JP4886165B2 - デポジション処理によって、相互接続領域を選択的に合金にする方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体加工分野、特に、金属相互接続構造のエレクトロマイグレーションのボイドの減少に関する。

超々大規模集積回路（ＵＬＳＩ）の半導体デバイス配線に関する密度の高さ、性能の高さに対する、拡大する要求に応えることは、サブミクロンサイズの、低い抵抗キャパシタンス（ＲＣ）の金属・パターンを提供する観点から容易ではない。
これは特に、ビア、コンタクト領域、配線（ライン）、トレンチ、そしてその他の開口部または凹部が形成されたもののようなサブミクロンの構造が、小型化により高いアスペクト比（深さ−幅）を有している場合にあてはまる。
一般的に、従来の半導体デバイスは、半導体基板、通常ドープした単結晶のシリコン（Ｓｉ）、連続して形成される複数の中間層絶縁体、および電気的な導体パターンを含む。
集積回路は、配線間のスペーシングによって隔てられた導電性の複数の配線パターンを含んで形成される。
典型的には、垂直に間隔をあけた金属層の導体パターンは、金属層を分離する層間絶縁層の中に形成されたビアホールを充てんした導電性の垂直方向のプラグによって、電気的に接続される。一方、コンタクトホールをふさぐ他の導電性のプラグは、半導体基板の内部または基板上で形成されるトランジスタのソース／ドレイン領域のような能動素子領域との電気的な接触を確立する。
トレンチのような開口部の中に形成される導電性の線路は、典型的に、半導体基板と実質的に平行に延びる。
現在の技術によるこのようなタイプの半導体デバイスは、デバイスのジオメトリおよび超小型化の要求を満たすために、５レベル以上の金属を含むことがある。

垂直方向に間隔をあけた金属層を電気的に相互結合させる導電性のプラグを形成するために一般に使用される方法は、「ダマシン（damascene）」方式のプロセスとして知られている。
このプロセスは一般に、絶縁体の中間層に開口部またはビアを形成することを含む。絶縁体の中間層は、後に垂直方向に間隔をあけた金属層を分離する。
ビアは、典型的に、従来のリソグラフィ技術とエッチング技術を使用して形成される。ビアが形成されると、ビアは従来の技術を使用して、タングステンまたは銅のような導電材料で充てんされる。その後、絶縁体の中間層の表面にある余分な導電材料は、典型的に化学機械平坦化（ＣＭＰ）（chemical mechanical planarization）によって取り除かれる。

高性能マイクロプロセッサのアプリケーションは、半導体回路類の迅速な速度を要求し、集積回路の速度は、相互接続パターンの抵抗と、キャパシタンスとに反比例して変化する。
集積回路がより複雑になり、構造サイズおよびスペーシングがより小さくなるのに伴い、集積回路速度は、トランジスタそのものにあまり依存しないようになり、相互接続パターンの方により依存するようになる。
サブミクロン技術では、相互接続ノードが相当な距離、例えば、何百ミクロン以上の距離をひきまわされるとすると、相互接続キャパシタンスは、回路ノード・キャパシタンスのローディングを制限、すなわち、回路速度を制限する。
サブミクロンのデザインルールによる集積化密度の増加、および構造サイズの減少に伴って、集積回路速度の遅れによるリジェクト率は、製造処理能力を著しく低下させ、製造コストを増加させる。

回路速度を増加させるための一つの方法は、導体パターンの抵抗を小さくすることである。
アルミニウムは、比較的安く、低い固有抵抗を示し、比較的エッチングし易いことから、従来から使用されている。
しかしながら、ビア／コンタクトおよび、トレンチの開口部のサイズがサブミクロンの範囲まで縮小されるにつれて、アルミニウムの使用に起因する段差被覆性（ステップカバレッジ）の問題が生じる。
不充分な段差被覆性は、電流密度の増加、エレクトロマイグレーションの増加を引き起こす。
さらに、低誘電率ポリアミド材料が絶縁体の中間層として使用されるとき、アルミニウムと接する際に、水分／バイアスに関する信頼性の問題を引き起こす。そしてこれらの問題は、様々な金属層間で形成される相互接続の信頼性を減少させる。

銅（Ｃｕ）および銅ベースの合金は、マルチレベルの金属層を必要とするＶＬＳＩとＵＬＳＩの半導体デバイスで使用するには特に魅力的である。
銅および銅ベースの合金の金属システムは、非常に低い固有抵抗を有している。その固有抵抗はタングステンよりも著しく低く、また、アルミニウムとその合金を利用する以前に好まれたシステムの固有抵抗よりさらに低い。
さらに、銅は、エレクトロマイグレーションに対するより高い耐性を有している。その上、銅とその合金は、多くの他の導電材料、特に銀および金に対してコスト的に大きな利点を有する。
さらに、銅とその合金は、アルミニウムや高融点タイプの合金とは対照的に、製造処理能力からの要請に適合するデポジション（析出、蒸着、堆積、成膜、沈積、めっき）速度で、無電解技術や、電気めっき技術のような、よく知られた(ウェット)めっき技術によって、容易に低温でデポジションすることができる。

図１は、銅のダマシン技術を使用した金属相互接続構造の一部の断面図である。Ｍ１とも呼ばれる、銅配線を含んだ下位レベルの金属層１０は、ビア１４によって、銅配線を含んだより上位レベルの金属層１６に接続される。バリア層１８，２０は、例えば窒化物から形成されており、金属層１０，１６を覆う。金属層１０，１６は、例えば酸化物によって形成される絶縁層１２によって分離される。ビア１４は、導電性のプラグ１５を形成するように金属で充てんされる。

ビア１４の形成は、絶縁層１２およびバリア層２０を貫通するビア・エッチングを必要とする。ビア・エッチングは、下にある金属層１０上で終了する。例えば、アルゴンを使用するスパッタリングの前のエッチング処理は、通常、ビアバリアおよび銅のデポジションに先立って行われる。

エレクトロマイグレーション（ＥＭ）は、電界の影響下で移動している電子および金属イオンの間の運動量交換（momentum exchange）による金属原子の移動として、定義されている。
図１の銅ダマシン構造中のエレクトロマイグレーションを生じる不安定な界面のうちの二つは、Ｖ１Ｍ１界面２２と、Ｖ１Ｍ２界面２４である。
Ｖ１Ｍ１界面２２のエレクトロマイグレーション試験は、金属層１６（Ｍ２）の上方の銅配線から、導電性のプラグ１５、ビア１４を介して、金属層１０（Ｍ１）中の下方の銅配線まで電子を流すことを含む。
Ｖ１Ｍ２界面２４のエレクトロマイグレーション試験は、反対の方角に電子を流すことを含む。
Ｖ１Ｍ１界面２２の場合には、エレクトロマイグレーション・ボイドは、典型的に、ビア１４で、銅／窒化物の界面または銅／バリアの界面で発生する。
このことは、図２に記載される。図２には、エレクトロマイグレーション・ボイド２６が示される。
エレクトロマイグレーション・ボイド２６の存在は、デバイスの信頼性を低下させる。

アルミニウムが相互接続材料として使用される場合、エレクトロマイグレーションに対するアルミニウムの耐性を改良するために、多くの合金元素が使用され得ることはよく知られている。
最も広く使用されている合金化元素の一つは、銅入りのアルミニウムである。
銅がアルミニウムに低い濃度で加えられる場合、エレクトロマイグレーションの信頼性は何桁も増える。同様に、銅のための合金元素が、研究されている。
しかしながら、アルミニウムと銅とではプロセスが異なり、それによって銅のプロセス手順において合金を挿入することを難しくしている。
例えば、アルミニウムは、デポジション、パターン化、エッチングの処理である一方、銅は典型的に、物理蒸着法（ＰＶＤ）によるシード層を形成する処理、電気化学的な充てん処理によるダマシン処理である。

電気化学堆積中に、銅配線に合金を導入する試みがなされたが、銅の合金の多くは、水溶液において電気的に不活性である。
他の可能性のある解決策は、ＰＶＤによる銅シード層の蒸着中に、銅の合金をスパッタリングすることであるが、金属が異なるとスパッタリングの生成量（yield）が異なるので、合金要素は、銅のマトリックスとは異なる割合でスパッタリングされる傾向があるという点で、問題がある。
別の問題は、処理後の配線中の、合金元素の均等性であり、それはシードの厚さ、アスペクト比、銅のターゲット中の合金の割合、アニール処理の状態、そしてめっきプロセスによって、決定される。
合金の均一性に影響する付加的な問題は、配線幅のばらつきである。

発明の概要

金属層に銅が使用され、重大なエレクトロマイグレーションによる故障がある箇所におけるエレクトロマイグレーション特性を改善する、金属相互接続構造、およびその製造方法が必要とされている。

銅配線および銅配線を覆う絶縁層を有する金属相互接続構造を提供する本発明の実施例は、これらの要望および他の要望を満たす。
ビアは、絶縁層を通して銅配線まで伸びる。
銅の合金化元素を含んだ銅の合金化元素層は、ビアの内側を覆い、ビアによって露出した銅配線を覆う。導電性のプラグは、ビアを充てんする。
銅と合金化元素の固溶体は、銅配線中の、導電性のプラグに隣接している銅配線部分でのみ提供される。

銅配線の真上にあるビアの内側を覆う銅の合金化元素層を提供することによって、銅と合金化元素の固溶体は、導電性のプラグの真下にある銅配線部分で形成され得る。
従って、銅および合金化元素の固溶体は、最も重大なエレクトロマイグレーションによる故障のある箇所において、つまり、ビアの下の方の、下地の銅配線上の拡散速度が高い箇所において、提供される。

前述の要求はまた、相互接続用金属層を所定の元素で選択的に合金にする方法を提供する本発明の他の態様によって満たされる。
この方法は、下地の金属層の一部を露出させ、かつビアを形成するように、絶縁層を貫いて開口部をエッチングするステップを含む。
合金化元素層は、ビアの内側を覆うと共に、金属層の露出した部分を覆うように、ビア内にデポジションされる。合金化元素の固溶体および金属層は、露出した部分で形成される。

本発明のさらに異なる態様は、絶縁層によって覆われた銅配線の上面において、ビアの下にある銅に合金化元素を供給する方法を提供する。
この方法は、ビアの内側を覆うと共に、ビアによって露出される銅配線の上表面を覆うように、ビア内に合金化元素の層をデポジションする。
導電性のプラグは、ビア中に形成され、アニール処理が行なわれる。
アニール処理によって、合金化元素層によって覆われる銅配線の上表面において合金化元素の固溶体が形成される。

本発明の前述した構造および他の構造、態様および利点は、添付の図面と共に次の本発明の詳細な説明から、より明白になる。

発明の詳細な説明

本発明が扱う問題および解決する問題は、金属相互接続構造の銅配線でのエレクトロマイグレーションによる故障に関係がある。
この本発明は、重大なエレクトロマイグレーションによる故障箇所、つまり、ビアの下の方の、下地金属中の拡散速度の高い箇所において、銅の合金化元素が挿入された銅配線を提供することによって、これらの問題の一部を解決する。
本発明の実施例中では、ビアがパターン化され、エッチングされた後であって、耐熱バリア金属をデポジションする前に、合金化元素を、ビア内であって下地の金属層の露出した銅の上に、デポジションする。
合金化元素層上の耐熱バリア金属のデポジションの後、銅の充てんが行われる。その後、その構造は結晶粒組織を安定させるようにアニール処理される。
このアニール処理は、ビアの中およびそのビアのまわりの銅と共に合金化元素が固溶体になることを可能にする働きをする。
プレーナ化（平坦化）によって、余分な銅、バリア金属および合金化金属が電界から取り除かれると、構造が完成する。

図３は、ビアが形成された後の金属相互接続構造の断面図である。
図３において、第１の金属層Ｍ１は、銅配線３０を含む。銅または銅ベースの合金で作られている銅配線３０は、拡散バリア層３２によって覆われる。
拡散バリア層３２の典型的な材料は窒化物であるが、本発明を逸脱しない範囲で、他の材料が使用されてもよい。
絶縁層３４は、拡散バリア層３２上に設けられる。絶縁層３４は、有機または無機の、酸化物または低誘電材料（Low-k）のような従来の絶縁材料で作られていてもよい。低いｋを有する誘電材料は、構造の抵抗キャパシタンス（ＲＣ）を減少するのに有効である。

ビア３６は、絶縁層３４および拡散バリア層３２を貫いてエッチングされる。
ビア３６は、金属層の銅配線３０の上表面まで伸びる。
エッチングするステップを含む、図３の構造を形成する方法は、本質的に従来のものでもよい。

銅配線３０のエレクトロマイグレーションに対する耐性を増加させるように、合金化元素層３８として記載される銅の合金化元素層３８が、ビア３６内にデポジションされる。従って、合金化元素層３８は、ビアの側壁、銅配線３０の上表面および電界を覆う。
典型的な合金化元素は、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｃ、Ｃａ、Ｍｇ、ＡｌおよびＨｆを含んでいる。
特に好ましい実施例では、合金化元素として、ＳｎまたはＡｌのいずれかを使用する。これらの元素は、銅を使用して合金が作られた際、銅に対するエレクトロマイグレーション耐性を増加させる。

合金化元素層３８は、高度にイオン化する（advanced ionized）ＰＶＤ法、中空陰極マグネトロンスパッタリング、または自己をイオン化する（self-ionizing）プラズマ蒸着のような、より高度な方式を含んだ従来の方法によって蒸着されてもよい。
銅のオーバーハングを防ぐ方式で合金化元素層３８を蒸着するのが好ましい。したがって、合金化元素の段差被覆性が充分であることが望ましい。
これらの理由から、上述の高度な蒸着方法のうちのいくつかは、有効であると考えられる。

合金化元素層３８の蒸着は、バリア金属層および銅シードの蒸着に使用されるのと同じ蒸着装置内で（真空状態を破壊することなく）、行なわれることが好ましい。
追加のチャンバ（chamber）は、純粋なターゲットからの合金化元素蒸着用の蒸着ツール上で提供される。例えば、合金化元素がＳｎである場合、ターゲットはＳｎとなる。
合金化元素層３８は、例えば、約５０Åから２００Åの間の厚さに蒸着される。

ビア３６内の銅配線３０上の合金化元素層３８の供給は、最も重大なエレクトロマイグレーション故障箇所（ずなわち、ビアの下の方の、下地の銅における拡散速度の高い箇所）のうちの一つで、ＳｎまたはＡｌのような合金化元素を直接提供する。

図５では、バリア金属層４０は、合金化元素層３８の上にデポジションされている。
タンタル（Ｔａ）またはタンタル窒化物（ＴａＮ）のような耐熱バリア金属を含むバリア金属層４０は、絶縁層３４への銅の拡散を防ぐ。
さらに、このバリア金属層４０は、次の銅のシード層に対して付着力を与える。バリア金属層４０は、従来の手法でデポジションされる。

図６は、ビア３６内の銅の充てん後の、図５の構造を示す。
銅の充てん４２は、バリア金属層４０上に、図示しない銅のシード層が形成された後に行われる。
ビア３６は、例えば電気化学堆積法、物理蒸着法、化学蒸着法のような従来のデポジション技術によって、銅で充てんすることができる。
銅の充てん４２は、完全にバリア金属層４０の境界内のビア３６と、電界上を満たす。

銅または銅ベースの合金の充てんの後、所定の効果を有するアニール処理が行なわれる。
これらの効果のうちの一つは、結晶粒組織を安定させることである。
しかしながら他の効果は、ビア３６中とそのビアのまわりの合金化元素および銅の固溶体領域４４および４６を形成することである。
銅配線３０内の固溶体領域４４は破線によって示され、また、ビア３６内の固溶体領域４６も破線によって示される。
図６の概要図における固溶体領域４４，４６の態様は、専ら説明のためのものである。

本発明の実施例における典型的なアニール処理では、約１０分から約９０分の間、約１５０℃から約４００℃の間の温度に上述の構造を晒す。
特に好ましい実施例における温度は、約２００℃から約３００℃の間である。

図７では、構造は、電界上に形成された余分な銅の充てん物、バリア金属層４０、および合金元素層３８を取り除くように、プレーナ化されている。
したがって、導電性のプラグ４８が、ビア３６内に形成される。
導電性のプラグ４８は、ビア３６内に形成された任意の固溶体領域４６と同様に、銅または銅ベースの合金４８、バリア金属層４０、および合金化元素層３８を含むものとして捉えることができる。

銅の合金化元素の固溶体が、重大なエレクトロマイグレーションによる故障がある箇所、例えば、ビア３６の下の、銅配線３０の拡散速度が高い箇所である領域４４に形成されるとともに、その構造のエレクトロマイグレーションに対する信頼性が、目標とされた効率的な方法によって改善される。
これによって、銅の中のエレクトロマイグレーションを改善するのにふさわしい合金化元素ですべての銅配線３０を合金にすることを試みる必要がなくなる。

以上、本発明を詳細に説明し、図解したが、これはあくまでも例示であって、本発明を制限しようとするものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項の記載によってのみ制限されることは、明確に理解されるべきである。

従来の方法論に従って構築された金属相互接続構造の断面図。 先行技術の金属相互接続プロセス方法論によって形成されたエレクトロマイグレーション・ボイドを持つ図１の構造を示す図。 本発明の実施例に従って、ビアがエッチングされた後の、金属相互接続構造の一部の断面図。 本発明の実施例に従って、ビア内の合金化元素層をデポジションした後の、図３の構造を示す図。 本発明の実施例に従って、合金化元素層の上にバリア金属層をデポジションした後の、図４の構造を示す図。 本発明の実施例に従って、銅の電界処理および固溶体領域を形成するアニール処理の後の、図５の構造を示す図。 本発明の実施例に従って、プレーナ化が行なわれた後の、図６の構造を示す図。

Claims (9)

1. 絶縁層を貫いて、下にある銅金属層の一部を露出し、かつビアを形成するように、開口部をエッチングするステップと、
   前記ビアの内側を覆い、かつ前記銅金属層の前記露出した部分を覆うように、合金化元素からなる合金化元素層を、前記ビア内および前記露出した銅金属層のすぐ上にデポジションするステップと、
   前記開口部内、前記合金化元素層上に、バリア層をデポジションするステップと、
   銅または銅ベースの合金で、前記バリア層上の前記開口部を充てんするステップと、
   前記開口部を銅または銅ベースの合金で充てんした後、前記合金化元素および前記銅金属層の前記露出した部分の固溶体を形成するステップと、を含む、相互接続用金属層を、所定の元素で選択的に合金にする方法。
2. 前記合金化元素は、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｃ、Ｃａ、Ｍｇ、ＡｌまたはＨｆのうちの少なくとも一つである、請求項１記載の方法。
3. 前記合金化元素層をデポジションするステップは、５０Åから２００Åの間の厚みを備える前記合金化元素層をデポジションするステップを含む、請求項２記載の方法。
4. 前記合金化元素層をデポジションするステップは、ＰＶＤ、中空陰極マグネトロンスパッタリング、およびプラズマ蒸着のいずれか１つを含む、請求項３記載の方法。
5. 前記固溶体を形成するステップは、
   １０分から９０分の間、１５０℃から４００℃の間の温度でアニール処理をするステップを含む、請求項４記載の方法。
6. ビアの内側を覆うべくこのビア内に、および前記ビアの内側を覆い、かつ前記ビアによって露出した銅配線の上表面を覆うべく前記ビアによって露出した前記銅配線のすぐ上に、合金化元素からなる合金化元素層をデポジションするステップと、
   前記ビアの中に、導電性のプラグを形成するステップと、
   前記合金化元素層によって覆われる前記銅配線の前記上表面において、前記合金化元素の固溶体が形成されるようにアニール処理をするステップと、を含んでおり、
   前記導電性のプラグを形成するステップは、前記合金化元素の層上にバリア層をデポジションするステップと、前記バリア層上に銅をデポジションするステップとを含む、絶縁層によって覆われた銅配線の上表面において、ビアの下の銅に合金化元素を供給する方法。
7. 前記合金化元素は、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｃ、Ｃａ、Ｍｇ、ＡｌまたはＨｆの元素のうちの少なくとも１つである、請求項６記載の方法。
8. 前記合金化元素の層をデポジションするステップは、ＰＶＤ、中空陰極マグネトロンスパッタリング、およびプラズマ蒸着のいずれか１つを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記アニール処理をするステップは、
   １０分から９０分の間、１５０℃から４００℃の間の温度でアニール処理をするステップを含む、請求項８記載の方法。

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