JPH1098011A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置及びその製造方法Info
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Abstract
たって、微細プロセスに適した薄い膜厚(25nm以
下)でより高いバリア性を有するバリア層を提供するこ
とを課題とする。 【解決手段】 基体上にタンタル炭化物からなるアモル
ファス状のバリア層を介して銅を主成分とする配線層が
形成されてなる構成により上記課題を解決する。
Description
の製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、例えば
0.35又は0.25ミクロンプロセスの如く微細プロ
セスに適した銅を主成分として含む配線層を有する半導
体装置及びその製造方法に関する。
下、微細プロセスと称する)になると、半導体装置に使
用される配線層の抵抗を小さくすることが望まれてい
る。ここで、0.35ミクロン以上のプロセスではアル
ミニウムからなる配線層が使用されているが、このアル
ミニウムに代わる次世代の配線材料として銅又は銅を主
成分とする配線層が知られている。しかしながら、銅は
アルミニウムに比べて低抵抗であるが、加工しにくく、
通常高温でしかパターニングできない。従って、アルミ
ニウムのようにレジストをマスクとしてパターニングす
ることが困難である。
うに形成されている。即ち、シリコン基板の表面に形成
されたSiO2 等の絶縁膜の一部に配線溝を形成し、次
いでシリコン基板上に銅を主成分とする金属化合物膜を
形成した後、ケミカルメカニカルポリッシング(CM
P)等によるダマシン法により前記金属化合物膜を加工
(研磨)することにより配線溝に配線層が形成されてい
る。また、銅は、アルミニウムに比べてシリコン基板の
表面及びSiO2 に拡散しやすいので、この拡散を防ぐ
ためにバリア層が使用されている。バリア層を構成する
材料としては、TiN、WN、TaN等が現在知られて
いる。
る配線層の銅の拡散バリア材料であるTiN、WN等は
バリア性が弱いため十分なバリア性を確保するために、
バリア層を厚くする必要があり、微細プロセスには向い
ていない。これは、微細プロセスでは、配線溝のアスペ
クト比が大きくなるので、上記バリア材料では配線溝の
開口付近のカバレッジが悪く、配線層を形成しにくいた
めである。
形成できたとしても、これらバリア層は銅より抵抗が高
いので、低抵抗の銅を配線層として使用しても配線全体
としての抵抗は高くなる。一方、TaNは薄膜化が可能
であるが、比抵抗値が560μΩcmと比較的高いの
で、配線溝に使用した場合、微細プロセスになればなる
ほどその抵抗が問題となる。
リア層の薄膜化技術として、特開平5−291560号
公報に記載された技術がある。この公報では、一部又は
全部をアモルファス状にしたチタン及びそれと窒素の化
合物をバリア層に使用している。バリア層をアモルファ
ス状にするために、シリコン基板上に反応性イオンビー
ムスパッタ法でTiNを形成し、次いで窒素イオンビー
ムのTiNへの照射が行われている。より具体的には、
照射される窒素イオンの入射角度をシリコン基板面に対
して10〜90°の間で連続的に変化させ、かつ基板を
回転させることによりTiNをアモルファス状にしてい
る。つまり、バリア層がTiNの場合、スパッタ法のみ
ではアモルファス状にならないため、窒素を注入するこ
とが必要となる。このため、窒素を注入する工程が増
え、チャージアップの原因となる。また、微細プロセス
では、配線溝のアスペクト比が大きくなるので、配線溝
のかげの部分に窒素を注入しにくくなる。よって、微細
プロセスにこのバリア層の使用は、不向きである。更
に、この公報ではアルミニウムが使用されているが、そ
の融点は660.4°(銅の融点は1083.4°)で
あり、配線層形成後は、融点以下の低温でしか熱処理で
きず、保護膜や多層配線等の熱処理に問題を生じる。
268025号公報には、アルミニウムを配線層の材料
とし、Taを主成分とする窒化物又は炭化物からなるバ
リア層を有する配線層が記載されている。これら公報に
記載されているバリア層の厚さは約100nmであり厚
い。従って、上記と同様の問題を有している。
る銅を主成分とする金属を配線層として、工程を増やす
ことなく、微細プロセスに適した薄い膜厚(25nm以
下)でより高いバリア性を有するバリア層を有する半導
体装置を提供することを目的とする。かくして本発明に
よれば、基体上にタンタル炭化物からなるアモルファス
状のバリア層を介して銅を主成分とする配線層が形成さ
れてなることを特徴とする半導体装置が提供される。
線層及び絶縁層がこの順で形成された基体の第1配線層
と接続を所望する部分の絶縁層に配線溝を形成し、次い
で少なくとも配線溝の表面にタンタル炭化物からなるア
モルファス状のバリア層を形成し、該バリア層上に銅を
主成分とする第2配線層を形成することを特徴とする半
導体装置の製造方法が提供される。
ン、GaAs等の半導体基板や、基板上にキャパシタ、
トランジスト等の装置が予め形成されたものを意味す
る。次に、本発明では配線層に主成分として銅が含まれ
る。ここで主成分とは、少なくとも50重量%を意味
し、好ましくは50〜99重量%を意味する。50重量
%より少ない場合は、高抵抗配線材となり好ましくな
い。配線層の厚さは0.1〜10μm、好ましくは0.
1〜3μmの範囲である。0.1μmより薄い場合は、
高抵抗値になり好ましくなく、10μmより厚い場合
は、上層配線材のエッジカバレッジが悪く好ましくな
い。配線層に含まれる銅以外の成分としては、銅と合金
化しうるスズ(Sn)等の金属が挙げられる。
リア層はタンタル炭化物からなる。このタンタル炭化物
は、バリア層中でアモルファス状の化合物として含まれ
る。またタンタル窒化物を更に含んでいてもよい。ここ
でタンタル炭化物中にタンタルは、78〜99重量%
(好ましくは93〜96重量%)含まれていることが好
ましい。78重量%より少ない場合は、炭化物が析出す
るので好ましくなく、99重量%より多い場合は、Ta
とSiが反応しやすいので好ましくない。配線層の厚さ
は25nm以下、好ましくは5〜25nmの範囲であ
る。5nmより薄い場合は、SiとTaCが反応しやす
いので、5nm以上が好ましい。25nmより厚い場合
は、結晶が多く含まれることによりアモルファス状態を
維持することができず、そのため配線の抵抗が大きくな
るので好ましくない。また、バリア層をアモルファス状
にすることにより、バリア性を向上させることができ、
従来バリアに100nm程度必要であった層厚を25n
m以下にすることが可能となる。これは、一般に同じ組
成の配線層でも、アモルファス状の方が比抵抗値が高い
ためである。なお、本発明においてアモルファス状に
は、完全なアモルファス状態の他、部分的に結晶が含ま
れる状態も含まれる。
の配線層に使用することができる。次に、本発明におけ
る配線層の製造方法を説明する。まず、少なくとも第1
配線層及び絶縁層がこの順で形成された基体の第1配線
層と接続を所望する部分の絶縁層に配線溝を形成する。
ここで、第1配線層とは、電気的接続を意図するもので
あれば特に限定されず、トランジスタのソース、ドレイ
ン、ゲートや、多層配線層の内の任意の一層等も含まれ
る。この第1配線層に使用される材料は、特に限定され
ず、アルミニウム、銅等の金属、シリサイド、不純物拡
散領域等が挙げられる。次に、絶縁層としては、特に限
定されず、酸化シリコン、窒化シリコン又はそれらの積
層構造、PSG、BPSG等が挙げられる。この絶縁層
に形成される配線溝は、第1配線層と後に形成される第
2配線層とを導通させることができればどのような形状
でもよい。しかし、微細化の観点からより狭く、小さい
ことが好ましい。
ル炭化物からなるバリア層を形成する。バリア層の形成
方法としては、スパッタリング法、CVD(化学気相堆
積)法等が挙げられる。例えば、タンタルをターゲット
として、炭素源の流通下でスパッタリングを行うことに
より形成することができる。炭素源としては、メタン、
エタン等が挙げられる。この炭素源は、アルゴン等の不
活性ガスとともに流すことが好ましい。更に、炭素源と
不活性ガスの比を調製することにより、任意の組成のバ
リア層を形成することができる。例えば、炭素源として
メタン(CH4 )を使用し、不活性ガスとしてアルゴン
(Ar)ガスを使用した場合、CH4 が16体積%のと
きTa:C=50:50(重量比)、20体積%のとき
Ta:C=40:60、30体積%のときTa:C=2
0:80とすることができる。
含まれていてもよい。このバリア層は、Taをターゲッ
トとし、N2 /炭素源/不活性ガス雰囲気下、TaNを
ターゲットとし、炭素源/不活性ガス雰囲気下、又はT
aCをターゲットとし、N2/不活性ガス雰囲気下でス
パッタリングを行うことにより形成することができる。
ここで、N2 及び/又は炭素源/不活性ガス=0.1〜
0.4であることが好ましい。
10-3Torrが好ましい。バリア層をCVD法で形成
する場合、例えばTa(N(CH3 )2 )5 (ペンタジ
メチルアミノタンタル)、N2 等の雰囲気下(それぞれ
の流量は50〜300sccm及びN2 =0〜500s
ccmが好ましい)、基板温度が100〜500℃、圧
力が0.1〜15Torrの条件下で行うことが好まし
い。
配線層を形成する。第2配線層は、蒸着、スパッタリン
グ法等の公知の方法により形成することができる。更
に、ケミカルメカニカルポリッシング(CMP)等によ
るダマシン法により第2配線層を加工(研磨)すること
により不要な部分を取り除いておくことが好ましい。
してもよく、更に絶縁層及び配線層を形成することによ
り多層配線を形成してもよい。
リコン基板1上にSiO2 からなる絶縁層3、不純物拡
散領域2を露出させるように形成されたコンタクトホー
ル4及び配線溝(5、6)からなる基体を予め準備した
(図1(a)参照)。
よりTaNx Cy からなるバリア層7をコンタクトホー
ル4の底部の厚さが25nmになるように形成した。
(図1(b)参照)。バリア層は、下記方法で製造し
た。 ・スパッタリング法による場合 Taをターゲットとし、N2 /CH4 /Arガス雰囲気
下、TaNをターゲットとし、CH4 /Arガス雰囲気
下、又はTaCをターゲットとし、N2 /Arガス雰囲
気下(N2 及び/又はCH4 /Ar=0.1〜0.4)
で、スパッタリング圧力2〜10×10-3Torrとし
た。 ・CVD法による場合 ガス流量:Ta(N(CH3 )2 )5 (ペンタジメチル
アミノタンタル)=50〜300sccm N2 =0〜500sccm 基板温度:100〜500℃ 圧力 :0.1〜15Torr なお、TaNx Cy の組成比はガスの流量比を変えるこ
とで制御した。また、CVD法で形成したほうがスパッ
タリング法より段差被覆性が良好であった。
をバリア層7上に積層した(図1(c)参照)。この
後、CMP等によるダマシン法により金属化合物膜8を
研磨して配線層9を形成した(図1(d)参照)。上記
方法により形成されたTaC及びTaNx Cy の比抵抗
値は210〜1700μΩcm、700℃以上の熱安定
性を有していた。
スパッタリング法により形成した。スパッタ圧力を2×
10-3torrとし、Taをターゲットとし、炭素源と
してCH4 を使用し、Arからなる不活性ガス雰囲気中
で行った。なお、雰囲気中にCH4 を16体積%、20
体積%及び30体積%含ませることにより、53:4
7、40:60及び20:80(重量比)の組成比から
なる3種のTaCを形成した。
ッタリング法により積層することにより配線層を形成し
た。この後、バリア層の安定性を評価するために、50
0〜800℃で30分間、N2 (95体積%)/H
2 (5%)ガス系中で熱処理を行った。熱処理後の配線
層を、XRD(X線回折)により測定した結果を図2〜
5に示した。この図より安定性を評価した。
抗値:1700μΩcm)、配線層の厚さが100n
m、Ta:Cの組成比が20:80であり、これを70
0℃・30分熱処理した場合、600℃・30分熱処理
した場合及び熱処理前のX線回折図である。700℃・
30分熱処理した場合、バリア層の結晶化が生じ、同時
にCu−Siが形成されることによりバリア性が劣化し
た。一方、600℃・30分熱処理した場合、Cu−S
iが形成されることもなく、バリア層はアモルファス状
であった。
抗値:470μΩcm)、配線層の厚さが100nm、
Ta:Cの組成比が40:60であり、これを750℃
・30分熱処理した場合、700℃・30分熱処理した
場合及び熱処理前のX線回折図である。750℃・30
分熱処理した場合、バリア層の結晶化が生じ、同時にT
aSi2 及びCu−Siが形成されることによりバリア
性が劣化した。一方、700℃・30分熱処理した場
合、Cu−Siが形成されることもなく、バリア層はア
モルファス状であった。
抗値:210μΩcm)、配線層の厚さが100nm、
Ta:Cの組成比が53:47であり、これを800℃
・30分熱処理した場合、750℃・30分熱処理した
場合及び熱処理前のX線回折図である。800℃・30
分熱処理した場合、バリア層の結晶化が生じ、同時にT
aSi2 及びCu−Siが形成されることによりバリア
性が劣化した。一方、750℃・30分熱処理した場
合、Cu−Siが形成されることもなく、バリア層はア
モルファス状であった。
値:210μΩcm)、配線層の厚さが100nm、T
a:Cの組成比が53:47であり、これを600℃・
30分熱処理した場合及び熱処理前のX線回折図であ
る。600℃・30分熱処理した場合、Cu−Siが形
成されることもなく、バリア層はアモルファス状であっ
た。
熱処理しても、銅のシリコン基板への拡散を防止できる
ことが判った。
ル炭化物からなるアモルファス状のバリア層を介して銅
を主成分とする配線層が形成されてなることを特徴とす
る。そのため、銅が基体中へ拡散することを防ぐことが
でき、微細プロセスの適したバリア性の高い低抵抗の配
線層を有する半導体装置を得ることができる。
少なくとも第1配線層及び絶縁層がこの順で形成された
基体の第1配線層と接続を所望する部分の絶縁層に配線
溝を形成し、次いで少なくとも配線溝の表面にタンタル
炭化物からなるアモルファス状のバリア層を形成し、該
バリア層上に銅を主成分とする第2配線層を形成するこ
とを特徴とする。そのため、後に熱処理されてもバリア
層はアモルファス状態を維持できるので、銅が基体中へ
拡散することを防ぐことができ、微細プロセスの適した
バリア性の高い低抵抗の配線層を有する半導体装置を得
ることができる。
図である。
たグラフである。
たグラフである。
たグラフである。
たグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 基体上にタンタル炭化物からなるアモル
ファス状のバリア層を介して銅を主成分とする配線層が
形成されてなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 バリア層が、タンタル窒化物を更に含む
請求項1による半導体装置。 - 【請求項3】 バリア層が、25nm以下の厚さを有す
る請求項1又は2による半導体装置。 - 【請求項4】 少なくとも第1配線層及び絶縁層がこの
順で形成された基体の第1配線層と接続を所望する部分
の絶縁層に配線溝を形成し、次いで少なくとも配線溝の
表面にタンタル炭化物からなるアモルファス状のバリア
層を形成し、該バリア層上に銅を主成分とする第2配線
層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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