JP5679662B2 - 誘電体キャップ層 - Google Patents

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Description

本発明は、概略的には集積回路（ＩＣ）チップの製造に関し、更に具体的にいうならば、超低誘電率（ＵＬＫ）の中間レベルの誘電体のための誘電体キャップ層に関する。
従来のＩＣチップにおいては、デバイスの後工程（ｂａｃｋ−ｅｎｄ−ｏｆ−ｌｉｎｅ， ＢＥＯＬ）層内にデバイスへの及びデバイスからの電気的接続を与えるための相互接続金属体としてアルミニウム及びアルミニウム合金が使用されてきた。過去においてはアルミニウムを主体とする金属体が金属相互接続体として使用された金属であったが、アルミニウムは、ＩＣチップの回路密度及び動作速度の増大及びデバイスの寸法がナノメートルの寸法まで減少することに対する要求事項をもはや満たさなくなっている。かくして、銅はアルミニウムに比べて抵抗率が低くそしてエレクトロマイグレーションによる故障を受けにくいために、銅がアルミニウムに代わって使用されてきた。
銅を使用することに関する１つの問題点は、処理ステップが進むにつれて銅が周囲の誘電体材料内に拡散することである。銅の拡散を防止するために、銅の相互接続体は保護用のバリア層を使用することにより絶縁されることができる。このようなバリア層は、例えば銅の相互接続体の側壁及び底部に沿って設けられるタンタル、チタン若しくはタングステン又はこれらの合金からなる導電性の拡散バリア層を含む。層の相互接続体の上面には、キャップ・バリア層が設けられる。このようなキャップ・バリア層は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）のような種々な誘電体材料を含む。
上述のような銅の金属接続体及びキャップ層を利用する従来のＢＥＯＬ相互接続は、例えばトランジスタのような論理回路素子を含む下側基板を含む。基板の上に中間レベルの誘電体材料（ＩＬＤ）層が設けられる。ＩＬＤ層は基板上に重なる。ＩＬＤ層は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成される。しかしながら最新の相互接続構造では、ＩＬＤ層は低ｋ（低誘電率）の重合熱硬化性材料であるのが望ましい。基板及びＩＬＤ層の間に接着促進層が配置され得る。窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）層が、ＩＬＤ層の上に随意選択的に配置され得る。一般的に窒化シリコン層は、ハード・マスク層又は研磨停止層として知られている。少なくとも１つの導電体がＩＬＤ層内に埋め込まれる。導電体は、最新の相互接続では銅が代表的であるが、これの代わりにアルミニウムまたは他の導電材料が使用され得る。導電体が銅である場合、拡散バリア層がＩＬＤ層及び銅の導電体の間に配置されるのが望ましい。代表的には、拡散バリア・ライナは、タンタル、チタン、タングステン又はこれらの窒化物である。
通常、化学−機械研磨（ＣＭＰ）ステップにより導電体の上面はハード・マスク窒化物層の上面と同一平面（コプレーナともいう）にされる。代表的には窒化シリコンであるキャップ層が導体及びハード・マスク層の上に配置される。キャップ層は、後続の処理ステップの間に導体からの銅が周囲の誘電体材料内に拡散するのを防止する拡散バリアとして働く。例えば窒化シリコンのような高密度プラズマ（ＨＤＰ）化学蒸着（ＣＶＤ）膜（フィルム）は、これがキャップ層の相互接続表面に沿う銅原子の移動をより効果的に停止するので、プラズマ増強（ＰＥ）ＣＶＤ膜に比べて優れたエレクトロマイグレーション耐性を与える。
最近、銅の相互接続体に対する超低誘電率（ＵＬＫ）の誘電体材料（即ち、ｋ＜３．０）として、低ｋ２相又は重合熱硬化性誘電体材料が使用されるようになった。これらの誘電体材料は、紫外線（ＵＶ）照射又は電子ビーム（Ｅビーム）照射を使用するポスト・キュア・ステップを使用することを必要とする。例えばポスト・キュア（硬化後）ＵＶ照射により、キャップ層内の応力が増大しそしてキャップ層及びＵＬＫ層の両方にクラックが生じる。キャップ層にどのようなクラックが生じても、継ぎ目を介するＩＬＤ層への銅の拡散を引き起こし、キャップ層の下に銅の塊を形成する。このような銅の塊は、隣接する相互接続線相互間の漏洩電流に基づく短絡を引き起こす。又、ＵＶまたはＥビーム照射あるいはその両方は、特に後続の誘電体材料の付着、金属膜形成及び化学―機械研磨の間に、パターン化された銅ライン上で例えば応力の増大、層の剥離及びふくらみの増大のような他の損傷を引き起こす。
上述の観点から、ＵＶ照射またはＥビーム照射に対する安定性が高い誘電体材料に対する必要性が生じてきた。
誘電体材料のキャップ及びこれに関連する方法について説明する。１つの実施例において、誘電体キャップ層は、硬化処理の間の紫外線放射を実質的に遮断する光学的バンドギャップ（例えば約３．０電子−ボルトより大きい）を有しそして電子ドナー、二重結合電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｏｎｏｒ，ｄｏｕｂｌｅ ｂｏｎｄ ｅｌｅｔｒｏｎｓ）を有する窒素を含む誘電体材料を含む。この誘電体キャップ層は、高モジュラス（ｈｉｇｈ ｍｏｄｕｌｕｓ）を示しそして例えばナノ電子デバイスのための銅及び低ｋ材料を使用する後工程（ＢＥＯＬ）におけるＵＬＫのポストＵＶキュア（硬化）処理のもとで安定であり、膜及びデバイスのクラックを減少しそして信頼性を改善する。
本発明の第１の態様は、硬化処理の間、紫外線照射を実質的に遮断する光学的バンドギャップを有しそして電子ドナー、二重結合電子を有する窒素を含む誘電体材料の誘電体キャップ層を提供する。
本発明の第２の態様は、中間レベルの誘電体層（ＩＬＤ）を形成するステップと、紫外線照射を実質的に遮断する光学的バンドギャップを有し電子ドナー、二重結合電子を有する窒素を含む誘電体材料の層をＩＬＤの上に形成するステップと、紫外線照射を使用して誘電体材料層を硬化するステップとを含む誘電体キャップを形成する方法を提供する。
本発明の第３の態様は、（ａ）硬化処理の間、紫外線照射を実質的に遮断するための約３．０電子−ボルト（ｅＶ）よりも大きい光学的バンドギャップと、（ｂ）電子ドナー、二重結合電子を有する窒素と、（ｃ）炭素成分とを有する窒化シリコンを主体とする誘電体材料を含む誘電体キャップ層を提供する。
本発明の例示的な態様は、上述の問題点及びその他の問題点を解決するために示される。
本発明の上述の特徴及び他の特徴は、本発明の種々な実施例を示す図面を参照して説明する以下の本発明の種々な態様に関する説明から明らかになるであろう。
本発明の実施例に従う誘電体キャップ層を示す図である。 誘電体キャップ層を形成する方法の実施例を示す図である。
図に示す寸法は必ずしも正しくないことに注目されたい。図は本発明の代表的な態様のみを示すものであり、従って本発明の範囲を限定するものではない。図において、同じ参照番号は同じものを示す。
図１を参照すると、誘電体キャップ層１００及びこれに関連する方法が示されている。誘電体キャップ層１００は、例えば、高速マイクロプロセッサ、アプリケーション固有の集積回路、メモリ記憶デバイス及び多層化されたバリア層を有する関連する電子回路構造を含む超大規模集積回路（ＵＬＳＩ）及びマイクロ電子集積回路（ＩＣ）における相互接続構造において使用される。概略的にいうと、誘電体キャップ層は、紫外線（ＵＶ）またはＥビームあるいはその両方を使用する硬化処理が行われる後工程（ＢＥＯＬ）構造の相互接続金属体を保護するために使用される非常に安定なキャッピング・バリア層である。
誘電体キャップ層１００は、中間レベルの誘電体層（ＩＬＤ）１０４内の例えば銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）である導電体１０２を覆って形成され得る。ＩＬＤ１０４は、例えば、多孔性の水素添加（ハイドロジェネーテッド）シリコン・オキシカーバイド（ｐ−ＳｉＣＯＨ、即ち、多孔性ＳｉＣＯＨ）、ｐ−ＳｉＣＯＨを含むスピン・オン型の低ｋ誘電体または有機及び無機ポリマのような周知の若しくは他の超低誘電率（ＵＬＫ）材料で形成され得る。１つの実施例において、誘電体キャップ層１００は、硬化処理の間、紫外線照射を実質的に遮断する光学的バンドギャップを有し電子ドナー、二重結合電子を有する窒素を含む誘電体材料１０８を含む。本明細書でいう光学的バンドギャップは、材料を通過するに必要な光のエネルギー・レベルを指す。１つの実施例において、誘電体材料１０８は、約３．０電子−ボルト（ｅＶ）（即ち、これのプラス・マイナス０．５ｅＶの範囲）よりも大きい光学的バンドギャップを有する。光学的バンドギャップは、例えば光学的露光技法を使用して測定され得る。１つの例において、光学的バンドギャップは、Ｊ．Ａ．ＷｏｏｌｌｍａｎのＶＵＶ−ＶＡＳＥ装置を使用して測定され得る。光学的に一定なバンドギャップ・データ・フィット（ｄａｔａ ｆｉｔｓ）は、４００−８００ｎｍの範囲で非常にわずかな吸収を生じるコーシー（Ｃａｕｃｈｙ）とウルバッハ（Ｕｒｂａｃｈ）の吸収裾（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｔａｉｌ）の組み合わせであった。消極レベル（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｌｅｂｅｌｓ）は、低く（理想的な膜を示した）、そして例えば表面の非一様性及び表面の粗さのような共通モデルの改善はモデル・フィット（ｍｏｄｅｌ ｆｉｔｓ）を改善しない。リニアなブラッグマン（Ｂｒｕｇｇｍａｎ）、及びコーシーをオプションとするマクセル−ガーネット（Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｇａｒｎｅｔ）モデルが、バンドギャップ結果を得るために使用された。上述の光学的バンドギャップ測定技術は例示的なものでこれに限定されないことに注目されたい。
本発明の実施例に従う誘電体材料は、上に示した光学的バンドギャップ及び電子ドナー、二重結合電子を有する窒素そして誘電体材料としての機能を実現する他の材料を使用することができる。本発明の実施例においては、誘電体材料１０８は、例えば窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、窒化ホウ素（ＢＮｘ）、シリコン・ボロン・ナイトライド（ＳｉＢＮｘ）、シリコン・ボロン・ナイトライド・カーボン（ＳｉＢｘＮｙＣｚ）及びカーボン・ボロン・ナイトライド（ＣＢｘＮｙ）であり、ここで、各成分のｘ及びｙの値は、上記光学的バンドギャップ及び電子ドナー、二重結合電子を有する窒素を達成するに必要な比率に依存して変動する。上述のように、誘電体キャップ層１００の幾つかの実施例は、炭素（Ｃ）の成分を含むが、これは必ずしも必要ではない。炭素を含む実施例においては、炭素は材料中の約１％乃至約４０原子組成％（％ ｂｙ ａｔｏｍｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）の範囲である。高い光学的バンドギャップ（即ち、約３．０ｅＶよりも高い）及び銅拡散バリア特性（これは、拡散を減少するための銅―窒素錯体を形成する適切な窒素結合の存在を意味する）を有するセラミック特性の材料１０８との任意のイオン結合が本発明の範囲内であると考えられる。
１つの実施例において、誘電体材料１０８は、高温で酸素（Ｏ２）と接触したときに酸素拡散バリア１１０を形成することにより高温における酸化を防止するシリコン−窒素（ＳｉＮ）、窒素−シリコン−炭素（ＮＳｉＣ）及びシリコン−炭素−窒素（ＳｉＣＮ）ボンディング構造の１つからなる。この場合、酸素拡散バリア１１０は、シリコン−窒素−酸素（ＳｉＮＯ）、窒素−シリコン−酸素−炭素（ＮＳｉＯＣ）又は酸素−シリコン−窒素−炭素（ＯＳｉＮＣ）であり得る。これらの場合において、酸素（Ｏ２）は、酸素拡散バリア１１０の約１乃至約２０原子組成％である。高温とは、誘電体が使用されている集積回路（ＩＣ）チップの最大動作温度、例えば、１２０℃（＋／−５℃）よりも高い。
他の実施例において、誘電体材料１０８は、高温で酸素（Ｏ２）に接触したときに酸素拡散バリア１１０を形成することにより高温における酸化を防止する四面体ボンディング構造（ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を含む。ここで再び、酸素拡散バリア１１０は、シリコン−窒素−酸素（ＳｉＮＯ）、窒素−シリコン−酸素−炭素（ＮＳｉＯＣ）又は酸素−シリコン−窒素−炭素（ＯＳｉＮＣ）を含むことができる。又、高温とは、誘電体が使用されている集積回路（ＩＣ）チップの最大動作温度、例えば、１２０℃（＋／−５℃）よりも高い。
他の実施例において、誘電体材料１０８は、紫外線（ＵＶ）照射１２０又はＥビーム照射１２２に曝されたときに、約２００ＭＰａよりも高い圧縮応力を有する。
誘電体キャップ層１００は、前述の光学的バンドギャップ及び電子ドナー、二重結合電子を有する窒素を達成するように周知の技術を使用して形成され得る。本発明の実施例では、誘電体キャップ層１００を形成する方法が提供される。ＩＬＤ１０４は、例えば堆積のような周知の技術で形成される。前述のように、ＩＬＤ１０４は、例えば、多孔性の水素添加シリコン・オキシカーバイド（ｐ−ＳｉＣＯＨ、即ち、多孔性ＳｉＣＯＨ）、ｐ−ＳｉＣＯＨを含むスピン・オン型の低ｋ誘電体または有機及び無機ポリマのような周知の若しくは他の超低誘電率（ＵＬＫ）材料で形成され得る。導電体１０２は、例えば通常のダマシン・プロセスを使用してＩＬＤ１０４内に形成され得る。
以下に詳細に説明するように、誘電体材料１０８はＩＬＤ１０４を覆って形成され、そしてこの誘電体材料１０８は、紫外線照射を実質的に遮断する光学的バンドギャップ及び電子ドナー、二重結合電子を有する窒素を有する。上述のように、光学的バンドギャップは、例えば約３．０電子−ボルト（ｅＶ）よりも大きい。誘電体材料１０８を形成するプロセスは、使用する材料によって変わる。１つの実施例において、誘電体材料１０８は、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）で有り、ここで、ｘ＝１乃至３であり、ｙ＝１乃至４である。この場合、図２に示すように、誘電体材料層１０８の形成方法は、平行プレート型プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）反応器１３０内に前駆物質を与えることを含む。平行プレート型反応器１３０は、約８５ｃｍ２及び約７５０ｃｍ２の間の基板チャック（基板支持体）１３４の導電性領域（即ち、下側電極）１３２，並びに基板１１０及び上部電極１３６の間の約１ｃｍと約１２ｃｍの間のギャップＧを有する。基板チャック１３４の導電性領域１３２がＸの係数だけ変化されると、基板チャック１３４に印加されるＲＦパワー（高周波電力）も又Ｘの係数だけ変化する。前駆物質は、（ａ）（ｉ）シランと、（ｉｉ）ジシランと、（ｉｉｉ）シリコン（Ｓｉ）、窒素（Ｎ）及び水素（Ｈ）の原子、並びにヘリウム（Ｈｅ）及びアルゴン（Ａｒ）から成る群から選択された不活性キャリアを含む窒素含有シリコン前駆物質とから成る群から選択されたシリコンを主体とする前駆物質と、（ｂ）窒素含有前駆物質とを含み得る。代わりに、気相又は液相のアミノシラン・グループの材料も又使用され得る。窒素含有前駆物質の１つの例は、アンモニア（ＮＨ３）であるが、例えば、三弗化窒素（ＮＦ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）又は窒素（Ｎ２）のような他の物質もあり得る。約０．４５ＭＨｚと約２００ＭＨｚの間の周波数の第１高周波（ＲＦ）電力が、電極１３４及び１３６の一方に印加される。第１高周波（ＲＦ）電力密度は、例えば、約０．１Ｗ／ｃｍ２と約５．０Ｗ／ｃｍ２の間に、そして約５０Ｗと１０００Ｗの間にセットされ得る。随意的に、上記第１高周波（ＲＦ）電力よりも低い約０．０４Ｗ／ｃｍ２と約３Ｗ／ｃｍ２の間に、そして約２０Ｗと６００Ｗの間にセットされた、第２高周波（ＲＦ）電力が電極１３４及び１３６の一方に印加され得る。
１つの実施例において、基板温度は約１００℃と約４２５℃の間にセットされ得る。例えば、ヘリウム（Ｈｅ）又はアルゴン（Ａｒ）のような不活性ガスの流量は、約１０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒｓ）と約５０００ｓｃｃｍの間にセットされる。反応器１３０内の圧力は、約１００ｍＴｏｒｒよ約１００００ｍＴｏｒｒの間にセットされ、そして１０００−１７００ｍＴｏｒｒの圧力が望ましいことが判った。
紫外線照射１２０を使用して誘電体材料１０８を硬化した結果、誘電体キャップ層１００が形成される。しかしながら、紫外線照射１２０を使用する硬化処理の間に、約３．０ｅＶよりも高いエネルギー・レベルを有する照射だけが誘電体キャップ層１００を透過する可能性がある。
上述の実施例に関して、付着ステップに使用される条件が、誘電体キャップ層１００に望まれる最終的な誘電率に依存して変動され得ることに注目されたい。
上述の材料及び方法は集積回路チップの製造において使用される。結果的にもたらされる集積回路チップは、ロウ・ウエハ（即ち、パッケージ前の多数のチップを有するシングル・ウエハ）の形で、ベア・ダイとして又はパッケージされた形で製造者から販売される。後者の場合、チップは、シングル・チップ・パッケージ（例えば、マザーボード又はより高いレベルのキャリアに固定された配線を有するプラスチック・キャリア）又はマルチチップ・パッケージ（例えば、片面又は両面の表面相互配線又は内部に埋め込まれた相互配線を有するセラミック・キャリア）にマウントされる。いずれの場合にも、チップは、（ａ）例えば、マザーボードのような中間製品又は（ｂ）最終製品の部分として、他のチップ、個別回路素子または他の信号処理デバイスあるいはこれらと集積化される。最終製品は、玩具及び他のロウ・エンドの用途から表示装置、キーボードまたは他の入力装置及び中央処理プロセッサを有する高級コンピュータ製品に至る集積回路チップを含む任意の製品である。
本発明の種々な態様に関する上述の説明は、本発明を説明するためのものである。これらは本発明を限定するものではなく、多くの変形が可能である。本発明の範囲から逸脱することなくこのような変形が可能であることが当業者により明らかであろう。
本発明は、半導体デバイスの分野特に半導体デバイスで使用される。誘電体キャップ層において有益である。
１００ 誘電体キャップ層
１０２ 導電体
１０４ 中間レベルの誘電体層（ＩＬＤ）
１０８ 誘電体材料
１１０ 酸素拡散バリア
１２０ 紫外線照射
１２２ Ｅビーム照射
１３０ ＰＥＣＶＤ反応器
１３２ 導電性領域
１３４ 基板チャック
１３６ 上部電極

Claims (4)

  1. 相互接続構造の低誘電体層及び導電層を覆う誘電体キャップ層であって、
    紫外線照射による自身の硬化処理の間に前記低誘電体層及び導電層に至る紫外線を実質的に遮断する３．０電子−ボルト（ｅＶ）よりも大きい光学的バンドギャップを有し、窒素（Ｎ）、シリコン（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）を含む誘電体材料からなり、
    前記誘電体材料が、高温での酸素（Ｏ２）との接触時に酸素拡散バリアを形成することにより前記導電層の高温での酸化を防止するためのＮ−Ｓｉ−ＣまたはＳｉ−Ｃ−Ｎの原子結合構造を備え、
    酸素が前記酸素拡散バリアの１乃至２０原子組成％である、誘電体キャップ層。
  2. 前記酸素拡散バリアが、Ｎ−Ｓｉ−Ｏ−ＣまたはＯ−Ｓｉ−Ｎ−Ｃの原子結合構造を備える、請求項１に記載の誘電体キャップ層。
  3. 前記高温が、前記相互接続構造が使用される集積回路チップ（ＩＣ）の最大動作温度である１２０℃よりも高い、請求項１に記載の誘電体キャップ層。
  4. 前記誘電体材料は、紫外線照射又は電子ビーム照射に曝されたときに、２００ＭＰａよりも高い圧縮応力を有する、請求項１に記載の誘電体キャップ層。
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