避されるか、あるいは大幅に削減され得る。なぜなら、基底層と被覆層との間に中間層が埋め込まれるためであり、またその上、単に薄く、例えば１０ｎｍより薄く形成され得るからである。

次のさらなる形態では、被覆層の厚さはほぼ２０ｎｍより薄い。このように薄い厚さは、また、タングステンによるコンタクトホールの充填の際に、障害とはならない。四フッ化チタンの形成、およびそれに起因する積層のコンタクトホールからの離脱は、もはや危惧されない。そのため、さらに、離脱回避のために増加された層厚、特に被覆層の層厚は、例えば前記した厚さまで、再度減少され得る
さらなる形態では、コンタクトホールは、１μｍより小さい直径を有する。コンタクトホールの深さは、５００ｎｍより大きい。深さは、好ましくは、１μｍより大きい深さを有する。直径が５００ｎｍで深さが１μｍの場合、アスペクト比は２である。しかしながら、さらに、アスペクト比がほぼ３までの場合にも、本発明による方法は、確実に実施し得る。なぜなら、特に指向性スパッタリングの場合、コンタクトホールの内外の層の厚さの相違は、許容限度内にあるからである。

次のさらなる形態では、基底層および/または被覆層の材料として、窒化チタンあるいは窒化タンタルのうちの１つあるいは複数の材料が使用される。中間層の材料として、この場合はチタンあるいはタンタルが適している。

本発明は、さらに、特に、基底層および被覆層を含む埋め込みコンタクトホールを有する集積回路構造に関する。該回路構造は、本発明の方法を用いたさらなる形態によって、あるいは本発明の方法のさらなる形態によって製造される。そのため、上記効果は、回路構造およびそのさらなる形態によっても得られる。

以下に、本発明は、添付の図面を参照して説明される。

図１は製造段階の集積回路構造１０を示す。集積回路構造１０の図示されない半導体基板内に、既に、例えばＣＭＯＳ技術、ＢＩＣＭＯＳ技術、あるいは電力回路素子（パワーデバイス）用の技術に従って、トランジスタのような複数の電気素子が形成されている。その後、続いて金属層１２まで形成されている。

金属層１２は、例えば０．５％の銅を含むアルミニウム−銅−合金からなる接続部１４を含む。金属層１２上に、例えば窒化チタンからなる、あるいは少なくとも窒化チタン層を含む反射防止層１６がスパッタリング形成される。反射防止層１６は、フォトリソグラフィ工程における金属層１２のパターニングのために使用される。フォトリソグラフィ工程において、接続部１４もまたパターニングされる。

反射防止層１６の堆積の後に、誘電体層１８が例えば６００ｎｍの厚さで、例えばＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて堆積される。誘電体層は、例えば酸化シリコンからなり、金属層１２と該誘電体層内にさらに配置される金属との間を電気的に絶縁する。

図２は、誘電体層１８および反射防止層１６を介し接続部１４内まで達するコンタクトホール２０のエッチング後の回路構造１０を示す。下部表面２２とコンタクトホール２０の底部２４との間には、例えば１０ｎｍの間隔Ａ１が存在する。コンタクトホールの直径は、例えば０．５μｍである。

コンタクトホール２０をエッチングすためのエッチング工程は、回路構造１０のコンタクトホールの大部分において、コンタクトホール底部２６が反射防止層１６の中間部に位置するように、行われる。コンタクトホール底部２６と反射防止層１６の下部表面２２との間には、数ナノメートルの間隔Ａ２が存在する。コンタクトホール底部２８が反射防止層１６の上方に位置するコンタクトホールは、本工程実施の場合には、存在しない。コンタクトホール底部２８と下部表面２２との間には、そのとき、間隔Ａ２より大きく、かつ反射防止層１６の厚さより大きい間隔Ａ３が存在することとなる。コンタクトホール２０は、図３および図４に拡大表示される中央領域３０を有する。

コンタクトホール２０のエッチングの後に、接着助長層３２が堆積され、その構造は図４を参照して詳細に説明される。

図３は、コンタクトホール２０内に接着助長層として堆積し得る窒化チタン層４０を示す。これが反応性窒素雰囲気内で行われる場合には、窒化チタン層４０と接続部１４との間に、接続抵抗を大幅に増加させる窒化アルミニウム層４２が生成されることとなろう。

図４は、それに対して、コンタクトホール２０内に実際に堆積された接着助長層３２の構造を示す。接着助長層３２は、窒化チタンからなる基底層５０、中間層５２、および窒化チタンからなる被覆層５４を含む。基底層５０、中間層５２、および被覆層５４は、上記した順序で、図６を参照して以下で詳細に説明される方法によってスパッタリング形成される。

中間層５２の下部領域Ｂ１およびＢ２は、窒化チタンとチタンによる混合物からなる。ここで、領域Ｂ１およびＢ２のチタンの割合は、基底層５０を始点として増加し、領域Ｂ２に接続する領域Ｂ３では１００％に達する。同様にして、チタンの割合は１００％から０％に減少する。領域Ｂ１の中間部あるいは領域Ｂ２の中間部でのチタンの割合は、例えば６０％あるいは９０％である。また、領域Ｂ３の上に位置する領域Ｂ４内でのチタンの割合は、１００％である。領域Ｂ１からＢ２までは、同一の厚さＤ１、例えば０．５ｎｍの厚さを有する。そのため、中間層５２の全体の厚さＤ２は２ｎｍとなる。基底層５０の厚さＤ３は、実施例では３ｎｍである。被覆層５４の厚さＤ４は１０ｎｍである。厚さＤ１から厚さＤ４は、積層方向Ｒにおける層の広がりに関連する。その積層方向Ｒに、層５０から層５４は互いに積層され、該積層方向Ｒは半導体基板の表面に対して垂直である。

図５は、接着助長層３２の生成のために使用されるスパッタチャンバ１００を示す。真空チャンバ１０２はガス導入口１０４およびガス排出口１０６を有する。真空チャンバ１０２は、さらに、陰極１０７として機能するチタンからなるスパッタターゲット１０８および陽極１０９として機能するウエーハボルダ１１０を含む。ウエーハボルダ１１０は、例えば８インチ（１インチ＝２５．４ｍｍ）のウエーハを保持する。スパッタターゲット１０８は、例えばウエーハと同一の直径を有する。

スパッタチャンバ１００は指向性スパッタリングに適する。なぜなら、スパッタターゲット１０８とウエーハ１１２との間の距離Ａが、無指向性スパッタリング用のスパッタチャンバと比べて、かなり、例えば４から５倍に増大されているからである。そのため、距離Ａは、本実施例において、約２５ｃｍである。ウエーハ１１２の中心点Ｐとスパッタターゲット１０８とを結ぶ線と、ウエーハ１１２の主表面への基準線Ｎとの間には、指向性スパッタリングの場合、４５°より小さく、特に、３０°より小さい角度Ｗが存在する。

しかしながら、指向性スパッタリングは、大きな距離Ａに替わる他の措置、例えば、スパッタチャンバ１００内の圧力の減少、例えば１から２ミリトールへの減少によって、あるいはスパッタリングの際の適正なバイアス電圧によっても達成され得るし、あるいは強化され得る。また他の方法によっても指向性スパッタリングが達成される。例えば：
−Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ社のＩＭＰ（Ｉｏｎｉｚｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｐｌａｓｍａ）法の使用、
−Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ社のＳＩＰ（Ｓｅｌｆ Ｉｏｎｉｚｅｄ Ｐｌａｓｍａ）法の使用、
−Ｔｒｉｋｏｎ社のＡｄｖａｎｃｅｄ−Ｈｉｇｈ−Ｆｉｌｌ法の使用、
−Ｔｒｉｋｏｎ社のＵｌｔｒａ−Ｈｉｇｈ−Ｆｉｌｌ法の使用、あるいは、
−コリメータを用いた従来のスパッタリング法。

そのため、指向性スパッタリングは、４５°より小さい角度Ｗ、あるいは３０°より小さい角度Ｗによって、あるいはコンタクトホール２０の内外における層厚の比率に関して小さい角度Ｗと同様な効果を導く他の措置によって、無指向性スパッタリングと区別され得る。

図６は、接着助長層３２を生成する場合に実行される方法工程を示す。方法は方法工程１５０からは始まる。方法工程１５２において、スパッタターゲット１０８が、複数のスパッタプロセスにおいて使用されるために、スパッタチャンバ１００内に配置される。スパッタターゲット１０８は、純チタンからなるチタン層１５３を含む。

次の方法工程１５４においては、窒素ガスがスパッタチャンバ１００内に導入される。そのため、チタン層１５３の表面において、薄い窒化チタン層１５７が生じる。

窒化の後に、方法工程１５８において、窒素供給は中断され、スパッタチャンバ１００内に含まれる窒素は吸い出される。次の方法工程１６０において、スパッタチャンバ内においてウエーハ１１２がウエーハホルダ１１０上に固定される。

方法工程１６２においては、不活性ガス、例えばアルゴンがスパッタチャンバ１００内に導入される。形成されたアルゴン雰囲気下において、方法工程１６４ではスパッタリングが開始される。ここで基底層５０がウエーハ１１２上に堆積される。窒化チタン層１５７の最後の部分、続いてチタン層１５３の部分がスパッタリングされ、それによって、同様にアルゴン雰囲気下において、中間層５２が形成される。

中間層５２の堆積の後に、方法工程１６６において、窒素がスパッタチャンバ１００内に、不活性ガスに追加されて、あるいは不活性ガスの場所に導入される。この際、複製可能な層を生成するためにスパッタリングは中断され得る。方法工程１６８においては、スパッタリングは、新たなプラズマの発生により継続され、その際、被覆層５４が形成される。被覆層５４が所定の厚さに達し、かつ、それによって接着助長層３２も所定の厚さに達したとき、方法工程１７０において、本方法は終了する。

スパッタターゲット１０８の交換がなく、説明された方法は、複数回、継続して実行される。

接着助長層３２によって被覆されたコンタクトホール内に、後に、他のチャンバ内においてタングステンが提供される。その後、集積回路構造のさらなる金属層が生成される。

集積回路構造の誘電体層を示す。 誘電体層内にエッチング形成されたコンタクトホールを示す。 変形例によるコンタクトホール内に配置された接着助長層を示す。 コンタクトホール内に形成された接着助長層の一部を示す。 接着助長層の生成のために使用されるスパッタチャンバを示す。 接着助長層を生成する際に実行される方法工程を示す。

Claims (17)

1. コンタクトホール（２０）を充填する方法であって、
   不活性ガスのもとで、少なくとも１つのコンタクトホール（２０）内に、窒化チタンを含む基底層（５０）が堆積され、
   該基底層（５０）の堆積の後に、ガス状の窒素のもとで、該コンタクトホール（２０）内に、窒化チタンを含む被覆層（５４）が堆積され、
   不活性ガスのもとで、該基底層が堆積されたという事実のために、該コンタクトホールの底部の金属上には、いかなる窒化化合物も形成されず、
   該被覆層（５４）の堆積の後に、該コンタクトホール（２０）内に、タングステンのコンタクトホール充填材が堆積され、
   該コンタクトホールの底部（２４）では、該被覆層（５４）の厚さ（Ｄ４）が、２０ｎｍより小さいことを特徴とする、方法。
2. 前記基底層（５０）および/または前記被覆層（５４）は、指向性スパッタリングによって堆積されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記基底層（５０）の堆積の後であって、かつ、前記被覆層（５４）の堆積の前に、前記コンタクトホール（２０）内に、好ましくは指向性スパッタリングによって、中間層（Ｂ３，Ｂ４）が堆積され、該中間層の原子の少なくとも８０％がチタン原子であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 不活性ガスのもとで前記中間層（５２）の少なくとも１つの領域（Ｂ３，Ｂ４）は、スパッタリングターゲット（１０８）の窒化物フリーの表面から堆積されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記基底層（５０）のスパッタリングのためのスパッタリングターゲットの表面（１５７）は、前記基底層（５０）の堆積の前に、窒素のもとで、窒化されることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記基底層（５０）と前記被覆層（５４）とは、同一のスパッタリングターゲット（１０８）を用いて生成されることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記コンタクトホール（２０）は、導電性接続部（１４）にまで達するように誘電体層（１８）に導入されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 複数のコンタクトホール（２０）が前記誘電体層（１８）に同時にエッチング形成され、
   前記誘電体層（１８）と前記接続部（１４）との間に、好ましくは反射防止層である導電性補助層（１６）が配置され、
   該補助層（１６）は、エッチングの際にストップ層として使用され、前記誘電体層が薄い場所では、該補助層（１６）の突き抜けが生じることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記コンタクトホールの底部（２４）では、前記基底層（５０）の厚さ（Ｄ３）および前記中間層（５２）の厚さ（Ｄ２）の合計が、５ｎｍより小さいことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
10. 前記コンタクトホール（２０）の直径は、１μｍより小さく、および/または、該コンタクトホール（２０）の深さは、５００ｎｍより大きいことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 少なくとも１つのコンタクトホール（２０）を有する集積回路構造（１０）であって、
    該少なくとも１つのコンタクトホール（２０）内に、窒化チタンの基底層（５０）および被覆層（５４）が配置されており、
    該基底層（５０）は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金の接続部（１４）に隣接し、該接続部（１４）と該基底層（５０）との間にはいかなる窒化アルミニウムも配置されず、
    該コンタクトホール（２０）は、タングステンの充填材を含み、
    該コンタクトホールの底部（２４）では、該被覆層（５４）の厚さ（Ｄ４）が、２０ｎｍより小さいことを特徴とする、集積回路構造。
12. 前記基底層（５０）と前記被覆層（５４）との間に配置された中間層（５２）において、該中間層の原子の少なくとも８０％がチタン原子であることを特徴とする、請求項１１に記載の回路構造。
13. 前記コンタクトホールの底部（２４）では、前記基底層（５０）の厚さ（Ｄ３）および前記中間層（５２）の厚さ（Ｄ２）の合計が、５ｎｍより小さいことを特徴とする、請求項１２に記載の回路構造。
14. 前記基底層（５０）と前記被覆層（５４）と前記中間層（５２）とは、同一のスパッタリングターゲット（１０８）を用いて生成されることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記接続部（１４）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を主成分として含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
16. 前記コンタクトホール（２０）の直径は、０．５μｍであることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
17. 前記コンタクトホール（２０）の深さは、１μｍより大きいことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。

Images