(57)【要約】  相互接続構造において導電性バリヤ層又は他のライナ層を堆積させるための製造法、プロダクトストラクチュア、製造法、及びスパッタリングターゲット。バリヤ層（８２）は、アモルファスであってもよいがそうである必要がない、耐火性貴金属合金、例えば、ルテニウム/タンタル合金の導電性金属を含む。バリヤ層は、同様の組成のターゲット（９０）からスパッタすることができる。バリヤとターゲットの組成は、耐火性金属と白金族金属の組合わせ、例えば、ＲｕＴａから選ばれてもよい。銅貴金属シード層（１１２）は、誘電体（６６）の上のバリヤ層（７０）と接触させた銅とルテニウムの合金から形成することができる。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅メタライゼーションのためのライナ構造を形成する方法であって、
ホールが誘電体層内に形成された基板を準備するステップと、
前記ホールの内壁を含む前記誘電体層の上に耐火性貴合金層を形成するステップであって、前記耐火性貴合金層が、少なくとも５原子％の周期表のＩＶＢ、ＢＶ、及びＶＩＢ族から選ばれた耐火性金属と少なくとも５原子％の鉄を除く周期表のＶＩＩＩＢ族から選ばれた白金族金属の合金を含む、前記ステップと、
を含む前記方法。
【請求項２】
前記耐火性金属がタンタルを含み、前記白金族金属がルテニウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記耐火性貴合金層が、４０〜８０原子％のルテニウムと４０〜６０原子％のタンタルを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記耐火性貴合金層の上に銅シード層をスパッタ堆積させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
電気化学めっきによって前記シード層の上の前記ホールへ銅を充填するステップを更に含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記耐火性貴合金層の前記ホールへ直接銅を充填するステップを更に含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記耐火性貴金属層が、更に窒素を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記形成するステップが、スパッタリングを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法によって形成された該ライナ構造を含む該基板。
【請求項１０】
半導体構造においてメタライゼーションを形成する方法であって、
ホールが誘電体層内に形成された基板を準備するステップと、
前記ホールの側壁を含む前記誘電体層の上に導電性アモルファス金属を含むライナ層を堆積させるステップと、
前記ライナ層の上の前記ホールへ銅を充填するステップと、
を含む前記方法。
【請求項１１】
前記アモルファス金属が、周期表のＩＶＢ、ＢＶ、及びＶＩＢ族から選ばれた耐火性金属と鉄を除く周期表のＶＩＩＩＢ族から選ばれた白金族金属の耐火性貴合金を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記耐火性金属が、タンタル、チタン、タングステン、及びモリブデンから選ばれる、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
該白金族金属がルテニウムを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
該白金族金属がルテニウムを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記耐火性金属がタンタルを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記アモルファス金属が、スパッタリングによって堆積される、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記ライナ層の上に銅層をスパッタ堆積させるステップを更に含み、前記充填するステップが前記銅層の上に前記銅を充填する、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
プラズマスパッタリアクタ上に取り付けられるように構成されたターゲットであって、
前記リアクタ上に取り付け可能な裏打ちプレートと、
前記裏打ちプレートに結合され、少なくとも５原子％の周期表のＩＶＢ、ＢＶ、及びＶＩＢ族から選ばれた耐火性金属と少なくとも５原子％の鉄を除く周期表のＶＩＩＩＢ族から選ばれた白金族金属を含む合金を含む、表面層と、
を含む前記ターゲット。
【請求項１９】
前記耐火性金属がタンタルを含み、前記白金族金属がルテニウムを含む、請求項１８記載のターゲット。
【請求項２０】
前記合金が、４０〜９５原子％のルテニウムと６０原子％を超えないタンタルを含む、請求項１９記載のターゲット。
【請求項２１】
スパッタリングの方法であって、
チャンバ内にプラズマを励起させ、それにより、少なくとも５原子％の周期表のＩＶＢ、ＢＶ、及びＶＩＢ族から選ばれた耐火性金属と少なくとも５原子％の鉄を除く周期表のＶＩＩＩＢ族から選ばれた白金族金属を含むターゲットをスパッタして、前記ターゲット材料を工作物に堆積させる、前記方法。
【請求項２２】
前記耐火性金属がタンタルであり、前記白金族金属がルテニウムである、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記チャンバへ窒素を入れて、窒化物層を形成することを含む反応性スパッタリングを行うステップを更に含む、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
相互接続構造であって、
下の誘電体層内に形成された導電性特徴部を含む下方レベルと、
前記導電性特徴部の上に横たわる上誘電体層内に相互接続ホール形を含む上方レベルと、
少なくとも５原子％の周期表のＩＶＢ、ＢＶ、及びＶＩＢ族から選ばれた耐火性金属と少なくとも５原子％の鉄を除く周期表のＶＩＩＩＢ族から選ばれた白金族金属を含む前記ホールの少なくとも側壁上に形成されたライナと、
を備えた前記構造。
【請求項２５】
前記耐火性金属がタンタルを含み、前記白金族金属がルテニウムを含む、請求項２４記載の構造。
【請求項２６】
前記ライナがアモルファスである、請求項２４記載の構造。
【請求項２７】
前記アモルファスライナが前記上誘電体層と直接接触している、請求項２６記載の構造。
【請求項２８】
前記ライナが更に窒素を含み、窒化物ライナ層を形成する、請求項２４〜２７のいずれか１項に記載の構造。
【請求項２９】
銅メタライゼーションのためのライナ構造を形成する方法であって、
ホールが導電性特徴部の上に横たわる誘電体層内に形成された基板を準備するステップと、
前記ホールの少なくとも側壁上にバリヤ層を堆積させるステップと、
前記ホールの側壁を含む前記バリヤ層の上に合金シード層を堆積させるステップであって、前記合金シード層が、１〜２５原子％の銅と少なくとも５０原子％の鉄を除く周期表のＶＩＩＩＢ族から選ばれた白金族金属を含む、前記ステップと、
を含む前記方法。
【請求項３０】
前記白金族金属がルテニウムを含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記バリヤがＴａＮを含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
前記合金シード層が、スパッタリングによって堆積される、請求項２９〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
請求項２９〜３１のいずれか１項に記載の方法によって製造された該ライナ構造を含む該基板。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、半導体集積回路においてバリヤ層を含む電気的相互接続部に関する。特に、本発明は、酸化を受けない導電性金属バリヤ、例えば、アモルファス金属バリヤ、又は酸化したときに導電性である導電性金属バリヤ及びそれらのスパッタ堆積に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリングは、或いは物理気相堆積法（ＰＶＤ）とも呼ばれ、シリコン集積回路の製造において金属や関連した材料の層を堆積させる最も普及した方法である。進歩した集積回路の製造において一つのやりがいのある適用は、銅メタライゼーションのために、通常はバイアと呼ばれる垂直の電気的相互接続部に薄いライナ層をスパッタ堆積させることである。異なるターゲットを持つ、図１において断面に概略的に示されている従来のマグネトロンスパッタリアクタ１０は、Ｃｕ、Ｔａ、ＴａＮ、及び他の金属の薄膜をアスペクト比が高いホールへ効果的にスパッタすることができ、更に基板をプラズマ洗浄するように作用させることができる。リアクタ１０は、大体対称的に中心軸１４の周りに配置された真空チャンバ１２を含む。真空ポンプシステム１６は、チャンバ１２を１０-６トールの範囲の極めて低いベース圧までチャンバ１２を排気する。しかしながら、マスフローコントローラ２０を通ってチャンバに接続されたガス源１８は、スパッタワーキングガスとしてＡｒを供給する。チャンバ１２内部のアルゴン圧は、典型的には、低ミリトール範囲に維持される。第二ガス源２２は、金属窒化物が堆積されている場合、他のマスフローコントローラ２４によってチャンバへ窒素ガスを供給する。
【０００３】
中心軸１４の周りに配置されたペデスタル３０は、スパッタコートされるウエハ３２又は他の基板を保持する。図示されていないクランプリング又は静電チャックは、ウエハ３２をペデスタル３０に保持するために用いることができる。ＲＦ電源３４は、容量結合回路３６を通って導電性であり電極として作用するペデスタル３０に接続される。プラズマの存在下、容量的にＲＦバイアスにかけたペデスタル３０は、負のＤＣセルフバイアスを生じ、プラズマ内で正イオンを効果的に引き付け加速させる。電気的に接地されたシールド３６は、チャンバ壁とペデスタル３０の側面をスパッタ堆積から保護する。選ばれた堆積物質のターゲット３８は、ペデスタル３０に対向して配置され、チャンバ１２からアイソレーター４０まで真空シールされるが電気的に絶縁される。少なくともターゲット３８の前面は、ウエハ３２上に堆積される金属材料で構成され、従来のライナ材料の場合は銅か又はタンタルである。
【０００４】
ＤＣ電源４２は、ターゲット３８を接地シールド３６について電気的にバイアスをかけ、正に荷電されたアルゴンイオンが負にバイアスをかけたターゲット３８に引き付けられるようにアルゴンをプラズマへ放出させるとともにターゲット物質をそれからスパッタさせ、その一部がウエハ３２の上に落ち、その上にターゲット物質の層を堆積させる。タンタルの反応性スパッタリングにおいて、反応性窒素ガスは、更に窒素源１８からチャンバ１２に流れて、スパッタされるタンタルと反応して、ウエハ３２上に窒化タンタル層の堆積を引き起こす。
【０００５】
ターゲットスパッタリング速度とスパッタイオン化部分は、ターゲット３８の裏にマグネトロン４４を配置することによって著しく増加させることができる。マグネトロン４６は、好ましくは、小さく、強力で、不安定である。小ささと強度によりイオン化率が増加し、不安定さによりウエハへスパッタイオンを導き且つ壁へのプラズマ損失を減少させるという少なくとも二つの効果のために磁場が処理領域に伝えられる。このようなマグネトロンは、中心軸１４に沿った一磁極性の内部極４６と、内部極４６を囲み対向の磁極性を持つ外部極４８とを含む。ターゲット３８の前の極４６、４８の間に拡張する磁場は、ターゲットの前面に隣接した高密度プラズマ領域５０を生成し、これによりスパッタリング速度が著しく増加する。マグネトロン４４は、外部極４８の全体の磁界強度、即ち、その領域に組込まれた磁束が内部極４６よりもかなり大きく、例えば、二倍以上であるという意味で不安定である。不安定な磁場は、ターゲット３８からウエハ３２へプラズマを拡張するとともにウエハ３２にスパッタイオンを導き且つ側面へのプラズマ拡散を減少させるように伝える。マグネトロン４６は、中心軸に非対称であり、異なる適用においては、中心軸１４からターゲット３８の有効な領域の外部限界までかなり拡張するか又はターゲット３８の周辺領域に集中している、円形、三角形、又は円弧形で形成することができる。モータ５２は回転軸５４を駆動させ、これは中心軸１４に沿って拡張し、磁極４６、４８を支持するプレート５６に固定して、中心軸１４の周りにマグネトロン４４を回転させるとともに方位的に均一な時間平均磁場を与える。磁極４６、４８が対向の円筒形永久磁石のそれぞれの配列によって形成される場合には、プレート５６は、有利には、磁気ヨークとして使用する磁気的に軟らかいステンレス鋼のような磁気材料から形成される。
【０００６】
性能を高めるために追加の元素を加えられてもよい。補助的ＲＦ誘導コイルと電磁石コイル配列が、タンタルスパッタリングチャンバに加えられた。電気的浮遊シールドと側壁磁石が、銅スパッタリングチャンバに加えられた。他のシールド構成も可能である。
【０００７】
構造６０による従来の銅/タンタルライナを図２の断面図で示す。導電性特徴部６２は、下方の誘電体層６４内に形成される。上方の誘電体層６６は、導電性特徴部６２と下方の誘電体層６４の上面を露出した残りの双方の上に堆積される。二酸化シリコンは、両誘電体層６４、６６の従来の誘電材料であり、他の低ｋ材料が開発されているが、現時点で通例には酸化物材料である。バイアホール６８は、上に横たわるとともに導電性特徴部６２をさらすために上方の誘電体層６６を通ってエッチングされる。バイアホール６８は、導電性特徴部６２と他の導電性特徴部の間の垂直の電気的接続部と、上方の誘電体層の中と上に形成される水平相互接続部として使用する。
【０００８】
銅は、進歩した集積回路内の種々の電気的接続部について現在好ましい材料である。しかしながら、銅は、誘電体層６６と直接接続することができない。銅は、酸化物にほとんど付着しない。また、銅は、上方の誘電体層６６内に拡散することができ、絶縁特性を失わせるとともに形成されるデバイスをショートさせる。同様に、酸素も酸化物誘電体から銅へ拡散することができ、導電性が低下する。従って、Ｔａ/ＴａＮ二層ライナは、典型的には、酸化物と銅の間に置かれる。二層（bilayer）ライナは、ＴａＮのバリヤ層７０とＴａの接着層７２を含む。ＴａＮバリヤ層７０は、酸化物層６６に付着し、拡散に対するバリヤが良好であり、Ｔａ接着層７２は、形成されるＴａＮと上に形成される銅の双方によく湿潤させる。ＴａＮとＴａ層７０、７２はバイアホール６８の側壁を被覆するが、バイア内に形成された電流路におけるＴａＮの高い抵抗率とＴａのわずか中程度の導電性のために底部を被覆しない。ＴａＮとＴａ層７０、７２の双方を、少なくともタンタルから形成されたスパッタリング面を持つターゲット３８を有する図１のマグネトロンスパッタリアクタ１０内で堆積させることができ、ＴａＮ層７０の原子層堆積（ＡＬＤ）が極めて薄いバリヤ層を可能にする。
【０００９】
銅メタライゼーションは、好ましくは、電気化学めっき（ＥＣＰ）によって堆積される。しかしながら、ＥＣＰはメッキ電極を必要とし、銅の核形成層又はシード層から著しい利益を得る。従って、薄い銅シード層７４は、Ｔａ接着層７２の上に堆積される。また再び、銅シード層７４は、銅ターゲット３８を有する図１のマグネトロンスパッタリアクタ１０内で堆積させることができる。銅シード層７２は、電極とＥＣＰプロセスにも良好な導電路を得るだけでなく、ＥＣＰ銅を核形成するのに十分な厚さを持つバイアホール６８の側壁を連続して被覆することが望ましい。後述されるように、銅の連続性が主な課題になった。銅がアルミニウム又はマグネシウムのような合金元素の１０質量％未満で合金することができることは理解されている。
【００１０】
その後、ＥＣＰは銅をバイアホール６８の残りの部分を充填し、化学機械的研磨（ＣＭＰ）は銅がバイアホール６８の外部の構造の最上部に残っても除去される。ほとんどの銅メタライゼーションは、デュアルダマシン構造を用い、上方の誘電体層６６をエッチングして、下半分に形成された多くの垂直に伸びているバイアホール６８を持ち且つ水平の相互接続部だけでなく、更にメタライゼーションレベルのための又は上端にパッドを結合するための水平に伸びているコンタクトを得るように選ばれたもののバイアホール６８を接続する上半分に形成された水平に伸びているトレンチを持つ、垂直に区別された構造を形成する。ライナ二層７０、７２と銅のシード層７４は、一般的に、単一系列のステップでバイアとトレンチ双方の中に形成され、単一ＥＣＰステップはトレンチ内に垂直バイアと水平の相互接続部に銅を堆積させる。下方誘電体層６４中の導電性特徴部６２は、より下のメタライゼーションレベルにおいてこのようなトレンチの中に形成することができる。
【００１１】
マグネトロンスパッタリングは、現世代の集積回路においてＴａＮ/Ｔａバリヤと銅シード層を堆積するのに巧く適用されてきた。高割合のイオン化スパッタパーティクルを得るとともに、ＲＦ電力のプラズマと容量結合の存在下に負のＤＣセルフバイアスが得られる、重要なＲＦバイアスをウエハペデスタルに印加することによって、側壁のカバレッジが改善される。負の電圧は、正に荷電されたイオンをバイアホール内に深く引き付ける。しかしながら、次世代の集積回路は、バイアホール６８の幅が９０ｎｍノードの現在の幅より３２ｎｍノードの非常に小さい幅に縮み（５０ｎｍのバイア幅は３２ｎｍノードの金属-１レベルに予測される）、誘電体層６６の厚さは１μｍに近いままであるので、難しさを増すことになる。いくつかの問題は、ホールのアスペクト比の増加による。三ライナ層７０、７２、７４は全て、それらの機能を行うためにバイア側壁上に十分な厚さ、例えば、側壁の底部でさえ２又は３ｎｍの最小の厚さを持つことを必要とする。ライナ層の全体の厚さは、バイアホール６８を充填し始める。
【００１２】
シード層７４の銅スパッタリングは、バイアホール６８の最上部に突出部７６を形成する傾向があるので、ますます難しくなる。突出部７６は、バイアホール６８のアスペクト比を効果的に増大させ、銅側壁カバレッジをより難しくする。突出部７６がバイアホール６８を閉鎖しないとしても、バイアホール６８に対するのどで制限されたアパーチャがＥＣＰ中に電解液の流れを妨害することがある。突出部７６の長さは、シード層７４の厚さが減少する場合には、短くなり得る。しかしながら、側壁のカバレッジはほとんど常に完全未満であるので、より薄いシード層７４が結果とし小球に拡散するシード銅になってしまい、小球７８の間に側壁ボイド７９が残る。側壁の上下に銅が一部拡散するが、タンタル湿潤層においては不十分である。側壁ボイド７９は下にあるタンタルを露出し、タンタル層７２のさらされた部分は、ウエハが電気めっき装置へ搬送されているときに酸化タンタルに酸化しやすい。酸化は、二つの主要な問題を生じる。銅は、酸化タンタルにほとんど付着しない。銅が酸化物の上の側壁ボイド７９の橋を充填するとしても、使用を延ばす間に酸化物から分離することがあり、結果として信頼性の問題が生じる。酸化と銅の凝集の双方が銅ギャップ充填を低下させる。側壁ボイド７９が十分に大きく周辺に相互接続される場合には、電気めっきのための電流路を中断することがある。タンタル層７２は幾分導電しているが、酸化される場合には、効果的には、そのさらされた表面だけでなくバイアホール６８の他のより下の部分への電気めっき電流を阻止する絶縁体である。即ち、酸化されたタンタルベースのバリヤは、銅を電気めっきするのに重要な問題があり、バイアホール６８の下の３分の２又は半分において直接の突出部７６からにしても連続シード層７４からにしてもボイドが共通にＥＣＰ銅内に見出される。
【００１３】
突出を減少させる既知の方法は、スパッタ堆積中か又は負の高ＤＣセルフバイアスを生成する別個のアルゴンスパッタエッチングステップにおいてウエハを強度にバイアスすることである。バイアスは、イオンをウエハに対して高エネルギーに加速させる。得られたエネルギー性イオンのウエハへの高フラックスは、アルゴンにしてもスパッタイオンにしても、優先的にさらされた角をエッチングする。しかしながら、誘電体層６６の最上部の界磁領域もまたエッチングされて、上方の誘電体層６６の最上部の銅の厚さを減少させる。この領域の相対的に厚い銅層は、ウエハのエッジ部から中央まで電気メッキ電流を供給するように所望される。更に、強いウエハバイアスによって、エネルギー性イオンから非常に薄い層に対する損傷が可能であることからデバイスの進歩が阻止される。
【００１４】
ほとんどの金属のようにタンタルと銅は、典型的には、多結晶材料として形成する。タンタル層７２や銅シード層７４の多結晶形態は、いくつかの潜在的問題を引き起こす。タンタル粒界は、ＴａＮ層７０が単独でバリヤとして使用するように、銅の拡散に準備のできた通路を与える。使用中の集積回路の熱循環は異なる熱膨張を引き起こし、それはタンタル層７２を粒界に沿って破壊しやすく、それにより、信頼性の問題が加えられる。
【００１５】
ルテニウムは、Ｔａ接着層７２と銅シード層７０の双方を置き換えるように提案されてきた。ルテニウムは容易に酸化せず、酸化する場合、導電性酸化ルテニウムを形成する。ルテニウムはＴａＮと銅に付着し、電気めっき電極とシード層の双方として使用し得る。しかしながら、ルテニウム技術は実行が難しかった。ほとんどの試みは化学気相堆積を含み、それは緩慢であり、化学前駆物質は容易に入手できない。ルテニウムのスパッタリングは、提案されてきており、近い将来実行可能と思われる。純粋なルテニウムは多結晶金属として形成するが、その結晶性は相対的に小さく、明らかに大きさが５ｎｍ未満である。更に、ルテニウム膜は脆く、製造中又は使用中に破壊する傾向がある。従って、多結晶タンタルについて前述した信頼性と拡散の問題もまた、ルテニウムについて、特に３２ｎｍノード、おそらく６５ｎｍノードについて取り組む必要があると思われる。ルテニウムが酸化可能なタンタル層７２の最上部に追加の層として設けられるとしても、その厚さはバイアホール６８に既に必要とされる多くの層を考えると最小限でなければならない。結果として、ルテニウム薄層はそれ自体で完全な解決を示すものではない。
【００１６】
従って、より良好なバリヤ構造が所望され、スパッタリングによって形成されることが更に所望される。
【発明の概要】
【００１７】
本発明の態様は、酸化物のようなバイアホール誘電体内に形成された銅メタライゼーションのためのライナ構造を含む。ライナ構造は、誘電体上に堆積された窒化タンタルのようなバリヤ層を含む。酸化されたときに導電性である非酸化性耐火性貴合金層又は耐火性貴金属層がバリヤ層の上に堆積される。
【００１８】
耐火性貴合金は、例えば、原子合金比が５：９５〜９５：５である、ルテニウムとタンタルの合金であるのがよい。ルテニウムを、鉄を除く他のＶＩＩＩＢ族金属に置き換えてもよい。タンタルを他のＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族金属に置き換えてもよい。銅シード層は、その上に銅を電気めっきするために耐火性貴金属の上に堆積されるのがよい。しかしながら、耐火性貴合金は、それ自体シード層と電気めっき層として働く。
【００１９】
耐火性貴合金層は、アモルファスに形成され、有効なバリヤとして働く粒界がほとんどない。原子合金割合が約３５：６５〜６５：３５であるルテニウムとタンタルの合金が適当な堆積条件下でアモルファス結晶構造で形成する傾向があり、例えば、高ターゲット電力又は小さな強力マグネトロンによって高イオン化率が得られる。他のアモルファス合金は、金属レベルの導電性とほとんど微結晶を有し、あるとしても１ｎｍより小さい他のアモルファス合金を用いることができる。
【００２０】
耐火性貴合金はマグネトロンスパッタリングによって又は化学気相堆積のような他の方法によって堆積させることができる。
【００２１】
本発明の態様において、更に、ＲｕＴａＮバリヤ層は、原子層堆積のような反応性スパッタリング又は化学気相堆積によって誘電体層上に堆積させることができる。
【００２２】
本発明は、また、バリヤ層として耐火性貴合金層のスパッタリング及びルテニウムとタンタルの合金の一般スパッタリングを含む。本発明は、また、ルテニウムとタンタルの合金を含むスパッタリング表面を有するスパッタリングターゲットを含む。
【００２３】
本発明の他の態様は、耐火性貴合金層を、特に誘電体に隣接したバリヤ層としてルテニウムとタンタルの合金を用いる。銅シード層と用いることができ、それ自体銅電気めっきのシード層としても使用し得る。
【００２４】
銅貴合金シード層は、銅と、鉄を除くＶＩＩＩＢ族元素の一つから形成することができる。ルテニウム銅は、好ましい銅貴合金である。合金率は自由に選ぶことができるが、２５原子％未満の低銅含量が１原子％までの範囲にあり又は０.０１原子％さえ好ましい。銅貴合金シード層は、電気めっき電極として、特に銅の場合に使用することができる。
【好適実施形態の詳細な説明】
【００２５】
新規な銅相互接続ライナ構造８０の第一実施形態を図３の断面図に示す。ルテニウムとタンタルの合金のバリヤ層８２は、直接、上方誘電体層６６の上に、また、バイアホール６８の側壁上に堆積される。ＲｕＴａ合金は、後述される耐火性貴合金のほんの一種類である。耐火性貴合金は、金属であるので導電性であり、所望の合金組成物のターゲットを用いてマグネトロンスパッタリングにより堆積させ得る。銅シード層８４は、ＲｕＴａバリヤ層８２の上に堆積されて、めっき電極として、また、電気化学めっき（ＥＣＰ）によってバイアホール６８の残りの部分に充填される銅のシードとして使用する。バイアホール６８の最上部に堆積された過剰の銅は、その後、化学機械的研磨（ＣＭＰ）によって除去される。
【００２６】
この構造は、いくつかの利点を示す。ルテニウム含量は、ＲｕＴａ合金が容易に酸化せず又は少なくともＲｕＯの導電性のために酸化されたときに導電性のままである十分に多い含量であってもよい。結果として、ＲｕＴａ合金層８２か又は銅シード層の基礎にある他の導電性バリヤ層は共に、電気めっき電極としてそのさらされた部分で働くことができ、バイアホール６８の下の部分へ電気めっき電流を更に導くことができる。
【００２７】
ＲｕＴａ合金は、異なる結晶形態に形成することができる。多くの場合、ＲｕＴａ合金は多結晶材料として形成し、それは本発明の多くの態様について、なお多くの利点を与える。しかしながら、本発明の一態様において、更に、ガラス金属とも呼ばれる導電性アモルファス金属を形成するためにＲｕＴａ合金をスパッタ堆積させることが可能である。即ち、ＲｕＴａバリヤ層８２は、少なくとも電子顕微鏡で容易に見られる１ｎｍ又は２ｎｍより大きい規模でほとんど微結晶を含まないので、ＲｕＴａバリヤ層８２は粒界を含まない。アモルファスの貴金属合金はそれ自体更に有利である。粒界がほとんどないことは、アモルファス金属合金によって拡散がほとんど生じないことを意味する。ＲｕＴａ合金は、また、酸素によく付着する。これら二つの効果の結果として、ＴａＮバリヤ層はアモルファス貴金属合金層に必要とされない。ほとんどのガラス金属のようなガラスＲｕＴａ合金は、容易に酸化しない。ＲｕＴａバリヤ層８２のアモルファス形態は、また、粒界を含む故障メカニズムの多くを減少させるか排除する。アモルファスＲｕＴａは、応力下で幾分可塑性であり、粒界に応力を集中させない。ガラス金属は、過去に、例えば、ジェットエンジンタービンにプラズマ噴霧される耐火性コーティングとして広く用いられてきた。半導体産業におけるこれらの使用は新しいものと思われる。
【００２８】
アモルファス５０：５０のＲｕＴａの導電性がβ相タンタルに近いことから、バイアホール６８の底部からバリヤ層を取り除くことは必要でない。バリヤ抵抗率は、Ｒｕ/Ｔａ割合の増加につれて低下する。しかしながら、底部は、所望により除去されてもよい。
【００２９】
強いウエハバイアスの存在下、ＲｕＴａスパッタ原子の高イオン化割合は、アモルファス状態で形成する一定の耐火性貴金属組成の傾向を増加させる。イオン化割合は、高ターゲット電力、小さく強力なマグネトロンによって増加する。２００４年１１月２３日に出願され、米国出願公開第２００５/０２６３３８９-Ａｌ号として公開された米国特許出願第１０/９４９,７３５号のＧｕｎｇらによって記載された、ＬＤＲマグネトロン中で磁力を増加させると、堆積された膜の結晶構造が多結晶からアモルファスに変化する。スパッタリングは種々のタイプのスパッタリングリアクタで行うことができる。一つのタイプは、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手でき、２００４年９月２３日に出願され、米国特許出願公開第２００５/０２６３３８９-Ａ１号として公開された米国特許出願第１０/９５０,３４９号、また、２００５年４月２９日に出願され、ＭＵＬＴＩ−ＳＴＥＰ ＰＲＯＣＥＳＳ ＦＯＲ ＦＯＲＭＩＮＧ Ａ ＭＥＴＡＬ ＢＡＲＲＩＥＲ ＩＮ Ａ ＳＰＵＴＴＥＲ ＲＥＡＣＴＯＲと称する米国特許出願第１１９,３５０号のガングらによって記載されたＥｎＣｏＲｅ（ＩＩ）Ｔａ（Ｎ）チャンバである。三出願の開示内容は全て本明細書に援用されている。
【００３０】
しかしながら、多結晶ＲｕＴａは、また、従来の技術を超えた多くの利点を与える。
【００３１】
結晶にしてもアモルファスにしてもＲｕＴａのような耐火性貴合金は、いくつかの利点がある。アモルファスにしても多結晶にしても耐火性ルテニウム合金は、純粋なルテニウムよりも応力が少なく、従って、長時間と短時間の信頼性が増大する。銅は、ルテニウム、タンタル、又はＲｕＴａによく付着し、銅シード層８４をＲｕＴａバリヤ層８２の上に直接スパッタ堆積させることを可能にする。前述のように、アモルファスにしても多結晶にしてもＲｕ含量の大きいＲｕＴａは、容易に酸化せず、酸化した場合、相対的に高い導電性を保持する。酸化の減少は、湿潤と銅に対する結合がより信頼できる。ルテニウムと、その合金への銅の高湿潤は、銅がＲｕＴａ上で凝集する傾向がないので、より薄いシード層がバイア側壁上でまだ連続したままでありながら堆積させることができるという利点が得られる。より高タンタルパーセントはタンタルが酸化する傾向があることから不利である。しかしながら、酸化の問題が、連続の銅シード層を保証するような他の手段によって考慮される場合には、おそらく高湿潤がバイア側壁上の銅拡散を促進させることから、低ルテニウム含量でさえ銅ホール充填を促進させることが見出された。一般的に、ホール充填は、ルテニウム割合の増加とともに、それ自体は不利であるが１００％のルテニウムまでの方法全てを改善する。その上、酸化ルテニウムの酸化と導電性の低下は、銅が中断される場合には、ＲｕＴａ合金層がめっき電流のための信頼できる導電路を与えることを可能にする。結果として、銅カバレッジは完全である必要がない。それを通るホールを持つ銅マトリックスパターンは、マトリックスがＥＣP銅を核形成するのに十分な密度をもつ限り満足なものである。銅が堆積中又は更に処理中に凝集するにしても、さらされた非酸化の又は少なくとも導電性のＲｕＴａ層は、電気めっき電流に垂直と平行の双方の導電路を与える。
【００３２】
銅突出部８６はまだ形成されたままであってもよいが、より薄いシード層８４があることから、バイアホール６８ののどを著しくは閉鎖しにくい。更に、ルテニウムベースの層の上の銅の側壁拡散の増加は、突出材料をバイアホールへ引き伸ばすことができ、従って突出の程度が減少する。従って、突出を防止するか又はエッチングするより積極的な手段を避けることができる。薄い銅シード層８４が拡散して集塊８８とＲｕベースの層８２をさらす側壁ボイド８９を形成するにしても、側壁ボイド８９によって、大体非酸化性の又は少なくとも導電性のバリヤ、例えば、ＲｕＴａがさらされる。しかしながら、集塊８８とボイド８９は、Ｒｕベースの層８２の湿潤がより良好なことから減少する。バリヤは、電気めっき電極だけでなく、バイアホール６８の電気めっきの下の部分を与える。銅のスパッタエッチングは、磁界領域において著しく厚い銅層を可能にし、従ってウエハのエッジ部から電気めっき電流の流れを促進させる。
【００３３】
ＲｕＴａバリヤ又は類似のバリヤについての合金パーセントは、ルテニウムとタンタルのそれぞれの原子パーセントで５：９５〜９５：５で異なってもよい。アモルファス性はほぼ等しい原子パーセント、即ち、５０：５０のＲｕＴａ合金によって促進すると考えられる。しかし、５原子％のルテニウムさえしばしば有利である。しかしながら、ルテニウムは高価で脆いので、破壊をうけやすい。一方では、タンタルは酸化するので、極端なパーセントは好ましくない。ルテニウム割合の８０原子％又は７０原子％さえ、ある実験では、イオン化割合をスパッタリングする注意深いプロセスチューニングによって小さな微結晶として形成することが見出され、ウエハバイアスによって８０：２０のＲｕＴａがアモルファス相で堆積させることを可能にすることができる。しかしながら、５７原子％のルテニウムは、適当な条件下でガラス膜として形成することが見出された。従って、２０：８０と８０：２０のＲｕＴａ合金がアモルファス層に所望される合金限界を表すことができ、同範囲は良好な酸化抵抗をもつ多結晶ＲｕＴａにおいて良好な結果が見込まれる。しかしながら、いずれの酸化も防止するために８０原子％より大きいルテニウム割合が所望されでもよい。
【００３４】
ウエハ上に堆積されたＲｕＴａ層の厚さは自由に選択することができる。しかしながら、誘電体の平面最上部の磁界領域内で測定された好ましい厚さ範囲は１０〜５０ｎｍであるが、有望な試験は７ｎｍまで行われた。ＲｕＴａの厚さは１ｎｍまで企図されるが、５〜１５ｎｍの厚さが現在好ましい範囲である。適当なスパッタリング条件下で側壁カバレッジは、１０〜２０％で見出された。銅シード層は約３０ｎｍの磁界領域内の厚さを持つことができるが、この厚さを減少させ得ることが予想される。
【００３５】
確認試験において、このようないくつかのライナ構造がスパッタ堆積された。ＲｕＴａ合金は、タンタル領域とルテニウム領域から構成されるターゲットから同時スパッタすることができる。しかしながら、均一なＲｕＴａターゲットが所望される。しかし、ルテニウムとタンタルは互いに混じらない。それにもかかわらず、図４において部分断面図に示されるＲｕＴａターゲット９０は、所望されるＲｕＴａ合金パーセントに対応する割合で純粋なルテニウム末と純粋なタンタル末の混合物を一緒に焼結することによって形成することができる。混合された粉末と焼結剤は焼結金型へ充填される。金型は高温で、所望により高圧で処理され、エッジ斜面がそれらの間にプラズマ暗部を持つシールド３６に一致した形をしたＲｕＴａの独立のターゲットディスク９４を形成した。焼結プロセスはターゲット産業でよく知られている。典型的には、インジウムは得られたターゲットディスク９４を、例えば、黄銅から構成された、裏打ちプレート９２に結合するために用いられる。バッキングプレート９２の一部は、スパッタリングチャンバ上にターゲット９０を取り付けるためのフランジとして使用するように覆われていない。
【００３６】
ＲｕＴａ層８２は、特にアモルファス金属として形成された場合、銅シード層の排除を可能にする。図５の断面図に示された銅メタライゼーション構造１００は、ＥＣＰによって堆積された誘電体層６６と銅充填層１０２との間にＲｕＴａ層８２のみを含む。ＲｕＴａ層８２はバリヤ層、接着層、ＥＣＰ電極として使用する。銅とＲｕＴａとの間のすばやい接着は、ＥＣＰ銅１０２の核形成が十分であることを示している。ＥＣＰの後で、ＣＭＰは、図６の断面図に示されるように、バイアホールの外部にさらされたＥＣＰ層１０２を除去し、銅バイア１０４が残る。ＣＭＰプロセスは、誘電体層６６の最上部の磁界領域内でかなり硬いＲｕＴａ層８２を脱離するか又は除去するために調整することができる。デュアルダマシンにより、下のバイアと、ライナとＥＣＰ銅によって充填されているバイアに接続された上のトレンチの組合わせを得ることができることは理解されるべきである。
【００３７】
ＲｕＴａ合金は、タンタルが半導体産業に広く用いられ、ルテニウムの使用が徹底的に研究されている利点がある。しかしながら、他の耐火性貴合金も同様の効果に使用し得る。他の貴金属に近い又は鉄を除く周期表のVIIIＢ族の白金族金属、即ち、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔに、ルテニウムの全部か又は一部を置き換えることができるが、これらのいくつかは珍しいものであり、高価である。周期表のＩＶＢ、ＶＢ、及びＶＩＢ族から選ばれた耐火性金属、例えば、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）に、タンタルの全部か又は一部を置き換えることができる。三成分以上の耐火性貴合金は本発明の範囲内に含まれ、更に他の元素も本発明の耐火性貴合金の範囲内に含まれてもよい。
【００３８】
本発明の他の実施形態は、窒素の存在下でＲｕＴａの反応性スパッタリングか又はＣＶＤ、特に非常に薄いバリヤ層を可能にするので原子層堆積によって、例えば、誘電体層上に被覆された、窒化ＲｕＴａのバリヤ層を含む。図２の従来の構造においてＴａＮ層７０をＲｕＴａＮ層に置き換えてもよく、又は図３、図５又は図６のＲｕＴａ層８２の下に横たわることができる。ＲｕＴａＮ合金は、拡散障壁として作用するが、誘電体とよく付着する。
【００３９】
他のＲｕベースの層を図７の断面図に示す。ライナ構造１１０は、前述のバイアホール６８に形成される。非常に薄い、厚さが、例えば、２ｎｍ以下である、原子層堆積（ＡＬＤ）か又はスパッタリングによって堆積された従来のＴａＮ層のようなバリヤ層を含む。貴金属銅合金シード層１１２は、好ましくはスパッタリングによって、バリヤ層７０の上に堆積される。貴金属銅合金シード層１１２は、ＲｕＣｕ合金か又は銅と上述の白金族元素との合金から構成されてもよい。他の成分は、合金が導電性金属のままである限り貴金属銅合金内に含まれてもよい。好ましくは、銅含量は少ない、好ましくは２５原子％未満、より好ましくは１０原子％未満であるが、可能な下限は１原子％や０.０１原子％である。一方、少なくとも５０原子％の高ルテニウム含量は酸化抵抗が良好であるが、本発明は１原子％のルテニウム含量まで広げることができる。ＲｕＣｕ合金は導電性であるので、バイアホールの底部からそれを除去する必要がほとんどない。ルテニウムと銅は互いにほとんど混じらないのでいずれの加温処理又は動作中でも分離する傾向がある。分離は、銅の島が合金シード層１１２の表面上に形成するとともに合金シード層１１２の上に直接バイアホール６８へ充填されたＥＣＰ銅層のための核形成と結合の位置として使用することができる利点がある。別々の銅シード層は必要とされないが、所望される場合には含まれてもよい。一方、分離したルテニウムは、更にバリヤとして、また、非酸化性又は少なくとも導電めっき電極やめっき電流路として作用する。
【００４０】
ＲｕＣｕ又は関連した貴金属銅合金スパッタリングターゲットは、例えば、ＲｕＴａターゲットについて記載された手順に従って形成することができる。ＲｕＣｕ合金は、これらの物質の双方について開発された技術の利点がある。
【００４１】
ＲｕＴａ又はＲｕＣｕ又は他のルテニウム金属合金のスパッタ堆積は、有利には高速であり、容易に行われる。しかしながら、ＣＶＤ又は他の方法によって堆積されたＲｕＴａ又はＲｕＣｕも同様の有利な物質特性を有する。
【００４２】
図示されたバイア構造には二、三の層が含まれているが、他の中間層を耐火性合金層又は銅貴金属合金層と誘電体と銅充填との間に形成することができる。本発明は、主として銅メタライゼーションについてのライナに関するが、記載された合金層は他の使用と他のメタライゼーションに適用することができる。
【００４３】
本発明は、従来の技術のライナ構造及びそれらの製造方法より、既によく開発されたスパッタリング技術のわずかな変化だけでかなり改善された性能とより著しい簡便さを与える。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、従来のマグネトロンスパッタリアクタの概略断面図である。
【図２】図２は、従来の銅/タンタルバイア構造の断面図である。
【図３】図３は、耐火性貴合金層を含む一実施形態のバイアライナ構造の断面図である。
【図４】図４は、ＲｕＴａをスパッタ堆積するのに用いられるスパッタターゲットの断面図である。
【図５】図５は、耐火性貴合金層を含む本発明の他の実施形態の単層ライナ構造の断面図である。
【図６】図６は、図５の完了したメタライゼーションを示している断面図である。
【図７】図７は、銅貴合金層を含む本発明の更に他の実施形態のバイアライナ構造の断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１２…真空チャンバ、１４…中心軸、１６…真空ポンプシステム、１８…ガス源、２０…マスフローコントローラ、２２…ガス源、２４…マスフローコントローラ、３０…ペデスタル、３２…ウエハ、３６…シールド、３８…ターゲット、４２…ＤＣ電源、４４…マグネトロン、４６…極、４８…極、５２…モータ、５６…プレート、６０…バイア構造、６２…導電性特徴部、６４…下方の誘電体層、６６…上方の誘電体層、６８…バイアホール、７０…バリヤ層、７２…接着層、７４…銅シード層、７６…突出部、７８…小球、７９…ボイド、８０…ライナ構造、８２…バリヤ層、８４…銅シード層、８６…突出部、８８…集塊、８９…ボイド、９０…ターゲット、９２…裏打ちプレート、９４…ターゲットディスク、１００…銅メタライゼーション、１０２…銅充填層、１０４…銅バイア、１１０…ライナ構造、１１２…貴金属銅合金シード層。
【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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【国際調査報告】
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