(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路デバイスの製造方法であって、
トレンチを有するバリアメタル層がＣＶＤまたはＰＶＤによるＴｉＮまたはＴａＮの堆積によって形成された基板を提供する工程と、
該バリアメタル層を、真空環境、水素ガス、アルゴンガス、およびヘリウムガスからなる群から選択された雰囲気において、０．１ｍＴｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒの範囲内の圧力で、３０〜１００秒の間、摂氏２５０〜５５０度の範囲内の温度にさらして、プリトリートメント済みのバリアメタル層を形成する工程と、
その後、ＣＶＤまたはＰＶＤによって、銅膜を、前記プリトリートメント済みのバリアメタル層の上に、前記トレンチ全体が埋め込まれるように堆積する工程と、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記トレンチの幅が０．１３μｍ以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記銅膜が金属有機ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）によって堆積される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅堆積の密着性およびトレンチ埋め込み特性を向上させる、銅を上に堆積する前に、バリアメタル表面を処理する方法、より具体的には、銅膜の堆積の前に、摂氏２００〜５５０度の範囲内の温度で、真空における、または、非反応ガス、例えば、水素、アルゴン、またはヘリウムを用いる高速熱処理をする間に、バリアメタル表面をプリトリートメントする方法に関する。高速熱プリトリートメント処理が、実質的に堆積された銅膜の密着性およびトレンチ埋め込み特性を向上させる。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路（ＩＣ）製造における金属化処理工程において直面する２つの難題として、銅（Ｃｕ）膜の、その下のバリアメタル層への良好な密着性を達成することと、狭いトレンチまたはビアにおける、銅膜の良好な隙間埋め込み特性を達成することがある。具体的にいうと、直径０．１３μｍ以下の狭いトレンチまたはビアを、化学蒸着法（ＣＶＤ）によって堆積された銅（Ｃｕ）で埋め、同時に、銅膜のその下のバリアメタル膜への良好な密着性を維持することが難題である。銅膜の不十分な密着性、または、狭いトレンチにおける銅膜の不均一な埋め込みは、使用できない、または信頼できない集積回路（ＩＣ）デバイスをもたらす。
【０００３】
銅膜の密着性および隙間埋め込み特性を高めるために、様々なプリトリートメント、および前駆化合物が用いられてきた。しかし、これらのプリトリートメントおよび前駆化合物は、しばしば、堆積された銅膜におけるバリエーションの原因となる。堆積された銅膜におけるこれらのバリエーションは、深刻な問題であり、これまで、ＩＣ処理におけるＣＶＤ銅膜の適用を妨げてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、銅膜のバリアメタル層の上への堆積性、密着性およびバリアメタル層の上に付与される銅のトレンチおよびビア埋め込み特性を向上させ、銅前駆物質によって引き起こされる銅堆積におけるバリエーションを低減させる、バリアメタル層をプリトリートメントする方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、集積回路デバイスの製造方法であって、トレンチを有するバリアメタル層がＣＶＤまたはＰＶＤによるＴｉＮまたはＴａＮの堆積によって形成された基板を提供する工程と、該バリアメタル層を、真空環境、水素ガス、アルゴンガス、およびヘリウムガスからなる群から選択された雰囲気において、０．１ｍＴｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒの範囲内の圧力で、３０〜１００秒の間、摂氏２５０〜５５０度の範囲内の温度にさらして、プリトリートメント済みのバリアメタル層を形成する工程と、その後、ＣＶＤまたはＰＶＤによって、銅膜を、前記プリトリートメント済みのバリアメタル層の上に、前記トレンチ全体が埋め込まれるように堆積する工程とを包含し、これにより上記目的が達成される。
【０００６】
好ましくは、前記トレンチの幅が０．１３μｍ以下である。
【０００７】
好ましくは、前記銅膜が金属有機ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）によって堆積される。
【００３０】
本発明の別の目的は、銅膜のその上への密着性を向上させる、バリアメタル層をプリトリートメントする方法を提供することである。
【００３１】
本発明のさらに別の目的は、上に付与される銅のトレンチおよびビア埋め込み特性を向上させる、バリアメタル層をプリトリートメントする方法を提供することである。
【００３２】
本発明のさらなる目的は、銅前駆物質によって引き起こされる、銅堆積におけるバリエーションを低減させる方法を提供することである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照すると、図１に、部分的に加工された集積回路（ＩＣ）デバイス１０が示されている。ＩＣデバイス１０は、基板１２と、低誘電係数（ｋ）層間誘電（ＩＬＤ）層１４と、その上に配置されたバリアメタル層１６とを含む。シリコンウエハ１０は、典型的には、銅膜を上に堆積する前に、インサイチュでのＣＶＤ、またはエクスサイチュでのＣＶＤ、あるいは、物理蒸着法（ＰＶＤ）のいずれかによって、バリアメタル膜１６で前もってコーティングされている。バリア層１６は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、または、当該技術において公知の他のこのようなバリアメタルを含み得る。層１４は、層１４を通って基板１２まで延びるトレンチまたはビア１８を含む。当業者であれば、基板１２は、任意の数、かつ／または様々な種類の層またはデバイスを含み得るが、説明を簡略にするために、単に基板と呼ばれていることを理解する。バリアメタル層１６は、層１４の上を完全に覆い、トレンチ１８の側壁および底面上に、均一に堆積されるか、または、そうでない場合には、均一に配置される。
【００３４】
トレンチ１８は、その中でバリアメタル層１６が下方に延びており、深さ２０が、層１４の厚さ２２とほぼ同等である。本発明に関しては、用語トレンチは、任意のタイプの、当該技術において公知のくぼみまたは凹部、例えば、トレンチまたはビアを意味する。また、トレンチは、非常に狭くなり得る幅または直径２４を含む。具体的には、幅２４は、０．１３μｍのオーダーまたはその周辺であり、概して、０．１５μｍ未満の範囲内に含まれる。トレンチまたはビア１８の幅が狭いので、銅（Ｃｕ）膜は、トレンチの壁２６および２８、ならびに底面３０の上に容易に堆積されない。さらに、銅膜のバリアメタル層への良好な密着性の達成を期待される従来技術の処理工程の結果として、しばしば、銅膜のトレンチまたはビアにおける隙間埋め込み特性が低下する場合が生じていた。
【００３５】
図２に、矢印３２で示す、プリトリートメント高速熱処理工程にかけられた図１のＩＣデバイスを示す。矢印３２は、バリアメタル層１６を、水素ガス（Ｈ2）、アルゴン（Ａｒ）、またはヘリウム（Ｈｅ）のような非反応ガス、あるいは真空環境にさらす工程を含むＲＴＰ工程の状態を表す。この処理の温度範囲は、典型的には、摂氏２００度より高く、好ましくは、摂氏２５０〜５５０度の間である。チャンバ圧は、典型的には、０．１ｍＴｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒの間であり、ＲＴＰ時間は、典型的には、３０〜１００秒の間である。このプリトリートメント処理は、銅前駆物質によって引き起こされ得る、後で堆積される銅膜におけるバリエーションをなくす。すなわち、本明細書中で開示されるＲＴＰは、前駆化合物におけるバリエーション、揮発性、または他の前駆物質の変異による影響を受けない。上記のＲＴＰ処理にかけられた後、バリアメタル層１６は、銅膜をその上に堆積するための準備が整う。
【００３６】
図３は、本発明の処理の銅堆積の工程の模式図である。銅堆積工程を矢印３４で表す。銅膜の堆積は、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、または、銅膜をバリアメタル層上に配置する、任意の他の公知の手段によって、行われ得る。好適な実施形態において、銅堆積工程３４は、プリトリートメントされた金属バリア層１６’上で均一、かつ薄い銅材料の層３４を達成するために、ＣＶＤを含む。銅のＣＶＤの条件は、当該技術において周知であり、本明細書中では、詳細に記載しない。
【００３７】
図４は、上記の高速熱プリトリートメント処理工程３２の後に、プリトリートメント済みのバリアメタル層１６’上に堆積された銅層３６の模式図である。銅膜の堆積の前に、高速熱処理工程を行うことによって、ＴｉＮ、またはＴａＮのような幅広い種類のバリアメタル表面上に堆積される、薄く、光沢があり、高密度に核生成され、密着性のある銅膜３６が得られる。銅膜３６は、層１６の上に、トレンチまたはビア１８の上にも全体にわたって、均一に分布される。具体的には、銅層３６は、トレンチまたはビア１８において、トレンチまたはビア全体が銅材料で埋め込まれ、銅層に、キーホールまたは他のこのようなバリエーションが含まれないように堆積される。プリトリートメント済みのバリアメタル層１６’上に堆積された密着性銅膜３６は、従来のテープ試験に耐え、従来技術によって堆積された銅膜とは異なり、プリトリートメント済みのバリアメタル層１６’から剥離したり、はぎ取られたりしない。従って、堆積された銅膜は、従来技術の銅堆積処理と比較して、優れた密着性およびトレンチ埋め込み特性を有する。さらに、本発明の高速熱処理工程は、他の表面処理、例えばプラズマ処理と比較して、この処理の利点となる、等方特性を有する。具体的には、本発明の高速熱処理工程３２によって、より良好な工程の有効範囲とトレンチ埋め込みが得られる。従って、本明細書中で開示する処理は、ＩＣデバイスの製造において、金属有機ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）銅を用いることを可能にする技術である。
【００３８】
図５は、本発明の処理のフローチャートである。工程５０は、部分的に加工された集積回路（ＩＣ）デバイス１０を提供する工程を含む。ＩＣデバイス１０は、基板１２と、低誘電係数（ｋ）層間誘電（ＩＬＤ）層１４と、その上に形成されたバリアメタル層１６とを含み、層１６は、典型的には、１つ以上のトレンチまたはビア１８を含む。その後、ＩＣデバイスは、プリトリーメント後に高速熱処理工程にかけられる。プリトリートメント処理の第１の工程５２は、利用されるガス条件を選択する工程を含む。工程５２は、バリアメタル層１６を、水素ガス（Ｈ2）、アルゴン（Ａｒ）、またはヘリウム（Ｈｅ）のような非反応ガス、あるいは真空環境にさらす工程を含む。工程５４は、処理における温度を選択する工程を含む。処理における温度は、典型的には、摂氏２００度より高く、好ましくは、摂氏２５０〜５５０度の間の温度である。工程５６は、チャンバ圧を選択する工程を含む。チャンバ圧は、典型的には、０．１ｍＴｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒの間の圧力である。工程５８は、処理時間を選択する工程を含む。処理時間は、典型的には、３０〜１００秒の間の時間の時間である。工程６０は、ＩＣデバイス、具体的には、バリアメタル層１６を、上で選択された真空／ガス、温度、および圧力に選択された時間さらす工程を含む。このプリトリートメント処理によって、図４において層１６’として示す、銅膜を上に堆積する準備が整った、プリトリートメント済みのバリアメタル層が得られる。工程６２は、当該技術において公知の処理工程によって、銅膜をプリトリートメント済みのバリアメタル層１６’上に堆積する工程を含む。工程６２における銅膜の堆積は、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、または、銅膜をバリアメタル層上に配置する、任意の他の公知の手段によって、行われ得る。好適な実施形態において、銅膜は、バリアメタル層上の膜付与特性が優れているＣＶＤによって堆積される。
【００３９】
好適な実施形態において、基板上へのバリア層の堆積、ＲＴＰ処理、および銅膜の堆積は、全て、インサイチュで（真空から出ることなく、しかし異なる処理チャンバ内で）達成され得、そのことによって、製造処理における効率およびコスト効果が促進される。当然、工程は、エクスサイチュで（真空から出て、空気に露出されて）行われてもよいし、インサイチュ工程とエクスサイチュ工程とを組み合わせて行われてもよい。
【００４０】
従って、銅膜が上に堆積される改良されたＩＣデバイス、およびこのようなＩＣデバイスを製造する高速熱プリトリートメント処理が開示されてきた。デバイスを製造する好適な構造および方法が開示されたが、添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる変形および改良が行われ得ることが理解されるべきである。
【００４１】
高速熱（ＲＴＰ）処理は、インサイチュでのＣＶＤ、またはエクスサイチュでのＣＶＤ、あるいは、物理蒸着法（ＰＶＤ）のいずれかによって、バリアメタル膜で前もってコーティングされたシリコンウェハが、銅膜を上に堆積する前に、摂氏３００〜５５０度の間の温度範囲内で、水素ガス（Ｈ2）、アルゴン（Ａｒ）、またはヘリウム（Ｈｅ）のような非反応ガス、あるいは真空環境においてプリトリートメントされる工程を提供する。チャンバ圧は、典型的には、０．１ｍＴｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒの間であり、ＲＴＰ時間は、典型的には、３０〜１００秒の間である。銅膜の堆積の前に、この高速熱処理工程を行うことによって、幅広い種類のバリアメタル表面上に堆積される、薄く、光沢があり、高密度に核生成され、密着性のある銅膜３６が得られる。このプリトリートメント処理は、銅前駆物質によって引き起こされ得る、後で堆積される銅膜におけるバリエーションをなくす。すなわち、本明細書中で開示されるＲＴＰは、前駆化合物におけるバリエーション、揮発性、または他の前駆物質の変異による影響を受けない。従って、本明細書中で開示する処理は、ＩＣデバイスの製造において、金属有機ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）銅を用いることを可能にする技術である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明により、銅膜のバリアメタル層の上への堆積性、密着性およびバリアメタル層の上に付与される銅のトレンチおよびビア埋め込み特性を向上させ、銅前駆物質によって引き起こされる銅堆積におけるバリエーションを低減させる、バリアメタル層をプリトリートメントする方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、基板上に堆積されたバリアメタル層の模式図である。
【図２】図２は、本発明のプリトリートメント後に高速熱処理工程にかけられるバリアメタル層の模式図である。
【図３】図３は、本発明の処理の銅堆積工程の模式図である。
【図４】図４は、高速熱プリトリートメント処理工程の後のバリアメタル層上に堆積された銅層の模式図である。
【図５】図５は、本発明の処理のフローチャートである。
【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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