JP4463555B2 - 低抵抗値の、粒径の大きい配線を得るために、三元系の銅合金を使用する方法 - Google Patents

低抵抗値の、粒径の大きい配線を得るために、三元系の銅合金を使用する方法 Download PDF

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Description

本発明は、概して、集積回路および集積回路の製造方法に関し、より詳しくは、低抵抗値の、粒径の大きい配線を得るために、三元系の銅合金（ternary copper alloy）を使用する方法に関する。
トランジスタのような半導体デバイスまたは集積回路（ＩＣ）は、何百万ものデバイスを含むことができる。
超々大規模集積回路（ＵＬＳＩ）は、相捕型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）（complementary metal oxide semiconductor）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含むことができる。
ＩＣ上の何百万ものＩＣデバイスを製造する従来のシステムおよびプロセスの能力にもかかわらず、ＩＣデバイス構造サイズを縮小すると共に、ＩＣ上のデバイスの数を増加させる必要性がさらにある。
しかしながら、ＩＣの継続的な小型化を困難にするいくつかの要因がある。
例えば、ビア（または、個々の導電層を電気的に接続するために使用される集積回路層の間の経路）のサイズが縮小するにつれて、電気抵抗値が増加する。
従来の集積回路は、構造（例えば、ゲート、ドレイン領域、ソース領域）および電気配線を接続するためにビアを利用する。
ビアは、典型的には、絶縁層を貫通して伸びる金属プラグである。
バリア層は金属の拡散およびエレクトロマイグレーション（ＥＭ）からビアを保護するために使用される。
バリア層は、ビア金属（ via metal）に関する抵抗値に著しく関与し得る。
エレクトロマイグレーションは、伝導電子（conducting electrons）および拡散する金属原子間の運動量交換による質量移動（mass transport）である。
エレクトロマイグレーションは、集積回路中の金属導体に進行性の損傷をもたらす。一般的にこれは、非常に高い電流密度および１００℃以上の温度における、金属の特性である。
集積回路の製造業者は、バリア材の厚みを減少することによってビアサイズを縮小するとともに、ビア抵抗値を下げることを試みる。
従来のプロセスの一つであるＰＶＤ（plasma vapor deposition）によると、ＩＣ製造業者は、共形でないたい積（non-conformed deposition）によって、ビアの底面に、非常に薄いバリア材をたい積する。
そのバリア材の厚みは、ＣＶＤ（chemical vapor deposition ）またはＡＬＤ（atomic layer deposition）プロセスによって減少される。
これらの高度なたい積プロセスは、共形性の高いバリアメタル膜を形成する。
しかしながら、バリア層の厚みが減少すると、そのバリア層を銅が透過しやすくなり、銅（Cu）の拡散性が高くなる。銅の拡散は、エレクトロマイグレーションに対する耐性を低下させる可能性がある。
図１Ａおよび図１Ｂは、銅層１１０、銅のビア１２０、銅層１３０、絶縁層１５０および絶縁層１６０を含む、集積回路の一部１００の概略的な断面図を示す。
ビア１２０および銅層１３０は、バリア層１４０によって分離される。
部分１００はまた、エッチング停止層１７４によって銅層１３０から分離される絶縁層１４２を含む。
絶縁層１４２は酸化物、エッチング停止層１７４は窒化シリコン（SiN）により構成することができる。
エッチング停止層１７４は、銅層１３０から絶縁層１４２への銅の拡散を防止する。バリア層１５２は、絶縁層１５０を銅層１３０から分離することができる。
同様に、バリア層１８２は、絶縁層１６０を銅層１１０から分離することができる。バリア層１５２，１８２は、窒化タンタル（TaN）により構成することができる。
エッチング停止層１７２，１７４，１７６および１７８は、窒化シリコン（SiN）により構成することができる。
従来のプロセスによれば、バリア層１４０の断面の厚みは、７ｎｍ〜２５ｎｍとすることができる。
バリア層１４０は、層からビア１２０への、そしてビアから絶縁層１４２への、銅イオンの拡散を防止する。従来のバリア層は、窒化タンタル（TaN）を含むものとすることができる。
図１Ａは、銅層１１０および銅のビア１２０が、二つの分割されたステップでたい積され、バリア部分１８２によって分離されるシングルダマシン・プロセスによって形成される部分を示す。
図１Ｂは、銅層１１０および銅のビア１２０が一つのステップまたはプロセスでたい積され、バリアによって分離されないデュアルダマシン・プロセスによって形成される部分を示す。
上述したように、従来のシステムは、ビア１２０に関連する抵抗値を下げるべく、バリア層１４０の厚みを減少させることを試みる。
しかしながら、この厚みの減少は、エレクトロマイグレーション故障を引き起こす可能性がある。
図２Ａおよび図２Ｂは、銅層１３０中にＥＭ故障またはボイド１４５をさらに有する、図１Ａおよび図１Ｂにおける部分１００を示す。
図２Ａは、銅層１１０および銅のビア１２０が、二つの分割されたステップまたはプロセスで形成されるシングルダマシン・プロセス（図１Ａに関して記載されるように）によって形成される部分を示す。
図２Ｂは、銅層１１０および銅のビア１２０が、一つのステップまたはプロセスで形成されるデュアルダマシン・プロセス（図１Ｂに関して記載されるように）によって形成される部分を示す。
図３Ａおよび図３Ｂは、ビア１２０中に、銅ビア層１２０からの銅の拡散によるＥＭ故障またはボイド１５５を有する、部分１００を示す。
図３Ａは、銅層１１０および銅のビア１２０が、二つの分割されたステップまたはプロセスで形成されるシングルダマシン・プロセス（図１Ａに関して記載されるように）によって形成される部分を示す。
図３Ｂは、銅層１１０および銅のビア１２０が、一つのステップまたはプロセスで形成されるデュアルダマシン・プロセス（図１Ｂに関して記載されるように）によって形成される部分を示す。
ＥＭ故障については、スタンレー・ウルフ（Stanley Wolf）Ph.D.の「ＶＬＳＩ時代におけるシリコン処理」（１９９０年）（カリフォルニア州サンセット・ビーチ、Lattice Press）（第２巻の２６４〜２６５ページ）に記載されている。
ウルフ博士は、導体のイオンの運動の正の拡散（positive divergence）が、金属中にボイドを形成し、間隙（vacancies）を蓄積することに結びつくと説明する。
このようなボイドは、最終的に、導体配線（conductor line）の開回路故障に帰着するようなサイズに成長し得る。
このように、ビアにおけるエレクトロマイグレーションまたは配線の故障が起きないように、より低い抵抗値を有する配線またはビアが必要とされる。
さらに、エレクトロマイグレーション信頼性を高める、配置された結晶粒界を有する、大きな粒径の配線を形成する方法が必要とされる。
発明の概要
ある典型的な実施形態は、集積回路を製造する方法に関する。
この方法は、側面のサイドウォールに沿ったバリア層とビア開口部（via aperture）の底面とを形成するステップと、ビアを形成すべく、ビア開口部中に三元系の銅合金のビア材料を提供するステップを含む。
ビア開口部は、三元系の銅合金のビア材料を受け入れ、第１導電層および第２導電層とを電気的に接続するように構成される。
三元系の銅合金のビア材料は、ビアの抵抗値を下げ、粒径を大きくする。
他の実施形態は、低抵抗値で、粒径の大きい配線またはビアを得るために、三元系の銅合金を使用する方法である。
この方法は、集積回路基板上に、第１導電層を提供するステップと、前記第１導電層から前記ビア開口部を分離するバリアを形成すべく、前記第１導電層上にたい積されるビア開口部の底面および側面に共形層部分を提供するステップと、三元系の銅合金のビアを形成すべく、三元系の銅合金のビア材料で前記ビア開口部を充てんするステップと、前記三元系の銅合金のビア上に第２導電層を提供することで、前記第１導電層と前記第２導電層とを前記三元系の銅合金のビアが電気的に接続するステップと、を含む。
他の実施形態は、集積回路中に、ビアを形成する方法に関する。
この方法は、第１導電層をたい積するステップと、前記第１導電層上にエッチング停止層をたい積するステップと、前記エッチング停止層上に絶縁層をたい積するステップと、前記絶縁層および前記エッチング停止層に開口部を形成するステップと、バリア層を形成すべく、前記開口部の底面および側面にバリア材を提供するステップと、三元系の銅合金のビアを形成すべく、三元系の銅合金で前記開口部を充てんするステップと、前記三元系の銅合金のビア上に第２導電層を提供することで、前記第１導電層と前記第２導電層とを前記三元系の銅合金のビアが電気的に接続するステップと、を含む。
好適な実施形態では、三元系の銅合金は、Cu-X-Yを含む。このCu-X-YのXは、亜鉛（Zn）、銀（Ag）または、すず（Sn）のような、抵抗値を下げる性質を備えた様々な元素のうちのいずれかとすることができ、Yは、カルシウム（Ca）またはクロム（Cr）のような、粒径を大きくする性質を備えた様々な元素のうちのいずれかとすることができる。
三元系の銅合金のビア材料は、CuAgCr、CuSnCa、CuZnCaまたはCuAgCaを含むことが好ましい。
他の原理構造および本発明の利点は、以下の図面、詳細な説明、および添付される請求項を参照することで、当業者に明白になる。
典型的な実施形態は、添付の図面を参照しながら、以下に記載される。この図面の類似の数字は、類似の要素を示す。
本発明の実施の形態
図４は、伝導性のビア層４１０、導電層およびビア部分４２０、導電層４３０、バリア層４４０、絶縁層４５０および絶縁層４６０を含む、集積回路の部分４００の概略的な断面図を示す。
部分４００は、好ましくは、何百万以上のトランジスタを有する、超々大規模集積回路の一部である。部分４００は、シリコン・ウェーハのような半導体ウェーハ上のＩＣの一部として製造される。
部分４００は、エッチング停止層４７４によって導電層４３０から分離される絶縁層４４２を、さらに含んでいてもよい。
典型的な実施形態においては、絶縁層４４２は酸化物材料であり、エッチング停止層４７４は窒化シリコン（Si3N4）または他の適切な物質とされる。
エッチング停止層４７４は、導電層４３０から絶縁層４４２への材料の拡散を防ぐ。伝導性のビア層４１０は、銅または他の金属のような任意の導電材料の層とすることができる。
バリア層４５２は、絶縁層４５０を銅層４３０から分離することができる。
同様に、絶縁層４６０は、バリア層４８２によって銅層４１０から分離することができる。
バリア層４５２，４６２は、窒化タンタル（TaN）により構成することができ、エッチング停止層４７２，４７４，４７６および４７８は、窒化シリコン（SiN）により構成することができる。
導電層およびビア部分４２０は、導電材料により構成することができ、導電層４１０および導電層４３０を電気的に接続する働きをする。
導電層およびビア部分４２０は、三元系の銅（Cu）合金である、Cu-X-Yを含むことができる。
Xは、亜鉛（Zn）、銀（Ag）または、すず（Sn）のような、抵抗値を下げる性質を備えた様々な元素のいずれかとすることができる。
Yは、カルシウム（Ca）またはクロム（Cr）のような、粒径を大きくする性質を備えた様々な元素のいずれかとすることができる。
有利には、ビア部分４２０の三元系の銅合金は、低い抵抗値の配線またはビア、大きな粒径の配線、および配置された結晶粒界を提供する。
大きな粒径は、その結晶構造が銅イオンの移動性を妨げるため、エレクトロマイグレーション信頼性を増進する。大きな粒径はまた、より低い配線抵抗値を提供する。
配置された結晶粒界は、結晶粒界に沿ったCu拡散経路を減少または制限するため、エレクトロマイグレーション信頼性を増加させる。
導電層およびビア部分４２０の材料は、ＥＣＤ（電気化学たい積法）を使用して（無電解めっき、および（または）電気めっきのどちらでもよい。）、たい積されてもよい。
ＥＣＤのためのシード層は、ＡＬＤ／ＣＶＤ（原子層たい積法／化学気相成長法）、および（または）ＰＶＤ／ＩＭＰ（plasma vapor deposition／ion metal plasma）、ＳＩＰ（self-ionizing plasma）によって形成することができる。
Cu-X-Yの三元系の銅合金は、例えば、すず（Sn）が１原子％（１atomic％）未満であってクロム（Cr）が１原子％未満である、Cu-Sn-Crとすることができる。その他の例として、Cu-X-Yは、亜鉛（Zn）が１原子％未満であってクロム（Cr）が１原子％未満である、Cu-Zn-Crとすることができる。
Cu-Zn-Crの場合には、減少した抵抗値は、１．８〜２．２μΩｃｍとなり、増加した粒径は、０．５〜３μｍとなり得る。
Cu-Zn-Cr合金をたい積するための電気めっきを施す溶液は、Cuイオン源としてのCu塩、Znイオン源としてのZn塩、Crイオン源としてのCr塩、金属イオン用の錯化剤、ｐＨ調節装置（pH adjuster）、および有機的な添加剤を含んでいてもよい。
溶液中の金属イオンの濃度的な比率は、合金膜中のZnおよびCrが１原子％未満であるCu-Zn-Cr膜を形成するように、最適化される。
錯化剤は、エチレンジアミン（ethylenediamine）、エチレンジアミン四酢酸（ethylenediaminetetraacetic acid）および酒石酸（tartaric acid）のグループから選択することができる。
有機的な添加剤は、Cu-Zn-Cr充てんを完了すると共に、ボイドのない伝導性のビア層を形成するため、ビア／トレンチ領域内の形状を改良するための好適な条件を供給する、ポリプロピレングリコール（polypropylene glycoles）、ポリエチレングリコール（polyethylene glycoles）および硫化メルカプタン（mercaptan disulfides）のグループから選択することができる。
電気めっきされたCu-Zn-Cr 層のアニーリングは、さらに粒径を増加し、抵抗値を下げることとなる再結晶プロセスを完了するために実行することができる。
次の絶縁層をたい積することができる状態とするように平らな表面を形成すべく、絶縁層からCu-Zn-Crおよびバリア層を除去するため、化学機械研磨法（Chemical mechanical polishing）、化学研磨法（chemical polishing）、および（または）電解研摩法を使用することができる。
導電層４３０は、ビア部分４２０と最も近い場所に位置した銅層であり得る。
導電層４３０は、銅（Cu）を含む合金を含んでいてもよい。他の実施形態においては、導電層４３０は、複数の層が積層したもの（スタック）である。
バリア層４４０は、タンタル（Ta）、窒化タンタル（TaN）、窒化チタン（TiN）、チタンシリコン窒化物（TiSiN）、窒化タングステン（WNx）またはその他の適切な物質とすることができる。
ある典型的な実施形態では、バリア層４４０の断面の厚さは、５〜１０ｎｍである。他の実施形態では、バリア層４４０の寸法は、２〜５ｎｍである。
部分４００を生成する典型的なデュアルダマシン法においては、導電層４３０がたい積されると、この導電層４３０上にエッチング停止層４７４がたい積され、このエッチング停止層４７４上に絶縁層４４２がたい積される。
この絶縁層４４２上にはレジスト層がたい積される。レジスト層は、ビア部分４２０の形成において、絶縁層４４２およびエッチング停止層４７４中の開口部のパターン化およびエッチングに使用される。
ビアおよびトレンチ部分が、２つの異なる幅を有している典型的な実施形態においては、２つの異なるレジスト層が、ビア／トレンチを形成するプロセスの２つのステップにおいて使用されてもよい。
１つ以上のレジスト層は、導電層およびビア部分４２０にビア／トレンチ材料をたい積する前に、除去される。
伝導性のビア層４１０は、導電層４２０を電気的に接続するために形成される。
図５を参照すると、集積回路の部分５００は、三元系の銅合金を有するデュアルダマシンのビア／トレンチ部分を含む。
ビア／トレンチ部分は、すず（Sn）およびクロム（Cr）の添加により、増加された粒径５２０、減少した抵抗値および配置された結晶粒界５１０を含むことができる。
増加された粒径５２０、配置された結晶粒界５１０および減少した抵抗値により、エレクトロマイグレーション信頼性を改善することができる。
図４に関して記載されるように、抵抗値を低くする元素および粒径を増加する元素を含むように、様々な異なる技術を使用してもよい。また、様々な異なる元素および元素の組み合わせを使用してもよい。
図６は、導電層６１０、ビア／トレンチ部分６２０、導電層６３０、バリア層６４０、絶縁層６５０および絶縁層６６０を含む、集積回路（ＩＣ）の、デュアルダマシンの部分６００を示す、概略的な断面図である。
部分６００はまた、エッチング停止層６４４によって導電層６３０から分離される絶縁層６４２を含む。
幅の狭い配線のビア／トレンチ部分４２０の形状に比べて、ビア／トレンチ部分６２０が幅の広い配線形状を有する点を除き、部分６００は、図４に関して記載された部分４００と類似する。
絶縁層は、ＣＶＤまたはスピン・オン技術によってたい積される、低誘電率材料を含んでいてもよい。
低誘電率材料は、誘電率ｋ＝１．５〜３．５を備えており、有孔率１０〜４５％の多孔性材料を含むことができる。孔の大きさは、１〜１５ｎｍの寸法を有していてもよい。
バリア層６５２は、絶縁層６５０を銅層６３０から分離することができる。同様に、バリア層６８２は、絶縁層６６０を銅ビア層６１０から分離することができる。バリア層６５２，６８２は、窒化タンタル（TaN）とすることができる。エッチング停止層６７２，６７４，６７６および６７８は、窒化シリコン（SiN）とすることができる。
図７は、導電層７１０、ビア部分７２０、導電層７３０、バリア層７４０、絶縁層７５０および絶縁層７６０を含む集積回路の、シングルダマシンの部分７００を示す、概略的な断面図である。部分７００はまた、エッチング停止層７４４によって絶縁層７３０から分離される絶縁層７４２を含む。
有利に、ビアまたは配線の形成に三元系の銅合金を使用することは、信頼性および動作の改善を提供することができる。
例えば、エレクトロマイグレーション信頼性は配置された結晶粒界により改善することができる。さらに、エレクトロマイグレーションは、増加した粒径により改善される。
図に示されると共に、上述される典型的な実施形態が現時点で好適であるが、これらの実施形態は、単なる例として示されるものである。
他の実施形態は、例えば、合金中に銅合金および他の異なる元素をインプラントする他の方法を含んでいてもよい。
本発明は、特定の実施形態に制限されないが、添付される請求項の範囲および趣旨内の、様々な修正例、組合せおよび置換に及ぶ。
先行技術によって製造される集積回路の、シングルダマシンの一部を示す、概略的な断面図。 先行技術によって製造される集積回路の、デュアルダマシンの一部を示す、概略的な断面図。 エレクトロマイグレーション故障を呈する、図１Ａで示される集積回路のシングル部分を示す、概略的な断面図。 エレクトロマイグレーション故障を呈する、図１Ｂで示される集積回路のデュアル部分を示す、概略的な断面図。 エレクトロマイグレーション故障を呈する、図１Ａで示される集積回路のシングルダマシンの一部を示す、概略的な断面図。 エレクトロマイグレーション故障を呈する、図１Ｂで示される集積回路のデュアルダマシンの一部を示す、概略的な断面図。 典型的な実施形態による、三元系の銅合金を示す、集積回路の一部を示す、概略的な断面図。 他の実施形態による、三元系の銅合金の配線構造を示す、集積回路の一部を示す、上部断面図。 他の実施形態による、三元系の銅合金の配線構造を示す、集積回路の一部を示す、概略的な断面図。 さらに他の実施形態による、三元系の銅合金の配線構造を示す、集積回路の一部を示す、概略的な断面図。

Claims (6)

  1. 第１導電層および第２導電層を電気的に接続するビア材料を受け入れるように構成されるビア開口部の側面と底面に沿ったバリア層を形成するステップと、
    ビアを形成するように、前記ビア開口部の前記バリア層上に、抵抗値を下げる性質を備える元素である亜鉛（Zn）、銀（Ag）またはすず（Sn）のうち少なくとも一つの元素と、粒径を大きくする性質を備える元素であるカルシウム（Ca）またはクロム（Cr）のうちの少なくとも一つの元素とを含む三元系の銅合金のビア材料を直接供給し、前記ビア開口部を前記三元系の銅合金のビア材料により完全に充てんするステップと、
    を含む、集積回路の製造方法。
  2. 集積回路基板上に、第１導電層を提供するステップと、
    前記第１導電層から前記ビア開口部を分離するバリアを形成すべく、前記第１導電層上に設けられたビア開口部の底面および側面に、バリア層を提供するステップと、
    抵抗値を下げる性質を備える元素である亜鉛（Zn）、銀（Ag）またはすず（Sn）のうちの少なくとも一つの元素と、粒径を大きくする性質を備える元素であるクロム（Cr）またはカルシウム（Ca）の少なくとも一つの元素とを含む三元系の銅合金のビアを形成すべく、前記ビア開口部の前記バリア層上に前記三元系の銅合金のビア材料を直接供給し、前記ビア開口部を完全に充てんするステップと、
    前記三元系の銅合金のビア上に第２導電層を提供して、前記三元系の銅合金のビアが、前記第１導電層と前記第２導電層とを電気的に接続するステップと、
    を含む、低抵抗値の、粒径の大きい配線またはビアを得るために、三元系の銅合金を使用する方法。
  3. 前記抵抗値を下げる性質を備える元素は、前記三元系の銅合金のビア材料の、１原子％以下である、
    請求項１または２記載の方法。
  4. 前記粒径を大きくする性質を備える元素は、前記三元系の銅合金のビア材料の、１原子％以下である、
    請求項１ないし３のいずれかの項記載の方法。
  5. 前記粒径は、０．５〜３．０μｍである、
    請求項１ないし４のいずれかの項記載の方法。
  6. 前記三元系の銅合金のビア材料は、CuAgCr、CuSnCa、CuZnCaまたはCuAgCaである、
    請求項１ないし５のいずれかの項記載の方法。
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