(57)【要約】バリア層またはキャップ層（４０）とＣｕまたはＣｕ合金配線部材（１３Ａ）との間の界面および接着性の完全性は、ＣｕまたはＣｕ合金の平坦化された露出表面（３０）をアンモニアを含むプラズマを用いて処理した後、シランの導入を遅延させ、および／またはシランの導入をゆっくりと一定量ずつ増加させて、シリコンナイトライドキャップ層を堆積することによって、大いに強化される。他の実施例は、ウェハを導入してプラズマ処理する前に、温度を上昇させて反応室を窒素を用いてパージし、残留ガスを除去するステップを含む。
2004505447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の製造方法であって、
銅（Ｃｕ）またはＣｕ（１３Ａ）合金の表面を、アンモニアを含むプラズマを用いて反応室において第１の圧力で処理するステップと、
前記第１の圧力を、約３０秒から約６０秒の時間をかけて、約５０ｍ　Ｔｏｒｒから約１００ｍ　Ｔｏｒｒの第２の圧力に下げるステップと、
前記反応室にシランを導入するステップと、
前記反応室において、前記ＣｕまたはＣｕ合金層（１３Ａ）の表面（３０）上にシリコンナイトライドバリア層（４０）を堆積するステップとを順に含む、方法。
【請求項２】
前記ＣｕまたはＣｕ合金層の表面を、約５　Ｔｏｒｒから約８　Ｔｏｒｒの第１の圧力で処理するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
シリコンナイトライドキャップ層（４６）の堆積を開始する前に、少なくとも約１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、前記反応室にシランを徐々に導入するステップと、
少なくとも約１５０　ｓｃｃｍのシランの流量で、前記シリコンナイトライドキャップ層（４０）を堆積するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも約１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、複数の段階で、前記反応室に前記シランを導入するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
半導体素子の製造方法であって、
反応室を約３００℃から約４２０℃の温度に加熱するステップと、
前記反応室を前記約３００℃から約４２０℃の温度で窒素を用いてパージするステップと、
前記室にウェハを導入するステップとを含み、前記ウェハは、銅（Ｃｕ）またはＣｕ合金の露出された表面を含み、前記方法はさらに、
前記ＣｕまたはＣｕ合金層（１３Ａ）の表面を、アンモニアを含むプラズマを用いて処理するステップと、
前記反応室において、前記ＣｕまたはＣｕ合金層（１３Ａ）の処理された表面（３０）上にバリア層（４０）を形成するステップとを順に含む、方法。
【請求項６】
前記反応室を、約１　Ｔｏｒｒを超えない圧力で窒素を用いてパージするステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項７】
前記反応室を、複数の段階で窒素を用いてパージするステップを含み、各段階は、
前記反応室に窒素を導入するステップと、
前記反応室への窒素の導入を停止するステップと、
前記反応室から窒素をポンプで吸引するステップとを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ＣｕまたはＣｕ合金層（１３Ａ）の表面をアンモニウムを含むプラズマを用いて第１の圧力で処理するステップと、
前記第１の圧力を、約３０秒から約６０秒の時間をかけて、約５０ｍ　Ｔｏｒｒから約１００ｍ　Ｔｏｒｒの第２の圧力に下げるステップと、
前記反応室にシランを導入するステップと、
前記反応室において、前記ＣｕまたはＣｕ合金層（１３Ａ）の表面（３０）上にシリコンナイトライドバリア層（４０）を堆積するステップとを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ＣｕまたはＣｕ合金層の表面を、約５　Ｔｏｒｒから約８　Ｔｏｒｒの第１の圧力で処理するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
シリコンナイトライドバリア層（４０）の堆積を開始する前に、少なくとも約１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、前記反応室にシランを徐々に導入するステップと、
少なくとも約１５０　ｓｃｃｍのシランの流量で、シリコンナイトライドバリア層を堆積するステップとを含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願】
この出願は、現在は２０００年１１月２８日に発行された米国特許第６，１５３，５２３号である、１９９８年１２月９日に出願された同時係属中の米国特許出願第０９／２０８，２４５号で開示される内容に関連する内容を含む。
【０００２】
【技術分野】
この発明は、半導体素子の銅（Ｃｕ）および／またはＣｕ合金メタライゼーションに関し、特にＣｕまたはＣｕ合金配線を確実に覆うことに関する。この発明は、サブミクロンの設計特徴を有する高速の集積回路および高い導電率の接続構造の製造に適用可能である。
【０００３】
【背景技術】
超大規模集積半導体配線に関連して高密度化および高性能の必要性が急速に高まり、配線技術においてそれに応じた変化が必要とされている。そのような急速に高まる必要性を満たすことは、低いＲＣ（抵抗−キャパシタンス）接続パターンを提供する面で、難しいことがわかっている。特にサブミクロンのバイア、コンタクトおよびトレンチが、微細化によって課された高いアスペクト比を有する場合は難しい。
【０００４】
従来の半導体素子は、典型的にはドープされた単結晶シリコンである、半導体基板、および順番に形成された複数の層間絶縁膜ならびに導電パターンを含む。集積回路は、相互配線スペーシングによって分離された導電線を含む複数の導電パターン、ならびにバス線、ビット線、ワード線およびロジックの相互配線などの複数の相互配線を含んで形成される。典型的に、異なる層上の、すなわち上方層および下方層上の導電パターンは、バイアホールを充填する導電プラグによって電気的に接続され、一方、コンタクトホールを充填する導電プラグは、ソース／ドレイン領域などの、半導体基板上の活性化領域との電気的な接続を確立する。導電線は、典型的に半導体基板に対して実質的に水平に延びるトレンチ内に形成される。素子の幾何学的構造がサブミクロンのレベルに縮小するにつれ、５つまたはそれ以上の層のメタライゼーションを含む半導体「チップ」が有力になってきている。
【０００５】
バイアホールを充填する導電プラグは、典型的に、少なくとも１つの導電パターンを含む導電層上に層間絶縁膜を堆積し、従来のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によってその層間絶縁膜を通る開口部を形成し、その開口部をタングステン（Ｗ）などの導電材料で充填することによって形成される。層間絶縁膜の表面上の余分な導電材料は、典型的に化学機械研磨（ＣＭＰ）によって除去される。そのような方法の１つは、ダマシンとして知られ、層間絶縁膜に開口部を形成し、その開口部を金属で充填することを基本的に伴う。デュアルダマシン技術は、上方のトレンチ部分と接するより低いコンタクトまたはバイアホール部分を含む開口部を形成することを伴い、この開口部は、典型的には金属である導電材料で充填され、導電線と電気的に接続することによって同時に導電プラグを形成する。
【０００６】
高性能マイクロプロセッサのアプリケーションは、高速の半導体回路を要求する。半導体回路の速度制御は、配線パターンの抵抗およびキャパシタンスに反比例して変化する。集積回路がより複雑になり、特徴サイズおよびスペーシングがより小さくなるにつれ、集積回路の速度はトランジスタ自身には依存しなくなってきており、配線パターンにより依存するようになってきている。微細化は、コンタクトおよび断面積が小さい、長い配線を必要とする。金属の配線の長さが延び、断面積および配線間の距離が減少するにつれ、接続配線によって引き起されるＲＣ遅延が増加する。サブミクロン技術におけるように、接続ノードがかなりの距離、たとえば数百ミクロンまたはそれ以上にわたって配線されると、接続キャパシタンスが回路ノードキャパシタンス負荷を制限し、それにより回路速度も制限する。設計基準が約０．１８ミクロン以下、たとえば約０．１５ミクロン以下に下がってきているため、集積回路速度遅延による不良品率は、生産処理量を大きく低下させ、製造コストを増加させる。さらに、線の幅が狭まるにつれ、導電率およびエレクトロマイグレーションの阻止は、益々重要になりつつある。
【０００７】
ＣｕおよびＣｕ合金は、配線メタライゼーションにおいて、Ａｌと置き換わる候補として注目を浴びている。Ｃｕは比較的廉価であり、処理が容易で、Ａｌより固有抵抗が低い。さらに、ＣｕはＷに比べて電気的特性に優れているので、Ｃｕは導電プラグおよび導電配線として使用するために望ましい金属である。
【０００８】
Ｃｕプラグおよび配線を形成するためのある方法は、ティオング（Ｔｅｏｎｇ）の米国特許第５，６９３，５６３号におけるように、ＣＭＰを用いたダマシン構造の使用を含む。しかしながら、二酸化シリコンなどの層間絶縁膜層を通じたＣｕの拡散のため、Ｃｕ配線構造は、拡散バリア層によって封じ込めなければならない。典型的な拡散バリア金属は、タンタル（Ｔａ）、タンタルナイトライド（ＴａＮ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、タングステン（Ｗ）、タングステンナイトライド（ＷＮ）、Ｔｉ−ＴｉＮ、チタンシリコンナイトライド（ＴｉＳｉＮ）、タングステンシリコンナイトライド（ＷＳｉＮ）、タンタルシリコンナイトライド（ＴａＳｉＮ）およびシリコンナイトライドを含み、Ｃｕを封じ込める。Ｃｕを封じ込めるそのようなバリア材料の使用は、Ｃｕと層間絶縁膜層との間の界面に限定されず、他の金属との界面も含まれる。
【０００９】
拡散バリア層（キャップ層）を用いた従来のＣｕ配線方法には、さらなる問題が伴う。たとえば、従来のやり方は、ダマシン開口部を層間絶縁膜層に形成するステップと、ＴａＮなどのバリア層を堆積するステップと、開口部およびその層間絶縁膜層の表面上をライニングするステップと、開口部をＣｕまたはＣｕ合金層で充填するステップと、ＣＭＰのステップと、ＣｕまたはＣｕ合金の露出された表面上にキャップ層を形成するステップとを含む。しかしながら、プラズマ増速化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって堆積された、シリコンナイトライドなどのキャップ層は、ＣｕまたはＣｕ合金の表面への接着性が乏しいことがわかった。結果的に、キャップ層は、後続の層の堆積から生じる応力またはスクラッチによる剥離等によって、はがれやすい。この結果、ＣｕまたはＣｕ合金は完全には封じ込められず、Ｃｕの拡散が発生する。これにより素子の性能に悪影響がおよび、ＣｕまたはＣｕ合金の配線部材のエレクトロマイグレーションの阻止が低下する。さらに、従来のＰＥＣＶＤシリコンナイトライドキャップ層の密度は、約２．６２ｇ／ｃｍ３であるため、後続のメタライゼーション層の配線を形成する間のエッチストップ層としては特に効果的ではない。
【００１０】
１９９８年７月９日に出願された同時係属中の出願連続番号第０９／１１２，４７２号では、ＰＥＣＶＤシリコンナイトライドキャップ層のＣｕ配線に対する接着性の問題は、まず露出された表面を水素を含むプラズマで処理し、処理した表面上にケイ化銅層を形成し、その上にシリコンナイトライドキャップ層を堆積することによって解決された。現在では２０００年１２月２６日に発行された米国特許第６，１６５，８９４号である、１９９８年８月１０日に出願された同時係属中の出願連続番号第０９／１３１，８７２号では、シリコンナイトライドキャップ層のＣｕ配線に対する接着性の問題は、露出された表面をアンモニアを含むプラズマで処理し、その上にシリコンナイトライドキャップ層を堆積することによって解決された。現在では２００２年１１月２８日に発行された米国特許第６，１５３，５２３号である、１９９８年１２月９日に出願された同時係属中の出願連続番号第０９／２０８，２４５号では、露出された表面をアンモニアを含むプラズマで処理し、その後、高密度のプラズマ条件のもとでシリコンナイトライドキャップ層を堆積し、約２．６７ｇ／ｃｍ３から約２．７７ｇ／ｃｍ３の密度を達成する方法が開示される。１９９８年７月９日に出願された同時係属中の出願連続番号第０９／１１２，１５８号（顧客処理番号Ｅ０９８４、当社処理番号５２３５２−６４６）では、ＣｕまたはＣｕ合金層の表面を窒素およびアンモニアを含むプラズマで処理し、これに続いて窒素の存在下で同じ反応室内でキャップ層を堆積して、キャップ層の銅配線に対する接着性を改良することを含む方法が開示される。これらの技術は効果的である。
【００１１】
しかしながら、さらなる実験および調査の結果、酸化銅を除去するためのプラズマ処理後のＣｕまたはＣｕ合金層の表面が、たとえば黒および／または緑色などへの変色を示すことがわかった。これは、プラズマ処理されたＣｕまたはＣｕ合金の表面がキャップ層の堆積の前に劣化および／または腐食していることを示す。ＣｕまたはＣｕ合金配線と、たとえばシリコンナイトライドキャップ層などのキャップ層との境界でのこのような腐食および／または劣化の問題は、それらの間の接着性に悪影響を及ぼす。
【００１２】
設計基準が、約０．１８ミクロン以下、たとえば約０．１５ミクロン以下などのように、サブミクロンの範囲へとより下がるにつれ、配線パターンの信頼性は特に重要になっている。したがって、Ｃｕ配線に対するキャップ層またはバリア層の接着性、および垂直方向のメタライゼーション層のための配線の精度は、さらに高い信頼性を要求する。よって、ＣｕおよびＣｕ合金配線部材を封じ込めて、精度および信頼性がより高い垂直方向のメタライゼーション層を形成することを可能にする方法が必要である。特に、ＣｕまたはＣｕ合金配線上にキャップ層を形成し、その間が強く接着されることを可能にする方法が必要である。
【００１３】
【発明の開示】
この発明の利点は、信頼性の高いＣｕまたはＣｕ合金配線部材を有する半導体素子を製造する方法である。
【００１４】
この発明の別の利点は、シリコンナイトライドキャップ層がしっかりと接着されたＣｕまたはＣｕ合金配線部材を含む、半導体素子を製造するための方法である。
【００１５】
この発明のさらなる利点および他の特徴は、以下の説明で示す。さらなる利点および他の特徴の一部は、以下のことを検討すれば当業者に明らかになるであろう。またはこの発明を実際に行なうことで学ぶことができる。この発明の利点は、特許請求の範囲に具体的に示されるように実現し、かつ得ることができる。
【００１６】
この発明によると、上述および他の利点は、半導体素子を製造する方法によって部分的に達成され、この方法は順に、銅（Ｃｕ）またはＣｕ合金の表面を、アンモニアを含むプラズマを用いて、反応室内において第１の圧力で処理するステップと、第１の圧力を、約３０秒から約６０秒の時間をかけて、約５０ｍ　Ｔｏｒｒから約１００ｍ　Ｔｏｒｒの第２の圧力に下げるステップと、反応室にシランを導入するステップと、反応室内でＣｕまたはＣｕ合金層の表面上にシリコンナイトライドバリア層を堆積するステップとを含む。
【００１７】
この発明の別の局面は、半導体素子を製造する方法である。この方法は順に、反応室を約３００℃から約４２０℃の温度に加熱するステップと、窒素を用いて、約３００℃から約４２０℃の温度で反応室をパージするステップと、室にウェハを導入するステップとを含み、ウェハは銅（Ｃｕ）またはＣｕ合金層の表面を含み、この方法はさらに、ＣｕまたはＣｕ合金層の表面を、アンモニアを含むプラズマを用いて処理するステップと、反応室内でＣｕまたはＣｕ合金の処理された表面上にバリア層を形成するステップとを含む。
【００１８】
この発明の実施例は、シリコンナイトライドバリア層の堆積を開始する前に、少なくとも約１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、細かく複数の段階に区切るように、徐々に反応室にシランを導入するステップを含む。この発明の実施例は、ウェハを導入する前に、複数の段階に区切ってまず反応室をパージするステップをさらに含む。この発明の実施例は、ウェハ上の層間絶縁膜に開口部を形成するステップと、ＴａＮなどの、下層の拡散バリア層を堆積するステップと、開口部および層間絶縁膜上をライニングするステップと、開口部および層間絶縁膜上を充填するＣｕまたはＣｕ合金層を拡散バリア層上に堆積するステップと、開口部の上方のＣｕまたはＣｕ合金層の部分をＣＭＰによって除去するステップと、露出された表面を酸化された状態にしておくステップと、ウェハを反応室に運び、ＣｕまたはＣｕ合金層の露出された表面を、アンモニアを含むプラズマを用いて処理するステップと、処理された表面上にシリコンナイトライドバリア層を堆積するステップとによって処理する、この発明によるステップをさらに含む。
【００１９】
この発明のさらなる利点は、この発明を実行するために企図されたベストモードを単に示すことによってこの発明の実施例が説明される、以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかになるであろう。理解されるように、この発明は、他のおよび異なる実施例が可能であり、そのいくつかの詳細は、すべてこの発明から離れることなく、さまざまな明らかな点において変形が可能である。したがって、図面および説明は、限定的でなく、本質的に例示的なものとして考えられるべきである。
【００２０】
【発明を実行するためのモード】
この発明は、ＣｕまたはＣｕ合金配線をシリコンナイトライドのキャップ層等で覆う際に伴う問題に取組み、解決する。この発明の実施例に従った方法によって、シリコンナイトライドなどのキャップ層の、ＣｕまたはＣｕ合金配線部材に対する接着性を大きく改良することが可能となり、これによってキャップ層の剥離、銅の拡散が防止され、エレクトロマイグレーションの阻止が強まる。この出願を通して用いられるように、Ｃｕという記号は、純度の高い元素の銅、ならびに微量の錫、亜鉛、マンガン、チタン、マグネシウムおよびゲルマニウムを含むＣｕ合金などの、Ｃｕをベースとした合金も含むことを意図される。
【００２１】
設計基準が０．１８ミクロン以下、たとえば０．１５ミクロン以下などの、サブミクロンの範囲内でより低いレベルに下がるにつれ、封じ込められたＣｕおよび／またはＣｕ合金配線部材の信頼性が益々重要となる。Ｃｕおよび／またはＣｕ合金配線部材をダマシン開口部に形成する際の従来のやり方では、結果として、ＣＭＰの間に形成されるＣｕＯおよびＣｕ２Ｏの混合物を含むと考えられる、酸化銅の薄い表面膜が形成されることがわかっている。この薄い酸化銅の表面膜層は、本質的に多孔性で脆い。そのような薄い酸化銅の表面膜の存在は、シリコンナイトライドなどのキャップ層の、下にあるＣｕおよび／またはＣｕ合金配線部材に対する接着性を低下させるため、望ましくない。結果として、ＣｕまたはＣｕ合金／酸化銅の界面にクラックが生成され、銅の拡散が起こり、そのような拡散の結果として、エレクトロマイグレーションが増加することにつながる。ＣｕまたはＣｕ合金／酸化銅の境界で発生するクラックは、粒界拡散または格子拡散よりも急速な、表面拡散を促進する。同時係属中の出願連続番号第０９／１１２，４７２号に開示される水素プラズマ処理、および現在は２０００年１２月２６日に発行された米国特許第６，１６５，８９４号である、同時係属中の出願連続番号第０９／１３１，８７２号に開示されるアンモニアプラズマ処理は、シリコンナイトライドキャップ層の、ＣｕまたはＣｕ合金層に対する接着性を向上させる。この発明は、シリコンナイトライドなどのキャップ層の接着性をさらに大きく向上することによって、そのような同時係属中の出願で開示される方法を超える改良を構成する。
【００２２】
実験および調査を行なった際に、酸化銅を減少させるためのプラズマ処理後のＣｕメタライゼーションの表面は、たとえば黒および／または緑の変色などの変色を示すことがわかった。そのような変色は、腐食および／または劣化を示すものだと考えられ、腐食および／または劣化は、Ｃｕとキャップ層との間の界面を、その間の接着性を低下させることによって劣化させる。さらなる実験および調査によって、Ｃｕとキャップ層との間の界面の劣化または腐食は、さまざまな要因から生じると考えられるようになった。
【００２３】
実験および調査の間、酸化銅を除去するためのＣｕの表面のプラズマ処理に続いて、反応室は約１０秒間ポンプで吸引され、キャップ層を堆積するための反応ガスが堆積に好適な流量で反応室に導入された。たとえば、アンモニアを含むプラズマを用いた処理後に、Ｃｕの表面上にシリコンナイトライドキャップ層を堆積する場合、シランは、約１５０　ｓｃｃｍにセットされた流量制御器を介して反応室に導入された。しかしながら、初期サージまたはスパイクが頻繁に見られ、これによりシランは、実際にはより高い流量、たとえば約２００　ｓｃｃｍから約３００ｓｃｃｍで反応室に入る。酸化銅を減らすためのプラズマ処理直後のＣｕ表面は、非常に感度が高く、よって劣化しやすいと考えられる。さらにプラズマ処理の直後に反応室でシランが初期サージすることは、感度の高いＣｕ表面に悪影響をおよぼし、Ｃｕ配線とシリコンナイトライドキャップ層との間の界面の腐食および／または劣化につながると考えられる。さらなる実験および調査によって、ウェハの複数の処理動作間に反応室に残留するガスがプラズマ処理後のＣｕ表面の変色および／または劣化に寄与することがさらにわかった。
【００２４】
この発明は、水素またはアンモニアを含むプラズマを用いた処理後のＣｕ表面の変色および／または劣化の問題に取組み、解決し、このことによってＣｕ配線と、シリコンナイトライドキャップ層などのキャップ層との間の界面の完全性を大きく改良する。したがって、この発明は、特にサブミクロンの体制における、素子の信頼性を大きく改良することを可能にする。
【００２５】
この発明の実施例に従うと、プラズマ処理とキャップ層の堆積との間の時間は、従来の実務に比べて延長されるが、これは、たとえばシリコンナイトライドのキャップ層を堆積する場合はシランなどの、キャップ層を堆積するための反応ガスを導入する前に、十分な時間を与えて、プラズマ処理されたＣｕ表面の感度を下げて劣化しにくくするためである。したがって、この発明の実施例は、Ｃｕ表面のプラズマ処理後、ゆっくりと圧力を下げるステップを含む。たとえばＣｕ表面のプラズマ処理は、約５　Ｔｏｒｒから約８　Ｔｏｒｒの第１の圧力で行なうことができる。プラズマ処理後、圧力を約３０秒から約６０秒の長い時間をかけて、約５０ｍ　Ｔｏｒｒから約１００ｍ　Ｔｏｒｒの圧力に下げて、プラズマ処理されたＣｕ表面の感度を下げるための十分な時間を与えることができる。
【００２６】
この発明のさらなる実施例は、たとえばシランなどの、キャップ層反応ガスをゆっくりと導入し、堆積に必要な量に達するまで徐々に反応ガスの流量を増やすステップを含む。たとえば、この発明の実施例は、約１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、ゆっくりとシランを導入するステップを含む。一定量ずつ流量を増加させるのに好適なステップは、複数の段階でシランを導入するステップを含み、各段階で流量は５秒間隔で３０　ｓｃｃｍずつ増やされる。
【００２７】
この発明の別の実施例に従うと、反応室の残留ガスは、ウェハを導入して処理する前に除去される。したがって、この発明の実施例は、反応室をたとえば約３２０℃から約４２０℃の処理に好適な温度に保ちつつ、窒素ガスを導入すること等によって反応室をパージするステップを含む。窒素ガスは、比較的低い圧力、たとえば最高約１　Ｔｏｒｒより小さい圧力で導入することができる。窒素ガスを複数の段階で導入して、ウェハの導入の前に室を適切な条件にすることが特に好適であることがわかっている。たとえば、各段階が、窒素ガスを導入するステップ、窒素ガスの導入を停止するステップ、および窒素ガスを反応室から吸引するステップからなる、３つの段階で窒素ガスを導入してパージすることが好適であることがわかっている。
【００２８】
開示された修正的な方法のいずれもＣｕ表面とシリコンナイトライドキャップ層との間の界面の完全性を改良することに大きく寄与するが、この発明の、ゆっくりとシランガスの導入量を増やすことと組合せて、窒素ガスで事前に条件を整える局面は、最適な結果をもたらす。よって、この発明は、ウェハを導入する前に反応室の条件を整えることによって、プラズマ処理後のＣｕ配線の表面の変色および／または劣化を減少させて、より高い信頼性を保証する。この発明は、Ｃｕ表面のプラズマ処理の後で、かつシランの導入の前に時間をとって、Ｃｕの表面の感度を下げ、その界面の変色および／または劣化を避けることによって、その目的を達成する。さらにこの発明は、プラズマ処理後で、かつ堆積の開始前に、適切な流量までシランの導入量を一定量ずつ増やすことを伴い、これによってＣｕ配線とシリコンナイトライドキャップ層との間の界面の変色および／または劣化をさらに減少させる。
【００２９】
この発明の実施例に従って形成されたＣｕおよび／またはＣｕ合金配線は、ダマシン技術によって形成された配線であり得るが、それらに限定されない。よって、この発明の実施例は、基板上に層間絶縁膜を形成するステップと、層間絶縁膜に開口部、たとえばダマシン開口部を形成するステップと、ＴａＮなどの拡散バリア層を堆積するステップと、開口部をＣｕまたはＣｕ合金層で充填するステップを含む。有利には、層間絶縁膜の開口部は、まずシード層を堆積し、それからＣｕまたはＣｕ合金層を電解めっきまたは無電解めっきすることによって充填することができる。この後ＣＭＰを行なって、Ｃｕ層またはＣｕ合金層の上方表面が層間絶縁膜の上方表面と実質的に同一面上にあるようにする。ＣＭＰの結果として、酸化銅の薄い膜が典型的に形成される。開示された１つまたはそれ以上の実施例に従えば、ＣｕまたはＣｕ合金の酸化された露出表面を処理し、これによってＣｕ／シリコンナイトライドの界面の腐食および／または劣化を実質的に回避または大きく減少させる。
【００３０】
この開示および開示された目的の手引きがあれば、アンモニアプラズマ処理中、およびシリコンナイトライドなどのキャップ層の堆積の中の条件を、ある特定の状況について最適化することができる。たとえば、ＣｕまたはＣｕ合金層の露出された表面は、アンモニアを含むプラズマを用いて、約１００　ｓｃｃｍから約６０００　ｓｃｃｍのアンモニアの流量、約２　Ｔｏｒｒから約１０　Ｔｏｒｒの圧力、約３００℃から約４２０℃の温度、約１００ワットから約１０００ワットの高周波電力、約５０ワットから約５００ワットの低周波電力で、最高約６０秒などの好適な時間で処理することが好適であることがわかっている。またシリコンナイトライドキャップ層は、プラズマ増速化学気相成長法によって、少なくとも約１５０　ｓｃｃｍのシランの流量、約１００　ｓｃｃｍから約６０００　ｓｃｃｍのアンモニアの流量、約６０００　ｓｃｃｍから約１００００　ｓｃｃｍの窒素の流量、約１．２　Ｔｏｒｒから約６．０　Ｔｏｒｒの圧力、約３００℃から約４２０℃の温度、約１００ワットから約１０００ワットの高周波電力、約５０から約５００ワットの低周波電力で、たとえば約１０秒から約１００秒などの好適な時間で、堆積するのが好ましいこともわかっている。有利には、Ｃｕメタライゼーションをアンモニアを含むプラズマで処理するステップ、およびシリコンナイトライドキャップ層をプラズマ堆積するステップを伴う手順全体は、同じ反応室で行なわれる。
【００３１】
この発明の実施例に従うと、ダマシン開口部は、約５０℃から約１５０℃の温度でＰＶＤによって、または約２００℃より低い温度でＣＶＤによって、ＣｕまたはＣｕ合金で充填することができる。この発明のさまざまな実施例において、従来の基板および層間絶縁膜層を用いることができる。たとえば、基板には単結晶シリコンまたは砒化ガリウムをドープすることができる。この発明で用いられる層間絶縁膜は、半導体素子の製造で従来から用いられているどのような誘電材料も含み得る。たとえば、二酸化シリコン、リンをドープしたシリケートガラス（ＰＳＧ）、ボロンとリンをドープしたシリケートガラス（ＢＰＳＧ）、およびＰＥＣＶＤによってテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）またはシランから得られる二酸化シリコンなどの誘電材料を用いることができる。誘電層に形成される開口部は、従来のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって作られる。この発明に従った層間絶縁膜は、ポリアミドなどのポリマーを含む、低誘電コンタクト材料も含み得る。
【００３２】
この発明の一実施例を図１から４で概略的に示す。同じ参照番号は同じ特徴を示す。図１を参照すると、コンタクトまたはバイアホールなどの、ダマシン開口部１１は、たとえば二酸化シリコンなどの誘電層１０に形成される。開口部１１は、トレンチ部分と連絡したコンタクトまたはバイアホール部分を含むデュアルダマシン開口部として形成することもできることが理解されるべきである。ＴａＮなどのバリア層１２が堆積され、その後ＣｕまたはＣｕ合金層１３が堆積される。層１３を電解めっきまたは無電解めっきする際に、シード層（図示せず）がバリア層１２上に堆積される。
【００３３】
図２を参照すると、ＣｕまたはＣｕ合金層１３の、開口部１１の上方に延びる部分は、ＣＭＰ等によって除去される。結果として、ＣｕまたはＣｕ合金配線部材１３Ａの露出された表面上に酸化銅の薄い膜２０が形成される。その後、この発明の実施例に従って、Ｃｕメタライゼーションを含むウェハが反応室に導入される。まず反応室を約３００℃から約４２０℃の温度で窒素を用いてパージし、前の処理からの残留ガスを除去し、プラズマ処理およびキャップ層の堆積のため反応室の条件を整える。最適の条件を整えるには、各段階で窒素を導入し、窒素の導入を停止し、窒素をポンプで吸引する、複数の段階で反応室をパージすることが特に好適であることがわかっている。
【００３４】
図３を参照すると、この発明の実施例に従って、上に酸化銅の薄い膜２０を有するＣｕまたはＣｕ合金配線部材１３Ａの露出された表面をアンモニアを含むプラズマで処理して、薄い酸化銅の膜２０を除去または大きく削減すると、清浄な、削られたＣｕまたはＣｕ合金の表面３０ができる。この時点で、圧力をある時間にわたって、たとえば約３０秒から約６０秒にわたって低下させ、プラズマ処理されたＣｕ表面の感度を下げるための十分な時間を与えて、シランの導入時にＣｕ表面が劣化しにくくなるようにする。この後、シランをゆっくりと導入して、少なくとも約１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、たとえば複数の段階で一定量ずつ増やす。この時点で、シリコンナイトライドキャップ層の堆積が開始される。
【００３５】
図４に示されるように、ＣｕまたはＣｕ合金配線１３の清浄化された露出表面上にシリコンナイトライドキャップ層４０が堆積されて、ＣｕまたはＣｕ合金配線１３を完全に封じ込める。次に、ＴＥＯＳまたはシランから得られる二酸化シリコンなどの、別の層間絶縁膜４１が堆積される。このようにして、複数の層間絶縁膜およびメタライゼーションパターンが半導体基板上に作られ、さまざまな接続が形成される。有利なことに、Ｃｕ配線とシリコンナイトライドキャップ層との間の界面には、生じれば接着性に悪影響を及ぼすであろう変色および／または劣化がほとんど起きず、これによって後続のメタライゼーション層の接続の精度および信頼性が向上する。
【００３６】
この発明は、プラズマ処理された銅の表面と、その上に堆積されるシリコンナイトライドキャップ層との間の界面の腐食および／または劣化を大きく低減し、キャップ層の接着性を強めることによって、非常に信頼性の高いＣｕおよび／またはＣｕ合金配線部材の形成を可能にする。反応室を窒素でパージして事前に条件を整え、および／またはプラズマ処理後に十分な時間をとって、プラズマ処理されたＣｕの表面がシラン導入の際に劣化しにくくなるようにし、および／または堆積に適切な流量までシランの導入量をゆっくりと一定量ずつ増やすことによって、Ｃｕ配線とキャップ層との間の界面の腐食および／または劣化の問題の原因と考えられるものを解決する。よってこの発明は、高密度プラズマキャップ層の接着性を強化し、それに伴って銅の拡散を低減し、エレクトロマイグレーションの阻止を高めることによって、Ｃｕおよび／またはＣｕ合金配線部材の信頼性を大きく改良する。結果として、この発明は、有利にはキャップ層の剥離、銅の拡散を減少させ、エレクトロマイグレーションの阻止を高め、装置の信頼性を改良し、生産のスループットを高め、製造コストを削減する。
【００３７】
この発明は、さまざまな種類のはめ込まれたＣｕおよびＣｕ合金メタライゼーション配線パターンの形成において産業的利用可能性を有する。この発明は、特に、サブミクロンの特徴および高いアスペクト比の開口部を有する半導体素子の製造に利用可能である。
【００３８】
以上の説明では、この発明をよりよく理解できるようにするために、さまざまな具体的な詳細、たとえば具体的な材料、構造、化学品、プロセスなどが示される。しかしながら、この発明は、具体的に示される詳細に頼ることなく実現することが可能である。場合によっては、この発明を不必要にわかりにくくするのを避けるため、周知の処理および材料は詳細に説明しなかった。
【００３９】
この発明では、この発明の好ましい実施例およびその転用性のいくつかの例のみが示され、説明される。この発明は、さまざまな他の組合せおよび環境において使用することが可能であり、ここに示される発明の概念の範囲内での変更または変形が可能であることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に従った方法の、順を追った段階を示す。
【図２】この発明の一実施例に従った方法の、順を追った段階を示す。
【図３】この発明の一実施例に従った方法の、順を追った段階を示す。
【図４】この発明の一実施例に従った方法の、順を追った段階を示す。
【国際公開パンフレット】
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2004505447.tif 000014
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年7月11日(2002.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の製造方法であって、
銅（Ｃｕ）またはＣｕ合金（１３Ａ）の表面を、アンモニアを含むプラズマを用いて反応室において第１の圧力で処理するステップと、
前記反応室にシランを導入するステップと、
前記反応室において前記ＣｕまたはＣｕ合金層（１３Ａ）の表面（３０）上にシリコンナイトライドキャップ層（４０）を堆積するステップとを順に含み、
前記反応室に前記シランを導入することに先立って、約３０秒から約６０秒の時間をかけて、前記第１の圧力を約５０ｍ　Ｔｏｒｒから約１００ｍ　Ｔｏｒｒの第２の圧力に下げることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記第１の圧力は、約５　Ｔｏｒｒから約８　Ｔｏｒｒの範囲内である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シリコンナイトライドキャップ層（４０）の堆積を開始する前に、少なくとも約１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、前記反応室に前記シランを徐々に導入するステップと、
少なくとも約１５０　ｓｃｃｍのシランの流量で、前記シリコンナイトライドキャップ層（４０）を堆積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４】
前記シランは、少なくとも約１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、複数の段階で前記反応室に導入される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の半導体素子の製造の方法であって、前記銅または銅合金の表面を処理することに先立って、反応室を約３００℃から約４２０℃の温度に加熱するステップと、
前記反応室を約３００℃から約４２０℃の温度で窒素を用いてパージするステップとを含む、方法。
【請求項６】
前記反応室は、約１　Ｔｏｒｒを超えない圧力で窒素を用いてパージされる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記反応室は、複数の段階で窒素を用いてパージされ、各段階は、
前記反応室に窒素を導入するステップと、
前記反応室への窒素の導入を停止するステップと、
前記反応室から窒素をポンプで吸引するステップとを含む、請求項５または６に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
この発明によると、半導体素子の製造方法が提供される。この方法は順に、第１の圧力で銅（Ｃｕ）またはＣｕ合金の表面を、反応室においてアンモニアを含むプラズマを用いて処理するステップと、反応室にシランを導入するステップと、反応室においてＣｕまたはＣｕ合金の表面上にシリコンナイトライドキャップ層を堆積するステップとを含み、反応室にシランを導入することに先立って、約３０秒から約６０秒の時間をかけて、第１の圧力を約５０ｍ　Ｔｏｒｒから約１００ｍ　Ｔｏｒｒの第２の圧力に下げることを特徴とする。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
このような態様で、非常に信頼性の高いＣｕまたはＣｕ合金配線部材を有する半導体素子の製造方法が提供され、各合金配線部材には、シリコンナイトライドキャップ層がしっかりと接着されている。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
好ましくは、第１の圧力は、５　Ｔｏｒｒから８　Ｔｏｒｒの範囲内であり、シランは、シリコンナイトライドキャップ層の堆積が開始される前に、少なくとも１５０　ｓｃｃｍの流量に達するまで、反応室に徐々に導入される。さらに、銅または銅合金の表面の処理に先立って、反応室は、好ましくは３００℃から４２０℃の温度に加熱され、この後、反応室は、１　Ｔｏｒｒを超えない圧力で窒素を用いてパージされる。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
この発明のさらなる利点および他の好ましい特徴は、単に例としての添付の図面を参照して、以下の説明に示す。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
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