メタライゼーション構造体
【課題】銅合金、例えばＣｕ−Ｍｇ又はＣｕ−Ａｌの層がシリコン酸化物をベースにした誘電体層上に堆積され、銅合金の層上に実質的に純粋の銅の層が堆積される銅のメタライゼーション構造およびその形成方法を提供する。
【解決手段】銅合金の層(112) は、通路の孔及びトレンチ(66)を続いて純粋な銅(112) で充填するためのシード又はウエッティング層として働き、下にある誘電体(64)と上にある純粋な銅(112) との境界面にバリアを与える。銅合金(112) は、スパッタ工程においてコールド堆積されてもよいが、純粋な銅層の堆積中か、その後に分離したアニーリングステップにおて、温度が充分上昇され、銅合金の合金元素が誘電体層に移動するようにする。内部のバリアは合金層の誘電体層への接着を促進し、それによって、続く銅の完全充填技術に対する優れたウエッティング及びシード層を形成する。
【解決手段】銅合金の層(112) は、通路の孔及びトレンチ(66)を続いて純粋な銅(112) で充填するためのシード又はウエッティング層として働き、下にある誘電体(64)と上にある純粋な銅(112) との境界面にバリアを与える。銅合金(112) は、スパッタ工程においてコールド堆積されてもよいが、純粋な銅層の堆積中か、その後に分離したアニーリングステップにおて、温度が充分上昇され、銅合金の合金元素が誘電体層に移動するようにする。内部のバリアは合金層の誘電体層への接着を促進し、それによって、続く銅の完全充填技術に対する優れたウエッティング及びシード層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、半導体集積回路の製造におけるメタル堆積に関する。特に、本発明は、物理気相堆積（ＰＶＤ）よって達成される銅のメタライゼーションに関する。
【０００２】
【従来の技術】進歩した半導体集積回路の重要な部分は、活性化した半導体領域にコンタクトしたり、それらを相互に接続するために用いられる１以上のメタライゼーションレベルを含んでおり、それら自体は、非常によく規定された結晶シリコン基板に存在している。半導体レベル内や直接上部で幾つかのトランジスタ或いは他の半導体デバイス、例えばメモリキャパシタを相互接続することは可能であるけれども、多重に接続されたデバイスの増大する複雑な形態は、他のレベルの相互接続を必要とする。一般には、そこに形成されたトランジスタやキャパシタを有する活性シリコン層は、誘電体層、例えば二酸化シリコンで覆われる。コンタクトホールは誘電体層を通してシリコンデバイスの特定のコンタクト領域までエッチングされる。金属がこのコンタクトホールに満たされ、そして誘電体層の上部に堆積されて、シリコンコンタクトと他のの電気的ポイント間の水平相互接続を形成する。このようなプロセスは、メタライゼーションと呼ばれる。
【０００３】単一レベルのメタライゼーションは、小さな能力の単純な集積回路には充分であるかもしれない。しかし、単一レベルは活性領域間の要求されるレベルの相互接続を与えないので、込み入ったメモリチップや特に複雑な論理デバイスは、追加的なレベルのメタライゼーションを必要とする。追加的なメタライゼーションレベルは、前のメタライズされた水平相互接続上に他のレベルの誘電体を堆積し、かつ誘電体をとおして、通路（vias）と呼ばれるホールをエッチングし、その通路をメタルで満たし、且つメタルで誘電体層を覆い、そして追加の配線層としての追加の誘電体上にメタルを画定するプロセスを繰り返えすことによって達成される。非常に進歩した論理デバイス、例えば、第５世代マイクロプロセッサは５つ以上のレベルのメタライゼーションを有している。
【０００４】従来、メタライズされた層は、銅やシリコンのようなたかだか数パーセントの合金元素を更に有するアルミニウムやアルミニウムベースの合金から成っている。メタライゼーションの堆積は、スパッタリングとしても知られている物理気相堆積（ＰＶＤ）によって一般に行われている。従来のＰＶＤリアクター１０が図１に断面図として概略示されており、この概略図は、カルフォルニア、サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から利用可能なEnduraＰＶＤリアクターに基づいている。リアクター１０は、ヒーターペデスタル１８に保持されたウエハ１６上にスパッタ堆積されるように、材料のＰＶＤターゲット１４に対してシールされた真空チャンバー１２を有する。チャンバー内に保持されたシールド２０は、スパッタされる材料からチャンバーの壁１２を保護し、アノードの接地面を与える。選択可能なＤＣ電源２２は、ターゲットをシールド２０に対して、約−６００ｖＤＣにバイアスする。従来、ペデスタル１８及びウエハは、電気的に浮いたままである。ヒーターペデスタル１８は、調整可能な電源２６によってエネルギーが与えられる抵抗性ヒーター２４を有する。
【０００５】スパッタリングの動作ガス、一般的には化学的に不活性なアルゴンのガス源２８がマスフロー制御装置３０を通して動作ガスをチャンバーへ供給する。真空ポンプシステム３２はチャンバーを低圧に維持する。基本圧力は、約１０-7或いはそれ以下の範囲にあるけれども、動作ガスは、１と１００mTorr(ミリトル）の間に保たれる。コンピュータベースの制御装置３４は、ＤＣ電源２２、ヒーター電源２６及びマスフロー制御装置３０を有するリアクターのパーツの動作を制御する。アルゴンがチャンバーに入れられると、ＤＣ電圧はアルゴンをプラズマへ点弧し、正に帯電したアルゴンが負に帯電したターゲット１４へ引き付けられる。イオンはかなりのエネルギーでターゲット１４を打ち、それによりターゲット原子または原子クラスターがターゲット１４からスパッタされる。ターゲットの微粒子のあるものはウエハ１６を打ち、それによりウエハ上に堆積し、ターゲット材料の膜を形成する。
【０００６】効率的なスパッタリングを提供するために、マグネトロン３６がターゲットの裏側に配置される。それは、反対のマグネット３８，４０を有し、マグネット３８，４０の近くのチャンバー内に磁界を形成する。この磁界は電子をトラップし、電荷の中性状態に対して、イオン密度が増大して、マグネトロン３６に隣接するチャンバー内に高密度プラズマ領域を形成する。しかし、密度を減少したプラズマがウエハ１６に向かって広がることがわかる。高密度プラズマはスパタリング速度を増加し、マグネトロン３６はターゲット１４の裏側にわたってスキャンされ、より均一なスパッタリングプロセスを提供する。集積回路の連続するメタライゼーションに伴って、メタライゼーションに対する要求が増大している。多くの者は、アルミニウムのメタライゼーションは銅のメタライゼーションに置き換えられるべきであると考えている。Ｍurarka他は、"Ｃopper metallization for ULSI and beyond," Critical Reviews in Solid State and Materials Science, vol. 10, no. 2, 1995, pp.87-124において、銅のメタライゼーションに関する記事を発表している。銅は多くの利点を提供する。そのバルク固有抵抗は、アルミニウムのそれよりもかなり小さく、純粋な材料に対して，１．６７μΩ-cm対２．７μΩ-cmである。メタライゼーションの相互接続の幅と厚みが連続して減少するので、固有抵抗が減少することは顕著な利点を与える。更に、アルミニウムのメタライゼーションに伴う問題は、いわゆる電気移動のプロセスにおいて、ホットスポットから離れて特に移動する高電流密度の下でのメタライゼーションの相互接続に沿って移動するために、アルミニウム金属におけるアルミニウム原子の傾向である。このような過剰な量の移動は、アルミニウムの相互接続を破壊し、集積回路を動作不能にする。銅ベースの合金はアルミニウムとその合金より電気移動の著しく減少したレベルを示す。
【０００７】従って、多くの場合、銅のバルクの振る舞いは、アルミニウムのそれよりも優れているが、銅のメタライゼーションは、証明されていない技術であり、従来のアルミニウムのメタライゼーションでは経験してない困難性があることが知られている。しかし、銅のメタライゼーションは、アルミニウムのメタライゼーションに固有の問題を回避する方法を提供する。商用の回路に銅の採用を阻む２つの大きな問題が認識されている。ドライエッチプロセスによって、即ちプラズマエッチングによって銅をエッチングすることは難しいことが証明されている。エッチ問題は、トレンチ-おそらくその底部に達する通路を有している-は、二酸化シリコンの誘電体層へエッチングされるダマシーンプロセス(damascene process)の発展によって回避されたようである。このトレンチは、水平の相互接続の所期の経路に従う。銅の全面堆積はトレンチを満し、更に誘電体上に層を形成する。ウエハは、化学機械的ポリッシングにかけられ、トレンチの頂部に露出されたすべての銅を除去し、従って、トレンチにおける銅の相互接続を残す。
【０００８】本発明によって解決される他の問題は、銅と集積回路の他の部分間のインターフェースを含む。アルミニウムの主な利点は、その良好な界面特性である。アルミニウムは、安定な酸化物Al2O3 の層を形成し、それはシリコンと強い化学結合を形成する。銅は、酸化するが、酸化物は安定でなく、湿った酸素環境に曝されると、時間と共に成長を続ける。銅及び銅の酸化物は二酸化シリコンによく密着しない。最後に、銅が二酸化シリコンに入るのを妨げるための手段を用いない限り、銅は、二酸化シリコンを通して非常に速く拡散し、誘電体層を通して、或いは横切って短絡を生じる。従来技術においては、銅が酸化物へや、酸化物を通して拡散するのを妨げるために、銅が堆積される前に、分離した障壁層が二酸化シリコン上に堆積された。
【０００９】上記の記事において、Ｍurarka他は、界面の性質を改善するために銅をマグネシウムやアルミニウムと合金にすることを推奨賞している。Ｒensselaer ＰolytechnicＩnstituteのＭurarkaのグループ及び彼らの協力者によってなされた最近の仕事は、信頼できる銅の相互接続を形成するための有用な技術を開発し、その動作のためのモデルを提供したことである。Ｌanford他は、"Low-temperaturepassivation of copper by doping with Al or Mg," Thin Solid Films, vol.262, 1995, pp.234-241で図２の概略断面図に示されているスパタリングを使用し、基板４６上に銅合金の膜４４を堆積していることを述べている。合金の元素の例は、アルミニウムとマグネシウムを含んでいる。銅合金の膜４４は、銅と合金元素の交互の層として堆積され、或いは２つの構成要素が銅合金のスパッタリングターゲットの使用によって、同時にスパッタされることができる。室温近くでスパッタリングを行った後、ウエハは、例えばアルゴン中で４００℃で３０分間アニールされる。図３の断面図に示されているように、アニーリングによって、マグネシウムの大きな断片が残りの銅の膜４８の外側に拡散し、境界面に存在するすべての酸素と反応して、マグネシウム酸化物の膜４９を形成する。ＭｇＯの膜４９は、Ｍｇで合金化されたＣｕ本体４４を包む。銅の膜４８上の自由面はＭｇＯの膜４９によって不動態化される。マグネシウム酸化物は、安定な酸化物であり、５−７nmの範囲の厚さで成長するのを停止する。薄い酸化物は、高いコンタクト抵抗を生じるとは考えられていないが、あらゆる場合に、酸化物は、それに続くメタライゼーションの堆積前にスパッタエッチングによって除去される。Ｌanford他は、上記の記事で自由面はアルゴン中の酸素の不純物によってＭｇＯへ酸化されることを示唆している。
【００１０】進歩した集積回路のメタライゼーションは、高いアスペクト比の孔を充填する点における必要な要件に直面している。デバイスの密度を上げることは、フューチャーサイズを更に減少することを必要とする。しかし、誘電体破壊がレベル相互の誘電体の厚さを同様に減少することを妨げている。結果として、通路のアスペクト比及びコンタクトは増大している。アスペクト比は、通路またはコンタクトを形成する誘電体を通す孔の深さとその孔の最小の横の大きさとの比である。５対１のアスペクト比は、考えられる開発技術であるが、更に高い値が必要とされるであろう。高いアスペクト比の孔がエッチされると仮定して、それらを相互レベル接続するための金属で充填するという問題が残る。従来のスパッタリングは、明らかに等方性であるので、スパッタされた材料が孔の入り口部分と比較して、孔の底を殆ど叩かず、そしてスパッタリングが孔の上部をブリッジして、更に堆積するのを阻止するために、高アスペクト比の孔の形状はスパッタリングに対しては好ましくない。孔を充填する問題は、図４の断面図に示されている。電気的にコンタクトされるべき図示された構造を有する、狭くそして深い孔５０がシリコン酸化物基板５２にエッチされる。その後、銅の層５４が孔５０に充填される。もし、この充填が初期のコールド堆積を含む標準のＰＶＤプロセスによって行われ、それに続いて、充填を完成するために最終のホットな堆積によって表面層を形成するならば、空隙５６が孔に形成されるかもしれない。何故ならば、銅が孔５０の酸化物側から浸潤しないからである。一旦、銅が堆積中に空隙５６をふさぐと、空隙を除き、孔の充填を完成することは実際に不可能である。
【００１１】孔を充填する好ましくない形状を克服するために、少なくとも２つの技術、方向性スパッタリングとリフローが用いられる。方向性スパッタリングにおいて、正規な方向に重点的に集中されたウエハ上に入射するスパッタされた粒子のフラックスを生成するために、１つ以上のいろいろな技術が用いられる。リフローは、初期には望ましくない分布で堆積されるけれども、金属は適度に低い温度で流動するので、金属は、孔に流れ、それを充填するようにするという事実に依存する。リフローは、堆積後のアニールにおいて生じさせることもできるし、或いはホット堆積中に行うこともできる。方向性スパッタリングは、ロングスロー、コリメーション、及び高密度プラズマにおいてイオン化され、スパッタされたイオンの静電引力を含む多くの方法によって達成することができる。方向性スパッタリングは、本発明によっては必要ないが、後で説明されるように、それと共に有利に使用されることもできる。
【００１２】メタライゼーション、特に銅のリフローは、いろいろな困難を示す。アルミニウムと異なって、銅は、比較的高い融点を有している。基板をメタライゼーションの溶融温度まで加熱することは、非常に高い熱的負担を負うし、従来の処理ステップと一致しないかもしれない。アルミニウムと銅はそれらの融点より幾らか低い温度で流動するが、これらの金属のいずれかと通常のインターレベルの誘電体を形成する二酸化シリコン間の境界面はリフローに対して好ましくない。アルミニウムも銅もある高温で二酸化シリコンにはよくぬれない。結果的に、これらの金属は、二酸化シリコンの壁の下にある滑らかな層では流れない。実際に、アルミニウム或いは金属が二酸化シリコン上に薄い層としてある場合、金属は、絶縁された位置に丸くなる傾向にある。Ｘu他は、U.S.特許出願（Ｓerial Ｎo.08/628,835，filed April 5,1996)でアルミニウムのメタライゼーションに伴うリフロー問題を扱っている。彼らは、高密度プラズマによって堆積されたＴiN及び可能性としてＴｉのキャリア層を用いることを推奨し、二酸化シリコンを介して広がる狭い開口に堆積されたアルミニウムの密着性を増加するステップを含む多くの機能を達成している。キャリア層は、二酸化シリコンによる密着する接着層として作用し、また後で堆積されるアルミニウムに対して濡れ層としても作用する。結果的に、アルミニウムは、比較的低温でキャリア層の下に流れ、従って、容易に孔を満たす。
【００１３】
【本発明の概要】本発明の１つの特徴は、合金元素、例えばマグネシウム、アルミニウム、ホウ素、及びタンタルを数パーセント含有する銅合金が通路の壁を形成する酸化物、例えば二酸化シリコンの表面部分、を含む基板上にスパッタされるメタライゼーション方法及びその製品を含む。上昇された温度によって、合金元素は側壁上の酸化物の方へ拡散し、二酸化シリコンへ、及び二酸化シリコンを通る銅の拡散に対してバリアとして作用する薄い、安定した合金酸化物を形成する。もし、充分な酸素がスパッタリングステップ中にあるならば、金属酸化物が、銅合金の上面に形成するであろう。スパッタリング中に合金元素の拡散を向上するのに十分上昇され温度に保持されている間に、銅合金は、基板上にスパッタされるのが好ましい。
【００１４】本発明の他の特徴は、シリコン酸化物の誘電体層上に、好ましくはコールドスパッタリングよって堆積された銅合金の膜を有する銅のメタライゼーションの構造及び製造方法を有する。その後、純粋な銅の膜が銅合金層上にスパッタされ、銅堆積の開始後に、銅合金層内に合金元素の拡散を向上するために、温度が上昇される。本発明は、他の使用の間に、狭い開口、例えば通路やトレンチに銅を充填するために適用できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明は、合金のスパッタ堆積がそのアニールと密接に関係する銅合金の膜を形成する効果的な製造方法を含む。本発明の第１の実施形態は、第５図の断面図に示され、上部のインターレベル通路である。下部レベルは、一般的に二酸化シリコン或いは珪酸ガラス、即ちシリコン酸化物から形成された、下部のインターレベル誘電体層６０を含む。銅ベースの相互接続またはパッド６２は、下部の誘電体層６０の上面に形成される。二酸化シリコンまたは珪酸ガラスの上部レベルの誘電体層６４は、下部の誘電体層６０上に堆積され、通路の孔６６は、銅パッド６２の領域にある上部の誘電体層６４を通してエッチされる。物理気相堆積（ＰＶＤ）は、銅合金の膜６８を通路の孔６６と上部の誘電体層６４へ堆積するために用いられる。銅及びその合金元素、例えばマグネシウムは、均一な組成の粒子フラックスが基板上に落下するように、同時にスパッタされる。この同時スパッタリングは、２つの元素間の差動スパッタリングの歩留まりのために、組成におけるある違いがスパッタターゲットとスパッタ堆積された膜間に生じるけれども、所望の銅合金の組成に近い組成を有するスパッタターゲットを用いることによって、非常に容易に達成される。
【００１６】銅合金の膜６８は、比較的上昇された温度で堆積されるか、或いは合金元素が、上部の誘電体層５４と頂部の自由面にある金属酸化物の不動態化層７２に近接して金属酸化物拡散層７０を形成するために、表面に移動するように、堆積後にアニールされる。金属酸化物のため酸素がシリカ層６４における二酸化シリコンによってか、あるいはスパッタリング又は分離したアニーリングステップに対して用いられるアルゴン又は真空の環境における残留酸素によって供給される。不十分な合金元素は利用可能な酸素と共同して表面まで拡散するので、高すぎる酸素の部分圧力は、銅を酸化して、銅の酸化物を形成する。後で示されるように、金属感化物の拡散層７０における金属は、主に合金元素である。合金元素がマグネシウムである場合、金属酸化物の層７０，７２は、ＭgO、すなわち正常な状態で約７nmの厚さまで形成し、その後成長を停止する安定した酸化物の少なくとも一部に形成される。このような薄い酸化物の不動態化層７２は、酸化物層の面に垂直な方向に著しい電気抵抗を示す。合金元素は、それが銅合金の膜６６をとおして拡散するのと同じ割合で第１レベルの金属６２へ自由に拡散することが考えられるので、酸化物層は、第１レベルの金属６２に隣接して形成する。
【００１７】本発明を実施する第１の方法において、銅合金は、それがスパッタ堆積されるにしたがって、銅合金をアニールするのに十分な上昇した温度に保持されて、スパッタされる。すなわち、それはホットスパッタ堆積である。好適な温度は、後述される。図１に示されるように、Ｅndura ＰＶＤリアクターは、本発明に必要な温度を与えることができる、ウエハペデスタル１８におけるヒーターを含む。ホットスパッタ堆積の場合、均一な銅合金が堆積されるけれども、合金元素は外方へ拡散し、二酸化シリコンの誘電体層６４の隣の内側酸化物層７０と外側酸化物層７２を形成する。酸素は銅パッド６２の上部において容易に利用できないので、内側酸化物層はこの銅パッド上に形成されない。リアルタイムアニーリングの利点は、初期に堆積された銅合金はシリコン酸化物と反応して、結合されたシリコンの酸化物と合金元素を形成することである。この境界面は、銅とシリコン酸化物の組み合わせから利用可能であるより遅く堆積された銅或いは銅合金に対して、より優れた接着を与える。
【００１８】本発明を実施する第２の方法において、銅合金の膜６８が合金元素の著しいアニーリングや拡散が生じない低温、例えば室温でＰＶＤ堆積される。銅合金の堆積後、ウエハはアニールされる。アニーリングは銅合金の膜が堆積されるＰＶＤチャンバーのその場所で行われるか、或いは別のアニール炉において行われる。アニール環境は、真空かアルゴンガスのようなパージガスであればよい。堆積後のアニーリングは、もし、ヒーターペデスタルがアニール後に必要な幾らか高い温度を与えることができるなら、銅合金の膜が堆積された同じＰＶＤ内で行うことができる。代わりに、ウエハはそれ以外のアニール用の分離したアニールチャンバーへ移動される。しかし、アニールチャンバーへの移動は実質的に酸素のない、例えば１０-9トルに制御された環境内で行われる必要がある。アプライドマテリアルズからのＥnduraクラスターツールを真空移転のために用いることができる。
【００１９】Ｍurarkaは、ＭaterialsＲesearch ＳocietyＳymposiumＰroceedings, vol.405,pp.485-496, 1996の"Use of advantageous impurity effects in metallization,"におけるアニーリングと高温酸化間の相違を発表している。他の方法で処理されないＣｕＡｌ合金の膜が空気中で３００℃に加熱されると、銅酸化物の層が形成し、２０時間にわたって約７０ｎｍに成長する。すなわち、ＣｕＡｌ膜が酸化したのである。一方、ＣｕＡｌ膜が４００℃で３０分間アルゴン環境中でアニールされると、すぐ上に記載された次のアニーリングは測定できる銅の酸化物層を生じなかった。すなわち、減少された酸素の環境における初期のアニールは次の酸化を防止する。銅合金を冶金を用いて、しかし平坦な形状において、多くの実験が行われた。最初の２つの実験は金属酸化物の障壁層７２上に集中し、金属酸化物の不動態化７０の効果は見られない。
【００２０】実験１最初のシリーズの実験において、いろいろな形状の平らな銅メタライゼーションが導電性シリコン基板上の二酸化シリコンの１００ｎｍ厚の層上に形成され、金属コンタクトが銅メタライゼーションに与えられた。追加のコンタクトが導電性基板に与えられた。その後、サンプルは、２７５℃に保持されたサンプルの酸化物層の両端に２ＭＶ／ｃｍの電位を印加することによって電気的にストレスが与えられた。リーク電流が時間の関数として観察された。ある点で、酸化物を横切って十分な銅が拡散し、それはかなり良好な導体になった。スレッショルド電流は、破損を示すように考えられた。十分な数のサンプルが計測され、破損するまでの平均時間（ＦＴＴＦ）を計算した。
【００２１】発明性のあるサンプルに対して、銅合金は、約２００ｎｍの厚さにスパッタ堆積されたＭｇの２原子パーセントを有するＣｕである。３つの形式の標本に対する結果が１つの比較サンプルと共にテーブル１に示されている。
本発明の第１のサンプルにおいて、ＣｕＭｇ合金が室温に近い温度でスパッタ堆積され、その後、１mTorr （ミリトル）のアルゴン中で３５０℃において１０分間アニールされた。ＭＴＴＦはかなり大きかったが、ＭＴＴＦ値の範囲は望ましくない短い時間に広がった。本発明の第２のサンプルにおいて、ＣｕＭｇ合金は、２５０℃に保持されたウエハにスパッタ堆積され、ウエハ温度は、スパッタの終了後、５分間保持された。ＭＴＴＦは増大したが、範囲はまだ広すぎた。本発明の第３のサンプルにおいて、ＣｕＭｇは１５０℃でスパッタ堆積され、スパッタ堆積後、同じ温度に５分間保持された。ＭＴＴＦは良好であり、範囲は実質的に狭かった。しかし、統計上一定の結論に達するには不十分であり、この時点で、比較できる結果を得るために、３つのプロセスが考えられた。これらの値は銅の膜が実質的な量の合金を持たず、バリアが銅と酸化物の間に形成されなかったサンプルのための最後の項目と比較する。ＭＴＴＦは測定するには短すぎた。
【００２２】実験２原子のプロファイルは上述されたものと同様に用意された平坦なサンプル上で測定された。プロファイリングは、二次イオンの質量分光によって行われた。マグネシウムの原子濃度が図６に示される。曲線８０は、分離と、上昇した温度のアニーリングステップを伴わない、Ｃｕと２原子％のＭｇで２５０℃でスパッタ堆積されたサンプルに対するプロファイルを示す。曲線８２は、５０℃以下でスパッタ堆積され、その後３５０℃でアニールされたサンプルに対するプロファイルである。２つのサンプルはＭｇの自由表面へ、そしてシリコン酸化物の中間層への一定の拡散を示している。このＭｇはシリコン酸化物へ拡散するが、濃度は約１００nm後に減少する。しかし、ホット堆積された銅合金は、Ｃｕの主な部分においてＭｇの大きな枯渇を示し、電気抵抗を減少する。酸素の原子濃度が図７に示されている。曲線８４は、３５０℃で堆積されたホットスパッタされ、アニールをしないサンプルに対するプロファイルを示し、一方、曲線６８は、前に述べたコールドスパッタされ、その場所でアニールしたサンプルに対するプロファイルを示す。７nmの表面酸化物層は、この技術によって、正確に測定されるには薄すぎる。ホット堆積されたサンプルは、銅のバルクに実質的に減少した酸素濃度を有し、明らかに、電気抵抗を減少するために有利である。
【００２３】従って、ホットスパッタは、アニーリングステップを除くという利点を有し、更に、合金元素及び残りの銅の膜における酸素の不純物の量を減少するという利点を有する。
実験３図６と図７のプロファイルに用いた同じサンプルの幾つかが堆積及びアニーリング温度の関数としてそれらの固有抵抗に対して測定され、これらの結果が処理温度を最適化するための他の基本を与えている。二組のサンプルは、通常室温に保たれているウエハを伴う、２原子％のＭｇを有するＣｕ合金でＰＶＤ堆積された。一組のサンプルは、真空環境中に３５０℃で別の場所においてアニールされた。すなわち、"ex situ" アニールである。ＣｕＭｇ膜の固有抵抗がこのアニールの長さ関数として測定された。３５０℃の結果は、図８の曲線９０で示されている。他の組のサンプルは、４５０℃でアニールされ、この結果は曲線９２で示されている。相互接続のためには、固有抵抗は最小にされる必要がある。この結果は、熱供給を最小にするために、約１０分間３５０℃の最小のポストアニーリング温度を示唆している。
【００２４】関連実験において、更に、三組のサンプルが上昇した堆積温度で、ＣｕＭｇ合金でＰＶＤ堆積された。スパッタ堆積の停止後、サンプルは、いろいろな堆積温度に保たれた。１７５℃のスパッタリングに対しては、ライン９４で、２５０℃のスパッタリングに対しては、ライン９６で、そして３５０℃のスパッタリングに対しては、ライン９８で、それらの結果が図９に示されている。これらの結果は、保たれた時間が殆ど効果を有していないことを示している。すなわち、堆積中のその場所でのアニーリングは低い固有抵抗を達成するのに十分である。これらの結果は、また、スパッタリング温度は、２５０℃が最小であるべきであり、最小の熱供給で最小の固有抵抗に達することを示している。その場所でのアニーリングに対する最適の温度範囲は、２００℃から３００℃までであることが予想される。しかし、テーブル１の結果は、拡散バリア特性が１５０℃の非常に低い堆積温度で改善されることを示している。固有抵抗のデータはこの温度では利用できないが、図９の傾向は、この温度で許容できる固有抵抗を示している。従って、固有抵抗は拡散抵抗に対して交換される。
【００２５】図８と図９の結果を比較すると、別の場所とその場所のアニールが固有抵抗の殆ど同じ低い値を生成することができる。しかし、熱供給は、図９のリアルタイムのその場所でのアニールで最小になる。図５に示された構造は、均一な銅合金の膜が通路の孔６６を完全に満たすと想定した。しかし、本発明の利点の多くは、５０nmより小さい厚さの非常に薄い銅合金の膜で得ることができる。５nmの厚さでも十分であるようである。図１０１０の断面図に示されるように、銅合金のコンフォーマルな膜１００が通路の孔６６へ、及び第２の誘電体酸化物の層６４上に堆積される。狭く、深い通路において銅合金の膜１００のコンフォーマリティーは、ＨＤＰ、ロングスロー或いはコリメーションのような特別な技術を必要とする。Ｆｕ他は、Ｍay 8, 1997に出願されたＳerial Ｎo.08/854,008の米国特許出願に代替技術を開示している。銅のスパッタリングに特に応用可能なそれらの技術において、アノードのグリッドがターゲットと基板の間に挿入され、支持された自己スパッタリングを可能にし、より方向性のあるスパッタ堆積を提供する。
【００２６】ホットスパタリングプロセスか、後アニールのいずれかは、コンフォーマルな銅合金の膜６０における合金元素が誘電体酸化物の層６４へ拡散し、前述の金属酸化物のバリア層６０を形成するようにする。分離した堆積プロセスは、通路の孔６６を満たし、上部の誘電体層６４を覆う銅層１０２を堆積する。バリア層７０が銅合金の膜１００に合金元素から形成されるので、合金元素は、銅合金１０２にでは必要とされない。孔の充填は、ＰＶＤ，ＣＶＤ，或いは電気又は無電解メッキを含む多くのプロセスによって行われる。Ｍurarkaは、Critical Reviewsにおける先に引用した記事に銅の無電解メッキを開示している。銅の層１０２は、銅合金の膜１００で覆われた通路の孔をより容易に満たすので、第２の銅の堆積は特別な孔を充填する技術を必要としない。前述のように、アニールされた銅合金の層は、特に厚い堆積がなされたとき、良好な接着層をシリコン酸化物へ与える。
【００２７】実験４一連のサンプルは、腐食抵抗に対してテストされた。前述の銅マグネシウム合金のサンプルは、以下に説明され流ように製造後、空気の環境で約３０分間１５０℃に炉の中でアニールされた。アニール後、サンプルは、表面の腐食に対して視覚的に観察された。その結果は、テーブル２に示されている。
第１のサンプルは、室温でスパッタされ、その後、離れた別の場所での５００℃でアニールされた。その表面は、幾らかの銅の酸化を示して部分的にブラウンであった。第２と第３のサンプルは２００℃と３００℃でそれぞれホットスパッタされ、５分間これらの温度に保たれた。両方共、部分的な銅の酸化を示して、ブルーを示した。第４のサンプルは、４００℃でホットスパッタされ、堆積後に温度の保持を行わなかった。部分的にブラウンであり、銅の酸化を示した。最後のサンプルは、４００℃でホットスパッタされ、スパッタリング後、１０分間その温度に保たれた。色の変化は現れなかった。
【００２８】これらの結果は、表面の腐食を最小にするために、ホットスパッタリングが好適であり、このホットスパッタリングは３００℃以上、好ましくは、４００℃で行われ、そして有意な堆積後ではそれ以上に保たれることを示している。従って、表面の腐食の考察は、より高いホットスパッタリング温度と、バリア特性の考察を行う以上に長い保持を示している。又、他の場所でのアニールは、満足のいく低い表面腐食を生じるように見えない。勿論、表面酸化物は、続く堆積の前にスパッタでの事前エッチングによって除かれる。本発明は、説明された銅合金に限定されない。一般に、原子合金割合は、１０原子％までの範囲である。しかし、今は一般に、薄い層は高い合金濃度を必要とするけれども、Ｍｇ合金は６原子％以下に保たれ、Ａｌ合金は、０．３原子％以下に保たれる必要がある。アルミニウム合金の割合は、０．０５原子％である。他の金属の合金元素、例えば安定した酸化物を形成し、銅を通して容易に拡散するタンタルやホウ素を用いることができる。
【００２９】本発明の第１の特徴は、銅のメタライゼーションと酸化物層の間に、自己発生バリアを与え、分離したバリア堆積を必要としない。ホットスパッタ堆積に対して、更にアニーリングを必要としない。銅メタライゼーション及び関連したバリアが通路構造を充填するために、或いは薄いバリア層として用いてもよい。以上は、マグネシウム又はアルミニウムのような合金元素を含む自己アニールされた銅のメタライゼーションの利点を開示している。正しい条件の下で、堆積されると、合金元素は、合金元素を有する自己不動態化金属酸化物層を形成し、下に横たわるシリカの境界面で合金金属とシリコンの酸化物のバリアを形成するために、露出した上面の境界面に容易に拡散する。以上の開示は、銅とシリカの間にバリアの形成とその利点に主に向けられている。われわは、可能な幾つかの変更を伴う同様なプロセスが孔を充填するために有利に用いられることを発見した。
【００３０】本発明の他の実施形態によれば、図１１の断面図に示されているように、基板は、その表面上に金属ライン６２を有する第１の誘電体層６０を含む。この議論は、主に、通路、すなわちメタライゼーションの１つのレベルから他のレベルへの導電性の孔を下に横たわるシリコン領域へ接触するより、むしろインターレベルするのに向けられている。第２の誘電体層６４が金属ライン６２と第１の誘電体の層６０の上に堆積される。シリカ及び珪酸ガラスの他の形状が同じ効果を得るために用いることができるけれども、この実施形態の第２の誘電体層６４は、プラズマ増強されたＣＶＤプロセスによって堆積されたシリコン酸化物、例えば二酸化シリコンから成っている。本発明の銅の技術は、例えばAl/Ti/TiNの低アルミニウムメタライゼーションと合体することができるけれども、金属ライン６２は、銅から形成されるのが好ましい。通路の孔６６は第２の誘電体層６４を通して下に横たわる金属ライン６２まで写真平板的にエッチされる。
【００３１】銅合金のシード層（seed layer）１１０は、狭い経路の孔６６の良好な底と側壁のカバレッジを裏づける条件の下で、経路の孔６６へ及び第２の誘電体層６４の頂上へスパッタ堆積される。Ｆｕ他は、上に引用した米国特許出願において、銅及びその合金の必要な殆どコンフォーマルなスパッタ堆積のために、有利に用いられることができる銅の自己スパッタリング用のリアクターを開示している。シード層１１０は、約５乃至１０nmの非常に薄い厚さに堆積される必要がある。約２０nmまで厚くすることはできるが、更に厚くすると、後に述べられる孔を充填するプロセスにおける製造効率を下げる。従って、５０nmまたは１００nmより厚くないことが製造環境において好ましい。もし、シード層１１０が狭い孔を充填するために使用されるなら、上記の厚さは孔の側壁及びそこにおける厚さである。側壁の堆積の厚さは、フューチャーサイズ、そのアスペクト比及びスパッタリング条件に依存する割合で平らな上面上に堆積の厚さの一部のみである。シード層１１０は、ホットな状態の下で、スパッタ堆積されるので、堆積中に自己アニールする。ホットスパッタは２００乃至４００℃の範囲、より高い温度も可能であるが、に保たれた基板と共に行われるのが好ましい。しかし、ホットスパッタリングの複雑さは、本発明の効果の多くに対しては必要でない。代わりにシード層１１０は２００℃以下または１００℃以下、これは境界面への合金元素の拡散には好ましくない温度であるが、のコールド状態の下でスパッタ堆積されることができる。銅の酸化層がシード層１１０の露出した表面に形成することがコールドスパッタ堆積の下でかのうであるが、好適な充填プロセスが銅酸化物を除去する。
【００３２】われわれは、銅合金のシード層１１０が非常に滑らかな層で形成することを観察した。特に、ＳｉＯ2上に堆積され、その後４５０℃で３０分間アニールされた２００nm厚さのＣｕ−Ｍｇ非常に滑らかな表面を生成した。ＳｉＯ2上の２０nmのタンタルのバリア上に同様に堆積された純粋な銅の２０nmの層は、２００℃程度の低い温度で厳しい除湿を含んで、銅の大きなアグロメレーションを生成した。これらの結果は、滑らかな銅合金のシード層１１０が銅を堆積した後に良い湿りを与え、従って深い通路及びトレンチの銅の完全充填を促進することを示している。薄いシード層１１０が堆積された後に、通路の孔６６が比較的純粋な銅で第２の堆積ステップによって充填される。比較的純粋な銅は、少なくとも９９原子％の純粋である銅を意味し、１％の不純物、すなわちドーピングレベルは、ここで説明された合金元素には適用されない。銅の層６２を生成する完全充填堆積はＰＶＤによって、ＣＶＤによって、或いは電解メッキ又は無電解メッキによって、行われる。これらの堆積方法は、Murarka他による、Critical Reviewsにおける前に引用した記事に記載されている。好ましくは、合金のシード層１１０は、コールドスパッタで堆積され、純粋な銅の堆積は、シード層がアニールされる前に行われる。結果として、Ｃｕ−Ｏ結合は号非常に強くないために、酸素がアニールで失われるけれども、銅合金のシード層１１０は、自然に酸化し、銅酸化物の表面層を形成する。ＰＶＤの銅の完全充填に対して、それは、３００℃以上、好ましくは４００℃乃至５５０℃の比較的高い温度で、行われる。第２のＰＶＤ堆積は、標準のＰＶＤ、コリメートされたＰＶＤ、高密度プラズマＰＶＤ又はその他の変形であればよい。ＣＶＤ堆積に対しては、プラズマの事前クリーニングを用いることができる。電解メッキは、銅の酸化物を自然に除去する。銅合金のシード層１１０の滑らかな表面は、酸化物へのＣｕ−Ｍｇの良好な接着による除湿しない比較的低温で通路の孔へのリフローを促進する。滑らかなＣｕ合金の表面は、後に堆積された銅に対して接着を促進する。ＣＶＤに対して、２００℃より高くないリフロー温度が必要であり、電解メッキされた銅に対しては、１００℃より高くない温度である。
【００３３】通路の充填後、構造は、合金元素が銅合金のシード層１１０内を拡散するするようにアニールされる。この合金元素は、誘電体層６４に向かって拡散し、図１２の拡大された断面図に示されるように、シード層１１０と誘電体層６４間の境界面に、銅がシリカの誘電体層６４へ、及び誘電体層６４を通って拡散するのを防止する、非常に薄いバリア層１１４を形成する。このバリア層１１４は、幾らかのシリコンと共に、合金元素の酸化物を含む。合金元素も銅の充填１１２へ拡散するが、もし、薄い層６０が表面の不動態層を形成するために十分な合金元素を与えるべきであるなら、銅の平らなオーバー層の厚さは、最小にされる必要がある。しかし、一般に、自由表面の不動態化は、全表面が化学機械的ポリッシングの続くステップにおいて平らに磨かれるために、重要ではない。アニーリングは、もし、６００℃までの温度がウエハ上の他の構造を熱的にグレード付けないならば、それらの温度を用いることができるけれども、３００乃至４００℃の温度範囲内で行われるのが好ましい。
【００３４】このアニーリングは、分離したアニーリング炉において、或いは放射ランプを含む熱処理によって行われることができる。アニーリングは、その場所での（insitu）ＰＶＤアニーリング、即ち、上昇した基板温度で行われるＰＶＤ堆積か、或いはＰＶＤ堆積の停止後ＰＶＤ内で行われるアニールのいずれかによっても行うことができる。アニーリング環境は、高真空、酸化を最小にするフォーミングガス、或いは減少した酸素の部分圧力のいずれかで、合金元素の酸化物、例えばＭｇＯまたはＡｌ2 Ｏ3 、しかし、銅の酸化物ではない、の表面層を形成する。従って、単一の銅合金のシード層１１０は、シリカ境界面におけるバリア層と銅の境界面における接着/ ウエット層の両方を備える。従来技術において、分離したバリアとウエッティング層が銅を伴うシリカにおける深い孔を充填するために必要であった。
【００３５】上述の記載は、一般に方形又は円形の通路の孔のための孔通路を参照したが、本発明は、他の形状にも適用できる。開口は、誘電体の面に沿って実質的な距離を延びるトレンチである。このトレンチは、誘電体を通して延びる必要はなく、純粋な銅がトレンチにおける合金層上に比較的薄いコンフォーマルな層として適用される。本発明の合金シード層の他の応用は、銅の平坦化に対してである。図１１に示されるように、小さなディンプル１１８が通路の孔６６の上に横たわる銅の層１１２の表面に形成する。通路の孔６６が銅の層１１２の平らな部分の厚さより非常に深いという事実に照らして、孔の充填形状は、非常に深いディンプル１１８を示し、これは後に形成される層に非常に影響を与える。しかし、深い孔の完全充填を促進する本発明のシード層によって生じた同じ効果は、銅が堆積され、或いはその後アニールされるにしたがって、銅の横へのリフローによって銅の層１１２の上面の平坦化を促進し、それによって、ディンプルのサイズを減少する。
【００３６】マグネシウムは銅に対するもっとも好ましい合金元素であり、アルミニウムも有利な結果を与えるものして知られているが、他の合金元素、例えば、ホウ素、タンタル、テルル、及びチタンが銅と共に用いられることができる。上述された利点を与えるために、このような合金元素は、安定した酸化物を形成し、銅を通して容易に拡散する必要がある。一般に、合金原子の割合は１０原子％までの範囲である。しかし、Ｍｇ合金は、６％以下に保たれ、Ａｌ合金は、０．３原子％以下に保たれる必要がある。最小の合金割合は、０．０５％である。
【００３７】
【発明の効果】従って、本発明は、構造やその製造において過度の複雑さのない、多くの有利な特性を示す銅のメタライゼーション構造を提供する。銅合金誘電体の境界面にバリアを、そして自由境界面において不動態化を与えるばかりでなく、後で堆積される銅層の堆積を促進する。この効果は、高いアスペクト比の孔を充填するのに特に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＰＶＤリアクターの概略断面図である。
【図２】銅の合金本体の従来の包囲を示す断面図である。
【図３】銅の合金本体の従来の包囲を示す断面図である。
【図４】誘電体にある孔を充填するときに形成された空隙の概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態による銅で充填された通路の断面図である。
【図６】本発明の銅合金の膜を横切るＭｇとＯの原子プロファイルのグラフである。
【図７】本発明の銅合金の膜を横切るＭｇとＯの原子プロファイルのグラフである。
【図８】コールド堆積され、その後表示された温度でアニールされた、ＣｕＭｇ合金に対するアニーリング時間の関数としての固有抵抗のグラフである。
【図９】表示された温度で堆積され、その後その温度を保持したＣｕＭｇ合金に対する保持時間の関数としての固有抵抗のグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施形態による銅で満たされた通路の断面図である。
【図１１】本発明の１つの実施例による銅で満たされた通路の断面図である。
【図１２】バリア形成後、図１１のライン１２−１２によって示された部分の拡大断面図である。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、半導体集積回路の製造におけるメタル堆積に関する。特に、本発明は、物理気相堆積（ＰＶＤ）よって達成される銅のメタライゼーションに関する。
【０００２】
【従来の技術】進歩した半導体集積回路の重要な部分は、活性化した半導体領域にコンタクトしたり、それらを相互に接続するために用いられる１以上のメタライゼーションレベルを含んでおり、それら自体は、非常によく規定された結晶シリコン基板に存在している。半導体レベル内や直接上部で幾つかのトランジスタ或いは他の半導体デバイス、例えばメモリキャパシタを相互接続することは可能であるけれども、多重に接続されたデバイスの増大する複雑な形態は、他のレベルの相互接続を必要とする。一般には、そこに形成されたトランジスタやキャパシタを有する活性シリコン層は、誘電体層、例えば二酸化シリコンで覆われる。コンタクトホールは誘電体層を通してシリコンデバイスの特定のコンタクト領域までエッチングされる。金属がこのコンタクトホールに満たされ、そして誘電体層の上部に堆積されて、シリコンコンタクトと他のの電気的ポイント間の水平相互接続を形成する。このようなプロセスは、メタライゼーションと呼ばれる。
【０００３】単一レベルのメタライゼーションは、小さな能力の単純な集積回路には充分であるかもしれない。しかし、単一レベルは活性領域間の要求されるレベルの相互接続を与えないので、込み入ったメモリチップや特に複雑な論理デバイスは、追加的なレベルのメタライゼーションを必要とする。追加的なメタライゼーションレベルは、前のメタライズされた水平相互接続上に他のレベルの誘電体を堆積し、かつ誘電体をとおして、通路（vias）と呼ばれるホールをエッチングし、その通路をメタルで満たし、且つメタルで誘電体層を覆い、そして追加の配線層としての追加の誘電体上にメタルを画定するプロセスを繰り返えすことによって達成される。非常に進歩した論理デバイス、例えば、第５世代マイクロプロセッサは５つ以上のレベルのメタライゼーションを有している。
【０００４】従来、メタライズされた層は、銅やシリコンのようなたかだか数パーセントの合金元素を更に有するアルミニウムやアルミニウムベースの合金から成っている。メタライゼーションの堆積は、スパッタリングとしても知られている物理気相堆積（ＰＶＤ）によって一般に行われている。従来のＰＶＤリアクター１０が図１に断面図として概略示されており、この概略図は、カルフォルニア、サンタクララにあるアプライドマテリアルズ社から利用可能なEnduraＰＶＤリアクターに基づいている。リアクター１０は、ヒーターペデスタル１８に保持されたウエハ１６上にスパッタ堆積されるように、材料のＰＶＤターゲット１４に対してシールされた真空チャンバー１２を有する。チャンバー内に保持されたシールド２０は、スパッタされる材料からチャンバーの壁１２を保護し、アノードの接地面を与える。選択可能なＤＣ電源２２は、ターゲットをシールド２０に対して、約−６００ｖＤＣにバイアスする。従来、ペデスタル１８及びウエハは、電気的に浮いたままである。ヒーターペデスタル１８は、調整可能な電源２６によってエネルギーが与えられる抵抗性ヒーター２４を有する。
【０００５】スパッタリングの動作ガス、一般的には化学的に不活性なアルゴンのガス源２８がマスフロー制御装置３０を通して動作ガスをチャンバーへ供給する。真空ポンプシステム３２はチャンバーを低圧に維持する。基本圧力は、約１０-7或いはそれ以下の範囲にあるけれども、動作ガスは、１と１００mTorr(ミリトル）の間に保たれる。コンピュータベースの制御装置３４は、ＤＣ電源２２、ヒーター電源２６及びマスフロー制御装置３０を有するリアクターのパーツの動作を制御する。アルゴンがチャンバーに入れられると、ＤＣ電圧はアルゴンをプラズマへ点弧し、正に帯電したアルゴンが負に帯電したターゲット１４へ引き付けられる。イオンはかなりのエネルギーでターゲット１４を打ち、それによりターゲット原子または原子クラスターがターゲット１４からスパッタされる。ターゲットの微粒子のあるものはウエハ１６を打ち、それによりウエハ上に堆積し、ターゲット材料の膜を形成する。
【０００６】効率的なスパッタリングを提供するために、マグネトロン３６がターゲットの裏側に配置される。それは、反対のマグネット３８，４０を有し、マグネット３８，４０の近くのチャンバー内に磁界を形成する。この磁界は電子をトラップし、電荷の中性状態に対して、イオン密度が増大して、マグネトロン３６に隣接するチャンバー内に高密度プラズマ領域を形成する。しかし、密度を減少したプラズマがウエハ１６に向かって広がることがわかる。高密度プラズマはスパタリング速度を増加し、マグネトロン３６はターゲット１４の裏側にわたってスキャンされ、より均一なスパッタリングプロセスを提供する。集積回路の連続するメタライゼーションに伴って、メタライゼーションに対する要求が増大している。多くの者は、アルミニウムのメタライゼーションは銅のメタライゼーションに置き換えられるべきであると考えている。Ｍurarka他は、"Ｃopper metallization for ULSI and beyond," Critical Reviews in Solid State and Materials Science, vol. 10, no. 2, 1995, pp.87-124において、銅のメタライゼーションに関する記事を発表している。銅は多くの利点を提供する。そのバルク固有抵抗は、アルミニウムのそれよりもかなり小さく、純粋な材料に対して，１．６７μΩ-cm対２．７μΩ-cmである。メタライゼーションの相互接続の幅と厚みが連続して減少するので、固有抵抗が減少することは顕著な利点を与える。更に、アルミニウムのメタライゼーションに伴う問題は、いわゆる電気移動のプロセスにおいて、ホットスポットから離れて特に移動する高電流密度の下でのメタライゼーションの相互接続に沿って移動するために、アルミニウム金属におけるアルミニウム原子の傾向である。このような過剰な量の移動は、アルミニウムの相互接続を破壊し、集積回路を動作不能にする。銅ベースの合金はアルミニウムとその合金より電気移動の著しく減少したレベルを示す。
【０００７】従って、多くの場合、銅のバルクの振る舞いは、アルミニウムのそれよりも優れているが、銅のメタライゼーションは、証明されていない技術であり、従来のアルミニウムのメタライゼーションでは経験してない困難性があることが知られている。しかし、銅のメタライゼーションは、アルミニウムのメタライゼーションに固有の問題を回避する方法を提供する。商用の回路に銅の採用を阻む２つの大きな問題が認識されている。ドライエッチプロセスによって、即ちプラズマエッチングによって銅をエッチングすることは難しいことが証明されている。エッチ問題は、トレンチ-おそらくその底部に達する通路を有している-は、二酸化シリコンの誘電体層へエッチングされるダマシーンプロセス(damascene process)の発展によって回避されたようである。このトレンチは、水平の相互接続の所期の経路に従う。銅の全面堆積はトレンチを満し、更に誘電体上に層を形成する。ウエハは、化学機械的ポリッシングにかけられ、トレンチの頂部に露出されたすべての銅を除去し、従って、トレンチにおける銅の相互接続を残す。
【０００８】本発明によって解決される他の問題は、銅と集積回路の他の部分間のインターフェースを含む。アルミニウムの主な利点は、その良好な界面特性である。アルミニウムは、安定な酸化物Al2O3 の層を形成し、それはシリコンと強い化学結合を形成する。銅は、酸化するが、酸化物は安定でなく、湿った酸素環境に曝されると、時間と共に成長を続ける。銅及び銅の酸化物は二酸化シリコンによく密着しない。最後に、銅が二酸化シリコンに入るのを妨げるための手段を用いない限り、銅は、二酸化シリコンを通して非常に速く拡散し、誘電体層を通して、或いは横切って短絡を生じる。従来技術においては、銅が酸化物へや、酸化物を通して拡散するのを妨げるために、銅が堆積される前に、分離した障壁層が二酸化シリコン上に堆積された。
【０００９】上記の記事において、Ｍurarka他は、界面の性質を改善するために銅をマグネシウムやアルミニウムと合金にすることを推奨賞している。Ｒensselaer ＰolytechnicＩnstituteのＭurarkaのグループ及び彼らの協力者によってなされた最近の仕事は、信頼できる銅の相互接続を形成するための有用な技術を開発し、その動作のためのモデルを提供したことである。Ｌanford他は、"Low-temperaturepassivation of copper by doping with Al or Mg," Thin Solid Films, vol.262, 1995, pp.234-241で図２の概略断面図に示されているスパタリングを使用し、基板４６上に銅合金の膜４４を堆積していることを述べている。合金の元素の例は、アルミニウムとマグネシウムを含んでいる。銅合金の膜４４は、銅と合金元素の交互の層として堆積され、或いは２つの構成要素が銅合金のスパッタリングターゲットの使用によって、同時にスパッタされることができる。室温近くでスパッタリングを行った後、ウエハは、例えばアルゴン中で４００℃で３０分間アニールされる。図３の断面図に示されているように、アニーリングによって、マグネシウムの大きな断片が残りの銅の膜４８の外側に拡散し、境界面に存在するすべての酸素と反応して、マグネシウム酸化物の膜４９を形成する。ＭｇＯの膜４９は、Ｍｇで合金化されたＣｕ本体４４を包む。銅の膜４８上の自由面はＭｇＯの膜４９によって不動態化される。マグネシウム酸化物は、安定な酸化物であり、５−７nmの範囲の厚さで成長するのを停止する。薄い酸化物は、高いコンタクト抵抗を生じるとは考えられていないが、あらゆる場合に、酸化物は、それに続くメタライゼーションの堆積前にスパッタエッチングによって除去される。Ｌanford他は、上記の記事で自由面はアルゴン中の酸素の不純物によってＭｇＯへ酸化されることを示唆している。
【００１０】進歩した集積回路のメタライゼーションは、高いアスペクト比の孔を充填する点における必要な要件に直面している。デバイスの密度を上げることは、フューチャーサイズを更に減少することを必要とする。しかし、誘電体破壊がレベル相互の誘電体の厚さを同様に減少することを妨げている。結果として、通路のアスペクト比及びコンタクトは増大している。アスペクト比は、通路またはコンタクトを形成する誘電体を通す孔の深さとその孔の最小の横の大きさとの比である。５対１のアスペクト比は、考えられる開発技術であるが、更に高い値が必要とされるであろう。高いアスペクト比の孔がエッチされると仮定して、それらを相互レベル接続するための金属で充填するという問題が残る。従来のスパッタリングは、明らかに等方性であるので、スパッタされた材料が孔の入り口部分と比較して、孔の底を殆ど叩かず、そしてスパッタリングが孔の上部をブリッジして、更に堆積するのを阻止するために、高アスペクト比の孔の形状はスパッタリングに対しては好ましくない。孔を充填する問題は、図４の断面図に示されている。電気的にコンタクトされるべき図示された構造を有する、狭くそして深い孔５０がシリコン酸化物基板５２にエッチされる。その後、銅の層５４が孔５０に充填される。もし、この充填が初期のコールド堆積を含む標準のＰＶＤプロセスによって行われ、それに続いて、充填を完成するために最終のホットな堆積によって表面層を形成するならば、空隙５６が孔に形成されるかもしれない。何故ならば、銅が孔５０の酸化物側から浸潤しないからである。一旦、銅が堆積中に空隙５６をふさぐと、空隙を除き、孔の充填を完成することは実際に不可能である。
【００１１】孔を充填する好ましくない形状を克服するために、少なくとも２つの技術、方向性スパッタリングとリフローが用いられる。方向性スパッタリングにおいて、正規な方向に重点的に集中されたウエハ上に入射するスパッタされた粒子のフラックスを生成するために、１つ以上のいろいろな技術が用いられる。リフローは、初期には望ましくない分布で堆積されるけれども、金属は適度に低い温度で流動するので、金属は、孔に流れ、それを充填するようにするという事実に依存する。リフローは、堆積後のアニールにおいて生じさせることもできるし、或いはホット堆積中に行うこともできる。方向性スパッタリングは、ロングスロー、コリメーション、及び高密度プラズマにおいてイオン化され、スパッタされたイオンの静電引力を含む多くの方法によって達成することができる。方向性スパッタリングは、本発明によっては必要ないが、後で説明されるように、それと共に有利に使用されることもできる。
【００１２】メタライゼーション、特に銅のリフローは、いろいろな困難を示す。アルミニウムと異なって、銅は、比較的高い融点を有している。基板をメタライゼーションの溶融温度まで加熱することは、非常に高い熱的負担を負うし、従来の処理ステップと一致しないかもしれない。アルミニウムと銅はそれらの融点より幾らか低い温度で流動するが、これらの金属のいずれかと通常のインターレベルの誘電体を形成する二酸化シリコン間の境界面はリフローに対して好ましくない。アルミニウムも銅もある高温で二酸化シリコンにはよくぬれない。結果的に、これらの金属は、二酸化シリコンの壁の下にある滑らかな層では流れない。実際に、アルミニウム或いは金属が二酸化シリコン上に薄い層としてある場合、金属は、絶縁された位置に丸くなる傾向にある。Ｘu他は、U.S.特許出願（Ｓerial Ｎo.08/628,835，filed April 5,1996)でアルミニウムのメタライゼーションに伴うリフロー問題を扱っている。彼らは、高密度プラズマによって堆積されたＴiN及び可能性としてＴｉのキャリア層を用いることを推奨し、二酸化シリコンを介して広がる狭い開口に堆積されたアルミニウムの密着性を増加するステップを含む多くの機能を達成している。キャリア層は、二酸化シリコンによる密着する接着層として作用し、また後で堆積されるアルミニウムに対して濡れ層としても作用する。結果的に、アルミニウムは、比較的低温でキャリア層の下に流れ、従って、容易に孔を満たす。
【００１３】
【本発明の概要】本発明の１つの特徴は、合金元素、例えばマグネシウム、アルミニウム、ホウ素、及びタンタルを数パーセント含有する銅合金が通路の壁を形成する酸化物、例えば二酸化シリコンの表面部分、を含む基板上にスパッタされるメタライゼーション方法及びその製品を含む。上昇された温度によって、合金元素は側壁上の酸化物の方へ拡散し、二酸化シリコンへ、及び二酸化シリコンを通る銅の拡散に対してバリアとして作用する薄い、安定した合金酸化物を形成する。もし、充分な酸素がスパッタリングステップ中にあるならば、金属酸化物が、銅合金の上面に形成するであろう。スパッタリング中に合金元素の拡散を向上するのに十分上昇され温度に保持されている間に、銅合金は、基板上にスパッタされるのが好ましい。
【００１４】本発明の他の特徴は、シリコン酸化物の誘電体層上に、好ましくはコールドスパッタリングよって堆積された銅合金の膜を有する銅のメタライゼーションの構造及び製造方法を有する。その後、純粋な銅の膜が銅合金層上にスパッタされ、銅堆積の開始後に、銅合金層内に合金元素の拡散を向上するために、温度が上昇される。本発明は、他の使用の間に、狭い開口、例えば通路やトレンチに銅を充填するために適用できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明は、合金のスパッタ堆積がそのアニールと密接に関係する銅合金の膜を形成する効果的な製造方法を含む。本発明の第１の実施形態は、第５図の断面図に示され、上部のインターレベル通路である。下部レベルは、一般的に二酸化シリコン或いは珪酸ガラス、即ちシリコン酸化物から形成された、下部のインターレベル誘電体層６０を含む。銅ベースの相互接続またはパッド６２は、下部の誘電体層６０の上面に形成される。二酸化シリコンまたは珪酸ガラスの上部レベルの誘電体層６４は、下部の誘電体層６０上に堆積され、通路の孔６６は、銅パッド６２の領域にある上部の誘電体層６４を通してエッチされる。物理気相堆積（ＰＶＤ）は、銅合金の膜６８を通路の孔６６と上部の誘電体層６４へ堆積するために用いられる。銅及びその合金元素、例えばマグネシウムは、均一な組成の粒子フラックスが基板上に落下するように、同時にスパッタされる。この同時スパッタリングは、２つの元素間の差動スパッタリングの歩留まりのために、組成におけるある違いがスパッタターゲットとスパッタ堆積された膜間に生じるけれども、所望の銅合金の組成に近い組成を有するスパッタターゲットを用いることによって、非常に容易に達成される。
【００１６】銅合金の膜６８は、比較的上昇された温度で堆積されるか、或いは合金元素が、上部の誘電体層５４と頂部の自由面にある金属酸化物の不動態化層７２に近接して金属酸化物拡散層７０を形成するために、表面に移動するように、堆積後にアニールされる。金属酸化物のため酸素がシリカ層６４における二酸化シリコンによってか、あるいはスパッタリング又は分離したアニーリングステップに対して用いられるアルゴン又は真空の環境における残留酸素によって供給される。不十分な合金元素は利用可能な酸素と共同して表面まで拡散するので、高すぎる酸素の部分圧力は、銅を酸化して、銅の酸化物を形成する。後で示されるように、金属感化物の拡散層７０における金属は、主に合金元素である。合金元素がマグネシウムである場合、金属酸化物の層７０，７２は、ＭgO、すなわち正常な状態で約７nmの厚さまで形成し、その後成長を停止する安定した酸化物の少なくとも一部に形成される。このような薄い酸化物の不動態化層７２は、酸化物層の面に垂直な方向に著しい電気抵抗を示す。合金元素は、それが銅合金の膜６６をとおして拡散するのと同じ割合で第１レベルの金属６２へ自由に拡散することが考えられるので、酸化物層は、第１レベルの金属６２に隣接して形成する。
【００１７】本発明を実施する第１の方法において、銅合金は、それがスパッタ堆積されるにしたがって、銅合金をアニールするのに十分な上昇した温度に保持されて、スパッタされる。すなわち、それはホットスパッタ堆積である。好適な温度は、後述される。図１に示されるように、Ｅndura ＰＶＤリアクターは、本発明に必要な温度を与えることができる、ウエハペデスタル１８におけるヒーターを含む。ホットスパッタ堆積の場合、均一な銅合金が堆積されるけれども、合金元素は外方へ拡散し、二酸化シリコンの誘電体層６４の隣の内側酸化物層７０と外側酸化物層７２を形成する。酸素は銅パッド６２の上部において容易に利用できないので、内側酸化物層はこの銅パッド上に形成されない。リアルタイムアニーリングの利点は、初期に堆積された銅合金はシリコン酸化物と反応して、結合されたシリコンの酸化物と合金元素を形成することである。この境界面は、銅とシリコン酸化物の組み合わせから利用可能であるより遅く堆積された銅或いは銅合金に対して、より優れた接着を与える。
【００１８】本発明を実施する第２の方法において、銅合金の膜６８が合金元素の著しいアニーリングや拡散が生じない低温、例えば室温でＰＶＤ堆積される。銅合金の堆積後、ウエハはアニールされる。アニーリングは銅合金の膜が堆積されるＰＶＤチャンバーのその場所で行われるか、或いは別のアニール炉において行われる。アニール環境は、真空かアルゴンガスのようなパージガスであればよい。堆積後のアニーリングは、もし、ヒーターペデスタルがアニール後に必要な幾らか高い温度を与えることができるなら、銅合金の膜が堆積された同じＰＶＤ内で行うことができる。代わりに、ウエハはそれ以外のアニール用の分離したアニールチャンバーへ移動される。しかし、アニールチャンバーへの移動は実質的に酸素のない、例えば１０-9トルに制御された環境内で行われる必要がある。アプライドマテリアルズからのＥnduraクラスターツールを真空移転のために用いることができる。
【００１９】Ｍurarkaは、ＭaterialsＲesearch ＳocietyＳymposiumＰroceedings, vol.405,pp.485-496, 1996の"Use of advantageous impurity effects in metallization,"におけるアニーリングと高温酸化間の相違を発表している。他の方法で処理されないＣｕＡｌ合金の膜が空気中で３００℃に加熱されると、銅酸化物の層が形成し、２０時間にわたって約７０ｎｍに成長する。すなわち、ＣｕＡｌ膜が酸化したのである。一方、ＣｕＡｌ膜が４００℃で３０分間アルゴン環境中でアニールされると、すぐ上に記載された次のアニーリングは測定できる銅の酸化物層を生じなかった。すなわち、減少された酸素の環境における初期のアニールは次の酸化を防止する。銅合金を冶金を用いて、しかし平坦な形状において、多くの実験が行われた。最初の２つの実験は金属酸化物の障壁層７２上に集中し、金属酸化物の不動態化７０の効果は見られない。
【００２０】実験１最初のシリーズの実験において、いろいろな形状の平らな銅メタライゼーションが導電性シリコン基板上の二酸化シリコンの１００ｎｍ厚の層上に形成され、金属コンタクトが銅メタライゼーションに与えられた。追加のコンタクトが導電性基板に与えられた。その後、サンプルは、２７５℃に保持されたサンプルの酸化物層の両端に２ＭＶ／ｃｍの電位を印加することによって電気的にストレスが与えられた。リーク電流が時間の関数として観察された。ある点で、酸化物を横切って十分な銅が拡散し、それはかなり良好な導体になった。スレッショルド電流は、破損を示すように考えられた。十分な数のサンプルが計測され、破損するまでの平均時間（ＦＴＴＦ）を計算した。
【００２１】発明性のあるサンプルに対して、銅合金は、約２００ｎｍの厚さにスパッタ堆積されたＭｇの２原子パーセントを有するＣｕである。３つの形式の標本に対する結果が１つの比較サンプルと共にテーブル１に示されている。
本発明の第１のサンプルにおいて、ＣｕＭｇ合金が室温に近い温度でスパッタ堆積され、その後、１mTorr （ミリトル）のアルゴン中で３５０℃において１０分間アニールされた。ＭＴＴＦはかなり大きかったが、ＭＴＴＦ値の範囲は望ましくない短い時間に広がった。本発明の第２のサンプルにおいて、ＣｕＭｇ合金は、２５０℃に保持されたウエハにスパッタ堆積され、ウエハ温度は、スパッタの終了後、５分間保持された。ＭＴＴＦは増大したが、範囲はまだ広すぎた。本発明の第３のサンプルにおいて、ＣｕＭｇは１５０℃でスパッタ堆積され、スパッタ堆積後、同じ温度に５分間保持された。ＭＴＴＦは良好であり、範囲は実質的に狭かった。しかし、統計上一定の結論に達するには不十分であり、この時点で、比較できる結果を得るために、３つのプロセスが考えられた。これらの値は銅の膜が実質的な量の合金を持たず、バリアが銅と酸化物の間に形成されなかったサンプルのための最後の項目と比較する。ＭＴＴＦは測定するには短すぎた。
【００２２】実験２原子のプロファイルは上述されたものと同様に用意された平坦なサンプル上で測定された。プロファイリングは、二次イオンの質量分光によって行われた。マグネシウムの原子濃度が図６に示される。曲線８０は、分離と、上昇した温度のアニーリングステップを伴わない、Ｃｕと２原子％のＭｇで２５０℃でスパッタ堆積されたサンプルに対するプロファイルを示す。曲線８２は、５０℃以下でスパッタ堆積され、その後３５０℃でアニールされたサンプルに対するプロファイルである。２つのサンプルはＭｇの自由表面へ、そしてシリコン酸化物の中間層への一定の拡散を示している。このＭｇはシリコン酸化物へ拡散するが、濃度は約１００nm後に減少する。しかし、ホット堆積された銅合金は、Ｃｕの主な部分においてＭｇの大きな枯渇を示し、電気抵抗を減少する。酸素の原子濃度が図７に示されている。曲線８４は、３５０℃で堆積されたホットスパッタされ、アニールをしないサンプルに対するプロファイルを示し、一方、曲線６８は、前に述べたコールドスパッタされ、その場所でアニールしたサンプルに対するプロファイルを示す。７nmの表面酸化物層は、この技術によって、正確に測定されるには薄すぎる。ホット堆積されたサンプルは、銅のバルクに実質的に減少した酸素濃度を有し、明らかに、電気抵抗を減少するために有利である。
【００２３】従って、ホットスパッタは、アニーリングステップを除くという利点を有し、更に、合金元素及び残りの銅の膜における酸素の不純物の量を減少するという利点を有する。
実験３図６と図７のプロファイルに用いた同じサンプルの幾つかが堆積及びアニーリング温度の関数としてそれらの固有抵抗に対して測定され、これらの結果が処理温度を最適化するための他の基本を与えている。二組のサンプルは、通常室温に保たれているウエハを伴う、２原子％のＭｇを有するＣｕ合金でＰＶＤ堆積された。一組のサンプルは、真空環境中に３５０℃で別の場所においてアニールされた。すなわち、"ex situ" アニールである。ＣｕＭｇ膜の固有抵抗がこのアニールの長さ関数として測定された。３５０℃の結果は、図８の曲線９０で示されている。他の組のサンプルは、４５０℃でアニールされ、この結果は曲線９２で示されている。相互接続のためには、固有抵抗は最小にされる必要がある。この結果は、熱供給を最小にするために、約１０分間３５０℃の最小のポストアニーリング温度を示唆している。
【００２４】関連実験において、更に、三組のサンプルが上昇した堆積温度で、ＣｕＭｇ合金でＰＶＤ堆積された。スパッタ堆積の停止後、サンプルは、いろいろな堆積温度に保たれた。１７５℃のスパッタリングに対しては、ライン９４で、２５０℃のスパッタリングに対しては、ライン９６で、そして３５０℃のスパッタリングに対しては、ライン９８で、それらの結果が図９に示されている。これらの結果は、保たれた時間が殆ど効果を有していないことを示している。すなわち、堆積中のその場所でのアニーリングは低い固有抵抗を達成するのに十分である。これらの結果は、また、スパッタリング温度は、２５０℃が最小であるべきであり、最小の熱供給で最小の固有抵抗に達することを示している。その場所でのアニーリングに対する最適の温度範囲は、２００℃から３００℃までであることが予想される。しかし、テーブル１の結果は、拡散バリア特性が１５０℃の非常に低い堆積温度で改善されることを示している。固有抵抗のデータはこの温度では利用できないが、図９の傾向は、この温度で許容できる固有抵抗を示している。従って、固有抵抗は拡散抵抗に対して交換される。
【００２５】図８と図９の結果を比較すると、別の場所とその場所のアニールが固有抵抗の殆ど同じ低い値を生成することができる。しかし、熱供給は、図９のリアルタイムのその場所でのアニールで最小になる。図５に示された構造は、均一な銅合金の膜が通路の孔６６を完全に満たすと想定した。しかし、本発明の利点の多くは、５０nmより小さい厚さの非常に薄い銅合金の膜で得ることができる。５nmの厚さでも十分であるようである。図１０１０の断面図に示されるように、銅合金のコンフォーマルな膜１００が通路の孔６６へ、及び第２の誘電体酸化物の層６４上に堆積される。狭く、深い通路において銅合金の膜１００のコンフォーマリティーは、ＨＤＰ、ロングスロー或いはコリメーションのような特別な技術を必要とする。Ｆｕ他は、Ｍay 8, 1997に出願されたＳerial Ｎo.08/854,008の米国特許出願に代替技術を開示している。銅のスパッタリングに特に応用可能なそれらの技術において、アノードのグリッドがターゲットと基板の間に挿入され、支持された自己スパッタリングを可能にし、より方向性のあるスパッタ堆積を提供する。
【００２６】ホットスパタリングプロセスか、後アニールのいずれかは、コンフォーマルな銅合金の膜６０における合金元素が誘電体酸化物の層６４へ拡散し、前述の金属酸化物のバリア層６０を形成するようにする。分離した堆積プロセスは、通路の孔６６を満たし、上部の誘電体層６４を覆う銅層１０２を堆積する。バリア層７０が銅合金の膜１００に合金元素から形成されるので、合金元素は、銅合金１０２にでは必要とされない。孔の充填は、ＰＶＤ，ＣＶＤ，或いは電気又は無電解メッキを含む多くのプロセスによって行われる。Ｍurarkaは、Critical Reviewsにおける先に引用した記事に銅の無電解メッキを開示している。銅の層１０２は、銅合金の膜１００で覆われた通路の孔をより容易に満たすので、第２の銅の堆積は特別な孔を充填する技術を必要としない。前述のように、アニールされた銅合金の層は、特に厚い堆積がなされたとき、良好な接着層をシリコン酸化物へ与える。
【００２７】実験４一連のサンプルは、腐食抵抗に対してテストされた。前述の銅マグネシウム合金のサンプルは、以下に説明され流ように製造後、空気の環境で約３０分間１５０℃に炉の中でアニールされた。アニール後、サンプルは、表面の腐食に対して視覚的に観察された。その結果は、テーブル２に示されている。
第１のサンプルは、室温でスパッタされ、その後、離れた別の場所での５００℃でアニールされた。その表面は、幾らかの銅の酸化を示して部分的にブラウンであった。第２と第３のサンプルは２００℃と３００℃でそれぞれホットスパッタされ、５分間これらの温度に保たれた。両方共、部分的な銅の酸化を示して、ブルーを示した。第４のサンプルは、４００℃でホットスパッタされ、堆積後に温度の保持を行わなかった。部分的にブラウンであり、銅の酸化を示した。最後のサンプルは、４００℃でホットスパッタされ、スパッタリング後、１０分間その温度に保たれた。色の変化は現れなかった。
【００２８】これらの結果は、表面の腐食を最小にするために、ホットスパッタリングが好適であり、このホットスパッタリングは３００℃以上、好ましくは、４００℃で行われ、そして有意な堆積後ではそれ以上に保たれることを示している。従って、表面の腐食の考察は、より高いホットスパッタリング温度と、バリア特性の考察を行う以上に長い保持を示している。又、他の場所でのアニールは、満足のいく低い表面腐食を生じるように見えない。勿論、表面酸化物は、続く堆積の前にスパッタでの事前エッチングによって除かれる。本発明は、説明された銅合金に限定されない。一般に、原子合金割合は、１０原子％までの範囲である。しかし、今は一般に、薄い層は高い合金濃度を必要とするけれども、Ｍｇ合金は６原子％以下に保たれ、Ａｌ合金は、０．３原子％以下に保たれる必要がある。アルミニウム合金の割合は、０．０５原子％である。他の金属の合金元素、例えば安定した酸化物を形成し、銅を通して容易に拡散するタンタルやホウ素を用いることができる。
【００２９】本発明の第１の特徴は、銅のメタライゼーションと酸化物層の間に、自己発生バリアを与え、分離したバリア堆積を必要としない。ホットスパッタ堆積に対して、更にアニーリングを必要としない。銅メタライゼーション及び関連したバリアが通路構造を充填するために、或いは薄いバリア層として用いてもよい。以上は、マグネシウム又はアルミニウムのような合金元素を含む自己アニールされた銅のメタライゼーションの利点を開示している。正しい条件の下で、堆積されると、合金元素は、合金元素を有する自己不動態化金属酸化物層を形成し、下に横たわるシリカの境界面で合金金属とシリコンの酸化物のバリアを形成するために、露出した上面の境界面に容易に拡散する。以上の開示は、銅とシリカの間にバリアの形成とその利点に主に向けられている。われわは、可能な幾つかの変更を伴う同様なプロセスが孔を充填するために有利に用いられることを発見した。
【００３０】本発明の他の実施形態によれば、図１１の断面図に示されているように、基板は、その表面上に金属ライン６２を有する第１の誘電体層６０を含む。この議論は、主に、通路、すなわちメタライゼーションの１つのレベルから他のレベルへの導電性の孔を下に横たわるシリコン領域へ接触するより、むしろインターレベルするのに向けられている。第２の誘電体層６４が金属ライン６２と第１の誘電体の層６０の上に堆積される。シリカ及び珪酸ガラスの他の形状が同じ効果を得るために用いることができるけれども、この実施形態の第２の誘電体層６４は、プラズマ増強されたＣＶＤプロセスによって堆積されたシリコン酸化物、例えば二酸化シリコンから成っている。本発明の銅の技術は、例えばAl/Ti/TiNの低アルミニウムメタライゼーションと合体することができるけれども、金属ライン６２は、銅から形成されるのが好ましい。通路の孔６６は第２の誘電体層６４を通して下に横たわる金属ライン６２まで写真平板的にエッチされる。
【００３１】銅合金のシード層（seed layer）１１０は、狭い経路の孔６６の良好な底と側壁のカバレッジを裏づける条件の下で、経路の孔６６へ及び第２の誘電体層６４の頂上へスパッタ堆積される。Ｆｕ他は、上に引用した米国特許出願において、銅及びその合金の必要な殆どコンフォーマルなスパッタ堆積のために、有利に用いられることができる銅の自己スパッタリング用のリアクターを開示している。シード層１１０は、約５乃至１０nmの非常に薄い厚さに堆積される必要がある。約２０nmまで厚くすることはできるが、更に厚くすると、後に述べられる孔を充填するプロセスにおける製造効率を下げる。従って、５０nmまたは１００nmより厚くないことが製造環境において好ましい。もし、シード層１１０が狭い孔を充填するために使用されるなら、上記の厚さは孔の側壁及びそこにおける厚さである。側壁の堆積の厚さは、フューチャーサイズ、そのアスペクト比及びスパッタリング条件に依存する割合で平らな上面上に堆積の厚さの一部のみである。シード層１１０は、ホットな状態の下で、スパッタ堆積されるので、堆積中に自己アニールする。ホットスパッタは２００乃至４００℃の範囲、より高い温度も可能であるが、に保たれた基板と共に行われるのが好ましい。しかし、ホットスパッタリングの複雑さは、本発明の効果の多くに対しては必要でない。代わりにシード層１１０は２００℃以下または１００℃以下、これは境界面への合金元素の拡散には好ましくない温度であるが、のコールド状態の下でスパッタ堆積されることができる。銅の酸化層がシード層１１０の露出した表面に形成することがコールドスパッタ堆積の下でかのうであるが、好適な充填プロセスが銅酸化物を除去する。
【００３２】われわれは、銅合金のシード層１１０が非常に滑らかな層で形成することを観察した。特に、ＳｉＯ2上に堆積され、その後４５０℃で３０分間アニールされた２００nm厚さのＣｕ−Ｍｇ非常に滑らかな表面を生成した。ＳｉＯ2上の２０nmのタンタルのバリア上に同様に堆積された純粋な銅の２０nmの層は、２００℃程度の低い温度で厳しい除湿を含んで、銅の大きなアグロメレーションを生成した。これらの結果は、滑らかな銅合金のシード層１１０が銅を堆積した後に良い湿りを与え、従って深い通路及びトレンチの銅の完全充填を促進することを示している。薄いシード層１１０が堆積された後に、通路の孔６６が比較的純粋な銅で第２の堆積ステップによって充填される。比較的純粋な銅は、少なくとも９９原子％の純粋である銅を意味し、１％の不純物、すなわちドーピングレベルは、ここで説明された合金元素には適用されない。銅の層６２を生成する完全充填堆積はＰＶＤによって、ＣＶＤによって、或いは電解メッキ又は無電解メッキによって、行われる。これらの堆積方法は、Murarka他による、Critical Reviewsにおける前に引用した記事に記載されている。好ましくは、合金のシード層１１０は、コールドスパッタで堆積され、純粋な銅の堆積は、シード層がアニールされる前に行われる。結果として、Ｃｕ−Ｏ結合は号非常に強くないために、酸素がアニールで失われるけれども、銅合金のシード層１１０は、自然に酸化し、銅酸化物の表面層を形成する。ＰＶＤの銅の完全充填に対して、それは、３００℃以上、好ましくは４００℃乃至５５０℃の比較的高い温度で、行われる。第２のＰＶＤ堆積は、標準のＰＶＤ、コリメートされたＰＶＤ、高密度プラズマＰＶＤ又はその他の変形であればよい。ＣＶＤ堆積に対しては、プラズマの事前クリーニングを用いることができる。電解メッキは、銅の酸化物を自然に除去する。銅合金のシード層１１０の滑らかな表面は、酸化物へのＣｕ−Ｍｇの良好な接着による除湿しない比較的低温で通路の孔へのリフローを促進する。滑らかなＣｕ合金の表面は、後に堆積された銅に対して接着を促進する。ＣＶＤに対して、２００℃より高くないリフロー温度が必要であり、電解メッキされた銅に対しては、１００℃より高くない温度である。
【００３３】通路の充填後、構造は、合金元素が銅合金のシード層１１０内を拡散するするようにアニールされる。この合金元素は、誘電体層６４に向かって拡散し、図１２の拡大された断面図に示されるように、シード層１１０と誘電体層６４間の境界面に、銅がシリカの誘電体層６４へ、及び誘電体層６４を通って拡散するのを防止する、非常に薄いバリア層１１４を形成する。このバリア層１１４は、幾らかのシリコンと共に、合金元素の酸化物を含む。合金元素も銅の充填１１２へ拡散するが、もし、薄い層６０が表面の不動態層を形成するために十分な合金元素を与えるべきであるなら、銅の平らなオーバー層の厚さは、最小にされる必要がある。しかし、一般に、自由表面の不動態化は、全表面が化学機械的ポリッシングの続くステップにおいて平らに磨かれるために、重要ではない。アニーリングは、もし、６００℃までの温度がウエハ上の他の構造を熱的にグレード付けないならば、それらの温度を用いることができるけれども、３００乃至４００℃の温度範囲内で行われるのが好ましい。
【００３４】このアニーリングは、分離したアニーリング炉において、或いは放射ランプを含む熱処理によって行われることができる。アニーリングは、その場所での（insitu）ＰＶＤアニーリング、即ち、上昇した基板温度で行われるＰＶＤ堆積か、或いはＰＶＤ堆積の停止後ＰＶＤ内で行われるアニールのいずれかによっても行うことができる。アニーリング環境は、高真空、酸化を最小にするフォーミングガス、或いは減少した酸素の部分圧力のいずれかで、合金元素の酸化物、例えばＭｇＯまたはＡｌ2 Ｏ3 、しかし、銅の酸化物ではない、の表面層を形成する。従って、単一の銅合金のシード層１１０は、シリカ境界面におけるバリア層と銅の境界面における接着/ ウエット層の両方を備える。従来技術において、分離したバリアとウエッティング層が銅を伴うシリカにおける深い孔を充填するために必要であった。
【００３５】上述の記載は、一般に方形又は円形の通路の孔のための孔通路を参照したが、本発明は、他の形状にも適用できる。開口は、誘電体の面に沿って実質的な距離を延びるトレンチである。このトレンチは、誘電体を通して延びる必要はなく、純粋な銅がトレンチにおける合金層上に比較的薄いコンフォーマルな層として適用される。本発明の合金シード層の他の応用は、銅の平坦化に対してである。図１１に示されるように、小さなディンプル１１８が通路の孔６６の上に横たわる銅の層１１２の表面に形成する。通路の孔６６が銅の層１１２の平らな部分の厚さより非常に深いという事実に照らして、孔の充填形状は、非常に深いディンプル１１８を示し、これは後に形成される層に非常に影響を与える。しかし、深い孔の完全充填を促進する本発明のシード層によって生じた同じ効果は、銅が堆積され、或いはその後アニールされるにしたがって、銅の横へのリフローによって銅の層１１２の上面の平坦化を促進し、それによって、ディンプルのサイズを減少する。
【００３６】マグネシウムは銅に対するもっとも好ましい合金元素であり、アルミニウムも有利な結果を与えるものして知られているが、他の合金元素、例えば、ホウ素、タンタル、テルル、及びチタンが銅と共に用いられることができる。上述された利点を与えるために、このような合金元素は、安定した酸化物を形成し、銅を通して容易に拡散する必要がある。一般に、合金原子の割合は１０原子％までの範囲である。しかし、Ｍｇ合金は、６％以下に保たれ、Ａｌ合金は、０．３原子％以下に保たれる必要がある。最小の合金割合は、０．０５％である。
【００３７】
【発明の効果】従って、本発明は、構造やその製造において過度の複雑さのない、多くの有利な特性を示す銅のメタライゼーション構造を提供する。銅合金誘電体の境界面にバリアを、そして自由境界面において不動態化を与えるばかりでなく、後で堆積される銅層の堆積を促進する。この効果は、高いアスペクト比の孔を充填するのに特に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＰＶＤリアクターの概略断面図である。
【図２】銅の合金本体の従来の包囲を示す断面図である。
【図３】銅の合金本体の従来の包囲を示す断面図である。
【図４】誘電体にある孔を充填するときに形成された空隙の概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態による銅で充填された通路の断面図である。
【図６】本発明の銅合金の膜を横切るＭｇとＯの原子プロファイルのグラフである。
【図７】本発明の銅合金の膜を横切るＭｇとＯの原子プロファイルのグラフである。
【図８】コールド堆積され、その後表示された温度でアニールされた、ＣｕＭｇ合金に対するアニーリング時間の関数としての固有抵抗のグラフである。
【図９】表示された温度で堆積され、その後その温度を保持したＣｕＭｇ合金に対する保持時間の関数としての固有抵抗のグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施形態による銅で満たされた通路の断面図である。
【図１１】本発明の１つの実施例による銅で満たされた通路の断面図である。
【図１２】バリア形成後、図１１のライン１２−１２によって示された部分の拡大断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】銅のメタライゼーションを形成する方法であって、酸化物を有する基板の誘電体部分に銅と１０原子％より少ない合金元素を含む銅合金をスパッタ堆積する第１のステップと、前記銅合金に銅の層を堆積する第２のステップ、を有することを特徴とする方法。
【請求項２】前記銅の層は、実質的に純粋な銅から成っていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記第１のステップは、２００℃に等しいか、或いはそれより高い温度で前記基板を維持している間に、行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】前記温度は、４００℃より大きくないことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】前記第２のステップは、銅をメッキするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】前記第２のステップは、銅の化学気相堆積を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】前記第２のステップは、銅の物理気相堆積を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】前記第１のステップは、前記合金元素が前記銅合金の層に拡散するように、十分高い、第２のステップにおける温度より実質的に低い第１の温度に前記基板を保持している間に、行われることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】前記第１の温度は、２００℃より低いことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】前記第１の温度は、１００℃より低いことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】更に、前記合金元素が前記銅合金の層に拡散するように、前記第２のステップ後に、前記構造をアニールするステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】前記第１のステップは、２００℃より低い温度で前記基板を保持している間に、行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】前記合金元素は、マグネシウムを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】前記マグネシウムは、０．０５と６原子％の間の量にあることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】前記合金元素は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】前記アルミニウムは、０．０５と０．３原子％の間の量にあることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】前記合金元素は、ホウ素、タンタル、テルル及びチタンから成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】前記酸化物は、シリコン酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】メタライゼーション構造であって、酸素を有する誘電体層と、前記誘電体層上に形成され、銅及び１０原子％より少ない合金元素を有する銅合金の層と、前記銅合金の層上に堆積された実質的に純粋の銅層、を有することを特徴とするメタライゼーション構造。
【請求項２０】更に、シリコン、合金元素及び酸素を含む、前記銅合金の層と前記誘電体層間に界面の酸化物の層を有することを特徴とする請求項１９に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２１】前記合金元素は、マグネシウムを含むことを特徴とする請求項１９に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２２】前記マグネシウムは、０．０５と６原子％の間の量にあることを特徴とする請求項２１に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２３】前記合金元素は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２１に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２４】前記アルミニウムは、０．０５と０．３原子％の間の量にあることを特徴とする請求項２３に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２５】前記合金元素は、ホウ素、タンタル、テルル及びチタンから成るグループから選択されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】前記誘電体層は、前記誘電体層に広がる開口を有し、前記銅合金の層は、前記開口の側に覆われていることを特徴とする請求項１９に記載のメタライゼーション構造。
【請求項１】銅のメタライゼーションを形成する方法であって、酸化物を有する基板の誘電体部分に銅と１０原子％より少ない合金元素を含む銅合金をスパッタ堆積する第１のステップと、前記銅合金に銅の層を堆積する第２のステップ、を有することを特徴とする方法。
【請求項２】前記銅の層は、実質的に純粋な銅から成っていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記第１のステップは、２００℃に等しいか、或いはそれより高い温度で前記基板を維持している間に、行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】前記温度は、４００℃より大きくないことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】前記第２のステップは、銅をメッキするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】前記第２のステップは、銅の化学気相堆積を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】前記第２のステップは、銅の物理気相堆積を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】前記第１のステップは、前記合金元素が前記銅合金の層に拡散するように、十分高い、第２のステップにおける温度より実質的に低い第１の温度に前記基板を保持している間に、行われることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】前記第１の温度は、２００℃より低いことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】前記第１の温度は、１００℃より低いことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】更に、前記合金元素が前記銅合金の層に拡散するように、前記第２のステップ後に、前記構造をアニールするステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】前記第１のステップは、２００℃より低い温度で前記基板を保持している間に、行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】前記合金元素は、マグネシウムを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】前記マグネシウムは、０．０５と６原子％の間の量にあることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】前記合金元素は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】前記アルミニウムは、０．０５と０．３原子％の間の量にあることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】前記合金元素は、ホウ素、タンタル、テルル及びチタンから成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】前記酸化物は、シリコン酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】メタライゼーション構造であって、酸素を有する誘電体層と、前記誘電体層上に形成され、銅及び１０原子％より少ない合金元素を有する銅合金の層と、前記銅合金の層上に堆積された実質的に純粋の銅層、を有することを特徴とするメタライゼーション構造。
【請求項２０】更に、シリコン、合金元素及び酸素を含む、前記銅合金の層と前記誘電体層間に界面の酸化物の層を有することを特徴とする請求項１９に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２１】前記合金元素は、マグネシウムを含むことを特徴とする請求項１９に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２２】前記マグネシウムは、０．０５と６原子％の間の量にあることを特徴とする請求項２１に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２３】前記合金元素は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項２１に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２４】前記アルミニウムは、０．０５と０．３原子％の間の量にあることを特徴とする請求項２３に記載のメタライゼーション構造。
【請求項２５】前記合金元素は、ホウ素、タンタル、テルル及びチタンから成るグループから選択されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】前記誘電体層は、前記誘電体層に広がる開口を有し、前記銅合金の層は、前記開口の側に覆われていることを特徴とする請求項１９に記載のメタライゼーション構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
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【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開平１１−５４４５８
【公開日】平成１１年（１９９９）２月２６日
【国際特許分類】
【外国語出願】有
【出願番号】特願平１０−１６４０９０
【出願日】平成１０年（１９９８）５月８日
【出願人】（３９００４０６６０）アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド (1,346)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【公開日】平成１１年（１９９９）２月２６日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−１６４０９０
【出願日】平成１０年（１９９８）５月８日
【出願人】（３９００４０６６０）アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド (1,346)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
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