JPH08274173A - 集積回路の金属化層の間の反応をできるだけ小さくするための拡散障壁体３重層 - Google Patents
集積回路の金属化層の間の反応をできるだけ小さくするための拡散障壁体３重層Info
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- JPH08274173A JPH08274173A JP8072674A JP7267496A JPH08274173A JP H08274173 A JPH08274173 A JP H08274173A JP 8072674 A JP8072674 A JP 8072674A JP 7267496 A JP7267496 A JP 7267496A JP H08274173 A JPH08274173 A JP H08274173A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 集積回路の金属化層の間で熱処理を行うこと
により起こる反応を非常に小さくする拡散障壁体３重層
を提供する。 【解決手段】 拡散障壁体３重層は、底部層と、シード
層と、頂部層とで構成される。前記拡散障壁体３重層
は、熱処理の際、金属化層と頂部層との間の反応を防止
し、それにより、改良されたシート抵抗値と装置の改良
された動作速度とが得られる。
により起こる反応を非常に小さくする拡散障壁体３重層
を提供する。 【解決手段】 拡散障壁体３重層は、底部層と、シード
層と、頂部層とで構成される。前記拡散障壁体３重層
は、熱処理の際、金属化層と頂部層との間の反応を防止
し、それにより、改良されたシート抵抗値と装置の改良
された動作速度とが得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、全体的にいえば、
半導体装置の製造に関する。さらに詳細にいえば、本発
明は集積回路の金属化層に関する。
半導体装置の製造に関する。さらに詳細にいえば、本発
明は集積回路の金属化層に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】ラジオ、コンピュー
タ、テレビジョン、および高品位テレビジョンのような
電子装置への応用に対する集積回路において、半導体が
広く用いられている。このような集積回路は、単結晶シ
リコンの中に多数個のトランジスタが製造されている装
置を用いるのが典型的な場合である。現在の多くの集積
回路は、多重レベルに配置された金属化層を相互に接続
することにより作成される。
タ、テレビジョン、および高品位テレビジョンのような
電子装置への応用に対する集積回路において、半導体が
広く用いられている。このような集積回路は、単結晶シ
リコンの中に多数個のトランジスタが製造されている装
置を用いるのが典型的な場合である。現在の多くの集積
回路は、多重レベルに配置された金属化層を相互に接続
することにより作成される。
【０００３】典型的には、アルミニウム・銅（ＡｌＣ
ｕ）合金がＶＬＳＩ（大規模集積回路）の金属化層とし
て用いられる。装置の動作速度を増強するために、Ａｌ
Ｃｕに対し、小さくて安定なシート抵抗値を有すること
が要求される。けれども、ＡｌＣｕは他の金属（例え
ば、Ｗ）と反応する傾向があり、そのために、シート抵
抗値が増加することがある。シート抵抗値は、厚さの逆
数と抵抗率とに比例する大きさを有し、導電体部材の特
性を表す１つの指標である。この反応を抑制するため
に、ＡｌＣｕと他の金属との間に拡散障壁体が用いられ
る。この拡散障壁体部材として、ＴｉＮが用いられてい
る。けれども、ＡｌＣｕ／ＴｉＮの層状構造体に対し４
５０℃で熱処理を行うと、ＡｌＣｕとＴｉＮとの間で反
応が起こり、それにより、ＡｌＣｕのシート抵抗値が増
加することが起こる。
ｕ）合金がＶＬＳＩ（大規模集積回路）の金属化層とし
て用いられる。装置の動作速度を増強するために、Ａｌ
Ｃｕに対し、小さくて安定なシート抵抗値を有すること
が要求される。けれども、ＡｌＣｕは他の金属（例え
ば、Ｗ）と反応する傾向があり、そのために、シート抵
抗値が増加することがある。シート抵抗値は、厚さの逆
数と抵抗率とに比例する大きさを有し、導電体部材の特
性を表す１つの指標である。この反応を抑制するため
に、ＡｌＣｕと他の金属との間に拡散障壁体が用いられ
る。この拡散障壁体部材として、ＴｉＮが用いられてい
る。けれども、ＡｌＣｕ／ＴｉＮの層状構造体に対し４
５０℃で熱処理を行うと、ＡｌＣｕとＴｉＮとの間で反
応が起こり、それにより、ＡｌＣｕのシート抵抗値が増
加することが起こる。
【０００４】Ａｌ／ＴｉＮ／Ｓｉ構造体、Ａｌ／ＴｉＮ
／ケイ化物／Ｓｉ構造体、およびＡｌ／ＴｉＮ／Ｗ構造
体の障壁体特性を改善するために、いくつかの試みが行
われてきた。従来、ＴｉＮ障壁体特性を改善すること
は、主として、沈着期間中に酸素流を導入する、または
基板温度を変える、または基板電圧バイアスを加える、
といったＴｉＮ沈着期間中のパラメータを最適化するこ
とにより行われていた。その他の試みとして、熱的焼鈍
および空気に対し露出するといった、沈着の後の処理が
行われている。
／ケイ化物／Ｓｉ構造体、およびＡｌ／ＴｉＮ／Ｗ構造
体の障壁体特性を改善するために、いくつかの試みが行
われてきた。従来、ＴｉＮ障壁体特性を改善すること
は、主として、沈着期間中に酸素流を導入する、または
基板温度を変える、または基板電圧バイアスを加える、
といったＴｉＮ沈着期間中のパラメータを最適化するこ
とにより行われていた。その他の試みとして、熱的焼鈍
および空気に対し露出するといった、沈着の後の処理が
行われている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板の上に沈
着された底部層と、底部層の上に沈着されたシード層
と、シード層の上に沈着された頂部層とで構成される拡
散障壁体３重層と、頂部層の上に沈着された金属化層と
に対する方法と構造体とに関する発明である。拡散障壁
体３重層の頂部層の改良された性質により、熱処理の際
に起こることがある金属化層と頂部層との反応は非常に
小さくなる。その結果、熱処理による金属化層のシート
抵抗値の劣化は起こらなくなり、および集積回路の動作
速度の低下も起こらない。
着された底部層と、底部層の上に沈着されたシード層
と、シード層の上に沈着された頂部層とで構成される拡
散障壁体３重層と、頂部層の上に沈着された金属化層と
に対する方法と構造体とに関する発明である。拡散障壁
体３重層の頂部層の改良された性質により、熱処理の際
に起こることがある金属化層と頂部層との反応は非常に
小さくなる。その結果、熱処理による金属化層のシート
抵抗値の劣化は起こらなくなり、および集積回路の動作
速度の低下も起こらない。
【０００６】
【発明の実施の形態】添付図面は本明細書の肝要な部分
を構成しているが、これらの添付図面を参照しての下記
説明により、本発明をさらによく理解することができる
であろう。種々の図面において、特に断らない限り、同
様な部品には同じ番号および同じ記号が付されている。
を構成しているが、これらの添付図面を参照しての下記
説明により、本発明をさらによく理解することができる
であろう。種々の図面において、特に断らない限り、同
様な部品には同じ番号および同じ記号が付されている。
【０００７】ＴｉＮの障壁体特性を改良するために、従
来用いられていた方法は適切ではないことが分かった。
沈着温度を変えると、それにより部材内の応力および結
晶粒子寸法といったＴｉＮの他の性質の変化が誘発され
る。これらのパラメータすべてを同時に最適化すること
は困難である。さらに、基板バイアスを加えるとそれは
ＴｉＮ層のイオン照射を誘起し、そのために、既にある
装置に放射線損傷を与えることがあるであろう。沈着後
に処理を行うと、それは処理段階が付加されることにな
り、そのために処理サイクル時間が増大する。さらに、
ＴｉＮの熱処理（稠密化）は、ＡｌＣｕが存在していな
い集積回路の上の接触レベルでのみ可能である。沈着の
期間中に酸素を与えることは好ましくない。それは、酸
素はＴｉＮスパッタリング・ターゲットを汚染し、そし
て酸化物粒子を形成し、そしてＴｉＮのシート抵抗値を
増加させるからである。ＴｉＮを空気に２４時間触れさ
せることは、ＴｉＮの障壁体特性の改良にはならなかっ
た。
来用いられていた方法は適切ではないことが分かった。
沈着温度を変えると、それにより部材内の応力および結
晶粒子寸法といったＴｉＮの他の性質の変化が誘発され
る。これらのパラメータすべてを同時に最適化すること
は困難である。さらに、基板バイアスを加えるとそれは
ＴｉＮ層のイオン照射を誘起し、そのために、既にある
装置に放射線損傷を与えることがあるであろう。沈着後
に処理を行うと、それは処理段階が付加されることにな
り、そのために処理サイクル時間が増大する。さらに、
ＴｉＮの熱処理（稠密化）は、ＡｌＣｕが存在していな
い集積回路の上の接触レベルでのみ可能である。沈着の
期間中に酸素を与えることは好ましくない。それは、酸
素はＴｉＮスパッタリング・ターゲットを汚染し、そし
て酸化物粒子を形成し、そしてＴｉＮのシート抵抗値を
増加させるからである。ＴｉＮを空気に２４時間触れさ
せることは、ＴｉＮの障壁体特性の改良にはならなかっ
た。
【０００８】本発明の好ましい実施例の製造とその利用
は、下記で詳細に説明されるであろう。けれども、本発
明により多くの応用可能な概念が得られ、そしてこれら
の概念は広い分野で実施できることが分かるはずであ
る。説明される特定の実施例は、本発明の製造と利用に
関する特定の方法を単に例示したものであって、本発明
の範囲がこれらの実施例に限定されることを意味するも
のではない。
は、下記で詳細に説明されるであろう。けれども、本発
明により多くの応用可能な概念が得られ、そしてこれら
の概念は広い分野で実施できることが分かるはずであ
る。説明される特定の実施例は、本発明の製造と利用に
関する特定の方法を単に例示したものであって、本発明
の範囲がこれらの実施例に限定されることを意味するも
のではない。
【０００９】下記説明において、本発明の好ましい実施
例とその製造法が説明される。図面は異なっても対応す
る番号および記号は、特に断らない限り、対応する部品
を表す。下記の表１により、実施例および図面のエレメ
ントの概観が得られるであろう。
例とその製造法が説明される。図面は異なっても対応す
る番号および記号は、特に断らない限り、対応する部品
を表す。下記の表１により、実施例および図面のエレメ
ントの概観が得られるであろう。
【００１０】
【表１】表 １
【表２】表１のつづき
【００１１】本発明は、金属化層とその下にある集積回
路の障壁体層との反応を非常に小さくする拡散障壁体３
重層に関する。この３重層は、従来用いられている１個
のＴｉＮ層と類似の底部層と、頂部層と同様の結晶構造
を有しそして好ましくは単結晶状のマイクロ構造を有す
る部材で構成されるシード層と、このシード層の上に成
長されかつまた単結晶状のマイクロ構造を有する頂部層
と、で構成される。拡散障壁体３重層の頂部層は、金属
化層に隣接して配置される。拡散障壁体３重層の頂部層
と金属化層との間の反応は起こらなく、または非常に少
なくしか起こらなく、したがってそれにより、金属化層
のシート抵抗値が保持され、そして集積回路の動作速度
が増強される。装置の寸法が１マイクロメートルの４分
の１程度にまで小さくなる時、導電体を作成するのに用
いられる金属化層のシート抵抗値が小さいことは、ます
ます重要になってくる。
路の障壁体層との反応を非常に小さくする拡散障壁体３
重層に関する。この３重層は、従来用いられている１個
のＴｉＮ層と類似の底部層と、頂部層と同様の結晶構造
を有しそして好ましくは単結晶状のマイクロ構造を有す
る部材で構成されるシード層と、このシード層の上に成
長されかつまた単結晶状のマイクロ構造を有する頂部層
と、で構成される。拡散障壁体３重層の頂部層は、金属
化層に隣接して配置される。拡散障壁体３重層の頂部層
と金属化層との間の反応は起こらなく、または非常に少
なくしか起こらなく、したがってそれにより、金属化層
のシート抵抗値が保持され、そして集積回路の動作速度
が増強される。装置の寸法が１マイクロメートルの４分
の１程度にまで小さくなる時、導電体を作成するのに用
いられる金属化層のシート抵抗値が小さいことは、ます
ます重要になってくる。
【００１２】先行技術に関してここで認識されるべき問
題点が、図１〜図６でまず説明される。図１は、半導体
ウエハ２０の横断面図である。半導体ウエハ２０は、基
板２２の上に沈着された拡散障壁体２４を有する。基板
２２はＳｉＯ2 で構成することができるが、タングステ
ンの貫通孔や、他の金属層、または半導体エレメントを
もまた有することができる。従来の拡散障壁体２４は、
典型的には、５００オングストロームのＴｉＮ層で構成
される。拡散障壁体２４の上に、金属化層２６が沈着さ
れる。ここで、金属化層２６は、通常、６０００オング
ストロームのＡｌＣｕで構成され、そして約５０〜６０
ｍΩ／平方のシート抵抗値を有する。
題点が、図１〜図６でまず説明される。図１は、半導体
ウエハ２０の横断面図である。半導体ウエハ２０は、基
板２２の上に沈着された拡散障壁体２４を有する。基板
２２はＳｉＯ2 で構成することができるが、タングステ
ンの貫通孔や、他の金属層、または半導体エレメントを
もまた有することができる。従来の拡散障壁体２４は、
典型的には、５００オングストロームのＴｉＮ層で構成
される。拡散障壁体２４の上に、金属化層２６が沈着さ
れる。ここで、金属化層２６は、通常、６０００オング
ストロームのＡｌＣｕで構成され、そして約５０〜６０
ｍΩ／平方のシート抵抗値を有する。
【００１３】半導体の製造において、後の段階で沈着さ
れた層（図示されていない）の熱処理が必要となること
が多い。例えば、ある誘電体に対し４００〜４５０℃で
熱処理が行われる。また、いくつかの半導体製造法の最
終段階では、トランジスタの中の損傷を修復するために
焼結段階が行われる。この焼結段階において、ウエハは
また４５０℃付近にまで加熱される。ウエハ２０を加熱
することにより、金属化層２６と拡散障壁体２４の中の
原子は非常に移動しやすくなり、それにより、これらの
２つの層の間で化学反応が起こる。この化学反応の結
果、図２に示されているように、金属化層２６の反応し
た部分２８が発生する。反応した部分２８は、高いシー
ト抵抗値を有するアルミニウム・チタンおよび／または
窒化アルミニウム化合物で構成され、そして５００〜８
００オングストローム程度にまで金属化層の中に広がる
であろう。金属化層２６の反応した部分２８は、金属化
層２６のシート抵抗値を（例えば、１５％にまで、また
は７０ｍΩ／平方にまで）増大させる。このシート抵抗
値の増大は、ＶＬＳＩ回路の重要な特性である装置の動
作速度に有害な影響を与える。
れた層（図示されていない）の熱処理が必要となること
が多い。例えば、ある誘電体に対し４００〜４５０℃で
熱処理が行われる。また、いくつかの半導体製造法の最
終段階では、トランジスタの中の損傷を修復するために
焼結段階が行われる。この焼結段階において、ウエハは
また４５０℃付近にまで加熱される。ウエハ２０を加熱
することにより、金属化層２６と拡散障壁体２４の中の
原子は非常に移動しやすくなり、それにより、これらの
２つの層の間で化学反応が起こる。この化学反応の結
果、図２に示されているように、金属化層２６の反応し
た部分２８が発生する。反応した部分２８は、高いシー
ト抵抗値を有するアルミニウム・チタンおよび／または
窒化アルミニウム化合物で構成され、そして５００〜８
００オングストローム程度にまで金属化層の中に広がる
であろう。金属化層２６の反応した部分２８は、金属化
層２６のシート抵抗値を（例えば、１５％にまで、また
は７０ｍΩ／平方にまで）増大させる。このシート抵抗
値の増大は、ＶＬＳＩ回路の重要な特性である装置の動
作速度に有害な影響を与える。
【００１４】図３は、図１および図２に示された従来の
ＡｌＣｕ／ＴｉＮ層状構造体のラザフォード後方散乱ス
ペクトロスコピイ（ＲＢＳ、Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂ
ａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ
ｙ）の４５０℃で行われた熱処理の前と後の図である。
Ｔｉ信号の裾部分は、ＡｌＣｕとその下にあるＴｉＮと
の間で反応が起こっていることを示す。
ＡｌＣｕ／ＴｉＮ層状構造体のラザフォード後方散乱ス
ペクトロスコピイ（ＲＢＳ、Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂ
ａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ
ｙ）の４５０℃で行われた熱処理の前と後の図である。
Ｔｉ信号の裾部分は、ＡｌＣｕとその下にあるＴｉＮと
の間で反応が起こっていることを示す。
【００１５】図４は、先行技術における拡散障壁体２４
のまた別の応用の図である。この場合には、例えばＳｉ
Ｏ2 で構成される誘電体層３０が沈着され、そして下に
ある基板２２に対し電気的接触を作成するためにエッチ
ングが行われる。典型的にはチタンで構成される第１貫
通孔ライナ３２が沈着され、そして次に、例えばＴｉＮ
で構成される第２貫通孔ライナ３４が沈着される。貫通
孔プラグ３６は、通常、タングステンのような金属で作
成されるが、また他の金属または他の合金で作成するこ
ともできる。次に、ＴｉＮの拡散障壁体２４が沈着さ
れ、その後、再びＡｌＣｕで構成される金属化層２６が
沈着される。
のまた別の応用の図である。この場合には、例えばＳｉ
Ｏ2 で構成される誘電体層３０が沈着され、そして下に
ある基板２２に対し電気的接触を作成するためにエッチ
ングが行われる。典型的にはチタンで構成される第１貫
通孔ライナ３２が沈着され、そして次に、例えばＴｉＮ
で構成される第２貫通孔ライナ３４が沈着される。貫通
孔プラグ３６は、通常、タングステンのような金属で作
成されるが、また他の金属または他の合金で作成するこ
ともできる。次に、ＴｉＮの拡散障壁体２４が沈着さ
れ、その後、再びＡｌＣｕで構成される金属化層２６が
沈着される。
【００１６】他の先行技術の実施例の場合のように、こ
の構造体が加熱される時、金属化層２６が拡散障壁体２
４と反応し、図５に示されているように、金属化層２６
の反応した部分２８が発生し、金属化層２６のシート抵
抗値が増大する。
の構造体が加熱される時、金属化層２６が拡散障壁体２
４と反応し、図５に示されているように、金属化層２６
の反応した部分２８が発生し、金属化層２６のシート抵
抗値が増大する。
【００１７】ここで、前記で説明した先行技術の実施例
について認められる問題点は、拡散障壁体２４のマイク
ロ構造である。アモルファスＳｉＯ2 の上に沈着された
ＴｉＮは、図６に示されているように、結晶面方位がラ
ンダムな多結晶状構造を有する。その結晶構造は多数個
の大角度結晶粒境界３８を有する。この構造体が加熱さ
れる時、これらの大角度結晶粒境界３８を通って原子が
容易に移動することができる。それぞれの結晶の結晶面
の方向４０は極めて不規則であり、多結晶部材の結晶面
の方向と類似している。多結晶部材の場合には、結晶面
の方向は全く整列していない、すなわち全く平行ではな
い。したがって、ウエハが加熱される時、ＴｉＮの結晶
構造は原子が容易に移動することが可能な結晶構造であ
る。本発明により、単結晶状品質の金属化層２６に隣接
してＴｉＮの層を作成することにより、この問題点を解
決することができる。「単結晶状」および「組織状」と
いう用語は、単結晶の構造と同様の分子性結晶構造を有
する構造として定義される。単結晶の場合には、結晶面
の方向は事実上同じ方向に整列している。
について認められる問題点は、拡散障壁体２４のマイク
ロ構造である。アモルファスＳｉＯ2 の上に沈着された
ＴｉＮは、図６に示されているように、結晶面方位がラ
ンダムな多結晶状構造を有する。その結晶構造は多数個
の大角度結晶粒境界３８を有する。この構造体が加熱さ
れる時、これらの大角度結晶粒境界３８を通って原子が
容易に移動することができる。それぞれの結晶の結晶面
の方向４０は極めて不規則であり、多結晶部材の結晶面
の方向と類似している。多結晶部材の場合には、結晶面
の方向は全く整列していない、すなわち全く平行ではな
い。したがって、ウエハが加熱される時、ＴｉＮの結晶
構造は原子が容易に移動することが可能な結晶構造であ
る。本発明により、単結晶状品質の金属化層２６に隣接
してＴｉＮの層を作成することにより、この問題点を解
決することができる。「単結晶状」および「組織状」と
いう用語は、単結晶の構造と同様の分子性結晶構造を有
する構造として定義される。単結晶の場合には、結晶面
の方向は事実上同じ方向に整列している。
【００１８】図７は、本発明の実施例の横断面図であ
る。基板２２の上に、拡散障壁体３重層４２が沈着され
る。この拡散障壁体３重層４２の上に、金属化層２６が
沈着される。拡散障壁体３重層４２は、底部層４４と、
シード層４６と、頂部層４８とで構成される。層４４、
４６、４８は、典型的には、スパッタリングで沈着され
るが、例えば、化学蒸気沈着、または電子ビーム沈着で
作成することもできる。底部層４４と頂部層４８のＴｉ
Ｎは、約４００℃でスパッタリングされることが好まし
い。シード層４６は、３００℃でスパッタリングされた
５００オングストロームのＴｉであることが好ましい。
底部層４４は、１００〜６０００オングストロームのＴ
ｉＮであることが好ましい（最も好ましいのは４００オ
ングストロームのＴｉＮである）。底部層４４は、シー
ド層４６と頂部層４８と金属化層２６とを、その下にあ
る金属（例えば、Ｗ貫通孔プラグまたはスタッド）から
分離するのに用いられる。シード層４６は、銅を重量で
０．５〜４％含有する１００〜６０００オングストロー
ムのＡｌＣｕ、または他の金属であることもできる。シ
ード層４６は、頂部層４８の結晶構造および性質を改め
るために、種結晶として作用する。シード層４６はま
た、底部層と頂部層との２つのＴｉＮ層の間で相互拡散
がほとんど起こらないように、頂部層４８から底部層４
４を分離するための犠牲層として用いられる。頂部層４
８は、エピタクシャル方式でシード層４６の上に沈着さ
れた、１００〜１０００オングストロームのＴｉＮであ
ることが好ましい（最も好ましいのは１００オングスト
ロームのＴｉＮである）。頂部層４８は、金属化層２６
をシード層４６から分離する。（シード層４６の存在に
より得られる）頂部層の結晶構造の性質が改良されるこ
とにより、ＴｉＮは金属化層２６とは強くは反応しな
く、そして金属化層２６のシート抵抗値は加熱処理によ
っても不変のままである。さらに、頂部層４８は、シー
ド層４６とは反応しない。
る。基板２２の上に、拡散障壁体３重層４２が沈着され
る。この拡散障壁体３重層４２の上に、金属化層２６が
沈着される。拡散障壁体３重層４２は、底部層４４と、
シード層４６と、頂部層４８とで構成される。層４４、
４６、４８は、典型的には、スパッタリングで沈着され
るが、例えば、化学蒸気沈着、または電子ビーム沈着で
作成することもできる。底部層４４と頂部層４８のＴｉ
Ｎは、約４００℃でスパッタリングされることが好まし
い。シード層４６は、３００℃でスパッタリングされた
５００オングストロームのＴｉであることが好ましい。
底部層４４は、１００〜６０００オングストロームのＴ
ｉＮであることが好ましい（最も好ましいのは４００オ
ングストロームのＴｉＮである）。底部層４４は、シー
ド層４６と頂部層４８と金属化層２６とを、その下にあ
る金属（例えば、Ｗ貫通孔プラグまたはスタッド）から
分離するのに用いられる。シード層４６は、銅を重量で
０．５〜４％含有する１００〜６０００オングストロー
ムのＡｌＣｕ、または他の金属であることもできる。シ
ード層４６は、頂部層４８の結晶構造および性質を改め
るために、種結晶として作用する。シード層４６はま
た、底部層と頂部層との２つのＴｉＮ層の間で相互拡散
がほとんど起こらないように、頂部層４８から底部層４
４を分離するための犠牲層として用いられる。頂部層４
８は、エピタクシャル方式でシード層４６の上に沈着さ
れた、１００〜１０００オングストロームのＴｉＮであ
ることが好ましい（最も好ましいのは１００オングスト
ロームのＴｉＮである）。頂部層４８は、金属化層２６
をシード層４６から分離する。（シード層４６の存在に
より得られる）頂部層の結晶構造の性質が改良されるこ
とにより、ＴｉＮは金属化層２６とは強くは反応しな
く、そして金属化層２６のシート抵抗値は加熱処理によ
っても不変のままである。さらに、頂部層４８は、シー
ド層４６とは反応しない。
【００１９】半導体技術において、シリコンを成長させ
る時、結晶構造を要求された配置に配向させるために、
種結晶が用いられる。同様に、拡散障壁体３重層４２の
シード層４６は、後で沈着される頂部層４８の結晶構造
を配向させる。拡散障壁体３重層４２のシード層４６
は、その結晶構造、格子パラメータ、および結晶整合の
ために選定された、ＴｉまたはＡｌＣｕのような部材で
ある。結晶構造と格子パラメータは、頂部層４８の結晶
構造および格子パラメータと類似であることが要求され
る。その結果、図８に示されているように、頂部層４８
は単結晶状構造を有する。
る時、結晶構造を要求された配置に配向させるために、
種結晶が用いられる。同様に、拡散障壁体３重層４２の
シード層４６は、後で沈着される頂部層４８の結晶構造
を配向させる。拡散障壁体３重層４２のシード層４６
は、その結晶構造、格子パラメータ、および結晶整合の
ために選定された、ＴｉまたはＡｌＣｕのような部材で
ある。結晶構造と格子パラメータは、頂部層４８の結晶
構造および格子パラメータと類似であることが要求され
る。その結果、図８に示されているように、頂部層４８
は単結晶状構造を有する。
【００２０】本発明の利点を示すために、実験が行われ
た。図９は、ＡｌＣｕの金属化層２６と、ＴｉＮの頂部
層４８と、ＡｌＣｕのシード層４６とで構成される構造
体に対し、図３で説明されたのと同じ４５０℃の熱処理
が行われた時のＲＢＳの図である。図３とは異なって、
ＡｌＣｕとＴｉＮとの間に反応は起っていない。実験で
は、シード層４６はＡｌＣｕで構成され、そして底部層
４４は用いられていない。実験のＲＢＳの結果は、横断
面の透過型電子顕微鏡像により確認された。Ｘ線回折
は、シード層４６を用いることにより、ＴｉＮの頂部層
４８は、アモルファスＳｉＯ2 の上に沈着された多結晶
ＴｉＮに比べて、さらに強く組織化される、またはさら
によく単結晶化されるようになることを示している。Ｓ
ｉＯ2 の上に沈着されたＴｉＮの（１１１）Ｘ線回折線
の強度は、ＡｌＣｕの上のＴｉＮの（１１１）Ｘ線回折
線の強度の１０分の１以下である。ＡｌＣｕシード層４
６の上のＴｉＮ頂部層４８のこの増強された組織化は、
スパッタリングにより作成されたＡｌＣｕシード層４６
が強い（１１１）組織を有し、そしてＴｉＮ頂部層４８
の結晶構造および格子パラメータがＡｌの結晶構造およ
び格子パラメータに似ているという事実によるものであ
る。
た。図９は、ＡｌＣｕの金属化層２６と、ＴｉＮの頂部
層４８と、ＡｌＣｕのシード層４６とで構成される構造
体に対し、図３で説明されたのと同じ４５０℃の熱処理
が行われた時のＲＢＳの図である。図３とは異なって、
ＡｌＣｕとＴｉＮとの間に反応は起っていない。実験で
は、シード層４６はＡｌＣｕで構成され、そして底部層
４４は用いられていない。実験のＲＢＳの結果は、横断
面の透過型電子顕微鏡像により確認された。Ｘ線回折
は、シード層４６を用いることにより、ＴｉＮの頂部層
４８は、アモルファスＳｉＯ2 の上に沈着された多結晶
ＴｉＮに比べて、さらに強く組織化される、またはさら
によく単結晶化されるようになることを示している。Ｓ
ｉＯ2 の上に沈着されたＴｉＮの（１１１）Ｘ線回折線
の強度は、ＡｌＣｕの上のＴｉＮの（１１１）Ｘ線回折
線の強度の１０分の１以下である。ＡｌＣｕシード層４
６の上のＴｉＮ頂部層４８のこの増強された組織化は、
スパッタリングにより作成されたＡｌＣｕシード層４６
が強い（１１１）組織を有し、そしてＴｉＮ頂部層４８
の結晶構造および格子パラメータがＡｌの結晶構造およ
び格子パラメータに似ているという事実によるものであ
る。
【００２１】頂部層４８は底部層４４よりも薄いことが
好ましい。頂部層４８が底部層４４よりも薄いと、Ａｌ
Ｃｕの金属化層２６との間の反応が起こりにくくなる。
シード層４６を用いることにより、金属化層２６との反
応をできるだけ小さくするために、ＴｉＮの頂部層４８
を十分に薄くすることができ、一方、ＴｉＮの底部層４
４を十分に厚くすることにより、金属積層体（金属化層
２６／頂部層４８／シード層４６）と、下にある金属、
例えば、図１０に示されたタングステン貫通孔プラグ３
６と、の間に起こり得る相互拡散を抑制することと電気
的移動に対する抵抗力とを得ることができる。頂部層４
８の薄さと（シード層の存在による）改良された性質と
のために、頂部層４８は金属化層２６と強くは反応しな
く、かつ金属化層のシート抵抗値は熱処理を行っても不
変のままである。さらに、頂部層４８はシード層４６と
も反応しない。このことは、図９のＲＢＳに示されてい
る通りである。
好ましい。頂部層４８が底部層４４よりも薄いと、Ａｌ
Ｃｕの金属化層２６との間の反応が起こりにくくなる。
シード層４６を用いることにより、金属化層２６との反
応をできるだけ小さくするために、ＴｉＮの頂部層４８
を十分に薄くすることができ、一方、ＴｉＮの底部層４
４を十分に厚くすることにより、金属積層体（金属化層
２６／頂部層４８／シード層４６）と、下にある金属、
例えば、図１０に示されたタングステン貫通孔プラグ３
６と、の間に起こり得る相互拡散を抑制することと電気
的移動に対する抵抗力とを得ることができる。頂部層４
８の薄さと（シード層の存在による）改良された性質と
のために、頂部層４８は金属化層２６と強くは反応しな
く、かつ金属化層のシート抵抗値は熱処理を行っても不
変のままである。さらに、頂部層４８はシード層４６と
も反応しない。このことは、図９のＲＢＳに示されてい
る通りである。
【００２２】また別の処理工程およびエレメント部材を
適切に用いることもでき、そしてこのような変更実施例
の可能であることは、当業者にはすぐに分かるであろ
う。例えば、頂部層４８は、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、ＴｉＡ
ｌＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｔａ、またはＴａＮのような他の結
晶拡散障壁体部材で構成することもできる。底部層４４
は、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｔ
ａ、ＴａＮ、またはＴａＳｉＮのような他の結晶または
他のアモルファス拡散障壁体部材で構成することもでき
る。基板は、誘電体（例えば、ＳｉＯ2 、ＰＥＴＥＯ
Ｓ、ＢＰＳＧ）、金属（例えば、Ｗ、Ａｕ）、または半
導体（例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ）であることができる。
シード層４６は、頂部層４８の結晶構造に適切に整合す
る結晶構造を有する他の部材で構成することができる。
金属化層２６は、アルミニウム、銅、およびそれらの合
金、または他の金属で構成することができる。拡散障壁
体３重層４２は、基板２２の全体の上の連続した膜とし
て、または沈着の後パターンに作成された膜として、１
マイクロメートル程度の寸法に構成することができる。
適切に用いることもでき、そしてこのような変更実施例
の可能であることは、当業者にはすぐに分かるであろ
う。例えば、頂部層４８は、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、ＴｉＡ
ｌＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｔａ、またはＴａＮのような他の結
晶拡散障壁体部材で構成することもできる。底部層４４
は、ＴｉＷ、ＴｉＷＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｔ
ａ、ＴａＮ、またはＴａＳｉＮのような他の結晶または
他のアモルファス拡散障壁体部材で構成することもでき
る。基板は、誘電体（例えば、ＳｉＯ2 、ＰＥＴＥＯ
Ｓ、ＢＰＳＧ）、金属（例えば、Ｗ、Ａｕ）、または半
導体（例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ）であることができる。
シード層４６は、頂部層４８の結晶構造に適切に整合す
る結晶構造を有する他の部材で構成することができる。
金属化層２６は、アルミニウム、銅、およびそれらの合
金、または他の金属で構成することができる。拡散障壁
体３重層４２は、基板２２の全体の上の連続した膜とし
て、または沈着の後パターンに作成された膜として、１
マイクロメートル程度の寸法に構成することができる。
【００２３】本発明で開示された拡散障壁体３重層は、
従来の拡散障壁体に比べて、熱処理を行っても金属化層
とその下にある拡散障壁体との反応が非常に小さくまた
は全くなく、その結果、金属化層のシート抵抗値の増大
が起こらない。したがって、装置の動作速度に熱処理が
及ぼす有害な影響がないという利点が、本発明により得
られる。
従来の拡散障壁体に比べて、熱処理を行っても金属化層
とその下にある拡散障壁体との反応が非常に小さくまた
は全くなく、その結果、金属化層のシート抵抗値の増大
が起こらない。したがって、装置の動作速度に熱処理が
及ぼす有害な影響がないという利点が、本発明により得
られる。
【００２４】例示された実施例について本発明が説明さ
れたが、これらの説明は、本発明の範囲がこれらの実施
例に限定されることを意味するものではない。例示され
た実施例を種々に変更した実施例および種々に組み合わ
せた実施例、および本発明の他の実施例の可能であるこ
とは、前記説明から当業者にはすぐに分かるであろう。
したがって、このような変更実施例および修正実施例は
すべて、本発明の範囲内に包含されるものと理解されな
ければならない。
れたが、これらの説明は、本発明の範囲がこれらの実施
例に限定されることを意味するものではない。例示され
た実施例を種々に変更した実施例および種々に組み合わ
せた実施例、および本発明の他の実施例の可能であるこ
とは、前記説明から当業者にはすぐに分かるであろう。
したがって、このような変更実施例および修正実施例は
すべて、本発明の範囲内に包含されるものと理解されな
ければならない。
【００２５】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） 底部金属層と、前記底部金属層に隣接したシー
ド金属層と、前記シード金属層に隣接し、かつ前記シー
ド層の結晶構造と類似の結晶構造を有する、頂部金属層
と、を有する、半導体ウエハのための拡散障壁体３重
層。 （２） 第１項記載の３重層において、前記底部層がＴ
ｉＮで構成され、かつ前記シード層がＴｉで構成され、
かつ前記頂部層がＴｉＮで構成される、前記３重層。 （３） 第１項記載の３重層において、前記底部層がＴ
ｉＮで構成され、かつ前記シード層がアルミニウム・銅
合金で構成され、かつ前記頂部層がＴｉＮで構成され
る、前記３重層。 （４） 基板と、前記基板に隣接した底部層と、前記底
部層に隣接したシード層と、前記シード層に隣接した頂
部層と、前記頂部層に隣接した金属化層と、を有する、
半導体ウエハ金属化構造体。 （５） 第１項記載の構造体において、前記底部層がＴ
ｉＮと、ＴｉＷと、ＴｉＷＮと、ＴｉＡｌＮと、ＴｉＳ
ｉＮと、Ｔａと、ＴａＮと、ＴａＳｉＮとから成る群か
ら選定された金属である、前記構造体。 （６） 第４項記載の構造体において、前記シード層が
アルミニウムで構成される、前記構造体。 （７） 第６項記載の構造体において、前記シード層が
また重量で０．５ないし４パーセントの組成範囲の銅溶
質を有する、前記構造体。 （８） 第４項記載の構造体において、前記シード層が
銅で構成される、前記構造体。 （９） 第４項記載の構造体において、前記シード層が
チタンで構成される、前記構造体。 （１０） 第４項記載の構造体において、前記シード層
が強い結晶性組織を有する金属で構成される、前記構造
体。 （１１） 第４項記載の構造体において、前記シード層
が前記頂部層の結晶構造と類似の結晶構造を有する金属
で構成される、前記構造体。 （１２） 第４項記載の構造体において、前記シード層
が前記頂部層の組織を増強する金属で構成される、前記
構造体。 （１３） 第４項記載の構造体において、前記金属化層
がアルミニウムで構成される、前記構造体。 （１４） 第１３項記載の構造体において、前記金属化
層がまた重量で０．５ないし４パーセントの組成範囲の
銅溶質を有する、前記構造体。 （１５） 第４項記載の構造体において、前記金属化構
造体の熱処理が前記金属化層と前記頂部層との間に反応
を誘起しない、前記構造体。 （１６） 第３項記載の構造体において、前記頂部層が
ＴｉＮと、ＴｉＷと、ＴｉＷＮと、ＴｉＡｌＮと、Ｔｉ
ＳｉＮと、Ｔａと、ＴａＮとから成る群から選定された
結晶性金属である、前記構造体。
る。 （１） 底部金属層と、前記底部金属層に隣接したシー
ド金属層と、前記シード金属層に隣接し、かつ前記シー
ド層の結晶構造と類似の結晶構造を有する、頂部金属層
と、を有する、半導体ウエハのための拡散障壁体３重
層。 （２） 第１項記載の３重層において、前記底部層がＴ
ｉＮで構成され、かつ前記シード層がＴｉで構成され、
かつ前記頂部層がＴｉＮで構成される、前記３重層。 （３） 第１項記載の３重層において、前記底部層がＴ
ｉＮで構成され、かつ前記シード層がアルミニウム・銅
合金で構成され、かつ前記頂部層がＴｉＮで構成され
る、前記３重層。 （４） 基板と、前記基板に隣接した底部層と、前記底
部層に隣接したシード層と、前記シード層に隣接した頂
部層と、前記頂部層に隣接した金属化層と、を有する、
半導体ウエハ金属化構造体。 （５） 第１項記載の構造体において、前記底部層がＴ
ｉＮと、ＴｉＷと、ＴｉＷＮと、ＴｉＡｌＮと、ＴｉＳ
ｉＮと、Ｔａと、ＴａＮと、ＴａＳｉＮとから成る群か
ら選定された金属である、前記構造体。 （６） 第４項記載の構造体において、前記シード層が
アルミニウムで構成される、前記構造体。 （７） 第６項記載の構造体において、前記シード層が
また重量で０．５ないし４パーセントの組成範囲の銅溶
質を有する、前記構造体。 （８） 第４項記載の構造体において、前記シード層が
銅で構成される、前記構造体。 （９） 第４項記載の構造体において、前記シード層が
チタンで構成される、前記構造体。 （１０） 第４項記載の構造体において、前記シード層
が強い結晶性組織を有する金属で構成される、前記構造
体。 （１１） 第４項記載の構造体において、前記シード層
が前記頂部層の結晶構造と類似の結晶構造を有する金属
で構成される、前記構造体。 （１２） 第４項記載の構造体において、前記シード層
が前記頂部層の組織を増強する金属で構成される、前記
構造体。 （１３） 第４項記載の構造体において、前記金属化層
がアルミニウムで構成される、前記構造体。 （１４） 第１３項記載の構造体において、前記金属化
層がまた重量で０．５ないし４パーセントの組成範囲の
銅溶質を有する、前記構造体。 （１５） 第４項記載の構造体において、前記金属化構
造体の熱処理が前記金属化層と前記頂部層との間に反応
を誘起しない、前記構造体。 （１６） 第３項記載の構造体において、前記頂部層が
ＴｉＮと、ＴｉＷと、ＴｉＷＮと、ＴｉＡｌＮと、Ｔｉ
ＳｉＮと、Ｔａと、ＴａＮとから成る群から選定された
結晶性金属である、前記構造体。
【００２６】（１７） 基板の上に底部層を沈着する段
階と、前記底部層の上にシード層を沈着する段階と、前
記シード層の上に頂部層を沈着する段階と、前記頂部層
の上に金属化層を沈着する段階と、を有する、半導体ウ
エハ金属化構造体を製造する方法。 （１８） 第１７項記載の方法において、前記底部層が
ＴｉＮと、ＴｉＷと、ＴｉＷＮと、ＴｉＡｌＮと、Ｔｉ
ＳｉＮと、Ｔａと、ＴａＮと、ＴａＳｉＮとから成る群
から選定された金属である、前記方法。 （１９） 第１７項記載の方法において、前記シード層
がアルミニウムで構成される、前記方法。 （２０） 第１９項記載の方法において、前記シード層
がまた重量で０．５ないし４パーセントの組成範囲の銅
溶質を有する、前記方法。 （２１） 第１７項記載の方法において、前記シード層
が銅で構成される、前記方法。 （２２） 第１７項記載の方法において、前記シード層
がチタンで構成される、前記方法。 （２３） 第１７項記載の方法において、前記シード層
が単結晶状である、前記方法。 （２４） 第１７項記載の方法において、前記シード層
が前記頂部層の結晶構造と類似の結晶構造を有する金属
で構成される、前記方法。 （２５） 第１７項記載の方法において、シード層を沈
着する前記段階が前記頂部層の組織を増強する、前記方
法。 （２６） 第１７項記載の方法において、前記ウエハを
加熱する前記段階が前記金属化層と前記頂部層との間の
反応を誘起しない、前記方法。 （２７） 第１７項記載の方法において、前記頂部層が
ＴｉＮと、ＴｉＷと、ＴｉＷＮと、ＴｉＡｌＮと、Ｔｉ
ＳｉＮと、Ｔａと、ＴａＮとから成る群から選定された
結晶性金属である、前記方法。 （２８） 第１７項記載の方法において、前記底部層が
前記頂部層の厚さよりも小さな厚さを有する、前記方
法。
階と、前記底部層の上にシード層を沈着する段階と、前
記シード層の上に頂部層を沈着する段階と、前記頂部層
の上に金属化層を沈着する段階と、を有する、半導体ウ
エハ金属化構造体を製造する方法。 （１８） 第１７項記載の方法において、前記底部層が
ＴｉＮと、ＴｉＷと、ＴｉＷＮと、ＴｉＡｌＮと、Ｔｉ
ＳｉＮと、Ｔａと、ＴａＮと、ＴａＳｉＮとから成る群
から選定された金属である、前記方法。 （１９） 第１７項記載の方法において、前記シード層
がアルミニウムで構成される、前記方法。 （２０） 第１９項記載の方法において、前記シード層
がまた重量で０．５ないし４パーセントの組成範囲の銅
溶質を有する、前記方法。 （２１） 第１７項記載の方法において、前記シード層
が銅で構成される、前記方法。 （２２） 第１７項記載の方法において、前記シード層
がチタンで構成される、前記方法。 （２３） 第１７項記載の方法において、前記シード層
が単結晶状である、前記方法。 （２４） 第１７項記載の方法において、前記シード層
が前記頂部層の結晶構造と類似の結晶構造を有する金属
で構成される、前記方法。 （２５） 第１７項記載の方法において、シード層を沈
着する前記段階が前記頂部層の組織を増強する、前記方
法。 （２６） 第１７項記載の方法において、前記ウエハを
加熱する前記段階が前記金属化層と前記頂部層との間の
反応を誘起しない、前記方法。 （２７） 第１７項記載の方法において、前記頂部層が
ＴｉＮと、ＴｉＷと、ＴｉＷＮと、ＴｉＡｌＮと、Ｔｉ
ＳｉＮと、Ｔａと、ＴａＮとから成る群から選定された
結晶性金属である、前記方法。 （２８） 第１７項記載の方法において、前記底部層が
前記頂部層の厚さよりも小さな厚さを有する、前記方
法。
【００２７】（２９） 拡散障壁体３重層４２は、底部
層４４と、シード層４６と、頂部層４８とで構成され
る。前記拡散障壁体３重層４２は、熱処理の際、金属化
層２６と前記頂部層４８との間の反応を防止し、それに
より、改良されたシート抵抗値と装置の改良された動作
速度とが得られる。
層４４と、シード層４６と、頂部層４８とで構成され
る。前記拡散障壁体３重層４２は、熱処理の際、金属化
層２６と前記頂部層４８との間の反応を防止し、それに
より、改良されたシート抵抗値と装置の改良された動作
速度とが得られる。
【図１】金属化層と基板との間にＴｉＮ拡散障壁体を備
えた先行技術による半導体ウエハの横断面図。
えた先行技術による半導体ウエハの横断面図。
【図２】図１の先行技術によるウエハに熱処理を行った
後、金属化層が拡散障壁体と反応したことを示す横断面
図。
後、金属化層が拡散障壁体と反応したことを示す横断面
図。
【図３】先行技術によるウエハに熱処理を行う前と後の
ラザフォード後方散乱スペクトロスコピイ（ＲＢＳ）の
図。
ラザフォード後方散乱スペクトロスコピイ（ＲＢＳ）の
図。
【図４】金属化層をその下にある回路または金属層と接
続するために用いられる、先行技術による典型的な貫通
孔プラグ構造体の図。
続するために用いられる、先行技術による典型的な貫通
孔プラグ構造体の図。
【図５】図４のウエハが、熱処理が行われた後、金属化
層の一部分が拡散障壁体と反応したことを示す図。
層の一部分が拡散障壁体と反応したことを示す図。
【図６】大角度結晶粒境界を有する多結晶構造体を有す
る、先行技術による拡散障壁体の結晶構造の図。
る、先行技術による拡散障壁体の結晶構造の図。
【図７】本発明による拡散障壁体３重層の横断面図。
【図８】単結晶状の外見を有する拡散障壁体３重層の頂
部層の結晶構造の図。
部層の結晶構造の図。
【図９】拡散障壁体３重層を備えた試料ウエハに対す
る、熱処理を行う前と後のラザフォード後方散乱スペク
トロスコピイ（ＲＢＳ）の図。
る、熱処理を行う前と後のラザフォード後方散乱スペク
トロスコピイ（ＲＢＳ）の図。
【図１０】図４に示された構造体を本発明に従って実施
した構造体の図。
した構造体の図。
４４ 拡散障壁体３重層の底部金属層 ４６ 拡散障壁体３重層のシード金属層 ４８ 拡散障壁体３重層の頂部金属層 ２６ 金属化層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート エィチ．ヘイブマン アメリカ合衆国テキサス州ガーランド，ス ティルウォーター コート 7413
Claims (2)
- 【請求項１】 底部金属層と、 前記底部金属層に隣接したシード金属層と、 前記シード金属層に隣接し、かつ前記シード層の結晶構
造と類似の結晶構造を有する、頂部金属層と、を有す
る、半導体ウエハのための拡散障壁体３重層。 - 【請求項２】 基板の上に底部層を沈着する段階と、 前記底部層の上にシード層を沈着する段階と、 前記シード層の上に頂部層を沈着する段階と、 前記頂部層の上に金属化層を沈着する段階と、を有す
る、半導体ウエハ金属化構造体を製造する方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US41247395A | 1995-03-28 | 1995-03-28 | |
| US412473 | 1995-03-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08274173A true JPH08274173A (ja) | 1996-10-18 |
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ID=23633141
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8072674A Pending JPH08274173A (ja) | 1995-03-28 | 1996-03-27 | 集積回路の金属化層の間の反応をできるだけ小さくするための拡散障壁体３重層 |
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| US (1) | US5668411A (ja) |
| EP (1) | EP0735586B1 (ja) |
| JP (1) | JPH08274173A (ja) |
| KR (1) | KR100425655B1 (ja) |
| DE (1) | DE69625265T2 (ja) |
| TW (1) | TW392256B (ja) |
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