Application of aluminum reflow technology for ULSI metallization

Abstract

The new Aluminum Reflow (Al-RFL) technique has been applied to the metallization of the half micron ruled ULSI (Ultra Large Scale Integration) devices. The cause was studied for an obstruction of a hole filling at a high enough temperature for aluminum flow, and it was made clear that residual gasses in the sputtering apparatus oxidized the surface of aluminum film before the Al-RFL process, and consequently the oxidized surface prevented migration of aluminum atoms into a small size hole. Therefore, it was necessary, to improve the capability of hole filling in the Al-RFL technique, to keep the pressure less than 2 x 10(exp -8) Torr throughout the entire process. In this pressure condition, the migration of aluminum into the hole was observed in spite of poor aluminum coverage in a 0.5 micrometer diameter hole before the Al-RFL process. The optimized conditions for the Al-RFL technique were determined to be a reflow temperature of 470 C for a period of 120 sec with enough margin for complete hole filling of 0.5 micrometer diameter. The excellent metal planarization and voidless hole filling were realized on the double-level metallizations of the half micron ruled ULSI devices. This study also demonstrated that the application with the tungsten plug technique was very effective in combination with the Al-RFL technique, to achieve the excellent metal planarization and complete filling of straight holes on sub-half micron ruled ULSI devices and next generations.

新しいアルミニウムリフロー(Al-RFL)技術を、半ミクロン則のULSI(超大規模集積回路)デバイスのメタル化に応用した。Al流動に対して十分高温での穴充填を妨げる原因を調べることにより、スパッタリング装置内の残留ガスがAl-RFL処理の前にアルミニウム膜の表面を酸化すること、またそれによって酸化表面がアルミニウム原子の小径穴に移動するのを妨げることを明らかにした。そのため、Al-RFL技術における穴充填性を改良するためには、全処理を通して2×10{-8}Torr以下の圧力を維持することが必要である。この圧力条件のもとで、アルミニウム原子の穴への移動が、Al-RFL処理の前の直径0.5マイクロメートルの中の薄いアルミニウム被覆にもかかわらず観測できた。Al-RFL技術によって、0.5マイクロメートルの穴を完全に充填するための最適条件は、470度Cのリフロー温度で120秒間であることを確定した。優れたメタル平滑化と空隙のない穴充填を、半ミクロン則ULSIデバイス2層メタル化について実現した。この研究ではまた、タングステンプラグ技術とAl-RFL技術を合わせて用いると、サブ半ミクロン則ULSIと次世代デバイスに対し、優れたメタル平滑化と直線穴の完全充填を達成するためにたいへん有効であることを証明した。