JPH1174224A - 銅用の改善されたタンタル含有バリア層 - Google Patents
銅用の改善されたタンタル含有バリア層Info
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- JPH1174224A JPH1174224A JP10158286A JP15828698A JPH1174224A JP H1174224 A JPH1174224 A JP H1174224A JP 10158286 A JP10158286 A JP 10158286A JP 15828698 A JP15828698 A JP 15828698A JP H1174224 A JPH1174224 A JP H1174224A
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 タンタルと窒化タンタルの層を交互に堆積さ
せることによって、銅金属導体用の改善されたバリヤ層
を得ることを目的とする。 【解決手段】 誘電体層への銅の拡散を防ぐための改善
されたタンタルバリヤ層は、薄いアモルファスタンタル
層と窒化タンタル層とを交互にスパッタ堆積させること
によって形成される。完全にアモルファスのタンタル含
有層は、剥離し易くバリヤを破壊する厚いタンタル層の
柱状構造の形成を妨げる。タンタルと窒化タンタルのス
パッタ堆積は、希望の厚さのバリヤが得られるまで反復
できる。
せることによって、銅金属導体用の改善されたバリヤ層
を得ることを目的とする。 【解決手段】 誘電体層への銅の拡散を防ぐための改善
されたタンタルバリヤ層は、薄いアモルファスタンタル
層と窒化タンタル層とを交互にスパッタ堆積させること
によって形成される。完全にアモルファスのタンタル含
有層は、剥離し易くバリヤを破壊する厚いタンタル層の
柱状構造の形成を妨げる。タンタルと窒化タンタルのス
パッタ堆積は、希望の厚さのバリヤが得られるまで反復
できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
製造において、上に重なる金属銅ライン用の改善された
タンタルバリヤ層の堆積に関する。より詳細には、本発
明は向上したバリヤ性能を有するタンタル含有バリヤ層
の堆積に関する。
製造において、上に重なる金属銅ライン用の改善された
タンタルバリヤ層の堆積に関する。より詳細には、本発
明は向上したバリヤ性能を有するタンタル含有バリヤ層
の堆積に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスの製造では、酸化ケイ素
（silicon oxide）等の誘電体層を覆って導電性の金属
コンタクト及びラインを堆積させる。金属ラインは様々
なデバイスを相互に接続して集積回路を形成する。開口
部が誘電体層に作られて導電材料で充填されるので、上
に重なるラインと下にくるデバイスの間にコンタクトを
作ることもできる。
（silicon oxide）等の誘電体層を覆って導電性の金属
コンタクト及びラインを堆積させる。金属ラインは様々
なデバイスを相互に接続して集積回路を形成する。開口
部が誘電体層に作られて導電材料で充填されるので、上
に重なるラインと下にくるデバイスの間にコンタクトを
作ることもできる。
【０００３】デバイスが小型化されて、より多くのデバ
イスが単一の半導体（シリコン）ウェハ内に作られるに
つれて、誘電体層の開口部の直径はより小さくなる。こ
れらの小径の開口部を、特に従来のスパッタ堆積処理を
使って充填することは困難である。
イスが単一の半導体（シリコン）ウェハ内に作られるに
つれて、誘電体層の開口部の直径はより小さくなる。こ
れらの小径の開口部を、特に従来のスパッタ堆積処理を
使って充填することは困難である。
【０００４】図１は従来型のスパッタリングチャンバを
示す。真空チャンバ１０は、スパッタされる材料のター
ゲット１２と基板サポート１４とを含む。ＤＣ電源１３
はターゲット１２に接続される。一対の対向するマグネ
ット１６、１８がターゲットの頂部に取り付けられる。
ＲＦ電源等の電源２０が基板サポート１４に接続され
る。スパッタ堆積の間、基板２２は基板サポート１４上
に載置される。ガス入口１９はガスをチャンバへ流入さ
せる。スパッタリングガスとしてアルゴンが一般に使用
される。アルゴンはチャンバ内でイオン化され、マグネ
ット１６、１８によってターゲット１２に誘引される。
アルゴン原子がターゲットの表面に衝突して、基板２２
上に堆積するターゲット材料の粒子を放出させる。窒化
物等の材料が基板上に形成される場合、窒素ガスもチャ
ンバに流入され、そこでイオン化されて、基板上のスパ
ッタされた金属と反応する。
示す。真空チャンバ１０は、スパッタされる材料のター
ゲット１２と基板サポート１４とを含む。ＤＣ電源１３
はターゲット１２に接続される。一対の対向するマグネ
ット１６、１８がターゲットの頂部に取り付けられる。
ＲＦ電源等の電源２０が基板サポート１４に接続され
る。スパッタ堆積の間、基板２２は基板サポート１４上
に載置される。ガス入口１９はガスをチャンバへ流入さ
せる。スパッタリングガスとしてアルゴンが一般に使用
される。アルゴンはチャンバ内でイオン化され、マグネ
ット１６、１８によってターゲット１２に誘引される。
アルゴン原子がターゲットの表面に衝突して、基板２２
上に堆積するターゲット材料の粒子を放出させる。窒化
物等の材料が基板上に形成される場合、窒素ガスもチャ
ンバに流入され、そこでイオン化されて、基板上のスパ
ッタされた金属と反応する。
【０００５】スパッタ粒子は、ターゲットからランダム
な多方向に放出されるので、基板に垂直な方向で基板に
衝突するスパッタ粒子は比較的少ない。従って、大部分
のスパッタ粒子が若干異なる角度で開口部と衝突するの
で、開口部の底部ではなく、両サイドと頂部に沿ってス
パッタ層が生成する。更に、開口部のアスペクト比が高
まるにつれ、開口部の底部の被覆は一層困難になる。こ
の頂部と側部の生成物は、図２に示すように、開口部の
上にオーバーハングを形成して、それが更に、開口部の
底部への粒子の堆積を妨げる。図２は、部分的に金属１
１０で充填された開口部１００を示す。
な多方向に放出されるので、基板に垂直な方向で基板に
衝突するスパッタ粒子は比較的少ない。従って、大部分
のスパッタ粒子が若干異なる角度で開口部と衝突するの
で、開口部の底部ではなく、両サイドと頂部に沿ってス
パッタ層が生成する。更に、開口部のアスペクト比が高
まるにつれ、開口部の底部の被覆は一層困難になる。こ
の頂部と側部の生成物は、図２に示すように、開口部の
上にオーバーハングを形成して、それが更に、開口部の
底部への粒子の堆積を妨げる。図２は、部分的に金属１
１０で充填された開口部１００を示す。
【０００６】導電性のラインとコンタクトの製造にはア
ルミニウムが広く使われているが、最近では銅が試みら
れている。銅はアルミニウムよりも導電性は高いが、下
地のシリコン基板に対してアルミニウムと同様な問題を
持つ。すなわち、高い温度で銅は拡散して集積回路内の
他の材料と反応するので、導電性の金属と基板との間に
バリヤ層を堆積させる必要がある。
ルミニウムが広く使われているが、最近では銅が試みら
れている。銅はアルミニウムよりも導電性は高いが、下
地のシリコン基板に対してアルミニウムと同様な問題を
持つ。すなわち、高い温度で銅は拡散して集積回路内の
他の材料と反応するので、導電性の金属と基板との間に
バリヤ層を堆積させる必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】タンタル及び窒化タン
タルは、下地層への銅の拡散を防ぐための銅用の良好な
バリヤ層として認められている。タンタルは、スパッタ
リングによる堆積が可能で、窒素の存在下でスパッタさ
れると窒化タンタルが形成される。窒化タンタルは、タ
ンタルほど導電性が良好ではなく、多分、窒化タンタル
の高い応力によって、下地の基板から剥離する傾向があ
る。この剥離は、粒子の形成をもたらす欠点もあるの
で、常に望ましくない。
タルは、下地層への銅の拡散を防ぐための銅用の良好な
バリヤ層として認められている。タンタルは、スパッタ
リングによる堆積が可能で、窒素の存在下でスパッタさ
れると窒化タンタルが形成される。窒化タンタルは、タ
ンタルほど導電性が良好ではなく、多分、窒化タンタル
の高い応力によって、下地の基板から剥離する傾向があ
る。この剥離は、粒子の形成をもたらす欠点もあるの
で、常に望ましくない。
【０００８】タンタルは、より良好な導体であるととも
により良好な濡れ材料なので、銅と下地の基板との間の
良好な接着剤である。しかしながら、タンタル単独の使
用は、それが窒化タンタルほど良好なバリヤではないと
いう欠点を有する。かくして、銅用のタンタル含有バリ
ヤ層を改善するための努力が続けられた。
により良好な濡れ材料なので、銅と下地の基板との間の
良好な接着剤である。しかしながら、タンタル単独の使
用は、それが窒化タンタルほど良好なバリヤではないと
いう欠点を有する。かくして、銅用のタンタル含有バリ
ヤ層を改善するための努力が続けられた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】我々は、タンタルと窒化
タンタルの層を交互に堆積させることによって、銅金属
導体用の改善されたバリヤ層が得られることを見出し
た。
タンタルの層を交互に堆積させることによって、銅金属
導体用の改善されたバリヤ層が得られることを見出し
た。
【００１０】
【発明の実施の形態】Ｘ線回折の結果、スパッタ堆積し
た窒化タンタルは、その優れたバリヤ特性に貢献する高
度にアモルファス（amorphous）構造を持つことが明ら
かになった。我々はまた、タンタルを単独で酸化ケイ素
の開口部に堆積させると、アモルファス酸化ケイ素構造
は、初期のタンタル層もアモルファスにすることを見出
した。これが初期の稠密なタンタル層を提供する。しか
しながら、タンタル層が厚くなるにつれて層の構造が変
化して、ゆるい、柱状の構造が形成される。この構造
は、銅等の上に重なる金属層が柱状経路に沿って下にく
る基板に移動又は拡散できるので、あまり良いバリヤ層
ではない。
た窒化タンタルは、その優れたバリヤ特性に貢献する高
度にアモルファス（amorphous）構造を持つことが明ら
かになった。我々はまた、タンタルを単独で酸化ケイ素
の開口部に堆積させると、アモルファス酸化ケイ素構造
は、初期のタンタル層もアモルファスにすることを見出
した。これが初期の稠密なタンタル層を提供する。しか
しながら、タンタル層が厚くなるにつれて層の構造が変
化して、ゆるい、柱状の構造が形成される。この構造
は、銅等の上に重なる金属層が柱状経路に沿って下にく
る基板に移動又は拡散できるので、あまり良いバリヤ層
ではない。
【００１１】かくして本発明方法によれば、初期の稠蜜
なアモルファスタンタル層をスパッタ堆積させた後、ス
パッタリングチャンバに窒素ガスを加えることによっ
て、アモルファスタンタル層を覆ってアモルファス窒化
タンタルの層を堆積させる。この窒化タンタル層は、成
長するタンタル膜内の柱状構造の形成を妨げる。かくし
て、タンタル層と窒化タンタル層を交互に堆積させるこ
とによって、基板に対して密着性の稠密なアモルファス
バリヤ層が堆積する。より厚いバリヤ層が要求される場
合、タンタルと窒化タンタル堆積を必要回数だけ繰り返
して、要求されるバリヤ層厚さを形成できる。
なアモルファスタンタル層をスパッタ堆積させた後、ス
パッタリングチャンバに窒素ガスを加えることによっ
て、アモルファスタンタル層を覆ってアモルファス窒化
タンタルの層を堆積させる。この窒化タンタル層は、成
長するタンタル膜内の柱状構造の形成を妨げる。かくし
て、タンタル層と窒化タンタル層を交互に堆積させるこ
とによって、基板に対して密着性の稠密なアモルファス
バリヤ層が堆積する。より厚いバリヤ層が要求される場
合、タンタルと窒化タンタル堆積を必要回数だけ繰り返
して、要求されるバリヤ層厚さを形成できる。
【００１２】図３は、タンタル（（００２）の結晶軸方
向）対アモルファスタンタル又は窒化タンタルのＸ線回
折の検討結果である。タンタル単独（厚さ１０００ ）
の堆積は、窒化タンタル層が２つのタンタル層（曲線
Ａ）間に挟まれると結晶性が低くなる。堆積するタンタ
ル／窒化タンタル層の数が２層（×２）、３層（×３）
及び４層（×４）と増すにつれて、結晶性が殆どなくな
ることが判る。
向）対アモルファスタンタル又は窒化タンタルのＸ線回
折の検討結果である。タンタル単独（厚さ１０００ ）
の堆積は、窒化タンタル層が２つのタンタル層（曲線
Ａ）間に挟まれると結晶性が低くなる。堆積するタンタ
ル／窒化タンタル層の数が２層（×２）、３層（×３）
及び４層（×４）と増すにつれて、結晶性が殆どなくな
ることが判る。
【００１３】図３の曲線Ｂによれば、窒化タンタルが初
期タンタル層を覆って堆積するので、複合体はよりアモ
ルファスになる。層の形成が繰り返されるにつれて、複
合体は更にアモルファスで、稠密になる。
期タンタル層を覆って堆積するので、複合体はよりアモ
ルファスになる。層の形成が繰り返されるにつれて、複
合体は更にアモルファスで、稠密になる。
【００１４】本発明方法及び構造の別の利点は、窒化タ
ンタルを単独で堆積させるときよりも、複合膜に使用さ
れる窒素の量が少なくなることである。これは、窒化タ
ンタルの特徴である高い膜応力を減少させる。高い膜応
力は、タンタルと基板間の密着性の不足に寄与すると共
に、剥離と粒子の形成をもたらす。かくして、本発明方
法によれば、粒子の削減も獲得される。
ンタルを単独で堆積させるときよりも、複合膜に使用さ
れる窒素の量が少なくなることである。これは、窒化タ
ンタルの特徴である高い膜応力を減少させる。高い膜応
力は、タンタルと基板間の密着性の不足に寄与すると共
に、剥離と粒子の形成をもたらす。かくして、本発明方
法によれば、粒子の削減も獲得される。
【００１５】
【発明の効果】稠密で、完全にアモルファスのタンタル
含有層でこのようにライニングされた開口部は、スパッ
タリングによっても銅の充填が可能で、後続処理ステッ
プ時に隣接誘電体材料への銅の拡散を防止する改善され
たバリヤ特性を持ち、高度に導電性のバイアを形成す
る。
含有層でこのようにライニングされた開口部は、スパッ
タリングによっても銅の充填が可能で、後続処理ステッ
プ時に隣接誘電体材料への銅の拡散を防止する改善され
たバリヤ特性を持ち、高度に導電性のバイアを形成す
る。
【００１６】本発明を特定の実施例によって説明した
が、本発明はもっぱら、添付請求項の範囲によって限定
されるものとする。
が、本発明はもっぱら、添付請求項の範囲によって限定
されるものとする。
【図１】従来のスパッタリングチャンバを示す概略断面
図である。
図である。
【図２】図２は、従来技術による、部分的スパッタ充填
開口部を示す概略断面図である。
開口部を示す概略断面図である。
【図３】図３は各種のタンタルと窒化タンタル膜のＸ線
回折の検討結果を示す線図である。
回折の検討結果を示す線図である。
１０…真空チャンバ、１２…ターゲット、１３…ＤＣ電
源、１４…基板サポート、１６，１８…マグネット、１
９…ガス入口、２０…電源、２２…基板、１１０…開口
部、１１０…金属。
源、１４…基板サポート、１６，１８…マグネット、１
９…ガス入口、２０…電源、２２…基板、１１０…開口
部、１１０…金属。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トニー ピン−チャン チャン アメリカ合衆国， カリフォルニア州， マウンテン ヴュー， ノース ウィスマ ン ロード 100， アパートメント ナ ンバー17
Claims (5)
- 【請求項１】 アモルファスタンタルと窒化タンタルと
の交互層を有することを特徴とするタンタル含有バリヤ
膜。 - 【請求項２】 アモルファスタンタルと銅でコーティン
グされた窒化タンタルの交互層を有することを特徴とす
るコンタクト。 - 【請求項３】 アモルファスタンタルの第１層と、窒化
タンタルの第２層と、及びバイアを充填するための銅と
を有することを特徴とする導電性バイア。 - 【請求項４】 銅を充填する開口部にアモルファスバリ
ヤ層を形成する方法であって、 ａ）第１アモルファスタンタル層をスパッタ堆積させる
工程と、及び ｂ）前記開口部の底部及び側壁をライニングするため
に、第２アモルファス窒化タンタル層をスパッタ堆積さ
せる工程とを有することを特徴とする方法。 - 【請求項５】 所望の厚さのライナーが得られるまで前
記工程ａ）及びｂ）が繰り返されることを特徴とする請
求項４に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/841,058 US6057237A (en) | 1997-04-29 | 1997-04-29 | Tantalum-containing barrier layers for copper |
| US08/841058 | 1997-04-29 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1174224A true JPH1174224A (ja) | 1999-03-16 |
Family
ID=25283915
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10158286A Withdrawn JPH1174224A (ja) | 1997-04-29 | 1998-04-30 | 銅用の改善されたタンタル含有バリア層 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6057237A (ja) |
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