JP2011524078A - 銅表面上への選択的コバルト堆積 - Google Patents

銅表面上への選択的コバルト堆積 Download PDF

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Abstract

本発明の実施形態は、露出誘電表面を覆う銅表面上にコバルト層を選択的に形成するプロセスを提供する。一実施形態では、前処理プロセスの間に金属銅表面を形成している間は処理チャンバー内の基板の汚染された銅表面を還元剤にさらすステップと、気相堆積プロセスの間に基板上の誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってまたは上にコバルトキャッピング層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、コバルトキャッピング層および誘電表面を覆ってまたは上に誘電障壁層を堆積させるステップとを包含する、基板上の銅表面をキャッピングするための方法が、提供される。別の実施形態では、堆積−処理サイクルは、気相堆積プロセスを実行した後に後処理プロセスを実行するステップを包含し、その堆積−処理サイクルは、複数のコバルトキャッピング層を形成するために繰り返されてもよい。

Description

本発明の実施形態は一般に、半導体デバイスを製造するための金属化プロセスに関し、より詳しくは、実施形態は、基板上にコバルト材料を堆積させることによって銅のデウェッティングを防止することに関する。
銅は、半導体デバイス製造に極めて重要である多層金属化プロセスでの使用のための現在のえり抜きの金属である。製造プロセスを推進する多層相互接続は、コンタクト、ビア、配線、および他の特徴を包含する高アスペクト比開口の平坦化を必要とする。空洞を生じさせるまたは特徴形状を変形させることなく特徴を埋めることは、特徴がより高いアスペクト比を有するときほどより困難である。相互接続の信頼できる形成もまた、製造業者が回路密度および品質を向上させようと努力するほどより困難である。
銅の使用が、その相対的な低コストおよび処理特性のために市場に浸透したので、半導体製造業者は、銅の拡散およびデウェッティングを低減することによって銅と誘電材料との間の境界領域を改善する方法を探し続けている。特徴寸法が減少したのにつれて、いくつかの処理方法が、銅相互接続を製造するために開発された。各処理方法は、境界領域を横切る銅拡散、銅結晶構造変形、およびデウェッティングなどの誤りの可能性を増大させることもある。物理気相堆積法（ＰＶＤ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、化学機械研磨法（ＣＭＰ）、電気化学めっき法（ＥＣＰ）、電気化学機械研磨法（ＥＣＭＰ）、ならびに銅層を堆積させるおよび除去する他の方法は、相互接続を形成する銅を巧みに扱うために機械的、電気的、または化学的方法を利用する。障壁およびキャッピング層が、銅を含有するために堆積されることもある。
従来は、タンタル、窒化タンタル、またはスズ、アルミニウム、もしくはマグネシウムとの銅合金の層が、銅と他の材料との間の障壁層または接着促進剤を提供するために使用された。これらの選択肢は、高価であるまたは部分的にだけ有効であるまたは両方である。境界領域に沿った銅原子が、多段階半導体処理の間によく見られる温度、圧力、雰囲気条件、または他のプロセス変数の変化を経験すると、銅は、境界領域に沿って移動し、凝集した銅になることもある。銅はまた、境界領域に沿ってより均一性が低く分散して、デウェッティングした銅になることもある。境界領域でのこれらの変化は、銅原子の応力マイグレーションおよびエレクトロマイグレーションを包含する。誘電層または他の構造体を横切る銅の応力マイグレーションおよびエレクトロマイグレーションは、結果として生じる構造体の抵抗率を増加させ、結果として生じるデバイスの信頼性を低減する。
コバルトを含有する障壁層は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、およびＡＬＤプロセスによって堆積されてきた。コバルトを堆積させるＰＶＤプロセスはしばしば、正確な堆積厚さを制御するのが難しい。ＣＶＤプロセスは通常、堆積コバルト層での貧弱な共形性および汚染物質に悩まされる。典型的なＡＬＤプロセスの間に、コバルト前駆体および還元剤が、所望のコバルト層を形成するために連続して基板にさらされる。ＡＬＤプロセスは、非常に共形的な膜および高アスペクト比のビア中への堆積能力などの、他の気相堆積プロセスに優るいくつかの利点を有する。しかしながら、ＡＬＤプロセスの堆積速度は、しばしば低すぎて、それでＡＬＤプロセスは、商業的応用であまり使用されない。
従って、銅含有層の安定性および接着性を高める必要性が、特に銅シード層のために存在する。また、誘電材料などの隣接材料中への銅の拡散を防止しながら、銅含有層のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）信頼性を改善する必要性も、特に銅配線形成のために存在する。コバルト材料を堆積させる気相堆積プロセスの改善の必要性が、さらに存在する。
本発明の実施形態は、露出誘電表面を覆う銅表面上にコバルト層を選択的に形成するプロセスを提供する。一実施形態では、基板を処理チャンバー内に位置決めするステップであって、基板は、汚染された銅表面および誘電表面を含有する、ステップと、前処理プロセスの間に金属銅表面を形成している間は汚染された銅表面を還元剤にさらすステップと、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってまたは上にコバルトキャッピング層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、コバルトキャッピング層および誘電表面を覆ってまたは上に誘電障壁層を堆積させるステップとを包含する、基板上の銅表面をキャッピングするための方法が、提供される。
いくつかの例では、その方法はさらに、前処理プロセスの間に金属銅表面を形成するために汚染された銅表面上の酸化銅を化学的に還元するステップを包含する。汚染された銅表面は、還元剤にさらされてもよく、プラズマが、前処理プロセスの間に点火され、還元剤は、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）、アンモニア／窒素混合物、またはそれらの組合せなどの試薬を含有してもよい。いくつかの例では、汚染された銅表面は、約５秒から約１５秒の範囲内の時間に亘ってプラズマにさらされてもよい。別の例では、還元剤は、水素ガスを含有し、前処理プロセスは、熱プロセスであり、基板は、熱プロセスの間に約２００℃から約４００℃の範囲内の温度に加熱される。
他の例では、その方法はさらに、誘電障壁層を堆積させるステップに先行する後処理プロセスの間にコバルトキャッピング層を試薬およびプラズマにさらすステップを包含する。試薬は、窒素、アンモニア、水素、アンモニア／窒素混合物、またはそれらの組合せを含有してもよい。
別の実施形態では、堆積−処理サイクルは、気相堆積プロセスを実行した後に後処理プロセスを実行するステップを包含し、堆積−処理サイクルは、複数のコバルトキャッピング層を堆積させるために２回、３回、または４回以上実行される。コバルトキャッピング層の各々は、堆積−処理サイクルの各々の間に約３Åから約５Åの範囲内の厚さに堆積されてもよい。全体のコバルトキャッピング材料またはコバルトキャッピング層は、約４Åから約２０Å、好ましくは約５Åから約１５Åの範囲内の厚さを有してもよい。いくつかの例では、コバルトキャッピング層は、約２Åから約８Åなどの、約１０Å未満の厚さを有する。
基板は、気相堆積プロセスの間にコバルト前駆体ガスおよび水素ガスを含有する堆積ガスにさらされてもよく、気相堆積プロセスは、熱化学気相堆積プロセスまたは原子層堆積プロセスであり、ここでコバルト前駆体ガスは、一般化学式（ＣＯ）ｘＣｏｙＬｚを有するコバルト前駆体を含有し、ただしＸは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、または１２であり、Ｙは、１、２、３、４、または５であり、Ｚは、１、２、３、４、５、６、７、または８であり、Ｌは、シクロペンタジエニル、アルキルシクロペンタジエニル、メチルシクロペンタジエニル、ペンタメチルシクロペンタジエニル、ペンタジエニル、アルキルペンタジエニル、シクロブタジエニル、ブタジエニル、アリル、エチレン、プロピレン、アルケン、ジアルケン、アルキン、ニトロシル、アンモニア、それらの誘導体、またはそれらの組合せから単独で選択されるリガンドである。コバルト前駆体ガスは、トリカルボニルアリルコバルト、シクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）、メチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）、エチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）、ペンタメチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）、ジコバルトオクタ（カルボニル）、ニトロシルコバルトトリス（カルボニル）、ビス（シクロペンタジエニル）コバルト、（シクロペンタジエニル）コバルト（シクロヘキサジエニル）、シクロペンタジエニルコバルト（１，３−ヘキサジエニル）、（シクロブタジエニル）コバルト（シクロペンタジエニル）、ビス（メチルシクロペンタジエニル）コバルト、（シクロペンタジエニル）コバルト（５−メチルシクロペンタジエニル）、ビス（エチレン）コバルト（ペンタメチルシクロペンタジエニル）、それらの誘導体、それらの錯体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せから成る群から選択されるコバルト前駆体を含有してもよい。一例では、コバルト前駆体は、シクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）を含有する。
別の実施形態では、基板を処理チャンバー内に位置決めするステップであって、基板は、酸化銅表面および誘電表面を含有する、ステップと、前処理プロセスの間に金属銅表面を形成している間は酸化銅表面をアンモニアプラズマまたは水素プラズマにさらすステップと、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってまたは上にコバルトキャッピング層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、後処理プロセスの間にコバルトキャッピング層をプラズマにさらすステップと、コバルトキャッピング層および誘電表面を覆ってまたは上に誘電障壁層を堆積させるステップとを包含する、基板上の銅表面をキャッピングするための方法が、提供される。
いくつかの例では、堆積−処理サイクルは、気相堆積プロセスを実行した後に後処理プロセスを実行するステップによって形成される。堆積−処理サイクルは、複数のコバルトキャッピング層を堆積させるために２回、３回、または４回以上実行されてもよい。コバルトキャッピング層の各々は、堆積−処理サイクルの各々の間に約３Åから約５Åの範囲内の厚さに堆積されてもよい。
別の例では、酸化銅表面は、前処理プロセスの間に約５秒から約１５秒の範囲内の時間に亘ってアンモニアプラズマまたは水素プラズマにさらされてもよい。プラズマは、後処理プロセスの間にコバルトキャッピング層にさらされてもよく、窒素、アンモニア、アンモニア／窒素混合物、または水素を含有する。
別の実施形態では、基板を処理チャンバー内に位置決めするステップであって、基板は、酸化銅表面および誘電表面を含有する、ステップと、前処理プロセスの間に金属銅表面を形成している間は酸化銅表面をアンモニアプラズマまたは水素プラズマにさらすステップと、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってまたは上にコバルトキャッピング層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスおよび水素ガスにさらすステップと、後処理プロセスの間にコバルトキャッピング層をプラズマならびに窒素、アンモニア、水素、アンモニア／窒素混合物、およびそれらの組合せから成る群から選択される試薬にさらすステップとを包含する、基板上の銅表面をキャッピングするための方法が、提供される。
別の実施形態では、基板を処理チャンバー内に位置決めするステップであって、基板は、汚染された銅表面および誘電表面を含有する、ステップと、前処理プロセスの間に金属銅表面を形成している間は汚染された銅表面を還元剤にさらすステップと、堆積−処理サイクルの間に誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってコバルトキャッピング層を堆積させるステップとを包含する、基板上の銅表面をキャッピングするための方法が、提供される。一例では、堆積−処理サイクルは、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってまたは上に第１のコバルト層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、処理プロセスの間に第１のコバルト層を窒素、アンモニア、アンモニア／窒素混合物、または水素を含有するプラズマにさらすステップと、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら第１のコバルト層を覆ってまたは上に第２のコバルト層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、処理プロセスの間に第２のコバルト層をプラズマにさらすステップとを包含する。その方法はさらに、コバルトキャッピング層および誘電表面を覆ってまたは上に誘電障壁層を堆積させるステップを提供する。
いくつかの例では、その方法は、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら第２のコバルト層を覆ってまたは上に第３のコバルト層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、処理プロセスの間に第３のコバルト層をプラズマにさらすステップとを提供する。
本発明の上で列挙された特徴が、詳細に理解できるように、上で簡潔に要約された本発明のより詳しい記述が、実施形態を参照することによってなされてもよく、それのいくつかは、添付の図面で例示される。しかしながら、本発明は、他の同等に有効な実施形態を認めてもよいので、添付の図面は、この発明の典型的な実施形態だけを例示し、従って本発明の範囲を限定すると考えられるべきでないことに留意すべきである。
本明細書で述べられる実施形態による処理および堆積プロセスを例示する流れ図を描写する図である。 Ａ〜Ｅは、本明細書で述べられる実施形態による異なるプロセスステップにおける基板の概略図を描写する図である。 本明細書で述べられる別の実施形態による堆積プロセスを例示する流れ図を描写する図である。
本発明の実施形態は、相互接続境界領域での銅の拡散およびデウェッティングを防止するためにコバルトキャッピング層または材料を利用する方法を提供する。遷移金属、例えばコバルトは、処理の間に接着性を促進し、拡散および凝集を減少させ、基板表面の均一な粗さおよびウェッティングを促すために銅境界領域特性を改善する。実施形態は、コバルトキャッピング層が、基板上の誘電表面を露出したままにしながら基板上の銅コンタクトまたは表面上に選択的に堆積できると定める。
図１は、本発明の実施形態によるプロセス１００を例示する流れ図を描写する。プロセス１００は、研磨プロセス後に基板上の銅コンタクト表面を洗浄し、キャッピングするために使用されてもよい。一実施形態では、プロセス１００のステップ１１０〜１４０は、図２Ａ〜２Ｅで描写される基板２００に使用されてもよい。プロセス１００は、基板を前処理プロセスにさらすステップ（ステップ１１０）と、基板の露出銅表面上にコバルトキャッピング層を堆積させるステップ（ステップ１２０）と、基板を後処理プロセスにさらすステップ（ステップ１３０）と、基板上に誘電障壁層を堆積させるステップ（ステップ１４０）とを包含する。
図２Ａは、研磨プロセスにさらされていた後に下層２０２を覆って配置された誘電層２０４を含有する基板２００を描写する。銅コンタクト２０８は、誘電層２０４内に配置され、障壁層２０６によって誘電層２０４から分離されている。誘電層２０４は、低ｋ誘電材料などの誘電材料を含有する。一例では、誘電層２０４は、炭化シリコン酸化物材料または炭素ドープ酸化シリコン材料などの低ｋ誘電材料、例えばＳａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｉｎｃ．から入手できるＢＬＡＣＫ ＤＩＡＭＯＮＤ（登録商標）ＩＩ低ｋ誘電材料を含有する。
障壁層２０６は、誘電層２０４内の開口中に共形的に堆積されてもよい。障壁層２０６は、ＰＶＤプロセス、ＡＬＤ、またはＣＶＤプロセスによって形成されるまたは堆積されてもよく、約５Åから約５０Å、好ましくは約１０Åから約３０Åの範囲内の厚さを有してもよい。障壁層２０６は、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タングステン、それらのシリサイド、それらの誘導体、またはそれらの組合せを含有してもよい。いくつかの実施形態では、障壁層２０６は、タンタル／窒化タンタル二重層またはチタン／窒化チタン二重層を含有してもよい。一例では、障壁層２０６は、ＰＶＤプロセスによって堆積された窒化タンタルおよび金属タンタルの層を含有する。
化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスなどの研磨プロセスの間に、銅コンタクト２０８の上部表面は、基板領域２１０にわたって露出され、汚染物質２１２が、銅コンタクト２１２上に形成される。汚染物質２１２は通常、研磨プロセスの間にまたは後に形成される酸化銅を含有する。銅コンタクト２０８の露出表面は、研磨溶液中の過酸化物、水、もしくは他の試薬によってまたは周囲空気内の酸素によって酸化されることもある。汚染物質２１２はまた、水分、界面活性剤および他の添加剤を包含する研磨溶液残留物、または研磨して除去された材料の微粒子を包含することもある。
プロセス１００のステップ１１０において、汚染物質２１２は、基板２００を前処理プロセスにさらすことによって基板領域２１０から除去できる。銅表面２１４は、図２Ｂで例示されるように、いったん汚染物質２１２が銅コンタクト２０８から処理されるまたは除去されると露出する。酸化銅は、基板２００を還元剤にさらすことによって化学的に還元できる。前処理プロセスは、熱プロセスまたはプラズマプロセスの間に基板２００を還元剤にさらす。還元剤は、液体状態、気体状態、プラズマ状態、またはそれらの組合せを有してもよい。前処理プロセスの間に有用である還元剤は、水素（例えば、Ｈ２または原子状Ｈ）、アンモニア（ＮＨ３）、水素およびアンモニアの混合物（Ｈ２／ＮＨ３）、原子状Ｎ、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、またはプロパノール）、それらの誘導体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せを包含する。基板２００は、前処理プロセスの間にその場でまたは遠隔で形成されるプラズマにさらされてもよい。
一実施形態では、基板２００は、銅表面２１４を形成している間は汚染物質２１２を銅コンタクト２０８から除去するために熱前処理プロセスにさらされる。基板２００は、処理チャンバー内に位置決めされ、還元剤にさらされ、約２００℃から約８００℃、好ましくは約２５０℃から約６００℃、より好ましくは約３００℃から約５００℃の範囲内の温度に加熱されてもよい。基板２００は、約２分から約２０分、好ましくは約５分から約１５分の範囲内の時間に亘って加熱されてもよい。例えば、基板２００は、水素雰囲気を含有する処理チャンバーで約１２分間約５００℃に加熱されてもよい。
別の実施形態では、基板２００は、銅表面２１４を形成している間は汚染物質２１２を銅コンタクト２０８から除去するためにプラズマ前処理プロセスにさらされる。基板２００は、処理チャンバー内に位置決めされ、還元剤にさらされ、約１００℃から約４００℃、好ましくは約１２５℃から約３５０℃、より好ましくは約１５０℃から約３００℃の範囲内の、約２００℃または約２５０℃などの温度に加熱されてもよい。処理チャンバーは、その場プラズマを生成するまたは遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）を備えてもよい。一実施形態では、基板２００は、約２秒から約６０秒、好ましくは約３秒から約３０秒、好ましくは約５秒から約１５秒の範囲内の、約１０秒などの時間プラズマ（例えば、その場のまたは遠隔の）にさらされてもよい。プラズマは、約２００ワットから約１，０００ワット、好ましくは約４００ワットから約８００ワットの範囲内の電力で生成されてもよい。一例では、基板２００は、プラズマが約５トールにおいて約１０秒間４００ワットで発生されながら水素ガスにさらされてもよい。別の例では、基板２００は、プラズマが約５トールにおいて約２０秒間８００ワットで発生されながらアンモニアガスにさらされてもよい。別の例では、基板２００は、プラズマが約５トールにおいて約１５秒間４００ワットで発生されながら水素およびアンモニアのガス状混合物にさらされてもよい。
プロセス１００のステップ１２０において、コバルトキャッピング層２１６は、図２Ｃで例示されるように、基板領域２１０にわたって誘電層２０４の露出表面を裸のままにしながら銅表面２１４上に選択的に堆積できるまたは形成できる。従って、基板領域２１０に沿って、コバルトキャッピング層２１６は、誘電層２０４の表面をコバルトキャッピング層２１６がないまたは少なくとも実質的にないままにしながら銅表面２１４上に選択的に堆積される。最初は、コバルトキャッピング層２１６は、銅表面２１４にわたって連続的な層または不連続な層であってもよいが、複数の堆積サイクルを行った後は連続的な層である。
汚染物質２１８は、図２Ｃで描写されるように、コバルトキャッピング層２１６の上ならびに誘電層２０４の表面などの、基板領域２１０の全体にわたって集まることもある。汚染物質２１８は、炭素、有機残さ、前駆体残さ、および基板領域２１０上に集められる他の望ましくない材料などの、堆積プロセスからの副生成物を包含することもある。
基板２００は、プロセス１００のステップ１３０において後処理プロセスの間にその場でまたは遠隔で形成されるプラズマにさらすことができる。後処理プロセスは、コバルトキャッピング層２１６の密度をさらに高くしながら基板２００から汚染物質の総量を除去するまたは低減する。後処理プロセスは、プラズマプロセスの間に基板２００およびコバルトキャッピング層２１６を還元剤にさらしてもよい。後処理プロセスの間に有用である還元剤は、水素（例えば、Ｈ２または原子状Ｈ）、アンモニア（ＮＨ３）、水素およびアンモニアの混合物（Ｈ２／ＮＨ３）、窒素（例えば、Ｎ２または原子状Ｎ）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、それらの誘導体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せを包含する。コバルトキャッピング層２１６は、後処理プロセスの間に約２秒から約６０秒、好ましくは約３秒から約３０秒、より好ましくは約５秒から約１５秒の範囲内の時間に亘ってプラズマにさらされてもよい。
一例では、コバルトキャッピング層は、処理チャンバーの水素ガスをその場でまたは遠隔で点火することによって形成される水素プラズマにさらされる。別の例では、コバルトキャッピング層は、処理チャンバーのアンモニアガスをその場でまたは遠隔で点火することによって形成されるアンモニアプラズマにさらされる。別の例では、コバルトキャッピング層は、処理チャンバーの水素ガスおよびアンモニアガスの混合物をその場でまたは遠隔で点火することによって形成される水素／アンモニアプラズマにさらされる。
ステップ１３０または３３０などでの、プラズマ処理プロセスの間に、プラズマは、遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）システムなどによって、処理チャンバーの外部で発生されてもよく、または好ましくは、プラズマは、ＰＥ−ＣＶＤチャンバーなどの、プラズマ発生可能な堆積チャンバーでその場で発生されてもよい。プラズマは、マイクロ波（ＭＷ）周波数発生器またはラジオ周波数（ＲＦ）発生器から発生されてもよい。好ましい例では、その場プラズマは、ＲＦ発生器によって発生される。処理チャンバーは、プラズマ処理プロセスの間に約０．１トールから約８０トール、好ましくは約０．５トールから約１０トール、より好ましくは約１トールから約５トールの範囲内の圧力に加圧されてもよい。また、チャンバーまたは基板は、約５００℃未満、好ましくは約１００℃から約４５０℃、より好ましくは約１５０℃から約４００℃の範囲内の、例えば約３００℃の温度に加熱されてもよい。
処理プロセスの間に、プラズマは、その場プラズマプロセスのために処理チャンバー内で点火されてもよく、または別法として、ＲＰＳシステムなどの外部源によって形成されてもよい。ＲＦ発生器は、約１００ｋＨｚから約６０ＭＨｚの範囲内の周波数に設定されてもよい。一例では、１３．５６ＭＨｚの周波数を持つＲＦ発生器は、約１００ワットから約１，０００ワット、好ましくは約２５０ワットから約６００ワット、より好ましくは約３００ワットから約５００ワットの範囲内の電力出力を有するように設定されてもよい。一例では、３５０ｋＨｚの周波数を持つＲＦ発生器は、約２００ワットから約２，０００ワット、好ましくは約５００ワットから約１，５００ワット、より好ましくは約８００ワットから約１，２００ワットの範囲内の、例えば約１，０００ワットの電力出力を有するように設定されてもよい。基板の表面は、約０．０１ワット／ｃｍ２から約１０．０ワット／ｃｍ２、好ましくは約０．０５ワット／ｃｍ２から約６．０ワット／ｃｍ２の範囲内の表面積当たりの電力値を有するプラズマにさらされてもよい。
別の実施形態では、ステップ１２０は、少なくとも１回、２回、またはより多く繰り返される。ステップ１２０は、コバルトキャッピング層２１６の単一層を形成するために１回だけ実行される、またはコバルトキャッピング層２１６の２、３、４、５、もしくはより多い層などの、コバルトキャッピング層２１６の多重層を形成するために多数回実行されてもよい。別の実施形態では、ステップ１２０および１３０は、２、３、４またはより多い回数でないにしても、少なくとも１回連続して繰り返される。コバルトキャッピング層２１６は、約２Åから約３０Å、好ましくは約３Åから約２５Å、より好ましくは約４Åから約２０Å、より好ましくは約５Åから約１５Å、より好ましくは約５Åから約１０Åの範囲内の、約７Åまたは約８Åなどの厚さを有して堆積されてもよい。一例では、ステップ１２０および１３０の２つのサイクルが、約７Åの厚さを持つコバルトキャッピング層２１６を形成するために実行される。別の例では、ステップ１２０および１３０の３つのサイクルが、約８Åの厚さを持つコバルトキャッピング層２１６を形成するために実行される。
コバルトキャッピング層２１６は、ステップ１２０の間に不活性ガスによって運ばれるコバルト含有前駆体の熱分解によって堆積されてもよい。還元ガスは、コバルト前駆体とともに処理チャンバー中に同時に流されるまたは交互にパルス的に送り込まれてもよい。基板は、約５０℃から約６００℃、好ましくは約１００℃から約５００℃、より好ましくは約２００℃から約４００℃の範囲内の温度に加熱されてもよい。別法として、コバルトキャッピング層２１６は、ＡＬＤまたはＣＶＤプロセスで基板をコバルト含有前駆体ガスにさらすことによって堆積されてもよい。
図３は、コバルトキャッピング層２１６などのコバルト含有材料を形成するために使用されてもよいプロセス３００の流れ図を描写する。一実施形態では、プロセス３００は、コバルトキャッピング材料を形成するために基板を堆積ガスにさらすステップ（ステップ３１０）と、オプションとして堆積チャンバーをパージするステップ（ステップ３２０）と、基板をプラズマ処理プロセスにさらすステップ（ステップ３３０）と、堆積チャンバーをパージするステップ（ステップ３４０）と、所定の厚さのコバルトキャッピング材料が基板上に形成されたかどうかを決定するステップ（ステップ３５０）とを包含する。一実施形態では、ステップ３１０〜３５０のサイクルは、もしコバルトキャッピング材料が所定の厚さを有して形成されなかったならば繰り返されてもよい。別の実施形態では、ステップ３１０および３３０のサイクルは、もしコバルトキャッピング材料が所定の厚さを有して形成されなかったならば繰り返されてもよい。別法として、プロセス３００は、いったんコバルトキャッピング材料が所定の厚さを有して形成されたならば停止されてもよい。
一実施形態では、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってまたは上にコバルトキャッピング層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスおよび水素ガスにさらすステップと、後処理プロセスの間にコバルトキャッピング層をプラズマおよび窒素、アンモニア、水素、アンモニア／窒素混合物、またはそれらの組合せなどの試薬にさらすステップとを包含する、基板上の銅表面をキャッピングするための方法が、提供される。
別の実施形態では、堆積−処理サイクルの間に誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってコバルトキャッピング材料を堆積させるステップを包含する、基板上の銅表面をキャッピングするための方法が、提供される。一例では、堆積−処理サイクルは、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら金属銅表面を覆ってまたは上に第１のコバルト層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、処理プロセスの間に第１のコバルト層を窒素、アンモニア、アンモニア／窒素混合物、または水素を含有するプラズマにさらすステップとを包含する。その方法はさらに、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら第１のコバルト層を覆ってまたは上に第２のコバルト層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、処理プロセスの間に第２のコバルト層をプラズマにさらすステップとを提供する。
いくつかの例では、その方法は、気相堆積プロセスの間に誘電表面を露出したままにしながら第２のコバルト層を覆ってまたは上に第３のコバルト層を選択的に形成するために基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、処理プロセスの間に第３のコバルト層をプラズマにさらすステップとを提供する。
本明細書で述べられるＣＶＤまたはＡＬＤプロセスによってコバルト含有材料（例えば、金属コバルトまたはコバルト合金）を形成するのに適したコバルト前駆体は、コバルトカルボニル錯体、コバルトアミジナート化合物、コバルトセン化合物、コバルトジエニル錯体、コバルトニトロシル錯体、それらの誘導体、それらの錯体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せを包含する。いくつかの実施形態では、コバルト材料は、参照により本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された米国特許第７，２６４，８４６号および２００３年５月２２日に出願され、米国特許出願公開第２００５−０２２０９９８号として公開された米国特許出願第１０／４４３，６４８号でさらに述べられるＣＶＤおよびＡＬＤプロセスによって堆積されてもよい。
いくつかの実施形態では、コバルトカルボニル化合物または錯体が、コバルト前駆体として利用さてもよい。コバルトカルボニル化合物または錯体は、一般化学式（ＣＯ）ｘＣｏｙＬｚを有し、ただしＸは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、または１２であってもよく、Ｙは、１、２、３、４、または５であってもよく、Ｚは、１、２、３、４、５、６、７、または８であってもよい。群Ｌは、存在しないか、１つのリガンドまたは複数のリガンドであり、それは、同じリガンドもしくは異なるリガンドであってもよく、シクロペンタジエニル、アルキルシクロペンタジエニル（例えば、メチルシクロペンタジエニルまたはペンタメチルシクロペンタジエニル）、ペンタジエニル、アルキルペンタジエニル、シクロブタジエニル、ブタジエニル、エチレン、アリル（またはプロピレン）、アルケン、ジアルケン、アルキン、アセチレン、ブチルアセチレン、ニトロシル、アンモニア、それらの誘導体、それらの錯体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せを含有する。いくつかの例となるコバルトカルボニル錯体は、シクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）（ＣｐＣｏ（ＣＯ）２）、トリカルボニルアリルコバルト（（ＣＯ）３Ｃｏ（ＣＨ２ＣＨ＝ＣＨ２））、ジコバルトヘキサカルボニルブチルアセチレン（ＣＣＴＢＡ、（ＣＯ）６Ｃｏ２（ＨＣ≡ＣｔＢｕ））、ジコバルトヘキサカルボニルメチルブチルアセチレン（（ＣＯ）６Ｃｏ２（ＭｅＣ≡ＣｔＢｕ））、ジコバルトヘキサカルボニルフェニルアセチレン（（ＣＯ）６Ｃｏ２（ＨＣ≡ＣＰｈ））、ヘキサカルボニルメチルフェニルアセチレン（（ＣＯ）６Ｃｏ２（ＭｅＣ≡ＣＰｈ））、ジコバルトヘキサカルボニルメチルアセチレン（（ＣＯ）６Ｃｏ２（ＨＣ≡ＣＭｅ））、ジコバルトヘキサカルボニルジメチルアセチレン（（ＣＯ）６Ｃｏ２（ＭｅＣ≡ＣＭｅ））、それらの誘導体、それらの錯体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せを包含する。
別の実施形態では、コバルトアミジナートまたはコバルトアミド錯体が、コバルト前駆体として利用されてもよい。コバルトアミド錯体は、一般化学式（ＲＲ’Ｎ）ｘＣｏを有し、ただしＸは、１、２、または３であってもよく、ＲおよびＲ’は独立して、水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、アルキル、シリル、アルキルシリル、それらの誘導体、またはそれらの組合せである。いくつかの例となるコバルトアミド錯体は、ビス（ジ（ブチルジメチルシリル）アミド）コバルト（（（ＢｕＭｅ２Ｓｉ）２Ｎ）２Ｃｏ）、ビス（ジ（エチルジメチルシリル）アミド）コバルト（（（ＥｔＭｅ２Ｓｉ）２Ｎ）２Ｃｏ）、ビス（ジ（プロピルジメチルシリル）アミド）コバルト（（（ＰｒＭｅ２Ｓｉ）２Ｎ）２Ｃｏ）、ビス（ジ（トリメチルシリル）アミド）コバルト（（（Ｍｅ３Ｓｉ）２Ｎ）２Ｃｏ）、トリス（ジ（トリメチルシリル）アミド）コバルト（（（Ｍｅ３Ｓｉ）２Ｎ）３Ｃｏ）、それらの誘導体、それらの錯体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せを包含する。
いくつかの例となるコバルト前駆体は、メチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）（ＭｅＣｐＣｏ（ＣＯ）２）、エチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）（ＥｔＣｐＣｏ（ＣＯ）２）、ペンタメチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）（Ｍｅ５ＣｐＣｏ（ＣＯ）２）、ジコバルトオクタ（カルボニル）（Ｃｏ２（ＣＯ）８）、ニトロシルコバルトトリス（カルボニル）（（ＯＮ）Ｃｏ（ＣＯ）３）、ビス（シクロペンタジエニル）コバルト、（シクロペンタジエニル）コバルト（シクロヘキサジエニル）、シクロペンタジエニルコバルト（１，３−ヘキサジエニル）、（シクロブタジエニル）コバルト（シクロペンタジエニル）、ビス（メチルシクロペンタジエニル）コバルト、（シクロペンタジエニル）コバルト（５−メチルシクロペンタジエニル）、ビス（エチレン）コバルト（ペンタメチルシクロペンタジエニル）、コバルトテトラカルボニルヨウ化物、コバルトテトラカルボニルトリクロロシラン、塩化カルボニルトリス（トリメチルフォスフィン）コバルト、コバルトトリカルボニル−ハイドロトリブチルフォスフィン、アセチレンジコバルトヘキサカルボニル、アセチレンジコバルトペンタカルボニルトリエチルフォスフィン、それらの誘導体、それらの錯体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せを包含する。
本明細書で述べられるプロセスによってコバルト含有材料（例えば、金属コバルト、コバルトキャッピング層、またはコバルト合金）を形成するのに有用である、還元剤を包含する適切な試薬は、水素（例えば、Ｈ２または原子状Ｈ）、原子状Ｎ、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、水素およびアンモニアの混合物（Ｈ２／ＮＨ３）、ボラン（ＢＨ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、トリエチルボラン（Ｅｔ３Ｂ）、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、トリシラン（Ｓｉ３Ｈ８）、テトラシラン（Ｓｉ４Ｈ１０）、メチルシラン（ＳｉＣＨ６）、ジメチルシラン（ＳｉＣ２Ｈ８）、フォスフィン（ＰＨ３）、それらの誘導体、それらのプラズマ、またはそれらの組合せを包含する。
プロセス１００のステップ１４０の間に、誘電障壁層２２０は、図２Ｅで描写されるように、コバルトキャッピング層２１６を覆っておよび基板２００上に堆積できる。低誘電率を有する誘電障壁層２２０は、基板２００上に、基板領域２１０にわたって、およびコバルトキャッピング層２１６を覆って堆積されてもよい。誘電障壁層２２０は、炭化シリコン、窒化シリコン、酸化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン酸化物もしくは炭素ドープ酸化シリコン材料、それらの誘導体、またはそれらの組合せなどの、低ｋ誘電材料を含有してもよい。一例では、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｉｎｃ．から入手できるＢＬＯＫ（登録商標）低ｋ誘電材料が、誘電障壁層２２０のための低ｋ誘電材料として利用されてもよい。誘電障壁層２２０に適した材料の例は、参照により本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された米国特許第６，５３７，７３３号、第６，７９０，７８８号および第６，８９０，８５０号で述べられるプロセスなどのＣＶＤまたはプラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥ−ＣＶＤ）プロセスを使用して形成される炭化シリコンベースの膜である。
本明細書で述べられる実施形態の間に使用されるＡＬＤ処理チャンバーは、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｉｎｃ．から入手できる。ＡＬＤ処理チャンバーの詳細な記述は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された米国特許第６，９１６，３９８号および第６，８７８，２０６号、２００２年１０月２５日に出願され、米国特許出願公開第２００３−０１２１６０８号として公開された、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／２８１，０７９号、ならびに各々が２００６年１１月６日に出願され、米国特許出願公開第２００７−０１１９３７９号、第２００７−０１１９３７１号、第２００７−０１２８８６２号、第２００７−０１２８８６３号および第２００７−０１２８８６４号として公開された、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１１／５５６，７４５号、第１１／５５６，７５２号、第１１／５５６，７５６号、第１１／５５６，７５８号、第１１／５５６，７６３号で見いだすことができる。別の実施形態では、コバルト含有材料を堆積させるために使用されてもよい、ＡＬＤモードならびに従来のＣＶＤモードの両方で動作するように構成されるチャンバーは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された米国特許第７，２０４，８８６号で述べられる。コバルト含有材料を形成するためのＡＬＤプロセスの詳細な記述はさらに、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる、２００３年５月２２日に出願され、米国特許出願公開第２００５−０２２０９９８号として公開された、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／４４３，６４８号、および本願の譲受人に譲渡された米国特許第７，２６４，８４６号で開示される。他の実施形態では、コバルト含有材料を堆積させるために使用されてもよい、ＡＬＤモードならびに従来のＣＶＤモードの両方で動作するように構成されるチャンバーは、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｉｎｃ．から入手できるＴＸＺ（登録商標）シャワーヘッドおよびＣＶＤチャンバーである。
本明細書で使用されるような「基板表面」または「基板」は、製作プロセスの間に膜処理が実行される基板の上に形成される任意の基板または材料表面のことである。例えば、処理が実行されてもよい基板表面は、単結晶、多結晶もしくは非晶質シリコン、歪みシリコン、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、ドープシリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガラス、サファイア、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、および／またはＳｉＯｘＣｙなどの炭素ドープ酸化シリコンなどの材料、例えばＳａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｉｎｃ．から入手できるＢＬＡＣＫ ＤＩＡＭＯＮＤ（登録商標）低ｋ誘電体を包含する。基板は、２００ｍｍもしくは３００ｍｍ直径ウェハー、ならびに長方形または正方形ペインなどの、さまざまな寸法を有してもよい。そうでないと注記されない限り、本明細書で述べられる実施形態および例は、好ましくは２００ｍｍ直径または３００ｍｍ直径、より好ましくは３００ｍｍ直径を持つ基板上で実施される。本明細書で述べられるプロセスの実施形態は、多くの基板および表面、特にシリコン含有誘電材料の上にコバルトシリサイド材料、金属コバルト材料、および他のコバルト含有材料を堆積させる。本発明の実施形態が有用なこともある基板は、結晶シリコン（例えば、Ｓｉ＜１００＞またはＳｉ＜１１１＞）、酸化シリコン、歪みシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープまたは非ドープポリシリコン、ドープまたは非ドープシリコンウェハー、およびパターン化または非パターン化ウェハーなどの半導体ウェハーを包含するが、限定はされない。基板は、基板表面を研磨する、エッチングする、還元する、酸化する、水酸化する、アニールする、および／またはベークするために前処理プロセスにさらされてもよい。
前述のものは、本発明の実施形態を対象にするが、本発明の他のおよびさらなる実施形態が、本発明の基本的範囲から逸脱することなく考案されてもよく、本発明の範囲は、次に来る特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

  1. 基板上の銅表面をキャッピングするための方法であって、
    汚染された銅表面および誘電表面を含む基板を処理チャンバー内に位置決めするステップと、
    前処理プロセスの間に金属銅表面を形成している間に前記汚染された銅表面を還元剤にさらすステップと、
    気相堆積プロセスの間に前記誘電表面を露出したままにしながら前記金属銅表面上にコバルトキャッピング層を選択的に形成するために前記基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、
    前記コバルトキャッピング層および前記誘電表面の上に誘電障壁層を堆積させるステップと
    を含む方法。
  2. 前記前処理プロセスの間に前記金属銅表面を形成するために前記汚染された銅表面上の酸化銅を化学的に還元するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記汚染された銅表面は前記還元剤にさらされ、前記前処理プロセスの間にプラズマが点火され、前記還元剤が、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）、アンモニア／窒素混合物、およびそれらの組合せから成る群から選択される試薬を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記汚染された銅表面は約５秒から約１５秒の範囲内の時間に亘って前記プラズマにさらされる、請求項３に記載の方法。
  5. 前記還元剤は水素ガスを含み、前記前処理プロセスは熱プロセスであり、前記基板は前記熱プロセスの間に約２００℃から約４００℃の範囲内の温度に加熱される、請求項１に記載の方法。
  6. 前記誘電障壁層を堆積させるステップに先行する後処理プロセスの間に前記コバルトキャッピング層を試薬およびプラズマにさらすステップをさらに含み、前記試薬が、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、水素（Ｈ２）、アンモニア／窒素混合物、およびそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
  7. 堆積−処理サイクルは、前記気相堆積プロセスを実行した後に前記後処理プロセスを実行するステップを含み、前記誘電表面を露出したままにしながら互いの上に複数のコバルトキャッピング層を堆積させるために２回、３回、または４回以上実行される、請求項６に記載の方法。
  8. 前記コバルトキャッピング層の各々は、前記堆積−処理サイクルの各々の間に約３Åから約５Åの範囲内の厚さに堆積される、請求項７に記載の方法。
  9. 前記コバルトキャッピング層は約４Åから約２０Åの範囲内の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
  10. 前記基板は前記気相堆積プロセスの間に前記コバルト前駆体ガスおよび水素ガスを含む堆積ガスにさらされ、前記気相堆積プロセスは熱化学気相堆積プロセスまたは原子層堆積プロセスである、請求項９に記載の方法。
  11. 前記コバルト前駆体ガスは、一般化学式（ＣＯ）ｘＣｏｙＬｚを有するコバルト前駆体を含み、ここで、
    Ｘは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、または１２であり、
    Ｙは、１、２、３、４、または５であり、
    Ｚは、１、２、３、４、５、６、７、または８であり、
    Ｌは、シクロペンタジエニル、アルキルシクロペンタジエニル、メチルシクロペンタジエニル、ペンタメチルシクロペンタジエニル、ペンタジエニル、アルキルペンタジエニル、シクロブタジエニル、ブタジエニル、アリル、エチレン、プロピレン、アルケン、ジアルケン、アルキン、ニトロシル、アンモニア、それらの誘導体、およびそれらの組合せから成る群から単独で選択されるリガンドである、請求項１に記載の方法。
  12. 前記コバルト前駆体ガスは、トリカルボニルアリルコバルト、シクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）、メチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）、エチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）、ペンタメチルシクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）、ジコバルトオクタ（カルボニル）、ニトロシルコバルトトリス（カルボニル）、ビス（シクロペンタジエニル）コバルト、（シクロペンタジエニル）コバルト（シクロヘキサジエニル）、シクロペンタジエニルコバルト（１，３−ヘキサジエニル）、（シクロブタジエニル）コバルト（シクロペンタジエニル）、ビス（メチルシクロペンタジエニル）コバルト、（シクロペンタジエニル）コバルト（５−メチルシクロペンタジエニル）、ビス（エチレン）コバルト（ペンタメチルシクロペンタジエニル）、それらの誘導体、それらの錯体、それらのプラズマ、およびそれらの組合せから成る群から選択されるコバルト前駆体を含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記コバルト前駆体は、シクロペンタジエニルコバルトビス（カルボニル）を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 基板上の銅表面をキャッピングするための方法であって、
    汚染された銅表面および誘電表面を含む基板を処理チャンバー内に位置決めするステップと、
    前処理プロセスの間に金属銅表面を形成している間に前記汚染された銅表面を還元剤にさらすステップと、
    堆積−処理サイクルの間に前記誘電表面を露出したままにしながら前記金属銅表面を覆ってコバルトキャッピング材料を堆積させるステップであって、前記堆積−処理サイクルが、
    気相堆積プロセスの間に前記誘電表面を露出したままにしながら前記金属銅表面を覆って第１のコバルト層を選択的に形成するために前記基板をコバルト前駆体ガスにさらすステップと、
    処理プロセスの間に前記第１のコバルト層を窒素（Ｎ２）、アンモニア、アンモニア／窒素混合物、または水素を含むプラズマにさらすステップと、
    前記気相堆積プロセスの間に前記誘電表面を露出したままにしながら前記第１のコバルト層上に第２のコバルト層を選択的に形成するために前記基板を前記コバルト前駆体ガスにさらすステップと、
    前記処理プロセスの間に前記第２のコバルト層を前記プラズマにさらすステップと
    を含むステップと、
    前記コバルトキャッピング材料および前記誘電表面の上に誘電障壁層を堆積させるステップと
    を含む方法。
  15. 前記気相堆積プロセスの間に前記誘電表面を露出したままにしながら前記第２のコバルト層上に第３のコバルト層を選択的に形成するために前記基板を前記コバルト前駆体ガスにさらすステップと、
    前記処理プロセスの間に前記第３のコバルト層を前記プラズマにさらすステップと
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
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