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技術 1ないし5nmの厚さの金属キャップを用いる改良されたオンチップCu相互接続

出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション
発明者 ジョン・ブルーレイロイ・エイ・カラザーズリン・マリー・ギグナックカオ・クン・フーエリック・ゲルハルト・リニガーサンドラ・ガイ・マルホトラステファン・エム・ロスナーゲル
出願日 2006年1月16日 (14年11ヶ月経過) 出願番号 2006-007419
公開日 2006年8月3日 (14年5ヶ月経過) 公開番号 2006-203197
状態 特許登録済
技術分野 半導体集積回路装置の内部配線
主要キーワード 電気的連通 金属ライナ 電気メッキ槽 Cuチップ 多層相互接続構造 標準還元電位 バルク組成 電子構造体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年8月3日)のものです。
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図面 (8)

課題

1から5nmの厚さの金属キャップを用いた改良されたオンチップCu相互接続を提供する。

解決手段

開示されているのは、層間の誘電体又は誘電体拡散障壁層堆積に先立って、1から5nmの厚さの元素Cuダマシン配線の表面をコーティングする手順である。そのコーティングは、酸化に対する防御をもたらし、Cuと誘電体の間の密着力増し、そしてCuの界面拡散を減少させる。さらに、その薄いキャップ層はCuのエレクトロマイグレーション寿命を増し、応力により誘起されたボイド発生を減らす。選択された元素は、Cu配線間のショートを引き起こすことなしに、下層の誘電体中に埋込まれたCuの上に直接堆積することができる。これらの選ばれた元素は、酸素及び水に関する負の高い還元電位と、Cuへの低い溶解度、及びCuとの化合物形成に基づいて選ばれている。

概要

背景

0.25μm技術を越えた集積回路(IC)チップ性能の向上を達成し、併せて構造体(feature)サイズを減少させることに関する業界のニーズは、相互接続システムを、より低抵抗のCuベース導体移行させる原因となっている。通常は4ないし8層のCu相互接続を含んでいる現在の市販のCuICチップは、一般に、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法もしくはその両方によって製造される。オンチップ(on−chip)相互接続における信頼性の最も重要な二つの問題点は、エレクトロマイグレーションと、Cu相互接続回路素子内の応力により誘起されたボイド発生である。ICチップの銅メタライゼーションにおけるエレクトロマイグレーションが広く研究されている。エレクトロマイグレーションと応力により誘起されたボイド発生は、それぞれ電界内での拡散及び応力勾配による原子運動である。相互接続が、直流(dc)電流において電気的な応力を受けるとき、ミクロ構造または材料もしくはその両方が変化して原子束(flux)の不均衡が存在する箇所において、Cu原子ドリフトが、大量の空乏ボイド又は開回路を生じる)又は蓄積(押し出し又はショートを生じる)を引き起こす。Hu他(非特許文献1)は、Cu相互接続におけるCuの大量移動が、粒界(grain boundary)においてではなく、主として界面の表面で生じると報告している。Cu相互接続構造体においては、配線(line)の上面は一般に絶縁体、例えば窒化シリコンによって覆われ、配線の底面及び側面はライナ、例えばTaN/Taによって覆われる。Cu配線は層間のバイア(via)を通して他の配線に接続される。上面のCu/窒化シリコンの界面における拡散はCu中が主であるから、エレクトロマイグレーション束は、δsを界面領域の有効厚さ、及びwを配線幅として、面積δsw内の上部界面に拘束される。一定の配線電流密度jにおいて、界面領域を通るように流れるエレクトロマイグレーション束の相対量は、hを配線の厚さとして、界面面積配線面積で割った比、δsw/(wh)、すなわちδs/hに比例する。Cuのエレクトロマイグレーション寿命τは、ΔL/Vd=ΔLhkT/(δsDsFe)となるが、ここで、ΔLは故障を発生させる臨界ボイド長、Vdはボイドの成長速度、Dsは界面拡散率、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、及びFeは界面におけるエレクトロマイグレーションの駆動力である。ΔLは一般に層間バイアのサイズに等しい。上式は、寿命が界面拡散率Dsによって支配されることを示す。構造体サイズをより小さな寸法(より高い電流密度及びよりいっそう多くのエレクトロマイグレーションをもたらす)に縮小するときにCuチップを十分に活用するためには、界面に沿った速い拡散経路(Ds)を変えなければならない。本発明の意図と目的は、ダマシン構造におけるCu配線の上面の性質を、速い拡散を減らすように変更することである。このことは、エレクトロマイグレーション又は応力により誘起された故障の減少による回路の寿命(信頼性)の増加をもたらすであろう。

特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に記載のCuダマシン・プロセスにおいては、バイア及びトレンチ絶縁体材料中にエッチングされ、金属が堆積されてこれらの空洞を埋め、そして化学的機械研磨(CMP)を用いて過剰の金属が除去されて金属のバイア及び配線が形成される。金属充填、即ち、金属ライナCuシード層及びCuメイン導体は、物理的気相堆積法及び電気メッキ蒸着技術組合せによって作られる。Cu相互接続(配線及びバイア)は誘電体中に埋込まれる。Hu他(非特許文献2)は、Cu相互接続が、メインCu導体に加えて金属と絶縁体(誘電体)の密着拡散障壁層を必要とすることを報告した。特許文献4は、エレクトロマイグレーションとCu配線の応力誘起マイグレーションを減らすために、CoWP、CoSnP、CoP、Pd、CoB、CoSnB、In、NiB及びWの選択された群からの無電解選択的堆積膜をCu表面上に使用することを開示している。E.G.Colganは、Cuのヒロック形成抑圧及び酸化の防止のためにCuダマシン配線キャップするための選択的CVD−W膜を報告した(非特許文献3)。特許文献5は、熱的アニーリング及び選択的ウエットエッチングによってTiN(O)を形成するためにTi/Cu及びCu(Ti)合金を用いることを教示している。特許文献6は、Cuと窒化シリコンの間の密着性を改良するためのCuシリサイド使用法を教示している。特許文献7は、Cuダマシン・プロセスのエッチング・ストップとして、50ないし200nmの厚さのTiNブランケット膜をCuダマシン配線の上部に用い、次いでフォトレジストを用いてTiNをパターニングし、そしてエッチングするという方法を教示している。特許文献8は、トレンチ/ホールを埋めるために純(pure)Cuを用いる通常の電気メッキ法を、Cu(Al)合金を用いることに拡張している。特許文献9は、Cu又はAgの処理におけるメイン導体の電気メッキを改善するための、種々の堆積技術を用いた多重Cuシード層の使用法を開示している。特許文献10は、エレクトロマイグレーションに対する抵抗力、及びCu相互接続の密着性/表面特性を改良するためのCu合金シード層の使用法を教示している。特許文献11は、Al、Be、Cr、Mg、Ni、Si、Sn及びZnの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を含む銅合金の使用法を開示している。特許文献12は、In、Cd、Sb、Bi、Ti、Ag、Sn、Pb、Zr及びHfの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を0.0003から0.01の間の重量パーセント含む銅合金の使用法を開示している。特許文献13は、P、Al、Cd、Fe、Mg、Ni、Sn、Ag、Hf、Zn、B、As、Co、In、Mn、Si、Te、Cr及びZnの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を0.03から0.5重量パーセントの不純物濃度で含む銅フォイルを、フィルムキャリアの用途のために使用する方法を開示している。特許文献14は、銅合金の強度を増すために、Cr、Zr、Li、P、Mg、Si、Al、Zn、Mn、Ni、Sn、Be、Fe、Co、Y、Ce、La、Nb、W、V、Ta、B、Hf、Mo及びCの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を含んだ銅合金の使用法を開示している。しかし、これらのどの従来技術も、酸素に関して負の高い還元電位と、銅との化合物形成能力との両方を持つ金属元素の選ばれた群から、銅の上面に0.5から5nmの非常に薄い層を直接堆積することによって構築されたCu相互接続の使用法については開示していない。この新しいイノベーションの使用は、CuULSIオンチップ配線を次世代に拡張できるようにCu相互接続を改良するであろう。

米国特許第4,954,142号
米国特許第4,789,648号
米国特許第4,702,792号
米国特許第6,342,733号
米国特許第5,447,599号
米国特許第5,447,887号
米国特許第5,693,563号
米国特許第5,968,333号
米国特許第6,136,707号
米国特許第6,181,012号
米国特許第5,023,698号
米国特許第5,077,005号
米国特許第5,004,520号
米国特許第4,749,548号
Proceedings of 1999 International Interconnect Technology、p.197
Thin Solid Films,262,p.84−92,1995
Thin Solid Films,262,p.120−123(1995)

概要

1から5nmの厚さの金属キャップを用いた改良されたオンチップCu相互接続を提供する。 開示されているのは、層間の誘電体又は誘電体拡散障壁層の堆積に先立って、1から5nmの厚さの元素でCuダマシン配線の表面をコーティングする手順である。そのコーティングは、酸化に対する防御をもたらし、Cuと誘電体の間の密着力増し、そしてCuの界面拡散を減少させる。さらに、その薄いキャップ層はCuのエレクトロマイグレーション寿命を増し、応力により誘起されたボイド発生を減らす。選択された元素は、Cu配線間のショートを引き起こすことなしに、下層の誘電体中に埋込まれたCuの上に直接堆積することができる。これらの選ばれた元素は、酸素及び水に関する負の高い還元電位と、Cuへの低い溶解度、及びCuとの化合物形成に基づいて選ばれている。

目的

本発明の目的は、CuULSIオンチップ配線を次世代に拡張できるように集積回路のCu相互接続を改良することである。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
1件

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請求項1

0.5ないし5nmの厚さの選択された元素の膜でキャップされたデュアル又はシングルダマシンCu相互接続を有する多層相互接続構造体であって、前記元素が、−0.01Vから−4Vまでの電気化学系列に関する標準還元電位と、300℃において3原子パーセントより低いCuへの溶解度を持ち、Cuと化合物を形成するものであることを特徴とする構造体

請求項2

前記Cu相互接続が、前記相接続構造体エレクトロマイグレーションに対する抵抗力を改善し、応力により誘起されたボイド発生を減らし、そして耐食性を改善するために、Sb、In、Sn、Hf、Ti及びPからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素でキャップされたCuを含むことを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体

請求項3

前記Cu相互接続が、0.5から5nmまでの間の厚さを持つ金属キャップ層を有することを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項4

前記Cu相互接続が、Sb、In、Sn、Hf、P及びTiの2から25までの間の原子層でキャップされたCu本体を含むことを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項5

前記Cu相互接続が、物理的気相堆積法化学的気相堆積法電気メッキ、または原子層堆積技術あるいはその両方によって堆積することができるSb、In、Sn、Hf、P及びTiの2から25の間の原子層でキャップされたCu本体を含むことを特徴とする請求項4に記載の相互接続構造体。

請求項6

前記Cu相互接続が、200℃より高い温度で堆積されたIn及びSnの薄い金属層でキャップされたCu本体を含むことを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項7

前記Cu相互接続が、300℃より高い温度で堆積されたSb、HF、又はTiの薄い金属層でキャップされたCu本体を含むことを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項8

前記Cu相互接続が、300℃より高い試料温度でのCuと不純物の混合の後に、Cu相互接続の上表面の上に金属間Cu化合物または1から26nmの不純物リッチ領域あるいはその両方を形成する0.5ないし5nmの厚さの薄い金属層でキャップされたCu本体を有することを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項9

前記Cu相互接続が、隣接する絶縁体表面上に金属酸化物層を形成するのと同じ薄い金属層でキャップされたCu配線又は構造体を有することを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項10

前記Cu相互接続が、酸素及び水に関する負の高い還元電位の特性を持ち、後で空気に曝される薄い金属層でキャップされたCu配線又は構造体を有することを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項11

前記Cu相互接続が、Sb、In、Sn、Hf、Ti、P、C、N及びOからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素でキャップされたCu本体を含むCu配線又は構造体を有することを特徴とする請求項2に記載の相互接続構造体。

請求項12

前記Cu相互接続が、薄い金属層でキャップされたCu本体を含み、誘電体層上に形成される金属酸化物が選択的化学的エッチング・プロセスで除去できることを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項13

前記Cu相互接続が、薄い金属層でキャップされたCu本体を含み、金属酸化物が誘電体層上に形成され、この金属酸化物を、その相互接続構造体の上に堆積された次の層のエッチングストップとして機能させることができることを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項14

前記Cu相互接続が、薄い金属層でキャップされた配線又は構造体が誘電体層に埋込まれたCu本体を有することを特徴とする請求項1に記載の相互接続構造体。

請求項15

集積回路ウェハ上のCu相互接続を形成する方法であって、前記ウェハ上に、誘電体下層に埋込まれたCu配線を形成するステップと、前記Cu配線上に、所与の材料の0.5ないし5.0nmの厚さのキャップ層を堆積するステップと、前記層の少なくとも一部を、非導電性酸化部分となるように酸化するステップと、前記キャップ層の上面に誘電体材料を加えるステップと、上層にキャップ層を有するウェハを、真空中で少なくとも約200℃の温度まで加熱するステップと、を含む方法。

請求項16

前記所与の材料が、Al、Ca、HF、Mg、In、P、Pr、Sb、Se、Sn、Ti、V及びZrからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項15に記載の方法。

請求項17

前記酸化するステップが、前記キャップ層の画定された部分を酸化し、さらに前記酸化部分の少なくとも一部分を除去するステップを含むことを特徴とする請求項15に記載の方法。

請求項18

前記キャップ層が、Cuを酸化から保護し、Cuと誘電体材料の間の密着力増し、そしてCuの界面拡散を減らすことを特徴とする請求項15に記載の方法。

請求項19

前記酸化するステップが、前記キャップ層を完全に酸化物に変えるステップを含むことを特徴とする請求項18に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、集積回路のためのCuベース相互接続の一般的分野に関する。

背景技術

0002

0.25μm技術を越えた集積回路(IC)チップ性能の向上を達成し、併せて構造体(feature)サイズを減少させることに関する業界のニーズは、相互接続システムを、より低抵抗のCuベースの導体移行させる原因となっている。通常は4ないし8層のCu相互接続を含んでいる現在の市販のCuICチップは、一般に、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法もしくはその両方によって製造される。オンチップ(on−chip)相互接続における信頼性の最も重要な二つの問題点は、エレクトロマイグレーションと、Cu相互接続回路素子内の応力により誘起されたボイド発生である。ICチップの銅メタライゼーションにおけるエレクトロマイグレーションが広く研究されている。エレクトロマイグレーションと応力により誘起されたボイド発生は、それぞれ電界内での拡散及び応力勾配による原子運動である。相互接続が、直流(dc)電流において電気的な応力を受けるとき、ミクロ構造または材料もしくはその両方が変化して原子束(flux)の不均衡が存在する箇所において、Cu原子ドリフトが、大量の空乏ボイド又は開回路を生じる)又は蓄積(押し出し又はショートを生じる)を引き起こす。Hu他(非特許文献1)は、Cu相互接続におけるCuの大量移動が、粒界(grain boundary)においてではなく、主として界面の表面で生じると報告している。Cu相互接続構造体においては、配線(line)の上面は一般に絶縁体、例えば窒化シリコンによって覆われ、配線の底面及び側面はライナ、例えばTaN/Taによって覆われる。Cu配線は層間のバイア(via)を通して他の配線に接続される。上面のCu/窒化シリコンの界面における拡散はCu中が主であるから、エレクトロマイグレーション束は、δsを界面領域の有効厚さ、及びwを配線幅として、面積δsw内の上部界面に拘束される。一定の配線電流密度jにおいて、界面領域を通るように流れるエレクトロマイグレーション束の相対量は、hを配線の厚さとして、界面面積配線面積で割った比、δsw/(wh)、すなわちδs/hに比例する。Cuのエレクトロマイグレーション寿命τは、ΔL/Vd=ΔLhkT/(δsDsFe)となるが、ここで、ΔLは故障を発生させる臨界ボイド長、Vdはボイドの成長速度、Dsは界面拡散率、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、及びFeは界面におけるエレクトロマイグレーションの駆動力である。ΔLは一般に層間バイアのサイズに等しい。上式は、寿命が界面拡散率Dsによって支配されることを示す。構造体サイズをより小さな寸法(より高い電流密度及びよりいっそう多くのエレクトロマイグレーションをもたらす)に縮小するときにCuチップを十分に活用するためには、界面に沿った速い拡散経路(Ds)を変えなければならない。本発明の意図と目的は、ダマシン構造におけるCu配線の上面の性質を、速い拡散を減らすように変更することである。このことは、エレクトロマイグレーション又は応力により誘起された故障の減少による回路の寿命(信頼性)の増加をもたらすであろう。

0003

特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に記載のCuダマシン・プロセスにおいては、バイア及びトレンチ絶縁体材料中にエッチングされ、金属が堆積されてこれらの空洞を埋め、そして化学的機械研磨(CMP)を用いて過剰の金属が除去されて金属のバイア及び配線が形成される。金属充填、即ち、金属ライナCuシード層及びCuメイン導体は、物理的気相堆積法及び電気メッキ蒸着技術組合せによって作られる。Cu相互接続(配線及びバイア)は誘電体中に埋込まれる。Hu他(非特許文献2)は、Cu相互接続が、メインCu導体に加えて金属と絶縁体(誘電体)の密着拡散障壁層を必要とすることを報告した。特許文献4は、エレクトロマイグレーションとCu配線の応力誘起マイグレーションを減らすために、CoWP、CoSnP、CoP、Pd、CoB、CoSnB、In、NiB及びWの選択された群からの無電解選択的堆積膜をCu表面上に使用することを開示している。E.G.Colganは、Cuのヒロック形成抑圧及び酸化の防止のためにCuダマシン配線キャップするための選択的CVD−W膜を報告した(非特許文献3)。特許文献5は、熱的アニーリング及び選択的ウエットエッチングによってTiN(O)を形成するためにTi/Cu及びCu(Ti)合金を用いることを教示している。特許文献6は、Cuと窒化シリコンの間の密着性を改良するためのCuシリサイド使用法を教示している。特許文献7は、Cuダマシン・プロセスのエッチング・ストップとして、50ないし200nmの厚さのTiNブランケット膜をCuダマシン配線の上部に用い、次いでフォトレジストを用いてTiNをパターニングし、そしてエッチングするという方法を教示している。特許文献8は、トレンチ/ホールを埋めるために純(pure)Cuを用いる通常の電気メッキ法を、Cu(Al)合金を用いることに拡張している。特許文献9は、Cu又はAgの処理におけるメイン導体の電気メッキを改善するための、種々の堆積技術を用いた多重Cuシード層の使用法を開示している。特許文献10は、エレクトロマイグレーションに対する抵抗力、及びCu相互接続の密着性/表面特性を改良するためのCu合金シード層の使用法を教示している。特許文献11は、Al、Be、Cr、Mg、Ni、Si、Sn及びZnの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を含む銅合金の使用法を開示している。特許文献12は、In、Cd、Sb、Bi、Ti、Ag、Sn、Pb、Zr及びHfの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を0.0003から0.01の間の重量パーセント含む銅合金の使用法を開示している。特許文献13は、P、Al、Cd、Fe、Mg、Ni、Sn、Ag、Hf、Zn、B、As、Co、In、Mn、Si、Te、Cr及びZnの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を0.03から0.5重量パーセントの不純物濃度で含む銅フォイルを、フィルムキャリアの用途のために使用する方法を開示している。特許文献14は、銅合金の強度を増すために、Cr、Zr、Li、P、Mg、Si、Al、Zn、Mn、Ni、Sn、Be、Fe、Co、Y、Ce、La、Nb、W、V、Ta、B、Hf、Mo及びCの群から選択された少なくとも一つの合金形成元素を含んだ銅合金の使用法を開示している。しかし、これらのどの従来技術も、酸素に関して負の高い還元電位と、銅との化合物形成能力との両方を持つ金属元素の選ばれた群から、銅の上面に0.5から5nmの非常に薄い層を直接堆積することによって構築されたCu相互接続の使用法については開示していない。この新しいイノベーションの使用は、CuULSIオンチップ配線を次世代に拡張できるようにCu相互接続を改良するであろう。

0004

米国特許第4,954,142号
米国特許第4,789,648号
米国特許第4,702,792号
米国特許第6,342,733号
米国特許第5,447,599号
米国特許第5,447,887号
米国特許第5,693,563号
米国特許第5,968,333号
米国特許第6,136,707号
米国特許第6,181,012号
米国特許第5,023,698号
米国特許第5,077,005号
米国特許第5,004,520号
米国特許第4,749,548号
Proceedings of 1999 International Interconnect Technology、p.197
Thin Solid Films,262,p.84−92,1995
Thin Solid Films,262,p.120−123(1995)

発明が解決しようとする課題

0005

本発明の目的は、CuULSIオンチップ配線を次世代に拡張できるように集積回路のCu相互接続を改良することである。

0006

本発明のもう一つの目的は、エレクトロマイグレーション及び腐食に対する抵抗力を改善し、密着性を増し、そして応力により誘起されたボイド発生を減らすために、0.5ないし5nmの厚さの金属層直接コーティングされた配線の上面を有するCuダマシン相互接続構造体を提供することである。

0007

本発明のさらなる目的は、速い拡散を減らしてエレクトロマイグレーション又は応力誘起故障の減少による回路寿命(信頼性)の増加をもたらすように、集積回路中のダマシン構造内のCu配線の上面の特性を変更することである。

課題を解決するための手段

0008

本発明に従って、エレクトロマイグレーション及び腐食に対する抵抗力を改善し、密着性を増し、そして応力により誘起されたボイド発生を減らす、0.5ないし5nmの厚さの金属層で直接コーティングされた配線上面を持ったCuダマシン相互接続構造体が提供されている。

0009

好ましい実施形態において、電子デバイスとの電気的連通を与えるのに用いられるCu相互接続は、実質的に銅又は銅合金の導体と、Cu配線の上面及び誘電体材料の両方の上に堆積された金属の2から25の原子層に等価な0.5から5nmの膜とから形成される本体を含む。誘電体材料上に堆積される選ばれた金属は金属酸化物転化することになる。その薄層は、Al、Ca、Hf、Mg、In、P、Pr、Sb、Se、Sn、Ti、V、及びZrの選択された群からの少なくとも一つの元素で形成される。

0010

本発明のさらなる有益性と利点は、本発明の好ましい実施形態を明示する添付図面を参照して与えられる、以下の詳細な説明を考察することから、明白になるであろう。

発明を実施するための最良の形態

0011

通常のCu相互接続の断面の略図が図1に示されている。電子構造体1は、典型的な3層のCuデュアルダマシン相互接続を含む。ダマシン構造の基本的な層である、密着/拡散金属ライナ(例えば、TaN/Ta、TaTi)12と、Cu導体の本体13と、誘電体層(SiO2、低誘電率材料)15と、密着/拡散誘電体層(例えば、SiNX)16とが示されている。局所的な相互接続W M0は、層間バイアCAによって第一層のCu配線M1に接続されている。第2層のCuM2配線はM1に及び第3層のCu配線はM3に、それぞれ、Cu配線間でショートを起こさないように下層の誘電体層中に埋込まれたV1及びV2のバイアによって接続されている。

0012

オンチップCu相互接続におけるエレクトロマイグレーション、応力により誘起されたマイグレーション、腐食及び密着の問題は、全てCuダマシン配線の上面の特性に関係する。速いCuの表面拡散保護用の自然Cu酸化物欠如、及びCuと誘電体材料の間の不十分な結合エネルギーは、Cuオンチップ相互接続の信頼性の問題を生じる。図2及び図3は、デュアルダマシン・プロセスと、Al、Ca、Hf、Mg、In、P、Pr、Sb、Se、Sn、Ti、V、Zrの選択された元素群から形成される0.5から5nmの薄層でキャップされたCu配線と、によって形成されるCu相互接続の二つの実施形態の略図である。選ばれた元素は、酸素及び水に関する負の高い還元電位(reduction potential)、Cu中への低い溶解度、及びCuとの化合物形成、に基づいて選ばれている。これらの元素は、Cu配線間のショートを引き起さずに、下層の誘電体層内に埋込まれたCu配線の上面に直接堆積できる。これらの材料がCu配線に隣接して配置された誘電体表面の上面上に堆積するとき、それら材料は直ぐに酸化されるか、或いは次のステップで酸化され得る。一旦それら材料が酸化されると、それらはもはや導電性ではなく、近くのCu配線及び構造体の間の電気的接続又はショートをもたらすことはできない。さらに、上記の選択された群のうちで、どの元素がCuのエレクトロマイグレーション寿命を長くできるか、応力により誘起されたボイド発生及び腐食を減らせるか、そして密着強さ増せるか、を見いだすために連続した実験も行われた。特にSbの金属キャップ層を持つCuダマシン配線は、キャップ層を持たないCu配線に関して報告されているいかなる事例よりも遥かに良好なエレクトロマイグレーションに対する信頼性(即ち、エレクトロマイグレーション効果に対する抵抗力)を達成できる。

0013

図2及び図3に、本発明に係るCuデュアルダマシン配線13が形成されている3層相互接続20及び30が、それぞれ示されている。0.5ないし5nmの厚さの層22でキャップされたCu配線、及び配線13の間のCu配線の酸化物23が図2に示されている。酸化物23は、この発明された構造においては、利用することもできるし、或いは除去することもできる。誘電体層15は、SiO2または他の低誘電率(k)材料もしくはその両方であり、誘電体の拡散−密着障壁層16は、SiNX又は他の低kの材料である。図3は、配線間に酸化物23のない、キャップされたCu22だけを有する相互接続を示す。金属ライナ、典型的にはTaN/Taである耐熱元素またはそれらの窒化物12もしくはその両方もまた図2及び3に示されている。層22及び23は、層16又は15の堆積プロセスの前に、Cuダマシン配線13の上面に選ばれた元素を直接堆積することによって得られる。

0014

本発明の過程で、Cu配線の上面への選ばれた元素の堆積に関して、ウェハの温度(T)が決定的に重要であることが分かった。これは、化学的機械研磨(CMP)の終了時に、新鮮研磨されたCu表面を腐食又はウエットエッチングから防御するためにCu表面に塗布される、BTAとして知られる材料の薄い高分子層の存在によるものである。Cuダマシン配線12がCMPによって形成された後、ウェハは真空中でIn、Sn、及びAlについては200℃に、Sb、Ti、Zr、Hf及びVについては300℃又はそれ以上に加熱された。これらの温度では、BTAは部分的に表面から熱的に追い出され、そして薄い金属膜(In、Sn、Al、Sb、Ti、Zr、Hf及びVの)の堆積はCu表面上の残りのBTA保護層を壊すであろう。一旦抑制物質(inhibitor)が除去されると、選ばれた元素は、堆積プロセスの間、Cu配線の表面と反応して金属間化合物を形成することになる。それらの元素は、真空中で物理的気相堆積法(PVD)(スパッタリング)か、化学的気相堆積法(CVD)か、或いは原子層堆積法(ALD)によって、そうでなければ電気メッキ槽内の真空チャンバの外で堆積することができる。これらのCu−リッチの表面化合物はCu配線の腐食を制限する保護層を提供できる。より重要なことには、それらの化合物はCu配線構造体と次に堆積される上層の誘電体材料との間の結合を改良する。このことは、Cu−誘電体界面に沿ったCuの拡散を大いに減少させる。それらの元素はまた、Cu配線中に拡散してCuの結晶粒界強化する。堆積された金属膜(0.5から5nm)が非常に薄いことは、バルクのCu中での添加金属種の全バルク組成が低くとどまることを意味し、そのことが電気抵抗のどんな増加をも最小限にするであろう。

0015

誘電体層の上面に堆積した薄い金属層は、極めて薄く、0.5ないし5nmの厚さしかなく、そして酸素に関して負の高い還元電位を持つので、堆積と同時に自発的に、或いは堆積後に空気及び湿気に曝されることによって、完全に酸化物に転化するであろう。一旦酸化物に転化すると、キャップ膜は配線間のショートを引き起さない。バルクの誘電体領域上の、反応した誘電体キャップ膜は、後の層間バイア・プロセスのためのエッチング・ストップとして残してもよく、或いは選択的なウエットまたはドライエッチング・プロセスもしくはその両方によって除去してもよい。もし、Cu配線の表面にあるCu化合物層が酸素又は水へ曝すプロセスの間に酸化されるならば、自然酸化物はスパッタ・エッチングか、ウエット化学洗浄か、或いは後の反応性金属膜又はライナの堆積によって除去できる。

0016

0.28μm及び0.51μm幅の配線のときのCu配線の抵抗を、挙げられた多くのコーティング用元素、ウェハの堆積温度及び試料アニーリング温度関数として測定する実験が行われた。例えば、ウェハ温度25℃で10−7Torrにおいて、電子銃による蒸発(e−gun evaporation)を用いて、二酸化シリコン誘電体中に埋込まれたCu配線上に、元素Al及びTiが4nmの厚さに堆積された。堆積の後、Cu配線抵抗に計測可能な変化はなく、また試料をヘリウム中で1時間400℃においてアニールした後もCu配線にはなんの変化も見られなかった。Ti及びAlは室温での堆積の間にCuと反応しなかったので、全てのAl及びTiは、真空を破った後に空気/水と反応して金属表面酸化物を形成した。一旦酸化物が形成されると、Ti及びAlの酸化物はCuと反応せず、或いはCu中に拡散しないので、計測できるほどの配線抵抗の増加はなかった。しかし、Cu表面上のAlまたはTiもしくはその両方の酸化物膜はCu相互接続の信頼性を改善することはできない。次に、200℃でAlを堆積したとき、AlとCuの間の反応及び相互拡散が起こり、Cu配線抵抗の増加をもたらす。4nmの厚さのAl又はInの膜はCu配線抵抗を18%も増加できる。このことは、Ti又はAlとCuとの間の反応及び相互拡散が堆積プロセスのステップ中に起っていることを示唆する。

0017

透過型電子顕微鏡TEM)及びエネルギー分散線分光法(EDS)が、Sb及びInでキャップされたCu配線を調べるために用いられた。厚さ1nmのSbでキャップされた試料の検査において、SbをドープされたCuからなるCu配線の上面に、約26nmの厚さの層が見いだされた(図4及び5を参照)。この層には小さな転位(dislocation)ループが密に詰まっているように見える。厚さ26nmの変成層の下の配線中のバルクCuも、通常の双晶欠陥(twinning defect)に加えて、小さな伸びた転位を含んでいる。この層の化学分析は、Sbが非常に低い濃度で欠陥領域内に分布していることを示している。Sbが転位ループに隔離されているのか、或いは、この領域のCuの中に一様に分布しているのかは、このデータセットからは識別できない。

0018

図6に示される薄いInでキャップされたCu配線のTEM検査は、入れ子の領域又は配線密集領域においてInの分布が配線ごとに大きく変動することを示している。Cu配線に隣接する誘電体表面は酸化インジウムであることが分かる。InをドープされたCuの表面層は歪んでいるが、Sbでキャップされた試料程の大きな歪みではない。

0019

Cuの表面拡散に対する、炭素、酸素、窒素、及びH2Sなどの不純物の影響が報告されている。測定された表面拡散の値は、拡散が起こる雰囲気に強く依存する。Cuの表面拡散率は一般に水素雰囲気中よりも酸素又は真空環境における方が高い。このことは、酸素が表面不純物抑制効果を取り除くことを示唆する。しかし、Cu表面上の金属不純物はあまり報告されていない。特許文献4は、Cu表面上のCoWP、CoSnP、又はPdの無電解の選択的堆積膜が、エレクトロマイグレーションに対する抵抗力を実質的に増加させることを報告している。Cu中のエレクトロマイグレーションに対して不純物が持つ影響を理解するために、Al、Hf、Mg、In、Sb、Re、Co、W、Ti、V、Ta、Nb、Si、又はZrの、厚さ1から3nmの膜を、二酸化シリコン中に埋込まれた個々のCu配線の表面上に直接堆積した。W下層配線上の0.18μm幅の状(bamboo−like)のCuデュアルダマシン配線からなる2層構造のエレクトロマイグレーション寿命を測定した。試料は、形成ガス(N2+5%H2)の10から30Torrのチャンバ圧力において真空炉中で試験された。その結果、Cu上のAl、Ta、Nb、Re、Co、W、V、及びZrのキャップ層はCuのマイグレーション速度にほとんど影響しないことが示された。これに対して、MgとSiはCuのエレクトロマイグレーション寿命を縮めることになる有害な影響を持つ。しかし、Ti、Hf、In及びSbはCuの寿命を延ばし、そしてSbがエレクトロマイグレーション損傷に抵抗して最も良く機能することが分かった。理論的予測によれば、配線のカソード端におけるCuボイドの成長速度は、M1配線の端が完全な遮断境界のW配線に接続しているので、Cuのドリフト速度に等しい。従って、これらの試料から引き出される活性化エネルギーは、Cuのエレクトロマイグレーションの表面拡散の活性化エネルギーに等しい。1/Tの関数としての寿命の中央値メジアン)が図7プロットされている。Sbキャップ層がある場合とない場合のCu表面拡散のエレクトロマイグレーションの活性化エネルギーは、それぞれ1.1eVと0.84eVとなることが見いだされている。Sb及びInのキャップを持つCu中のエレクトロマイグレーションの影響は、Cuの上表面(図5及び6に示されている)におけるSb又はInリッチの領域の存在と互いに関係する。Cuの上表面に沿った通常の速い拡散経路は、Sb又はInの不純物によって減速される。Cuの移動度が減少するので、応力により誘起された力によるマスフロー(mass flow)が減少するはずである。Cu配線における応力により誘起されたボイド発生は、In又はSbのキャップを持ったCu配線に対しては劇的に減少するはずである。

0020

ここで開示された本発明は、上述の目的を達成するために良く適合されていることは明白であるが、多くの変更と実施形態が当業者によって考案されうることが理解されるであろう。そして、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神とその範囲内にあるとき、それら全ての変更と実施形態を包含することが意図されている。

図面の簡単な説明

0021

Cuダマシン相互接続の断面の略図である。
本発明の実施形態に係るCuダマシン相互接続の断面の略図である。
図2における金属酸化物層が選択的に除かれている、本発明の実施形態に係るCuダマシン相互接続の断面の略図である。
転位ループを含んだ厚さ26nmのSbリッチ層が示されている、300℃で堆積された1nmのSbでキャップされたCu配線の断面のTEM像である。
1nmのSbでキャップされたCu配線の断面のTEM像(左)と、Cu上面を横断してスキャンされたx線からのSb及びCuの強度カウント(右)を示す図である。
3nmのInでキャップされたCu配線の断面のTEM像(左)と、Cu上面を横断するInとCuの強度カウント(右)を示す図である。
0.18μm幅のCuダマシン配線のエレクトロマイグレーション寿命の中央値の1/Tに対するプロットを示す図である。

符号の説明

0022

12:Cuダマシン配線
13:Cu導体
15:誘電体層(誘電体材料)
16:密着/拡散誘電体層(障壁層)
20:3層相互接続
22:キャップ層
23:酸化物層

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