JPH1174227A - 半導体装置および該装置を形成するためのプロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 障壁膜および導電膜を含む相互接続を有する
半導体装置を簡単なプロセスで的確に実現する。 【解決手段】 半導体装置は、相互接続および導電プラ
グのような、導電構造内で使用される、障壁膜のよう
な、第１の膜の連続的に変化する部分４４，１０３２を
有する。該連続的に変化する部分は、高融点金属および
窒素のような、第１の元素および第２の元素を含む。連
続的な変化はより導電的な第２の膜４６，１０５４およ
び１０６４のより近くで第１の元素の濃度の変化を有す
る。他の半導体装置は第１の導電膜および主として銅で
ある第２の導電膜１０５４および１０６５を含む。第１
の導電膜は第１の部分、第２の部分、および第３の部分
を有し、第３の部分は第２の導電膜に最も接近してい
る。第２の部分の窒素濃度は第１および第３の部分の各
々の窒素濃度より高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般的には半導体装
置およびそれらを形成するためのプロセスに関し、かつ
より特定的には、バリアまたは（ｂａｒｒｉｅｒ ｆｉ
ｌｍｓ）障壁膜および導電膜を含む相互接続（ｉｎｔｅ
ｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を有する半導体装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】集積回路（ＩＣ）産業は改善された信頼
性および性能を有する金属相互接続構造を製造するため
に絶えず奮闘している。底部から頭部への相互接続のた
めの１つのメタリゼイション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉ
ｏｎ）はチタン／窒化チタン／アルミニウムまたはアル
ミニウム合金／窒化チタンを含む。すなわち、Ｔｉ／Ｔ
ｉＮ／Ａｌ／ＴｉＮである。Ｔｉは下部ＴｉＮと下に横
たわる絶縁層との間の接着を改善するために使用され、
下部ＴｉＮは拡散障壁として使用され、かつ上部ＴｉＮ
は反射防止層（ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｙ
ｅｒ）として使用される。前記アルミニウム合金は銅そ
の他を含むことができる。

【０００３】タングステンプラグは典型的にはＡｌをベ
ースとした相互接続の間のビア接続（ｖｉａ ｃｏｎｎ
ｅｃｔｉｏｎｓ）のために使用される。もし下に横たわ
るＡｌ相互接続がＴｉＮ反射防止膜を有していれば、こ
のＴｉＮ膜は典型的にはその後のビアエッチングの間に
エッチングされ、それによってＡｌ膜を露出する。タン
グステンは典型的にはＡｌ含有膜の上に直接被着され
ず、それはＷＦ_６からのフッ素（ｆｌｕｏｒｉｎｅ）が
アルミニウムと反応するからである。従って、導電プラ
グ（コンタクトプラグまたはビアプラグ）は典型的には
Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｗを含むメタリゼイションを有する。Ｔ
ｉおよびＴｉＮはそれらがアルミニウム相互接続に対し
て有するのと同じ目的に作用する。ＴｉおよびＴｉＮは
典型的には２つの別個の物理蒸着（ｐｈｙｓｉｃａｌ
ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）ステップの間に形
成され、あるいは始めに比較的厚いＴｉ膜を被着しかつ
該膜の一部をＴｉＮに変換することによって形成され
る。ＴｉおよびＴｉＮはフッ素がタングステン被着の間
にアルミニウムに接触するのを防止する。

【０００４】導電プラグがより一般的になるに応じて、
相互接続のためのいくつかのアルミニウムメタリゼイシ
ョンはＡｌ／Ｔｉ／ＴｉＮを含む。前述のように、Ａｌ
はアルミニウムまたはアルミニウム合金とすることがで
きる。この場合、ＴｉはＡｌの上に横たわるが、このメ
タリゼイションは界面においてＡｌＴｉ_３の形成を生じ
やすい。数多くの熟練した職人はその比較的高い抵抗の
ためそれを避けようと試みる。Ａｌ_３Ｔｉもまた都合が
悪く、それは銅（Ａｌ−Ｃｕ合金における）がＡｌ_３Ｔ
ｉ界面に沿って拡散し、結果としてエレクトロマイグレ
ーションの信頼性が低下する。

【０００５】他のメタリゼイションはＡｌ／ＴｉＮを含
み、この場合Ａｌはアルミニウムまたはアルミニウム合
金であり、かつＴｉＮはＡｌの上に横たわっている。Ｔ
ｉＮを形成するためのいくつかの方法は窒素含有ガスを
使用する。窒素含有ガスはＡｌと反応して薄い、かつ高
度に抵抗性の、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を形成す
る可能性がある。前記薄いかつ高度に抵抗性のＡｌＮは
構造のビア／コンタクト抵抗に悪影響を与える。

【０００６】さらに、別のメタリゼイションは、底部か
ら頭部へと、Ａｌ／ＴｉＮ／Ｔｉ／ＴｉＮを含む。Ｔｉ
Ｎ／Ｔｉ／ＴｉＮは典型的には３つの別個の膜として形
成される。２つの異なるターゲット（ＴｉＮおよびＴ
ｉ）が使用できるが、粒子の（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔ
ｅ）問題を有する。さらに、スパッタリングシステムは
典型的には限られた数のターゲットを保持し、かつ余分
の不必要なターゲットを有することは一般に避けられ
る。もし１つのスパッタリングターゲットが使用されれ
ば、前記個別の膜はチタンターゲットを使用して形成す
ることができる。典型的には、シャッタがウエーハをお
おいＴｉがスパッタリングされる前にターゲット上の残
留ＴｉＮを除去し、かつ再び後のＴｉＮ膜の形成の前に
おおわれ後のＴｉＮがスパッタリングされる前にＴｉＮ
に対するチタンターゲットの表面をカバーする。このプ
ロセスはターゲットのかなりの部分を浪費し、その理由
はそれがウエーハよりもむしろシャッタの上にスパッタ
リングされるからである。

【０００７】さらに、いくつかの知られた相互接続構造
はチタン・オキシナイトライド（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏ
ｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）層を使用する。この実施形態で
は、チタン膜が被着され、それに続き窒化チタン膜が被
着され、それに続きチタンが濃厚な（チタニウムリッ
チ：ｔｉｔａｎｉｕｍ−ｒｉｃｈ）窒化チタン膜が被着
される。チタンが濃厚な窒化チタン膜の被着に続き、酸
素プラズマが使用されてその膜をチタン・オキシナイト
ライド化合物に変換する。残念なことに、チタン・オキ
シナイトライドは高性能集積回路において使用するため
にはあまりにも抵抗性となる可能性がある。オキシナイ
トライド化合物においてチタン（ｔｉｔａｎｉｕｍ）の
代わりにタンタル（ｔａｎｔａｌｕｍ）を使用すること
ができるが、比較的高い抵抗に伴う問題が不都合になる
ことが予期される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】焦点の多くはチタン含
有膜に向けられているが、相互接続構造内でタンタルお
よびタンタルに関連する化合物を使用する試みが行われ
てきている。例えば、純粋のタンタル膜または窒化タン
タル膜が銅の相互接続のために障壁／接着膜として使用
される。しかしながら、タンタンルは研磨プロセスを使
用して除去するのが非常に困難となり、かつ窒化タンタ
ルはいくつかの種類の銅膜との接着問題を有する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は多数の異なる実
施形態において使用することができる。多くの実施形態
においては、障壁膜（ｂａｒｒｉｅｒ ｆｉｌｍ）のよ
うな、第１の導電膜の連続的に変化する部分（ｃｏｎｔ
ｉｎｕｏｕｓｌｙ ｇｒａｄｅｄ ｐｏｒｔｉｏｎ）
が、相互接続および導電プラグのような、導電性構造内
で使用される。前記連続的に変化する部分は、高融点金
属（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｍｅｔａｌ）および窒素
（ｎｉｔｒｏｇｅｎ）のような、第１の元素および第２
の元素を含む。連続的な変化またはグレーディングは第
１の導電膜より実質的にまたは有意的に（ｓｉｇｎｉｆ
ｉｃａｎｔｌｙ）より導電的な第２の導電膜（すなわ
ち、アルミニウム、銅、その他）により近くで第１の元
素（すなわち、高融点金属）の変化する濃度を有する。
特定の実施形態は第１の導電膜にチタンおよび窒素を有
しかつ第２の導電膜に主としてアルミニウムを有し、あ
るいは第１の導電膜のためにタンタルおよび窒素を有し
第２の導電膜のために主として銅を有する。

【００１０】さらに他の実施形態では、半導体装置は第
１の導電膜および主として銅である第２の導電膜を含
む。第１の導電膜は第１の部分、第２の部分、および第
３の部分を有する。第２の部分は第１および第３の部分
の間に横たわっており、かつ第３の部分は第２の導電膜
に最も近く横たわっている。第１および第３の部分は第
１の金属元素を含み、かつ第２の部分は金属元素および
窒素を含む。第２の部分の窒素の濃度は第１および第３
の部分の各々の窒素の濃度より高い。

【００１１】これらの構造を備えた半導体装置を形成す
るためのプロセスも開示される。本発明は特許請求の範
囲によって規定されかつ以下の実施形態を参照した後に
よりよく理解される。

【００１２】第１の組の実施形態においては、導電膜が
連続的に変化する（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｇｒａ
ｄｅｄ）部分を有する障壁膜によっておおわれる。典型
的には、前記導電膜および連続的に変化する障壁膜は同
じ相互接続の部分である。半導体ウエーハは処理チェン
バ内に配置され、そこではアルミニウム、またはその合
金、がウエーハの頭部面上に被着される。ウエーハは次
にチタンのスパッタ用ターゲットを含む他の処理チェン
バ内に置かれ、この場合チタンのターゲットはスパッタ
リングが始まる前にＴｉＮの薄い層によっておおわれ
る。次にアルゴン（Ａｒ）のプラズマ環境が使用されて
前記チタンのスパッタターゲットからＴｉＮ層の一部ま
たは全部をスパッタリングして連続的に変化する部分を
有する障壁膜の一部分を形成する。前記一部分はＴｉＮ
_ｘの組成を有し、この場合アルミニウムの近くの窒素の
濃度はアルミニウムの界面から離れた窒素の濃度より高
い。この特有の窒素のプロフィール／勾配は後に引き続
き説明する。

【００１３】障壁層のこの連続的に変化する部分の形成
の後に、アルゴン（Ａｒ）プラズマが窒素含有ガス（例
えば、Ｎ_２）に露出されて窒素／アルゴンプラズマを生
成しそれによってチタンターゲットからの引き続くスパ
ッタリングにより化学量論に近い（ｎｅａｒ−ｓｔｏｉ
ｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）ＴｉＮおよび／または化学量論
のＴｉＮを生成することになる。この化学量論に近いＴ
ｉＮおよび／または化学量論のＴｉＮ部分は前記障壁膜
の連続的に変化する部分の頭部上に被着される。この化
学量論に近いＴｉＮおよび／または化学量論のＴｉＮ膜
の形成の間に、窒素プラズマへの露出はまたチタンのス
パッタターゲットの上に薄いＴｉＮ層を再形成しこれは
引き続くウエーハ上にスパッタリングできる。結果とし
て得られる構造は前に述べた従来技術よりも改善された
Ａｌ／ＴｉＮ_ｘ／ＴｉＮ複合相互接続構造である。

【００１４】上述の複合相互接続構造は従来技術に対し
ていくつかの利点を有する。第１に、この相互接続構造
への電気的コンタクトを作成するためにこの相互接続構
造の上にその後形成されるビア／コンタクト開口は大き
なアスペクト比のビア／コンタクトにおいてＴｉまたは
ＴｉＮ障壁層が被着されることを要求しない。ＴｉＮ_ｘ
／ＴｉＮ形成のために１つのチタンターゲットが必要と
されるのみである。別個のＴｉＮターゲットが使用され
ないため、ＴｉＮ処理チェンバ内の粒子のカウントは低
減でき、かつ障壁層の窒素濃度はより正確に制御でき
る。さらに、ここに教示された最終的な相互接続構造は
ほとんどまたはまったく露出されたアルミニウムを備え
ておらず、それによって６フッ化タングステン（ｔｕｎ
ｇｓｔｅｎｈｅｘａｆｌｕｏｒｉｄｅ：ＷＦ_６）との不
都合な反応は低減されまたは除去される。

【００１５】この相互接続構造は窒化アルミニウム（ａ
ｌｕｍｉｎｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ：ＡｌＮ）が形成され
る可能性を低減し、それによってビア／コンタクト抵抗
を改善する。さらに、前記相互接続構造はチタン・アル
ミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｕｍｉｎｉｄｅ：Ａｌ
_３Ｔｉ）の形成の可能性を低減する。実験データで示さ
れるように、エレクトロマイグレーションは３またはそ
れ以上の係数で改善できる。さらに、ここに教示される
第１の実施形態のプロセスは窒化されたチタンターゲッ
トからおよびアルミニウムターゲットからのスパッタリ
ングのみを必要とするから（すなわち、複合相互接続構
造全体に対して２つの処理チェンバのみが必要であ
る）、ウエーハの取り扱いが低減でき、それによってよ
り少ないウエーハ欠陥が達成できる。さらに、より少な
いチェンバを使用することにより、ここに教示された従
来技術の解決方法よりもより高い被着システムのスルー
プットが達成できる。分析データは前記相互接続構造の
膜の応力またはストレス（ｆｉｌｍ ｓｔｒｅｓｓ）が
従来技術よりも改善されかつここに教示された構造のビ
ア／コンタクト抵抗が改善されたことを示している。従
って、ここに教示された相互接続構造は従来技術の実施
形態よりも改善された解決方法である。

【００１６】

【発明の実施の形態】説明の単純化および明瞭化のため
に、図面に示された各要素は必ずしも比例して描かれて
いないことが理解されるであろう。例えば、いくつかの
要素の寸法は明瞭化のために他の要素に対して誇張され
ている。さらに、適切であると考えられる場合には、対
応するまたは類似の要素を示すために図面にわたり参照
数字が反復されている。

【００１７】次に図面を参照して特定の実施形態につき
説明する。図１は、引き続き図２〜図４で示されるプロ
セスによって形成される最終的な構造を示す。図１は、
誘電体層または障壁材料（図示せず）の上にアルミニウ
ム（Ａｌ）膜４２が始めに被着されることを示してい
る。アルミニウム膜４２は好ましくはアルミニウム銅
（Ａｌ−Ｃｕ）層のような、アルミニウム合金であり、
この場合銅は０．５パーセント〜２．０パーセントの間
の組成を含んでいる。さらに別の形式では、膜４２はア
ルミニウム−銅−シリコン（Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ）層、ア
ルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）層、または同様の
金属材料またはその複合体とすることができる。アルミ
ニウム膜４２は典型的にはほぼ４００〜７００ナノメー
トルの範囲の厚さまで被着され、ほぼ５５０ナノメート
ルが好ましい厚さである。アルミニウムはＴｉおよび／
またはＴｉＮのようなあらかじめ形成された障壁材料の
上に被着することができる。タンタル（Ｔａ）のよう
な、他の高融点金属（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｍｅｔａ
ｌｓ）をＴｉの代わりに使用することができる。

【００１８】アルミニウム膜４２の形成の後に、障壁膜
（ｂａｒｒｉｅｒ ｆｉｌｍ）の連続的に変化する部分
４４が形成される。この部分４４の化学的組成の詳細は
後に図５〜図７を参照して説明する。一般に、部分４４
はアルミニウム膜４２の表面においてより大きな濃度の
窒素をかつその頭部近くでより低い濃度の窒素を含む。
部分４４にわたるこの窒素の分布／勾配は図２〜図４に
おいて説明されるスパッタリングのプロセスによって達
成される。一般に、部分４４は化学的にＴｉＮ_ｘとして
識別できる。部分４４の厚さは典型的には２〜１５ナノ
メートルであり、８ナノメートルより小さいのが最適で
ある。

【００１９】部分４４の形成の後に、ほぼ化学量論のＴ
ｉＮおよび／または化学量論のＴｉＮ部分４６が部分４
４の上に被着される。部分４６は典型的には６０〜１０
０ナノメートルの間の厚さの範囲にあり、ほぼ８０ナノ
メートルが好ましい。部分４６はその後形成されるビア
／コンタクトのためのエッチストップ層としておよびフ
ォトリソグラフ処理のための反射防止コーティング（ａ
ｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ：ＡＲ
Ｃ）として使用される。前記障壁膜は部分４４および４
６の組合せを含む。

【００２０】図２〜図４は、同じ被着／スパッタリング
チェンバにおけるそのままの場所で（ｉｎ ｓｉｔｕ）
図１の連続的に変化する部分４４およびＴｉＮ部分４６
を形成する特定のプロセスを示す。図２〜図４におい
て、膜１１６は図１のＴｉＮ_ｘ部分４４と類似のもので
あり、かつ膜１１８は図１のＴｉＮ部分４６と類似のも
のである。ウエーハは図２〜図４において示された被着
工程の間に絶えず露出され、シャッタまたはダミーウエ
ーハは使用されない。

【００２１】図２においては、被着チェンバ１００が示
されている。被着チェンバ１００はチタンターゲット１
０２に接合された裏張りまたはバックプレート（ｂａｃ
ｋｉｎｇ ｐｌａｔｅ）１０１を含む。前のウエーハの
前処理により、薄いＴｉＮ層１０４がチタンターゲット
１０２の露出面上に存在する。チェンバ１００はまた半
導体ウエーハ１１４を支持するために使用されるペデス
タルまたは台座１１２を含む。ウエーハ１１４はペデス
タル１１２に対し固定してもよくあるいは固定しなくて
もよく、かつウエーハ１１４はその上に形成されたアル
ミニウム層を含む。さらに、ペデスタル１１２は被着／
スパッタリングの間にウエーハ１１４の温度を制御する
ための加熱および／または冷却手段を含むことができ
る。

【００２２】ロボットアーム（図２〜図４には示されて
いない）がウエーハ１１４をペデスタル１１２の上に配
置する。ロボットアームを使用してウエーハの配置が行
われた後に、プラズマ１０６が処理チェンバ１００内で
生成される。プラズマ１０６はエネルギを与えられた
（ｅｎｅｒｇｉｚｅｄ）アルゴンイオン（Ａｒ^＋）１０
８およびエネルギを与えられた電子（ｅ⁻）１１０から
構成される。ターゲット１０２とプラズマ１０６との間
に電位を生じさせるために電源が使用される。この電位
の差、ならびにイオン１０８のエネルギを与えられた状
態、は結果として材料が層１０４からスパッタリングさ
れかつウエーハ１１４の頭部上に被着されて膜１１６を
形成する結果となる。

【００２３】図３は、ターゲットのＴｉＮ層１０４から
材料がそのターゲット面から除去されかつウエーハ１１
４の上に被着されて増分的に膜１１６を形成するまであ
る時間の間（正確な時間については、図８および関連す
る説明を参照）スパッタリング処理が続くことを示して
いる。従って、スパッタリングプロセスは最終的にＴｉ
Ｎ_ｘ膜１１６がウエーハ１１４の頭部上に形成される結
果となる。図３に示されるように、アルゴン（Ａｒ）プ
ラズマ１０６は結果として層１０４から除去される材料
となり、それによってターゲット１０２上の層１０４は
薄くされあるいはターゲット１０２から完全に除去され
る。層１０４がターゲット１０２から除去されるに応じ
て、層１１６の増分的な組成はよりチタンが豊富になり
かつ窒素がより少なくなる（ｎｉｔｒｏｇｅｎ−ｐｏｏ
ｒ）。言い換えれば、膜１１６の底部が、スパッタリン
グ時間の関数として層１０４の侵食により、膜１１６の
上部よりより高い窒素の濃度をもつことになる。所定の
厚さの膜１１６が達成される、所定の時間の後に、処理
は図４に示されるように続けられる。

【００２４】図４は、反応性ガス、好ましくは窒素（Ｎ
_２）、が処理チェンバ１００の内部の処理環境に与えら
れることを示している。窒素ガスを提供することによ
り、図３のＡｒプラズマ１０６は図４におけるＡｒ−Ｎ
プラズマ１０７に変化する。従って、プラズマ１０７は
エネルギを与えられたアルゴンイオン（Ａｒ^＋）から構
成されるのみならず、エネルギを与えられた窒素イオン
（Ｎ^＋）を具備する。プラズマ１０６と同様に、プラズ
マ１０７はまたエネルギを与えられた電子（ｅ⁻）１１
０を含む。

【００２５】図４のプラズマ１０７に存在する、窒素イ
オン１０９は結果としてウエーハ１１４上への後の材料
の被着が化学量論のまたは化学量論に近いＴｉＮとなる
ようにする。従って、ＴｉＮ膜１１８は時間と共に膜１
１６の頭部上に増分的に被着される。図４にも示される
ように、プラズマ１０７内の窒素イオン１０９の存在は
結果としてチタン（Ｔｉ）ターゲット１０２の露出面上
に窒化チタン層（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）
層１０４が再形成される結果となる。従って、今やその
上に形成されたＡｌ／ＴｉＮ_ｘ／ＴｉＮ相互接続層をそ
の上に有するウエーハ１１４はチェンバ１００からロボ
ット方式で取り出すことができる。このウエーハの除去
の後に、新しいウエーハがチェンバ内に配置され、それ
によって処理は再びこの新しいウエーハに対して図２に
従って開始され図４にわたって各々の新しいウエーハに
対して反復的な方法で続けられる。

【００２６】図５〜図７は、図４に示されたウエーハ上
の膜１１４〜１１８に対して生じ得る３つの異なる化学
組成の実施形態を示す。図５〜図７は、図４のウエーハ
内の窒素の濃度を膜１１８の頭部からアルミニウム膜を
含む基板１１４の頭部まで縦方向に断面にして示す。

【００２７】図５は１つの特定の実施形態を示す。シリ
コンウエーハ１１４の頭部に位置する、アルミニウム膜
はほぼ窒素の濃度がなくあるいはまったく窒素の濃度が
ない。この実質的なまたは優位の窒素の濃度の欠如は濃
度１２０で示されている。アルミニウム１１４とＴｉＮ
_ｘ膜１１６との間の界面において、窒素の濃度はほぼ化
学量論的レベル１２２まで上昇する。言い換えれば、図
２において被着／スパッタリングが始めに開始されたと
き、層１０４から始めにスパッタリングされる材料はほ
ぼ化学量論的な窒化チタン（ＴｉＮ）であり、従って図
３の膜１１６の底部は高い濃度の窒素原子（Ｎ）を有す
る。この高い濃度の窒素原子は図５においてレベル１２
２で示されている。

【００２８】アルゴンプラズマ１０６がターゲット１０
２の層１０４から材料をスパッタリングし続けるに応じ
て、層１０４は時間と共に薄くなる。図３の層１０４が
薄くなり始めかつ図３の膜１１６が厚くなり始めると、
膜１１６の窒素濃度はターゲット１０２からより多くの
Ｔｉが増分的に消費されるに応じて低減し始める。この
低減されたレベルの窒素濃度および膜１１６のチタンが
豊富な領域は図５のレベル１２４で示されている。図５
は図４の窒素の導入工程がターゲット１０２の層１０４
全体が除去される前に開始されることを明瞭に示してい
る。従って、図５はターゲット１０２からの純粋のチタ
ンのみが膜１１６の部分として被着されるポイントがな
いことを示している（他の実施形態を示す、図７とは異
なる）。図５においては、ターゲット１０２が完全に層
１０４から涸渇する前に、図４のアルゴン−窒素プラズ
マ１０７が発生されて、図５に示されるように、レベル
１２４と比較してより高い窒素濃度１２６を有する化学
量論に近いまたは化学量論のＴｉＮを被着する。通常、
レベル１２２および１２６はほぼ等しい。従って、ほぼ
化学量論の初期窒素濃度１２２を有する障壁膜は窒素濃
度が膜１１６の厚さが増大するに応じて低減するように
被着される。また、別のプロセスでは、スパッタリング
用ターゲットの上の窒化チタンはウエーハのスパッタリ
ングの後にダミーウエーハまたはチェンバのシャッタか
らターゲットを再び窒化することによりウエーハのスパ
タッリングの後に再形成できる。

【００２９】図６は別の実施形態を示す。図６はさらに
基板１１４のアルミニウムの頭部が非常に低いレベルの
窒素１２０を含むことを示している。図６は次に図２に
おいて始まりかつ図３において完了する被着が非常に短
い期間の間行われることを示している。図６のバリアま
たは障壁被着の期間は非常に短時間であるから、膜１１
６を通る窒素の濃度の徐々に変化するプロフィールは図
６においては激しくなくかつ図３の膜１１６の厚さはよ
り薄い（おおざっぱに言って５ナノメートルより小さ
い）。アルゴン−窒素プラズマが次に発生されそれによ
って、１２６の窒素濃度を有する、膜１１８が図６の左
側部分に示されるように形成される。

【００３０】図４のアルゴン−窒素プラズマ１０７はプ
ラズマ１０７が始めに生成されたときに膜１１６の表面
部分で原子チタン（Ｔｉ）と相互作用しまたは相互に影
響し合う。従って、窒素イオン１０９は実際に層１１６
の窒素濃度を増大し、従って時間が進むに応じて膜１１
６の上部面近くで窒素濃度を増大する。実際に、図６の
膜１１６は、例えば、膜１１６が始めに非化学量論的形
式で被着されても、図６に示される界面１２５ｂにおい
て窒素イオン１０９が存在するため化学量論的または化
学量論に近いＴｉＮに完全に変換されることが可能であ
る。さらに、半導体装置（ウエーハ）が、半導体技術に
おいて伝統的であるように、金属アニール処理に付され
たとき、窒素が乏しい領域と窒素が豊富な領域との間の
界面は明瞭でなくなる。しかしながら、分析によって、
膜１１６のためにより長いスパッタ時間（おおざっぱに
言って２０〜３０ｋＷ−秒より大きな時間）が使用され
た場合、膜１１６および１１８の間の界面近くで典型的
にはいくらかのチタンが豊富な領域が検出されることが
示されている。

【００３１】図７は、障壁層のさらに他の実施形態を示
す。図７は、再び、基板１１４の頭部上のアルミニウム
膜が窒素１２０をまったく含まないかあるいは非常に少
しの量を含むのみであることを示している。図３の被着
時間がかなり長い（アプライド・マテリアルズ・エンデ
ュラ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｄｕ
ｒａ）において被着されて１ｋＷでほぼ２０〜３０秒よ
り大きい）および／またはプラズマ１０６の電力が高い
（アプライド・マテリアルズ・エンデュラにおいてほぼ
５ｋＷより大きい）場合には、図３の層１０４はほとん
ど完全に除去される可能性がありかつ純粋のチタンが膜
１１６の頭部として被着し始めることになる。これは図
７に示されており、そこでは膜１１６の下部の窒素成分
はレベル１２２によって示されるように高く、一方図７
のレベル１２４は明らかに窒素が存在しないことを示し
ている。従って、図７のレベル１２４においては、純粋
のチタンが図３における膜１１６の上部としてターゲッ
ト１０２から被着されている。図７のこの領域１２４に
おいては、図３の層１０４は完全に除去されかつ純粋の
チタンが今やターゲット１０２からスパッタリングし始
めている。図７は次にプラズマ１０７が発生され、それ
によって膜１１８がアルゴン−窒素プラズマにより膜１
１６の頭部上に形成されることを示している。前に述べ
たように、図７のチタンが豊富な領域１２４のいくらか
は図４におけるプラズマ１０７内に存在する窒素イオン
によって消費されるかもしれない。従って、図５〜図７
は障壁層１１６の種々のプロフィールおよび／または濃
度がプラズマ１０６および１０７のスパッタ時間および
スパッタエネルギを変えることによって達成できること
を示している。

【００３２】図８は、スパッタ時間に対する前記増分的
にスパッタリングされる材料のシート抵抗のプロットを
示す。図８は明らかに図５〜図６に示されるスパッタリ
ングプロセスの始めの５秒で被着された初期材料がチタ
ンより抵抗性であることを示している。言い換えれば、
図８において０〜５秒の間に被着された材料は強く窒素
を積載した（純粋のチタンと比較して）あるいは化学量
論に近いチタンである。時間が図８において１０秒と１
５秒の間まで増大すると、図３の層１０４はさらに侵食
され、それによって膜１１６の増分的な部分上に被着さ
れた材料の窒素濃度は前記窒素の濃度を低減させる。ス
パッタ時間の増大に応じたこの窒素濃度の低減（すなわ
ち、図３の層１０４の除去）は図８に示された時間に対
する導電率の増大に対して明らかである。図８の右側へ
の導電率の増大は層１０４が薄くなっておりかつより純
粋のＴｉが増分的に被着されているという事実による。
結局、アプライド・マテリアルズ・エンデュラにおいて
１ｋＷでほぼ２０秒のスパッタリングを行った後に、層
１０４のすべてまたはほとんどすべてが図３において除
去されておりかつ純粋のチタン（Ｔｉ）が図７に明瞭に
示されているように膜１１６の増分的な上部としてスパ
ッタリングされ始めている。図８のすべてはほぼ１ｋＷ
の電力で動作するアプライド・マテリアルズ・エンデュ
ラのＢＶＤシステムから集められた。

【００３３】従って、図３のプロセスを使用してほぼ５
秒の間スパッタリングされれば、図８は前記構造が図６
に対応する組成を有する構造が形成されることを示して
いる。図８は次にもし図３のチェンバにおいてほぼ１０
〜１２秒の間スパッタリングされれば、前記構造は図５
に対応する組成を有する構造が生成されることを示して
いる。最後に、図８はもしほぼ３０秒のスパッタリング
が図３に示される処理制約によって行われれば、前記構
造は図７に対応する組成を生じることを示している。

【００３４】スパッタリング電力が増大するに応じて、
図３の層１０４を完全に消費するための時間は低減す
る。逆に、電力がより低くなればなるほど、図３におい
てターゲット１０２から層１０４を完全に侵食するため
に必要な時間は長くなる。一般に、ここで図５によって
示された実施形態はほぼ５，０００ｋＷ−秒および１
５，０００ｋＷ−秒（ｋＷ^＊ｓｅｃ）の間の電力時間積
を使用して形成できる。従って、図８は図５〜図７の結
果に到達するのに必要なスパッタリングまたはバーン
（ｂｕｒｎ）時間を示すのみならず、図２〜図４のプロ
セスを使用して形成される障壁層１１６における異なる
チタンおよび窒素プロフィールを生成するためにどのよ
うにして電力および時間が操作できるかを示している。

【００３５】図９は、図１の相互接続がＡｌ／Ｔｉ／Ｔ
ｉＮの従来技術の実施形態と比較した場合に膜応力（ｆ
ｉｌｍ ｓｔｒｅｓｓ）を低減していることを示す棒グ
ラフプロットを含む。図９の左側部分はＡｌ／Ｔｉ／Ｔ
ｉＮ構造のアニール前（ｐｒｅ−ａｎｎｅａｌ）および
アニール後（ｐｏｓｔ−ａｎｎｅａｌ）の応力またはス
トレスレベルを示す。図９の右側部分は図１に示される
新規なＡｌ／ＴｉＮ_ｘ／ＴｉＮのアニール前およびアニ
ール後の応力レベルを示す。図９から明らかに分かるよ
うに、図１〜図８において教示されたプロセスを使用す
ることは相互接続層に関連する膜応力のレベルを低減す
ることができる。

【００３６】図１０は、棒グラフプロットで、図１の新
規な相互接続構造と比較して種々の従来技術の相互接続
構造に対するシート抵抗測定を示す。図１０の左側部分
はＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮを備えたアニール前の構造
およびアニール後の構造の双方に対するより高いシート
抵抗を示している。さらに、図１０の中間部分は、Ａｌ
／Ｔｉ／ＴｉＮからなるアニール前の構造およびアニー
ル後の構造を示している。Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造に対
するアニール前の（ｐｒｅ−ａｎｎｅａｌ）およびアニ
ール後の（ｐｏｓｔ−ａｎｎｅａｌ）シート抵抗はＴｉ
／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造のそれぞれアニール前および
アニール後のシート抵抗より小さい。図１０の右側部分
は図１に示される新規なＡｌ／ＴｉＮ_ｘ／ＴｉＮ構造の
アニール前およびアニール後のシート抵抗を示す。図１
０から容易に理解できるように、図１のＡｌ／ＴｉＮ_ｘ
／ＴｉＮ金属相互接続のシート抵抗は他の構造に対し
て、特にアニール後の測定に対して改善されている。

【００３７】図１１は、エレクトロマイグレイション
（ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ）データ３０２お
よび３００を示している。エレクトロマイグレイション
のデータ３０２は一般にはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮお
よびＡｌ／ＴｉＮ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造よりも好ましいＡ
ｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造に対するものである。図１１のエ
レクトロマイグレイションのデータ３００は図１の新規
なＡｌ／ＴｉＮ_ｘ／Ｔｉｎ構造に対するものである。カ
ーブ３０２および３００の大きさおよび傾きから容易に
分かるように、図１の相互接続構造のエレクトロマイグ
レイションはＡｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造に対して大幅に改
善されている。実験的に、図１の構造を使用して他の従
来技術の構造に対して少なくとも３倍のエレクトロマイ
グレイションの改善が達成されていることが示された。
同じ条件のもとでＡｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造の測定および
図１の新規なＡｌ／ＴｉＮ_ｘ／ＴｉＮ構造の測定を行っ
た結果Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造に対する平均障害時間
（ｍｅａｎ ｔｉｍｅ ｔｏｆａｉｌｕｒｅ：ＭＴＦ）
はほぼ３１時間でありかつ０．４５の標準偏差となり、
かつ図１の新規なＡｌ／ＴｉＮ_ｘ／ＴｉＮ構造の平均障
害時間（ＭＴＦ）は６３時間より大きいかまたは等しく
０．３２の標準偏差を有することが示された。Ａｌ／Ｔ
ｉ／ＴｉＮ構造に対するエレクトロマイグレイション特
性に対する最大電流はほぼ２４２マイクロアンペア（μ
Ａ）であり、一方同じ形状かつ同じストレス条件のもと
で形成されたＡｌ／ＴｉＮ_ｘ／ＴｉＮ構造は結果として
ほぼ９４３マイクロアンペア（μＡ）の最大エレクトロ
マイグレイション電流を生じた。従って、要するに、図
１の相互接続構造は従来技術のものに対してエレクトロ
マイグレイション特性を大幅に改善している。

【００３８】図１２および図１３は、図１の構造が前記
Ａｌ／ＴｉＮ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造のように窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）の悪影響のある形成を受けないことを示
している。図１２はＡｌ／ＴｉＮ／Ｔｉ／ＴｉＮ構造に
対するアルミニウムとより下のＴｉＮ膜との間での界面
に対するエネルギ分散分光測定（ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓ
ｐｅｒｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＳ）
データを示す。図１２は明らかに窒素の存在およびその
界面におけるＡｌＮの形成を示している。これに対し、
図１３は図１の障壁膜のアルミニウム膜４２とより下の
部分４４との間の界面に対して行われたＥＤＳ分析を示
している。図１３は明らかに図１のその界面には高度に
抵抗性のＡｌＮがないことを示している。

【００３９】図１４は、アプライド・マテリアルズ・エ
ンデュラのＰＶＤスパッタリングシステムのような、ク
ラスタ被着ツール４００を示している。ウエーハはチェ
ンバ入口４０６を通してウエーハ転送チェンバ４０４に
入る。いったんウエーハが転送チェンバ４０４内に入る
と、ロボット制御がウエーハを２つのアルミニウム（Ａ
ｌ）スパッタリング用チェンバ４０１または４０２の１
つの中に配置する。チェンバ４０１または４０２の１つ
が図１のアルミニウム４２の層を被着するために使用さ
れた後、ウエーハはロボットにより転送チェンバ４０４
を通り図１４のチェンバ１００ａまたは１００ｂの１つ
に転送される。いったんウエーハがチェンバ１００ａま
たは１００ｂ内に配置されると、図２〜図４の処理が行
われてアルミニウム層４２の頭部上に部分４４および４
６を形成する。いったん図２〜図４の処理がチェンバ１
００ａまたは１００ｂの１つで完了すると、ウエーハは
次に被着システム４００から転送チェンバ４０４および
入口４０６を通って取り出されかつ引き続くウエーハが
処理できるようになる。

【００４０】図１〜図４に教示された構造およびプロセ
スは従来技術に対して大幅に改善されている。ここで説
明された図１の構造を使用することにより、上に横たわ
るタングステンビアが障壁膜なしに形成できる。しかし
ながら、もしタングステンが絶縁層の上にブランケット
被着される場合はチタンおよび／または窒化チタンが依
然としてグルー層または接着層（ｇｌｕｅ ｌａｙｅ
ｒ）として機能するために必要とされるであろう。しか
しながら、これらの側壁接着層はビア／コンタクトの底
部に障壁を形成するために図１におけるほど積極的に被
着される必要はない。従って、その後のビア直径は接着
段階のカバレージを危険なまでに低減することなく寸法
をさらに低減できる。

【００４１】さらに、図２〜図４を参照してここに教示
されたプロセスはチタンのターゲット１０２を使用す
る。従って、複合窒化チタン（ＴｉＮ）ターゲットは避
けられ結果としてより低い粒子カウント、被着された窒
化チタン膜内の改善された窒素濃度、およびより高い機
器のスループットが得られる。

【００４２】図１２〜図１３を参照して説明したよう
に、図１の相互接続構造は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
の形成を完全に除去しあるいは実質的に抑圧する。窒化
アルミニウムの形成のこの抑圧は好都合であり、それは
窒化アルミニウムは高度に抵抗性の層でありそれによっ
てＡｌＮの存在がシート抵抗およびビア／コンタクト抵
抗に悪影響を与えるからである。さらに、チタンは図１
の構造におけるいずれのポイントのアルミニウムとも直
接接触しないため、チタニウム・アルミナイド（ｔｉｔ
ａｎｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｉｄｅ：Ａｌ_３Ｔｉ）の形成
が低減されまたは除去される。さらに、図１の装置のエ
レクトロマイグレイション特性はＡｌ／Ｔｉ／ＴｉＮ構
造を有する装置に対して少なくとも３の係数だけ大幅に
改善されている（図１１を参照）。

【００４３】さらに、もし個別のＴｉＮ，ＴｉおよびＴ
ｉＮ膜が形成されれば必要とされるような、シャッタ処
理またはダミーウエーハ処理は図２〜図４の処理におい
ては必要とされない。従って、図２〜図４のプロセスを
使用することによりスループットが改善される。さら
に、ウエーハの取扱いおよび図１の相互接続構造を処理
するために使用されるチェンバの数が従来技術の実施形
態よりも低減されるから所有のコストおよびスループッ
トが改善される。データによって図１〜図１４において
教示されたプロセスを使用すればほぼ５０パーセントの
係数でスループットが増大できることが示されている。
さらに、ウエーハの操作の低減は結果としてウエーハ材
料の欠陥の低減につながり、かつ図１４の被着システム
は冗長チェンバを含むことになる（例えば、２つのほぼ
同じＡｌチェンバおよび２つのほぼ同じ障壁−ＴｉＮチ
ェンバがＰＶＤクラスタ被着システムにある）。冗長チ
ェンバは好都合であるが、それは例えばチェンバ１００
ａおよび４０２は処理のために使用でき、一方チェンバ
１００ｂおよび４０１をシステム４００を完全に停止さ
せることなく予防的なメンテナンスまたは改良（ｕｐｇ
ｒａｄｅｓ）を行うことができる。図９〜図１０に明瞭
に示されているように、図１の構造の膜応力は従来技術
の相互接続構造に対して大幅に低減されており、かつ図
１の材料のシート抵抗およびビア／コンタクト抵抗は従
来技術に対して同様に改善されている。

【００４４】焦点は今や第２の実施形態に移り、その場
合障壁膜が銅（ｃｏｐｐｅｒ）その他を含む導電膜を被
着する前に形成される。前述のように、障壁膜の連続的
に変化する部分が形成される。しかしながら、その部分
の金属が豊富な（ｍｅｔａｌ−ｒｉｃｈ）領域は導電膜
それ自体に接触またはコンタクトする。半導体装置は基
板、該基板の上の第１の導電膜、および前記第１の導電
膜の上の第２の導電膜を具備する。前記第１の導電膜は
高融点金属および窒素を含む。前記第１の導電膜は基板
により近く横たわる第１の部分および基板からより遠く
に横たわる第２の部分を有する。前記第２の部分の窒素
の割合は前記第１の部分に対する窒素原子の割合より低
い。第２の導電膜は主として銅とすることができる。第
１の導電膜内の部分の組合せは良好な拡散障壁（第１の
部分）を提供しかつ第２の導電膜との良好な接着（第２
の部分）を有する。

【００４５】次に特定の実施形態に注目する。図１５
は、半導体装置基板１１０の一部、フィールドアイソレ
ーション領域１１０２、およびドープ領域１１０４を含
む。この明細書で使用されているように、半導体装置の
基板１１００は単結晶半導体ウェーハ、半導体オンイン
シュレータウェーハまたは半導体装置を形成する上で使
用される任意の他の基板を含む。ゲート誘電体層１１０
６が基板１１００の上に形成され、それに続きシリコン
膜１１０７およびシリサイド膜１１０８が形成される。
シリサイド膜１１０８およびシリコン膜１１０７はパタ
ーニングされて図１５に示されるようにゲート電極を形
成する。側壁スペーサ１１０９がシリコン膜１１０７お
よびシリサイド膜１１０８を含むゲート電極に隣接して
形成される。図示されていないが、シリサイド領域はド
ープ領域１１０４の上に横たわることができる。

【００４６】第１の層間誘電体層（ＩＬＤ）１０１１が
基板１１００およびゲート電極の上に横たわっている。
第１のＩＬＤ層１０１１は第１のエッチストップ膜（ｅ
ｔｃｈ−ｓｔｏｐ ｆｉｌｍ）１１１０、第１の平坦化
絶縁膜（ｐｌａｎａｒｉｚｅｄ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ
ｆｉｌｍ）１１１２、第２のエッチストップ膜１１１
４、および第２の平坦化絶縁膜１１１６を含む。膜１１
１０から１１１６までの全ては典型的には絶縁体（ｉｎ
ｓｕｌａｔｏｒｓ）である。１つの特定の実施形態で
は、前記エッチストップ膜は、窒化シリコンのような、
窒化物膜を含み、かつ前期平坦化された絶縁膜１１１２
および１１１６は酸化物を含む。図示されていないが、
シリコンが豊富な（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｒｉｃｈ）シリコ
ンオキシナイトライドを含む反射防止膜を前記ＩＬＤ層
１０１１の一部として形成することができかつ第２の平
坦化された絶縁膜１１１６の上に形成されるが、図には
示されていない。第１のＩＬＤ層１０１１は次にパター
ニングされて、相互接続トレンチ部分１１２２およびコ
ンタクト部分１１２４を含む、開口１０１２を形成す
る。相互接続部分１１２２は層または膜１１１６内に形
成されかつ一般に、第１および第２のエッチストップ膜
１１１０および１１１４並びに第１の平坦化絶縁膜１１
１２を通って延在する、コンタクト部分１１２４より広
い。この時点までの構造は伝統的な方法を使用して形成
される。

【００４７】窒化タンタル膜１０２２が次に前記基板の
上にかつ開口１０１２内に被着される。窒化タンタル膜
１０２２は典型的には３３〜５０原子パーセント（ａｔ
ｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）の窒素を含み、残りはタン
タルである。その膜は図１６に示されるように形成され
かつドープ領域１１０４にコンタクトすることができ
る。次に、基板がさらに処理されて図１７に示されるよ
うに窒化タンタル膜１０２２の上に横たわるタンタルが
豊富な（ｔａｎｔａｌｕｍ−ｒｉｃｈ）窒化タンタル膜
１０３２を形成する。膜１０２２および１０３２の組合
せは形成されているワイヤリングのための接着／障壁膜
である第１の導電膜である。該第１の導電膜はほぼ１〜
５０ナノメートルの範囲にあり、かつ典型的にはほぼ１
０〜３０ナノメートルの範囲にある。

【００４８】窒化タンタルおよびタンタルが豊富な窒化
タンタル膜１０２２および１０３２の形成は次のように
行なわれる。基板が、被着装置のような、処理チェンバ
内のサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）上におかれる。該
サセプタはほぼセ氏５０〜２５０度の範囲の温度に加熱
される。２つの膜の被着の間の圧力は概略的に１５〜４
０ミリトールの範囲にある。該圧力は被着されている構
造のアスペクト比および形状に依存する。材料をスパッ
タリングするために使用される直流（ＤＣ）電力は通常
０．５〜３キロワットの範囲にあり、かつより特定的に
は、典型的に１．２〜１．８キロワットの範囲にある。
スパッタリングチェンバ内にプラズマを生成するために
使用される無線周波（ＲＦ）電力は通常１〜２キロワッ
トの範囲にあり、かつより特定的には、典型的に１．３
〜１．７キロワットである。

【００４９】２つの膜１０２２および１０２３の被着は
典型的には単一の排気サイクルの間に１つのシーケンス
として行なわれる。被着の最初の部分の間に、窒化タン
タル膜１０２２は化学量論的組成（ＴａＮ）に近く、基
板のバイアス（ｂｉａｓｉｎｇ）はない。この時間の間
に、窒素含有ガスおよび、アルゴンのような、希ガス
（ｎｏｂｌｅ ｇａｓ）がスパッタリングターゲットに
向けられる。窒素含有ガスは窒素、アンモニアその他を
含む。膜１０３２を形成する上で、窒素含有ガスは終了
し、一方希ガスが流れ続け、かつ基板はほぼ負の７５〜
負の８０ボルトでバイアスされるようになる。

【００５０】このスパッタ被着の間に、前記膜内のタン
タルの原子パーセントは増大し、一方窒素の原子パーセ
ントは図１８に示されるように低減する。図１８は、第
１のＩＬＤ層１０１１への前記露出面からの距離の関数
として濃度（原子パーセントでの）のプロットを含む。
タンタルが豊富なまたはタンタルリッチ窒化タンタル膜
はほぼ０〜３０原子パーセントの範囲の窒素を有する。
この特定の実施形態では、前記タンタルリッチ窒化タン
タル膜１０３２の上部面は実質的に純粋のタンタルであ
りかつほぼ何らの窒素原子をも持たない。上部面におけ
るより低い原子パーセントの窒素は典型的には主として
銅である膜に対して良好な接着を与える。上部面におい
て、もし銅の接着が特に問題であればタンタルの原子パ
ーセントは少なくとも９５パーセントとすることができ
かつ窒素の原子パーセントは５パーセントより小さくす
ることができる。別の実施形態では、前記窒素含有およ
び希ガスは終了できかつ丁度希ガスを流す前にチェンバ
を排気することができる。不連続または個別部分を備え
た第１の導電膜が形成されることになる。

【００５１】１つの特定の実施形態においては、窒素含
有ガスが流れ（膜１０２２）およびバイアスがオフであ
る（膜１０３２）場合の期間はほぼ窒素含有ガスの流れ
が終了しかつバイアスがオンになる期間と等しい。しか
しながら、これらの期間は異なっても良い。いくつかの
実施形態では、窒化タンタル膜１０２２はタンタルリッ
チ窒化タンタル膜１０３２より厚くされる。２つの膜１
０３２および１０２２の組合わされた厚さはほぼ１〜５
０ナノメートルの範囲にあり、かつ典型的には１０〜３
０ナノメートルの範囲にある。膜１０２２および１０３
２は障壁膜の部分である。

【００５２】次に銅シード膜（ｃｏｐｐｅｒ ｓｅｅｄ
ｆｉｌｍ）１０５４が図１９に示されるようにタンタ
ルリッチ窒化タンタル膜１０３２の上に被着される。銅
シード膜１０５４は物理蒸着、化学蒸着、その他を含む
数多くの方法によって被着できる。もし金属−有機化学
蒸着が使用されれば、銅のプレカーソルまたは前駆物質
は以下のものの内の任意の１つまたはそれ以上とするこ
とができる。すなわち、銅ヘキサフルオロアセチルビニ
ルトリメチルシラン（ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙ
ｌ ｖｉｎｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ：Ｃｕ
（ｈｆａｃ）（ＶＴＭＳ））、銅ヘキサフルオロアセチ
ル３−ヘキシン（ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌ３
−ｈｅｘｙｎｅ：Ｃｕ（ｈｆａｃ）（３−ｈｅｘｙｎ
ｅ））、その他とすることができる。さらに、銅（Ｉ
Ｉ）ｂ−ジケトネート｛ｃｏｐｐｅｒ（ＩＩ）ｂ−ｄｉ
ｋｅｔｏｎａｔｅ｝化合物も使用できる。銅シード膜１
０５４が被着された後、電気めっきされた銅膜１０６４
は次に図２０に示されるように基板全体の上に形成され
る。電気めっきされた銅膜１０６４の厚さは開口１０１
２の相互接続トレンチ部分を充填するのに充分厚い。膜
１０５４および１０６４の組合わせは第２の導電膜であ
り、形成されるワイヤリングのため、主として銅であ
る。

【００５３】最初の化学機械研摩工程が行なわれて図２
１に示されるようにタンタルリッチ窒化タンタル膜１０
３２の上に横たわる銅膜１０５４および１０６４の全て
を除去する。第１の導電膜（膜１０２２および１０３
２）が第２の導電膜（膜１０５４および１０６４）を研
摩する場合に研摩ストッパ（ｐｏｌｉｓｈ−ｓｔｏｐ）
となる。図２２に示されるように開口１２の外側の第２
の平坦化された絶縁膜１１１６の上に横たわるタンタル
リッチ窒化タンタル膜１０３２および窒化タンタル膜１
０２２を除去するために第２の研摩工程が行なわれる。
処理のこの時点で、図２２に示されるように相互接続ワ
イヤリング１０８２および１０８４が形成される。ワイ
ヤリング１０８４は相互接続部分およびドープ領域１１
０４の１つにコンタクトするコンタクト部分を含む。図
示されていないが、コンタクトを使用した電気的接続は
相互接続１０８２に対して行なわれるが図２２には示さ
れていない。

【００５４】処理は続けられて図２３に示されるように
実質的に完成した装置を形成する。この時点で、第３の
エッチストップ膜１９１０がワイヤリング１０８２およ
び１０８４の上に形成され、第３の平坦化された絶縁膜
１９１２が第３のエッチストップ膜１９１０の上に形成
されかつ第４のエッチストップ膜１９１４が第３の平坦
化された絶縁膜１９１２の上に形成される。図示されて
いないが、第４の平坦化された絶縁膜も形成される。膜
１９１０，１９１２および１９１４を含む第２のＩＬＤ
層を形成する膜はパターニングされて伝統的なプロセス
を使用して必要とされる部分にコンタクト開口および相
互接続トレンチを形成する。図２３には示されていない
が、膜１９１０，１９１２および１９１４を通って延在
して開口が形成される。

【００５５】前記開口を形成した後、窒化タンタル膜１
９２２が被着されそれに続きタンタルリッチ窒化タンタ
ル膜１９３２が、さらにそれに続き銅シード膜１９５４
および電気めっきされた銅膜１９６４が形成される。適
切な研摩工程を行なった後、パッシベイション層１０９
８が形成されて実質的に完成した装置を形成する。示さ
れていないが、付加的な層間誘電体層、ワイヤリング
層、および他の電気的接続を形成できるが、図２３には
示されていない。

【００５６】本発明の他の選択肢を使用することができ
る。タンタルを使用することに加えて、障壁／接着膜を
形成する上で他の高融点金属が使用できる。タンタル
は、タングステン、モリブデン、その他のような、他の
高融点金属と置き換えることができる。さらに別の実施
形態では、半導体原子を膜１０３２および１０２２のい
ずれかまたは双方に導入することができる。例えば、タ
ンタル窒化シリコン（ｔａｎｔａｌｕｍ ｓｉｌｉｃｏ
ｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）およびタンタルリッチ・タンタル
窒化シリコン（ｔａｎｔａｌｕｍ−ｒｉｃｈ ｔａｎｔ
ａｌｕｍ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）を形成で
きる。あるいは、ゲルマニウム原子またはシリコンおよ
びゲルマニウム原子の双方が存在できる。高融点金属−
半導体−窒素化合物を形成する上で、スパッタリングの
ために使用されるターゲットは典型的に高融点金属およ
び半導体原子を含む。

【００５７】１つの特定の環境においては、タンタルシ
リサイド（ｔａｎｔａｌｕｍ ｓｉｌｉｃｉｄｅ）を使
用することができかつタンタル窒化シリコン（ｔａｎｔ
ａｌｕｍ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）をアルゴ
ンおよび窒素ガスの組合わせと共にタンタルシリサイド
のターゲットをスパッタリングすることにより形成でき
る。前記タンタルリッチ・タンタル・シリコンナイトラ
イド膜は前記タンタルリッチ窒化タンタル膜と同様に形
成することができ、この場合窒素ガスは終了されかつア
ルゴン層がターゲットに向けられて前のスパッタリング
からのターゲット面上に残された残りのタンタル窒化シ
リコン被膜を除去する。

【００５８】さらに別の実施形態では、実質的に純粋の
タンタル膜、タンタルリッチ窒化タンタル膜、またはタ
ンタル窒化シリコン膜を前記窒化タンタル膜１０２２を
形成する前に形成することができる。一実施形態では、
タンタルのターゲットは短時間の間スパッタリングされ
て初期タンタル膜を形成しそれに続き窒化タンタル膜お
よびタンタルリッチ窒化タンタル膜を形成することがで
きる。この実施形態は良好なコンタクトが基板およびシ
リサイドに対して形成でき、それはタンタル膜はこれら
の面上に存在する自然酸化物（ｎａｔｉｖｅ ｏｘｉｄ
ｅ）と反応することができるからである。

【００５９】他の構造においては、単一インレイまたは
インレイドワイヤリング（ｓｉｎｇｌｅ ｉｎｌａｉｄ
ｗｉｒｉｎｇｓ）を形成できる。この特定の場合に
は、窒化タンタル膜１０２２およびタンタルリッチ窒化
タンタル膜１０３２の厚さは図１５〜図２３に示された
デュアルインレイ構造と比較して増大することができ
る。

【００６０】さらに別の実施形態では、銅シード膜１０
５４および電気めっきされた銅膜１０６４の組合わせを
化学蒸着または物理蒸着によって形成された単一の銅膜
によって置き換えることができる。この膜を形成する場
合、基板は銅が必要に応じて開口内に流れることができ
るように加熱することができる。この場合、基板または
サセプタの温度は典型的にはほぼセ氏３５０〜４５０度
の範囲にある。もし温度があまりにも高くされると窒化
タンタル障壁膜の完全性があやうくなる可能性があるの
で注意をする必要がある。被着の間の温度は銅が流れる
ことができるように充分高くされるが窒化タンタル障壁
膜の完全性が損なわれるほど高くはされない。これらの
銅フロー（ｃｏｐｐｅｒ−ｆｌｏｗｉｎｇ）の実施形態
は、研摩時間および洗浄の低減のような、利点を達成す
る。

【００６１】

【発明の効果】上に述べた実施形態は従来技術の方法で
は見られない利点を提供する。窒化タンタル膜は良好な
障壁であるが、窒化タンタルと組合わせたタンタルリッ
チ窒化タンタルを使用することは、特に化学蒸着された
銅膜において、良好な接着を可能にする。もし膜１０３
２の窒素の含有量が高すぎれば、接着に悪影響を与える
シアン（ｃｙａｎｉｄｅ）化合物が形成される可能性が
ある。銅と接触する面における窒素の濃度を比較的低く
保つことにより、良好な接着が達成できる。

【００６２】さらなる利点は前記改善された接着はまた
より良好な接触抵抗を達成することである。さらに、本
発明の実施形態はエレクトロマイグレイションの影響を
低減する。さらに他の利点は前記実施形態は新規な材料
を使用することなくあるいは限界に近いプロセスを開発
する必要性なしに現在存在する機器を使用できることで
ある。

【００６３】以上の説明においては、本発明が特定の実
施形態に関連して説明された。しかしながら、当業者は
添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から離
れることなく種々の修正および変更を行なうことができ
ることを理解するであろう。したがって、明細書および
図面は制限的な意味ではなく例示的なものと見なすべき
であり、かつ全てのそのような変更は本発明の範囲内に
含まれるものと考えられる。特定の実施形態に関して有
利性および他の利点を上で説明した。しかしながら、前
記有利性、利点および前記有利性および利点のいずれか
が生じまたはより明白になるようにする何らかの要素
（単数または複数）はいずれかの特許請求の範囲におけ
る重大な、必要とされる、または必須の特徴機能または
要素と考えられるべきではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる新しい相互接続構
造を示す３次元斜視図である。

【図２】図１に示される構造を形成するために使用され
る処理チェンバの時間順次的な説明のための断面図であ
る。

【図３】図１に示される構造を形成するために使用され
る処理チェンバの時間順次的な説明のための断面図であ
る。

【図４】図１に示される構造を形成するために使用され
る処理チェンバの時間順次的な説明のための断面図であ
る。

【図５】各々異なる窒素組成を有する３つの実施形態の
特性をＸＹプロットで示すグラフである。

【図６】各々異なる窒素組成を有する３つの実施形態の
特性をＸＹプロットで示すグラフである。

【図７】各々異なる窒素組成を有する３つの実施形態の
特性をＸＹプロットで示すグラフである。

【図８】層１１６に対する被着材料の増分的なシート抵
抗とスパッタリング時間との関係をＸＹプロットで示す
グラフである。

【図９】図１の構造に対する応力データと比較した従来
の装置に対する応力データを示す棒グラフである。

【図１０】図１の構造と比較した種々の従来技術の装置
のシート抵抗を示す棒グラフである。

【図１１】図１の構造の改善されたエレクトロマイグレ
イション抵抗を対数ＸＹプロットで示すグラフである。

【図１２】アルミニウム界面における従来技術の構造の
化学組成をＸＹプロットで示すグラフである。

【図１３】アルミニウム界面における図１の構造の化学
組成をＸＹプロットで示すグラフである。

【図１４】クラスタ被着ツールを示す頭部斜視図であ
る。

【図１５】相互接続トレンチおよびコンタクト開口を形
成した後の半導体装置基板の一部を示す説明的断面図で
ある。

【図１６】窒化タンタル膜を形成した後の図１５の基板
の説明的断面図である。

【図１７】タンタルリッチ窒化タンタル膜を形成した後
の図１６の基板の説明的断面図である。

【図１８】タンタルリッチ窒化タンタル膜を形成した後
の基板表面からの深さに伴なう種々の要素の濃度の変化
を示す説明的グラフである。

【図１９】銅シード膜を形成した後の図１７の基板の説
明的断面図である。

【図２０】銅シード膜の上に銅膜を電気めっきした後の
図１９の基板の説明的断面図である。

【図２１】タンタルリッチ窒化タンタル膜の外側の相互
接続トレンチおよびコンタクト膜の上に横たわる銅膜の
部分を除去するために基板を研摩した後の図２０の基板
の説明的断面図である。

【図２２】半導体装置のためのワイヤリングを形成する
ためにタンタルリッチ窒化タンタルおよび窒化タンタル
膜を研摩した後の図２１の基板の説明的断面図である。

【図２３】実質的に完成した半導体装置を示す説明的断
面図である。

【符号の説明】

４２ アルミニウム膜 ４４ 連続的に変化する部分 ４６ ＴｉＮ部分 １００ 被着チェンバ １０１ バックプレート １０２ チタンターゲット １０４ ターゲットＴｉＮ層 １０６ プラズマ １０８ エネルギを与えられたアルゴンイオン １１０ エネルギを与えられた電子 １１２ ペデスタルまたは台座 １１４ ウェーハ １１６ ＴｉＮｘ膜 １１８ ＴｉＮ膜 １０１１ 第１の層間誘電体層（ＩＬＤ） １０１２ 開口 １０２２ 窒化タンタル膜 １０３２ タンタルリッチ窒化タンタル膜 １０５４ 銅シード膜 １０６４ 電気めっき銅膜 １１００ 半導体装置基板 １１０２ フィールドアイソレーション領域 １１０４ ドープ領域 １１０６ ゲート誘電体層 １１０７ シリコン膜 １１０８ シリサイド膜 １１０９ 側壁スペーサ １１１０ 第１のエッチストップ膜 １１１２ 第１の平坦化された絶縁膜 １１１４ 第２のエッチストップ膜 １１１６ 第２の平坦化された絶縁膜 １１２２ 相互接続トレンチ １１２４ コンタクト部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラリー・イー・フリーサ アメリカ合衆国テキサス州78613、シーダ ー・パーク、レッドバード・ドライブ 1114 (72)発明者 ハック−レイ・チャン アメリカ合衆国テキサス州78727、オース チン、ダプルグレイ・レイン 1873

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上に導電性構造を含む半導体装置
   であって、前記導電性構造は第１の導電膜および第２の
   導電膜（４６，１０５４および１０６４）を具備し、 前記第１の導電膜は第１の部分（４４，１０３２）およ
   び第２の部分（４６，１０２２）を有し、 前記第１の部分（４４，１０３２）は前記第２の部分に
   比較して前記第２の導電膜により近く横たわっており、 前記第１の部分（４４，１０３２）は金属元素を含む連
   続的に変化する領域を有し、 前記連続的に変化する領域内の金属元素の原子濃度は前
   記第２の導電膜からの距離が増大するに応じて増大し、 前記第２の部分（４６，１０２２）は金属元素を含み、 前記第２の部分（４６，１０２２）内の金属元素の原子
   濃度は前記連続的に変化する領域内の金属元素の平均原
   子濃度より高く、そして前記第２の導電膜（４６，１０
   ５４および１０６４）は前記第１の導電膜より導電的で
   ある、 ことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 基板の上に導電性構造を含む半導体装置
   であって、前記導電性構造は第１の導電膜および第２の
   導電膜を具備し、 前記第１の導電膜は第１の部分、第２の部分、および第
   ３の部分を有し、 前記第２の部分は前記第１および第３の部分の間に横た
   わり、 前記第３の部分は前記第１および第２の部分と比較して
   前記第２の導電膜に最も近く横たわっており、 前記第１および第３の部分は金属元素を含み、そして前
   記第２の部分は金属元素および窒素を含み、前記第２の
   部分の窒素濃度は前記第１および第３の部分の各々の窒
   素濃度より高く、そして前記第２の導電膜（１０５４，
   １０６４）は主として銅である、 ことを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 半導体装置を形成するためのプロセスで
   あって、 第１の層（１０４）および第２の層（１０２）を有する
   ターゲットを含む処理チェンバ（１００）を提供する段
   階であって、前記第１の層（１０４）は第１の組成を有
   し、かつ前記第２の層（１０２）は前記第１の組成と異
   なる第２の組成を有するもの、 基板（１１４）を前記処理チェンバ（１００）内に配置
   する段階であって、前記基板（１１４）は金属導電膜を
   有するもの、 前記処理チェンバ（１００）内で希ガスプラズマを生成
   する段階、 前記希ガスプラズマを使用して前記基板（１１４）の上
   に第１の膜（１１６）を形成する段階であって、前記第
   １の膜（１１６）は前記第１の組成と前記第２の組成と
   の間の組成を有するもの、 窒素を前記処理チェンバ内に流して希ガス−窒素プラズ
   マを形成する段階、そして前記希ガス−窒素プラズマを
   使用して前記基板（１１４）の上に第２の膜（１１８）
   を形成する段階であって、前記第２の膜（１１８）は前
   記第１の組成とほぼ同じ組成を有するもの、 を具備することを特徴とする半導体装置を形成するため
   のプロセス。
4. 【請求項４】 半導体装置を形成するためのプロセスで
   あって、 ターゲットを含む処理チェンバ（１００）を提供する段
   階、 基板（１１００）を前記処理チェンバ（１００）内に配
   置する段階、 前記処理チェンバ（１００）内で希ガス−窒素プラズマ
   を生成する段階、 第１の膜（１０２２）および第２の膜（１０３２）を有
   する障壁膜を被着する段階であって、該被着は、 前記希ガス−窒素プラズマを使用して前記基板（１１０
   ０）の上に第１の膜（１０２２）を形成する段階、 前記処理チェンバ内への窒素ガス流を終了させることに
   よって前記希ガス−窒素プラズマを希ガスプラズマに変
   換する段階、 前記希ガスプラズマを使用して第２の膜（１０３２）を
   形成する段階であって、前記第２の膜（１０３２）は前
   記第１の膜（１０２２）の上に形成され、前記第２の膜
   （１０３２）は金属元素および窒素を含み、かつ前記第
   ２の膜（１０３２）は連続的に変化する領域を含み、該
   連続的に変化する領域内の窒素濃度は前記第１の膜（１
   ０２２）からの距離の増大に応じて低減するもの、 を含む前記第１の膜（１０２２）および第２の膜（１０
   ３２）を有する障壁膜を被着する段階、 前記第２の膜（１０３２）の上に第３の膜（１０５４お
   よび１０６４）を形成する段階であって、前記第３の膜
   （１０５４および１０６４）は導電膜であるもの、そし
   て前記第１、第２および第３の膜（１０２２，１０３
   ２，１０５４および１０６４）の部分を除去して導電性
   構造を形成する段階、 を具備することを特徴とする半導体装置を形成するため
   のプロセス。