(57)【要約】　　　（修正有）【課題】ＣＶＤ銅の密着性を向上させる。【解決手段】集積回路構造内の基板に銅薄膜を密着させる方法は、活性領域ならびに相互接続線構造用のビアホールおよび溝の形成を含む基板を調製する工程と、基板上に金属バリア層２２を堆積する工程と、金属バリア層上にタングステン超薄膜層２４を堆積する工程と、タングステン超薄膜層上に銅薄膜２６を堆積する工程と、過剰な銅およびタングステン超薄膜層を金属バリア層のレベルまで除去する工程と、集積回路構造を完成させる工程とを含む。【選択図】　図４
2004006856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路構造内の基板に銅薄膜を密着させる方法であって、
活性領域ならびに相互接続線構造用のビアホールおよび溝の形成を含む基板を調製する工程と、
該基板上に金属バリア層を堆積する工程と、
該金属バリア層上にタングステン超薄膜層を堆積する工程と、
該タングステン超薄膜層上に銅薄膜を堆積する工程と、
過剰な銅およびタングステンを該金属バリア層のレベルまで除去する工程と、
該集積回路構造を完成させる工程と、
を包含する方法。
【請求項２】
前記タングステン超薄膜層を堆積する工程が、約１ｎｍ〜約５ｎｍの厚みを有するタングステン層を堆積する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記タングステン超薄膜層を堆積する工程が、ＭＯＣＶＤおよびＡＬＤからなる群より選択された堆積方法によってタングステンを堆積する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記タングステン超薄膜層を堆積する工程が、ＷＦ６およびＷ（ＣＯ）６からなる群より選択された前駆体からタングステンを堆積する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記金属バリア層を堆積する工程が、Ｔａ、ＴｉＮ、ＴａＮおよびＴｉＳｉＮからなる群より選択された材料の層を堆積する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記金属バリア層を堆積する工程が、約５ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有する材料の層を堆積する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記金属バリア層を堆積する工程が、ＰＶＤ、ＡＬＤおよびＭＯＣＶＤからなる群より選択された方法により材料の層を堆積する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記銅薄膜を堆積する工程が、前記構造体中のビアホールおよび前記溝を充填するために十分な厚みまで銅の層を堆積する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記構造体中のビアホールおよび前記溝を充填するために十分な厚みまで銅の層を堆積する工程が、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有する銅の層を堆積する工程を包含する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記銅薄膜を堆積する工程が、ＰＶＤ、ＡＬＤおよびＭＯＣＶＤからなる群より選択された方法により銅の層を堆積する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
集積回路構造内の基板に銅薄膜を密着させる方法であって、
活性領域ならびに相互接続線構造用のビアホールおよび溝の形成を含む基板を調製する工程と、
該基板上に金属バリア層を堆積する工程と、
該金属バリア層上に、ＷＦ６およびＷ（ＣＯ）６からなる群より選択された前駆体から、約１ｎｍ〜約５ｎｍの厚みまでタングステン超薄膜層を堆積する工程と、
該タングステン超薄膜層上に銅薄膜を堆積する工程と、
過剰な銅およびタングステンを該金属バリア層のレベルまで除去する工程と、
該集積回路構造を完成させる工程と、
を包含する方法。
【請求項１２】
前記タングステン超薄膜層を堆積する工程が、ＭＯＣＶＤおよびＡＬＤからなる群より選択された堆積方法によってタングステンを堆積する工程を包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記金属バリア層を堆積する工程が、Ｔａ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮおよびＴｉＳｉＮからなる群より選択された材料の層を堆積する工程を包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属バリア層を堆積する工程が、約５ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有する材料の層を堆積する工程を包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記金属バリア層を堆積する工程が、ＰＶＤ、ＡＬＤおよびＭＯＣＶＤからなる群より選択された方法により材料の層を堆積する工程を包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記銅薄膜を堆積する工程が、前記構造体中のビアホールおよび前記溝を充填するために十分な厚みまで銅の層を堆積する工程を包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記構造体中のビアホールおよび前記溝を充填するために十分な厚みまで銅の層を堆積する工程が、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有する銅の層を堆積する工程を包含する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記銅薄膜を堆積する工程が、ＰＶＤ、ＡＬＤおよびＭＯＣＶＤからなる群より選択された方法により銅の層を堆積する工程を包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
金属バリア層上に形成された銅の相互接続線を有する集積回路であって、
活性領域と、相互接続線構造用のビアホールおよび溝とを含む基板と、
該基板上に形成された金属バリア層であって、Ｔａ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮおよびＴｉＳｉＮからなる群より選択された材料により、約５ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みまで形成された金属バリア層と、
該金属バリア層上に形成されたタングステン超薄膜層であって、約１ｎｍ〜約５ｎｍの厚みを有するタングステン超薄膜層と、
該タングステン超薄膜層上に形成された銅薄膜であって、該集積回路内の該ビアホールおよび該溝を充填するために十分な厚みを有する銅薄膜と、
を備えた集積回路。
【請求項２０】
前記タングステン超薄膜層が、ＷＦ６およびＷ（ＣＯ）６からなる群より選択された前駆体から形成される、請求項１９に記載の集積回路。
【請求項２１】
前記ビアホールおよび前記溝を充填するために十分な厚みを有する銅薄膜が、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ＩＣ高速デバイス内の相互接続線用のバリアおよび銅薄膜のＭＯＣＶＤに関し、ＣＶＤ銅の密着性を向上させる方法に関する。
【０００２】
本出願は、米国特許出願シリアル番号第０９／９４０，７３９号（２００１年８月２７日出願）（発明の名称：Ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎ　ｔｈｅ　ｅａｒｌｙ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｐｐｅｒ　ＭＯＣＶＤ　ｆｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　Ｃｕ　ｆｉｌｍｓｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ａｄｈｅｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒｅｎｃｈ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）に関連する。
【０００３】
【従来の技術】
有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された、例えばＴｉＮまたはＴａＮなどの窒化金属バリア層上に、これもまたＭＯＣＶＤによって形成された銅膜は、特に銅層が窒化物層または窒化物構造上にインサイチュで成長された場合には、優れた密着完全性を呈さない。得られる密着性は、ＩＣ製造時に銅ＣＶＤ技術を適用することを妨げるようなものである。
【０００４】
下層であるバリア層に対する銅の密着性を向上させるために、多くの研究がこの分野で行われてきた。関連出願および従来技術は、この分野でなされてきたいくつかの改良を示している。これらの改良は、ウォータベーパーインジェクション、バリア表面酸化、バリア表面プリトリートメント、および熱処理による緻密化を含む。これらの改良のうち、熱処理による緻密化のみが、銅が狭い溝またはビアホールに堆積される場合の適切なスループットを提供するという点で実用的であることが判明している。しかし、熱処理による緻密化は追加の工程を必要とするため、銅ＣＶＤにおける熱処理による緻密化は比較的複雑であり、従来のＣＶＤに比べてスループットが低い。
【０００５】
原子層ＣＶＤ（ＡＬＤ）は、半導体研究において採用されてきた比較的新しい技術であり、商業的ＩＣ製造に採用されている。ＡＬＤは迅速に動作するバルブを用いて、堆積チャンバに個々の反応物を送り込む。各反応物は、化学的吸収を介してＩＣ表面上に材料の単層を堆積し、既に堆積されている単層種と反応することにより、所望の化合物を形成する。このように形成された化合物は従来のＣＶＤにより達成されたものよりもはるかに高い密度を有する。ＡＬＤプロセスはさらに、優れたステップカバレッジを提供する。前駆体を慎重に選択することにより、多層の、または異なる層を交互に堆積したバリア金属膜が形成される。例えば、交互に堆積されたＴａＮ／ＳｉＮ薄膜、ＴａＮ／ＴｉＮ薄膜、およびＴｉＮ／ＳｉＮ薄膜、または他の組み合わせで交互に堆積された薄膜が容易に形成され得る。ＡＬＤによって形成された積層体全体の厚みは僅か５０オングストロームであり、優れたバリア特性を呈する。
【０００６】
このような技術に関してＮｇｕｙｅｎらは、銅薄膜の密着性を向上させるために水蒸気を用いることを提案している（１９９８年４月２８日に許可されたＮｇｕｙｅｎらの特許文献１参照）。
【０００７】
また、Ｎｕｅｓｃａらは銅薄膜の密着性を向上させるために水素を用いることを提案している（Ｎｕｅｓｃａらの非特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，７４４，１９２号（発明の名称：Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｕｓｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｖａｐｏｒ　ｔｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｗｉｔｈ
Ｃｕ（Ｈｆａｃ）ＴＭＶＳ）
【非特許文献１】
Ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＭＯＣＶＤ　ｏｆｃｏｐｐｅｒ、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．３３７、１９９４、１７７〜１８８頁
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＬＤの適用は、バリア層、例えば多層ＴａＮ／ＴｉＮ薄膜積層体などの製造に特に有用である。ＴａＮ薄膜は、ＴｉＮの積層体よりも優れたバリア特性を呈するが、後に堆積される層、特に銅薄膜層に対して適切な密着性を提供しない。単一の薄膜層はさらに、粒界に沿ったある程度の拡散を可能にする粒構造を有する。このように、ＴａＮ／ＴｉＮ多層薄膜積層体は、銅がこの薄膜積層体に密着されることができれば、望ましい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、金属および窒化金属基板上の銅薄膜の密着性を向上させることである。
【００１１】
本発明の別の目的は、基板に対する銅薄膜の密着を向上させるために、金属または窒化金属基板上にタングステンを堆積する方法を提供することである。
【００１２】
本発明の集積回路構造内の基板に銅薄膜を密着させる方法は、活性領域ならびに相互接続線構造用のビアホールおよび溝の形成を含む基板を調製する工程と、上記基板上に金属バリア層を堆積する工程と、上記金属バリア層上にタングステン超薄膜層を堆積する工程と、上記タングステン超薄膜層上に銅薄膜を堆積する工程と、過剰な銅およびタングステンを上記金属バリア層のレベルまで除去する工程と、上記集積回路構造を完成させる工程と、を包含し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１３】
上記タングステン超薄膜層を堆積する工程が、約１ｎｍ〜約５ｎｍの厚みを有するタングステン層を堆積する工程を包含してもよい。
【００１４】
上記タングステン超薄膜層を堆積する工程が、ＭＯＣＶＤおよびＡＬＤからなる群より選択された堆積方法によってタングステンを堆積する工程を包含してもよい。
【００１５】
上記タングステン超薄膜層を堆積する工程が、ＷＦ６およびＷ（ＣＯ）６からなる群より選択された前駆体からタングステンを堆積する工程を包含してもよい。
【００１６】
上記金属バリア層を堆積する工程が、Ｔａ、ＴｉＮ、ＴａＮおよびＴｉＳｉＮからなる群より選択された材料の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００１７】
上記金属バリア層を堆積する工程が、約５ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有する材料の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００１８】
上記金属バリア層を堆積する工程が、ＰＶＤ、ＡＬＤおよびＭＯＣＶＤからなる群より選択された方法により材料の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００１９】
上記銅薄膜を堆積する工程が、上記構造体中のビアホールおよび上記溝を充填するために十分な厚みまで銅の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００２０】
上記構造体中のビアホールおよび上記溝を充填するために十分な厚みまで銅の層を堆積する工程が、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有する銅の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００２１】
上記銅薄膜を堆積する工程が、ＰＶＤ、ＡＬＤおよびＭＯＣＶＤからなる群より選択された方法により銅の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００２２】
本発明の集積回路構造内の基板に銅薄膜を密着させる方法は、活性領域ならびに相互接続線構造用のビアホールおよび溝の形成を含む基板を調製する工程と、上記基板上に金属バリア層を堆積する工程と、上記金属バリア層上に、ＷＦ６およびＷ（ＣＯ）６からなる群より選択された前駆体から、約１ｎｍ〜約５ｎｍの厚みまでタングステン超薄膜層を堆積する工程と、上記タングステン超薄膜層上に銅薄膜を堆積する工程と、過剰な銅およびタングステンを上記金属バリア層のレベルまで除去する工程と、上記集積回路構造を完成させる工程とを包含し、そのことにより上記目的が達成される。
【００２３】
上記タングステン超薄膜層を堆積する工程が、ＭＯＣＶＤおよびＡＬＤからなる群より選択された堆積方法によってタングステンを堆積する工程を包含してもよい。
【００２４】
上記金属バリア層を堆積する工程が、Ｔａ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮおよびＴｉＳｉＮからなる群より選択された材料の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００２５】
上記金属バリア層を堆積する工程が、約５ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みを有する材料の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００２６】
上記金属バリア層を堆積する工程が、ＰＶＤ、ＡＬＤおよびＭＯＣＶＤからなる群より選択された方法により材料の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００２７】
上記銅薄膜を堆積する工程が、上記構造体中のビアホールおよび上記溝を充填するために十分な厚みまで銅の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００２８】
上記構造体中のビアホールおよび上記溝を充填するために十分な厚みまで銅の層を堆積する工程が、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有する銅の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００２９】
上記銅薄膜を堆積する工程が、ＰＶＤ、ＡＬＤおよびＭＯＣＶＤからなる群より選択された方法により銅の層を堆積する工程を包含してもよい。
【００３０】
本発明の金属バリア層上に形成された銅の相互接続線を有する集積回路は、活性領域と相互接続線構造用のビアホールおよび溝とを含む基板と、上記基板上に形成された金属バリア層であって、Ｔａ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮおよびＴｉＳｉＮからなる群より選択された材料により、約５ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みまで形成された金属バリア層と、上記金属バリア層上に形成されたタングステン超薄膜層であって、約１ｎｍ〜約５ｎｍの厚みを有するタングステン超薄膜層と、上記タングステン超薄膜層上に形成された銅薄膜であって、上記集積回路内の上記ビアホールおよび上記溝を充填するために十分な厚みを有する銅薄膜とを備え、そのことにより上記目的が達成される。
【００３１】
上記タングステン超薄膜層が、ＷＦ６およびＷ（ＣＯ）６からなる群より選択された前駆体から形成されてもよい。
【００３２】
上記ビアホールおよび上記溝を充填するために十分な厚みを有する銅薄膜が、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有してもよい。
【００３３】
タングステン超薄膜は通常、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有する。
【００３４】
以上、本発明の特徴の簡潔な理解のために、本発明の要約および目的を述べた。本発明のより詳細な理解は、以下の好適な実施形態の記載を添付の図面を参照して読むことにより得られる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本実施形態では、任意の従来のバリア層上に、約１ｎｍ〜約５ｎｍの厚みを有する超薄膜タングステン層を形成する。その後、銅をＣＶＤによって堆積する。堆積されたタングステンと銅との間の密着性は優れていることが判明している。このように、バリア層、タングステン薄膜、および銅膜は、優れた密着完全性を提供するスムーズな合理的ＣＶＤプロセスで堆積され、さらなる工程を必要としないため、製造プロセスが簡素化される。
【００３６】
タングステン超薄膜は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または原子層堆積（ＡＬＤ）により堆積され得、銅薄膜と金属バリア層との間の密着促進剤として作用する。本発明の方法は、他の密着を向上させる方法に比べて、単純、容易、そして簡単に、高速ＩＣデバイス内で銅の相互接続線を製造し、下層のＩＣ構造に対して適切な密着性を有する銅で、ビアホールおよび溝を適切に充填することを可能にする。
【００３７】
本発明の方法の実施は、図１に示す基板（概して参照符号１０で示す）の調製から始まる。基板１０は、内部にソース１２、ドレイン１４、ゲート１６などの活性領域を形成することにより調製される。基板１０はゲート積層体１８を含み得る。基板１０およびその上の構造体は酸化層２０で覆われ、基板１０および構造体がパターニングされ、溝２１などの相互接続線用溝がその中に形成される。パターニングおよび溝の形成は当業者に公知の任意の方法で行われ得る。
【００３８】
その後図２に示すように、基板１０上に金属層または窒化金属バリア膜２２が堆積され、次いでパターニングされ溝構造が形成される。一例として、バリア金属膜は、Ｔａ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＳｉＮからなる群より選択され得、物理蒸着法（ＰＶＤ）またはＭＯＣＶＤにより約５ｎｍ〜約１０ｎｍの厚みまで堆積され得るがこれらに限定されない。
【００３９】
図３に示すように、実際、超薄膜であるタングステン薄膜２４がインサイチュまたはエクスサイチュでＭＯＣＶＤによりバリア金属膜上に堆積される。この堆積は、前駆体としてＷＦ６またはＷ（ＣＯ）６を用いて、約１ｎｍ〜約５ｎｍの厚みまで行われる。前駆体は、気体ＷＦ６またはＷ（ＣＯ）６などの固体物質である。前駆体は、キャリアガスによって供給または搬送されてＣＶＤチャンバに入れられる。ＣＶＤチャンバの温度は約３５０℃〜４５０℃である。堆積は、約１分間〜約２分間で行われ、所望の厚みを有するタングステン超薄膜が確立される。
【００４０】
図４に示すように、タングステン薄膜上に銅薄膜２６が、ＭＯＣＶＤにより約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みまで堆積される。銅は、Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒから入手可能なＣｕｐｒａＳｅｌｅｃｔＴＭ　Ｂｌｅｎｄ前駆体を用いることにより堆積され得、約１８０℃〜約２５０℃の温度のＣＶＤチャンバに導入され得る。堆積は、約１２秒間〜約１０分間で行われ、所望の厚みを有する銅薄膜が確立される。
【００４１】
得られた構造体は、ＣＶＤによる充填の場合、バリア膜のレベルまで、さらなる銅の電気メッキまたは化学機械的研磨（ＣＭＰ）で処理することが可能である。これを図５に示す。さらなるＩＣ構造体および金属化が追加されて、銅薄膜ＩＣデバイスが完成され得る。さらなるＩＣ構造体および金属化とは例えば、銅３０を用いて、ＣＶＤまたは他の堆積技術により溝２８を充填することである。
【００４２】
バリア金属、タングステン、および銅は、すべてＡＬＤによって堆積されてもよいし、これらの一部の層がＡＬＤによって堆積されて残りの層がＣＶＤまたはＭＯＣＶＤによって形成されてもよい。構造体のサイズが特に１００ｎｍ未満に減少すると、ＡＬＤを用いることが有益である。特に良好なプロトコルは、ＡＬＤによりＴｉＮバリア層を形成し、タングステン層をＡＬＤ処理し、ＣＶＤにより銅を堆積することである。
【００４３】
以上、ＣＶＤにより堆積されたＴｉＳｉＮ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、およびＣｕ間の密着促進剤としてタングステン超薄膜を用いる方法を開示した。特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる改変および変更が可能であることが理解される。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、基板に対する銅薄膜の密着性を向上させるために、金属または窒化金属基板上にタングステンを堆積する方法が提供され、それにより、金属および窒化金属基板上の銅薄膜の密着性を向上させることができる。。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による銅薄膜集積回路デバイスの製造工程を示す図である。
【図２】図２は、本発明による銅薄膜集積回路デバイスの製造工程を示す図である。
【図３】図３は、本発明による銅薄膜集積回路デバイスの製造工程を示す図である。
【図４】図４は、本発明による銅薄膜集積回路デバイスの製造工程を示す図である。
【図５】図５は、本発明による銅薄膜集積回路デバイスの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１０　基板
１２　ソース
１４　ドレイン
１６　ゲート
１８　ゲート積層体
２０　酸化層
２２　金属バリア膜
２４　タングステン薄膜
２６　銅薄膜
【図１】
2004006856.tif 000003
【図２】
2004006856.tif 000004
【図３】
2004006856.tif 000005
【図４】
2004006856.tif 000006
【図５】
2004006856.tif 000007