JP2000174027A - 電子構造内に銅の導電体を形成する方法 - Google Patents

電子構造内に銅の導電体を形成する方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 銅の導電体の耐エレクトロマイグレーション
特性を改善する。 【解決手段】 収容箇所内に銅組成を付着してから銅の
導電体内に耐エレクトロマイグレーション特性を改善す
る不純物を添加する。不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及び
Ｎであり、濃度レベルは、約０．０１重量ｐｐｍ乃至約
１０００重量ｐｐｍである。不純物は、銅シード層を収
容箇所内に付着してイオン注入してから銅を電気メッキ
すること、銅シード層の付着後に、不純物を含む銅組成
を電着し不純物を銅シード層内に拡散すること、又はバ
リア層の付着後にドーパント・イオンを注入し、次いで
銅シード層を付着することにより行われる。拡散のため
にアニールする。銅導電体の平坦化後に、これの表面層
に少なくとも１つの元素がイオン注入される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子構造即ち電子
装置内に銅の導電体を形成する方法に関する。更に具体
的にいうならば、本発明は、上記方法により形成された
導電体及び電子構造にドーパント・イオンを導入するこ
とにより、耐エレクトロマイグレーション（electromig
ration resistance)特性が改善された銅の導電体を形成
する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップ構造、フラット・パネル・
ディスプレイ及び電子パッケージにバイア（貫通孔）、
配線及び他の凹部（リセス）を設けるために金属導電体
を形成するための技術が、過去１０年間の間に開発され
てきた。例えば、大規模集積回路（ＶＬＳＩ）構造のた
めの相互接続技術の開発過程において、単一基板上に配
置された半導体領域又は半導体デバイスのコンタクト及
び相互接続体のための主要金属としてアルミニウムが利
用されてきた。アルミニウムは、低価格であり、良好な
オーミック・コンタクトを与えそして高導電率を有する
ので、優れた材料である。しかしながら、純粋な銅の薄
膜導電体は、次のような望ましくない特性を有する。例
えば、融点が低いことであり、このことは、純粋な銅の
薄膜導電体の使用を低温プロセスに制限した。又、アニ
ーリングの間にシリコンへの銅の拡散が生じると、コン
タクト及び接合が正規の動作を行わなくなる。他の望ま
しくない特性は、エレクトロマイグレーションに耐える
能力が低いことである。従って、純粋なアルミニウムよ
りも優れた利点を与える多数のアルミニウム合金が開発
されてきた。例えば、米国特許第４、５６６，１７７号
は、耐エレクトロマイグレーション特性を改善するため
に、３重量％までのシリコン、銅、ニッケル、クロム及
びマンガンを含むアルミニウムの合金の導電層を示して
いる。米国特許第３，６３１，３０４号は、耐エレクト
ロマイグレーション特性を改善するために酸化アルミニ
ウムを含むアルミニウム合金を示している。
【０００３】近年開発されてきたＵＬＳＩ技術は、この
ようなデバイスにおける非常に高い回路密度及び高い動
作速度に基づいて、回路配線に対して更に厳格な要求を
課している。このことは、従来よりも小さくなった導電
体の配線（ライン）に従来よりも高い密度の電流が流れ
ることを意味する。この結果、アルミニウム合金の導電
体ついては断面積の大きな配線又は更に高いコンダクタ
ンスを有する異なる配線材料を必要とする高いコンダク
タンスの配線が望ましい。この分野での明らかな選択
は、所望の高導電率を有するという理由で純粋な銅を含
む導電体を開発するということである。
【０００４】例えば、バイア及びラインのようなＵＬＳ
Ｉの相互接続構造の形成において、同一基板上に形成さ
れている複数個の半導体領域又は半導体デバイスを相互
接続するためのリセス又は凹部内に銅が付着されうる。
しかしながら、銅は、デバイスの動作を低下させるミッ
ド・レベル・トラップであるので、銅は半導体デバイス
において問題を生じることが知られている。金属固体の
不規則な熱拡散に電界が重畳されると、電子の流れの方
向にイオンのドリフト（net drift) が生じてエレクト
ロマイグレーション現象が生じる。シリコン基板中に銅
のイオンが少しでも拡散すると、この基板内のデバイス
が正規の動作をしなくなる。更に、純粋な銅は、例えば
二酸化シリコン及びポリイミドのような、酸素を含む誘
電体に良好に接着しない。相互接続技術において銅を十
分に利用するには、銅の接着（adhesion)特性が改善さ
れねばならない。
【０００５】本出願人の米国特許第５，１３０，２７４
号は、相互接続構造の凹部に或る合金を最初に付着し、
次いで銅合金のプラグ（導電体）を形成することによ
り、２原子百分率よりも少ない合金成分を含む銅合金を
使用することを示している。しかしながら、この技術
は、０．５μｍよりも小さいクリチカルな寸法が、薄膜
チップ相互接続にかなりの負担を課するＵＬＳＩ構造に
おける更に厳格な要求を満足することができない。深い
サブミクロン（deep-submicron)のロジック回路配線構
造において標準的なＡｌ（Ｃｕ）合金及び二酸化シリコ
ンの誘電体を使用すると、主に配線接続に起因する大き
な回路遅延が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】チップの動作速度を増
大するために、Ａｌ（Ｃｕ）の代わりの材料としてＣｕ
をＵＬＳＩ配線構造に使用することが他者により試みら
れた。しかしながら、このＣｕの相互接続では、Ｃｕが
腐食したり、薄膜中のＣｕが速い拡散速度を示すなどの
数多くの問題が生じた。純粋なＣｕは、Ａｌ（Ｃｕ）に
おける０．８乃至０．９ｅＶよりも小さいエレクトロマ
イグレーション活性化（activation)エネルギー、即ち
０．５乃至０．８ｅＶを有することが知られている。こ
のことは、チップの動作時のエレクトロマイグレーショ
ンによる相互接続体の故障を減少するためにＣｕを使用
するという利点が、危うくなることを意味する。
【０００７】図１は、銅合金で形成された従来の相互接
続体を利用する電子構造の概略的な拡大断面図である。
電子構造１０は、銅の相互接続体の２つのレベル１２及
び１６と１つのスタッド（即ち、バイアを充填する導電
性相互接続体）レベル１４を含み、そしてこれらのレベ
ルは、予め形成されたデバイス２０の上に象眼（ダマシ
ーン）プロセスにより形成された銅の配線構造を示す。
デバイス２０は、半導体基板２４内に一体的に形成され
ている。図１に示すように、代表的なダマシーン・レベ
ルは、プレーナ状の誘電体の積層２６を付着することに
より最初に形成される。次いで、この誘電体積層２６
は、標準的なリソグラフィック及びドライ・エッチング
技法を使用してパターン化されそしてエッチングされ
て、所望の配線又はバイア・パターンが形成される。こ
のプロセスの後に、薄い接着／拡散ライナー１８の金属
が付着されそして銅の合金層１２が付着される。ここ
で、底部の窒化シリコン層２８は、銅の拡散に対して下
側の構造を保護するためにデバイス２０の上部に前もっ
て付着された拡散バリアとして働く。銅合金の相互接続
体１２が形成された後、上側の窒化シリコン層３２が付
着され、そして次のレベルの銅の相互接続体（スタッ
ド）１４を規定するためのエッチ・ストップ層として使
用される。第２レベルの誘電体積層３４が付着された
後、相互接続のためのリセス（開孔又はバイア）がエッ
チングにより誘電体層３４及び窒化シリコン層３２に形
成される。
【０００８】ライナー２２を有する中間レベルのバイア
中の銅合金の導電性相互接続体即ちスタッド１４が、第
１レベルの銅合金相互接続体１２を付着するのに使用さ
れたのと同様な技法により付着される。バイア又はトレ
ンチに金属を充填するために、種々な金属付着技法が使
用されうる。これらの技法は、コリメート式スパッタリ
ング・プロセス、イオン・クラスタ・ビーム・プロセ
ス、電子サイクロトン共振プロセス、化学蒸着プロセ
ス、無電気メッキ・プロセス及び電解メッキ・プロセス
である。銅及び合金成分が同時に付着される同時付着法
（co-deposition)等の他の技法が、銅合金を形成するた
めに使用されることができる。例えば、同時付着法は、
同時スパッタリング（co-sputtering)、合金メッキ、種
々な材料を逐次的にメッキしてからアニーリングを行う
方法、化学蒸着、逐次的な化学蒸着及び同時蒸着を含
む。中間レベルの銅合金スタッド１４の完成後、第３の
誘電体積層３８にライナー２４を有する第２レベルの銅
の相互接続体１６を形成するために、他の同様なプロセ
スが繰り返される。スタッド１４と第２レベルの相互接
続体１６との間に、窒化シリコンのエッチ・ストップ層
３６が形成される。最後に、デバイスを外部雰囲気から
保護するための最上部の窒化シリコン層４２が、この銅
配線構造１０の上部に付着される。
【０００９】耐エレクトロマイグレーション特性を改善
するために、銅合金を使用する他の試みがなされてき
た。例えば、米国特許第５，０２３，６９８号は、Ａ
ｌ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｓｉ，Ｓｎ及びＺ
ｎの群から選択された少なくとも１つの合金元素を含む
銅合金を示している。米国特許第５，０７７，００５号
は、Ｉｎ，Ｃｄ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｔｉ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｐ
ｂ，Ｚｒ及びＨｆから選択された少なくとも１つの材料
を含む銅合金を示し、ここで、使用されている合金元素
の重量％は０．０００３乃至０．０１である。この銅合
金は、ＴＡＢプロセス及び印刷回路板部材に使用されて
いる。米国特許第５，００４，５２０号は、Ｐ，Ａｌ，
Ｃｄ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｚｎ，
Ｂ，Ａｓ，Ｃｏ，Ｉｎ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｅ、Ｃｒ及びＺ
ｎから選択された少なくとも１つの合金元素を含む、フ
ィルム・キャリアのための銅のホイルを示し、ここで合
金元素の濃度は、０．０３乃至０．５重量％である。こ
れらの合金は、集積回路チップをマウントするための接
続リードとして使用される。更に、米国特許第４，７４
９，５４８号は、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｌｉ，Ｐ，Ｍｇ，Ｓｉ，
Ａｌ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｂｅ，Ｆｅ、Ｃ
ｏ，Ｙ、Ｃｅ，Ｌａ，Ｎｂ，Ｗ、Ｖ、Ｔａ，Ｂ、Ｈｆ、
Ｍｏ及びＣから選択された少なくとも１つの合金元素を
含む銅合金を示している。これらの合金元素は、銅合金
の強度を増大するために使用される。米国特許第５，２
４３，２２２号及び５，１３０，２７４号は、接着力が
改善されそして拡散バリアを形成する銅合金を示してい
る。しかしながら、これらのいずれの従来技法も、耐エ
レクトロマイグレーション及び接着（adhesion)特性の
要求を満たし、ＵＬＳＩオン・チップ又はオフ・チップ
・ワイヤリング相互接続に使用されるに十分なだけ改善
された銅合金を示していない。ＵＬＳＩデバイスに使用
される相互接続構造は、幅が０．５μｍよりも小さくそ
して縦横比が１よりも大きなパターンを有する絶縁物構
造において高密度で且つ完全に連続した金属配線を実現
しなければならない。
【００１０】最近、添加剤を含むメッキ槽から銅を電気
メッキすることにより、ボイドを含まずしかもシームレ
スな導体が形成されている。ボイド又は継ぎ目を残すこ
となく、被充填パターンを完全に充填する電気メッキ法
の能力は、他の付着技法に比べて特異であり、優れてい
る。
【００１１】もしも付着されたシード（種）層が、メッ
キされるべき溝又はトレンチの最も深い領域においてさ
えも連続的であってそして一様な厚さを有するならば、
象眼（ダマシーン）構造の形成に使用される電解銅メッ
キ技法は、欠陥を生じることはない。例えばＴａ又はＴ
ａＮのような絶縁体内への銅の拡散を防止するバリア層
の上に物理蒸着技法又はスパッタリング技法により銅の
シード層が付着される。構造的形状例えば溝又はトレン
チの底部又はほぼ底部に近い側壁において、付着シード
層の厚さがあまりにも薄いと、メッキがなされずそして
ボイドが生じる。
【００１２】銅のシード層のスパッタリングの間に生じ
る、非連続的付着の問題点を解決するために、通常厚さ
の大きいシード層が付着される。厚いシード層の付着は
メッキされるＣｕのボイド発生の問題点を解決するが、
これは、この問題点と同様又はこれ以上の問題点、即ち
最終構造の耐エレクトロマイグレーション特性が悪いと
いう問題点を生じる。最終構造の耐エレクトロマイグレ
ーション特性の低下は、シード層自体の耐エレクトロマ
イグレーション特性が、メッキ層の高い耐エレクトロマ
イグレーション特性に比較したとき弱いという事実によ
り引き起こされる。次世代のチップでは、シード層は、
構造的形状の寸法を増大する要因ではあるが、上述の理
由により電解メッキではシード層の厚さを減少すること
はできず又一様な厚さでなければならない。
【００１３】イオン注入法は、例えばシリコン基板のよ
うな半導体材料内に、正確に制御された深さでそして正
確に制御されたドーパント・イオン濃度で不純物又はド
ーピング・イオンを配置するために使用されてきた。こ
の方法の主な利点の１つは、予め決められた位置に予定
のドーズ量（dosage)でイオンを正確に配置できる能力
である。これは、高レベルドーパントを一様に配置でき
る再現性の高いプロセスである。例えば、代表的には１
％よりも低い変動率がウエハ全体に亘って得られる。
【００１４】イオン注入装置は、イオン源を有して働
き、ここで電子及び中性原子の衝突により大量のイオン
が発生される。ドーピングに必要なイオンは分離電磁石
により選択されて、そして加速管に送られる。加速され
たイオンは、ドーピングを行うシリコン・ウエハの部分
に直接当てられる。一様性を達成するために、イオン・
ビームのボンバードメントは通常、ビームを走査するこ
とにより又はウエハを回転させることにより行われる。
二酸化シリコンの厚い層又はポジティブ・フォトレジス
トの厚い層が、注入マスクとして使用される。注入され
るドーパント・イオンの深さは、ドーパント・イオンが
有するエネルギーにより決定され、そしてこのエネルギ
ーは加速チャンバの電圧を変更することにより調節され
る。注入のドーズ量のレベル、即ちウエハ内に入り込む
ドーパント・イオンの数は、検出器を通過するイオンの
数をモニタすることにより調べられる。この結果、注入
エネルギーを調整することにより、シリコン基板内に作
られる接合の深さが正確に制御されることができ、一方
ドーズ量のレベルを調整することによりドーパント濃度
を正確に調整することができる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、従来の
銅の導電体の欠点及び問題点を有しない銅の導電体をＩ
Ｃデバイスに形成する方法を提供することである。
【００１６】本発明の他の目的は、銅の導電体に不純物
を添加することにより改善された耐エレクトロマイグレ
ーション特性を有する銅の導電体を電子装置に形成する
方法を提供することである。
【００１７】本発明の他の目的は、銅の導電体構造に、
Ｃ，Ｏ，Ｃｌ、Ｓ及びＮから選択された不純物をドーピ
ングすることにより改善された耐エレクトロマイグレー
ション特性を有する銅の導電体を電子装置に形成する方
法を提供することである。
【００１８】本発明の他の目的は、電解メッキ技法によ
り改善された耐エレクトロマイグレーション特性を有す
る銅の導電体を電子装置に形成する方法を提供すること
である。
【００１９】本発明の他の目的は、収容箇所に銅のシー
ド層を最初に付着し、次いでこのシード層に不純物をイ
オン注入することにより、改善された耐エレクトロマイ
グレーション特性を有する銅の導電体を電子装置に形成
する方法を提供することである。
【００２０】本発明の他の目的は、耐エレクトロマイグ
レーション特性を改善する不純物を含む電子装置用の銅
の導電体を提供することである。
【００２１】本発明の他の目的は、収容箇所に不純物を
含む銅の組成を最初に電着し、次いでこの銅の組成の下
側に前もって付着されている銅のシード層に不純物が拡
散するように電子装置をアニールすることにより、改善
された耐エレクトロマイグレーション特性を有する銅の
導電体を電子装置に形成する方法を提供することであ
る。
【００２２】本発明の他の目的は、収容箇所にバリア層
を最初に付着し、このバリア層の上に銅のシード層を付
着する前にこのバリア層にドーパント・イオンを注入
し、そしてドーパント・イオンが銅のシード層内に拡散
するように電子装置をアニールすることにより、改善さ
れた耐エレクトロマイグレーション特性を有する銅の導
電体を電子装置に形成する方法を提供することである。
【００２３】本発明の他の目的は、銅の導電体に不純物
を最初に添加し、次いで、Ｃｏ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔ
ｉ，Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ、Ｎ又はＣｒのうち少なくとも１
つのイオンを導電体の表面層にイオン注入することによ
り、改善された耐エレクトロマイグレーション特性を有
する銅の導電体を電子装置に形成する方法を提供するこ
とである。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明によると、厚い銅のシード
層により生じていたエレクトロマイグレーションの問題
に対する解決法が実現される。メッキされた銅に高い耐
エレクトロマイグレーション特性を実現する解決法は、
メッキ・プロセスの間に銅の膜即ちフィルムにドーパン
トを導入することから開始する。理想的なドーパント
は，Ｃ，Ｏ，Ｓ，Ｃｌ及びＮである。メッキ・プロセス
以外でも、銅の膜にドーパントを導入するためにイオン
注入が使用されることができる。
【００２５】良好な実施例においては、電子構造即ち装
置に銅の導電体を形成する方法は、電子装置を準備する
ステップと、導電体を収容するための収容箇所を電子装
置に形成するステップと、収容箇所に銅の組成を付着す
るステップと、銅の耐エレクトロマイグレーション特性
が改善されるように銅の組成に不純物を添加するステッ
プとにより行われる。
【００２６】改善された耐エレクトロマイグレーション
特性を有する銅の導電体を形成する方法は、電気メッキ
技法、物理蒸着（ＰＶＤ）技法又は化学蒸着（ＣＶＤ）
技法によって銅の組成を付着することにより実現される
ことができる。メッキ・プロセスにおいて導入される不
純物又は、これとは別のイオン注入法により銅の膜に注
入される不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及びＮから成る群
から選択された少なくとも１つのイオンである。これら
の不純物は、約０．０１重量ｐｐｍ（ppm by weight)乃
至約１０００重量ｐｐｍの濃度レンジで銅の組成に加え
られることができる。ここで、ｐｐｍは、ｐａｒｔ ｐ
ｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎを表す。更に、銅の付着ステップ
は、収容箇所に銅のシード層を付着するステップ、この
シード層に少なくとも１つの型の不純物をイオン注入す
るステップ、収容箇所に銅を電解メッキするステップを
含む。更に、シード層は、不純物を層内に一様に分布さ
せるためにアニールされることができる。銅の組成を付
着するステップは、更に、銅のシード層を収容箇所に付
着するステップ、収容箇所を充填するように、不純物を
含む銅の組成を電着するステップ、及び銅のシード層内
に不純物が拡散するように電子装置をアニールするステ
ップを含む。不純物はドーパント・イオンである。
【００２７】銅組成を付着するステップは更に、収容箇
所にバリア層を付着するステップ、バリア層にドーパン
ト・イオンを注入するステップ、バリア層の上に銅のシ
ード層を付着するステップ、及びドーパント・イオンが
銅のシード層内に拡散するように電子装置をアニールす
るステップを含む。銅のシード層は、物理蒸着技法又は
化学蒸着技法により付着されることができる。この方法
は更に、銅の組成を収容箇所内にこれを充填するように
付着するステップを含む。銅の組成のこのような付着ス
テップは、電気メッキ、物理蒸着又は化学蒸着により行
われることができる。
【００２８】他の良好な実施例において、電子装置の基
板に銅の導電体を形成するための本発明の方法は、電子
装置の基板を形成するステップ、この電子装置の基板内
に導電体を収容する収容箇所を形成するステップ、収容
箇所内に銅のシード層を付着するステップ、少なくとも
１つの型の不純物イオンをシード層内にイオン注入する
ステップ、及び収容箇所内に銅の組成を付着するステッ
プにより行われることができる。
【００２９】銅の組成は、収容箇所内に銅を電解メッキ
することによりこの収容箇所内に付着されることができ
る。この方法は更に、シード層内に不純物を一様に分布
させるようにこのシード層をアニールするステップを含
むことができる。この方法は更に、シード層内に不純靴
を一様に分布させそして電解メッキされた銅内に不純物
を拡散させるようにシード層をアニールするステップを
含むことができる。銅の組成は、電着、物理蒸着及び化
学蒸着から成る群から選択された技法により付着される
ことができる。不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及びＮから
成る群から選択された少なくと１つの型のイオンであ
る。これらの不純物は、約０．０１重量ｐｐｍ乃至約１
０００重量ｐｐｍの濃度レンジで銅組成内に添加される
ことができる。
【００３０】本発明の更に他の実施例においては、電子
装置に銅の導電体を形成する本発明の方法は、電子装置
を形成するステップ、電子装置内に導電体を収容する収
容箇所を形成するステップ、収容箇所内に銅のシード層
を付着するステップ、不純物を含む銅組成を収容箇所内
に電着してこの収容箇所を充填するステップ、及び不純
物が銅のシード層に拡散するようにこの電子装置をアニ
ールするステップにより行われることができる。
【００３１】電子装置に銅の導電体を形成する方法は更
に、ドーパント・イオンである不純物を注入するステッ
プを含むことができる。不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及
びＮから成る群から選択された少なくと１つの型のイオ
ンである。これらの不純物は、約０．０１重量ｐｐｍ乃
至約１０００重量ｐｐｍの濃度レンジで銅組成内に添加
される。アニーリング・ステップは、不純物を銅の組成
内に一様に分布させる。
【００３２】本発明の更に他の実施例においては、電子
装置内に銅の導電体を形成する本発明の方法は、電子装
置を最初に形成するステップ、導電体を収容する収容箇
所を電子装置に形成するステップ、収容箇所内にバリア
層を付着しそしてバリア層にドーパント・イオンを注入
するステップ、バリア層に上に銅のシード層を付着する
ステップ、及びドーパント・イオンが銅のシード層内に
拡散するように電子装置をアニールするステップにより
行われることができる。
【００３３】この方法は更に、銅の組成を収容箇所内に
付着して収容箇所を充填するステップを含むことができ
る。銅の組成は、例えば電着、物理蒸着又は化学蒸着の
ような技法により付着されることができる。ドーパント
・イオンは、約０．０１重量ｐｐｍ乃至約１０００重量
ｐｐｍの濃度レンジでバリア層内に注入されることがで
きる。ドーパント・イオンは、バリア層内に注入され、
そして銅のシード層内に、これらの耐エレクトロマイグ
レーション特性が改善されるように拡散される。
【００３４】本発明の更に他の実施例においては、２重
注入プロセスを使用する。２重注入プロセスの実施例の
具体的ステップについては後述する。改善された耐エレ
クトロマイグレーション特性を有する銅の導電体を電子
装置内に形成する２重注入プロセスでは、例えばＣ，
Ｏ，Ｃｌ，Ｓ又はＮのような不純物を銅の導電体に最初
に添加し、導電体の表面層に、Ｃｏ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｉ
ｎ，Ｔｉ，Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ，Ｎ又はＣｒのうちの少な
くとも１つのイオンをイオン注入することにより行われ
る。この表面層は、約３０オングストローム乃至約５０
０オングストロームの厚さを有することが望ましく、そ
して更に望ましくは、約２００オングストロームの厚さ
を有する。表面層の特性を更に向上させるために二重
（dual)注入プロセスを行う利点は、銅の導電体の上に
続いて付着される、例えば窒化物層又は酸化物層のよう
な誘電体層に対する接着力を改善し、そして表面に偏析
（segregate)する銅の錯体又は金属酸化物の形成により
銅の表面拡散率を減少することである。第２番目の表面
注入プロセスのために選択された金属イオンは、酸素に
対する高い親和力を有し、これにより、イオンが銅の界
面（又は表面）に偏析（segregate)して銅の導電体に対
する保護層としての金属酸化物を形成する。
【００３５】本発明は、電子構造即ち電子装置の導電体
収容箇所即ち収容箇所内に銅の組成（copper compositi
on)を付着し、そして銅の耐エレクトロマイグレーショ
ン特性を改善するように銅の組成内に不純物を添加する
ことにより電子装置に銅の導電体を形成する方法に関す
る。銅の組成は、例えば電気メッキ、無電気メッキ、物
理蒸着、又は化学蒸着のような種々な技法により付着さ
れることができる。不純物即ちドーパント・イオンは、
種々な拡散方法により銅の組成に添加されることができ
る。１つの方法においては、銅のシード層が最初に収容
箇所に付着され、次いで不純物がシード層にイオン注入
され、そしてこの後に電気メッキ・プロセスによりバル
クの銅が収容箇所に付着される。他の方法においては、
銅のシード層が最初に収容箇所に付着された後に、不純
物を含むバルクの銅の組成が収容箇所内に電着される。
次いで、不純物が銅のシード層内に拡散されるように、
電子構造がアニールされる。更に他の方法においては、
拡散バリア層が最初に収容箇所に付着され、これに続い
て、イオン注入プロセスにより、ドーパント・イオンが
バリア層内に注入される。次いで、銅のシード層がバリ
ア層の上に付着され、次いで、ドーパント・イオンがバ
リア層から銅のシード層内に拡散するようにアニールさ
れる。本発明で使用されるドーパント・イオンは、Ｃ，
Ｏ，Ｓ，Ｃｌ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｃｒ及
びＮから成る群から選択された少なくとも１つのイオン
である。銅の組成内に注入される不純物のドーズ量は、
約０．０１重量ｐｐｍ（ppm by weight)乃至約１０００
重量ｐｐｍの濃度レンジ内である。
【００３６】図２は、本発明に従う銅の相互接続体構造
５０の拡大された斜視図である。構造５０はシリコン基
板５２の上に一体的に形成される。例えば、ＳｉＯ２の
ような誘電体材料の複数の層即ち絶縁層５４が、これら
の間に金属導電体を挟むように逐次的に付着される。金
属導電体層５６が、標準的なフォトリソグラフィック法
により絶縁層５４の導電体収容箇所、即ちトレンチ、バ
イア等内に形成される。２つの金属導電体層５６を相互
接続するためのバイア即ち貫通孔内の相互接続体即ちス
タッド５８が形成される。例えばＳｉ３Ｎ４のような材
料で形成された誘電体層即ち絶縁層６２が、エッチ・ス
トップ層として設けられる。更に、拡散バリア層６４
が、ドーパント・イオンの拡散を防止するために設けら
れている。更に図２には、半導体基板５２上に一体的に
設けられたＩＣデバイス６０及びバイア内に形成された
タングステン・スタッド即ち部分相互接続体６６が示さ
れている。スタッド５８は、２つの配線レベル５６相互
間の垂直接続を与え、そして銅により形成され、一方、
タングステン・スタッド６６は、配線レベル５６をＩＣ
デバイス６０のコンタクト６８に接続する。図２に示さ
れているＩＣデバイス６０は、ＣＭＯＳトランジスタを
示しているが、これに代えて他の任意の電子デバイスが
使用されることができる。
【００３７】絶縁層５４又はＩＣデバイス６０への銅の
拡散を防止するために、接着／拡散バリア層６４が、銅
導電体層５６及びスタッド５８を囲むように形成されて
いる。接着／拡散バリア層６２は、絶縁材料若しくは導
電性材料のいずれかにより形成されることができる。導
電性の拡散バリア層は、銅をこれの下側の材料に接着す
る。以下このような性質の層を単にバリア層という。図
２には示されてはいないが、シード層が、主要な銅の導
電体５６及び５８の下側に付着されている。このシード
層の付着については、相互接続構造を形成する２つの方
法、即ち単一ダマシーン（象眼）プロセス及び二重ダマ
シーン・プロセスを参照して以下に説明する。これらは
図３の（Ａ）乃至（Ｆ）と図４の（Ａ）及び（Ｂ）とに
示されている。
【００３８】本発明に従う耐エレクトロマイグレーショ
ン特性が改善された銅の導電体構造は、以下に述べる幾
つかの実施例の１つにより製造されることができる。１
つの良好な実施例において、ドーパント・イオンはイオ
ン注入プロセスによりシード層内に導入される。収容箇
所内に銅のシード層を付着するプロセスに続いて、種々
なドーパント・イオンが銅のシード層内に注入されるこ
とができる。ドーパント・イオンをフィルムの厚さ全体
に亘って一様に分布させるために、約３００℃乃至約６
００℃のアニーリング温度でアニーリングが行われる。
次いで、バルクの銅組成を収容箇所内に付着するため
に、電解メッキ・プロセスが行われる。従って、この良
好な実施例の方法は、シード層の特性を改善し、そして
これは、収容箇所即ちトレンチ又はバイアを完全に充填
するために引き続いて行われる充填技法から独立してい
る。本発明の方法で使用される電解メッキ・プロセス
は、本出願人の特許出願である特願平１０−５２７６４
６号に示されている。
【００３９】電解メッキ・プロセスにおいて、サブ・ミ
クロンの寸法を有し、ボイドが無くそして継ぎ目のな
い、ＩＣチップを配線するための低価格で且つ高信頼性
の銅の相互接続構造を製造することが可能である。通常
このプロセスは、半導体ウエハ上に絶縁層を最初に付着
し、この絶縁層にサブ−ミクロンの寸法のトレンチ又は
開孔（この中に導電体材料が付着されて導電性の相互接
続体を最終的に形成する）をリソグラフィックにより規
定して形成し、シード層即ちメッキ用のベース層として
働く薄い導電体層を付着し、添加剤を含むメッキ層を使
用する電着により導電体を付着し、そして上記処理によ
り形成された結果的な構造を平坦化し又は化学ー機械的
研摩して平坦化し、個々のライン又はバイアを互いに電
気的に絶縁することにより行われる。
【００４０】相互接続材料は、添加剤を含む槽から電着
された銅である。このような槽からの銅の電着速度は、
他の場所よりも空洞（キャビティ）内の深い箇所におい
て高い。かくしてこのメッキ・プロセスは、独特の優れ
た完全充填特性を生じ、そしてボイドが無く且つ継ぎ目
のない付着物を生じる。銅の電気メッキにより形成され
た相互接続構造は、耐エレクトロマイグレーション特性
（エレクトロマイグレーションを生じにくい特性）が高
く、エレクトロマイグレーションに対する付勢（活性、
activation）エネルギーは１．０ｅＶ以上である。導電
体材料は、大部分が銅であるが不純物として少量の原子
又は分子成分を含み、これらはＣ（炭素）（＜２重量
％），Ｏ（酸素）（＜１重量％）、Ｎ（窒素）（＜１重
量％）、Ｓ（硫黄）（＜１重量％）又はＣｌ（塩素）
（＜１重量％）であり、不純物として使用されるのは、
これらから選択された少なくとも１つのイオンである。
このような導電性材料を銅の組成と呼ぶ。
【００４１】図３の（Ａ）乃至（Ｆ）を参照すると、ダ
マシーン・メッキ・プロセスが示されている。ダマシー
ン・プロセスでは、半導体ウエハの表面全体に亘ってメ
ッキが施され、そしてこの後に、平坦化プロセスが行わ
れて、相互接続体を個別化して互いに分離即ち絶縁す
る。メッキ・プロセスの前に、リソグラフィック・プロ
セスにより形作られた配線パターン全体の上にメッキの
ためのベース層（即ちシード層）が付着される。導電体
と絶縁層との間の界面での相互作用及び拡散を防止しそ
して接着を改善するための材料層が、絶縁層とメッキ用
ベース層との間に付着される。図３の（Ａ）に示すよう
に、窒化シリコンのエッチ・ストップ／平坦化層７２及
び７４により挟まれた、高分子（polymeric)材料又は二
酸化シリコンの絶縁層７０が、半導体ウエハ７６の上に
付着される。図３の（Ｂ）に示すように、次いで、レジ
スト・パターン８０が、エッチ・ストップ／平坦化層７
４の上に形成される。図３の（Ｃ）に示すように、レジ
スト・パターン８０をマスクとして層７４及び絶縁層７
０の露出部分がエッチングされ、この時エッチ・ストッ
プ層７２は除去されない。図３の（Ｄ）に示すように、
図３の（Ｃ）の構造の上に、バリア材料層８２及び銅の
シード層８４が順次に付着される。次いで、銅の層８８
が、収容箇所即ちトレンチ、開孔部分の全てに銅の層８
８を充填するようにシード層８４の上に電着される。銅
の層８８は、シード層８４の上端を超えて電着される。
次いで図３の（Ｅ）に示すように、平坦化処理が行われ
て最終構造となり、ここでは絶縁層７０の上側表面上の
層７４が除去されている。図３の（Ａ）乃至（Ｅ）は、
単一ダマシーン・プロセスである。図３の（Ｅ）の構造
の上にこの単一ダマシーン・プロセスを再び繰り返して
行う２重のダマシーン・プロセスを使用して、図３の
（Ｆ）に示すような２つのレベルの相互接続体を形成す
ることができる。
【００４２】電解付着された銅の層にボイド又は継ぎ目
が生じるのを防止するために、収容箇所即ちトレンチ又
は開孔の一番深い箇所における電着速度は他の箇所に比
べて高くなくてはならない。このことは、メッキ溶液に
添加剤を加えることにより達成される。添加剤は、フィ
ルムの厚さ又は不規則に配向された結晶粒（grain)に比
較してこれよりも大きな結晶粒度を含む導電体特有のフ
ィルム・マイクロ構造（conductor specific film micr
ostructures)を引き起こす。更に、添加剤は、導電性材
料内に、Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｓ及びＣｌから成る群から選択さ
れた原子を含む分子成分（molecular fragments）を導
入し、これによって純粋な銅全体に亘る耐エレクトロマ
イグレーション特性を改善する。更に、添加剤はメッキ
槽内に加えられて、フィルムの厚さ又は不規則に配向さ
れた結晶粒に比較してこれよりも大きな結晶粒度を含む
導電体特有のフィルム・マイクロ構造をもたらし、これ
により非電着の銅に亘って耐エレクトロマイグレーショ
ン特性を改善する。
【００４３】図４を参照すると、図４の（Ａ）は、単一
ダマシーン・プロセスにおける、平坦化の前の、主要な
銅の導電体層９０内へのドーパントのイオン注入を示
す。半導体ウエハ内に形成されたトレンチ又は開孔の側
壁及び上面に窒化シリコンのエッチ−平坦化ストップ層
９２，バリア層９４及び銅のシード層９６が順番に形成
される。図４の（Ｂ）は、平坦化ステップが行われた後
の単一ダマシーン・プロセスにおける銅の導電体層９０
内へのイオン注入を示す。
【００４４】図５の（Ａ）は、２重ダマシーン・プロセ
スにおける、平坦化の前の主要な銅層１００内へのイオ
ン注入を示す。又図の（Ａ）には、窒化シリコンのエッ
チ／平坦化ストップ層９２、拡散バリア層９４及び銅の
シード層９６が示されている。図５（Ｂ）は、平坦化ス
テップが行われた後の、２重ダマシーン・プロセスにお
ける、銅の導電体層１００内へのドーパント・イオンの
イオン注入を示す。図６は、主要な銅の導電体層９０の
付着の前に行われる、単一ダマシーン・プロセスの銅の
シード層９６及び／若しくはバリア層９４内へのドーパ
ント・イオンのイオン注入を示す。同様に、イオン注入
プロセスは、銅のシード層９６の付着の前に、ドーパン
ト・イオンを拡散バリア層９４だけに注入することによ
り行われることができる。
【００４５】他の良好な実施例においては、メッキ・フ
ィルムのドーパント・イオンは、最終構造におけるドー
パント・イオンの所望の目標値及びメッキ・フィルム又
は物理蒸着（ＰＶＤ）フィルムの相対的な厚さを考慮し
て規定される。ＰＶＤシード層が最初に付着され、そし
てこの後に適切な処理条件の下に銅が電着されることが
できる。メッキされた銅からＰＶＤシード層へのドーパ
ント・イオンの拡散は、アニーリング・プロセスにより
行われることができる。
【００４６】更に他の実施例においては、ドーパント・
イオンは、銅のシード層のためのＰＶＤ付着プロセスの
前に拡散バリア層内に注入される。次いで、アニーリン
グ・プロセスが使用されてドーパント・イオンを銅内に
ドライブ・インする。メッキされた銅への不純物は周知
の非金属不純物以外のドーパント、即ちＴｉ，Ｓｎ，Ｉ
ｎ等が、ＰＶＤシード層の耐エレクロトマイグレーショ
ン特性を改善するために使用される。イオン・注入を使
用することにより達成される１つの利点は、非常に少量
の、即ち数重量ｐｐｍの溶質（solutes)を制御可能で且
つ再現性良く導入できることである。
【００４７】他の良好な実施例においては、メッキ以外
の方法により形成された銅の特性が改善されることがで
きる。これらの他の方法は、化学蒸着（ＣＶＤ）又は物
理蒸着（ＰＶＤ）であるが、これに限定されるわけでは
ない。これらのフィルムの特性の改善は、Ｔａ，ＴａＮ
のような拡散バリア層、シード層、キャップ層又は厚い
銅の層にイオン注入することにより達成されることがで
きる。
【００４８】メッキされた銅で作られたチップ相互接続
構造は、、メッキ・プロセスが、メッキされた金属に種
々なドーパントをドープする添加剤を含むメッキ溶液で
行われるときに優れた耐エレクトロマイグレーション特
性を有するようになる。上記の添加剤を含まない溶液か
らメッキされた銅、そして例えばＰＶＤ及びＣＶＤのよ
うな技法により付着された銅で作られた導電性ラインの
耐エレクトリマイグレーション特性は、本発明のものよ
り遙かに劣ることが判った。本発明による利点をもたら
すドーパントは、０．０１重量ｐｐｍから１０００重量
ｐｐｍのレンジのＣ，Ｏ，Ｃｌ、Ｓ及びＮを含む。これ
らのドーパントは、代表的には、数ＫｅＶ乃至数百Ｋｅ
Ｖ、例えば約１０ＫｅＶ乃至約６００ＫｅＶの種々なエ
ネルギー・レンジで注入される。得られたドーパント・
イオンの分布及び深さは例えばＴＲＩＭ（登録商標）の
ようなコンピュータ・プログラムを使用して計算され
た。厚い金属フィルム層内に高いドーパントの分布をも
たらす２価（doublycharged)の又は３価(triply charge
d)イオンを注入することが可能であることに注目された
い。これの代わりに、所望のドーパント分布及び深さを
得るために、種々な複数の厚いフィルム層にイオン注入
を繰り返して行うことができる。電着された銅に使用さ
れるドーパント及び使用した望ましいレンジは表１に示
されている。
【００４９】
【表１】 ドーパント 望ましい濃度 更に望ましい濃度 （重量ｐｐｍ） （重量ｐｐｍ） 炭素 ０．１〜１０００ １〜２００ 塩素 ０．１〜１０００ １〜２００ 酸素 ０．１〜２００ １〜５０ 硫黄 ０．０１〜１００ ０．１〜５０ 窒素 ０．０１〜１００ ０．１〜５０
【００５０】良好に制御されたドーパント濃度は他の種
々な方法により得ることができる。例えば、ドーパント
濃度は付着の間の制御されることができ、ドーパント濃
度は、フィルム中に種々な不純物レベル及び厚さで種々
なドーパントをイオン注入して、種々なアニーリング・
プロセスによりドーパントを再分布させることにより制
御されることができる。イオン注入方法は、これが本来
指向性を有しており、更に、最適に制御されたドーパン
ト濃度を達成するために繰り返して行われることができ
るので、本発明を達成するのに望ましい方法であること
が判った。かくして、トレンチの底にまでイオンを注入
してメッキ・プロセスを改善し、そして化学−機械的に
研磨された銅の表面の上部に注入して銅のライン（配線
導体）の耐エレクトロマイグレーション特性を改善する
ことを可能とする。このことは、細い銅の配線導体の信
頼性がこれの幅の減少に伴って減少するので、非常に重
要である。
【００５１】ライナー内への、シード層内への及び／若
しくは充填された銅の構造それ自体へのイオン注入を含
む種々な他の構造が形成されることができる。狭い配線
導体へのイオン注入は、銅のエレクトロマイグレーショ
ン機構が表面拡散によりドライブされるために重要であ
る。銅のシード層表面は純粋な銅として残され、一方重
要なのは、この上部銅表面領域の下側に注入されたイオ
ンである。このことは、銅のシード層の表面の下側への
イオン注入を可能とし、一方同時にシード層をドーピン
グしてこれの電気特性を改善する。
【００５２】従って、本発明の新規な方法は、適切な濃
度のレンジで使用される望ましいドーパント・イオンを
実現し、改善されたエレクトロマイグレーション特性を
生じる最適なドーパントのレンジを実現し、そしてメッ
キのパラメータを代えることによりフィルム内のドーパ
ントの内容を変える方法を実現する。例えば、ドーパン
ト濃度はメッキ・ツール内での攪拌レベルを増大するこ
とにより、例えばカップ状メッキ装置内でのメッキの間
ウエハの回転速度を増大することにより、又はパドル・
セル内におけるパドルの移動頻度を増大することにより
増大されることができる。フィルムのドーパント・レベ
ルを規定する役目を果たす他のパラメータは、添加物の
濃度及び付着速度（又は、電流密度）である。
【００５３】添加剤が使用されない場合の１μｍの厚さ
の電気メッキされた銅の層について得られたデータを表
２に示す。Ｃ、Ｓ及びＣｌのドーパント・イオンの種々
なドーズ量が、種々なドーパントの深さ及びシート抵抗
の変動を達成するために利用された。１μｍの厚さのス
パッタされた銅のフィルムについての同様なデータを表
３に示す。イオンをフィルム厚さに亘って注入できるこ
と、同じ注入エネルギー・レベルで注入の深さを２倍に
するには、イオンの電荷を１２Ｃ＋＋，３２Ｓ ＋＋又は
３５Ｃｌ＋＋にする必要があることが表２及び３から明
らかである。更に一様なプロフィルが望ましければ、イ
オンの電荷及び注入のエネルギーの両方を変えることが
できる。表２は、硫黄（Ｓ）及び塩素（Ｃｌ）が、制御
用サンプルよりも大きな抵抗の降下（Ｒ Ｄｒｏｐ）を
銅に対して起こさせるという予期しなかった効果を有す
ることを示している。表２は又、メッキ槽内に添加剤を
含まない場合のメッキされた銅についてのデータを示
し、従って、添加剤は注入により添加される。
【００５４】表３は、１μｍの厚さにスパッタされ（メ
ッキではない）そしてドーパント・イオンでドープされ
た銅について得られたデータを示している。塩素（Ｃ
ｌ）及び硫黄（Ｓ）が最も効果的なイオンであることが
見出された。
【００５５】
【表２】 サンプル番号 イオン Ｅ ドーズ量 深さ ％Ｒ Ｄｒｏｐ （ＫｅＶ） （ｃｍ−２） （Å） １ １２Ｃ＋ 110 7.0×1015 3200 4.5 ２ １２Ｃ＋＋ 110 7.0×1015 6400 ----- ３ ３２Ｓ＋ 200 8.0×1014 3000 11.5 ４ ３２Ｓ＋＋ 200 8.0×1014 6000 ----- ５ ３５Ｃｌ＋ 200 4.5×1015 2400 13 ６ ３５Ｃｌ＋＋ 200 4.5×1015 4800 ----- 制御用 なし --- ---- ---- 7
【００５６】例えば、サンプル１のドーズ量は、７．０
×１０１５／ｃｍ２であり、そして深さの単位は、オン
グストロームである。
【００５７】
【表３】 サンプル番号 イオン Ｅ ドーズ量 深さ ％Ｒ Ｄｒｏｐ （ＫｅＶ） （ｃｍ−２） （Å） SP-1 C-12 110 7.0×1015 3200 3.5 SP-5 S-32 200 8.0×1014 3000 8.5 SP-9 Cl-35 200 4.5×1015 2400 9.4 SP-11 Cl-35 200 4.5×1015 2400 --- SP-13 制御用 --- ------ ---- 3.6 SP-14 制御用 --- ------ ---- 4.2 深さの単位は、オングストロームである。
【００５８】添加剤を使用しないで電気メッキされた銅
のフィルムのデータ及び添加剤を使用して電気メッキさ
れた銅のフィルムのデータは、図７及び図８にそれぞれ
示されている。更に具体的にいうと、図７は、メッキ溶
液中に添加剤を使用しない銅のメッキ・プロセスにおけ
るメッキ温度に対するシート抵抗の依存性を示すグラフ
であり、そして図８は、メッキ溶液に添加剤を使用した
銅のメッキ・プロセスにおけるメッキ温度に対するシー
ト抵抗の依存性を示すグラフである。図８は、メッキの
間に添加剤を使用した１μｍの厚さのメッキされた銅に
ついてのデータを示し、ここから、約１２５℃でシート
抵抗が急激に降下することが判る。図７は添加剤がな
く、但し２００ＫｅＶで８×１０１４／ｃｍ２のドーズ
量でＳ（硫黄）がイオン注入された１μｍの厚さのメッ
キされた銅についてのデータを示し、そして、広い温度
範囲、即ち約３００℃に亘り、添加剤がある図８の銅の
フィルムと同様のシート抵抗の降下が生じることを示し
ている。
【００５９】本発明の方法は、２重注入プロセスにより
行われることができる。２重注入プロセスの実施例を説
明すると、第１の２重注入プロセス即ち方法は、電子構
造を準備するステップと、電子構造内に導電体のための
収容箇所を形成するステップと、収容箇所内に銅のシー
ド層を付着するステップと、収容箇所内に銅の組成を付
着して導電体を形成するステップと、銅の導電体を平坦
化するステップと、銅の導電体の表面に、少なくとも１
つの金属イオンをイオン注入した表面層を形成するステ
ップとを含む。イオン注入ステップの後に電子構造をア
ニールするステップを含む。不純物を表面に偏析させる
ように銅の導電体をアニールするステップを含む。銅の
組成は、電気メッキ、無電気メッキ、物理蒸着及び化学
蒸着から成る群から選択された方法により付着される。
不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及びＮから成る群から選択
された少なくとも１つの型のイオンである。不純物は、
約０．０１重量ｐｐｍ乃至約１０００重量ｐｐｍの濃度
レンジで銅の組成に加えられる。少なくとも１つの金属
イオンは、Ｃｏ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ及びＣｒから
成る群から選択される。少なくとも１つの金属イオンが
注入された銅の導電体の表面層は、約１０オングストロ
ーム乃至約５００オングストロームの厚さを有する。
【００６０】第２の２重注入方法は、電子構造を準備す
るステップと、電子構造内に導電体のための収容箇所を
形成するステップと、収容箇所内に銅のシード層を付着
するステップと、収容箇所内に、不純物を含む銅の組成
を電着して導電体を形成するステップと、銅の導電体を
平坦化するステップと、銅の導電体の表面に、少なくと
も１つの金属イオンをイオン注入した表面層を形成する
ステップとを含む。イオン注入ステップの後に、電子構
造をアニールするステップを含む。不純物は、Ｃ，Ｏ，
Ｃｌ，Ｓ及びＮから成る群から選択された少なくとも１
つの型のイオンである。不純物は、約０．０１重量ｐｐ
ｍ乃至約１０００重量ｐｐｍの濃度レンジで銅の組成に
加えられる。少なくとも１つの金属イオンは、Ｃｏ，Ａ
ｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ及びＣｒから成る群から選択され
る。少なくとも１つの金属イオンが注入された銅の導電
体の表面層は、約３０オングストローム乃至約５００オ
ングストロームの厚さを有する。
【００６１】第３の３重注入方法は、電子構造を準備す
るステップと、電子構造内に導電体のための収容箇所を
形成するステップと、収容箇所内にバリア層を付着する
ステップと、バリア層の上面に銅のシード層を付着する
ステップと、銅のシード層の上面に銅の導電体層を付着
して収容箇所内を充填するステップと、銅の導電層を平
坦化して導電体の表面を露出するステップとを含み、バ
リア層、シード層、銅の導電体及びこの導電体の露出表
面を含む表面層のうちの少なくとも１つのものに、該少
なくとも１つのもののための付着ステップの直後に、
Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｎ
及びＩｎから成る群から選択された少なくとも１つの元
素をイオン注入する。導電体の表面層は、少なくとも約
３０オングストロームの厚さを有する。イオン注入ステ
ップの後に電子構造をアニールするステップを含む。銅
の組成は、電気メッキ、物理蒸着及び化学蒸着から成る
群から選択された方法により付着される。銅のシード層
は、物理蒸着により付着される。少なくとも１つの元素
は、約０．０１重量ｐｐｍ乃至約１０００重量ｐｐｍの
濃度レンジで注入される。注入された少なくとも１つの
元素は、電子構造の耐エレクトロマイグレーション特性
を改善する。
【００６２】この２重注入プロセスは、望ましくは約３
０オングストローム乃至約５００オングストロームの深
さ、更に望ましくは約１００オングストローム乃至約３
００オングストロームの深さ（平均の深さが約２００オ
ングストローム）まで、Ｃｏ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ
及びＣｒから選択された少なくとも１つの金属イオンを
表面層内へイオン注入する第２の表面修正ステップを含
む。この修正された表面層は、銅の導電体（これは、約
１μｍの厚さを有しそしてＣ，Ｎ，Ｏ，ＣＬ又はＣｌの
不純物を含む）の上部に位置づけられる。イオン注入に
よる第２の表面の修正は、２つの目的を達成する。第１
は、これが、銅の導電体と、これの上部に続いて付着さ
れる誘電体層、即ち窒化物層、酸化物層または高分子材
料層との間の接着を改善することである。第２は、表面
修正プロセスが、約２００オングストロームの薄い層で
表面に偏析する銅の錯体又は金属酸化物を形成すること
により銅の表面拡散率を減少することである。Ｃｏ，Ａ
ｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ又はＣｒの金属イオンは、これら
が酸素に対して親和性であるので選択された。金属イオ
ンは銅の界面（又は表面）に偏析し、かくしてバルクの
銅の導電体に対する保護層としての金属酸化物を形成す
る。
【００６３】表４は、銅の導電体の表面修正に使用され
た金属イオンについてのデータを示す。表４の中の厚さ
は、表面層の厚さ（オングストローム）を表す。
【表４】 注入エネルギー 金属イオン 原子質量 厚さ ドーズ量 （Å） 原子／ｃｍ２ ９０ＫｅＶ Ｔｉ 47.95 317 3×1015 ５０ＫｅＶ Ａｌ 26.98 313 3×1015 １８０ＫｅＶ Ｓｎ 119.9 295 3×1015 １８０ＫｅＶ Ｉｎ 114.9 299 3×1015
【００６４】本発明を良好な実施例について説明した
が、本発明の精神から逸脱することなく、他の変形が可
能であることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅合金を利用する従来の相互接続システムの拡
大された断面図である。
【図２】本発明に従う銅の相互接続体構造の拡大された
斜視図である。
【図３】窒化シリコンのエッチ・ストップ／平坦化層に
より挟まれた、高分子材料又は二酸化シリコンの絶縁層
が、半導体ウエハ７６の上に付着され、次いで、レジス
ト・パターンが、エッチ・ストップ／平坦化層の上に形
成され、次いで、レジスト・パターンをマスクとして平
坦化層及び絶縁層の露出部分がエッチングされ、次い
で、バリア材料層及び銅のシード層が順次に付着されそ
して銅組成層が電着され、次いで、平坦化処理が行われ
る単一ダマシーン・プロセスにより形成された構造、並
びに単一ダマシーン・プロセスを再び繰り返して行う２
重のダマシーン・プロセスを使用して形成された構造を
示す図である。
【図４】単一ダマシーン・プロセスにおける、平坦化の
前の主な銅の導電体層内へのドーパントのイオン注入、
並びに、平坦化ステップが行われた後の単一ダマシーン
・プロセスの銅の導電体層９０内へのイオン注入を示す
図である。
【図５】２重ダマシーン・プロセスにおける、平坦化の
前の主な銅の層内へのイオン注入、並びに平坦化ステッ
プが行われた後の、２重ダマシーン・プロセスにおけ
る、銅の導電体層内へのドーパント・イオンのイオン注
入を示す図である。
【図６】主要な銅の導電体層９０の付着の前に、単一ダ
マシーン・プロセスの銅のシード層及び／若しくはバリ
ア層内へのドーパント・イオンのイオン注入を示す図で
ある。
【図７】メッキ溶液中に添加剤を使用しない銅のメッキ
・プロセスにおけるメッキ温度に対するシート抵抗の依
存性を示すグラフである。
【図８】メッキ溶液に添加剤を使用する銅のメッキ・プ
ロセスにおけるメッキ温度に対するシート抵抗の依存性
を示すグラフである。
【符号の説明】
５０・・・銅の相互接続体構造 ５２・・・シリコン基板 ５４・・・絶縁層 ５６・・・金属導電体層 ５８・・・スタッド ６０・・・ＩＣデバイス ６２・・・エッチ・ストップ層 ６４・・・拡散バリア層 ６６・・・タングステン・スタッド ７０・・・絶縁層 ７２、７４・・・エッチ・ストップ／平坦化層 ７６・・・ウエハ ８０・・・レジスト・パターン ８２・・・バリア材料層 ８４・・・シード層 ８８・・・銅層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パナイオティス・コンスタンチノ・アンド リカコス アメリカ合衆国10520、ニューヨーク州、 クロトン−オン−ハドソン、シーニック・ ドライブ 29・エル (72)発明者 シリル・カブラル、ジュニア アメリカ合衆国10562、ニューヨーク州、 オッシニング、シャーマン・プレイス ４ (72)発明者 クリストファ・カール・パークス アメリカ合衆国12508、ニューヨーク州、 ビーコン、マッキン・アベニュー 12 (72)発明者 ケネス・パーカー・ロッドベル アメリカ合衆国12570、ニューヨーク州、 ラフクェッグ、レオ・レーン 11 (72)発明者 ロジャー・エン−ルエン・ツァイ アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州、 ヨークタウン・ハイツ、エバグリーン・ス トリート 2773

Claims (47)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子構造を準備するステップと、 上記電子構造内に導電体のための収容箇所を形成するス
    テップと、 上記収容箇所内に銅の組成を付着するステップと、 銅の組成の耐エレクトロマイグレーション特性を改善す
    るように、上記銅の組成内に少なくとも１つの不純物を
    添加するステップとを含む電子構造内に銅の導電体を形
    成する方法。
  2. 【請求項２】上記銅の組成は、電気メッキ、無電気メッ
    キ、物理蒸着及び化学蒸着から成る群から選択された方
    法により付着されることを特徴とする請求項１に記載の
    電子構造内に銅の導電体を形成する方法。
  3. 【請求項３】上記不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及びＮか
    ら成る群から選択された少なくとも１つの型のイオンで
    あることを特徴とする請求項１に記載の電子構造内に銅
    の導電体を形成する方法。
  4. 【請求項４】上記不純物は、０．０１重量ｐｐｍ乃至１
    ０００重量ｐｐｍの濃度レンジで上記銅の組成に加えら
    れることを特徴とする請求項１に記載の電子構造内に銅
    の導電体を形成する方法。
  5. 【請求項５】上記銅の組成を付着するステップは、 銅のシード層を上記収容箇所内に付着するステップと、 上記銅のシード層内に少なくとも１つの型の不純物をイ
    オン注入するステップと、 上記収容箇所内に銅を電解メッキするステップとを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の電子構造内に銅の導
    電体を形成する方法。
  6. 【請求項６】上記シード層をアニールするステップを含
    むことを特徴とする請求項５に記載の電子構造内に銅の
    導電体を形成する方法。
  7. 【請求項７】上記銅の組成を付着するステップは、 上記収容箇所内に銅のシード層を付着するステップと、 上記収容箇所内に、不純物を含む銅の組成を電着して上
    記収容箇所を充填するステップと、 上記電子構造をアニールするステップとを含むことを特
    徴とする請求項１に記載の電子構造内に銅の導電体を形
    成する方法。
  8. 【請求項８】上記銅の組成を付着するステップは、 上記収容箇所内に拡散バリア層を付着するステップと、 該拡散バリア層内にドーパント・イオンを注入するステ
    ップと、 上記拡散バリア層の上面に銅のシード層を付着するステ
    ップと、 上記電子構造をアニールするステップとを含むことを特
    徴とする請求項１に記載の電子構造内に銅の導電体を形
    成する方法。
  9. 【請求項９】上記銅のシード層は、物理蒸着方法により
    付着されることを特徴とする請求項８に記載の電子構造
    内に銅の導電体を形成する方法。
  10. 【請求項１０】上記収容箇所内に銅の組成を付着して上
    記収容箇所を充填するステップを含むことを特徴とする
    請求項８に記載の電子構造内に銅の導電体を形成する方
    法。
  11. 【請求項１１】電子構造を準備するステップと、 上記電子構造内に導電体のための収容箇所を形成するス
    テップと、 上記収容箇所内に銅のシード層を付着するステップと、 上記銅のシード層内に少なくとも１つの型の不純物をイ
    オン注入するステップと、 上記収容箇所内に銅の組成を付着するステップとを含む
    電子構造内に銅の導電体を形成する方法。
  12. 【請求項１２】上記シード層をアニールするステップを
    含むことを特徴とする請求項１１に記載の電子構造内に
    銅の導電体を形成する方法。
  13. 【請求項１３】上記銅の組成は電解メッキにより付着さ
    れ、そして上記不純物を上記シード層内に一様に分布さ
    せて、上記電解メッキにより形成された銅の組成内に上
    記不純物を拡散させるように上記銅のシード層をアニー
    ルすることを特徴とする請求項１１に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  14. 【請求項１４】上記銅の組成は、電気メッキ、無電気メ
    ッキ、物理蒸着及び化学蒸着から成る群から選択された
    方法により付着されることを特徴とする請求項１１に記
    載の電子構造内に銅の導電体を形成する方法。
  15. 【請求項１５】上記不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及びＮ
    から成る群から選択された少なくとも１つの型のイオン
    であることを特徴とする請求項１１に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  16. 【請求項１６】上記不純物は、０．０１重量ｐｐｍ乃至
    １０００重量ｐｐｍの濃度レンジで上記銅の組成に加え
    られることを特徴とする請求項１１に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  17. 【請求項１７】電子構造を準備するステップと、 上記電子構造内に導電体のための収容箇所を形成するス
    テップと、 上記収容箇所内に銅のシード層を付着するステップと、 上記収容箇所内に、不純物を含む銅の組成を電着するス
    テップと、 上記電子構造をアニールするステップとを含む電子構造
    内に銅の導電体を形成する方法。
  18. 【請求項１８】上記不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及びＮ
    から成る群から選択された少なくとも１つの型のイオン
    であることを特徴とする請求項１７に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  19. 【請求項１９】上記不純物は、０．０１重量ｐｐｍ乃至
    １０００重量ｐｐｍの濃度レンジで上記銅の組成に加え
    られることを特徴とする請求項１７に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  20. 【請求項２０】上記アニールするステップは、上記不純
    物を一様に分布させることを特徴とする請求項１７に記
    載の電子構造内に銅の導電体を形成する方法。
  21. 【請求項２１】電子構造を準備するステップと、 上記電子構造内に導電体のための収容箇所を形成するス
    テップと、 上記収容箇所内にバリア層を付着するステップと、 上記バリア層内にドーパント・イオンを注入するステッ
    プと、 上記バリア層の上面に銅のシード層を付着するステップ
    と、 上記ドーパント・イオンが上記銅のシード層内に拡散す
    るように上記電子構造をアニールするステップとを含む
    電子構造内に銅の導電体を形成する方法。
  22. 【請求項２２】上記収容箇所内に銅の組成を付着して上
    記収容箇所を充填するステップを含むことを特徴とする
    請求項２１に記載の電子構造内に銅の導電体を形成する
    方法。
  23. 【請求項２３】上記銅の組成は、電気メッキ、無電気メ
    ッキ、物理蒸着及び化学蒸着から成る群から選択された
    方法により付着されることを特徴とする請求項２２に記
    載の電子構造内に銅の導電体を形成する方法。
  24. 【請求項２４】上記銅のシード層は、物理蒸着により付
    着されることを特徴とする請求項２１に記載の電子構造
    内に銅の導電体を形成する方法。
  25. 【請求項２５】上記ドーパント・イオンは、０．０１重
    量ｐｐｍ乃至１０００重量ｐｐｍの濃度レンジで上記バ
    リア層内に注入されることを特徴とする請求項２１に記
    載の電子構造内に銅の導電体を形成する方法。
  26. 【請求項２６】上記ドーパント・イオンは、上記バリア
    層内に注入され、そして耐エレクトロマイグレーション
    特性を改善するように上記銅のシード層内に拡散される
    ことを特徴とする請求項２１に記載の電子構造内に銅の
    導電体を形成する方法。
  27. 【請求項２７】電子構造を準備するステップと、 上記電子構造内に導電体のための収容箇所を形成するス
    テップと、 上記収容箇所内に銅のシード層を付着するステップと、 上記収容箇所内に銅の組成を付着して導電体を形成する
    ステップと、 上記銅の導電体を平坦化するステップと、 上記銅の導電体の表面層内に少なくとも１つの金属イオ
    ンをイオン注入するステップとを含む電子構造内に銅の
    導電体を形成する方法。
  28. 【請求項２８】上記イオン注入ステップの後に上記電子
    構造をアニールするステップを含むことを特徴とする請
    求項２７に記載の電子構造内に銅の導電体を形成する方
    法。
  29. 【請求項２９】不純物を表面に偏析させるように上記銅
    の導電体をアニールするステップを含むことを特徴とす
    る請求項２７に記載の電子構造内に銅の導電体を形成す
    る方法。
  30. 【請求項３０】上記銅の組成は、電気メッキ、無電気メ
    ッキ、物理蒸着及び化学蒸着から成る群から選択された
    方法により付着されることを特徴とする請求項２７に記
    載の電子構造内に銅の導電体を形成する方法。
  31. 【請求項３１】上記不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及びＮ
    から成る群から選択された少なくとも１つの型のイオン
    であることを特徴とする請求項２７に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  32. 【請求項３２】上記不純物は、０．０１重量ｐｐｍ乃至
    １０００重量ｐｐｍの濃度レンジで上記銅の組成に加え
    られることを特徴とする請求項２７に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  33. 【請求項３３】上記少なくとも１つの金属イオンは、Ｃ
    ｏ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ及びＣｒから成る群から選
    択されることを特徴とする請求項２７に記載の電子構造
    内に銅の導電体を形成する方法。
  34. 【請求項３４】少なくとも１つの金属イオンが注入され
    た上記銅の導電体の表面層は、１０オングストローム乃
    至５００オングストロームの厚さを有することを特徴と
    する請求項２７に記載の電子構造内に銅の導電体を形成
    する方法。
  35. 【請求項３５】電子構造を準備するステップと、 上記電子構造内に導電体のための収容箇所を形成するス
    テップと、 上記収容箇所内に銅のシード層を付着するステップと、 上記収容箇所内に、不純物を含む銅の組成を電着して導
    電体を形成するステップと、 上記銅の導電体を平坦化するステップと、 上記銅の導電体の表面層内に少なくとも１つの金属イオ
    ンをイオン注入するステップとを含む電子構造内に銅の
    導電体を形成する方法。
  36. 【請求項３６】上記イオン注入ステップの後に、上記電
    子構造をアニールするステップを含むことを特徴とする
    請求項３５に記載の電子構造内に銅の導電体を形成する
    方法。
  37. 【請求項３７】上記不純物は、Ｃ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ及びＮ
    から成る群から選択された少なくとも１つの型のイオン
    であることを特徴とする請求項３５に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  38. 【請求項３８】上記不純物は、０．０１重量ｐｐｍ乃至
    １０００重量ｐｐｍの濃度レンジで上記銅の組成に加え
    られることを特徴とする請求項３５に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  39. 【請求項３９】上記少なくとも１つの金属イオンは、Ｃ
    ｏ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｉ及びＣｒから成る群から選
    択されることを特徴とする請求項３５に記載の電子構造
    内に銅の導電体を形成する方法。
  40. 【請求項４０】少なくとも１つの金属イオンが注入され
    た上記銅の導電体の表面層は、３０オングストローム乃
    至５００オングストロームの厚さを有することを特徴と
    する請求項３５に記載の電子構造内に銅の導電体を形成
    する方法。
  41. 【請求項４１】電子構造を準備するステップと、 上記電子構造内に導電体のための収容箇所を形成するス
    テップと、 上記収容箇所内にバリア層を付着するステップと、 上記バリア層の上面に銅のシード層を付着するステップ
    と、 上記銅のシード層の上面に銅の導電体層を付着して上記
    収容箇所内を充填するステップと、 上記銅の導電層を平坦化して導電体の表面層を形成する
    ステップとを含み、 上記バリア層、上記シード層、上記銅の導電体及び上記
    導電体の表面層のうちの少なくとも１つのものに、該少
    なくとも１つのもののための付着ステップの直後に、
    Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｃｌ，Ｓ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｎ
    及びＩｎから成る群から選択された少なくとも１つの元
    素をイオン注入することを特徴とする電子構造内に銅の
    導電体を形成する方法。
  42. 【請求項４２】上記導電体の表面層は、少なくとも３０
    オングストロームの厚さを有することを特徴とする請求
    項４１に記載の電子構造内に銅の導電体を形成する方
    法。
  43. 【請求項４３】上記イオン注入ステップの後に上記電子
    構造をアニールするステップを含むことを特徴とする請
    求項４１に記載の電子構造内に銅の導電体を形成する方
    法。
  44. 【請求項４４】上記銅の組成は、電気メッキ、物理蒸着
    及び化学蒸着から成る群から選択された方法により付着
    されることを特徴とする請求項４１に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  45. 【請求項４５】上記銅のシード層は、物理蒸着により付
    着されることを特徴とする請求項４１に記載の電子構造
    内に銅の導電体を形成する方法。
  46. 【請求項４６】上記少なくとも１つの元素は、０．０１
    重量ｐｐｍ乃至１０００重量ｐｐｍの濃度レンジで注入
    されることを特徴とする請求項４１に記載の電子構造内
    に銅の導電体を形成する方法。
  47. 【請求項４７】上記注入された少なくとも１つの元素
    は、上記電子構造の耐エレクトロマイグレーション特性
    を改善することを特徴とする請求項４１に記載の電子構
    造内に銅の導電体を形成する方法。
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