(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陥凹線パターンを含む誘電体材料層と、
前記陥凹線パターンの側壁において前記誘電体材料層に接する金属バリア層と、
前記金属バリア層に接し、マンガンの割合が０．１５から０．８４原子百分率の銅含有シード層と、
電気メッキした銅を含み、前記銅含有シード層に接する銅含有層と
を含み、
前記銅含有シード層および前記銅含有層が銅−マンガン合金線を構成し、
前記銅含有シード層および前記銅含有層が前記陥凹線パターン内でバンブー粒子を形成し、前記銅含有層の底面で測定した粒子サイズが少なくとも「ブレッヒ」長未満ごとに前記銅−マンガン合金線の幅を超える、
金属相互接続構造体。
【請求項２】
前記銅含有層がＯ、Ｎ、Ｃ、Ｃｌ、およびＳを含み、それらの濃度の合計が１ｐｐｍから２００ｐｐｍまでの範囲になる、請求項１記載の構造体。
【請求項３】
前記銅含有シード層が、２ｎｍから６０ｎｍまでの厚さを有する、請求項１記載の構造体。
【請求項４】
前記銅含有層が、４０ｎｍから８００ｎｍまでの厚さを有する、請求項１記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体構造に関する。詳細には、本発明は、金属相互接続線の底部において大きい粒子サイズ（grainsize）を有する金属相互接続構造体（metal interconnect structure）およびこれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の９０ｎｍ未満の銅相互接続技術は非バンブー微細構造（non-bamboo microstructure）、すなわち、線およびビアにバンブー状の特徴がない微細構造を有する。この非バンブー微細構造は、エレクトロマイグレーションおよびストレス・ボイディングなど、銅拡散に関連する懸念を引き起こしている。
【０００３】
現在、３通りの銅拡散モードが存在する。１つのモードは、銅相互接続構造体の結晶粒界に沿った銅拡散である。もう１つのモードは、銅相互接続構造体の表面、すなわち、銅相互接続構造体が他の材料に隣接する境界面における銅拡散である。これに代わるモードは、粒子を貫通する、すなわち、２つの結晶粒界が接触する境界面を越える銅バルク拡散（copper bulk diffusion）である。典型的に、拡散速度は、結晶粒界に沿った銅拡散の方が高く、粒子を貫通する銅バルク拡散の方が低い。したがって、結晶粒微細構造においてバンブー状のパターンを有する金属線を含む銅相互接続構造体または「バンブー微細構造（bamboo microstructure）」を形成することが最適である。バンブー微細構造では、粒子の横幅は金属線または金属ビアの幅と同じである。粒子の長さは金属線の幅より長く、したがって、結晶粒界が鋸歯状の節のある竹の茎のように見える。
【０００４】
粒子が線またはビアの幅および高さに広がるバンブー微細構造を有することが最適である。エレクトロマイグレーションという現象は、線内を流れる電流が外部から加えられた電界のために電子流の方向に銅（Ｃｕ）イオンのネット・ドリフトを引き起こすときに発生する。このドリフトは最終的に、結晶粒界および材料境界面などの発散箇所における銅の損失によって線の故障を引き起こすことになる。電流は金属線の方向に沿って流れ、エレクトロマイグレーションは結晶粒界の平面を「貫通して」、すなわち、結晶粒界の平面に対して実質的に垂直に発生せざるを得ないので、バンブー微細構造はエレクトロマイグレーションに対して非バンブー微細構造より著しく大きい抵抗をもたらす。バンブー結晶粒界は電流の流れに対して実質的に直角であるので、バンブー微細構造は本質的に結晶粒界に沿った拡散を遮断するものである。
【０００５】
金属相互接続構造体内のエレクトロマイグレーションを抑制する代替方法が存在する。金属線の長さが「ブレッヒ（Blech）」長より短い場合、銅イオンの動きは発生せず、エレクトロマイグレーション・プロセスを遮断する。「ブレッヒ」長より短い長さにおける機械的ストレスは銅イオンのドリフトに対抗する。典型的なブレッヒ長は、銅で構成された現在の相互接続構造体の場合、１０ミクロンである。原則として、すべての相互接続金属線を「ブレッヒ」長より短く設計すれば、問題を解決することになるであろう。実際には、このような制限は相互接続構造体の設計およびレイアウトに対して厳しい制約を課すものであり、事実上、このようなレイアウトを非実用的なものにしている。
【０００６】
本出願人に譲渡された関連特許である米国特許第７８４３０６３号では、コバルト（Ｃｏ）が同様の特性を有し、微細な線およびビアにおいて正常結晶粒成長（同時にすべての向きに成長する）または異常結晶粒成長（他の向きより特定の向きに優先的に成長する）を促進し、バンブー粒子（bamboo grain）（線の幅および高さに広がる）になることが開示されている。コバルト（Ｃｏ）およびマンガン（Ｍｎ）は同様の特性を有するが、Ｍｎの方がＣｏの使用より優れた最適割合を有する。
【０００７】
「自己形成」拡散バリアを形成するために、Ｃｕ−Ｍｎシード層の使用が企図されている。Ｍｎは、Ｃｕシード層内に加えられ、熱処理後に境界面に拡散して酸素（Ｏ）と反応し、酸化マンガン（ＭｎＯ）層およびおそらくケイ酸マンガン（ＭｎＳｉＯ）層を形成する。誘電体と銅（Ｃｕ）の境界面またはバリアと銅（Ｃｕ）の境界面におけるこれらの層は拡散バリアとして作用する。拡散バリアとしてのＭｎＯの使用について記載した文献としては、J. Koike他による「Appl. Phys. Lett. 87, (2005),041911」、J. Iijima他による「Proc. ofIITC, (2006), 246」、T. Watanabe他による「Proc. of IITC, (2007), 7」、M. Haneda他による「Proc. of AMC (2207), 59」がある。
【０００８】
すべての金属相互接続線が「ブレッヒ」長より短いことを規定した設計ルールの使用に頼らずに銅拡散を抑制することが必要である。したがって、９０ｎｍ未満の金属線、すなわち、９０ｎｍ未満の幅を有する金属線などの微細特徴サイズを有し、銅拡散および関連の厄介な問題を回避できるようにバンブー微細構造を含む金属相互接続構造体が必要になっている。バンブー粒子は、「ブレッヒ」長（１０μｍ）ごとに１つずつ、相互接続部またはビアの幅および高さに広がり、結晶粒界に沿ったエレクトロマイグレーションを実質的に止めることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７８４３０６３号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】J. Koike他による「Appl. Phys. Lett. 87, (2005),041911」
【非特許文献２】J. Iijima他による「Proc. of IITC, (2006), 246」
【非特許文献３】T. Watanabe他による「Proc. of IITC, (2007), 7」
【非特許文献４】M. Haneda他による「Proc. of AMC (2207), 59」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、９０ｎｍ未満の技術でバンブースタイルの結晶粒界を達成するように微細構造を変更するために銅相互接続構造体にマンガンを取り入れるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態により、金属相互接続構造体が提供される。この金属相互接続構造体は、陥凹線パターンを含む誘電体材料層と、陥凹線パターンの側壁において誘電体材料層に接し、誘電体材料層全体の上に重なる金属バリア層と、金属バリア層に接し、誘電体材料層全体の上に重なる銅含有シード層と、電気メッキした銅を含み、銅含有シード層に接する銅含有層とを含み、銅含有シード層および銅含有層のうちの少なくとも１つは銅−マンガン合金を含み、銅含有シード層および銅含有層は陥凹線パターン内でバンブー粒子を形成し、銅含有層の底面で測定した粒子サイズは少なくとも「ブレッヒ」長ごとに銅−マンガン合金線の幅を超える。
【００１３】
本発明の他の一実施形態により、他の金属相互接続構造体が提供される。この金属相互接続構造体は、陥凹線パターンを含む誘電体材料層と、陥凹線パターンの側壁において誘電体材料層に接し、誘電体材料層全体の上に重なる金属バリア層と、金属バリア層に接し、誘電体材料層全体の上に重なる銅含有シード層と、電気メッキした銅を含み、銅含有シード層に接する銅含有層とを含み、銅含有シード層および銅含有層は陥凹線パターン内でバンブー粒子を形成し、銅含有層の底面で測定した粒子サイズは少なくとも「ブレッヒ」長ごとに銅−マンガン合金線の幅を超え、銅含有層に接する銅−マンガン合金キャップ層をさらに含む。
【００１４】
本発明の他の実施形態により、他の金属相互接続構造体が提供される。この金属相互接続構造体は、線パターンを含む銅メッキ層と、いずれもパターン形成された銅メッキ線とバリア層との間に挟まれ、銅メッキ線の底面で約１ｐｐｍから約２０原子百分率までのマンガンの原子濃度を有する銅−マンガン・シード層とを含み、銅−マンガン合金線の底部で測定した粒子サイズは少なくとも「ブレッヒ」長ごとに銅−マンガン合金線の幅を超え、銅−マンガン合金線を取り囲むバリアおよび誘電体層をさらに含む。
【００１５】
本発明の他の一実施形態により、金属相互接続構造体を形成する方法が提供される。この方法は、陥凹線パターンを含む誘電体材料層を提供することと、陥凹線パターンの側壁において誘電体材料層上に金属バリア層を形成することと、金属バリア層上に銅含有シード層を形成することと、銅含有シード層上に銅含有層を電気メッキすることを含み、銅含有シード層および銅含有層のうちの少なくとも１つは約１ｐｐｍから約１０原子百分率までのマンガン濃度を含む銅−マンガン合金を含む。
【００１６】
本発明の他の実施形態により、金属相互接続構造体を形成する他の方法が提供される。この方法は、陥凹線パターンを含む誘電体材料層を提供することと、陥凹線パターンの側壁において誘電体材料層のすぐ上に金属バリア層を形成することと、金属バリア層のすぐ上に銅含有シード層を形成することと、銅含有シード層のすぐ上に銅含有層を電気メッキすることと、銅含有層のすぐ上に約１ｐｐｍから約５０原子百分率までのマンガン濃度を含む銅−マンガン合金キャップ層を形成することを含む。
【００１７】
本発明の特徴および要素は、特許請求の範囲に関して明記され、図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の金属相互接続構造体の第１の実施形態の概略断面図である。
【図２】本発明の金属相互接続構造体の第２の実施形態の概略断面図である。
【図３】本発明の金属相互接続構造体の第３の実施形態の概略断面図である。
【図４】本発明の金属相互接続構造体を製造する方法を示す図である。
【図５】本発明の金属相互接続構造体を製造する方法を示す図である。
【図６】本発明の金属相互接続構造体を製造する方法を示す図である。
【図７】本発明の金属相互接続構造体を製造する方法を示す図である。
【図８】本発明の金属相互接続構造体を製造する方法を示す図である。
【図９】本発明の金属相互接続構造体の第４の実施形態の概略断面図である。
【図１０】酸化シリコン上の３０ｎｍＣｕ−Ｍｎシード層上の５００ｎｍ銅メッキ膜について、室温におけるシート抵抗の減少割合対時間を示すグラフである。
【図１１】酸化シリコン上の３０ｎｍＣｕ−Ｍｎシード層上の３００ｎｍ銅メッキ膜について、室温におけるシート抵抗の減少割合対時間を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の諸実施形態について、図面に関して以下に説明する。この諸実施形態は、様々な形で実施することができる本発明の例証である。本発明は、以下に記載されている諸実施形態に限定されず、むしろ、それを作成し使用する方法を当業者に教示するための代表的なものである。図面に関するいくつかの態様は１つの図面から次の図面に繰り返される。このような態様は、その最初の出現から先行する図面全体を通して同じ番号を保持している。
【００２０】
本発明は、９０ｎｍ未満の技術でバンブースタイルの結晶粒界を達成するように微細構造を変更するために銅（Ｃｕ）相互接続構造体にマンガン（Ｍｎ）を取り入れるものである。好ましくは、結晶粒界を貫通する銅（Ｃｕ）拡散が回避されるように、バンブー粒子同士は「ブレッヒ」長未満の距離に分離されている。マンガン（Ｍｎ）は、金属線の下に形成される銅（Ｃｕ）シード層に、金属線の上に形成されるキャッピング層として、またはメッキ・プロセス中に、取り入れることができる。室温またはそれ以上で銅（Ｃｕ）相互接続構造体をアニールすると、ＭｎがＣｕシード層に加えられたときに、より速い速度で結晶粒成長（再結晶）を誘導する。また、加えられたＭｎは金属線の底面まで下がるＣｕ粒子の成長を誘発し、その結果、底面に達する真のバンブー微細構造が形成され、金属線の長さに沿って向けられた結晶粒界に沿ったＣｕ拡散メカニズムが除去される。
【００２１】
マンガン（Ｍｎ）は、銅（Ｃｕ）の線およびビアの微細構造を変更するために、銅（Ｃｕ）シード層、銅（Ｃｕ）メッキ層、または銅（Ｃｕ）キャッピング層に加えられる。マンガン（Ｍｎ）は、銅−マンガン合金の形で、または非常に薄いマンガン（Ｍｎ）層として使用することができる。マンガン（Ｍｎ）は、微細な線およびビアにおいて正常結晶粒成長（同時にすべての向きに成長する）または異常結晶粒成長（他の向きより特定の向きに優先的に成長する）を促進し、バンブー粒子（線の幅および高さに広がる）になることができる。「ブレッヒ」長未満の距離で発生するように調整され、本発明の金属相互接続構造体においてバンブー微細構造に構成された結晶粒界は銅（Ｃｕ）結晶粒界拡散を遮断する。「ブレッヒ」長ごとに少なくとも１つのバンブー粒子（電流の流れに対して直角）は銅（Ｃｕ）拡散のためのブロッキング箇所として作用する。結晶粒成長後の金属相互接続構造体の組成は原子濃度で約１ｐｐｍから約１０％のマンガン（Ｍｎ）を含有する。
【００２２】
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態による金属相互接続構造体は、誘電体層１１０と、金属バリア層１２０と、銅−マンガン合金シード層１３０と、メッキした銅含有層１４０とを含む。誘電体層１１０は、典型的に、半導体デバイス（図示せず）を含む半導体基板（図示せず）上に形成される。誘電体層１１０は、酸化シリコン（ＳｉＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、オルガノシリケート・ガラス（ＯＳＧ）、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＬＫ（ＴＭ）などのスピン・オン低ｋ誘電体材料などの誘電体材料を含む。誘電体層１１０は多孔質である場合もあれば、非多孔質である場合もある。ビア・キャビティ（viacavity）は、デュアルダマシン集積方式として当技術分野で知られている集積方式で線キャビティ（line cavity）と部分的に重なり合う。
【００２３】
例示のために、デュアルダマシン集積方式について本発明を説明する。しかし、シングルダマシン集積方式における本発明の変形例も企図され、その金属ビアおよび金属線は２つの分離された電気メッキ・プロセスによって形成される。シングルダマシン集積方式が使用される場合、本発明の方法は好ましくは２回繰り返され、１回目は、銅−マンガン合金を含有し、ビアに対して垂直に（基板に対して平行に）延びる境界を有する単一粒子または大型粒子を有する金属ビアを形成するため、２回目は、銅−マンガン合金を含有し、デュアルダマシン集積方式について以下に記載するバンブー構造と同じバンブー構造を有する金属線を形成するために行われる。
【００２４】
金属バリア層１２０は、その後形成される金属ビアおよび金属線からあるいはこれらの中にまたはその両方において汚染物質の拡散を防止するとともに、誘電体層１１０への金属ビアおよび金属線の付着を促進するために形成される。金属バリア層１２０は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｗ、ＷＮ、ＴｉＮ、またはＴａ／ＴａＮ、Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａ、ＴａＮ／Ｔａなどのそれらのスタックを含むことができる。金属バリア層１２０は、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、原子層付着（ＡＬＤ）などによって形成することができる。線キャビティの底面で測定した金属バリア層１２０の厚さは、約１ｎｍから約２５ｎｍまで、典型的に約３ｎｍから約１０ｎｍまでの範囲になるが、それより小さい厚さおよび大きい厚さも本明細書では企図されている。
【００２５】
銅−マンガン合金シード層１３０は、たとえば、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、化学的気相堆積、原子層付着（ＡＬＤ）、電着、または無電解メッキによって、金属バリア層１２０上に形成される。銅−マンガン合金シード層１３０は銅含有シード層であり、これはマンガンも含み、すなわち、銅とマンガンの合金を含む。銅−マンガン合金シード層１３０内のマンガンの濃度は、約１ｐｐｍから１０原子百分率まで、好ましくは約１０ｐｐｍから約２原子百分率までにすることができる。銅−マンガン合金シード層１３０へのマンガンの取り入れは、たとえば、ＰＶＤプロセスのスパッタリング・ターゲット内の純粋銅を、銅−マンガン合金を含有するターゲットで置き換えることにより、行うことができる。
【００２６】
付着させた銅−マンガン合金シード層１３０は、粒子の平均サイズが銅−マンガン合金シード層１３０の厚さと比較可能であるかまたはそれ未満である、多結晶構造を有する。典型的に、銅−マンガン合金シード層１３０は、約２ｎｍから約１０ｎｍまでの平均粒子サイズを有する。線キャビティの底面の上で測定した銅−マンガン合金シード層１３０の厚さは、約２ｎｍから約６０ｎｍまで、典型的に約５ｎｍから約５０ｎｍまでにすることができるが、それより小さい厚さおよび大きい厚さも本明細書では企図されている。
【００２７】
メッキした銅含有層１４０は、銅−マンガン合金シード層１３０上に銅含有材料をメッキすることによって形成される。メッキ・プロセスは電気メッキまたは無電解メッキを使用することができる。メッキした銅含有層１４０は、形成に使用されるプロセスの性質により、すなわち、メッキ・プロセスの性質により、Ｏ、Ｎ、Ｃ、Ｃｌ、およびＳを含む。Ｏ、Ｎ、Ｃ、Ｃｌ、およびＳの濃度の合計は典型的に約１ｐｐｍから約２００ｐｐｍまでである。好ましくは、メッキした銅含有層１４０は電気メッキによって形成される。典型的に、メッキした銅含有層１４０がその中にいずれのキャビティも含まないようにビア・キャビティまたは線キャビティ内のシームの形成を防止するために、スーパーフィル（superfill）（ボトムアップ・フィル（bottom-upfill））プロセスが使用される。
【００２８】
メッキした銅含有層１４０は、マンガンを含む場合もあれば、含まない場合もある。あるケースでは、メッキした銅含有層１４０は本質的に銅で構成することができ、したがって、メッキした銅含有層１４０内の銅以外の材料は微量レベルである。他のケースでは、メッキした銅含有層１４０は、約１ｐｐｍから１０原子百分率まで、好ましくは約１０ｐｐｍから約２原子百分率までのマンガン濃度で銅−マンガン合金を含むことができる。メッキした銅含有層１４０へのマンガンの取り入れは、メッキ中にマンガンが膜内に取り入れられるように、銅−マンガン合金の溶液を含むメッキ浴に置き換えること、すなわち、メッキ浴にマンガンを追加することにより、行うことができる。
【００２９】
メッキした銅含有層１４０によってそれを充填する前にビア・キャビティおよび線キャビティを含むエリアの外側で測定したメッキした銅含有層１４０の厚さは、約４０ｎｍから約８００ｎｍまで、典型的に約１００ｎｍから約３００ｎｍまでにすることができるが、それより小さい厚さおよび大きい厚さも本明細書では企図されている。付着させたメッキした銅含有層１４０は、粒子サイズが約５ｎｍから約４００ｎｍまで、典型的に約１０ｎｍから約２００ｎｍまでである微細構造を有するが、その粒子サイズはメッキ・プロセスの詳細によって決まり、上記の範囲より小さいかまたは大きい場合もある。
【００３０】
第１の模範的な金属相互接続構造体に対して、銅−マンガン合金シード層１３０およびメッキした銅含有層１４０内の粒子が成長する、再結晶プロセスが行われる。この再結晶プロセスは典型的に、約１秒から約１週間までの期間の間、約２０℃から約４００℃までの温度のアニールを使用する。粒子サイズは銅−マンガン合金シード層１３０およびメッキした銅含有層１４０内でアニール中に増加する。５０℃を超えるアニールが好ましいが、室温でもある程度の再結晶が行われ、したがって、アニール・プロセスなしでも、すなわち、第１の模範的な金属相互接続構造体のみを長時間の間、室温に放置し、それにより粒子のサイズを増加することにより、本発明を有利に使用することができる。
【００３１】
銅−マンガン合金シード層１３０内に加えられたマンガンは、再結晶プロセス後に、銅−マンガン合金シード層１３０およびメッキした銅含有層１４０の再結晶によって形成される銅−マンガン合金層の微細構造に影響を及ぼす。マンガンは銅との金属間化合物をまったく形成しない。したがって、マンガンは再結晶プロセス中に結晶粒界で沈殿する。また、マンガンは、銅−マンガン合金層の最上部で粒子のサイズが銅−マンガン合金層の底部と実質的に同じになるように、金属バリア層１２０との境界面でも大きい粒子の成長を誘導する。
【００３２】
本発明によれば、銅−マンガン合金シード層１３０内のマンガンはメッキした銅含有層１４０内の新しい粒子を核状にし、したがって、メッキした銅含有層１４０内の粒子はその後形成される金属線の特徴サイズより大きい寸法まで成長することができる。さらに、結晶粒成長は銅−マンガン合金シード層１３０内に延び、したがって、銅−マンガン合金層全体が結晶粒成長の影響を受ける。さらに、メッキした銅含有層１４０は任意選択で、再結晶プロセス中に結晶粒成長を加速するために追加のマンガンを供給することができる。
【００３３】
再結晶プロセスを通過した銅−マンガン合金層は、誘電体層１１０の上面まで銅−マンガン合金層の線特徴エリアの上で測定した厚さより大きい粒子サイズを有する。第１の模範的な金属相互接続構造体内で、銅−マンガン合金シード層１３０の形成前のビア・キャビティおよび線キャビティに対応する部分を含む、銅−マンガン合金層の底部部分は、小さい粒子を実質的にほとんど含まない。銅−マンガン合金層の底部部分の粒子サイズは、銅−マンガン合金層の上部部分の粒子サイズと実質的に同じであり、したがって、銅−マンガン合金層の厚さより大きい。銅−マンガン合金層の底部部分に小さいサイズの粒子のネットワークが欠如していると、結晶粒界に沿った銅原子またはマンガン原子の拡散を防止する。陥凹線特徴内に存在する結晶粒界は陥凹線特徴の幅の方向に延びる傾向がある。したがって、銅−マンガン合金層内の結晶粒界は実質的に相互に結びつかず、銅−マンガン合金層はバンブー微細構造を有し、そのバンブー微細構造内の結晶粒界が銅−マンガン合金層の底面まで延び、少なくとも１つの粒子によって相互に分離される。「ブレッヒ」長ごとに１つのバンブー粒子が、結晶粒界拡散によって誘導されたエレクトロマイグレーションを実質的に止める。
【００３４】
銅−マンガン合金層は、たとえば、化学的機械的研磨によって平坦化され、誘電体層１１０の上面と実質的に共面である銅−マンガン合金線を形成する。銅−マンガン合金線の上面付近の粒子サイズは、銅−マンガン合金線の幅の約２〜３倍またはそれ以上にすることができる。したがって、銅−マンガン合金線は実質的に、全体を通してバンブー微細構造を有し、銅−マンガン合金線の幅より小さいサイズを有する小さい粒子を含まない。結晶粒界間のバンブースタイルの節は実質的に銅−マンガン合金線全体を通して存在する。残っている結晶粒界は電流の流れの方向に対して実質的に垂直であるので、バンブー微細構造は結晶粒界に沿った銅拡散を除去するものである。
【００３５】
図２を参照すると、本発明の第２の実施形態による第２の模範的な金属相互接続構造体は、誘電体層１１０と、金属バリア層１２０と、銅含有シード層２３０と、メッキした銅−マンガン合金層２４０とを含む。誘電体層１１０は、典型的に、半導体デバイス（図示せず）を含む半導体基板（図示せず）上に形成され、第１の実施形態と同じ材料を含むことができる。ビア・キャビティおよび線キャビティはリソグラフィ・パターン形成およびエッチングによって誘電体層１１０内に形成され、ビア・キャビティはデュアルダマシン集積方式として当技術分野で知られている集積方式で線キャビティと部分的に重なり合うようになっている。金属バリア層１２０は、第１の実施形態と同じ方法で形成され、同じ組成および厚さを有する。
【００３６】
銅含有シード層２３０は、たとえば、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、原子層付着（ＡＬＤ）、電着、または無電解メッキによって、金属バリア層１２０上に形成される。銅含有シード層２３０は、マンガンを含む場合もあれば、含まない場合もある。あるケースでは、銅含有シード層２３０は本質的に銅で構成することができ、したがって、銅含有シード層２３０内の銅以外の材料は微量レベルである。他のケースでは、銅含有シード層２３０は、約１ｐｐｍから１０原子百分率まで、好ましくは約１０ｐｐｍから約２原子百分率までのマンガン濃度で銅−マンガン合金を含むことができる。銅含有シード層２３０へのマンガンの取り入れは、たとえば、ＰＶＤプロセスのスパッタリング・ターゲット内の純粋銅を、銅−マンガン合金を含有するターゲットで置き換えることにより、行うことができる。
【００３７】
付着させた銅含有シード層２３０は、粒子の平均サイズが銅含有シード層２３０の厚さと比較可能であるかまたはそれ未満である、多結晶構造を有する。典型的に、銅含有シード層２３０は、約２ｎｍから約１０ｎｍまでの平均粒子サイズを有する。線キャビティの底面の上で測定した銅含有シード層２３０の厚さは、約２ｎｍから約６０ｎｍまで、典型的に約５ｎｍから約５０ｎｍまでにすることができるが、それより小さい厚さおよび大きい厚さも本明細書では企図されている。
【００３８】
メッキした銅−マンガン合金層２４０は、銅含有シード層２３０上に銅−マンガン合金をメッキすることによって形成される。メッキ・プロセスは電気メッキまたは無電解メッキを使用することができる。メッキした銅−マンガン合金層２４０は、形成に使用されるプロセスの性質により、すなわち、メッキ・プロセスの性質により、Ｏ、Ｎ、Ｃ、Ｃｌ、およびＳを含む。Ｏ、Ｎ、Ｃ、Ｃｌ、およびＳの濃度の合計は典型的に約１ｐｐｍから約２００ｐｐｍまでである。好ましくは、メッキした銅−マンガン合金層２４０は電気メッキによって形成される。典型的に、メッキした銅−マンガン合金層２４０がその中にいずれのキャビティも含まないようにビア・キャビティまたは線キャビティ内のシームの形成を防止するために、スーパーフィル（ボトムアップ・フィル）プロセスが使用される。
【００３９】
メッキした銅−マンガン合金層２４０は、マンガンも含む銅含有層であり、すなわち、銅とマンガンの合金を含む。必ずではないが好ましくは、メッキした銅−マンガン合金層２４０の金属成分は銅とマンガンで構成することができる。メッキした銅−マンガン合金層２４０内のマンガンの濃度は、約１ｐｐｍから約１０原子百分率まで、好ましくは約１０ｐｐｍから約２原子百分率までにすることができる。メッキした銅−マンガン合金層２４０へのマンガンの取り入れは、たとえば、メッキ中にマンガンが膜内に取り入れられるように、純粋銅の溶液を含むメッキ浴を、銅−マンガン合金の溶液を含むメッキ浴で置き換えること、すなわち、メッキ浴にマンガンを追加することにより、行うことができる。
【００４０】
メッキした銅含有層によってそれを充填する前にビア・キャビティおよび線キャビティを含むエリアの外側で測定したメッキした銅−マンガン合金層２４０の厚さは、約４０ｎｍから約８００ｎｍまで、典型的に約１００ｎｍから約３００ｎｍまでにすることができるが、それより小さい厚さおよび大きい厚さも本明細書では企図されている。付着させたメッキした銅−マンガン合金層２４０は、粒子サイズが約５ｎｍから約４００ｎｍまで、典型的に約１０ｎｍから約２００ｎｍまでである微細構造を有するが、その粒子サイズはメッキ・プロセスの詳細によって決まり、上記の範囲より小さいかまたは大きい場合もある。
【００４１】
第２の模範的な金属相互接続構造体に対して、銅含有シード層２３０およびメッキした銅−マンガン合金層２４０内の粒子が成長する、再結晶プロセスが行われる。この再結晶プロセス後、第２の模範的な金属相互接続構造体は、第１の実施形態による図１の第１の模範的な金属相互接続構造体と実質的に同じである。銅含有シード層２３０およびメッキした銅−マンガン合金層２４０は銅−マンガン合金層を構成する。第１の実施形態と同じ種類の再結晶プロセスを使用することができ、粒子サイズは第１の実施形態と同じように増加する。メッキした銅−マンガン合金層２４０内に加えられたマンガンは、銅含有シード層２３０およびメッキした銅−マンガン合金層２４０の再結晶によって形成される銅−マンガン合金層の微細構造に影響を及ぼす。マンガンは、第１の実施形態と同じように、再結晶プロセス中に結晶粒界で沈殿する。また、マンガンは、図１の銅−マンガン合金層１４０と実質的に同じである銅−マンガン合金層の最上部で粒子のサイズが銅−マンガン合金層の底部と実質的に同じになるように、金属バリア層２２０との境界面でも大きい粒子の成長を誘導する。
【００４２】
第２の模範的な金属相互接続構造体は、図１に示されている第１の模範的な金属相互接続構造体と実質的に同じである。銅−マンガン合金層は、第１の実施形態と同じ方法で平坦化され、銅−マンガン合金線を形成する。この時点での第２の模範的な金属相互接続構造体は、図１の第１の模範的な金属相互接続構造体と実質的に同じである。第２の模範的な金属相互接続構造体は銅−マンガン合金線を含み、これは、実質的にバンブー微細構造を有し、銅−マンガン合金線の幅より小さいサイズを有する小さい粒子のネットワークを含まない。結晶粒界間のバンブースタイルの節は、第１の模範的な金属相互接続構造体のように、実質的に銅−マンガン合金線を貫通して存在する。したがって、残っている結晶粒界は電流の流れの方向に対して実質的に垂直であるので、バンブー微細構造は結晶粒界に沿った銅拡散を除去するものである。
【００４３】
図３を参照すると、本発明の第３の実施形態による第３の模範的な金属相互接続構造体は、誘電体層１１０と、金属バリア層１２０と、銅含有シード層３３０と、メッキした銅含有層３４０と、銅−マンガン合金キャップ層３５０とを含む。誘電体層１１０は、典型的に、半導体デバイス（図示せず）を含む半導体基板（図示せず）上に形成され、第１の実施形態と同じ材料を含むことができる。ビア・キャビティおよび線キャビティはリソグラフィ・パターン形成およびエッチングによって誘電体層１１０内に形成され、ビア・キャビティはデュアルダマシン集積方式として当技術分野で知られている集積方式で線キャビティと部分的に重なり合うようになっている。金属バリア層１２０は、第１の実施形態と同じ方法で形成され、同じ組成および厚さを有する。
【００４４】
銅含有シード層３３０は、たとえば、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、原子層付着（ＡＬＤ）、電着、または無電解メッキによって、金属バリア層１２０上に形成される。銅含有シード層３３０は、マンガンを含む場合もあれば、含まない場合もある。あるケースでは、銅含有シード層３３０は本質的に銅で構成することができ、したがって、銅含有シード層３３０内の銅以外の材料は微量レベルである。他のケースでは、銅含有シード層３３０は、約１ｐｐｍから１０原子百分率まで、好ましくは約１０ｐｐｍから約２原子百分率までのマンガン濃度で銅−マンガン合金を含むことができる。銅含有シード層３３０へのマンガンの取り入れは、たとえば、ＰＶＤプロセスのスパッタリング・ターゲット内の純粋銅を、銅−マンガン合金を含有するターゲットで置き換えることにより、行うことができる。付着させた銅含有シード層３３０は、第１の実施形態と同じ多結晶構造および厚さを有することができる。
【００４５】
メッキした銅含有層３４０は、銅含有シード層３３０上に銅含有材料をメッキすることによって形成される。メッキ・プロセスは電気メッキまたは無電解メッキを使用することができる。メッキした銅含有層３４０は、形成に使用されるプロセスの性質により、すなわち、メッキ・プロセスの性質により、Ｏ、Ｎ、Ｃ、Ｃｌ、およびＳを含む。Ｏ、Ｎ、Ｃ、Ｃｌ、およびＳの濃度の合計は典型的に約１ｐｐｍから約２００ｐｐｍまでである。好ましくは、メッキした銅含有層３４０は電気メッキによって形成される。典型的に、メッキした銅含有層３４０がその中にいずれのキャビティも含まないようにビア・キャビティまたは線キャビティ内のシームの形成を防止するために、スーパーフィル（ボトムアップ・フィル）プロセスが使用される。
【００４６】
メッキした銅含有層３４０は、マンガンを含む場合もあれば、含まない場合もある。あるケースでは、メッキした銅含有層３４０は本質的に銅で構成することができ、したがって、メッキした銅含有層３４０内の銅以外の材料は微量レベルである。他のケースでは、メッキした銅含有層３４０は、約１ｐｐｍから１０原子百分率まで、好ましくは約１０ｐｐｍから約２原子百分率までのマンガン濃度で銅−マンガン合金を含むことができる。メッキした銅含有層３４０へのマンガンの取り入れは、メッキ中にマンガンが膜内に取り入れられるように、純粋銅の溶液を含むメッキ浴を、銅−マンガン合金の溶液を含むメッキ浴で置き換えること、すなわち、メッキ浴にマンガンを追加することにより、行うことができる。メッキした銅含有層３４０の微細構造および厚さは第１の実施形態と同じにすることができる。
【００４７】
銅−マンガン合金キャップ層３５０は、銅とマンガンの合金を含み、銅とマンガンの合金で構成することができる。銅−マンガン合金キャップ層３５０内のマンガンの濃度は、約１ｐｐｍから約５０原子百分率まで、好ましくは約１０ｐｐｍから約４０原子百分率まで、より好ましくは約１００ｐｐｍから約３０原子百分率までにすることができる。銅−マンガン合金キャップ層３５０は、たとえば、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、化学的気相堆積（ＣＶＤ）、原子層付着（ＡＬＤ）、電着、または無電解メッキによって形成することができる。
【００４８】
銅−マンガン合金キャップ層３５０の厚さは、約１ｎｍから約５０ｎｍまで、典型的に約３ｎｍから約３０ｎｍまでにすることができるが、それより小さい厚さおよび大きい厚さも本明細書では企図されている。付着させた銅−マンガン合金キャップ層３５０は、粒子サイズが約２ｎｍから約２０ｎｍまで、典型的に約５ｎｍから約１０ｎｍまでである微細構造を有するが、その粒子サイズは付着プロセスの詳細によって決まり、上記の範囲より小さいかまたは大きい場合もある。
【００４９】
第３の模範的な金属相互接続構造体に対して、銅−マンガン合金キャップ層３５０、メッキした銅含有層３４０、および銅含有シード層３３０内の粒子が成長する、再結晶プロセスが行われる。この再結晶プロセス後、第３の模範的な金属相互接続構造体は、第１の実施形態による図１の第１の模範的な金属相互接続構造体と実質的に同じである。銅−マンガン合金キャップ層３５０、メッキした銅含有層３４０、および銅含有シード層３３０は、ひとまとめで銅−マンガン合金層になる。第１の実施形態と同じ種類の再結晶プロセスを使用することができ、粒子サイズは第１の実施形態と同じように増加する。銅−マンガン合金キャップ層３５０内に加えられたマンガンは、再結晶プロセス後の銅−マンガン合金層の微細構造に影響を及ぼす。マンガンは、第１の実施形態と同じように、再結晶プロセス中に結晶粒界で沈殿する。また、マンガンは、銅−マンガン合金キャップ層の最上部で粒子のサイズが銅−マンガン合金層の底部と実質的に同じになるように、銅−マンガン合金キャップ層３５０との上部境界面で大きい粒子の成長を誘導する。
【００５０】
銅−マンガン合金キャップ層３５０内に存在するマンガンは再結晶プロセス中に結晶粒成長を誘発する。結晶粒成長はメッキした銅含有層３４０および銅含有シード層３３０内に延び、したがって、銅−マンガン合金キャップ層３５０、メッキした銅含有層３４０、および銅含有シード層３３０から得られる銅−マンガン合金層の全体が結晶粒成長の影響を受ける。メッキした銅含有層３４０がさらにマンガンを含む場合、銅含有シード層３３０内の追加のマンガンも再結晶プロセス中に結晶粒成長を促進することができる。
【００５１】
第３の模範的な金属相互接続構造体は、図１に示されている第１の模範的な金属相互接続構造体と実質的に同じであり、したがって、物理的、組成上、および構造上の特性も同じである。銅−マンガン合金層は、第１の実施形態と同じ方法で平坦化され、銅−マンガン合金線を形成する。この時点での第３の模範的な金属相互接続構造体は、図１の第１の模範的な金属相互接続構造体と実質的に同じである。第３の模範的な金属相互接続構造体は銅−マンガン合金線を含み、これは、実質的にバンブー微細構造を有し、銅−マンガン合金線の幅より小さいサイズを有する小さい粒子を実質的に含まない。結晶粒界間のバンブースタイルの節は、第１の模範的な金属相互接続構造体のように、実質的に銅−マンガン合金線を貫通して存在する。したがって、残っている結晶粒界は電流の流れの方向に対して実質的に垂直であるので、バンブー微細構造は結晶粒界に沿った銅拡散を除去するものである。「ブレッヒ」長ごとに１つのバンブー粒子が、結晶粒界拡散によって誘導されたエレクトロマイグレーションを実質的に止める。
【００５２】
図４〜図８を参照すると、上記の金属相互接続構造体を形成する方法が示されている。既存の半導体構造（図示せず）上に誘電体材料１１０が提供される。誘電体材料１１０内に陥凹線パターンを形成するために、誘電体材料１１０はエッチングされている。誘電体材料１１０上に金属バリア層１２０が形成される。好ましくは、金属バリア層１２０は誘電体材料１１０内の陥凹線パターンの上部部分および側壁に沿って形成される。金属バリア層上、好ましくは誘電体材料１１０内の陥凹線パターンの上部部分および側壁上に銅含有シード層４３０が形成される。銅含有シード層４３０上に銅含有層４４０を付着させ、電気メッキを行う。銅含有シード層４３０および銅含有層４４０のうちの少なくとも１つは銅−マンガン合金を含む。この銅−マンガン合金は約１ｐｐｍから約１０原子百分率までのマンガン濃度を含む。好ましくは、この銅−マンガン合金は約１０ｐｐｍから約２原子百分率までのマンガン濃度を含む。銅含有層４４０上には銅−マンガン合金キャップ層３５０を形成することもできる。銅−マンガン合金キャップ層３５０は、好ましくは、約１ｐｐｍから約５０原子百分率までのマンガン濃度を有する。
【００５３】
銅含有シード層４３０および銅含有層４４０に対して、約１秒から約１週間までの期間の間、約２０℃から約４００℃までの温度でアニールを行う。このアニール・プロセス中に、銅含有層４４０および銅含有シード層４３０内で粒子サイズは増加する。粒子サイズの増加により、銅含有シード層４３０および銅含有層４４０内の抵抗も減少する。銅含有シード層４３０および銅含有層４４０は実質的に陥凹線パターン内にバンブー微細構造を形成する。バンブー微細構造内の結晶粒界は少なくとも「ブレッヒ」長ごとに銅含有層４４０の底面まで延びる。マンガン（Ｍｎ）の一部は陥凹線パターンの表面まで拡散し、使用可能な酸素（Ｏ２）と反応して酸化マンガン（ＭｎＯ）またはケイ酸マンガン（ＭｎＳｉＯ）を形成し、その結果、銅（Ｃｕ）からマンガン合金を除去することになる。金属線の底面で少なくとも金属線の幅の分だけ結晶粒界が相互に分離されるように粒子サイズを増加することができる。
【００５４】
図９に示されているように、銅含有層４４０は平坦化され、誘電体層の上部で止まっている。銅含有シード層４３０および銅含有層４４０の残りの部分は銅−マンガン合金線を構成する。銅−マンガン合金線の底部で測定した粒子サイズは銅−マンガン合金線の幅を超えることができる。銅−マンガン合金線は実質的にバンブー微細構造を有し、それぞれの結晶粒界が銅−マンガン合金線の上面から銅−マンガン合金線の底面まで延び、銅−マンガン合金線の幅より大きい距離だけ他の結晶粒界から分離される。
【００５５】
図１０は、酸化シリコン上の３０ｎｍＣｕ−Ｍｎシード層上の５００ｎｍ銅メッキ膜について、室温におけるシート抵抗の減少割合対時間を示すグラフを示している。銅シード層内のＭｎの割合は０．１５から０．８４原子百分率Ｍｎの範囲になる。メッキしたＣｕのシート抵抗はＣｕ−Ｍｎシード層上ではかなり速く降下し、０．８４原子百分率Ｍｎが最も速い降下を示し、５時間以内に完了することは明白である。シート抵抗は室温のＣｕ結晶粒成長（再結晶）の尺度であり、メッキしたＣｕ膜についてよく知られている。Ｍｎは再結晶を強化する。１１．５日後、純粋Ｃｕシード層はわずか約８％のシート抵抗降下を示し、Ｃｕ−Ｍｎシード層上の再結晶は約１．５日後に完了する。
【００５６】
図１１は、同様に、酸化シリコン上のＣｕ−Ｍｎシード層上の銅メッキ膜について、室温におけるシート抵抗の減少割合対時間を示している。図１１では、メッキしたＣｕ膜の厚さは３００ｎｍである。この場合も、Ｃｕ−Ｍｎシード層はＣｕ再結晶を強化し、０．８４原子百分率Ｍｎが最も速い再結晶速度を示している。
【００５７】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを記述するためのものであって、本発明を限定するためのものではない。本明細書で使用する「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は、文脈が明らかにそうではない場合を示さない限り、複数形も含むためのものである。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」あるいは「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」またはその両方の用語は、本明細書で使用する場合、所定の特徴、整数、ステップ、動作、要素、あるいはコンポーネント、またはこれらの組み合わせの存在を指定するが、１つまたは複数のその他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、あるいはそのグループ、またはこれらの組み合わせの存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００５８】
以下の特許請求の範囲内のすべての手段またはステップならびに機能要素に対応する構造、材料、行為、およびそれと同等のものは、具体的に請求されている他の請求要素と組み合わせてその機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むためのものである。本発明の説明は、例示および解説のために提示されたものであり、網羅するためまたは開示された形式に本発明を限定するためのものではない。多くの変更および変形は、本発明の範囲および精神を逸脱せずに当業者にとって明白なものになる。この実施形態は、本発明の原理および実用的な適用例を最も良く説明するため、ならびにその他の当業者が企図された特定の用途に適した様々な変更を含む様々な実施形態について本発明を理解できるようにするために、選択され記載されたものである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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