(57)【要約】  本発明は、多機能誘電体層を基板上、特に基板上に露出している金属配線系上に形成する方法に関する。本発明の目的は、銅による配線を形成するための多機能パッシベーション層を容易に形成する方法を提供するとともに、エレクトロマイグレーション、ストレスマイグレーション、および接着性を向上させる方法を提供することにある。本発明によれば、更なる金属層（５）を、露出した金属配線（３）の表面上に堆積することによって、本発明の目的は達せられる。この金属層は少なくともその一部が非導電性の金属酸化物に変換され、誘電体層となっている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多機能誘電体層を基板上、特に基板上に露出している金属配線系上に形成する方法であって、更なる金属層（５）を露出している金属配線（３）の全面に堆積し、該更なる金属層（５）の少なくとも一部を金属酸化物（７）に変換して誘電体層とすることを特徴とする方法。
【請求項２】
金属配線（３）が基板（１）上の絶縁体に埋め込まれ、その側壁に拡散障壁が設けられており、前記更なる金属層（５）は化学的機械的研磨（ＣＭＰ）が行われた後に、露出している金属配線（３）に堆積されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
金属配線（３）は銅、アルミニウム、タングステン、金、またはその他の導電性の物質からなることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
金属層を基板上の絶縁体の全面に堆積させ、続いて該金属層をパターニングすることによって減算的な構造を持たせた金属配線（３）上に、更なる金属層（５）を堆積させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
金属配線（３）は、アルミニウム、銅、タングステン、ケイ化物、窒化物、またはその他の導電性の物質からなることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
更なる金属層（５）は基板（１）上の絶縁体の上にパターンメッキにより生成された金属配線（３）に積層されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
熱酸化、陽極酸化、プラズマ化学的酸化のうちの少なくとも１つによって、更なる金属層（５）を非導電性の金属酸化物（７）に変換することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記酸化は、２０℃から５００℃の間のバックエンドで互換性のある温度範囲で行われることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
更なる金属層（５）はＰＶＤ法によって形成されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
タンタラルが堆積されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
Ｔａ（Ｎ）が堆積されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
Ｔａ（Ｎ）/Ｔａという積層順に堆積が行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
Ｔａ/Ｔａ（Ｎ）という積層順に堆積が行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
Ｔａ（Ｎ）の代わりに、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒといった更に他の物質または更に他の物質の組合せが堆積されることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記酸化によって金属酸化物（７）からなる非導電層を形成することを特徴とする請求項１なし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記酸化の過程中に、更なる金属層（５）の領域を取り除くことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
金属薄膜抵抗器を形成するように、熱酸化が行われる前に、更なる金属層（５）の一部を被覆することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
更なる金属層（５）の前記一部は、ＳｉＯ２層またはＳｉ３Ｎ４層によって被覆されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属酸化物の一部は、ＭＩＭコンデンサに一体化されるＭＩＭ導電体として形成されることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
金属薄膜抵抗器とＭＩＭコンデンサが、個々に形成されて一体化されている、または同時に形成されて一体化されていることを特徴とする請求項１７なし１９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、基板上に多機能誘電体層を形成する方法に関し、特に、基板上の露出した金属配線系上に多機能誘電体層を形成する方法に関する。
【０００２】
これまでに開示されてきたシリコン基板に基づく半導体素子には、該シリコン基板上に銅配線を形成し、銅配線によって個々の機能層、または同じ段の機能素子同士、および違う段にある機能素子同士の電気的な接続を担っているものが多い。銅配線を使用する場合、銅原子が周囲の誘電体中に拡散して半導体素子の電気的性質が変化し、半導体素子が機能不能に到ることすらあるという際立った問題が生じる。
【０００３】
もちろん、シリコン基板の場合のみならず、その他の基板、例えば、ガラス、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、回路基板、プリント回路基板等の場合も同様に考えられる。
【０００４】
銅原子の誘電体への拡散を防ぐため、例えば、Ｔａ（Ｎ）からなる拡散障壁を銅配線の側壁として、つまり、銅配線とその周囲の誘電体（ＳｉＯ２）との間に設けることが一般に行われている。Ｔａ（Ｎ）という用語は、本明細書においては、任意の化学量論的割合で、タンタラルと、任意の割合の窒素とからなる化合物を意味しており、Ｔａ（Ｎ）によって、上記拡散が十分に防止される。
【０００５】
しかし、標準的なＣＭＰ（化学的機械的研磨）処理により銅配線のパターンニングを行った後には、銅層の表面が露出しているので、酸化から守るためにこの銅層にパッシベーションを行う必要がある。パッシベーションは、露出した配線面（銅層）に、例えばＳｉＮ−ＰＥＣＶＤ層などの好適な誘電体層を形成することによって行われる。
【０００６】
しかし、この境界面は、エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションの点で弱いという欠点がある。また、上記境界面においては、最適なボンディングができないという事実がある。この点について改良するため、例えば、露出した金属面に、電解、無電解のそれぞれの方法によってコバルトを選択的に堆積させる試みがなされたが、今日まで満足できるレベルの成功にまでは到っていない。
【０００７】
本発明の目的は、銅配線のための多機能パッシベーション層の生成を容易に行うことができるとともに、エレクトロンマイグレーションおよびストレスマイグレーション、ならびに積層された誘電体層のボンディングを向上することができる方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の目的は、上記に説明されたような方法において、露出した金属配線の全面に更なる金属層を形成し、この更なる金属層の少なくとも一部分を非導電性の金属酸化物、すなわち絶縁体に変化させることにより達成される。
【０００９】
このような方法で誘電体層と金属配線、特に誘電体層と銅層とのボンディングを大幅に向上させ、また、エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションについても大幅に向上させることができる。
【００１０】
本発明の第１の構成においては、金属配線が基板上の絶縁体に埋め込まれ、側壁に拡散障壁が設けられている。化学的機械的研磨（ＣＭＰ）の後、更なる金属層を、露出した（例えば、銅からなる）金属配線に積層させる。
【００１１】
本発明の第２の構成においては、基板上の絶縁体層の全面上に金属層を堆積させ、その後、金属層を例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはリフトオフ処理等によりパターニングし、その上に更なる金属層を堆積させることによって、金属配線に減算的な構造を持たせる。この場合の金属配線は、例えば、アルミニウムからなる。
【００１２】
本発明の第３の構成は、更なる金属層を、「パターンメッキ」（金属の電解析出をレジストマスク上から行い、その後レジストマスクを除去する）により基板上の絶縁体の上に形成された金属配線上に積層させることを特徴としている。
【００１３】
更なる金属層の非導電性金属酸化物への変換は、２０−５００℃の間のバックエンド（工程）で互換性のある温度範囲で行われる熱酸化、プラズマ化学的酸化、または陽極酸化によって行われることが好ましい。
【００１４】
本発明の一構成において、更なる金属層は、ＰＶＤ法により形成される。
【００１５】
また、タンタラルまたは窒化タンタラルを堆積させるのが好ましい。
【００１６】
本発明の別の構成によれば、Ｔａ（Ｎ）/ＴａまたはＴａ/Ｔａ（Ｎ）の積層順で堆積される。また、この他に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔｉ/Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ等の物質および物質の組合せを用いることも可能である。
【００１７】
さらに、続いて行われる酸化において、Ｔａ（Ｎ）を使う場合であれば、例えば、５酸化タンタラル（Ｔａ２Ｏ５）から非導電性の金属酸化物層を形成する。これは、上記更なる金属層の密度および品質を更に高め、良好なボンディングならびに明瞭明確な境界面を得るためである。
【００１８】
本発明の変形例としては、続いて行われる酸化において、更なる金属層の一部の領域を取り除くようにしてもよい。これにより、更なる金属層が取り除かれた場所に、Ｔａ（Ｎ）から形成されたレジスタが形成され、その下の（例えば銅からなる）金属層を介して接続される。
【００１９】
また、上記更なる金属層の部分がＳｉＯ２またはＳｉＮ４層により被覆されていることが好ましい。
【００２０】
最後に、本発明の他の構成において、５酸化タンタラルは、ＭＩＭコンデンサに一体化するよう、ＭＩＭ誘電体の一部として形成されている。
【００２１】
Ｔａ（Ｎ）レジスタおよびＭＩＭコンデンサは、別々に形成されてから一体化されてもよいし、同時に形成されてから一体化されてもよい。
【００２２】
例としてＴａ（Ｎ）による実施例を挙げ、下記に本発明をさらに詳細に説明する。下記に添付の図面を説明する。
【００２３】
図１は、ＣＭＰが行われた後の基板上のＣｕ層の段、およびその上に更なる金属層としてＰＶＤ−ＴＡ（Ｎ）層が形成された状態を示した図である。
【００２４】
図２は、Ｔａ（Ｎ）層の上に範囲を定めてＳｉＯ２層を堆積した後の図１の基板を示した図である。
【００２５】
図３は、Ｔａ（Ｎ）層のＳｉＯ２層に被覆された部分は変化させずに、該Ｔａ（Ｎ）層の露出した部分を酸化して５酸化タンタラルを形成し、続いてＴａ（Ｎ）レジスタを形成した後の上記基板を示した図である。
【００２６】
図４は、更なる金属層の堆積と該金属層にパターニングを施してＭＩＭコンデンサの上部電極を、既に形成されているＴａ（Ｎ）レジスタととともに形成した後の上記基板を示した図である。
【００２７】
図５は、金属間誘電体として機能する更なるＳｉＯ２層を堆積により形成した後の上記基板を示した図である。
【００２８】
図６は、更なる配線の段、および二つの配線の段の間を接続する貫通コンタクトを形成した後の上記基板を示した図である。
【００２９】
図１に、例えばシリコンからなる基板１を示す。基板１には、Ｃｕメタライゼーション３が形成されている。Ｃｕメタライゼーション３は、ＳｉＯ２層２に埋め込まれており（ダマシン構造）、Ｃｕまたはその他の金属（タングステン等）からなる貫通コンタクト４を介して下方に横たわっているＣｕの段と接続されている。露出しているＣｕメタライゼーション３は、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）処理後、ＰＶＤ法などによって更なる金属層５で被覆される。更なる金属層５は、例えば、Ｔａ（Ｎ）層である。ＰＶＤ−Ｔａ（Ｎ）金属層のボンディングは、通常、ＰＶＤ法による生成される積層構造よりも優れている。これは、ＰＶＤ法では、例えば、望ましくない化学処理を境界面で行うことがないこと、およびスパッタリングの粒子が蒸着する表面に最初に衝突する際における運動エネルギーがより高くなることによる。
【００３０】
この場合の境界面は、周囲に廻らされた障壁に沿って形成されている。これにより、エレクトロマイグレーションに対する耐性が周囲に廻らされた障壁に見合う程度増すことが期待される。また、Ｃｕメタライゼーション３の下に任意のＳｉＮ層６を拡散障壁およびエッチストップ層として備えてもよい。
【００３１】
更なる金属層５の堆積は、例えば、ＰＶＤ  Ｔａ、ＰＶＤ  Ｔａ（Ｎ）、ＰＶＤ  Ｔａ（Ｎ）／Ｔａ、ＰＶＤ  Ｔａ/Ｔａ（Ｎ）、またはＴｉ、Ａｌ、Ｔｉ/Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ等のその他の物質および上記物質の組合せによって好適に行うことができる。しかし、金属被覆層であるこの金属層５は、金属層５の段の全ての配線をショートさせる可能性があるので、この層は、金属酸化物７からなる非導電層に完全に変換されている。これは、例えば、２０℃から５００℃の間のバックエンド（工程）で互換性のある温度範囲で行うことができる熱酸化処理によって簡単に行うことができる。
【００３２】
この場合、上述した物質は、例えば、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＲｕＯ２、Ｒｈ２Ｏ３、Ｉｒ２Ｏ３等の各金属酸化物、すなわち誘電体に変換される（図２）。
【００３３】
しかし、もし例えばＴａ（Ｎ）レジスタ８（ＴＦＲレジスタ）を２つの貫通コンタクト４の間に形成する場合は、更なる金属層５の対応する領域は、酸化の前にＳｉＯ２層によって被覆される（図３）。
【００３４】
また、他の構成では、Ｔａ/Ｎを陽極酸化または熱酸化して、ＭＩＭコンデンサ９（ＭＩＭ＝Ｍｅｔａｌ、Ｉｎｓｕｌｔｏｒ、Ｍｅｔａｌ）と一体化させる構成としてもよい。具体的には、広範囲に堆積したＴａ（Ｎ）の、ＭＩＭコンデンサ９を形成する領域を保護せずにそのまま残し、この領域をＴａ２Ｏ５が形成されるように酸化してＭＩＭコンデンサ９の誘電体として機能させるようにする（図４および図５）。
【００３５】
図６は、５酸化タンタラルでパッシベーションされたＣｕ層の段を示している。該Ｃｕ層は、Ｔａ（Ｎ）レジスタ８と誘電体としてのＴａ２Ｏ５を有するＭＩＭコンデンサ９とを備えている。
【００３６】
本発明によれば、後工程においてほぼ完全に酸化されて非導電性の金属酸化物に変換された金属被膜によって、大幅に改良された金属配線系の障壁境界面を作り出すことができる。
【００３７】
本発明の基本的な発想は、積層される金属層（更なる金属層５）を誘電体（金属酸化物７）に変換し、このようにして生成した誘電体層をさまざまな用途（パッシベーション、ストップ層、ＭＩＭ誘電体等）に使用するということにある。
【００３８】
Ａｌ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５等もまたＭＩＭ誘電体として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ＣＭＰが行われた後の基板上のＣｕ層の段、およびその上に更なる金属層としてＰＶＤ−ＴＡ（Ｎ）層が形成された状態を示した図である。
【図２】Ｔａ（Ｎ）層の上に範囲を定めてＳｉＯ２層を堆積した後の図１の基板を示した図である。
【図３】Ｔａ（Ｎ）層のＳｉＯ２層に被覆された部分は変化させずに、該Ｔａ（Ｎ）層の露出した部分を酸化して５酸化タンタラルを形成し、続いてＴａ（Ｎ）レジスタを形成した後の上記基板を示した図である。
【図４】更なる金属層の堆積と該金属層にパターニングを施してＭＩＭコンデンサの上部電極を、既に形成されているＴａ（Ｎ）レジスタととともに形成した後の上記基板を示した図である。
【図５】金属間誘電体として機能する更なるＳｉＯ２層を堆積により形成した後の上記基板を示した図である。
【図６】更なる配線の段、および二つの配線の段の間を接続する貫通コンタクトを形成した後の上記基板を示した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    基板
２    ＳｉＯ２
３    Ｃｕメタライゼーション/金属配線
４    貫通コンタクト
５    更なる金属層
６    Ｓｉ−Ｎ層
７    金属酸化物
８    Ｔａ（Ｎ）レジスタ
９    ＭＩＭコンデンサ
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年6月22日(2005.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多機能誘電体層を基板上、特に基板上に露出している金属配線系上に形成する方法であって、金属配線（３）が基板（１）上の絶縁体に埋め込まれ、その側壁に拡散障壁が設けられており、金属、金属窒化物、またはこれらの物質の積層からなる更なる金属層（５）が、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）が行われた後に、露出している金属配線（３）に金属被覆層として堆積され、その後、該更なる金属層（５）を非導電性の金属酸化物（７）に変換して、一部の配線に対しては障壁として誘電体層を形成するとともに、その他の配線に対してはコンデンサ誘電体として誘電体層を形成し、Ｔａ（Ｎ）レジスタに必要な部分である該更なる金属層（５）の一部を該更なる金属層（５）の酸化を行う前に被覆することを特徴とする方法。
【請求項２】
金属配線（３）は銅、アルミニウム、タングステン、金、またはその他の導電性の物質からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
金属層を基板上の絶縁体の全面に堆積させ、続いて該金属層をパターニングすることによって減算的な構造を持たせた金属配線（３）上に、更なる金属層（５）を堆積させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
金属配線（３）は、アルミニウム、銅、タングステン、ケイ化物、窒化物、またはその他の導電性の物質からなることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
更なる金属層（５）は基板（１）上の絶縁体の上にパターンメッキにより作成された金属配線（３）に積層されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
熱酸化、陽極酸化、プラズマ化学的酸化のうちの少なくとも１つによって、更なる金属層（５）を非導電性の金属酸化物（７）に変換することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記酸化は、２０℃から５００℃の間のバックエンドで互換性のある温度範囲で行われることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
更なる金属層（５）はＰＶＤ法によって形成されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
タンタラルが堆積されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
Ｔａ（Ｎ）が堆積されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
Ｔａ（Ｎ）の代わりに、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒといった更に他の物質または更に他の物質の組合せが堆積されることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化によって金属酸化物（７）からなる非導電層を形成することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化の過程中に、更なる金属層（５）の領域を取り除くことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
更なる金属層（５）の一部がＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４層によって被覆されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
金属薄膜抵抗器とＭＩＭコンデンサが、個々に形成されて一体化されている、または同時に形成されて一体化されていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【国際調査報告】
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