(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互接続構造であって、
ＣｕまたはＣｕ合金を含む第１の導電材料が埋め込まれた第１の誘電材料と、
前記第１の誘電材料の上に位置した第２の誘電材料であって、前記第１の導電材料の上に位置する組み合わせバイアおよびラインを含む少なくとも１つの導電充填開口を含む、前記第２の誘電材料と、
前記バイアの底部および前記ラインの水平方向底部にのみ位置する界面層と、
前記界面層の上に形成された、下層の金属窒化物層と該金属窒化物層の上層の金属層とを含むバリア層と、
を含み、
前記バイアの前記底部に存在する前記界面層は、前記第１の導電材料内に形成され、前記第２の誘電材料内の前記少なくとも１つの導電充填開口から前記第１の導電材料を分離する少なくとも金属合金界面層を含み、
前記ラインの前記水平方向底部内に位置する前記界面層が、前記バリア層の下部に位置する金属界面層を含み、
前記金属界面層が、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔのいずれかから成る導電金属を含み、
前記金属合金界面層が前記金属界面層の導電金属と前記第１の導電材料との反応生成物を含む、相互接続構造。
【請求項２】
前記金属合金界面層がＴａ−Ｃｕ、Ｒｕ−Ｃｕ、またはＩｒ−Ｃｕを含む、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項３】
前記少なくとも１つの導電充填開口がＣｕまたはＣｕ合金を含む、請求項１または２に記載の相互接続構造。
【請求項４】
前記バリア層に含まれる前記金属窒化物層は、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＴａＮ、またはＷＮを含み、前記バリア層の前記金属層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＲｕＴａまたはＷを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の相互接続構造。
【請求項５】
前記第１および第２の誘電材料が同一または異なる誘電材料から成り、前記誘電材料が４．０以下の誘電率を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の相互接続構造。
【請求項６】
前記第１および第２の誘電材料間に存在する誘電キャッピング層を更に含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の相互接続構造。
【請求項７】
相互接続構造であって、
ＣｕまたはＣｕ合金を含む第１の導電材料が埋め込まれた第１の誘電材料と、
前記第１の誘電材料の上に位置した第２の誘電材料であって、前記第１の導電材料の上に位置する少なくとも１つの導電充填開口を含む、前記第２の誘電材料と、
前記少なくとも１つの導電充填開口の底部にのみ位置し、前記第１の導電材料内に形成される金属合金界面層と、
前記金属合金界面層の上に形成された、下層の金属窒化物層と該金属窒化物層の上層の金属層とを含むバリア層と、
を含み、前記少なくとも１つの導電充填開口および前記第１の導電材料が、前記金属合金界面層によって分離され、前記金属合金界面層が、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔのいずれかから成る導電金属と前記第１の導電材料との反応生成物を含む、相互接続構造。
【請求項８】
前記金属合金界面層がＴａ−Ｃｕ、Ｒｕ−Ｃｕ、またはＩｒ−Ｃｕを含む、請求項７に記載の相互接続構造。
【請求項９】
前記少なくとも１つの導電充填開口がＣｕまたはＣｕ合金を含む、請求項７または８に記載の相互接続構造。
【請求項１０】
前記バリア層に含まれる前記金属窒化物層は、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＴａＮ、またはＷＮを含み、前記バリア層の前記金属層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＲｕＴａまたはＷを含む、請求項７〜９のいずれか１項に記載の相互接続構造。
【請求項１１】
前記第１および第２の誘電材料が同一または異なる誘電材料から成り、前記誘電材料が４．０以下の誘電率を有する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の相互接続構造。
【請求項１２】
前記第１および第２の誘電材料間に存在する誘電キャッピング層を更に含む、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の相互接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体相互接続構造およびその製造方法に関する。更に具体的には、本発明は、エレクトロマイグレーション（ＥＭ：electromigration）耐性が向上した半導体相互接続構造およびかかる相互接続構造を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスは複数の回路を含み、これらの回路が半導体基板上に製造される集積回路（ＩＣ）を形成する。通常、基板の表面上に分布した回路要素を接続するために、複雑な信号経路ネットワークをルーティングする。デバイス全体でこれらの信号を効率的にルーティングするには、例えばシングル・ダマシンまたはデュアル・ダマシン配線構造等の多レベル（すなわち多層）の構成（scheme）を形成する必要がある。配線構造は、必ずしも常にというわけではないが、典型的には、銅（Ｃｕ）を含む。Ｃｕベースの相互接続配線構造は、アルミニウム（Ａｌ）ベースの相互接続構造に比べて、複雑な半導体チップ上の多数のトランジスタ間で高い信号伝送速度を提供するからである。
【０００３】
典型的な相互接続構造内では、半導体基板に対して垂直に金属バイアが延在し、半導体基板に対して平行に金属ラインが延在する。今日の相互接続構造において、金属ラインおよび金属バイア（例えば導電フィーチャ）を、誘電率が４．０未満の誘電材料に埋め込むことによって、信号速度の向上および隣接する金属ライン間の信号（「クロストーク」として知られる）の軽減が達成されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体相互接続構造において、１つの金属破損機構として、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）が認識されている。エレクトロマイグレーションは、導電電子と拡散金属原子との間の運動量移行（momentum transfer）によって導体内のイオンが徐々に移動することで生じる物質の移動である。マイクロエレクトロニクスおよび関連構造におけるもの等、高い直流電流密度を用いる用途では、その影響は重要である。構造のサイズが小さくなるにつれて、ＥＭの事実上の重大さが増す。
【０００５】
エレクトロマイグレーションは、超大規模集積（ＶＬＳＩ）回路にとって最悪の信頼性の問題の１つである。この問題は、プロセスを適格とするためにプロセス開発期間中に克服する必要があるだけでなく、チップの寿命全体にわたって続くものである。高い電流密度が引き起こす金属の移動によって、相互接続構造縁部の金属導体内部にボイド（void）が生成される。このため、エレクトロマイグレーション耐性を有する相互接続構造が高く望まれている。
【０００６】
平坦なバイア底部を有する従来技術の相互接続構造を示す図１を参照する。具体的には、従来技術の相互接続構造は第１の誘電材料１０を含み、これは、例えばＣｕのような埋め込まれた導電材料１８を含む。導電材料１８は、例えばＴａＮのような金属窒化物の下層１４および例えばＴａ等の金属の上層１６を含む二層拡散バリア・ライナによって、第１の誘電材料１０から離間されている。二層拡散バリア・ライナは、導電材料１８を充填する前に第１の誘電材料１０内に形成された開口の輪郭を表す。
【０００７】
第１の誘電材料１０の上には第２の誘電材料１０’があり、これは、埋め込まれた導電材料１８’を含む。導電材料１８’は、第２の誘電材料１０’内に形成されているライン開口２０およびバイア開口２２内に位置している。導電材料１８’は、例えばＴａＮのような金属窒化物の下層１４’および例えばＴａ等の金属の上層１６’を含む別の二層拡散バリア層によって、第２の誘電材料１０’から離間されている。第１および第２の誘電層間には誘電キャッピング層２４が位置しており、誘電キャッピング層２４の一部は、第１の誘電材料１０内に存在する導電材料１８の上面上に延在する。
【０００８】
図１に示した従来技術の構造は、第１の誘電材料１０内の導電材料１８に接触している平坦なバイア底部（図においてＡで示す）を有する。図１に示した従来技術の相互接続構造は、バイア開口２２とその下にある相互接続１８との間の接触領域が限られているために、高レベルのＥＭが生じる。通常、限られた接触領域は、結果として電流集中（current crowding）を生じ、ＥＭの影響によるボイド核生成について最も弱い場所である。
【０００９】
図２は、別の従来技術の相互接続構造を示す。これは基本的に図１に示したものと同じであるが、この従来技術の相互接続構造は、バイア・ガウジングフィーチャ（via gouging feature）（図２にＢで示す）を含む点が異なっている。相互接続構造にバイア・ガウジング・フィーチャＢが存在することによって、バイア接触領域が拡大し、図１に示した相互接続に比べて、かかる相互接続構造のエレクトロマイグレーション耐性が向上する。
【００１０】
相互接続構造のエレクトロマイグレーション耐性を向上させるにもかかわらず、図２に示したバイア・ガウジング・フィーチャＢを形成するプロセスは、常にプロファイル損傷を引き起こす。「プロファイル損傷」とは、バイア・ガウジング・フィーチャを生成するために用いる物理的な気体ボンバードによる、具体的にはライン開口の底部（すなわちライン開口の形成中に露出される第２の誘電材料１０’の水平方向の表面）における、パターニングされた誘電体損傷である。
【００１１】
上述のことに鑑み、相互接続構造内にガウジング・フィーチャを導入することなくエレクトロマイグレーション耐性を向上させた相互接続構造を提供することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、相互接続構造内にガウジング・フィーチャを導入することなくエレクトロマイグレーション耐性を向上させた相互接続構造を提供する。
【００１３】
第１の態様から見ると、本発明は、金属界面層またはこの金属界面層およびその下にある導電材料の反応生成物である金属合金界面層のいずれかを含む界面層を提供する。界面層は、第１の誘電材料の上にある第２の誘電材料内に形成された開口の底部バイア部に設けられている。いくつかの実施形態では、金属界面層は、第２の誘電材料内に形成されたライン開口の水平方向の部分上にも位置することができる。この金属界面層は、埋め込まれた導電材料から第２の誘電材料を分離する。
【００１４】
本発明の好適な実施形態の相互接続構造では、第１の誘電材料内に埋め込まれた導電材料の体積の低減は観察されない。更に、本発明の相互接続構造は、標準的な配線用およびｅヒューズ用の双方のために、ライン／バイア界面において制御されたエレクトロマイグレーション耐性を有する。
【００１５】
本発明の一実施形態においては、相互接続構造は、誘電材料内に形成された開口の水平方向の表面全体に存在する金属界面層を含む。これは、具体的には、埋め込まれた第１の導電材料を含む第１の誘電材料の上に位置する第２の誘電材料内に位置するバイアの底部およびラインの底部である。バイアの底部に存在する金属界面層は、第１の誘電材料内に埋め込まれた下にある第１の導電材料と第２の誘電材料内に埋め込まれた第２の導電材料との間に位置する。本発明のいくつかの実施形態においては、金属界面層を処理して金属合金界面層を形成する。金属合金界面層は、金属界面層および第１の導電材料の反応生成物である。本発明において形成することができる金属合金界面層のいくつかの例は、Ｔａ−Ｃｕ、Ｒｕ−Ｃｕ、Ｃｏ−Ｃｕ、またはＩｒ−Ｃｕである。
【００１６】
金属界面層（または、形成された場合には金属合金界面層）の上に、拡散バリア・ライナが存在する。いくつかの実施形態では、拡散バリア・ライナは、金属窒化物の下層および金属の上層を含む。
【００１７】
具体的には、本発明の好適な実施形態の相互接続構造は、第１の導電材料が埋め込まれた第１の誘電材料と、第１の誘電材料の上に位置した第２の誘電材料であって、第１の導電材料の上に位置する組み合わせバイアおよびラインを含む少なくとも１つの導電充填開口を含む、第２の誘電材料と、バイアの底部およびラインの水平方向底部にのみ位置する界面層と、を含み、バイアの底部に存在する界面層が、第２の誘電材料内の少なくとも１つの導電充填開口から第１の誘電材料内に埋め込まれた第１の導電材料を分離し、バイアの底部内に位置する界面層が金属界面層および金属合金界面層の少なくとも一方を含み、ラインの水平方向底部内に位置する界面層が金属界面層である。
【００１８】
本発明において用いる金属界面層は、元素の周期表のＶＢ群またはＶＩＩＩ群からの金属を含むいずれかの導電金属を含む。導電性であるＶＢ群金属の例には、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａが含まれる。導電性であるＶＩＩＩ群金属の例には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、およびＰｔが含まれる。本発明の好適な実施形態においては、金属界面層はＴａ、Ｒｕ、Ｉｒ、またはＣｏを含む。本発明のいくつかの実施形態では、金属界面層はＩｎを含む。
【００１９】
金属合金界面層は、金属界面層および第１の導電材料の反応生成物である。本発明において形成することができる金属合金界面層の例は、Ｔａ−Ｃｕ、Ｒｕ−Ｃｕ、Ｃｏ−Ｃｕ、またはＩｒ−Ｃｕである。
【００２０】
本発明の別の実施形態においては、相互接続構造は、後で形成される金属界面層とその下にある導電材料との間の反応生成物から成る金属合金界面層を含み、これは、下にある導電材料の残り部分の上のバイアの底部にのみ存在する。
【００２１】
具体的には、本発明の第２の実施形態の相互接続構造は、第１の導電材料が埋め込まれた第１の誘電材料と、第１の誘電材料の上に位置した第２の誘電材料であって、第１の導電材料の上に位置する少なくとも１つの導電充填開口を含む、第２の誘電材料と、を含み、少なくとも１つの導電充填開口および第１の導電材料が、少なくとも１つの導電充填開口の底部内にのみ存在する金属合金界面層によって水平方向に分離され、金属合金界面層が金属界面層および第１の導電材料の反応生成物を含む。
【００２２】
本発明において形成することができる金属合金界面層のいくつかの例は、Ｔａ−Ｃｕ、Ｒｕ−Ｃｕ、Ｃｏ−Ｃｕ、またはＩｒ−Ｃｕである。
【００２３】
エレクトロマイグレーションが向上した相互接続構造を提供することに加えて、本発明は、これを製造する方法も提供する。
【００２４】
更に別の一実施形態において、本発明の方法は、第１の導電材料が埋め込まれた第１の誘電材料と、第１の誘電材料の上に位置した第２の誘電材料であって、第１の導電材料の表面を露出させる組み合わせバイアおよびライン開口を有する第２の誘電材料と、を含む構造を用意することと、第１の導電材料の露出した表面の上におよびラインの水平方向の壁部に沿って金属界面層を形成することと、組み合わせバイアおよびライン開口内に拡散バリア・ライナを形成することと、拡散バリア・ライナ上に、第２の誘電体の上面と同一平面である上面を有する第２の導電材料を形成することと、を含む。
【００２５】
本発明において用いられる金属界面層は、元素の周期表のＶＢ群またはＶＩＩＩ群からの金属を含むいずれかの導電金属を含む。導電性であるＶＢ群金属の例には、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａが含まれる。導電性であるＶＩＩＩ群金属の例には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、およびＰｔが含まれる。本発明の好適な実施形態においては、金属界面層はＴａ、Ｒｕ、Ｉｒ、またはＣｏを含む。本発明のいくつかの実施形態では、金属界面層はＩｎを含む。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態においては、アニーリング・ステップを実行して、金属界面層とその下にある第１の導電材料との間で反応を引き起こし、この結果として金属合金界面層が形成される。いくつかの実施形態では、金属合金界面層は金属界面層の全体を置き換え、他の実施形態では、金属合金界面層は金属界面層の一部を置き換えて、金属界面層と第１の導電材料との間に存在する。
【００２７】
本発明の別の実施形態においては、本発明の方法は、第１の導電材料が埋め込まれた第１の誘電材料と、第１の誘電材料の上に位置した第２の誘電材料であって、第１の導電材料の表面を露出させる組み合わせバイアおよびライン開口を有する第２の誘電材料と、を含む構造を用意することと、第１の導電材料の露出した表面の上にのみ金属界面層を形成することと、金属界面層の少なくとも一部を金属合金界面層に変換することであって、アニーリングを含む変換と、組み合わせバイアおよびライン開口内に拡散バリア・ライナを形成することと、拡散バリア・ライナ上に、第２の誘電体の上面と同一平面である上面を有する第２の導電材料を形成することと、を含む。
【００２８】
これより、一例としてのみ、以下の図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】平坦な底部バイアを有する従来技術の相互接続構造を示す図（断面図）である。
【図２】バイア接触領域がガウジング・フィーチャによって拡大した従来技術の相互接続構造を示す図（断面図）である。
【図３】本発明の相互接続構造を示す図（断面図）である。
【図４】本発明の相互接続構造を示す図（断面図）である。
【図５】図３に示した本発明の相互接続構造を製造する際に用いる基本的な処理ステップを示す図（断面図）である。
【図６】図３に示した本発明の相互接続構造を製造する際に用いる基本的な処理ステップを示す図（断面図）である。
【図７】図３に示した本発明の相互接続構造を製造する際に用いる基本的な処理ステップを示す図（断面図）である。
【図８】図３に示した本発明の相互接続構造を製造する際に用いる基本的な処理ステップを示す図（断面図）である。
【図９】図４に示した本発明の相互接続構造を製造する際に用いる基本的な処理ステップを示す図（断面図）である。
【図１０】図４に示した本発明の相互接続構造を製造する際に用いる基本的な処理ステップを示す図（断面図）である。
【図１１】図４に示した本発明の相互接続構造を製造する際に用いる基本的な処理ステップを示す図（断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、ガウジング・フィーチャを含むことなくエレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性を向上させた相互接続構造およびこれを形成する方法を提供するものであり、これより本発明について、以下の考察および本出願の添付図面を参照して更に詳細に説明する。本発明の図面は例示の目的のためだけに提供するものであり、このため図面は一律の縮尺に従って描かれているわけではないことに留意すべきである。
【００３１】
以下の記載において、本発明の完全な理解を得るために、特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、および技法等の多数の具体的な詳細事項について述べる。しかしながら、これらの具体的な詳細事項がなくても本発明を実施可能であることは、当業者には認められよう。他の例では、本発明を曖昧にするのを避けるために、周知の構造または処理ステップについては詳細に記載していない。
【００３２】
層、領域、または基板のような要素が、別の要素の「上に」または「上方に」あると言及される場合、これは他の要素の直接上にある可能性があり、または介在する要素が存在する場合もあることは理解されよう。これに対して、ある要素が別の要素の「直接上に」または「直接上方に」あると言及される場合、介在する要素は存在しない。また、ある要素が別の要素に「接続されている」または「結合されている」と言及する場合、これは別の要素に直接接続もしくは結合されている可能性があり、または介在する要素が存在する場合もあることは理解されよう。これに対して、ある要素が別の要素に「直接接続されている」または「直接結合されている」と言及する場合、介在する要素は存在しない。
【００３３】
上述したように、本発明は、ＥＭ耐性が向上した相互接続構造を提供する。ＥＭ耐性の向上は、本発明において、相互接続構造内にガウジング・フィーチャを導入する必要なく達成される。具体的には、一実施形態において、誘電材料内に形成した組み合わせバイアおよびライン開口の水平方向の表面上にのみ金属界面層を組み込むことによって、ＥＭ耐性の向上を図る。別の実施形態では、バイアの底部内にのみ、金属界面層および導電材料の反応生成物を含む金属合金界面層を形成する。
【００３４】
図３から図４は、本発明のこれらの様々な実施形態を示す。具体的には、図３が示す相互接続構造は、開口の底部内およびライン・パターンを含む第２の誘電材料の水平方向の壁部上に金属界面層を含む。図４において図示されている相互接続構造では、バイアの底部内にのみ、以前に形成された金属界面層およびその下にある第１の導電材料の反応生成物を含む金属合金界面層が位置している。図３に示す実施形態は、金属界面層の全体または一部の所定の位置に金属合金界面層を含む場合があることに留意すべきである。また、図４に示す実施形態は、金属合金界面層の上に残りの金属界面層を含む場合がある。図示する実施形態は、本発明の好適な実施形態を表す。
【００３５】
具体的には、図３および図４に示した相互接続構造は双方とも、第１の導電材料５６が埋め込まれた第１の誘電材料５２を含む。第１の導電材料５６は、第１の拡散バリア・ライナ５４によって第１の誘電材料５２から離間している。また、各構造は、第１の誘電材料５２の上に位置する第２の誘電材料５２’を含む。通常、第１の誘電材料５２と第２の誘電材料５２’との間に誘電キャッピング層６２が位置している。図示のように、第１の導電材料５６の上面上に誘電キャッピング層６２の部分が位置している。
【００３６】
第２の誘電材料５２’は、第１の導電材料５６の上に位置する少なくとも１つの導電充填開口１２５を含む。少なくとも１つの導電充填開口１２５は、組み合わせバイアおよびラインを含み、第１の誘電材料５２内に存在する第１の導電材料５６の上面まで延在する。図３に示す実施形態においては、少なくとも１つの導電充填開口１２５の底部バイア部および第１の導電材料５６は、金属界面層６６によって水平方向に分離されている。すなわち、金属界面層６６は、少なくとも１つの導電充填開口１２５の少なくとも底部内に存在する。図４においては、以前に形成された金属界面層およびその下にある第１の導電材料５６の反応生成物を含む金属合金界面層６６’が、導電充填開口１２５の底部バイア部内にのみ位置している。
【００３７】
また、各相互接続構造は、前記第２の誘電材料５２’と少なくとも１つの導電充填開口１２０との間に位置する第２の拡散バリア・ライナ５４’を含む。第２の拡散バリア・ライナ５４’は、例えばＴａＮ等の金属窒化物の下層および例えばＴａ等の金属の上層を含む場合がある。第２の拡散バリア・ライナ５４’の上に、任意のめっきシード層５５が存在する場合がある。
【００３８】
ここで、図３に示した相互接続構造を製造するために本発明において用いられる基本的な処理ステップを示す図５から図８を参照する。
【００３９】
図５は、本発明において用いられる初期の部分的に形成された相互接続構造５０を示す。具体的には、初期の部分的に形成された相互接続構造５０は多レベル相互接続構造であり、下部相互接続レベル１１０および上部相互接続レベル１１２を含み、これらは誘電キャッピング層６２によって部分的に分離されている。下部相互接続レベル１１０は、１つ以上の半導体デバイスを含む半導体基板の上に位置することができ、少なくとも１つの導電材料（すなわち導電フィーチャまたは導電領域）５６を有する第１の誘電材料５２を含み、導電材料５６は、第１の拡散バリア・ライナ５４によって第１の誘電材料５２から分離されている。上部相互接続レベル１１２は、組み合わせバイアおよびライン開口１２０を有する第２の誘電材料５２’を含む。図において、バイアはＶとして表し、ラインはＬとして表す。図５に示す初期の相互接続構造５０は、当技術分野において周知の標準的な相互接続処理を利用して生成される。例えば、初期の相互接続構造５０は、最初に基板（図示せず）の表面に第１の誘電材料５２を適用することによって形成することができる。図示しない基板は、半導体材料、絶縁材料、導電材料、またはそれらのいずれかの組み合わせを含むことができる。基板が半導体材料から成る場合、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣ、Ｇｅ合金、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、および他のＩＩＩ／Ｖ族またはＩＩ／ＶＩ族化合物半導体等のいずれかの半導体を用いることができる。これらの列挙したタイプの半導体材料に加えて、本発明は、半導体基板が、例えばＳｉ／ＳｉＧｅ、Ｓｉ／ＳｉＣ、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、またはシリコン・ゲルマニウム・オン・インシュレータ（ＳＧＯＩ）等の多層半導体である場合も想定する。
【００４０】
基板が絶縁材料である場合、絶縁材料は、有機絶縁体、無機絶縁体、または多層を含むそれらの組み合わせとすることができる。基板が導電材料である場合、基板は、例えばポリシリコン、元素金属、元素金属の合金、金属シリサイド、金属窒化物、または多層を含むそれらの組み合わせを含む場合がある。基板が半導体材料を含む場合、例えば相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイス等の１つ以上の半導体デバイスをその上に製造することができる。
【００４１】
第１の誘電材料５２は、無機誘電体または有機誘電体を含むいずれかのレベル間誘電体またはレベル内誘電体を含むことができる。第１の誘電材料５２は、多孔質または非多孔質とすることができる。第１の誘電材料５２として使用可能である適切な誘電体のいくつかの例は、限定ではないが、ＳｉＯ2、シルセスキオキサン、Ｓｉ、Ｃ、Ｏ、およびＨの原子を含むＣドープ酸化物（すなわちオルガノシリケート）、熱硬化性ポリアリーレン・エーテル、またはそれらの多層を含む。本出願において、「ポリアリーレン(polyarylene)」という言葉は、結合、縮合環、または例えば酸素、硫黄、スルホン、スルホキシド、カルボニル等のような不活性連結基によって相互に連結されたアリール部分または不活性置換アリール部分を指すために用いられる。
【００４２】
第１の誘電材料５２は、典型的に約４．０以下の誘電率を有するが、約２．８以下の誘電率がいっそう典型的である。これらの誘電体は一般に、誘電率が４．０よりも高い誘電材料に比べて寄生クロストークが小さい。第１の誘電材料５２の厚さは、用いる誘電材料および下部相互接続レベル１１０内の誘電体の正確な数に応じて変動し得る。典型的に、通常の相互接続構造では、第１の誘電材料５２は約２００から約４５０ｎｍの厚さを有する。
【００４３】
また、下部相互接続レベル１１０は、第１の誘電材料５２内に埋め込まれた（すなわちその内部に位置する）少なくとも１つの第１の導電材料５６を有する。第１の導電材料５６（これは導電領域または導電フィーチャとも称される場合がある）は、第１の拡散バリア・ライナ５４によって第１の誘電材料５２から分離されている。埋め込まれた第１の導電材料５６を形成するには、最初にリソグラフィによって第１の誘電材料５２内に少なくとも１つの開口を設け（すなわち、第１の誘電材料５２の表面にフォトレジストを塗布し、フォトレジストを所望の放射パターンに露光し、従来のレジスト現像剤を用いて露光したレジストを現像する）、エッチングを行う（ドライ・エッチングまたはウェット・エッチング）。エッチングした開口は、最初に第１の拡散バリア・ライナ５４を、次いで第１の導電材料５６を充填する。
【００４４】
第１の拡散バリア・ライナ５４は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｒｕ、ＲｕＴａＮ、ＲｕＴａ、Ｗ、ＷＮ、または他の、バリアとして機能して導電材料が拡散するのを防ぐことができるいずれかの材料を含むことができ、例えば原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、スパッタリング、化学溶液堆積、またはめっき等の堆積プロセスによって形成される。いくつかの実施形態（図示せず）では、第１の拡散バリア・ライナ５４は、金属窒化物の下層および金属の上層を含む複数の層の組み合わせを含むことができる。
【００４５】
第１の拡散バリア・ライナ５４の厚さは、用いる堆積プロセスの手段ならびに用いる層の材料および数に応じて変動し得る。典型的には、第１の拡散バリア・ライナ５４は約４から約４０ｎｍの厚さを有するが、約７から約２０ｎｍの厚さがいっそう典型的である。
【００４６】
第１の拡散バリア・ライナ５４を形成した後、第１の誘電材料５２内の開口の残りの部分に第１の導電材料５６を充填して導電フィーチャを形成する。導電フィーチャを形成する際に用いる第１の導電材料５６は、例えばポリシリコン、導電材料、少なくとも１つの導電金属を含む合金、導電金属シリサイド、またはそれらの組み合わせを含む。好ましくは、導電フィーチャを形成する際に用いられる第１の導電材料５６は、Ｃｕ、Ｗ、またはＡｌ等の導電金属であり、本発明において極めて好ましいのはＣｕまたはＣｕ合金（ＡｌＣｕ等）である。
【００４７】
限定ではないが、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、スパッタリング、化学溶液堆積、またはめっきを含む従来の堆積プロセスを用いて、第１の誘電材料５２の残りの開口内に導電材料を充填する。堆積後、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）等の従来の平坦化プロセスを用いることによって、第１の拡散バリア・ライナ５４および第１の導電材料５６の各々が第１の誘電材料５２の上面と実質的に同一平面の上面を有する構造を提供することができる。
【００４８】
少なくとも１つの導電材料５６を形成した後、例えばＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、化学溶液堆積、または蒸着等の従来の堆積プロセスを用いて、下部相互接続レベル１１０の表面上に誘電キャッピング層６２を形成する。誘電キャッピング層６２は、例えばＳｉＣ、Ｓｉ4ＮＨ3、ＳｉＯ2、炭素ドープ酸化物、窒素および水素ドープ炭化ケイ素ＳｉＣ（Ｎ，Ｈ）、またはそれらの多層等、いずれかの適切な誘電キャッピング材料を含む。誘電キャッピング層６２の厚さは、これを用いるために用いる技法および層の材料構成に応じて変動し得る。典型的には、誘電キャッピング層６２は約１５から約５５ｎｍの厚さを有するが、約２５から約４５ｎｍの厚さがいっそう典型的である。
【００４９】
次に、誘電キャッピング層６２の露出した上面に第２の誘電材料５２’を適用することによって、上部相互接続レベル１１２を形成する。第２の誘電材料５２’は、下部相互接続レベル１１０の第１の誘電材料５２のものと同じまたは異なる誘電材料を含むことができるが、同じであることが好ましい。ここで、第１の誘電材料５２についての処理技法および厚さ範囲を、第２の誘電材料５２’についても適用することができる。
【００５０】
次いで、第２の誘電材料５２’の上にハード・マスク６４を形成し、この後これをパターン・マスクおよびエッチ・マスクの双方として用いる。ハード・マスク６４は、例えば酸化物、窒化物、または酸窒化物等の少なくとも１つの誘電材料を含む。ハード・マスク６４は典型的にシリコンの酸化物またはシリコンの窒化物を含む。ハード・マスク６４は、例えばＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、化学溶液堆積、蒸着、および原子層堆積を含む従来の堆積プロセスを用いて形成される。
【００５１】
次に、リソグラフィおよびエッチングを含む従来のデュアル・ダマシン・プロセスを用いて、第２の誘電材料５２’内に組み合わせバイアおよびライン開口１２０を形成する。エッチング・ステップでは、誘電キャッピング層６２も、例えばパターニングによって開口される。単一の組み合わせバイアおよびライン開口を示すが、本発明は、複数の組み合わせバイアおよびライン開口が形成された実施形態を想定することに留意すべきである。エッチングは、ドライ・エッチング・プロセス、ウェット・ケミカル・エッチング・プロセス、またはそれらの組み合わせを含むことができる。本明細書において、「ドライ・エッチング」という言葉は、反応性イオン・エッチング、イオン・ビーム・エッチング、プラズマ・エッチング、またはレーザ・アブレーション（laser ablation）等のエッチング技法を示すために用いられる。
【００５２】
組み合わせバイアおよびライン開口１２０は、第１の誘電材料５２内の第１の導電材料５６の表面まで延在してこれを露出させる下部バイアＶと、下部バイアに接触している上部ラインＬと、を含む。図示のように、バイアの幅はラインの幅よりも小さい。エッチング・プロセスの間、最初にパターンをハード・マスク６４に転写し、次いで灰化のような従来の剥離プロセスによってフォトレジストを除去し、その後、パターンを第２の誘電材料５２’に、次いで誘電キャッピング層６２に転写する（すなわち誘電キャッピング層を開口して第１の導電材料５６の表面を露出させる）。デュアル・ダマシン・プロセスにおいては通常、バイアを最初に形成し、その後にラインを形成する。いくつかの実施形態では、ラインを最初に形成し、次いでバイアを形成することも可能である。デュアル・ダマシンは典型的に２つのパターニングおよび２つのエッチング・ステップを含む。
【００５３】
図６は、組み合わせバイアおよびライン開口１２０内の水平方向の表面上にのみ、すなわちバイアの底部における第１の導電材料５６の露出表面上およびライン内の第２の誘電材料５２’の水平方向の露出表面上に金属界面層６６を形成した後の、図５の相互接続構造を示す。
【００５４】
本発明において用いられる金属界面層６６は、元素の周期表のＶＢ群またはＶＩＩＩ群からの金属を含むいずれかの導電金属を含む。導電性であるＶＢ群金属の例には、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａが含まれる。導電性であるＶＩＩＩ群金属の例には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、およびＰｔが含まれる。本発明の好適な実施形態においては、金属界面層６６はＴａ、Ｒｕ、Ｉｒ、またはＣｏを含む。本発明のいくつかの実施形態では、金属界面層６６はＩｎを含む。
【００５５】
図示する特定の実施形態においては、金属界面層６６は、例えばガス・クラスタ・イオン・ビーム・プロセス等の金属注入プロセスを用いて形成される。あるいは、金属界面層６６は、化学気相堆積（ＰＶＤ）または、金属を水平方向の表面のみに堆積することができる他の同様の堆積プロセスによって形成される。
【００５６】
形成される金属界面層６６の厚さは、用いられる選択的な堆積プロセスの種類および金属界面層６６自体の材料に応じて変動し得る。典型的には、金属界面層６６は約１から約２０ｎｍの厚さを有するが、約５から約１０ｎｍの厚さがいっそう典型的である。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態においては、ここでアニーリング・ステップを実行しても良い。アニーリング・ステップによって、バイア内の金属界面層６６をその下にある第１の導電材料５６と反応させて、金属界面層６６および第１の導電材料５６の反応生成物を含む金属合金界面層を形成することができる。金属合金界面層の形成は、本発明のこの実施形態の図には示していない。図示した場合、形成される金属合金界面層はバイアの底部に存在して、金属界面層６６の全体または一部を置き換えることになる。いくつかの実施形態では、金属合金界面層は、金属界面層６６の残りの部分とその下にある残りの第１の導電材料５６との間に形成される。
【００５８】
アニーリングを用いる場合、これは、例えばファーネス・アニール（furnace anneal）、スパイク・アニール(spikeanneal)、急速熱アニール(rapid thermal anneal)、またはレーザ・アニール(laser anneal)を含む熱アニーリング・プロセスを用いて実行される。本発明で使用可能なアニーリング・プロセスの温度は、金属界面層６６と第１の導電材料５６との間に上述の反応を生じさせることができる限り、変動し得る。典型的に、アニールの温度は約２００℃から約５００℃であるが、約３００℃から約４００℃の温度である。アニーリングの時間は、実行するアニーリング・プロセスの種類に応じて変動し得る。典型的には、アニーリングの時間は約３０秒から約１２０分であるが、約１２０秒から約６０分の時間がいっそう典型的である。
【００５９】
アニーリングは、例えばヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、窒素、およびそれらの混合物を含む不活性雰囲気において実行することができる。いくつかの実施形態では、アニーリングは、水素含有量が１０％少ない窒素および水素の混合物において実行される。
【００６０】
図７は、第２の拡散バリア・ライナ５４’を形成した後の図６の相互接続構造を示す。第２の拡散バリア・ライナ５４’は、金属窒化物（例えばＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＴａＮ、またはＷＮ）の下層および金属（例えばＴａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＲｕＴａ、またはＷ）の上層を含む場合がある。あるいは、第２の拡散バリア・ライナ５４’は、二層でなく単一の層を含むことも可能である。図７において、第２の拡散バリア・ライナ５４’は、上述の双方の実施形態を含むことが意図されている。第２の拡散バリア・ライナ５４’は、第１の拡散バリア・ライナ５４を形成する際に用いた上述の技法の１つを用いて形成され、第１の拡散バリア・ライナ５４と同じ拡散バリア材料が第２の拡散バリア・ライナ５４’内に存在することができる。また、第２の拡散バリア・ライナ５４’の厚さも、第１の拡散バリア・ライナ５４について述べた厚さ範囲内にあることに留意すべきである。第２の拡散バリア・ライナ５４’は、パターニングされたハード・マスク６４の上面の上に位置することに留意すべきである。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態において、第２の拡散バリア５４’の露出した上面上に任意のめっきシード層を形成することができる。図７において、参照番号５５は本発明において使用可能なめっきシード層を示す。使用可能なめっきシード層５５は、元素の周期表のＶＩＩＩ群からの金属または金属合金を含む。あるいは、めっきシード層５５としてＣｕを用いることができる。めっきシード層として適切なＶＩＩＩ群元素の例は、限定ではないが、Ｒｕ、ＴａＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、およびそれらの合金を含む。いくつかの実施形態では、めっきシード層５５としてＣｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、またはＲｈを用いることが好ましい。
【００６２】
めっきシード層５５は、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、めっき、スパッタリング、および物理気相堆積（ＰＶＤ）を含む従来の堆積プロセスによって形成される。めっきシード層５５の厚さは、例えばめっきシード層５５の構成材料およびこれを形成する際に用いた技法を含む多数のファクターに応じて変動し得る。典型的に、めっきシード層５５は約０．５から約１０ｎｍの厚さを有するが、約６ｎｍ未満の厚さがいっそう典型的である。
【００６３】
図８は、組み合わせバイアおよびライン開口１２０に第２の導電材料５６’を充填した後の図７の相互接続構造を示す。第２の導電材料５６’は、めっきシード層が存在しない場合には第２の拡散バリア・ライナ５４’の上に、そうでなければめっきシード層の上に形成されることに留意すべきである。第２の導電材料５６’は、第１の導電材料５６と同じかまたは異なる導電材料を含むことができる。好ましくは、第１の導電材料５６および第２の導電材料５６’はＣｕを含む導電材料から成る。図示するように、充填ステップでは、第２の誘電材料５２に存在する開口の各々の外側にも第２の導電材料５６’が形成される。
【００６４】
次に、化学機械研磨または研削あるいはその両方を含む平坦化プロセスを用いて、図３に示した平坦な構造を提供する。通常、平坦化プロセスの間に、構造からハード・マスク６４を除去する。
【００６５】
上述したプロセス・ステップを用いて、図３に示した相互接続構造の上に追加の相互接続レベルを形成して、多層相互接続構造を形成することができる。この多層相互接続構造内に埋め込まれた導電フィーチャの各々間に本発明の金属界面層が含まれる。
【００６６】
図９から図１１は、図４に示した構造を提供する本発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態においては、まず、初期の部分的に形成された相互接続構造５０を上述のように提供する。これを図５に示す。図５に示す構造を提供した後、下にある第１の導電材料５６の露出した水平方向の表面上にのみ金属界面層を形成する。このため、金属界面層は、第１の導電材料５６の露出した上部に対して自己整合（self-align）する。金属界面層は、本発明の第１の実施形態において上述した材料の１つから成る。第２の誘電材料５２’内に形成されたラインの露出した水平方向の部分上にも金属界面層が形成された上述の第１の実施形態とは異なり、本発明の第２の実施形態では、金属界面層は、下にある第１の導電材料５６の露出した表面上にのみ形成される。
【００６７】
本発明のこの実施形態においては、金属界面層を形成する際に、例えば化学気相堆積、プラズマ増強化学気相堆積、めっき、および原子層堆積等の自己整合堆積プロセスを用いる。自己整合した金属界面層の厚さは、本発明の第１の実施形態において上述したものと同じである。
【００６８】
ここで、バイアの底部内の金属界面層とその下にある第１の導電材料５６を反応させて、金属界面層および第１の導電材料の反応生成物を含む金属合金界面層を形成することができるアニーリング・ステップを実行する。金属合金界面層６６’の形成は本発明の図９に示されている。金属合金界面層６６’はバイア底部に形成されて、金属界面層の全体または一部を置き換える。この図では、設けられた金属合金界面層６６’は金属界面層の全てを置き換えている。いくつかの実施形態（図示せず）では、金属合金界面層６６’は、金属界面層の残りの部分とその下にある残りの第１の導電材料との間に形成される。
【００６９】
アニーリングは、本発明の第１の実施形態において上述したアニーリング技法および条件を用いて実行される。
【００７０】
図１０は、第２の拡散バリア・ライナ５４’およびその上にあるめっきシード層５５を形成した後の図９の構造を示す。第２の拡散バリア・ライナ５４’の組成および厚さならびにこれを形成する際に用いるプロセスは、第１の実施形態において上述した通りである。更に、めっきシード層５５の組成および厚さならびにこれを形成する際に用いるプロセスは、第１の実施形態において上述した通りである。
【００７１】
図１１は、開口に第２の導電材料５６’を充填した後の図１０の構造を示す。第２の導電材料拡散バリア・ライナ５６’の組成および厚さならびにこれを形成する際に用いるプロセスは、第１の実施形態において上述した通りである。図１１に示す構造を設けた後、平坦化プロセスを用いて、図４に示した相互接続構造を提供する。
【００７２】
本発明について、その好適な実施形態に関連付けて具体的に図示し説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その形態および詳細において前述および他の変更を実行可能であることは、当業者には理解されよう。従って、本発明は、説明し図示した厳密な形態および詳細に限定するのではなく、添付の特許請求の範囲の範囲内に包含されることが意図される。
【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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