(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハー上に２層拡散バリアーを析出させる方法であって、この場合２層拡散バリアーが、下部の窒化タンタル（ＴａＮ）層と、その上にあって、導通線用の、特に銅導通線用の担持層としてのタンタル（Ｔａ）層とから成る前記方法において、高温析出段階において、２００℃以上の半導体ウェーハーの温度でＴａＮ層を析出させ、次に低温析出段階において、５０℃以下の半導体ウェーハーの温度でＴａ層を析出させることを特徴とする方法。
【請求項２】
低温析出を２５℃で行うことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
Ｔａ層の析出を、半導体ウェーハーを冷却して５０℃以下の温度を有している間に行うことを特徴とする、請求項１から２までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項４】
ＴａＮ層およびＴａ層の析出をＰＶＤ析出装置内で行い、その際ＴａＮ層の析出を窒素雰囲気で行なうことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
吸着物を半導体ウェーハーから解離させる脱気段階と、スパッタリングにより、半導体ウェーハー上の露出した金属導通線から金属酸化物層を除去するプレクリーン段階との後、半導体ウェーハーをその際に達した２００℃ないし３００℃の基板温度でＰＶＤチャンバー内において、２５℃に調温した静電チャック（ＥＳＣ）上にチャックさせずに置き、ＴａＮ層を窒素雰囲気で析出させ、ＴａＮ層の析出後、過剰の窒素をＰＶＤチャンバーから吸い出すようにして、ＴａＮ層とＴａ層との析出を同じＰＶＤチャンバー内で行ない、次にＥＳＣ上の半導体ウェーハーをチャックし、窒素に乏しい雰囲気でＴａ層を低温に冷却して析出させることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
吸着物を半導体ウェーハーから解離させる脱気段階と、スパッタリングにより、半導体ウェーハー上の露出した金属導通線から金属酸化物層を除去するプレクリーン段階との後、半導体ウェーハーをその際に達した２００℃ないし３００℃の基板温度で第１のＰＶＤチャンバー内において、２５０℃ないし３００℃に調温した静電チャック（ＥＳＣ）上に置き、チャックし、次にＴａＮ層を窒素雰囲気で析出させるようにしてＴａＮ層の析出を第１のＰＶＤチャンバー内で行なうこと、次に、半導体ウェーハーを第２のＰＶＤチャンバー内で、５０℃以下に調温したＥＳＣでチャックすること、半導体ウェーハーをチャック温度に冷却している間にＴａ層を析出させることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
低温にあり、ＴａＮ層およびＴａ層で被覆した半導体ウェーハーを、Ｃｕ−ＰＶＤチャンバーまたはＣＶＤチャンバー内で銅初層で被覆させることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、半導体ウェーハー上に２層拡散バリアーを析出させる方法に関し、有利には２層拡散バリアーが、窒化タンタル（ＴａＮ）層と、その上にあって、導通線、特に結線面の銅導通線用の担持層としてのタンタル（Ｔａ）層とから成る前記方法に関するものである。
【０００１】
通常、超小型モジュールの結線面の導通線はアルミニウムからなっているが、これには導電性と実現可能な構造幅とに関し限界がある。このため、最近では、導通線に対し銅を使用する技術が開発され、その中核はデュアルダマシン・コンセプト、或いは象眼コンセプトを成している(D. Edelstein, J. Heidenreich, R. Goldblatt, W. Cote, C. Uzoh, N. Lustig, P. Poper, T. McDevitt, W. Motsiff, A. Simon, J. Dukovic, R. Wachnik, H. Rathore, R. Schulz, L. Su, S. Luce, J. Slattery, IEEE VLST Tec. Symp. 1997) 。この技術では、まず第１段階で、金属間誘電体の平面析出させた酸化シリコン層に接続穴および導通線のネガティブフォームをエッチングさせる。このネガティブフォームに、スパッタリングによりバリアーと銅初層とを析出させる。銅初層は電気化学的に、或いはＣｕ−ＰＶＤ（Physical Vapour Deposition）またはＣＶＤ(Chemical Vapour Deposition)により析出させることができる。その後、低温で電気化学的にネガティブフォーム全体に銅を充填させる。半導体ウェーハー上にさらに層を構築させるためには、完全に平らな表面が必要であるので、次に、過剰の銅を化学機械的な研磨（ＣＭＰ）により除去し、その結果酸化シリコン内に接続穴と導通線とが残ることになる。
【０００２】
導通線に対しアルミニウムの代わりに銅を使用するためには、適当なバリアー処理により銅を完全にカプセリングして、銅がシリコン内または金属間酸化シリコン内へ拡散しないようにする必要がある。
【０００３】
酸化シリコンに対する拡散バリアー処理として、最近では、窒化チタン、タンタル、窒化タンタルから成る単層系がとりわけ知られるようになった(P. Ding, T. Chiang, R. Tao, B. Sun, I. Hashim, T. Yao, L. Chen, G. Yao, B. Chin, R. Mosley, Z. Xu, F. Chen; Conference Proceedings VMIC Conference,6 月, 第10−12頁,1997)。
【０００４】
バリアー構造の総じて有利なモフォロジー特性を活用することによりバリアー層全体の層抵抗を低減させ、よって接続穴抵抗を低減させ、或いはバリアー強度を最適化するため、たとえば欧州特許出願ＥＰ０７５１５６６Ａ２から読み取れるように、たとえば窒化チタン／タンタルからなる２層系をバリアーとして使用する試みも行なわれた。ＴａＮ／Ｔａからなる２層系を使用すると、タンタル層の下にある薄いＴａＮ層によりバリアー強度が向上するとともに、すでに２００℃前後においてタンタルの低抵抗ａ相を形成させることができる。このようなタンタル層は、本来、４００℃以上の受け入れ難い析出温度でしか実現することができないものである。この２層バリアーの他の利点は、酸化シリコンに対して、また銅に対しても、最適な付着が達成できることにある。
【０００５】
この種の２層系は、通常ＰＶＤチャンバー内で所定の固定温度で析出される。この場合適用される温度は２００℃以上であるが、このように高温で析出させると、上にバリアーが析出されるシリコンウェーハーをその後５０℃以下の温度へ冷却させねばならないという欠点がある。その理由は、同形の、隙間のない銅膜を形成させ、且つ銅が集塊化しないようにするために、銅初層を低温で析出させる必要があるからである。シリコンウェーハーを冷却する必要があるので非常に時間がかかり、スパッタリング装置の処理率を制限させるか、或いは付加的な冷却チャンバーにより設備コストを増大させる。
【０００６】
拡散バリアーの析出のため、或いはシードの析出のため、半導体ウェーハーを予め脱気または調温段階において１００℃以上で処理し、次にプレクリーン段階においてアルゴンにより２５０℃−３００℃で処理するようにしたプロセス制御が行なわれている。その直後にＴａＮ層が、そして次にＴａ層がほぼ２５０℃でスパッタリングされる。低温度でＣｕの析出を行なわねばならないので、半導体ウェーハーは他のプロセス段階において５０℃−２５℃へ冷却される。この冷却過程は別個の冷却チャンバーで行なうこともできる。続いて銅初層を２５℃で析出させることができる。
【０００７】
そこで本発明の課題は、半導体ウェーハー上に２層拡散バリアーを析出させる方法において、層析出クオリティが均一で、付加的な設備コストを要することなく著しく時間を節約できる前記方法を提供することである。
【０００８】
本発明の上記課題は、冒頭で述べた種類の方法において、２層拡散バリアーの析出を２段階プロセスで行い、第１の段階において、半導体ウェーハーの高温状態でＴａＮ層の析出を行ない、次に室温範囲の低温でＴａ層の析出を行なうことによって解決される。
【０００９】
場合によっては、吸着物を除去するため、２層バリアー層を析出させる前に半導体ウェーハーをまず脱気または調温段階で処理し、接続穴の底部において露出している金属導通線の金属酸化物層を次のプレクリーン段階で物理的なスパッタリング効果により除去してもよい。
【００１０】
ＴａＮ層の高温析出を２００℃以上の温度で行い、Ｔａ層の低温析出を５０℃以下の温度で、たとえば２５℃で行なうのが有利である。
【００１１】
２層析出を特に時間的に最適に行なうことができるように、本発明の有利な実施形態では、Ｔａ層の析出は半導体ウェーハーを冷却して５０℃以下の温度を有している間に行なわれる。
【００１２】
本発明の他の有利な実施形態は、ＴａＮ層およびＴａ層の析出をＰＶＤ析出装置内で行い、その際ＴａＮ層の析出を窒素雰囲気で行なうことを特徴としている。
【００１３】
本発明の特に有利な形態では、ＴａＮ層とＴａ層との析出を同じＰＶＤチャンバー内で行ない、それを、吸着物を半導体ウェーハーから解離させる脱気段階と、スパッタリングにより、半導体ウェーハー上の露出した金属導通線から金属酸化物層を除去するプレクリーン段階との後、半導体ウェーハーをその際に達した２００℃ないし３００℃の基板温度でＰＶＤチャンバー内において、２５℃に調温した静電チャック（ＥＳＣ）上にチャックさせずに置き、ＴａＮ層を窒素雰囲気で析出させ、ＴａＮ層の析出後、過剰の窒素をＰＶＤチャンバーから吸い出すようにして行う。次にＥＳＣ上の半導体ウェーハーをチャックし、窒素に乏しい雰囲気でＴａ層を低温に冷却して析出させる。
【００１４】
１つのＰＶＤチャンバー内での拡散バリアーの２層析出の代わりに、ＴａＮ層とＴａ層とを別個のＰＶＤチャンバー内で析出させてもよい。この目的のため、本発明の特別な変形実施形態では、吸着物を半導体ウェーハーから解離させる脱気段階と、スパッタリングにより、半導体ウェーハー上の露出した金属導通線から金属酸化物層を除去するプレクリーン段階との後、半導体ウェーハーをその際に達した２００℃ないし３００℃の基板温度で第１のＰＶＤチャンバー内において、ほぼ２５０℃ないし３００℃に調温した静電チャック（ＥＳＣ）上に置き、チャックし、次にＴａＮ層を窒素雰囲気で析出させる。次に、半導体ウェーハーを第２のＰＶＤチャンバー内で、５０℃以下に調温したＥＳＣでチャックし、半導体ウェーハーをチャック温度に冷却している間にＴａ層を析出させる。
【００１５】
半導体ウェーハーは、第２のバリアー層の析出後すでに銅初層の析出のために低温になっているので、本発明の他の構成によれば、ＴａＮ層およびＴａ層で被覆した半導体ウェーハーを、これに引き続いてすぐにＣｕ−ＰＶＤチャンバー内で銅初層で被覆させる。
【００１６】
ＴａＮとＴａとからなる中間バリアーを析出させるための本発明による方法の主要な利点は、両層の析出を極めて短時間で行なうことができ、しかも全層抵抗またはそのモフォロジー特性は、２５０℃で両層をセットで析出させる方法に比べてほとんど違いがないことである。
【００１７】
本発明による方法は、銅金属被覆用の拡散バリアーを形成させるためのみにその適用が限定されるものではなく、一般に、特に金属の拡散を防止すべき拡散層の形成のために適している。この種の金属はたとえばプラチナ、アルミニウム、或いはタングステンである。
【００１８】
次に、本発明を２つの実施形態に関しより詳細に説明する。両実施形態の基本的な違いは、第１実施形態ではＴａＮ層とＴａ層との析出を同じＰＶＤチャンバー内で行うのに対し、第２実施形態ではこの析出を２つの別個のＰＶＤチャンバー内で行なう点である。
【００１９】
ＴａＮ層とＴａ層とを１つのＰＶＤチャンバー内で析出させる場合、半導体ウェーハーはまず基準にしたがって脱気およびプレクリーンで前処理されたものとする。脱気およびプレクリーンにより、まず吸着物を真空中でほぼ３００℃で基板表面から解離させる。次のプレクリーン段階では、物理的なスパッタリング効果により、接続穴の底部において露出している下方の金属導通線の金属酸化物層を除去して、可能な限り小さな接続抵抗を達成させる。
【００２０】
上記２つのプロセス段階後、シリコンウェーハーはすでに２５０℃ないし３００℃の基板温度を有する。
【００２１】
ここで半導体ウェーハーをＰＶＤチャンバー内へ導入し、その静電チャック（ＥＳＣ）を５０℃以下の温度、有利には２５℃以下の温度に温度調整する。しかし、ＴａＮ層の析出は２００℃以上で行なわねばならないので、半導体ウェーハーはＥＳＣでチャックされず、その結果半導体ウェーハーとチャックとの間に強い熱的カップリングはない。これに引き続いて、窒素雰囲気で（数ｍＴのＮ２）、数１０ｎｍの厚さの薄いＴａＮ層の析出を行なう。基板温度はまだ２５０℃ないし３００℃であり、ＴａＮの析出により基板温度はまだ上昇することができるので、所望のモフォロジー特性を持ったＴａＮ層の析出を必要な温度で行なう。ＴａＮ層の析出後、過剰の窒素をＰＶＤチャンバーから吸出し、同時に半導体ウェーハーをＥＳＣでチャックする。これにより半導体ウェーハーとチャックとの間に好適な熱的接触が形成され、その結果これにより直接基板の冷却が始まる。この時点で、チャンバーのタイプに応じて数ｋＷのスパッタリング出力でＴａ層を析出させる。この方法の利点は、Ｔａ析出後半導体ウェーハーがすでに銅析出に必要な５０℃以下の低温を有しており、付加的な冷却過程を必要としないことである。よって、ＴａＮとＴａとで被覆したシリコンウェーハーを引き続いてすぐにＣｕ−ＰＶＤチャンバーまたはＣＶＤチャンバー内へ移送することができ、そこでまず銅初層が析出される。
【００２２】
以下に説明する第２実施形態では、ＴａＮ層とＴａ層との析出は別個のＰＶＤチャンバー内で行なう。２つのＰＶＤチャンバーを使用する場合も、前述したように脱気とプレクリーンとにより半導体ウェーハーの前処理を行ない、この場合半導体ウェーハーをこのプロセス段階で達した２５０℃ないし３００℃の基板温度で第１のＰＶＤチャンバー内へ移動させ、そこでＥＳＣでチャックする。このＥＳＣはほぼ２５０℃ないし３００℃に温度調整されている。したがって半導体ウェーハーは２５０℃ないし３００℃の温度に制御されたままなので、数１０ｎｍの薄いＴａＮ層を窒素雰囲気で析出させることができる。これに引き続き、半導体ウェーハーを、チャックが５０℃以下の温度にある次のＰＶＤチャンバー内へ導入し、半導体ウェーハーをＥＳＣでチャックする。この場合、ＥＳＣと半導体ウェーハーとの間には良好な熱的接触があるので、チャックを用いた半導体ウェーハーのチャック温度への冷却が始まる。半導体ウェーハーの冷却と同時に、同様に数１０ｎｍの厚さのＴａ層が析出する。Ｔａ析出後の半導体ウェーハーはすでに次の銅析出に必要な低温にあるので、半導体ウェーハーをＴａ層の析出直後にＣｕ−ＰＶＤチャンバーまたはＣＶＤチャンバー内へ移送することができ、すぐに銅初層を析出させることができる。