(57)【要約】【課題】【解決手段】半導体ウェハの相互接続構造上に金属層を堆積させる方法を開示する。この方法では、金属導体を、キャップ層および誘電体層で被覆する。キャップ層を露出させるように、誘電体層をパターン形成する。次いで、キャップ層をスパッタ・エッチングして除去し、金属導体を露出させる。スパッタ・エッチング・プロセス中に、キャップ層がパターンの側壁に再堆積する。最後に、パターンの中に少なくとも１つの層を堆積させ、再堆積したキャップ層を被覆する。
2006510195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの相互接続構造上に金属層を堆積させる方法であって、
（ａ）キャップ層および誘電体層で被覆された金属導体を含む相互接続構造を提供するステップと、
（ｂ）前記誘電体層をパターン形成して、前記金属導体上の前記キャップ層を露出させる開口を形成するステップと、
（ｃ）前記キャップ層をスパッタ・エッチングして前記金属導体を露出させ、前記開口の側壁に少なくとも部分的に前記キャップ層を再堆積させるステップと、
（ｄ）前記開口の壁面に少なくとも１つの層を堆積させ、前記再堆積したキャップ層を被覆するステップとを含む方法。
【請求項２】
ステップ（ｃ）の前に、前記開口の壁面および底部にライナ層を堆積させるステップをさらに含み、ステップ（ｃ）において、前記ライナ層も、キャップ層を露出させるためにスパッタ・エッチングし、前記開口の側壁に少なくとも部分的に再堆積させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記キャップ層が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリコンオキシカーバイド、水素化炭化ケイ素、二酸化ケイ素、および有機ケイ酸塩ガラスから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記キャップ層が前記誘電体層より薄い、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの層が、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）ＮおよびＷから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
金属の厚さが１０から５００オングストロームである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ライナ層が、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）ＮおよびＷから選択され、前記金属層が、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）Ｎ、ＷおよびＣｕから選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記ライナ層がＴａＮであり、前記少なくとも１つの層がＴａである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記開口を銅で充填するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記開口を銅で充填するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記開口がビアまたはトレンチである、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属導体が、銅、タングステン、およびアルミニウムから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
スパッタ・エッチング用のガスが、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ２、およびそれらの混合物から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記スパッタ・エッチングのステップにおいて、前記金属導体を少なくとも部分的にスパッタ・エッチングした後でスパッタ・エッチングを停止する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記スパッタ・エッチングのステップにおいて、前記金属導体の上面でスパッタ・エッチングを停止する、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、本願と同日に出願された「半導体相互接続構造上に金属層を堆積させる方法（AMethod for Depositing a Metal Layer on a Semiconductor Interconnect Structure）」と題する米国特許出願第１０／３１８６０５号に関する。
【０００２】
本発明は、半導体処理に関し、特に、銅メタラジを用いた高度相互接続構造を組み込んだ半導体ウェハの処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
銅メタラジを用いた高度相互接続構造には、機能的性能に関するいくつかの技術的な問題がある。そのうち最も重要な問題は、熱サイクル中の安定した低コンタクト抵抗、ならびにエレクトロマイグレーションおよびストレス・マイグレーションが生じた状態でも高い信頼性を実現することである。
【０００４】
エレクトロマイグレーションとは、電流が流れるのに応答して銅などの導体中をイオンが移動することであり、これは最終的に導体の開路障害につながる可能性がある。
【０００５】
従来より、特に銅線および銅製相互接続におけるエレクトロマイグレーションを防止または制限する様々な手法が開発されている。したがって、参照によりその開示を本明細書に組み込むシャオ（Ｈｓｉａｏ）他による米国特許第６１９１０２９号には、トレンチ内にバリヤ金属層を堆積させるステップと、銅などの導電性金属を堆積させてトレンチを充填するステップと、銅の一部をエッチングで除去してトレンチ内に凹部を形成するステップと、凹部を頂部バリヤ層で充填し、次いで誘電体材料で充填するステップを含む、金属相互接続を作製する方法が開示されている。コンフォーマルな頂部バリヤ層で銅を覆うことにより、エレクトロマイグレーションに対する耐性を向上させている。
【０００６】
参照によりその開示を本明細書に組み込むチェン（Ｃｈｅｎ）による米国特許第６２００８９０号には、銅線を形成した後で、誘電体層表面から銅線が突出するように誘電体層の一部をエッチングで除去するステップと、その後に突出した銅線を覆う頂部バリヤ層を形成してエレクトロマイグレーションおよび漏れ電流を防止するステップとを含む、金属相互接続を作製する方法が開示されている。
【０００７】
参照によりその開示を本明細書に組み込むノガミ（Ｎｏｇａｍｉ）他による米国特許第６２１４７３１号には、トレンチ内にバリヤ金属層を堆積させるステップと、罵詈や金属層をシランで処理してシリコン層を形成するステップと、シリコン層上に銅を堆積させてトレンチを充填し、それにより銅とシリコンを反応させて、罵詈や金属層と堆積させた銅との間に銅シリサイド層を形成するステップとを含む、金属相互接続を形成する方法が開示されている。銅シリサイド層により、界面における欠陥密度およびエレクトロマイグレーションに対する耐性が改善される。
【特許文献１】米国特許出願第１０／３１８６０５号
【特許文献２】米国特許第６１９１０２９号
【特許文献３】米国特許第６２００８９０号
【特許文献４】米国特許第６２１４７３１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
既知のエレクトロマイグレーションの問題に対処する様々な従来技術の方法があるが、従来技術では、従来利用されている金属層堆積ステップのエレクトロマイグレーションの問題への関与が正しく認識されていないものと思われる。これらの問題に関する認識不足は、有機誘電膜の利用において特に深刻になっている。したがって、有機誘電体内のトレンチやビア（via）などの相互接続構造とともに観察される側壁およびアンダーカットの形状自体に、金属充填を行う前にトレンチおよびビアを高い完全性でライナおよびシード層で被覆しようとする際の新たな難点がある。有機誘電体膜のもう１つの問題は、例えば銅が不完全な側壁層に浸透して誘電体材料を汚染する、いわゆる時間依存誘電破壊（timedependent dielectric breakdown，ＴＤＤＢ）である。したがって、エレクトロマイグレーションに対する耐性が改善され、ストレス・マイグレーションが減少し、ＴＤＤＢを回避する金属相互接続、特に銅製相互接続を作製する方法が、依然として必要とされている。
【０００９】
現在既知の金属バリヤ方法としては、特に、パターン形成した誘電体のアルゴン・スパッタ洗浄がある。逆に言えば、発明者らにとって既知のエレクトロマイグレーションおよびＴＤＤＢの問題に対する全ての既存の解決策は、金属層または連続した金属層の堆積を、金属層を連続して堆積させる合間にスパッタリング・ステップを挟むことを考慮せずに行うものである。実際に、堆積ツールの製造業者は、遮蔽不足に対する懸念から、金属層上にアルゴン・スパッタリングを行わないように特に推奨している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、半導体ウェハの相互接続構造上に金属層を堆積させる方法であって、
（ａ）キャップ層および誘電体層で被覆された金属導体を含む相互接続構造を提供するステップと、
（ｂ）誘電体層をパターン形成して、金属導体上のキャップ層を露出させる開口を形成するステップと、
（ｃ）キャップ層をスパッタ・エッチングして金属導体を露出させ、開口の側壁に少なくとも部分的にキャップ層を再堆積させるステップと、
（ｄ）開口の壁面に少なくとも１つの金属層を堆積させ、再堆積したキャップ層を被覆するステップとを含む方法が提供される。
【００１１】
新規と考えられる本発明の特徴および本発明の特徴を示す要素については、添付の特許請求の範囲に詳細に記載してある。図面は例示のみを目的とするものであり、一定の比率で描いてあるわけではない。ただし、本発明は、その構造および動作方法の両方に関して、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することにより、最もよく理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
より詳細に図面を参照する。特に図１から図５を参照すると、本発明による方法の第１の実施形態が示してある。最初に図１を参照すると、半導体ウェハ１０の２つのレベルが示してある。第１のレベルは、レベル間誘電体（interlevel deelectric，ＩＬＤ）層１２、金属性導線１４、およびキャップ層１６を含む。分かりやすくするために、その下のシリコンは図示していない。キャップ層１６は、半導体ウェハ１０の次のレベルの加工中に、酸化、湿気および汚染から金属製導線１４を保護する。キャップ層１６は、さらに、導線１４がＩＬＤ１８中に不要に拡散することを防止する働きもする。次のレベルでは、従来の技術を用いてＩＬＤ１８をキャップ層１６上に堆積させてある。
【００１３】
ＩＬＤ１２および１８には、任意の誘電体材料を用いることができる。ただし、現在のミクロン以下の高密度集積回路の要件を満たすには、ＩＬＤ１２および１８は有機誘電体層であることが好ましく、低ｋ有機誘電体層である、すなわち一般に約３．０以下とされる低い誘電率を有する有機誘電体材料となることがより好ましい。このような低ｋ有機誘電体材料の好ましい一例としては、ＳｉＬＫ（ポリアリーレンエーテル、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製）がある。ＩＬＤ１２および１８の組成は有機低ｋ誘電体に限定されるわけではなく、ＩＬＤ１２および１８は、当業者に有用であるとして知られている任意の低ｋ誘電体で構成することができる。キャップ層１６は、窒化ケイ素や炭化ケイ素、シリコンオキシカーバイド、水素化炭化ケイ素、二酸化ケイ素、有機ケイ酸塩ガラス、およびその他の低ｋ誘電体など、任意の適当なキャップ材料で構成することができる。金属製導線１４は、銅、タングステンまたはアルミニウムで構成することができる。金属製導線１４が第１の金属レベルである場合にはタングステンが好ましく、その後のレベルには銅が好ましい。
【００１４】
次に図２を参照すると、好ましくは従来のリソグラフィ技術およびエッチング技術（例えば反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ））を用いて、ＩＬＤ１８に回路パターン２０が形成されている。この回路パターンは、例えば、トレンチ２０ａやビア２０ｂなど、金属製導線１４につながる金属製導電性相互接続を形成する相互接続構造を含む。図示の相互接続構造は、デュアル・ダマシン構造であるが、この特定の構造が本発明で不可欠というわけではない。回路パターンは、作製する多層半導体集積回路の所定の設計要件に応じて、このような半導体ウェハの設計に従来組み込まれる配線（トレンチ構造）、ビア（相互接続）、その他パッドなどの構造、およびＦＥＴなどのデバイスの任意の所望のパターンを含むことができる。超大規模集積（ＶＬＳＩ）技術では、ミクロン以下の寸法のここのフィーチャを有する回路要素を集積し相互接続したパターンを５層または６層（あるいはそれ以上）含むことができる。
【００１５】
また、図２に示すように、回路パターン２０は、この時点では露出したキャップ層１６を有している。半導体デバイスで銅線を使用する場合には、ＩＬＤ１８の加工中に、この金属線を、酸化、湿気およびその他の環境による汚染から保護しなければならない。このことは、銅線の場合には特に当てはまる。したがって、保護キャップ層１６である。キャップ層１６は、ＩＬＤ１８のパターン形成を行う間のエッチ・ストップとして使用することもできる。
【００１６】
従来技術の処理方法では、反応性イオン・エッチングまたはそれに類するプロセスによってキャップ層１６を除去し、エッチング・チャンバからウェハを取り出して堆積チャンバに移すことになる。この移送プロセスの間に、金属製導線１４が大気と接触するので、酸化したり湿気にさらされたりすることになり、また汚染される可能性もある。堆積チャンバに移送した後で、金属性導線を軽くエッチングし、酸化または汚染があればそれを除去することになる。
【００１７】
本発明によれば、スパッタ・エッチングを利用して、金属製導線１４の上のキャップ層１６を除去する。ここではアルゴンを示すが、これは限定ではなく例示を目的としたものであり、スパッタ・エッチング・プロセスでは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ２またはそれらの混合物など任意の純粋なガスを使用することができる。必要なら、図３に示すように金属製導線１４をエッチ・バックするように、金属製導線１４をスパッタ・エッチングすることもできる。金属製導線のエッチ・バックは、任意選択のステップである。発明者等は、キャップ層１６をスパッタ・エッチングした場合に、図３に示すように、回路パターン２０、特にビア２０ｂの側壁にキャップ層１６の一部が再度堆積する（２２で示す）ことを発見した。このような再堆積により、回路パターン２０、特にビア２０ｂの底部付近にいくらかの余分な材料が生じ（ビア／トレンチの金属が銅である場合には付加的な銅拡散バリヤ材料として特に有用である）、後に起こる可能性のあるエレクトロマイグレーションおよびＴＤＤＢの問題が軽減される。
【００１８】
スパッタ・エッチングは、真空チャンバ内で電気的にビアスされた２つの電極の間にウェハを保持し、その後真空チャンバにガスを供給して、ウェハ表面のボンバードを行うプラズマを発生させるプロセスである。イオン化した粒子が、ウェハの表面をエッチングする。スパッタ・エッチング中にＡｒガスを使用して、発明者等は、アルゴンを用いたスパッタ・エッチングの好ましい動作条件は以下のとおりであることを発見した。すなわち、アルゴンガス流量は２０ｓｃｃｍ、温度は２０℃、上部電極のビアスは４００ＫＨｚおよび７５０Ｗ、テーブルのビアスは１３．５６ＭＨｚおよび４００Ｗ、処理圧力は約０．６ｍＴｏｒｒである。
【００１９】
次に図４を参照すると、ウェハがまだ堆積チャンバ内にある間に、回路開口２０内に１つまたは複数のライナ層を堆積させている。好ましくは、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）ＮまたはＷからなる第１の層２４を従来どおりに（例えば化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ蒸着（ＰＶＤ）またはその他のプロセスによって）堆積させ、その後にＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）Ｎ、ＷまたはＣｕからなる第２の層２６を従来どおりに堆積させる。金属製導線１４は、この時点で密封され、必要なら別のチャンバに移動させることができる。金属製導線１４の材料を銅にする場合には、第２の層２６の上に銅シード層（図示せず）を堆積させることができる。好ましい実施形態では、第１の層２４はＴａＮ、第２の層２６はＴａであり、その後に銅シード層が続く。
【００２０】
次いで、充填メタラジ２８を従来どおりに堆積させ、その後、化学機械研磨などの平坦化プロセスを行って、図５に示す構造を得る。充填メタラジ２８が銅である場合には、堆積チャンバからウェハを取り出して、銅である充填メタラジ２８を従来どおりにめっきする。充填メタラジ２８がＷまたはＡｌである場合には、ＷまたはＡｌは、同じ堆積チャンバ内で堆積させることもできる。あるいは、より従来のやり方に従うならば、ＷまたはＡｌの充填メタラジ２８を取り扱うように特に構成したチャンバに移すことになる。
【００２１】
次に図６から図１０を参照して、本発明による方法の第２の実施形態について説明する。図６は、各層に使用することができる材料も含めて、前述の図１と同じ図である。同様に、図７は図２と同じであるが、スパッタ・エッチングをまだ行っていない点が異なる。
【００２２】
次に図８を参照すると、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）ＮまたはＷからなる第１の金属層２４を従来どおりに堆積させてある。ここで、半導体ウェハ１０´にスパッタ・エッチングが行われる。動作パラメータは前述したものと同様である。本発明のこの実施形態では、金属層２４およびキャップ層１６を同時にスパッタ・エッチングして、図９に示す構造を得る。この場合も、必要なら、キャッピング層１６を過ぎてもスパッタ・エッチングを継続して、金属製導線１４をエッチ・バックすることができる。最初に金属層２４が、次いでキャップ層１６が、ビア２０ｂの側壁に再度堆積する（３０で示す）。金属製導線１４もスパッタ・エッチングする場合には、再堆積したキャップ層の上に金属製導線１４が再度堆積する（３０で示す）。
【００２３】
堆積プロセスの当然の結果として、ＩＬＤ１８上およびトレンチ２０ａ内の第１の金属層２４の水平部分は、通常は、ビア２０ｂの底部における第１の金属層２４の水平部分よりはるかに厚い。したがって、スパッタ・エッチング後には、多少薄くなってはいるが、ＩＬＤ１８上およびトレンチ２０ａ内の第１の金属層２４の水平部分は残る。
【００２４】
その後、図１０に示すように、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）Ｎ、ＷまたはＣｕからなる第２の金属層２６を従来どおりに堆積させる。次いで、堆積チャンバからウェハを取り出し、その後充填メタラジ２８の堆積、好ましくは銅めっきを行う。充填メタラジ２８として銅を使用する場合には、通常は従来の銅シード層を堆積させることになる。次いで、化学機械研磨またはその他の同様のプロセスによって半導体ウェハ１０´を平坦化して、図１０に示す構造を得る。
【００２５】
本発明の趣旨を逸脱することなく本明細書に具体的に記載した実施形態の他に本発明を様々に修正することができることは、本開示を顧慮した当業者には明らかであろう。したがって、そのような修正は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲内であるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による金属層を堆積させる方法の第１の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図２】本発明による金属層を堆積させる方法の第１の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図３】本発明による金属層を堆積させる方法の第１の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図４】本発明による金属層を堆積させる方法の第１の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図５】本発明による金属層を堆積させる方法の第１の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図６】本発明による金属層を堆積させる方法の第２の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図７】本発明による金属層を堆積させる方法の第２の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図８】本発明による金属層を堆積させる方法の第２の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図９】本発明による金属層を堆積させる方法の第２の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【図１０】本発明による金属層を堆積させる方法の第２の実施形態を説明する、側方から見た半導体ウェハの断面図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年2月9日(2005.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの相互接続構造上に金属層を堆積させる方法であって、
（ａ）キャップ層および誘電体層で被覆された金属導体を含む相互接続構造を提供するステップと、
（ｂ）前記誘電体層をパターン形成して、前記金属導体上の前記キャップ層を露出させる開口を形成するステップと、
（ｃ）前記開口の壁面および底部にライナ層を堆積させるステップと、
（ｄ）前記ライナ層およびキャップ層をスパッタ・エッチングして前記金属導体を露出させ、前記開口の側壁に少なくとも部分的に前記ライナ層およびキャップ層を再堆積させるステップと、
（ｅ）前記開口の壁面および底部に少なくとも１つの層を堆積させ、前記再堆積したライナ層およびキャップ層を被覆するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記キャップ層が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリコンオキシカーバイド、水素化炭化ケイ素、二酸化ケイ素、および有機ケイ酸塩ガラスから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記キャップ層が前記誘電体層より薄い、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの層が、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）ＮおよびＷから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
金属の厚さが１から５０ｎｍ（１０から５００オングストローム）である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ライナ層が、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）ＮおよびＷから選択され、前記金属層が、ＴａＮ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔｉ（Ｓｉ）Ｎ、ＷおよびＣｕから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ライナ層がＴａＮであり、前記少なくとも１つの層がＴａである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記開口を銅で充填するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記開口がビアまたはトレンチである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属導体が、銅、タングステン、およびアルミニウムから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
スパッタ・エッチング用のガスが、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ２、およびそれらの混合物から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記スパッタ・エッチングのステップにおいて、前記金属導体を少なくとも部分的にスパッタ・エッチングした後でスパッタ・エッチングを停止する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記スパッタ・エッチングのステップにおいて、前記金属導体の上面でスパッタ・エッチングを停止する、請求項１に記載の方法。
【国際調査報告】
2006510195.tif 000013
2006510195.tif 000014
2006510195.tif 000015