(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燐ドープ層を形成する方法であって：
試料の上側表面を平坦化して、複数の銅の伝導性パスと複数の誘電領域を有する実質的に平坦な表面を形成する工程；
ガスクラスタイオンビームシステムを用いて前記試料の上側表面及び該上側表面の下に燐のドーパントを注入することで、前記複数の銅の伝導性パスと前記複数の誘電領域内において前記上側表面から該上側表面の直下の50乃至200Åの深さに燐ドープ層を形成する工程であって、前記燐ドープ層内での燐のドーパントの存在は、前記複数の誘電領域での金属汚染物のゲッタリング及び前記複数の銅の伝導性パスでのエレクトロマイグレーションの抑制に有効である、工程；及び、
前記燐ドープ層全体にわたってバリア層を形成することで、前記複数の銅の伝導性パスと前記複数の誘電領域内に形成される前記燐ドープ層からの物質の移行を抑制する工程；
を有する方法。
【請求項２】
前記の試料の上側表面に燐を注入する前に行われる前処理工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記燐ドープ層は0.1〜10原子%の燐のドーパントを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記実質的に平坦な表面は化学機械研磨法又は電解研磨法によって平坦化される、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
ホスフィン及び非液化ガスを有する燐ソースは、前記試料の上側表面に燐を注入するのに用いられる、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記非液化ガスは、ヘリウム、ネオン、及び水素からなる群から選ばれる、請求項5に記載の方法。
【請求項７】
アルゴン、窒素、二酸化炭素、及び酸素からなる群から選ばれる第2非液化ガスをさらに有する、請求項5に記載の方法。
【請求項８】
前記バリア層は、シリコン窒化物、シリコンカーバイド、窒素ドープシリコンカーバイド、窒化ボロンカーバイド、及び窒化ボロンからなる群から選ばれる、請求項1に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、半導体集積回路用のデュアルダマシン集積構造を改善する方法及び処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業は、スケーリング則を用いることで、さらにより費用対効果の良いチップを市場に供給するという点において大きな成功を収めてきた。しかしスケーリング則がデバイス又はフロントエンドの半導体プロセスにおいて十分有効な一方で、デバイス配線はスケーリング則に合わせて修正することはできず、その結果相互接続抵抗及び/又はキャパシタンスが劣化する。この問題を解決するため、半導体産業は低抵抗の導体-たとえば銅(Cu)-の使用に移行し、かつダマシン相互接続構造におけるキャパシタンスを減少させるためにlow-k（k=誘電率）絶縁体を導入している。超low-k範囲(k<2.5)の新たに開発された絶縁体は一般に、大量の空孔率（たとえば30%-50%）によって特徴付けられる。これらの材料は極端に破壊しやすく、かつ集積するのが難しい。その理由はこれらの材料は他のソースからの汚染物の影響を受けやすいからである。
【０００３】
デュアルダマシン(DD)構造では、1回の金属堆積工程が、Cu金属ラインとビアを同意に形成するのに用いられる。Cu金属ライン及びビアは、誘電膜内又は基板内の凹部を有する構造-たとえば溝又は他の相互接続構造-を充填することによって形成される。充填後、凹部を有する構造の外側に堆積された余剰Cu金属は、化学機械研磨(CMP)法によって除去されることで、金属の相互接続埋め込み体を有する平坦な構造が形成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は概して、半導体集積回路用のデュアルダマシン集積構造を改善する方法及び処理システムに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第1態様によると、伝導性パス内でのエレクトロマイグレーションの抑制及び試料の誘電領域での汚染物のゲッタリングを行う方法は、試料の上側表面を平坦化して、複数の伝導性パスと複数の誘電領域を有する実質的に平坦な表面を形成する工程、
前記試料の上側表面を燐ソースに曝露することで、前記複数の伝導性パスと前記複数の誘電領域内に燐ドープ層を形成する工程、及び、
前記燐ドープ層全体にわたってバリア層を形成する工程、を有する。
【０００６】
本発明の第2態様によると、燐ドープ層を形成する方法は、
試料の上側表面を平坦化して、複数の伝導性パスと複数の誘電領域を有する実質的に平坦な表面を形成する工程、
前記試料の上側表面に燐を注入することで、前記複数の伝導性パスと前記複数の誘電領域内に燐ドープ層を形成する工程、及び、
前記燐ドープ層全体にわたってバリア層を形成する工程、を有する。
【０００７】
本発明の他の有利な態様は、以降の詳細な説明によって明らかにされている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】GCIB処理装置の概略図である。
【図２Ａ】凹部を有する部位内に形成された伝導性パスを表す、平坦化された試料の断面図である。
【図２Ｂ】試料の平坦面を処理して燐ドープ層を形成した後における図2Aの試料を図示している。
【図２Ｃ】燐層全体にわたってバリア層を形成した後における図2Bの試料を図示している。
【図３】燐ソースによって試料の実質的に平坦な表面を修飾する方法に係る一の実施例を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、添付図面に記載された図への限定ではない例示によって説明される。
【００１０】
銅及び誘電体部位を有するデバイス、特に平坦化プロセスによって曝露される伝導性パス及び該伝導性パス間に位置する誘電体領域を有するデバイス、の信頼性を改善することは一般的に必要なことである。デバイスの信頼性を改善する一の方法は、伝導性パス間に存在しうる金属不純物をゲッタリングすることである。その結果、ライン間での故障及び電気漏れ性能の限界が改善される。金属不純物は、表面を燐含有ソースに曝露させることによって、伝導性パス-たとえば銅のライン-間でゲッタリングされて良い。ゲッタリングを行うのに用いられる方法はたとえば、燐(P)含有ガスすなわち蒸気の分圧に表面を曝露しながら行われる熱処理、プラズマ処理、直接的に若しくは上に設けた層を介した表面へのイオン注入、及び/又はガスクラスタイオンビーム(GCIB)を用いた注入(infusion)処理である。それに加えて信頼性は、Pを伝導性パスへ注入して伝導電子と拡散金属原子との間での運動量のやり取りによって生じる伝導性材料の移動を最小限に抑制して、伝導性パスのエレクトロマイグレーションを減少させることによって改善することができる。
【００１１】
平坦化プロセスによって曝露される伝導性パス及び該伝導性パス間の誘電領域と燐ドープ層を一体化することで、エレクトロマイグレーションが減少し、かつライン間での故障及び電気漏れ性能の限界が改善される。その結果、たとえばデバイス又は回路特性のような出力パラメータが改善される。
【００１２】
図1を参照すると、GCIB処理装置100は、3つの相互にやり取り可能なチャンバに分割された真空容器102、ソースチャンバ104、電離/加速チャンバ106、及び処理チャンバ108を有する。前記チャンバは、それぞれ真空排気システム146a、146b、及び146cによって適切な動作圧力にまで排気される。ガス貯蔵シリンダ111内に貯蔵される液化可能なソースガス112（たとえばアルゴン及びN2）は、加圧下で、ガスを計量して供給するバルブ113及びガス供給管114を介して停滞チャンバ116へ収容され、かつ適切な形状のノズル110を介して実質的に低圧である真空へ引き込まれる。その結果超音速ガスジェット118が生成される。液化可能なソースガス112は、1気圧で30Kよりも高い温度で液化するガスである。その一方で非液化可能なソースガスは、1気圧で30K以下の温度で液化するガスである。適切な液化可能なソースガス112には、ホスフィン、アルゴン、窒素、二酸化炭素、酸素、及び他のガス、並びにこれらの混合ガスが含まれるが、これらに限定されるわけではない。適切な非液化可能なソースガスには、ヘリウム、ネオン、水素、及びこれらの混合ガスが含まれるがこれらに限定されるわけではない。
【００１３】
ジェットが広がることで生じる冷却は、そのガスジェット118の一部をクラスタに凝集させる。各クラスタは数個〜数千個の弱く結合した原子又は分子を有する。ガススキマー開口部120は、高圧となることが有害である下流領域（たとえば電離化装置122、高電圧電極126、及び処理チャンバ108）での圧力を最小限に抑制するように、クラスタジェットへ凝集しなかったガス分子をそのクラスタジェットから部分的に分離する。
【００１４】
ガスクラスタを有する超音速ガスジェット118が生成された後、そのクラスタは電離化装置122内で電離する。電離化装置122は典型的には電子衝突電離化装置である。電子衝突電離化装置は、1つ以上の白熱フィラメント124から熱電子を生成し、かつその電子を加速及び案内して、その電子とガスジェット118中のガスクラスタとを、そのジェットが電離化装置122を通過する場所で衝突させる。電子衝突はクラスタから電子を引き出すことで、そのクラスタの一部は正に帯電するようになる。クラスタの中には2つ以上の電子を排出して多価正イオンとなるものもありうる。1組の適切に印加された高電圧電極126は、電離化装置からクラスタイオンを引き出してビームを生成し、その後そのクラスタイオンを、（典型的には数百V〜数十kVの加速電圧を有する）所望のエネルギーにまで加速して、かつそのクラスタイオンを集束させてGCIB128を生成する。フィラメント電源136はフィラメント電圧VFを供することで電離化装置のフィラメント124を加熱する。アノード電源134はアノード電圧VAを供することで、フィラメント124から放出される熱電子を加速して、ガスジェット118を含むクラスタにその熱電子を照射することでイオンを生成する。引き出し電源138は引き出し電圧VEを高電圧電極に印加することで、電離化装置122の電離領域からイオンを引き出してGCIB128を生成する。加速電源140は加速電圧VACCを、全GCIB加速電圧がVACCに等しくなるように、電離化装置122の高電圧電極に印加する。1つ以上のレンズ電源（たとえば142及び144）は、GCIB128を集束させる集束電圧（たとえばVL1及びVL2）を高電圧電極に印加するように供されて良い。
【００１５】
試料152-これは半導体ウエハ又はGCIB処理によって処理可能な他の試料であって良い-が試料ホルダ152上に保持されている。試料ホルダ152はGCIB128の経路内に設けられて良い。大抵の用途は、大きな試料を空間的に均一な結果となるように処理することを想定しているので、走査システムは、大面積にわたって均一にGCIB128を走査させることで、空間的に一様な結果を得ることが望ましい。
【００１６】
GCIB128は、静的であり、かつGCIB軸129を有する。試料152は、GCIB128を介して機械的に走査されることで、試料152の表面全体にわたってGCIB128の効果が分配される。
【００１７】
Xスキャンアクチュエータ202は、Xスキャン運動の方向208（紙面に対して出入りする方向）での試料ホルダ150の直線運動を供する。Yスキャンアクチュエータ204は、一般的にはXスキャン運動の方向208と直交するYスキャン運動の方向210での試料ホルダ150の直線運動を供する。Xスキャン運動とYスキャン運動とを組み合わせることで、試料ホルダ150によって保持された試料152は、GCIB128を通り抜けるようにラスタ状に走査運動することで、GCIB128によって試料152の表面が均一に（さもなければ計画されたように）照射されことで、試料152が処理される。試料ホルダ150は、GCIB128に対してある角度をなすように試料152を設ける。それによりGCIB128は試料152の表面に対してビーム入射角206を有する。ビーム入射角206は任意の適切な角度であって良いが、一般的には90°付近である。Yスキャン中、試料152及び試料ホルダ150は、図示された位置から、それぞれ参照符号152A及び150Aによって示された別の位置”A”へ移動する。2つの位置の間での移動の際、試料152はGCIB128を通り抜けるように走査され、かつ2つの端点では、GCIB128の経路から完全に外れるように動く（オーバースキャンされる）。図1で明示的に図示されていないが、同様の走査及びオーバースキャンが、直交するXスキャンの運動方向208（紙面に対して出入りする方向）でも行われる。
【００１８】
試料ホルダ150がGCIB128の経路を外れて走査されるときにGCIB128のサンプリングを中断するように、ビーム電流センサ218が、GCIB128の経路中であって試料ホルダ150の下方に設けられている。ビーム電流センサ218は典型的にはファラデーカップなどのような、ビーム入射開口部以外は閉じているものであり、かつ絶縁マウント212を有する真空容器102の壁に取り付けられている。
【００１９】
制御装置220-これはマイクロコンピュータベースの制御装置であって良い-は、電気ケーブル216を介してXスキャンアクチュエータ202及びYスキャンアクチュエータ204と接続することで、Xスキャンアクチュエータ202及びYスキャンアクチュエータ204を制御する。係る制御は、試料152をGCIB128に当たるように又は外れるように設けられ、かつGCIB128に対して試料152を均一に走査することで、GCIB128による試料152の所望の処理が実現されるように行われる。制御装置220は、リード線214を介してビーム電流センサ218によって収集されたサンプリングされたビーム電流を受けて、GCIBを監視し、かつ所定の所望照射量が供給されたときにはGCIB128から試料152を取り外すことによって試料152が受けるGCIBの照射量を制御する。
【００２０】
図2A及び代表的な実施例を参照すると、凹部を有する部位内に形成された伝導性パスを表す、平坦化された上側表面230を有する試料152の断面が図示されている。平坦化プロセスは、上側表面230を平坦化して、均一な表面を生成する一方で、後続のリソグラフィ工程の光学解像度を改善する。平坦化プロセスは、誘電領域235の上部の存在を検出することによって中断されて良い。ビアとして知られている複数の相互接続穴をエッチングによって形成し、それに続いて試料152、プリメタル誘電体(PMD)、又は層間誘電膜(ILD)にエッチングによって溝を形成することによるダマシンプロセス又はデュアルダマシンプロセスから、伝導性パス225は形成されて良い。試料152は、シリコン、ゲルマニウム(Ge)、又はガリウム砒素(GaAs)やインジウムアンチモン(InSb)のようなIII-V半導体を有して良い。試料152の上部層は、エピタキシャル層、単結晶基板、又はシリコン・オン・インシュレータ(SOI)層から形成されて良い。
【００２１】
1以上のエッチングプロセスによって形成される一連の相互接続用の穴及び溝は凹部を有する部位と指称されて良い。凹部を有する部位は、凹部を有する部位には、電解メッキ法又は物理気相成長(PVD)法を用いることによって、たとえば銅(Cu)のような金属が充填される。続いてこの金属が充填された凹部を有する部位は、たとえば化学機械研磨(CMP)、電解研磨、又は、試料152、PMD、及び/若しくはILDの誘電部分、並びに伝導性パス225を曝露するイオンミリングのような方法を用いることによって平坦化される。
【００２２】
伝導性パス225は、伝導性パス225と誘電領域235との間での材料の移動量を制限するバリア材料で覆われて良い。バリア材料232は、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、タングステン、及び/又は窒化タングステンの1層以上の層で形成されて良い。バリア材料は、物理気相成長(PVD)法、原子層堆積(ALD)法、化学気相成長(CVD)法、プラズマ化学気相成長(PECVD)法、熱堆積法、及び蒸着を含む層形成方法を用いて形成されて良い。
【００２３】
図2Bは、試料152の平坦化された上側表面を処理して燐ドープ層240を形成した後における図2Aの試料152を図示している。燐ソース245は、分子状態若しくはイオン化した状態のガスを有する燐含有ガス、原子状態若しくはイオン化した状態のイオン流、又は、数百若しくは数千のP原子若しくはP含有分子を有するイオン化したガスクラスタ流の分圧であって良い。燐(P)は、平坦化された上側表面230との反応及び/又は試料152への拡散を起こして良い。あるいはPは上側表面230へ注入されて良い。燐ソース245は、熱処理システム、プラズマ処理システム、イオン注入システム、及びガスクラスタビームシステムからなる群から選ばれるシステムによって、約5×1012原子/cm2〜約1×1014原子/cm2の照射量だけ供給されて良い。平坦化された上側表面230は、0.1〜10原子%の燐を含む燐ドープ層を形成するようにドープされて良い。
【００２４】
本発明の一の実施例では、PはPドープ層を形成するように注入される。係る注入は、平坦化された上側表面230から下100〜500Åの深さでPの濃度がピークとなるように行われる。試料152は、イオン注入プロセスによって生じた損傷を軽減するため、当業者に知られた方法を用いることによってアニーリングされて良い。
【００２５】
本発明の好適実施例では、GCIBはPを注入するのに用いられる。それにより燐ドープ層240についての深さが50〜200Åとなる。追加の実施例では、GCIBは、最大約300Åの深さまでPを注入するのに用いられる。
【００２６】
燐ソース245はホスフィン(PH3)のような単一種を有して良い。あるいは燐ソース245は、ホスフィンと非液化可能のガス-たとえばヘリウム、ネオン、及び/又は水素-のソースを含む複数種を有しても良い。
【００２７】
図2Cは、燐ドープ層240全体にわたってバリア層250を形成した後における図2Bの試料152を図示している。バリア層250はバリアソース255から形成されて良い。バリア層250は、当業者によって知られた方法を用いることによって、燐ドープ層上のコンフォーマル層として堆積されて良い。ここで当業者によって知られた方法とはたとえば、化学気相成長(CVD)法、プラズマ化学気相成長(PECVD)法、高密度プラズマ化学気相成長(HDPCVD)法、原子層堆積(ALD)法、及び物理気相成長(PVD)法である。バリアソース255は、たとえばシリコン窒化物のような誘電材料又は1種類以上のバリア層材料-たとえばシリコンカーバイド、窒素ドープシリコンカーバイド、窒化ボロンカーバイド、及び窒化ボロン-を有して良い。
【００２８】
図3は、燐ソース245によって試料152の平坦化された上側表面230を修飾する方法に係る一の実施例を表すフローチャートである。300では、試料152は、伝導性パス225及び誘電領域235を有する実質的に平坦な表面が形成されるように平坦化される。310では、平坦化された上側表面230は、該平坦化された上側表面230からの汚染物を減少又は抑制するように前処理される。一例では、前処理は、平坦化された上側表面230上に吸着する残留粒子及び材料を除去する湿式化学エッチング洗浄プロセスであって良い。湿式化学エッチング洗浄プロセスは、蒸留水、ベンゾトリアジン、及び硝酸を有するCMP後洗浄化学物質、又は、たとえばATMIが製造するESC-700シリーズのような特にCMP後洗浄用の溶液を用いて良い。他の例では、前処理は、GCIB装置によって実行されることで平坦化された上側表面230を処理する、すなわち平坦化された上側表面230から材料の一部を除去する注入エッチング工程であって良い。他の例では、前処理は、PVD装置によって実行されることで平坦化された上側表面230を処理する、すなわち平坦化された上側表面230から材料の一部を除去するスパッタ工程であって良い。本実施例は前処理を有しているが、310は任意である。320では、平坦化された上側表面230が、燐ドープ層240が形成されるように燐ソース245によって処理されることで、誘電領域235内の金属汚染物がゲッタリングされ、かつ伝導性パス225内でのエレクトロマイグレーションが抑制される。330では、たとえばシリコン窒化物、シリコンカーバイド、窒素ドープシリコンカーバイド、ボロン炭素窒化物、及び窒化ボロンのようなバリア材料を有するバリア層が、燐ドープ層全体にわたって形成される。
【図１】
0005539883.tif 000002
【図２Ａ】
0005539883.tif 000003
【図２Ｂ】
0005539883.tif 000004
【図２Ｃ】
0005539883.tif 000005
【図３】
0005539883.tif 000006