(57)【要約】銅バイアを形成する方法とその構造。絶縁バリヤ材料、例えば、酸化アルミニウム又は窒化タンタルの薄層を、例えば、原子層堆積により厚さが５ｎｍ未満、好ましくは２ｎｍ未満、電気抵抗率が５００μΩ−ｃｍを超えるまでバイアホールの側面と底面に等角に被覆する。次に、銅がバイア側壁上に堆積するがほとんどのバイアホール底面上には堆積しないような条件下で銅シード層を堆積させる。代わりにエネルギーをもった銅イオンがバイア底面からバリヤ材料をスパッタする。バリヤの側壁にのみ裏打ちされたバイアホールに銅が電気メッキされる。本発明は、好ましくは、デュアルダマシン構造にも拡張され、銅シードスパッタプロセスによりバイア底面からトレンチ底面からではなくスパッタされる。
2004531053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内に形成された層間誘電体層を通って伸び、かつ側面と底面を持つ垂直相互接続ホールに銅を充填する方法であって、
前記ホールの側面と底面を電気抵抗率が５００μΩ−ｃｍより大きい金属酸化物又は金属窒化物のバリヤ層で被覆するステップと、
銅層が前記ホールの前記側面上に堆積すると同時に前記バリヤ層が前記ホールの前記底面から除去されるような条件下で前記基板に対向する銅ターゲットをスパッタするステップと、
前記ホールに銅を電気めっきするステップと、
を含む、前記方法。
【請求項２】
前記被覆ステップが原子層堆積を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記被覆ステップが、それぞれの化学前駆物質から前記金属酸化物の金属部分と前記金属酸化物の酸素部分を交互に繰り返して堆積させる、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記被覆ステップが、それぞれの化学前駆物質から前記金属窒化物の金属部分と前記金属窒化物の窒素部分を交互に繰り返して堆積させる、請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記バリヤ層の前記側面上の厚さが５ｎｍ以下である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記厚さが２ｎｍ以下である、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記厚さが少なくとも０.５ｎｍである、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記バリヤ層が金属酸化物を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記金属酸化物が、周期律表のＩＶＢ族、ＶＢ族、及びＶＩＢ族より選ばれた高融点金属の酸化物を含んでいる、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記金属酸化物が酸化アルミニウムを含んでいる、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記バリヤ層が窒化タンタルを含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
基板内に形成された層間誘電体層を通って伸びかつ側面と底面を持つ垂直相互接続ホールに銅を充填する方法であって、
前記ホールの側面と底面を電気抵抗率が５００μΩ−ｃｍで前記側面上の厚さが５ｎｍ未満である金属酸化物又は金属窒化物のバリヤ層で被覆するステップと、
前記バリヤ層を前記底面から除去するステップと、
前記基板に対向する銅ターゲットをスパッタして少なくとも前記側面上に銅層を堆積させるステップと、
前記ホールに銅を電気めっきするステップと、
を含む、前記方法。
【請求項１３】
前記抵抗率が１０００μΩ−ｃｍより大きい、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記厚さが２ｎｍ以下である、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記厚さが少なくとも０.５ｎｍである、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記バリヤ層が周期律表のＩＶＢ族、ＶＢ族、及びＶＩＢ族より選ばれた高融点金属の酸化物を含んでいる、請求項１６記載の方法。
【請求項１７】
前記酸化物が酸化アルミニウムを含んでいる、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記バリヤ層が窒化タンタルを含んでいる、請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
銅形状が表面上に形成された低誘電体層と、
前記低誘電体層の上に形成されかつホールが前記銅形状の領域内に形成された上誘電体層と、
前記ホールの側面上に、前記銅形状に面している前記ホールの底面上ではなく、形成された金属酸化物を含んでいるバリヤ層と、
前記ホールに充填されかつ前記銅形状と接触している銅と、
を含む銅バイア構造。
【請求項２０】
前記酸化物バリヤ層が、周期律表のＩＶＢ族、ＶＢ族、及びＶＩＢ族より選ばれた高融点金属の酸化物を含んでいる、請求項１９記載の銅バイア構造。
【請求項２１】
前記酸化物バリヤ層が酸化アルミニウムを含んでいる、請求項２０記載の銅バイア構造。
【請求項２２】
前記バリヤ層の前記ホールの前記側面の厚さが５ｎｍ以下である、請求項１９記載の銅バイア構造。
【請求項２３】
前記厚さが２ｎｍ以下である、請求項２２記載の銅バイア構造。
【請求項２４】
前記厚さが少なくとも０.５ｎｍである、請求項２５記載の銅バイア構造。
【請求項２５】
銅形状が表面上に形成された低誘電体層と、
前記低誘電体層の上に形成されかつホールが前記形状の領域内に形成された上誘電体層と、
前記ホールの側面上に厚さが５ｎｍ以下に前記銅形状に面している前記ホールの底面上にでなく形成された金属酸化物又は金属窒化物を含んでいるバリヤ層と、
前記ホールに充填されかつ銅形状と接触している銅と、
を含む銅バイア構造。
【請求項２６】
前記厚さが２ｎｍ以下である、請求項２５記載の銅バイア構造。
【請求項２７】
前記厚さが０.５ｎｍ以下である、請求項２６記載の銅バイア構造。
【請求項２８】
前記バリヤ層が金属酸化物を含んでいる、請求項２５記載の銅バイア構造。
【請求項２９】
前記金属酸化物が酸化アルミニウムを含んでいる、請求項２８記載の銅バイア構造。
【請求項３０】
前記バリヤ層が金属窒化物を含んでいる、請求項２５記載の銅バイア構造。
【請求項３１】
前記金属窒化物が窒化タンタルを含んでいる、請求項３０記載の銅バイア構造。
【請求項３２】
導電性形状が表面内に形成された低誘電体層と、
前記低誘電体層の上に形成されかつホールが前記導電性形状の領域内に形成された上誘電体層と、
前記ホールの側面上に厚さが０.５ｎｍより大きく５ｎｍ以下に前記導電性形状に面している前記ホールの底面にでなく形成された窒化タンタルを含んでいるバリヤ層と、
前記ホールに充填された銅と、
を含む銅バイア構造。
【請求項３３】
前記厚さが２ｎｍ以下である、請求項３２記載の銅バイア構造。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、集積回路に形成されたバイア内のバリヤ層に関する。更に詳しくは、本発明は銅バイアを形成する集積化プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
大抵の半導体集積回路は、高度な集積回路中に見られる１００万から数億のトランジスタを電気的に相互接続するための金属化層と呼ばれる様々な層の相互接続部を含んでいる。それぞれの金属化層は、誘電体層を含み、一般的には典型的には、酸化ケイ素に基づくものであるが、他の低ｋ誘電材料が求められている。バイアホールは、誘電体層内にエッチングされる。金属化材料がバイアホールに充填されて垂直相互接続部を形成し、その金属化材料は誘電体層の上にパターン形成されて水平相互接続部を形成する。
【０００３】
ここしばらくは、アルミニウムが最適な金属化材料であった。しかしながら、銅金属化層は、低抵抗であり、エレクトロマイグレーションが少なく、銅の電気めっきによる堆積が容易であることから、徐々に普及してきている。
【０００４】
金属化層の金属原子が、誘電体層に拡散したり、また、誘電体層の酸素原子が金属化層に拡散することは、いずれも好ましくなく、アルミニウムと銅の金属化層いずれも、金属化層の金属原子が誘電体に拡散しないように、また、誘電体層の酸素原子が金属化層に拡散しないように、バイアホールはバリヤ層により裏打ちされる必要があることが知られている。化学機械的研磨（ＣＭＰ）ステップ直前の銅バイア構造を図１に断面略図に示す。低誘電体層１０は、その上面の中に又は上に導電性形状１２を有する。２つの金属化層を相互接続するバイアの場合、導電性形状１２は下層の銅金属化層であり、この銅金属化層はほとんど純粋な銅又は銅以外の合金の比率が１０ｗｔ％未満の銅合金とから構成される。銅合金材料の例としては、マグネシウムやアルミニウムが挙げられる。コンタクトは、シリコン基板が下にある第１層目の金属化層と相互接続する。この場合、導電性形状１２は、シリコントランジスタと連結する。また、この場合、半導体材料の品質が低下するという問題があることからコンタクトに対する要求がより厳しくなる。今後、バイアのみについて言及するが、バイアはコンタクトと非常に似ており、本発明の利点の多くは、コンタクトに応用してもよいと解釈される。特に記述されない限りは、バイアの定義にはコンタクトも含まれる。
【０００５】
第２層目の誘電体層１４は、下位層の誘電体層１０と導電性形状１２の両方の上部に堆積される。バイアホール１６は、導電性形状１２上を覆う上部の誘電体層１４の領域を貫通してエッチングされる。バリヤ層１８は、エッチングされた上誘電体層１４上に等角に被覆され、誘電体層１４の上部のフィールド部２０と、バイアホール１６の側壁に垂直に伸びている側壁部分２２と、導電性形状１２上のバイア２４の下の底部２４とを含んでいる。銅シード薄層２６は、バリヤ層２２上に堆積され、電気めっきの電極として働くと共に電気めっき銅が成長するシードとして働く。電気化学めっき（ＥＣＰ）は、バイア金属化層２８を、裏打ちされたバイアホール１６内と誘電体層１４上に充填する。図示されていないが、この構造は、次いで、化学機械的研磨（ＣＭＰ）を施され、バイアホール１６の外側の銅の一部と誘電体層１４の上の銅の一部が除去される。除去後に残った銅により、上誘電体層１４から導電性形状１２までを通る電気的接続がもたらされる。後述するデュアルダマシン構造の場合、同様の銅金属化層が、上誘電体層１４上の水平相互接続部となる。
【０００６】
銅金属化層の場合、典型的なバリヤ材料は、タンタルと窒化タンタル（Ｔａ／ＴａＮ）であるが、チタニウムと窒化チタニウム（Ｔｉ／ＴｉＮ）を使ってもよく、タングステンと窒化タングステン（Ｗ／ＷＮ）もまた挙げられる。銅金属化層に対してこれらのすべての場合において、金属接着剤層が必要であることは不確かである。勿論、窒化金属上に基づく複雑なバリヤ層を形成することも可能である。
【０００７】
図１の典型的な構成において、バリヤ材料の選択は相殺問題である。様々な高融点金属超硬合金、例えばＴｉ、Ｔａ、及びＷのような金属は、それ自身では大抵拡散バリヤとしては十分ではない。この部分２４は、バイア金属化層２６と導電性形状１２との間の電気的経路に置かれるので、たとえ金属窒化物の多少高い電気抵抗率がバリヤ層１８の底部２４について問題を引き起こしても、ＴｉＮ、ＴａＮ、又はＷＮのような金属窒化物は十分な拡散バリヤである。ＴｉＮやＷＮの抵抗率は、５００Μω−ｃｍよりやや小さいが、原子層堆積（ＡＬＤ）を含む化学気相成長（ＣＶＤ）によって大きくなるＴａＮの抵抗率は、１０００μΩ―ｃｍよりやや大きい。物理気相成長（ＰＶＤ）によって大きくなるＴａＮの抵抗率は堆積条件によっては２００μΩ−ｃｍより大きく変化する。バリヤ層は、二つの金属化層間の接触抵抗のかなりの部分を与える。接触抵抗に基づく高抵抗バリヤは最適な選択とみなされない。少なくとも窒化物は、例えば、バイアホールの深さと最小幅のアスペクト比が少なくとも５：１である高アスペクトバイアホール内に等角堆積による堆積が可能であるという利点がある。
【０００８】
バリヤ材料として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のような酸化物を使う提案がなされた。酸化物材料はイオン結合性が強いために有効なバリヤであるが、典型的な高電気抵抗率は、バリヤ層１８の絶縁している底部２４によって導入された接触抵抗についてかなり問題を引き起こす。
【０００９】
高度な集積回路のバイアホールは非常に狭くかつアスペクト比は非常に大きいことから、バリヤについて更に問題が生じる。バイア幅は０.１８μｍ未満まで減少し、０.１０μｍ以下のバイア幅も企図されている。同時に、層間クロストークやブレークダウンを防ぐのに層間誘電体層の厚さは約０.７μｍ以上に維持しなければならない。同じ層についてライン間とバイア間のギャップが減少するにつれて、誘導体の厚さは、コンダクタの高さによって決められる合計容量を幾分制限するので約５：１のアスペクト比がだいたい最適であるように予想される。そのような高アスペクト比ホールにおける等角裏打ち層は化学気相成長（ＣＶＤ）によって達成することができ、ＣＶＤプロセスは、大抵の利用可能な窒化物バリヤ材料とそれらの対応する高融点金属に利用可能である。しかしながら、バイアホールが非常に狭い場合、裏打ち層の厚さは非常に薄くなければならないが、堆積後金属化層の導電性断面を縮小するようにバイアホールの過度の部分を占めずにバリヤが共に効果的であるために一様でなければならない。低抵抗率窒化物材料のいずれも一様に堆積することは困難であった。
【００１０】
従って、低抵抗率バリヤ材料に制限されないように用いられる。
【００１１】
Geffken et al.の米国特許第5,985,762号には、バイア底部の酸化銅をスパッタ除去する間に、誘電体がスパッタされた銅による弊害がないように、バイア側壁からではない、下にある銅形状上のバイアホールの底面からバリヤ層を取り除くために別個の方向性のエッチングステップが開示されている。このプロセスは恐らく別個のエッチングチャンバが必要である。更に、そのプロセスはデュアルダマシン構造においてトレンチの底面のバリヤを取り除くことも有害である。従って、他の等角バリヤ層を堆積し、それは金属化バイアの下に残っているのでバリヤ接触抵抗は依然として問題である。
【発明の要約】
【００１２】
発明は、誘電体層における銅バイアと結果として生じるバイア構造を形成する方法を含んでいる。絶縁バリヤは、バイアホールの側面および底面上に被覆される。銅シード層をスパッタ堆積する堆積条件は、銅がバイアの側面上に堆積されるが、銅がバイア底面上に堆積されないだけではなく、代わりに活発な銅イオンがバイア底面から絶縁バリヤをスパッタし、更に下にある銅形状をエッチングすることができるように選択される。銅は電気めっきによってバイアホールの残りに充填される。
【００１３】
絶縁バリヤの材料の電気抵抗率は、好ましくは少なくとも５００μΩ−ｃｍである。絶縁材料の一種は、高融点金属酸化物、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｗ２Ｏ３又はＴｉＯ２である。他の高抵抗率材料は、抵抗率が比較的高いＴａＮのような金属窒化物を含んでいる。
【００１４】
絶縁バリヤ層は、好ましくは５ｎｍを超えない、更に好ましくは２ｎｍを超えない側壁上の厚さに堆積される。その厚さは、好ましくは０.５ｎｍを超える。そのような厚さの一様な酸化物膜は、チャンバ内に水のような酸素前駆物質を加えるステップと、次にチャンバをパージした後に金属前駆物質を加えるステップとの交互ステップの反復連続による熱化学気成長を用いた原子層堆積によって形成することができる。ＴａＮのような窒化物膜の場合、窒素又はアンモニアは一方のステップに加えられ、金属前駆物質がもう一方に加えられる。酸素又は窒素又はその金属が、例えば、化学吸収によって、ほぼ一つの原子層の厚さに堆積する。好ましくは、その反応は表面で生じ、蒸気の中では生じない。
【００１５】
バイア構造は、誘電体層の底面のバイアホールが誘電体層の上でより大きな縦に伸びているトレンチホールに結合する更に複雑なデュアルダマシン構造であってもよい。最も好ましくは、バリヤ層はバイアホールの底からだけトレンチの底からではなくエッチングされる。
【００１６】
バイアホールの底面の選択的エッチングは、銅原子に対して比較的高いイオン化を選択するとともに基板を支持するペデスタル電極にバイアスをかけることにより、達成することができる。更にさらされた水平表面上の選択的スパッタ堆積は、一定の中性銅成分を維持することにより達成することができる。イオン化部分はターゲット電力を高めることにより増加することができる。低チャンバ圧力もバイア底部のスパッタリングを高める。
【００１７】
第二シード層は水平に伸長する表面上の銅シード層を被覆するように低イオン化部分又は低ペデスタルバイアスで堆積することができる。
【００１８】
そのようなプロセスは、半円筒形側壁の後側に一組の磁石がほぼ一様に配置され、一組の小さなネストされた対向磁石が半円筒形の屋根の上に配置され、ほぼその周囲が走査される、半円筒形ターゲットを持つプラズマスパッタリアクタ内で達成することができる。
【好適実施形態の詳細な説明】
【００１９】
本発明には、２つの関連するアスペクトが含まれる。バリヤは、電気抵抗率が、例えば、５００マイクロオーム−ｃｍ（５００μΩ−ｃｍ）、好ましくは１０００μΩ−ｃｍより大きい高抵抗材料から構成される。そのような高抵抗材料には特に金属酸化物が含まれるが、窒化タンタルは本発明の新規な特徴の一部である。バリヤ層は銅金属化層に企図されたバイアホールの側壁と底面上に等角に被覆される。バリヤの堆積には、バリヤ材料の原子単層が連続して堆積される原子層堆積（ＡＬＤ）が有利に使われる。次に、銅イオンがバイアの底面のバリヤ層をスパッタするが、バイアの側壁上にシード層を堆積するように基板に加えられたバイアス電圧により中程度から高銅イオン化レベルの条件下で銅シード層がスパッタ堆積される。その後、銅は、好ましくは電気化学めっき（ＥＣＰ）、即ち、電気めっきを含むプロセスによって、バイアホールに充填される。
【００２０】
層間バイアを形成する第一ステップにおいて、図２の断面図に示されているように、バイアホール１６は上誘電体層１４を通ってエッチングされる。非常に薄い高抵抗バリヤ層３０は、上誘電体層１４の上に水平に伸びるフィールド部３２、バイアホール１６の側壁上に垂直に伸びている側壁部分３４、バイアホール１６の底面上に水平に伸びている底部３６を形成するために等角に堆積される。高度に絶縁するバリヤの材料の一例は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である。例えば、アルミニウムの接着剤層は、アルミナバリヤ層と誘電体の間に置くことができる。しかしながら、酸化物誘電体である場合には、酸化物バリヤ層は、窒化物バリヤ材料を結合するより容易に誘電体に結合し、よって接着剤層の要求が減少する。
【００２１】
窒化物バリヤ材料は酸化物バリヤ材料に関係する。ともに金属と陽イオン間のイオン結合が強い。酸化物はよりイオン的であり、酸化物材料はたいてい抵抗が大きい。本発明により企図されたものより薄層であるが、窒化タンタル（ＴａＮ）は銅バイアスのバリヤを一般に用いる。ＣＶＤＴａＮや特にＴａＮの堆積した原子層は、ＴａＮバリヤより好ましい。
【００２２】
高度に絶縁するバリヤ層３０の厚さは好ましくは５ｎｍより薄く、好ましくは２ｎｍより薄いものである。好ましい最少の厚さは０.５ｎｍである。Ａｌ−Ｏ結合長が約０.２ｎｍであるのでこれらの厚さはほぼ２つの立方体の格子間隔に相当する。アルミナは、一般的にはアモルファス形で記載された方法に従って成長するが、結晶結合と結合長は結晶性アルミナ構造から生じるものとほぼ同じである。バリヤ薄層のアモルファス形は、銅の拡散を更に容易に防ぐことから好ましい。
【００２３】
酸素又は窒素と金属（主な例ではアルミニウム）の単層が交互に堆積される、ＣＶＤの形である原子層堆積（ＡＬＤ）によって金属酸化物と金属窒化物のそのような非常に薄い層が成長し得る。化合物ＡＢの一般的なＡＬＤ形成では、ＡとＢの成分はリアクタへ別個に導入され、別個に凝縮するか又は基板上で化学吸収される。一旦Ａ成分が化学吸収されると、Ａ成分がチャンバからパージされ、Ｂ成分がチャンバ内へ導入される。次に、Ｂ成分とＡ成分が基板表面で反応してＡＢ化合物のほぼ単一層を生成する。その後、Ｂ成分がチャンバからパージされ、他のＡＢ層のプロセスが繰り返される。パージすることには、システムから任意の反応成分を洗い流すアルゴンのような中性で化学的に不活性なパージガスを注入することを含むことができる。
【００２４】
原子層堆積は化学気相成長（ＣＶＤ）とみなされ、典型的には１２０〜３００１Ｃの比較的低温で又は更に低い温度で行われる熱プロセスである。その反応は表面反応であり、２つの成分が気相にいつでもあるようには意図されてないので、連続プロセスは気相反応を最少にする。Ａｌ２Ｏ３の場合、酸素前駆物質は水蒸気（Ｈ２Ｏ）であってもよく、アルミニウム前駆物質は、好ましくは、１７０１Ｃで分解するのでその反応がこの温度未満で行われることが必要であるジメチルアルミニウム水素化合物（（ＣＨ４)２ＡｌＨ又はＤＭＡＨ）である。ＴａＮの場合、窒素前駆物質は窒素ガス（Ｎ２）又はアンモニア（ＮＨ３）であってもよく、タンタル前駆物質は、ペンタキス(エチルメチルアミノ)タンタル（ＰＥＭＡＴ）であってもよい。シリカ又はケイ酸塩ガラス又は他の低ｋ変形のような酸化物にしばしば基づく、ＴａＮと誘電体の間にタンタル接着剤層が必要とされてもよい。
【００２５】
反応成分が気相から除去されないので、原子層堆積は非常に狭く高アスペクト比ホールの底でさえ極めて等角のコーティングを与える。原子層制御されることから、厚さは均一性が平均厚さについて１％又は２％より良好な非常に薄い厚さに制御されることができる。低温反応は、膜厚程度の長さより長い範囲の程度を検出できないアモルファス材料を生成する。
【００２６】
その後、図３の断面図に示されるように、銅シード薄層４０は、バイア１６の側壁上に縦に伸びている側壁部分４２と基板の上方に水平に伸びているフィールド部４４としてのみ銅が堆積するような条件下でスパッタ堆積する。しかしながら、銅シード層のスパッタリングの条件は、エネルギーをもった銅イオンがバリヤ層３０の底部３６をエッチングし、更に下にある銅形状１２の下へわずかな距離をエッチングするように設定される。側壁４２は負にバイアスされた基板によって加速された銅イオンの異方性フラックスから保護されるために適度な厚さに堆積し、バイア底はエネルギーをもった銅イオンフラックスにさらされ、堆積しないだけでなく、それ自体が底バリヤ部３６をスパッタする。更に、エネルギーをもった銅イオンはバイア底に達する際にエネルギーが中和され減少するとともにバイア側壁上に再堆積する傾向があるので、側壁カバレージを増強させる。下にある銅形状１２の底エッチングが、その表面に現れてきた酸化物又は残留物も取り除くことに効果的であることは留意される。その結果、銅シード又はバリヤスパッタの前にプレクリーンステップを行うことは可能である。
【００２７】
また、単純な幾何学的形において、側壁部分４２を残しつつバリヤ層３０の底部３６を除去するために方向性エッチング又はスパッタリングの銅シードスパッタ堆積の前に個別のステップを用いることは可能である。しかしながら、この処理も、典型的には、フィールド部４４を除去する。
【００２８】
銅シード層の堆積後、バイアホール２６の中へ銅を充填し基板上のフィールド領域上に銅を被覆する銅層５０を堆積するために、図４の断面図に示されるように、電気化学めっき（ＥＣＰ）が用いられる。ＥＣＰステップにおいては、銅シード層４０はめっき電極として用いられる。ダマシンプロセスの場合、銅電気めっきに続いて化学機械的研磨（ＣＭＰ）が行われ、図５に示されるように、より硬い絶縁バリヤ層３０又は誘電体層１２の上で停止することができる。
【００２９】
基板の上のフィールド領域での銅堆積やバリヤスパッタリングの欠徐は、より近接した釣り合った状態である。高エネルギー銅イオンは、堆積するのではなくスパッタする傾向があるが、中性銅イオンがかなりの成分である場合、それらはバイアスされた基板によって加速されず、従ってフィールド領域をスパッタするのではなく堆積する傾向がある。一方、バイアホールの底面はアスペクト比が高いことから中性銅原子から保護されているので、バイア底部上に堆積しない。バイア底部がスパッタされるようにパラメータを調整することが好ましいが、フィールド領域上に正味であるが少しの堆積がある。下記の代替的方法は、フィールド領域に正味堆積がないことに基づく。
【００３０】
Gopalraja et al.は同様のプロセスを開示したが、Gopalraja et al.の名義での２０００年１１月１日出願の米国特許出願第０９／７０３,６０１号には窒化物バリヤに適用している。この出願の開示内容は、本願明細書に全体で援用されている。Chen et al.も、２０００年１１月1日出願の米国特許出願第０９／７０４，１６１号には第二バリヤ層のスパッタ堆積を用いた幾分似たプロセスを記載している。
【００３１】
より難しい形は、下にある導電性形状１２と接触するためにも上誘電体層１４の上に水平な電気的接続を与えるためにも用いられる図６の断面図に示されるデュアルダマシン構造である。上誘電体層１４は、導電性形状１２のそれぞれのものの下に伸びている一つ以上のバイア６０を含むようにエッチングされる。導電性形状１２の異なるものを接続するか又は次のワイヤリングレベルの異なる領域に接触する水平な相互接続部を与えるために上誘電体層１４内に広いトレンチ６２がエッチングされる。
【００３２】
上誘電体層１４のエッチング後、酸化物バリヤ層６４はバリヤフィールド部６６と、バリヤトレンチ側壁部分６８と、バリヤトレンチ底部７０と、バリヤバイア側壁部７２と、示されていないバリヤバイア底部とを含む構造全体を等角に被覆するように堆積される。その後、銅シード層７６は、シードフィールド部７８、シードトレンチ側壁部８０、シードトレンチ底部８２、シードバイア側壁部８４として堆積する条件下でスパッタ堆積される。重要なことに、シードスパッタ処理は、バイア６０の底面上に銅を堆積しない。代わりに、バイア６０の底面にバリヤ層の部分に向かってスパッタし、下にある導電性形状内をわずかにエッチングする。好ましくは、バリヤ部分６６、７０を取り除くことよりむしろフィールド領域とトレンチ底に銅層７８、８２を堆積するように、シードスパッタ条件が設定される。図３の単純なバイアをもつ状態と同様に、エネルギーをもった銅イオンだけがバイア６０の底面に達して、銅として堆積するためではなくむしろバリヤをスパッタし、フィールド領域は低いエネルギーの銅の中性子の著しいフラックスに供される。トレンチ底部は中間の形である。トレンチはかなりの距離に伸びるので、軸方向に沿ったアスペクト比が非常に大きい。しかしながら、直角方向では、例えば、２又は３倍だけバイアより幾分幅が広いだけである。その結果、エネルギーをもった銅イオンとエネルギーをもたない銅中性子を区別する有効なアスペクト比は、バイア底部とフィールド領域の中間の形を示すので、トレンチ底部とバイア底部の間のスパッタリングと堆積の異なるバランスを可能にする。
【００３３】
しかしながら、トレンチ底部又はフィールド領域さえスパッタされることも可能であるが、その後、イオン化されていない又はエネルギーの少ない第二シ−ドスパッタ領域を行って水平に伸びている領域を被覆することも可能である。厚く信頼性のあるシード層が堆積されるようにシード層が薄く堆積されるだけの場合には第二スパッタステップが有利である。この多重ステップスパッタリングが窒化物バリヤ材料に適用できることは当然のことである。
【００３４】
上記のプロセスは、除去底バリヤと銅シード堆積とを組み合わせるものである。しかしながら、高度に方向性のあるエッチングのような他の方法によって底バリヤを除去し、その後銅シードを堆積することは可能である。アルゴンスパッタエッチングはフィールド領域とトレンチ底領域におけるバリヤを除去するが、底部バリヤを除去するのには十分である。
【００３５】
アルミナ以外の材料は、発明の絶縁バリヤを形成するために用いることができる。多くの金属酸化物は電気的に絶縁であり、原子層堆積によって成長させることができる。例は、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（Ｗ２Ｏ３）又は酸化チタン（ＴｉＯ２）である。周期律表のＩＶＢ族、ＶＢ族、ＶＩＢ族の高融点金属の他の酸化物は、これらの同族のＴｉ、Ｔａ、Ｗに同じ良好な結果を与える。更に、酸化物ではないが窒化タンタルは、電気抵抗が比較的高く、本発明から有益である。厚い層であるが、特にバリヤ材料としてそれらのうちの一部の使用を考慮すると、上記に挙げた高融点金属の他の窒化物も好結果を与えることが予想され得る。
【００３６】
上記のスパッタリングプロセスには、基板上に入射するイオンのエネルギーを制御することができかつ好ましくはスパッタ金属原子のイオン化部分を細かく制御することができるスパッタリアクタが必要である。本発明のある特徴は、アルゴン作動ガスの高密度プラズマを生成するためにＲＦ誘導結合によるような高密度プラズマスパッタリアクタを用いて達成し得る。そのようなリアクタは、バイアの底面の酸化物バリヤ層を除去するのに有効である。しかしながら、好ましいリアクタは上で引用したGopalraja et al.の特許出願第０９／７０３,６０１号に記載されたＳＩＰ＋プラズマスパッタリアクタである。このリアクタは、特に銅のスパッタされた金属原子の高いイオン化部分を生成するので、ターゲットからスパッタされた金属イオンの十分な数は、ターゲットを再度スパッタするためにターゲットに逆に引きつけられる。その結果、アルゴン作動ガスの圧力はかなり低下してしまい、ある状態では作動ガスはスパッタし続けるために必要とされない。このプロセスは、自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）を生成する。
【００３７】
ＳＩＰ＋プラズマプラズマスパッタリアクター９０の例を、図７に断面略図で示す。詳細は、上で引用したGopalraja et al.の特許出願第０９／７０３,６０１号やSubramani et al.による２０００年１１月１日出願の米国特許出願第０９／７０３,７３８号に見られる。リアクタ９０の下の部分は、中心軸９４の周りに配置された低真空チャンバ９２を含むかなり慣用的なスパッタリアクタから改良され、真空システム９５によってポンプで送られる。アルゴンのような作動ガスはマスフローコントローラ９８によってガス源９６から必要に応じて供給される。ペデスタル電極１００は、スパッタ堆積されるべき基板（ウェハ）１０２を支持し、バイアスはＲＦ電源１０４によってかけられる。接地シールド１０６は堆積からチャンバ壁を保護し、バイアスをかけたスパッタターゲットに陽極として働く。イソレータ１０９上で支持された電気的フローティングシールド１０８は、イオン化スパッタ粒子をウェハー１０２に集中させ送るのに有効である。
【００３８】
イソレータ１１０は、チャンバ９２上に新規な半円筒形のスパッタターゲット１１２を支持している。銅スパッタリングの場合、ターゲット１１２は銅又は銅合金から構成されている。電源１１３は、スパッタリングプラズマを励起させ維持するために負のＤＣ電圧をターゲット１１２にバイアスする。半円筒形のターゲット１１２は、中心軸９４の周りに伸びるとともにウェハ１０２に面する環状半円筒部１１４を含んでいる。半円筒部には外側壁１１６と、内側壁１１８と、ルーフ１２０が含まれる。
【００３９】
マグネトロンには二つの部分が含まれている。本発明の目的に効果的に固定されている第一マグネトロン部分は、外部ターゲット側壁１１６の後に配置された第一垂直磁極性の管状に配置された外部磁石１２２と、内部ターゲット側壁１１８の後に配置され、非磁性スペーサー１２８によって分けられた第二の対向する垂直磁極性の一対の管状内部磁石１２４、１２６を含んでいる。第一マグネトロン部分は、半円筒部１１４の周囲に一様に伸びる磁界を生成する。
【００４０】
ターゲットルーフ１２０の後に配置された第二マグネトロン部分には、第二垂直磁極性の棒磁石１３２を囲む第一垂直磁極性の外部管状磁石１３０が含まれている。好ましくは、外部磁石１３０の全磁束は、内部磁石１３２より少なくとも５０％多い。磁性ヨーク１３４はルーフ磁石１３０、１３２を磁気的に結合する。ほぼ環状の対称ルーフ磁石１３０、１３２の横の程度は半円筒ルーフ１２０とほぼ等しい。その結果、それが作る磁界は、半円筒部１１４の制限された周辺領域に局在する。しかしながら、ルーフ磁石１３０、１３２の磁性ヨーク１３４は、半円筒周囲とほぼ中心軸９４周りにルーフ磁石１３０、１３２を回転する上バックチャンバ１３８上に取り付けられたモータ１３６に接続され、よって経時一様なスパッタ分配を与える。
【００４１】
プラズマリアクタ９０は、二つのスパッタ方式で作動するよう見られる。本発明はこの考えによって縛られないが、スパッタリングプラズマが回転するルーフ磁石１３０、１３２の下の半円筒部１１４の領域でのみ維持されるか又はプラズマが環状半円筒部１１４の周りで完全に伸びるかから二つのモードが生じると我々は考える。ルーフ磁石１３０、１３２の下のプラズマの部分はイオン化された銅原子の多くの部分を生成し、ルーフ磁石１３０、１３２から離れて位置するプラズマのどの部分も比較的中性の銅イオンを生成する。ターゲット電力が増加しかつチャンバ圧の低下するにつれて高銅イオン化部分が見られる。ＳＩＰ＋リアクタ９０は、ルーフ磁石１３０、１３２に隣接した半円筒部の領域に非常に高い磁界を生成する。それ故、０.２ミリトール以下の比較的低いチャンバ圧でプラズマを支持することができる。実際に、銅スパッタリングに十分に高いターゲット電力、多くのコピーイオンがアルゴン作動ガスのスパッタリングイオンを置き換えるために生成され、持続自己スパッタリング（ＳＳＳ）と呼ばれるプロセスにおいてプラズマが点火されるとアルゴンの供給を変えることができる。
【００４２】
ウェハ１０２上に入射する正荷電銅イオンのエネルギーは、負のＤＣ自己バイアスが増加することからペデスタル電極１００に供給されるＲＦバイアス電力を高めることにより増加する。前述の特許出願のGopalraja et al.とChen et al.の両方によって説明してきたように、本発明の選択的堆積とスパッタリングを制御する三つのパラメータは、ターゲット電力、チャンバ圧力、バイアス電力である。
【００４３】
このように、非常に狭い幅の銅バイアにおいてプロセス全体を過度に複雑にせずに高抵抗バリヤ層の使用を可能にするためにいくつかの開発中の技術を有用に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来技術の銅バイアの断面図である。
【図２】本発明の銅バイアの一実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の銅バイアの一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の銅バイアの一実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明の銅バイアの一実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態のデュアルダマシンの断面図である。
【図７】発明を実施するために用いることができるプラズマスパッタリアクタの断面略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０…定誘電体層、１２…導電性形状、１４…誘電体層、１６…バイアホール、１８、３０…バリヤ層、２０、３２，４４…フィールド部、２２，３４，４２…側壁部分、２４，３６…バイアの下の底部、２６，４０…銅シード薄層、２８…共化層。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004531053.tif 000025
【国際調査報告】
2004531053.tif 000026