KR20030059270A - 듀얼 다마신 메탈 배선화를 위한 최적화된 라이너 - Google Patents

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KR20030059270A
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도쿄 엘렉트론 리미티드
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Abstract

듀얼 다마신 금속 칩-레벨 상호 접속을 위해 유전체 상에 확산 장벽 스택을 형성하는 방법 및, 이에 의해 제조된 확산 장벽 스택이 제공된다. 금속 및 전기 저항 확산 장벽의 교번 층은 유전체 기판 상에 증착되며, 상이한 층은 디바이스내의 기능에 적당한 상이한 두께를 가진다. 본 발명의 실시예에서, 탄탈 및 탄탈 질화물의 교번 층은 유전체 기판 상에 증착된다.

Description

듀얼 다마신 메탈 배선화를 위한 최적화된 라이너{OPTIMIZED LINERS FOR DUAL DAMASCENE METAL WIRING}
종래의 듀얼 다마신 메탈 공정에서는, 내열성 라이너와 같은 얇은 라이너가 리세스된 형상(recessed feature)으로 스퍼터되고 나서, 구리와 같이 더욱 두껍고 더욱 도전적인 막으로 코팅되며, 이런 막은 디바이스 동작 시에 전류를 통과시킬 수 있다.
SiO2유전체와 Cu를 상호 접속하는 경우, 예컨대, Ta 또는 Ti와 같은 제 1 금속 라이너 막은, 연속적으로 증착되는(deposited) 겹친 상호 접속 막 또는 구조물에 의해 주변 유전체의 점착, 저 접촉 저항 및 감소된 오염을 제공하는데 사용될 수 있다. TaN, TiN 또는 WNx와 같은 제 2 금속 질화물 라이너 막은 장벽 성능을 향상시키도록 도포될 수 있다. Cu 시드(seed)와 같은 다음 막은, 상호 접속 구조물 형성, 예컨대, 도금된 Cu 필(fill)을 촉진(facilitate)시키도록 도포된다. 최종으로, 웨이퍼는 상호 접속 구조물을 형성하는 다른 장치로 이동된다.
플루오르화된 유전체와 Cu를 상호 접속하는 경우에, Ta 또는 Ti 증착 단계는 생략되고, 금속 질화물은 유전체 상에 직접 증착되는데, 그 이유는 Ta 또는 Ti와 같은 순 금속이 불소와 반응하여, 유전체와 라이너 막 간의 인터페이스를 막 디라미네이션(delamination)에 대해 약하게 하는 화합물을 형성할 수 있다. 이것은, 유전체에 제공될 수 있는 다른 이동 반응성 종(mobile reactive species)에 대해서도 동등하게 적용된다.
라이너 막은, 일반적으로 종래의 물리적 기상 성장법(PVD)에 의해 증착되면, 결과적으로, 콘택트(contact), 트렌치 및 비어(via)와 같은 리세스된 표면 형상 대 웨이퍼의 상부 표면의 덮힘률(coverage ratio)이 불량하게 된다. 이것은 특히 고 종횡비 형상에도 적용된다. 종래의 PVD로부터 유발된 막과 상이한 특징을 가진 막을 제공하는 이온화된 PVD 및 화학적 기상 성장법(CVD)이 개발되었다. 특히, 이온화된 PVD는 형상 바닥의 덮힘률(커버리지)을 크게 증진시켜 측벽 덮힘률을 증진시킨다. 일반적으로, 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 이온화된 PVD는, 소스로부터 입자를 스퍼터링하고, 이 입자를 고밀도 플라즈마에 의해 양이온으로 변환시키며, 전기장 또는 바이어스를 인가하여 이온을 전위차를 통해 리세스된 형상으로 향하게 하는 것을 포함한다. 본 기술 분야의 숙련자에게 이용 가능하고, 이온화된 PVD를 실행하는 수많은 장치가 있는데, 그 중 일례는 명칭이 "Method And Apparatus For Ionized Physical Vapor Deposition"인 계류중인 출원 번호 제09/442,600호에 개시되어 있고, 이는 여기서 참조로 포함되어 있다.
CVD는 또한 막을 증착하는데 사용될 수 있다. 이와 같은 막은 형상을 PVD 막과 상이하게 피복한다. CVD 공정은 불소 또는 염소와 같은 할로겐을 함유할 수 있는 반은 전구 물질을 사용한다. 이 전구 물질은 반응하여 금속 함유 막을 남겨두는 기판 표면으로 확산시킨다. 이런 반응은 열 또는 플라즈마 여기(plasma-enhanced) 메카니즘의 어느 하나를 통해 일어날 수 있다. 열 CVD는 형상 전체를 균일하게 덮을 수 있다. 일반적으로, 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 열 CVD는, 반응 전구 물질이 가열된 기판으로 통과되고, 반응기의 고온 환경에서 쉽게 분해하여, 가열된 기판 상에 컨포멀(conformal) 금속 함유 막을 형성하도록 재결합하는 고온 공정이다. 플라즈마 여기 CVD는, 형상 개구 근처에 오버행(overhang)을 보다 적게 행하여 이온화된 PVD에 의해 제공되는 것과 유사한 덮힘률을 제공한다. 플라즈마 여기 CVD는 플라즈마를 도입하여 반응 전구 물질로부터 반응 화학종을 생성시키며, 이 전구 물질은 원하는 막을 기판의 표면 상에 증착시키도록 결합한다. 플라즈마 여기 CVD에 의해 제공된 에너지 증진으로, 층이 지원되지 않은 열 CVD법에 의해 증착된 층보다 상당한 저온으로 증착되도록 허용된다. 본 기술 분야의 숙련자에게 이용 가능하고, 열 및/또는 플라즈마 여기 CVD를 실행하는 수많은 장치가 있는데, 그 중 일례는 명칭이 "CVD of Integrated Ta and TaNxFilms from Tantalum Halide Precursors"인 계류중인 출원 번호 제09/300,632호에 개시되어 있고, 이는 여기서 참조로 포함되어 있다.
통상적으로, Ta2N, TaSiN, TiN, WNx및 WSiN과 같은 도전 내열성 금속 질화물은, 외부 입자를 유전체 내로 이동시키거나, 반도체 기판을 배선 아래로 이동시키는 것을 방지하는 확산 장벽으로서 사용될 수 있다. 약 450℃까지의 통상적인 공정 온도에서, 이러한 막은 적절히 도전적이고, 열 분해 및 화학 반응에 대해 안정적이며, 막 두께가 모든 점에서 형상을 따라 충분할 경우에 원하지 않는 원자의 이동을 효과적으로 차단한다. 그러나, 확산 장벽 막 두께는 어디에나 최소화되어, 도전 구리 필 또는 다른 도전 금속 필을 위한 룸(room)이 더욱 많도록 하고, 화학적 기계 연마법(CMP)에 의해 상부 표면으로부터 쉽게 제거되도록 하지만, 특히, 형상 바닥에서는 디바이스에 원하는 저 접촉 저항을 달성시킨다. 사실상, 막 저항율 및 두께를 가진 제품은, 예컨대 0.1 ㎛ IC 제품 노드에 대한 콘택트 당 약 2-4 옴의 디바이스 접촉 저항 규격을 허용하도록 설계되어야 한다. 따라서, 금속층, 유전체 및 상호 접속 금속으로부터 확산 원자의 통과를 차단할 만큼 충분한 확산 장벽 재료를 가지는 것과, 전기 접점을 양호하게 하고, 비용-효율적으로 제조하기에 충분한 박층을 가지는 것에서 균형이 이루어지도록 설계되어야 한다.
TaSiN및 WSiN과 같은 비결정 삼원 화합물을 함유한 더욱 고 저항성 금속 질화물 및, Si3N4와 같은 절연 확산 장벽에 대해서는 고 접촉 저항의 문제가 더욱 심각하며, 이들 화합물의 모두는 매우 강한(robust) 확산 장벽 특성을 제공한다.
다수의 층을 웨이퍼 상에 형성하기 위해 현존하는 다수의 방법의 모두에 대해서는 듀얼 다마신 배선화를 위한 라이너를 형성하는 효과적인 방법을 달성할 필요가 있다.
본 발명은 듀얼 다마신 메탈 칩-레벨 상호 접속(dual damascene metal chip-level interconnects)을 위한 라이너 막(liner film)의 형성에 관한 것이다.
본 발명은, 상호 접속 구조물에 사용하기 위한 유전체로서, 콘택트, 트렌치 및 비어와 같은 표면 형상을 가진 토포그래피(topography)를 포함하는 유전체와 일체의 확산 장벽 스택(stack) 및, 상기 유전체 상에 상기 확산 장벽 스택을 형성하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 금속 질화물 또는 절연 실리콘 질화물과 같은 전기 저항 확산 장벽 및 금속의 교번(alternating) 층을 증착하는 것을 포함한다. 각 층은 상기 구조물의 원하는 기능을 수행하기에 충분한 두께를 가진다. 내부 금속층은 접촉 촉진층(contact facilitation layer) 기능을 하기에 충분한 두께를 가진다. 전기 저항 확산 장벽층은 전류가 층을 통해 통과하기에 충분한 개별적인 층 두께 및, 확산 원자의 통과를 차단하기에 충분한 모든 확산 장벽층의 전체 두께를 가진다. 스택의 말단층은 상호 접속 금속 안정화층 기능을 한다.
[실시 양태]
본 발명은 종래의 라이너 집적 기법에 비해 이점을 제공하는 최적화된 라이너를 생성하는 각종 코팅 기술을 결합한 것이다. 궁극적으로, 본 발명에 따르면, 듀얼 다마신 메탈 칩-레벨 상호 접속을 위한 금속-기반 라이너 막은, 금속 질화물 막 또는 절연체와 같은 금속 및 전기 저항 확산 장벽의 하나 이상의 스택으로 구성되며, 상이한 막은 디바이스의 기능에 적당한 상이한 두께를 가지고 있다. 형태학적으로 안정하고, 형상 개구를 과도하게 오버행하지 않는 상호 접속 금속 시드층의 형성을 촉진시킴으로써, 광폭(wide) 도금 공정 윈도우가 제공된다. 강한 장벽 재료를 이용하여, 전체 형상 표면을 따라 충분한 장벽 덮힘을 확실히 유지함으로써 양호한 확산 장벽 특성이 제공된다. 직접 전도 또는 터널링(tunneling)에 의해 전류를 통과시킬 만큼 얇고, 금속에 의해 일정한 간격을 이룬 하나 이상의 직렬 층(serial layer) 중에서 장벽 막 두께를 분산함으로써, 양호한 접촉 저항이 제공된다. 제 1 라이너 막 및, 결과적으로 유전체 라이너 인터페이스에서 원하지 않은 부산물을 형성하지 않는 증착 시퀀스(sequence)를 선택함으로써, 양호한 점착이 제공된다. 측벽 상에 주어진 량의 덮힘률의 구리 표면 상의 장벽 두께를 보다 적게 하는 증진된 컨포멀리티(conformality)에 의해 CMP가 촉진된다. 본 발명의 실시 양태에서, 모든 라이너 및 시드 막은 동일한 진공 플랫폼을 이용하여 증착되며, 이에 의해, 웨이퍼가 막 증착물 간의 오염 물질로 노출하는 것이 방지된다. 다른 실시 양태에서, 모든 라이너 막은 직렬 CVD 처리 기술을 이용하여 동일한 증착실내에서 증착된다.
본 발명의 실시 양태의 제 1 실시예에서, TaN/Ta/TaN/Ta 확산 장벽 스택은 플루오르화 유전체로 집적된다. 유전체가 플루오르화되기 때문에, 제 1 라이너 층은, 유전체-라이너 인터페이스에서 부산물 형성을 방지하도록 하는 금속 질화물 또는 절연 재료 중의 어느 하나이다. 이런 제 1 실시예에서, 확산 장벽 재료는 TaN이고, 금속은 Ta이다. 단지 예로서, 대략 50Å의 전체 장벽 두께가 특히 형상 측벽 상에 요구되어, 양호한 확산 장벽 특성을 달성하고, 터널링 전류가 약 25Å 이상의 두께를 가진 개별 TaN 막 층을 통과할 수 없는 것으로 추정된다. 상이한 전체 확산 장벽 두께가 요구된다면, 라이너 스택의 층은 이에 따라 스케일(scale)될 수 있다. 더욱이, 주어진 장벽 층의 두께를 통하는 전류가 불충분하다면, 개별 장벽 층의 두께는 감소될 수 있고, 부가적인 장벽/금속 시리즈는 장벽 성능을 회복하도록 말단금속층 아래의 스택에 첨가된다. 중간 금속층은, 콘택트, 트렌치 및 비어와 같은 리세스된 표면 형상의 바닥에서 충분히 두껍게 하여, 인접한 저항막을 통해 터널링을 촉진시키도록 금속형 전기 상태를 형성함으로써, 접촉 촉진 층 기능을 한다. 확산 장벽 또는 금속 중의 어느 하나일 수 있는 말단 금속 층은 측벽과 형상의 바닥에서 충분히 두껍게 하여, 상호 접속 금속 안정화 층 기능을 하도록 한다. 그것이 충분히 두껍지 않은 경우, 상호 접속 막의 형태(morphology)는 불량해질 수 있다. 단지 예로서, 금속 말단층은 적어도 약 20Å이다. 그러나, 그것은, 양호한 형태가 획득될 수 있을 경우에 단층 또는 수개의 단층 만큼 얇을 수 있다. 본 발명의 일 실시 양태에서, 말단층의 측벽 두께는 약 25-50Å이다.
본 발명의 제 1 실시예에서 집적 목표를 달성하기 위하여, 웨이퍼 형상을 위한 막은 표시된 위치에서 다음의 라이너 스택 배치 및 적당한 층 두께를 가져야 한다.
표 1
두께 및 재료 두께의 위치 증착 순서 막의 기능
20Å Ta 측벽 막 4 상호 접속 안정화층
25Å TaN 측벽 막 3 직렬 확산 장벽
15Å Ta 바닥 막 2 접촉 촉진층
25Å TaN 측벽 막 1 직렬 확산 장벽
플루오르화 유전체 --- 기판 ---
표 1에 기재되어 있는 바와 같이, 가장 필요로 하는 이들 덮힘률을 달성하면서, 도금 필 및 CMP, 또는 다른 상호 접속 형성 기술을 촉진시키기 위하여, 열 및 플라즈마 공정 기술의 결합을 이용하는 것이 효과적이다. Ta의 플라즈마 여기 CVD에 대해, 대략 8% 측벽 덮힘률이 획득되는 반면, TaN의 열 CVD는 대략 90% 측벽 덮힘률을 나타낸다. 그러나, Ta의 플라즈마 여기 CVD는 40% 바닥 덮힘률을 제공하고, TaN의 열 CVD는 약 90% 바닥 덮힘률을 제공한다. 이런 논의를 위하여, 단계 덮힘률은, (측벽을 따른 가장 엷은 지점에서) 형상의 측벽 또는 형상의 바닥에서의 코팅 두께 대 형상에 인접한 상부 표면 상의 코팅 두께의 비(100 배)로 정의된다. 따라서, Ta 층을 증착하는 플라즈마 여기 CVD 및 TaN 층을 증착하는 열 CVD를 이용한 상기 막 시퀀스에 대해, 웨이퍼는 증착된 막의 다음의 덮힘률 및 두께를 가질 것이다.
표 2
재료 측벽덮힘률 측벽 두께(Å) 바닥덮힘률 바닥 두께(Å) 상부 표면두께(Å)
4 PECVD Ta 8% 20 40% 100 250
3 열 TaN 90% 25 90% 25 28
2 PECVD Ta 8% 3 40% 15 38
1 열 TaN 90% 25 90% 25 28
전체 73 165 344
측벽 단계 덮힘률은 약 21%인 반면, 바닥 단계 덮힘률은 약 48%이다.
금속 내부층(interlayer)인 막 2의 두께는 접촉 저항 조건으로부터 결정된다. 막 2는, 여기저기로 터널할 금속 전자 상태가 있도록 2개의 TaN 층간의 바닥 콘택트에서 도전층을 확립하기에 충분히 두껍게 될 필요가 있다. 이런 목적을 위해, 형상의 바닥에서 약 5-20Å이 충분한 금속 두께이어야 한다. 약 5의 종횡비를 가진 콘택트 홀(contact hole)내의 탄탈의 플라즈마 여기 CVD에 대한 바닥 덮힘률이 대략 40%이기 때문에, 형상 바닥에서의 15Å Ta는 기판의 상부 표면에서의 대응하는 38Å 및 형상의 측벽 상의 3Å을 제공한다. 따라서, 상부 표면 막의 두께는 약 25Å TaN/38Å Ta/25Å TaN/250Å Ta이고, 이런 스택의 컨포멀리티는, 대략 측벽 막 두께의 합(25+3+25+20)을 대략 상부 표면의 막 두께의 합(28+38+28+250)으로 나누어 계산된 바와 같이, 약 21%이다. 이것은 종래의 이온화된 PVD 처리 보다 대략 2 배 더 양호하다.
본 발명의 실시 양태의 제 2 실시예에서, 불소, 예컨대, 오가노실리케이트 글라스(OSG) 또는 SILK®(Dow Chemical Corp)를 유리시키지 않는 유전체가 사용된다. 다시 말하면, TaN은 확산 장벽 재료로서 사용되고, Ta는 금속으로 사용된다. 막 스택은 유전체 기판의 상부 표면 상의 약 38Å Ta/28Å TaN/250Å Ta으로 이루어진다. 탄탈이 플라즈마 여기 CVD에 의해 침착되고, 탄탈 질화물이 열 CVD에 의해 침착되는 경우에, 측벽 막은 약 3Å Ta/25Å TaN/20Å Ta의 상응하는 두께를 가진다. 접촉 촉진 층 기능을 하는 제 1 Ta 층은 약 15Å의 형상 바닥 두께를 가진다.스택의 측벽 단계 덮힘률 및 컨포멀리티는 약 15%이고, 바닥 단계 덮힘률은 약 44%이다. 이런 실시예는 표 3에 더 제공되어 있다.
표 3
재료 측벽덮힘률 측벽 두께(Å) 바닥덮힘률 바닥 두께(Å) 상부 표면두께(Å)
3 PECVD Ta 8% 20 40% 100 250
2 열 TaN 90% 25 90% 25 28
1 PECVD Ta 8% 3 40% 15 38
전체 48 140 316
이전의 실시예와 비교하여, 비플루오르화 유전체 기판으로 인해, 금속 질화물 확산 장벽의 제 1 막은 제거되고, 탄탈 층은 유전체 상에 직접 침착된다. 결과치는 확산 원자를 차단할 금속 질화물 확산 장벽 재료의 약 25Å이고, 확산 장벽층은 터널링 전도를 허용할 만큼 충분히 얇다. 그러나, 비플루오르화 기판이 사용될시에, 금속 또는 확산 장벽 중의 어느 하나는 제 1 라이너 층으로서 증착될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 플루오르화 기판이 사용되지만, 유전체가 다양한 방식으로 처리되어 불소가 내열성 금속과 반응하지 않도록 할 경우에, 내열성 금속은 제 1 라이너 층으로서 증착될 수 있는 것으로 더 이해되어야 한다. 이들 원리는 불소와 다른 반응성 종을 가질 수 있는 유전체에도 동일하게 적용한다.
본 발명의 실시 양태의 다른 실시예에서, 부가적인 장벽/금속 시리즈가 이전의 실시 양태에 첨가된다. 막 스택은 비플루오르화 유전체 기판의 상부 표면 상의 약 38Å Ta/28Å TaN/38Å Ta/28Å TaN/250Å Ta으로 이루어진다. 형상 측벽은 약 3Å Ta/25Å TaN/3Å Ta/25Å TaN/20Å Ta의 상응하는 두께를 가지고, 막 스택의 측벽 단계 덮힘률 및 컨포멀리티는 약 20%이다. 바닥 단계 덮힘률은 약 48%이다. 이런 실시예는 표 4에 더 제공되어 있다. 부가적인 장벽/금속 시리즈는 전체 확산 장벽 재료 와 스택의 컨포멀리티 및 단계 덮힘률을 증가시키면서, 터널링 전류가 통하도록 하는 두께로 개별 장벽 층을 유지한다.
표 4
재료 측벽덮힘률 측벽 두께(Å) 바닥덮힘률 바닥 두께(Å) 상부 표면두께(Å)
5 PECVD Ta 8% 20 40% 100 250
4 열 TaN 90% 25 90% 25 28
3 PECVD Ta 8% 3 40% 15 38
2 열 TaN 90% 25 90% 25 28
1 PECVD Ta 8% 3 40% 15 38
전체 76 180 382
본 발명의 실시 양태의 또 다른 실시예에서, 열 CVD는 금속 질화물 또는 절연 확산 장벽을 증착하는데 사용되는 반면에, 이온화된 PVD는 금속층을 증착하는데 사용된다. 막 스택은 플루오르화 또는 비플루오르화 유전체 기판의 상부 표면 상의약 28Å TaN/200Å Ta로 이루어진다. 형상 측벽은 약 25Å TaN/20Å Ta의 상응하는 두께를 가지고, 막 스택의 측벽 단계 덮힘률 및 컨포멀리티는 약 20%이다. 바닥 단계 덮힘률은 약 64%이다. 이런 실시예는 표 5에 더 제공되어 있다.
표 5
재료 측벽덮힘률 측벽 두께(Å) 바닥덮힘률 바닥 두께(Å) 상부 표면두께(Å)
2 I-PVD Ta 10% 20 60% 120 200
1 열 TaN 90% 25 90% 25 28
전체 45 145 228
여기에 기술되었던 이온화된 PVD, 플라즈마 여기 CVD 및 열 CVD에 대해, 증착 파라미터, 가스 및 소스 전구 물질과, 상술한 층을 증착하는데 사용될 수 있는 타겟 재료 및 구성에 관해 수많은 문헌이 이용 가능하다. 그것은, 본 발명을 실시하기 위해 적당한 증착 파라미터 및 재료을 사용하는 상호 접속 제작 기술 분야의 통상의 숙련자에게 공지되어 있다.
상술한 바에서, 이온화된 PVD, 열 CVD 및 플라즈마 여기 CVD는 교번 금속 및 전기 저항 확산 장벽층을 증착하기 위해 개시되었다. 일반적으로, 금속층을 증착하기 위해, 플라즈마 여기 CVD 또는 이온화된 PVD는 확산 장벽 스택을 최적화하는 두께를 획득하는데 가장 적절하다. 플라즈마 여기 CVD 및 이온화된 PVD 처리는 불량 컨포멀리티를 생성시킨다. 일반적으로, 이들은 약 10% 이하의 측벽 단계 덮힘률을 달성한다. 접촉 촉진 층, 예컨대 탄탈 내부층 기능을 하는 금속층에 대해서는, 두께만 형상 바닥에서 요구된다. 상술한 바와 같이, 금속 내부층은, 여기저기로 터널할 금속 전자 상태가 있도록 2개의 확산 장벽 층간의 바닥 콘택트에서 도전층을 확립하기에 충분히 두껍게 할 필요가 있다. 그 두께는 단층만큼 얇을 수 있으면서,그것은 적어도 2개의 단층일 것 같다. 가장 가능성 있는 것으로는, 형상의 바닥에서의 두께는 약 5-20Å이어야 한다. 금속 내부층의 두께는 형상의 측벽에서는 덜 중대하다. 사실상, 더 많은 구리가 형상에 증착될 수 있도록 측벽의 두께를 최소화하는 것이 바람직하다. 이것은, 금속 내부층을 증착하는 저 단계 덮힘 방법을 이용함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 측벽의 두께는 더욱 얇을 수 있다. 플라즈마 여기 CVD 및 이온화된 PVD는 측벽 두께를 최소화할 수 있는 저 단계 덮힘 방법이다. 말단 금속 층에 대해, 표면 형상의 바닥 및 측벽에서의 두께가 충분히 두껍지 않을 경우, 구리 형태는 불량해질 수 있다. 따라서, 금속 내부층과 대향되듯이, 말단 금속층에 더욱 두꺼운 측벽 덮힘률을 제공하는 것이 바람직하다. 플라즈마 여기 CVD 또는 이온화된 PVD에 사용된 파라미터는 다른 층보다 더 두껍거나 더 얇은 측벽 덮힘률을 제공하도록 말단 층에 대해 조절될 수 있다. 예를 들면, 단일 CVD 챔버(chamber)가 라이너 층의 모두를 도포하기 위해 사용되는 경우, 플라즈마 밀도는 측벽 상에 다소의 금속을 증착하도록 변경될 수 있거나, 웨이퍼 비어는 측벽 덮힘률을 증가시키도록 다소의 방향성(directionality)을 제공하도록 변경될 수 있다.
전기 저항 확산 장벽 층을 증착하는 것에 대해, 이온화된 PVD, 열 CVD 또는 플라즈마 여기 CVD의 어느 하나가 사용될 수 있다. 그러나, 이런 장벽 층에 대해, 고 컨포멀리티가 웨이퍼 형태에 걸친 평탄한 확산 장벽 특성 및 작은 상부 표면 두께를 보장하는데 더욱 바람직할 수 있다. 열 CVD는 100%까지의 컨포멀리티를 가질 수 있다. 이온화된 PVD 및 플라즈마 여기 CVD는 형상 측벽보다는 형상 바닥으로 더 많은 입자를 지향시키며, 통상적으로 형상에 인접한 최상부 표면 상에서 매우 큰두께가 이루어진다. 그래서, 3개의 방법 중 어느 하나가 사용될 수 있지만, 열 CVD는 결과적으로 확산 베이스 저하(diffusion based degradation)에 대해 전체 구조물을 더욱 강하게 하는 고 컨포멀리티의 확산 장벽 층을 생성시킨다.
확산 장벽 스택이 증착되는 유전체에 대해, 집적 회로 제조 기술 분야에 잘 알려져 있는 예시적인 유전체는, 실리콘 산화물, 플루오르화 실리콘 산화물, 다공질 실리콘 산화물 및 탄소-도핑 실리콘 산화물과 같은 산화물; 오가노실리케이트 글라스(OSG); SILK®또는 FLARE®(AlliedSignal Inc.)와 같은 스핀-온(spin-on) 글라스; 제로겔, 에어로겔, 메틸실세스퀴옥산(MSQ) 및 수소 실세스퀴옥산(HSQ)와 같은 중합체; 및 플루오르화 비정질 탄소(CFx)를 포함한다. 공지되어 있는 바와 같이, 에어로겔 및 제로겔은 저 유전 상수를 가진 다공질 중합체의 클라스이고, CFx는 대략 4 원자 퍼센트 불소를 함유한 비정질 탄소이다. 유전체는, 통상적으로 집적 회로의 제조에 사용되는 어느 보통의 기판일 수 있는 기판 상에 성장되거나 증착되며, 실리콘, 비소화 갈륨 또는 테트라에틸오소실리케이트(TEOS)를 포함한다.
본 발명을 실시할 시에, 교번 금속 및 금속 질화물 층의 수와, 각 층의 두께는 궁극적으로 전체 구조물에 원하는 특성에 의해 결정된다. 먼저, 유전체 상의 제 1 층이 무엇인가를 결정한다. 기판이 플루오르화되어 인터페이스에서 부산물 형성을 방지하는 경우와 같이, 불소 또는 다른 이동 반응성 종이 순 금속과의 반응에 이용 가능한 경우에, 유전체 상에 증착된 제 1 층은, 절연 실리콘 질화물 또는 내열성 금속 질화물과 같은 확산 장벽이어야 한다. 유전체가 비플루오르화되는 경우와 같이, 유전체가 금속에 부산물을 형성할 수 있는 불소를 함유하지 않는 경우나, 또는 플루오르화 유전체가 비반응하게 하는 어떤 방법에 의해 처리된 경우, 제 1 라이너 층은 금속 또는 확산 장벽 중의 어느 하나일 수 있다. 제 1 층이 결정되면, 모든 개별 장벽 층의 합(sum)인 전체 장벽의 두께는 전체 구조물에 대한 원하는 확산 장벽 특성에 따라 결정된다. 결과적으로 접촉 저항이 원하는 것보다 더 클 경우, 충분량의 전류가 그 층을 통과하도록 하는 단일 장벽 층에 대한 최대 두께가 얼마인 지가 결정된다. 그 후, 전체 장벽 두께는 그 최대 두께 이하인 두께의 개별 층으로 분할되지만, 많은 층은 본질적으로 각 층에 평탄한 두께를 제공할 수 있다. 그 후, 이들 장벽 층에는, 터널링이 선택된 장벽 두께를 위한 유효 도전 메카니즘일 경우에, 장벽 층 여기저기로 터널링을 가능하게 하는 개재(intervening) 금속층이 제공된다. 금속 내부층의 두께는, 인접한 확산 장벽층에 대한 접촉 촉진층 기능을 하는 금속의 형상 바닥에서의 요구된 두께를 식별하여 결정된다. 일반적으로, 금속이 금속 질화물보다 더 평활한 구리 덧층(overlayer)을 고려하는 것으로 발견되었지만, 라이너 스택의 말단 층은 금속 또는 금속 질화물의 어느 하나일 수 있다. 여하튼, 말단 층의 두께는, 상호 접속 금속 안정화 층 기능을 하는 말단 층에 충분한 형상의 측벽에서의 요구된 두께를 식별하여 결정된다. 라이너 스택에 대한 증착 시퀀스 및 각 층에 대한 두께를 식별하면, 라이너 스택 또는 확산 장벽 스택은 상호 접속 구조물의 최적 라이너로서 유전체와 일체로 형성된다. 전체 구조물은 양호한 전기 특성을 가지며, 확산 베이스 저하에 대해 강하다.
상술한 것은 탄탈 및 탄탈 질화물에 관련된 실시예를 포함하지만, 본 발명은 확산 장벽 두께가 구조물의 접촉 저항을 지배하는(dominate) 모든 구조물에 적용 가능하다. 구조물에 필요한 전체 확산 장벽의 두께를 취하여, 장벽을 개재 금속으로 분리된 더욱 얇은 개별 층으로 분할하고, 적당한 증착 기술을 이용함으로써, 우수한 전체 구조물이 획득 가능하다. 따라서, 본 발명은, Ti/TiN 또는 W/WN과 같은 다른 내열성 금속/내열성 금속 질화물 라이너 및, Si3N5와 같은 비도전 장벽층에 적용 가능하다. Ta/TaN 시스템에 대해 상세히 기술되었지만, 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명을 다른 동이한 시스템에 적용할 수 있다. 더욱이, 구리 배선이 주로 현행 디바이스에 사용되지만, 본 발명은 공지되어 개발된 모든 상호 접속 디바이스에 적용한다.
본 발명이 실시 양태로 설명되었고, 실시 양태가 상당히 상세하게 기술되었지만, 첨부한 청구 범위의 범주를 이러한 상세로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 부가적인 이점 및 수정은 본 기술 분야의 숙련자에게는 명백해질 것이다. 그래서, 본 발명은 광위적인 양상에서 도시되고 설명된 특정 상세 사항, 대표적인 장치 및 방법과 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 발명의 개념의 범주 또는 정신으로부터 벗어나지 않고 이러한 상세 사항으로부터 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (64)

  1. 상호 접속 구조물에 사용하기 위한 유전체와 일체의 확산 장벽 스택을 형성하는 방법에 있어서,
    상부 표면 및, 적어도 측벽 및 바닥을 포함하는 하나 이상의 리세스된 표면 형상을 포함하는 토포그래피를 가진 유전체를 제공하는 단계 및,
    유전체 토포그래피 상에 금속 및 전기 저항 확산 장벽의 교번 층의 하나 이상의 시리즈를 증착하는 단계를 포함하는데,
    금속 말단 층과 다른 교번 금속 층은 제각기 인접한 확산 장벽 층에 대한 접촉 촉진 층 기능을 하기에 충분한 형상 바닥에서의 두께를 가지며,
    교번 확산 장벽 층은 제각기 층을 통한 전류의 통과를 실질적으로 제한하는 두께보다 작은 두께 및, 인접한 금속 층, 유전체 토포그래피 또는 연속 도포된 상호 접속 층으로부터의 확산 원자의 통과를 차단하기에 충분한 교번 확산 장벽층을 합한 전체 두께를 가지는, 확산 장벽 스택 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류의 통과는 터널링에 의해 지원되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    라이너 스택의 말단 층은 상호 접속 안정화 층 기능을 하기에 충분한 형상 측벽에서의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 층은 플라즈마 여기 화학적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 층은 이온화된 물리적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 장벽 층은 열 화학적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 내열성 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 내열성 금속 질화물은 탄탈 질화물, 텅스텐 질화물 또는 티탄 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 내열성 금속 질화물은 탄탈 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 절연 재료인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 절연 재료는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 탄탈, 텅스텐 및 티탄의 그룹으로부터 선택된 내열성 금속인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 탄탈인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    금속 말단 층과 다른 교번 금속 층은 제각기 약 5-20Å의 형상 바닥에서의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체는 플루오르화되고, 상기 유전체 상의 제 1 층은 금속 질화물 확산 장벽인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    라이너 스택의 말단 층은 금속 말단 층인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 말단 층은 적어도 약 20Å의 형상 측벽에서의 두께를 가진 탄탈인 것을특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 TaN이고, 상기 형상 측벽에서의 교번 확산 장벽 층의 합의 두께는 약 5Å 내지 약 20Å인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 TaN이고, 상기 형상 측벽에서의 각 교번 확산 장벽 층의 두께는 약 25Å 이하인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  21. 구리 상호 접속에 사용하기 위한 유전체와 일체의 확산 장벽 스택을 형성하는 방법에 있어서,
    상부 표면 및, 적어도 측벽 및 바닥을 포함하는 하나 이상의 리세스된 표면 형상을 포함하는 토포그래피를 가진 유전체를 제공하는 단계 및,
    유전체 토포그래피 상에 금속 및 전기 저항 확산 장벽의 교번 층의 하나 이상의 시리즈를 증착하는 단계를 포함하는데,
    상기 유전체 상의 제 1 층은 상기 유전체가 이동 반응성 종을 함유할 경우에는 확산 장벽이고,
    라이너 스택의 말단 층은 구리 안정화 층 기능을 하기에 충분한 형상 측벽에서의 두께를 가진 내열성 금속이며,
    상기 말단 층과 다른 교번 금속 층은 제각기 인접한 확산 장벽 층에 대한 접촉 촉진 층 기능을 하기에 충분한 형상 바닥에서의 두께를 가지고,
    교번 확산 장벽 층은 제각기 층을 통한 전류의 통과를 실질적으로 제한하는 두께보다 작은 두께 및, 인접한 금속 층, 유전체 토포그래피 또는 연속 도포된 구리 층으로부터의 확산 원자의 통과를 차단하기에 충분한 교번 확산 장벽 층을 합한 전체 두께를 가지는, 확산 장벽 스택 형성 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전류의 통과는 터널링에 의해 지원되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속 층은 플라즈마 여기 화학적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속 층은 이온화된 물리적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 확산 장벽 층은 열 화학적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 내열성 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 내열성 금속 질화물은 탄탈 질화물, 텅스텐 질화물 또는 티탄 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 내열성 금속 질화물은 탄탈 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  30. 제 21 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 절연 재료인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 절연 재료는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  32. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속은 탄탈, 텅스텐 및 티탄의 그룹으로부터 선택된 내열성 금속인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  33. 제 21 항에 있어서,
    상기 금속은 탄탈인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    말단 층과 다른 교번 금속 층은 제각기 약 5-20Å의 형상 바닥에서의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  35. 제 21 항에 있어서,
    상기 말단 층은 적어도 약 20Å의 형상 측벽에서의 두께를 가진 탄탈인 것을특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  36. 제 21 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 TaN이고, 상기 형상 측벽에서의 교번 확산 장벽 층의 합의 두께는 약 5Å 내지 약 50Å인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  37. 제 21 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 TaN이고, 상기 형상 측벽에서의 각 교번 확산 장벽 층의 두께는 약 25Å 이하인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  38. 구리 상호 접속에 사용하기 위한 유전체와 일체의 확산 장벽 스택을 형성하는 방법에 있어서,
    상부 표면 및, 적어도 측벽 및 바닥을 포함하는 하나 이상의 리세스된 표면 형상을 포함하는 토포그래피를 가진 유전체를 제공하는 단계 및,
    유전체 토포그래피 상에 탄탈 및 탄탈 질화물 저항 확산 장벽의 교번 층의 시리즈를 증착하는 단계를 포함하는데,
    상기 유전체 상의 제 1 층은 상기 유전체가 이동 반응성 종을 함유할 경우에는 탄탈 질화물이고,
    라이너 스택의 말단 층은 구리 안정화 층 기능을 하기에 충분한 형상 측벽에서의 두께를 가진 탄탈이며,
    상기 말단 층과 다른 교번 탄탈 층은 제각기 인접한 확산 장벽 층에 대한 접촉 촉진 층 기능을 하기에 충분한 형상 바닥에서의 두께를 가지고,
    교번 탄탈 질화물 확산 장벽 층은 제각기 층을 통한 전류의 통과를 실질적으로 제한하는 두께보다 작은 두께 및, 인접한 탄탈 층, 유전체 토포그래피 또는 연속 도포된 구리 층으로부터의 확산 원자의 통과를 차단하기에 충분한 교번 확산 장벽 층을 합한 전체 두께를 가지는, 확산 장벽 스택 형성 방법.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 전류의 통과는 터널링에 의해 지원되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 탄탈 층은 플라즈마 여기 화학적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  41. 제 38 항에 있어서,
    상기 탄탈 층은 이온화된 물리적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  42. 제 38 항에 있어서,
    상기 탄탈 질화물 층은 열 화학적 기상 성장법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  43. 제 38 항에 있어서,
    말단 층과 다른 교번 탄탈 층은 제각기 약 5-20Å의 형상 바닥에서의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  44. 제 38 항에 있어서,
    상기 말단 층은 적어도 약 20Å의 형상 측벽에서의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  45. 제 38 항에 있어서,
    상기 형상 측벽에서의 교번 확산 장벽 층의 합의 두께는 약 5Å 내지 약 50Å이고, 상기 형상 측벽에서의 각 교번 확산 장벽 층의 두께는 약 25Å 이하인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택 형성 방법.
  46. 상호 접속 구조물에 사용하기 위한 유전체와 일체의 확산 장벽 스택에 있어서,
    상부 표면 및, 적어도 측벽 및 바닥을 포함하는 하나 이상의 리세스된 표면 형상을 포함하는 토포그래피를 가진 유전체 및,
    유전체 토포그래피 상의 금속 및 전기 저항 확산 장벽의 교번 층의 하나 이상의 시리즈를 포함하는데,
    라이너 스택의 말단 층은 구리 안정화 층 기능을 하기에 충분한 형상 측벽에서의 두께를 가지고,
    금속 말단 층과 다른 교번 금속 층은 제각기 인접한 확산 장벽 층에 대한 접촉 촉진 층 기능을 하기에 충분한 형상 바닥에서의 두께를 가지며,
    교번 확산 장벽 층은 제각기 층을 통한 전류의 통과를 실질적으로 제한하는 두께보다 작은 두께 및, 인접한 금속 층, 유전체 토포그래피 또는 연속 도포된 상호 접속 층으로부터의 확산 원자의 통과를 차단하기에 충분한 교번 확산 장벽 층을 합한 전체 두께를 가지는, 확산 장벽 스택.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  48. 제 46 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 내열성 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 내열성 금속 질화물은 탄탈 질화물, 텅스텐 질화물 또는 티탄 질화물인것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  50. 제 48 항에 있어서,
    상기 내열성 금속 질화물은 탄탈 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  51. 제 46 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 절연 재료인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 절연 재료는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  53. 제 46 항에 있어서,
    상기 금속은 탄탈, 텅스텐 및 티탄의 그룹으로부터 선택된 내열성 금속인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  54. 제 46 항에 있어서,
    상기 금속은 탄탈인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  55. 제 54 항에 있어서,
    내열성 금속 말단 층과 다른 교번 금속 층은 제각기 약 5-20Å의 형상 바닥에서의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  56. 제 46 항에 있어서,
    상기 유전체는 플루오르화되고, 상기 유전체 상의 제 1 층은 금속 질화물 확산 장벽인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  57. 제 46 항에 있어서,
    라이너 스택의 말단 층은 금속 말단 층인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  58. 제 46 항에 있어서,
    상기 말단 층은 적어도 약 20Å의 형상 측벽에서의 두께를 가진 탄탈인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  59. 제 46 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 TaN이고, 상기 형상 측벽에서의 교번 확산 장벽 층의 합의 두께는 약 5Å 내지 약 50Å인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  60. 제 46 항에 있어서,
    상기 확산 장벽은 TaN이고, 상기 형상 측벽에서의 각 교번 확산 장벽 층의 두께는 약 25Å 이하인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  61. 구리 상호 접속에 사용하기 위한 유전체와 일체의 확산 장벽 스택에 있어서,
    상부 표면 및, 적어도 측벽 및 바닥을 포함하는 하나 이상의 리세스된 표면 형상을 포함하는 토포그래피를 가진 유전체 및,
    유전체 토포그래피 상의 탄탈 및 탄탈 질화물 저항 확산 장벽의 교번 층의 시리즈를 포함하는데,
    상기 유전체 상의 제 1 층은 상기 유전체가 이동 반응성 종을 함유할 경우에는 탄탈 질화물이고,
    라이너 스택의 말단 층은 구리 안정화 층 기능을 하기에 충분한 형상 측벽에서의 두께를 가진 탄탈이며,
    상기 말단 층과 다른 교번 탄탈 층은 제각기 인접한 확산 장벽 층에 대한 접촉 촉진 층 기능을 하기에 충분한 형상 바닥에서의 두께를 가지고,
    교번 탄탈 질화물 확산 장벽 층은 제각기 층을 통한 전류의 통과를 실질적으로 제한하는 두께보다 작은 두께 및, 인접한 탄탈 층, 유전체 토포그래피 또는 연속 도포된 구리 층으로부터의 확산 원자의 통과를 차단하기에 충분한 교번 확산 장벽 층을 합한 전체 두께를 가지는, 확산 장벽 스택.
  62. 제 61 항에 있어서,
    말단 층과 다른 교번 탄탈 층은 제각기 약 5-20Å의 형상 바닥에서의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  63. 제 61 항에 있어서,
    상기 말단 층은 적어도 약 20Å의 형상 측벽에서의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
  64. 제 61 항에 있어서,
    상기 형상 측벽에서의 교번 확산 장벽 층의 합의 두께는 약 5Å 내지 약 50Å이고, 상기 형상 측벽에서의 각 교번 확산 장벽 층의 두께는 약 25Å 이하인 것을 특징으로 하는 확산 장벽 스택.
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