JP3683741B2 - 銅金属の低温堆積方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に物理蒸着に関し、特に、冷却した基板に物質を堆積するため方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ製造における共通のプロセスは、一つあるいはそれ以上の金属層を、半導体ウェハや基板の表面に堆積することである。特に、トレンチやヴィアとして知られる穴が基板の表面に存在し、かつ基板の内部にまで及んでいる。
これらの穴の内壁は、基板の頂上面と個々の穴の底の水平面に対し、垂直、もしくは、ほぼ垂直の面を形成する。
【０００３】
これらの垂直面と水平面の双方が金属の薄膜によって覆われていなければならず、いくつかの方法が、この金属膜の堆積ステップを行うために進歩した。金属膜を形成するために、いくつかの方法が存在するが、典型的な方法は物理蒸着、あるいは”スパッタ堆積”を含むものである。そのような方法において、一つあるいはそれ以上の金属層が基板に堆積される。典型的なスパッタリング方法では、オペレータが基板に堆積しようとする物質を含む”ターゲット”がまずある。このターゲットは、イオンと衝突させられ、衝突によりターゲットの自由原子から構成される気体を形成する。そして、その気体は基板と接触して、要求される薄膜を形成する。
【０００４】
スパッタ堆積のために用いられる従来方法の一例が、ＵＳＰ−５５９７４５８に開示されている。この米国特許は、スパッタリングの方法を開示したもので、アルミニウム−銅（Al-Cu）合金を基板に堆積するものである。合金中には、アルミニウム−銅の２つの主となる相、つまり、CuAl₂とアルミニウムが多く含まれた”マトリックス”相が存在し、この”マトリックス”相が実際の（そして求められる）薄膜を形成する。このため、この米国特許の目的はCuAl₂相の形成を減らすことにある。
【０００５】
特に、この米国特許は、Al-Cu膜をスパッタリングする間に、CuAl₂相の量、分布そして形態を制御する方法を求めるものである。この米国特許によれば、銅の固体拡散を抑制し、つまり、CuAl₂の形成を減少させるために、ウェハの温度はほぼ室温に、具体的には、およそ２５℃に維持されている。堆積のあいだ、この温度を維持することにより、堆積される膜内の銅は拡散しにくくなる。これにより、望ましくなく、熱力学的により安定なCuAl₂を形成しにくくなる。
【０００６】
室温における堆積方法の実行は、一般に、上記の様な場合に有効である。しかし、いくつかの問題が薄膜の連続性に関して起こってしまう。
現在の典型的な製造条件の下では、基板が１００℃あるいはそれ以上の温度に達しうるとき、銅粒子がアグロメレート（凝集）する。アグロメレーション（凝集）とは金属粒子が集積したものであり、金属粒子が他の金属粒子と衝突し、相互に結合することにより起こる。この結果、不十分なめっきとシード層（seedlayer）の連続性の不均一が生じる。シード層が不連続であると、基板のめっき段階において、不連続や他の不均一が生じ、望ましくない表面凹凸ができてしまう。
【０００７】
このことは特に、トレンチやボイドが基板にある場合に顕著であり、さらに、これらのトレンチやボイドが高いアスペクト比を有する部分で著しい。アスペクト比とは、穴の、短側に対する長側の比である。”深い”トレンチやボイドの場合には、アスペクト比は穴の幅に対する深さの比である。従って、高いアスペクト比を有するトレンチやボイドは、相対的に深く、相対的に広くはないものである。正方のトレンチは、アスペクト比が１になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
アスペクト比が高い構造では、特に、均一で連続的な銅薄膜を製造することが難しい。これは、一般的な堆積プロセスの間、銅原子はトレンチの開口部や、トレンチの壁面にそってアグロメレートしやすく、ヴィアやトレンチを”ふさぐ”からである。その結果、エリアによっては、トレンチが均一にコーティングされなかったり、あるいは、トレンチがコーティングされないことがある。この問題、この後、２番目の層として、たとえば、電解めっき層が付加されたときに一層深刻化する。
【０００９】
これまでの製造技術の欠点は、連続的で比較的欠陥のない銅層を、基板、特に、高いアスペクト比を有する基板に、効果的かつ確実にスパッタリングする方法や装置が必要とされていることを示している。
それ故、この発明の一つの目的は、効果的に銅層を基板にスパッタリングしつつ、銅がアグロメレートすることを防ぐ方法と装置を得ることである。この発明の他の目的は、銅のシード層を、高いアスペクト比を有する基板に効果的にスパッタリングしつつ、銅がアグロメレートすることを防ぐ方法と装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上のそして他の目的を達成するために、さらに、その目的の観点から、この発明は、高いアスペクト比を有する半導体基板に、銅層をスパッタリングする方法を提供する。この方法では、半導体基板が零下１００℃よりも低い温度に冷やされ、スパッタリングのプロセスは、この温度において実行される。
【００１１】
さらに具体的に言うと、この発明は、ウェハがウェハチャックに載せられている場合に、基板に銅金属を堆積する方法を提供する。このとき、過冷却液体がチャックを介して送られ、これにより、ウェハとウェハチャックは零下１００℃よりも低い温度に、好まし実施例では、零下１６３℃付近以下の温度に冷やされる。さらに、銅金属は、スパッタ堆積法を用いることにより、前記低い温度に冷却中の基板の上に堆積される。
【００１２】
なお、以上の一般的な説明と、以下の詳細な説明の双方が発明の例示であり、発明を限定するものではないことは、言うまでもない。
発明は、以下の詳細な説明と付随する図面を読むことによりもっともよく理解される。もちろん、一般的なプラクティスに従い、図面のさまざまな特徴は必ずしも縮尺に従っては記載されていない。一方、さまざまな構造の寸法は、明確化のために、拡張もしくは縮小されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
上記に議論したように、銅をウェハにスパッタリングし、銅のシード層を形成する典型的な方法は、物理蒸着室において、およそ２５℃の温度を維持しながら行われる。この温度においては、堆積のあいだに銅粒子のアグロメレーションが起きてしまう。このアグロメレーションは、不連続なシード層を引き起こし、それが、後に行う電解めっきの不連続を作り出してしまう。このことは特に、ウェハ上の穴構造のアスペクト比が、およそ３：１程度、あるいはそれを超える場合である高アスペクト比構造の場合に、顕著となる。つまり、トレンチやヴィアの深さがその幅の約３倍以上である場合、確実な電解めっきは達成されないということである。
【００１４】
これらの問題を解決するために、本発明は、低温でウェハに銅のシード層をスパッタリングし、それにより、連続的で、スムーズな銅シード層を形成する方法及び装置を提供する
図１は、この発明の概略を示した図である。ウェハ１００は、ウェハチャック１１０に設置されている。ウェハ１００をウェハチャック１１０に設置する機構は、この技術分野の当業者によく知られているものである。本発明は、そのような機構をすべて含むものである。
【００１５】
過冷却液体は、冷却ライン１２０を介して、ウェハチャック１１０を通って送られる。この液体により、ウェハ１００とウェハチャック１１０は、およそ−１００℃以下、好まし実施例では、およそ−１６３℃付近にまで冷却される。好ましい実施形態においては、液体窒素が過冷却液として使用される。液体窒素は上手く作用するが、他の冷却液として、グリコール、グリコール−水混合物、あるいは、クライオポンプコンプレッサから作られた気体等を使用することが可能である。予定の低温近くの温度に達すると、この温度が維持され、スパッタ堆積のプロセスが行われる。銅ソース１３０は、堆積室１４０内の、ウェハ１００とウェハチャック１１０から離れた場所に置かれている。
【００１６】
ウェハチャック１１０は、適切な物質により作ることが可能である。望ましくは、ウェハチャック１１０は、ステンレスで作られる。ステンレスは、よい熱伝導体である。ウェハチャック１１０の他の適切な選択肢としては、Hastelloy C（Hastelloy Cはニッケル−クロム−モリブデン−タングステン合金であり、Hastelloy Cは、Union Carbide of New Yorkの登録商標である。）あるいは、アルミニウム等が含まれる。しかし、アルミニウムの一つの欠点は、、アルミニウムは比較的大きな熱拡散係数を有しているということである。ウェハ１００、ウェハチャック１１０、冷却液ライン１２０の壁、そして、これらの構成部間のすべての接点を通じた熱伝導は、ウェハ１００を効果的に冷却するために、最大であることが望まれる。従って、これらの構成部の物質の選択は、これらのことを考慮して決定する必要がある。
【００１７】
実際の物理蒸着のプロセスは、堆積室１４０内において行われる。銅ソース１３０はウェハ１００の上側に設けられ、ウェハ１００上にをスパッタリング付着される銅を供給する。
ウェハ１００の銅堆積が、およそ−１００℃以下の温度を維持して行われるとき、０℃以上の温度で堆積が行われたときに以前観察された場合よりも、シード層の形態はずっとスムーズであり、かつ、不連続性が少なくなっていることが見出された。形態の改善は、銅原子が堆積されるときに、より低い温度が銅原子の動きを抑制することによるものと思われる。銅は、室温においては、大きな移動性を有することが知られており、室温におけるこの移動性が大きいために、従来の方法においては、シード層形成の間のアグロメレーションレベルが受け入れがたいものとなっていると思われる。
【００１８】
図２は原子間力顕微鏡（atomic force microscope （AFM））の写真を示したものであり、従来の銅スパッタリングのプロセス中に形成される銅シード層の写真である。非常に粗い表面であり、このことは、”平均粗さ（Mean Roughness）”（Ra）の値が３．４５４nmというデータによって、定量的に示されている。この値は、図２に示された構造の平均のサイズは直径３．４５４nmであることを示している。四角２００は、Raが計算された領域である。四角２００は、一辺が２．０９０μm、もう一辺が１．９４３μmの大きさである。
【００１９】
図３は、本発明の好ましい実施例におけるスパッタリングプロセス中に生成された銅シード層のAFM写真を示したものである。図２に比較し、より細かい構造になっている。この層の平均粗さ値は、わずか０．８４９nmであり、より高温での従来のスパッタリング法を用いて得られたRa値である３．４５４nmよりもはるかに小さい値（およそ数分の一倍）となっている。四角３００はRaが計算された領域であり、２．５８３μm×２．４２７μmの大きさとなっている。図３のデータは大きさが異なる領域を使用して得られたものだが、Ra値は領域の大きさや異なるテスト領域によって影響されるものでがない。さらに、Ra値は直接的かつ定量的に２つの結果を比較する方法を与えてくれるものである。
【００２０】
図４は、従来の温度において銅をスパッタリングした後のボイドの断面のSEM写真である。この図において示されている構造は、テーパした穴であり、酸素（典型的な例は二酸化ケイ素である）のような誘電物質でエッチングされている。図４から図９までに示された全ての図は、これらの構造もしくはボイドであり、切断して、ウェハの表面に対し垂直に写したものである。
図５は、従来の温度において銅をスパッタリングした後の２つ目の図であり、図４よりもわずかに拡大したものとなっている。これらのSEM写真において、銅はアグロメレートしている。そのような不規則性の２つの例が、アグロメレーション４１０と４２０である。
【００２１】
図６は、従来の技術により、従来の温度において銅をスパッタリングしたあとのボイドを示したものである。個々のボイドの内側が比較的粗い外観を有していることが分かり、特に、このボイドの上部領域において顕著である。図６は、ボイドの大きさを示している。開口部の直径は６５２nm、深さは１．６３７nmであり、底の直上部の直径は、２２５nmであり、ここが実際は凹部の底になる。これらの数字は、単にアグロメレーションの情報、全体像を与えるものにすぎず、この発明をいかなる点においても制限することを意図するものではない。
【００２２】
図７と図８は、本発明の好ましい実施例による銅のスパッタリングの結果を示すものであり、堆積は零下１６３℃付近の極低温で行われた。銅の堆積は図４から図６に示されたものよりもずっと小さくなっている。よりスムーズで、より均一なこの膜は、この発明に従いおこなわれたスパッタリングの結果である。より小さな粒子サイズは、より低い温度における銅原子の移動性が低くなっている結果であると思われる。つまり、従来室温において行われていた堆積プロセスを、零下１００℃よりも低い温度、好ましくは、零下１６３℃付近で行うことにより、相対的にこのような効果を得ることが可能となる。
【００２３】
図９は、改善された銅の形態のSEM写真の他の描写であり、この形態は、この発明に従い行われたスパッタリングにより得られたものである。図９は、構造の大きさを与えるものであり、堆積の全体像を再び示すものである。図６のものと比較すると、粒子サイズと堆積の双方の点で、この発明の銅のスパッタリング方法は銅のアグロメレーションを減少させていることを示している。
【００２４】
図６のように、図９は構造の大きさを示している。開口部の直径は６５７nm、深さは１．５９５nm、そして、底の直上の直径は２９２nmであり、この部分が実際の凹部の底になる。これら大きさに加えて図９に示された角度は、ウェハの頂上面に対し平行な面に対するボイドの側面の角度であり、８０．８８°である。ここでは、ある特定の実施形態に関して描写及び説明がなされているが、この発明は、示されている詳細に限定することは、一切意図されていない。むしろ、請求項と均等な範囲において、そして、発明思想から離れない限りにおいて、様々な変形が細かい点において可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の概略図である。
【図２】従来技術に従い堆積された銅層のAFM写真である。
【図３】本発明に従い堆積された銅層のAFM写真である。
【図４】従来技術に従い堆積された銅層の断面構造を示すSEM写真である。
【図５】従来技術に従い堆積された銅層の拡大断面構造を示すSEM写真である。
【図６】従来技術に従い堆積された銅層の断面構造を示すSEM写真である。
【図７】本発明に従い堆積された銅層の断面構造を示すSEM写真である。
【図８】本発明に従い堆積された銅層の拡大断面構造を示すSEM写真である。
【図９】本発明に従い堆積された銅層の断面構造を示すSEM写真である。
【符号の説明】
１００ウェハ、１１０ ウェハチャック、１２０ 冷却液ライン、１３０ 銅ソース、１４０ 堆積室

Claims (5)

1. 表面に露出した穴構造を有する基板表面上への銅めっき処理のシード層に適合する銅金属層の堆積に当り、堆積中の銅金属粒子の凝集を減少させるための銅金属シード層の堆積方法であって、
   チャックに基板を装着するステップと、
   前記チャックおよび基板を零下１００℃よりも低い温度に冷却するステップと、
   前記基板を、零下１００℃よりも低い温度であって銅めっき処理のシード層として適合する小さい平均表面粗さで連続的な銅金属層を堆積させる温度に、維持しながら、前記穴構造の内壁面を含む前記基板表面上にスムーズ表面で連続的な銅金属シード層をスパッタリング堆積するステップと、
   を含む方法。
2. 前記堆積するステップは、室温での銅堆積に比べておよそ数分の一倍だけ細かい平均粗さの銅金属堆積層を生成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記冷却するステップは、前記チャックを通して液体窒素を送ることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記基板は、半導体ウェハであることを特徴とする請求項１、２，または３に記載の堆積方法。
5. 前記低い温度は零下１６３℃近傍の極低温であることを特徴とする請求項１、２、３、または４に記載の方法。

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