JP2003100663A - 銅金属化プロセスにおけるＴａＣＮバリア層の製造方法並びにＴａＣＮバリア層を有する銅金属層構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 銅拡散防止効果を向上する。 【解決手段】 半導体集積回路における銅金属化プロセ
スにおいて、銅金属層拡散を防止するためのバリア層と
してTaCNを用いる。TaCをターゲットとしＮ_２と不活性
ガスを導入するすることによりこのTaCNバリア層を形成
する。Ｎ_２と不活性ガスの流量比率を0.06―0.13とし、
または、TaCNバリア層におけるNの濃度を12％―30％に
することにより、バリア層の抵抗と銅拡散防止効果を改
善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は銅金属化プロセスに
関わり、特に、半導体集積回路素子への銅拡散を防止す
るための、銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製
造方法並びにTaCNバリア層を有する銅金属層構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】普段、集積回路製造中、絶縁層により絶
縁されている伝導層（金属層）同士を電気的に接続する
ためにコンタクトホールやビアホールを形成し、これら
のコンタクトホールやビアホールに伝導材料を填入する
プロセスを行う。ここで、伝導材料は、普段、タングス
テンやタングステン化合物を用いる。伝導材料の填入を
行う前に、伝導材料の拡散を防止するためにバリア層を
形成する必要がある。

【０００３】バリア層の材質としては、従来、TiNがよ
く用いられるが、半導体製造技術の進化及び半導体素子
の小型化に連れて、TiNをバリア層の材質として利用す
るのは半導体製造上の要求に満足できないようになっ
た。

【０００４】一方、伝導層の材質は、従来、アルミニウ
ムが多用されていたが、現在、0.18ミクロン以下の半導
体製造の場合、アルミニウムの代わりに銅が用いられる
ようになった。これは銅の伝導性がアルミニウムのそれ
より良いためである。

【０００５】しかし、銅金属化の場合に銅がアルミニウ
ムより拡散し易い問題がある。即ち、アルミニウム金属
化の場合と比べると、伝導材（銅）がシリコン基板また
は酸化シリコン絶縁層に浸入し過激な漏電流が生じられ
る可能性は一層高くなる。したがって、銅の拡散を防止
するために絶縁性がより良い拡散防止層即ちバリア層が
必要である。

【０００６】そこで、米国特許5,668,054号（本発明者
は当該特許の共同発明者である）には、TaNを銅金属化
プロセスにおけるバリア層の材質として使用することが
記載されている。

【０００７】また、米国特許5,973,400号にも、非結晶T
aCをバリア層の材質として用いることが記載されてい
る。ここで、TaC層はスパッタリング法または化学気相
成長（CVD）法により形成される。スパッタリング法の
場合、TaCバリア層は、Taを金属ターゲットとしCH₄／Ar
ガス環境に置いて形成されるものである。更に、当該特
許にはTaCN層の形成に関する記載もあるが、その導入の
ガスＮ_２／Ａｒの最適な比率が提示されていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記のような問題点を
解決するため、本発明の目的は銅拡散防止効果が向上さ
せる銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法
並びにTaCNバリア層を有する銅金属層構造を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は請求項１に記載されるように、銅金属化プ
ロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法であって、
（a）絶縁層と該絶縁層内に形成されるコンタクトホー
ルを有する基板を提供する段階と、（b）体積流量比率
が0.06―0.13のＮ_２と不活性ガスを導入することによ
り、前記コンタクトホール内にTaCNバリア層を形成する
段階と（ｃ）前記TaCNバリア層上に銅金属層を形成する
段階とからなる。

【００１０】また、前記目的を達成するために、本発明
は請求項６に記載されるように、銅金属化プロセスにお
けるTaCNバリア層の製造方法であって、（a）絶縁層と
該絶縁層内に形成されるコンタクトホールを有する基板
を提供する段階と、（b）TaCをターゲットとしＮ_２と不
活性ガスを導入してスパッタリングすることにより、前
記コンタクトホール内に、その層内のN濃度が12％―30
％のTaCNバリア層を形成する段階と（ｃ）前記TaCNバリ
ア層上に銅金属層を形成する段階とからなる。

【００１１】更に、本発明は請求項１４に記載されるよ
うに、TaCNバリア層を有する銅金属伝導層構造であっ
て、前記TaCNバリア層におけるNの濃度は12％―30％で
あることを特徴とする。

【００１２】更に、前記目的を達成するために、本発明
は請求項１４に記載されるように、TaCNバリア層を有す
る銅金属伝導層構造であって、前記TaCNバリア層におけ
るNの濃度は12％―30％であることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】前記の目的を達成して従来の欠点
を除去するための課題を実行する本発明の実施例の構成
とその作用を添付図面に基づき詳細に説明する。

【００１４】図１ａ乃至図１ｃは本発明製造方法による
プロセスを示す断面図である。ここでの断面は集積回路
の一部の断面である。

【００１５】先ず、図１ａに示すように、基板１０を提
供する。この基板１０は、例えば、単結晶シリコンから
なるシリコンウェハーである。バリア層を形成する前
に、基板１０に、例えば、ソースやドレイン及びゲート
などの半導体素子が既に形成されているこｔも有り得
る。これは当業者にとってよく分かることである。

【００１６】半導体１０の上に絶縁層１２がある。該絶
縁層１２は酸化シリコンやBPSG、BSGまたはPSG等の誘電
材質からなるものである。

【００１７】該絶縁層１２にコンタクトホール１４が形
成されている。該コンタクトホール１４は絶縁層１２を
エッチングしてなるものである。更に、例として、この
コンタクトホール１４下方の基板１０において、この後
に形成する銅金属層と接続するｐ^＋／ｎエリア（図中省
略）を形成しても良い。

【００１８】次に、図１ｂに示すように、コンタクトホ
ール１４内にTaCNバリア層１６を形成する。このTaCNバ
リア層１６はスパッタリング法により形成するのは好ま
しい。スパッタリング法を用いる場合、TaCをターゲッ
トとし、Ｎ_２、不活性ガス（例えばＡｒ）をスパッタガ
スとして導入することが望ましい。なお、TaCターゲッ
ト成分の比率（重量パーセント）は50：50であって良
い。

【００１９】本発明の実施から、導入されるＮ_２ガスの
比率はTaCNのＮの比率に影響を与えることが分かった。
この比率は銅拡散防止効果に与える影響が大きい。ここ
で、Ｎ_２と不活性ガス（例えばＡｒ）の体積流量比率を
0.06―0.13とし、または、形成されるTaCNバリア層にお
けるＮの濃度を12％―30％にするのは好ましい。このよ
うにして形成されるTaCNバリア層１６は銅拡散防止効果
が一番良くて、その後に形成される銅金属層の拡散及び
漏電流の生成を有効に防止することができる。

【００２０】また、Ｎ_２とＡｒガスの体積流量比率は0.
0625―0.104、形成されるTaCNバリア層１６におけるＮ
の濃度は17％―24％であっても良い。

【００２１】更に、Ｎ_２とＡｒガスの体積流量比率は約
1/12、形成されるTaCNバリア層１６におけるＮの濃度は
22％であっても良い。

【００２２】また、TaCNバリア層１６の厚みは50―800
Åであって良いが、その最適の厚みは600Åである。

【００２３】次に、図１ｃに示すように、TaCNバリア層
１６の上に銅金属層１８を形成する。ここで、銅金属化
層プロセスにおけるTaCNバリア層の製造が完了される。

【００２４】以下、本発明の実施例によるTaCNバリア層
の銅拡散防止効果の検証について説明する。検証するの
に下記の方式で本発明方法を実施する。

【００２５】（１）まず50：50重量パーセントのTaCを
スパッタリングターゲットとし、成長圧力を7.6（ｍｔo
rr）にして、スパッタガスのＮ_２とＡｒの流量比率を順
次に0/24、1.5/24、2/24、2.5/24、4/24、6/24にして実
施する。

【００２６】（２）銅金属層（2000Å）／TaCN層（600
Å）／ｐ^＋／ｎ二極構造に対し、Cu／TaCN／Siの分析を
行う。このような構造に対しＮ_２ガス環境で500―850℃
のアニ―ルを施してから、二次イオンスペクトル器及び
X線回折分析を行い、また、600ÅのTaC及びTaNバリア層
との結果比較を行う。

【００２７】図７は異なるN₂／Ar流量比率におけるTaCN
バリア層の効果を示す図である。図７から分かるよう
に、本発明によるTaCN層の場合には適宜の抵抗は564μ
Ω-ｃｍより低くなり、最大の安定温度は600℃となる。
これに対し、TaCバリア層の場合では500℃、TaNの場合
では550℃に過ぎない。

【００２８】図２はＮ_２／Ａｒ流量比率とTaCNバリア層
の抵抗及びその高温安定性との関係を示す図である。図
２から、Ｎ_２／Ａｒ流量比率が2/24、即ち、1/12の場
合、安定温度が最大、即ち600℃となることが分かる。

【００２９】図３ａは従来の方法によるアニ―ル処理後
のTaCバリア層ののＸ線回折図、図３ｂは本発明方法に
よるアニ―ル処理後のTaCNバリア層のＸ線回折図であ
る。

【００３０】図３aから、TaCバリア層に対し800℃のア
ニ―ルを施したら銅がシリコン層に拡散しCu_３Si等複合
物が生成されることが分かる。一方、図３ｂによれば、
本発明の場合、TaCN層に対するアニ―ルの温度が800℃
に達しても銅の拡散が有効に防止されることができる。
アニ―ル処理の温度が更に850℃まで上昇する場合に
も、TaO_５、TaCまたはTaN等が生成されるが、Cu_３Si化
合物は生成されない。

【００３１】図４ａ及び図４ｂはそれぞれ従来及び本発
明の方法による550℃アニ―ル処理後のTaCバリア層及び
TaCNバリア層の漏電流状態を示す図である。これらの図
によると、従来の方法によるTaCバリア層において10^-6A
/cm²以上の漏電流が生じられるが、本発明によるTaCNバ
リア層における漏電流が10^-8A/cm²以下である。したが
って、本発明は漏電流の防止効果が従来よりはるかに向
上される。

【００３２】また、図５ａ及び図５ｂはそれぞれ従来及
び本発明の方法による600℃アニ―ル処理後のTaCバリア
層及びTaCNバリア層の漏電流状態を示す図である。これ
らの図によると、TaCバリア層において10^-4A/cm²以上の
漏電流が生じられるが、本発明によるTaCNバリア層にお
ける漏電流が10^-7A/cm²以下である。したがって、本発
明は漏電流の防止効果が従来よりはるかに向上される。

【００３３】更に、図６ａ、６ｂ及び６ｃはそれぞれ従
来及び本発明の方法による650℃アニ―ル処理後のTaC、
TaN及びTaCNバリア層の二次イオンスペクトル器による
深度断面図である。図６ｃから分かるように、深度が0.
1μｍ以上の場合、本発明によるTaCNバリア層には銅が
殆ど存在しない。一方、図６a、図６ｂに示すように、
従来の方法によるTaC及びTaNバリア層において銅がその
深度が0.2μｍのところまでも大量に浸入している。し
たがって、本発明によるTaCNバリア層の銅拡散防止効果
は従来のTaCバリア層やTaNバリア層のそれよりはるかに
良い。

【００３４】本発明は前記実施例の如く提示されている
が、これは本発明を限定するものではなく、当業者は本
発明の要旨と範囲内において変形と修正をすることがで
きる。よって、本発明の権利範囲は特許請求の範囲に準
じるものである。

【００３５】

【発明の効果】前記の通り、本発明は、Ｎ_２比率を調節
し良いTaCNバリア層を生成することにより、銅拡散及び
漏電流を確実に防止することができる。しかも、アニ―
ル処理後でも依然として良い銅拡散防止効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１a】本発明製造方法による一部の段階を示す図で
ある。

【図１ｂ】図１aに示す段階に続く段階を示す図であ
る。

【図１ｃ】図１ｂに示す段階に続く段階を示す図であ
る。

【図２】Ｎ_２／Ａｒ流量比率とTaCＮバリア層の抵抗及
びその高温安定性との関係を示す図である。

【図３a】従来の方法によるTaCバリア層のＸ線回折図で
ある。

【図３ｂ】本発明方法によるTaCNバリア層のＸ線回折図
である。

【図４a】従来の方法による550℃アニ―ル処理後のTaC
バリア層の漏電流状態を示す図である。

【図４ｂ】本発明方法による550℃アニ―ル処理後のTaC
Nバリア層の漏電流状態を示す図である。

【図５a】従来の方法による600℃アニ―ル処理後のTaC
バリア層の漏電流状態を示す図である。

【図５ｂ】本発明方法による600℃アニ―ル処理後のTaC
Nバリア層の漏電流状態を示す図である。

【図６a】従来の方法による650℃アニ―ル処理後のTaN
バリア層の二次イオンスペクトル器深度断面図である。

【図６ｂ】従来の方法による650℃アニ―ル処理後のTaC
バリア層の二次イオンスペクトル器深度断面図である。

【図６ｃ】本発明の方法による650℃アニ―ル処理後のT
aCNバリア層の二次イオンスペクトル器深度断面図であ
る。

【図７】異なるN₂／Ar流量比率におけるTaCNバリア層の
効果を示す図である

【符号の説明】

１０ 基板 １２ 絶縁層 １４ コンタクトホール １６ TaCNバリア層 １８ 銅金属層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エス シー スン 台湾，タイペイ，ウーシン ストリート, レーン600，32番 (72)発明者 ハオ−イー ツァイ 台湾，タイナン カウンティ，リウ−イン シアン，クオイホ，33−３号 Ｆターム(参考） 4K029 AA06 BA54 BB02 BD01 CA06 DC05 EA01 EA05 4M104 AA01 BB32 BB34 BB38 DD37 DD40 DD42 HH04 HH05 5F033 HH11 HH32 HH36 JJ11 JJ32 JJ36 KK01 LL09 MM05 MM13 NN06 NN07 PP15 PP16 QQ37 RR04 XX28

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （a）絶縁層と該絶縁層内に形成される
   コンタクトホールを有する基板を提供する段階と、 （b）体積流量比率が0.06―0.13のＮ_２と不活性ガスを
   導入することにより、前記コンタクトホール内にTaCNバ
   リア層を形成する段階と （ｃ）前記TaCNバリア層上に銅金属層を形成する段階と
   からなる銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造
   方法。
2. 【請求項２】 前記段階（ｂ）においてスパッタリング
   法を以って前記TaCNバリア層を形成することを特徴とす
   る請求項１に記載の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリ
   ア層の製造方法。
3. 【請求項３】 前記スパッタリング法を用いる場合、Ta
   Nをターゲットとすることを特徴とする請求項２に記載
   の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
4. 【請求項４】 前記TaCNバリア層におけるNの濃度は12
   ％―30％であることを特徴とする請求項１に記載の銅金
   属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
5. 【請求項５】 前記Ｎ_２と不活性ガスの体積流量比率は
   0.0625―0.104であることを特徴とする請求項１に記載
   の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
6. 【請求項６】 （a）絶縁層と該絶縁層内に形成される
   コンタクトホールを有する基板を提供する段階と、 （b）TaCをターゲットとしＮ_２と不活性ガスを導入して
   スパッタリングすることにより、前記コンタクトホール
   内に、その層内のN濃度が12％―30％のTaCNバリア層を
   形成する段階と （ｃ）前記TaCNバリア層上に銅金属層を形成する段階と
   からなる銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造
   方法。
7. 【請求項７】 前記Ｎ_２と不活性ガスの体積流量比率は
   0.06―0.13であることを特徴とする請求項６に記載の銅
   金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
8. 【請求項８】 前記TaCNバリア層におけるNの濃度は17
   ％―24％であることを特徴とする請求項１または６に記
   載の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方
   法。
9. 【請求項９】 前記TaCNバリア層におけるNの濃度は22
   ％であることを特徴とする請求項１または６に記載の銅
   金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
10. 【請求項１０】 前記Ｎ_２と不活性ガスの体積流量比率
    は1/12であることを特徴とする請求項１または６に記載
    の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記不活性ガスはArであることを特徴
    とする請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載の銅
    金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記TaCNバリア層の厚みは50―800Å
    であることを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれ
    か一項に記載の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層
    の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記TaCNバリア層の厚みは600Åであ
    ることを特徴とする請求項１２に記載の銅金属化プロセ
    スにおけるTaCNバリア層の製造方法。
14. 【請求項１４】 TaCNバリア層を有する銅金属伝導層構
    造であって、前記TaCNバリア層におけるNの濃度は12％
    ―30％であることを特徴とするTaCNバリア層を有する銅
    金属層構造。
15. 【請求項１５】 前記TaCNバリア層の厚みは50―800Å
    であることを特徴とする請求項１４に記載のTaCNバリア
    層を有する銅金属層構造。
16. 【請求項１６】 前記TaCNバリア層の厚みは600Åであ
    ることを特徴とする請求項１４に記載のTaCNバリア層を
    有する銅金属層構造。