JP2000100822A - 信頼性の改善されたダマシン相互接続とその製造方法 - Google Patents
信頼性の改善されたダマシン相互接続とその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体基板の絶縁体層内の凹部における信頼
性の改善された導電性ダマシン構造とその製造方法を提
供すること。 【解決手段】 この方法は、凹部内に絶縁体層と接触す
る第１の金属を含む湿潤層を付着させる段階と、湿潤層
の上に障壁層を均一に付着させる段階と、障壁層の上に
第２の金属を含む導電層を付着させる段階とを含む。導
電層付着段階は、第１と第２の金属が障壁層中に拡散し
て第１の金属と第２の金属の金属間化合物を生成する温
度よりも低い温度で行われる。
性の改善された導電性ダマシン構造とその製造方法を提
供すること。 【解決手段】 この方法は、凹部内に絶縁体層と接触す
る第１の金属を含む湿潤層を付着させる段階と、湿潤層
の上に障壁層を均一に付着させる段階と、障壁層の上に
第２の金属を含む導電層を付着させる段階とを含む。導
電層付着段階は、第１と第２の金属が障壁層中に拡散し
て第１の金属と第２の金属の金属間化合物を生成する温
度よりも低い温度で行われる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップの製
造に関し、より詳細には、導電層と湿潤層ととの間の金
属間化合物の形成が減少した高信頼性ダマシン相互接続
と、そのような相互接続の製造方法に関する。
造に関し、より詳細には、導電層と湿潤層ととの間の金
属間化合物の形成が減少した高信頼性ダマシン相互接続
と、そのような相互接続の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップの設計において、トランジ
スタ、キャパシタ、集積回路の作動構成要素を含む類似
物などの様々な超小型電気構成要素は、通常アルミニウ
ム（Ａｌ）かアルミニウムの何らかの金の金属相互接続
によって互いに接続される。相互接続は、通常、各トレ
ンチを互いに分離する誘電層内にエッチングされたトレ
ンチ内に重ねて付着された複数の金属層、すなわちダマ
シン構造を含む。このようなダマシン構造は、対として
レイアウトされ、二重ダマシン構造と呼ばれる。
スタ、キャパシタ、集積回路の作動構成要素を含む類似
物などの様々な超小型電気構成要素は、通常アルミニウ
ム（Ａｌ）かアルミニウムの何らかの金の金属相互接続
によって互いに接続される。相互接続は、通常、各トレ
ンチを互いに分離する誘電層内にエッチングされたトレ
ンチ内に重ねて付着された複数の金属層、すなわちダマ
シン構造を含む。このようなダマシン構造は、対として
レイアウトされ、二重ダマシン構造と呼ばれる。
【０００３】相互接続は、電流を流す動作中に電子の流
れによって生じる物質の移動として定義される「エレク
トロマイグレーション」を受ける。相互接続と周囲の誘
電体との側壁境界面が、金属線における物質移動の１つ
の主な経路として確認されている。もう１つの経路は、
金属の結晶粒界である。湿潤層、障壁層、誘電体と金属
層の間のライナなどの冗長層を有する相互接続を使用す
ると、初期の集積回路設計で経験した歴史的レベルのエ
レクトロマイグレーションの問題が大幅に軽減される。
しかしながら、当技術分野で使用されている代表的な側
壁ライナには、依然としてエレクトロマイグレーション
が生じている。より小さいチップ上により多くの機能を
作り出すために、相互接続線の横方向および縦方向の寸
法のサイズが絶えず小さくなっており、相互接続障害が
起こるまでの「エレクトロマイグレーション寿命」を長
くする目的は、ますます重要な問題になっている。
れによって生じる物質の移動として定義される「エレク
トロマイグレーション」を受ける。相互接続と周囲の誘
電体との側壁境界面が、金属線における物質移動の１つ
の主な経路として確認されている。もう１つの経路は、
金属の結晶粒界である。湿潤層、障壁層、誘電体と金属
層の間のライナなどの冗長層を有する相互接続を使用す
ると、初期の集積回路設計で経験した歴史的レベルのエ
レクトロマイグレーションの問題が大幅に軽減される。
しかしながら、当技術分野で使用されている代表的な側
壁ライナには、依然としてエレクトロマイグレーション
が生じている。より小さいチップ上により多くの機能を
作り出すために、相互接続線の横方向および縦方向の寸
法のサイズが絶えず小さくなっており、相互接続障害が
起こるまでの「エレクトロマイグレーション寿命」を長
くする目的は、ますます重要な問題になっている。
【０００４】本発明は、相互接続回路網内の金属間化合
物の形成を制限または阻止することによって金属線のエ
レクトロマイグレーション寿命を定量的に長くする。通
常、金属間化合物は、金属層が湿潤層と反応するときに
形成される。金属層付着段階における高い温度、障壁層
の不均一性、あるいは高い温度と不均一性の両方が、こ
の反応を悪化させることがある。半導体業界において接
点のサイズが小さくなるにつれて、付着温度が高くな
り、障壁層カバーの均一性が低下し、そのためにこのよ
うな金属間化合物が形成される。金属間化合物の形成に
より、製造工程中に金属線の金属が消費され、したがっ
て電流が流れてエレクトロマイグレーションが始まる前
に金属の量が減少する。
物の形成を制限または阻止することによって金属線のエ
レクトロマイグレーション寿命を定量的に長くする。通
常、金属間化合物は、金属層が湿潤層と反応するときに
形成される。金属層付着段階における高い温度、障壁層
の不均一性、あるいは高い温度と不均一性の両方が、こ
の反応を悪化させることがある。半導体業界において接
点のサイズが小さくなるにつれて、付着温度が高くな
り、障壁層カバーの均一性が低下し、そのためにこのよ
うな金属間化合物が形成される。金属間化合物の形成に
より、製造工程中に金属線の金属が消費され、したがっ
て電流が流れてエレクトロマイグレーションが始まる前
に金属の量が減少する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、湿潤
層の上に付着された導電線内での金属間化合物の形成の
量を制限する金属付着方法を提供することである。より
具体的には、本発明の目的は、Ｔｉ湿潤層の上に付着さ
れたＡｌ線内部でのＴｉＡｌ3の形成を制限することで
ある。
層の上に付着された導電線内での金属間化合物の形成の
量を制限する金属付着方法を提供することである。より
具体的には、本発明の目的は、Ｔｉ湿潤層の上に付着さ
れたＡｌ線内部でのＴｉＡｌ3の形成を制限することで
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記その他の目的を達成
するため、かつその目的に鑑みて、本発明は、半導体基
板上の絶縁体層内の凹部に導電性ダマシン構造を製作す
る方法を提供する。この方法は、凹部に絶縁体と接する
第１の金属を含む湿潤層を付着させる段階と、湿潤層の
上に均一な障壁層を付着させる段階と、障壁層の上に第
２の金属を含む導電層を付着させる段階とを含む。導電
層の付着段階は、第１と第２の金属が障壁層に拡散して
互いに反応し第１と第２の金属の金属間化合物を生成す
る温度よりも低い温度で行う。
するため、かつその目的に鑑みて、本発明は、半導体基
板上の絶縁体層内の凹部に導電性ダマシン構造を製作す
る方法を提供する。この方法は、凹部に絶縁体と接する
第１の金属を含む湿潤層を付着させる段階と、湿潤層の
上に均一な障壁層を付着させる段階と、障壁層の上に第
２の金属を含む導電層を付着させる段階とを含む。導電
層の付着段階は、第１と第２の金属が障壁層に拡散して
互いに反応し第１と第２の金属の金属間化合物を生成す
る温度よりも低い温度で行う。
【０００７】障壁層は、第１と第２の金属の拡散温度が
第１の金属と第２の金属の反応温度よりも高い任意の組
成物を含むことができる。第２の金属は、化学的気相付
着法（ＣＶＤ）で付着させることができる。第１の金属
はチタンでよく、第２の金属は、アルミニウムでよい。
障壁層は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（Ｔａ
Ｎ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（Ｗ
Ｎ）、アルミニウム化チタン（ＴｉＡｌ3）、およびそ
れらの材料の組合せからなるグループから選択された成
分を含むことができる。
第１の金属と第２の金属の反応温度よりも高い任意の組
成物を含むことができる。第２の金属は、化学的気相付
着法（ＣＶＤ）で付着させることができる。第１の金属
はチタンでよく、第２の金属は、アルミニウムでよい。
障壁層は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（Ｔａ
Ｎ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（Ｗ
Ｎ）、アルミニウム化チタン（ＴｉＡｌ3）、およびそ
れらの材料の組合せからなるグループから選択された成
分を含むことができる。
【０００８】得られる導電性ダマシン構造は、凹部内で
絶縁体と接触する第１の金属を含む湿潤層と、湿潤層の
上の均一な障壁層と、障壁層の上の第２の金属を含む導
電層とを含む。障壁層は、第１と第２の金属が互いに反
応する反応温度よりも高い拡散温度よりも低い温度で第
１と第２の金属が障壁層に拡散するのを防ぐ組成物を含
む。
絶縁体と接触する第１の金属を含む湿潤層と、湿潤層の
上の均一な障壁層と、障壁層の上の第２の金属を含む導
電層とを含む。障壁層は、第１と第２の金属が互いに反
応する反応温度よりも高い拡散温度よりも低い温度で第
１と第２の金属が障壁層に拡散するのを防ぐ組成物を含
む。
【０００９】
【発明の実施の形態】次に、図面を参照すると、同じ参
照数字は一貫して同じ要素を指すが、図１は、酸化シリ
コンなどの非導電性材料からなる絶縁体層１０を示す。
絶縁体層１０は、シリコン・ウェハなどの基板１１の上
にあってもよい。基板１１と絶縁体層１０の間に、他の
層（図示せず）が配置されることもある。絶縁体層１０
のトレンチまたはダマシン構造とも呼ばれる凹部１２お
よび１２'は、反応性イオン・エッチングなど、当技術
分野で周知の任意の方法で形成することができる。凹部
１２は、単一ダマシン構造として知られ、凹部１２'は
二重ダマシン構造として知られる。各凹部１２、１２'
は、２つの側壁１４と底面１６を有する。凹部１２'
は、その底面１６から絶縁体層１０の底面まで延びるビ
ア１７を備える。
照数字は一貫して同じ要素を指すが、図１は、酸化シリ
コンなどの非導電性材料からなる絶縁体層１０を示す。
絶縁体層１０は、シリコン・ウェハなどの基板１１の上
にあってもよい。基板１１と絶縁体層１０の間に、他の
層（図示せず）が配置されることもある。絶縁体層１０
のトレンチまたはダマシン構造とも呼ばれる凹部１２お
よび１２'は、反応性イオン・エッチングなど、当技術
分野で周知の任意の方法で形成することができる。凹部
１２は、単一ダマシン構造として知られ、凹部１２'は
二重ダマシン構造として知られる。各凹部１２、１２'
は、２つの側壁１４と底面１６を有する。凹部１２'
は、その底面１６から絶縁体層１０の底面まで延びるビ
ア１７を備える。
【００１０】次に図２を参照すると、湿潤層１８が凹部
１２および１２'に付着された図１の絶縁体層１０の概
略断面図を示す。湿潤層１８は、側壁１４に付着された
厚さ「Ｗ１」のチタン（Ｔｉ）などの金属である。湿潤
層１８は、コリメートまたはイオン化物理蒸着法（ＰＶ
Ｄ）、ＣＶＤ、または当技術分野で周知の任意の方法で
付着させることができる。
１２および１２'に付着された図１の絶縁体層１０の概
略断面図を示す。湿潤層１８は、側壁１４に付着された
厚さ「Ｗ１」のチタン（Ｔｉ）などの金属である。湿潤
層１８は、コリメートまたはイオン化物理蒸着法（ＰＶ
Ｄ）、ＣＶＤ、または当技術分野で周知の任意の方法で
付着させることができる。
【００１１】次に図３を参照すると、湿潤層１８の上に
障壁層２０が形成された図２の絶縁体層１０の概略断面
図を示す。障壁層２０は、好ましくは１０〜１，０００
オングストローム、より好ましくは５０〜５００オング
ストロームの側壁厚さ「Ｗ２」を有する窒化チタン（Ｔ
ｉＮ）などの非反応性化合物である。障壁層の側壁の厚
さは、ある程度ビア１７のサイズに依存し、障壁層２０
は、ビア１７を閉じるほど厚くてはならない。ただし、
障壁層２０の側壁の厚さＷ２は、湿潤層１８の側壁の厚
さＷ１よりも厚いか、より均一か、あるいはより厚くか
つより均一でなければならない。均一性と厚さが必要な
のは、導電層が障壁層２０を貫通して湿潤層１８と反応
できる薄いスポットがないようにするためにである。
障壁層２０が形成された図２の絶縁体層１０の概略断面
図を示す。障壁層２０は、好ましくは１０〜１，０００
オングストローム、より好ましくは５０〜５００オング
ストロームの側壁厚さ「Ｗ２」を有する窒化チタン（Ｔ
ｉＮ）などの非反応性化合物である。障壁層の側壁の厚
さは、ある程度ビア１７のサイズに依存し、障壁層２０
は、ビア１７を閉じるほど厚くてはならない。ただし、
障壁層２０の側壁の厚さＷ２は、湿潤層１８の側壁の厚
さＷ１よりも厚いか、より均一か、あるいはより厚くか
つより均一でなければならない。均一性と厚さが必要な
のは、導電層が障壁層２０を貫通して湿潤層１８と反応
できる薄いスポットがないようにするためにである。
【００１２】障壁層２０は、湿潤層１８と金属層（後で
説明する）の構成要素の拡散温度が、これらの構成要素
の反応温度よりも高い任意の材料を含む。窒化チタン
（ＴｉＮ）が好ましい。他の障壁層材料は、窒化タンタ
ル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン
（ＷＮ）、アルミニウム化チタン（ＴｉＡｌ3）および
それらの材料の任意の組合せを含むことができるが、そ
れだけに制限されるものではない。通常、障壁層２０
は、特に、湿潤層１８が、ＣＶＤ以外の方法で付着した
ときのように不均一な場合、または側壁１４がテーパ状
ではなく直線状の場合は、均一性を最適にするために化
学的気相付着（ＣＶＤ）によって付着する。側壁１４が
テーパ状の場合、または湿潤層１８が、ＣＶＤによって
付着したときのように均一な場合は、他の障壁層付着方
法で、湿潤層１８を満足できるように均一に覆うことが
できる。
説明する）の構成要素の拡散温度が、これらの構成要素
の反応温度よりも高い任意の材料を含む。窒化チタン
（ＴｉＮ）が好ましい。他の障壁層材料は、窒化タンタ
ル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン
（ＷＮ）、アルミニウム化チタン（ＴｉＡｌ3）および
それらの材料の任意の組合せを含むことができるが、そ
れだけに制限されるものではない。通常、障壁層２０
は、特に、湿潤層１８が、ＣＶＤ以外の方法で付着した
ときのように不均一な場合、または側壁１４がテーパ状
ではなく直線状の場合は、均一性を最適にするために化
学的気相付着（ＣＶＤ）によって付着する。側壁１４が
テーパ状の場合、または湿潤層１８が、ＣＶＤによって
付着したときのように均一な場合は、他の障壁層付着方
法で、湿潤層１８を満足できるように均一に覆うことが
できる。
【００１３】次に図４を参照すると、導電層２２が凹部
１２および１２'を完全に充填している図３の絶縁体層
１０を示す。導電層２２は、通常、アルミニウム（Ａ
ｌ）などの金属である。導電層２２は、また、アルミニ
ウム銅合金（ＡｌＣｕ）で覆われたＡｌを含む多層導電
層でもよい。また、本発明の方法と構造を、銅（Ｃｕ）
などの他の金属をベースとするダマシン相互接続と共に
使用することもできる。
１２および１２'を完全に充填している図３の絶縁体層
１０を示す。導電層２２は、通常、アルミニウム（Ａ
ｌ）などの金属である。導電層２２は、また、アルミニ
ウム銅合金（ＡｌＣｕ）で覆われたＡｌを含む多層導電
層でもよい。また、本発明の方法と構造を、銅（Ｃｕ）
などの他の金属をベースとするダマシン相互接続と共に
使用することもできる。
【００１４】図５は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）ステッ
プなど、当技術分野で周知の標準的な除去プロセスの後
の図４の絶縁体層１０を示す。このプロセスで、絶縁体
層１０の上面に付着された湿潤層、障壁層、および金属
層の諸成分を除去する。したがって、除去プロセスを適
用した後、これらの層は、凹部１２、１２'内にのみ残
る。
プなど、当技術分野で周知の標準的な除去プロセスの後
の図４の絶縁体層１０を示す。このプロセスで、絶縁体
層１０の上面に付着された湿潤層、障壁層、および金属
層の諸成分を除去する。したがって、除去プロセスを適
用した後、これらの層は、凹部１２、１２'内にのみ残
る。
【００１５】本発明の方法は、相互接続構造内の金属間
化合物が最少の関連する構造をもたらす。この方法は、
障壁層のカバーの均一性を最大にし、導電層の付着温度
を最低にすることにより、この結果を達成する。チタン
とアルミニウムの間の反応は、３５０℃で始まる。一
方、ＴｉＮ障壁層２０が使用されるとき、湿潤層１８の
Ｔｉと導電層２２のＡｌの間の反応は、４３０℃よりも
低い温度で起こることはない。４３０℃よりも高いとき
だけ、湿潤層１８からのＴｉと導電層２２からのＡｌ
が、ＴｉＮ障壁層２０に拡散し、互いに反応する。それ
よりも低い温度では、ＴｉＮ障壁層２０は、ＴｉとＡｌ
がそれを通して拡散できず、互いに接触して反応するこ
とができない膜として働く。
化合物が最少の関連する構造をもたらす。この方法は、
障壁層のカバーの均一性を最大にし、導電層の付着温度
を最低にすることにより、この結果を達成する。チタン
とアルミニウムの間の反応は、３５０℃で始まる。一
方、ＴｉＮ障壁層２０が使用されるとき、湿潤層１８の
Ｔｉと導電層２２のＡｌの間の反応は、４３０℃よりも
低い温度で起こることはない。４３０℃よりも高いとき
だけ、湿潤層１８からのＴｉと導電層２２からのＡｌ
が、ＴｉＮ障壁層２０に拡散し、互いに反応する。それ
よりも低い温度では、ＴｉＮ障壁層２０は、ＴｉとＡｌ
がそれを通して拡散できず、互いに接触して反応するこ
とができない膜として働く。
【００１６】したがって、最高付着温度は、膜（すなわ
ち、障壁層２０）の拡散特性によって制御される。Ｔｉ
Ｎ障壁層２０が湿潤層１８を均一に覆うとき、４３０℃
までのアルミニウム付着温度を使用しても金属間化合物
ＴｉＡｌ3は生成されない。他の障壁層組成物（ならび
に他の湿潤層と導電層金属）は、異なる最高付着温度を
生じる。
ち、障壁層２０）の拡散特性によって制御される。Ｔｉ
Ｎ障壁層２０が湿潤層１８を均一に覆うとき、４３０℃
までのアルミニウム付着温度を使用しても金属間化合物
ＴｉＡｌ3は生成されない。他の障壁層組成物（ならび
に他の湿潤層と導電層金属）は、異なる最高付着温度を
生じる。
【００１７】湿潤層１８のＴｉと導電層２２のＡｌとの
間の反応を回避しなければならないが、ＴｉＡｌ3自体
は、障壁層２０に使用することができる。ＴｉＡｌ3の
存在を回避しなければならないわけではないので、Ｔｉ
Ａｌ3の障壁層２０が可能である。そうではなくて、装
置を使用し始める前に利用可能な金属の量を減らすこと
によって相互接続のエレクトロマイグレーション寿命を
短くする反応による金属の損失を回避しなければならな
い。
間の反応を回避しなければならないが、ＴｉＡｌ3自体
は、障壁層２０に使用することができる。ＴｉＡｌ3の
存在を回避しなければならないわけではないので、Ｔｉ
Ａｌ3の障壁層２０が可能である。そうではなくて、装
置を使用し始める前に利用可能な金属の量を減らすこと
によって相互接続のエレクトロマイグレーション寿命を
短くする反応による金属の損失を回避しなければならな
い。
【００１８】
【実施例】以下の実施例は、本発明の全体的な性質をよ
り明瞭に実証するために含まれる。この実施例は、例示
的なものであり、本発明を制限するものではない。
り明瞭に実証するために含まれる。この実施例は、例示
的なものであり、本発明を制限するものではない。
【００１９】二重ダマシン構造を、様々な機構によって
様々な温度で様々な厚さに付着されたＴｉ、ＴｉＮ、お
よびＡｌＣｕ材料を含む様々なメタライゼーション・ス
キームを有する相互接続で充填した。相互接続は、当技
術分野で周知の標準的な歩留まり試験回路である１×１
信頼性試験構造上に形成した。
様々な温度で様々な厚さに付着されたＴｉ、ＴｉＮ、お
よびＡｌＣｕ材料を含む様々なメタライゼーション・ス
キームを有する相互接続で充填した。相互接続は、当技
術分野で周知の標準的な歩留まり試験回路である１×１
信頼性試験構造上に形成した。
【００２０】次に、図６、７および８を参照すると、１
×１信頼性試験回路構造２８の代表的な構成の概略図が
示してある。試験回路構造２８は、電流を運搬する金属
線３２がその上に付着された基板３０を有する。電流を
運搬する金属線３２の上に絶縁性誘電層３４が付着さ
れ、ダマシン構造３６とビア３８を含む二重ダマシン構
造が、誘電層３４内に形成される。
×１信頼性試験回路構造２８の代表的な構成の概略図が
示してある。試験回路構造２８は、電流を運搬する金属
線３２がその上に付着された基板３０を有する。電流を
運搬する金属線３２の上に絶縁性誘電層３４が付着さ
れ、ダマシン構造３６とビア３８を含む二重ダマシン構
造が、誘電層３４内に形成される。
【００２１】図８に、ダマシン構造３６とビア３８を通
る断面を示すが、この図では、分かりやすくするため
に、導電層４２だけを示し、詳細な湿潤層と障壁層はな
い。ビア３８は、ダマシン構造３６を電流運搬金属線３
２に接続する。ダマシン構造３６は、アルミニウム・リ
ザーバ４０に接続され、アルミニウム・リザーバ４０は
接地されている。アルミニウム・リザーバ４０は、本質
的に、金属の量がビア３８および二重ダマシン構造３６
よりもずっと多い導電構造である。したがって、エレク
トロマイグレーション作用により、アースへの接続部で
はなく試験中のクリティカルな構造（すなわち、ビア３
８および二重ダマシン構造３６）上で最初に障害が発生
する。
る断面を示すが、この図では、分かりやすくするため
に、導電層４２だけを示し、詳細な湿潤層と障壁層はな
い。ビア３８は、ダマシン構造３６を電流運搬金属線３
２に接続する。ダマシン構造３６は、アルミニウム・リ
ザーバ４０に接続され、アルミニウム・リザーバ４０は
接地されている。アルミニウム・リザーバ４０は、本質
的に、金属の量がビア３８および二重ダマシン構造３６
よりもずっと多い導電構造である。したがって、エレク
トロマイグレーション作用により、アースへの接続部で
はなく試験中のクリティカルな構造（すなわち、ビア３
８および二重ダマシン構造３６）上で最初に障害が発生
する。
【００２２】試験を行なうため、電流運搬金属線３２を
電源に接続し、電流がビア３８を通って二重ダマシン構
造３６内およびリザーバ４０に流れるようにする。二重
ダマシン構造３６の両端間の初期抵抗を測定し、この抵
抗を試験の間中監視する。抵抗が元の抵抗値の１２０％
まで増大したときに回路が障害と見なされる。一般に、
図６、７および８に示したものと類似の４０〜１００個
の試験回路を、試験するタイプのダマシン構造図に作成
する。ダマシン構造の各タイプごとに複数の試験回路の
それぞれについて抵抗を追跡し、ｔ５０値を記録する。
ｔ５０値は、特定のタイプのダマシン構造の５０％が障
害を起こすまでの時間を表す。
電源に接続し、電流がビア３８を通って二重ダマシン構
造３６内およびリザーバ４０に流れるようにする。二重
ダマシン構造３６の両端間の初期抵抗を測定し、この抵
抗を試験の間中監視する。抵抗が元の抵抗値の１２０％
まで増大したときに回路が障害と見なされる。一般に、
図６、７および８に示したものと類似の４０〜１００個
の試験回路を、試験するタイプのダマシン構造図に作成
する。ダマシン構造の各タイプごとに複数の試験回路の
それぞれについて抵抗を追跡し、ｔ５０値を記録する。
ｔ５０値は、特定のタイプのダマシン構造の５０％が障
害を起こすまでの時間を表す。
【００２３】試験回路構造２８と類似しているが必ずし
も厳密に同じでなくてもよい試験回路構造で、様々なダ
マシン構造の試験を行った。試験は、各回路で、２５０
℃で１０ｍＡ／μｍ2（ミリアンペア／平方ミクロン）
の電流を流して行った。説明する試験では、二重ダマシ
ン構造３６は、さらに、試験するメタライゼーション・
スキーム（湿潤層、導電層、および障壁層が存在する場
合はその層の特定の組成と、これらの層の厚さ、その他
のプロセス・パラメータ）に応じて、絶縁性誘電層３４
のトレンチ壁と導電層４２の間の１つまたは複数の層を
含んでいた。表１に、試験したメタライゼーション・ス
キーム、各スキームの導電層（Ａｌ）付着温度、および
それぞれのケースで得た結果を示す。最も高いｔ５０値
は、最も長い寿命の相互接続構造をもたらすメタライゼ
ーション・スキームを示す。
も厳密に同じでなくてもよい試験回路構造で、様々なダ
マシン構造の試験を行った。試験は、各回路で、２５０
℃で１０ｍＡ／μｍ2（ミリアンペア／平方ミクロン）
の電流を流して行った。説明する試験では、二重ダマシ
ン構造３６は、さらに、試験するメタライゼーション・
スキーム（湿潤層、導電層、および障壁層が存在する場
合はその層の特定の組成と、これらの層の厚さ、その他
のプロセス・パラメータ）に応じて、絶縁性誘電層３４
のトレンチ壁と導電層４２の間の１つまたは複数の層を
含んでいた。表１に、試験したメタライゼーション・ス
キーム、各スキームの導電層（Ａｌ）付着温度、および
それぞれのケースで得た結果を示す。最も高いｔ５０値
は、最も長い寿命の相互接続構造をもたらすメタライゼ
ーション・スキームを示す。
【表１】
【００２４】＊バックスラッシュによって分離された各
記号は、示した順に付着または実施された個々の層また
は工程段階を示す。金属記号の前の数字（たとえば、２
５０Ｔｉ）は、層の厚さをオングストローム単位で示
す。
記号は、示した順に付着または実施された個々の層また
は工程段階を示す。金属記号の前の数字（たとえば、２
５０Ｔｉ）は、層の厚さをオングストローム単位で示
す。
【００２５】表１から、Ｔｉ層とＡｌ層の間に障壁層を
有し、最も低いアルミニウム付着温度を有するサンプル
Ｄのｔ５０値が最も高かったことが分かる。ＴｉＡｌ3
の形成を助ける工程段階または構造を有するサンプルは
それぞれ、低いｔ５０値を示した。たとえば、サンプル
Ｃ、ＥおよびＦは障壁層がなく、サンプルＡおよびＢは
Ａｌ付着温度が高く、サンプルＥ、Ｆ、ＧおよびＨはす
べて、導電層付着後に強制充填段階を含んでいた。強制
充填ステップは、構造を一般に加圧下でＡｌ付着温度よ
りも高い温度にかけて、付着後にＡｌをリフローさせ、
それによってＡｌで「強制的」に、ボイドなしにダマシ
ン構造をより密に「充填」させる段階を含む。したがっ
て、サンプルＧは、障壁層と低いＡｌ付着温度で作成さ
れたが、高温度の強制充填部分にさらされるため、依然
として金属間化合物が生成された。この結果は、障壁層
を提供すること、および障壁層へのＡｌとＴｉの拡散温
度よりも低い温度を加工の間中維持することの重要性を
示している。
有し、最も低いアルミニウム付着温度を有するサンプル
Ｄのｔ５０値が最も高かったことが分かる。ＴｉＡｌ3
の形成を助ける工程段階または構造を有するサンプルは
それぞれ、低いｔ５０値を示した。たとえば、サンプル
Ｃ、ＥおよびＦは障壁層がなく、サンプルＡおよびＢは
Ａｌ付着温度が高く、サンプルＥ、Ｆ、ＧおよびＨはす
べて、導電層付着後に強制充填段階を含んでいた。強制
充填ステップは、構造を一般に加圧下でＡｌ付着温度よ
りも高い温度にかけて、付着後にＡｌをリフローさせ、
それによってＡｌで「強制的」に、ボイドなしにダマシ
ン構造をより密に「充填」させる段階を含む。したがっ
て、サンプルＧは、障壁層と低いＡｌ付着温度で作成さ
れたが、高温度の強制充填部分にさらされるため、依然
として金属間化合物が生成された。この結果は、障壁層
を提供すること、および障壁層へのＡｌとＴｉの拡散温
度よりも低い温度を加工の間中維持することの重要性を
示している。
【００２６】したがって、サンプルＤは、最も高いｔ５
０を示した。サンプルＤは、均一性のためにＣＶＤによ
って付着されたＴｉＮの１００オングストロームの障壁
層と、４００℃のアルミニウム付着温度を有していた。
４００℃の温度は、ＴｉＮへのＡｌとＴｉの拡散温度
（約４３０℃）よりも低い。各タイプのサンプルのトン
ネル電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析により、サンプルＤ以外
の各タイプのサンプルの導電層と障壁層の間にＴｉＡｌ
3がかなり形成されることが分かった。また、サンプル
Ｄ（ＰＶＤ Ｔｉ／ＣＶＤ ＴｉＮ／ＣＶＤ Ａｌ／Ｐ
ＶＤ Ａｌ）と類似の層構造を有するが、Ａｌ付着温度
は４６０℃であるメタライゼーション・スキームは、Ｔ
ＥＭ分析により、やはり導電層と障壁層の間にＴｉＡｌ
3がかなり形成されることが分かった。
０を示した。サンプルＤは、均一性のためにＣＶＤによ
って付着されたＴｉＮの１００オングストロームの障壁
層と、４００℃のアルミニウム付着温度を有していた。
４００℃の温度は、ＴｉＮへのＡｌとＴｉの拡散温度
（約４３０℃）よりも低い。各タイプのサンプルのトン
ネル電子顕微鏡（ＴＥＭ）分析により、サンプルＤ以外
の各タイプのサンプルの導電層と障壁層の間にＴｉＡｌ
3がかなり形成されることが分かった。また、サンプル
Ｄ（ＰＶＤ Ｔｉ／ＣＶＤ ＴｉＮ／ＣＶＤ Ａｌ／Ｐ
ＶＤ Ａｌ）と類似の層構造を有するが、Ａｌ付着温度
は４６０℃であるメタライゼーション・スキームは、Ｔ
ＥＭ分析により、やはり導電層と障壁層の間にＴｉＡｌ
3がかなり形成されることが分かった。
【００２７】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００２８】（１）半導体基板上の絶縁体層内の凹部に
導電性ダマシン構造を作成する方法であって、ダマシン
構造が、第１の金属の湿潤層と第２の金属の導電層を含
み、前記第１の金属と前記２の金属が、互いに反応して
金属間化合物を生成するある反応温度を有し、前記凹部
に前記絶縁体と接触して湿潤層を付着させる段階（ａ）
と、前記湿潤層の上に、前記反応温度よりも高い拡散温
度未満で前記第１および第２の金属が拡散するのを防ぐ
組成物を含む均一な障壁層を付着させる段階（ｂ）と、
前記拡散温度以下の温度で、前記障壁層の上に前記導電
層を付着させる段階（ｃ）とを含む方法。 （２）前記段階（ｂ）が、化学的気相付着によって前記
障壁層を付着させる段階をさらに含む、上記（１）に記
載の導電性ダマシン構造を作成する方法。 （３）前記第１の金属がＴｉを含み、前記第２の金属が
Ａｌを含む、上記（１）に記載の導電性ダマシン構造を
作成する方法。 （４）前記障壁層が、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＡｌ3、
Ｗ、ＷＮおよびそれらの組合せからなるグループから選
択された成分を含む、上記（３）に記載の導電性ダマシ
ン構造を作成する方法。 （５）前記障壁層がＴｉＮであり、前記拡散温度が約４
３０℃である、上記（４）に記載の導電性ダマシン構造
を作成する方法。 （６）前記段階（ｃ）の後の製作段階を前記拡散温度よ
りも高い温度で実行しない、上記（１）に記載の導電性
ダマシン構造を作成する方法。 （７）半導体基板上の絶縁体層内の凹部における導電性
ダマシン構造であって、前記凹部内で前記絶縁体層と接
触する第１の金属を含む湿潤層と、前記湿潤層の上の均
一な障壁層と、前記障壁層上の第２の金属を含む導電層
とを含み、前記障壁層が、第１と第２の金属が互いに反
応する反応温度よりも高い拡散温度を有する導電性ダマ
シン構造。 （８）前記第１の金属がＴｉを含み、前記第２の金属が
Ａｌを含む、上記（７）に記載の導電性ダマシン構造。 （９）前記障壁層が、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＡｌ3、
Ｗ、ＷＮおよびそれらの組合せからなるグループから選
択された成分を含む、上記（８）に記載の導電性ダマシ
ン構造。 （１０）前記ダマシン構造が二重ダマシン構造である、
上記（８）に記載の導電性ダマシン構造。
導電性ダマシン構造を作成する方法であって、ダマシン
構造が、第１の金属の湿潤層と第２の金属の導電層を含
み、前記第１の金属と前記２の金属が、互いに反応して
金属間化合物を生成するある反応温度を有し、前記凹部
に前記絶縁体と接触して湿潤層を付着させる段階（ａ）
と、前記湿潤層の上に、前記反応温度よりも高い拡散温
度未満で前記第１および第２の金属が拡散するのを防ぐ
組成物を含む均一な障壁層を付着させる段階（ｂ）と、
前記拡散温度以下の温度で、前記障壁層の上に前記導電
層を付着させる段階（ｃ）とを含む方法。 （２）前記段階（ｂ）が、化学的気相付着によって前記
障壁層を付着させる段階をさらに含む、上記（１）に記
載の導電性ダマシン構造を作成する方法。 （３）前記第１の金属がＴｉを含み、前記第２の金属が
Ａｌを含む、上記（１）に記載の導電性ダマシン構造を
作成する方法。 （４）前記障壁層が、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＡｌ3、
Ｗ、ＷＮおよびそれらの組合せからなるグループから選
択された成分を含む、上記（３）に記載の導電性ダマシ
ン構造を作成する方法。 （５）前記障壁層がＴｉＮであり、前記拡散温度が約４
３０℃である、上記（４）に記載の導電性ダマシン構造
を作成する方法。 （６）前記段階（ｃ）の後の製作段階を前記拡散温度よ
りも高い温度で実行しない、上記（１）に記載の導電性
ダマシン構造を作成する方法。 （７）半導体基板上の絶縁体層内の凹部における導電性
ダマシン構造であって、前記凹部内で前記絶縁体層と接
触する第１の金属を含む湿潤層と、前記湿潤層の上の均
一な障壁層と、前記障壁層上の第２の金属を含む導電層
とを含み、前記障壁層が、第１と第２の金属が互いに反
応する反応温度よりも高い拡散温度を有する導電性ダマ
シン構造。 （８）前記第１の金属がＴｉを含み、前記第２の金属が
Ａｌを含む、上記（７）に記載の導電性ダマシン構造。 （９）前記障壁層が、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＡｌ3、
Ｗ、ＷＮおよびそれらの組合せからなるグループから選
択された成分を含む、上記（８）に記載の導電性ダマシ
ン構造。 （１０）前記ダマシン構造が二重ダマシン構造である、
上記（８）に記載の導電性ダマシン構造。
【図１】左側に単一のダマシン構造を、右側に二重ダマ
シン構造を示す、２つの凹部を有する絶縁体層の概略断
面図である。
シン構造を示す、２つの凹部を有する絶縁体層の概略断
面図である。
【図２】凹部に湿潤層が付着された図１に示した絶縁体
層の概略断面図である。
層の概略断面図である。
【図３】湿潤層上に障壁層が付着された図２に示した絶
縁体層の概略断面図である。
縁体層の概略断面図である。
【図４】障壁層上に導電層が付着された図３に示した絶
縁体層の概略断面図である。
縁体層の概略断面図である。
【図５】絶縁体層の上面に付着された湿潤層、障壁層、
および金属層の諸成分を標準の除去プロセスで除去した
後の、図４に示した絶縁体層の概略断面図である。
および金属層の諸成分を標準の除去プロセスで除去した
後の、図４に示した絶縁体層の概略断面図である。
【図６】代表的な信頼性試験回路構造の概略上面図であ
る。
る。
【図７】図６の線５Ａ−５Ａに沿って切断した概略図で
ある。
ある。
【図８】図６の線５Ｂ−５Ｂに沿って切断した概略図で
ある。
ある。
１０ 絶縁体層 １１ 基板 １２ 凹部 １４ 側壁 １６ 底面 １７ ビア １８ 湿潤層 ２０ 障壁層 ２２ 導電層 ２８ 試験回路構造 ３０ 基板 ３２ 電流運搬金属線 ３４ 絶縁性誘電層 ３６ 二重ダマシン構造 ３８ ビア ４０ リザーバ ４２ 導電層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591209109 シーメンス・アクチェンゲゼルシャフト ＳＩＥＭＥＮＳ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬ ＬＳＣＨＡＦＴ ドイツ連邦共和国、80333 ミュンヘン、 ヴィッテルズバッハ・プラッツ ２ (72)発明者 ラリー・クレヴェンガー アメリカ合衆国12540 ニューヨーク州ラ グランジュヴィル アンドリューズ・ロー ド 377 (72)発明者 ロナルド・ジー・フィリッピ・ジュニア アメリカ合衆国12590 ニューヨーク州ワ ッピンガーズ・フォールズ ホワイト・ゲ ート・ドライブ アパートメント ６ディ ー (72)発明者 ジェフリー・ガンビーノ アメリカ合衆国06755 コネチカット州ゲ イローズヴィル ウェバタック・ロード 12 (72)発明者 リン・ギニャック アメリカ合衆国12508 ニューヨーク州ビ ーコン ファルコナー・ストリート １ (72)発明者 ジェフリー・エル・ハード アメリカ合衆国12542 ニューヨーク州マ ルボロ レザーバー・ロード 192 (72)発明者 マーク・ホインキス アメリカ合衆国12524 ニューヨーク州フ ィッシュキル スプルース・リッジ・ドラ イブ 37 (72)発明者 ロイ・シー・イガルデン アメリカ合衆国12550 ニューヨーク州ニ ューバーグ ジャンズ・プレース １ (72)発明者 エブラヒム・メフテル アメリカ合衆国12590 ニューヨーク州ワ ッピンガーズ・フォールズ スプーク・ヒ ル・ロード 103 (72)発明者 ケニス・ピー・ロッドベル アメリカ合衆国12570 ニューヨーク州ポ ークァグ レオ・レーン 11 (72)発明者 フロリアン・シュナーベル アメリカ合衆国12590 ニューヨーク州ワ ッピンガーズ・フォールズ マックスウェ ル・プレース ５ (72)発明者 シュテファン・ジェイ・ウェーバー アメリカ合衆国12524 ニューヨーク州フ ィッシュキル タマラク・サークル 26
Claims (10)
- 【請求項１】半導体基板上の絶縁体層内の凹部に導電性
ダマシン構造を作成する方法であって、ダマシン構造
が、第１の金属の湿潤層と第２の金属の導電層を含み、
前記第１の金属と前記２の金属が、互いに反応して金属
間化合物を生成するある反応温度を有し、 前記凹部に前記絶縁体と接触して湿潤層を付着させる段
階（ａ）と、 前記湿潤層の上に、前記反応温度よりも高い拡散温度未
満で前記第１および第２の金属が拡散するのを防ぐ組成
物を含む均一な障壁層を付着させる段階（ｂ）と、 前記拡散温度以下の温度で、前記障壁層の上に前記導電
層を付着させる段階（ｃ）とを含む方法。 - 【請求項２】前記段階（ｂ）が、化学的気相付着によっ
て前記障壁層を付着させる段階をさらに含む、請求項１
に記載の導電性ダマシン構造を作成する方法。 - 【請求項３】前記第１の金属がＴｉを含み、前記第２の
金属がＡｌを含む、請求項１に記載の導電性ダマシン構
造を作成する方法。 - 【請求項４】前記障壁層が、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＡｌ
3、Ｗ、ＷＮおよびそれらの組合せからなるグループか
ら選択された成分を含む、請求項３に記載の導電性ダマ
シン構造を作成する方法。 - 【請求項５】前記障壁層がＴｉＮであり、前記拡散温度
が約４３０℃である、請求項４に記載の導電性ダマシン
構造を作成する方法。 - 【請求項６】前記段階（ｃ）の後の製作段階を前記拡散
温度よりも高い温度で実行しない、請求項１に記載の導
電性ダマシン構造を作成する方法。 - 【請求項７】半導体基板上の絶縁体層内の凹部における
導電性ダマシン構造であって、 前記凹部内で前記絶縁体層と接触する第１の金属を含む
湿潤層と、 前記湿潤層の上の均一な障壁層と、 前記障壁層上の第２の金属を含む導電層とを含み、 前記障壁層が、第１と第２の金属が互いに反応する反応
温度よりも高い拡散温度を有する導電性ダマシン構造。 - 【請求項８】前記第１の金属がＴｉを含み、前記第２の
金属がＡｌを含む、請求項７に記載の導電性ダマシン構
造。 - 【請求項９】前記障壁層が、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＡｌ
3、Ｗ、ＷＮおよびそれらの組合せからなるグループか
ら選択された成分を含む、請求項８に記載の導電性ダマ
シン構造。 - 【請求項１０】前記ダマシン構造が二重ダマシン構造で
ある、請求項８に記載の導電性ダマシン構造。
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