JP2008515229A - 後工程のための均一な銅相互接続部及び形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＭＰの間に浸食も樹状突起も発生させない銅相互接続部を提供すること。
【解決手段】 不純物含有銅シード層（４４０）を備える相互接続部によって、後工程半導体デバイスの銅相互接続部の縁の欠陥が緩和される。不純物含有銅シード層（４４０）が障壁層（２３０）を覆い、障壁層（２３０）が開口部を有する絶縁層（１１５）を覆う。電気めっき銅が絶縁層（１１５）の開口部を埋める。化学的機械研磨により、障壁層（２３０）と、電気めっき銅浴から得られた不純物含有銅シード層（４４０）と、電気めっき銅とが、絶縁層（１１５）に平坦化される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般に半導体デバイスに関し、より詳細には後工程（ｂａｃｋ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｅ）の半導体構造体に用いられる銅相互接続部に関する。

半導体チップは一連のデバイスを備える。デバイスは、下のシリコン・ベース層に接続され、上の配線層スタックすなわち相互接続層又は相互接続部に接続される。相互接続部が、デバイスをシリコン・ベース層に接続する。相互接続層は、ピン−配線接続部すなわち孔又はバイアの第１の層と配線接続部すなわち配線の第２の層とが交互になっている。最も一般的な相互接続部形成技術であるデュアル・ダマシン法は、２つの構造体すなわちバイアとトレンチが同時に導電体で埋められるプロセスのことをいう。デュアル・ダマシン法は、ステップを節約し、したがってコストを節約する。

デュアル・ダマシン法に従って形成された銅相互接続部は、後工程（「ＢＥＯＬ」）半導体構造体において幅広く用いられている。バイア及びトレンチは絶縁層にエッチングされる。次に、任意の銅の堆積の前に、絶縁層上に障壁層が配置される。銅は絶縁層を通り抜けてシリコン層に拡散することがあり、それは銅がシリコンのコンダクタンスに悪影響を及ぼすため問題であることから、エッチングされた絶縁層の上に障壁層が堆積される。障壁層はまた、シード層と絶縁層とを結合させる。障壁層に関するさらなる詳細は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４において見出すことができる。障壁層の上に、純銅シード層が堆積される。純銅シード層は、電気めっき銅からの銅の核生成を容易にする。次に、電気めっき銅浴からの電気めっき銅がバイア及びトレンチを埋める。その後、化学的機械研磨（「ＣＭＰ」）が、余分な銅を除去し、銅相互接続部を平坦化させる。シード層とは異なり、電気めっき銅浴は不純物含有銅（ｉｍｐｕｒｅ ｃoｐｐｅｒ）を含む。

図１は、デュアル・ダマシンを用いて絶縁層１１５、例えば誘電体にエッチングされたトレンチ１１０及びバイア１２０を備えるエッチングされた構造体を示す。図２は、純銅シード層２４０が形成された、未完成の従来技術の相互接続部を示す。図３は、トレンチ及びバイアを埋め、ＣＭＰによって絶縁層と平坦化される電気めっき銅３５０が付加された、完成した従来技術の相互接続部を示す。図３においては、シード層２４０とトレンチ及びバイアを埋める電気めっき銅３５０との組成が従来技術の相互接続部とは異なることは明白である。より詳細には、シード層２４０は純銅を含み、一方、電気めっき銅３５０は不純物を含む。歴史的には、純銅がアルミニウムよりも導電性が高いことが知られていたため、純銅シード層が用いられていた。しかしながら、従来技術の相互接続部に関連する欠点が図３（ａ）に明らかに示されており、それは後でさらに詳しく説明する。

前述のように、従来技術では純銅シード層を使用している。業界においては、こうした銅は典型的には９９．９９９％純粋である。不純物含有銅は、純銅よりも大きい粒径を有し、したがって、不純物含有銅は、純銅よりも抵抗が低く、導電性が高く、より高速の銅相互接続部をもたらす。ＣＭＰの間、純銅は、不純物含有銅よりも遅い速さで研磨される。しかしながら、ＣＭＰ速度より問題なのは、純銅が、ＣＭＰの間に形成される相互接続部の縁に沿って欠陥を生じさせることである。より詳細には、ＣＭＰの間に、純銅シード層に突起が発生することになる、すなわち、樹状突起が発生し、相互接続部の縁が浸食される。浸食された相互接続部の縁が、図３（ａ）にはっきりと示されている。

図３（ａ）は、図３に示された従来技術の銅相互接続部の縁の分解図である。図３（ａ）に示されるように、純銅シード層の使用は、従来技術の相互接続部の浸食を招く。浸食３９０は、純銅シード層２４０に始まり、従来技術の相互接続部の電気めっき銅３５０の中へ延びる。浸食は、図３（ａ）にはっきりと示されている。縁の浸食３９０以外にも、図３（ａ）は、従来技術の銅相互接続部に関連する別の欠陥、すなわち樹状突起の発生も明白にしている。純銅シード層の縁に、樹状突起３９５として知られる突起が形成される。相互接続部の縁の浸食と樹状突起の発生との両方が、従来技術の銅相互接続部に関連した問題である。

米国特許第６，７０９，５６２号 米国特許第６，３８０，６２８号 米国特許第６，３３９，２５８号 米国特許第６，３３７，１５１号

従来技術において必要とされるのは、ＣＭＰの間に浸食も樹状突起も発生させない銅相互接続部である。

本発明は、不純物含有銅シード層を備えた銅相互接続部を対象にする。不純物含有銅シード層は、電気めっき銅浴から得られ、障壁層上に堆積される。障壁層は、下にある絶縁層の中への銅の実質的な拡散を防止する。次に、電気めっき銅浴から得られた不純物含有銅が、絶縁層の開口部を埋める。

不純物含有銅シード層の存在により、本発明は、従来技術の相互接続部と同じ断面積を有するが、縁の浸食及び樹状突起の発生の欠点を緩和する、銅相互接続部をもたらす。本発明の別の利点は、本発明の銅相互接続部が、導入済みの相互接続部製造プロセスを変更することなしに、従来技術の相互接続部よりも導電性が高いことである。

本発明の特徴を示す構造体及び要素が、添付の請求項の詳細について記載される。図面は、単なる説明のためのものであって、尺度どおりには描かれていない。さらに、図面において同じ符号は同じ構造体を表す。しかしながら、本発明自体は、構成と作動方法との両方に関するものであり、付属の図面と組み合わせて以下の詳細な説明を参照することによって、最も良く理解することができる。

ここで、本発明を付属の図面を参照しながら説明する。図面においては、構造体の種々の態様が図示されており、本発明をより明白に説明し例証するために簡単化された形で概略的に表される。

概要及び説明のために、本発明は、完成された銅相互接続部の電気めっき銅と実質的に同じ組成を有する不純物含有銅シード層の使用を開示している。不純物含有銅シード層の不純物含有銅と電気めっき銅との両方が、不純物含有銅シード・ソースすなわちターゲットから得られ、その不純物含有量は、０．００１重量％以上１．２０重量％以下であり、すなわち、数学的に言えば、

である。こうした不純物含有銅ソースは、当該技術分野では一般によく知られている。シード層の堆積は、不純物含有銅中の微量元素すなわち不純物に影響を及ぼす。例えば、シード層の堆積法の１つとしてスパッタリングが知られている。不純物含有銅シード層中の不純物は、電気めっき銅浴による電気めっき中の不純物として正確にスパッタされない。したがって、不純物含有銅シード層中の銅の組成と電気めっき銅中の銅の組成が僅かに異なることになる。スパッタリングは、不純物含有銅層堆積法の１つであるが、他の方法には、物理的気相堆積法（「ＰＶＤ」）、化学的気相堆積法（「ＣＶＤ」）、イオン化物理的気相堆積法（「ＩＰＶＤ」）、及び原子層堆積法（「ＡＬＤ」）がある。ＰＶＤは、この限りではないが、ＤＣ又はＲＦプラズマ・スパッタリング、バイアス・スパッタリング、マグネトロン・スパッタリング、イオンめっき、又はイオン化金属プラズマ・スパッタリングといった種々の蒸着及びスパッタリング技術を含む。ＣＶＤは、この限りではないが、熱ＣＶＤ、プラズマ増強ＣＶＤ、低圧ＣＶＤ、高圧ＣＶＤ、及び有機金属ＣＶＤを含む。つまり、堆積は、不純物含有銅の組成に影響を及ぼす。しかしながら、不純物含有銅シード層及び電気めっき銅中の銅は、両方とも不純物含有量が０．００１重量％以上１．２０重量％以下のソースから得られるため、不純物含有銅シード層及び電気めっき銅の組成は、実質的に同じである。

電気めっき銅は、主に金属と有機材料からなる無数の不純物を有する。幾つかのこうした不純物には、この限りではないが、Ａｇ、Ａｓ、Ｃ、Ｃｄ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎ、Ｎｉ、Ｏ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｎ、Ｔｌ及びＺｎがある。不純物は相互接続部の抵抗を減少させるため、こうした不純物は相互接続を強化する。

電気めっき銅と実質的に同じ組成の銅シード層の好ましい形成方法は、不純物含有銅ターゲットを用いることと、ターゲット材料を障壁層上に堆積することを含み、これは、後工程（ＢＥＯＬ）相互接続部を埋めるのに用いられるのと同じタイプの銅めっき浴を用いてターゲットを電気めっきすることによって達成される。前述のように、障壁層は、絶縁層の中への銅の拡散を防止する。或いは、純銅シード・ソースに不純物を混ぜ込むことができるが、これは、混ぜ込みされた銅が抵抗性とならないように注意深く監視する必要がある。

本発明の代替的な実施形態は、不純物含有銅シード層で埋められた銅相互接続部を含む。本発明の第１の実施形態においては、障壁層の上に不純物含有銅シード層が堆積され、電気めっき銅浴からの不純物含有銅が絶縁層の開口部を埋める（充填する）。対照的に、本発明のこうした代替的実施形態においては、障壁層の上に不純物含有銅シード層が堆積され、それが絶縁層の開口部を埋める。こうした代替的実施形態は、絶縁層の開口部を埋める電気めっき銅浴から得られる不純物含有銅の必要性をなくす。代わりに、不純物含有銅シード層が絶縁層の開口部を埋める。

図４は、本発明に従って形成された未完成の銅相互接続部を示す。図４の未完成の銅相互接続部は、不純物含有銅シード層４４０を備える。図５は、図４の未完成の相互接続部に電気めっき銅３５０が付加された、本発明に従って形成された完成した銅相互接続部を示す。堆積前に、不純物含有銅シード層４４０の銅の組成は、電気めっき銅３５０と実質的に同じであり、それは、両方とも不純物含有量が０．００１重量％以上１．２０重量％以下のソース（源）から得られるためである。不純物含有シード層の堆積は、不純物含有銅シード層中の幾つかの不純物に影響を及ぼす。ゆえに、堆積後、電気めっき銅３５０中の幾つかの不純物は不純物含有銅シード層４４０中には存在しない。結果として、不純物含有銅シード層４４０の組成と電気めっき銅３５０の組成は、実質的に同じである。図５に示すように、不純物含有銅シード層４４０の組成は、電気めっき銅３５０の組成に実質的に等しい。

図５（ａ）は、図５に示された本発明の完成した銅相互接続部の縁の分解図を示す。図５（ａ）に示されるように、不純物含有銅シード層の使用により、図３（ａ）に示された縁の浸食が減少する。さらに、図５（ａ）はまた、不純物含有銅シード層がＣＭＰの間の樹状突起の発生を抑えることを明白に示している。したがって、図５（ａ）は、本発明の銅相互接続部が、ＣＭＰの間の浸食及び樹状突起の発生を緩和させる銅相互接続部であることを示している。

本発明は、特定の好ましい実施形態及び代替的実施形態と組み合わせて詳細に説明されたが、上記の説明に照らして多くの別法、修正及び変形が当業者に明らかとなることは明白である。したがって、添付の請求項は、全てのこうした別法、修正及び変形を、本発明の真の精神及び範囲内に含まれるものとして包含することを意図されている。

本発明は、半導体デバイスの分野において有用であり、より詳細には、後工程の半導体製造に用いるための銅相互接続部及びこうした銅相互接続部の形成方法を対象とする。

絶縁層１１５内にトレンチ１１０及びバイア１２０を備えたエッチングされた構造体を示す図である。 従来技術の方法に従って図１のエッチングされた構造体に付加される障壁層２３０と純銅シード層２４０が形成された、未完成の相互接続部を示す図である。 図２の未完成の相互接続部に電気めっき銅３５０が付加された、完成した従来技術の相互接続部を示す図であり、図３（ａ）は、図３の完成した従来技術の相互接続部の縁の分解図である。 本発明に係る障壁層４３０及び不純物含有銅シード層４４０が形成された、未完成の相互接続部を示す図である。 本発明に従って形成された図４の未完成の相互接続部に電気めっき銅３５０が付加された、完成した相互接続部を示す図であり、図５（ａ）は、本発明に従って形成された図５の完成した相互接続部の縁の分解図である。

Claims (20)

1. 銅相互接続部であって、
   或る量の不純物を含有する不純物含有銅ソースから得られ、下にある絶縁層（１１５）の中への銅の実質的な拡散を防止する障壁層（２３０）の上に堆積された、不純物含有銅シード層（４４０）と、
   或る量の不純物を含有する不純物含有銅ソースから得られ、下にある前記絶縁層（１１５）の開口部を埋める、不純物含有銅（３５０）と、
   を含む銅相互接続部。
2. 前記不純物含有銅シード層（４４０）の前記銅ソースが、前記不純物含有銅（３５０）の前記銅ソースに等しい、請求項１に記載の銅相互接続部。
3. 前記不純物の含有量が、前記不純物含有銅シード層（４４０）及び前記不純物含有銅（３５０）の少なくとも１つの０．００１重量％以上１．２０重量％以下を占める、請求項１に記載の銅相互接続部。
4. 堆積前に前記不純物含有銅シード層（４４０）中の前記不純物含有銅が前記不純物含有銅（３５０）に実質的に等しい、請求項１に記載の銅相互接続部。
5. 前記不純物含有銅ソース中の前記銅が、Ａｇ、Ａｓ、Ｃ、Ｃｄ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎ、Ｎｉ、Ｏ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｎ、Ｔｌ及びＺｎの群から選択された不純物を含有する、請求項１に記載の銅相互接続部。
6. 銅相互接続部を形成する方法であって、
   或る量の不純物を含有する不純物含有銅シード・ソースから得られた不純物含有銅シード層（４４０）を、下にある絶縁層（１１５）の開口部の内部を覆い、下にある前記絶縁層（１１５）の中への前記銅の実質的な拡散を防止する障壁層（２３０）の上に堆積するステップと、
   前記開口部を、或る量の不純物を含有する不純物含有銅シード・ソースから得られた不純物含有銅（３５０）で埋めるステップと、
   を含む方法。
7. 前記不純物含有銅シード層（４４０）の前記銅シード・ソースが前記不純物含有銅（３５０）の前記銅シード・ソースに等しい、請求項６に記載の方法。
8. 前記不純物の含有量が、前記不純物含有銅シード層（４４０）及び前記不純物含有銅（３５０）の少なくとも１つの０．００１重量％以上１．２０重量％以下を占める、請求項６に記載の方法。
9. 前記不純物含有銅シード・ソースが、Ａｇ、Ａｓ、Ｃ、Ｃｄ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎ、Ｎｉ、Ｏ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｎ、Ｔｌ及びＺｎの群から選択された不純物を含有する、請求項６に記載の方法。
10. 堆積前に前記不純物含有銅シード層（４４０）中の前記不純物含有銅が前記不純物含有銅（３５０）に実質的に等しい、請求項６に記載の方法。
11. 前記不純物含有銅シード層（４４０）が、スパッタリング、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＩＰＶＤ、及びＡＬＤの少なくとも１つによって堆積される、請求項６に記載の方法。
12. 前記不純物含有銅シード層（４４０）、前記障壁層（２３０）及び前記不純物含有銅（３５０）を、前記不純物含有銅シード層（４４０）、前記障壁層（２３０）及び前記不純物含有銅（３５０）が前記絶縁層（１１５）と平坦化されるまで化学的機械研磨するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
13. 銅相互接続部であって、
    開口部を有する絶縁層（１１５）と、
    下にある前記絶縁層（１１５）上に堆積され前記開口部の内部を覆い、下にある前記絶縁層（１１５）の中への銅の実質的な拡散を防止する、障壁層（２３０）と、
    或る量の不純物を含有する不純物含有銅ソースから得られ、前記障壁層（２３０）上に堆積され前記開口部を埋める、不純物含有銅シード（３５０）と、
    を備えた銅相互接続部。
14. 前記不純物の含有量が、前記不純物含有銅シード（３５０）の０．００１重量％以上１．２０重量％以下を占める、請求項１３に記載の銅相互接続部。
15. 前記不純物含有銅ソースから得られる前記不純物含有銅（３５０）が、Ａｇ、Ａｓ、Ｃ、Ｃｄ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎ、Ｎｉ、Ｏ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｎ、Ｔｌ及びＺｎの群から選択された不純物を含有する、請求項１３に記載の銅相互接続部。
16. 銅相互接続部を形成する方法であって、
    絶縁層（１１５）を堆積するステップと、
    前記絶縁層（１１５）に開口部をエッチングするステップと、
    前記絶縁層（１１５）への前記銅の実質的な拡散を防止する障壁層（２３０）を、前記開口部の内部を覆って前記絶縁層（１１５）内に堆積するステップと、
    前記開口部を、或る量の不純物を含有する不純物含有銅シード・ソースから得られた不純物含有銅シード（３５０）で埋めるステップと、
    を含む方法。
17. 前記不純物の含有量が、前記不純物含有銅シードの０．００１重量％以上１．２０重量％以下を占める、請求項１６に記載の方法。
18. 前記不純物含有銅シード（３５０）及び前記障壁層（２３０）を、前記不純物含有銅シード（３５０）及び前記障壁層（２３０）が前記絶縁層（１１５）と平坦化されるまで化学的機械研磨するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記不純物含有銅シード・ソースが、Ａｇ、Ａｓ、Ｃ、Ｃｄ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎ、Ｎｉ、Ｏ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｎ、Ｔｌ及びＺｎの群から選択された不純物を含有する、請求項１６に記載の方法。
20. 前記不純物含有銅シード（３５０）が、スパッタリング、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＩＰＶＤ、及びＡＬＤの少なくとも１つによって堆積される、請求項１６に記載の方法。

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