JPH0697302A - 集積回路の金属相互接続層におけるボイドのない酸化物金属スペース充填のための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アスペクト比≦１．８８のスペースをボイド
なしで満たす相互接続スペース充填の改良された工程を
提供する。 【構成】 このプロセスは、先行技術のプロセスに１つ
のステップを加え、スペースのアスペクト比が以前のプ
ロセスのための特定のアスペクト比の範囲内に収まるよ
う変化させて上述の目的を達成する。加えられたステッ
プは、金属被膜の上を覆う薄いＣＶＤ ＰＥＴＥＯＳ層
（３０）を塗布した後、高粘性の単一のスピンのＳＯＧ
（３１）を塗布するというものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】この発明は、多層の金属相互接続を有す
る集積回路上に、ボイドのないマルチレベルの誘電体層
を作る方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】集積回路の部品間の接続の大多数は、金
属相互接続と呼ばれる抵抗の少ない金属ストリップによ
って作られる。現在、３つのレベルが必要とされる。一
般的に、集積回路の能動半導体部分は絶縁誘電体層で被
覆され、金属相互接続は、写真製版技術を用いてこれら
の絶縁体層の上部に並列のストリップとして置かれる。
最近まで、大多数の集積回路は２つのレベルの相互接続
を使用していた。各レベルは、誘電体の表面に形成され
る、複数の別個の金属ストリップ相互接続からなる。各
相互接続レベルはリソグラフ的にパターニングされ、金
属被膜され、誘電体で被覆され、かつ平坦化されなけれ
ばならない。

【０００３】レベル間の誘電体層を形成するには、多く
の工程がある。一般的に、相互接続誘電体の充填ステッ
プと平坦化ステップとは、別々のステップである。相互
接続誘電体スペースが酸化物で満たされた後は、その表
面は平坦でなく、滑らかにすることが必要である。ＣＶ
Ｄエッチバックと呼ばれる、通常の平坦化技術の１つ
は、酸化物の表面を滑らかにするために、酸化物の化学
気相蒸着（ＣＶＤ）とともにスピン−オン−グラス（Ｓ
ＯＧ）（またはレジスト）を使用する。ＳＯＧは容易か
つ短時間に塗布して硬化させることができる。ＳＯＧを
単独で平坦化層として塗布することも報告されている。
しかしながら、ＳＯＧは単独で相互接続スペースを満た
す誘電体として用いられた場合、よい結果を生まない。
単にＳＯＧを充填することは、アスペクト比が低いとき
すなわち１より少ないときの収縮による、硬化中のクラ
ッキングを含む様々な理由から、適切ではない。

【０００４】米国特許第５，１１９，１６４号で説明さ
れる技術の１つは、ＳＯＧを相互接続の充填に用い、か
つクラッキングの問題を克服するが、仕上がった回路上
にＳＯＧが残ることを許容してしまう。ＳＯＧが永続的
に集積回路上に残ることが許容された場合、ＳＯＧはト
ランジスタのしきい値レベルにおける変動と劣化とをも
たらすという報告がなされている。

【０００５】ＣＶＤ／ＳＯＧエッチバックによる中間層
の平坦化工程では、コンフォーマルな厚いＣＶＤ層がＳ
ＯＧで覆われ、その後表面は平らになるまで、エッチバ
ックされる。これらの工程では、ＳＯＧはしばしば回路
上のまさしく最も低い領域内の、場所に残ることが許容
される。通常、ＳＯＧを含む表面はその後、滑らかな表
面を形成するために、厚いＣＶＤ酸化物を被せられる。

【０００６】米国特許第５，１１９，１６４号の図４で
表わされるように、ＳＯＧを用いると、ＳＯＧプラグと
金属相互接続ストリップとの間の狭いスペースはスピン
の間に一杯にならず、この特許に示されるように、ボイ
ドスペースを残す。場合によっては、ボイドは非常に高
い誘電率を有するので有益であり得る。しかしながら、
一般的には、特に工程の中で後に続く何らかのエッチン
グのステップがある場合、ボイドは望ましくない。

【０００７】この特許の図１を参照して、ＣＶＤ酸化物
を用いた相互接続スペース充填の工程では、「キーホー
ル」と呼ばれるボイドエリアが、金属ストリップ２およ
び２′の間の領域の酸化物１０の中に生じることが知ら
れている。このボイド状況は図２で表わされるように、
ギャップ６の側壁を傾斜させることによって克服され得
ることも知られている。これは、酸化物のいわゆる「エ
ッチバック」を使用するＲＩＥエッチングによって達成
され、その結果は図２に示されている。エッチバック
は、金属ストリップ相互接続２および２′の側壁に沿っ
て酸化物フィレット５および５′を作り出す。傾斜を確
実に可能な限り大きくするため、酸化物は金属２の頂部
に至るようずっと下まで取除かれる。しばしば、これは
下にある誘電体の表面３内とその下へ垂直にエッチング
してしまい、小さいトレンチスペース６を形成する結果
になる。このトレンチは、相互接続間の距離がしばしば
エッチングで除去されるべき酸化物層の厚さよりも短い
ために生じる。エッチバックの後、ＣＶＤ酸化物は再び
図２の金属相互接続の上に堆積させられ、フィレット５
および５′に起因する傾斜した形のため、相互接続間の
スペースは図１に示されるようなボイドを形成すること
なく、酸化物で完全に満たされる。表面はまだ滑らかで
はなく、平坦化のステップが必要であることに、注意さ
れたい。

【０００８】この、レベル間の誘電体を形成するため
の、図１のボイドのない誘電体エッチバックの先行技術
のテクニックは、相互接続が０．６ミクロン未満の高さ
で、その間のスペースが０．５ミクロンより広い幅のと
ころでは、レベル１の相互接続間のスペースをキーホー
ルなしで満たすことにしか成功していなかった。レベル
１は、能動回路に最も近い金属である。入手可能なエッ
チング装置では、金属層２および３は高さ１．０ミクロ
ンまでのスペースと、０．８ミクロンより広い幅とに対
してしか、うまく、すなわちボイドなしでは充填され得
ない。幅０．８ミクロン未満のスペースに対しては、層
２および／または３では、エッチバックフィレットの手
順を用いた場合おそらく酸化物のキーホールボイドが形
成されるであろう。

【０００９】装置の密度と回路基板上の相互接続とが増
すにつれ、幅０．８ミクロン未満の相互接続スペースの
ためのボイドのないレベル２／３の誘電体を提供するプ
ロセスの必要性が生じている。

【００１０】

【発明の概要】この発明の目的は、集積回路の第２のお
よび第３の誘電体層中の金属相互接続間の幅０．８ミク
ロン未満のスペース内に、そのような層の中にキーホー
ルボイドを作り出すことなく、レベル間誘電体を作り出
すことが可能なプロセスを提供することである。

【００１１】この発明のさらに他の目的は、ＳＯＧを用
いるが、中間の処理工程の間に置かれたＳＯＧをすべて
取除いてしまうようなレベル間誘電体を提供することで
ある。

【００１２】この発明のさらに他の目的は、これまで用
いられてきたような、よく知られた工程と材料とだけを
用いる、プロセスを提供することである。

【００１３】この発明に従って、０．８ミクロンより小
さいスペースに対する、金属相互接続層２および３のた
めの中間層誘電体の中の、ボイド形成の問題を克服する
プロセスが提供される。ＣＶＤで堆積された酸化物は、
被覆される表面に対する非常に高いレベルの順応性（co
nformity）を有しているが、完璧にコンフォーマルなわ
けではなく、相互接続金属ストリップ間のスペースのア
スペクト比がより大きく、かつより要求の厳しいものに
なるにつれ、この問題はより深刻になってきている。発
明者らは、より密集した新しい集積回路中のスペースの
アスペクト比がボイドのないレベル間誘電体酸化物のた
めのＲＩＥエッチバック工程のための仕様の限度を越え
ても、プロセスの仕様の範囲内にアスペクト比を保持す
るために中間のステップによってプロセスが修正可能で
あろうことを認識したのは、発明者らが最初であると信
じる。

【００１４】この発明の過程で、発明者らはボイドのな
い誘電体の充填のための、図１の先行技術におけるエッ
チバック工程に、１つのステップを加える。このステッ
プで発明者らは相互接続金属間のスペースのアスペクト
比を、先行技術におけるのと同じアスペクト比の範囲ま
で減少させることを可能にする。そうすることによっ
て、発明者らは先行技術処理の範囲を、それが続けて使
用され得るように、拡張する。特に、コンフォーマルな
ＰＥＴＥＯＳ誘電体の第１の薄い層が金属の上から塗布
された後で、アライド（Ａｌｌｉｅｄ）１１１のような
低粘性ＳＯＧの単一のスピンを塗布すれば、ＳＯＧはキ
ャピラリアクションによって相互接続間の狭いスペース
を満たすことを発明者らは発見している。ＳＯＧは、Ｐ
ＥＴＥＯＳよりわずかに速くエッチングされる。ゆえ
に、発明者らが金属の上のほとんどすべてのＰＥＴＥＯ
Ｓが取除かれるまで、ＲＩＥでエッチバックすれば、Ｓ
ＯＧもまた取除かれ、図３（Ｂ）で表わされるように金
属の側壁に酸化物フィレットが形成され、スペースのア
スペクト比はほぼ先行技術と同じになる。ＰＥＴＥＯＳ
の第２の厚い、上に被せられる層がここでボイドなしに
相互接続スペースを満たすだろう、なぜならこのとき傾
斜した側面は既知の好結果を得られる先行技術処理のた
めのアスペクト比の範囲内にあるからである。発明者ら
の知るかぎりでは、今までアスペクト比の大きいスペー
スを満たすためにＳＯＧを使用した先行例はない。今ま
では、ＳＯＧは平坦化工程のステップでの滑らかにする
ことのために用いられてきた。これらの工程では、アス
ペクト比は低い。

【００１５】

【発明の詳しい説明】図３（Ａ）から３（Ｃ）を参照す
ると、この発明の工程におけるステップが説明されてい
る。相互接続金属ストリップ２および２′は、集積回路
上の相互接続金属断面図におけるレベル２および／また
はレベル３を例示するものである。スペースのアスペク
ト比、すなわち比率Ｈ／Ｗは、２と２′の間のスペース
で０．５５ミクロンという低さのＷに対し、１．８２ミ
クロンまで高くでき、かつ発明者らの技術によってうま
く満たされ得る。

【００１６】通常はＣＶＤ ＰＥＴＥＯＳ酸化物であ
る、コンフォーマルな誘電体の薄い層３０は、金属２お
よび２′の上に塗布される。テトラエチルオルトシリケ
イトが、ノベルス（Ｎｏｖｅｌｌｕｓ）ＰＥＴＥＯＳシ
ステムによって可能にされるようなプラズマ化学気相蒸
着を使って、≒４００℃で堆積される。この層はスペー
ス３３の平らな底がはっきりと規定され、かつスペース
内の側壁の酸化物がスペースを乗り越えることのないよ
う十分に薄く塗布される。次に、低粘性の単一のスピ
ン、すなわちスピン−オン−グラス（ＳＯＧ）がウェー
ハに塗布され、ＳＯＧが薄い層３１で表面３０を覆う。
発明者らは、アライド１１１を使用した。ＳＯＧのプラ
グ３２は、狭いスペース３３の底に、キャピラリアクシ
ョンによって集まる。ＳＯＧは、製造者によって特定さ
れる、既知の手順と温度とを用いて、硬化させられる。
発明者らは１分間の時間をかけいくつかの温度を用い、
その最後の温度はおよそ２５０℃であった。ＲＩＥエッ
チング速度が著しく異なることはないので、ハードキュ
アは必要でない。

【００１７】従来のＣＦ₄ ／アルゴン化学種を用いるア
プライドマテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ）Ｐ５０００酸化物エッチング装置を使用した、
磁性励起の反応性イオンエッチング（ＭＥＲＩＥ）のよ
うな、プラズマドライエッチングが、好ましい。エッチ
ング処理は、ＰＥＴＥＯＳの薄い層３０′が残ると、止
められる。エッチングの時間によって決定されるが、Ｐ
ＥＴＥＯＳのおよそ９０％が取除かれる。発明者らはエ
ッチングの時間を計り、金属が露出する前に止める。こ
れは、ＳＯＧエッチング速度がＰＥＴＥＯＳエッチング
速度よりわずかに大きいか、同じである場合に達成可能
である。アライド１１１ＳＯＧのような、他の低粘性の
犠牲的な処方も適切であろう。他の材料でＣＶＤ酸化物
エッチング速度と近いエッチング速度を有し、狭いスペ
ースに流れ込んで、汚染物質を導入することなくそこで
硬化できるものも、この工程には適切であろう。図３
（Ｂ）を参照すると見て取れるように、フィレット３４
および３５は、先行技術と同様に形成されている。しか
しながら、図３（Ａ）のスペースＷは、図２（Ａ）でそ
れに相当するスペースよりずっと小さいにもかかわら
ず、図３（Ｃ）の２と２′との間のスペースの大体の形
は、ＳＯＧプラグ３２がスペースの中央領域でエッチン
グ速度を緩めたために、ほぼ同じアスペクト比を有して
いる。図３（Ｃ）で示されるように、最後の厚いＰＥＴ
ＥＯＳ酸化物層が、スペースをすべて満たして、ボイド
なしで金属の上に堆積させられる。発明者らによる実験
は、この工程が確かに相互接続スペースの幅０．５５ミ
クロンに対して金属の高さ１．０ミクロンまたは１．８
１８またはそれ未満のアスペクト比まで、プロセスを拡
張することを、示した。また、図３（Ｃ）との関連で、
この工程が完了した後まだ平坦化の工程の適用が必要と
されることに、注意されたい。

【００１８】既述の工程が、第２の層の誘電体に対して
行なわれる場合、図３（Ａ）から３（Ｃ）の層３は、誘
電体を含む第１の金属相互接続層を表わす。工程が第３
のまたは第４の層について説明する場合、これらの図に
ある層３は単に、その次に下のレベルを表わす。

【００１９】この発明は、図中の特定の実施例と関連し
て説明されてきた。この発明をどのような特定の実施例
に限定することも、発明者らの意図するところではな
く、この発明の範囲は発明者らによる特許請求の範囲に
よって、決定されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】先行技術における誘電体レベル間のキーホール
欠陥を示す、集積回路の例となる断面図である。

【図２】先行技術を示す図であり、（Ａ）は先行技術に
おける酸化物エッチバックで側壁にフィレットが形成す
るアプローチの成功した例となる断面図であり、（Ｂ）
は、側壁のフィレットにＣＶＤ堆積が行なわれた後の、
先行技術における図２（Ａ）のエッチバック工程の例で
ある。

【図３】本発明を示す図であり、（Ａ）は発明のプロセ
スにおける第１の部分の例となる断面図であり、（Ｂ）
は発明のプロセスにおける第２の部分としての、エッチ
バック後の図３（Ａ）の実施例の断面図であり、（Ｃ）
は第２のＰＥＴＥＯＳ層が図３（Ｂ）の中間状態の上か
ら塗布された後の、発明のプロセスの断面図である。

【符号の説明】

２ 相互接続金属ストリップ ２′ 相互接続金属ストリップ ３０ 誘電体層 ３０′ 誘電体層 ３１ ＳＯＧ層 ３２ ＳＯＧプラグ ３３ スペース ３４ フィレット ３５ フィレット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・シィ・アバンツィーノ アメリカ合衆国、95014 カリフォルニア 州、クパーティノ、バーンハート・プレイ ス、7504

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集積回路の金属相互接続層における、ボ
   イドのない酸化物金属スペース充填のための改良された
   方法であって、 （ａ） 前記集積回路上の前記金属相互接続層の上に第
   １のプラズマ酸化物層を堆積させるステップを含み、前
   記相互接続層は金属ストリップ間にスペースを有し、前
   記第１の酸化物層は、第１の塗布ステップの間に塗布さ
   れる前記相互接続金属の対向する側壁に堆積させられた
   酸化物が接続されないよう十分に薄く、さらに （ｂ） 前記第１の薄い酸化物層の上に低粘性で硬化可
   能な犠牲的材料の層を塗布するステップを含み、前記材
   料は前記金属相互接続間の前記スペース内に部分的なプ
   ラグを形成し、さらに （ｃ） 前記酸化物層と前記材料のプラグとをドライエ
   ッチングするステップと、 （ｄ） 前記ドライエッチングされた集積回路の上に第
   ２のプラズマ酸化物層を堆積させるステップとを含む、
   方法。
2. 【請求項２】 前記材料はＳＯＧであり、すべてのＳＯ
   Ｇはステップ（ｃ）の間に取除かれる、請求項１に記載
   の方法。
3. 【請求項３】 前記材料のプラグは主としてキャピラリ
   アクションによって生じる、請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 金属相互接続は１．０ミクロン未満の高
   さと、０．５５ミクロンより広い相互接続スペースの幅
   を有する、請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 相互接続金属被膜間の集積回路スペース
   を満たすために、中間層誘電体酸化物を堆積させる改良
   された方法であって、前記スペースは０．５５ミクロン
   より大きく、高さは１．０ミクロンのオーダーであり、 （ａ） パターニングされた相互接続金属層の上に酸化
   物の薄い層を堆積させるステップを含み、前記酸化物層
   の厚さは前記相互接続金属ストリップの高さのオーダー
   であり、さらに （ｂ） 前記酸化物のエッチング速度に近いエッチング
   速度を有する硬化可能な材料の薄い高粘性の層を塗布す
   るステップを含み、前記高粘性の材料は相互接続金属間
   のスペースを満たし、さらに （ｃ） 前記高粘性の材料の薄い層を硬化させるステッ
   プと、 （ｄ） 堆積された薄い酸化物と、前記硬化させられた
   材料との双方を、硬化させられた材料が取除かれるまで
   バックエッチングするステップと、 （ｅ） 前記エッチングされた集積回路上の前記酸化物
   の第２のコーティングを堆積させるステップとを含み、
   前記第２のコーティングは厚い酸化物であり、さらに （ｆ） 前記第２の厚い酸化物コーティングを平坦化す
   るステップと、 （ｇ） 前記集積回路にレジストを塗布するステップ
   と、 （ｈ） 前記第３の層の金属被膜のために前記レジスト
   をパターニングするステップと、 （ｉ） 前記第３の層の金属被膜を堆積するステップ
   と、 （ｊ） 前記第３の層に対してステップ（ａ）から
   （ｅ）を繰返すステップとを含む、方法。
6. 【請求項６】 ステップ（ｂ）で塗布された硬化可能な
   材料はＳＯＧである、請求項５に記載の方法。