(57)【要約】【課題】  １から５ｎｍの厚さの金属キャップを用いた改良されたオンチップＣｕ相互接続を提供する。【解決手段】  開示されているのは、層間の誘電体又は誘電体拡散障壁層の堆積に先立って、１から５ｎｍの厚さの元素でＣｕダマシン配線の表面をコーティングする手順である。そのコーティングは、酸化に対する防御をもたらし、Ｃｕと誘電体の間の密着力を増し、そしてＣｕの界面拡散を減少させる。さらに、その薄いキャップ層はＣｕのエレクトロマイグレーション寿命を増し、応力により誘起されたボイド発生を減らす。選択された元素は、Ｃｕ配線間のショートを引き起こすことなしに、下層の誘電体中に埋込まれたＣｕの上に直接堆積することができる。これらの選ばれた元素は、酸素及び水に関する負の高い還元電位と、Ｃｕへの低い溶解度、及びＣｕとの化合物形成に基づいて選ばれている。【選択図】      図２
2006203197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５ないし５ｎｍの厚さの選択された元素の膜でキャップされたデュアル又はシングルダマシンＣｕ相互接続を有する多層相互接続構造体であって、前記元素が、−０．０１Ｖから−４Ｖまでの電気化学系列に関する標準還元電位と、３００℃において３原子パーセントより低いＣｕへの溶解度を持ち、Ｃｕと化合物を形成するものであることを特徴とする構造体。
【請求項２】
前記Ｃｕ相互接続が、前記相互接続構造体のエレクトロマイグレーションに対する抵抗力を改善し、応力により誘起されたボイド発生を減らし、そして耐食性を改善するために、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔｉ及びＰからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素でキャップされたＣｕを含むことを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項３】
前記Ｃｕ相互接続が、０．５から５ｎｍまでの間の厚さを持つ金属キャップ層を有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項４】
前記Ｃｕ相互接続が、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｐ及びＴｉの２から２５までの間の原子層でキャップされたＣｕ本体を含むことを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項５】
前記Ｃｕ相互接続が、物理的気相堆積法、化学的気相堆積法、電気メッキ、または原子層堆積技術あるいはその両方によって堆積することができるＳｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｐ及びＴｉの２から２５の間の原子層でキャップされたＣｕ本体を含むことを特徴とする請求項４に記載の相互接続構造体。
【請求項６】
前記Ｃｕ相互接続が、２００℃より高い温度で堆積されたＩｎ及びＳｎの薄い金属層でキャップされたＣｕ本体を含むことを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項７】
前記Ｃｕ相互接続が、３００℃より高い温度で堆積されたＳｂ、ＨＦ、又はＴｉの薄い金属層でキャップされたＣｕ本体を含むことを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項８】
前記Ｃｕ相互接続が、３００℃より高い試料温度でのＣｕと不純物の混合の後に、Ｃｕ相互接続の上表面の上に金属間Ｃｕ化合物または１から２６ｎｍの不純物リッチ領域あるいはその両方を形成する０．５ないし５ｎｍの厚さの薄い金属層でキャップされたＣｕ本体を有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項９】
前記Ｃｕ相互接続が、隣接する絶縁体表面上に金属酸化物層を形成するのと同じ薄い金属層でキャップされたＣｕ配線又は構造体を有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項１０】
前記Ｃｕ相互接続が、酸素及び水に関する負の高い還元電位の特性を持ち、後で空気に曝される薄い金属層でキャップされたＣｕ配線又は構造体を有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項１１】
前記Ｃｕ相互接続が、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｐ、Ｃ、Ｎ及びＯからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素でキャップされたＣｕ本体を含むＣｕ配線又は構造体を有することを特徴とする請求項２に記載の相互接続構造体。
【請求項１２】
前記Ｃｕ相互接続が、薄い金属層でキャップされたＣｕ本体を含み、誘電体層上に形成される金属酸化物が選択的化学的エッチング・プロセスで除去できることを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項１３】
前記Ｃｕ相互接続が、薄い金属層でキャップされたＣｕ本体を含み、金属酸化物が誘電体層上に形成され、この金属酸化物を、その相互接続構造体の上に堆積された次の層のエッチング・ストップとして機能させることができることを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項１４】
前記Ｃｕ相互接続が、薄い金属層でキャップされた配線又は構造体が誘電体層に埋込まれたＣｕ本体を有することを特徴とする請求項１に記載の相互接続構造体。
【請求項１５】
集積回路ウェハ上のＣｕ相互接続を形成する方法であって、
前記ウェハ上に、誘電体の下層に埋込まれたＣｕ配線を形成するステップと、
前記Ｃｕ配線上に、所与の材料の０．５ないし５．０ｎｍの厚さのキャップ層を堆積するステップと、
前記層の少なくとも一部を、非導電性の酸化部分となるように酸化するステップと、
前記キャップ層の上面に誘電体材料を加えるステップと、
上層にキャップ層を有するウェハを、真空中で少なくとも約２００℃の温度まで加熱するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記所与の材料が、Ａｌ、Ｃａ、ＨＦ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｒ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸化するステップが、前記キャップ層の画定された部分を酸化し、さらに前記酸化部分の少なくとも一部分を除去するステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記キャップ層が、Ｃｕを酸化から保護し、Ｃｕと誘電体材料の間の密着力を増し、そしてＣｕの界面拡散を減らすことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸化するステップが、前記キャップ層を完全に酸化物に変えるステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路のためのＣｕベースの相互接続の一般的分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
０．２５μｍ技術を越えた集積回路（ＩＣ）チップ性能の向上を達成し、併せて構造体（ｆｅａｔｕｒｅ）サイズを減少させることに関する業界のニーズは、相互接続システムを、より低抵抗のＣｕベースの導体に移行させる原因となっている。通常は４ないし８層のＣｕ相互接続を含んでいる現在の市販のＣｕＩＣチップは、一般に、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法もしくはその両方によって製造される。オンチップ（ｏｎ−ｃｈｉｐ）相互接続における信頼性の最も重要な二つの問題点は、エレクトロマイグレーションと、Ｃｕ相互接続回路素子内の応力により誘起されたボイド発生である。ＩＣチップの銅メタライゼーションにおけるエレクトロマイグレーションが広く研究されている。エレクトロマイグレーションと応力により誘起されたボイド発生は、それぞれ電界内での拡散及び応力勾配による原子の運動である。相互接続が、直流（ｄｃ）電流において電気的な応力を受けるとき、ミクロ構造または材料もしくはその両方が変化して原子束（ｆｌｕｘ）の不均衡が存在する箇所において、Ｃｕ原子のドリフトが、大量の空乏（ボイド又は開回路を生じる）又は蓄積（押し出し又はショートを生じる）を引き起こす。Ｈｕ他（非特許文献１）は、Ｃｕ相互接続におけるＣｕの大量移動が、粒界（ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）においてではなく、主として界面の表面で生じると報告している。Ｃｕ相互接続構造体においては、配線（ｌｉｎｅ）の上面は一般に絶縁体、例えば窒化シリコンによって覆われ、配線の底面及び側面はライナ、例えばＴａＮ／Ｔａによって覆われる。Ｃｕ配線は層間のバイア（ｖｉａ）を通して他の配線に接続される。上面のＣｕ／窒化シリコンの界面における拡散はＣｕ中が主であるから、エレクトロマイグレーション束は、δsを界面領域の有効厚さ、及びｗを配線幅として、面積δsｗ内の上部界面に拘束される。一定の配線電流密度ｊにおいて、界面領域を通るように流れるエレクトロマイグレーション束の相対量は、ｈを配線の厚さとして、界面面積を配線面積で割った比、δsｗ／（ｗｈ）、すなわちδs／ｈに比例する。Ｃｕのエレクトロマイグレーション寿命τは、ΔＬ／Ｖｄ＝ΔＬｈｋＴ／（δsＤｓＦｅ）となるが、ここで、ΔＬは故障を発生させる臨界ボイド長、Ｖｄはボイドの成長速度、Ｄｓは界面拡散率、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、及びＦｅは界面におけるエレクトロマイグレーションの駆動力である。ΔＬは一般に層間バイアのサイズに等しい。上式は、寿命が界面拡散率Ｄｓによって支配されることを示す。構造体サイズをより小さな寸法（より高い電流密度及びよりいっそう多くのエレクトロマイグレーションをもたらす）に縮小するときにＣｕチップを十分に活用するためには、界面に沿った速い拡散経路（Ｄｓ）を変えなければならない。本発明の意図と目的は、ダマシン構造におけるＣｕ配線の上面の性質を、速い拡散を減らすように変更することである。このことは、エレクトロマイグレーション又は応力により誘起された故障の減少による回路の寿命（信頼性）の増加をもたらすであろう。
【０００３】
特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載のＣｕダマシン・プロセスにおいては、バイア及びトレンチが絶縁体材料中にエッチングされ、金属が堆積されてこれらの空洞を埋め、そして化学的機械研磨（ＣＭＰ）を用いて過剰の金属が除去されて金属のバイア及び配線が形成される。金属充填、即ち、金属ライナ、Ｃｕシード層及びＣｕメイン導体は、物理的気相堆積法及び電気メッキ蒸着技術の組合せによって作られる。Ｃｕ相互接続（配線及びバイア）は誘電体中に埋込まれる。Ｈｕ他（非特許文献２）は、Ｃｕ相互接続が、メインのＣｕ導体に加えて金属と絶縁体（誘電体）の密着／拡散障壁層を必要とすることを報告した。特許文献４は、エレクトロマイグレーションとＣｕ配線の応力誘起マイグレーションを減らすために、ＣｏＷＰ、ＣｏＳｎＰ、ＣｏＰ、Ｐｄ、ＣｏＢ、ＣｏＳｎＢ、Ｉｎ、ＮｉＢ及びＷの選択された群からの無電解の選択的堆積膜をＣｕ表面上に使用することを開示している。Ｅ．Ｇ．Ｃｏｌｇａｎは、Ｃｕのヒロック形成の抑圧及び酸化の防止のためにＣｕダマシン配線をキャップするための選択的ＣＶＤ−Ｗ膜を報告した（非特許文献３）。特許文献５は、熱的アニーリング及び選択的ウエットエッチングによってＴｉＮ（Ｏ）を形成するためにＴｉ／Ｃｕ及びＣｕ（Ｔｉ）合金を用いることを教示している。特許文献６は、Ｃｕと窒化シリコンの間の密着性を改良するためのＣｕシリサイドの使用法を教示している。特許文献７は、Ｃｕダマシン・プロセスのエッチング・ストップとして、５０ないし２００ｎｍの厚さのＴｉＮブランケット膜をＣｕダマシン配線の上部に用い、次いでフォトレジストを用いてＴｉＮをパターニングし、そしてエッチングするという方法を教示している。特許文献８は、トレンチ／ホールを埋めるために純（ｐｕｒｅ）Ｃｕを用いる通常の電気メッキ法を、Ｃｕ（Ａｌ）合金を用いることに拡張している。特許文献９は、Ｃｕ又はＡｇの処理におけるメイン導体の電気メッキを改善するための、種々の堆積技術を用いた多重Ｃｕシード層の使用法を開示している。特許文献１０は、エレクトロマイグレーションに対する抵抗力、及びＣｕ相互接続の密着性／表面特性を改良するためのＣｕ合金シード層の使用法を教示している。特許文献１１は、Ａｌ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＺｎの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を含む銅合金の使用法を開示している。特許文献１２は、Ｉｎ、Ｃｄ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｚｒ及びＨｆの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を０．０００３から０．０１の間の重量パーセント含む銅合金の使用法を開示している。特許文献１３は、Ｐ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｃｒ及びＺｎの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を０．０３から０．５重量パーセントの不純物濃度で含む銅フォイルを、フィルムキャリアの用途のために使用する方法を開示している。特許文献１４は、銅合金の強度を増すために、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｐ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｙ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｂ、Ｈｆ、Ｍｏ及びＣの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を含んだ銅合金の使用法を開示している。しかし、これらのどの従来技術も、酸素に関して負の高い還元電位と、銅との化合物形成能力との両方を持つ金属元素の選ばれた群から、銅の上面に０．５から５ｎｍの非常に薄い層を直接堆積することによって構築されたＣｕ相互接続の使用法については開示していない。この新しいイノベーションの使用は、ＣｕＵＬＳＩオンチップ配線を次世代に拡張できるようにＣｕ相互接続を改良するであろう。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，９５４，１４２号
【特許文献２】米国特許第４，７８９，６４８号
【特許文献３】米国特許第４，７０２，７９２号
【特許文献４】米国特許第６，３４２，７３３号
【特許文献５】米国特許第５，４４７，５９９号
【特許文献６】米国特許第５，４４７，８８７号
【特許文献７】米国特許第５，６９３，５６３号
【特許文献８】米国特許第５，９６８，３３３号
【特許文献９】米国特許第６，１３６，７０７号
【特許文献１０】米国特許第６，１８１，０１２号
【特許文献１１】米国特許第５，０２３，６９８号
【特許文献１２】米国特許第５，０７７，００５号
【特許文献１３】米国特許第５，００４，５２０号
【特許文献１４】米国特許第４，７４９，５４８号
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  １９９９  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、p．１９７
【非特許文献２】Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ，２６２，p．８４−９２，１９９５
【非特許文献３】Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ，２６２，p．１２０−１２３（１９９５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、ＣｕＵＬＳＩオンチップ配線を次世代に拡張できるように集積回路のＣｕ相互接続を改良することである。
【０００６】
本発明のもう一つの目的は、エレクトロマイグレーション及び腐食に対する抵抗力を改善し、密着性を増し、そして応力により誘起されたボイド発生を減らすために、０．５ないし５ｎｍの厚さの金属層で直接コーティングされた配線の上面を有するＣｕダマシン相互接続構造体を提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、速い拡散を減らしてエレクトロマイグレーション又は応力誘起故障の減少による回路寿命（信頼性）の増加をもたらすように、集積回路中のダマシン構造内のＣｕ配線の上面の特性を変更することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に従って、エレクトロマイグレーション及び腐食に対する抵抗力を改善し、密着性を増し、そして応力により誘起されたボイド発生を減らす、０．５ないし５ｎｍの厚さの金属層で直接コーティングされた配線上面を持ったＣｕダマシン相互接続構造体が提供されている。
【０００９】
好ましい実施形態において、電子デバイスとの電気的連通を与えるのに用いられるＣｕ相互接続は、実質的に銅又は銅合金の導体と、Ｃｕ配線の上面及び誘電体材料の両方の上に堆積された金属の２から２５の原子層に等価な０．５から５ｎｍの膜とから形成される本体を含む。誘電体材料上に堆積される選ばれた金属は金属酸化物に転化することになる。その薄層は、Ａｌ、Ｃａ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｒ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、及びＺｒの選択された群からの少なくとも一つの元素で形成される。
【００１０】
本発明のさらなる有益性と利点は、本発明の好ましい実施形態を明示する添付図面を参照して与えられる、以下の詳細な説明を考察することから、明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
通常のＣｕ相互接続の断面の略図が図１に示されている。電子構造体１は、典型的な３層のＣｕデュアルダマシン相互接続を含む。ダマシン構造の基本的な層である、密着／拡散金属ライナ（例えば、ＴａＮ／Ｔａ、ＴａＴｉ）１２と、Ｃｕ導体の本体１３と、誘電体層（ＳｉＯ２、低誘電率材料）１５と、密着／拡散誘電体層（例えば、ＳｉＮＸ）１６とが示されている。局所的な相互接続Ｗ  Ｍ０は、層間バイアＣＡによって第一層のＣｕ配線Ｍ１に接続されている。第２層のＣｕＭ２配線はＭ１に及び第３層のＣｕ配線はＭ３に、それぞれ、Ｃｕ配線間でショートを起こさないように下層の誘電体層中に埋込まれたＶ１及びＶ２のバイアによって接続されている。
【００１２】
オンチップＣｕ相互接続におけるエレクトロマイグレーション、応力により誘起されたマイグレーション、腐食及び密着の問題は、全てＣｕダマシン配線の上面の特性に関係する。速いＣｕの表面拡散、保護用の自然Ｃｕ酸化物の欠如、及びＣｕと誘電体材料の間の不十分な結合エネルギーは、Ｃｕオンチップ相互接続の信頼性の問題を生じる。図２及び図３は、デュアルダマシン・プロセスと、Ａｌ、Ｃａ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｒ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒの選択された元素群から形成される０．５から５ｎｍの薄層でキャップされたＣｕ配線と、によって形成されるＣｕ相互接続の二つの実施形態の略図である。選ばれた元素は、酸素及び水に関する負の高い還元電位（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）、Ｃｕ中への低い溶解度、及びＣｕとの化合物形成、に基づいて選ばれている。これらの元素は、Ｃｕ配線間のショートを引き起さずに、下層の誘電体層内に埋込まれたＣｕ配線の上面に直接堆積できる。これらの材料がＣｕ配線に隣接して配置された誘電体表面の上面上に堆積するとき、それら材料は直ぐに酸化されるか、或いは次のステップで酸化され得る。一旦それら材料が酸化されると、それらはもはや導電性ではなく、近くのＣｕ配線及び構造体の間の電気的接続又はショートをもたらすことはできない。さらに、上記の選択された群のうちで、どの元素がＣｕのエレクトロマイグレーション寿命を長くできるか、応力により誘起されたボイド発生及び腐食を減らせるか、そして密着強さを増せるか、を見いだすために連続した実験も行われた。特にＳｂの金属キャップ層を持つＣｕダマシン配線は、キャップ層を持たないＣｕ配線に関して報告されているいかなる事例よりも遥かに良好なエレクトロマイグレーションに対する信頼性（即ち、エレクトロマイグレーション効果に対する抵抗力）を達成できる。
【００１３】
図２及び図３に、本発明に係るＣｕデュアルダマシン配線１３が形成されている３層相互接続２０及び３０が、それぞれ示されている。０．５ないし５ｎｍの厚さの層２２でキャップされたＣｕ配線、及び配線１３の間のＣｕ配線の酸化物２３が図２に示されている。酸化物２３は、この発明された構造においては、利用することもできるし、或いは除去することもできる。誘電体層１５は、ＳｉＯ２または他の低誘電率（ｋ）材料もしくはその両方であり、誘電体の拡散−密着障壁層１６は、ＳｉＮＸ又は他の低ｋの材料である。図３は、配線間に酸化物２３のない、キャップされたＣｕ２２だけを有する相互接続を示す。金属ライナ、典型的にはＴａＮ／Ｔａである耐熱元素またはそれらの窒化物１２もしくはその両方もまた図２及び３に示されている。層２２及び２３は、層１６又は１５の堆積プロセスの前に、Ｃｕダマシン配線１３の上面に選ばれた元素を直接堆積することによって得られる。
【００１４】
本発明の過程で、Ｃｕ配線の上面への選ばれた元素の堆積に関して、ウェハの温度（Ｔ）が決定的に重要であることが分かった。これは、化学的機械研磨（ＣＭＰ）の終了時に、新鮮な研磨されたＣｕ表面を腐食又はウエットエッチングから防御するためにＣｕ表面に塗布される、ＢＴＡとして知られる材料の薄い高分子層の存在によるものである。Ｃｕダマシン配線１２がＣＭＰによって形成された後、ウェハは真空中でＩｎ、Ｓｎ、及びＡｌについては２００℃に、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＶについては３００℃又はそれ以上に加熱された。これらの温度では、ＢＴＡは部分的に表面から熱的に追い出され、そして薄い金属膜（Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＶの）の堆積はＣｕ表面上の残りのＢＴＡ保護層を壊すであろう。一旦抑制物質（ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ）が除去されると、選ばれた元素は、堆積プロセスの間、Ｃｕ配線の表面と反応して金属間化合物を形成することになる。それらの元素は、真空中で物理的気相堆積法（ＰＶＤ）（スパッタリング）か、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）か、或いは原子層堆積法（ＡＬＤ）によって、そうでなければ電気メッキ槽内の真空チャンバの外で堆積することができる。これらのＣｕ−リッチの表面化合物はＣｕ配線の腐食を制限する保護層を提供できる。より重要なことには、それらの化合物はＣｕ配線構造体と次に堆積される上層の誘電体材料との間の結合を改良する。このことは、Ｃｕ−誘電体界面に沿ったＣｕの拡散を大いに減少させる。それらの元素はまた、Ｃｕ配線中に拡散してＣｕの結晶粒界を強化する。堆積された金属膜（０．５から５ｎｍ）が非常に薄いことは、バルクのＣｕ中での添加金属種の全バルク組成が低くとどまることを意味し、そのことが電気抵抗のどんな増加をも最小限にするであろう。
【００１５】
誘電体層の上面に堆積した薄い金属層は、極めて薄く、０．５ないし５ｎｍの厚さしかなく、そして酸素に関して負の高い還元電位を持つので、堆積と同時に自発的に、或いは堆積後に空気及び湿気に曝されることによって、完全に酸化物に転化するであろう。一旦酸化物に転化すると、キャップ膜は配線間のショートを引き起さない。バルクの誘電体領域上の、反応した誘電体キャップ膜は、後の層間バイア・プロセスのためのエッチング・ストップとして残してもよく、或いは選択的なウエットまたはドライエッチング・プロセスもしくはその両方によって除去してもよい。もし、Ｃｕ配線の表面にあるＣｕ化合物層が酸素又は水へ曝すプロセスの間に酸化されるならば、自然酸化物はスパッタ・エッチングか、ウエット化学洗浄か、或いは後の反応性金属膜又はライナの堆積によって除去できる。
【００１６】
０．２８μｍ及び０．５１μｍ幅の配線のときのＣｕ配線の抵抗を、挙げられた多くのコーティング用元素、ウェハの堆積温度及び試料のアニーリング温度の関数として測定する実験が行われた。例えば、ウェハ温度２５℃で１０−７Ｔｏｒｒにおいて、電子銃による蒸発（ｅ−ｇｕｎ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を用いて、二酸化シリコン誘電体中に埋込まれたＣｕ配線上に、元素Ａｌ及びＴｉが４ｎｍの厚さに堆積された。堆積の後、Ｃｕ配線抵抗に計測可能な変化はなく、また試料をヘリウム中で１時間４００℃においてアニールした後もＣｕ配線にはなんの変化も見られなかった。Ｔｉ及びＡｌは室温での堆積の間にＣｕと反応しなかったので、全てのＡｌ及びＴｉは、真空を破った後に空気／水と反応して金属表面酸化物を形成した。一旦酸化物が形成されると、Ｔｉ及びＡｌの酸化物はＣｕと反応せず、或いはＣｕ中に拡散しないので、計測できるほどの配線抵抗の増加はなかった。しかし、Ｃｕ表面上のＡｌまたはＴｉもしくはその両方の酸化物膜はＣｕ相互接続の信頼性を改善することはできない。次に、２００℃でＡｌを堆積したとき、ＡｌとＣｕの間の反応及び相互拡散が起こり、Ｃｕ配線抵抗の増加をもたらす。４ｎｍの厚さのＡｌ又はＩｎの膜はＣｕ配線抵抗を１８％も増加できる。このことは、Ｔｉ又はＡｌとＣｕとの間の反応及び相互拡散が堆積プロセスのステップ中に起っていることを示唆する。
【００１７】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）及びエネルギー分散ｘ線分光法（ＥＤＳ）が、Ｓｂ及びＩｎでキャップされたＣｕ配線を調べるために用いられた。厚さ１ｎｍのＳｂでキャップされた試料の検査において、ＳｂをドープされたＣｕからなるＣｕ配線の上面に、約２６ｎｍの厚さの層が見いだされた（図４及び５を参照）。この層には小さな転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）ループが密に詰まっているように見える。厚さ２６ｎｍの変成層の下の配線中のバルクＣｕも、通常の双晶欠陥（ｔｗｉｎｎｉｎｇ  ｄｅｆｅｃｔ）に加えて、小さな伸びた転位を含んでいる。この層の化学分析は、Ｓｂが非常に低い濃度で欠陥領域内に分布していることを示している。Ｓｂが転位ループに隔離されているのか、或いは、この領域のＣｕの中に一様に分布しているのかは、このデータセットからは識別できない。
【００１８】
図６に示される薄いＩｎでキャップされたＣｕ配線のＴＥＭ検査は、入れ子の領域又は配線密集領域においてＩｎの分布が配線ごとに大きく変動することを示している。Ｃｕ配線に隣接する誘電体表面は酸化インジウムであることが分かる。ＩｎをドープされたＣｕの表面層は歪んでいるが、Ｓｂでキャップされた試料程の大きな歪みではない。
【００１９】
Ｃｕの表面拡散に対する、炭素、酸素、窒素、及びＨ２Ｓなどの不純物の影響が報告されている。測定された表面拡散の値は、拡散が起こる雰囲気に強く依存する。Ｃｕの表面拡散率は一般に水素雰囲気中よりも酸素又は真空環境における方が高い。このことは、酸素が表面不純物の抑制効果を取り除くことを示唆する。しかし、Ｃｕ表面上の金属不純物はあまり報告されていない。特許文献４は、Ｃｕ表面上のＣｏＷＰ、ＣｏＳｎＰ、又はＰｄの無電解の選択的堆積膜が、エレクトロマイグレーションに対する抵抗力を実質的に増加させることを報告している。Ｃｕ中のエレクトロマイグレーションに対して不純物が持つ影響を理解するために、Ａｌ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｒｅ、Ｃｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｉ、又はＺｒの、厚さ１から３ｎｍの膜を、二酸化シリコン中に埋込まれた個々のＣｕ配線の表面上に直接堆積した。Ｗ下層配線上の０．１８μｍ幅の竹状（ｂａｍｂｏｏ−ｌｉｋｅ）のＣｕデュアルダマシン配線からなる２層構造のエレクトロマイグレーション寿命を測定した。試料は、形成ガス（Ｎ２＋５％Ｈ２）の１０から３０Ｔｏｒｒのチャンバ圧力において真空炉中で試験された。その結果、Ｃｕ上のＡｌ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｃｏ、Ｗ、Ｖ、及びＺｒのキャップ層はＣｕのマイグレーション速度にほとんど影響しないことが示された。これに対して、ＭｇとＳｉはＣｕのエレクトロマイグレーション寿命を縮めることになる有害な影響を持つ。しかし、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｉｎ及びＳｂはＣｕの寿命を延ばし、そしてＳｂがエレクトロマイグレーション損傷に抵抗して最も良く機能することが分かった。理論的予測によれば、配線のカソード端におけるＣｕボイドの成長速度は、Ｍ１配線の端が完全な遮断境界のＷ配線に接続しているので、Ｃｕのドリフト速度に等しい。従って、これらの試料から引き出される活性化エネルギーは、Ｃｕのエレクトロマイグレーションの表面拡散の活性化エネルギーに等しい。１／Ｔの関数としての寿命の中央値（メジアン）が図７にプロットされている。Ｓｂキャップ層がある場合とない場合のＣｕ表面拡散のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーは、それぞれ１．１ｅＶと０．８４ｅＶとなることが見いだされている。Ｓｂ及びＩｎのキャップを持つＣｕ中のエレクトロマイグレーションの影響は、Ｃｕの上表面（図５及び６に示されている）におけるＳｂ又はＩｎリッチの領域の存在と互いに関係する。Ｃｕの上表面に沿った通常の速い拡散経路は、Ｓｂ又はＩｎの不純物によって減速される。Ｃｕの移動度が減少するので、応力により誘起された力によるマスフロー（ｍａｓｓ  ｆｌｏｗ）が減少するはずである。Ｃｕ配線における応力により誘起されたボイド発生は、Ｉｎ又はＳｂのキャップを持ったＣｕ配線に対しては劇的に減少するはずである。
【００２０】
ここで開示された本発明は、上述の目的を達成するために良く適合されていることは明白であるが、多くの変更と実施形態が当業者によって考案されうることが理解されるであろう。そして、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神とその範囲内にあるとき、それら全ての変更と実施形態を包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ｃｕダマシン相互接続の断面の略図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＣｕダマシン相互接続の断面の略図である。
【図３】図２における金属酸化物層が選択的に除かれている、本発明の実施形態に係るＣｕダマシン相互接続の断面の略図である。
【図４】転位ループを含んだ厚さ２６ｎｍのＳｂリッチ層が示されている、３００℃で堆積された１ｎｍのＳｂでキャップされたＣｕ配線の断面のＴＥＭ像である。
【図５】１ｎｍのＳｂでキャップされたＣｕ配線の断面のＴＥＭ像（左）と、Ｃｕ上面を横断してスキャンされたｘ線からのＳｂ及びＣｕの強度カウント（右）を示す図である。
【図６】３ｎｍのＩｎでキャップされたＣｕ配線の断面のＴＥＭ像（左）と、Ｃｕ上面を横断するＩｎとＣｕの強度カウント（右）を示す図である。
【図７】０．１８μｍ幅のＣｕダマシン配線のエレクトロマイグレーション寿命の中央値の１／Ｔに対するプロットを示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１２：Ｃｕダマシン配線
１３：Ｃｕ導体
１５：誘電体層（誘電体材料）
１６：密着／拡散誘電体層（障壁層）
２０：３層相互接続
２２：キャップ層
２３：酸化物層
【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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【図６】
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【図７】
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