JP2001102382A - チップ配線アプリケーションのための段階的な組成の拡散障壁 - Google Patents
チップ配線アプリケーションのための段階的な組成の拡散障壁Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体素子構造のための障壁膜を提供するこ
と。 【解決手段】 障壁膜が、窒素とチタンまたはタンタル
の少なくとも１つを含む化合物と、障壁膜内で可変の濃
度を有する窒素と、障壁膜内で可変の濃度を有する酸素
とを含む。
と。 【解決手段】 障壁膜が、窒素とチタンまたはタンタル
の少なくとも１つを含む化合物と、障壁膜内で可変の濃
度を有する窒素と、障壁膜内で可変の濃度を有する酸素
とを含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子に関し、
特に、導電材料を基板内のまたは基板上の導電フィーチ
ャにめっきするプロセスに関する。より詳細には、本発
明は基板内に形成されるサブミクロン構造を充填するた
めの、金属の電気めっきに関する。本発明はまた、金属
充填型サブミクロン構造に関する。
特に、導電材料を基板内のまたは基板上の導電フィーチ
ャにめっきするプロセスに関する。より詳細には、本発
明は基板内に形成されるサブミクロン構造を充填するた
めの、金属の電気めっきに関する。本発明はまた、金属
充填型サブミクロン構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロ電子デバイスの生産において、
半導体構造内及び上に、様々な目的で金属がめっきされ
る。金属が付着されて、配線構造などのバイア及び導電
路が形成される。通常、金属はめっき溶液を保持するセ
ルまたは貯蔵庫内でめっきされ、こうした溶液は基板上
にめっきされる少なくとも１つの金属または合金を含
む。
半導体構造内及び上に、様々な目的で金属がめっきされ
る。金属が付着されて、配線構造などのバイア及び導電
路が形成される。通常、金属はめっき溶液を保持するセ
ルまたは貯蔵庫内でめっきされ、こうした溶液は基板上
にめっきされる少なくとも１つの金属または合金を含
む。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は半導体素子構
造のための障壁膜（barrier film）を提供する。
造のための障壁膜（barrier film）を提供する。
【０００４】本発明はまた、絶縁材料の領域、導電材料
の領域、及び導電材料の領域と絶縁材料の領域間の障壁
膜を含む半導体素子構造を提供する。
の領域、及び導電材料の領域と絶縁材料の領域間の障壁
膜を含む半導体素子構造を提供する。
【０００５】本発明はまた、半導体素子構造を形成する
方法を提供する。
方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】障壁膜が、窒素とチタン
またはタンタルの少なくとも１つを含む化合物を含む。
障壁膜はまた、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、
障壁膜内で可変の濃度を有する酸素を含む。
またはタンタルの少なくとも１つを含む化合物を含む。
障壁膜はまた、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、
障壁膜内で可変の濃度を有する酸素を含む。
【０００７】障壁膜は、窒素とチタンまたはタンタルの
少なくとも１つを含む化合物と、障壁膜内で可変の濃度
を有する窒素と、障壁膜内で可変の濃度を有する酸素と
を含む。
少なくとも１つを含む化合物と、障壁膜内で可変の濃度
を有する窒素と、障壁膜内で可変の濃度を有する酸素と
を含む。
【０００８】この方法は、障壁膜を絶縁材料の領域上に
付着する。障壁膜は、窒素とチタンまたはタンタルの少
なくとも１つを含む化合物と、障壁膜内で可変の濃度を
有する窒素と、障壁膜内で可変の濃度を有する酸素とを
含む。導電材料が、障壁膜の少なくとも一部上に付着さ
れる。
付着する。障壁膜は、窒素とチタンまたはタンタルの少
なくとも１つを含む化合物と、障壁膜内で可変の濃度を
有する窒素と、障壁膜内で可変の濃度を有する酸素とを
含む。導電材料が、障壁膜の少なくとも一部上に付着さ
れる。
【０００９】
【発明の実施の形態】半導体素子構造では、導電構造か
ら周囲の材料への金属の流動（migration）を防止する
ために、導電構造を形成する前に、障壁構造が形成され
得る。例えば、チップ配線アプリケーションでは、配線
構造から配線構造を囲む誘電材料などの周囲の材料への
金属の流動を防止するために、金属を付着する前に障壁
が付着されて、導電構造を形成する。障壁膜は一般に、
金属を付着する前に、ダマシーン・プロセスにおいて付
着される。
ら周囲の材料への金属の流動（migration）を防止する
ために、導電構造を形成する前に、障壁構造が形成され
得る。例えば、チップ配線アプリケーションでは、配線
構造から配線構造を囲む誘電材料などの周囲の材料への
金属の流動を防止するために、金属を付着する前に障壁
が付着されて、導電構造を形成する。障壁膜は一般に、
金属を付着する前に、ダマシーン・プロセスにおいて付
着される。
【００１０】一般に、障壁は金属の流動に対する障壁を
提供し、導電材料または周囲の材料とは反応しない。ま
た、障壁が低い比抵抗を有し、導電材料、及びチップ配
線構造を囲む誘電材料などの周囲の材料の両方に対し
て、良好な接着性を有することが望ましい。障壁の他の
特性もまた重要である。結果的に、障壁膜の選択におい
て、とりわけ接着性、比抵抗、接触抵抗、及び集積化の
バランスを保つことが必要である。
提供し、導電材料または周囲の材料とは反応しない。ま
た、障壁が低い比抵抗を有し、導電材料、及びチップ配
線構造を囲む誘電材料などの周囲の材料の両方に対し
て、良好な接着性を有することが望ましい。障壁の他の
特性もまた重要である。結果的に、障壁膜の選択におい
て、とりわけ接着性、比抵抗、接触抵抗、及び集積化の
バランスを保つことが必要である。
【００１１】障壁膜内で一般に使用される２つの材料の
例は、タンタルとチタンである。一般に、チタン及びタ
ンタルのいずれも、それらの純粋な形態では、銅または
アルミニウムに対する良好な障壁ではない。しかしなが
ら、タンタルまたはチタンと窒素との反応から生まれる
化合物は、純粋なチタンまたは純粋なタンタルよりも良
好な拡散障壁として作用する傾向がある。
例は、タンタルとチタンである。一般に、チタン及びタ
ンタルのいずれも、それらの純粋な形態では、銅または
アルミニウムに対する良好な障壁ではない。しかしなが
ら、タンタルまたはチタンと窒素との反応から生まれる
化合物は、純粋なチタンまたは純粋なタンタルよりも良
好な拡散障壁として作用する傾向がある。
【００１２】タンタルの場合、タンタルの窒化物は異な
る化学量論を有する材料の形態としてだけでなく、異な
る同素体としても存在する。例えば、それらは立方窒化
タンタルまたは六方窒化タンタルである。異なる同位体
及び同素体の特性は異なり得る。これらの方針に従い、
窒化タンタルによれば、ほとんどの基板への膜接着性
は、窒素含有量の増加と共に向上する傾向がある。その
反面、高い窒素含有量は膜の比抵抗を増加し得る。しか
しながら、前述のように、膜が高い比抵抗を有すること
は好ましくない。
る化学量論を有する材料の形態としてだけでなく、異な
る同素体としても存在する。例えば、それらは立方窒化
タンタルまたは六方窒化タンタルである。異なる同位体
及び同素体の特性は異なり得る。これらの方針に従い、
窒化タンタルによれば、ほとんどの基板への膜接着性
は、窒素含有量の増加と共に向上する傾向がある。その
反面、高い窒素含有量は膜の比抵抗を増加し得る。しか
しながら、前述のように、膜が高い比抵抗を有すること
は好ましくない。
【００１３】窒化タンタルに関して、窒素含有量の単位
増加当たりの膜の比抵抗の増加は、線形でない。例え
ば、３６％以上の窒素含有量を有する立方窒化タンタル
では、窒素含有量の限界増加は膜を抵抗性にする。前述
のことを鑑み、場合によっては、低い比抵抗及び限界接
着性を有する膜と、優れた接着性を有する一方、非常に
高い比抵抗を有する膜との間の選択が必要である。
増加当たりの膜の比抵抗の増加は、線形でない。例え
ば、３６％以上の窒素含有量を有する立方窒化タンタル
では、窒素含有量の限界増加は膜を抵抗性にする。前述
のことを鑑み、場合によっては、低い比抵抗及び限界接
着性を有する膜と、優れた接着性を有する一方、非常に
高い比抵抗を有する膜との間の選択が必要である。
【００１４】特定の障壁材料は、障壁材料の間の特性の
バランスを例証する。例えば、窒素が豊富な窒化チタン
は、銅及びアルミニウムに対する良好な障壁である。そ
れにひきかえ、窒化タンタルは銅に不十分に、またはか
ろうじて接着する。別の例によれば、窒素が豊富な窒化
チタン及びＷＮＰの比抵抗は、１ｃｍ当たり約２５０μ
Ωよりも大きい。他方、窒素が豊富な窒化タンタルの比
抵抗は、８００μΩ／ｃｍよりも大きい。
バランスを例証する。例えば、窒素が豊富な窒化チタン
は、銅及びアルミニウムに対する良好な障壁である。そ
れにひきかえ、窒化タンタルは銅に不十分に、またはか
ろうじて接着する。別の例によれば、窒素が豊富な窒化
チタン及びＷＮＰの比抵抗は、１ｃｍ当たり約２５０μ
Ωよりも大きい。他方、窒素が豊富な窒化タンタルの比
抵抗は、８００μΩ／ｃｍよりも大きい。
【００１５】本発明は、障壁及び膜の電気特性を最適化
する障壁膜を提供することにより、前述の問題及び他の
問題に対する解決策を提供する。一般に、本発明による
障壁膜は、窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１
つを含む化合物を含む。換言すると、本発明による障壁
膜は、窒化チタンまたは窒化タンタルを含む。化合物の
正確な構成は変化し得る。換言すると、障壁膜を構成す
る化合物内のチタンまたはタンタル及び窒素の原子の数
が変化し得る。
する障壁膜を提供することにより、前述の問題及び他の
問題に対する解決策を提供する。一般に、本発明による
障壁膜は、窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１
つを含む化合物を含む。換言すると、本発明による障壁
膜は、窒化チタンまたは窒化タンタルを含む。化合物の
正確な構成は変化し得る。換言すると、障壁膜を構成す
る化合物内のチタンまたはタンタル及び窒素の原子の数
が変化し得る。
【００１６】窒素及びチタンまたはタンタルを含有する
化合物に加えて、本発明による障壁膜は更に、酸素また
は窒素を含む。障壁膜内の窒素及び酸素の濃度は、障壁
膜内で変化する。換言すると、障壁膜内の特定の位置で
は、窒素含有量が障壁膜内の他の位置よりも高い。同時
に、障壁膜内の特定位置での酸素の濃度は、障壁膜内の
他の位置よりも高い。これらの方針に従い、障壁膜上に
めっきされる金属の近傍において、または障壁膜の下に
横たわる材料の近傍において、高い窒素含有量を有する
ことが有利である。これは少なくとも部分的には、前述
のように、酸素または窒素が障壁膜材料上で有し得る効
果に起因する。
化合物に加えて、本発明による障壁膜は更に、酸素また
は窒素を含む。障壁膜内の窒素及び酸素の濃度は、障壁
膜内で変化する。換言すると、障壁膜内の特定の位置で
は、窒素含有量が障壁膜内の他の位置よりも高い。同時
に、障壁膜内の特定位置での酸素の濃度は、障壁膜内の
他の位置よりも高い。これらの方針に従い、障壁膜上に
めっきされる金属の近傍において、または障壁膜の下に
横たわる材料の近傍において、高い窒素含有量を有する
ことが有利である。これは少なくとも部分的には、前述
のように、酸素または窒素が障壁膜材料上で有し得る効
果に起因する。
【００１７】障壁膜の窒素または酸素の含有量を変化す
ることにより、膜内の異なる位置において有利な特性を
提供するように、膜の特性が制御される。例えば、障壁
膜の下に横たわる材料の近傍では、障壁膜が良好な接着
性を有することが好ましい。障壁膜の電気特性は、これ
らの領域では余り重要でない。結果的に、障壁膜の下に
横たわる材料の近傍では、組成は障壁膜と下側の材料と
の接着性を強化する傾向を示すように選択される。
ることにより、膜内の異なる位置において有利な特性を
提供するように、膜の特性が制御される。例えば、障壁
膜の下に横たわる材料の近傍では、障壁膜が良好な接着
性を有することが好ましい。障壁膜の電気特性は、これ
らの領域では余り重要でない。結果的に、障壁膜の下に
横たわる材料の近傍では、組成は障壁膜と下側の材料と
の接着性を強化する傾向を示すように選択される。
【００１８】それにひきかえ、障壁膜上に横たわる領域
に付着される金属の近傍においては、障壁膜が改善され
た電気特性を有することが好ましい。従って、金属な
ど、上に横たわる導電材料の近傍での組成は、この目的
のために変化される。これは特に、障壁膜上に横たわる
導電材料内において、十分な導電率を保証するために重
要である。しかしながら、上に横たわる金属の近傍で
は、障壁が更に、上に横たわる金属の接着性を強化する
傾向を示す特性を有することが好ましい。
に付着される金属の近傍においては、障壁膜が改善され
た電気特性を有することが好ましい。従って、金属な
ど、上に横たわる導電材料の近傍での組成は、この目的
のために変化される。これは特に、障壁膜上に横たわる
導電材料内において、十分な導電率を保証するために重
要である。しかしながら、上に横たわる金属の近傍で
は、障壁が更に、上に横たわる金属の接着性を強化する
傾向を示す特性を有することが好ましい。
【００１９】前述のように、障壁膜の接着性及び電気特
性は、障壁材料内の酸素または窒素の濃度を制御するこ
とにより影響される。酸素または窒素の含有量はまた、
膜の微構造を安定化し、膜の障壁特性を最適化するよう
に、障壁膜内の様々な位置において最適化され得る。
性は、障壁材料内の酸素または窒素の濃度を制御するこ
とにより影響される。酸素または窒素の含有量はまた、
膜の微構造を安定化し、膜の障壁特性を最適化するよう
に、障壁膜内の様々な位置において最適化され得る。
【００２０】前述の方針に従い、チップ配線アプリケー
ションのために障壁膜上に付着される金属など、障壁膜
上に横たわる少なくとも１つの金属または合金の近傍の
障壁膜の領域は、下側の絶縁性または誘電性材料の近傍
の領域などの、障壁膜の他の領域に比較して、低濃度の
窒素または酸素を有する。下側の絶縁材料の近傍の障壁
膜内の窒素濃度は約５０％であり、タンタルが約５０％
である。この比率は重量比ではなく、原子百分率であ
る。比率はＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectromete
r：２次イオン質量分析計）またはオージェ電子分光法
（Auger ElectronSpectroscopy）により定量化され得
る。それにひきかえ、少なくとも１つの金属または合金
から成る上側領域の近傍では、障壁膜の窒素含有量が約
２０％である。
ションのために障壁膜上に付着される金属など、障壁膜
上に横たわる少なくとも１つの金属または合金の近傍の
障壁膜の領域は、下側の絶縁性または誘電性材料の近傍
の領域などの、障壁膜の他の領域に比較して、低濃度の
窒素または酸素を有する。下側の絶縁材料の近傍の障壁
膜内の窒素濃度は約５０％であり、タンタルが約５０％
である。この比率は重量比ではなく、原子百分率であ
る。比率はＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectromete
r：２次イオン質量分析計）またはオージェ電子分光法
（Auger ElectronSpectroscopy）により定量化され得
る。それにひきかえ、少なくとも１つの金属または合金
から成る上側領域の近傍では、障壁膜の窒素含有量が約
２０％である。
【００２１】他方、障壁膜の酸素含有量は、下側の絶縁
材料の近傍において約０％から、上側の金属または合金
の近傍において、約０．５％に変化し得る。
材料の近傍において約０％から、上側の金属または合金
の近傍において、約０．５％に変化し得る。
【００２２】前述の説明から明らかなように、膜内の酸
素または窒素濃度は、下側の絶縁材料の近傍において最
も高く、上側の金属または合金の近傍において最も低く
なる。障壁膜が酸素及び窒素の両方を含む場合、酸素濃
度は、窒素濃度が最も高いところで最も高くなる。逆
に、窒素濃度は酸度濃度が最も高いところで最も高くな
る。
素または窒素濃度は、下側の絶縁材料の近傍において最
も高く、上側の金属または合金の近傍において最も低く
なる。障壁膜が酸素及び窒素の両方を含む場合、酸素濃
度は、窒素濃度が最も高いところで最も高くなる。逆
に、窒素濃度は酸度濃度が最も高いところで最も高くな
る。
【００２３】酸度濃度及び窒素濃度の両方は、下側の絶
縁材料の近傍において最も高くなる。障壁膜が酸素及び
窒素の両方を含む場合、酸素濃度は障壁膜の窒素濃度が
最も低いところで最も低い。逆に、障壁膜が酸素及び窒
素の両方を含む場合、障壁膜内の窒素濃度は、酸素濃度
が最も低いところで最も低い。
縁材料の近傍において最も高くなる。障壁膜が酸素及び
窒素の両方を含む場合、酸素濃度は障壁膜の窒素濃度が
最も低いところで最も低い。逆に、障壁膜が酸素及び窒
素の両方を含む場合、障壁膜内の窒素濃度は、酸素濃度
が最も低いところで最も低い。
【００２４】障壁膜内の窒素はＮ2の形態であるのに対
し、障壁膜内の酸素の形態はＯ2である。酸素及び窒素
は元素Ｏ及びＮの形態であってもよい。元素酸素及び窒
素は、Ｔａと結びつき得る。換言すると、この場合、膜
はＴａＮまたはＴａＯである。他の形態にはＴａ2Ｎ及
びＴａ2Ｏ2が含まれる。当業者であれば、過度な実験無
しに、他の化学量論も決定できよう。
し、障壁膜内の酸素の形態はＯ2である。酸素及び窒素
は元素Ｏ及びＮの形態であってもよい。元素酸素及び窒
素は、Ｔａと結びつき得る。換言すると、この場合、膜
はＴａＮまたはＴａＯである。他の形態にはＴａ2Ｎ及
びＴａ2Ｏ2が含まれる。当業者であれば、過度な実験無
しに、他の化学量論も決定できよう。
【００２５】障壁膜はまた、炭素を含み得る。炭素濃度
は障壁の特性を可変するために、障壁内で変化し得る。
これらの方針に従い、炭素濃度は下側の絶縁材料の近傍
において最も低く、上側の導電材料の近傍において最も
高い。障壁膜が炭素に加え、酸素または窒素を含む場
合、酸素、窒素または炭素の濃度は全て、障壁膜の同じ
領域において最も低く、障壁膜の同じ領域において最も
高い。
は障壁の特性を可変するために、障壁内で変化し得る。
これらの方針に従い、炭素濃度は下側の絶縁材料の近傍
において最も低く、上側の導電材料の近傍において最も
高い。障壁膜が炭素に加え、酸素または窒素を含む場
合、酸素、窒素または炭素の濃度は全て、障壁膜の同じ
領域において最も低く、障壁膜の同じ領域において最も
高い。
【００２６】障壁膜内の酸素、窒素または炭素の濃度
は、様々な理由で変化し得る。上側の導電材料の近傍で
は、障壁膜の酸度、窒素または炭素含有量は一般に、膜
の低い比抵抗を保証するのに十分である。これらの方針
に従い、上側の導電材料の少なくとも近傍では、障壁膜
の比抵抗が少なくとも約２５０μΩ／ｃｍである。或い
は、この領域における障壁膜の比抵抗は、少なくとも約
８００μΩ／ｃｍである。
は、様々な理由で変化し得る。上側の導電材料の近傍で
は、障壁膜の酸度、窒素または炭素含有量は一般に、膜
の低い比抵抗を保証するのに十分である。これらの方針
に従い、上側の導電材料の少なくとも近傍では、障壁膜
の比抵抗が少なくとも約２５０μΩ／ｃｍである。或い
は、この領域における障壁膜の比抵抗は、少なくとも約
８００μΩ／ｃｍである。
【００２７】障壁膜の酸素、窒素または炭素含有量はま
た、障壁膜が少なくとも１つの上側の金属または合金の
流動に対して有効な障壁となるように、変化し得る。一
般に、酸素及び炭素のドーピングは、原子百分率で約１
％乃至約１０％以下である。他方、窒素含有量の典型的
な範囲は、原子百分率で約３０％乃至約６０％である。
酸素及び炭素含有量は一般に、障壁膜の比抵抗の好まし
くない上昇により制限される。一般に、良好な障壁を提
供するＴａＮ膜では、最小比抵抗は約２００μΩ／ｃｍ
である。しかしながら、障壁膜は最大約１０００μΩ／
ｃｍの比抵抗を有し得る。
た、障壁膜が少なくとも１つの上側の金属または合金の
流動に対して有効な障壁となるように、変化し得る。一
般に、酸素及び炭素のドーピングは、原子百分率で約１
％乃至約１０％以下である。他方、窒素含有量の典型的
な範囲は、原子百分率で約３０％乃至約６０％である。
酸素及び炭素含有量は一般に、障壁膜の比抵抗の好まし
くない上昇により制限される。一般に、良好な障壁を提
供するＴａＮ膜では、最小比抵抗は約２００μΩ／ｃｍ
である。しかしながら、障壁膜は最大約１０００μΩ／
ｃｍの比抵抗を有し得る。
【００２８】障壁膜の酸素、窒素または炭素含有量が変
化する割合は、可変であり得る。例えば、障壁膜の酸
素、窒素または炭素含有量は、障壁膜全体を通じて、下
側の絶縁領域の近傍のある値から、上側の導電領域の近
傍の別の値に向けて、一定の割合で変化する。一定の割
合は線形または非線形であってよい。
化する割合は、可変であり得る。例えば、障壁膜の酸
素、窒素または炭素含有量は、障壁膜全体を通じて、下
側の絶縁領域の近傍のある値から、上側の導電領域の近
傍の別の値に向けて、一定の割合で変化する。一定の割
合は線形または非線形であってよい。
【００２９】障壁膜の酸素、窒素または炭素含有量は、
障壁膜全体を通じて、異なる割合で変化し得る。換言す
ると、障壁膜内のある領域では、酸素、窒素または炭素
の含有量がある割合で変化し、障壁膜内の他の位置で
は、障壁膜の酸素、窒素または炭素含有量が、異なる割
合で変化し得る。割合変化は障壁膜のある部分では一定
であり、他の部分では可変であり得る。異なる割合は線
形または非線形であってよい。これらの方針に従い、障
壁膜の酸素、窒素または炭素含有量は、障壁膜のある部
分では線形的に変化し、障壁膜の別の領域では非線形に
変化し得る。
障壁膜全体を通じて、異なる割合で変化し得る。換言す
ると、障壁膜内のある領域では、酸素、窒素または炭素
の含有量がある割合で変化し、障壁膜内の他の位置で
は、障壁膜の酸素、窒素または炭素含有量が、異なる割
合で変化し得る。割合変化は障壁膜のある部分では一定
であり、他の部分では可変であり得る。異なる割合は線
形または非線形であってよい。これらの方針に従い、障
壁膜の酸素、窒素または炭素含有量は、障壁膜のある部
分では線形的に変化し、障壁膜の別の領域では非線形に
変化し得る。
【００３０】障壁内の窒素、酸素または炭素の含有量
は、制御されて変化し得る。導電材料を障壁膜に適切に
結合し、障壁膜の接着性及び障壁膜の好適な電気特性を
保証するように、上側の導電材料または障壁膜の組成が
制御され得る。
は、制御されて変化し得る。導電材料を障壁膜に適切に
結合し、障壁膜の接着性及び障壁膜の好適な電気特性を
保証するように、上側の導電材料または障壁膜の組成が
制御され得る。
【００３１】本発明はまた、絶縁材料領域、導電材料領
域、及び絶縁材料領域と導電材料領域間の障壁膜を含む
半導体素子構造を含む。ここで障壁膜は実質的に前述の
通りである。従って、障壁膜、導電材料、及び絶縁材料
の内容物は、前述の組成及び特性を有する。絶縁材料は
任意の好適な絶縁材料である。本発明に従い使用される
絶縁材料の例には、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ダイヤ
モンド・ライク・カーボン、炭素ドープ・ケイ酸塩ガラ
ス、フルオロケイ酸塩ガラス、バルク状若しくは多孔質
または低誘電率のＳｉＯ、エーロゲル、ＦＳＧ、ＦＯ
Ｘ、ＳｉＬＫ、ＳｉＣＯＨ、及び有機ポリマ、例えばポ
リイミド、三二シロキサン（silsesquioxanes）、ポリ
・アリーレン・エーテル、フルオロポリマなどが含まれ
る。障壁膜は前述の濃度の酸素、窒素または炭素の他
に、窒化タンタル、窒化チタン、及びＷＮＰの少なくと
も１つを含み得る。
域、及び絶縁材料領域と導電材料領域間の障壁膜を含む
半導体素子構造を含む。ここで障壁膜は実質的に前述の
通りである。従って、障壁膜、導電材料、及び絶縁材料
の内容物は、前述の組成及び特性を有する。絶縁材料は
任意の好適な絶縁材料である。本発明に従い使用される
絶縁材料の例には、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ダイヤ
モンド・ライク・カーボン、炭素ドープ・ケイ酸塩ガラ
ス、フルオロケイ酸塩ガラス、バルク状若しくは多孔質
または低誘電率のＳｉＯ、エーロゲル、ＦＳＧ、ＦＯ
Ｘ、ＳｉＬＫ、ＳｉＣＯＨ、及び有機ポリマ、例えばポ
リイミド、三二シロキサン（silsesquioxanes）、ポリ
・アリーレン・エーテル、フルオロポリマなどが含まれ
る。障壁膜は前述の濃度の酸素、窒素または炭素の他
に、窒化タンタル、窒化チタン、及びＷＮＰの少なくと
も１つを含み得る。
【００３２】本発明はまた、半導体素子構造を形成する
方法を含む。この方法は、絶縁材料の領域上に障壁膜を
付着する。障壁膜は実質的に前述の通りである。次に、
導電材料が障壁膜の少なくとも一部上に付着される。障
壁膜の付着のために、窒素とチタンまたはタンタルの少
なくとも１つを含む化合物を付着し、次に化合物をＯ 2
ガスまたはＮ2ガスにさらす。
方法を含む。この方法は、絶縁材料の領域上に障壁膜を
付着する。障壁膜は実質的に前述の通りである。次に、
導電材料が障壁膜の少なくとも一部上に付着される。障
壁膜の付着のために、窒素とチタンまたはタンタルの少
なくとも１つを含む化合物を付着し、次に化合物をＯ 2
ガスまたはＮ2ガスにさらす。
【００３３】炭素が障壁膜内に単独で、または酸素また
は窒素と同時に導入され得る。ことによると、炭素を膜
内に導入する最も直接的な方法は、同時スパッタリング
により行われ、所望の量の炭素がタンタルまたはチタン
・スパッタリング・ターゲットに組み込まれる。或い
は、酸素も所望される場合、例えば一般に使用されるＡ
ｒ及びＮ2ガスと共に、約１×１０-6トルの小分圧のＣ
Ｏ2、ＣＯまたはＣＮガスにより、酸素及び炭素が反応
性スパッタリングにより導入される。メタンまたはＣＦ
4などの炭化水素またはフッ化炭素ガスは、好ましくな
い。なぜなら、ことによると水素またはフッ素は、所望
の障壁膜の脆化、膨張、腐食、及び剥離の原因となり得
るからである。前述のように、Ｃ及びＯの典型的な範囲
は、原子百分率で、約０％乃至約１０％である。
は窒素と同時に導入され得る。ことによると、炭素を膜
内に導入する最も直接的な方法は、同時スパッタリング
により行われ、所望の量の炭素がタンタルまたはチタン
・スパッタリング・ターゲットに組み込まれる。或い
は、酸素も所望される場合、例えば一般に使用されるＡ
ｒ及びＮ2ガスと共に、約１×１０-6トルの小分圧のＣ
Ｏ2、ＣＯまたはＣＮガスにより、酸素及び炭素が反応
性スパッタリングにより導入される。メタンまたはＣＦ
4などの炭化水素またはフッ化炭素ガスは、好ましくな
い。なぜなら、ことによると水素またはフッ素は、所望
の障壁膜の脆化、膨張、腐食、及び剥離の原因となり得
るからである。前述のように、Ｃ及びＯの典型的な範囲
は、原子百分率で、約０％乃至約１０％である。
【００３４】こうした材料の接着性は、剥離強度により
表現され得る。一般に、剥離強度が全ての界面におい
て、約１０００ジュール／ｍ2よりも大きいことが望ま
しい。ことによると、剥離強度が約４００ジュール／ｍ
2乃至約５００ジュール／ｍ2よりも大きいことが望まし
い。
表現され得る。一般に、剥離強度が全ての界面におい
て、約１０００ジュール／ｍ2よりも大きいことが望ま
しい。ことによると、剥離強度が約４００ジュール／ｍ
2乃至約５００ジュール／ｍ2よりも大きいことが望まし
い。
【００３５】障壁膜の他の重要な特性には、約数１００
μΩ／ｃｍまたはそれ以下の比抵抗、相互接続欠陥の存
在の下で、過度なジュール過熱に対処する非常に高いま
たは耐火性の融点、エッチングまたは化学機械式研磨
（絶縁物及び銅などの相互接続主金属の存在の下でのＣ
ＭＰ）のために適切な選択及び除去速度、ＣＭＰの間の
腐食につながる、銅相互接続への有害な電気機械的また
はガルバニック（すなわち電気化学的）結合の不在性、
熱サイクル後の銅相互接続の合金化または有害化の不在
性、下側の相互接続との間の例えば約２ｘ１０-9Ω／ｃ
ｍ2以下の低い接触抵抗、例えば約４００℃を超える一
般的な温度でのクラックの不在性などの、良好な熱機械
安定性、及び、連続層が深く狭いまたは高アスペクト比
のバイア及び相互接続トレンチ内で付着されるような、
良好なステップ・カバレージが含まれる。
μΩ／ｃｍまたはそれ以下の比抵抗、相互接続欠陥の存
在の下で、過度なジュール過熱に対処する非常に高いま
たは耐火性の融点、エッチングまたは化学機械式研磨
（絶縁物及び銅などの相互接続主金属の存在の下でのＣ
ＭＰ）のために適切な選択及び除去速度、ＣＭＰの間の
腐食につながる、銅相互接続への有害な電気機械的また
はガルバニック（すなわち電気化学的）結合の不在性、
熱サイクル後の銅相互接続の合金化または有害化の不在
性、下側の相互接続との間の例えば約２ｘ１０-9Ω／ｃ
ｍ2以下の低い接触抵抗、例えば約４００℃を超える一
般的な温度でのクラックの不在性などの、良好な熱機械
安定性、及び、連続層が深く狭いまたは高アスペクト比
のバイア及び相互接続トレンチ内で付着されるような、
良好なステップ・カバレージが含まれる。
【００３６】障壁膜は様々なプロセスに従い形成され得
る。障壁膜形成のための典型的なプロセスは、Ａｒ、Ｎ
2及びことによると前述の分圧範囲内のＯ2、ＣＯ2また
はＣＯガスを使用する、純粋なまたはＣドープＴａまた
はＴｉターゲットからの反応性スパッタリングまたはイ
オン化反応性スパッタリング（ＰＶＤ、Ｉ−ＰＶＤ、物
理蒸着）を含み得る。これらはことによると、従来の市
販のＤＣマグネトロンまたはＲＦイオン化ＤＣマグネト
ロン・スパッタリング・システムを使用する。これらの
システムでは、付着の最善の条件を見いだすために、ガ
ス種、個々のガス流速、ＤＣ及びＲＦパワー、及び基板
温度が一般に全て可変である。
る。障壁膜形成のための典型的なプロセスは、Ａｒ、Ｎ
2及びことによると前述の分圧範囲内のＯ2、ＣＯ2また
はＣＯガスを使用する、純粋なまたはＣドープＴａまた
はＴｉターゲットからの反応性スパッタリングまたはイ
オン化反応性スパッタリング（ＰＶＤ、Ｉ−ＰＶＤ、物
理蒸着）を含み得る。これらはことによると、従来の市
販のＤＣマグネトロンまたはＲＦイオン化ＤＣマグネト
ロン・スパッタリング・システムを使用する。これらの
システムでは、付着の最善の条件を見いだすために、ガ
ス種、個々のガス流速、ＤＣ及びＲＦパワー、及び基板
温度が一般に全て可変である。
【００３７】図１は、既知の半導体素子構造の横断面図
を示す。図１に示される構造は、絶縁材料層１、導電材
料層３、及びそれらの間の障壁膜５を含む。障壁膜は全
体に渡って一定レベルの窒素、または他の材料を含み得
る。
を示す。図１に示される構造は、絶縁材料層１、導電材
料層３、及びそれらの間の障壁膜５を含む。障壁膜は全
体に渡って一定レベルの窒素、または他の材料を含み得
る。
【００３８】図２は、既知の半導体素子構造の別の実施
例の横断面図を示す。図２に示される構造は、絶縁材料
層７、導電材料層９、及びそれらの間の障壁膜１１を含
む。障壁膜１１は２つの部分、すなわち第１の部分１３
及び第２の部分１５を含む。２つの障壁膜の組成は、絶
縁材料の近傍及び導電材料の近傍において異なる特性を
提供するために、異なり得る。
例の横断面図を示す。図２に示される構造は、絶縁材料
層７、導電材料層９、及びそれらの間の障壁膜１１を含
む。障壁膜１１は２つの部分、すなわち第１の部分１３
及び第２の部分１５を含む。２つの障壁膜の組成は、絶
縁材料の近傍及び導電材料の近傍において異なる特性を
提供するために、異なり得る。
【００３９】図３は、本発明に従う半導体素子構造の実
施例の横断面図を示す。図３に示される構造は、絶縁材
料層１７、導電材料層１９、及びそれらの間の障壁膜２
１を含む。層２３及び層２５により示されるように、障
壁膜内の窒素、炭素及び酸素の含有量は、障壁膜内で変
化し得る。障壁膜内に２つの一様な領域を含む図２に示
される構造と異なり、図３に示される実施例では、障壁
膜内の炭素、酸素及び窒素の含有量が、障壁膜全体に渡
って変化し得る。
施例の横断面図を示す。図３に示される構造は、絶縁材
料層１７、導電材料層１９、及びそれらの間の障壁膜２
１を含む。層２３及び層２５により示されるように、障
壁膜内の窒素、炭素及び酸素の含有量は、障壁膜内で変
化し得る。障壁膜内に２つの一様な領域を含む図２に示
される構造と異なり、図３に示される実施例では、障壁
膜内の炭素、酸素及び窒素の含有量が、障壁膜全体に渡
って変化し得る。
【００４０】本発明の前述の説明は、本発明を例証する
ものである。更に、本開示は本発明の好適な実施例を示
すだけであって、前述のように、本発明は様々な他の組
み合わせ、変更、及び環境において使用可能であり、前
述の教示または関連技術の知識に従い、ここで述べた概
念の範囲内で変更可能である。前述の実施例は更に、本
発明を実現する最善のモードを説明するもので、当業者
がこうしたまたは他の実施例において、及び本発明の特
定のアプリケーションまたは使用により要求される様々
な変更を伴い、本発明を使用できるように意図するもの
である。従って、本説明は本発明をここで開示された態
様に制限するものではなく、別の実施例を含むように解
釈されるべきである。
ものである。更に、本開示は本発明の好適な実施例を示
すだけであって、前述のように、本発明は様々な他の組
み合わせ、変更、及び環境において使用可能であり、前
述の教示または関連技術の知識に従い、ここで述べた概
念の範囲内で変更可能である。前述の実施例は更に、本
発明を実現する最善のモードを説明するもので、当業者
がこうしたまたは他の実施例において、及び本発明の特
定のアプリケーションまたは使用により要求される様々
な変更を伴い、本発明を使用できるように意図するもの
である。従って、本説明は本発明をここで開示された態
様に制限するものではなく、別の実施例を含むように解
釈されるべきである。
【００４１】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。
【００４２】（１）半導体素子構造のための障壁膜であ
って、窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１つを
含む化合物と、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、
障壁膜内で可変の濃度を有する酸素とを含む、障壁膜。 （２）窒素がＮ2及びＮの少なくとも１つの形態を有す
る、前記（１）記載の障壁膜。 （３）酸素がＯ2及びＯの少なくとも１つの形態を有す
る、前記（１）記載の障壁膜。 （４）障壁膜上に付着される少なくとも１つの金属また
は合金に最も近い障壁膜の領域が、障壁膜の他の領域に
比較して低濃度の窒素及び酸素を有する、前記（１）記
載の障壁膜。 （５）障壁膜内の酸素の濃度及び障壁膜内の窒素の濃度
が、絶縁材料及び障壁膜上に付着される少なくとも１つ
の金属または合金への障壁膜の接着性を強化するように
変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （６）障壁膜内で可変の濃度を有する炭素を含む、前記
（１）記載の障壁膜。 （７）障壁膜上に付着される少なくとも１つの金属また
は合金の近傍の障壁膜の領域が、障壁膜の他の領域に比
較して低濃度の炭素を有する、前記（６）記載の障壁
膜。 （８）障壁膜内の炭素の濃度が、絶縁材料及び障壁膜上
に付着される少なくとも１つの金属または合金への障壁
膜の接着性を強化するように変化する、前記（６）記載
の障壁膜。 （９）障壁膜の窒素含有量が、下側の絶縁材料の近傍に
おいて原子百分率で約３０％乃至約６０％から、少なく
とも１つの金属または合金から成る上側の領域の近傍に
おいて約０％に変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （１０）障壁膜の酸素含有量が、下側の絶縁材料の近傍
において原子百分率で約０％から、少なくとも１つの金
属または合金から成る上側の領域の近傍において約１％
乃至約５％に変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （１１）障壁膜の窒素含有量が、少なくとも１つの金属
または合金から成る上側の領域に隣接する領域の近傍よ
りも、下側の絶縁材料に隣接する領域の近傍において大
きい、前記（１）記載の障壁膜。 （１２）障壁膜の酸素含有量が、少なくとも１つの金属
または合金から成る上側の領域に隣接する領域の近傍よ
りも、下側の絶縁材料に隣接する領域の近傍において大
きい、前記（１）記載の障壁膜。 （１３）障壁膜の酸素含有量が、障壁膜の最低の窒素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（１）
記載の障壁膜。 （１４）障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、少なく
とも１つの金属または合金から成る上側の領域に隣接す
る領域の近傍において、障壁膜の低い比抵抗を保証する
のに十分である、前記（１）記載の障壁膜。 （１５）障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、障壁膜
が少なくとも１つの金属または合金から成る上側の領域
に対して、有効な障壁であることを保証するのに十分で
ある、前記（１）記載の障壁膜。 （１６）障壁膜が少なくとも約２５０μΩ／ｃｍの比抵
抗を有する、前記（１）記載の障壁膜。 （１７）障壁膜が少なくとも約８００μΩ／ｃｍの比抵
抗を有する、前記（１）記載の障壁膜。 （１８）障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （１９）障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （２０）障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （２１）障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （２２）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の窒素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（６）
記載の障壁膜。 （２３）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の酸素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（６）
記載の障壁膜。 （２４）障壁膜の炭素含有量が、少なくとも１つの金属
または合金から成る上側の領域に隣接する領域の近傍に
おいて、障壁膜の低い比抵抗を保証するのに十分であ
る、前記（６）記載の障壁膜。 （２５）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜が少なくとも１
つの金属または合金から成る上側の領域に対して、有効
な障壁であることを保証するのに十分である、前記
（６）記載の障壁膜。 （２６）障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（６）記載の障壁膜。 （２７）障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（６）記載の障壁膜。 （２８）絶縁材料の領域と、導電材料の領域と、絶縁材
料の領域と導電材料の領域間の障壁膜とを含み、障壁膜
が窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１つを含む
化合物と、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、障壁
膜内で可変の濃度を有する酸素とを含む、半導体素子構
造。 （２９）窒素がＮ2及びＮの少なくとも１つの形態を有
する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （３０）酸素がＯ2及びＯの少なくとも１つの形態を有
する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （３１）導電材料に最も近い障壁膜の領域が、障壁膜の
他の領域に比較して低濃度の窒素及び酸素を有する、前
記（２８）記載の半導体素子構造。 （３２）障壁膜内の酸素の濃度及び障壁膜内の窒素の濃
度が、絶縁材料及び導電材料への障壁膜の接着性を強化
するように変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （３３）障壁膜が炭素を含み、障壁膜内の炭素の濃度が
障壁膜内で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （３４）導電材料の近傍の障壁膜の領域が、障壁膜の他
の領域に比較して低濃度の炭素を有する、前記（３３）
記載の半導体素子構造。 （３５）障壁膜内の炭素の濃度が、絶縁材料及び障壁膜
上に付着される少なくとも１つの金属または合金への障
壁膜の接着性を強化するように変化する、前記（６）記
載の障壁膜。 （３６）障壁膜の窒素含有量が、絶縁材料の近傍におい
て原子百分率で約３０％乃至約６０％から、導電材料の
近傍において約０％に変化する、前記（２８）記載の半
導体素子構造。 （３７）障壁膜の酸素含有量が、絶縁材料の近傍におい
て原子百分率で約０％から、導電材料の近傍において約
１％乃至約５％に変化する、前記（２８）記載の半導体
素子構造。 （３８）障壁膜の窒素含有量が、導電材料の近傍より
も、絶縁材料の近傍において大きい、前記（２８）記載
の半導体素子構造。 （３９）障壁膜の酸素含有量が、導電材料の近傍より
も、絶縁材料の近傍において大きい、前記（２８）記載
の半導体素子構造。 （４０）障壁膜の酸素含有量が、障壁膜の最低の窒素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（２
８）記載の半導体素子構造。 （４１）障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、導電材
料の近傍において、障壁膜の低い比抵抗を保証するのに
十分である、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （４２）障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、障壁膜
が導電材料に対する有効な障壁であることを保証するの
に十分である、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （４３）障壁膜が少なくとも約２５０μΩ／ｃｍの比抵
抗を有する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （４４）障壁膜が少なくとも約８００μΩ／ｃｍの比抵
抗を有する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （４５）障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （４６）障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （４７）障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （４８）障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （４９）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の窒素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（３
３）記載の半導体素子構造。 （５０）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の酸素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（３
３）記載の半導体素子構造。 （５１）障壁膜の炭素含有量が、導電材料の近傍におい
て、障壁膜の低い比抵抗を保証するのに十分である、前
記（３３）記載の半導体素子構造。 （５２）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜が導電材料に対
する有効な障壁であることを保証するのに十分である、
前記（３３）記載の半導体素子構造。 （５３）障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（３３）記載の半導体素子構
造。 （５４）障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（３３）記載の半導体素子構
造。 （５５）絶縁材料が、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ダイ
ヤモンド・ライク・カーボン、炭素ドープ・ケイ酸塩ガ
ラス、フルオロケイ酸塩ガラス、バルク状ＳｉＯ、多孔
質ＳｉＯ、低誘電率のＳｉＯ、エーロゲル、ＦＳＧ、Ｆ
ＯＸ、ＳｉＬＫ、ＳｉＣＯＨ、有機ポリマ、ポリイミ
ド、三二シロキサン、ポリ・アリーレン・エーテル、及
びフルオロポリマを含むグループから選択される少なく
とも１つの材料を含む、前記（２８）記載の半導体素子
構造。 （５６）導電材料が銅またはアルミニウムを含む、前記
（２８）記載の半導体素子構造。 （５７）障壁膜がＴａＮ、ＴｉＮ及びＷＮＰの少なくと
も１つを含む、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （５８）障壁膜の炭素含有量が、絶縁材料の近傍におい
て原子百分率で約１０％から、導電材料の近傍において
約０％に変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （５９）障壁膜が約１０００ジュール／ｍ2の剥離強度
を有する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （６０）障壁膜が少なくとも約４００ジュール／ｍ2の
剥離強度を有する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （６１）半導体素子構造を形成する方法であって、窒素
とチタンまたはタンタルの少なくとも１つを含む化合物
と、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、障壁膜内で
可変の濃度を有する酸素とを含む障壁膜を、絶縁材料の
領域上に付着し、障壁膜の少なくとも一部上に導電材料
を付着する方法。 （６２）障壁膜の付着が、窒素とチタンまたはタンタル
の少なくとも１つを含む化合物を付着し、化合物をＯ2
ガス及びＮ2ガスにさらす、前記（６１）記載の方法。 （６３）障壁膜の付着が、窒素とチタンまたはタンタル
を含有する化合物を、ＣＯ2、ＣＯ及びＣＮを含むグル
ープから選択される少なくとも１つのガス形態の炭素に
さらす、前記（６１）記載の方法。 （６４）障壁層が炭素を含み、スパッタリングにより付
着され、炭素がスパッタリング・ターゲットに組み込ま
れる、前記（６１）記載の方法。
って、窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１つを
含む化合物と、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、
障壁膜内で可変の濃度を有する酸素とを含む、障壁膜。 （２）窒素がＮ2及びＮの少なくとも１つの形態を有す
る、前記（１）記載の障壁膜。 （３）酸素がＯ2及びＯの少なくとも１つの形態を有す
る、前記（１）記載の障壁膜。 （４）障壁膜上に付着される少なくとも１つの金属また
は合金に最も近い障壁膜の領域が、障壁膜の他の領域に
比較して低濃度の窒素及び酸素を有する、前記（１）記
載の障壁膜。 （５）障壁膜内の酸素の濃度及び障壁膜内の窒素の濃度
が、絶縁材料及び障壁膜上に付着される少なくとも１つ
の金属または合金への障壁膜の接着性を強化するように
変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （６）障壁膜内で可変の濃度を有する炭素を含む、前記
（１）記載の障壁膜。 （７）障壁膜上に付着される少なくとも１つの金属また
は合金の近傍の障壁膜の領域が、障壁膜の他の領域に比
較して低濃度の炭素を有する、前記（６）記載の障壁
膜。 （８）障壁膜内の炭素の濃度が、絶縁材料及び障壁膜上
に付着される少なくとも１つの金属または合金への障壁
膜の接着性を強化するように変化する、前記（６）記載
の障壁膜。 （９）障壁膜の窒素含有量が、下側の絶縁材料の近傍に
おいて原子百分率で約３０％乃至約６０％から、少なく
とも１つの金属または合金から成る上側の領域の近傍に
おいて約０％に変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （１０）障壁膜の酸素含有量が、下側の絶縁材料の近傍
において原子百分率で約０％から、少なくとも１つの金
属または合金から成る上側の領域の近傍において約１％
乃至約５％に変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （１１）障壁膜の窒素含有量が、少なくとも１つの金属
または合金から成る上側の領域に隣接する領域の近傍よ
りも、下側の絶縁材料に隣接する領域の近傍において大
きい、前記（１）記載の障壁膜。 （１２）障壁膜の酸素含有量が、少なくとも１つの金属
または合金から成る上側の領域に隣接する領域の近傍よ
りも、下側の絶縁材料に隣接する領域の近傍において大
きい、前記（１）記載の障壁膜。 （１３）障壁膜の酸素含有量が、障壁膜の最低の窒素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（１）
記載の障壁膜。 （１４）障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、少なく
とも１つの金属または合金から成る上側の領域に隣接す
る領域の近傍において、障壁膜の低い比抵抗を保証する
のに十分である、前記（１）記載の障壁膜。 （１５）障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、障壁膜
が少なくとも１つの金属または合金から成る上側の領域
に対して、有効な障壁であることを保証するのに十分で
ある、前記（１）記載の障壁膜。 （１６）障壁膜が少なくとも約２５０μΩ／ｃｍの比抵
抗を有する、前記（１）記載の障壁膜。 （１７）障壁膜が少なくとも約８００μΩ／ｃｍの比抵
抗を有する、前記（１）記載の障壁膜。 （１８）障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （１９）障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （２０）障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （２１）障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（１）記載の障壁膜。 （２２）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の窒素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（６）
記載の障壁膜。 （２３）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の酸素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（６）
記載の障壁膜。 （２４）障壁膜の炭素含有量が、少なくとも１つの金属
または合金から成る上側の領域に隣接する領域の近傍に
おいて、障壁膜の低い比抵抗を保証するのに十分であ
る、前記（６）記載の障壁膜。 （２５）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜が少なくとも１
つの金属または合金から成る上側の領域に対して、有効
な障壁であることを保証するのに十分である、前記
（６）記載の障壁膜。 （２６）障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（６）記載の障壁膜。 （２７）障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（６）記載の障壁膜。 （２８）絶縁材料の領域と、導電材料の領域と、絶縁材
料の領域と導電材料の領域間の障壁膜とを含み、障壁膜
が窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１つを含む
化合物と、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、障壁
膜内で可変の濃度を有する酸素とを含む、半導体素子構
造。 （２９）窒素がＮ2及びＮの少なくとも１つの形態を有
する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （３０）酸素がＯ2及びＯの少なくとも１つの形態を有
する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （３１）導電材料に最も近い障壁膜の領域が、障壁膜の
他の領域に比較して低濃度の窒素及び酸素を有する、前
記（２８）記載の半導体素子構造。 （３２）障壁膜内の酸素の濃度及び障壁膜内の窒素の濃
度が、絶縁材料及び導電材料への障壁膜の接着性を強化
するように変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （３３）障壁膜が炭素を含み、障壁膜内の炭素の濃度が
障壁膜内で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （３４）導電材料の近傍の障壁膜の領域が、障壁膜の他
の領域に比較して低濃度の炭素を有する、前記（３３）
記載の半導体素子構造。 （３５）障壁膜内の炭素の濃度が、絶縁材料及び障壁膜
上に付着される少なくとも１つの金属または合金への障
壁膜の接着性を強化するように変化する、前記（６）記
載の障壁膜。 （３６）障壁膜の窒素含有量が、絶縁材料の近傍におい
て原子百分率で約３０％乃至約６０％から、導電材料の
近傍において約０％に変化する、前記（２８）記載の半
導体素子構造。 （３７）障壁膜の酸素含有量が、絶縁材料の近傍におい
て原子百分率で約０％から、導電材料の近傍において約
１％乃至約５％に変化する、前記（２８）記載の半導体
素子構造。 （３８）障壁膜の窒素含有量が、導電材料の近傍より
も、絶縁材料の近傍において大きい、前記（２８）記載
の半導体素子構造。 （３９）障壁膜の酸素含有量が、導電材料の近傍より
も、絶縁材料の近傍において大きい、前記（２８）記載
の半導体素子構造。 （４０）障壁膜の酸素含有量が、障壁膜の最低の窒素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（２
８）記載の半導体素子構造。 （４１）障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、導電材
料の近傍において、障壁膜の低い比抵抗を保証するのに
十分である、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （４２）障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、障壁膜
が導電材料に対する有効な障壁であることを保証するの
に十分である、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （４３）障壁膜が少なくとも約２５０μΩ／ｃｍの比抵
抗を有する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （４４）障壁膜が少なくとも約８００μΩ／ｃｍの比抵
抗を有する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （４５）障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （４６）障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （４７）障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （４８）障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （４９）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の窒素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（３
３）記載の半導体素子構造。 （５０）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の酸素含
有量を有する領域の近傍において最も低い、前記（３
３）記載の半導体素子構造。 （５１）障壁膜の炭素含有量が、導電材料の近傍におい
て、障壁膜の低い比抵抗を保証するのに十分である、前
記（３３）記載の半導体素子構造。 （５２）障壁膜の炭素含有量が、障壁膜が導電材料に対
する有効な障壁であることを保証するのに十分である、
前記（３３）記載の半導体素子構造。 （５３）障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じて一定
の割合で変化する、前記（３３）記載の半導体素子構
造。 （５４）障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じて異な
る割合で変化する、前記（３３）記載の半導体素子構
造。 （５５）絶縁材料が、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ダイ
ヤモンド・ライク・カーボン、炭素ドープ・ケイ酸塩ガ
ラス、フルオロケイ酸塩ガラス、バルク状ＳｉＯ、多孔
質ＳｉＯ、低誘電率のＳｉＯ、エーロゲル、ＦＳＧ、Ｆ
ＯＸ、ＳｉＬＫ、ＳｉＣＯＨ、有機ポリマ、ポリイミ
ド、三二シロキサン、ポリ・アリーレン・エーテル、及
びフルオロポリマを含むグループから選択される少なく
とも１つの材料を含む、前記（２８）記載の半導体素子
構造。 （５６）導電材料が銅またはアルミニウムを含む、前記
（２８）記載の半導体素子構造。 （５７）障壁膜がＴａＮ、ＴｉＮ及びＷＮＰの少なくと
も１つを含む、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （５８）障壁膜の炭素含有量が、絶縁材料の近傍におい
て原子百分率で約１０％から、導電材料の近傍において
約０％に変化する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （５９）障壁膜が約１０００ジュール／ｍ2の剥離強度
を有する、前記（２８）記載の半導体素子構造。 （６０）障壁膜が少なくとも約４００ジュール／ｍ2の
剥離強度を有する、前記（２８）記載の半導体素子構
造。 （６１）半導体素子構造を形成する方法であって、窒素
とチタンまたはタンタルの少なくとも１つを含む化合物
と、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、障壁膜内で
可変の濃度を有する酸素とを含む障壁膜を、絶縁材料の
領域上に付着し、障壁膜の少なくとも一部上に導電材料
を付着する方法。 （６２）障壁膜の付着が、窒素とチタンまたはタンタル
の少なくとも１つを含む化合物を付着し、化合物をＯ2
ガス及びＮ2ガスにさらす、前記（６１）記載の方法。 （６３）障壁膜の付着が、窒素とチタンまたはタンタル
を含有する化合物を、ＣＯ2、ＣＯ及びＣＮを含むグル
ープから選択される少なくとも１つのガス形態の炭素に
さらす、前記（６１）記載の方法。 （６４）障壁層が炭素を含み、スパッタリングにより付
着され、炭素がスパッタリング・ターゲットに組み込ま
れる、前記（６１）記載の方法。
【図１】既知の半導体素子構造の横断面図である。
【図２】既知の半導体素子構造の別の実施例の横断面図
である。
である。
【図３】本発明に従う半導体素子構造の実施例の横断面
図である。
図である。
１、７、１７ 絶縁材料層 ３、９、１９ 導電材料層 ５、１１、２１ 障壁膜 １３ 第１の部分 １５ 第２の部分 ２３、２５ 層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｎ Ｍ (72)発明者 シプリアン・イー・ウゾー アメリカ合衆国95035、カルフォルニア州 ミルピタス、マックキャンドレス・ドライ ブ 1645 (72)発明者 ダニエル・シィ・エデルステイン アメリカ合衆国10801、ニューヨーク州ニ ュー・ロチェール、グラマーシー・プレイ ス 15 (72)発明者 アンドリュー・エイチ・シモン アメリカ合衆国12524、ニューヨーク州フ ィッシュキル、アパートメント シィ、グ リーンヒル・ドライブ 31
Claims (64)
- 【請求項１】半導体素子構造のための障壁膜であって、 窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１つを含む化
合物と、 障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、 障壁膜内で可変の濃度を有する酸素とを含む、障壁膜。 - 【請求項２】窒素がＮ2及びＮの少なくとも１つの形態
を有する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項３】酸素がＯ2及びＯの少なくとも１つの形態
を有する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項４】障壁膜上に付着される少なくとも１つの金
属または合金に最も近い障壁膜の領域が、障壁膜の他の
領域に比較して低濃度の窒素及び酸素を有する、請求項
１記載の障壁膜。 - 【請求項５】障壁膜内の酸素の濃度及び障壁膜内の窒素
の濃度が、絶縁材料及び障壁膜上に付着される少なくと
も１つの金属または合金への障壁膜の接着性を強化する
ように変化する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項６】障壁膜内で可変の濃度を有する炭素を含
む、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項７】障壁膜上に付着される少なくとも１つの金
属または合金の近傍の障壁膜の領域が、障壁膜の他の領
域に比較して低濃度の炭素を有する、請求項６記載の障
壁膜。 - 【請求項８】障壁膜内の炭素の濃度が、絶縁材料及び障
壁膜上に付着される少なくとも１つの金属または合金へ
の障壁膜の接着性を強化するように変化する、請求項６
記載の障壁膜。 - 【請求項９】障壁膜の窒素含有量が、下側の絶縁材料の
近傍において原子百分率で約３０％乃至約６０％から、
少なくとも１つの金属または合金から成る上側の領域の
近傍において約０％に変化する、請求項１記載の障壁
膜。 - 【請求項１０】障壁膜の酸素含有量が、下側の絶縁材料
の近傍において原子百分率で約０％から、少なくとも１
つの金属または合金から成る上側の領域の近傍において
約１％乃至約５％に変化する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項１１】障壁膜の窒素含有量が、少なくとも１つ
の金属または合金から成る上側の領域に隣接する領域の
近傍よりも、下側の絶縁材料に隣接する領域の近傍にお
いて大きい、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項１２】障壁膜の酸素含有量が、少なくとも１つ
の金属または合金から成る上側の領域に隣接する領域の
近傍よりも、下側の絶縁材料に隣接する領域の近傍にお
いて大きい、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項１３】障壁膜の酸素含有量が、障壁膜の最低の
窒素含有量を有する領域の近傍において最も低い、請求
項１記載の障壁膜。 - 【請求項１４】障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、
少なくとも１つの金属または合金から成る上側の領域に
隣接する領域の近傍において、障壁膜の低い比抵抗を保
証するのに十分である、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項１５】障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、
障壁膜が少なくとも１つの金属または合金から成る上側
の領域に対して、有効な障壁であることを保証するのに
十分である、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項１６】障壁膜が少なくとも約２５０μΩ／ｃｍ
の比抵抗を有する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項１７】障壁膜が少なくとも約８００μΩ／ｃｍ
の比抵抗を有する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項１８】障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じ
て一定の割合で変化する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項１９】障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じ
て一定の割合で変化する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項２０】障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じ
て異なる割合で変化する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項２１】障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じ
て異なる割合で変化する、請求項１記載の障壁膜。 - 【請求項２２】障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の
窒素含有量を有する領域の近傍において最も低い、請求
項６記載の障壁膜。 - 【請求項２３】障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の
酸素含有量を有する領域の近傍において最も低い、請求
項６記載の障壁膜。 - 【請求項２４】障壁膜の炭素含有量が、少なくとも１つ
の金属または合金から成る上側の領域に隣接する領域の
近傍において、障壁膜の低い比抵抗を保証するのに十分
である、請求項６記載の障壁膜。 - 【請求項２５】障壁膜の炭素含有量が、障壁膜が少なく
とも１つの金属または合金から成る上側の領域に対し
て、有効な障壁であることを保証するのに十分である、
請求項６記載の障壁膜。 - 【請求項２６】障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じ
て一定の割合で変化する、請求項６記載の障壁膜。 - 【請求項２７】障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じ
て異なる割合で変化する、請求項６記載の障壁膜。 - 【請求項２８】絶縁材料の領域と、 導電材料の領域と、 絶縁材料の領域と導電材料の領域間の障壁膜とを含み、
障壁膜が窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１つ
を含む化合物と、 障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、 障壁膜内で可変の濃度を有する酸素とを含む、半導体素
子構造。 - 【請求項２９】窒素がＮ2及びＮの少なくとも１つの形
態を有する、請求項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項３０】酸素がＯ2及びＯの少なくとも１つの形
態を有する、請求項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項３１】導電材料に最も近い障壁膜の領域が、障
壁膜の他の領域に比較して低濃度の窒素及び酸素を有す
る、請求項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項３２】障壁膜内の酸素の濃度及び障壁膜内の窒
素の濃度が、絶縁材料及び導電材料への障壁膜の接着性
を強化するように変化する、請求項２８記載の半導体素
子構造。 - 【請求項３３】障壁膜が炭素を含み、障壁膜内の炭素の
濃度が障壁膜内で変化する、請求項２８記載の半導体素
子構造。 - 【請求項３４】導電材料の近傍の障壁膜の領域が、障壁
膜の他の領域に比較して低濃度の炭素を有する、請求項
３３記載の半導体素子構造。 - 【請求項３５】障壁膜内の炭素の濃度が、絶縁材料及び
障壁膜上に付着される少なくとも１つの金属または合金
への障壁膜の接着性を強化するように変化する、請求項
６記載の障壁膜。 - 【請求項３６】障壁膜の窒素含有量が、絶縁材料の近傍
において原子百分率で約３０％乃至約６０％から、導電
材料の近傍において約０％に変化する、請求項２８記載
の半導体素子構造。 - 【請求項３７】障壁膜の酸素含有量が、絶縁材料の近傍
において原子百分率で約０％から、導電材料の近傍にお
いて約１％乃至約５％に変化する、請求項２８記載の半
導体素子構造。 - 【請求項３８】障壁膜の窒素含有量が、導電材料の近傍
よりも、絶縁材料の近傍において大きい、請求項２８記
載の半導体素子構造。 - 【請求項３９】障壁膜の酸素含有量が、導電材料の近傍
よりも、絶縁材料の近傍において大きい、請求項２８記
載の半導体素子構造。 - 【請求項４０】障壁膜の酸素含有量が、障壁膜の最低の
窒素含有量を有する領域の近傍において最も低い、請求
項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項４１】障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、
導電材料の近傍において、障壁膜の低い比抵抗を保証す
るのに十分である、請求項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項４２】障壁膜の酸素含有量及び窒素含有量が、
障壁膜が導電材料に対する有効な障壁であることを保証
するのに十分である、請求項２８記載の半導体素子構
造。 - 【請求項４３】障壁膜が少なくとも約２５０μΩ／ｃｍ
の比抵抗を有する、請求項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項４４】障壁膜が少なくとも約８００μΩ／ｃｍ
の比抵抗を有する、請求項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項４５】障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じ
て一定の割合で変化する、請求項２８記載の半導体素子
構造。 - 【請求項４６】障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じ
て一定の割合で変化する、請求項２８記載の半導体素子
構造。 - 【請求項４７】障壁膜の窒素含有量が障壁膜全体を通じ
て異なる割合で変化する、請求項２８記載の半導体素子
構造。 - 【請求項４８】障壁膜の酸素含有量が障壁膜全体を通じ
て異なる割合で変化する、請求項２８記載の半導体素子
構造。 - 【請求項４９】障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の
窒素含有量を有する領域の近傍において最も低い、請求
項３３記載の半導体素子構造。 - 【請求項５０】障壁膜の炭素含有量が、障壁膜の最低の
酸素含有量を有する領域の近傍において最も低い、請求
項３３記載の半導体素子構造。 - 【請求項５１】障壁膜の炭素含有量が、導電材料の近傍
において、障壁膜の低い比抵抗を保証するのに十分であ
る、請求項３３記載の半導体素子構造。 - 【請求項５２】障壁膜の炭素含有量が、障壁膜が導電材
料に対する有効な障壁であることを保証するのに十分で
ある、請求項３３記載の半導体素子構造。 - 【請求項５３】障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じ
て一定の割合で変化する、請求項３３記載の半導体素子
構造。 - 【請求項５４】障壁膜の炭素含有量が障壁膜全体を通じ
て異なる割合で変化する、請求項３３記載の半導体素子
構造。 - 【請求項５５】絶縁材料が、二酸化ケイ素、窒化ケイ
素、ダイヤモンド・ライク・カーボン、炭素ドープ・ケ
イ酸塩ガラス、フルオロケイ酸塩ガラス、バルク状Ｓｉ
Ｏ、多孔質ＳｉＯ、低誘電率のＳｉＯ、エーロゲル、Ｆ
ＳＧ、ＦＯＸ、ＳｉＬＫ、ＳｉＣＯＨ、有機ポリマ、ポ
リイミド、三二シロキサン、ポリ・アリーレン・エーテ
ル、及びフルオロポリマを含むグループから選択される
少なくとも１つの材料を含む、請求項２８記載の半導体
素子構造。 - 【請求項５６】導電材料が銅またはアルミニウムを含
む、請求項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項５７】障壁膜がＴａＮ、ＴｉＮ及びＷＮＰの少
なくとも１つを含む、請求項２８記載の半導体素子構
造。 - 【請求項５８】障壁膜の炭素含有量が、絶縁材料の近傍
において原子百分率で約１０％から、導電材料の近傍に
おいて約０％に変化する、請求項２８記載の半導体素子
構造。 - 【請求項５９】障壁膜が約１０００ジュール／ｍ2の剥
離強度を有する、請求項２８記載の半導体素子構造。 - 【請求項６０】障壁膜が少なくとも約４００ジュール／
ｍ2の剥離強度を有する、請求項２８記載の半導体素子
構造。 - 【請求項６１】半導体素子構造を形成する方法であっ
て、 窒素とチタンまたはタンタルの少なくとも１つを含む化
合物と、障壁膜内で可変の濃度を有する窒素と、障壁膜
内で可変の濃度を有する酸素とを含む障壁膜を、絶縁材
料の領域上に付着し、 障壁膜の少なくとも一部上に導電材料を付着する方法。 - 【請求項６２】障壁膜の付着が、窒素とチタンまたはタ
ンタルの少なくとも１つを含む化合物を付着し、化合物
をＯ2ガス及びＮ2ガスにさらす、請求項６１記載の方
法。 - 【請求項６３】障壁膜の付着が、窒素とチタンまたはタ
ンタルを含有する化合物を、ＣＯ2、ＣＯ及びＣＮを含
むグループから選択される少なくとも１つのガス形態の
炭素にさらす、請求項６１記載の方法。 - 【請求項６４】障壁層が炭素を含み、スパッタリングに
より付着され、炭素がスパッタリング・ターゲットに組
み込まれる、請求項６１記載の方法。
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