JP2005064521A - 集積回路の銅配線用拡散バリア - Google Patents

Abstract

【課題】集積回路の銅線用の改良された拡散バリアを提供する。
【解決手段】銅線用拡散バリアを形成する方法であって、
半導体を供給すること、
前記半導体上に誘電体層を形成すること、
前記誘電体層中にトレンチを形成すること、
化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて前記トレンチ中に窒化チタンケイ素を含む拡散バリアを形成すること、及び
前記拡散バリア上に体心立方構造をもつアルファ相タンタル（α‐Ｔａ）層を形成することを含む方法が提供される。
【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、一般的に集積回路分野に関係し、より具体的には集積回路中の銅線（銅配線）用の改良された拡散バリアに関するものである。

銅は、集積回路中の金属接続線を形成するために益々用いられるようになっている。銅は、高い回路動作周波数を可能にする低抵抗率線を形成する。加えて、銅は、伝統的なアルミニウム又はアルミニウム合金金属接続に比較して、エレクトロマイグレーション不良になり難い。

銅の使用に加えて、低誘電定数（低ｋ）の誘電材料が用いられるようになり、銅層が形成される半導体表面上に層を形成する。一般的に、銅は、これらの誘電体層に拡散する傾向があり、誘電体層中に形成された銅金属接続線を封入するためにバリア層が用いられる。低ｋ誘電体層が用いられた時に、銅の拡散が悪化し、かつ適切な集積回路性能を維持しながら、銅の拡散を防止するためには、現行の方法ではしばしば不適切である。

それ故、集積回路の銅線用の改良された拡散バリアが必要になる。

（本発明の概要）
集積回路の銅線用拡散バリアを形成する方法が提供される。この方法は、半導体を供給すること及び半導体上に低ｋ誘電体層を形成することを含んでいる。トレンチ及び／又はバイアが、低ｋ誘電体層中に形成され、かつ窒化チタンケイ素を含む拡散バリアが、化学気相成長（化学蒸着）法（ＣＶＤ）を用いてトレンチ（及び／又はバイア）中に形成される。第一の実施形態では、拡散バリアは、３００℃〜５００℃の温度範囲、０．１〜５０トールの間の圧力下で、ＴＤＭＡＴ［（（ＣＨ_３）_２Ｎ）_４Ｔｉ］の分解により形成される。更なる実施形態では、拡散バリアは、（（Ｃ_２Ｈ_５）_２Ｎ）_４Ｔｉの分解により形成され、かつ一層更なる実施形態では、拡散バリアは、（（ＣＨ_３）（Ｃ_２Ｈ_５）Ｎ）_４Ｔｉの分解により形成される。ＣＶＤ蒸着の後、この拡散バリアは、ケイ素含有環境下で、３５０℃〜５００℃の間の温度で加熱される。この拡散バリア上に、体心立方構造をもつアルファ相タンタル（α‐Ｔａ）層が形成され、かつこのアルファ相タンタル上に銅が形成されてトレンチ（及び／又はバイア）を充填する。このα‐Ｔａ層は、２０〜１，０００オングストロームの厚さであり、銅Ｋα線放射を用い約３８．５（２‐シータ）にＸ線回折ピークを有する。

図面を通して、同様な又は類似の特徴を説明するために共通の参照数字が用いられる。この図面は、基準化するために作図されたものではなく、単に具体的な説明のために提供されるものである。

（本発明の詳細な説明）
本発明の以下の説明は、図１ａ〜１ｂを中心に行われるが、本発明は、任意の半導体構造に利用されてもよい。本発明の方法は、集積回路の銅金属線用の改良された拡散バリアを提供する。

図１（ａ）には、半導体５上に形成された誘電体層１０が示される。半導体は、トランジスタ、コンデンサ、抵抗、ダイオード、誘導子などの電子デバイスを含むであろう。これらの種々のデバイスは、銅金属線によって接続されて、集積回路を形成するであろう。この電子デバイスは、すっきりさせるために図から省略されている。種々の電子デバイスを形成した後、多くの層が半導体５上に形成される。集積回路の要求に応じて、半導体５上に任意の数の層が形成されてもよい。図１（ａ）では、誘電体層１０は、半導体５の上に示されている。しかし、本発明の観点から離れることなく、図１（ａ）中に示される半導体と誘電体層１０の間に任意の数の層が形成されてもよいことに留意しなければならない。本発明の実施形態において、誘電体層１０は、酸化ケイ素を含んで形成される。本発明の更なる実施形態において、シロキサン、シルセスキオキサン、キセロゲル、オルガノシリケートガラス（ＯＳＧ）、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、有機ポリマー及びその他の適切なスピンオンガラス材料などの低ｋ誘電体材料が、誘電体層１０を形成するために使用できる。本発明の目的のために、低ｋ誘電体は、３．９より小さい誘電定数をもつ材料であると考えることができ、これは二酸化ケイ素の誘電定数である。トレンチ１５は、標準的処理技術を用いて誘電体層１０中に形成される。このような技術は、誘電体層１０上にホトレシストパターン層を形成すること、及び続いて誘電体層１０の露光領域を異方性エッチングすることを含む。トレンチは、図１（ａ）に示されるような単一の幅１５であってもよく、又は本発明の観点から離れることなく、多数の幅を含むことができる。加えて、トレンチは、図１（ａ）に示されるように誘電体層中に完全に形成されてもよく、又は銅線上の誘電体層中に形成されてもよい。更に、トレンチは、トレンチ中に形成された銅が下にある銅線と電気的に接触するように、形成されてもよい。これらの特徴は、すっきりさせるために、本開示の図から省略された。また、このトレンチは、シングル又はデユアルダマシン埋込み方式を用いて形成できる。

誘電体層１０中にトレンチ１５を形成した後、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて、窒化チタンケイ素（ＴｉＮＳｉ）２０の適応した拡散バリアがトレンチ中に形成される。第一の実施形態では、このＴｉＮＳｉ層２０は、２０〜２００オングストロームの厚さである。第一の実施形態では、ＴｉＮＳｉ層を形成するために用いたＣＶＤ法は、先ず金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて窒化チタン（ＴｉＮ）を形成することを含む。好ましくは、ＭＯＣＶＤ法は、ＴＤＭＡＴ、（（ＣＨ_３）_２Ｎ）_４Ｔｉ、の熱分解を含む。ＴＤＭＡＴは、液体であり、かつＨｅ又はＮ_２などのキャリヤガスを用いて反応容器に導入されることが好ましい。この分解は、３００℃〜５００℃の温度範囲、０．１〜５０トールの圧力で行われることが好ましい。代わりの実施形態では、前駆体が（（Ｃ_２Ｈ_５）_２Ｎ）_４Ｔｉであるように、ＣＨ_３に代わってＣ_２Ｈ_５を用いることができる。別の実施形態では、前駆体が（（ＣＨ_３）（Ｃ_２Ｈ_５）Ｎ）_４Ｔｉであることが好ましいであろう。最初のＴｉＮ層の形成に続いて、この材料は、約１．５〜３Ｗ／ｃｍ^２のプラズマ密度のプラズマに暴露され、好ましくは水素と窒素の混合物を用いて、ＴｉＮ層に付加剤をしみ込ませ（ｄｅｎｓｉｆｙ）、かつ炭素含有ＴｉＮ層で炭素種を窒素種で置き換える。前記した最初のＴｉＮ層の蒸着ステップ及びそれに続くプラズマ処理は、多数回繰り返されて、多層プラズマ処理ＴｉＮ層を形成することができる。本発明の好適な実施形態では、２０〜４０オングストロームの厚みをそれぞれ有する２層のプラズマ処理ＴｉＮ層が形成される。最後のプラズマ処理に続いて、シラン、ジシラン、又は膜中にケイ素を生成できるその他の任意の環境で加熱ステップが行われる。このステップは、約３５０℃〜５００℃の温度、０．１〜５０トールの圧力で、約５〜２４０秒間行われることが好ましい。これは、ＴｉＮＳｉ層２０の形成を生む。ＣＶＤを用いてＴｉＮＳｉ層の形成は、従来使用した材料を超える全く異なる利点を提供する。ＴｉＮＳｉ層は、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン、タンタルケイ素、窒化チタン、タングステン、又は窒化タングステンなどの伝統的バリア材料よりも優れた拡散バリア特性を示す。その上、物理的蒸着法（ＰＶＤ）により蒸着される場合、上記の材料は、低誘電定数（低ｋ）材料が下にある誘電体層１０を形成するために用いられる時、誘電体ボイドをより生み易くなる。低ｋ誘電体材料は、一般的に、二酸化ケイ素、リン酸シリケートガラス（ＰＳＧ）、ボロンドープＰＳＧ（ＢＰＳＧ）、又はテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）などの高誘電定数材料よりさらに低密度及び／又はさらに多孔性であり、かついっそうボイド生成し易い。

バリア層の裂け目は、続いて行われる銅の電気化学的堆積（ＥＣＤ）時に、多孔性低ｋ誘電体と銅電解質溶液の間で反応を起こさせるかもしれない。適応したＣＶＤによるＴｉＮＳｉ薄膜の使用は、この誘電体ボイド生成メカニズムの排除に有効である。さらに、ＣＶＤによるＴｉＮＳｉは、ＣＶＤによるＴａＳｉＮ膜に比較して低抵抗率を示し、良好な拡散バリア特性を与えるので、ＣＶＤによるＴａＳｉＮを超える利点を提供する。それ故、上に掲載したその他の材料は、低ｋ誘電体材料上のバリア層形成用として適切でないであろう。

ＴｉＮＳｉ層２０を形成後、体心立方構造をもつアルファ相タンタル（α‐Ｔａ）層３０が、ＴｉＮＳｉ層２０上に形成される。ＣＶＤによるＴｉＮＳｉ層上部のα‐Ｔａ層は、重要であり、バリアと銅の界面の濡れ性、したがって、信頼性を改良する。このα‐Ｔａ層３０は、２０〜１，０００オングストロームの厚さであり、かつ物理的蒸着法（ＰＶＤ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）及び原子層堆積（ＡＬＤ）などの任意の数の技術を用いて形成できる。ＰＶＤを用いてα‐Ｔａ層３０を形成する実施形態で、ＴａターゲットにＤＣ電源から１００〜１，０００ワットが適用され、アルゴンガスを満たしたＰＶＤ室でプラズマを発生させる。プラズマを発生後、室内のＴａターゲットに５ｋＷ〜３０ｋＷの電力が適用される。その結果作成されたα‐Ｔａ層は、１８マイクロ‐オーム‐センチメートル（μΩ‐ｃｍ）より大きい、より具体的には約２５μΩ‐ｃｍの低抵抗率をもつ。図２に示したように、本発明のα‐Ｔａは、約３８．５（２‐シータ）にＸ線（１１０）回折のピークをもつ。図２に示した回折ピークは、ＴｉＮＳｉ層上に４００オングストロームのα‐Ｔａ層を堆積させて測定される。図２に示したＸ線回折ピークは、二次元検出装置を用いて５０ＫｅＶ及び４０ｍＡで、点状の銅Ｋ_α１及びＫ_α２線源を用いて得られる。

α‐Ｔａ層３０を形成後、銅又は銅合金４０を用いてトレンチを充填するか、又は導電性シード層を堆積させた後に続いてトレンチを充填する。このために電気化学的堆積（これに限定するものではない）を含む多くの方法が用いられる。代表的な銅プロセスは、薄膜の導電性シード層を堆積させること、トレンチ（及び／又はバイア）に銅を充填すること、及び化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて全ての過剰な銅を除去することを含む。銅又は銅合金接続構造４０を形成後、表面保護層（ｃａｐｐｉｎｇ ｌａｙｅｒ）５０が銅接続構造４０上に形成されてもよい。表面保護層は、窒化ケイ素又は任意のその他の適切な材料を含むことができる。表面保護層を形成後、集積回路の製造を完成するために、その他の構成部品が形成されてもよい。

具体的な実施形態を参照して本発明を説明したが、この説明は、限定的な意味で解釈されることを意図していない。この具体的な実施形態の変性及び組み合わせ、並びに本発明のその他の実施形態は、本説明に照らせば当業者には明らかであろう。したがって、添付した特許請求の範囲が、全てのこのような変性及び実施形態を包含するものである。

以上の説明に関してさらに以下の項を開示する。
（１）銅配線用拡散バリアを形成する方法であって、
半導体を供給すること、
前記半導体上に誘電体層を形成すること、
前記誘電体層中にトレンチを形成すること、
化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いて前記トレンチ中に窒化チタンケイ素を含む拡散バリアを形成すること、及び
前記拡散バリア上に体心立方構造をもつアルファ相タンタル（α‐Ｔａ）層を形成することを含む方法。
（２）前記拡散バリアが、約３００℃〜５００℃の温度範囲、かつ０．１〜５０トールの圧力で、ＴＤＭＡＴ（（ＣＨ_３）_２Ｎ）_４Ｔｉの分解により形成される第１項記載の方法。
（３）前記拡散バリアが、（（Ｃ_２Ｈ_５）_２Ｎ）_４Ｔｉの分解により形成される第１項記載の方法。
（４）前記拡散バリアが、（（ＣＨ_３）（Ｃ_２Ｈ_５）Ｎ）_４Ｔｉの分解により形成される第１項記載の方法。
（５）３５０℃〜５００℃の温度で、ケイ素含有環境中で前記拡散バリアを加熱することを更に含む第２項記載の方法。
（６）０．１〜５０トールで、約５〜２４０秒間前記加熱を行うことを更に含む第５項記載の方法。
（７）前記α‐Ｔａ層が、２０〜１，０００オングストローム厚さである第１項記載の方法。
（８）前記α‐Ｔａ層が、約３８．５（２‐シータ）にＸ線回折ピークをもつ第７項記載の方法。
（９）集積回路銅配線を形成する方法であって、
半導体を供給すること、
前記半導体上に低ｋ誘電体層を形成すること、
前記低ｋ誘電体層中にトレンチを形成すること、
化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いて前記トレンチ中に窒化チタンケイ素を含む拡散バリアを形成すること、
前記拡散バリア上に体心立方構造をもつアルファ相タンタル（α‐Ｔａ）層であって、２０〜１，０００オングストローム厚さで、約３８．５（２‐シータ）にＸ線回折ピークをもつα‐Ｔａ層を形成すること、及び
前記アルファ相タンタル（α‐Ｔａ）層上の前記トレンチ中に銅を形成することを含む方法。
（１０）前記拡散バリアが、約３００℃〜５００℃の温度範囲、かつ０．１〜５０トールの圧力で、ＴＤＭＡＴ（（ＣＨ_３）_２Ｎ）_４Ｔｉの分解により形成される第９項記載の方法。
（１１）前記拡散バリアが、（（Ｃ_２Ｈ_５）_２Ｎ）_４Ｔｉの分解により形成される第９項記載の方法。
（１２）前記拡散バリアが、（（ＣＨ_３）（Ｃ_２Ｈ_５）Ｎ）_４Ｔｉの分解により形成される第９項記載の方法。
（１３）３５０℃〜５００℃の温度で、ケイ素含有環境中で前記拡散バリアを加熱することを更に含む第１０項記載の方法。
（１４）０．１〜５０トールで、約５〜２４０秒間前記加熱を行うことを更に含む第１３項記載の方法。
（１５）前記α‐Ｔａ層が、２０〜１，０００オングストローム厚さである第１４項記載の方法。
（１６）前記α‐Ｔａ層が、約３８．５（２‐シータ）にＸ線回折ピークをもつ第１５項記載の方法。
（１７）集積回路中に銅配線用の改良された拡散バリアを形成する方法が開示される。低ｋ誘電体層（１０）が半導体（５）上に形成される。トレンチ（１５）が低ｋ誘電体層（１０）中に形成され、かつＴｉＮＳｉ層（２０）がこのトレンチ中に形成される。α‐Ｔａ層（３０）がＴｉＮＳｉ層（２０）上に形成され、続いて銅（４０）がトレンチ（１５）中に形成され、トレンチ（１５）を満たす。

本発明の実施形態を説明する断面図である。 本発明の実施形態を説明する断面図である。 図２は、本発明のα‐タンタル層に対するＸ線回折スペクトルである。

符号の説明

５ 半導体
１０ 誘電体層
１５ トレンチ
２０ ＴｉＮＳｉ層（拡散バリア）
３０ α‐Ｔａ層
４０ 銅
５０ 表面保護層

Claims (1)

1. 銅配線用拡散バリアを形成する方法であって、
   半導体を供給すること、
   前記半導体上に誘電体層を形成すること、
   前記誘電体層中にトレンチを形成すること、
   化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いて前記トレンチ中に窒化チタンケイ素を含む拡散バリアを形成すること、及び
   前記拡散バリア上に体心立方構造をもつアルファ相タンタル（α‐Ｔａ）層を形成することを含む方法。
   

Images