JP4711624B2 - 銅電極形成アプリケーションのためのａｌｄ窒化タンタル及びアルファ相タンタルの集積 - Google Patents

銅電極形成アプリケーションのためのａｌｄ窒化タンタル及びアルファ相タンタルの集積 Download PDF

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Description

発明の背景
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、集積回路素子を製造するための方法に関する。特に本発明の実施形態は、一つ以上の周期的堆積プロセスを使用して電極配線構造を形成することに関する。
従来技術の説明
[0002]集積回路（ＩＣ）素子の構造サイズは、４分の１ミクロン以下にまで小型化されているので、電気抵抗と電流密度は懸念と改善の分野になっている。多層配線技術は、コンタクト、プラグ、バイア、ライン、ワイヤ、その他の特徴部（構造要素）を含む高いアスペクト比の特徴部に形成された、ＩＣ素子中の導電性経路を与える。基板上に相互接続（配線)を形成するための典型的なプロセスは、一つ以上の層を堆積することと、一つ以上の特徴部を形成するためにこれらの層の少なくとも一つをエッチングすることと、これらの特徴部にバリア層を堆積することと、特徴部を充填するために一つ以上の層を堆積することと、を含む。典型的には特徴部は、下位の導電性層と上位の導電性層との間に配置された誘電体材料内に形成される。相互接続は、上位導電性層と下位導電性層とを接続するためにこの特徴部内に形成される。これらの相互接続特徴部の信頼度の高い形成は、回路の製造と、個別の基板とダイ(チップ)とにおける回路密度及び品質を改善するための止むことのない努力とにとって重要である。
[0003]今日、銅は、銅とその合金がアルミニウムより低い抵抗率を持っているという理由でサブミクロンの高いアスペクト比の相互接続特徴部を充填するための選び抜かれた金属となっている。しかしながら銅は、周囲の材料内に拡散し易く、隣接する層の電子素子特性を変化させる可能性があり、例えば層間に導電性経路を形成し、それによって回路全体の信頼性を低下させて素子障害を招く恐れがある。
[0004]したがって銅原子の拡散を防止する、あるいは妨げるために銅メタライゼーション（銅電極形成）に先立ってバリア層が堆積される。バリア層は典型的には、タングステン、チタン、タンタル及びこれらの窒化物といった高融点金属を含んでおり、これらはすべて銅より高い抵抗率を持っている。特徴部内にバリア層を堆積するためには、バリア層は特徴部の底面とその側壁にも堆積しなくてはならない。したがって特徴部の底面上のバリア層の追加量は、特徴部の全体抵抗を増加させるだけでなく、多層配線構造の上位と下位の電極配線間に障害物を形成する。
[0005]したがって相互接続の電気抵抗を最小にする、電極配線構造を形成するための改善された方法に対する必要が存在する。
発明の概要
[0006]基板上に電極配線を形成するための方法が提供される。一態様では、本方法は、金属層の少なくとも一部分の上に、結晶様構造を示し原子マイグレーションを抑制するために十分である厚さを有する高融点金属含有バリア層を堆積することを含む。この相互接続は、金属含有化合物の一つ以上の適用量と窒素含有化合物の一つ以上の適用量とを交互に導入することと、上記バリア層の少なくとも一部分の上にシード層を堆積することと、上記シード層の少なくとも一部分の上に第２の金属層を堆積することと、によって製造される。
[0007]他の態様では、本方法は、基板表面に第１の金属層を堆積することと、チタン含有化合物の一つ以上の適用量とシリコン含有化合物の一つ以上の適用量と窒素含有化合物の一つ以上の適用量とを交互に導入することによって上記第１の金属層の少なくとも一部分の上に約２０オングストローム未満の厚さを有するチタン・シリコン窒化物層を堆積することと、二元合金シード層を堆積することと、上記二元合金シード層の少なくとも一部分の上に第２の金属層を堆積することと、を含む。
[0008]更に他の態様では、本方法は、金属層の少なくとも一部分の上に約２０オングストローム未満の厚さを有する二層バリアを堆積することと、二元合金シード層を堆積することと、上記二元合金シード層の少なくとも一部分の上に第２の金属層を堆積することと、を含む。この二層バリアは、タンタル含有化合物の一つ以上の適用量と窒素含有化合物の一つ以上の適用量とを交互に導入することによって堆積される窒化タンタルの第１の層と、アルファ相タンタルの第２の層とを含む。
[0009]なお更に他の態様では、本方法は、基板表面に第１の金属層を堆積することと、タンタル含有化合物の一つ以上の適用量と窒素含有化合物の一つ以上の適用量とを交互に導入することによって、上記第１の金属層の少なくとも一部分の上に約２０オングストローム未満の厚さを有する窒化タンタルバリア層を堆積することと、銅と、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、錫、及びこれらの組合せからなる群から選択された金属とを含む二元合金シード層を堆積することと、上記二元合金シード層の少なくとも一部分の上に第２の金属層を堆積することと、を含む。
[0010]本発明の上述の特徴を達成する仕方が詳細に理解できるように、上記に簡単に要約された本発明の更に特定の説明は、付属の図面に示された本発明の実施形態を参照することによって行われる。しかしながら、本発明が、他の同等に有効な実施形態にも適用可能であるので、付属の図面が本発明の単に典型的な実施形態を説明するものであって、したがって、本発明の範囲を限定するものと考えるべきでないことに留意すべきである。
好ましい実施形態の詳細な説明
［0017］一つ以上の相互接続構造を形成するためのプロセス・シーケンスが提供される。本明細書に説明される実施形態によって形成される相互接続構造は、従来技術の相互接続よりも低い全体的抵抗率と良好な電気特性とを持っており、特に集積回路の製造での使用に関してメモリとロジックの構造を作るために有用である。相互接続構造の形成は、基底をなす金属層の上に少なくとも部分的に堆積される薄いバリア層と、このバリア層の上に少なくとも部分的に堆積されるシード層と、このシード層の上に少なくとも部分的に堆積されるバルク金属層との形成を含む。ここで使用される用語「相互接続」は、集積回路内に形成される任意の導電性経路を指している。ここで使用される用語「バルク金属」は、相互接続構造を形成するために堆積される他の金属より大量に堆積される金属を指している。
[0018]図1は、本発明の実施形態によるプロセス・シーケンスを示す。先ず初めに、例えばステップ４８０に示すように、下位レベルの電極配線又は金属ゲートといった基底をなす基板表面に少なくとも部分的に薄いバリア層が堆積される。このバリア層は、優れたバリア特性を与えるために、また基底をなす金属層がバリア層を横切って上位レベルの電極配線内に、あるいは後から堆積された金属層内に持続成長することを可能にするために、本明細書に説明される循環的層堆積手法にしたがって堆積される。一態様では、このバリア層は、例えばタンタル、チタン、タングステンといった高融点金属含有層であり、また窒化タンタル（ＴａＮ）といった高融点金属窒化物材料を含むこともある。他の態様では、このバリア層は、ＴａＮとアルファ相タンタルからなる薄い二重層である。更に他の態様では、本バリア層は、高融点金属含有化合物とシリコン含有化合物と窒素含有化合物とから形成される三成分材料である可能性がある。バリア層は、また、後続のメタライゼーションのための湿潤層、接着層、あるいは接着剤層としても機能できる。
[0019]ここで使用される「薄い層」は、約１０オングストローム（Å）といった約２０Å以下の厚さを有する、基板上に堆積された材料の層を指す。バリア層の厚さは、隣接する電極配線の電子がバリア層を通り抜けられるほど薄い。したがって、バリア層は、全体的な電気抵抗を下げて良好な素子信頼性を与えることによって電極配線の電気的性能を大幅に改善する。
[0020]本明細書に説明される循環堆積方法によって堆積された薄いバリア層は、エピタキシャル成長現象の形跡を示す。言い換えれば、バリア層は、基底をなす層と同じ、あるいは実質的に同じ結晶学的特性を帯びる。その結果、バリア層と基底層との間の界面にボイド形成が存在しないような実質的に単一の結晶が成長する。同様に、バリア層上に堆積される後続の金属層は、この単結晶の成長を継続する同じ、あるいは実質的に同じエピタキシャル成長特性を示す。したがって、この界面に、ボイド形成は発生しない。この結果得られる、単結晶に似た構造は、ボイド形成を除去し、それによって実質的に素子信頼性を向上させる。この単結晶構造は、優れたバリア特性を備えながらなお、相互接続特徴部の全体的抵抗を減少させる。更に単結晶成長は、相互接続材料界面を横切る等角・均一な結晶方位のためにエレクトロマイグレーションとストレスマイグレーションの感受率を引き下げる。
[0021]ここで使用される「循環堆積」は、基板に単層の材料を堆積するための二つ以上の反応化合物の順次的導入を指す。これら二つ以上の反応化合物は、プロセス・チャンバの反応ゾーン内に交互に導入される。各反応化合物は、各化合物が基板表面上で付着及び／又は反応できるようにするために、ある遅延時間だけ分離されている。一態様では、第１の前駆物質あるいは化合物Ａは、反応ゾーン内に適用量導入されてから第１の遅延時間だけおかれる。次に第２の先駆物質あるいは化合物Ｂは、反応ゾーン内に適用量導入されてから第２の遅延時間だけおかれる。例えばチタン・シリコン窒化物といった三成分材料が所望であるときは、第３の化合物（Ｃ）は、反応ゾーン内にドーズ（投与）／適用量導入されてから第３の遅延時間だけおかれる。各遅延時間の間中、反応ゾーンをパージする（一掃する）ため、そうでなければ反応ゾーンからすべての残留反応化合物を除去するためにプロセス・チャンバ内にアルゴンといった不活性ガスが導入される。代替として反応化合物の適用量（pulse）間の遅延時間中、パージガスだけが流れるように、堆積プロセス中、連続的にパージガスを流し続けることもできる。これらの反応化合物は、基板表面に所望の膜あるいは膜厚が形成されるまで交互に適用量導入される。
[0022]ここで使用される「基板表面」は、膜処理が行われる如何なる基板表面をも指す。基板表面は、アプリケーションによって、例えばシリコン（ケイ素）、酸化シリコン、ドープトシリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガラス、サファイア、及び金属、金属窒化物、合金、その他導電性材料といった他の如何なる材料も含むことができる。基板表面はまた、二酸化シリコン、カーボン・ドープト酸化シリコンといった誘電体材料を含むこともできる。
[0023]ここで使用される「適用量（pulse）」あるいは「ドーズ」は、プロセス・チャンバの反応ゾーン内に間欠的に、あるいは不連続的に導入されるある特定の化合物のある量を指すように意図されている。各適用量内のある特定の化合物の量は、適用量の持続時間によって、時間的に変化し得る。各適用量の持続時間は、例えば使用されるプロセス・チャンバのボリューム容量、それに連結される真空システム、及びその特定の化合物それ自身の揮発性／反応性といった多くの要因によって変化し得る。
[0024]用語「化合物」は、一つ以上の前駆物質、オキシダント、還元体、反応物、及び触媒、あるいはそれらの組合せを含むことが意図されている。用語「化合物」はまた、二つ以上の化合物が一つの処理システム内に同時に導入されるといったときに１グループの化合物を含むことも意図されている。例えば１グループの化合物は、一つ以上の触媒と一つ以上の前駆物質とを含むことがあり得る。用語「化合物」は更に、解離又はイオン化といったことによって活性化状態、そうでなければ付勢化状態における一つ以上の前駆物質、オキシダント、還元体、反応物、及び触媒、あるいはそれらの組合せを含むことが意図されている。
[0025]基板表面上の反応物の単分子層を物理吸着、吸着、吸収あるいは化学吸着するために使用される表面引力は、基板表面がこれらの反応物のために利用可能な有限数のサイトを持っているという理由で、所定の適用量の時間中に唯一つの単分子層が基板表面に堆積できるということにおいて自己限定的であると信じられている。一旦これら有限数のサイトが反応物によって占められると、これらの反応物の更なる堆積は、妨げられるであろう。このサイクルは、層が所望の厚さになるまで反復できる。
[0026]なお、図１を参照すれば、ステップ４８５に示すようにバリア層の上に少なくとも部分的に、シード層が堆積される。このシード層は、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、電気メッキ、又は無電解めっきといった従来の如何なる堆積手法を使用しても堆積可能である。好ましくは、シード層は、約１００Åから約５００Åの間の厚さになるように、基底となるバリア層上に等角に堆積される。一態様では、シード層は、通常の銅シード層である。他の一態様では、シード層は、二元合金シード層である。例示的な二元合金シード層は、１）無ドープ銅を含むターゲットを利用して堆積された無ドープ銅と、２）約２．０原子パーセントの濃度のアルミニウムを含む銅アルミニウムターゲットを利用して堆積された約２．０原子パーセントの濃度のアルミニウムを含有する銅合金と、３）約２．０原子パーセントの濃度の錫を含む銅・錫ターゲットを利用して堆積された約２．０原子パーセントの濃度の錫を含有する銅合金と、４）約２．０原子パーセントの濃度のジルコニウムを含む銅ジルコニウム・ターゲットを利用して堆積された約２．０原子パーセントの濃度のジルコニウムを含有する銅合金と、を含む。
[0027]バルク金属層は、ステップ４８７に示すようにシード層の上に少なくとも部分的に堆積される。この金属層もまた、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、電気めっき、又は無電解めっきといった従来の如何なる堆積手法を使用しても堆積可能である。好ましくは、金属層は、例えばアルミニウム、銅、タングステン、又はこれらの組合せといった任意の導電性材料を含む。
[0028]図２Ａ〜図２Ｄは、製造の異なる段階における例示的な相互接続構造の模式的表現である。図２Ａは、その上に誘電体層１１２が形成された基底金属層１１０を示す。図２Ｂは、この基底金属層１１０の上に少なくとも部分的に堆積されたバリア層１３０を示す。この基底金属層１１０は、例えばアルミニウム、銅、タングステン、又はこれらの組合せといった任意の導電性金属を含むことができ、またプラグ、バイア、コンタクト、ライン、ワイヤといった相互接続特徴部の一部を形成でき、また金属ゲート電極の一部となることもできる。図２Ｃは、バリア層１３０の上に少なくとも部分的に堆積されたシード層１４０を示し、また図２Ｄは、このシード層１４０の上に少なくとも部分的に堆積されたバルク金属層１４２を示す。
[0029]図２Ａを参照すると、誘電体層１１２は、現在知られているか、これから発見される低ｋ誘電体（ｋ≦４．０）を含む如何なる誘電多材料であってもよい。例えば、この誘電体層１１２は、酸化シリコン又はカーボン・ドープト酸化シリコンでもよい。誘電体層１１２は、従来の良く知られた手法を使用して、その中に特徴部１１４を形成するためにエッチングされている。この特徴部１１４は、プラグ、バイア、コンタクト、ライン、ワイヤ、その他如何なる相互接続コンポーネントでもよい。典型的には特徴部１１４は、約６：１といった約４：１以上のアスペクト比を有する垂直な側壁１１６と床１１８とを持っている。床１１８は、より下位レベルの電極配線１１０の少なくとも一部分を露出している。
[0030]図２Ｂを参照すると、バリア層１３０は、特徴部１１４の側壁１１６ばかりでなく床１１８にも等角に堆積される。好ましくは、このバリア層は、内部に基板を配置している反応ゾーンに対して、約１．０秒以下の期間中に約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間の流量でタンタル含有化合物の一つ以上の適用量と、約１．０秒以下の期間中に約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間の流量で窒素含有化合物の一つ以上の適用量とを供給することによって、約２０Å以下、好ましくは、約１０Åの厚さに堆積された窒化タンタルを含む。例示的なタンタル含有化合物は、ｔ−ブチルイミノトリス（ジエチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＤＥＴ）、ペンタキス（エチルメチルアミノ）タンタル（ＰＥＭＡＴ）、ペンタキス（ジメチルアミノ）タンタル、（ＰＤＭＡＴ）、ペンタキス（ジメチルアミノ）タンタル（ＰＤＥＡＴ）、ｔ−ブチルイミノトリス（ジエチルメチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＭＥＴ）、ｔ−ブチルイミノトリス（ジメチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＤＭＴ）、ビス（シクロペンタジエニル）三水素化タンタル（（Ｃｐ）２ＴａＨ３）、ビス（メチルシクロペンタジエニル）三水素化タンタル（（ＣｐＭｅ）２ＴａＨ３）、これらの誘導体、及びこれらの組合せを含む。例示的窒素含有化合物は、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ｔブチルヒドラジン、フェニルヒドラジン、アゾイソブタン、エチルアジド、これらの誘導体、及びこれらの組合せを含む。
[0031]これらの化合物、あるいは上記に列挙されなかった他の如何なる化合物も、室温で固体、液体、又は気体のいずれかであり得ることは理解すべきである。例えば、ＰＤＭＥＴは室温で固体であり、ＴＢＴＤＥＴは室温で液体である。したがって、非気相の前駆物質は、プロセス・チャンバ内への導入に先立って、両者とも本技術では良く知られた昇華あるいは気化のステップを受ける。アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、あるいはこれらの混合物といったキャリアガスもまた、本技術では一般に知られているように、プロセス・チャンバ内に化合物を送り込むのを助けるために使用できる。
[0032]各適用量は順番に実施され、これに続いて非反応ガスの別の流れが約２００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間の流量で流される。非反応ガスのこの別の流れは、反応化合物の各適用量間で適用量導入されるか、あるいは非反応ガスのこの別の流れは、堆積プロセスの期間中、連続して導入されることも可能である。非反応ガスのこの別の流れは、適用量導入か連続導入にかかわらず、反応化合物の有害な気相反応を防止するために反応ゾーンから如何なる余分な反応物も除去するのに役立っており、またパージガスと同様にプロセス・チャンバから如何なる反応副生物も除去するためにも役立っている。これらの働きに加えて、非反応ガスの連続したこの別の流れは、キャリアガスと同様に、反応化合物の適用量を基板表面に送り込む助けとなる。ここで使用される用語「非反応ガス」は、金属層形成に関与しない単一のガス又は混合ガスを指す。例示的な非反応ガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、及びこれらの組合せを含む。
[0033]「反応ゾーン」は、処理中の基板表面と流体的に通じている如何なるボリューム空間をも含むように意図されている。反応ゾーンは、ガス供給源と基板表面との間に在るプロセス・チャンバ内の如何なるボリュームも含み得る。例えば反応ゾーンは、基板が配置されるドーズバルブの下流の如何なるボリュームも含む。
[0034]各適用量／ドーズの持続時間は可変であり、例えばプロセス・チャンバのボリューム容量とこれに連結された真空システムの能力とに適応するように調整できる。更に化合物のドーズ時間は、その化合物の流量と、化合物の圧力と、化合物の温度と、ドーズバルブのタイプと、使用される制御システムのタイプと、基板表面に吸着する化合物の能力とにしたがって変化し得る。ドーズ時間はまた、形成される層のタイプと形成される素子の形状とに基づいても変化し得る。
[0035]典型的には各適用量の持続時間あるいは「ドーズ時間」は、一般に約１．０秒以下である。しかしながら、ドーズ時間は、マイクロ秒からミリ秒、秒、分にまで変化し得る。一般にドーズ時間は、基板の表面全体に吸着／化学吸着して化合物の層を形成するように十分なボリュームの化合物を供給するために十分な長さであるべきである。
[0036]図３は、循環的層堆積、原子層堆積、ディジタル化学的気相堆積、及び迅速化学的気相堆積の手法を使用してバリア層を形成できる例示的プロセス・チャンバ２００の模式的部分断面を示している。用語「循環的層堆積」、「原子層堆積」、「ディジタル化学的気相堆積」、及び「迅速化学的気相堆積」は、ここでは交換可能に使用され、気相堆積手法を指しており、それによって基板表面に材料の薄層を堆積するために、二つ以上の化合物がプロセス・チャンバの反応ゾーン内に順次に導入される。このようなプロセス・チャンバ２００は、カリフォルニア州サンタクララに在るアプライドマテリアルズ社から入手可能であり、その簡単な説明は下記の通りである。詳細説明は、参照として本明細書に組み込まれる、２００１年１２月２１日に出願された「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（原子層堆積のためのガス供給システム及び装置）」と題する、一般に譲渡される米国特許出願第１０／０３２，２８４号に見ることができる。
[0037]プロセス・チャンバ２００は、アプライドマテリアルズ社から入手可能なＥｎｄｕｒａ（商標）プラットフォームといった統合されたプロセス・プラットフォームに統合できる。Ｅｎｄｕｒａ（商標）プラットフォームの詳細は、参照として本命最初に組み込まれる、１９９９年１１月３０日に出願された「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍ」と題する、一般に譲渡される米国特許出願第０９／４５１，６２８号に記述されている。
[0038]図３を参照すれば、チャンバ２００は、側壁２０４に形成されたスリットバルブ２０８と内部に配置された基板支持体２１２とを有するチャンバ本体２０２を含む。基板支持体２１２は、基板支持体２１２とその上に配置された基板２１０とを上昇・下降させるエレベータ・モータ２１４に取り付けられている。基板支持体２１２はまた、処理中に基板２１２を基板支持体２１２に固定するための真空チャック、静電チャック、又はクランプ・リングを含むこともできる。更に基板支持体２１２は、抵抗ヒータといった埋め込み型加熱エレメントを使用して過熱されることが可能であり、あるいは基板支持体２１２の上方に配置された加熱ランプといった放射熱を使用して加熱されることも可能である。基板２１０の周辺部への堆積を防止するためにパージガスを供給するパージチャネル２２４を画定するように基板支持体２１２の上にパージ・リング２２２を配置することができる。
[0039]ガス分配装置２３０は、プロセスガス及び／又はパージガスといったガスをチャンバ２００に供給するためにチャンバ本体２０２の上位部分に配置される。真空システム２７８は、チャンバ２００からガスを排出するためと、チャンバ２００のポンピング・ゾーン２６６の内部で所望の圧力又は所望の圧力範囲を維持するのを助けるためにポンピング・チャネル２７９と通じている。
[0040]ガス分配装置２３０は、その中心部分内に形成された膨張チャネル２３４を有するチャンバ蓋２３２を含む。チャンバ蓋２３２は、また、膨張チャネル２３４からチャンバ蓋２３２の周辺部に広がる底部表面２６０を含む。底部表面２６０は、基板支持体２１２上に配置された基板２１０を実質的にカバーするようなサイズと形状になっている。膨張チャネル２３４は、上位部分２３７からチャンバ蓋２３２の底部表面２６０に隣接する下位部分２３５に向かって徐々に増加する内径を持っている。そこを流れるガスの速度は、ガスの膨張のせいでガスがこの膨張チャネル２３４を流れるにつれて減少する。減速したガス速度は、基板２１０の表面に吸着した反応物を吹き飛ばす可能性を低下させる。
[0041]ガス分配装置２３０はまた、一つ以上のポートを有する少なくとも二つの高速起動バルブ２４２を含む。少なくとも一つのバルブ２４２は、各反応化合物に専用である。例えば、第１のバルブは、タンタル、チタンといった高融点金属含有化合物に専用であり、第２のバルブは、窒素含有化合物に専用である。三成分材料が所望であるときは第３のバルブが追加の化合物に専用となる。例えば、シリサイドが所望であるときは、この追加の化合物は、シリコン含有化合物であり得る。
[0042]これらのバルブ２４２は、チャンバ本体２０２内に化合物の短い適用量を精確に繰り返し送り込むことのできる如何なるバルブでもよい。ある幾つかのケースでは、バルブ２４２のオン／オフ・サイクルあるいは適用量は、約１００ミリ秒以下ほども高速である可能性がある。バルブ２４２は、例えばメインフレームといったシステムコンピュータによって直接制御でき、あるいは参照として本明細書に組み込まれる、２００１年３月７日に出願された「Ｖａｌｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ ＡＬＤ Ｃｈａｍｂｅｒ」と題する同時係属中の米国特許出願第０９／８００，８８１号に詳細に記載されているプログラマブルロジック・コンピュータ（ＰＬＣ）といったチャンバ／特定用途向けコントローラによって制御できる。バルブ２４２は、例えば、部品番号ＦＲ−２１−６．３５ＵＧＦ−ＡＰＤとして日本のフジキンから商業的に入手可能な電子制御（ＥＣ）バルブでもよい。
[0043]システム全体の制御と自動化とを容易にするために、この統合された処理システムは、中央処理装置（ＣＰＵ）１４２とメモリ１４４とサポート回路１４６とからなるコントローラ１４０を含むことができる。ＣＰＵ１４２は、種々の駆動装置と圧力とを制御するために工業設備で使用される任意の形式のコンピュータ・プロセッサの一つでよい。メモリ１４４は、ＣＰＵ１４２に接続されており、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスク、あるいはローカル又はリモートの、他の任意の形式のディジタル記憶装置といった直ちに利用可能なメモリの一つ以上であってよい。ソフトウエアの命令とデータは、ＣＰＵ１４２に命令するために符号化されてメモリ１４４内に記憶できる。サポート回路１４６もまた、通常の仕方でプロセッサ１４２をサポートするためにＣＰＵ１４２に接続される。サポート回路１４６は、キャッシュ、電源、クロック回路、入出力回路、サブシステムなどを含むことができる。
[0044]ある特定の実施形態ではＴａＮバリア層は、ＰＤＭＡＴとアンモニアとを基板表面に循環的に導入することによって形成される。ＴａＮ層の循環的堆積を開始するために、プロセス・チャンバ２００内の圧力と温度を安定化するようにチャンバ２００内に、アルゴンといったキャリア／不活性ガスが導入される。このキャリアガスは、各化合物の適用量間でアルゴンだけが流れるように堆積プロセス中、連続して流れることが可能である。ＰＤＭＡＴの第１の適用量は、チャンバの温度と圧力が約２００℃から約３００℃、約１トルから約５トルで安定化された後に、約１００ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍの間の流量と約０．６秒以下の適用量時間とでガス供給源２３８から供給される。それからアンモニアの適用量が、約２００ｓｃｃｍから約６００ｓｃｃｍの間の流量と約０．６秒以下の適用量時間とでガス供給源２３９から供給される。それからアンモニアの適用量が、約２００ｓｃｃｍから約６００ｓｃｃｍの間の流量と約０．６秒以下の適用量時間とでガス供給源２３９から供給される。
[0045]ＰＤＭＡＴの適用量とアンモニアの適用量との間の休止は、約１．０秒以下、好ましくは、約０．５秒以下、より好ましくは、約０．１秒以下である。種々の態様において適用量間の時間の削減は少なくとも、より高いスループットを与える。その結果アンモニアの適用量後の休止も、約１．０秒以下、約０．５秒以下、あるいは約０．１秒以下となる。約１００ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍといった約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間で流れるアルゴンガスは、ガス供給源２４０から各バルブ２４２を通して連続的に供給される。一態様では、ＰＤＭＡＴの適用量は、アンモニアの適用量が入ってくるときに未だチャンバ内に残っている可能性がある。一般にキャリアガス及び／又はポンプ排気の持続時間は、ＰＤＭＡＴの適用量とアンモニアの適用量とが反応ゾーン内で混合するのを防止するために十分な長さにすべきである。
[0046]ヒータ温度は、約１．０トルから約５．０トルのチャンバ圧力で約１００℃から約３００℃の間に維持される。好ましくは、堆積温度は、約２００℃と約２５０℃との間である。ＰＤＭＡＴの適用量と休止とアンモニアの適用量と休止とからなる各サイクルは、１サイクルごとに約０．３Åから約１．０Åの間の厚さを有する窒化タンタル層を与える。この交互のシーケンスは、約１０Åといった約２０Å未満である所望の厚さが得られるまで反復することができる。したがってこの堆積方法は、１０サイクルから７０サイクルの間、より典型的には２０サイクルから３０サイクルの間を必要とする。
[0047]他の態様では、１０Åといった約２０Å未満の厚さを有する三成分バリア層は、高融点金属含有化合物の一つ以上の適用量と窒素含有化合物の一つ以上の適用量とシリコン含有化合物の一つ以上の適用量とを供給することによって堆積される。各適用量は、高融点金属窒化シリコン層の所望の組成とシリコン混入レベルと厚さと密度とステップ・カバレージとを与えるように調整される。ここで使用される「三成分バリア層」は、チタン、窒素、シリコンといった三つの主要元素からなる組成を有する材料を指す。例示的な「三成分バリア層」はまた、タンタルと窒素とシリコンとを含むこともできる。
[0048]各適用量は、順次に実行され、これに続いて上記と同じプロセス条件でキャリア／不活性ガスの別の流れが流される。キャリア／不活性ガスのこの別の流れは、反応化合物の各適用量間で適用量導入されるか、あるいはキャリア／不活性ガスのこの別の流れは、堆積プロセス中、連続して導入され得る。
[0049]好ましくは、三成分バリア層は、チタン・シリコン窒化物を含む。この実施形態では各サイクルは、チタン含有化合物の適用量と休止とシリコン含有化合物の適用量と休止と窒素含有化合物の適用量と休止とからなる。例示的なチタン含有化合物は、テトラキス（ジメチルアミノ）チタン（ＴＤＭＡＴ）、テトラキス（エチルメチルアミノ）チタン（ＴＥＭＡＴ）、テトラキス（ジエチルアミノ）チタン（ＴＤＥＡＴ）、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、沃化チタン（ＴｉＩ４）、臭化チタン（ＴｉＢｒ４）、及びその他のチタン・ハロゲン化物を含む。例示的シリコン含有化合物は、シラン、ジシラン、メチルシラン、ジメチルシラン、クロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、及びトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）を含む。例示的窒素含有化合物は、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ｔブチルヒドラジン、フェニルヒドラジン、アゾイソブタン、エチルアジド、これらの誘導体、及びこれらの組合せを含む。
[0050] ＴｉｘＳｉｙＮ層の循環的堆積を開始するために、プロセス・チャンバ２００内の圧力と温度を安定させるようにチャンバ２００内に、アルゴンが導入される。このアルゴンの別の流れは、各化合物の適用量間でアルゴンだけが流れるように堆積プロセス中、連続して流れる。アルゴンのこの別の流れは、約１００ｓｃｃｍから約４００ｓｃｃｍの間といった約１００ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間で流れる。一態様では、ＴＤＭＡＴの適用量は、チャンバの温度と圧力が約２５０℃、２トルで安定化された後に、約１０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間の流量と約０．６秒以下の適用量時間とで供給される。それからシランの適用量が、約５ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍの間の流量と１秒以下の適用量時間とで供給される。それからアンモニアの適用量が、約１００ｓｃｃｍから約５，０００ｓｃｃｍの間の流量と約０．６秒以下の適用量の時間とで供給される。
[0051]ＴＤＭＡＴの適用量とシランの適用量との間の休止は、約１．０秒以下、好ましくは、約０．５秒以下、より好ましくは、約０．１秒以下である。シランの適用量とアンモニアの適用量との間の休止は、約１．０秒以下、約０．５秒以下、あるいは約０．１秒以下である。アンモニアの適用量後の休止もまた、約１．０秒以下、約０．５秒以下、あるいは約０．１秒以下である。一態様では、シランの適用量が入ってくるときにＴＤＭＡＴの適用量は未だチャンバ内に残っている可能性があり、またアンモニアの適用量が入ってくるときに、シランの適用量が未だチャンバ内に残っている可能性がある。
[0052]ヒータ温度は、約１．０トルから約５．０トルの間のチャンバ圧力で約１００℃から約３００℃の間に維持される。ＴＤＭＡＴの適用量と休止とシランの適用量と休止とアンモニアの適用量と休止とからなる各サイクルは、１サイクルごとに約０．３Åから約１．０Åの間の厚さを有するチタン・シリコン窒化物層を与える。この交互のシーケンスは、約１０Åといった約２０Å未満である所望の厚さが得られるまで反復できる。したがってこの堆積方法は、１０サイクルから７０サイクルの間を必要とする。
[0053]更に他の態様では、前に堆積された二成分（ＴａＮ）又は三成分（ＴｉＳｉＮ）層の少なくとも一部分の上に、約１０Åといった約２０Å以下の厚さを有するアルファ相タンタル（α−Ｔａ）層が堆積できる。このα−Ｔａ層は、二重層スタックを形成するために例えばＰＶＤ及びＣＶＤといった従来の手法を使用して堆積できる。例えば二重層スタックは、上述の循環的層堆積によって堆積されたＴａＮ部分と高密度プラズマ物理的気相堆積（ＨＤＰ−ＰＶＤ）によって堆積されたα−Ｔａ部分とを含む可能性がある。アルファ相タンタルは、ベータ相タンタルと比較して、より低い抵抗のために好適である。
[0054]更に説明するためにこのスタックのα−Ｔａ部分は、カリフォルニア州、サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手可能なＶｅｃｔｒａ（商標）チャンバといったイオン化金属プラズマ（ＩＭＰ）チャンバを使用して堆積できる。このＩＭＰチャンバは、ターゲットとコイルとバイアスをかけられる基板支持部材とを含んでおり、アプライドマテリアルズ社から入手可能なＥｎｄｕｒａ（商標）プラットフォームに統合することもできる。ターゲットには約０．５ｋＷから約５ｋＷの間の電力が印加され、コイルには約０．５ｋＷから３ｋＷの間の電力が印加される。基板にバイアスをかけるために基板支持部材には、約１３．５６ＭＨｚの周波数で約２００Ｗから約５００Ｗの間の電力が印加される。アルゴンは、約３５ｓｃｃｍから約８５ｓｃｃｍの流量でチャンバ内に流入し、窒素は約５ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍの流量でチャンバ内に加えられる。チャンバの圧力は典型的には約５ミリトルから約１００ミリトルの間であるが、チャンバの温度は約２０℃から約３００℃の間である。
[0055]前述のバリア層膜は、例えばプラズマ処置プロセスあるいは化学処理プロセスといった後堆積処理プロセスから恩恵を受けることができる。プラズマ処置プロセスは抵抗を減らして歩留まりを改善する。代表的なプラズマ処置は、アルゴンプラズマ、窒素プラズマ、又は窒素水素プラズマを含むことがあり得る。プラズマ処置は、バリア層堆積が行われる同じ堆積チャンバ内で、あるいは異なるチャンバ内で実施できる。プラズマ処置が同じチャンバ内で行われる場合には、プラズマは、インサイチュ（現位置・実時間）プラズマ、又は誘導的に結合されたリモート供給源又はマイクロ波供給源といったリモート・プラズマ供給源から送られるプラズマであり得る。
[0056]理論に縛られたくはないが、例えば窒化タンタル膜のプラズマ処置は、窒素をスパッタ放出することによって一つ以上のサブレイヤーの窒素含有量を減らし、抵抗率も減らすと信じられている。例えばプラズマ処置は、プラズマ処置されない窒化タンタル層と比較して窒化タンタル層をよりタンタル・リッチにすると信じられている。言い換えれば１：１のＴａ：Ｎ膜は、プラズマ処置を使用して２：１のＴａ：Ｎ膜に変換できる。０．００４ミクロン（４０オングストローム）の膜に関して約１２００マイクロオーム・センチメートル以下のシート抵抗を有する窒化タンタル膜を得ることができる。
[0057]更にバリア層から窒素を物理的に除去するために、例えばネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、水素（Ｈ２）といった他の化学的非反応性ガスが使用できる。一般にＮの優先的スパッタリングを持つためには、ＴａよりＮに近い原子質量を有するプラズマガス原子又は分子を持つことがより望ましい。しかしながらある特定のガスがＴａを残しながらＮを除去するために選択的に反応する場合には化学反応プロセスが使用できる。
[0058]化学処理プロセスはまた、抵抗を減らして歩留まりを改善できる。代表的化学処理は、アルミニウム化合物又はシリコン化合物への露出を含むことができる。これらの化合物は、ＤＭＡＨ、ＴＭＡ、シラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、その他の有機シラン化合物を含み得るが、これらに限定されない。化学処理は典型的には、約１トルから約１０トルの間の圧力と約２００℃から約３００℃の間の温度で行われる。化学処理に続いて、前述の方法によって堆積された窒化タンタル膜は化学処理なしと比較して除湿性の改善を示すことが観測されている。
[0059]バリア層の形成後に、後堆積処理プロセスが実施できる。代替としてこれらの処理は、各単分子層の堆積間あるいは各サイクルの堆積間で実施できる。例えば層の約０．００３から０．００５ミクロン（３０から５０オングストローム）ごとに、あるいはほぼ７から１０サイクルごとに処理プロセスを行うことができる。
[0060]更にパターン付けされた、あるいはエッチングされた基板誘電体層１１２は、バリア層１３０を堆積する前にその表面から自然酸化物、その他の汚染物質を除去するために洗浄することができる。例えば反応ガスは、カリフォルニア州サンタクララに在るアプライドマテリアルズ社から入手可能なＲｅａｃｔｉｖｅ Ｐｒｅ−ｃｌｅａｎ Ｃｈａｍｂｅｒ（反応前洗浄チャンバ）といったリモート・プラズマ供給源チャンバ内で励起されてプラズマになる。前洗浄はまた、リモート・プラズマ供給源に接続することによって、金属ＣＶＤ又はＰＶＤチャンバ内で行うこともできる。代替としてガス供給システムを有する金属堆積チャンバは、基板の上方に配置されたガス給気シャワーヘッドといった既存のガス取り入れ口を通して前洗浄ガスプラズマを送るように修正できるであろう。
[0061]一態様では、反応前洗浄プロセスは、アルゴン、ヘリウム、水素、窒素、フッ素含有化合物、及びこれらの組合せといった一つ以上の反応ガスのプラズマからラジカルを形成する。例えば反応ガスは、テトラフルオロカーボン（ＣＦ４）と酸素（Ｏ２）の混合物、あるいはヘリウム（Ｈｅ）と三フッ化窒素（ＮＦ３）の混合物を含むことができる。更に好ましくは、反応ガスは、ヘリウムと三フッ化窒素の混合物である。
[0062]アルゴンプラズマに続いてチャンバ圧力は、約１４０トルに昇圧され、基本的に水素とヘリウムからなる処理ガスが処理領域内に導入される。好ましくは、処理ガスは、約５％水素と約９５％ヘリウムとからなる。水素プラズマは、約５０ワットから約５００ワットの間の電力を印加することによって生成される。水素プラズマは、約１０秒から約３００秒間、維持される。
[0063]再び図２Ｃを参照すると、シード層１４０は、良好な等角カバレージを可能にするように高密度プラズマ物理的気相堆積（ＨＤＰ−ＰＶＤ）を使用して堆積できる。ＨＤＰ−ＰＶＤチャンバの一例は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手可能なＳｅｌｆ−Ｉｏｎｉｚｅｄ Ｐｌａｓｍａ ＳＩＰ（商標）チャンバであって、これはアプライドマテリアルズ社から入手可能なＥｎｄｕｒａ（商標）プラットフォームに統合することができる。物理的気相堆積、化学的気相堆積、無電解めっき、電気めっき、といった他の手法も使用できることは無論である。
[0064]代表的なＳＩＰ（商標）チャンバは、ターゲットとコイルとバイアスをかけられる基板支持部材とを含む。銅シード層を形成するために、ターゲットには約０．５ｋＷから約５ｋＷの間の電力が印加され、コイルには約０．５ｋＷから約３ｋＷの間の電力が印加される。基板にバイアスをかけるために、約１３．５６ＭＨｚの周波数で約２００Ｗから約５００Ｗの間の電力が印加される。アルゴンは約３５ｓｃｃｍから約８５ｓｃｃｍの流量でチャンバ内に流され、窒素は約５ｓｃｃｍから約１００ｓｃｃｍの流量でチャンバに加えることができる。チャンバの圧力は典型的には、約５ミリトルから約１００ミリトルの間である。
[0065]代替として、銅合金を含むシード層１４０が、物理的気相堆積、化学的気相堆積、無電解堆積あるいは組合せ手法といった何か適当な手法によって堆積できる。好ましくは、銅合金シード層１４０は、アルミニウムを含んでおり、上記のＰＶＤ手法を使用して堆積される。堆積時間中、プロセス・チャンバは、約０．１ミリトルから約１０ミリトルの間の圧力に維持される。ターゲットは、銅とアルミニウムの約２から約１０原子量パーセントの間を含む。ターゲットは、約５ｋＷから約１００ｋＷの間の電力でＤＣバイアスをかけることができる。ペデスタルは、約１０Ｗから約１０００Ｗの間の電力でＲＦバイアスをかけることができる。銅合金シード層１４０は、約５Åから約５００Åの間で少なくとも約５Åの厚さに堆積される。
[0066]図２Ｄを参照すると、金属層１４２は、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、電気めっき、あるいはこれらの組合せを使用して形成できる。例えばアルミニウム（Ａｌ）層は、ジメチル水素化アルミニウム（ＤＭＡＨ）と水素（Ｈ２）又はアルゴン（Ａｒ）とを含む混合ガス、又は他のＤＭＡＨ含有混合物の反応から堆積でき、ＣＶＤ銅層は、Ｃｕ＋２（ｈｆａｃ）２（銅ヘキサフルオロアセチルアセトネート）、Ｃｕ＋２（ｆｏｄ）２（銅ヘプタフルオロジメチルオクタンジエン）、Ｃｕ＋１ｈｆａｃＴＭＶＳ（銅ヘキサフルオロアセチルアセトネートトリメチルビニールシラン）、又はこれらの組合せを含む混合ガスから堆積でき、また、ＣＶＤタングステン層は、六フッ化タングステン（ＷＦ６）と還元ガスとを含む混合ガスから堆積できる。ＰＶＤ層は、銅ターゲット、アルミニウムターゲット又はタングステンターゲットから堆積できる。
[0067]更に、金属層１４２は、特に、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、及びクロム（Ｃｒ）を含むがこれらに限定されない高融点金属化合物であってよい。通常、高融点金属は、例えば塩素（Ｃｌ）又はフッ素（Ｆ）といった反応種と化合し、また他のガスを与えられて高融点金属化合物を形成する。高融点金属含有化合物ガスとして例えば、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、六フッ化タングステン（ＷＦ６）、五塩化タンタル（ＴａＣｌ５）、四塩化ジルコニウム（ＺｒＣｌ４）、四塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）、五塩化モリブデン（ＭｏＣｌ５）、五塩化ニオブ（ＮｂＣｌ５）、五塩化バナジウム（ＶＣｌ５）、又は四塩化クロム（ＣｒＣｌ４）が使用できる。
[0068]好ましくは、金属層１４２は、銅であって、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手可能なＥｌｅｃｔｒａ（商標） Ｃｕ ＥＣＰシステムといった電気めっき槽内で形成される。Ｅｌｅｃｔｒａ（商標） Ｃｕ ＥＣＰシステムは、アプライドマテリアルズ社から入手可能なＥｎｄｕｒａ（商標）プラットフォームに統合することもできる。
[0069]銅電解液・銅電気めっき手法は、参照として本明細書に組み込まれる「Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」と題する一般に譲渡された米国特許第６，１１３，７７１号に記載されている。典型的には電気めっき浴は、約０．７Ｍより大きな銅濃度と約０．８５の硫酸銅濃度と約１．７５のｐＨとを有する。電気めっき浴は、本技術では良く知られた種々の添加物を含むこともできる。浴の温度は、約１５℃から約２５℃の間である。バイアスは、約―１５ボルトから約１５ボルトの間である。一態様では、正のバイアスは約０．１ボルトから約１０ボルトの範囲であり、負のバイアスは約−０．１から約−１０ボルトの範囲である。
[0070]任意選択的に、金属層１４２堆積に続いて熱アニール処理が行われることがあり、それによってウェーハは約１０分間から約１時間、好ましくは、約３０分間、約１００℃から約４００℃の間の温度を受ける。ヘリウム、水素、窒素あるいはそれらの混合物といったキャリア／パージガスは、約１００ｓｃｃｍから約１０，０００ｓｃｃｍの流量で導入される。チャンバ圧力は、約２トルから約１０トルの間に維持される。ＲＦ電力は、約１３．５６ＭＨｚの周波数で約２００Ｗから約１，０００Ｗであり、好ましい基板間隔は、約３００ｍｉｌｓから約８００ｍｉｌｓである。
[0071]堆積に続いて、結果得られた構造の最上部は平坦化される。例えばカリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手可能なＭｉｒｒａ（商標）Ｓｙｔｅｍといった化学機械研磨（ＣＭＰ）装置が使用可能である。任意選択的にこの構造体の中間の表面は、上述の後続の層の堆積の間に平坦化することができる。
[0072]図４は、前に開示した堆積シーケンスを実施することに適応できる例示的なマルチチャンバ処理システム６００の模式的上面図である。このような処理システム６００は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から商業的に入手可能なＥｎｄｕｒａ（商標）システムでもよい。同様なマルチチャンバ処理システムは、参照として本明細書に組み込まれる１９９３年２月１６日に発行された「Ｓｔａｇｅ Ｖａｃｕｕｍ Ｗａｆｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」と題する米国特許第５，１８６，７１８号に開示されている。
[0073]システム６００は、一般に、システム６００の中に、また外に基板を移送するためのロード・ロック・チャンバ６０２、６０４を含む。典型的には、システム６００は真空下にあるので、これらのロード・ロック・チャンバ６０２、６０４はシステム６００内に導入される基板を「ポンプダウン」できる。第１のロボット６１０は、ロード・ロック・チャンバ６０２、６０４の間の基板と、第１のセットの一つ以上の基板処理チャンバ６１２、６１４、６１６、６１８（図示は４個）とを移送できる。各処理チャンバ６１２、６１４、６１６、６１８は、循環的層堆積、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、エッチング、前洗浄、脱ガス、オリエンテーション、その他の基板処理といった多くの基板処理動作を実施するように備えることができる。この第１のロボットはまた、一つ以上の移送チャンバ６２２、６２４に、またそれらのチャンバから基板を移送する。
[0074]これらの移送チャンバ６２２、６２４は、基板がシステム６００内で移送されるのを可能にしながら超高真空状態を維持するために使用される。第２のロボット６３０は、移送チャンバ６２２、６２４と第２のセットの一つ以上の処理チャンバ６３２、６３４、６３６、６３８との間で基板を移送できる。処理チャンバ６１２、６１４、６１６、６１８と同様に処理チャンバ６３２、６３４、６３６、６３８は、例えば循環的層堆積、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、エッチング、前洗浄、脱ガス、及びオリエンテーションといった種々の基板処理動作を実施するように備えることができる。これらの処理チャンバ６１２、６１４、６１６、６１８、６３２、６３４、６３６、６３８のいずれも、システム６００によって実施されるある特定のプロセスに必要でない場合には、システム６００から取り外すことができる。
[0075]一構成では、各処理チャンバ６３２、６３８は、シード層の堆積に適応した物理的気相堆積チャンバ、化学的気相堆積チャンバあるいは循環堆積チャンバであり、各処理チャンバ６３４、６３６はバリア層の堆積に適応した循環堆積チャンバ、化学的気相堆積チャンバ、又は物理的気相堆積チャンバであり、各処理チャンバ６１２、６１４は誘電体層の堆積に適応した物理的気相堆積チャンバ、化学的気相堆積チャンバあるいは循環堆積チャンバであり、また各処理チャンバ６１６、６１８は相互接続特徴部のための開口をエッチングすることに適応したエッチング・チャンバであることもある。システム６００のこの特定の一構成は、本発明を例示するために提供されているものであって、本発明の範囲を限定するために使用されるべきではない。
[0076]約２０オングストロームを超える厚さを有する高融点金属窒化物層は、下位レベルの電極配線の成長パターンを終了させるであろうと信じられている。約２０オングストローム以上の厚さを有する高融点金属窒化物層は、上位レベルの相互接続がある特定の厚さに達してそれ自身のパターンを確立し、それによって異なる結晶構造を形成するまで、その上位レベルの相互接続によって最初に採用されると思われるそれ自身の独自の成長パターンを確立するであろう。この現象は、続いて堆積される層の成長パターンが一般にその堆積の最初の段階のときの基底層の成長パターンに似ているという理由から発生するが、その後この後続層は、一旦この後続層がある特定の厚さに達すると、それ自身の固有のパターンを帯びる。
[0077]例えば、窒化タンタルは、約２０オングストローム以上でアモルファス構造を形成する自然の性質を持っている。約２０オングストローム未満ではＴａＮは、その基底層の成長パターンに似る。したがって、後続の銅相互接続層は、本発明の方法にしたがって堆積されたバリア層を横切って驚くほど成長し、基底となる銅の相互接続として類似の成長パターンを示した。言い換えれば２０オングストローム以下のＴａＮバリア層は、銅粒子がＴａＮバリア層を横切って成長を伸ばせるような、単純に言えば銅が窒化タンタルバリア層上でエピタキシャル成長を示すような銅の良好な粒子成長を可能にする。
[0078]図５は、上述の堆積手法にしたがって堆積された窒化チタンバリア層３１０を有する特徴部３００の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。この特徴部３００は、５：１のアスペクト比を持っており、２００ｍｍウェーハ上に形成された。バリア層３１０は、窒化タンタルからなり、２５０℃、２トルで堆積された。各サイクルは約２秒間、持続し、３０サイクルが実施された。窒化タンタルバリア層３１０は、約１５オングストロームの厚さを持っていた。図示のようにバリア層３１０は、等角であり、特徴部３００全体に亘って良好なステップ・カバレージを示している。
[0079]図６は、マルチレベル相互接続構造４００の部分横断面図を示すＴＥＭ画像である。このマルチレベル相互接続構造４００は、下位レベル銅相互接続４０５と窒化タンタルバリア層４１０と上位レベル銅相互接続４２０とを含んでいた。下位レベル銅相互接続４０５の銅粒子成長は、バリア層４１０を横切って上位レベル銅相互接続４２０内に延びて、窒化タンタルバリア層４１０のエピタキシャル成長を示した。バリア層４１０は、窒化タンタルからなり、２５０℃、２トルで堆積された。各サイクルは約２秒間、持続し、３０サイクルが実施された。このバリア層４１０は、約１０オングストロームの厚さを持っており、これは誘電体材料内への銅のマイグレーションを抑制するために十分であった。
[0080]図３、図４を参照して図示・説明されたバリア層３１０、４１０は、ＴＥＭ装置を使用して測定された。堆積された層の厚さを決定するための他の如何なる測定手法とも同様に、この種の測定手法には、誤差のマージンが存在する。したがって、ここに与えられる厚さは、近似的であって、既知の最良の利用可能な手法に従って計量されたものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
[0081]下記の例は、本発明の一実施形態の非限定的例示を提供することを意図している。
[0082] ＴａＮ層は、循環堆積を使用して下位レベル銅層の上に約２０Åの厚さに堆積された。銅合金シード層は、物理的気相堆積によってこのＴａＮ層の上に約１００Åの厚さに堆積された。この銅合金シード層は、約２．０原子パーセントの濃度でアルミニウムを含んでおり、約２．０原子パーセントの濃度のアルミニウムからなる銅アルミニウムターゲットを使用してＰＶＤによって堆積された。それからこの特徴部を充填するためにＥＣＰを使用してバルク銅層が堆積された。そから基板は、窒素（Ｎ２）・水素（Ｈ２）雰囲気中に約１５分間、約３８０℃の温度で熱アニールされた。
[0083]全体の特徴部抵抗は大幅に低下し、上位レベルの銅層は、驚くほど下位レベルの銅層の粒子成長に似た粒子成長を示した。ＴａＮ層のバリア性能は、５０ÅのＰＶＤ Ｔａと比較してより長い障害到達時間（無障害時間）（ＴＴＦ）を示した。更にＴａＮ層は、低いコンタクト抵抗と緻密な広がり分布を示した。ＴａＮ層はまた、滑らかな形態とピンホールのない表面を含む、優れた機構構成を示した。
[0084]更に、ここに述べたＰＤＭＡＴ・アンモニア・プロセスにしたがって堆積されたＴａＮ膜は、極めて優れた膜均一性を示した。膜厚は、堆積サイクルの数に直線的に比例しており、精確な膜圧制御を可能にした。膜厚均一性は、２００ｍｍ基板上で１０オングストローム膜に関しては１．８パーセント、１００オングストローム膜に関しては２．１パーセントであることが分かった。堆積された膜は、極めて優れた等角カバレージを示し、少なくとも幾つかの結果では１００パーセントに近かった。
[0085]最後に銅合金シード層は、ＴａＮ層に対して優れた接着／湿潤性を示した。（ＰＶＤ）銅シード層は、堆積されたバリア層上で好ましい｛１１１｝オリエンテーション(方位)を示した。｛１１１｝の結晶方位は、この結晶方位が大きな粒子サイズを与え、その大きな粒子サイズの結果として良好な耐エレクトロマイグレーション性を示すという理由で好適である。
[0086]前述の説明は本発明の実施形態に向けられているが、本発明の他の更なる実施形態は、本発明の基本的範囲から逸脱することなく考案可能であり、本発明の範囲は前述の請求項によって定められる。
本明細書に説明された本発明の種々の実施形態によるプロセス・シーケンスを示す。 本明細書に説明された実施形態による相互接続製造シーケンスの異なる段階に置ける例示的ウェーハの模式的横断面図を示す。 本明細書に説明された実施形態による相互接続製造シーケンスの異なる段階に置ける例示的ウェーハの模式的横断面図を示す。 本明細書に説明された実施形態による相互接続製造シーケンスの異なる段階に置ける例示的ウェーハの模式的横断面図を示す。 本明細書に説明された実施形態による相互接続製造シーケンスの異なる段階に置ける例示的ウェーハの模式的横断面図を示す。 本明細書に説明された循環堆積手法による薄いバリア層を形成するための例示的プロセス・チャンバ２００の模式的部分横断面を示す。 本明細書に説明された上記相互接続製造シーケンスを実施することに適応可能な例示的統合化クラスタ・ツールの模式的平面図を示す。 本明細書に説明された堆積手法によって堆積された窒化チタンバリア層を有する特徴部の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。 マルチレベル相互接続構造の部分横断面図を示すＴＥＭ画像である。
符号の説明
１１０…基底層、１１２…誘電体層、１１４…特徴部、１１６…側壁、１１８…床、１３０…バリア層、１４０…シード層、１４２…バルク金属層、２００…プロセス・チャンバ、２０２…チャンバ本体、２０４…側壁、２０８…スリットバルブ、２１０…基板、２１２…基板支持体、２１４…エレベータ・モータ、２２２…パージ・リング、２２４…パージチャネル、２３０…ガス分配装置、２３２…チャンバ蓋、２３４…膨張チャネル、２３５…下位部分、２３７…上位部分、２３８…ガス供給源、２３９…ガス供給源、２４０…ガス供給源、２４２…起動バルブ、２６０…底部表面、２６６…ポンピング・ゾーン、２７８…真空システム、２７９…ポンピング・チャネル、６００…マルチチャンバ処理システム、６０２、６０４…ロード・ロック・チャンバ、６１２、６１４、６１６、６１８、６３２、６３４、６３６、６３８…プロセス・チャンバ、６２２、６２４…移送チャンバ、６１０…第１のロボット、６３０…第２のロボット６５０…マイクロプロセッサ・コントローラ、３００…特徴部、３１０…窒化タンタルバリア層、４００…マルチレベル相互接続構造、４０５…下位レベル銅相互接続、４１０…窒化タンタルバリア層、４２０…上位レベル銅相互接続。

Claims (18)

  1. 基板上に電極配線（金属相互接続）を形成するための方法において：
    タンタル含有化合物の１以上の適用量（pulse）と窒素含有化合物の１以上の適用量とを交互に導入することにより、基板の第１の金属層の少なくとも一部分の上にタンタル及び窒素を含むバリア層であって、２０オングストローム未満の最終的な厚さを有し、第１の金属層の粒子構造と同じ粒子構造を有するバリア層を堆積するステップと；
    前記バリア層の少なくとも一部分の上に二元合金シード層を堆積するステップと；
    前記二元合金シード層の少なくとも一部分の上に第２の金属層を堆積するステップと；
    を備える、前記方法。
  2. 前記バリア層は、窒化タンタルを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第２の金属層は、前記第１の金属層の粒子構造と同じ粒子構造を有する、請求項１に記載の方法。
  4. 各適用量は、前記バリア層が１０オングストロームの最終的な厚さになるまで反復される、請求項１に記載の方法。
  5. 前記バリア層は、１０オングストロームの最終的な厚さを有する、請求項１に記載の方法。
  6. 前記交互の適用量導入は、前記バリア層を形成するために１０回から７０回の間、反復される、請求項１に記載の方法。
  7. 前記タンタル含有化合物の各適用量導入と前記窒素含有化合物の各適用量導入の時間中に連続的にパージガスを流すことを更に含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記パージガスは、アルゴン、窒素、ヘリウム、又はそれらの組合せを含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記タンタル含有化合物と前記窒素含有化合物の各適用量はある遅延時間だけ分離されている、請求項１に記載の方法。
  10. 各遅延時間中に、前記タンタル含有化合物の一部又は前記窒素含有化合物の一部が、前記第１の金属層に吸着する、請求項９に記載の方法。
  11. 前記遅延時間中に、未吸着分子が前記第１の金属層から除去される、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記窒素含有化合物は、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ｔブチルヒドラジン、フェニルヒドラジン、アゾイソブタン、エチルアジド、これらの誘導体、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
  13. 前記タンタル含有化合物は、ｔ−ブチルイミノトリス（ジエチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＤＥＴ）、ペンタキス（エチルメチルアミノ）タンタル（ＰＥＭＡＴ）、ペンタキス（ジメチルアミノ）タンタル、（ＰＤＭＡＴ）、ペンタキス（ジエチルアミノ）タンタル（ＰＤＥＡＴ）、ｔ−ブチルイミノトリス（ジエチルメチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＭＥＴ）、ｔ−ブチルイミノトリス（ジメチルアミノ）タンタル（ＴＢＴＤＭＴ）、ビス（シクロペンタジエニル）三水素化タンタル（（Ｃｐ）2ＴａＨ3）、ビス（メチルシクロペンタジエニル）三水素化タンタル（（ＣｐＭｅ）2ＴａＨ3）、これらの誘導体、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
  14. 前記第１、第２の金属層は、各々タングステン、銅又はそれらの組合せを含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記二元合金シード層は、前記バリア層の上に堆積された前記第１のシード層と前記第１のシード層の上に堆積された第２のシード層とを含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記第１のシード層は、銅と、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、錫（すず）、及びそれらの組合せからなる群から選択された金属との合金を含むか、又は前記第１のシード層はアルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、錫、及びそれらの組合せからなる群から選択された金属を含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 基板上の第１の粒子構造を有する第１の金属層の少なくとも一部分の上に１０オングストロームの厚さを有する二層バリアを堆積するステップと、
    二元合金シード層を堆積するステップと、
    前記二元合金シード層の少なくとも一部分の上に第２の金属層を堆積するステップと、を含む基板上に電極配線を形成するための方法であって、
    前記二層バリアは、
    タンタル含有化合物の一つ以上の適用量と窒素含有化合物の一つ以上の適用量とを交互に導入することによって堆積された窒化タンタルの第１の層と、
    アルファ相タンタルの第２の層と、
    を含み、
    前記二層バリアは、前記第１の粒子構造と同じ第２の粒子構造を有する、方法。
  18. 基板上に電極配線を形成するための方法において：
    基板表面に、第１の粒子構造を有する第１の金属層を堆積するステップと；
    タンタル含有化合物の一つ以上の適用量と窒素含有化合物の一つ以上の適用量とを交互に導入することによって、前記第１の金属層の少なくとも一部分の上に前記第１の粒子構造と同じ第２の粒子構造を有し、１０オングストロームの厚さを有する窒化タンタルバリア層を堆積するステップと；
    銅と、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、錫、及びこれらの組合せからなる群から選択された金属とを含む二元合金シード層を堆積するステップと；
    前記二元合金シード層の少なくとも一部分の上に第２の金属層を堆積するステップと；
    を備える、前記方法。
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