(57)【要約】【課題】集積回路を製造する際に使用するための金属パターニング・プロセスを提供する。【解決手段】一実施形態において、相互接続部製造のためのハイドロフルオロカーボン・ガス支援プラズマ・エッチングのための方法は、誘電体材料の層を設けるステップと、攻撃性誘電体エッチング・ガスと重合性エッチング・ガスの混合物を誘電体材料の層に適用することによって、誘電体材料の層にトレンチをエッチングするステップと、を含む。別の実施形態において、集積回路は、複数の半導体デバイス、および複数の半導体デバイスを接続する複数の導電性配線を含む。複数の導電性配線のピッチは、およそ２８ナノメートルである。【選択図】図５【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、
誘電体材料の層を設けるステップと、
攻撃性誘電体エッチング・ガスと重合性エッチング・ガスの混合物を前記誘電体材料の前記層に適用することによって前記誘電体材料の前記層にトレンチをエッチングするステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記攻撃性誘電体エッチング・ガスがフルオロカーボン・ガスを含み、前記重合性エッチング・ガスがハイドロフルオロカーボン・ガス化合物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記混合物が重合性エッチング・ガス１に対して、およそ２０〜４０の割合の攻撃性誘電体エッチング・ガスを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記攻撃性誘電体エッチング・ガスが四フッ化炭素を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記攻撃性誘電体エッチング・ガスが六フッ化硫黄を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記攻撃性誘電体エッチング・ガスが三フッ化窒素を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記重合性エッチング・ガスが過フルオロシクロブタンを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記重合性エッチング・ガスがヘプタフルオロシクロペンテンを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記トレンチに導電性金属を堆積させて導電性配線を形成するステップ、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記誘電体材料の前記層の真下にキャッピング層を設けるステップであって、前記エッチングが前記キャッピング層で停止する、前記ステップ、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
方法であって、
キャッピング層を設けるステップと、
前記キャッピング層のすぐ上に誘電体材料の層を設けるステップと、
前記誘電体材料の前記層のすぐ上にマスク層を設けるステップと、
前記マスク層をパターニングして前記誘電体材料の前記層の一部を露出させるステップと、
前記誘電体材料の前記層の前記一部をエッチングして複数のトレンチを形成するステップであり、前記エッチングが攻撃性誘電体エッチング・ガスと重合性エッチング・ガスの混合物を使用して行われ、前記エッチングが前記キャッピング層で停止する、前記ステップと、
導電性金属によって前記複数のトレンチを充填して複数の導電性配線を形成するステップと、
を含む、方法。
【請求項１２】
前記攻撃性誘電体エッチング・ガスがフルオロカーボン・ガスを含み、前記重合性エッチング・ガスがハイドロフルオロカーボン・ガス化合物を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記混合物が重合性エッチング・ガス１に対して、およそ２０〜４０の割合の攻撃性誘電体エッチング・ガスを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記攻撃性誘電体エッチング・ガスが四フッ化炭素を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記攻撃性誘電体エッチング・ガスが三フッ化窒素を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記攻撃性誘電体エッチング・ガスが六フッ化硫黄（ＳＦ６）を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記重合性エッチング・ガスがヘプタフルオロシクロペンテンを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記重合性エッチング・ガスが過フルオロシクロブタンを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
集積回路であって、
複数の半導体デバイスと、
前記複数の半導体デバイスを接続する複数の導電性配線であり、前記複数の導電性配線のピッチがおよそ２８ナノメートルである、前記複数の導電性配線と、
を備える、集積回路。
【請求項２０】
前記複数の導電性配線のそれぞれが、
導電性金属の配線と、
前記導電性金属と誘電体材料との間に直接配置された炭素含有層と、
を含む、請求項１９に記載の集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に集積回路に関し、より詳細には集積回路を製造する際に使用するための金属パターニング・プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路は、通常、金属相互接続部（または「配線」）を使用してＩＣ上のトランジスタおよび他の半導体デバイスを接続する。これらの相互接続部は、典型的には、個々の半導体デバイスがウェーハ上に形成された後に、後工程（ＢＥＯＬ）プロセス中に製造される。
【０００３】
これらの相互接続部は、典型的には、下にある絶縁層（例えば、酸化シリコン）が開放トレンチと共にパターニングされる、付加的なダマシン・プロセスを使用して製造される。その後、絶縁層上に導電性金属を堆積させることによって、トレンチを金属で充填する。金属は、絶縁層の頂部まで除去されるが、トレンチ内部に留まってパターニングされた導体を形成する。絶縁体と金属の連続した層がこのダマシン・プロセスに従って形成され、結果として多層の金属相互接続構造体が得られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
集積回路を製造する際に使用するための金属パターニング・プロセスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態において、相互接続部製造のためのハイドロフルオロカーボン・ガス支援プラズマ・エッチングのための方法は、誘電体材料の層を設けるステップと、攻撃性（アグレッシブ）誘電体エッチング・ガスと重合性（ポリマライジング）エッチング・ガスの混合物を誘電体材料の層に適用することによって、誘電体材料の層にトレンチをエッチングするステップと、を含む。
【０００６】
別の実施形態において、相互接続部製造のためのハイドロフルオロカーボン・ガス支援プラズマ・エッチングのための方法は、キャッピング層を設けるステップと、キャッピング層のすぐ上に誘電体材料の層を設けるステップと、誘電体材料の層のすぐ上にマスク層を設けるステップと、を含む。マスク層は、誘電体材料の層の一部を露出させるためにパターニングされ、次いで誘電体材料の層の一部がエッチングされて複数のトレンチを形成する。エッチングは、攻撃性誘電体エッチング・ガスと重合性エッチング・ガスの混合物を使用して行われ、エッチングがキャッピング層で停止する。複数のトレンチは、複数の導電性配線を形成するために導電性金属で充填される。
【０００７】
別の実施形態において、集積回路は、複数の半導体デバイス、および複数の半導体デバイスを接続する複数の導電性配線を含む。複数の導電性配線のピッチは、およそ２８ナノメートルである。
【０００８】
本発明の上記の特徴を詳細に理解することができるように、一部が添付図面に示される実施形態を参照することによって本発明のより具体的な説明を行うことができる。しかしながら、添付された図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示し、その範囲を限定すると考えられるべきではなく、その理由は、本発明が他の等しく効果的な実施形態を受け入れることができるためであることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態による、集積回路の製造の段階を示す断面図である。
【図２】本開示の実施形態による、集積回路の製造の段階を示す断面図である。
【図３】本開示の実施形態による、集積回路の製造の段階を示す断面図である。
【図４】本開示の実施形態による、集積回路の製造の段階を示す断面図である。
【図５】本開示の実施形態による、集積回路の製造の段階を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
一実施形態において、相互接続部製造のためのハイドロフルオロカーボン・ガス支援プラズマ・エッチングのための方法および装置が開示される。金属相互接続部は、典型的には、集積回路製造の後工程（ＢＥＯＬ）段階中に形成される。例えば、フルオロカーボン・ガスを使用するドライエッチング・プロセスを用いて、集積回路の誘電体層にトレンチを画成することができる。次いで、導電性金属をトレンチに堆積させて相互接続部を形成する。四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、または三フッ化窒素（ＮＦ３）などの低重合フルオロカーボン・ガスを使用して、良好な配線バイア間接続を提供するトレンチを画成することができるが、そのようなガスは、ハードマスク層に対して選択性がなく、相互接続部のパターン寸法を維持しない傾向がある。過フルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）、ヘキサフルオロブタジエン（Ｃ４Ｆ６）、オクタフルオロシクロペンテン（Ｃ５Ｆ８）、フルオロメタン（Ｃｈ３Ｆ）、フルオロホルム（ＣＨＦ３）、またはヘプタフルオロシクロペンテン（Ｃ５ＨＦ７）などの高重合フルオロカーボン・ガスを使用して、より良好な選択性を実現することができ、パターン寸法を維持することができるが、これらのガスは、アスペクト比依存性エッチングおよびエッチング停止になる傾向があり、結果として配線バイア間接続が貧弱になる。アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）などの追加のガスを添加して、解離、混合を促進し、結果として生じる配線プロファイルを改善することができる。
【００１１】
本発明の実施形態は、攻撃性誘電体エッチング・ガスと重合性エッチング・ガスの混合物を使用して、集積回路の誘電体層内にトレンチのパターンをエッチングする。本開示の文脈の範囲では、攻撃性誘電体エッチング・ガスは、堆積物を最小限に抑える即効性の非選択性化学エッチング剤であると理解される。重合性エッチング・ガスは、トレンチの垂直側壁を不動態化し、側壁を攻撃性誘電体エッチング・ガスによる損傷および横方向エッチングから保護する。結果として生じるトレンチは、ターゲット・パターン寸法および側壁プロファイルを維持し、小さくて高密度のパターンを形成することを可能にする。さらに、エッチングを迅速に、かつ最小限の無反応性イオンエッチング・ラグで行うことができる。
【００１２】
図１〜図５は、本開示の実施形態による、集積回路１００の製造の様々な段階を示す断面図である。そのため、図１〜図５は、ひとまとめにして、本発明による集積回路１００を製造するための方法の一実施形態の一部分を示す流れ図としての役目も果たす。
【００１３】
特に、図１は、処理の中間段階の、すなわち、前工程処理の完了後ではあるが、後工程処理の完了前の集積回路１００を示す。言いかえれば、集積回路１００は、図１に示す形態では開始しないが、図示されていないが当業者にはよく知られているいくつかの処理ステップにわたって、図示する構造に発展することができる。
【００１４】
集積回路１００は、一般にフロントエンド１０２を備え、このフロントエンド１０２は、例えば、結晶シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、または他の半導体材料から形成された半導体ウェーハ１０４、および半導体ウェーハ１０４上に形成されたゲート１０６１〜１０６ｎ（以降、ひとまとめにして「ゲート１０６」と呼ばれる）のパターンなどの個々の未接続の構造のパターンを含むことができる。ゲート１０６は、いくつかのトランジスタまたは他の半導体デバイスあるいはその両方を構成することができる。明瞭にする目的で、集積回路１００のフロントエンド１０２は、簡略化された形態で示されている。
【００１５】
本開示の一実施形態は、フロントエンド１０２上にキャッピング層１０８を堆積させる。一実施形態において、キャッピング層１０８は、例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、シリコン炭窒化物（ＳｉＣＮ）、またはシリコンオキシ炭窒化物（ＳｉＣｘＮｙＯｚ）から形成されてもよい。キャッピング層１０８は、例えば、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）によって堆積させることができる。誘電体層１１０は、キャッピング層１０８上に直接堆積し、低ｋ誘電体、超低ｋ誘電体（ＵＬＫ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、または他の誘電体材料などの多孔性誘電体材料から形成されることがある。誘電体層１１０もＰＥＣＶＤによって堆積させることができる。次いで、マスク層１１２を誘電体層１１０上に直接堆積させる。マスク層１１２は、金属、窒化シリコン（ＳｉＮ）、フォトレジスト、または他の材料から形成されてもよい。一例において、マスク層１１２は、（例えば、レジスト、シリコン含有反射防止コーティング（ＳｉＡＲＣ）、および炭素ハードマスクの層を含むことができる）３層レジストなどの多層マスクを含む。マスク層１１２は、フォトレジストから構成されている場合は、スピン・コーティングによって堆積させることができる。ひとまとめにして、キャッピング層１０８、誘電体層１１０、およびマスク層１１２は、集積回路１００のバックエンド１１４の始まりを形成する。
【００１６】
図２に示すように、マスク層１１２は、誘電体層１１０の一部を露出させるためにパターニングされる。一実施形態において、マスク層１１２は、光リソグラフィまたは直接描画電子ビームリソグラフィなどのフォトリソグラフィ技術を使用してパターニングされる。一実施形態において、フォトリソグラフィ技術は、図２に示すマスク層１１２の一部を除いて、誘電体層１１０までのマスク層１１２の除去を可能にするポジ型レジストを含む。
【００１７】
次に、図３に示すように、誘電体層１１０は、攻撃性誘電体エッチング・ガスと重合性エッチング・ガスの混合物を使用してエッチングされる。したがって、攻撃性誘電体エッチング・ガスおよび重合性エッチング・ガスは、混合物の状態で同時に適用される。攻撃性誘電体エッチング・ガスは、例えば、四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、または三フッ化窒素（ＮＦ３）などのフルオロカーボン・ガスを含むことができる。重合性エッチング・ガスは、例えば、ヘプタフルオロシクロペンテン（Ｃ５ＨＦ７）などのハイドロフルオロカーボン・ガス化合物を含むことができる。他の例では、重合性エッチング・ガスは、過フルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）、ヘキサフルオロブタジエン（Ｃ４Ｆ６）、オクタフルオロシクロペンテン（Ｃ５Ｆ８）、またはフルオロメタン（Ｃｈ３Ｆ）、フルオロホルム（ＣＨＦ３）を含むことができる。一実施形態において、ガスの混合物は、重合性エッチング・ガス１に対して、およそ２０〜４０の割合の攻撃性誘電体エッチング・ガスを含む。比率は、設計要件に基づいて必要に応じて調整され得る。例えば、より太い相互接続部が望まれる場合は、より高い濃度の攻撃性誘電体エッチング・ガスが有用である場合がある。ほとんどの比率は、摂氏−１０°〜摂氏６０°の範囲内で望ましい結果を生成する。
【００１８】
攻撃性エッチング・ガスは、マスク層１１２の残留する部分の直下には存在しない誘電体層１１０の部分を、選択性エッチング停止として機能するキャッピング層１０８まで除去する。エッチングは、結果として誘電体層１１０に１つまたは複数のトレンチ１１６１〜１１６ｍ（以降、ひとまとめにして「トレンチ１１６」と呼ばれる）を形成する。攻撃性エッチング・ガスが誘電体材料を除去するにつれ、重合性エッチング・ガスは、トレンチ１１６の露出した垂直側壁上に（不動態化層１１８によって示されるような）炭素リッチな層を堆積させる。したがって、不動態化層１１８は、多孔性誘電体層１１０の部分を、攻撃性エッチング・ガスへの長時間暴露による損傷から保護する。
【００１９】
次に、図４に示すように、（例えば、プラズマ・エッチングによって）マスク層１１２が剥がされ、ウェット洗浄される。これによって、結果として不動態化層１１８も除去される。次いで、導電性金属層１２０を誘電体層１１０上に直接堆積させる。導電性金属層１２０は、誘電体層１１０中のトレンチ１１６を充填し、それによって、集積回路１００のバックエンド１１４に微細な配線または相互接続部のパターンを形成する。導電性金属層１２０は、例えば、銅（Ｃｕ）、銅合金、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、または揮発性種を容易には形成しないその他の材料を含むことができる。導電性金属層１２０の堆積は、電気めっきまたは他の堆積技法あるいはその両方によって行われてもよく、誘電体層１１０上のバリヤー層の堆積が先行して行われても、行われなくてもよい。
【００２０】
次に、図５に示すように、導電性金属層１２０は、（例えば、化学機械平坦化または他の技法によって）誘電体層１１０まで平坦化される。導電性金属層の残留する部分（例えば、トレンチを充填する部分）は、薄い導電性配線または相互接続部１２２１〜１２２ｍ（以降、ひとまとめにして「相互接続部１２２」と呼ばれる）のパターンを形成する。
【００２１】
集積回路１００の追加の層を形成するために追加の製造ステップが続いてもよい。例えば、相互接続部の追加の層は、上記の技法または他の技法あるいはその両方を使用して形成されてもよい。加えて、相互接続部を製造するための上記のプロセスを使用して、バイアおよびコンタクトを含む集積回路１００の他の構成要素を製造することができる。したがって、開示された技法の用途は、相互接続部の製造に限定されない。
【００２２】
重合性エッチング・ガスによる垂直トレンチ側壁の不動態化のおかげで、図示したプロセスの結果として形成された相互接続部は、精密な寸法（例えば、トレンチおよびバイアの幅）を有する平らで均一なプロファイルを有する。これによって、小さくて密なパターンの高歩留りの相互接続部を製造することが可能になる。例えば、およそ２８ナノメートルもの小さなピッチを有するパターン密度を得ることができる。さらに、重合性エッチング・ガスと攻撃性誘電体エッチング・ガスの混合物は、パターン依存性エッチング速度の発生を低減させる。攻撃性誘電体エッチング・ガスがエッチング・ガス混合物の大部分を形成するため、トレンチの垂直エッチング速度は、実際上かなり速いが、重合性エッチング・ガス中の水素は、攻撃性誘電体エッチング・ガス中のフッ素の一部を除去し、これによってトレンチ側壁上により炭素リッチな層を堆積させることが可能になる。
【００２３】
前述の事項は、本発明の実施形態に向けられているが、本発明の他のおよびさらなる実施形態（コンタクトおよびバイアレベルのエッチングに関係する実施形態など）が本発明の基本的な範囲から逸脱せずに考案されてもよい。本明細書に提示された様々な実施形態またはその一部を組み合わせて、さらなる実施形態を作り出すことができる。さらに、頂部、側部、底部、前部、後部などの用語は、相対的なまたは位置的な用語であり、図に示された例示的な実施形態に関して使用され、そのため、これらの用語は、交換可能であってもよい。
【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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【国際調査報告】
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