JP2003124211A - Structure and method for reducing electromigration - Google Patents

Structure and method for reducing electromigration

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JP2003124211A JP2002280421A JP2002280421A JP2003124211A JP 2003124211 A JP2003124211 A JP 2003124211A JP 2002280421 A JP2002280421 A JP 2002280421A JP 2002280421 A JP2002280421 A JP 2002280421A JP 2003124211 A JP2003124211 A JP 2003124211A
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ファン ジア
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure and a method for reducing electromigration. SOLUTION: In one embodiment of a method for reducing electromigration in a device, an electronic device includes a semiconductor layer and a layer composed of nitrogen N and titanium T formed on the semiconductor layer. At at least a part of the layer, an atomic density ratio of N:Ti is measured smaller than 1.0±0.05. Alternatively, the device may include a layer of semiconductor material, a metallic element and a layer composed of nitrogen N and titanium T formed for the metallic element in which the atomic density ratio of N:Ti is measured smaller than 1.0 at at least a part of the layer.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】本発明の分野 本発明は電子回路構造、より具体的には、エレクトロマ
イグレーションを減すための構造及び方法に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to electronic circuit structures, and more particularly to structures and methods for reducing electromigration.

【0002】本発明の背景 メタライゼーションシステムにおけるエレクトロマイグ
レーション(EM)故障は、数十年に渡り、集積回路に
おける鍵となる故障の問題となってきた。EMはたとえ
ば10A/cmといった高電流密度下で、電子と原
子が運動量を交換することよる。金属ラインがEMを起
した時、金属は陰極で欠乏し、陽極で蓄積する。陰極で
材料が欠乏すると、ライン抵抗が増加し、最終的に開路
故障になる。他方、蓄積するとヒロックが生じ、それは
近接するライン間の金属的な短絡を起しうる。EMによ
り生じる金属的な開路及び短絡は、重大な機能故障を起
し、集積回路の有用な寿命を制限し、重大である。従
来、たとえば0.36μm又はそれ以下の近年の相互接
続ラインは、典型的な場合、最上部及び底部クラッド層
を有するAl竹構造を含んだ。
[0002] electromigration (EM) failure in the background metallization system of the present invention, for several decades has been the problem of the key failure in an integrated circuit. In EM, electrons and atoms exchange momentum under a high current density of, for example, 10 4 A / cm 2 . When the metal lines give rise to EM, the metal depletes at the cathode and accumulates at the anode. Depletion of material at the cathode increases the line resistance and eventually leads to an open circuit fault. On the other hand, accumulation causes hillocks, which can cause metallic shorts between adjacent lines. Metallic opens and shorts caused by EMs are significant, causing serious malfunctions that limit the useful life of integrated circuits. Traditionally, modern interconnect lines, eg 0.36 μm or less, have typically included Al bamboo structures with top and bottom cladding layers.

【0003】EMを緩和するために、構造は溶質、微視
的構造及び電流切換溶液を組込んでもよい。典型的な場
合0.5ないし1重量パーセントのCuを含むAl及び
Cuの合金の溶質を形成すると、純粋なAlに比べ、数
桁EM寿命は改善できる。竹微細構造は多結晶構造又は
多結晶と竹構造の混合物に比べ、著しくEMは改善され
る。金属ライン層にクラッドを形成すると、金属欠乏
中、電流の切換えができる。切換え層は抵抗が増した電
流路にもかかわらず、電流路を確実に変えることによ
り、デバイスの寿命を増す。
To alleviate EM, the structure may incorporate solutes, microscopic structures and current switching solutions. Forming solutes of Al and alloys of Cu, typically containing 0.5 to 1 weight percent Cu, can improve EM lifetime by several orders of magnitude compared to pure Al. Bamboo microstructure has significantly improved EM compared to polycrystalline structure or a mixture of polycrystalline and bamboo structure. If a clad is formed in the metal line layer, the current can be switched during metal depletion. The switching layer increases the lifetime of the device by reliably changing the current path despite the increased resistance current path.

【0004】上述の記述は、EMを減すために本質的な
改善をもたらしたが、導電性ラインを減し、従って電流
密度を増すための要求がひき続き存在する。このよう
に、EMにより生じたデバイス故障は、相互接続技術の
進展とともに継続する。
While the above description has provided substantial improvements to reduce EM, there continues to be a need to reduce conductive lines and therefore current density. As such, device failures caused by EM continue with advances in interconnect technology.

【0005】EMの問題を解決するための他のいくつか
の試みが成功している。たとえば、Cu又はAl中の<
111>構造が支配的になるとEMが減少すると信じら
れている。典型的な場合、Ti/TiN/Al(Cu)
/TiNを含む金属積層構造における構造の方向は、下
部層のスパッタリングプロセスにより修正されてきた。
この方式はTiのイオン化金属プラズマ(IMP)スパ
ッタ堆積により行われてきた。ジェイスワル(Jais
wal)ら、“エレクトロマイグレーション及び応力誘
導空孔生成に対する抵抗を改善するための新しい相互接
続積層構造”プロシーディングス・オブ・アドバンスト
メタライゼーション・コンファレンス(Proceed
ings of Advanced Metalliz
ation Conference)1999、マテリ
アルズ・リサーチ・ソサイアティ、735頁参照。この
文献はここに参照文献として含まれる。Ti下部層を形
成するために、IMP堆積を用いることにより、Al<
111>構造を増すことができることは見い出されてお
り、EMの速度はある程度減少することが観測されてい
るが、初期のエレクトロマイグレーション故障は、なお
存在する。
Several other attempts to solve the EM problem have been successful. For example, in Cu or Al
It is believed that the EM decreases when the 111> structure becomes dominant. Typically Ti / TiN / Al (Cu)
The orientation of structures in metal stacks containing / TiN has been modified by the underlying layer sputtering process.
This approach has been performed by ionized metal plasma (IMP) sputter deposition of Ti. Jaiswal
Wal, et al., "A New Interconnect Stacking Structure To Improve Resistance To Electromigration And Stress-Induced Void Generation", Proceedings Of Advanced Metallization Conference.
ings of Advanced Metalliz
ation Conference) 1999, Materials Research Society, page 735. This document is included herein by reference. By using IMP deposition to form the Ti underlayer, Al <
It has been found that the 111> structure can be increased, and the speed of the EM has been observed to decrease to some extent, but early electromigration failures are still present.

【0006】IMPスパッタリングによる堆積に加え、
(Ti/Al/Ti/TiN)積層構造中のTiの下部
層及び上部層をアニールすることが、提案されてきた。
具体的には、熱アニール中、金属間化合物TiAl
形成すると、エレクトロマイグレーションがある程度改
善される可能性がある。リー(Lee)ら、“Al−C
u相互接続ストライプのエレクトロマイグレーション抵
抗に及ぼすTi相互接続化合物層の役割”、ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス(Journal
of Applied Physics)7/,(1
2),6月15日,1992,5877頁を参照のこ
と。この文献はここに参照文献として含まれる。10−
60nmの範囲の堆積したTi下部層及び上部層の厚さ
では、この改善がAl微細構造が良く切換えあるいは変
化させられたためであるか否かが、結論づけられない。
それにもかかわらず、特定のアニールがなくても、通常
のプロセスの結果、ある程度のTiAlがAl界面が
生じうることを、認識することは、重要である。
In addition to deposition by IMP sputtering,
It has been proposed to anneal lower and upper layers of Ti in a (Ti / Al / Ti / TiN) stack.
Specifically, the formation of intermetallic compound TiAl 3 during thermal annealing may improve electromigration to some extent. Lee et al., “Al-C
Role of Ti Interconnect Compound Layer on Electromigration Resistance of u Interconnect Stripes, ”Journal of Applied Physics (Journal)
of Applied Physics) 7 /, (1
2), June 15, 1992, pp. 5877. This document is included herein by reference. 10-
At deposited Ti bottom and top layer thicknesses in the range of 60 nm, it is not possible to conclude whether this improvement is due to the well switched or altered Al microstructure.
Nevertheless, it is important to recognize that some TiAl 3 may result in Al interfaces as a result of normal processes, even without a specific anneal.

【0007】(少くとも導電体ライン上部層中の)Ti
/TiN積層構造の有効な修正は、しばしばTiフラッ
シュと呼ばれる50ないし100Åの範囲の薄いTi層
の堆積により、得られる。Tiフラッシュ/TiN上部
層を形成することは、エレクトロマイグレーションを通
じて、著しく改善されることが示されている。
Ti (at least in the upper layer of the conductor line)
An effective modification of the / TiN stack structure is obtained by depositing a thin Ti layer in the range of 50 to 100Å, often referred to as Ti flash. Forming a Ti flash / TiN top layer has been shown to be significantly improved through electromigration.

【0008】本発明の要約 半導体デバイスとデバイス中のエレクトロマイグレーシ
ョンを減すための関連した方法が示されている。一般
に、電子デバイスは半導体層、その上に形成された第2
の層を含み、第2の層は窒素N、チタンTiを含む。層
の少くとも一部において、N:Tiの原子密度の比は、
1.0+/−.05より小さく測定される。
[0008] Related methods for lessening the electromigration in summary semiconductor devices and device of the present invention is shown. Generally, an electronic device includes a semiconductor layer and a second layer formed on the semiconductor layer.
The second layer contains nitrogen N and titanium Ti. In at least a portion of the layer, the atomic density ratio of N: Ti is
1.0 +/-. Measured smaller than 05.

【0009】本発明の一形態において、デバイスは半導
体材料の層、金属要素及び窒素NおよびチタンTiを含
み金属要素に対して形成された層を含む。層の少くとも
一部において、N:Tiの原子密度の比は、1.0より
小さく観測される。導電性部分を半導体材料の層上に形
成してよく、部分は第1の導電層、第1の層下に形成さ
れたTi及び窒素を含む第2の層、第1の層上に形成さ
れたTi及び窒素を含む第3の層を含み、第1及び第3
の層の少くとも1つは、Tiに対し窒素の原子密度の比
が、0.95+/−.05である。
In one form of the invention, a device includes a layer of semiconductor material, a metallic element and a layer comprising nitrogen N and titanium Ti and formed for the metallic element. In at least some of the layers, the atomic density ratio of N: Ti is observed to be less than 1.0. A conductive portion may be formed on the layer of semiconductor material, the portion being formed on the first conductive layer, a second layer containing Ti and nitrogen formed below the first layer, the first layer. A third layer containing Ti and nitrogen, the first and third layers
At least one of the layers has a nitrogen to Ti atomic density ratio of 0.95 +/-. 05.

【0010】また、本発明に従うと、デバイスは中にト
ランジスタが形成された半導体材料の層、半導体材料の
層上に形成された複数の部分層を有する誘電体層を含
む、金属要素はトランジスタデバイスと構造の外への導
電体の間の電気的接続を容易にするために、誘電体層中
に配置される。第2の層は金属要素と接触して配置さ
れ、窒素N及びチタンTiを含み、第2の層の測定可能
な領域中のN:Tiの原子密度の比は、0.90+/
−.05より小さい。
Also in accordance with the invention, the device includes a layer of semiconductor material having a transistor formed therein, a dielectric layer having a plurality of sublayers formed on the layer of semiconductor material, the metal element being a transistor device. And is disposed in the dielectric layer to facilitate electrical connection between the conductor and the outside of the structure. The second layer is placed in contact with the metallic element and comprises nitrogen N and titanium Ti, and the atomic density ratio of N: Ti in the measurable region of the second layer is 0.90 + /.
−. Less than 05.

【0011】エレクトロマイグレーションを減すための
関連した方法において、導電体は半導体層上に形成さ
れ、導電体に対して、金属に対する窒素の原子密度の比
が、0.95より小さい層が形成される。金属は主とし
てチタンが好ましい。
In a related method for reducing electromigration, a conductor is formed on a semiconductor layer and a layer is formed having a nitrogen to metal atomic density ratio to the conductor of less than 0.95. It The metal is preferably titanium.

【0012】本発明の詳細な記述 ここで用いる用語は、従来の材料から材料組成を区別す
るためのものであるが、以下の記述は本発明の実施例を
示す。従来、一般にTiNと記述した組成は、チタン窒
化物又は化学量論的TiNは、半導体構造中の成分層を
さし、材料は対応する層が、N及びTi間で1:1の化
学量論的比をもつことは意味しないと理解されている。
事実、層は1.0以上のN:Ti比をもつ、すなわち超
化学量論的チタン窒化物(窒素過剰チタン窒化物)であ
ることが知られている。この場合、N:Tiは典型的な
場合、1.1ないし1.3の範囲である。超化学量論的
比率を持つようチタン窒化物の層を堆積させることが一
貫して行われてきた1つの理由は、これによってTi
Nの形成が避けられることである。これはTiNより拡
散障壁として効果的でない。超化学量論的チタン窒化物
層において、少くともある程度の過剰な窒素、すなわ
ち、真の化学量論的TiNに必要なものより過剰な窒素
は、層中の粒界に存在すると信じられている。粒界に過
剰なNをもつと、Al、Ti及びCuの粒界拡散が妨げ
られる。従って、超化学量論的チタン窒化物層は化学量
論的チタン窒化物層すなわちN:Ti=1より良い拡散
障壁として働くと信じられる。Ti及びNの各種比率を
含む材料の定式化についてのこれ以上の情報に関して
は、二元合金の構成、2編、マグローヒル出版社195
8、989−991頁を参照のこと。これまで半導体デ
バイスは低化学量論的チタン窒化物、すなわちN:Ti
が1より小さい窒化物では形成されなかった。このよう
な層の評価に関しては、ラザフォード後方散乱技術の場
合、たとえば0.05の誤差範囲で、N及びTiのスパ
ッタ堆積で得られる半導体層は、化学量論的、すなわち
N:Ti=1であるかあるいは低化学量論的であるか評
価されてこなかった。半導体プロセスで堆積させたすべ
てのチタン窒化物層は、超化学量論的であったと信じら
れる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The terminology used herein is to distinguish material composition from conventional materials, but the following description illustrates examples of the invention. Conventionally, the composition generally described as TiN is titanium nitride or stoichiometric TiN refers to the constituent layers in the semiconductor structure, and the material is the corresponding layer, the stoichiometry between N and Ti is 1: 1. It is understood that having a ratio does not mean that.
In fact, the layers are known to have N: Ti ratios of 1.0 or higher, ie superstoichiometric titanium nitrides (nitrogen rich titanium nitrides). In this case, N: Ti is typically in the range 1.1 to 1.3. One reason that consistent deposition of titanium nitride layers to have a superstoichiometric ratio has been due to this is Ti 2
The formation of N is to be avoided. It is less effective as a diffusion barrier than TiN. It is believed that in superstoichiometric titanium nitride layers, at least some excess nitrogen is present at grain boundaries in the layer, that is, more nitrogen than is needed for true stoichiometric TiN. . Excessive N at the grain boundaries hinders grain boundary diffusion of Al, Ti and Cu. Therefore, it is believed that the superstoichiometric titanium nitride layer acts as a better diffusion barrier than the stoichiometric titanium nitride layer or N: Ti = 1. For more information on the formulation of materials containing various ratios of Ti and N, see Binary Alloy Construction, 2 volumes, McGraw-Hill Publishing Company 195.
8, pages 989-991. Heretofore, semiconductor devices have used low-stoichiometric titanium nitride, namely N: Ti.
Was not formed with a nitride having a value of less than 1. With regard to the evaluation of such layers, in the case of the Rutherford backscattering technique, the semiconductor layers obtained by sputter deposition of N and Ti, for example, with an error range of 0.05, are stoichiometric, ie N: Ti = 1. It has not been evaluated for presence or low stoichiometry. It is believed that all titanium nitride layers deposited in semiconductor processes were superstoichiometric.

【0013】本発明の好ましい実施例に従うと、図1は
相互接続部(10)の例、たとえば金属ランナを形成す
る概略形を示す。高密度プラズマ(HDP)又はプラズ
マ促進TEOS(テトラエチル オルトシリケート)堆
積により形成された典型的な場合シリコン酸化物である
酸化物の積層構造(12)が、半導体層又は下層のメタ
ライゼーション(図示されていない)上に形成されてい
る。他の誘電体材料及び堆積技術を適用してよい。その
後堆積させるTi及びNから成る層(18)の固着性を
促進するために、(物理的気相堆積(PVD)又は低圧
化学気相堆積(CVD)の従来の手段により堆積させ
た)Tiの層(14)が、酸化物層(12)上に形成さ
れている。層(18)は窒素過剰になるようポイゾンモ
ードで、Tiターゲットから反応性スパッタリングによ
り、形成して良い。すなわち、ポイゾンターゲット堆積
モードでは、Tiターゲットの表面は完全に窒化され、
堆積は窒素過剰雰囲気中で行われる。主としてTi及び
Nで形成された半導体構造の従来技術の層と同じく、得
られる層(18)は1.15:1.00+/−.05、
確実に1.0+/−.05より大きい範囲のN:Tiの
原子密度比をもつ。(Cuと合金化した)Al層(2
0)を、TiN層(18)の最上部上にスパッタ堆積さ
せる。層(24)はTiターゲットから反応性スパッタ
リングにより、Al層(20)上に形成され、N及びT
iから成る。層(24)形成を始めるための最初の堆積
後、チャンバに入って来る窒素は、層(24)中の窒素
に対するTiの正味の比が、1.0より小(Ti過剰)
となるよう減少させる。ただし、測定される正味の比
は、1.0+/−.05まで高くなりうる。N:Tiの
原子比は、本質的に1.0より小さく、たとえば0.9
5又はそれ以下が好ましい。N:Tiの比は、反応チャ
ンバ中のAr:Nの流量を変えることにより、調整でき
る。適当な流量はArの50sccm及び窒素の40な
いし50sccmである。一般に、窒素の流量はアルゴ
ンの流量より小さいことが好ましい。一部チャンバの設
計及び体積、ターゲットパワー、圧力及び他の変数に依
存して、異なる正味の比になる可能性のあることが、理
解されるであろう。層(24)の正味の組成は、ラザフ
ォード後方散乱スペクトル(RBS)分析により、評価
できる。
In accordance with the preferred embodiment of the present invention, FIG. 1 shows a schematic form of an example of an interconnect (10), eg, a metal runner. A stack of oxides (12), typically silicon oxide, formed by high density plasma (HDP) or plasma enhanced TEOS (tetraethyl orthosilicate) deposition is used for metallization (not shown) of semiconductor layers or underlying layers. Not formed). Other dielectric materials and deposition techniques may be applied. Of Ti (deposited by conventional means of physical vapor deposition (PVD) or low pressure chemical vapor deposition (CVD)) to promote adherence of the subsequently deposited layer of Ti and N (18). A layer (14) is formed on the oxide layer (12). Layer (18) may be formed by reactive sputtering from a Ti target in Poison mode with excess nitrogen. That is, in Poison target deposition mode, the Ti target surface is fully nitrided,
The deposition is performed in a nitrogen excess atmosphere. Similar to the prior art layers of semiconductor structure formed mainly of Ti and N, the resulting layer (18) is 1.15: 1.00 +/−. 05,
Certainly 1.0 +/-. The atomic density ratio of N: Ti is larger than 05. Al layer (alloyed with Cu) (2
0) is sputter deposited on top of the TiN layer (18). The layer (24) is formed on the Al layer (20) by reactive sputtering from a Ti target, and N and T
It consists of i. After the initial deposition to initiate layer (24) formation, the nitrogen entering the chamber has a net Ti to nitrogen ratio in the layer (24) less than 1.0 (Ti excess).
To reduce. However, the measured net ratio is 1.0 +/-. May be as high as 05. The atomic ratio of N: Ti is essentially less than 1.0, for example 0.9.
5 or less is preferable. The N: Ti ratio can be adjusted by changing the flow rate of Ar: N in the reaction chamber. Suitable flow rates are 50 sccm Ar and 40 to 50 sccm nitrogen. Generally, it is preferred that the flow rate of nitrogen be less than the flow rate of argon. It will be appreciated that depending on the design and volume of some chambers, target power, pressure and other variables, different net ratios are possible. The net composition of layer (24) can be evaluated by Rutherford backscattering spectrum (RBS) analysis.

【0014】本発明の別の実施例が、(たとえばTEO
SからHDPプラズマ促進CVDにより形成されたシリ
コン酸化物の)誘電体積層構造(12)を含む図2の相
互接続部(30)に、概略的に示されている。その後堆
積させる層との固着性を促進するために、たとえば物理
的気相堆積(PVD)により、真空容器中で酸化物層
(12)上に堆積させる。しかし、ここで述べるよう
に、低化学量論的チタン窒化物が存在すると、これは必
要なくなる。Ti及びNから成る層(34)を図1の層
(24)の形成と同じ方式で、層(14)(もし層(1
4)を省くなら酸化物層(12))上に、堆積させる。
N:Ti比は約0.95又はそれ以下を示すのが好まし
いが、一般的には1.00+/−.05又はそれ以下の
範囲である。層(34)上にアルミニウム層(20)を
堆積させ、層(18)について先に述べたように、ポイ
ゾンターゲットを有する従来の物理的気相堆積に従っ
て、TiN層(38)を堆積させる。その後のプロセス
でエッチ停止層として働くTiフラッシュ層を形成する
ため、層(20)上にTiの層(36)を堆積させても
よい。
Another embodiment of the invention is (eg, TEO
It is shown schematically in the interconnect (30) of FIG. 2 which includes a dielectric stack (12) of silicon oxide formed by S to HDP plasma enhanced CVD. It is deposited on the oxide layer (12) in a vacuum vessel, for example by physical vapor deposition (PVD), to promote adherence with subsequently deposited layers. However, as described herein, the presence of low stoichiometric titanium nitride eliminates this requirement. The layer (34) composed of Ti and N is formed in the same manner as the formation of the layer (24) in FIG.
If 4) is omitted, it is deposited on the oxide layer (12)).
It is preferred that the N: Ti ratio be about 0.95 or less, but generally 1.00 +/-. It is in the range of 05 or less. An aluminum layer (20) is deposited on layer (34) and a TiN layer (38) is deposited according to conventional physical vapor deposition with a poison target, as described above for layer (18). A layer of Ti (36) may be deposited on layer (20) to form a Ti flash layer that will serve as an etch stop layer in a subsequent process.

【0015】図3は本発明の更に別の実施例を示し、こ
の場合、相互接続部(40)は図2の部分(30)に似
ているが、図2の層(36)に対応する層(42)は、
図1の層(24)の形成と同じ方式、すなわち約1.0
0+/−.05又はそれ以下のN:Ti比をもつように
堆積させたTi及びNから成る。
FIG. 3 illustrates yet another embodiment of the present invention in which the interconnect (40) is similar to the portion (30) of FIG. 2, but corresponds to the layer (36) of FIG. Layer (42) is
The same manner of forming layer (24) in FIG. 1, ie about 1.0.
0 +/-. It consists of Ti and N deposited to have an N: Ti ratio of 05 or less.

【0016】本発明の複数の実施例を、1.0+/−
0.05より小さいN:Tiの原子密度比を含む1ない
し複数の層をもつ金属導電体の積層構造の場合について
示した。そのような層は他の成分を含んでよく、一般的
にN:Tiの原子密度比が1.0より小さい時、窒素欠
乏と呼ばれる。導電性部分に沿ったそのような層の配置
は、相互接続のEMを緩和し、ランナ部分を他のレベル
のメタライゼーション及びボンドパッドに接続するビア
部分周囲の付随した故障を緩和するために示してきた。
Several embodiments of the present invention include 1.0 +/-
The case of a laminated structure of a metal conductor having one or a plurality of layers containing an atomic density ratio of N: Ti smaller than 0.05 is shown. Such layers may contain other components and are generally referred to as nitrogen deficient when the atomic density ratio of N: Ti is less than 1.0. Placement of such layers along the conductive portion is shown to mitigate the EM of the interconnect and to mitigate attendant failures around the via portion connecting the runner portion to other levels of metallization and bond pads. Came.

【0017】図4は本発明に従って形成されたタングス
テンビアを含む半導体デバイス中の集積回路故障につい
て、改善されたEM故障分布曲線を示す。図は異なる回
路試料を含み、従来技術に従って作製された4つの試験
グループ(試験1−4)及び本発明の図1の実施例に従
って作製された回路の試験グループ(試験5)間の故障
までの測定された時間を比較している。
FIG. 4 shows an improved EM failure distribution curve for integrated circuit failures in a semiconductor device containing a tungsten via formed in accordance with the present invention. The figures include different circuit samples, up to a failure between four test groups (Test 1-4) made according to the prior art and a test group (Test 5) of a circuit made according to the embodiment of FIG. 1 of the invention. Comparing the measured times.

【0018】更に比較するために、図5は本発明の図1
の実施例に従う金属ランナ中の減少したEM故障率を確
認する。図は異なる回路試料の8つの試験グループ(試
験1−8)の場合、各試験グループ中の90パーセント
を越える試料が、1000時間以内の動作で故障したこ
とを示している。それに対し、本発明の図1の実施例に
従って作製された第9の試験グループでは、第1の10
00時間の動作中、金属ランナ故障は観測されなかっ
た。試験1−8に対応する従来技術の試験試料の場合、
故障の測定された平均時間は、44ないし418時間で
あった。従って、第9グループの故障の平均時間は、従
来技術の試験グループの試料に比べ、少くとも2桁改善
されることを反映している。
For further comparison, FIG. 5 is a schematic representation of the invention of FIG.
Confirm the reduced EM failure rate in metal runners according to the example of FIG. The figure shows that for eight test groups of different circuit samples (Tests 1-8), over 90 percent of the samples in each test group failed within 1000 hours of operation. In contrast, in the ninth test group made according to the embodiment of FIG. 1 of the present invention, the first 10
No metal runner failures were observed during 00 hours of operation. For prior art test samples corresponding to tests 1-8,
The average time measured for failure was 44 to 418 hours. Therefore, the mean time to failure of the ninth group reflects an improvement of at least two orders of magnitude over the samples of the prior art test group.

【0019】図6は図3の実施例に従う複数のレベルの
相互接続を組込んだ半導体デバイス(100)を、簡略
化して、一部分を断面で概略的に示す。レベルは相互に
接続され、コンタクトビア部分(120)により下のト
ランジスタ(110)に接続されたランナ部分(30)
を含む。典型的な場合、トランジスタ(110)は下の
半導体層(130)上に形成された多くのデバイスの1
つで、たとえば浅いトレンチ分離又はLOCOS成長領
域のような絶縁性領域(140)により、他のデバイス
から電気的に分離されている。ビア(120)は従来通
り、W又は他の金属層で形成し、タングステンのような
基本的なビアメタル及び隣接した導電体間にはさまれた
Ti及びTiNのような部分層を有してよい。本発明に
従うN:Tiの原子密度を含む層を、更にEMを緩和す
るため、ビア中に形成してよい。
FIG. 6 schematically illustrates, in partial cross-section, a semiconductor device (100) incorporating multiple levels of interconnection according to the embodiment of FIG. The levels are interconnected and the runner portion (30) is connected to the underlying transistor (110) by a contact via portion (120).
including. Typically, transistor (110) is one of many devices formed on the underlying semiconductor layer (130).
It is then electrically isolated from other devices by an insulating region (140) such as a shallow trench isolation or a LOCOS growth region. The via (120) is conventionally formed of W or another metal layer and may have a basic via metal such as tungsten and sublayers such as Ti and TiN sandwiched between adjacent conductors. . A layer comprising an N: Ti atomic density according to the present invention may be formed in the via to further relax the EM.

【0020】図7の簡略化された部分的に断面とした図
において、誘電体積層構造(170)中に形成されたコ
ンタクトビア部分(160)は、たとえばAlのスパッ
タ堆積といった従来の方式で形成された2つのランナ部
分(180)を接続するように示されている。ビア部分
(160)は半導体基板上に形成された下の誘電体層
(172)を含む多レベル相互接続システムの一部を形
成する。ビア部分はプラグ部分(182)を含み、それ
は主としてAlを含み、Cuとの合金が好ましく、更に
必要に応じてTi部分層(184)を含む。部分層(1
84)上に窒素欠乏、すなわちN:Tiが1.0より小
さいことを特徴とするN及びTiから成る部分層(18
6)が堆積されている。このTi過剰部分層(186)
はプラグ材料(182)の堆積中、Alのぬれを促進す
る。ランナ部分(180)もまた、たとえばN:Tiが
1.0より小さい本発明に従うN及びTiを含む部分層
(190)を含む。
In the simplified partially cross-sectional view of FIG. 7, the contact via portion (160) formed in the dielectric stack (170) is formed by a conventional method such as sputter deposition of Al. The two illustrated runner portions (180) are shown to be connected. The via portion (160) forms part of a multi-level interconnect system that includes an underlying dielectric layer (172) formed on a semiconductor substrate. The via portion comprises a plug portion (182), which comprises mainly Al, preferably an alloy with Cu, and optionally a Ti partial layer (184). Partial layer (1
84) on top of which nitrogen is deficient, ie a partial layer of N and Ti characterized by N: Ti less than 1.0 (18
6) has been deposited. This Ti-excess partial layer (186)
Promotes wetting of Al during the deposition of plug material (182). The runner portion (180) also includes a partial layer (190) containing N and Ti according to the present invention, eg, where N: Ti is less than 1.0.

【0021】図8は本発明の特徴をとり入れたMOM容
量(200)を、簡略的して、部分的に断面にして示
す。半導体基板(図示されていない)上に形成された多
レベル相互接続システムにおいて、下層ランナ部分(1
80a)は下部容量プレートとして働き、上部ランナ部
分(180b)は上部容量プレートとして働く。誘電体
材料の層(202)はプレートランナ部分(180a)
と(180b)の間に、形成される。例として、誘電体
層(202)はたとえばプラズマ促進CVDによる従来
のシリコン酸化物又はシリコン窒化物で形成してよく、
あるいは五酸化タンタル、二酸化チタン又はHf又はZ
rとともに形成された材料のようないわゆる高k容量誘
電体を含んでもよい。窒素欠乏、すなわちN:Tiが
1.0より小さいことを特徴とするN及びTiから成る
部分層(190)を、層(180b)上に形成する。
FIG. 8 shows a MOM capacitor (200) incorporating the features of the present invention in a simplified, partial cross-section. In a multilevel interconnect system formed on a semiconductor substrate (not shown), an underlying runner portion (1
80a) acts as the lower capacitance plate and the upper runner portion (180b) acts as the upper capacitance plate. The layer of dielectric material (202) is the plate runner portion (180a).
And (180b). By way of example, the dielectric layer (202) may be formed of conventional silicon oxide or silicon nitride, for example by plasma enhanced CVD,
Or tantalum pentoxide, titanium dioxide or Hf or Z
It may include so-called high k capacitance dielectrics such as materials formed with r. A partial layer (190) of N and Ti, characterized by nitrogen deficiency, ie N: Ti less than 1.0, is formed on layer (180b).

【0022】本発明について、半導体デバイス上の相互
接続のレベル中のAl合金導電体部分に関して、述べて
きた。他の実施例において、本発明はCu、Au、A
g、Co、W、他の形のAl及び他の金属、これらとと
もに形成してよい多くの種類の合金で形成された導電体
部分を有するメタライゼーションシステムに適用され
る。また、ここで示した実施例は、Ti及びNについて
原子密度のある比をもつ層を示したが、窒素及び様々な
密度の他の元素を含む層も、EM改善をもたらすであろ
う。一般に、そのような層は、耐熱性金属及び窒素で形
成してよく、その場合窒素N及び金属M間の原子密度の
比は、1.0より小さい。例にはTa、W、Co、Ti
又はこれらの組合わせで形成された層が含まれる。
The present invention has been described with respect to Al alloy conductor portions in the level of interconnection on semiconductor devices. In another embodiment, the present invention provides Cu, Au, A
It is applied to metallization systems having conductor portions formed of g, Co, W, other forms of Al and other metals, and many types of alloys that may be formed therewith. Also, while the examples presented here have shown layers with some ratio of atomic densities for Ti and N, layers containing nitrogen and other elements of varying densities will also provide EM improvement. Generally, such layers may be formed of refractory metals and nitrogen, where the ratio of atomic densities between nitrogen N and metal M is less than 1.0. Examples are Ta, W, Co, Ti
Alternatively, a layer formed by a combination of these is included.

【0023】従来、Nと組合せてTiを含む層は、ポイ
ゾンターゲットともに雰囲気中に窒素が多い時に、自然
に生じる原子密度の比N:Tiで一貫して堆積させてき
た。本発明に従うと、堆積はたとえば1.0又はそれ以
下の本質的に低い比N:Tiを生じる雰囲気中で行って
よい。得られる層はたとえば金属窒化物の下部層又は上
部層とともに形成されたAlのような導電体部分を有す
るシステム中の従来の金属窒化物の堆積に比べ、窒素欠
乏である。より一般的には、金属要素は少くとも10
A/cmを流せる任意の導電体でよく、典型的な場
合、金属は.16平方ミクロン以下の断面積を通して、
電流を流す。
Conventionally, layers containing Ti in combination with N have been consistently deposited with a naturally occurring atomic density ratio of N: Ti when both the poison target and the atmosphere contain a large amount of nitrogen. According to the present invention, the deposition may be carried out in an atmosphere which results in an essentially low ratio N: Ti of, for example, 1.0 or less. The resulting layer is nitrogen deficient as compared to conventional metal nitride deposition in systems having a conductor portion such as Al formed with a metal nitride lower or upper layer, for example. More generally, the metal element is at least 10 4.
It can be any electrical conductor capable of flowing A / cm 2 , typically the metal being. Through the cross-sectional area of less than 16 square microns,
Apply current.

【0024】1.0又はより好ましくは1.0より小さ
いN:Tiを有する層を形成する別の利点は、得られる
層が相対的にTiが富み、そのため層を誘電体材料上に
直接堆積させた時、誘電体への十分な固着性が確保され
ることである。これによって、誘電体及びTiとNを含
む層の界面において、Tiの個別の層が不要になる。更
に、低化学量論的組成のチタン窒化物の堆積速度は超化
学量論的組成のチタン窒化物の堆積速度より、2ないし
3倍速い。N:Tiの原子密度の比について、具体的な
値を示したが、0.85,0.8,0.75,0.7及
びこれらより小さい値を含む広範囲の値が考えられる。
Another advantage of forming a layer with N: Ti of 1.0 or more preferably less than 1.0 is that the resulting layer is relatively rich in Ti so that the layer is deposited directly on the dielectric material. This is to ensure sufficient adhesion to the dielectric. This eliminates the need for a separate layer of Ti at the interface of the dielectric and the layers containing Ti and N. Further, the deposition rate of low stoichiometric titanium nitride is 2-3 times faster than the deposition rate of superstoichiometric titanium nitride. Although specific values are shown for the atomic density ratio of N: Ti, a wide range of values including 0.85, 0.8, 0.75, 0.7 and smaller values are conceivable.

【0025】本発明について、実施例をあげて述べてき
たが、そのようには限定されない。むしろ、特許請求の
範囲は、この詳細な記述を読めば当業者には明らかにな
るであろう多くの変形及び実施例を含むものである。本
発明は、図面を参照することにより明確に把握できる。
図面の描く要素は、スケールされたものではなく、各要
素の寸法は明確化のためにモディファイされている。
Although the present invention has been described by way of examples, it is not so limited. Rather, the claims are intended to cover many variations and embodiments that will become apparent to those skilled in the art upon reading this detailed description. The present invention can be clearly understood by referring to the drawings.
The elements drawn in the drawings are not to scale and the dimensions of each element have been modified for clarity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】それぞれ本発明に従う相互接続部の実施例を示
す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an interconnection part according to the present invention, respectively.

【図2】それぞれ本発明に従う相互接続部の実施例を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of an interconnection part according to the present invention, respectively.

【図3】それぞれ本発明に従う相互接続部の実施例を示
す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of an interconnection part according to the present invention, respectively.

【図4】本発明の図1の実施例に基く改善されたEM故
障分布曲線を示す図である。
FIG. 4 shows an improved EM failure distribution curve based on the embodiment of FIG. 1 of the present invention.

【図5】本発明の図1の実施例に基く金属ランナ中のE
M故障速度の比較をした図である。
FIG. 5: E in a metal runner according to the embodiment of FIG. 1 of the present invention.
It is the figure which compared the M failure speed.

【図6】本発明の一実施例を組込んだ半導体デバイスを
示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor device incorporating an embodiment of the present invention.

【図7】2つのランナ部分を接続するビア部分が本発明
の原理を取り入れた半導体構造の一部を、部分的に断面
で示した図である。
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a portion of a semiconductor structure in which a via portion connecting two runner portions incorporates the principles of the present invention.

【図8】本発明の特徴をとり入れたMOM容量を、簡略
的にして、部分的に断面で示した図である。
FIG. 8 is a simplified, partial cross-sectional view of a MOM capacitor incorporating features of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 相互接続部 12 積層構造、酸化物層 14 層 18 層、TiN層 20 Al層、アルミニウム層 24 層 30 相互接続部、部分 34,36 層 38 TiN層 40 相互接続部 42 層 100 半導体デバイス 110 トランジスタ 120 コンタクトビア部分、ビア 130 半導体層 140 絶縁性領域 160 コンタクトビア部分、ビア部分 170 積層構造 172 誘電体層 180 ランナ部分 180a プレートランナ部分、下部ランナ部分 180b プレートランナ部分、上部ランナ部分、層 184 部分層 186 部分層 190 部分層 192 (本文中になし) 200 MOM容量 202 誘電体層、層 10 Interconnects 12 Laminated structure, oxide layer 14 layers 18 layers, TiN layer 20 Al layer, aluminum layer 24 layers 30 Interconnects, parts 34,36 layers 38 TiN layer 40 interconnections 42 layers 100 semiconductor devices 110 transistors 120 contact via part, via 130 semiconductor layer 140 insulating area 160 Contact via part, via part 170 laminated structure 172 dielectric layer 180 runner part 180a Plate runner part, lower runner part 180b Plate runner part, upper runner part, layer 184 partial layer 186 partial layer 190 partial layers 192 (none in text) 200 MOM capacity 202 Dielectric layer, layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジア ファン アメリカ合衆国 91030 カリフォルニア, サウス パサデナ,ブレーウッド コート 969 (72)発明者 サイレッシュ マンシン マーチャント アメリカ合衆国 32835 フロリダ,オー ランド,ヴァインランド オークス ブウ ルヴァード 8214 Fターム(参考) 5F033 HH08 HH11 HH13 HH14 HH15 HH18 HH19 HH33 JJ09 JJ11 JJ13 JJ14 JJ15 JJ18 JJ19 JJ33 KK08 KK11 KK13 KK14 KK15 KK18 KK19 KK33 LL10 MM08 NN06 NN07 PP15 PP16 XX05    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Ziafan             United States 91030 California,             South Pasadena, Breewood Court               969 (72) Inventor Silesh Manshin Merchant             United States 32835 Florida, Oh             Land, Vineland Oaks Bou             Lvard 8214 F term (reference) 5F033 HH08 HH11 HH13 HH14 HH15                       HH18 HH19 HH33 JJ09 JJ11                       JJ13 JJ14 JJ15 JJ18 JJ19                       JJ33 KK08 KK11 KK13 KK14                       KK15 KK18 KK19 KK33 LL10                       MM08 NN06 NN07 PP15 PP16                       XX05

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体材料の層;金属要素;及び窒素N
及びチタンTiを含み、層の少くとも一部において、
N:Tiの原子密度の比は1.0より小さく観測される
金属要素に対して形成された層を含む半導体デバイス。
1. A layer of semiconductor material; a metal element; and nitrogen N
And titanium Ti, in at least part of the layer,
A semiconductor device comprising a layer formed over a metallic element where the atomic density ratio of N: Ti is observed to be less than 1.0.
【請求項2】 金属要素は相互接続の1レベル中の導電
性ランナである請求項1記載のデバイス。
2. The device of claim 1, wherein the metallic element is a conductive runner in one level of the interconnect.
【請求項3】 金属要素はAlをを含む導電体部分であ
る請求項1記載のデバイス。
3. The device of claim 1, wherein the metallic element is a conductor portion containing Al.
【請求項4】 窒素を含む層は金属要素上に形成される
請求項1記載のデバイス。
4. The device of claim 1, wherein the nitrogen containing layer is formed on the metal element.
【請求項5】 N及びTiを含む層は、導電性ランナに
沿って形成され、層中のN:Tiの原子密度の比は、
0.95又はそれ以下である請求項1記載のデバイス。
5. The layer containing N and Ti is formed along the conductive runner, and the atomic density ratio of N: Ti in the layer is:
The device of claim 1 which is 0.95 or less.
【請求項6】 N及びTiを含む層は、0.90又はそ
れ以下の原子密度比を有し、金属要素はAl及びCuか
ら成るグループからとった1ないし複数の材料を含む請
求項1記載のデバイス。
6. The layer containing N and Ti has an atomic density ratio of 0.90 or less, and the metal element comprises one or more materials taken from the group consisting of Al and Cu. Device.
【請求項7】 半導体材料の層;及び半導体材料の層の
上に形成された導電性部分を含み、前記部分は第1の導
電層、第1の導電層下に形成されたTi及び窒素を含む
第2の層及び第1の層上に形成されたTi及び窒素を含
む第3の層を含み、第1及び第3の層の少くとも1つ
は、0.95+/−.05より小さいTiに対する窒素
の原子密度比を有する半導体デバイス。
7. A layer of semiconductor material; and a conductive portion formed over the layer of semiconductor material, the portion comprising a first conductive layer, Ti and nitrogen formed under the first conductive layer. Comprising a second layer comprising and a third layer comprising Ti and nitrogen formed on the first layer, at least one of the first and third layers being 0.95 +/-. A semiconductor device having an atomic density ratio of nitrogen to Ti less than 05.
【請求項8】 第3の層は約0.90のチタンに対する
窒素の原子密度比を含む請求項7記載のデバイス。
8. The device of claim 7, wherein the third layer comprises an atomic density ratio of nitrogen to titanium of about 0.90.
【請求項9】 導電性部分は、Al、Cu、Au、A
g、W及びCoから成るグループからとった1ないし複
数の元素を含む請求項7記載のデバイス。
9. The conductive portion is made of Al, Cu, Au, A
The device of claim 7 including one or more elements from the group consisting of g, W and Co.
【請求項10】 半導体層を形成すること;半導体層上
に導電体を形成すること及び導電体に対し、0.95よ
り小さい金属に対する窒素の原子密度比を有する層を形
成することを含む半導体構造中のエレクトロマイグレー
ションを減す方法。
10. A semiconductor comprising forming a semiconductor layer; forming a conductor on the semiconductor layer and forming a layer having a nitrogen to metal atomic density ratio of 0.95 to the conductor. A method of reducing electromigration in a structure.
【請求項11】 導電体層の形成工程は、Al及びCu
から成るグループの1ないし複数の元素を元素を含む層
を堆積させることを含む請求項10記載の方法。
11. The step of forming a conductor layer comprises Al and Cu.
11. The method of claim 10, comprising depositing a layer containing an element of one or more elements of the group consisting of:
【請求項12】 導電性部分の隣に窒素N及びチタンT
iを含む層を配置し、層の一部中のN:Tiの原子密度
の比は、ラザフォード後方散乱技術で測定して、0.9
5+/−.05より小さい工程を含む導電性部分を有す
る回路中のエレクトロマイグレーションを減す方法。
12. Nitrogen N and titanium T next to the conductive portion.
A layer containing i is arranged and the atomic density ratio of N: Ti in a portion of the layer is 0.9, as measured by Rutherford backscattering technique.
5 +/-. A method of reducing electromigration in a circuit having a conductive portion including steps less than 05.
【請求項13】 中にトランジスタが形成された半導体
材料の層;半導体材料の層上に形成された複数の部分層
を含む誘電体層;トランジスタデバイスと構造の外部へ
の導電体間の電気的接続を容易にするため、誘電体層中
に配置された金属要素;金属要素と接触して配置され、
窒素N及びチタンTiを含み、測定できる領域中の原子
密度比N:Tiは、0.90+/−.05より小さい第
2の層;を含む半導体構造。
13. A layer of semiconductor material having a transistor formed therein; a dielectric layer comprising a plurality of partial layers formed on a layer of semiconductor material; electrical between a transistor device and a conductor to the exterior of the structure. A metal element arranged in the dielectric layer for facilitating the connection; arranged in contact with the metal element,
The atomic density ratio N: Ti in the measurable region containing nitrogen N and titanium Ti was 0.90 +/-. A second structure smaller than 05;
【請求項14】 第2の層の測定できる領域中の原子密
度比N:Tiは、0.80+/−.05より小さい請求
項13記載の構造。
14. The atomic density ratio N: Ti in the measurable region of the second layer is 0.80 +/−. 14. The structure of claim 13, which is less than 05.
【請求項15】 金属要素は導電性ランナと別の導電性
要素間を電気的に接続するために、ビア中に配置される
請求項13記載の構造。
15. The structure of claim 13, wherein the metal element is disposed in the via to electrically connect the conductive runner to another conductive element.
【請求項16】 金属要素はAlを含む請求項13記載
の構造。
16. The structure of claim 13, wherein the metal element comprises Al.
【請求項17】 半導体層;半導体層上に形成され、窒
素N及びチタンTiから成り、層の少くとも一部におい
て、N:Tiの原子密度の比は、1.0+/−.05よ
り小さく測定される層を含む電子デバイス。
17. A semiconductor layer; formed on the semiconductor layer, comprising nitrogen N and titanium Ti, wherein in at least a portion of the layer, the atomic density ratio of N: Ti is 1.0 +/−. An electronic device comprising a layer measured to be less than 05.
【請求項18】 N:Tiの原子密度の比は、0.95
+/−.05より小さく測定される請求項17記載のデ
バイス。
18. The atomic density ratio of N: Ti is 0.95.
+/-. 18. The device of claim 17, which measures less than 05.
【請求項19】 N:Tiの原子密度の比は、.90+
/−.05より小さく測定される請求項17記載のデバ
イス。
19. The atomic density ratio of N: Ti is. 90+
/-. 18. The device of claim 17, which measures less than 05.
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