(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択された集積回路（ＩＣ）表面にＣｕを堆積する方法であって、該選択されたＣｕ受容表面は、該ＩＣの選択された領域に堆積された拡散バリアー材料の表面上に存在し、
ａ）該選択されたＣｕ受容表面のそれぞれを反応性酸素種に曝すステップと、
ｂ）ステップａ）の酸素への曝露に反応して該拡散バリアー材料表面の薄い層を酸化させるステップと、
ｃ）ステップｂ）で形成された酸化層が３０Åを超える前に該拡散バリアー材料の酸素への曝露を停止するステップと、
ｄ）該ステップｃ）に続いて、前記ステップｂ）で酸化された前記拡散バリアー材料表面にＣＶＤによりＣｕを堆積させるステップとを包含し、このことにより、該拡散バリアー材料の受容面が該Ｃｕに接着するように形成されて、該Ｃｕが該拡散バリアー材料に接着する、方法。
【請求項２】
前記拡散バリアー材料は導電性であって、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、Ｍｏ、およびＷＮよりなる群から選択され、このことにより、前記Ｃｕが該拡散バリアー材料に接着すると、該Ｃｕと前記ＩＣの該拡散バリアー材料の下に位置する領域との間の電気的導通が可能になる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ステップａ）は、主に酸素よりなるプラズマから前記反応性酸素種を生成することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ステップａ）は、酸素含有ガスプラズマから前記反応性酸素種を生成し、該酸素含有ガスプラズマは、ＣＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ、およびＨ2Ｏよりなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ＩＣの選択された領域はシリコンを含み、前記ステップａ）は、２００ワットより低い高周波（ＲＦ）パワーレベルを有する直接プラズマ源を使用して、前記反応性酸素種を生成することを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ステップｃ）は、前記拡散バリアー材料の酸素への曝露を６０秒より短い時間内に停止させることを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ステップａ）は、下流側プラズマ源から前記反応性酸素種を生成することを包含し、このことにより、プラズマ流から高エネルギーイオンが除去され、前記ＩＣへの損傷を最小限にする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
選択された集積回路（ＩＣ）表面にＣｕを堆積する方法であって、該選択されたＣｕ受容表面は、該ＩＣの選択された領域に堆積された拡散バリアー材料の表面上に存在し、前記拡散バリアー材料は非導電性であり、
ａ）該選択されたＣｕ受容表面のそれぞれを反応性酸素種に曝すステップと、
ｂ）ステップａ）の酸素への曝露に反応して該拡散バリアー材料表面の薄い層を酸化させるステップと、
ｃ）ステップｂ）で形成された酸化層が３０〜５０Åの範囲の厚さとなるように該拡散バリアー材料の酸素への曝露を停止するステップと、
ｄ）該ステップｃ）に続いて、ステップｂ）で酸化された前記拡散バリアー材料表面にＣＶＤによりＣｕを堆積させるステップとを包含し、このことにより、該酸化層によって、該拡散バリアー材料の受容表面がＣｕに接着するように形成される、方法。
【請求項９】
前記前記拡散バリアー材料は、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＢＮよりなる群から選択され、これにより、前記Ｃｕは該拡散バリアー材料に接着する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
選択されたＩＣ表面にＣｕを堆積する方法であって、該選択されたＣｕ受容表面は、該ＩＣの選択された領域に堆積されたＴｉＮ拡散バリアー材料の表面上に存在し、
ａ）２００ワットより低いＲＦパワーレベルを用いて主に酸素よりなるプラズマを生成するステップと、
ｂ）該選択されたＣｕ受容表面のそれぞれを前記ステップａ）で生成された主に酸素よりなるプラズマに曝すステップであって、２００℃より低い基板温度で行われるステップと、
ｃ）ステップｂ）のプラズマへの曝露に反応して、該ＴｉＮ拡散バリアー材料表面の薄い層を酸化させるステップと、
ｄ）ステップｂ）の該ＴｉＮ拡散バリアー材料表面のプラズマへの曝露を、ステップｃ）で形成された前記酸化層の厚さが３０Åを超える前に、６０秒より短い時間内に停止させるステップと、
ｅ）ステップｄ）で酸化された該ＴｉＮ拡散バリアー材料表面にＣＶＤによりＣｕを堆積するステップと、を包含する、方法。
【請求項１１】
拡散バリアー材料の第１基板層と、
３０Åより小さい厚さおよび表面を有する酸化層であって、該第１基板層表面の上に形成される酸化層と、
該酸化層の上に形成されるＣｕ層と、
前記拡散バリアー材料である前記第１基板層の下に形成された第２基板層とを備えた集積回路であって、このことにより、該酸化層が該Ｃｕ層と該第１基板表面との間の接着を促進させるとともに、該第１基板層はＣｕの該第２基板層へのマイグレーションを防ぐ、集積回路。
【請求項１２】
非導電性の拡散バリアー材料の第１基板層と、
３０〜５０Åの範囲の厚さおよび表面を有する酸化層であって、該第１基板表面の上に形成される酸化層と、
該酸化層の上に形成されるＣｕ層と、を備えた集積回路であって、このことにより、前記Ｃｕ層と前記拡散バリアー材料表面との間に導電性が必要とされないとき、該Ｃｕ層と該拡散バリアー材料表面との間の結合が促進され、該Ｃｕ層と該拡散バリアー材料との間の容量が最小限となる、集積回路。
【請求項１３】
前記拡散バリアー材料は導電性であり、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、Ｍｏ、およびＷＮよりなる群から選択され、このことにより、前記Ｃｕ層が該拡散バリアー材料に接着すると、該Ｃｕ層と前記第２基板表面との間の電気的導通が可能になる、請求項１１に記載の集積回路。
【請求項１４】
前記拡散バリアー材料は、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、およびＳｉＢＮよりなる群から選択される、請求項１２に記載の集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、集積回路のプロセスおよび製造に関する。詳しくは、銅を拡散バリア表面に接着させるシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子製品の小型化、低コスト化、および高パワー化に対する要求がさらに強まると、集積回路（ＩＣ）の構造の小型化および大きな基板がさらに必要となる。また、これにより、ＩＣ基板上の回路パッケージの高密度化に対する要求も生じる。ＩＣ回路構造の小型化が望まれる場合は、構成要素と誘電層との間の接続はできるだけ小さくすることが必要である。従って、ビア(via)接続および接続線の幅を小さくする研究が続けられている。接続の導電率は接続の表面積が小さくなるに従って低くなり、これにより接続の抵抗率が高くなると、ＩＣ設計上障害となる。抵抗率が高い導体は、インピーダンスが高く伝播遅延が大きい導電路を形成する。この結果、信号タイミングおよび電圧レベルの信頼性が低下し、またＩＣの構成要素間の信号遅延が大きくなる。また、交差する導電表面同士の接続が不十分な場合、または非常に異なる抵抗率特性を有する導体同士が接合される場合、伝播が中断する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
低い抵抗率および揮発性のプロセス環境に耐え得る能力を共に有する接続およびビア(via)が必要とされる。集積回路の製造において電気的に活性な領域間に接続またはビアを作製するためには、アルミニウムおよびタングステン金属が用いられることが多い。これらの金属は、特別な取り扱いを必要とする銅とは異なり、製造環境下での使用が容易であるため一般的に用いられる。
【０００４】
銅は、電気回路中のラインおよびビアのサイズを小さくする場合に、当然の選択としてアルミニウムに替えて用いられる。銅の導電率は、アルミニウムの約２倍であり、タングステンの３倍以上である。このため、銅線であればアルミニウムラインの半分の幅で同じ電流を流すことができる。
【０００５】
また、銅のエレクトロマイグレーション特性はアルミニウムよりはるかに優れている。銅は、エレクトロマイグレーションに関してはアルミニウムの約１０倍優れている。このため、銅線は、断面積がアルミニウム線よりはるかに小さいものでも、電気的完全性の維持能力が優れている。
【０００６】
しかし、ＩＣプロセスで銅を使用する場合にはいくつかの問題がある。銅はＩＣプロセスで用いられる材料の多くを汚染し、従って、銅のマイグレーションを防止するように注意する必要がある。銅のシリコン半導体領域へのマイグレーションは特に有害である。半導体領域の導電特性はトランジスタの設計において考慮すべき要件である。典型的には、製造プロセスは、半導体領域が設計通りに製造されるように注意深く制御される。これらの半導体領域への銅元素のマイグレーションにより、関連するトランジスタの導電特性が著しく変化し得る。
【０００７】
集積回路材料への銅の拡散の問題に対処するために様々な手段が示唆されている。銅の拡散プロセスを阻止するためのバリアーとして用いるために、いくつかの材料、特に金属材料が示唆されている。例えば、Choらは"Copper Interconnection with Tungsten Cladding for ULSI"、1991 Symposium on VLSI Technology、３９頁において、タングステンを拡散バリアーとして使用することを示唆している。モリブデンおよび窒化チタン（ＴｉＮ）もまた、銅拡散バリアーとして使用されることが示唆されている。Gardnerらは"Encapsulated Copper Interconnection Devices Using Sidewall Barriers"、1991 VMIC Conference、９９頁の論文で、銅を完全に封止するために側壁構造を用いることを示唆している。しかし、銅をこれらの拡散バリアー材料に接着させることは、これまでＩＣプロセスにおける課題であったし、現在も課題として残っている。
【０００８】
選択されたＩＣ形状の構造が小さいときは、銅を従来のアルミニウム堆積プロセスを用いて基板に堆積することは不可能である。すなわち、ＩＣの層間誘電体のラインおよび接続用の銅に対して用いられる新しい堆積プロセスが開発されている。アルミニウムであろうと銅であろうと金属をスパッタリングして小径のビアを埋めるのは、これらの隙間充填能力は劣っているため、実用的ではない。銅を堆積するためには、当該業界では化学気相成長（ＣＶＤ）が開発されている。
【０００９】
典型的なＣＶＤプロセスでは、銅をリガンドまたは有機化合物と結合させて、揮発性の銅を作製する。すなわち、銅は蒸発してガスとなる化合物中の元素となる。集積回路の選択された表面、例えば、拡散バリアー材料が高温環境下で銅ガスに曝される。銅ガス化合物が分解すると、銅は選択された表面上に残される。ＣＶＤプロセスでは、いくつかの銅ガス化合物が利用可能である。銅ガス化合物の配置は、少なくとも部分的に、銅の残渣が選択された表面に接着する能力に影響を与えることが一般に認知されている。
【００１０】
Wangらは"Chemical Mechanical Polishing of Copper Metalized Multi-level Interconnection Devices"、1995 VMIC Conference、５０５頁において、銅のＴｉＮバリアー表面への接着を向上させるために１つの特定の銅ガス化合物、すなわち前駆体を使用することを示唆している。いくつかの特定の前駆体は銅の接着プロセスを向上させ得るが、銅が堆積される拡散バリアー表面のバラツキ、および銅前駆体自体のバラツキにより、選択された表面への銅の接着が不十分となることが多い。
【００１１】
拡散バリアー材料をＩＣに堆積した直後にＣＶＤにより銅を堆積することが、当該業界における標準的な方法となっている。典型的には、プロセスは１つのチャンバー内でまたは相互に接続したクラスターチャンバー内で行われる。拡散バリアー材料表面が清浄であるとき銅層は拡散バリアー材料に最も良好に接着すると一般に考えられている。従って、多くの場合、拡散バリアー表面は真空内または制御された環境下に保持され、銅はできるだけ迅速に拡散バリアー上に堆積される。しかし、銅が直ちに拡散バリアー表面に堆積されるときでも、銅を適切に接着させた状態にするにはいくつかの問題がある。何故銅が拡散バリアー表面にいつでも直接接着するとは限らないのかは完全には理解されていない。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、集積回路基板内の拡散バリアー材料へのＣｕの接着を向上させた銅の堆積方法および集積回路を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による銅の堆積方法は、選択された集積回路（ＩＣ）表面にＣｕを堆積する方法であって、該選択されたＣｕ受容表面は、該ＩＣの選択された領域に堆積された拡散バリアー材料の表面上に存在し、ａ）該選択されたＣｕ受容表面のそれぞれを反応性酸素種に曝すステップと、ｂ）ステップａ）の酸素への曝露に反応して該拡散バリアー材料表面の薄い層を酸化させるステップと、ｃ）ステップｂ）で形成された酸化層が３０Åを超える前に該拡散バリアー材料の酸素への曝露を停止するステップと、ｄ）該ステップｃ）に続いて、前記ステップｂ）で酸化された前記拡散バリアー材料表面にＣＶＤによりＣｕを堆積させるステップとを包含し、このことにより、該拡散バリアー材料の受容面が該Ｃｕに接着するように形成されて、該Ｃｕが該拡散バリアー材料に接着し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
前記拡散バリアー材料は導電性であって、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、Ｍｏ、およびＷＮよりなる群から選択され、このことにより、前記Ｃｕが該拡散バリアー材料に接着すると、該Ｃｕと前記ＩＣの該拡散バリアー材料の下に位置する領域との間の電気的導通が可能となるようにしてもよい。
【００１７】
前記ステップａ）は、主に酸素よりなるプラズマから前記反応性酸素種を生成することを包含してもよい。
【００１８】
前記ステップａ）は、酸素含有ガスプラズマから前記反応性酸素種を生成し、該酸素含有ガスプラズマは、ＣＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ、およびＨ2Ｏよりなる群から選択される方法であってもよい。
【００１９】
前記ＩＣの選択された領域はシリコンを含み、前記ステップａ）は、２００ワットより低い高周波（ＲＦ）パワーレベルを有する直接プラズマ源を使用して、前記反応性酸素種を生成することを包含する。
【００２１】
前記ステップｃ）は、前記拡散バリアー材料の酸素への曝露を６０秒より短い時間内に停止させることを包含する。
【００２２】
前記ステップａ）は、下流側プラズマ源から前記反応性酸素種を生成することを包含し、このことにより、プラズマ流から高エネルギーイオンが除去され、前記ＩＣへの損傷を最小限にする方法であってもよい。
【００２３】
また、本発明の銅の堆積方法は、選択された集積回路（ＩＣ）表面にＣｕを堆積する方法であって、該選択されたＣｕ受容表面は、該ＩＣの選択された領域に堆積された拡散バリアー材料の表面上に存在し、ａ）該選択されたＣｕ受容表面のそれぞれを反応性酸素種に曝すステップと、ｂ）ステップａ）の酸素への曝露に反応して該拡散バリアー材料表面の薄い層を酸化させるステップと、ｃ）ステップｂ）で形成された酸化層が３０〜５０Åの範囲の厚さとなるように該拡散バリアー材料の酸素への曝露を停止するステップと、ｄ）該ステップｃ）に続いて、ステップｂ）で酸化された前記拡散バリアー材料表面にＣＶＤによりＣｕを堆積させるステップとを包含し、このことにより、該酸化層によって、該拡散バリアー材料の受容表面がＣｕに接着するように形成される。
前記拡散バリアー材料は非導電性であって、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＢＮよりなる群から選択され、これにより、前記Ｃｕは該拡散バリアー材料に接着する。
【００２４】
本発明の銅の堆積方法は、選択されたＩＣ表面にＣｕを堆積する方法であって、該選択されたＣｕ受容表面は、該ＩＣの選択された領域に堆積されたＴｉＮ拡散バリアー材料の表面上に存在し、ａ）２００ワットより低いＲＦパワーレベルを用いて主に酸素よりなるプラズマを生成するステップと、ｂ）該選択されたＣｕ受容表面のそれぞれを前記ステップａ）で生成された主に酸素よりなるプラズマに曝すステップであって、２００℃より低い基板温度で行われるステップと、ｃ）ステップｂ）のプラズマへの曝露に反応して、該ＴｉＮ拡散バリアー材料表面の薄い層を酸化させるステップと、ｄ）ステップｂ）の該ＴｉＮ拡散バリアー材料表面のプラズマへの曝露を、ステップｃ）で形成された前記酸化層の厚さが３０Åを超える前に、６０秒より短い時間内に停止させるステップと、ｅ）ステップｄ）で酸化された該ＴｉＮ拡散バリアー材料表面にＣＶＤによりＣｕを堆積するステップと、を包含する。
【００２５】
本発明の集積回路は、拡散バリアー材料の第１基板層と、３０Åより小さい厚さおよび表面を有する酸化層であって、該第１基板層表面の上に形成される酸化層と、該酸化層の上に形成されるＣｕ層と、前記拡散バリアー材料である前記第１基板層の下に形成された第２基板層とを備えた集積回路であって、このことにより、該酸化層が該Ｃｕ層と該第１基板表面との間の接着を促進させるとともに、該第１基板層はＣｕの該第２基板層へのマイグレーションを防ぎ、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
本発明の集積回路は、非導電性の拡散バリアー材料の第１基板層と、３０〜５０Åの範囲の厚さおよび表面を有する酸化層であって、該第１基板表面の上に形成される酸化層と、該酸化層の上に形成されるＣｕ層と、を備えた集積回路であって、このことにより、前記Ｃｕ層と前記拡散バリアー材料表面との間に導電性が必要とされないとき、該Ｃｕ層と該拡散バリアー材料表面との間の結合が促進され、該Ｃｕ層と該拡散バリアー材料との間の容量が最小限となる。
【００２８】
前記拡散バリアー材料は導電性であり、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、Ｍｏ、およびＷＮよりなる群から選択され、このことにより、前記Ｃｕ層が該拡散バリアー材料に接着すると、該Ｃｕ層と前記第２基板表面との間の電気的導通が可能になる、構成としてもよい。
【００２９】
前記拡散バリアー材料は、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、およびＳｉＢＮよりなる群から選択され、このことにより、前記Ｃｕ層は該拡散バリアー材料に接着することになり、該Ｃｕ層と該拡散バリアー材料との間の容量が最小限となる、構成としてもよい。
【００３２】
以下、本発明の作用について説明する。
【００３３】
本発明によると、選択された集積回路表面に銅を堆積する方法が提供される。選択された銅受容表面は、ほぼＩＣの選択された領域に堆積された拡散バリアー材料上に存在する。この方法は、選択された各銅受容表面を反応性酸素種に曝すステップと、酸素への曝露に反応して拡散バリアー材料表面の薄層を酸化させるステップと、酸化層が約３０オングストローム（Å）を超える前に拡散バリアー材料の酸素への曝露を停止するステップとを包含し、このことにより、比較的薄い酸化層によって、拡散バリアー材料の受容表面が銅に接着するように作製される。
【００３４】
本発明の１つの好適な実施態様では、上記の方法は、主に酸素よりなるプラズマから反応性酸素種を生成するステップを包含する。別の好適な実施態様は、酸素含有プラズマから反応性酸素種を生成させるステップを包含し、酸素含有プラズマは、ＣＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ、およびＨ2Ｏよりなる群から選択される。
【００３５】
この方法はまた、ＣＶＤにより銅を酸化拡散バリアー材料表面に堆積するステップをさらに提供し、このことにより、銅は、銅がＩＣの拡散バリアーより下の領域に拡散するのを防ぐ材料に接着する。本発明の１つの好適な実施態様は、約２００ワットより低い高周波（ＲＦ）パワーレベルを有する直接プラズマ源を用いてプラズマを生成するステップを包含し、このことにより、プラズマイオンのエネルギーレベルが比較的低いためシリコン結晶構造の崩壊が最小限となる。好適な形態では、Ｃｕ受容表面は約２００℃より低い基板温度で反応性酸素種に曝され、これによりＩＣのシリコン結晶構造が保護される。
【００３６】
また、表面を有する拡散バリアー材料の第１基板層を備えた集積回路が提供される。集積回路はさらに、約３０オングストロームより小さい厚さの酸化層および表面を備え、酸化層は第１基板表面の上に形成される。集積回路はまた酸化表面の上に銅層を備え、このことにより、酸化層によって銅層と第１基板表面との間の接着が促進される。
【００３７】
集積回路はさらに、拡散バリアー層の下に表面を有する第２基板層を有し、このことにより、拡散バリアーは銅の第２基板層へのマイグレーションを防ぐ。本発明の１つの好適な実施態様では、拡散バリアー材料は導電性であり、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、Ｍｏ、およびＷＮよりなる群から選択され、このことにより、銅層がバリアー材料に接着すると、銅層と第２基板表面との間の電気的導通が可能になる。
【００３８】
１９９６年９月２０日に出願された、本出願の優先権主張の基礎となる米国出願と同じ譲渡人に譲渡されている同時係属米国出願第08/717,315号、名称"Copper Adhered to a Diffusion Barrier Surface and Method for Same"、発明者Lawrence CharneskiおよびTue Nguyen、ドケット番号ＳＭＴ２４３は、多種類の反応性ガス種を用いて、拡散バリアーの上に酸化層を形成せずに銅の接着を向上させる方法を開示している。
【００３９】
ＩＣの選択された表面に位置する拡散バリアー表面を可能なときはいつでも制御された環境下に保持し、銅を可能な限り迅速に堆積することは当該業界では標準的な方法であった。この方法は、拡散バリアーを非制御のガス環境から保護し、バリアーを清浄に保つことにより銅の接着のための最良の土台が提供されるという信念に基づく。しかし、本発明で示すように、薄い酸化層により銅層と拡散バリアー表面との間の化学結合が促進される。約３０オングストローム以下の酸化層の厚さは、化学結合を促進させるのには十分な厚さであり、また銅と拡散バリアーとの間の電子のトンネル現象を可能にして導電性を低下させないためには十分な薄さである。
【００４０】
上記の開示されたＣＶＤによる銅の堆積のための拡散バリアー表面の作製により、堆積された銅の拡散バリアー表面への接着が著しく向上する。拡散バリアー表面を反応性酸素原子に曝すことにより形成される薄い酸化層により、銅と拡散バリアー材料との間の化学結合が向上する。酸化層は比較的薄いため、銅と拡散バリアー表面との間の導電性が悪影響を受けることはない。
【００４１】
このプロセスを行うのに必要なパワーレベルおよび温度は低いため、集積回路の関連する基板への損傷は確実に最小限となる。プラズマ曝露プロセスは一般には６０秒より短い時間で完了するため、ＩＣの結晶構造への損傷は最小限となり、また迅速で商業的に実行可能なプロセスが保証される。酸化層により接着が向上することにより、拡散バリアー表面および前駆体の均一性がかなりの程度変動しても許容される。さらに、処理された拡散バリアー表面の清浄度をそれほど気にする必要がないため、酸化プロセスおよび銅堆積プロセスは異なるチャンバーで異なる時に行うことができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、銅を接着させるために作製された拡散バリアー表面を有する完成された集積回路を形成する方法の各ステップを示す。図１は、拡散バリアー材料１０よりなる第１基板層を有する集積回路を示す。拡散バリアー１０は銅を受容するための表面１２を有する。ＩＣはまた、拡散バリアー層１０の下に位置する表面１６を有する第２基板層１４を備えている。拡散バリアー材料１０は、銅が第２基板層１４へのマイグレーションを防ぐためにＩＣの選択された領域に堆積される。
【００４３】
図２は、図１のＩＣにおいて、銅受容表面１２が反応性酸素種に曝されている状態を示す。酸素への曝露は矢印１８によって表される。酸素への曝露１８に反応して、拡散バリアー材料表面１２の薄い層が酸化される。
【００４４】
図３は、図２のＩＣにおいて、約３０オングストロームより小さい厚さ２２を有する酸化層２０および表面２４が形成されたものである。酸化層２０は第１基板表面１２の上に形成される。拡散バリアー材料１０の酸素１８への曝露は、酸化層２０の厚さが約３０オングストロームを超える前に停止される。
【００４５】
図４は、図３の集積回路において、酸化表面２４の上に銅層２６が形成されたものである。酸化表面２４により、銅層２６と第１基板層１０との間の接着が促進される。本発明の１つの好適な形態では、拡散バリアー材料１０は導電性であり、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、Ｍｏ、およびＷＮよるなる群から選択される。これらの材料の１つが拡散バリアー材料１０として用いられると、銅層２６がバリアー材料に接着することによって、銅層２６とＩＣの拡散バリアー材料１０の下に位置する領域、例えば第２基板面１６との間の電気的導通が可能になる。
【００４６】
典型的には、第２基板層１４がトランジスタ半導体領域であるとき、銅層２６は、第２基板層１４への電気的インターフェースを形成するように堆積される。銅層２６を基板表面１６に直接堆積した場合、銅は半導体材料に移動（マイグレート）し、これにより、意図された導電特性が変わり得る。銅層２６と第２基板１４との間に位置する拡散バリアー材料１０により、銅が半導体基板１４に拡散するのが防止される。拡散バリアー材料１０がＴｉＮなどの導電性材料であれば、半導体基板１４に銅が拡散するのが防止される一方で、銅層２６と半導体第２基板層１４との間の電気的連通が維持される。このようにして、銅線およびビアとシリコン半導体材料との間に安全で効果的な電気的インターフェースが形成される。
【００４７】
本発明の１つの特徴は、酸化層２０の酸素への曝露は、酸化層２０がほぼ３０〜５０オングストロームの範囲の厚さになると停止されることである。銅層２６と拡散バリアー材料表面１２との間に導電性が必要とされない場合は、酸化層２０がこのように厚いと、銅層２６と拡散バリアー材料表面１２との間の結合が促進される。酸化層２０が厚い方が、特定のタイプの拡散バリアー材料１０を使用することにより、接着が向上する。
【００４８】
１つの好適な実施態様では、酸化層２０は非導電性拡散バリアー材料１０の上に形成され、ほぼ３０〜５０オングストロームの範囲の厚さを有する。すなわち、第２基板１４がＳｉＯ、Ｓｉ3Ｎ6、またはＢＮなどの非導電性材料であるときも、拡散バリアー材料１０は銅層２６と共に用いられ、各半導体領域（図示せず）のためのバッファとして働く。銅が第２基板バッファ領域１４を介して半導体領域（図示せず）に移動する恐れがあるとき、このような環境下で拡散バリアー１０が用いられる。非導電性第２基板１４を覆うときは、酸化層２０を介する導電性は問題とならないので、酸化層の厚さ２２を厚くして接着力を促進させることができる。
【００４９】
本発明の別の特徴は、拡散バリアー材料は非導電性であり、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＢＮよりなる群から選択されることである。拡散バリアー材料１０が上記の材料から選択される場合は、銅は電気絶縁材料に接着することになる。好ましくは、銅層２６は、誘電率が低いバリアー材料１０に接着し、銅層２６と拡散バリアー１０との間の容量を最小限にする。当該分野では周知のように、導体の下に低誘電性の材料を用いると信号伝播速度が高くなる。
【００５０】
もしくは、図４は、半導体層１４と、半導体層１４への銅の拡散を防止するために半導体層１４の上に形成された拡散バリアー１０とを有する集積回路上の接着性銅導電体界面として示され得る。約３０オングストロームより小さい厚さ２２を有する酸化層２０が拡散バリアー１０の上に形成されている。酸化層２０は、拡散バリアー１０を反応性酸素種に曝すことによって形成される。銅層２６は酸化層２０の上に形成され、このことにより、酸化層２０によって拡散バリアー材料１０は銅に接着するように作製される。
【００５１】
図５は、選択されたＩＣ表面に銅を堆積する方法の各ステップを示すフローチャートである。ステップ５０では、選択された集積回路表面が提供され、これら選択された銅受容表面は、ほぼＩＣの選択された領域に堆積された拡散バリアー材料の上に存在する。ステップ５２では、選択された各銅受容表面を反応性酸素種に曝す。反応性酸素種は、他の原子と結合しやすい形態の酸素を含む。反応性酸素の１つの形態としては、２つの非結合電子を有する単一の酸素原子がある。原子酸素は、電子衝撃によって引き起こされる分子分裂の結果生成される。原子酸素は、比較的低温で拡散バリアー材料の金属原子と容易に結合する。このようにして、拡散バリアー表面に安定した酸化化合物が形成される。
【００５２】
ステップ５４では、ステップ５２の酸素への曝露に反応して拡散バリアー材料表面の薄層が酸化される。上述のように、拡散バリアー材料は典型的には金属であり、従って、反応性酸素種に曝されると容易に金属酸化物を形成する。もしくは、非導電性拡散バリアー材料と共に酸素化合物が形成される。
【００５３】
ステップ５６では、ステップ５４で形成された酸化層の厚さが約３０オングストロームを超える前にステップ５２の拡散バリアー材料の酸素への曝露が停止される。この比較的薄い酸化層により、銅に接着させるための拡散バリアー材料の受容表面が作製される。
【００５４】
本発明の１つの特徴は、ステップ５６に続いて、ステップ５４で酸化された拡散バリアー材料表面にＣＶＤにより銅を堆積させるステップ５８をさらに包含することである。ＣＶＤ前駆体からの非結合銅原子は、拡散バリアー材料酸化物からの非結合酸素原子に結合して、銅酸化物を形成し得る。いくつかの環境下では、酸化層は銅酸化物と拡散バリアー材料の酸化物との混合物である。
【００５５】
ステップ６０では、製品、すなわち、銅がＩＣの拡散バリアーより下に位置する領域に拡散するのを防止する材料に銅を接着させる改良された方法として薄い酸化層が形成された拡散バリアーに銅を接着させたＩＣが形成される。
【００５６】
本発明の１つの特徴は、ステップ５２が、主に酸素よりなるプラズマから反応性酸素種を生成することを包含し、これによりステップ５２において銅受容表面が主に酸素よりなるプラズマに曝されることである。プラズマは、多くの実用化されている形態の異方性エッチングで用いられる。灰化（アッシング）またはプラズマエッチングは、比較的不活性のガス雰囲気が導入されるチャンバーで行われる。ガス圧および吸入速度は制御される。所定の周波数でのチャンバーの電圧は、既知の方向へのイオン流が得られるように決定される。さらに、基板温度およびイオン流への曝露時間は制御される。チャンバーに高周波電圧が印加されることにより、比較的不活性のガスが、不安定でありそのため反応性のあるイオンおよびラジカルよりなるプラズマに変わる。
【００５７】
反応性ガス種を生成して化学プロセスを行うことに加えて、プラズマ生成は、典型的には、選択されたＩＣ表面をイオン衝撃（ボンバーディング）に曝す物理的な効果を包含する。これらの衝撃原子は、高エネルギーを表面の原子に伝達して化学反応速度に影響を与える潜在能力を有する。イオン衝撃は化学結合に損傷を与え、単結晶または多結晶構造に損傷を与え得る。活発なイオンはまた、当該分野では周知のように、電子またはホールをゲート酸化物にトラップさせ得、これはアニールプロセスを通してしか除去することができない。
【００５８】
プラズマエッチング剤として、反応性ガス種が、ホトレジストなどの材料を基板表面から除去するために典型的に用いられる。イオンおよびラジカルはＩＣウェハ上の膜層と反応して揮発性エッチング生成物を形成し、次にこれらの生成物は吸引によりＩＣから取り除かれる。通常の使用とは異なり、本発明では、プラズマは、選択されたＩＣ表面と結合して拡散バリアー表面上に酸化層を形成する反応性ガス種を生成するために用いられる。
【００５９】
本発明の１つの好適な形態では、ステップ５２は、酸素含有ガスプラズマから反応性酸素種を生成することを包含する。本明細書では、酸素含有ガスとは、酸素原子を含有する化合物を意味する。本発明の１つの特徴は、酸素含有ガスは、ＣＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ、およびＨ2Ｏよりなる群から選択されることである。これらの酸素含有ガスがプラズマになるとき、酸素原子が化合物から放出され、反応性酸素種となる。
【００６０】
本発明の１つの特徴は、ＩＣの選択された領域はシリコンを含み、またステップ５２は、約２００ワットより低いＲＦパワーレベルを有する直接プラズマ源を使用して、反応性酸素種を生成することを包含することである。反応性酸素種は主に酸素よりなるプラズマから生成される。もしくは、反応性酸素種は酸素含有プラズマから生成される。ＲＦパワー源によって生成されるプラズマイオンのエネルギーは比較的低いため、シリコン結晶構造の崩壊は最小限となる。すなわち、このような低レベルパワーから生成される活発なイオンは相接するシリコンＩＣ構造を損傷する可能性が低い。
【００６１】
本発明の１つの好適な実施態様では、ステップ５２は、約２００℃より低い基板温度で実行される。酸素種は特に反応性が高いため、酸化プロセスは比較的低温で実現され得る。低温であるため、近くのＩＣシリコン結晶構造または下のＩＣ基板への損傷および応力は最小限となる。
【００６２】
本発明の１つの特徴は、ステップ５６では、ほぼ６０秒より短い時間内に拡散バリアー材料の酸素への曝露が停止されることである。この場合も、酸素種の反応性が高いため、プロセス時間は比較的短くて済み、ＩＣのシリコン結晶構造が保護される。
【００６３】
本発明の１つの好適な実施態様では、ステップ５２は、下流側プラズマ源から反応性酸素種を生成することを包含する。これにより、プラズマ流から高エネルギーイオンが除去され、ＩＣへの損傷が最小限となる。下流側プラズマ源は、ＩＣ基板から比較的離れた位置でガスをイオン化する。プラズマ源とＩＣ基板との間に配置されたバッフルまたはバリアーにより高エネルギーイオンが除去される。プラズマの生成により得られる反応性酸素種は、典型的には、プラズマとＩＣチャンバーとの間の相対圧力を制御することによって、選択されたＩＣ基板表面へと移動する。反応性ガス種は、活発なイオンは用いずに、純粋に化学的なプロセスとして拡散バリアー表面と結合する。下流側プラズマ源を用いることによって、活発なイオンが選択されたＩＣ基板表面を傷つける恐れはなく、イオンを高エネルギーで生成することが可能になる。従って、本発明では、酸素種が下流側プラズマ源から生成されるときは、反応性酸素種を生成するために多量のパワーを必要とするフィードガスを用いることができる。
【００６４】
【発明の効果】
上述したように、本発明によると、ＣＶＤによる銅の拡散バリアー材料表面への接着を向上させる方法が提供される。拡散バリアー表面への銅の接着を向上させるために、ＣＶＤによる銅の堆積に先立って拡散バリアー表面を予備処理する方法が提供される。さらに、上記の接着向上プロセスにより、堆積された銅と導電性拡散バリアー材料との間の導電性の低下が抑制される。また、このプロセスにより、相接するＩＣ基板のシリコン結合および構造が破壊することが抑制される。
【００６５】
本発明によると、銅層と拡散バリアー材料表面との間に位置する薄い酸化層により銅の接着が向上する。酸化物結合は銅層と拡散バリアー表面の両方に形成される。このような比較的強い酸化物結合により、銅前駆体のバッチ間のバラツキで生じる不確実性が緩和される。酸化物結合はまた、拡散バリアー表面の状態および清浄度の変動も緩和する。本発明によれば、拡散バリアー材料の堆積を行うチャンバーとは異なるチャンバーで銅の堆積を行うことが可能である。本発明によれば、拡散バリアー表面を制御された環境下に維持する必要性が低減する。また、銅堆積プロセスをＩＣプロセス中でのもっと都合の良い時間に遅らせることが可能である。
【００６６】
以上、本発明を、銅、酸化物、拡散バリアー材料、およびＩＣ基板を積層させた構成として説明したが、本発明はまた、銅を側壁構造および他の銅包囲構造に接着させる場合にも適用可能である。本発明の範囲内で他の変形例が当業者によってなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅を接着させるために作製された拡散バリアー表面を備えた完成された集積回路を形成する方法の第１のステップを示す概略断面図である。
【図２】上記方法の第２のステップを示す概略断面図である。
【図３】上記方法の第３のステップを示す概略断面図である。
【図４】上記方法の第４のステップを示す概略断面図である。
【図５】集積回路の選択された銅受容表面に銅を堆積する方法の各ステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  拡散バリアー材料
１４  第２基板層
２０  酸化層
２６  銅層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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