JP5528027B2 - 配線構造の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、広く銅配線構造に関するものであり、とりわけ、ダマシン構造において形成される銅凹部に関するものである。
チップ製造者は、チップの動作速度を高速化するのに、絶えず製造工程の改善を試みている。半導体の処理技術が進展するにつれて、チップの動作速度は、多層配線によるＲＣ遅れによって妨げられて来た。ＲＣ遅れは、多層配線の抵抗と容量の積に起因する。銅はそれ自体が低抵抗であるために、多層配線において使用される最善の選択肢の一つである。
従来の銅配線処理においては、銅ＣＭＰ（化学的機械研磨）処理後に、窒化物層などの誘電体停止層が堆積される。銅と停止層との間の不完全な接触面が、信頼性に対しての大きな障害となっている。銅と停止層との間の接触面を改善するために、Ｗ，Ｃｏ，ＣｏＷＢのような金属キャッピングが提案されてきた。このような金属キャッピングは、多くの場合、選択的な成長により形成されるので、その成長を調整するのが容易ではなく、金属キャッピングが横方向に成長する結果となる。そして、金属キャッピングが横方向に成長することに起因する漏れ電流が、重大な懸念となっている（先行文献はありません）。
そこで本発明は、金属キャップの横方向の成長を無くし、その選択的成長を良好に調整することが可能な配線構造の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の各実施例は、配線構造を提供する。この配線構造は、ダマシン構造とダマシン構造における銅導体とにより構成される。ダマシン構造は、誘電体層にビアおよび／またはトレンチを備えて構成される。導体の上表面は、誘電体層の上表面より低く、それにより導体凹部が形成される。
本発明の各実施例は、それに加えて別な配線構造を提供する。この配線構造は、ダマシン構造における導体凹部と、この導体凹部を過剰に充填することなく導体凹部上に存在する導電性キャップとから構成される。
本発明の各実施例は、さらに配線構造の製造方法を提供する。ビアおよび／またはトレンチが、誘電体層に形成される。ビアおよび／またはトレンチは、その後で銅の導体で過剰に充填される。その後、銅除去処理が行われ、次亜塩酸からなる酸性の環境内で行われる洗浄処理により、誘電体層の上表面よりも高く形成された銅の導体の上表面が、誘電体層の上表面より低く形成される。この結果、銅凹部が形成される。
この配線構造は銅凹部を有するので、金属キャップの選択的成長を、銅凹部内で良好に調整することが可能になる。従って、金属キャップの横方向の成長が無く、それによる短絡や漏洩の問題も生じない。
図１Ａに示すように、ここでは半導体基板10が提供される。絶縁層25すなわち酸化シリコン内にパターン化された金属配線20も、図中に示されている。さらに、それらの上に誘電体層30が堆積され、ビア部32とトレンチ部34とにより、当該誘電体層30がパターン化される。このようにして、デュアルダマシン構造60は、ビア部32とトレンチ部34を含んで、誘電体層30に形成される。デュアルダマシン構造は、図１Ａ〜図１Ｈにおいて説明されているが、他の種類の配線構造もまた、この技術を使用して通常はメタライズ（金属化）される。
図１Ｂに示すように、導電バリア層42は、好ましくはタンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ）含んでおり、これは誘電体層30の上表面を覆って堆積され、ビア部32とトレンチ部34の表面内側を裏付け（ライニング）して覆っている。次に、シード層44である例えば銅シード層が、図１Ａに示すように、導電バリア層42上に一致して堆積される。
図１Ｃに示すように、前記ビア部32および／またはトレンチ部34は、無電解メッキ若しくは電解メッキなどのメッキ処理により、例えば銅または銅合金のような導体50で過剰に充填される。この結果、銅導体50は、導電バリア層42を介して下部の金属配線20と電気的に接続される。
続いて、図１Ｄに示すように、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を実施して、銅導体50の一部を除去すると共に、銅導体の残留部50’が、誘電体層30上の導電バリア層42（または、シード層44が存在する場合は、このシード層44）の上表面とほぼ同一平面となるように、銅導体50の上表面を平滑にする。その後、図１Ｅに示すように、エッチングまたは別な化学的機械研磨により、誘電体層30上のシード層44と導電バリア層42が除去される。従って、銅導体50’の上表面は、誘電体層30の上表面よりも僅かに高くなる。
図１Ｆに示すように、20Å（１オングストローム＝１０−１０ｍ）から200Åの深さを有する導体50’の凹部52が形成される。この銅凹部52は、導体50’の上表面を誘電体層30の上表面よりも低くして、導体50’の表面を陥凹させるためのもので、ＣＭＰ処理により形成される。当該ＣＭＰ処理は、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）の酸化剤，硝酸，次亜塩素酸，クロム酸，アンモニア，アンモニウム塩，アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの研磨剤スラリー，および脱イオン水（ＤＩ Ｈ２Ｏ）にＢＴＡ（ベンゾトリアゾール）を加えたものによって、実施されるのが好ましい。
前記導体の凹部52は、誘電体層30上の導電バリア層を除去した後に実施される洗浄処理によっても形成可能である。洗浄処理は、酸性の環境内で行われ、この酸は、硝酸，次亜塩酸，或いはクロム酸などからなる。
さらに、図１Ｇに示すように、前記導体凹部52を充填するための導電性キャップ54が形成される。一般的に、導電性キャップ54は、銅の導体50’の表面上と導体凹部52の内部にのみ形成されるように、凹んだ導体50’上に選択的成長によって形成される。好ましい実施例において、導電性キャップ54の表面は、周囲を取り囲む誘電体層30とほぼ同一面を有する。導電性キャップ54が凹んだ導体50’に過剰に充填されないように、導電性キャップ54の表面は、周囲を取り囲む誘電体層30を超えないようにするのが好ましい。導電性キャップ54は、ＣＶＤにより形成されるタングステン層のような、あらゆる適正な導電材料とすることができる。好ましい導電性キャップ54は、コバルトを含有するキャップである。当該コバルト含有キャップは、金属コバルト（Ｃｏ），コバルトタングステン（ＣｏＷ），コバルトタングステンリン化物（ＣｏＷＰ），またはコバルトタングステンホウ化物（ＣｏＷＢ）からなる。銅凹部52を形成するために、誘電体層上の導電バリア層を除去した後の洗浄処理や、追加のＣＭＰ処理が行われない場合は、導電性キャップ54を形成する前の、キャップ前（pre-cap）洗浄処理の実施中に、銅凹部52を形成することも可能である。キャップ前の洗浄処理は、酸性の環境内で行われ、この酸は、硝酸，次亜塩酸，或いはクロム酸などからなる。
本発明の別な実施例は、配線構造を提供する。図１Ｆに示すように、この配線構造は、前記誘電体層30のビア部32および／またはトレンチ部34に銅導体50’を充填しつつ、ダマシン構造60に銅凹部52を備えて構成される。銅凹部52の好ましい深さ、すなわち導体50’の上表面と誘電体層30の上表面との間の距離は、約20Åから200Åである。
さらに、図１Ｇに示すように、本発明による配線構造の別な実施例では、銅の導体50’上に形成したキャップ54をさらに備えている。このキャップ54は、ＣＶＤにより形成されるタングステン層のような、あらゆる適正な導電材料とすることができる。この導電性キャップ54は、例えば、金属コバルト（Ｃｏ），コバルトタングステン（ＣｏＷ），コバルトタングステンリン化物（ＣｏＷＰ），コバルトタングステンホウ化物（ＣｏＷＢ），またはこれらの合成物のような、コバルトから成るのが好ましい。
前記銅配線構造は、銅凹部を備えているので、この銅凹部上に存在する導電性キャップの選択的成長を、良好に調整することが可能である。また、導電性キャップの横方向の成長が無いので、短絡や漏洩の問題も起こらない。好ましい実施例において、図１Ｈに示すように、導電性キャップ54と誘電体層30の上部を覆って、エッチング停止層56を形成することも可能である。コバルト含有キャップ54によって、銅導体50’とその上部のエッチング停止層56との間の接触面も改善される。
本発明は、例を挙げて好ましい実施例に関して説明してきたが、本発明は、それらに限定される訳ではない。これと反対に、（当業者にとっては、理解されることであろうが、）種々の変形と類似の処理に及ぶことを意図している。それ故に、添付の請求項は、このような種々の変形と類似の処理を包含するように、最大限、広範囲に解釈されるべきである。
30 誘電体層
42 導電バリア層
44 シード層
50’ 導体
52 凹部
54 コバルト含有キャップ
56 エッチング停止層
60 ダマシン構造
42 導電バリア層
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Claims (3)
- 誘電体層にダマシン構造を形成する工程と、
導体として銅または銅合金により前記ダマシン構造を充填する工程と、
前記誘電体層の上表面よりも高く形成された前記導体の上表面を、前記誘電体層の上表面よりも低くするために、次亜塩酸からなる酸性の環境内で行われる洗浄処理により、前記導体の表面を陥凹させる工程と、
前記導体の表面を陥凹させた後に、金属コバルト（Ｃｏ），コバルトタングステン（ＣｏＷ），コバルトタングステンリン化物（ＣｏＷＰ），またはコバルトタングステンホウ化物（ＣｏＷＢ）からなるコバルト含有キャップを、凹んだ導体上に選択的成長によって形成する工程と、
前記コバルト含有キャップと前記誘電体層を覆ってエッチング停止層を形成する工程と、からなることを特徴とする配線構造の製造方法。 - 前記銅または銅合金の充填前に、前記ダマシン構造の内側を覆って導電バリア層および／またはシード層を形成する工程と、
前記導体の上表面を、前記誘電体層上の前記導電バリア層および／または前記シード層の上表面とほぼ同一平面に形成するために、化学的機械研磨処理を実施する工程と、
前記導体の表面を陥凹させる前に、前記誘電体層上の前記導電バリア層および／または前記シード層を除去して、前記誘電体層の上表面よりも前記導体の上表面を高くする工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の配線構造の製造方法。 - 前記コバルト含有キャップは、その表面が周囲を取り囲む前記誘電体層を超えないように、前記凹んだ導体上に形成されることを特徴とする請求項１記載の配線構造の製造方法。
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