(57)【要約】      （修正有）【課題】段差被覆性に優れた銅シード層の製造方法を提供する。【解決手段】同じスパッタチャンバ内で実行される堆積された銅のスパッタエッチング１６２が、銅のスパッタ堆積１６０の後に続いて実行される。これにより、特に銅の電気めっきの前に、狭いビア内に銅シード層を形成するのに有用な銅堆積プロセスとなる。該堆積は、高い銅イオン化割合及び銅イオンを該ビア内に引き付ける強力なウェーハバイアスを促進する条件下で実行される。該エッチングは、好ましくは、該チャンバの周りのＲＦコイルによって誘導励起されたアルゴンイオンによって、又は、高いターゲット電力及び極めて強いマグネトロンで形成することができる銅イオンによって、あるいは、ＲＦコイルの使用によって行うことができる。堆積／エッチングの２つ以上のサイクルを実行することができる。最後の瞬時堆積１６８は、高い銅イオン化及び低いウェーハバイアスで実行することができる。【選択図】図１５
2008205459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅ターゲットと、スパッタ処理される基板を支持するペデスタル電極とを有するマグネトロンスパッタチャンバ内で実行される、誘電体層内のホール内に形成される銅メタライゼーションのための銅堆積プロセスであって、
第１のターゲットレベルのＤＣ電力を前記銅ターゲットに印加して、前記チャンバ内の第１のプラズマを励起し、前記ターゲットからの銅をスパッタし、更に、第１のバイアスレベルの高周波電力で前記ペデスタル電極を電気的にバイアスし、銅を前記基板上に堆積することを含む第１の堆積ステップと、
前記チャンバ内の第２のプラズマを励起し、及び第２のバイアスレベルの高周波電力で前記ペデスタル電極を電気的にバイアスして、前記基板上に堆積された銅をイオンでスパッタエッチングするために、異なるプロセス条件下で実行される、後のエッチングステップと、
を備えるプロセス。
【請求項２】
前記チャンバが、前記チャンバの周りに巻かれたＲＦコイルを含み、前記エッチングステップが、前記第１のターゲットレベルよりも小さいＤＣ電力を前記銅ターゲットに印加することと、前記チャンバ内にアルゴンを入れることと、前記基板を、前記第２のプラズマ中のアルゴンイオンでスパッタエッチングすることとを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記１．５ミリトール未満のアルゴンが、前記エッチングステップ中に前記チャンバ内に入れられ、前記エッチングステップが、第２のターゲットレベルのＤＣ電力を前記銅ターゲットに印加することと、前記基板を前記第２のプラズマ中の銅イオンでスパッタエッチングすることとを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記チャンバが、前記チャンバの周りで巻かれたＲＦコイルを含み、前記エッチングステップが、高周波電力を前記コイルに印加することを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記ホールの残りの部分を、めっきプロセスにおいて、銅で充填する後のステップをさらに備える、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
前記ターゲットからの銅を前記基板上にスパッタする後の第２の堆積ステップをさらに備える、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７】
前記後の第２の堆積ステップが、前記第１のバイアスレベルよりも小さい第３のバイアスレベルの高周波電力を前記ペデスタル電極に印加することを含む、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
前記第２の堆積ステップが、前記ペデスタル電極を電気的にフローティングさせること、又は、前記ペデスタル電極を、前記第１のバイアスレベルよりも小さい第１のバイアスレベルの高周波電力で電気的にバイアスすることを含む、請求項７に記載のプロセス。
【請求項９】
前記第１の堆積ステップ及びエッチングステップが、前記第２の堆積ステップの前に、複数回繰り返される、請求項６に記載のプロセス。
【請求項１０】
中間銅電気めっきプロセスを伴うことなく、前記基板を後に化学的機械的研磨するステップをさらに備える、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記第１の堆積ステップ、第２の堆積ステップ及び前記エッチングステップが、前記ホールを銅で充填する、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記堆積ステップ中の前記ペデスタルの温度を、５０〜２５０℃の範囲に維持するステップをさらに備える、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記範囲が１５０〜２５０℃である、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
銅ターゲットと、マグネトロンスパッタチャンバを包囲するＲＦコイルと、スパッタ処理される基板を支持するペデスタル電極とを有する前記マグネトロンスパッタチャンバ内で実行される、誘電体層内のホール内に形成される銅メタライゼーションのための銅堆積プロセスであって、
第１のターゲットレベルのＤＣ電力を前記銅ターゲットに印加し、かつ第１のコイルレベル未満の高周波電力を前記ＲＦコイルに印加して、前記チャンバ内の第１のプラズマを励起し、前記ターゲットからの銅をスパッタし、及び第１のバイアスレベルの高周波電力で前記ペデスタル電極を電気的にバイアスし、銅を前記基板上に堆積することを含む第１の堆積ステップと、
第２のターゲットレベルのＤＣ電力を前記銅ターゲットに印加し、前記第１のコイルレベルよりも大きい第２のコイルレベルの高周波電力を前記ＲＦコイルに印加して、前記チャンバ内の第２のプラズマを励起することと、前記ペデスタルを第２のバイアスレベルの高周波電力で電気的にバイアスして、前記基板上に堆積された銅を銅イオンでスパッタエッチングすることとを含む後のエッチングステップと、
を備えるプロセス。
【請求項１５】
前記エッチングステップが、１．５ミリトール未満の前記チャンバ内のアルゴン圧力で実行される、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記ペデスタルが、前記堆積ステップ中に、５０〜２５０℃の範囲の温度に維持される、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１７】
銅ターゲットと、マグネトロンスパッタチャンバを包囲するＲＦコイルと、スパッタ処理される基板を支持するペデスタル電極とを有する前記マグネトロンスパッタチャンバ内で実行される、誘電体層内のホール内に形成される銅メタライゼーションのための銅堆積プロセスであって、
第１のターゲットレベルのＤＣ電力を前記銅ターゲットに印加して、前記チャンバ内の第１のプラズマを励起し、前記ターゲットからの銅をスパッタし、及び第１のバイアスレベルの高周波電力で前記ペデスタル電極を電気的にバイアスし、銅を前記基板上に堆積することを含む第１の堆積ステップと、
アルゴンを前記スパッタチャンバ内に入れることと、高周波電力を前記ＲＦコイルに印加して、前記チャンバ内のアルゴンプラズマを励起することと、前記ペデスタルを第２のバイアスレベルの高周波電力で電気的にバイアスして、前記基板上に堆積された銅をアルゴンイオンでスパッタエッチングすることとを含む後のエッチングステップと、
を備えるプロセス。
【請求項１８】
前記ペデスタルが、前記堆積ステップ中に、５０〜２５０℃の範囲の温度に維持される、請求項１７に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、半導体集積回路におけるスパッタ堆積に関する。具体的には、本発明は、線形層を形成する際のスパッタ堆積とスパッタエッチングの組合せに関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンスパッタリングは、アルミニウム及び銅等のメタライゼーションからなる水平方向に拡がる層の堆積に用いられている。最近になって、マグネトロンスパッタリングは、ビアとも呼ばれる層間コンタクト等の高アスペクト比ホール内に線形層を堆積するというより挑戦的なタスクに適応してきている。図１の断面図に図示されている銅メタライゼーションのためのビア１０は、下部誘電体層１４の表面の導電性部材１２の上に形成される。上部誘電体層１６は、下部誘電体層１４及びその導電性部材１２の上に堆積され、ビアホール１８が上部誘電体層１８を貫通して導電性部材１２までエッチングされている。進化した集積回路の連続的創出に伴って、ビアホール１８の幅は６５ｎｍまで縮小し、一方、誘電体層１４、１６の厚さは、約５００〜１０００ｎｍで実質的に一定に保たれている。その結果として、ビアホール１８のアスペクト比は、かなり増加してきている。メタライゼーション、特に線形層をこの高アスペクト比のホール内に充填することは、大きな課題を呈している。
【０００３】
両誘電体層１４、１６のための従来の誘電体は、二酸化シリコン（シリカ）であったが、最近では、低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）誘電体が開発されており、そのうちのいくつかは、かなりの水素含有量を有するシリコンオキシカーバイドからなる。さらに、該誘電体は、非常に低い値の誘電率を得るために多孔質に作ることができる。銅が誘電体中に移動するのを防ぐために、薄いバリア層２０がビア側壁２２上に、及び通常、上部誘電体層１６の上面のフィールド領域２４にも堆積される。バリア層２０は、好ましくは、下にある導電性部材１２に対する接触抵抗を低下させるために、ビア底部２６には形成されない。従来の銅メタライゼーションのためのバリア材料はタンタル、すなわち、単一のＴａ層又はＴａ／ＴａＮバリア層のいずれかである。ルテニウム及びタングステンは、バリアに用いられる他の高融点金属である。ルテニウム及びタンタルの合金は、バリア材料としてかなり有望である。タンタル、ルテニウム又はルテニウムタンタルターゲットのマグネトロンスパッタリングによって、バリア層２０を狭いビアホール１８内に選択的に被覆する技術が開発されている。窒化物層が反応性スパッタリングによって同様に堆積され、この場合、スパッタチャンバには窒素が追加的に入れられる。
【０００４】
典型的には、ビアホール１８を銅で充填するのに電解めっき（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｐｌａｔｉｎｇ；ＥＣＰ）が用いられるが、無電解めっきも可能である。銅をＥＣＰすることは、通常、めっき電極として作用し、及び該ＥＣＰ銅の核となり、かつ該ＥＣＰ銅をウェッティングする銅シード層を必要とする。そのため、銅シード層３０が、ビア側壁２２、フィールド領域２４及びビア底部２６上にいくらかの絶縁保護層内に堆積される。ここでもまた、銅を堆積するためにマグネトロンスパッタリング技術が開発されており、これらの厳しい要求に応えている。これらの技術は、銅イオンをビアホール１８内の深部に引き付けて、実質的な底部分３２及び容認できる厚さの側壁部３４を堆積するための、スパッタされる銅原子の高い比率のイオン化と、ウェーハの電気的バイアスとに依存する。該側壁のカバレッジは、該ウェーハによって加速されるエネルギ銅イオンにより、及び底部分３２からの銅を側壁部３４へ再スパッタ、すなわち、スパッタエッチングすることによってある程度成し遂げられる。この銅スパッタリングは、フィールド領域２４の上面に比較的厚いフィールド部３６を作り出すこともできる。かなりのオーバハング３８が、ビアホール１８の上部におけるフィールド部３６の角部で成長し、狭いスロート４０を作り出す。本発明者等は、オーバハング３８は大部分が、フィールド領域２０内のバリア層２０の上に成長することに注目した。すなわち、スロート４０の最も狭い部分は、銅フィールド部３６の底部の上にある。
【０００５】
メタライゼーションを完了するために、例えば、電気めっきにより銅がビアホール１８内にめっきされる。該ＥＣＰ銅は、ビアホール１８を過剰に充填し、フィールド領域２４の上に堆積する。ビアホール１８の外部のバリア層２０を覆う銅を除去するために、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）が用いられ、それによってビアホール１８内にのみ銅を残す。
【０００６】
メタライゼーション構造は、多くの場合、図１のビア構造よりも複雑である。ビアは典型的には、可能性がある最も狭い幅を備えた概して正方形又は円形を有するように形成される。一方、トレンチを横切る比較的狭い寸法及び該トレンチに沿ったかなり長い寸法を有する深いトレンチを形成することができる。図２の断面図に図示されているようなデュアルダマシン配線構造というさらに複雑な構造は、誘電体層１６の下方部のビア４２と、ビア４２を接続し、かつより上のメタライゼーション層に対する接触を与える上方部における幅広で水平方向に拡がるトレンチ４４とを含む。該バリア及びシードの堆積と、該ＥＣＰ埋込みは、ビア４２及びトレンチ４４の両方に対する単一のシーケンスで実行される。図１における導電性部材１２は、下部誘電体層１４におけるデュアルダマシンメタライゼーションのトレンチとすることができる。しかし、このデュアルダマシン構造内にスパッタ堆積された銅シード層４６は、トレンチ４４及びビア４２の床部の角部にかなりのオーバハング４８を形成する。オーバハング４８は、該オーバハングがビアホール４２の上部に作る狭窄スロートのため、該オーバハングがその上を覆って突出するビア側壁を被覆する際に困難を引き起こす。
【０００７】
図１のより単純なビア構造に戻ると、デュアルダマシン構造とほぼ同じ解説が当てはまるが、オーバハング３８は、銅シードを堆積するスパッタプロセスのパフォーマンスを制限する傾向がある。銅シード層３０が比較的厚い場合、オーバハング３８は成長し、かつスロート４０は縮まり、それによってビアホール１８内へスパッタリングするための有効なアスペクト比を増加させ、その結果、十分なビア側壁カバレッジを実現するのが難しくなる。また、狭いスロート４０は、めっきプロセスにおける電解液のフローを妨げる。銅シード層３０の厚さが低減されている場合には、該オーバハングの問題は低減される。しかし、側壁部３４の最も狭い部分の厚さが不十分になる可能性があり、側壁部３４が、不連続になり、ギャップを形成して下にあるバリア材料を露出させる可能性があり、このことは、不完全にＥＣＰ銅の核となる。このような銅シード層３０におけるギャップは、ビア側壁２２に隣接する電気めっきされた銅内にボイドを引き起こす可能性がある。
【０００８】
銅のイオン化割合及びウェーハのバイアスを共に増加させると、銅イオンが成長中のオーバハングを伸ばすと考えられている。しかし、本発明者等は、エネルギ銅イオンが該オーバハングの成長を制限すると考える。その代わり、該エネルギ銅イオンは、該銅イオンを該オーバハングから、該オーバハングの下にある側壁の部分へ再スパッタする傾向がある。その結果として、有効な再スパッタリングが該オーバハングを該ビアホール内へ押し下げる。該オーバハングの程度は多少低減することができるが、該オーバハングがフィールドバリアのレベル以下に押し込まれた場合には、オーバハングエッチングは、該ビアホールの角部における該バリア面を露出させて、該バリア面を貫通してエッチングし、それによって該バリアを局所的に破壊する可能性がある。
【０００９】
該オーバハングのサイズを低減し、かつ高アスペクト比のビアを充填する能力を改善する別の解決法が必要である。
【００１０】
誘電体材料が、カリフォルニア州、サンタ・クララのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＢｌａｃｋ  Ｄｉａｍｏｎｄ  II等の水素及び炭素含有低誘電率材料である場合には、別の関連問題が発生する。このような材料は、シリカに利用できる高異方性エッチングを利用可能にしない。この問題は、該誘電体材料が、誘電定数をさらに下げる多孔質に形成されている場合に悪化する。図３の断面図における誇張によって図示されているように、エッチングマスクを介した、多孔質炭素含有低誘電率材料からなる誘電体層５０内へのパターン化エッチングは、完全な異方性ではない代わりに、若干等方性である傾向があり、エッチングマスクのエッジの下にある尖った角部５６がある明確な凹状側壁５４を有するビアホール５２を作り出す。銅シード層を凹状側壁５４にスパッタコーティングすることは、オーバハングの場合と同様の困難に悩まされる。その結果として、凹状側壁５４の保護される部分のほとんどが、従来のスパッタ堆積によって堆積される銅シード層で完全に被覆されない可能性がある。
【００１１】
さらに、誘電体エッチングプロセス中にエッチングされる垂直方向構造が、これまで図示ものよりも複雑になる可能性がある。図４の断面図に示すように、多くの場合、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）からなるハードマスク層６０が、パターニングされていない上部誘電体層１６を覆って堆積される。該ハードマスク層は、上を覆っているフォトレジストマスクによるパターンにエッチングされた後、ビアホール１８を形成するために、上部誘電体層１６のより広範囲に及ぶエッチングのためのハードマスクとして用いられる。また、多くの場合、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）層からなるエッチストップ層６２が、下部誘電体層１４及びその導電性部材１２を覆って堆積される。その組成は、導電性部材１２の金属が、誘電体エッチングのエネルギイオンによってエッチングされないように、及びミスアラインメントされたマスクが下部誘電体層１４を著しくエッチングしないように、誘電体層１６をオーバーエッチングできるように該誘電体エッチングによって容易にエッチングされないように選定される。しかし、他の方法による異方性誘電体エッチングは、ハードマスク層６０に隣接して該誘電体材料中に凹部６４を、及びエッチストップ層６２との境界に別の凹部６６を形成する可能性がある。従来の銅シードスパッタ堆積は、これらの凹んだ凹部６４、６６の内部まで及ぶことは難しい。
【００１２】
銅シード層のスパッタ堆積は、凹状側壁５４又は凹部６４、６４の側面を完全に被覆することができない可能性があり、先にオーバハングに対して論じたのと同じ問題を生じる。
【発明の概要】
【００１３】
銅シード層は、マルチステッププロセスによって、半導体集積回路内のビアホール又は他のホール内に形成される。まず、プラズマスパッタリングプロセスにおいて、高い割合の銅イオンを生成する条件下で銅が堆積され、ウェーハが、該銅イオンを加速させて、該イオンの一部を該ホール内の深部に引き込むようにバイアスがかけられる。該銅は、少なくとも該ホールの底部に、及びフィールド領域内に堆積し、また、オーバハングが、該ホール上に形成される。次に、アルゴン又は銅プラズマが形成され、該ウェーハは、該アルゴン又は銅イオンを加速して、少なくとも該イオンの一部を該ホールの深部に引き込むようにバイアスがかけられる。該エネルギアルゴンイオンは、該ビアの底部における銅をビア側壁へ再スパッタし、また、該フィールド領域をスパッタエッチングして、該オーバハングのサイズを低減する。該オーバハングは、該ホールの上部の下でエッチングすべきではない。
【００１４】
最終的な銅スパッタ堆積は、銅を該ホールの残りの部分内に電気めっきする前に実行することができる。
【００１５】
該スパッタ堆積及びエッチングプロセスは、銅の電気めっきの前に、より多くのホールを充填するために繰り返すことができる。該スパッタプロセス及びエッチングプロセスが十分に繰り返される場合、該ホールは、該ホールを充填するために、最後の堆積ステップによって銅で充填することができ、その結果、該スパッタ堆積に続いて、化学的機械的研磨をすぐに行える。
【００１６】
該スパッタ堆積プロセス及びエッチングプロセスは、単一のプラズマスパッタチャンバ内で実行することができる。例えば、該チャンバは、アルゴンプラズマを励起し、スパッタされる銅原子のイオン化割合を増加させるＲＦコイルを備えることができる。スパッタ堆積は、低圧アルゴン、高出力ターゲット及び低出力コイルにおいて有利である。スパッタエッチングは、高圧アルゴン、低出力ターゲット及び高出力コイルにおいて有利である。基板は、少なくとも最初の銅堆積ステップ及びアルゴンスパッタエッチングステップの場合に強くバイアスをかけるべきである。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００１７】
ビア及びデュアルダマシン配線等の高アスペクト比ホール内に銅を充填することは、好ましくは、単一の銅スパッタチャンバ内で実行される銅スパッタ堆積と、アルゴン又は銅スパッタエッチングの組合せによって容易になる。エネルギスパッタエッチングは、オーバハングのサイズを低減し、また、再スパッタリングとも呼ばれるプロセスにおいて、側壁の凹状部分に銅を再分配する傾向がある。
【００１８】
本発明のいくつかの態様は、そのように限定されてはいないが、スパッタ堆積及びスパッタエッチングは好ましくは、エッチング段階の銅ターゲットの何らかのスパッタリングが制限された状態で、アルゴンスパッタエッチングのためにアルゴンプラズマを励起することができるＲＦコイルによってチャンバ内で実行される。Ｄｉｎｇらは、現在、米国特許出願公開第２００６／００３０１５１号として公開されている、２００４年８月９日にファイルされた米国特許出願第１０／９１５，１３９号明細書において、誘導結合スパッタチャンバ内でのタンタルバリアのスパッタ堆積／エッチングシーケンスについて記述している。同様のスパッタチャンバ７０が、図５の断面図に図示されている。真空チャンバ７２は、中心軸７４の周りに概して対称的に形成されている。該チャンバは、全て接地されており、かつ互いに真空シールされているメインチャンバ７６と、下部アダプタ７８と、上部アダプタ８０とを含む。ウェーハ移送用の複雑なポート、真空ポンピング及びガス供給のほとんどはメインチャンバ７６内に組み込まれており、一方、よりシンプルなアダプタ７８、８０は、用途、及びターゲットとウェーハの所望の間隔により、選定された高さ及びシールド支持体によって、より容易に設計及び製造することができる。ボウル状下部シールド９０及び中間シールド９２は、それぞれ下部アダプタ７８及び上部アダプタ８０上に支持されており、かつそれらに電気的に接地されている。上部シールド９４は、アイソレータ９６上に支持されており、電気的にフローティングされている。シールド９０、９２、９４は、チャンバ７２の壁部を堆積から保護する。２つの接地された下部シールド９０、９２は、スパッタリング用の陽極として機能し、接地されていない上部シールド９４は、電荷を蓄積し、電子をプラズマ中へはじく。ＲＦコイル１００は、ターゲットとペデスタルとの間の空間の下半分又は３分の１の箇所で、ウェーハの周囲のすぐ外側に配置されている。下部シールド９０内に保持された多数の絶縁支持体１０２は、ＲＦコイル１００を支持し、高周波電力を供給し、該ＲＦコイルに対して接地されている。コイル１００は好ましくは、銅から成り、かつ電力及び接地のための、接近して離間された電気リードの間に小さなギャップを有する単巻きで、ほぼ管状のコイルである。
【００１９】
銅ターゲット１０６は、電気的にバイアスがかけられたターゲット１０６と、接地された真空チャンバ及び接地されたシールド９０、９２とを電気的に絶縁するアイソレータ１０８を介して上部アダプタ８０上に支持されている。ターゲット１０６の少なくとも表面は、少なくとも９０原子パーセントの銅と、可能性のある意図的な合金及び１０原子パーセント未満の意図的でない不純物とからなる。ペデスタル１１０は、スパッタ処理されるウェーハ１１２を、ターゲット１０６の反対側に支持する。ペデスタル１１０は、ウェーハ１１２の近くにプラズマを生成するために、ターゲット１０６とペデスタル１１０との間のチャンバの下半分又はちょうど３分の１の箇所に設置されている。カップ状の下部シールド９０の上昇する縁とかみ合うシャドーリング１１４は、ウェーハ１１２及びペデスタル１１０の周囲をスパッタ処理から保護するために、該周囲に覆いかぶさっている。側壁磁石システム１１６は、プラズマのチャンバ壁部への拡散に対する磁気バリアを作るために、ＲＦコイル１００と同じ高さで部分的に低い位置において、下部アダプタ７８の外側に設置されている。磁石システム１１６は、垂直方向に偏極した磁石又は中心軸の周りに配列されたＤＣコイルからなる環状アレイとすることができる。
【００２０】
上記チャンバの機能的断面図が図６に図示されている。アルゴンガスソース１２０は、アルゴンをマスフローコントローラ１２２を介してチャンバ７０内へスパッタ作用ガス又はスパッタリングエッチングガスとして供給する。ＤＣ電源１２４は、アルゴンをプラズマ中で励起させるために、負の電圧をターゲット１０６に印加する。正のアルゴンイオンは、負にバイアスされたターゲット１０６に引き付けられて、該ターゲットから銅をスパッタする。しかし、銅の自立スパッタリングにおいては、一旦、プラズマが点火されると、アルゴンの供給が遮断される可能性があり、該ターゲットのスパッタリングは、より多くの銅をスパッタするために、スパッタされた銅イオンがターゲット１０６へ引き戻される状態で継続する。
【００２１】
ターゲット１０６の裏に位置決めされたマグネトロン１２６は、他方の極性からなる内側極１３０を包囲する一方の垂直方向磁極からなる外側極１２８を含む。マグネトロン１２６は、好ましくは、外側極１２８の総磁気強度が、該外側極が包囲する内側極１３０の磁気強度よりもかなり大きいという意味で、強力で小さく、かつ不平衡である。該マグネトロンは、ターゲット１０６の前方に磁界を突出させて電子を捕捉し、それによって、プラズマの密度ならびにスパッタリング速度を増加させる。銅ターゲットは、自立スパッタリングが可能であり、その結果、高密度プラズマが、スパッタされた銅原子をイオン化し、該銅イオンが一部、ターゲット１０６へ引き戻されて、該ターゲットから銅イオンをさらにスパッタするため、一旦、プラズマが励起されると、アルゴンの圧力を実質的にゼロまで低下させることができる。均一なターゲットスパッタリングを作り出すために、中心軸７４から離れて配設されたマグネトロン１２６は、ターゲット１０６をより均一にスパッタするように、中心軸７４に沿って伸びる回転軸１３４を回転させるモータ１３２によって回転される。回転軸１３４に固定されたアーム１３６は、マグネトロン１２６を、その回転運動の際に支持する。
【００２２】
コイルＲＦ電源１３６は、アルゴンプラズマを生成するために、又は、ターゲット１０６から外れた領域における、スパッタされた銅のイオン化割合を増加させるために、高周波電力をＲＦコイル１００へ供給する。一般的に、ターゲット１０６には、スパッタ堆積のためのＤＣ電力が供給され、ＲＦコイル１００には、ウェーハ１１２のスパッタエッチングのための高周波電力が供給される。銅イオンエッチングの場合、銅原子を作り出すために、ある程度のＤＣ電力がターゲット１０６に印加されることが必要である。しかし、ＲＦ電源がターゲットスパッタリングに電力を供給してもよい。
【００２３】
バイアスＲＦ電源１３８は、容量結合回路１４０を介してペデスタル１１０に電気的バイアスをかける。プラズマがある場合、容量結合性ＲＦバイアスは、ペデスタル１１０に、負のＤＣ自己バイアスを作成させて、プラズマからのイオンを加速させてウェーハ１１２に引き付ける。このように引き付けられるイオンは、ターゲット１０６からスパッタされたイオン化銅原子又はＲＦコイル１００によって主に生成されたアルゴンイオンとすることができる。
【００２４】
このようなスパッタチャンバは銅スパッタ堆積及びスパッタエッチングステップのシーケンスに用いることができる。
【００２５】
高いバイアスをかけた銅イオンのビアホール１８内へのスパッタ堆積は、図７の断面図に概略的に図示されているように、ビアホール１８の上部角部における多少のオーバハング１４２と、ビア側壁２２上では非常に薄い堆積である、ビア１８の底部上の銅からなる若干の薄い銅の底部分１４４とを伴う、上部誘電体層１４の上部に、銅からなる厚い銅フィールド部１４０を作り出す。一方、高いバイアスをかけた図７の構造のアルゴンスパッタエッチングは、図８の断面図に概略的に図示されているように、フィールド部１４０の厚さを実質的に低減し、また、オーバハング１４２を単にビアホール１８内に押し込むことなく、該オーバハングの程度を低減する。また、アルゴンスパッタエッチングは、エネルギアルゴンイオンが、銅底部分１４４から銅をスパッタし、該スパッタエッチングされた銅を、ビア側壁２２上の側壁部１４６へ有効に移動させるため、銅の底部分１４４の厚さを多少低減する。図７のスパッタ堆積中、上記ＲＦコイルは、電力を供給しないままとすることができ、一方、上記ターゲットには、高割合の銅イオンを作り出すために、電力が供給される。図８のアルゴンスパッタエッチング中には、該ターゲットは、電力を供給しないままとすることができ、一方、該ＲＦコイルには、アルゴンイオンを作り出すために、電力が供給される。どちらの場合においても、銅イオン又はアルゴンを高エネルギに加速して、ビアホール１８を深く貫通する異方性磁束に引き付けるために、ウェーハにバイアスをかけるべきである。
【００２６】
堆積及びエッチングからなる２ステッププロセスを実験的に確認するために、走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）をとった。図９の断面図に図示されているように、３８ｋＷのターゲット電力及び１０００Ｗのウェーハバイアスで銅を６５ｎｍのトレンチ１５０内へスパッタして、トレンチ１５０をほぼ閉じるオーバハング１５４を有する銅膜１５２を作り出した。次いで、バイアスがかけられたウェーハのアルゴンスパッタエッチング用に構成されたプリクリーンチャンバへ該ウェーハを移送した。スパッタエッチングの後、図１０の断面図に図示されているように、銅膜１５２のフィールド部は、オーバハング１５４が上からエッチングされて、その結果、有効に後退する程度の厚さに実質的に低減された。底部分は、厚さが若干低減され、一方、側壁部は成長した。
【００２７】
また、実験のより系統的なセットでＳＥＭＳをとった。銅膜１５６を形成するための、狭いトレンチ内への１００ｎｍ又は１４０ｎｍの銅のスパッタ堆積は、図１１の断面図に図示されているように、激しいオーバハング１５８を作り出した。オーバハング１５８は、下にある層、例えば、バリア層の位置によって決まる角部材の真上に位置している。上記フィールド領域内で測定した２５ｎｍ、５０ｎｍ及び７０ｎｍの深さまでの後のアルゴンスパッタエッチングは、図１２、図１３及び図１４の断面図にそれぞれ図示されている構造を作り出す。他の実施形態においては、これらのエッチング深さは、３０％、６０％及び８０％のエッチバック比に相当する。アルゴンエッチングの程度の増加は、該フィールド銅の厚さを低減し、オーバハング１５８の突出を減少させ、オーバハング１５８を概して少なくする。本発明者等は、一旦、上記スロートの最も狭い部分が、下にある部材と同じ高さになると、さらなるアルゴンエッチングはオーバハング１５８を改善しないことを観察した。
【００２８】
スパッタエッチングステップは、ウェーハに向かって加速され、該ウェーハからのスパッタリング材料であるアルゴン等のエネルギ重イオンに依存する。単独で荷電されたイオンのエネルギＥＩＯＮは、
ＥＩＯＮ＝ｅＶＦＬＯＡＴ＋ｅＶＰＬＡＳＭＡ
に従ってバイアスされるウェーハによるウェーハフローティング電圧ＶＦＬＯＡＴＩＮＧ及びプラズマ電位ＶＰＬＡＳＭＡの両方に依存する。フローティング電圧ＶＦＬＯＡＴは、典型的には２０ボルト未満であるため、プラズマ電位ＶＰＬＡＳＭＡは、ペデスタル電極に印加される高周波電力を増加させることによって、より大きなエネルギＥＩＯＮを得るために、増加される必要がある。該イオンエネルギは、例えば、容量結合プラズマにおけるプラズマ電位を増加させることにより、有効に増加させることができる。上記ターゲットからスパッタされたプラズマアルゴンイオン及び銅イオンは共に堆積された銅を有効にスパッタし、また、これらのイオンは、それぞれの利点を有する。より高いイオン化密度は、典型的にはアルゴンプラズマで利用できるが、アルゴンイオンは、上記ビアの底部において、材料物質を除去し、アルゴンイオンエッチングは、ギャップ充填を悪化させるように思われる。一方、エネルギ銅イオンは、該ギャップの上部において、銅オーバハングを同時に伸ばし、該ギャップの底部に銅を再分配することができる。ＲＦコイル１００は、銅イオンエネルギを銅イオン束から分離できるようにする。また、ＲＦコイル１００は、０．４ミリトール未満のアルゴンによる、非常に低圧の銅スパッタエッチングを可能にする。
【００２９】
イオンを作り出すスパッタエッチングのエネルギは、ギャップ充填のパフォーマンスに影響を及ぼす。より高いエネルギのイオンは、該オーバハングをより有効に排除し、該スロートを開いて、該ビアの内部に良好なシード層を作り出し、及びＥＣＰ埋込みを容易にし、ギャップ充填を促進する。７０％のエッチバックにおける３２０ｅＶのイオンエネルギは、７０ｅＶのイオンエネルギよりも著しく良好なギャップ充填を作り出す。
【００３０】
また、恐らく、高温における銅のリフローのため、エッチング中の上記ペデスタルならびにウェーハの温度が、該オーバハングを低減する際に重要な役割を果たすことが分かっている。１ｋＷのＲＦコイル電力及び１ｋＷのウェーハバイアス電力で、２８℃から１５０℃までウェーハ温度を増加させると、該オーバハングは著しく低減される。しかし、２５０℃までさらに温度を増加させると、著しい銅オーバハング及び著しい底部カバレッジを作り出す。一般論として、５０℃又は７０℃以上の堆積温度は、該オーバハングのサイズを低減して、上記ビアホール内へのスパッタリングを促進する。さらに高い１５０℃以上の堆積温度は、既に堆積された銅の該ビアホール内への及び該ビアホール内でのリフローを促進し、側壁カバレッジを改善する。しかし、２５０℃以上の堆積温度は、銅からなる薄層を局所的なアイランド内へ凝集させるため、いくつかの用途においては、連続的な薄いシード層を確保するために避けるべきである。
【００３１】
スパッタ堆積及びスパッタエッチングの両方に対して同じチャンバを使用する能力は、様々な銅ギャップ充填プロセスを可能にする。図１５のフロー図に図示されているように、堆積ステップ１６０及びエッチングステップ１６２の単一又は繰り返しシーケンスは、該ビアホールを広げ、ＥＣＰステップ１６４において、銅が該ビアホール内に電気めっきされて該ビアホールを充填し、ＣＭＰステップ１６６において、該ビアホールの外側の余分な銅が化学的機械的研磨によって除去される。堆積ステップ１６０は、図１６に示すように、厚いフィールド部及び薄い側壁部を有する銅膜１７０を作り出す。銅を３００ｍｍウェーハ１６０上に堆積するレシピの実施例は、２０〜５６ｋＷのＤＣ電力を、３００ｍｍウェーハのためのターゲットに印加し、１５０〜１０００Ｗの高周波電力を、点火後に低チャンバ圧力で上記ペデスタルに印加することを含む。
【００３２】
図１７に示すように、エッチングステップ１６２は、フィールド厚さを低減し、特に、底部において、底部分の一部をビア側壁へスパッタする。エッチングステップ１６２を実現するいくつかの関連方法は、１３．５６ＭＨｚ又は他の周波数におけるウェーハの有効なバイアスを伴うマグネトロンスパッタリングを必要とする。しかし、様々なエッチング方法は、重要な詳細が異なり、厳しい要件においては若干異なる結果を作り出す。
【００３３】
一つの方法においては、比較的低いレベルのＤＣ電力がターゲットに印加され、該ＲＦコイルには強力な電力が供給され、その結果、ウェーハエッチングの大部分がアルゴンイオンによって実施される。アルゴンスパッタリングは、銅の底部分３２を除去するのに効果的であるが、該ホールの銅充填において困難を作り出すと思われる。
【００３４】
第２の方法においては、高割合の銅イオン化が実現され、高バイアス電力が、少量のアルゴンと共に該ウェーハに印加される。その結果として、ウェーハエッチングは、銅イオンによって実施される。自立スパッタリングを可能にする銅のスパッタリングの場合、アルゴン圧力は低減することができ、又は、主チャンバへのアルゴン圧力の直接供給は、停止することができる。銅スパッタエッチングは、底部付近での再スパッタリングから恩恵を受け、銅ホール充填を促進する。
【００３５】
銅イオンエッチングは、高い銅イオン化割合をもたらすマグネトロンを要し、一般的に、良好なエッチング均一性を実現するための追加の測定を必要とする。このような測定は、該ウェーハに隣接する側壁磁石又は電磁石を含む。銅イオンスパッタリングは、２つの異なる種類のチャンバ内で遂行することができる。十分なプラズマ密度の容量結合プラズマは、多くの銅イオンを作り出すＲＦコイルを使用することなく、該ターゲットに印加される高いＤＣ電力によって作り出すことができる。スパッタリングプロセス条件は、少なくとも、自己スパッタリングに必要な条件に近くすることができる。しかし、容量結合スパッタエッチングには、該ＲＦコイルによって生じる追加的なプロセス制御が欠けている。一方、誘導結合プラズマは、該ウェーハ近くでプラズマを支持して、銅のイオン化を増加させるＲＦ誘導コイルに依存する。プラズマの誘導結合生成は、高ターゲット電力及び強力なマグネトロンという要件を軽減するため、エッチング均一性を改善する補助手段は、あまり重要ではない。
【００３６】
特に、アルゴンイオンエッチングの場合の高プラズマ密度の生成は、ＲＦ誘導コイルによるウェーハのデュアル周波数（ＨＦ／ＶＨＦ）バイアス、例えば、１３．５６ＭＨｚ及び６０ＭＨｚによって、該ターゲット及びペデスタルに介在するＲＦ誘導コイルによって、又は、該ターゲットの追加的なＶＨＦバイアス、例えば、該ペデスタル近くの補助電極を用いた６０ＭＨｚによって促進される。
【００３７】
誘導結合アルゴンエッチングの実施例は、０〜１ＫＷのＤＣ電力を該ターゲットに印加することと、２ＭＨｚにおいて、４５０Ｗ〜３ｋＷの高周波電力を該誘導コイルに印加することと、１３．５６ＭＨｚにおいて、４００〜１２５０Ｗの高周波電力を該ペデスタルに印加することとを含む。該マグネトロンは、アルゴンエッチングにおいては、比較的重要ではない。アルゴンチャンバ圧力は、０．４〜５ミリトールに維持され、−１７Ａ〜１７Ａの逆回転ＤＣ電流が、本願明細書に援用する米国特許出願公開第２００５／０２６３３９０号明細書において、Ｇｕｎｇ等により記載されている四重電磁石の底部内側及び外側の電磁石に印加される。
【００３８】
容量結合アルゴンイオンエッチングのためのレシピの実施例は、１〜１０ｋＷのＤＣ電力を、強力なマグネトロンによってスキャンされるターゲットに印加することと、１３．５６ＭＨｚにおいて、８００〜１２５０ＷのＲＦバイアス電力を該ペデスタルに印加すると共に、アルゴンチャンバ圧力を０．４〜１．５ミリトールに維持することとを含む。
【００３９】
容量結合銅イオンエッチングのためのレシピの実施例は、１５〜３０ｋＷのＤＣ電力を、強力なマグネトロンによってスキャンされるターゲットに印加することと、１３．５６ＭＨｚにおいて、１．５〜２．５ｋＷのＲＦバイアス電力を該ペデスタルに印加すると共に、アルゴンチャンバ圧力を０．４〜１．５ミリトールに維持することとを含む。高バイアス電力は、最終的なエッチング速度を作り出す。
【００４０】
デュアル周波数ペデスタルのためのレシピの実施例は、６０ＭＨｚにおいて、５００〜２００ＷのＶＨＦ電力を、及び１３．５６ＭＨｚにおいて、４００〜１２００ＷのＨＦ電力を該ペデスタルに印加すると共に、アルゴンチャンバ圧力を２〜３０ミリトールに維持することを含む。
【００４１】
該チャンバの下方部に配設された補助環状電極のためのレシピの実施例は、０．５〜４ミリトールのアルゴン圧力で、６０ＭＨｚにおいて、１ｋＷのＶＨＦ電力を該補助電極に、及び１３．５６ＭＨｚにおいて、１ｋＷのＨＦ電力を該ペデスタルに印加することを含む。
【００４２】
スパッタエッチングチャンバのためのレシピの実施例は、ペデスタル電極への１〜２ｋＷのＶＨＦ電力と、６０ＭＨｚにおける、該ターゲットへの１〜２ｋＷのＶＨＦ電力と、１〜４ミリトールの放出圧力での、１３．５６ＭＨｚにおける、ウェーハペデスタルへの０〜１．２ｋＷのＨＦとを含む。
【００４３】
図１７の構造は、ＥＣＰ充填に対して十分である可能性がある。しかし、図１５の任意の一瞬の銅堆積ステップ１６８は、銅の連続性を確保するために、フィールド領域内のいくらかの銅ボイド内に、特に、ビアホールの上部における面に、銅からなる薄層を被覆するために、ＥＣＰ銅充填ステップ１６４の前に実行することができる。一瞬の堆積ステップ１６８は、再スパッタリングが最小限になるように、最小限のバイアスで、又はバイアスなしで、同じスパッタチャンバ内で実行することができる。一つのアプローチにおいては、１５〜４０ｋＷのＤＣ電力を該ターゲットに印加することにより、高イオン化割合及び低再スパッタリング比を作り出すことが好適である。低ウェーハバイアスは、より等方性の銅イオンスパッタ束を作り出し、再スパッタリングを低減する。
【００４４】
上述したプロセスは、ビアが、５：１以上のアスペクト比を有する、３５〜５０ｎｍのクリティカルディメンジョンを有する検査ウェーハにおける多数のビアを充填するのに用いた。ＥＣＰ充填構造を区分化して、ＳＥＭを撮像した。比較実験において、５０ｎｍのシード層を堆積した後、中間エッチングを伴うことなく、ビアホールをＥＣＰ銅で充填した。かなりの割合のビアが、ボイドが該ビアの底部の３分の１又は半分まで貫通して伸びた状態で形成された。銅シード層が、本発明のアルゴンスパッタエッチングで４０％のエッチバックを受けた場合、隙のあるビアの数は低減されたが、なくなりはしない。エッチバックを７０％及び８０％まで拡張した場合には、実質的に全てのビアが完全に充填された。
【００４５】
本発明のプロセスの別の実施形態においては、堆積ステップ１６０及びエッチングステップ１６２は、図１８及び図１９の断面図に図示されているそれぞれの構造を作り出すために、繰り返すことができる。その効果は、銅シード層の底部及び側壁部の厚さが増加すると共に、フィールド部の厚さ及びオーバハングの程度を維持することである。この時点で、ビアホール１８は、ＥＣＰ銅による充填の備えができている。堆積及びエッチングの２つ又は３つのシーケンスは、ＥＣＰギャップ充填を大幅に促進する。
【００４６】
また別の実施形態においては、堆積ステップ１６０及びエッチングステップ１６２は、何度も、例えば、ビアホール１８をほとんど充填するために、図２０のフロー図に示すように、トータルで３又は４つのシーケンスで繰り返すことができる。この場合、最後の銅堆積ステップ１７４は、残りのビアホール１８の底部が下にある層の部材の上に移動するまで、図２１の断面図に図示されているように、ビアホール１８を完全に充填する。その結果として、銅の電気めっきは必要なく、また、図２１の構造を、すぐにＣＭＰ平坦化にさらすことができる。最後の銅堆積ステップは、銅中に残る狭いビアホールに影響しないため、強力なウェーハバイアスは必要なく、これは、最後の銅瞬時ステップに近づけることができる。
【００４７】
本発明は、後のスパッタ堆積ステップ間のウェーハバイアスの量を低減するように適応させることが可能である。
【００４８】
本発明は、別々のスパッタ堆積チャンバ及びスパッタエッチングチャンバ内で実施することが可能である。
【００４９】
本発明は、後のスパッタ堆積ステップの間のウェーハバイアスの量を低減するように適応させることが可能である。
【００５０】
本発明は、別々のスパッタ堆積チャンバ及びスパッタエッチングチャンバ内で実施することが可能である。
【００５１】
本発明は、市販の機器上で用いることができる、銅シード層を、高いアスペクト比のビアホール内にスパッタリングするいくつかの製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】銅シード層中に作られたかなりのオーバハングを有する従来のビアの断面図である。
【図２】銅シード層中にオーバハングを有する従来のデュアルダマシン配線構造の断面図である。
【図３】部分的な等方性誘電体エッチングによって作り出されたビアの断面図である。
【図４】ハードマスク及びエッチストップ層を含むビアの断面図である。
【図５】本発明の方法を実施するのに有用なスパッタチャンバの断面図である。
【図６】図５のスパッタチャンバの機能的及び概略的断面図である。
【図７】スパッタ堆積直後のビアの理想的な断面図である。
【図８】アルゴンスパッタエッチング後の図７のビアの理想的な断面図である。
【図９】図７に対応する検査構造の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）の説明図である。
【図１０】図８に対応する検査構造の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）の説明図である。
【図１１】スパッタ堆積後の検査構造におけるビアのＳＥＭの説明図である。
【図１２】図１１のビアのＳＥＭＳの徐々に進むアルゴンスパッタエッチングの説明図である。
【図１３】図１１のビアのＳＥＭＳの徐々に進むアルゴンスパッタエッチングの説明図である。
【図１４】図１１のビアのＳＥＭＳの徐々に進むアルゴンスパッタエッチングの説明図である。
【図１５】電気めっきを含む、ビアホールを銅で充填する２つの実施形態のフロー図である。
【図１６】図１５の方法の間に進展するビアホールの概略断面図である。
【図１７】図１５の方法の間に進展するビアホールの概略断面図である。
【図１８】図１５の方法の間に進展するビアホールの概略断面図である。
【図１９】図１５の方法の間に進展するビアホールの概略断面図である。
【図２０】電気めっきを含まずにビアホールを銅で充填するフロー図である。
【図２１】銅の充填の完了後の図１９のビアホールの概略断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…ビア、１２…導電性部材、１４…下部誘電体層、１６…上部誘電体層、１８…ビアホール、２０…バリア層、２２…ビア側壁、２４…フィールド領域、２６…ビア底部、３０…銅シード層、３２…底部分、３４…側壁部、３６…フィールド部、３８…オーバハング、４０…スロート、４２…ビア、４４…トレンチ、４６…銅シード層、４８…オーバハング、５０…誘電体層、５２…ビアホール、５４…凹状側壁、５６…角部、６０…ハードマスク層、６２…エッチストップ層、６４…凹部、６６…凹部、７０…スパッタチャンバ、７２…真空チャンバ、７４…中心軸、７６…メインチャンバ、７８…下部アダプタ、８０…上部アダプタ、９０…下部シールド、９２…中間シールド、９４…上部シールド、９６…アイソレータ、１００…ＲＦコイル、１０２…支持体、１０６…ターゲット、１０８…アイソレータ、１１０…ペデスタル、１１２…ウェーハ、１１４…シャドーリング、１１６…側壁磁石システム、１２０…アルゴンガスソース、１２２…マスフローコントローラ、１２４…ＤＣ電源、１２６…マグネトロン、１２８…外側極、１３０…内側極、１３２…モータ、１３４…回転軸、１３６…アーム、１３７…コイルＲＦ電源、１３８…バイアスＲＦ電源、１３９…容量結合回路、１４０…フィールド部、１４２…オーバハング、１４４…底部分、１４６…側壁部、１５０…トレンチ、１５２…銅膜、１５４…オーバハング、１５６…銅膜、１５８…オーバハング、１６０…堆積ステップ、１６２…エッチングステップ、１６４…ＥＣＰステップ、１６６…ＣＭＰステップ、１６８…銅膜、１７０…瞬時堆積ステップ、１７４…最後の堆積ステップ。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【外国語明細書】
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