JP2013535820A - 狭い銅充填ビアの導電率を向上させるための方法及び構造体 - Google Patents

狭い銅充填ビアの導電率を向上させるための方法及び構造体 Download PDF

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Abstract

【課題】 銅（Ｃｕ）充填ビアの導電率を向上させるための技術を提供する。
【解決手段】 一態様において、Ｃｕ充填ビアを製造する方法が提供される。方法は、以下のステップを含む。誘電体内にビアをエッチングする。ビアを拡散バリアでライニングする。拡散バリアの上に、薄いルテニウム（Ｒｕ）層を共形に堆積させる。Ｒｕ層上に、薄いシードＣｕ層を堆積させる。第１のアニールを行って、シードＣｕ層の粒径を増大させる。ビアを付加的なＣｕで充填する。第２のアニールを行って、付加的なＣｕの粒径を増大させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、配線構造体に関し、より具体的には、銅（Ｃｕ）充填ビア(via)の導電率を向上させるための技術に関する。
現在の高密度配線技術における狭い銅（Ｃｕ）充填ビアの導電率は、これらの寸法のビア内のＣｕの粒径（ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ）が小さいことで低下される。従来技術では、Ｃｕ含有構造体をアニールして粒径を成長させ、従って導電率を向上させることを必要とする。
例えば、一般に、Ｃｕ充填ビアの製造に用いられる従来技術は、典型的には、第１に、配線構造体が埋め込まれる誘電体マトリクス内にビア・ホールを形成することを含む。第２に、誘電体内へのＣｕの拡散を防ぐために、ビア・ホールを拡散バリアでライニングする（内側を覆う）。この拡散バリアは、典型的には、誘電体の上に直接堆積された窒化タンタル（ＴａＮ）、及びＴａＮの上部に堆積されたタンタル（Ｔａ）を含む。第３に、薄いシードＣｕ層を露出されたＴａの表面の上にスパッタ堆積させ、電気めっきに備えてビアを準備する。第４に、電気めっきプロセスを用いて、ビアをＣｕで充填する。第５に、結果として得られる構造体をアニールして、ビア内のＣｕ粒子を成長させ、導電率を向上させる。しかしながら、この手法は、導電率の向上に関しては、これらのＣｕビア構造体に対する有効性が限られていることが分かっている。
より大きいＣｕ粒子の成長の制限要因は、シードＣｕ層内の粒径である。シードＣｕ内のこれらの粒子は、電気めっきされたＣｕが後で堆積されるテンプレートを形成し、従って、最初に電気めっきされるＣｕの粒径は、シードＣｕ層により示される小さい粒径を反映する。最初の小さい粒子の構造体を克服する際に、Ｃｕ電気めっき後のアニーリングは、限られた有効性しかもたない。シードＣｕ層によって示される小さい粒径は、大部分が、Ｃｕが下にある拡散バリアの表面を濡らす度合いに加えて、この層の薄さによるものである。スパッタリング・プロセスによって形成されるシードＣｕは、共形に（コンフォーマルに）堆積されないので、この問題を克服するために、シードＣｕ層の厚さを厚くすることはできない。従って、その粒径を増大させようとして、シードＣｕが過度に厚く作製された場合、配線構造体内のビアに対し開口部をピンチオフする傾向があり、後で電気めっきを成功裏に行うことができなくなる。
従って、当技術分野においては、Ｃｕ充填ビアの導電率を向上させる必要性がある。
本発明は、銅（Ｃｕ）充填ビアの導電率を向上させるための技術を提供する。本発明の一態様において、Ｃｕ充填ビアを製造する方法が提供される。この方法は、以下のステップを含む。誘電体内にビアをエッチングする。ビアを拡散バリアでライニングする。拡散バリアの上に、薄いルテニウム（Ｒｕ）層を共形に堆積させる。Ｒｕ層上に、薄いシードＣｕ層を堆積させる。第１のアニールを行って、シードＣｕ層の粒径を増大させる。ビアを付加的なＣｕで充填する。第２のアニールを行って、付加的なＣｕの粒径を増大させる。
本発明の別の態様において、ビアと、ビアをライニングする拡散バリアと、拡散バリア上に共形に堆積された薄いＲｕ層と、Ｒｕ層上に堆積された薄いシードＣｕ層と、Ｃｕ充填ビアを形成するためにビアを充填する、薄いシードＣｕ層上にめっきされた付加的なＣｕとを含む、誘電体内に形成された銅充填ビアが提供される。付加的な銅は、ビアの幅の少なくとも０．５倍の平均粒子幅を有する。ビアの幅は、約２０ナノメートルから約５０ナノメートルまでとすることができる。
本発明、並びに本発明の更なる特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することによって、より完全に理解されるであろう。
ここで本発明を、以下の図面内に示される好ましい実施形態を参照して、単なる例示として説明する。
本発明の実施形態による、基板の上に堆積された誘電体、及び、誘電体内にエッチングされたビアを示す断面図である。 本発明の実施形態による、拡散バリアでライニングされたビアを示す断面図である。 本発明の実施形態による、拡散バリアの上に堆積されたルテニウム（Ｒｕ）層を示す断面図である。 本発明の実施形態による、電気めっきに備えてビアを準備するための、Ｒｕ層上に堆積されたシード銅（Ｃｕ）層を示す断面図である。 本発明の実施形態による、Ｃｕで充填されたビアを示す断面図である。 本発明の実施形態による、本技術を用いて生成されたＣｕ充填ビアを示す断面図である。
図１−図５は、銅（Ｃｕ）充填ビアを製造するための例示的な方法を示す図である。有利なことに、本技術を用いて形成されるＣｕ充填ビアの抵抗は、従来技術を用いて生成される構造体と比較すると、一貫して１０−１５％の減少を示す。プロセスを開始するために、基板の上に誘電体が形成される。
図１は、基板１００の上に堆積された誘電体１２０を示す断面図である。誘電体１２０は、これらに限定されるものではないが、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、シリコン・炭素・酸素・水素材料（例えば、ＳＩＣＯＨ）及び有機ポリマーのうちの１つ又は複数を含む、いずれかの適切な誘電体材料を含むことができ、かつ、化学気相堆積（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、蒸着、スパッタリング、又はスピン・オン・コーティングのような溶液ベースの技術といったいずれかの適切な堆積プロセスを用いて、約１０ナノメートル（ｎｍ）から約１，０００ｎｍまでの厚さに堆積させることができる。基板１００は、一般に、単層又は多層の配線アレイ内のいずれかの配線層又はコンタクト層を表す。次に、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）のようないずれかの適切なエッチング・プロセスを用いて、狭いビア１０１が、誘電体１２０内にエッチングされる。図１に示される例示的な実施形態によると、ビア１０１は、約２０ｎｍから約５０ｎｍまでの幅ｗを有するように形成される。
次に、ビアを拡散バリアでライニングする。図２は、拡散バリア２０２でライニングされたビア１０１を示す断面図である。例示的な実施形態によると、拡散バリア２０２は、２つの層で構成される。ビアをライニングするために、第１の層、すなわち窒化タンタル（ＴａＮ）層２０２ａが、誘電体１２０の上に、約５ｎｍから約１５ｎｍまでの厚さ、例えば約８ｎｍから約１２ｎｍまでの厚さに堆積される。第２の層、すなわちタンタル（Ｔａ）層２０２ｂが、ＴａＮ層２０２ａの上に、約５ｎｍから約１５ｎｍまでの厚さ、例えば約８ｎｍから約１２ｎｍまでの厚さに堆積される。拡散バリア２０２は、Ｃｕが誘電体内に拡散するのを防ぐ（以下を参照されたい）。
次に、拡散バリアの上に、薄いルテニウム（Ｒｕ）層を共形に堆積させる。図３は、拡散バリア２０２の上に（すなわち、Ｔａ層２０２ｂの上に）堆積されたＲｕ層３０２を示す断面図である。例示的な実施形態によると、前駆体としてルテニウムカルボニルを用いるＣＶＤ又はＡＬＤを用いて、Ｒｕ層３０２が、拡散バリア２０２の上に、約１ｎｍから約１０ｎｍまでの厚さ、例えば約２ｎｍから約５ｎｍまでの厚さに共形に堆積される。ＣＶＤ又はＡＬＤにより、拡散バリア上へのＲｕの均一かつ共形の被覆範囲が確実になる（拡散バリアからのいずれかのＴａが、後のプロセス・ステップ中に露出されることは望ましくない）。代替的に、スパッタ堆積プロセスを用いて、Ｒｕ層３０２を拡散バリア２０２の上に堆積させることもできる。
Ｒｕ層３０２は、２つの目的を果たす。第１に、Ｒｕ層３０２は、より大きいシード粒子の形成を容易にするための、シードＣｕ層のための湿潤剤として働く（以下を参照されたい）。第２に、Ｒｕ層３０２は、シードＣｕ層の粒径を増大させるために用いられるアニール・ステップ中に、下にある拡散バリア２０２を酸化から保護するように働く（同様に以下を参照されたい）。従って、Ｒｕによる均一な被覆範囲は重要である。
Ｒｕ層上に、薄いシードＣｕ層を堆積させる。図４は、電気めっきに備えてビアを準備するための、Ｒｕ層３０２上に堆積されたシードＣｕ層４０２を示す断面図である。例示的な実施形態によると、シードＣｕ層４０２は、スパッタ堆積プロセスを用いて、Ｒｕ層３０２上に、約２０ｎｍから約１００ｎｍまでの厚さ、例えば約２５ｎｍから約３５ｎｍまでの厚さに堆積される。
次に、アニールを行って、シードＣｕ層４０２の粒径を増大させる。例示的な実施形態によると、アニールは、フォーミング・ガス（例えば、水素、又は、例えば水素と、窒素若しくは希ガスなどの基板が反応しないいずれかのガスとの混合物）中で、摂氏約１５０度（℃）から約３５０℃までの温度、例えば約２５０℃の温度で行われる。シードＣｕ層をアニールするこのステップは、ビアの充填に用いられる電気めっき（以下を参照されたい）の前に行われることに注目すべきである。このことにより、より大きいシード粒子が生成され、この大きいシード粒子は、電気化学的Ｃｕ充填後にビア内により大きい粒子を形成するのを促進する。さらに、Ｒｕ層３０２が導入されない場合、このシードＣｕ層のアニールは、２つの理由で有効ではない。第１に、シードＣｕ層が、Ｃｕによって濡れにくい（拡散バリアの）Ｔａ表面の上に堆積されることである。従って、アニールにより、シードＣｕ層が球状になり、所望の均一で平坦な粒子が形成されない。第２に、（拡散バリアの）Ｔａ層上のシードＣｕ層の連続性の欠如により、露出したＴａが酸化する（アニールが、非常に費用のかかる超高真空環境中で行われた場合を除いて）。Ｔａの酸化は、構造体のエレクトロマイグレーション性能を低下させる。酸素に対するＴａの化学親和力が高いために、ひとたび酸化すると、後の還元プロセスによってＴａを金属状態に戻すように試みることは実用的でない。提案される構造体において、この問題は、均一で共形のＲｕ層、すなわち耐酸化性の貴金属でＴａを覆うことにより回避される。
次に、ビアを付加的なＣｕで充填する。図５は、Ｃｕ５０２で充填されたビア１０１を示す断面図である。例示的な実施形態によると、電気めっきプロセスを用いて、Ｃｕ５０２がビア１０１内にめっきされる。図５に示されるように、必要に応じて、ビアを過剰充填する可能性があるＣｕ５０２を、シードＣｕ層４０２の上面と同一平面になるように研磨することができる。代替的に、シードＣｕ層４０２の上面を覆うように、Ｃｕ５０２の過剰充填を残すこともできる。例えば、以下に説明される図６を参照されたい。再びアニールを行って、今度はＣｕ５０２の粒径を増大させる。例示的な実施形態によると、アニールは、フォーミング・ガス中で、約１５０℃から約３５０℃までの温度、例えば約２５０℃の温度で行われる。
Ｃｕ５０２の粒径を増大させることにより、ビアの導電率も増大される。すなわち、試験において、本技術によって形成されたビアの抵抗は、従来の方法で準備された構造体と比較すると、一貫して１０−１５％の減少を示した。試験において、６つの後の配線層の製造をシミュレートするために、本発明の構造体及び従来の構造体のどちらにもさらに、更なる熱サイクル処理が施された。このような処理の後、本発明の構造体の１０％から１５％までの性能の利点が維持された。
シードＣｕ層の粒径を増大させることは、電気化学的Ｃｕ充填後にビア内により大きい粒子を形成するのを促進する。本技術のこの利点が、図６に概略的に示され、例証されている。図６は、上述の製造プロセスを用いて生成されるＣｕ充填ビアを示す断面図である。Ｃｕ６０２は、例えば、上記の図５の説明と関連して説明されたステップのようにビア内に充填された付加的なＣｕを表す。説明を容易かつ明確にするために、例えば拡散バリア、Ｒｕ層及びシードＣｕ層（例えば、上述した図５を参照されたい）などの、Ｃｕ充填前に堆積された種々の層は図示されていないが、これらの層が本例に存在することを理解すべきである。さらに、図５のＣｕ５０２とは対照的に、図６の付加的なＣｕ充填物、すなわちＣｕ６０２はビアを過剰充填する。上記で強調されたように、必要に応じて、随意的な研磨ステップを用いて、過剰充填部を除去することができる。
図６は、本技術の有利な粒子特性を強調するために提供されている。具体的には、最初にシードＣｕ層の粒径を成長させることにより（上記を参照されたい）、付加的なＣｕの充填及び最終アニールの後に（同じく上記を参照されたい）、ビア内でより大きくより均一な粒子が達成される。単なる例として、Ｃｕ６０２内で得られる粒径ｇは、構造部サイズ（ｆｅａｔｕｒｅ ｓｉｚｅ）の少なくとも約０．５倍である。粒径ｇは、粒子の断面幅として測定された長さ寸法として定量化することができる（図６を参照されたい）。構造部サイズは、構造部（本例ではビア）の断面幅として定量化することができる（図１を参照されたい）。従って、この場合、平均すると、付加的なＣｕ６０２の粒子（最終アニール後）は、ビアの断面幅の少なくとも０．５倍である断面幅を有する。本技術を用いて、ビアの断面幅に等しい断面幅を有する、付加的なＣｕ充填部内の粒子を得ることが可能である。図６を参照されたい。
本構造体においては、粒径がほぼ均一であることにも注目すべきである。単なる例として、粒径（例えば、上述のような粒子の断面幅に基づいて測定された）は、ビア全体を通して２５パーセントよりも大きく変化しない。
比較すると、従来技術では、ビア全体を通して生成される粒径は不均一であり、より大きい粒子がビアの上部に生成され、より小さな粒子がビアの底部に生成される（Ｃｕがより多くの空間的に閉じ込められた場合）。これらのより小さい粒子の断面幅は、典型的には、ビアの断面幅の約０．２倍であり、本技術で生成されるものより１桁小さい。
本発明の例証的な実施形態をここで説明したが、本発明は、これらの正確な実施形態に制限されるものではないこと、及び、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく種々の他の変更及び修正を行い得ることを理解すべきである。
１００：基板
１０１：ビア
１２０：誘電体
２０２：拡散バリア
２０２ａ：窒化タンタル（ＴａＮ）層
２０２ｂ：タンタル（Ｔａ）層
３０２：Ｒｕ層
４０２：シードＣｕ層
５０２、６０２：Ｃｕ
ｇ：粒径
ｗ：幅

Claims (26)

  1. 銅充填ビアを製造するための方法であって、
    誘電体内にビアをエッチングするステップと、
    前記ビアを拡散バリアでライニングするステップと、
    前記拡散バリアの上に、ルテニウム層を共形に堆積させるステップと、
    前記ルテニウム層上に、シード銅層を堆積させるステップと、
    第１のアニールを行って、前記シード銅層の粒径を増大させるステップと、
    前記ビアを付加的な銅で充填するステップと、
    第２のアニールを行って、前記付加的な銅の粒径を増大させるステップと、
    を含む方法。
  2. 前記ビアを前記拡散バリアでライニングするステップは、
    前記ビアをライニングするために、前記誘電体の上に窒化タンタル層を堆積させるステップと、
    前記窒化タンタル層上にタンタル層を堆積させるステップと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記窒化タンタル層は、５ナノメートルから１５ナノメートルまでの厚さに堆積される、請求項２に記載の方法。
  4. 前記窒化タンタル層は、８ナノメートルから１２ナノメートルまでの厚さに堆積される、請求項２又は請求項３のいずれかに記載の方法。
  5. 前記タンタル層は、５ナノメートルから１５ナノメートルまでの厚さに堆積される、請求項２から請求項４までのいずれかに記載の方法。
  6. 前記タンタル層は、８ナノメートルから１２ナノメートルまでの厚さに堆積される、請求項２から請求項５までのいずれかに記載の方法。
  7. 前記ルテニウム層は、１ナノメートルから１０ナノメートルまでの厚さに堆積される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  8. 前記ルテニウム層は、２ナノメートルから５ナノメートルまでの厚さに堆積される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  9. 前記ルテニウム層は、化学気相堆積を用いて前記拡散バリアの上に堆積される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  10. ルテニウムカルボニルが、前記化学気相堆積のための前駆体として用いられる、請求項９に記載の方法。
  11. 前記ルテニウム層は、原子層堆積を用いて前記拡散バリアの上に堆積される、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の方法。
  12. ルテニウムカルボニルが、前記原子層堆積のための前駆体として用いられる、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ルテニウム層は、スパッタ堆積プロセスを用いて前記拡散バリアの上に堆積される、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の方法。
  14. 前記シード銅層は、２０ナノメートルから１００ナノメートルまでの厚さに堆積される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  15. 前記シード銅層は、２５ナノメートルから３５ナノメートルまでの厚さに堆積される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  16. 前記シード銅層は、スパッタ堆積プロセスを用いて堆積される、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  17. 前記第１のアニールは、フォーミング・ガス中で、１５０℃から３５０℃までの温度で行われる、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  18. 付加的な銅を前記ビア内にめっきするステップをさらに含む、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  19. 前記付加的な銅を前記ビア内に電気めっきする、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記第２のアニールは、フォーミング・ガス中で、１５０℃から３５０℃までの温度で行われる、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  21. 前記ビアを付加的な銅で充填するステップは、前記第１のアニールを行うステップに応じたものである、前記請求項のいずれかに記載の方法。
  22. 誘電体内に形成された銅充填ビアであって、
    ビアと、
    前記ビアをライニングする拡散バリアと、
    前記拡散バリア上に共形に堆積されたルテニウム層と、
    前記ルテニウム層上に堆積されたシード銅層と、
    前記銅充填ビアを形成するために前記ビアを充填する、前記シード銅層上にめっきされた付加的な銅と、
    を含み、前記付加的な銅は、前記ビアの幅の少なくとも０．５倍の平均粒子幅を有する、銅充填ビア。
  23. 前記ビアは、２０ナノメートルから５０ナノメートルまでの幅を有する、請求項２２に記載の銅充填ビア。
  24. 前記拡散バリアは、
    前記ビアをライニングする窒化タンタル層と、
    前記窒化タンタル層上のタンタル層と
    を含む、請求項２２又は請求項２３のいずれかに記載の銅充填ビア。
  25. 前記ルテニウム層は、１ナノメートルから１０ナノメートルまでの厚さを有する、請求項２２から請求項２４までのいずれかに記載の銅充填ビア。
  26. 前記シード銅層は、２０ナノメートルから１００ナノメートルまでの厚さを有する、請求項２２から請求項２５までのいずれかに記載の銅充填ビア。
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