JP3779161B2 - 2層拡散バリアーを析出させる方法 - Google Patents
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Description
【0001】
通常、超小型モジュールの結線面の導通線はアルミニウムからなっているが、これには導電性と実現可能な構造幅とに関し限界がある。このため、最近では、導通線に対し銅を使用する技術が開発され、その中核はデュアルダマシン・コンセプト、或いは象眼コンセプトを成している(D. Edelstein, J. Heidenreich, R. Goldblatt, W. Cote, C. Uzoh, N. Lustig, P. Poper, T. McDevitt, W. Motsiff, A. Simon, J. Dukovic, R. Wachnik, H. Rathore, R. Schulz, L. Su, S. Luce, J. Slattery, IEEE VLST Tec. Symp. 1997) 。この技術では、まず第1段階で、金属間誘電体の平面析出させた酸化シリコン層に接続穴および導通線のネガティブフォームをエッチングさせる。このネガティブフォームに、スパッタリングによりバリアーと銅初層とを析出させる。銅初層は電気化学的に、或いはCu−PVD(Physical Vapour Deposition)またはCVD(Chemical Vapour Deposition)により析出させることができる。その後、低温で電気化学的にネガティブフォーム全体に銅を充填させる。半導体ウェーハー上にさらに層を構築させるためには、完全に平らな表面が必要であるので、次に、過剰の銅を化学機械的な研磨(CMP)により除去し、その結果酸化シリコン内に接続穴と導通線とが残ることになる。
【0002】
導通線に対しアルミニウムの代わりに銅を使用するためには、適当なバリアー処理により銅を完全にカプセリングして、銅がシリコン内または金属間酸化シリコン内へ拡散しないようにする必要がある。
【0003】
酸化シリコンに対する拡散バリアー処理として、最近では、窒化チタン、タンタル、窒化タンタルから成る単層系がとりわけ知られるようになった(P. Ding, T. Chiang, R. Tao, B. Sun, I. Hashim, T. Yao, L. Chen, G. Yao, B. Chin, R. Mosley, Z. Xu, F. Chen; Conference Proceedings VMIC Conference,6 月, 第10−12頁,1997)。
【0004】
バリアー構造の総じて有利なモフォロジー特性を活用することによりバリアー層全体の層抵抗を低減させ、よって接続穴抵抗を低減させ、或いはバリアー強度を最適化するため、たとえば欧州特許出願EP0751566A2から読み取れるように、たとえば窒化チタン/タンタルからなる2層系をバリアーとして使用する試みも行なわれた。TaN/Taからなる2層系を使用すると、タンタル層の下にある薄いTaN層によりバリアー強度が向上するとともに、すでに200℃前後においてタンタルの低抵抗a相を形成させることができる。このようなタンタル層は、本来、400℃以上の受け入れ難い析出温度でしか実現することができないものである。この2層バリアーの他の利点は、酸化シリコンに対して、また銅に対しても、最適な付着が達成できることにある。
【0005】
この種の2層系は、通常PVDチャンバー内で所定の固定温度で析出される。この場合適用される温度は200℃以上であるが、このように高温で析出させると、上にバリアーが析出されるシリコンウェーハーをその後50℃以下の温度へ冷却させねばならないという欠点がある。その理由は、同形の、隙間のない銅膜を形成させ、且つ銅が集塊化しないようにするために、銅初層を低温で析出させる必要があるからである。シリコンウェーハーを冷却する必要があるので非常に時間がかかり、スパッタリング装置の処理率を制限させるか、或いは付加的な冷却チャンバーにより設備コストを増大させる。
【0006】
拡散バリアーの析出のため、或いはシードの析出のため、半導体ウェーハーを予め脱気または調温段階において100℃以上で処理し、次にプレクリーン段階においてアルゴンにより250℃−300℃で処理するようにしたプロセス制御が行なわれている。その直後にTaN層が、そして次にTa層がほぼ250℃でスパッタリングされる。低温度でCuの析出を行なわねばならないので、半導体ウェーハーは他のプロセス段階において50℃−25℃へ冷却される。この冷却過程は別個の冷却チャンバーで行なうこともできる。続いて銅初層を25℃で析出させることができる。
【0007】
そこで本発明の課題は、半導体ウェーハー上に2層拡散バリアーを析出させる方法において、層析出クオリティが均一で、付加的な設備コストを要することなく著しく時間を節約できる前記方法を提供することである。
【0008】
本発明の上記課題は、冒頭で述べた種類の方法において、2層拡散バリアーの析出を2段階プロセスで行い、第1の段階において、半導体ウェーハーの高温状態でTaN層の析出を行ない、次に室温範囲の低温でTa層の析出を行なうことによって解決される。
【0009】
場合によっては、吸着物を除去するため、2層バリアー層を析出させる前に半導体ウェーハーをまず脱気または調温段階で処理し、接続穴の底部において露出している金属導通線の金属酸化物層を次のプレクリーン段階で物理的なスパッタリング効果により除去してもよい。
【0010】
TaN層の高温析出を200℃以上の温度で行い、Ta層の低温析出を50℃以下の温度で、たとえば25℃で行なうのが有利である。
【0011】
2層析出を特に時間的に最適に行なうことができるように、本発明の有利な実施形態では、Ta層の析出は半導体ウェーハーを冷却して50℃以下の温度を有している間に行なわれる。
【0012】
本発明の他の有利な実施形態は、TaN層およびTa層の析出をPVD析出装置内で行い、その際TaN層の析出を窒素雰囲気で行なうことを特徴としている。
【0013】
本発明の特に有利な形態では、TaN層とTa層との析出を同じPVDチャンバー内で行ない、それを、吸着物を半導体ウェーハーから解離させる脱気段階と、スパッタリングにより、半導体ウェーハー上の露出した金属導通線から金属酸化物層を除去するプレクリーン段階との後、半導体ウェーハーをその際に達した200℃ないし300℃の基板温度でPVDチャンバー内において、25℃に調温した静電チャック(ESC)上にチャックさせずに置き、TaN層を窒素雰囲気で析出させ、TaN層の析出後、過剰の窒素をPVDチャンバーから吸い出すようにして行う。次にESC上の半導体ウェーハーをチャックし、窒素に乏しい雰囲気でTa層を低温に冷却して析出させる。
【0014】
1つのPVDチャンバー内での拡散バリアーの2層析出の代わりに、TaN層とTa層とを別個のPVDチャンバー内で析出させてもよい。この目的のため、本発明の特別な変形実施形態では、吸着物を半導体ウェーハーから解離させる脱気段階と、スパッタリングにより、半導体ウェーハー上の露出した金属導通線から金属酸化物層を除去するプレクリーン段階との後、半導体ウェーハーをその際に達した200℃ないし300℃の基板温度で第1のPVDチャンバー内において、ほぼ250℃ないし300℃に調温した静電チャック(ESC)上に置き、チャックし、次にTaN層を窒素雰囲気で析出させる。次に、半導体ウェーハーを第2のPVDチャンバー内で、50℃以下に調温したESCでチャックし、半導体ウェーハーをチャック温度に冷却している間にTa層を析出させる。
【0015】
半導体ウェーハーは、第2のバリアー層の析出後すでに銅初層の析出のために低温になっているので、本発明の他の構成によれば、TaN層およびTa層で被覆した半導体ウェーハーを、これに引き続いてすぐにCu−PVDチャンバー内で銅初層で被覆させる。
【0016】
TaNとTaとからなる中間バリアーを析出させるための本発明による方法の主要な利点は、両層の析出を極めて短時間で行なうことができ、しかも全層抵抗またはそのモフォロジー特性は、250℃で両層をセットで析出させる方法に比べてほとんど違いがないことである。
【0017】
本発明による方法は、銅金属被覆用の拡散バリアーを形成させるためのみにその適用が限定されるものではなく、一般に、特に金属の拡散を防止すべき拡散層の形成のために適している。この種の金属はたとえばプラチナ、アルミニウム、或いはタングステンである。
【0018】
次に、本発明を2つの実施形態に関しより詳細に説明する。両実施形態の基本的な違いは、第1実施形態ではTaN層とTa層との析出を同じPVDチャンバー内で行うのに対し、第2実施形態ではこの析出を2つの別個のPVDチャンバー内で行なう点である。
【0019】
TaN層とTa層とを1つのPVDチャンバー内で析出させる場合、半導体ウェーハーはまず基準にしたがって脱気およびプレクリーンで前処理されたものとする。脱気およびプレクリーンにより、まず吸着物を真空中でほぼ300℃で基板表面から解離させる。次のプレクリーン段階では、物理的なスパッタリング効果により、接続穴の底部において露出している下方の金属導通線の金属酸化物層を除去して、可能な限り小さな接続抵抗を達成させる。
【0020】
上記2つのプロセス段階後、シリコンウェーハーはすでに250℃ないし300℃の基板温度を有する。
【0021】
ここで半導体ウェーハーをPVDチャンバー内へ導入し、その静電チャック(ESC)を50℃以下の温度、有利には25℃以下の温度に温度調整する。しかし、TaN層の析出は200℃以上で行なわねばならないので、半導体ウェーハーはESCでチャックされず、その結果半導体ウェーハーとチャックとの間に強い熱的カップリングはない。これに引き続いて、窒素雰囲気で(数mTのN2)、数10nmの厚さの薄いTaN層の析出を行なう。基板温度はまだ250℃ないし300℃であり、TaNの析出により基板温度はまだ上昇することができるので、所望のモフォロジー特性を持ったTaN層の析出を必要な温度で行なう。TaN層の析出後、過剰の窒素をPVDチャンバーから吸出し、同時に半導体ウェーハーをESCでチャックする。これにより半導体ウェーハーとチャックとの間に好適な熱的接触が形成され、その結果これにより直接基板の冷却が始まる。この時点で、チャンバーのタイプに応じて数kWのスパッタリング出力でTa層を析出させる。この方法の利点は、Ta析出後半導体ウェーハーがすでに銅析出に必要な50℃以下の低温を有しており、付加的な冷却過程を必要としないことである。よって、TaNとTaとで被覆したシリコンウェーハーを引き続いてすぐにCu−PVDチャンバーまたはCVDチャンバー内へ移送することができ、そこでまず銅初層が析出される。
【0022】
以下に説明する第2実施形態では、TaN層とTa層との析出は別個のPVDチャンバー内で行なう。2つのPVDチャンバーを使用する場合も、前述したように脱気とプレクリーンとにより半導体ウェーハーの前処理を行ない、この場合半導体ウェーハーをこのプロセス段階で達した250℃ないし300℃の基板温度で第1のPVDチャンバー内へ移動させ、そこでESCでチャックする。このESCはほぼ250℃ないし300℃に温度調整されている。したがって半導体ウェーハーは250℃ないし300℃の温度に制御されたままなので、数10nmの薄いTaN層を窒素雰囲気で析出させることができる。これに引き続き、半導体ウェーハーを、チャックが50℃以下の温度にある次のPVDチャンバー内へ導入し、半導体ウェーハーをESCでチャックする。この場合、ESCと半導体ウェーハーとの間には良好な熱的接触があるので、チャックを用いた半導体ウェーハーのチャック温度への冷却が始まる。半導体ウェーハーの冷却と同時に、同様に数10nmの厚さのTa層が析出する。Ta析出後の半導体ウェーハーはすでに次の銅析出に必要な低温にあるので、半導体ウェーハーをTa層の析出直後にCu−PVDチャンバーまたはCVDチャンバー内へ移送することができ、すぐに銅初層を析出させることができる。
Claims (7)
- 半導体ウェハー上に2層拡散バリアーを析出させる方法であって、この場合2層拡散バリアーが、下部の窒化タンタル(TaN)層と、その上にあって、導通線用の、特に銅導通線用の担持層としてのタンタル(Ta)層とから成る前記方法において、高温析出段階において、200℃以上の半導体ウェーハーの温度でTaN層を析出させ、次に低温析出段階において、50℃以下の半導体ウェーハーの温度でTa層を析出させることを特徴とする方法。
- 低温析出を25℃で行うことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- Ta層の析出を、半導体ウェーハーを冷却して50℃以下の温度を有している間に行うことを特徴とする、請求項1から2までのいずれか一つに記載の方法。
- TaN層およびTa層の析出をPVD析出装置内で行い、その際TaN層の析出を窒素雰囲気で行なうことを特徴とする、請求項1から3までのいずれか一つに記載の方法。
- 吸着物を半導体ウェーハーから解離させる脱気段階と、スパッタリングにより、半導体ウェーハー上の露出した金属導通線から金属酸化物層を除去するプレクリーン段階との後、半導体ウェーハーをその際に達した200℃ないし300℃の基板温度でPVDチャンバー内において、25℃に調温した静電チャック(ESC)上にチャックさせずに置き、TaN層を窒素雰囲気で析出させ、TaN層の析出後、過剰の窒素をPVDチャンバーから吸い出すようにして、TaN層とTa層との析出を同じPVDチャンバー内で行ない、次にESC上の半導体ウェーハーをチャックし、窒素に乏しい雰囲気でTa層を低温に冷却して析出させることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか一つに記載の方法。
- 吸着物を半導体ウェーハーから解離させる脱気段階と、スパッタリングにより、半導体ウェーハー上の露出した金属導通線から金属酸化物層を除去するプレクリーン段階との後、半導体ウェーハーをその際に達した200℃ないし300℃の基板温度で第1のPVDチャンバー内において、250℃ないし300℃に調温した静電チャック(ESC)上に置き、チャックし、次にTaN層を窒素雰囲気で析出させるようにしてTaN層の析出を第1のPVDチャンバー内で行なうこと、次に、半導体ウェーハーを第2のPVDチャンバー内で、50℃以下に調温したESCでチャックすること、半導体ウェーハーをチャック温度に冷却している間にTa層を析出させることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか一つに記載の方法。
- 低温にあり、TaN層およびTa層で被覆した半導体ウェーハーを、Cu−PVDチャンバーまたはCVDチャンバー内で銅初層で被覆させることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか一つに記載の方法。
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