(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デュアルダマシンバイア及びワイヤ輪郭を有する誘電体層中にデュアルダマシン相互接続部を形成する方法において、前記方法が：
ａ）前記誘電体層の露出表面上にバリヤ層を堆積するステップと；
ｂ）前記バリヤ層上で導電性材料の第１部分を電気メッキして、前記バイア輪郭を充填するステップと；
ｃ）前記導電性材料の前記第１部分上に前記導電性材料の第２部分を物理的気相堆積して、前記ワイヤ輪郭を充填するステップと；
ｄ）前記導電性材料と前記バリヤ層とを平坦化するステップと；
を含み、
物理的気相堆積法によって堆積された前記導電性材料の前記第２部分がドーピングされた導電性材料を含み、
前記導電性材料の前記第２部分を堆積する前に、電気メッキによって堆積された前記導電性材料の前記第１部分がアニールされる方法。
【請求項２】
デュアルダマシンバイア及びワイヤ輪郭を有する誘電体層中にデュアルダマシン相互接続部を形成する方法において、前記方法が：
ａ）前記誘電体層の露出表面上にバリヤ層を堆積するステップと；
ｂ）前記バリヤ層上に導電性材料の第１部分を電気メッキするステップと；
ｃ）前記導電性材料の前記第１部分をアニールして、前記バイア輪郭を充填するステップと；
ｄ）前記導電性材料の前記第１部分上に前記導電性材料の第２部分を物理的気相堆積して、前記ワイヤ輪郭を充填するステップと；
ｅ）前記導電性材料と前記バリヤ層とを平坦化するステップと；
を含む方法。
【請求項３】
前記物理的気相堆積された導電性材料が銅又はドーピングされた銅である請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バリヤ層がチタン、窒化チタン、窒化シリコンチタン、窒化タングステン、窒化シリコンタングステン、タンタル、窒化タンタル、窒化シリコンタンタル、ドーピングされたシリコン、アルミニウム及び酸化アルミニウムからなる群から選択された材料を含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
デュアルダマシンバイア及びワイヤ輪郭を有する誘電体層中にデュアルダマシン相互接続部を形成する方法において、前記方法が：
ａ）前記誘電体層の露出表面上にバリヤ層を堆積するステップと；
ｂ）前記バリヤ層上に導電性金属のコンフォーマルな第１部分を化学的気相堆積するステップと；
ｃ）前記導電性金属のコンフォーマルな前記第１部分をアニールして、前記導電性金属のコンフォーマルな前記第１部分の表面を平滑化するステップと；
ｄ）前記導電性金属の前記第１部分上に前記導電性金属の第２部分を電気メッキして前記バイア及びワイヤ輪郭を充填するステップと；
ｅ）前記導電性金属と前記バリヤ層とを平坦化するステップと；
を含む方法。
【請求項６】
前記導電性金属が銅又はドーピングされた銅である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記バリヤ層がチタン、窒化チタン、窒化シリコンチタン、窒化タングステン、窒化シリコンタングステン、タンタル、窒化タンタル、窒化シリコンタンタル、ドーピングされたシリコン、アルミニウム及び酸化アルミニウムからなる群から選択された材料を含む請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記導電性金属のコンフォーマルな第１部分を化学的気相堆積する前に、前記バリヤ層をプラズマ処理に晒すステップをさらに含む請求項５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】
本発明は半導体デバイスを製造するための金属化方法に関する。より詳細には、本発明は誘電体層中のデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭を金属化して金属製の相互接続部と金属バイアプラグを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サブ半（ハーフ）ミクロンの多レベル金属化方法は、次世代の超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）にとって鍵となる技術の１つである。この技術の核心を成す多レベル相互接続では、コンタクト、バイア又は他の外形物を含む、高アスペクト比のアパーチュア内に形成された相互接続部の外形物を平坦化する必要がある。これらの相互接続部外形物を高い信頼性で形成することは、ＶＬＳＩの成功と、個々の基板とダイス上での回路密度と品質とを向上させるための継続的な努力と、にとって非常に重要なことである。
【０００３】
回路密度が高まるに連れて、バイアとコンタクトと他の外形物と、さらにこれら同士間にある誘電体材料との幅は減少しなければならず、この結果、外形物のアスペクト比が増大することになる。したがって、外形物幅対外形物高さの比が４：１以上である高アスペクト比を有する空隙のない外形物を形成しようとする大変な努力が継続されている。このような方法の１つでは、基板表面上にある露出した核生成表面上にある材料に対してだけ選択的に化学的気相堆積法（ＣＶＤ）が実行される。選択的ＣＶＤでは、化学的気相の成分と導電性基板とが接触するところに膜の層が堆積される。この成分はこのような基板上に核生成して金属表面を生成し、この上にさらに堆積プロセスが続く。
【０００４】
選択的ＣＶＤ金属堆積法は、ＣＶＤ金属前駆気体を分解するには通常は導電性核生成膜からの電子発生源を必要とするという事実に基づいている。従来の選択的ＣＶＤ金属堆積プロセスによれば、金属は、金属膜と、下地の導電層から出ているドーピングされたシリコン又は金属シリサイドと、のどちらかが露出しているアパーチュアの底部に成長しなければならないのであって、フィールドやアパーチュアの壁などの誘電体表面上に成長してはならない。下地を成す金属膜又はドーピングされたシリコンは、誘電体フィールドやアパーチュアの壁と違って導電性であり、したがって、金属前駆気体の分解に必要な電子を供給し、その結果、金属が堆積される。選択的な堆積をすることによって、非常に小さいディメンジョン（＜０．２５μｍ）と高いアスペクト比（＞５：１）を持つバイアやコンタクトの開口を充填することが可能なＣＶＤ金属をアパーチュア中で「上昇型」(bottom-up)エピタキシャル成長させることができる。
【０００５】
単体アルミニウム（Ａｌ）とその合金が半導体処理に置いてラインとプラグを形成するために用いられる伝統的な金属であったが、それはアルミニウムの抵抗率が低く、酸化シリコン（ＳｉＯ2）に対する固着性が優れ、パターン化がし易く、純度が高いからである。さらに、上記の選択的なＣＶＤプロセスを容易化するアルミニウムの前駆気体が入手可能である。しかしながら、アルミニウムは抵抗率が高く電子移動に関して問題がある。電子移動は、金属回路の、その製作の途中で発生する故障に対して、動作中に発生する現象である。電子移動は、回路中で確立された電場で金属が拡散することによって引き起こされる。金属は何時間も動作するうちに一方の端から他方の端に移送し、ついには完全に剥離して回路に開口を空ける。この問題は場合によっては銅のドーピングとテクスチャを改善することによって解決する。しかしながら、電子移動は電流密度が増加するに連れて悪化する問題である。
【０００６】
一方、銅とその合金はアルミニウムより抵抗率がさらに低く、電子移動抵抗性はかなり高い。これらの特徴は集積密度が高くなりデバイス速度が速くなるに連れて増す電流密度を支えるためには重要な特徴である。しかしながら、銅金属を多レベル金属化システムに組み込むことにまつわる主要な問題として、（１）エッチング技法を用いて金属をパターン化するのが困難であることと、（２）成熟したＣＶＤプロセスがないのでＰＶＤを用いて小さいバイアを充填するのが困難であること、が挙げられる。サブミクロンという最小外形物寸法であるデバイスにとっては、銅のパターン化のために湿式エッチングを用いることは、液体の表面張力のためと、等方性エッチングプロフィールのためと、過剰エッチングの制御が困難であるためと、信頼性の高い乾式エッチングプロセスがないためと、によって受け入れることができなかった。
【０００７】
選択的無電解メッキ法や選択的化学的気相堆積法や高温反応性イオンエッチング法やリフトオフ処理を含む、パターン化された銅製の相互接続部を発生するための方法がいくつか提案されている。無電解メッキ法では、相互接続部の床を床導電性にするように促す必要がある。これで、導電性床を帯電させて、溶液又は浴槽から銅を引き付ける。
【０００８】
選択的化学的気相堆積法では一般的には、電導性表面上で金属前駆気体を分解させる。しかしながら、選択的気相堆積法のための、信頼性の高い成熟したプロセスはない。
【０００９】
高温反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）すなわちスパッタエッチング法もまた銅層をパターン化するために用いられてきた。さらに、ＲＩＥは、余分の金属を解放層によって構造体からリフトオフして銅の外形物を内部に形成した表面を残すリフトオフ処理法と一緒に用いることができる。
【００１０】
銅製の金属配線のためのさらに別の方法は、ＳｉＯ2などの絶縁性材料製の厚い層内になる溝及び／又はコンタクトをパターン化してエッチングする。この後で、Ｔｉ、ＴｉＷ又はＴｉＮなどのバリヤ金属製の薄い層を絶縁層の頂部並びに溝及び／又はコンタクト内部に設けて拡散バリヤとし、これによって、次いでシリコン中とこのような金属と酸化物間に堆積される予定の金属を内部拡散させてもよい。バリヤ金属が堆積された後で、銅製の層を堆積させて溝を完全に充填する。
【００１１】
ある周知の金属化技法は、バイアが下地の層を露出させる床を有する、デュアルダマシンバイア／ワイヤの輪郭を有する誘電体層中にデュアルダマシン相互接続部を形成する方法である。この方法は、バリヤ層に物理的気相堆積法（ＰＶＤ）を実施するステップと、好ましくは銅である導電性金属に物理的気相堆積法を実施するステップと、次いで、この導電性金属を電気メッキしてバイアと溝を充填するステップと、を含んでいる。最後に、この堆積層と誘電体層とは、化学機械的研磨法などによって平坦化されて導電性ワイヤを輪郭決め（画成）する。
【００１２】
図１（ａ）〜（ｅ）を参照すると、導電性外形物１５を含んでいる下地層１４の上方に形成された誘電体層１６を含む、層化された構造体１０の断面図が示されている。下地層１４はドーピングされたシリコン基板という形態をとったり又は基板上に最初に形成された又は次いで形成された導電性層であったりする。誘電体層１６は技術上周知の手順に従って下地層１４の上方に形成し、これによって集積回路全体の１部を形成する。誘電体層１６は、ひとたび形成されるとエッチングされてデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭を形成するが、この場合、バイアは、導電性外形物１５の小さい部分を露出する床３０を有している。誘電体層１６のエッチングは、プラズマエッチングを含むなんらかの誘電体エッチングプロセスによって遂行される。二酸化シリコンと有機材料をエッチングする具体的な技法には、それぞれ緩衝されたフッ化水素酸及びアセトンすなわちＥＫＣなどの化合物を用いる。しかしながら、パターン化は技術上周知の方法を用いて実行され得る。
【００１３】
図１（ａ）を参照すると、誘電体層１６中に形成されたデュアルダマシンのバイアとワイヤの輪郭の断面図が図示されている。このバイアとワイヤの輪郭によって、下地導電性外形物１５との電気的接続部となる導電性相互接続部の堆積が容易となる。この輪郭は、バイア壁３４と、導電性外形物１５の少なくとも１部分を露出させている床３０と、を有するバイア３２と；溝壁３８を有する溝１７と；を提供する。
【００１４】
図１（ｂ）を参照すると、ＰＶＤによるＴａＮ製のバリヤ層２０がバイアとワイヤの輪郭上に堆積されてバイア３２に穴１８を残している。このバリヤ層はチタン、チッ化チタン、タンタル又はチッ化タンタルから形成するのが好ましい。ここで用いられるプロセスはＰＶＤやＣＶＤや合成ＣＶＤ／ＰＶＤであり、これによってテクスチャと膜の特性を向上させる。このバリヤ層が銅の拡散を制限して、相互接続部の信頼性を劇的に向上させる。このバリヤ層は厚さ約２５オングストローム（Å）から約４００Åであるのが好ましく、約１００Åであるのが最も好ましい。
【００１５】
図１（ｃ）を参照すると、ＰＶＤによる銅製の層２１がワイヤ輪郭の壁３４及び３８及び床３０の上方でバリヤ層２０上に堆積されている。ここで用いられる金属もまたアルミニウム又はタングステンである。ＰＶＤ銅層２１は追加の金属層に対して良好な固着性を持つ。
【００１６】
図１（ｄ）を参照すると、銅２２はＰＶＤ銅層２１の上方で電気メッキされてバイア３２を銅プラグ１９で充填する。電気メッキは技術上良く知られており、様々な技法によって実行可能である。
【００１７】
図１（ｅ）を参照すると、次に、構造体１０の頂部部分が、好ましくは化学機械的研磨法（ＣＭＰ）によって平坦化される。この平坦化プロセスの際に、銅層２１、２２、バリヤ層２０及び誘電体１６のそれぞれ１部分が構造体の頂部から除去されて、溝を形成された導電性ワイヤ３９を持った完全に平坦化された表面を残す。
【００１８】
ＰＶＤ銅堆積と比較して、ブランケットＣＶＤプロセスによって堆積された薄膜は通常はコンフォーマルであり、段差を優れて覆うようになる、すなわち、基板上に形成されたあらゆるアパーチュア、それが非常に小さな形状のアパーチュアであっても、その側部及び基底部上の層の厚さが均一になる。したがって、通常は、ブランケットＣＶＤがアパーチュアを充填するために用いられる方法である。しかしながら、ブランケットＣＶＤプロセスに関連して２つの主要な困難な点がある。第１に、ブランケットＣＶＤによる膜はアパーチュア中のすべての側部から成長し、この結果、堆積層はアパーチュアの上部の角から上向きにそして外向きに成長し、これによって、アパーチュアが完全に充填される前にアパーチュアの上部表面を橋渡しする（すなわち、橋渡し又はクラウニングする）ので、充填されたアパーチュアに空隙を残す。また、連続核生成層、すなわち、ＣＶＤ層を上に確実に堆積するためのアパーチュア壁上に堆積された基板の全表面の上方で核生成がなされることを保証するための連続膜層によってアパーチュアの幅がさらに減少し、このため、空隙無しでアパーチュアを充填する困難さが増す。第２に、ブランケットＣＶＤによって堆積された膜は、膜が堆積される表面の微細構造に、それが非方向性であったりランダム方向性であったりすると、適合しやすく、この結果、膜の結晶構造の方位がランダムになり、また、低反射性特性となり、電子移動性能が悪化する。
【００１９】
選択的ＣＶＤは、堆積膜を提供するＣＶＤ前駆気体の分解には通常は、導電性核生成膜からの電子の発生源を必要とするという事実に基づいている。従来の選択的ＣＶＤプロセスによれば、堆積は、下地層からの導電性膜又はドーピングされたシリコンが露出しているアパーチュアの底部で発生すべきであって、核生成部位が全くない絶縁性のフィールドや絶縁性のアパーチュア壁で発生してはならない。アパーチュアの基底部で露出しているこれらの導電性膜及び／又はドーピングされたシリコンは、誘電体表面とは異なって、前駆気体の分解とこの結果としての膜層の堆積に必要とされる電子を供給する。選択的堆積によって得られる結果は、非常に小さいディメンジョン（＜０．２５μｍ）と高いアスペクト比（＞５：１）のバイア又はコンタクトを充填することができる、アパーチュア中の膜の「上昇型」成長である。しかしながら、選択的ＣＶＤプロセスでは、その表面中の欠陥が存在するフィールド上に好ましくない結節が形成される。
【００２０】
一方、ＰＶＤプロセスによって、反射性の向上した高方向性膜を堆積できるが、高アスペクト比の場合に適用する場合にはアパーチュアの充填性、すなわち段差の被覆性は良好ではない。目標とする材料を物理的にスパッタリングすると、粒子が基板表面に対して鋭角で走行することになる。その結果、高アスペクト比のアパーチュアを充填している場合、スパッタリングされた粒子は上部壁表面に堆積されて、アパーチュアが堆積材料によって完全に充填される以前にアパーチュアの開口を覆ってしまう傾向がある。この結果得られる構造は一般的に内部に空隙を含んでおり、このため基板上に形成されるデバイスの一貫性を損なう。
【００２１】
高アスペクト比のアパーチュアは、膜を高温で堆積させることによってＰＶＤプロセスを用いて充填することができる。１例として、アルミニウムを４００℃以上で堆積させて、表面上でとアパーチュア全体にわたるアルミニウムの流れを良くすることができる。この高温アルミニウムプロセスによって段差被覆性が向上することが分かっている。しかしながら、高温アルミニウムプロセスでは、バイアの充填性の信頼性が低く、堆積温度が高く、充填時間が長く、膜の反射性が悪いことがわかった。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
これらの技法は利用可能であるが、なんらかの堆積材料からなる床を有するデュアルダマシン相互接続部とバイアを製作するための金属化プロセスを必要とするものである。このような高度に集積された相互接続部は、特にコンタクト他バイア形成用の高アスペクト比でサブ１／４ミクロン幅のアパーチュアでは空隙のないバイアを提供しなければならない。さらに、より高い電導性と向上した電子移動抵抗性を回路に与えるプロセスが必要である。バイア中に金属プラグを形成し溝中にワイヤを形成するための処理ステップをほとんど必要としない単純なプロセスを有することが好ましい。これがすべて、上記のプロセスによって金属エッチング技法を用いることなく達成されればさらに好ましい。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明はデュアルバイア／ワイヤ輪郭を有する非導電性層中にデュアルダマシン相互接続部を形成する方法を提供する。本方法は、デュアルダマシンバイア／ワイヤの輪郭内の表面を含む非導電性層の露出表面上にバリヤ層を堆積するステップを含む。次に、このバイア／ワイヤ輪郭を、空隙を防止するアニールステップを間に挟むことが望ましい２つ以上の堆積技法を用いて銅やアルミニウムなどの導電性金属で充填する。最後に、導電性金属とバリヤ層と誘電体層とを、化学機械研磨法などによって平坦化して、下層の導電性領域に対してバイアによって接続される導電性ワイヤを輪郭決めする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に関する上記の特徴、利点及び目的が達成される方式が詳細に理解されるように、上記に要約した本発明を添付図面に図示する実施形態を参照して具体的により詳細に説明する。
【００２５】
しかしながら、添付図面は本発明の一般的な実施形態を図示するだけであり、したがって、その範囲を限定するものと考えるべきではなく、本発明は他の等しく効果的な実施形態を含むことに注意されたい。
【００２６】
本発明は一般的に、相互接続抵抗を減少させ電子移動性能を向上させた交互に集積された構造体中に相互接続部を設ける現場金属化プロセスを提供するものである。より特定的には、本発明は、バイア／ワイヤ輪郭の露出表面上にバリヤ層を組み込んだデュアルダマシン相互接続部と、このバイア／ワイヤ輪郭を充填する２つ以上の堆積技法と、を提供する。非統合技法でも適切な金属相互接続部と金属バイアプラグを提供するとはいえ、好ましい堆積技法を統合処理システムと組み合わせることが可能である。
【００２７】
分かりやすいように、本発明は以下に銅堆積技法を参照して説明する。しかしながら、ＰＶＤアルミニウム又はアルミニウム／銅などの他の金属プロセスを用いて本発明の利点を遂行してもよい。
【００２８】
図２（ａ）を参照すると、本発明に従ってＩＣ構造体４０を形成するには、誘電体層４２をパターン化された層の導電性層、すなわち導電性領域４６の表面４４の上方に従来の技法を用いて形成する。この誘電体層の厚さは単一の金属化層の約２倍であるが、それは、デュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭がその中を通ってエッチングされるからである。現在周知であろうとまだ発見されていなかろうと、フッ素化炭素ＳｉＯ2や有機ポリマーなどの低誘電体材料を含むいかなる誘電体材料でも用いてよく、それは本発明の範囲内にある。この誘電体層はなんらかの適切な堆積向上性材料の上に体積させてもよいが、好ましい堆積向上性材料には、導電性金属やドーピングされたシリコンなどがある。
【００２９】
誘電体層は、ひとたび堆積されると、エッチングされてデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭を形成するが、この場合、バイア４８は低導電性領域４６を、充填されるとワイヤ又は相互接続部を形成する溝５０に接続している。このバイアは一般的には急峻な側壁５２による高アスペクト比を有している。誘電体層４２のエッチングは、プラズマエッチングを含むいかなる誘電体エッチングプロセスによって遂行してもよい。二酸化シリコンや有機材料エッチングする具体的な技法には、それぞれ緩衝化されたフッ化水素酸とアセトンすなわちＥＫＣなどの化合物が用いられる。しかしながら、パターン化は技術上周知ないかなる方法を用いて実行してもよい。
【００３０】
図２（ｂ）を参照すると、バリヤ層５４がバイア４８／ワイヤ５０輪郭内の表面を含む露出表面上に堆積されている。本発明によれば、好ましいバリヤ／ぬれ性層には、耐火材（例えば、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウムシリケートなど）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、もしくはＰＣＶ  Ｔｉ／Ｎ2詰めされた３元化合物（例えば、ＴｉＳｉＮ、ＷＳｉＮなど）などの層又はこれらの層の合成物がある。好ましいバリヤ材料には、チタン、窒化チタン、窒化シリコンチタン、窒化タングステン、窒化シリコンタングステン、タンタル、窒化タンタル、窒化シリコンタンタル、ドーピングされたシリコン、アルミニウム、酸化アルミニウムなどがある。最も好ましいバリヤ／ぬれ性材料は、約５０Åから約１０００Åの厚さを有するＰＶＤ層として一般的に提供されるＴａやＴａＮである。逆に、ＣＶＤ  ＴｉＮ又はＷＮ製のバリヤ／ぬれ性層は一般的に、約１００Åから約４００Åの厚さを有する。バリヤ／ぬれ性層は堆積されると、誘電体層の上方に実質的に連続したキャップを形成して窒素で処理される。代替法としては、酸化シリコンの露出表面を窒素で処理して、銅に対するバリヤ層として有効なＳｉxＯyＮzを形成する。
【００３１】
バリヤ層とぬれ性層の合成層は、プロセス気体の流れを変えて、ＣＶＤ銅に対する固着性を向上させることによって生成することができる。例えばＷＦ6、Ｎ2、Ｈ2及びＳｉＨ4を反応させてＷＮをＣＶＤ堆積させることによって、誘電体層に対する固着性が優れたものとなる。堆積の間に窒素の流れを遮断することによって、ＣＶＤによるＷＮ層と続いて得られるＣＶＤによる銅層に固着するＣＶＤによるＷの最終的なバリヤ／ぬれ性層が得られる。同様に、窒素流を遮断することによって、ＴａＮ層をＴａ層と組み合わせたりＴｉＮ層をＴｉ層と組み合わせたりできる。この合成層はＣＶＤによる銅に対する固着性が向上し、これによって、バイア又は溝中に堆積した材料に対するテクスチャが向上する。代替例としては、ＷＮ、ＴａＮ又はＴｉＮのバリヤ／ぬれ性層をＨ２、Ａｒ又はＨｅのプラズマで事前処理してＣＶＤによる銅層を核生成して固着性を向上させることもできる。
ＣＶＤ／ＰＶＤ充填
本発明による一実施形態４０では、図２（ｃ）〜（ｅ）にさらに示すように、より低い抵抗率とより大きい電子移動抵抗性を有するデュアルダマシンプラグと相互接続部とを形成する方法が提供される。このサブ半ミクロンのバイアはコンフォーマルＣＶＤによる銅によって空隙無しで充填され、次に溝が、ドーパントとして錫を包含するのが好ましいＰＶＤ銅で充填される。堆積後は、このドーパントがＣＶＤ銅層中に移動して電子移動抵抗性を向上させる。ワイヤは構造体を平坦化することによって完了される。
【００３２】
図２（ｃ）を参照すると、コンフォーマルバリヤ層５４を有するデュアルシンバイア／ワイヤ輪郭の断面図が、バイアが銅プラグ６０によって完全に充填されるまではフィールド領域５６と側壁５８との上に均一に堆積されるコンフォーマルＣＶＤ銅層５５を含んでいるところが図示されている。
【００３３】
図２（ｄ）を参照すると、銅層６２がＣＶＤ銅層の上方に物理的気相堆積されてワイヤ輪郭５０を充填している。ワイヤ輪郭を充填するために、一般的に、構造体の全フィールドがＰＶＤ銅によって覆われることになる。
【００３４】
図２（ｅ）を参照すると、次に、望ましくは化学機械的研磨法（ＣＭＰ）（例えば、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（ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）から入手可能なＭｉｒｒａ（登録商標）システム）によって構造体の頂部部分が平坦化される。この平坦化プロセス中に、銅６２とバリヤ材料５４と誘電体４２との各部分が構造体の頂部から除去されて、導電性ワイヤ６４と６６が内部に形成された完全に平坦化された表面が残る。
ＣＶＤ／アニール／ＰＶＤ充填
本発明による別の実施形態７０では、図３（ａ）〜（ｅ）に示すように、サブ半ミクロンのバイアがコンフォーマルＣＶＤ銅によって部分的に充填されて次にアニールされてバイアを充填している。次に、既述したように溝がＰＶＤ銅で充填される。溝の幅が小さい場合、このアニールステップもまた溝を充填する。溝は、溝を下地層に接続するバイアと同じ幅を有してもよい。ＰＶＤ銅ステップはまた用いてドーパントを提供したり、構造体を平坦化するのに十分な厚さを提供する。
【００３５】
図３（ａ）に、図２（ｂ）に示すものと類似のバリヤ層５４を上部に形成したパターン化された誘電体を示す。図３（ｂ）を参照すると、コンフォーマルバリヤ層５４を有するデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭の断面図が、バイアが部分的に充填されて穴７４が残るまでフィールド領域５６と側壁５８上に均一に堆積されるコンフォーマルＣＶＤ銅層７２を含んでいる。図３（ｃ）を参照すると、次に、ＣＶＤ銅層が約３００℃から約４５０℃の温度にウエハを加熱することによってアニールされて、銅を穴７４中にリフローさせて銅プラグ７６を形成する。
【００３６】
図３（ｄ）を参照すると、銅層６２をＣＶＤ銅層の上方に物理的気相堆積されてワイヤ輪郭５０を充填する。ワイヤ輪郭を充填するには、一般的に、構造体の全フィールドがＰＶＤ銅によって覆われることになる。
【００３７】
図３（ｅ）を参照すると、次に、構造体７０の頂部部分が、好ましくは化学機械的研磨法（ＣＭＰ）によって平坦化される。この平坦化プロセスの間に、銅６２とバリヤ材料５４と誘電体４２との各部分が構造体の頂部から除去されて、導電性ワイヤ６４と６６を内部に形成した完全に平面状の表面を残す。
電子メッキ／ＰＶＤ又はＣＶＤ／ＰＶＤ充填
本発明の別の実施形態８０では、図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、サブ半ミクロンのバイアが銅の電子メッキ又はコンフォーマルＰＶＤ銅によって部分的又は全面的に充填されている。次に、既述したように溝がＰＶＤ銅によって非統合システム中で充填される。銅の電子メッキに続いて、ＰＶＤ銅をドーピングして電子移動性を改善するのが好ましい。ワイヤは構造を平坦化することによって完了される。
【００３８】
図４（ａ）に、図２（ｂ）に示すものと類似のバリヤ層５４を上に形成したパターン化された誘電体を示す。図４（ｂ）を参照すると、コンフォーマルバリヤ層５４を有するデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭の断面図が、バイアが部分的に充填されて穴８４が残るまで、フィールド領域５６と側壁５８上に均一に堆積されるコンフォーマル銅電気メッキ層８２を含んでいる。図４（ｃ）を参照すると、次に、銅電気メッキ層を約３００℃から約４５０℃の間の温度でウエハを加熱することによってアニールして、銅を穴８４中にリフローさせて銅プラグ８６を形成する。
【００３９】
図４（ｄ）を参照すると、銅層６２が銅電気メッキ層の上方に物理的気相堆積されてワイヤ輪郭５０を充填している。ワイヤ輪郭を充填するためには、一般的に、構造体の全フィールドがＰＶＤ銅によって覆われるということになる。
【００４０】
図４（ｅ）を参照すると、次に、構造体８０の頂部部分が、好ましくは化学機械的研磨法（ＣＭＰ）によって平坦化される。この平坦化プロセスの間に、銅６２とバリヤ材料５４と誘電体４２との各部分が構造体の頂部から除去されて、導電性ワイヤ６４と６６を内部に形成した完全に平面状の表面を残す。
ＣＶＤ／アニール／電気メッキ
本発明による別の実施形態９０では、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、サブ半ミクロンのバイアがコンフォーマルＣＶＤ銅によって部分的に充填され、次に、約３００℃から約４００℃の間の温度にウエハを加熱することによってアニールされて、銅層の表面を平滑化する。次に、バイアと溝が銅電気メッキで、非統合システム中で充填される。
【００４１】
図５（ａ）に、図２（ｂ）に示すものと類似のバリヤ層５４を上に形成したパターン化された誘電体を示す。図５（ｂ）を参照すると、コンフォーマルバリヤ層５４を有するデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭の断面図が、バイアが部分的に充填されて穴９４が残るまで、フィールド領域５６と側壁５８上に均一に堆積されるコンフォーマルＣＶＤ銅層９２を含んでいる。図５（ｃ）を参照すると、次に、ＣＶＤ銅層９２がアニールされて、穴９４を充填することなく銅層を平滑化する。
【００４２】
図５（ｄ）を参照すると、銅層６２が電気メッキによって堆積されてバイア／ワイヤ輪郭を充填し、これによって銅プラグ９６を形成する。ワイヤ輪郭を形成するためには、一般に、構造体の全フィールドが銅で覆われることになる。
【００４３】
図５（ｅ）を参照すると、次に、構造体９０の頂部部分が、好ましくは化学機械的研磨法（ＣＭＰ）によって平坦化される。この平坦化の間に、銅６２とバリヤ材料５４と誘電体４２との各部分が構造体の頂部から除去されて、導電性ワイヤ６４と６６を内部に形成した完全に平面状の表面を残す。
ＣＶＤ／アニール／ＣＶＤ／アニール充填
本発明の別の実施形態１００では、図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、サブ半ミクロンのバイアがコンフォーマルＣＶＤ銅によって部分的に充填され次にアニールされてバイアを充填する。次に、溝がＣＶＤ銅によって充填され、次にバイアに対して上記のようにアニールがなされる。ワイヤは構造体を平坦化することによって形成される。
【００４４】
図６（ａ）に、図２（ｂ）に示すものと類似のバリヤ層５４を上に形成したパターン化された誘電体を示す。図６（ｂ）を参照すると、コンフォーマルバリヤ層５４を有するデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭の断面図が、バイアが部分的に充填されて穴１０４が残るまで、フィールド領域５６と側壁５８上に均一に堆積されるコンフォーマルＣＶＤ銅層１０２を含む。図６（ｃ）を参照すると、次に、ＣＶＤ銅層を、約３００℃から約４５０℃までの温度にウエハを加熱することによってアニールして、銅を穴１０４中にリフローして銅プラグ１０６を形成する。次に、第２のコンフォーマルＣＶＤ銅層１０８が、溝が部分的に充填されて穴１１０が残るまで、アニール済みのＣＶＤ層上に均一に堆積される。図６（ｄ）を参照すると、次に、第２のＣＶＤ銅層１０８を約３００℃から約４５０℃の温度にウエハを加熱することによってアニールして、銅を溝穴１１０中にリフローして銅ワイヤ１１２を形成する。図６（ｅ）を参照すると、銅ワイヤ１１２が前述したように平坦化によって完了される。
統合処理システム
図７を参照すると、上記の統合プロセスをその内部で実現できるＰＶＤチャンバとＣＶＤチャンバの双方と有する統合処理システム１６０の略図が示されている。一般的には、基板を処理システム１６０からカセットロードロック１６２を介して導入して引き込まれる。ブレード１６７を有するロボット１６４が処理システム１６０内に置かれて、基板をシステム１６０内を移動させる。１つのロボット１６４がバッファチャンバ１６８中の一般的な位置に置かれると、カセットロードロック１６２、脱気ウエハ方向付けチャンバ１７０、事前清浄化チャンバ１７２、ＰＶＤＴｉＮチャンバ１７４、冷却チャンバ１７６の間で基板を伝達する。第２のロボット１７８が伝達チャンバ１８０中に位置して、冷却チャンバ１７６、干渉性のＴｉチャンバ１８２、ＣＶＤＴｉｎチャンバ１８４、ＣＶＤ銅チャンバ１８６及びＰＶＤ ＩＭＰ銅処理チャンバ１８８との間で基板をやりとりする。統合システム中の伝達チャンバ１８０は１０-3から１０-8Ｔｏｒｒという低圧又は高圧に維持するのが好ましい。図６に示すチャンバのこの構成は、単一のクラスタツール中でＣＶＤプロセスとＰＶＤプロセスの双方が可能な統合処理システムを含んでいる。この特殊なチャンバ構成すなわち配置は単に図示目的であり、これ以外のＰＶＤプロセスとＣＶＤプロセスの構成が本発明によって考察されている。
【００４５】
一般的に、処理システム１６０中で処理された基板はカセットロードロック１６２からバッファチャンバ１６８に送られ、そこで、ロボット１６４が最初に基板を脱気チャンバ１７０中に移動させる。次に、基板は事前清浄化チャンバ１７２、ＰＶＤ  ＴｉＮチャンバ１７４そして次に冷却チャンバ１７６に伝達される。冷却チャンバ１７６から、ロボット１７８は一般的に、基板を冷却チャンバ１７６に戻す前に、基板を１つ以上の処理チャンバ中とこれら同士間に移動させる。基板が、基板上に所望の構造体を製作するために１つ以上のチャンバ中で何回もそして何らの順序で処理されたり冷却されたりすることが予測される。基板は処理が終わったら処理システム１６０からバッファチャンバ１６８を介して取り除かれてロードロック１６２に移される。マイクロプロセッサコントローラ１９０が基板上に層を連続して形成するプロセスを制御する。
【００４６】
本発明によれば、処理システム１６０は基板をロードロック１６２から脱気チャンバ１７０に移し、基板はここに導入されると汚染物質を脱気する。次に基板は事前清浄化チャンバ１７２中に移動し、ここで基板表面を清浄化してそのあらゆる汚染物質を除去する。次に基板はＣＶＤ−ＴｉＮチャンバ１７５中で処理されて誘電層上にバリヤ層を堆積する。次に、ロボット１７８は基板をＣＶＤ銅１７４のところに伝達する。基板は２つ以上の金属層を受容して金属製のプラグと相互接続部とを形成する。アニール処理は加熱されたどのチャンバでも発生し得る。金属層が完全に堆積されたら、基板は平坦化ユニットに送られる。
【００４７】
多段式真空ウエハ処理システムが、参照してここに組み込まれる、１９９３年２月１６日に発行されたテップマン（Ｔｅｐｍａｎ）らによる「多段式真空ウエハ処理のためのシステムと方法（Ｓｔａｇｅｄ−Ｖａｃｕｕｍ  Ｗａｆｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ）」という名称の米国特許第５，１８６，７１８号に開示されている。このシステムはＣＶＤチャンバを収納できるように改良されている。
【００４８】
ＣＶＤ銅層は、Ｃｕ+2（ｈｆａｃ）2及びＣｕ+2（ｆｏｄ）2（ｆｏｄは、ヘプタフルオロジメチルオクタンジエンの略語）を含むなんらかの周知のＣＶＤ銅プロセス又は前駆気体を用いて堆積してもよいが、好ましいプロセスでは、揮発性液体錯Ｃｕ+1（ｈｆａｃ）とＴＭＶＳ（ｈｆａｃはヘキサフルオロアセチルアセトネートアニオンの略語であり、ＴＭＶＳはトリメチルビニルシランの略語である）を単体気体としてのアルゴンと一緒に用いる。この錯体は周辺状態下の液体であるので、半導体作成に現在用いられている標準のＣＶＤ気泡系前駆体送出システムで用いることができる。ＴＭＶＳとＣｕ+2（ｈｆａｃ）2は双方共がチャンバから排出される堆積反応の揮発性副産物である。この堆積反応は、（ｓ）が表面との相互作用を意味し（ｇ）が気相を意味する次のメカニズムに従って進行すると信じられている：
２Cu+1hfac,TMVS(ｇ)  →  ２Cu+1hfac,TMVS(ｓ)          ステップ（１）
２Cu+1hfac,TMVS(ｓ)  →  ２Cu+1hfac(ｓ)＋2TMVS(ｇ)  ステップ（２）
２Cu+1hfac（ｓ）  →  Cu(s)＋Cu+2（hfac）2(ｇ)      ステップ（３）
ステップ１では、錯体は気相から金属表面上に吸収される。ステップ２では、配位されたオレフィン（この特定の場合ではＴＭＶＳ）が錯体から自由気体として解離して、Ｃｕ+1ｈｆａｃを不安定化合物として残す。ステップ３では、Ｃｕ+1ｈｆａｃが解離して銅金属と揮発性Ｃｕ+2（ｈｆａｃ）2を生じる。ＣＶＤ温度での解離は金属表面すなわち電導性表面によって最も強く触媒されるようである。代替の反応では、有機金属銅錯体を水素で還元して金属銅を生じさせることができる。
【００４９】
揮発性液体錯体であるＣｕ+1ｈｆａｃとＴＭＶＳとを用いて、銅を熱ベース又はプラズマベースのプロセスのプロセスによって堆積させることができるが、熱ベースのプロセスが最も好ましいものである。プラズマ強化プロセスの場合の基板温度は約１００℃と約４００℃の間であるのが好ましいが、一方、熱プロセスの場合の基板温度は約５０℃から約３００℃の間であるが、約１７０℃が最も好ましい。これらのプロセスの内のどちらかに続いて、ＣＶＤ銅ぬれ性層を核生成層の上方に備えてもよい。代替例として、電気メッキされた銅をＣＶＤ銅ぬれ性層と組み合わせて又はこの代わりに用いてもよい。
【００５０】
ＣＶＤ銅層が堆積されるとそれに続いて、基板がＰＶＤ銅チャンバに送られてＰＶＤ銅をＣＶＤ銅とＰＶＤ銅の融点未満の温度で堆積させる。軟金属が銅である場合、ＰＶＤ銅を約５５０℃未満、好ましくは約４００℃未満のウエハ温度で堆積させるのが好ましい。銅層は約２００℃でＰＶＤ堆積プロセスの間に流れ始め、タンタルバリヤ／ぬれ性層は本来の場所に固体金属層として固く残る。タンタルは銅とのぬれ性が良好であるので、ＣＶＤ銅は約４００℃ではタンタルを脱ぬれ性することはなく、したがって、先行する技術によるＣＶＤプロセスで教示されるように、アルミニウムの融点を越えるウエハ温度（６６０℃を越える温度）は必要ない。したがって、薄いタンタル層を付着させることによって、銅の融点の遙か未満の温度で銅の平坦化を達成することができる。
【００５１】
本発明のどの態様の場合でも、堆積された銅層をＨ2でアニールしてこの層を酸化銅の形成に対する抵抗性を強化する。
【００５２】
銅の電気メッキはＰＶＤ又はＣＶＤより遙かに安価であるが、統合処理システムでは実行できない。幸運にも、基板を別々の処理装置間で伝達する際に基板を空気に露出させても金属層には顕著な界面は形成されなかった。約０．５重量％から約２重量％の錫を包含する目標としての銅を、１０-7Ｔｏｒｒという真空度と１５０ＥＣという基板温度でデュアル電子銃を用いて気相堆積すなわち電気メッキさせることができる。
【００５３】
前述の説明は本発明の好ましい実施形態を参照したが、本発明の他のそしてさらなる実施形態が本発明の基本的範囲から逸脱することなく可能である。本発明の範囲は以下の請求の範囲によって決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）〜（ｅ）は、デュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭と、バリヤ層、ＰＶＤ金属堆積法及び金属電気メッキ法を用いて金属相互接続部を提供する先行技術によるステップと、を示す図である。
【図２】  （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態による、デュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭と、導電性金属でデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭を充填するに先立ってバリヤ層を堆積するステップと、を示す図である。
【図３】  （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第２の実施形態による、バリヤ層を有するデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭と、導電性金属を堆積するステップと、を示す図である。
【図４】  （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施形態による、バリヤ層を有するデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭と、導電性金属を堆積するステップと、を示す図である。
【図５】  （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第４の実施形態による、バリヤ層を有するデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭と、導電性金属を堆積するステップと、を示す図である。
【図６】  （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第５の実施形態による、バリヤ層を有するデュアルダマシンバイア／ワイヤ輪郭と、導電性金属を堆積するステップと、を示す図である。
【図７】  本発明の好ましい実施形態による連続金属化用に構成された統合処理システムを示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７】
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