JP2007281485A - 狭いトレンチ中でスーパー第２結晶粒の成長を発生させる方法 - Google Patents

狭いトレンチ中でスーパー第２結晶粒の成長を発生させる方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、小さなトレンチ中で拡大されたＣｕ結晶粒を得るための方法に関する。更には、半導体装置に使用される狭いトレンチおよび／またはビア中に電気化学的に堆積された銅中で、拡大された銅結晶粒を形成する方法、またはスーパー第２結晶粒成長を誘起する方法に関する。
【解決手段】再結晶した電気化学的に堆積された銅（ＥＣＤ−Ｃｕ）により充填された、少なくとも１つのトレンチおよび／または少なくとも１つのビアを含む半導体装置において、再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも８０％、８５％、９０％、９１％、または９２％が、[１００]方位で、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅結晶粒からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体プロセスの分野に関する。
特に、半導体装置に使用される狭い相互接続構造中で、電気化学的に堆積された銅中で拡大された銅粒子を形成し、またはスーパー第２結晶粒成長（super secondary grain growth）を誘起する方法に関する。
更には、半導体装置中の狭いトレンチおよび／またはビアの分野の探求に貢献する。
相互接続は、集積回路の性能とコストを制限する要素であり、これからもあり続ける。技術が小型化すると、更に、相互接続に関する問題がより緊急となる。アルミニウムに代わる材料として低抵抗の銅が導入され、研究者には新たな挑戦が必要となった。銅は、アルミニウム合金と同じ方法では扱えないからである。
形状が小さくなるほど、より狭い銅のトレンチを作製する必要がある。より充填された詰め込みと多層接続を容易にするために、それらが狭くなるとトレンチも比例して小さくなる。誘電体中にエッチングされたそれらの深いトレンチは、ボイドや欠陥なしに完全に埋め込まれなければならない。
物理的気相成長（ＰＶＤ）は、長い間、集積回路のメタライゼーションのために選択される技術の１つであった。特に、スパッタ成長は、高性能のオンチップ相互接続の作製に広く用いられてきた。しかしながら、ＰＶＤ技術と連続した形状の限界により、深いトレンチを充填するためのＰＶＤの適用は、一般にはすぐに終わると信じられていた。しかしながら、スパッタ技術が、かかる形状で、薄い拡散バリアおよび／またはシード層の堆積に広く使用される。不運にも、充填される形状のアスペクト比が十分に大きい場合、ＰＶＤはシャドーイング効果の影響を受ける。シャドーイング効果は、トレンチやビアの上の角にオーバーハング構造を形成する。形状を満たすように試みる場合、この効果は、ボイドを形成するようになる。幾何学的なシャドーイングにより、トレンチまたはビア中にボイドを形成するように、角の上に膜が優先的に堆積される。
電気メッキされた（電気的に堆積されたまたはＥＣＤとも表現される）銅は、マイクロエレクトロニクスの応用のために、バックエンドオブライン（back-end-of-line）処理で狭い相互接続構造を埋めるために選択される方法となる。しかしながら、トレント幅が減少すると、その膜厚がそれに応じて減少しない場合に、ＰＶＤ堆積シード層の影響は、より重要となる。これは、ＥＣＤとＰＶＤの体積率が変化した場合に、トレンチ中の結晶粒成長の力を変化させる。
一般的に、銅の線は、光リソグラフィを用いて誘電体層中にトレンチをパターニングすることにより形成される。バリア層とＣｕシードはトレンチの中に堆積され、続いてこの構造を満たすために電気メッキが行われる。化学機械研磨（ＣＭＰ）工程は、余剰の銅やバリア金属を除去するために用いられる。標準的なホットプレートアニール工程（例えば、２５０℃で３０分）がＣＭＰの前に導入され、シード層とメッキされたＣｕの双方において、銅の再結晶化を拡大する。
薄いＰＶＤ銅シード膜中やメッキされた（ＥＣＤ）銅中での結晶粒成長メカニズムは、多くの著者により記載されている。一般に、２つの成長モードが同時に進み、これらは当業者に、通常および第２の結晶粒成長として知られている。後者は、薄膜またはトレンチ幅の数倍の膜厚の結晶粒サイズを引き起こし、結晶粒界の動きは不規則である。通常、シード層での結晶粒成長は、プロセス条件を通して意図的に遅らされ、その後のＥＣＤプロセスにために安定した膜が形成される。
近年、上述のようにＥＣＤ銅中で一般に観察された第２の結晶粒成長（ＳＧＧ）とは異なった、スーパー第２結晶成長（ＳＳＧＧ）と呼ばれる、新しい高度に集中した結晶粒成長モードが、Vanstreelsにより、薄いＰＶＤ銅膜について開発された。ＳＳＧＧは、単にアルファＴａ上にのみ起こり、マイクロメータの数十倍の銅の結晶粒が形成されるように記載されている。第２ステージでは、アルファＴａ上の薄い物理的気相堆積（ＰＶＤ）で始まるＳＳＧＧ結晶粒は、この層とＥＣＤＣｕ層のバイレイヤーの再結晶を可能とする。アルファＴａ上の「ＰＶＤのみ」と「ＰＶＤ−ＥＣＤバイレイヤー」の双方で、ＳＳＧＧとＳＧＧの双方が活性であり、それらの競合が、得られる最終結晶粒構造を決定する。Vanstreelsらによれば、低温ではＳＳＧＧが主導的で、温度が上昇した場合ＳＧＧの重要性が増す。
ＳＳＧＧは、マイクロメータの数十倍の大きさの、[１００]方位（[100] oriented）のスーパー結晶粒を形成するため、より少ない結晶粒界が得られ、それゆえに、それらのスーパー結晶粒を有する銅中の抵抗は低くなる。これは、相互接続構造中のＳＳＧＧの適用を、非常に魅力的なものにする。しかしながら、ＳＳＧＧの成長メカニズムを理解する必要があり、半導体装置の相互接続構造（例えばトレンチ）に大きな結晶粒を導入する必要がある。今までもところ、ＳＳＧＧを可能にするのに必要とされる膜厚は、一般的なトレンチ寸法より大きいため、薄膜中での成長のみが行われている。
本発明は、再結晶した電気化学的に堆積された銅（ＥＣＤ−Ｃｕ）により充填された、少なくとも１つのトレンチおよび／または少なくとも１つのビアを含む半導体装置であって、再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも８０％、８５％、９０％、９１％、または９２％が、[１００]方位で、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅結晶粒からなる半導体装置に関する。
好適には、再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも９３％、９４％、９５％、９６％、または９７％が、[１００]方位で、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅結晶粒からなる。
更に好適には、再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも９８％または９９％が、[１００]方位で、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅結晶粒からなる。
好適には、[１００]方向の銅結晶粒の寸法は、少なくとも２０または２５マイクロメータである。
更に好適には、[１００]方向の銅結晶粒の寸法は、少なくとも５０マイクロメータである。
更に好適には、[１００]方向の銅結晶粒の寸法は、少なくとも１００マイクロメータである。
好適には、トレンチは、本発明にかかる半導体装置において、２００ｎｍより小さい幅を有する。
好適には、トレンチは、１より大きなアスペクト比（幅に対する高さの比）を有する。
好適には、本発明にかかる半導体装置は、（銅が下方の層に拡散するのを防止し、特に銅が下方の誘電体層に拡散するのを防止するための）拡散バリア層と、拡散バリア層の上の再結晶ＥＣＤ−Ｃｕを含む。好適には、拡散バリア層は８ｎｍより小さな膜厚を有する。
好適には、拡散バリア層は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、および／またはマンガン（Ｍｎ）を含み、またはこれらからなる。
本発明の他の目的は、少なくとも１つのトレンチおよび／または少なくとも１つビアに銅を充填する方法であって、
少なくとも１つのトレンチおよび／または少なくとも１つビアを、誘電体材料の層に開口部をエッチングすることにより提供する工程と、
（誘電体材料中への銅の拡散を防止するために）開口部中にバリア層を堆積または形成する工程と、
バリア層上への電気化学的堆積（または電気化学的メッキ）プロセスの手段により堆積した銅で、開口部を充填する工程と、
ＥＣＤ−Ｃｕ上に直接、物理的気相成長プロセスの手段で、更に銅層を堆積する工程と、
ＰＶＤ−Ｃｕを再結晶（即ち、スーパー第２結晶粒成長）するための熱処理を行い、これにより、ＥＣＤ−Ｃｕ（４）にも再結晶（即ち、スーパー第２結晶粒成長）を導入する工程と、
余剰の銅を除去する工程とを含む方法に関する。
好適には、本発明にかかる方法では、トレンチは、５０ｎｍと２００ｎｍとの間に含まれる幅を有する。
好適には、トレンチは、１より大きなアスペクト比を有する。
本発明の方法では、銅（又は誘導層）のＰＶＤ堆積前に、開口部が部分的にＥＣＤ−Ｃｕにより実質的にまたは完全に充填される。好適には、開口部は、ＥＣＤ−Ｃｕにより完全に充填される。
好適には、本発明にかかる方法では、熱処理（熱アニールともいう）が、銅の緩和温度より高い温度で行われる。更に好適には、熱処理は、８０℃より高い温度で行われる。
好適には、熱処理は（約）１００℃と（約）４２０℃の間に含まれる温度で行われ、１００℃と（約）４００℃の間に含まれる温度で行われ、より好適には（約）１３０℃で行われ、より好適には（約）２００℃で行われてもよい。
好適には、本発明にかかる方法では、ＰＶＤ−Ｃｕを堆積するＰＶＤ堆積工程中に、２５０Ｗの基板バイアスが与えられる。
好適には、熱処理は、少なくとの３０分行われ、更に好適には、少なくとも１時間行われ、更に好適には、少なくとも１．５時間行われる。
好適には、本発明にかかる方法では、ＰＶＤ−Ｃｕ層（５）の膜厚は４００ｎｍと１０００ｎｍとの間に含まれ、更に好適には、約５００ｎｍである。
好適には、本発明にかかる方法では、バリア層は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、および／またはマンガン（Ｍｎ）を含み、またはこれらからなる。好適には、バリア層は、α−Ｔａ、β−Ｔａ、又はＴａＮを含み、またはこれらからなる。
本発明にかかる方法では、更に、ＥＣＤ−Ｃｕを堆積する工程前に、好ましくは物理的気相堆積プロセスの手段により、銅のシード層をバリア層上に堆積する工程を含む。
本発明にかかる方法は、更に、ＰＶＤ−Ｃｕを堆積する工程前に、バリア層をストッピング層として、余剰のＥＣＤ−Ｃｕとシード層を除去する工程を含む。
余剰のＥＣＤ−Ｃｕとシード層を除去する工程は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により行われる。
代わりに、本発明にかかる方法では、Ｍｎを銅のシード層に混ぜてもよく（Ｍｎは、物理的気相堆積による銅のシード層の堆積工程中に混ぜられ）、Ｍｎ含有シード層は、続いて熱処理されて、Ｍｎは誘電体材料に向かって移動し、Ｍｎ含有シード層がバリア層として働く。
本発明にかかる方法では、シード層が堆積されず、（もしあれば）余剰のＥＣＤ−Ｃｕは、ウエットおよび／またはドライエッチバックプロセスで除去されても良い。
本発明にかかる方法では、（もしあるか、もし残っていれば）余剰のＰＶＤ−Ｃｕと余剰のバリア層は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去しても良い。除去は、ドライおよび／またはウエットエッチバックにより行われても良い。
本発明にかかる方法では、（ＥＣＤ−ＣｕとＰＶＤ−Ｃｕの双方の再結晶のための）熱処理工程中に、ＭｎがＥＣＤ−Ｃｕにマイグレーションで、誘電体層に向かって混ざり、バリア層として働く。
本発明にかかる方法に内在する異なったパラメータを調整することにより、更には、熱処理中の温度、ＥＣＤ−Ｃｕの膜厚、ＰＶＤ−Ｃｕの膜厚、および／または適用される基板バイアスを調整することにより、再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの８０％以上、または９３％以上、９８％または９９％以上（全ての値に対して、整数または実数が、８０％と９９％の間と考えられる）が、[１００]方向に少なくとも１０ミクロン、少なくとも２０または２５ミクロン、または少なくとも１００ミクロンの大きさを有する導結晶粒からなるようにできる。
本発明にかかる方法は、ダマシン法の又はデュアルダマシン法で、相互接続を形成するために使用することができる。
本発明の他の目的は、本発明にかかる方法で得ることができる半導体装置に関する。
描かれた図面は、単に概略であり限定されるものでは無い。図面において、幾つかの要素の大きさは誇張され、図示目的の縮尺で記載されていない。寸法と、関連する寸法は、本発明の実物に対する現実の縮小には対応していない。
本発明の文脈において、電気化学メッキ（ＥＣＰ）とも呼ばれる「電気化学的堆積（ＥＣＤ）」の用語は、銅を用いてトレンチおよび／またはビアを埋めて、ウエハ基板上に相互接続構造を形成するのに使用されるプロセスをいう。ＥＣＤプロセスは、電気分解の手段により金属（銅）を堆積するプロセスであり、金属イオン（例えばＣｕ（ＩＩ）イオン）を含む水性電解液にウエハ基板を配置する工程を含む。
この出願で用いられる「シード層」の用語は、電気メッキされた銅に要求される電流のための導電性経路を提供するために使用される層をいう。このように、一般には、電気化学堆積プロセスに基板が行われる前に、下層の導電性シード層が基板に適用される。ＰＶＤは、導電性シード層のための好適な適用プロセスである。なぜなら、比較的良好な接着性を有するバリア層の上に、容易に銅を堆積できるからである。
「直接メッキ」の用語は、高抵抗のバリア層を用い、シード層を用いずにバリア層上への直接メッキが可能な、電気化学的堆積（ＥＣＤ）または電気化学的メッキ（ＥＣＰ）をいう。
第２結晶粒および／またはスーパー第２結晶粒の方位（orientation）は、基板に平行な[ｘｙｚ]方向で表される。スーパー第２結晶粒は、[１００]方向に成長し、一方、第２結晶粒は、[１１１]方向に成長する。
本発明の文脈では、「アスペクト比」の用語は、その中に電気的接触が配置される特定の開口部の、幅の寸法に対する高さの寸法の比をいう。例えば、一般には管状形状で多層を通って延びるビア開口部は、高さと直径を有し、アスペクト比は、管の高さを直径で割った値となる。トレンチのアスペクト比は、トレンチの高さを、トレンチの底面の最小幅で割った値である。
更に、記述中に使用される「アニール」の用語は、その表面やバルク中で処理された材料の特性や構造を改変するために、ウエハに施される熱処理をいう。
本発明は、半導体装置のトレンチやビアのような狭い導電性構造中に、スーパー第２結晶粒を形成する方法である。
本発明の方法は、開口部（トレントおよび／またはビア）をＳＳＧで充填し、例えば、シングルダマシン構造（ＳＤ）やデュアルダマシン構造（ＤＤ）のような相互接続構造を形成するのに適する。
トレンチおよび／またはビアを充填して半導体装置中に銅の相互接続構造を形成する方法が開示されている。銅は、再結晶した電気化学的に堆積された銅であり、[１００]方位を有する拡張された銅結晶粒を有することを特徴とする。
拡張された銅結晶粒は、スーパー第２結晶粒（ＳＳＧ）と呼ばれ、ＥＣＤ−Ｃｕの再結晶により得られ、ＥＣＤ−Ｃｕの再結晶は、ＥＣＤ−Ｃｕの上に接触し配置された、ＰＶＤ堆積銅層（ＰＶＤ−Ｃｕ）を再結晶することにより誘起される。
ＰＶＤ堆積銅層（ＰＶＤ−Ｃｕ）中にスーパー第２結晶粒が誘起され、スーパー第２結晶粒は、更に、電気化学的に充填された銅トレンチ中に成長（拡張）する。
本発明は、ＰＶＤ−Ｃｕ層に誘起された後、スーパー第２結晶粒（ＳＳＧ）が更に電気化学的に充填された銅トレンチ中に成長するという驚くべき発見に基づく。電気化学的に充填された銅トレンチは、ＰＶＤ−Ｃｕ層の下方に接触して配置される。もちろん、ＳＳＧは、ＰＶＤ−Ｃｕ層に直接接触していないＥＣＤ−Ｃｕ層のアニールによっては得られない。
ＰＶＤ−Ｃｕ層中でのスーパー第２結晶粒の最初の集中的な成長は、他の方向（相互接続構造に向かいその中）にも続き、１方向に限定されるのを邪魔しないようである。
更には、半導体装置中の狭い相互接続構造（トレンチおよび／またはビア）中で、スーパー第２結晶粒の形成（許容）する方法が開示されている。スーパー第２結晶粒は、[１００]方位の構造と数十ミクロンの大きさを有する。相互接続構造は、好適にはシングルまたはデュアルダマシン構造の一部である。
本発明の方法は、スーパー第２結晶粒を有するような低抵抗の銅に埋められた、狭いトレンチおよび／またはビアを形成するプロセス工程を提供する。本発明の方法による再結晶ＥＣＤ−Ｃｕは、標準の方法で得られるＥＣＤ−Ｃｕより低い抵抗率を表す。
このプロセスは、好適には誘電体層中に開口部（トレントまたはビア）を最初にエッチングすることから始まる。
誘電体層には、半導体プロセスで誘電体材料として使用される適当な材料を使用できる。誘電体層は、ｌｏｗ−ｋ（低誘電率）誘電体材料（即ち、ＳｉＯ２の誘電定数より低い誘電定数を有する誘電体材料）である。
開口部がトレンチの場合、トレンチ開口部は、２００ｎｍより小さな幅と、１より大きなアスペクト比を有することが好ましい。
好適には、続いて、銅の拡散バリア層が開口部内に堆積される。
バリア層は、好適には、物理気相堆積（ＰＶＤ）または原子層堆積（ＡＬＤ）により堆積された層を含む薄いタンタル（Ｔａ）からなる。
より好適には、しかしながら限定するものではないが、Ｔａ含有層は、α−Ｔａ、β−Ｔａ、またはＴａＮの含有層である。
バリア層は、α−Ｔａ、β−Ｔａ、またはＴａＮ層でも良い。
バリア層は、好適には８ｎｍより小さな膜厚を有し、より好適にはトレンチ幅の１０％より小さい膜厚である。
銅の拡散バリアとして機能する他の層（例えば、ＷＣＮ、およびＴａ（Ｎ）／Ｒｕ）も考慮される。
バリア層の上に電気化学メッキを行うために、薄い銅のシード層が堆積されても良く、シード層は好適にはＰＶＤで堆積される。
バリア層の上に銅のシード層を形成する必要のない、直接メッキを用いてもよい。直接メッキは、高抵抗バリア層を用い、シード層は不要でありバリア層上への直接メッキが可能である。
トレンチ開口部の残りの部分は、続いて、電気化学メッキされた銅（ＥＣＤ−Ｃｕ）で充填される。開口部は部分的に充填され、実質的に充填され、または完全に充填される。好適には、開口部は完全に充填される。
余剰のＥＣＤ−Ｃｕと（選択的に）余剰のＰＶＤ−Ｃｕシード層は、（もしあれば）、（フィールド上の）バリア層をストッピング層に用いて（フィールド領域から）除去されても良い。
除去プロセスは、好適には化学機械研磨工程である。代わりにウエットまたはドライエッチバックプロセスを用いても良い。
（好適には、ＥＣＤ−Ｃｕ層より厚い）第２の厚い銅層は、更に誘起層と呼ばれ、高いバイアスを用いた物理気相堆積（ＰＶＤ−Ｃｕ）により平坦化された表面上に堆積される。
高いバイアスは、好適には１５０Ｗより高い。更に好適には、２００ｍｍのウエハに対して少なくとも２５０Ｗである。３００ｍｍウエハに対する最適のバイアスの設定はより高い。
第２のＰＶＤ−Ｃｕ層又は誘起層の厚みは、好適には４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であり、より好適には５００ｎｍである。
熱アニールは薄いＰＶＤ−Ｃｕの誘起膜にスーパー第２結晶粒成長を誘起するために行われる。続いて、スーパー第２結晶粒は、更にＥＣＤ−Ｃｕ中に広がり（又は成長し又は拡張し）、スーパー第２結晶粒（ＳＳＧ）を有する、より低い抵抗率の銅が得られる。
拡張プロセスは、その期間中、誘起されたＳＳＧが成長し続けるプロセスとして理解され、これにより、ＥＣＤ−Ｃｕで充填された狭い構造中に成長し、ＳＳＧが実質的に狭い構造を満たす。
熱アニールは、銅の緩和温度より高い温度で行われる。緩和温度は約８０℃である。熱アニールは８０℃から１２０℃までの範囲の温度で行われる。好適には、熱アニールは１００℃から４２０℃までの温度で行われ、より好適には１００℃から４００℃の温度で行われ、更に好適には２００℃周辺で行われる。
ＳＳＧＧプロセスとＥＣＤ−Ｃｕ構造中のＳＳＧの形成が完了した後、余剰の第２のＰＶＤ−Ｃｕ誘起層が除去される。
除去は、好適には化学機械研磨（ＣＭＰ）又は代わりにウエットおよび／またはドライエッチバックプロセスで行われる。
フィールド上のバリア層は、誘起層の除去に続いて除去される。
代わりに、非常に薄い膜を形成するＥＣＤプロセスを用いた場合、ＰＶＤ銅誘起層は、このＥＣＤ層の上に、中間ＣＭＰ工程無しに直接堆積することができる。最後のＣＭＰ工程では、フィールド上のＰＶＤ誘起層、バリア層、シード層（もしあれば）、およびＥＣＤ−Ｃｕを除去する。
代わりに、バリア工程を省略し、Ｍｎを含むシード層をＥＣＤ前に堆積してもよい。このＭｎ溶質は、続いて、熱アニール中にバリア層を形成する。
代わりに、Ｍｎは、メッキ中にＥＣＤ−Ｃｕに含まれてもよい。Ｍｎは続いて、熱アニール中に誘電体に向かって移動し、バリアとして働く。
本発明は、また、（再結晶した）電気化学的に堆積された銅（ＥＣＤ−Ｃｕ）で充填された少なくとも１つの相互接続構造を有する半導体装置に関する。ＥＣＤ−Ｃｕは、更に、低抵抗率の銅であり、スーパー第２結晶粒（ＳＳＧ）を有する。ＳＳＧは[１００]方位を有する。
更には、再結晶したＥＣＤ銅の８０％より多くが、[１００]方位を有するＳＳＧの形態である。
好適には、再結晶したＥＣＤ銅の９３％より多くが、[１００]方位を有するＳＳＧの形態である。
更に、好適には、再結晶したＥＣＤ銅の９８％より多くが、[１００]方位を有するＳＳＧの形態である。
そのような強い方向性を有する銅構造を形成には、銅のエレクトロマイグレーションが有用である。
ＳＳＧ構造は、更に少なくとも１０ミクロンの寸法を有することを特徴とする。好適には、ＳＳＧは、少なくとも２０ミクロン、少なくとも２５ミクロン、少なくとも５０ミクロン、及び更に好適には少なくとも１００ミクロンの寸法を有する。
ＳＳＧ結晶粒は、最初、ＥＣＤ−Ｃに接触していないＰＶＤ−Ｃｕ誘起層中に形成され、ＳＳＧ結晶粒は、更に、ＥＣＤ−Ｃｕ中に移動（または成長、または拡張）する。ＰＶＤ−Ｃｕ層は好適には、ＳＳＧのＥＣＤ−Ｃｕ中への移動（または成長、または拡張）後に除去される。
拡大された銅結晶粒を有する、銅から形成された相互接続構造は、単位体積当たりの結晶粒界の数の低減により、改良された抵抗率を有する。
拡大された銅結晶粒は、好適には少なくとも１０ミクロン（μｍ）の寸法を有し、より好適には少なくとも２５ミクロン（μｍ）の寸法を有し、更に好適には少なくとも１００ミクロン（μｍ）の寸法を有する。ここで、ＥＣＤ−Ｃｕのアニール後に得られる、通常の第２の銅結晶粒は、１〜２ミクロン（μｍ）の寸法を有する。
本発明にかかる方法や半導体装置で使用される銅は、好適には、半導体産業で使用される一般的な種類の銅合金を含む。更に好適には、好適な具体例では、約９８重量％の銅を含む銅合金が使用される。
本発明の好適な具体例にかかる方法を、図２（Ａ）から（Ｈ）に示す。
本発明の方法は、ボイドの発生無く、低抵抗率の銅で相互接続の銅を形成するために、１より大きなアスペクト比を有するトレンチを充填するための問題を解決する。
銅の物理的気相堆積（ＰＶＤ）は、電気化学的堆積（ＥＣＤ）銅層に比較してより密度の高い堆積された銅を形成する。しかしながら、トレンチをＰＶＤで充填することは、この技術が浅い構造でのボイド形成につながることから望まれない。
一方、ＥＣＤは狭い形態を、完全にボトムアップして充填できる技術として知られている。
ＰＶＤで堆積された銅中の歪は、基板バイアスを調整することにより堆積プロセス中に調整することができることが知られている。これにより、より好適な[１００]方位の銅を増加（例えば８０％より多い）させ、スーパー第２銅結晶粒（ＳＳＧ）の成長を可能とする。
思いがけず、本発明は、トレンチおよび／またはビアを充填する技術と相互接続構を形成する技術の双方の利点を合わせ持ち、または言い換えれば、ＥＣＤ銅で充填されたトレンチおよび／またはビア中で、ＳＳＧの成長を可能とする。
狭いトレント（および／またはビア）中でのＳＳＧの形成について説明する。
スーパー第２銅結晶粒（ＳＳＧ）は、[１００]方位で、数十ミクロンの長さの構造を有する、拡大された銅結晶粒は、好適には、少なくとも１０ミクロン（μｍ）の寸法を有し、更に好適には少なくとも２５ミクロン（μｍ）の寸法を有し、最も好適には少なくとも１００ミクロン（μｍ）の寸法を有する。一方、ＥＣＤ−Ｃｕのアニール後に得られる通常の第２の銅結晶粒は、１〜２μｍの寸法である。
本発明の方法を適用した後、ＥＣＤ銅の８０％より多くが（ＳＧＧ形状で）[１００]方位を有し、より好適には、ＥＣＤ銅の９３％より多くが[１００]方位を有し、更に好適には、ＥＣＤ銅の９８％より多くが[１００]方位を有する。
そのような強力な方向性の同構造の形成には、銅のエレクトロマイグレーションが有利である。
最初に第２の結晶粒を、ＥＣＤ−Ｃｕ構造の上を覆う誘起層に導入することにより、ＳＳＧＧがＥＣＤ−Ｃｕ中に形成される。誘起層は、ＰＶＤ堆積された銅（含有）層である。
本発明のかかる好適な方法は、基板中に、相互接続構造を形成するための、最初に開口部（即ち、トレンチまたはビア）を形成する工程を含む。
この構造は、好適には、基板上にＳｉＯ２のような誘電体層１、またはＣＶＤ堆積ＳｉＣＯＨ材料（例えばBlack Diamond（登録商標））のようなｌｏｗ−ｋ（低誘電率）、または有機スピンオン材料（例えばSilk（登録商標））等を有する、能動素子を含む半導体ウエハである。
フォトリソグラフィックパターニングに続き、誘電体層１に開口部（トレンチまたはビア）をエッチング形成するために、反応性イオンエッチングが用いられる。
開口部がトレンチの場合、トレンチ開口部は、好適には、少なくとも２００ｎｍの幅を有し、アスペクト比は１より大きい。
続いて、連続したバリア層２が、誘電体基板１の上に堆積される。バリア層２は、誘電体層の上部と同様に（余剰層とよばれる）、開口部の側壁や底部の上に、連続した層として堆積される。
銅の拡散バリア層２は、α−Ｔａ（結晶）、β−Ｔａ（結晶）、またはＴａＮ（アモルファス）の層のような、Ｔａ含有層であることが好ましい。
技術の他の状態では、銅拡散層は、また、例えば、Ｔｉ含有層（例えばＴｉＮ／Ｔｉ）、Ｗ含有層（例えばＷＣＮ）、Ｒｕ含有層等であっても良い。
バリア層２は、好適には、物理的気相堆積（ＰＶＤ）または原子層堆積（ＡＬＤ）により堆積される。ＰＶＤ対せ吉佐凹は、好適には８ｎｍより小さな厚みを有する。好適には、バリア層２の厚みはトレンチ幅の１０％より小さい。
好適な具体例では、バリア層上に、シード層３が堆積される。シード層３は、好適には、好ましくは１０ｎｍから７０ｎｍまでの範囲の厚みを有し、更に好ましくは３０ｎｍの厚みを有するＰＶＤ堆積された銅層である。シード層３は先に堆積されたバリア層２の上に均一に堆積される。最も好ましいくは、開口部の側壁がシード層３のよって完全に覆われる。シード層３は、後に電気化学的メッキのための導電経路を提供する。
シード層３を堆積した後、基板はメッキ溶液に浸責され、銅がメッキ浴からシード層の表面に電気化学的に堆積する。開口部（トレンチまたはビア）を、ＥＣＤ−Ｃｕ４により完全に充填できる。副次的な効果として、余剰な銅が、フィールド領域の迂遠に存在する。
余剰なＥＣＤ−Ｃｕの膜厚に依存して、余剰（ＥＣＤ−Ｃｕ）が続いて化学機械研磨（ＣＭＰ）又はエッチバックにより除去される。
図２（Ｆ）に示すように、フィールド上に存在するバリア層２は、エッチバックまたはＣＭＰのストッピング層となりうる。
図２（Ｇ）に示すように、薄い銅層が平坦化された表面上に堆積される。銅層は、堆積中に高いバイアスを用いてＰＤＶ堆積された銅層である。
高バイアスの設定は、装置の特性でも良い。好適なバイアスは１５０ワットより高く、更に好適には２００ｍｍウエハに対して２５０Ｗ程度である。
３００ｍｍウエハに対する最適なバイアス設定は、２００ｍｍウエハに対するものより高くなるであろう。
薄いＰＶＤ−Ｃｕ層５は、更にこの応用では、誘起層と呼ばれる。
ＰＶＤ−Ｃｕ誘起層５の膜厚は、好適には、４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲であり、更に好適には５００ｎｍ程度である。
ＰＶＤ−Ｃｕ層は、また、（堆積中に与えられる高い基板バイアスにより）高歪を有する層として特徴づけられる。
イオン金属プラズマ（ＩＭＰ）や自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）堆積のような、近年開発されたＰＶＤ堆積技術を用いることもできる。
続いて、熱処理または熱アニールが行われ、ＰＶＤ−Ｃｕ誘起層９中での再結晶が達成される。
誘起層（ＰＶＤ−Ｃｕ）の堆積と、熱アニールとの間の期間は、できるだけ短いことが好ましい。
最も好適な熱アニールは、銅の緩和温度の直上の温度で行われ、銅の緩和温度は、８０℃から１２０℃までの範囲である。
アニール温度は、好適には１００℃から４２０℃までの範囲であり、より好適には１００℃と４００℃の間である。更に好適には、アニール温度は１３０℃程度であり更には約２００℃である。
図６は、アニール温度を関数とした、ＰＶＤ−Ｃｕ層中の歪緩和を示す。
歪緩和が達成され、ＳＳＧ成長が最適化される、本発明の熱アニール最適な温度範囲を示す。
熱アニール中に、ＳＳＧが誘起層（ＰＶＤ−Ｃｕ）中に誘起され、ＳＳＧは更に下部のＥＣＤ−Ｃｕ中に拡がる。
熱アニール工程は、好適には、最低０．５時間（３０分）行われ、好適には１時間行われ、更に好適には１．５程度行われる。
最低アニール時間は、ＳＳＧＧを形成し拡張するのに必要とされ、異なるパラメータの関数で調整され、特に、与えられるバイアス、ＥＣＤ−Ｃｕ層およびＰＶＤ−Ｃｕ層の厚み、又は[１１０]方位を有し、１０、２５、１００μｍより高い寸法を有する銅のパーセンテージの関数として調整される。
熱アニールの間、スーパー第２結晶粒成長（ＳＳＧＧ）はＰＶＤ−Ｃｕ誘起層９中に誘起される。
ＳＳＧＧは、[１１０]方位を有し、少なくとも数十ミクロンの結晶粒の大きさを有するスーパー第２結晶粒（ＳＳＧ）を形成する。
ＥＣＤ−Ｃｕを改変（ＥＣＤ−Ｃｕ中に８０％より多いＳＳＧを形成）するための熱アニールの最適時間は、更に、ＥＣＤ−Ｃｕ堆積に使用される化学（メッキ浴の成分）に依存する。
ＳＳＧは、低抵抗率と改良されたエレクトロマイグレーションを有する特徴を有し、そのサイズ（大きさ）により殆ど粒界がない、ＳＳＧは下部のＥＣＤ−Ｃｕ中に成長し続け、開口部は少なくとも部分的にＳＳＧ６により充填される。
熱アニールの後、ＰＶＤ−Ｃｕ誘起層９とバリア層５が除去される。
除去は、好適には化学機械研磨技術または代わりのウエットおよび／またはドライエッチバック技術の手段により達成される。
代わりのそして好適な具体例では、高い抵抗率のバリア層上への直接メッキが、開口部を銅で電気化学的に充填する技術として使用される。
この代わりが、図３（Ａ）−（Ｉ）に模式的に示されており、開口部中のバリア層上に、直接メッキされたＥＣＤ−Ｃｕ８を有している。
この代わりでは、バリア層上へのシード層の堆積工程が不要となっている。
高抵抗率のバリア層は、ＴｉＮ／Ｔｉ層またはＴａＮ層でも良い。
代わりに、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、又はＲｕ）の薄層またはクラスタが、バリア層上に堆積され、直接メッキプロセスを有利にしても良い。
他の代わりのそして好適な具体例では、銅の電気化学的堆積が最適化され、ＥＣＤ−Ｃｕの非常に薄い余剰膜のみがフィールド領域上に形成される。
これにより、フィールド領域上のＥＣＤ−Ｃｕの除去工程（例えば、ＣＭＰ手段）が不要となる。
最終ＣＭＰ工程は、フィールド上のシード層やＥＣＤ−Ｃｕと同様に、ＰＶＤ−Ｃｕ誘起層を除去する。この代わりは、図４（Ａ）−（Ｈ）に模式的に示されている。
他の代わりのそして好適な具体例では、バリア層の堆積が省略でき、銅の堆積中にＭｎが造の中に混ぜられる（例えば、ＭｎとＣｕの合金、Ｍｎは合金の５重量％から１５重量％で残部はＣｕ）。
Ｍｎは、開口部（ビアまたはトレンチ）の側壁や底部上にシード層を堆積する間に、Ｃｕシード層中に混合される。
代わりに、電気化学的メッキプロセス中に、ＭｎがＥＣＤ−Ｃｕに混入されても良い。
上述の具体例に記載したようなＳＳＧＧを誘起するための熱アニール中に、Ｍｎは誘電体材料に向かって移動し、バリアとして働く。
この代わりは、（直接Ｃｕ−Ｃｕ接続となる）デュアルダマシン構造中で、セルフアラインのバリア層を形成するデュアルダマシンプロセスで非常に有益である。
全ての図面は、本発明の形態や具体例を描くことだけを意図とする。装置は、明確化のために単純化して描かれる。全ての代替えまたは選択肢が描かれるわけではなく、それゆえに本発明は、添付された図面の内容に限定されるものでは無い。同じ数字は、異なった形態中の同一部分を表すのに使用される。
従来技術にかかる導電性構造（例えばトレンチ）の形成およびそれに続くトレンチ内への銅の充填と再結晶（従来技術）を示す。 （Ａ）−（Ｉ）は、本発明の方法により、狭いトレンチ（またはビア）に電気メッキされた銅（ＥＣＤ−Ｃｕ）を埋め、続いて、本発明にかかる方法で銅の再結晶を行い、ＥＣＤ−Ｃｕ中にスーパー第２結晶粒成長（ＳＳＧＧ）を形成する（また得る）、本発明の好適な具体例を示す。 （Ａ）−（Ｉ）は、本発明の方法により、狭いトレンチ（またはビア）を抵抗バリア層上への銅の直接メッキを用いて埋め、続いて、本発明にかかる方法で銅の再結晶を行い、ＥＣＤ−Ｃｕ中にスーパー第２結晶粒成長（ＳＳＧＧ）を形成する（また得る）、本発明の他の好適な具体例を示す。 （Ａ）−（Ｈ）は、狭いトレンチ（またはビア）に電気メッキされた銅を用いて埋める本発明の他の好適な具体例を示す。電気メッキされた銅は、非常に薄い被覆層を有し、余剰の平坦化工程を省略できる。本発明にかかる方法で、続いて銅の再結晶を行い、ＥＣＤ−Ｃｕ中にスーパー第２結晶粒成長（ＳＳＧＧ）を形成する。 ２５０Ｗで堆積され、２５０℃で１時間アニールされた、厚みが５００ｎｍのＰＶＤ膜のスーパー第２結晶粒を示す（スケールバーは５００μｍ）。 本発明の方法にかかるスーパー結晶粒の成長の温度範囲を示す（アニール）温度を関数としたＥＣＤ堆積されたＣｕ中の歪を示す。 （ａ）はオリジナル[１１１]結晶学方位を有するＥＣＤ堆積された銅に観察される結晶学方位の分布（組織）を示す。（ｂ）ＳＧＧ結晶粒とＳＳＧＧ結晶粒の双方が存在する結晶粒構造を示す。（ｃ）に示すようにＳＳＧＧが最も完全な状態では、アズデポ膜のオリジナル[１１１]組織が（本発明の方法を実施した後において）完全に消滅する。 トレンチの断面積を関数とした（トレンチの高さは１３０ｎｍ）、Ｃｕトレンチのための標準抵抗率の値（即ち、本発明にかかる方法を行わない）を示す。

Claims (35)

  1. 再結晶した電気化学的に堆積された銅（ＥＣＤ−Ｃｕ）が充填された、少なくとも１つのトレンチおよび／または少なくとも１つのビアを含む半導体装置であって、
    再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも８０％が、[１００]方位と、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅の結晶粒からなる半導体装置。
  2. 再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも９３％が、[１００]方位と、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅の結晶粒からなる請求項１のかかる半導体装置。
  3. 再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも９８％が、[１００]方位と、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅の結晶粒からなる請求項１のかかる半導体装置。
  4. [１００]方位を有する銅の結晶粒が、少なくとも２５ミクロンの寸法である請求項１〜３のいずれかにかかる半導体装置。
  5. [１００]方位を有する銅の結晶粒が、少なくとも１００ミクロンの寸法である請求項１〜３のいずれかにかかる半導体装置。
  6. トレンチが、２００ｎｍより小さな幅を有する請求項１〜５のいずれかにかかる半導体装置。
  7. トレンチが、１より大きなアスペクト比（幅に対する高さの比）を有する請求項６にかかる半導体装置。
  8. 再結晶したＥＣＤ−Ｃｕが、拡散バリア層の上に横たわる請求項１〜７のいずれかにかかる半導体装置。
  9. 拡散バリア層が、８ｎｍより小さな厚みを有する請求項８にかかる半導体装置。
  10. 拡散バリア層が、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、および／またはマンガン（Ｍｎ）を含むまたはからなる請求項８または９にかかる半導体装置。
  11. 少なくとも１つのトレンチおよび／または少なくとも１つのビアを銅で埋める方法であって、
    誘電体材料（１）の層に開口部をエッチングし、少なくとも１つのトレンチおよび／または少なくとも１つのビアを形成する工程と、
    誘電体材料（１）中に銅が拡散するのを防止するために、開口部中にバリア層（２）を堆積または形成する工程と、
    バリア層（２）上への電気化学的堆積（または電気化学的メッキ）プロセスの手段により、銅（４）を堆積させて開口部を充填する工程と、
    ＥＣＤ−Ｃｕ（４）上に直接、物理的気相堆積プロセスの手段で更に銅層（５）を堆積する工程と、
    ＰＶＤ−Ｃｕ（５）の再結晶を誘起する（即ち、スーパー第２結晶粒成長を誘起する）ために熱処理を行い、これにより、再結晶（即ち、スーパー第２結晶粒成長）をＥＣＤ−Ｃｕ（４）中にも誘起する工程と、
    余剰の銅を除去する工程とを含む方法。
  12. トレンチが、５０ｎｍと２００ｎｍの間に幅を有する請求項１１にかかる方法。
  13. トレンチが、１より大きなアスペクト比を有する請求項１２にかかる方法。
  14. 熱処理が、（約）１００℃と（約）４２０℃の間の温度で行われる請求項１１〜１３のいずれかにかかる方法。
  15. 熱処理が、（約）２００℃で行われる請求項１４にかかる方法。
  16. ２５０Ｗの基板バイアスが、ＰＶＤ−Ｃｕ（５）の堆積のためのＰＶＤ堆積中に適用される請求項１１〜１５のいずれかにかかる方法。
  17. 熱処理が、少なくとも３０分行われる請求項１１〜１６のいずれかにかかる方法。
  18. ＰＶＤ−Ｃｕ層（５）の膜厚が、４００ｎｍと１０００ｎｍの間である請求項１１〜１７のいずれかにかかる方法。
  19. バリア層（２）が、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、および／またはマンガン（Ｍｎ）を含むまたはからなる請求項１１〜１８のいずれかにかかる方法。
  20. バリア層（２）が、α−Ｔａ、β−Ｔａ、又はＴａＮを含むまたはからなる請求項１１〜１９のいずれかにかかる方法。
  21. ＥＣＤ−Ｃｕ（４）の堆積工程の前に、好適には物理的気相堆積プロセスの手段により、バリア層（２）上に銅のシード層（３）を堆積する工程を更に含む請求項１１〜２０のいずれかにかかる方法。
  22. 最初、物理的気相堆積により、銅のシード層（３）の堆積中に、銅のシード層（３）中にＭｎを混入しながらバリア層（２）を形成し、続いて、Ｍｎ含有シード層をアニールする請求項１１〜１８のいずれかにかかる方法。
  23. ＰＶＤ−Ｃｕ（５）の堆積工程前に、余剰のＥＣＤ−Ｃｕ（４）を除去する工程を更に含む請求項１１〜２２のいずれかにかかる方法。
  24. ＰＶＤ−Ｃｕ（５）の堆積工程前に、可能であればバリア層（２）をストッピング層として用いて、余剰のＥＣＤ−Ｃｕ（４）とシード層（３）とを除去する工程を更に含む請求項２１にかかる方法。
  25. 余剰のＥＣＤ−Ｃｕ（４）および可能であれば余剰のシード層（３）の除去工程が、化学機械研磨（ＣＭＰ）により行われる請求項２３又は２４にかかる方法。
  26. 余剰のＰＶＤ−Ｃｕ（５）と余剰のバリア層（２）とを除去する工程を更に含む請求項１１〜２５のいずれかにかかる方法。
  27. 余剰のＰＶＤ−Ｃｕ（５）と余剰のバリア層（２）を除去する工程が、化学機械研磨（ＣＭＰ）で行われる請求項２６にかかる方法。
  28. 余剰のＰＶＤ−Ｃｕ（５）と余剰のバリア層（２）を除去する工程が、ドライおよび／またはウエットエッチバックで行われる請求項２６にかかる方法。
  29. ＭｎがＥＣＤ−Ｃｕ（４）中に混入され、熱処理工程中に、誘電体層に向かって移動してバリア層として働く請求項１１〜２８のいずれかにかかる方法。
  30. 再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも８０％が、[１００]方位で、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅結晶粒からなる請求項１１〜２９のいずれかにかかる方法。
  31. 再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも９３％が、[１００]方位で、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅結晶粒からなる請求項１１〜２９のいずれかにかかる方法。
  32. 再結晶したＥＣＤ−Ｃｕの少なくとも９８％が、[１００]方位で、少なくとも１０ミクロンの寸法を有する銅結晶粒からなる請求項１１〜２９のいずれかにかかる方法。
  33. 請求項１１〜３２のいずれかにかかる方法を含む相互接続形成用のダマシン方法。
  34. 請求項１１〜３２のいずれかにかかる方法を含む相互接続形成用のデュアルダマシン方法。
  35. 請求項１１〜３４のいずれかにかかる方法により得られる半導体装置。
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