(57)【要約】  銅構造体の露出された表面上に配置されたグラフェンキャップを含む配線構造体に係り、該グラフェンキャップは、銅構造体の最上面上にのみ配置され、あるいは該グラフェンキャップは、銅構造体の最上面及び鉛直方向の側壁に沿って配置され、該銅構造体は、誘電性材料内に配置される。
2015519749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つの誘電性材料に設けられた少なくとも1つの開口部に内包され、前記誘電性材料の最上面と同一平面である最上面を有する少なくとも1つの銅構造体と、
前記少なくとも1つの銅構造体の最上面上に配置されるものであり、前記少なくとも1つの銅構造体のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有するグラフェンキャップと、を含む配線構造体。
【請求項２】
前記グラフェンキャップと前記銅構造体の最上面との間に金属含有キャップが配置され、前記金属含有キャップは、前記グラフェンキャップのエッジ及び前記銅構造体のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有することを特徴とする請求項１に記載の配線構造体。
【請求項３】
前記少なくとも1つの開口部に内包された少なくとも1つのＵ字形拡散バリア材料をさらに含み、前記銅構造体のエッジそれぞれを、前記誘電性材料から分離させることを特徴とする請求項１に記載の配線構造体。
【請求項４】
前記少なくとも1つのＵ字形拡散バリア材料は、第１拡散バリア材料及び第２拡散バリア材料を含み、前記第１拡散バリア材料は、金属窒化物のうちから選択され、前記第２拡散バリア材料は、金属のうちから選択されることを特徴とする請求項３に記載の配線構造体。
【請求項５】
別の誘電性材料が、前記銅構造体を含む前記誘電性材料の下に配置されるが、前記銅構造体の最下面は、少なくとも1つのＵ字形拡散バリア材料の水平連結部によって、前記別の誘電性材料の最上面から分離されることを特徴とする請求項１に記載の配線構造体。
【請求項６】
前記少なくとも1つのＵ字形拡散バリア材料は、第１拡散バリア材料及び第２拡散バリア材料を含み、前記第１拡散バリア材料は、金属窒化物のうちから選択され、前記第２拡散バリア材料は、金属のうちから選択されることを特徴とする請求項５に記載の配線構造体。
【請求項７】
前記別の誘電性材料の下に、少なくとも1つの半導体材料を含む基板が配置されることを特徴とする請求項５に記載の配線構造体。
【請求項８】
前記グラフェンキャップは、単層グラフェン、少数層のグラフェン、多層グラフェン、または非晶質炭素相若しくは無秩序な炭素相若しくは非晶質且つ無秩序な炭素相に混合されたグラフェン層の任意の組み合わせを含むことを特徴とする請求項１に記載の配線構造体。
【請求項９】
誘電性材料部分の間に配置され、側壁面、最上面及び最下面を有する少なくとも1つの銅構造体と、
前記少なくとも1つの銅構造体の前記最下面と接触する最上面を有し、前記少なくとも1つの銅構造体の側壁面と鉛直方向に一致するエッジを有する少なくとも1つの拡散バリア材料と、
前記少なくとも1つの銅構造体の最上面上と、前記少なくとも1つの銅構造体の側壁面上とに位置したグラフェンキャップと、を含む配線構造体。
【請求項１０】
前記少なくとも1つの拡散バリア材料は、第１拡散バリア材料及び第２拡散バリア材料を含み、前記第１拡散バリア材料は、金属窒化物のうちから選択され、前記第２拡散バリア材料は、金属のうちから選択されることを特徴とする請求項９に記載の配線構造体。
【請求項１１】
前記少なくとも1つの拡散バリア材料の下に配置される別の誘電性材料をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の配線構造体。
【請求項１２】
前記別の誘電性材料の下に配置され、少なくとも1つの半導体材料を含む基板をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の配線構造体。
【請求項１３】
前記グラフェンキャップは、単層グラフェン、少数層グラフェン、多数層グラフェン、または非晶質炭素相若しくは無秩序な炭素相若しくは非晶質且つ無秩序な炭素相に混合されたグラフェン層の任意の組み合わせを含むことを特徴とする請求項９に記載の配線構造体。
【請求項１４】
前記グラフェンキャップと前記少なくとも1つの銅構造体との間に配置され、前記少なくとも1つの銅構造体の最上面及び側壁面に隣接して存在する金属含有キャップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の配線構造体。
【請求項１５】
誘電性材料内に存在する少なくとも1つの開口部に内包され、前記誘電性材料の最上面と同一平面である最上面を有する少なくとも1つの銅構造体を含む構造体を提供する段階と、
前記少なくとも1つの銅構造体の最上面上にグラフェンキャップを形成する段階と、を含み、
前記グラフェンキャップは、前記少なくとも1つの銅構造体のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有する配線構造体の形成方法。
【請求項１６】
前記グラフェンキャップを形成する段階は、４００℃を超えない温度で遂行される選択的蒸着工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項１７】
前記選択的蒸着工程は、炭素源を選択する段階と、
前記炭素源を利用して、グラフェン層を成長させる段階と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項１８】
前記グラフェンキャップを形成する段階は、グラフェンを銅ホイルから転写する段階と、
前記グラフェンをパターニングする段階と、を含み、
前記グラフェンのエッジが、前記少なくとも1つの銅構造体の鉛直方向の側壁面と一致することを特徴とする請求項１５に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項１９】
前記構造体は、前記少なくとも1つの開口部に内包された少なくとも1つのＵ字形拡散バリア材料をさらに含み、前記銅構造体のエッジそれぞれを、前記誘電性材料から分離させることを特徴とする請求項１５に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項２０】
前記少なくとも1つのＵ字形拡散バリア材料は、第１拡散バリア材料及び第２拡散バリア材料を含み、前記第１拡散バリア材料は、金属窒化物のうちから選択され、前記第２拡散バリア材料は、金属のうちから選択されることを特徴とする請求項１９に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項２１】
少なくとも1つの拡散バリア材料のブランケット層、及び銅または銅合金のブランケット層が底から上部へ積層された積層層を提供する段階と、
前記積層層をパターニングし、少なくとも1つの拡散バリア材料部分上に配置される少なくとも1つの銅構造体を形成し、前記少なくとも1つの銅構造体が、前記少なくとも1つの拡散バリア材料領域のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有するようにする段階と、
前記少なくとも1つの銅構造体の最上面上及び側壁面上に、グラフェンキャップを形成する段階と、
蒸着及びエッチングによって、前記少なくとも1つの銅構造体の各面に隣接した誘電性材料部分を形成する段階と、を含み、誘電性材料の各部分は、少なくともグラフェンキャップによって、前記少なくとも1つの銅構造体の側壁面のうち一つから分離される配線構造体の形成方法。
【請求項２２】
前記グラフェンキャップを形成する段階は、４００℃を超えない温度で遂行される選択的蒸着工程を含むことを特徴とする請求項２１に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項２３】
前記選択的蒸着工程は、炭素源を選択する段階と、
前記炭素源を利用して、グラフェン層を成長させる段階と、を含むことを特徴とする請求項２２に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項２４】
前記グラフェンキャップを形成する段階は、グラフェンを銅ホイルから転写する段階と、
前記グラフェンをパターニングする段階と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項２５】
少なくとも1つの拡散バリア材料の前記ブランケット層は、第１拡散バリア材料及び第２拡散バリア材料を含み、前記第１拡散バリア材料は、金属窒化物のうちから選択され、前記第２拡散バリア材料は、金属のうちから選択されることを特徴とする請求項２１に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項２６】
少なくとも1つの拡散バリア材料の前記ブランケット層は、別の誘電性材料上に配置されることを特徴とする請求項２１に記載の配線構造体の形成方法。
【請求項２７】
少なくとも1つの半導体材料を含み、前記別の誘電性材料の下に配置される基板をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の配線構造体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体構造体、及びそれを形成する方法に係り、さらに詳細には、内包された銅構造体の最上面のうち少なくとも一つに位置したグラフェンキャップを含むマイクロ集積電子回路のための配線構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
1つの技術ノード（すなわち世代）から次のものまでのアクティブな半導体素子のサイズの連続的な減少は、隣接した装置間に類似した大きさの配線構造体を必要とする（例えば、ローカル電線及びビア（via））。配線断面サイズが小さくなるにつれ、半導体産業が直面する問題点のうち一つは、線幅の減少に伴う、銅（Ｃｕ）配線の明白な抵抗増大である。このような抵抗増大は、表面及び結晶粒界での散乱に部分的によるものであり、また銅内での電子の平均自由パスに匹敵する大きさで始まる鋭い抵抗増大がある。
【０００３】
また、配線構造体の銅本体を取り囲んだ高抵抗拡散バリアは、大きさが小さくなるほど、高比率で全体配線抵抗に大きく寄与する。導体の効果的な抵抗目標を達成するために、拡散バリアの厚さを金属幅と共にスケールダウンさせるとき、銅封鎖問題が増大し、結局、新たな銅パッシベーション技術及び／または耐拡散性の誘電体が必要である。そうでなければ、拡散バリア厚は、スケーリングピッチと共に、それ以上スケーリングすることができないであろう。明らかに、それは、ライン、特に、ビア抵抗に不利な効果を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、銅構造体の露出面上に設けられたグラフェンキャップを含む配線構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために、本発明は、グラフェンキャップが、銅構造体の最上面上にのみ配置される。
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明はまた、グラフェンキャップは、銅構造体の鉛直方向の側壁及び最上面上に沿って配置される。前記銅構造体は、誘電性材料中に配置される（すなわち、内包される）。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示書の一実施形態で採用される基板、第１誘電性材料及び第２誘電性材料を含む構造体を図示した図面である。
【図２】少なくとも1つの開口部を、前記第２誘電性材料中に形成した後の図１の構造体を図示した断面図である。
【図３】前記少なくとも1つの開口部において、前記第２誘電性材料の最上面上にある第１拡散バリア材料を形成した後の図２が構造体を図示した断面図である。
【図４】第２拡散バリア材料を、前記第１拡散バリア材料上に形成した後の図３の構造体を図示した断面図である。
【図５】銅層または銅合金層を、前記第２拡散バリア材料上に形成した後の図４の構造体を図示した断面図である。
【図６】平坦化されて内包された銅構造体上に、グラフェンキャップを形成するが、前記グラフェンキャップは、前記内包された銅構造体のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有する図５の構造体を図示した断面図である。
【図７】図７は、平坦化され、金属含有キャップを形成され、内包された銅構造体上にグラフェンキャップを形成するが、前記グラフェンキャップ及び金属含有キャップは、前記銅構造体のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有する図５の構造体を図示した断面図である。
【図８】底から上部へ、本開示書の他の実施形態で採用される基板、第１誘電性材料、第１拡散バリア材料のブランケット層、及び第２拡散バリア材料のブランケット層を含む構造体を図示した断面図である。
【図９】前記第２拡散バリア材料のブランケット層上に、銅または銅合金のブランケット層を形成した後の図８の構造体を図示した断面図である。
【図１０】銅または銅合金のブランケット層、第２拡散バリア材料のブランケット層、及び第１拡散バリア材料のブランケット層をパターニングした後の図９の構造体を図示した断面図である。
【図１１】銅構造体を形成し、前記銅構造体の露出された表面全体にグラフェンキャップを形成した後の図１０の構造体を図示した断面図である。
【図１２】グラフェンが被せられた銅構造体に隣接した誘電性材料部分を形成した後の図１１の構造体を図示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本願明細書の一実施形態によれば、誘電性材料のうち少なくとも1つの開口部内に入っている少なくとも1つの銅構造体を含む配線構造体が提供される。前記少なくとも1つの銅構造体は、前記誘電性材料の最上面と同一平面にある最上面を有する。本開示書の本実施形態による配線構造体は、前記少なくとも1つの銅構造体の最上面上に配置されたグラフェンキャップをさらに含む。ここで、前記グラフェンキャップは、少なくとも1つの銅構造体のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有する。
【０００９】
本願明細書の他の実施形態によれば、誘電性材料部分間に配置された少なくとも1つの銅構造体を含む配線構造体が提供される。前記少なくとも1つの銅構造体は、側壁と、最上面及び最下面を有する。本開示書の本実施形態による前記構造体は、前記少なくとも1つの銅構造体の最下面と接触する最上面を有した少なくとも1つの拡散バリア材料をさらに含む。前記少なくとも1つの拡散バリア材料は、前記銅構造体の側壁と鉛直方向に一致するエッジを有する。また、本開示書の本実施形態による前記構造体は、少なくとも1つの銅構造体の最上面上と少なくとも1つの銅構造体の側壁上とに配置されたグラフェンキャップを含む。
【００１０】
本願明細書のさらに他の実施形態によれば、誘電性材料内にある少なくとも1つの開口部内に含まれた少なくとも1つの銅構造体を含む構造体を設ける段階と、前記銅構造体の最上面上にグラフェンキャップを形成するが、前記グラフェンキャップが、前記少なくとも1つの銅構造体のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有するようにする段階と、を含む配線構造体の形成方法が提供される。
【００１１】
本願明細書のさらなる実施形態によれば、少なくとも1つの拡散バリア材料のブランケット層、及び銅または銅合金のブランケット層が底から上部へ積層された積層層を提供する段階と、前記積層層をパターニングし、少なくとも1つの拡散バリア材料部分上に配置される少なくとも1つの銅構造体を形成し、前記少なくとも1つの銅構造体が、前記少なくとも1つの拡散バリア材料領域のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有するようにする段階と、前記少なくとも1つの銅構造体の最上面上及び側壁面上に、グラフェンキャップを形成する段階と、蒸着及びエッチングによって、前記少なくとも1つの銅構造体各面に隣接した誘電性材料部分を形成する段階と、を含み、誘電性材料の各部分は、少なくともグラフェンキャップによって、前記少なくとも1つの銅構造体の側壁面のうち一つから分離される配線構造体を形成する方法が提供される。
【００１２】
銅構造体の最上面のうち少なくとも一つに位置したグラフェンキャップを含むマイクロ集積電子回路のための配線構造体を開始する本開示では、本出願に伴う下記説明及び図面を参照し、さらに詳細に記述する。本出願の図面は、説明の目的に提供され、それ自体が大きさを示すように図示されているものではないということを明記しなければならない。以下の図面及び説明で、構成要素のようなものは、参照番号のようなものによって参照する。説明のために以下で、本出願に伴う図面に合わせられているように、「上（upper）」、「下（lower）」、「右側」（right）」、「左側（left）」、「鉛直（vertical）」、「水平（horizontal）」、「頂部（top）」、「底部（bottom）」、及びそれらの派生語は、成分、層及び／または構成要素に係わるものである。
【００１３】
以下の説明で、多様な詳細な説明は、本開示書の十分な理解を提供するために、特別な構造体、成分、物質、大きさ、処理段階及びテクニックのようなものとして説明される。しかし、本願明細書が、そのような詳細事項なしに、可用代案工程オプションでもって実行されるということは、本技術分野の当業者によって理解されるであろう。他の例において、公知の構造体または処理工程は、本開示書の多様な実施形態を不明瞭にすることを避けるために、詳細には記述していない。
【００１４】
本願明細書で、グラフェンは、銅基盤の配線構造体において、拡散バリア及び／またはキャップとして使用された。本開示において全般にわたって使用される用語「グラフェン」は、密集してハニカム状結晶格子にパッキングされるｓｐ２結合炭素原子の１原子厚の平面板を意味する。本開示書で採用された前記グラフェンは、二次元（２Ｄ）の六方晶ボンディング構造体を有する。実施形態によれば、本開示書の配線構造体は、グラフェンを拡散バリア及び／または銅配線構造体のためのキャップとして利用した結果、向上したエレクトロマイグレーション（ＥＭ：electromigration）抵抗を有することができる。エレクトロマイグレーションは、伝導性電子と拡散金属原子との間の運動量伝達による導体中イオンの漸進的な運動によって引き起こされた物質輸送である。その効果は、マイクロ電子工学、及びそれと関連した構造体のように、高直流（high direct）電流密度が使用される応用分野において非常に重要である。前記構造体の大きさが減少するにつれ、ＥＭの実用性は、さらに増大する。
【００１５】
参考までに、本明細書の一実施形態によったり、あるいは全く同様なものを形成するさまざまな段階を介したりして、相互接続構造体物を図解する図１から図７からなる。
【００１６】
さて、本開示書の一実施形態による配線構造体、及びそれを形成するさまざまな段階を図示する図１から図７が参照される。本実施形態による配線構造体（例えば、図６及び図７に図示されたようなもの）は、誘電性材料（１４Ｌ，１４Ｒとして参照された誘電性材料部分）に設けられた開口部１６に入っている少なくとも1つの銅構造体２２’を含む。少なくとも1つの銅構造体２２’は、誘電性材料の最上面と同一平面である最上面を有する。本実施形態による配線構造体は、少なくとも1つの銅構造体２２’の最上面上に配置されたグラフェンキャップ２４をさらに含むが、ここで、グラフェンキャップ２４は、少なくとも1つの銅構造体２２’のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有する。少なくとも1つの銅構造体２２’の最上面は、本出願の図面に示されているように、水平に配向されるという点に留意しなければならない。そのように、グラフェンキャップは、少なくとも1つの銅構造体２２’の最上面に対して垂直であり、少なくとも1つの銅構造体２２’のエッジ（やはり鉛直方向に配向される）と一致する側壁（すなわち、エッジ）を有する。
【００１７】
まず、図１を参照すれば、本開示書の一実施形態で採用される基板１０、第１誘電性材料１２及び第２誘電性材料１４を含む構造体が図示されている。
【００１８】
本願明細書で採用された基板１０は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣ、Ｇｅ合金、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、及び他のＩＩＩ／Ｖ族またはＩＩ／ＶＩ族の半導体化合物のような半導体材料を含んでもよい。基板は、単一半導体層基板や多層（multi-layered）半導体基板であってもよい。
【００１９】
一実施形態で、基板１０は、少なくとも1つの半導体材料が連続的に内部に存在するバルク半導体基板を含んでもよい。他の実施形態で、基板１０は、例えば、シリコン−オン−インシュレーター（ＳＯＩ：silicon-on-insulator）またはシリコンゲルマニウム−オン−インシュレーター（ＳＧＯＩ：silicon germanium-on-insulator）のようなセミコンダクター−オン−インシュレーターを含んでもよい。基板１０は、真性（intrinsic）、すなわち、ドープされていない（non-doped）半導体材料であってもよい。代案として、基板１０は、ドーピングされた半導体材料であってもよい。一実施形態で、基板１０は、例えば、単結晶シリコンのような単結晶半導体材料から構成される。
【００２０】
基板１０は、例えば、その上にある抵抗、ダイオード、キャパシタ及び／またはトランジスタのような半導体装置（図示せず）を、一つまたはそれ以上含んでもよい。一つまたはそれ以上の半導体装置は、当業者に公知の技術を利用して形成される。例えば、トランジスタは、ゲート優先工程（gate first process）またはゲート最終工程（gate last process）を利用して形成される。
【００２１】
図１に図示された構造体の第１誘電性材料１２は、例えば、酸化ケイ素、炭素ドーピングされた（Ｃ−doped）酸化物（すなわち、有機シリケート）、シルセスキオキサン、非ドーピングシリケートガラス（ＵＳＧ：undoped silicate glass：ＵＳＧ）、フルオロシリケートガラス（ＦＳＧ：fluorosilicate glass）、ボロホスホシリケートガラス（ＢＰＳＧ：borophosphosilicate glass）、スピンオン低ｋ誘電体層（spin-on low-k dielectric layer）、またはプラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapor deposited）低ｋ誘電体階を含む中間ライン（ＭＯＬ：middle-of-the-line）誘電性材料のうちいずれかを含む。「低ｋ」は、酸化ケイ素のものより小さな誘電定数ｋを有する誘電性材料を意味する。第１誘電性材料１２は、例えば、化学的気相蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、プラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）、蒸発及びスピン−オンコーティング（evaporation and spin-on coating）を含む従来の蒸着工程を利用して形成される。
【００２２】
コンタクトビア（contact via）（図示せず）は、第１誘電性材料１２の内部に一般的に存在し、基板１０及び／またはその中に存在する伝導性表面と接触する。コンタクトビア（図示せず）は、銅、チタン、アルミニウムまたは合金のような金属を含む。コンタクトビアは、典型的には、第１誘電性材料１２の全体にわたって延長される。
【００２３】
本願明細書の実施形態によれば、第１誘電性材料１２は、図１に示した構造体において省略されてもよい。
【００２４】
第２誘電性材料１４は、無機誘電体及び／または有機誘電体を含む任意のレベル間（interlevel）またはレベル内（intralevel）の誘電性材料を含む。一実施形態で、第２誘電性材料１４は、多孔性（porous）である。他の実施形態で、第２誘電性材料１４は、非多孔性（non-porous）である。一般的に、多孔性誘電性材料は、非多孔性誘電性材料より低い誘電定数を有する。第２誘電性材料１４は、第１誘電性材料１２と同一であるか、あるいはそれと異なる誘電性材料を含んでもよい。第２誘電性材料１４として使用されるのに適する誘電体の例としては、シリコン酸化物、シルセスキオキサン、シリコン、炭素原子、酸素原子及び水素原子を含むＣドーピング酸化物（すなわち、有機シリケート）、またはそれらの多数層を含むが、それらに制限されるものではない。本出願で使用される用語「ポリアリーレン（polyarylene）」は、アリール残基（aryl moiety）；結合によって互いに連結され、不活性（inertly）に置換されたアリール残基、縮合環（fused ring）；または例えば、酸素、硫黄、スルホン、スルホキシド、カルボニルのような不活性連結基（inert linking group）を示す。
【００２５】
第１誘電性材料１２及び第２誘電性材料１４は、一般的に、４．０以下、さらに一般的には、およそ２．８またはそれ以下の誘電定数を有する。ここで言及された誘電定数は、取り立てて説明がない限り、真空を基準にしたものである。そのような誘電体は、一般的に、誘電定数４．０以上を有する誘電性材料と比べ、さらに低い寄生クロストーク（parasitic cross talk）を有する。第１誘電性材料及び第２誘電性材料の厚みは、使用された誘電性材料だけではなく、第１誘電性材料及び第２誘電性材料にある誘電体層の正確な層数によって変わる。一般的に、正常配線構造体について、第１誘電性材料１２及び第２誘電性材料１４のそれぞれは、５０ｎｍから１，０００ｎｍの厚みを有する。
【００２６】
さて、図２を参照すれば、本来の第２誘電性材料１４に、少なくとも1つの開口部１６を形成した後の図１に示した構造体が図示されている。図面で、参照番号１４Ｌ及び１４Ｒは、少なくとも1つの開口部１６を形成した後の第２誘電性材料１４の部分を示す。
【００２７】
実施形態によれば、少なくとも1つのパッド材料（pad material）が、少なくとも1つの開口部１６を形成する前に、第２誘電性材料１４上に形成される。上記の少なくとも1つのパッド材料は、後続する少なくとも1つの開口部１６形成のパターンマスクとして使用される。上記の少なくとも1つのパッド材料が存在する場合、上記の少なくとも1つのパッド材料は、酸化物、窒化物、酸窒素物またはそれらの多数層（例えば、酸化物パッド及び窒化物パッドを含むパッドスタック）であってもよい。上記の少なくとも1つのパッド材料は、酸化物半導体、窒化物半導体及び／または酸窒化物半導体を含む。一実施形態で、上記の少なくとも1つのパッド材料は、シリコン酸化物及び／またはシリコン窒化物を含んでもよい。
【００２８】
実施形態によれば、上記の少なくとも1つのパッド材料は、例えば、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、蒸着、化学溶液堆積、物理蒸着法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）及び原子層蒸着（ＡＬＤ：atomic layer deposition）を含む任意の従来の蒸着工程を利用して形成される。他の実施形態によれば、上記の少なくとも1つのパッド材料は、例えば、熱酸化工程及び／または熱窒化処理のような熱処理によって形成される。さらに他の実施形態によれば、上記の少なくとも1つのパッド材料は、蒸着工程及び熱処理工程の組み合わせを利用して形成される。上記の少なくとも1つのパッド材料の厚みは、パッド材料の個数だけではなく、それを形成するために使用された技術によっても変わる。一般的に、上記の少なくとも1つのパッド材料は、１０ｎｍから８０ｎｍの厚みを有する。
【００２９】
上記の少なくとも1つのパッド材料が採用されるか、あるいは採用されないかということにかかわらず、少なくとも1つの開口部１６は、リソグラフィ（lithography）及びエッチングによって、第２誘電性材料１４中に形成される。リソグラフィ段階は、例えば、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ及びスピンオンコーティング（spin-on coating）のような従来の蒸着工程を利用して、第２誘電性材料１４上にフォトレジスト（有機、無機または混成）を形成する段階を含む。フォトレジストを形成し、フォトレジストは、所望パターンの照射光（radiation）に露光される。次に、露光されたフォトレジストは、従来のレジスト成長工程を介して成長される。
【００３０】
上記の成長工程後、パターニングされたフォトレジストから、第２誘電性材料１４にパターンを転写するために、エッチング段階が遂行される。前記少なくとも1つのパッド材料が存在するとき、上記のエッチング段階は、パターニングされたフォトレジストから、上記の少なくとも1つのパッド材料にパターンを転写する。そのような実施形態において、一般的に、パターニングされたフォトレジストは、上記の少なくとも1つのパッド材料にパターンを転写した後、例えば、アッシング（ashing）のような従来のレジストストリッピング（resist stripping）工程によって、上記の構造体の表面から除去される。他の実施形態では、上記のパターニングされたフォトレジストは、パターンが、第２誘電性材料１４に完全に転写された後で除去される。少なくとも1つの開口部１６を形成するために使用される上記のエッチング段階は、乾式エッチング工程（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）を含む）、湿式化学エッチング工程、またはそれらの任意の組み合わせを含む。一般的に、活性イオンエッチングは、少なくとも1つの開口部１６を形成するために利用される。
【００３１】
少なくとも1つの開口部１６を形成した後、パッド材料の残りの部分は、例えば、化学的機械研磨（chemical mechanical polishing）及び／またはグラインディング（grinding）のような従来の平坦化工程（planarization process）によって、本開示書のこの時点で構造体から除去される。代案として、パッド材料の残りの部分は、第２誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒ上に残っており、後続する第２誘電性材料に内包された（embedded）銅構造体の平坦化過程で除去される。
【００３２】
少なくとも1つの開口部１６は、ビア開口部、ライン開口部及びビア及びラインが組み合わされた開口部、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。ビア及びラインが組み合わされた開口部が形成される場合、リソグラフィ及びエッチングの２回の反復が典型的に使用される。ビア開口部は、典型的にライン開口部より狭い幅を有する。
【００３３】
さて、図３を参照すれば、少なくとも1つの開口部１６及び第２誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒの最上面をライニングする第１拡散バリア材料１８を形成した後の図２で示した構造体が図示されている。第１拡散バリア材料１８は、例えば、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＲｕＮ、ＲｕＴａＮ、ＩｒＴａＮ、ＷＮ、または伝導性材料がそこに拡散することを防止するバリアを提供することができる任意の他の金属窒化物のような金属窒化物を含む。第１拡散バリア材料１８は、例えば、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタリング及びメッキ（plating）を含む任意の従来の蒸着工程を介して形成される。第１拡散バリア１８の厚みは、蒸着工程だけではなく、使用された材料によって変わる。一般的に、第１拡散バリア材料１８は、４ｎｍから４０ｎｍの厚みを有する。
【００３４】
次に、図４を参照すれば、第２拡散防止材料２０を、第１拡散バリア材料１８上に形成した後の図３の構造体が図示されている。第２拡散防止材料２０は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕ、ＲｕＴａ、ＩｒＴａ、Ｗ、または伝導性材料がそこに拡散することを防止するバリアを提供することができる任意の他の金属のような金属を含んでもよい。第２拡散バリア材料２０は、例えば、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＰＶＤ、原子階蒸着（ＡＬＤ）、スパッタリング及びメッキを含む任意の従来の蒸着工程によって形成される。第２拡散バリア２０の厚みは、蒸着工程だけではなく、使用された材料によって変わる。一般的に、第２拡散バリア材料２０は、４ｎｍから４０ｎｍの厚みを有する。
【００３５】
実施形態によれば、前述の金属または金属窒化物拡散バリア材料のうちいずれか一つを含む単層拡散バリアが、本開示書の図面で図示された第１拡散バリア材料１８及び第２拡散バリア材料２０を含む多数層拡散バリアの代わりに使用されてもよい。
【００３６】
他の実施形態によれば、銅層または銅合金層を形成する前に、選択的メッキシード層（図示せず）が第２拡散バリア材料２０上に形成される。選択的メッキシード層は、後続する銅層または銅合金層の電気メッキを選択的に促進するために採用される。選択的メッキシード層は銅、銅合金、イリジウム（Ｉｒ）、イリジウム合金、ルテニウム（Ｒｕ）、ルテニウム合金（例えば、ＴａＲｕ合金）、または低い金属メッキ過電圧（metal-plating overpotential）を有する任意の他の適当な貴金属を含んでもよい。一般的に、銅または銅合金のメッキシード層が採用される。選択的シード層の厚みは、選択的メッキシード層の材料だけではなく、それを形成するテクニックによって異なる。一般的に、選択的メッキシード層は、２ｎｍから８０ｎｍの厚みを有する。選択的メッキシード層は、例えば、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＡＬＤ及びＰＶＤを含む従来の蒸着工程によって形成される。
【００３７】
次に、図５を参照すれば、銅層または銅合金層を、第２拡散バリア材料２０上に形成した後の図４の構造体が図示されている。図面で、要素２２と示されている銅層または銅合金層は、上記の少なくとも1つの開口部の残り部分を充填し、少なくとも1つの開口部１６外にある第２拡散バリア材料２０の最上面上にまで拡張される。用語「銅合金」は、銅、及び、例えばＡｌのような少なくとも1つの他の要素を含む化合物を示す。銅層または銅合金層２２は、例えば、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタリング、メッキ、化学溶液堆積及び無電解メッキを含む任意の従来の蒸着工程を利用して形成される。図示されているように、銅層または銅合金層２２は、少なくとも1つの開口部１６の残り部分を充填し、第２誘電性材料部分１６Ｌ，１６Ｒそれぞれの最上面上にある第２拡散バリア材料２０の露出された最上面上まで拡張される。
【００３８】
次に、図６を参照すれば、平坦化し、第２誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒ間の本来の第２誘電性材料１４内に内包された銅構造体２２’上に、グラフェンキャップ２４を形成した後の図５の構造体が図示されている。従って、銅構造体２２’は、ここに内包された銅構造体２２’として言及される。本開示書のグラフェンキャップ２４は、高い伝導率（サスペンデッドグラフェン（suspended graphene）では、１０ー６Ω・ｃｍほど、基板上に蒸着されたグラフェンでは、より低い大きさ）を有し、なによりも重要なこととして、銅の拡散を防止することができる。
【００３９】
図６に図示された構造体を提供するのに使用された上記の平坦化工程は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）及び／またはグラインディングを含んでもよい。上記の平坦化工程は、第２誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒの最上面、残りの第２拡散バリア材料２０’（この時点でＵ字形である）、残りの第１拡散バリア材料（１８’）（同様に、この時点でＵ字形である）、及び内包された銅構造体２２’（すなわち、銅層または銅合金層２２の残りの部分）が実質的に互いに同一平面である平面構造体を提供する。用語「Ｕ字形」は、水平接続部から上に拡張された２つの鉛直部を含む層を示す。まだなされていないのであるならば、残りの少なくとも1つのパッド材料部分が、本開示書のこの平坦化工程で除去される。
【００４０】
本実施形態で、グラフェンキャップ２４は、銅構造体２２’の最上面の真上に形成される。グラフェンキャップ２４は、内包された銅構造体２２のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有する。そのように、グラフェンキャップ２４は、第２誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒ、残りの第２誘電性材料２０’（この時点でＵ字形である）、及び残りの第１誘電性材料１８’のうちいずれの最上面上にも拡張されない。従って、グラフェンキャップ２４は、銅構造体２２’の露出された最上面上に選択的に配置される。
【００４１】
グラフェンキャップ２４は、単層グラフェン（一般的に、０．３４ｎｍ厚）；少数層グラフェン（２層から１０層のグラフェン層）；多数層グラフェン（１０層以上のグラフェン層）；単層グラフェン、少数層グラフェン及び多数層グラフェンの混合、または低温（２００℃から９００℃の間）でなされるグラフェン形成の結果物である非晶質及び／または無秩序の炭素相（carbon phase）に混合されたグラフェン層の任意の組み合わせから構成される。また、必要であるならば、グラフェンキャップ２４は、置換原子（グラフェン中の炭素原子が、最近接ｎｎｎ原子に共有結合したドーパントで置換される）、及び、少数層または多数層のインターカレートされたグラフェンの場合は、グラフェンと共有結合を形成せず且つグラフェン層間またはグラフェン層のトップに位置するドーパント原子またはドーパント分子を含んでもよい。
【００４２】
一実施形態によれば、グラフェンキャップ２４は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）または紫外線（ＵＶ）支援ＣＶＤのような選択的蒸着工程を利用して形成される。本開示書で採用される選択的蒸着工程は、例えば、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｃｏ及びそれらの合金のような、グラフェン成長を促進する金属表面上で起こる。上記の選択的蒸着、すなわち、金属表面上のグラフェン成長促進は、４００℃を超えない温度範囲で行われる。一実施形態で、上記の選択的グラフェン成長は、２００℃と４００℃との間で起こる。他の実施形態で、上記の選択的グラフェン成長は、３５０℃と４００℃との間で起こる。４００℃を超える成長温度は使用されないように注意されるが、それは、そのような高温で、銅配線の保全及びサービス寿命にマイナスの影響を受けるためである。本開示書で使用される、グラフェン成長のための上記の蒸着工程は、例えば、ベンゼン、プロパン、エタン及び他の炭化水素、並びに他の炭素含有ガスを含む任意の公知炭素源を利用する段階を含む。
【００４３】
もし効果的なキャップ層を形成するために、高品質グラフェンが必要であるならば、まず、銅ホイルで成長されたグラフェンがキャップされるのに必要な配線レベルの表面まで転写され、従って、グラフェンキャップは、内包された銅構造体のエッジと一致するエッジを有する。単一ステップまたは多くのステップの転写工程を介して、１層またはそれ以上のグラフェン層が順に転写される。銅ホイルだけではなく、銅ホイルが配置される任意のベース基板は、上記の転写工程の間に除去される。
【００４４】
グラフェンキャップ２４の形成に、選択的蒸着工程が使用されるとき、グラフェンキャップ２４の成長は、銅構造体２２’に存在する銅または銅合金によって促進される。しかし、グラフェンの成長は、第２誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒの露出された最上面のような誘電性表面上では起こらない。
【００４５】
図６に図示された構造体では、銅構造体の最下面が残っている第１拡散バリア材料部分１８’及び第２拡散バリア材料部分２０’の水平連結部によって、銅構造体の最下面が、第１誘電性材料１２の最上面から分離される点に留意しなければならない。
【００４６】
次に、図７を参照すれば、平坦化工程、金属含有キャップ２６を内包された銅構造体２２’上に形成し、金属含有キャップ上に、グラフェンキャップ２４を形成した後の図５の構造体が図示されており、ここで、グラフェンキャップ２４及び金属含有キャップ２６は、銅構造体２２’のエッジと鉛直方向に一致するエッジを有する。図７に図示された構造体は、グラフェン形成前に、金属含有キャップが、選択的に銅構造体２２’上に形成されることを除き、図６で示した構造体を形成するのに使用されたものと同一の工程段階を利用して形成される。もし低温グラフェン成長方法が使用されるのであるならば、そのような金属は、グラフェン形成促進特性を有していなければならない。そうでなければ、グラフェンキャップを金属含有キャップ２６上に形成するために、グラフェン転写及びパターニングのための代案的な方法が使用される必要がある。
【００４７】
金属含有キャップ２６は、銅または銅合金より、腐食または酸化にさらに耐性のある任意の金属を含む。一実施形態によれば、金属含有キャップ２６は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｒｈ、またはＣｏＷやＣｏＷＰのようなそれらの合金のようなグラフェン形成可能（potential graphenization）触媒を含んでもよい。実施形態によれば、金属含有キャップ２６は、多数層金属及び／または金属合金積層体から構成される。金属含有キャップ２６の厚みは、キャップに存在する金属及び／または金属合金、使用された蒸着技術及び環境だけではなく、キャップに入っている金属及び／または金属合金の個数によって変わる。一般的に、金属含有キャップ２６は、１Åから１００Åの厚みを有する。金属含有キャップ２６は、例えば、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、低圧ＣＶＤ及びＡＬＤのような化学蒸着工程を利用して、銅構造体２２’上に選択的に形成される。一般的に、金属含有キャップ２６は、グラフェンキャップ２４の成長と同じ温度範囲（すなわち、４００℃を超えない）で形成される。
【００４８】
実施形態によれば、グラフェンキャップ２４の成長は、金属含有キャップ２６にある金属または金属合金によって促進される。しかし、グラフェン成長は、第２誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒの露出された最上面のような誘電性表面上では起こらない。
【００４９】
次いで、本願明細書の他の実施形態による配線構造体、及びそれを形成するさまざまな段階を図示する図８から図１２を介して説明を行う。本実施形態による配線構造（例えば、図１２に図示されたようなもの）は、誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒ間に配置された少なくとも1つの銅構造体２８’を含む。少なくとも1つの銅構造体２８’は、側壁面、最上面及び最下面を有する。本実施形態による構造体は、少なくとも1つの銅構造体２８’の最下面と接触する最上面を有した少なくとも1つの拡散バリア材料（第２拡散バリア材料部分２０’によって参照される）をさらに含む。少なくとも1つの拡散バリア材料（第１誘電性材料１８’及び第２誘電性材料部分２０’によって参照される）は、少なくとも1つの銅構造体２８’の側壁と鉛直方向に一致するエッジを有する。本実施形態による構造体は、少なくとも1つの銅構造体２８’の最上面、及び銅構造体２８’の側壁面上に配置されるグラフェンキャップ２４’を含む。
【００５０】
次いで、図８を参照すれば、底から上部へ、基板１０、第１誘電性材料１２、第１拡散バリア材料１８のブランケット層；及び本開示書の他の実施形態で採用される第２拡散バリア材料２０のブランケット層；を含む構造が示されている。基板１０、第１誘電性材料１２、第１拡散バリア材料１８及び第２拡散バリア材料２０は、上述の実施形態で言及した材料及び厚みを含む。
【００５１】
第１誘電性材料１２、第１拡散バリア材料１８及び第２拡散バリア材料２０は、本開示書の上述の実施形態で言及された技術のうちいずれか一つを利用して形成される。
【００５２】
図示されてはいないが、実施形態によれば、1つの拡散バリア材料が、図８に図示された２つの拡散バリア材料があるところに使用され、他の実施形態によれば、選択的メッキシード層（前述のところ）が本開示書の本実施形態で使用されてもよい。
【００５３】
次に、図９を参照すれば、第２拡散バリア材料のブランケット層２０上に、銅または銅合金のブランケット層２８を形成した後の図８で示した構造体が示されている。銅または銅合金のブランケット層２８は、前述の銅層または銅合金層２２を形成する技術のうちいずれか一つを利用して形成される。
【００５４】
次に、図１０を参照すれば、銅または銅合金のブランケット層２８、第２拡散バリア材料のブランケット層２０、及び第１拡散バリア材料のブランケット層１８をパターニングした後の図９の構造体が図示されている。図１０で、参照番号２８’は、銅構造体（すなわち、銅または銅合金のブランケット層の残りの部分）を示し、参照番号２０’は、第２拡散バリアのブランケット層２０の残りの部分を示し、参照番号１８’は、第１拡散層のブランケット層１８を示す。図１０で示された構造体で、銅構造体２８’、第２拡散バリアのブランケット層の残りの部分２０’、及び第１拡散層のブランケット層の残りの部分１８’は、互いに鉛直方向に一致するエッジを有する。図１０で示された構造体は、フォトリソグラフィ及びエッチングを利用して形成される。単一エッチング、または何回かのエッチング過程が、図１０で示された構造体を形成するのに利用される。エッチングは、第１誘電性材料１２の最上面上で停止する。
【００５５】
次に、図１１を参照すれば、グラフェンキャップ２４’を、銅構造体２８’の露出された全表面に形成した後の図１０の構造体が図示されている。本実施形態で、グラフェンキャップ２４’は、銅構造体２８’の露出された鉛直方向の側壁（すなわち、側壁面）上及び最上面上に隣接するように配置される。本実施形態のグラフェンキャップ２４’は、グラフェンキャップ２４、が銅構造体２２’の最上面上にのみ形成された本開示書の上述の実施形態で言及されたところと同一の工程（すなわち、選択的蒸着または転写）を利用して形成される。
【００５６】
実施形態によれば、グラフェンキャップ２４’を形成する前に、金属含有キャップ（図示せず）が、銅構造体２８’の露出された鉛直方向の面（すなわち、側壁面）上、及び銅構造体２８’の最上面上に形成され、その後、グラフェンキャップ２４’が、上述の実施形態で記述された方法で、金属含有キャップ上に形成される。金属含有キャップは、少なくとも1つの銅構造体２８’の側壁及び最上面に隣接して存在することができる。金属含有キャップが形成されるとき、金属含有キャップは、前述の金属含有キャップ２６のための金属を含み、金属含有キャップ２６を形成する前述の技術のうちいずれか一つも、本開示書の本実施形態で使用される。
【００５７】
次に、図１２を参照すれば、グラフェンが被せられた銅構造体に隣接した誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒを形成した後の図１１の構造体が図示されている。誘電性材料部分１４Ｌ，１４Ｒは、前述の第２誘電性材料１４と記載された第２誘電性材料を蒸着し、従来のエッチバック工程を利用して蒸着された第２誘電性材料をエッチングバックすることによって形成される。
【００５８】
本願明細書が、望ましい実施形態について詳細に示して記述したが、詳細事項及び形態での変更が、本開示書の思想及び範囲を外れずになされるということは、当業者であるならば理解可能であろう。従って、本開示書は、記述されて図示された正確な形態及び詳細事項に限定されるものではなく、特許請求の範囲で意図されるものである。
【符号の説明】
【００５９】
１０  基板
１２  第１誘電性材料
１４  第２誘電性材料
１６  開口部
１８，１８’  第１拡散バリア材料
２０，２０’  第２拡散バリア材料
２２，２２’，２８，２８’  銅構造体
２４，２４’  グラフェンキャップ
２６  金属含有キャップ
【図１】
2015519749.tif 000003
【図２】
2015519749.tif 000004
【図３】
2015519749.tif 000005
【図４】
2015519749.tif 000006
【図５】
2015519749.tif 000007
【図６】
2015519749.tif 000008
【図７】
2015519749.tif 000009
【図８】
2015519749.tif 000010
【図９】
2015519749.tif 000011
【図１０】
2015519749.tif 000012
【図１１】
2015519749.tif 000013
【図１２】
2015519749.tif 000014
【国際調査報告】
2015519749.tif 000015
2015519749.tif 000016