JP7277871B2 - 相互接続のためのルテニウム金属機能フィリング - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2017年10月4日に出願された米国仮特許出願第62/568,218号に関連し、その優先権を主張するものであり、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
本発明は、低抵抗ルテニウム(Ru)金属によるマイクロエレクトロニクスデバイスのためのビア及びトレンチなどのフィーチャのボイドの無いフィリングに関する。
集積回路は、様々な半導体デバイス及び複数の導電性金属経路を含み、これらの導電性金属経路は、半導体デバイスに電力を提供し、これらの半導体デバイスが情報を共有し、交換することを可能にする。集積回路内では、金属層を互いに絶縁する金属間誘電体層及び層間誘電体層を用いて、金属層が互いの上に重ねられる。
通常、各金属層は、少なくとも1つの追加の金属層への電気的コンタクトを形成しなければならない。かかる電気的コンタクトは、金属層を分離する層間誘電体中のフィーチャ(すなわち、ビア)をエッチングし、結果として得られるビアを金属で充填して相互接続を形成することによって達成される。金属層は、典型的には、層間誘電体中のエッチングされた経路を占める。「ビア」とは、通常、誘電体層内に形成される、孔、線、又は他の類似のフィーチャなどの任意のフィーチャであり、誘電体層を介して誘電体層の下にある導電層への電気的接続を提供するものを指す。同様に、2つ以上のビアを接続する金属層は、通常、トレンチと称される。
集積回路を製造するための多層金属化スキームにおける銅(Cu)金属の使用は、SiO2などの誘電体中のCu原子の高い移動度による問題を生じ、Cu原子はSi中に電気的欠陥を生じさせる。したがって、Cu金属層、Cu充填トレンチ、及びCu充填ビアは、Cu原子が誘電体及びSi中に拡散するのを防止するために、通常、バリア材料でカプセル化される。バリア層は、通常、Cuシード堆積の前に側壁及び底部を介してトレンチ上に堆積され、好ましくはCu中において非反応性で非混和性であり、誘電体への良好な付着性を提供し、低電気抵抗を提供し得るする材料を含み得る。
デバイスの性能の向上は、通常、デバイス面積の減少又はデバイス密度の増加を伴う。デバイス密度の増加は、より大きなアスペクト比(すなわち、深さ対幅の比)を含む相互接続を形成するために使用されるビア寸法の減少を必要とする。ビア寸法が減少し、アスペクト比が増加するにつれて、ビア内の金属層に十分な体積を提供しつつ、ビアの側壁上に十分な厚さの拡散バリア層を形成することは、ますます困難になる。さらに、ビア及びトレンチ寸法が減少し、ビア及びトレンチ内の層の厚さが減少するにつれて、層及び層界面の材料特性はますます重要になる。特に、これらの層を形成するプロセスは、プロセスシーケンスの全てのステップについて良好な制御が維持される製造プロセスシーケンスに注意深く統合される必要がある。
基板内のますます小さくなるフィーチャにおけるCu金属の使用に関連する問題は、Cu金属を他の低抵抗金属と置き換えることを必要とする。これらのますます小さくなるフィーチャのボイドの無い金属フィリングのための新しい方法が必要とされている。
Ru金属を基板内のフィーチャに充填する方法が提供される。方法は、フィーチャを有する基板を提供するステップと、フィーチャ内にRu金属層を堆積させるステップと、フィーチャの開口周辺のフィールドエリアからRu金属層を除去するステップと、フィーチャ内に追加のRu金属を堆積させるステップであって、追加のRu金属を、フィールドエリア上よりも高いレートでフィーチャ内に堆積させる、ステップと、を含む。一実施形態によれば、追加のRu金属を、フィーチャがRu金属で完全に充填されるまで堆積させる。
別の実施形態では、方法は、フィーチャを有する基板を提供するステップと、フィーチャ内にRu金属層を堆積させるステップであって、Ru金属層を堆積させるステップは、フィーチャがRu金属層で充填される前に、フィーチャの開口をピンチオフし、それによりフィーチャ内にボイドを形成する、ステップと、を含む。方法はさらに、ピンチオフを生じさせる過剰なRu金属を除去するステップであって、フィーチャの開口周辺のフィールドエリアからRu金属層を除去する、ステップと、フィーチャ内に追加のRu金属を堆積させるステップであって、追加のRu金属を、フィールドエリア上よりも高いレートでフィーチャ内に堆積させる、ステップと、を含む。一実施形態によれば、追加のRu金属を、フィーチャがRu金属で完全に充填されるまで堆積させる。
添付の図面に関連して考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することにより本発明がより完全に理解されるにつれて、本発明及びその多くの付随する利点のより完全な理解が容易に得られるであろう。
本発明の一実施形態による、フィーチャのRu金属フィリングの断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による、フィーチャのRu金属フィリングの断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による、フィーチャのRu金属フィリングの断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による、フィーチャのRu金属フィリングの断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による、フィーチャのRu金属フィリングの断面の走査電子顕微鏡学(SEM)画像を示す図である。 本発明の一実施形態による、フィーチャのRu金属フィリングの断面の走査電子顕微鏡学(SEM)画像を示す図である。 本発明の一実施形態による、フィーチャのRu金属フィリングの断面の走査電子顕微鏡学(SEM)画像を示す図である。
マイクロエレクトロニクスデバイス用のフィーチャの低抵抗率Ru金属によるボイドの無いフィリングのための方法が、いくつかの実施形態で記載される。短い有効電子平均自由行程を有するRu金属は、約10nm(5nmノード)最小フィーチャサイズにおけるCu金属の代替として、半導体(ITRS)抵抗要件のための国際技術ロードマップを満たす優れた候補であることが示された。Ru金属の多くの材料特性及び電気的特性により、それはCu金属よりもフィーチャサイズのダウンスケーリングの影響を受けない。
一実施形態によれば、基板内のフィーチャ又は基板上のフィルム内のフィーチャのRu金属フィリングのための方法が提供される。方法は、フィーチャを有する基板を提供するステップと、フィーチャ内にRu金属層を堆積させるステップと、フィーチャの開口周辺のフィールドエリアからRu金属層を除去するステップと、フィーチャ内に追加のRu金属を堆積させるステップであって、追加のRu金属を、フィールドエリア上よりも高いレートでフィーチャ内に堆積させる、ステップと、を含む。
一実施形態によれば、方法は、フィーチャを有する基板を提供するステップと、フィーチャ内にRu金属層を堆積させるステップであって、Ru金属層を堆積させることは、フィーチャがRu金属層で充填される前に、フィーチャの開口をピンチオフし、それにより、フィーチャ内にボイドを形成する、ステップと、を含む。方法はさらに、ピンチオフを生じさせる過剰なRu金属を除去するステップであって、この除去は、フィーチャの開口周辺のフィールドエリアからRu金属層を除去する、ステップと、フィーチャ内に追加のRu金属を堆積させるステップであって、追加のRu金属を、フィールドエリア上よりも高いレートでフィーチャ内に堆積させる、ステップと、を含む。
本発明の実施形態は、垂直側壁を有する正方形のフィーチャ、凸側壁を有する湾曲フィーチャ、及び、フィーチャの頂部から底部に延在する方向に関して逆行的プロファイル(retrograde profile)のエリアを有する側壁を有するフィーチャを含む、半導体デバイスに見出される異なる物理的形状の種々の凹状フィーチャに適用され得る。フィーチャは、例えば、トレンチ又はビアを含むことができる。フィーチャ直径は、30nm未満、20nm未満、10nm未満、又は、5nm未満であり得る。フィーチャ直径は、20nmと30nmとの間、10nmと20nmとの間、5nmと10nmとの間、又は、3nmと5nmとの間であり得る。フィーチャの深さは、例えば、20nmより大きく、50nmより大きく、100nmより大きく、又は、200nmより大きい場合がある。フィーチャは、例えば、2:1と20:1との間、2:1と10:1との間、又は、2:1と5:1との間のアスペクト比(AR、深さ:幅)を有することができる。一実施形態では、基板(例えば、Si)は、誘電体層を含み、フィーチャは、誘電体層内に形成される。
図1A~1Dは、本発明の一実施形態による、フィーチャのRu金属フィリングの断面を概略的に示す。図1Aにおいて、基板10は、膜102内にフィーチャ104を含み、フィーチャ104は、膜100上にフィーチャ104の頂部からフィーチャ104の底部へ延在する方向に関して逆行的プロファイルのエリアを有する側壁108を含む。基板10は、さらに、フィーチャ104の開口部近傍のフィールドエリア106を有する。一実施形態によれば、膜100及び102は、同じ材料を含んでもよい。例えば、材料は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、誘電体材料、金属、及び金属含有材料からなる群から選択され得る。誘電材料は、SiO、SiON、SiN、高比誘電率材料、低比誘電率材料、及び、超低比誘電率材料なる群から選択され得る。別の実施形態によれば、膜100及び102は、異なる材料を含み得る。異なる材料は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、誘電体材料、金属、及び金属含有材料からなる群から選択され得る。誘電材料は、SiO、SiON、SiN、高比誘電率材料、低比誘電率材料、及び、超低比誘電率材料なる群から選択され得る。
図1Bは、フィールドエリア106上及びフィーチャ104内を含む、基板10上に実質的に均一な厚さで堆積されたコンフォーマルRu金属層110を示す。コンフォーマルRu金属層110は、フィーチャ104がRu金属で充填される前に、フィーチャ開口をピンチオフし、それにより、フィーチャ104内のさらなるRu金属堆積を阻止し、フィーチャ104内にボイド(キーホール)112を形成する。Ru金属層110は、少量の不純物(例えば、炭素及び酸素)を含む純粋なRu金属又は実質的に純粋なRu金属からなる。Ru金属層110は、原子層堆積(ALD)、化学気相堆積(CVD)、めっき、又はスパッタリングによって堆積されることができる。一つの実施例において、Ru金属層は、約200℃の基板温度で、Ru(CO)12及びCOキャリアガスを用いてCVDによって堆積され得る。しかしながら、Ru金属層110を堆積させるために、他のRu金属前駆体がCVDによって使用されることができる。
図1Bには示されていないが、核形成層を、Ru金属堆積の前に、ALD又はCVDによって、フィーチャ104を含む基板10上に堆積することができる。一実施形態によれば、核形成層は、Mo、MoN、Ta、TaN、TaAlN、W、WN、Ti、TiN及びTiAlNからなる群から選択されることができる。核形成層の役割は、短いインキュベーション時間でRu金属層110のコンフォーマル堆積を確実にするために、フィーチャ104内に良好な核形成表面及び付着表面を提供することである。Cu金属フィリングを使用する場合とは異なり、誘電体材料とRu金属との間に良好な拡散バリア層を設ける必要はない。したがって、Ru金属フィリングの場合、核形成層は非常に薄くすることができ、連続していないか又は不完全であり得、フィーチャ内の誘電体材料を露出させるギャップを有し得る。これは、Cu金属フィーチャフィリングと比較してフィーチャフィリング内のRu金属の量を増加させることを可能にする。いくつかの例では、核形成層の厚さは、20Å以下、15Å以下、10Å以下、又は5Å以下であり得る。一実施例において、TaN核形成層は、約350℃の基板温度で、tert-ブチルイミド-トリス-エチルメチルアミド-タンタル(TBTEMT,Ta(NCMe)(NEtMe))及びアンモニア(NH)の交互の曝露を伴う原子層堆積(ALD)を用いて堆積され得る。
図1Cは、フィーチャ104の開口部の周囲のフィールドエリア106からRu金属層110を除去し、フィーチャ開口のピンチオフを生じさせたRu金属層110を除去した後の基板10を示す。一実施形態によれば、Ru金属層110の除去は、基板10をプラズマ励起乾式エッチングプロセスに曝露するステップを含むことができる。プラズマ励起乾式エッチングプロセスは、プラズマ励起エッチングガスとRu金属層110との間の化学反応、非反応性ガスによるRu金属層110の物理的除去、又はそれらの組み合わせを含むことができる。一実施例において、プラズマ励起ドライエッチングプロセスは、基板10を酸素含有ガス及び任意にハロゲン含有ガスを含むプラズマ励起エッチングガスに曝露するステップを含む。別の実施例では、除去は、スパッタ除去又はプラズマ励起Arガスを使用するRu金属層110の再分配を含むことができる。別の実施形態によれば、Ru金属層110の除去は、化学機械研磨プロセスを含むことができる。別の実施形態によれば、Ru金属層110の除去は、Ru金属層110を熱処理し、フィーチャ104内のRu金属層110をリフローさせる、ステップを含むことができる。さらに別の実施形態によれば、Ru金属層110の除去は、プラズマ励起乾式エッチングプロセスと熱処理との組み合わせを含むことができる。プラズマ励起乾式エッチングプロセスのための例示的な処理条件は、約5mTorr~約760mTorrの間のガス圧力、約40℃~約370℃の間の基板温度を含む。上部電極プレートと基板を支持する下部電極プレートとを含む容量結合プラズマ(CCP)処理システムを使用することができる。一実施例では、約100Wと約1500Wとの間の無線周波数(RF)電力を上部電極プレートに印加することができる。Ru金属除去を増加させるために、下部電極板にRF電力を印加することもできる。
一実施形態によれば、プラズマ励起エッチングガスは、Ru金属除去を強化するために、酸素含有ガス及び任意にハロゲン含有ガスを含むことができる。酸素含有ガスは、O、HO、CO、CO、及びそれらの組み合わせを含むことができる。ハロゲン含有ガスは、例えば、Cl、BCl、CF、及びそれらの組み合わせを含むことができる。一実施例において、プラズマ励起エッチングガスは、O及びCl2を含むことができる。プラズマ励起エッチングガスは、Arガスをさらに含むことができる。別の実施例では、プラズマ励起エッチングガスは、Oガスと、任意にArガスとから成ることができる。いくつかの実施形態において、複数のプラズマ励起エッチングガス中の1つ以上のガスは循環されることができる。
図1Dは、フィーチャ104に追加のRu金属114を堆積するステップの後の、その結果、フィーチャ104の空隙のないRu金属充填が生じている基板10を示す。本発明者らは、追加のRu金属114が、フィーチャ104内のRu金属層110上には、膜102のフィールドエリア106上よりも高いレートで堆積し、それによって、フィーチャ104の完全なRu金属充填を可能にし、フィーチャ104が追加のRu金属114で充填される前に、フィーチャ開口のピンチオフを防止することを見出した。まとめると、Ru金属層110及び追加のRu金属114は、フィールドエリア106上に存在する余分なRu金属とともに、フィーチャ104をRu金属で完全に充填する。いくつかの実施形態によれば、Ru金属堆積ステップ及びRu金属除去のステップは、フィーチャ104のボイドの無いRu金属フィリングを提供するために必要であれば、少なくとも1回繰り返されることができる。
本発明の一実施形態によれば、Ru金属フィリングの後、Ru金属中の不純物を最小限に抑え、Ru金属粒径を増大させるために、基板10を熱処理することができる。その結果、Ru金属の電気抵抗が低下する。別の実施形態によれば、フィーチャ104の開口周辺のフィールドエリア106からRu金属層110を除去した後、基板はRu金属中の不純物を最小化し、フィールドエリア106に比べてフィーチャ104中の改良されたRu金属堆積選択性を提供するために熱処理されることができる。熱処理ステップは、200℃と600℃との間、300℃と400℃との間、500℃と600℃のとの間、400℃と450℃との間、又は450℃と500℃との間の基板温度で行われることができる。さらに、熱処理ステップは、Arガス、Hガス、又はArガスとHガスの両方の存在下において大気圧以下で行うことができる。一つの実施例において、熱処理ステップは、形成ガスの存在下において大気圧以下で行うことができる。形成ガスはHとNの混合物である。別の実施例では、熱処理ステップは、熱処理に使用されるプロセスチャンバ内にガスを流入させることなく、高真空条件下で行うことができる。
図2A~2Cは、本発明の一実施形態によるフィーチャのRu金属フィリングの断面SEM画像を示す。図2Aは、膜200内にエッチングされたフィーチャを含む基板上に堆積されたコンフォーマルRu金属層202を示す。フィーチャは、約19nmの開口直径、約40nmの底部直径、及び約83nmの高さを有していた。コンフォーマルRu金属層202は、基板温度約200℃で、Ru(CO)12及びCOキャリアガスを用いるCVDによって堆積された。図2AのコンフォーマルRu金属層202は、フィーチャがRu金属で充填される前に、フィーチャ開口をピンチオフし、それによってフィーチャ内にボイド212を形成する。図2Bは、フィーチャの開口周辺フィールドエリア206からコンフォーマルRu金属層202を除去し、フィーチャ開口のピンチオフを生じさせるRu金属層202の一部を除去した後の基板を示す。Ru金属の除去は、基板を、Oガス、Clガス、及びArガスを含むプラズマ励起エッチングガスに曝すことを含むプラズマ励起乾式エッチングプロセスを用いて行った。図2Cは、フィーチャのボイドのないRu金属フィリングをもたらすフィーチャ内の追加のRu金属214の堆積の後の基板を示す。追加のRu金属214は、フィールドエリア206上よりも高いレートでフィーチャ内に堆積され、それによってフィーチャの完全なRu金属フィリングを可能にし、フィーチャがRu金属で充填される前にフィーチャ開口をピンチオフすることを防止する。
マイクロエレクトロニクスデバイスのための低抵抗率Ru金属による、ビア及びトレンチなどのフィーチャのボイドの無いリングのための方法が、様々な実施形態で開示されている。本発明の実施形態の前述の説明は、例示及び説明のために提示されたものである。開示された正確な形態を網羅すること又は本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。この説明及び以下の特許請求の範囲は、説明のためだけに使用される用語を含み、限定するものとして解釈されるべきではない。当業者は、上記教示に照らして多くの改変及び変形が可能であることを理解することができる。当業者は、図面に示された様々な構成要素の様々な均等な組み合わせおよび置換を認識するであろう。したがって、本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されることが意図される。

Claims (18)

  1. ルテニウム(Ru)金属を充填する方法であって、
    側壁及び底部を有するフィーチャを有する基板を提供するステップであって、前記側壁は、前記フィーチャの頂部から前記フィーチャの前記底部に延在する方向に関して逆行的なプロファイルのエリアを含む、ステップと、
    前記フィーチャ内にRu金属層を堆積させるステップと、
    前記フィーチャの開口周辺のフィールドエリアから前記Ru金属層を除去するステップと、
    前記フィーチャ内に追加のRu金属を堆積させるステップであって、前記追加のRu金属を、前記フィールドエリア上よりも高いレートで前記フィーチャ内に堆積させる、ステップと、
    を含む、方法。
  2. 前記追加のRu金属を、前記フィーチャがRu金属で完全に充填されるまで堆積させる、
    請求項1記載の方法。
  3. 前記の除去するステップは、
    前記基板をプラズマ励起乾式エッチングプロセスに曝露するステップを含む、
    請求項1記載の方法。
  4. 前記プラズマ励起乾式エッチングプロセスは、
    前記基板を酸素含有ガス及び任意にハロゲン含有ガスを含むプラズマ励起エッチングガスに曝露するステップを含む、
    請求項3記載の方法。
  5. 前記方法はさらに、
    前記Ru金属層を堆積させる前に、前記フィーチャ内に核形成層を形成するステップであって、
    前記核形成層を、Mo、MoN、Ta、TaN、TaAlN、W、WN、Ti、TiN及びTiAlNからなる群から選択する、ステップ、
    を含む請求項1記載の方法。
  6. 前記Ru金属層及び前記追加のRu金属層を、原子層堆積(ALD)又は化学気相堆積(CVD)によって堆積させる、
    請求項1記載の方法。
  7. 前記Ru金属層を、Ru(CO)12及びCOキャリアガスを用いたCVDによってコンフォーマルに堆積させる、
    請求項6記載の方法。
  8. 前記方法はさらに、
    前記フィーチャ内の前記Ru金属層をリフローするために前記基板を熱処理するステップを
    含む、請求項1記載の方法。
  9. 前記の熱処理は、200℃と600℃との間の基板温度において行われる、
    請求項8記載の方法。
  10. ルテニウム(Ru)金属を充填する方法であって、側壁及び底部を有するフィーチャを有する基板を提供するステップであって、前記側壁は、前記フィーチャの頂部から前記フィーチャの前記底部に延在する方向に関して逆行的なプロファイルのエリアを含む、ステップと、
    前記フィーチャ内にRu金属層を堆積させるステップであって、前記フィーチャが前記Ru金属層で充填される前に、前記フィーチャの開口をピンチオフし、それにより前記フィーチャ内にボイドを形成する、ステップと、
    前記のピンチオフを生じさせる過剰なRu金属を除去するステップであって、前記フィーチャの開口周辺のフィールドエリアから前記Ru金属層を除去する、ステップと、
    前記フィーチャ内に追加のRu金属を堆積させるステップであって、前記追加のRu金属を、前記フィールドエリア上よりも高いレートで前記フィーチャ内に堆積させる、ステップと、
    を含む、方法。
  11. 前記追加のRu金属を、前記フィーチャがRu金属で完全に充填されるまで堆積させる、
    請求項10記載の方法。
  12. 前記の除去するステップは、
    前記基板をプラズマ励起乾式エッチングプロセスに曝露するステップを含む、
    請求項10記載の方法。
  13. 前記プラズマ励起乾式エッチングプロセスは、
    前記基板を酸素含有ガス及び任意にハロゲン含有ガスを含むプラズマ励起エッチングガスに曝露するステップを含む、
    請求項12記載の方法。
  14. 前記方法はさらに、
    前記Ru金属層を堆積させる前に、前記フィーチャ内に核形成層を形成するステップであって、前記核形成層を、Mo、MoN、Ta、TaN、TaAlN、W、WN、Ti、TiN及びTiAlNからなる群から選択する、ステップ、
    を含む、請求項10記載の方法。
  15. 前記Ru金属層及び前記追加のRu金属層を、原子層堆積(ALD)又は化学気相堆積(CVD)によって堆積させる、
    請求項10記載の方法。
  16. 前記Ru金属層を、Ru(CO)12及びCOキャリアガスを用いたCVDによってコンフォーマルに堆積させる、
    請求項15記載の方法。
  17. 前記方法はさらに、
    前記フィーチャ内の前記Ru金属層をリフローするために前記基板を熱処理するステップを
    含む、請求項10記載の方法。
  18. 前記の熱処理は、200℃と600℃との間の基板温度において行われる、
    請求項17記載の方法。
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