JP3950854B2 - 低電気抵抗を有する金属含有薄層の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低電気抵抗を有する金属含有薄層の製造方法に関し、特に、Ｃｕ（銅）−導体路の半導体部品内での使用に関する。

これまで、集積半導体回路の製造に際し、各配線面において導体路を実現するために、好ましくはアルミニウム層が堆積され、パターニングされてきた。ここでは、原則的に、Ａｌ層が所定の厚さまで堆積され、続いて、従来のフォトリソグラフィおよびそれに不随するエッチング法を用いてパターニングがなされていた。

しかしながら、増大する集積密度に対応するために、特に、そのようなメタライズ層に使用するための代替材料が、ますます使用されている。そのような配線面に、例えば銅を使用することによって、アルミニウムに対して実質的に低抵抗であることに基づき、実質的に高速でかつ低消費電力で動作する集積回路が開発され得た。しかしながら、そのような他の材料の使用の際、特に銅を使用する場合においては、例えば堆積の問題および／またはエッチングの問題から生じる比較的厄介な取り扱い性が、短所となる。

そのような問題を取り除くために、例えば、図１ａおよび１ｂに示されるダマシン技術が開発された。

図１ａおよび１ｂは、薄い金属含有層を形成するための上記従来のダマシン技術の基本的な製造工程を説明する簡略的な工程図を示す。

図１ａを参照すると、キャリア基板１は、例えば、その上方に素子層を有する半導体基板内の集積半導体回路を示し、その基板１の上に、後に形成される導体路のためのトレンチが形成された絶縁層２が存在する。次の工程において、絶縁層２の表面およびトレンチ内に、拡散バリア層３（ライナ）、および後のＣｕ層５の成長を可能するかあるいは容易にするシード層４が形成される。

図１ｂによれば、続いて、例えばＣＭＰ法（化学機械的研磨）を用いて、トレンチの上方に残る層の列が除去され、さらなる拡散バリア層６がいわゆるキャップ層として形成される。

この方法によって、取り扱いが煩雑な材料を有する極微細パターニング導体路が製造され得る。しかしながら、ここで、特に０．２マイクロメータより小さい特徴寸法（ｆｅａｔｕｒｅ ｓｉｚｅｓ）の場合、金属含有層５内部のグレインサイズに起因する実質的な導電性の低下が不都合となる。

図２は、さらなる従来技術によって種々にパターニングされた導体路の簡略的な平面図を示す。該従来技術は、例えば、Ｑ．Ｔ．Ｊｉａｎｇらによる参照文献、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ２００１ ＩＩＣＴ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐ．２２７〜２２９ によって知られている。この文献によれば、図２に示されたパターンに依存した再結晶化が過渡的に確認された。ここでは、パターン幅Ｗ２を有し粗くパターニングされた領域と対照的に、例えばパターン幅Ｗ１を有し微細にパターニングされた領域において、異なるグレインサイズ５Ａおよび５Ｂを有する金属含有層が形成されている。これに関し、パターン幅Ｗ１を有し微細にパターニングされた領域は、大きなグレインサイズを有する粗くパターニングされた領域５Ｂと比べて、より小さいグレインサイズに起因して実質的に大きな抵抗を有する。しかしながら、ここにおいて、不都合なことは、より高温のアニール、および、より長時間のアニールによっても、微細にパターニングされた領域においては、粗くパターニングされた領域と同じ大きさのグレインサイズが生成されないことにある。それは、最大グレインサイズが、充填される構造によって幾何学的に制限されるからである。

そのため、本発明の課題は、低電気抵抗を有する金属含有薄層の製造方法を創造することにある。さらに、本発明の課題は、改善されたエレクトロマイグレーション特性を有する金属含有薄層を製造することにある。

本発明によれば、この課題は請求項１の方法によって解決される。

特に、第１のグレインサイズを有する金属含有初期層を基板上に形成することと、それに続いて、第１のグレインサイズより大きい第２のグレインサイズを有する金属含有層を生成するための該金属含有初期層の再結晶化が実施されるように、金属含有初期層内において、局所的限定加熱領域を生成するとともに移動させることによって、改善された伝導率と改善されたエレクトロマイグレーション特性とが得られる。

好ましくは、導体線が第１の方向および／または第１の方向と実質的に垂直な第２の方向に形成され、また、加熱領域の移動が、実質的に第１の方向、および／または、第２の方向に、あるいは該第１および第２の方向に対して４５度の角度のもとに実行される。この方法により、通常、半導体回路内において互いに直交して配置される導体路は、各々その広がる方向に再結晶化される。それによって、拡大されたグレインサイズ、それによって低減された導電抵抗、および改善されたエレクトロマイグレーション特性が得られる。特に、加熱領域を金属含有初期層の上方において４５度の角度で移動することで、再結晶化が、非常に簡単で、迅速に、そのため経済的に、あらゆる半導体モジュールおよび半導体ウェハに実現され得る。再結晶化される金属含有層の上方の上記加熱領域の移動は、この際、複数回、実施され得る。それにより、改善された再結晶結果、それによって改善された電気特性およびエレクトロマイグレーション特性が得られる。

好ましくは、局所的限定加熱領域は、扇形レーザ光、熱気体、複数の加熱ランプ、および／または加熱線によって生成される。それらは、金属含有初期層の上方を所定の速さで移動される。加熱領域の上記生成の際に、それが、例えば不活性ガス雰囲気内で行われた場合、金属含有初期層の再結晶化は、特に効果的かつ迅速に行われ得る。その際、局所的限定加熱領域は、例えばストライプ形状、あるいは点形状に形成され得る。

金属含有初期層は、５％より少ない不純物部分を含む金属合金、あるいはドープ金属を有し得る。ここで、加熱中に、不純物あるいはドーパントが表面に拡散し得、また、自己パッシベーション表面層が生成し得る。この方法において、特に導体路の製造にダマシン法を用いることによって、余分なパッシベーション工程が除去される。

特に半導体回路の形成に本方法を使用する際、局所的限定加熱領域の温度は、摂氏１５０度から摂氏４５０度までの範囲にある。それによって、電気特性は、特に、いわゆるｌｏｗ−ｋ誘電体によって不都合な影響を受けない。さらに、拡散バリア層およびシース層の使用によって、金属含有初期層の改善された結晶プロセスがもたらされ、また、半導体回路の劣化した成分の電気的特性による望ましくない拡散が、確実に防止され得る。

本発明のさらなる有利な展開は、さらなる下位請求項において特徴づけられる。

本発明は、以下において、添付図面を参照した実施例に基づいて詳細に記載される。本発明は、金属含有層としてのＣｕ層に基づいて、以下記載される。ここで、同様に、他の金属含有層、特にＡｌ，Ａｇ，Ｐｔおよび／またはＡｕが使用され得る。このようなメタライズ層を実現するための他の材料は、改善された伝導性、それにより高められたクロック速度および低減された電力消費を可能にすることから、特に半導体技術においてますます重要性を得ている。

しかしながら、特に、０．１マイクロメートルより小さい極小の特徴寸法（厚さ、あるいは高さに関して）においては、冒頭に記載した問題、特に、導電性材料内での極小グレインサイズに起因して、実質的な高抵抗化が生じる。さらに、そのような極小グレインサイズは、増強され、しかしながら望ましくない各導体路の方向へのエレクトロマイグレーション性をもたらす。これにより、上記新規あるいは他の配線材料の利点が削減され得る。

ここで、本発明による方法は、簡単な様式と方法によって、低減された電気抵抗および改善されたエレクトロマイグレーション特性を有し、０．２マイクロメータより小さい極小の特徴寸法に使用可能な薄い金属含有層が、いかに製造され得るかを示す。

図３は、第１の実施例による薄い金属含有層の製造における基本的な方法工程を説明するための、パターニングされた金属含有層あるいは導体路５の簡略的な平面図を示す。

パターニングされた金属含有層５は、例えば、図１ａおよび図１ｂに示されたダマシン技術によって製造される。ここで、同一参照符号は、同一または対応する構成要素あるいは層を示し、再度の説明は、以下、省略される。上記従来のダマシン技術を用いことによって、絶縁層３内あるいはそこに形成されたトレンチ内に、拡散バリア層３、シース層４、および第１のグレインサイズを有する金属含有初期層５Ａが形成される。ここでは、図３に示された平面視野は、ＣＭＰ法の後に得られる。

そのような極細（例えば、０．１マイクロメートルより小さい）のデュアルダマシンＣｕ導体路５の実現の後、例えば、扇形レーザ光が、局所的限定加熱領域Ｗを生成するために、導体路の第１の方向ｘあるいは金属含有層５に沿って掃引され、それをほぼ摂氏１５０度から摂氏４５０度までの範囲内の温度まで加熱する。そのように生成された温度前線の導体路５に沿った移動によって、小さく、かつ偶然に分割された銅グレインは、第１のグレインサイズ５Ａからより大きい第２のグレインサイズ５Ｃへ再結晶化され得る。詳述すると、ここでは、移動方向あるいは導体路５の方向に伸びたグレインが形成される傾向にある。

導体路５に沿ったＣｕグレインの伸びに起因して、電流あるいは対応する自由電荷キャリアにとって、著しく減少されたグレインサイズ分散（粒界分散）が生じる。同時に、これは、著しく減少された抵抗を生じさせる。それは、高い伝導性と改善されたエレクトロマイグレーション特性をもたらす。特に半導体回路において、この方法によって、電力消費が低減され、そしてクロック速度が高められる。

レーザスキャニングの間、あるいは第１のグレインサイズを有する金属含有初期層５Ａの上方での局所的限定加熱領域Ｗの掃引の間において、温度は摂氏４５０度を超えないようにすべきである。なぜなら、例えばＣｕ導体路５を囲む、いわゆるｌｏｗ−ｋ誘電体の多くは、そのような温度に耐えられないからであり、さらにまた、低い温度は、いわゆる銅ヒロック形成の確率を低減するからである。さらに、上記温度範囲においては、半導体材料内におけるドーパントの望ましくない拡散、およびそれに伴う半導体素子の電気特性の低下が確実に低減される。

好ましくは、このプロセスは、Ｎ_２，Ａｒ，Ｈｅからなる不活性ガス内、あるいは真空中で行われる。それにより、例えば、金属含有層の酸化が軽減されるか、あるいは防止される。

上記実施例で使用されたシード層４は、例えば銅シード層からなる。それにより、金属含有銅初期層５Ａは、特に、効果的および容易に形成され得る。金属含有初期層５Ａを形成するための方法は、例えば、従来のＰＶＤあるいはＣＶＤ法である。しかしながら、ここで、好ましくは電気分解による、あるいは電気化学的な堆積法（ＥＣＤ、電気化学的成長）が使用され得る。ここでシード層は、第１のグレインサイズを有する金属含有初期層５Ａの成長用電極として使用される。

金属含有初期層５Ａに用いられる上記銅あるいは他の材料、例えばＡｌ，Ａｇ，ＰｔまたはＡｕの他に、合金あるいはいわゆるドープド金属もまた金属含有初期層５Ａとして使用され得る。それによって、各要求に応じて、改善された電気特性あるいは簡素化された製造が得られる。そのようなドープド金属は、例えば、０．５％の銅を含むＡｌＣｕ、１％のＳｉ及び０．５％の銅を含むＡｌＳｉＣｕ、ＣｕＴｉ，ＣｕＩｎ，ＣｕＳｎ，ＣｕＭｇ，ＣｕＺｒ等である。ここで、ドーパント密度は、実質的に５％より小さい。

特に、上記合金、あるいは５％未満の不純物を含むドープド金属を使用する場合、後のパッシベーション層が節約され得ることにより、簡素化およびコスト削減となる。詳述すると、金属含有初期層５Ａ用に上記合金あるいはドープド金属を使用する場合、加熱処理の間、局所的限定加熱領域Ｗによって、ドーパントあるいは不純物は、表面に拡散される。それによって、自己パッシベーション表面層が生成される。この場合、通常ＳｉＮ，ＳｉＣ，ＢｌＯＫ等からなる、例えば図１ｂに示されたキャップ層６の堆積が、省略され得る。

扇形レーザ光を生成するための上記レーザ熱源の他に、局所的限定加熱領域Ｗは、対応して形成されたノズルから供給される、例えばＡｒ，Ｎ_２あるいはＨｅのような高温ガス、熱線、あるいはアレイ状に配置された複数の加熱ランプによって、生成され得る。実行された標準的なプロセスに応じて、それにより、容易かつ非常に経済的な解決が実現され得る。

矢印の方向に実行された局所的限定加熱領域Ｗの移動は、ここでは、供給されるエネルギーに依存して、各場合において、第１のグレインサイズを有する金属含有初期層５Ａの最適な再結晶化によって、第１のグレインサイズと比べて大きく、あるいは引き伸ばされた第２のグレインサイズを有する金属含有層５Ｃが生成されるように、設定される。

図４は、第２の実施例による製造方法を説明するための、パターニングされた金属含有層５の簡略的な平面図を示す。ここで、同一参照符号は、同一または対応する構成要素あるいは図１および図３におけるような層を示し、繰り返しになる説明は、以下、省略される。

図４によれば、第１のグレインサイズを有する金属含有初期層５Ａは、通常、半導体回路内において導体路として配置されているように、単に第１の方向ｘのみでなく、基本的に第１の方向と垂直な第２の方向ｙにも形成されている。

図示されない実施形態によれば、局所的限定加熱領域Ｗは、ここでは、まず第１の方向ｘに、続いて第２の方向ｙに移動され得る。これにより、そこに属する導体路領域において、本発明による再結晶化が生じ、金属含有層５Ｃ内において、拡大されたあるいは引き伸ばされた第２のグレインサイズが形成される。

しかしながら、図４によれば、再結晶化のより迅速で、かつ効果的な実現のために、第１および第２の方向（ｘ，ｙ）に対して４５度をなす方向に走査プロセスが実行される。この場合、導体路領域が、第１の方向ｘおよび第２の方向ｙにおいて、同時に再結晶化され、金属含有層５Ｃは、拡大されたあるいは引き伸ばされた結晶サイズに転移される。そのため、局所的限定加熱領域Ｗは、第１の方向ｘあるいは第２の方向ｙのみでなく、それと角度（好ましくは、４５度）をなす方向にも、移動することができる。それにより、非常に効果的な再結晶化が、特に半導体ウェハにおいて生じる。さらにまた、異なる方向における、繰り返し上方掃引も可能である。それによって、部分的に再結晶化品質が改善され、あるいは、さらなるグレインサイズの拡大が達成され得る。

それにより、０．２マイクロメータ未満の幅を有する隣接した非常に薄くかつ狭い導体路は、その伝導性およびエレクトロマイグレーション特性に関して著しく改善される。

しかしながら、特にダマシン技術に基づく金属含有初期層の改善に加えて、他の方法でパターニングされた、あるいはパターニングされていない金属含有初期層においても、本方法により、その伝導性およびエレクトロマイグレーション特性に関して改善され得る。

図５は、第３の実施例による基本的な方法工程を説明する簡略的な平面図を示す。ここで、同一参照符号は、同一または対応する構成要素あるいは膜を示し、繰り返しになる説明は、以下、省略される。

図５によれば、キャリア材の上に、第１のグレインサイズ５Ａを有する全面的な金属含有初期層あるいはメタライズ層５が存在し、該層には、上記ストライプ形形状の局所的限定加熱領域Ｗと異なり、ここでは、点形状あるいは円形状の局所的限定加熱領域Ｗが扱われる。図５によれば、ここでは、再び、金属含有初期層５Ａの再結晶化が、第１のグレインサイズより大きい第２のグレインサイズを有する金属含有層５Ｃを生成するように、該局所的限定加熱領域Ｗが渦巻き形状の線上を移動する。この方法によりまた、全面的な金属含有初期層５Ｃは、その伝導性およびエレクトロマイグレーション特性に関して改善され得る。この方法により、半導体回路用に改善されたマタライズド平面のみでなく、他の応用分野のために改善された電気特性を有する金属含有層が形成され得る。

本発明は、上記において、金属含有初期層としてデュアルダマシン銅層に基づいて記載されたが、これに限定されず、同一方法において、他の金属含有層および他のパターニング法を含む。

本発明は、半導体回路を含むキャリア基板に限られず、低電気抵抗を有する極薄導電層がその上に形成されることを所望する任意の他のキャリア材においても、同一方法により形成され得る。

さらにまた、上記加熱処理は、露出された金属含有初期層に適用される必要なく、再結晶化される金属含有初期層の上方あるいは内部に存在する１つのあるいは複数の保護膜に対しても、その処理はされ得る。そのため、特に、キャップ層６および図示されない金属間誘電体が、熱処理の前に、既に形成され得る。

さらに、上記加熱処理は、また、図１ｂによる銅−ＣＭＰ層の前に実行することができ、あるいはまた、任意の組み合わせにおいて、すなわち、銅−ＣＭＰ層の前／後、あるいは、キャップ層６および他の金属間誘電体の後に実行することができる。

従来のダマシン法における基本的な製造工程を説明するための簡略的な工程図である。 同じく従来のダマシン法を説明するための簡略的な工程図である。 従来技術に従った製造方法を説明するための簡略的な平面図である。 第１の実施例に従った製造方法を説明するための簡略的な平面図である。 第２の実施例に従った製造方法を説明するための簡略的な平面図である。 第３の実施例に従った製造方法を説明するための簡略的な平面図である。

Claims (10)

1. 低電気抵抗を有する微細パターニング導体路を製造する方法であって、
   該方法は、
   ａ）第１のグレインサイズを有する金属含有の微細にパターニングされた導体路（５Ａ）をキャリア材料（１，２，３，４）上に形成する工程
   を包含し、
   ｂ）該第１のグレインサイズより大きい第２のグレインサイズを有する導体路（５Ｃ）を生成することを目的として該導体路（５Ａ）の再結晶化が実行されるように、該金属含有の微細にパターニングされた導体路（５Ａ）において、摂氏１５０度から摂氏４５０度の温度を有する局所限定加熱領域（Ｗ）を生成および移動させる工程をさらに包含することを特徴とする、方法。
2. 前記微細にパターニングされた導体路（５，５Ａ，５Ｃ）は、０．２μｍより小さい特徴寸法を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記工程ａ）において、前記導体路（５）が第１の方向（ｘ）および／または該第１の方向と実質的に垂直な第２の方向（ｙ）に形成され、
   前記工程ｂ）において、前記加熱領域（Ｗ）の移動が、実質的に該第１の方向（ｘ）および／または該第２の方向（ｙ）に、あるいは該第１および第２の方向（ｘ，ｙ）に対して４５度の角度で実行されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記工程ｂ）が繰り返し実行されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記工程ｂ）において、前記局所限定加熱領域（Ｗ）は、扇形レーザ光、熱気体、複数の加熱ランプおよび／または加熱ワイヤによって生成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記局所限定加熱領域（Ｗ）は、ストライプ形状、あるいは点形状に形成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記工程ａ）において、前記導体路（５）は、５％未満の不純物率を有する金属合金あるいはドープされた金属を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記キャリア材料は、拡散バリア層（３）および／またはシード層（４）を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記工程ａ）において、ダマシン法が実行されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記再結晶化が保護ガス雰囲気中で実行されることを特徴とする、請求項１からの９いずれか一項に記載の方法。

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