(57)【要約】本発明は、半導体本体上に銅金属配線を設ける方法を提供するもので、窒素含有銅種層を形成するために窒素含有雰囲気内で銅を堆積し、そしてこの種層上に銅金属配線を形成する工程と、そして、さらに、窒素を放出して半導体本体から種層を分離するバリア層の一部を形成するために種層を加熱する工程とを備える。
2005524219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に銅金属配線を備え、該銅金属配線が種層と銅金属配線層とを有する電子装置の製造方法であって、
窒素含有銅種層を形成するために窒素含有雰囲気内で銅を堆積する工程と、
前記窒素を放出して前記基板から前記種層を分離するバリア層の一部を形成するために前記種層を加熱する工程と、その後に、
前記種層上に前記銅金属配線層を設ける工程とを備えた製造方法。
【請求項２】
前記銅種層の堆積の前に、前記放出された窒素が一部を形成するバリア層が堆積される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記種層は１５０°Ｃを越えた温度に加熱される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記種層は３００°Ｃ乃至５００°Ｃの範囲の温度に加熱される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記窒素含有雰囲気は窒素源としてＮ２を含む雰囲気である請求項１乃至４いずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記銅種層は、いずれか一方のみが前記窒素含有雰囲気内で形成される少なくとも二つの副層を有する請求項１乃至５いずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記窒化バリア層は、窒化チタニウム又は窒化タンタルを有する請求項１乃至６いずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記窒素含有銅層から前記窒素を放出することにより濃縮される窒化物又は窒化材料を形成するいかなる適切な金属からも前記バリア層が形成される請求項１乃至７いずれかに記載の方法。
【請求項９】
金属窒化物を有するバリア層と銅金属配線とのスタックが基板上に存在し、前記バリア層と前記銅金属配線とが相互界面を有する電子装置であって、前記界面を介しての窒素の拡散の結果として前記界面のある領域内において前記バリア層が窒素を豊富に有することを特徴とする電子装置。
【請求項１０】
拡散前に１５乃至２５原子％の窒素含有銅種層を前記界面近傍に有する銅金属配線から得ることができる請求項９に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に銅金属配線を備え、銅金属配線が種層と銅金属配線層とを有する半導体装置の製造方法であり、窒素と銅を含む種層を形成するために窒素含有雰囲気内で銅を堆積する工程と、この種層上に銅金属配線層を形成する工程とを備えた製造方法に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、金属窒化物を有するバリア層と銅金属配線とのスタックが基板上に存在し、バリア層と銅金属配線とが相互界面を有する電子装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
金属配線層と金属配線パスにより集積回路内に接続性をもたせることは良く知られている。半導体産業において良く用いられつつある金属配線材料の一つが銅である。しかし、銅は各種材料、特に、酸化物等の誘電体材料を介して素早く拡散することが見られるという点で不利なことがある。
【０００４】
従って、銅金属配線を採用しようとする半導体構造では、銅金属配線を半導体本体の下部材料から分離し、半導体本体内へのそのような拡散を防止するためのバリア材料を備えている。窒素を含むバリア層がよく選択されるが、そのようなバリア層と、次に行われる銅金属配線層の電気堆積の前にバリア層上に堆積される銅種層との間に達成される付着の程度に関し欠点がある。さらに、そのような構造の一部となる銅金属配線部分によりもたらされるシート抵抗に関する欠点もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
米国特許番号６，１７４，７９９は、冒頭に記載した種類の電子装置とこれに対応する製造方法とについて開示している。この知られている方法では、種層が銅と、マグネシウム、錫又はアルミニウムとの合金を有している。この種層は、窒素含有量が一定でない種層を設けるために、種堆積が進むに従い濃度が減少する窒素雰囲気内で堆積される。この窒素含有量の変化は、バリア層に最も近い種層の領域が高窒素含有量を有し、これに対し、バリア層から遠い領域、即ち、銅金属配線が電気堆積される表面を形成する領域が低窒素含有量を有し、又は全く窒素を有しないというようなものである。あるいは、種層が窒素含有量が異なる三つの副層を含むこともできる。バリア層と銅金属配線層との両者に対する種層の適切な付着性が達成されることが考えられる。
【０００６】
この知られている方法の欠点は、必要以上に、特に、窒素含有量が一定でない種層を得るための窒素雰囲気制御を必要とすることに関し、複雑であるということである。
【０００７】
従って、本発明の第一の目的は、上述のような方法であって、窒素雰囲気制御を必要とせず、それにも関わらず、バリア層と銅金属配線層との両者に対する種層の適切な付着性を与える方法を提供することである。
【０００８】
本発明の第二の目的は、冒頭に記載したような電子装置であって、バリア層と銅金属配線との間に適切な付着性がある電子装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記第一の目的は、前記銅金属配線を形成する前に、前記積層に含まれる前記窒素を放出して前記基板から前記種層を分離するバリア層の一部を形成するために、前記種層を加熱することにより達成される。
【００１０】
前記第二の目的は、前記界面を介しての窒素の拡散の結果として前記界面のある領域内において前記バリア層が窒素を豊富に有することにより達成される。
【００１１】
前記種層を加熱することにより、窒素を含む銅が効果的に崩壊し、これによりシート抵抗が効果的に減少し、これと共に必要な窒素の放出も行われる。バリア領域が銅種層とさらに後で堆積される銅金属配線層とが半導体本体内に拡散するのを防止するのに、この放出された窒素が基板下部領域を効果的に窒化させる。このバリアの機能性の効果的な改善はあるべき位置にすでに存在する銅種層により現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）で達成される。従って、必要な半導体本体に対する銅種層の付着が、効果的なバリア層を提供するために必要な下部領域の窒化の前に達成される。
【００１２】
本発明の方法においては、銅金属配線層が設けられる前に種層が加熱される。もし、加熱が後段階で行われると、それは作用しなくなる。銅金属配線層は、通常、電気メッキで設けられ、そして、その後、化学機械研磨により研磨できる。もし、加熱が電気メッキの後で行われると、加熱の作用でこの銅金属配線層を加熱させてしまうことになる。これにより、結晶化が再度起こることもあり、銅金属配線層に亀裂が入ることもありうる。もし、加熱がいかなる後段階でも行われると、窒素の拡散が効果的に行われなくなる。
【００１３】
本発明の方法は、電子装置の製造において、二回乃至それ以上度々行ってもよい、銅金属配線の加熱工程に対する感度は、研磨により余分な銅金属配線が除去された後に欠陥が生じるほどには高くない。従って、第一金属配線を設け、窒素が効果的に拡散される加熱工程を行い、そして、その後、第二金属配線を設け、第二金属配線の種層の窒素が効果的に拡散される加熱工程を行うことが可能になる。
【００１４】
窒素をバリア層に拡散させるために種層堆積直後に加熱工程を行うのが好ましいが、この拡散は、他の方法、例えば、高圧下で触媒の存在下で行うこともできる。
【００１５】
拡散、そして、その後の下部基板の窒化又は窒化物濃縮により、バリア層と銅金属配線との間の界面に窒素含有量が次第に変化する領域が成長する。その結果、バリア層と銅金属配線との間の付着性が良好になる。種層と銅金属配線との間の付着性は、銅種層からの窒素の拡散によっても良好になる。銅種層の窒素含有量の選択により付着性が最適化される。
【００１６】
日本特許０７０９０５４６が、銅と窒素含有ガスとでターゲットをスパッタリングして得られる銅金属配線を基板上に有する半導体装置を開示している。これは、窒素含有銅金属配線が０．２乃至１７％の窒素を含むことになる。しかし、銅金属配からの窒素拡散をもたらす本発明の方法における加熱工程については開示が無い。その結果、銅金属配線は優れた酸化抵抗を示すかも知れないが、しかし、本銅金属配線のような低い電気抵抗は有さない。
【００１７】
この方法の有利な変形例においては、銅種層堆積前に、放出される窒素が一部を形成するバリア層が堆積される。この変形例を用いると、ディスクリートなバリア層が、窒化のために特別に準備されたいかなる適切な材料からも形成することができ、又は、効果的に濃縮することができる窒素を既に含むものとしてもよい。バリア層は窒化チタニウム又は窒化タンタルを含むことが好ましい。バリア層は窒素含有量が異なる複数の副層を有してもよい。効果的なバリア層は、例えば、タンタル、窒化タンタルそして、加熱工程中に窒化されるタンタルのスタックである。
【００１８】
窒素含有雰囲気は、例えば、Ｎ２、Ｎ２Ｈ２、ＮＨ３，ＮＯ等の窒素を含むガスで、これらに不活性ガスを加えてもよい。なるべく、窒素含有雰囲気は、１モル当たり２０グラム又はこれ以下の平均モル質量を有する軽量ガスがよい。そのような軽量ガスを用いると窒素含有層のカバリッジ（ｃｏｖｅｒａｇｅ）が十分となることが分かった。そのようなガスの例は窒素源の次にＮｅ、Ｈｅ、Ｈ２，ＣＨ４を含んでもよい。さらに、アルゴンと窒素を混合し、アルゴンが低含有量の、例えば、８０ｖｏｌｕｍｅ％のＮ２と２０ｖｏｌｕｍｅ％のＡｒを混合したものでもよい。
【００１９】
この方法のさらなる変形例においては、窒素含有雰囲気は窒素源Ｎ２を含む雰囲気である。純窒素ガスを用いると良い結果が得られることが分かった。そのような良い結果は、他の窒素含有雰囲気でも得られるが、１５乃至２５ａｔ％、特に、約２０ａｔ％の窒素を含有する種層の堆積を含む。窒素とネオンの混合が最も好ましい。ネオンはモル量が少ないので基板のカバリッジが優れたものになる。
【００２０】
他の変形例では、銅種層は少なくとも一つが窒素含有雰囲気内で形成される少なくとも二つの副層を有する。これは、窒素雰囲気内で形成される銅種層の一部のみ又は一つの副層のみが必要という点で有利である。それは、さらに、次なる構造そして処理工程に柔軟性を与えるという点でも有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以後、添付図を参照して例を示すことのみにより本発明を詳細に説明する。
【００２２】
理解されるように、本発明の電子装置は半導体装置であってもよい。しかし、この電子装置はキャパシタ、インダクタのパッシブ・ネットワークであってもよい。この分野の当業者により知られる別の装置としては、通常、基板上に複数の層を備えた薄膜装置があり、これらも本発明の範疇に入る。本発明が関わる銅金属配線工程は、通常、半導体本体上へのバリア膜の堆積とその後の銅種層のスパッタ堆積を含む。そのような実施形態では、銅種層の堆積の後に銅金属配線層の電気化学堆積が行われる。
【００２３】
当業者であれば誰でも理解できるように、この出願のコンテキストにおいて、用語“基板”は、その上にバリア層及び/又は種層が堆積されるいかなる層又は複数層のスタックも含む。これは、特に、その中に複数の半導体素子が確定され、一つ乃至複数の絶縁そして相互接続層により覆われることもある半導体基板も含む。さらに、この基板は平坦な表面を有する必要は無いことは理解されるところである。実際、それは、ダマシン又はデュアルダマシン構造内に銅金属配線が堆積された後の結果としてのパターン化された絶縁層であってもよい。
【００２４】
本発明においては、しかし、銅種層の少なくとも一部が、混合ガス、例えば、８０％窒素（Ｎ２）と２０％アルゴン（Ａｒ）との混合ガス、又は、窒素（Ｎ２）とヘリウム（Ｈｅ）との混合ガスがほぼ軽量の作動気体となるが、好ましくは純窒素雰囲気内で堆積される。このようにして、約２０％の窒素を膜内に含む窒素含有銅膜が堆積される。この膜は例えば、１５０乃至３００°Ｃの範囲の温度で効果的に崩壊し、これにより１/１０を越える抵抗の減少となり、そして重要なこととして、窒素が放出される。この窒素放出が下部バリア膜を窒化させ、そして、銅が半導体本体内に拡散するのを防止するのに効果的に働く。この種層は、例えば、ＷＯ−Ａ０１/６１８４７に記載されているパッシブ・ネットワークのシリコン基板上に第一層として効果的に用いることができる。
【００２５】
従って、本発明は、窒化物を形成することができるいかなる適切な金属/合金膜、又は、窒素内で濃縮されうる既に存在する窒化膜にも効果的に適用できることが理解されるであろう。例えば、そのような膜は、チタニウム又はタンタル膜、又は、窒化タンタルのような窒化物を含む。このようにして形成されたバリアから銅拡散の特性が、特に、現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での形成の容易性と、既に覆うっている銅種層の存在との関わりで効果的なものとなる。
【００２６】
そのような通常のアスペクトが図１Ａ、１Ｂに示されている。これらの図面は、ラサフォード後方散乱スペクトログラム（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍｓ）であり、正規化されたイールド（ｙｉｅｌｄ）Ｙがバックスキャタリング・エネルギーＥ（ＭｅＶ）の関数として与えられている。スペクトログラムは層上に２ＭｅＶのエネルギーのヘリウム（Ｈｅ）束を供給して得られた。後方散乱のエネルギーは層中の原子の原子量を示す。正規化されたイールドＹが、与えられたヘリウムの単位毎に戻るヘリウム数として規定され、この数は特定原子に強く依存する。図において、実験結果が実線で示され、シミュレーション結果が点線で示されている。
【００２７】
図１Ａ、１Ｂは種層について得られたものである。図１Ａは、加熱前に窒素含有雰囲気内でスパッタリングを介して得られた種層のスペクトラムを示している。図１Ｂは、加熱が行われた後の種層のスペクトラムを示している。図１Ａ、１Ｂを比較して見ると、銅種層の窒素量が大幅に減少していることがわかる。この減少を分析すると、特にこの例では、約２０Ｘ１０１５Ｓｉ３Ｎ４/ｃｍ２の量が銅−シリコン界面に存在するであろうという結論に達する。図ではさらに、幾らかの炭素と酸素が存在していることが見られる。酸素は銅からＣｕＯへの多少の酸化に起因し、炭素はヘリウム束内に存在するものと考えられる。
【００２８】
図２は、１５０ｎｍ厚みの純銅と３０ｎｍ厚みの窒素含有銅の各層をシリコン基板上に設けた実験結果を示す。この図において、正規化シート抵抗は、それら層を有する基板を炉内で加熱した炉温度の関数として設定されている。実験開始時にシート抵抗を１に設定すると、純銅は、直ちにシリコン基板中に拡散するため、そのシート抵抗は著しい増加を示す。ところが、窒素含有膜は、窒素放出に伴いそのシート抵抗は減少を示す。有利な点として、５００°Ｃの領域の炉温度までシリコン上に安定した銅膜が見られ、これは、銅にとって拡散バリアとして働くシリコンの現場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）窒化が有利に働いた結果である。その結果、冷却後のシート抵抗が低く保たれる。
【００２９】
図３は、純銅と窒素含有銅の各層をシリコン上の１０ｎｍ厚みのチタニウム上に設けた実験結果を示す。このグラフでは、正規化シート抵抗が炉温度の関数としてプロットされている。銅とチタニウムとの拡散のために、温度と共に銅のシート抵抗が増加し、一方、窒素含有銅膜が再度最初にシート抵抗の減少を示し、そしてその後、温度５５０°Ｃまで安定したシート抵抗を示している。従って、窒素の存在が銅とチタニウムとの相互拡散を効果的に防止するのが見られる。
【００３０】
図４は、本発明の半導体装置の一実施形態を示す。複数の半導体素子、例えば、電界効果型トランジスタ又はバイポーラトランジスタを含む基板１００が図示しない絶縁層により覆われている。この絶縁層はフォトリソグラフィ的にパターンニングされ、そしてその後、トレンチを確定するためにエッチングされる。その後、化学蒸着により、ＴａＮのバリア層１２１が（５ｎｍＴａ、１５ｎｍＴａＮそして５ｎｍＴａのスタックとして）堆積される。この後、銅を含む２００ｎｍ厚みの種層１２２が堆積される。最初の１５ｎｍがＮ２雰囲気内でのスパッタリングを介して得られ、次の１８５ｎｍがＡｒ雰囲気内でのスパッタリングを介して得られる。３０分間３００°Ｃで加熱した後、銅を電気メッキして銅金属配線層１０１を成長させ、そして、その後、化学機械研磨で磨く。そして、別のバリア層１１４が堆積される。その後、良く知られているダマシン技術で別の銅金属配線層１０２が設けられる。絶縁層１０６，１０７が設けられパターンニングされた後、両者がハードマスク１０８で分離され、バリア層１２３が設けられる。その上に種層１２４がスパッタリングされ、そして加熱されてバリア層１２３内に窒素を拡散させ、従って、バリア層１２３が窒素で濃縮される。その後、電気メッキにより銅金属配線層１０２が成長される。
【００３１】
本発明は、半導体本体上に銅金属配線を設ける方法を提供するもので、窒素含有銅種層を形成するために窒素含有雰囲気内で銅を堆積し、この種層上に銅金属配線を形成する工程と、さらに、窒素を放出して半導体本体から種層を分離するバリア層の一部を形成するために種層を加熱する工程とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】加熱工程の前にシリコン上に形成される窒素含有銅膜のＲＢＳスペクトラムを示すグラフである。
【図１Ｂ】図１Ａの銅膜の加熱工程後のＲＢＳスペクトラムを示すグラフである。
【図２】シリコン上の銅層と窒素含有銅層とのシート抵抗を示すグラフである。
【図３】シリコン上の１０ｎｍのチタニウム上の純銅と窒素含有銅層とのシート抵抗を示すグラフである。
【図４】この発明の電子装置の例を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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