JP3554665B2

JP3554665B2 - 半導体基板配線のバリア層及び配線構造

Info

Publication number: JP3554665B2
Application number: JP27049297A
Authority: JP
Inventors: 直明小榑; 裕章井上; 弘和江澤; 雅弘宮田
Original assignee: Ebara Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Ebara Corp; Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JPH1197444A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板に設けた配線と該配線に隣接する絶縁膜との間に設けられ、該配線と該絶縁膜の間で生じる相互拡散を防止するバリア層及び配線構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基板の配線材料には、アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられている。アルミニウム又はアルミニウム合金は電気比抵抗（ρ）が約３μΩｃｍと大きく、ＩＣの集積密度が高くなると、例えば１Ｇ以上になると、配線、が細く電流容量が不足するという問題があり、ストレスマイグレーション、エレクトロニクスマイグレーションが発生、極端な場合は配線が断線するという問題があった。
【０００３】
近年、アルミニウム又はアルミニウム合金より、電気比抵抗（ρ）が小さく（約１．７μΩｃｍ）、且つ耐エレクトロニクスマイグレーション、耐ストレスマイグレーションの良好なＣｕが配線材料として使用されるようになってきた。Ｃｕ材を配線材料として用いた場合、隣接する絶縁膜、例えばＳｉＯ_２と相互拡散し、配線の電気特性を著しく低下させる。そのため従来は、この相互拡散を防止するため、配線と絶縁膜の間にＴｉＮ膜をバリア層として設けている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにバリア層にＴｉＮ材を用いた場合、該ＴｉＮ材はバリア層を形成した後に形成される配線材料との接合が弱く、且つ比抵抗（ρ）が高いので、本来の配線としての材料特性が活用できないという問題があった。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、配線材料との結合が強く、且つ比抵抗（ρ）が低い材料を用い、絶縁膜の間で生じる相互拡散を防止できる半導体基板配線のバリア層及び配線構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため請求項１に記載の発明は、半導体基板に設けた配線と該配線に隣接する絶縁膜との間に設けられ、該配線と該絶縁膜の間で生じる相互拡散を防止する半導体基板配線のバリア層であって、バリア層はＢ（ボロン）の含有率が０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％であるｆｃｃ結晶構造（最密充填結晶構造）のＮｉ（ニッケル）合金材からなることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体基板配線のバリア層において、バリア層の厚さが１００Å以上であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、半導体基板の上に形成した絶縁膜に形成された溝の内面にＢ（ボロン）の含有率が０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％であるｆｃｃ結晶構造（最密充填結晶構造）のＮｉ（ニッケル）合金材からなるバリア層を形成し、該バリア層で囲まれた溝に配線層を形成したことを特徴とする半導体基板の配線構造である。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体基板の配線構造において、バリア層は配線層の上面にも形成し、配線層の全周が該バリア層で囲まれていることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は請求項３又は４に記載の半導体基板の配線構造において、絶縁膜はＳｉＯ ₂ 膜であり、配線層はＣｕ又はＣｕ合金からなることをことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の半導体基板配線のバリア層の構成例を示す図である。図示するように、半導体基板の上に形成した絶縁膜であるＳｉＯ_２膜１０に形成された溝の内面にバリア層１１を形成し、該バリア層１１で囲まれた溝にＣｕ又はＣｕ合金の配線層１２を形成する。バリア層１１はＢを含有するＮｉ合金材（Ｎｉ−Ｂ合金材）からなる。
【００１５】
ここで上記Ｎｉ−Ｂ合金材のＢの含有率が１０ａｔ％とする。Ｂの含有率が１０ａｔ％ではアニール前後においてもＮｉ−Ｂ合金材はｆｃｃの結晶構造を有し、配線層１２の材料であるＣｕのバリアとしての機能を有する。ここでＢの含有率を１０ａｔ％以上とすると、バリア層１１の厚さに関係なく、アニール前後でその構造がｆｃｃの結晶構造でなく（アニール前はアモルファス（非晶質）、アニール後は金属間化合物）、Ｃｕのバリア材としての機能を有しない。
【００１６】
Ｎｉ−Ｂ合金材とＴｉＮ合金材との比抵抗（ρ）は下記の通りであり、Ｎｉ−Ｂ合金材の方がＴｉＮ合金材と比較して小さく、バリア層１１の材料として適している。
ＴｉＮ１００μΩｃｍ〜２００μΩｃｍ
Ｎｉ−Ｂ１０μΩｃｍ〜２０μΩｃｍ
【００１７】
また、Ｎｉ−Ｂ合金材はその構造がｆｃｃ結晶構造であり、構造が金属間化合物であるＴｉＮ合金材と比較して、配線材であるＣｕとの接合力が強く、バリア層１１を構成する材料として好適である。
【００１８】
また、上記Ｎｉ−Ｂ合金材のＢの含有率が０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％であれば、ｆｃｃの結晶構造を維持し、バリア材として使用できることは確認している。また、上記バリア層１１の厚さは１００Å以上とし、無電解メッキ、電解メッキ、スパッタリング法、ＣＶＤ法で形成する。無電解メッキの場合は、例えば、ＮｉＳｏ_４・６Ｈ_２Ｏ＋ＤＭＡＢ（ジメチルアミンボラン）のメッキ液を用い温度８０℃で行う。
【００１９】
配線層１２は無電解メッキ又は電解メッキで形成する。そのメッキ液の元素・イオン、化学種、成分等の例を図２に示す。なお、図２において、電解メッキのメッキ液において、添加剤は非イオン系界面活性剤であり、塩素イオンは添加剤の分解抑制用である。また、ＥＤＴＡ・４Ｎａ（エチレンジアミン四酢酸ナトリウム）はＣｕと安定するキレート化合物（配位子による錯化合物）を形成し、電解メッキ液で削除可能である。また、無電解メッキ液において、ＮａＯＨとホルマリンは還元剤として供給する。電解メッキ及び無電解メッキは図３に示す条件で行う。
【００２０】
図４はＮｉ−Ｂ合金膜のＸ線解析測定結果を示す図である。図示するように、Ｂの組成が３．２ａｔ％では堆積時（アニール前）及び４００℃のアニール後共にＮｉ−Ｂ合金のｆｃｃ結晶構造で、バリア性能を有する。しかし、Ｂの組成が１３．５ａｔ％、２０．０ａｔ％ではアニール前は非晶質、４００℃でのアニール後はＮｉ＋Ｎｉ_３Ｂ（金属間化合物）となり、共にバリア性を有しない。
【００２１】
図５乃至図８はそれぞれＮｉ−Ｂ合金膜のバリア性を確認するための解析結果である。図５はＣｕ板の上に厚さ０．５８μｍのＡｇ膜を形成し、その上にＢを４．２ａｔ％含有する厚さ０．１８μｍのＮｉ−Ｂ合金膜を形成したものでの解析結果であり、図５（ａ）及び（ｂ）はスパッタリング法で表面から順次削り取り、現れる元素の割合を解析した結果であり、図５（ｃ）は表面をＡＥＳ（オージエ電子分光分析）で解析した結果を示す。また、図５（ａ）は堆積時（アニール前）を、図５（ｂ）及び（ｃ）は４００℃のアニール後を示す。同図から明らかなように、Ｂを４．２ａｔ％含有するＮｉ−Ｂ合金膜で被覆した場合は、表面にＣｕが析出することなく、Ｃｕのバリア材として優れたものであることがわかる。
【００２２】
図６はシリコンウエハ基板の上に厚さ０．２μｍのＣｕ膜を形成し、その上に厚さ０．５μｍのＡｇ膜を形成し、その上にＢを３．２ａｔ％含有する厚さ０．１８μｍのＮｉ−Ｂ合金膜を形成したものでの解析結果であり、図６（ａ）及び（ｂ）はスパッタリング法で表面から順次削り取り、現れる元素の割合を解析した結果であり、図６（ｃ）は表面をＡＥＳ（オージエ電子分光分析）で解析した結果を示す。また、図６（ａ）は堆積時（アニール前）を、図６（ｂ）及び（ｃ）は４００℃のアニール後を示す。同図から明らかなように、Ｂを３．２ａｔ％含有するＮｉ−Ｂ合金膜で被覆した場合は、表面にＣｕが析出することなく、Ｃｕのバリア材として優れたものであることがわかる。
【００２３】
図７はシリコンウエハ基板の上に厚さ０．２μｍのＣｕ膜を形成し、その上に厚さ０．５μｍのＡｇ膜を形成し、その上にＢを１３．５ａｔ％含有する厚さ０．３３μｍのＮｉ−Ｂ合金膜を形成したものでの解析結果であり、図７（ａ）及び（ｂ）はスパッタリング法で表面から順次削り取り、現れる元素の割合を解析した結果であり、図７（ｃ）は表面をＡＥＳ（オージエ電子分光分析）で解析した結果を示す。また、図７（ａ）は堆積時（アニール前）を、図７（ｂ）及び（ｃ）は４００℃のアニール後を示す。同図から明らかなように、Ｂを１３．５ａｔ％含有するＮｉ−Ｂ合金膜で被覆した場合は、表面にＣｕが析出し、Ｃｕのバリア材として不適切であることがわかる。
【００２４】
図８はシリコンウエハ基板の上に厚さ０．２μｍのＣｕ膜を形成し、その上に厚さ０．５μｍのＡｇ膜を形成し、その上にＢを１２．２ａｔ％含有する厚さ０．５９μｍのＮｉ−Ｂ合金膜を形成したものでの解析結果であり、図８（ａ）及び（ｂ）はスパッタリング法で表面から順次削り取り、現れる元素の割合を解析した結果であり、図８（ｃ）は表面をＡＥＳ（オージエ電子分光分析）で解析した結果を示す。また、図８（ａ）は堆積時（アニール前）を、図８（ｂ）及び（ｃ）は４００℃のアニール後を示す。同図から明らかなように、Ｂを１２．２ａｔ％含有するＮｉ−Ｂ合金膜で被覆した場合は、表面にＣｕが析出し、Ｃｕのバリア材として不適切であることがわかる。
【００２５】
上記のようにＢの含有率が１０ａｔ％（０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％）であるＮｉ−Ｂ合金はｆｃｃ結晶構造なので、Ｃｕ配線の被覆材として使用することで、従来のＴｉＮに比べて低抵抗で、Ｃｕ配線との接合力が強く、且つＣｕの拡散防止効果を発揮することが期待できる。従って、例えば半導体デバイスにおいて、多層配線を形成する場合、上記Ｎｉ−Ｂ合金膜を配線のバリア材として用いるとバリア材にＴｉＮ合金膜を用いる従来例に比較し、比抵抗が低い配線を提供でき、半導体デバイスの高密度化、高速化に貢献することが期待できる。
【００２６】
なお、図１では、ＳｉＯ_２の絶縁膜１０に設けられた溝内面にＮｉ−Ｂ合金膜のバリア層１１を形成し、該内面がバリア層１１で囲まれた溝内にＣｕからなる配線層１２を電解メッキ又は無電解メッキにより埋め込み方式で形成する例を示したが、バリア層１１の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図９に示すように配線層１２をバリア層で囲む形状であっても良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本願各請求項に記載の発明によれば、バリア層にＢの含有率が０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％であるｆｃｃ結晶構造のＮｉ合金材を採用することにより、配線との結合が強く、低比抵抗（ρ）で、配線と絶縁膜との間で生じる相互拡散を防止でき、半導体デバイスの高密度化、高速化に貢献することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体基板配線のバリア層の構成例を示す図である。
【図２】Ｃｕ配線を形成するメッキ液の組成例を示す図である。
【図３】Ｃｕ配線を形成するメッキ条件例を示す図である。
【図４】Ｎｉ−Ｂ合金膜のＸ線解析測定結果を示す図である。
【図５】Ｎｉ−Ｂ合金膜のバリア性を確認するための解析結果を示す図である。
【図６】Ｎｉ−Ｂ合金膜のバリア性を確認するための解析結果を示す図である。
【図７】Ｎｉ−Ｂ合金膜のバリア性を確認するための解析結果を示す図である。
【図８】Ｎｉ−Ｂ合金膜のバリア性を確認するための解析結果を示す図である。
【図９】本発明の半導体基板配線のバリア層の他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０ＳｉＯ_２膜
１１バリア層
１２配線層

Claims

半導体基板に設けた配線と該配線に隣接する絶縁膜との間に設けられ、該配線と該絶縁膜の間で生じる相互拡散を防止する半導体基板配線のバリア層であって、
前記バリア層はＢ（ボロン）の含有率が０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％であるｆｃｃ結晶構造（最密充填結晶構造）のＮｉ（ニッケル）合金材からなることを特徴とする半導体基板配線のバリア層。
前記バリア層の厚さが１００Å以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板配線のバリア層。
半導体基板の上に形成した絶縁膜に形成された溝の内面にＢ（ボロン）の含有率が０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％であるｆｃｃ結晶構造（最密充填結晶構造）のＮｉ（ニッケル）合金材からなるバリア層を形成し、該バリア層で囲まれた溝に配線層を形成したことを特徴とする半導体基板の配線構造。
前記バリア層は配線層の上面にも形成し、配線層の全周が該バリア層で囲まれていることを特徴とする請求項３に記載の半導体基板の配線構造。
前記絶縁膜はＳｉＯ ₂ 膜であり、配線層はＣｕ又はＣｕ合金からなることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体基板の配線構造。