(57)【要約】【課題】低誘電率の絶縁体を有する銅ダマシン構造用の改善されたバリア層、およびそれに伴うこのような構造を製作する方法を提供すること。【解決手段】銅の導電層と低誘電率の有機絶縁体の間に、アモルファス金属ガラス、好ましくはアモルファス・タンタルアルミニウムを含むバリア層を備える半導体デバイス。この半導体デバイスを製作する方法も開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　絶縁体内の開口中に導電層を備える半導体デバイスであって、前記導電層が銅を含み、前記絶縁体が低誘電率の有機材料を含み、さらに前記導電層がアモルファス金属ガラスを含むバリア層上に形成される半導体デバイス。
【請求項２】
　前記バリア層が耐熱性金属またはその化合物をさらに含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
　前記バリア層が、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＭｏＮ、ＷＳｉＮ、ＷＳｉ、Ｎｂ、ＮｂＮ、Ｃｒ、ＣｒＮ、ＴａＣ、ＴａＣｅＯ２、ＴａＳｉＮ、もしくはＴｉＳｉＮ、またはそれらの混合物をさらに含む、請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
　前記絶縁体が、２個以上のシクロペンタジエノン基を含む１種または複数種の多官能性化合物と、２個以上の芳香族アセチレン基を含む少なくとも１種の多官能性化合物との反応生成物を含み、少なくとも１種の前記多官能性化合物がアセチレン基およびシクロペンタジエノン基からなる群から選択した３個以上の基を含む、オリゴマー、非硬化ポリマー、または硬化ポリマーを含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
　前記アモルファス金属ガラスがアモルファス・タンタルアルミニウムである、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
　前記アモルファス・タンタルアルミニウムが約６９％〜約７５％の範囲のタンタルを含む、請求項５に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
　絶縁体内の開口中の導電層であって、
　銅を含み、
　前記絶縁体が、２個以上のシクロペンタジエノン基を含む１種または複数種の多官能性化合物と、２個以上の芳香族アセチレン基を含む少なくとも１種の多官能性化合物との反応生成物を含み、少なくとも１種の前記多官能性化合物がアセチレン基およびシクロペンタジエノン基からなる群から選択した３個以上の基を含む、オリゴマー、非硬化ポリマー、または硬化ポリマーを含む、導電層と、
　前記導電層と前記絶縁体の間に配設され、約６９％〜約７５％のタンタルを含むアモルファス・タンタルアルミニウムを含むバリア層とを備える、半導体デバイス。
【請求項８】
　前記バリア層が、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＭｏＮ、ＷＳｉＮ、ＷＳｉ、Ｎｂ、ＮｂＮ、Ｃｒ、ＣｒＮ、ＴａＣ、ＴａＣｅＯ２、ＴａＳｉＮ、もしくはＴｉＳｉＮ、またはそれらの混合物をさらに含む、請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
　前記バリア層が、アモルファス・タンタルアルミニウム、窒化チタンおよびタンタル、または、窒化タンタル、アモルファス・タンタルアルミニウムおよびタンタルを含む、請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
　低誘電率の有機材料を含む絶縁体中に開口を形成するステップと、
　前記開口中に、アモルファス金属ガラスを含むバリア層を形成するステップと、
　前記バリア層上に、銅を含む導電層を形成するステップとを含む、半導体デバイスを製作する方法。
【請求項１１】
　前記バリア層上にシード層を形成するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
　前記シード層上で電気めっきを行うことによって前記導電層を形成する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
　前記バリア層が耐熱性金属またはその化合物をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
　前記アモルファス金属ガラスがアモルファス・タンタルアルミニウムである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
　前記アモルファス・タンタルアルミニウムが約６９％〜約７５％の範囲のタンタルを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
　前記絶縁体が、２個以上のシクロペンタジエノン基を含む１種または複数種の多官能性化合物と、２個以上の芳香族アセチレン基を含む少なくとも１種の多官能性化合物との反応生成物を含み、少なくとも１種の前記多官能性化合物がアセチレン基およびシクロペンタジエノン基からなる群から選択した３個以上の基を含む、オリゴマー、非硬化ポリマー、または硬化ポリマーを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
　前記バリア層が、アモルファス・タンタルアルミニウム、窒化チタンおよびタンタル、または、窒化タンタル、アモルファス・タンタルアルミニウムおよびタンタルを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、一般に、半導体デバイスおよびその製造方法に関する。より詳細には、アモルファス金属ガラスのバリア層上に形成された銅配線を特徴とする半導体デバイスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　より高速な半導体デバイスを提供するために、当技術分野では、比抵抗が小さい導電材料、および低誘電率（low-k）すなわち誘電率が約４未満の絶縁体を使用することが必要となっている。たとえば、いまや銅は、アルミニウムと比べて比抵抗が小さくかつエレクトロ・マイグレーション耐性が良好なので、導電材料の一般の選択肢となりつつある。さらに、二酸化シリコンまたはドープした二酸化シリコン、たとえば誘電率が４よりも大きいホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）の代替手段として、低誘電率（ｋ＜４）の絶縁材料が研究されている。たとえば、米国特許第５，５６３，１０５号に、誘電率が３．５〜３．７のＦＳＧ（フッ素をドープしたケイ酸塩ガラス）が記載されている。また、約２．７というより一層低い誘電率を有する絶縁体用の有機材料も開発されている。たとえば、米国特許第５，９６５，６７９号を参照されたい。
【０００３】
　銅配線では、一般に、パターン付き絶縁体表面全体の上に銅を堆積させて開口すなわちトレンチおよびバイアを充填し、その後たとえば化学機械研磨を使用して平坦化を行うダマシン・プロセスを使用する。この堆積を電気めっきで行うとき、めっきベースまたはシード層の堆積を、銅の堆積ならびにその他の層たとえば耐熱性金属または耐熱性窒化金属の堆積より先に行って、接着性を向上させかつ絶縁体内への銅の拡散を防ぐ。こうしたバリア層の厚さは微細加工の要件を満たすために薄くする必要があるので、バリア層を貫通して低誘電率の絶縁体内に銅が拡散することが問題となる。
【０００４】
　特に、バックエンドの配線プロセスでの温度すなわち４５０℃未満では、酸化物または有機絶縁体への銅の熱拡散は大きくない。しかし、電場および水分の存在下では、最初に陽極で銅原子が化学的にイオン化され、次いで、プラスの銅イオンが低誘電率の絶縁体を貫通して陰極まで急速に移動する（いわゆるエレクトロ・ケミカル・マイグレーション）恐れがあり、信頼性の問題を引き起こす。さらに、たとえば米国特許第５，９６５，６７９号に記載されているような有機絶縁体からのベンゼンのガス放出が、高温で、プラスの銅イオンを静電気的に引きつける恐れがある。従来型のバリア層は多結晶の性質をもっているので、こうした層には常に、いくらかの結晶欠陥、たとえば格子欠陥、結晶粒界、および偏析がある。これらの欠陥、特に結晶粒界は、エレクトロ・ケミカル・マイグレーションの間、銅の高速な拡散経路として働くことがある。従来型のバリア層を貫通して低誘電率の絶縁体に銅が拡散すると、電子の漏れが増加し、誘電率が大きくなり、早期の経時絶縁破壊が起きる。
【特許文献１】米国特許第５，５６３，１０５号
【特許文献２】米国特許第５，９６５，６７９号
【非特許文献１】H.Toyoda他、「Improvement in theElectromigration Lifetime Using Hyper-Textured Aluminum Formed on AmorphousTantalum-Aluminum Underlayer」、International Reliability Physics SymposiumProceedings (1994)、178〜184頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　したがって、当業界では、低誘電率の絶縁体を有する銅ダマシン構造用の改善されたバリア層、およびそれに伴うこのような構造を製作する方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　こうした背景のもとで、本発明では、銅の導電層および低誘電率の有機絶縁体とともに使用されるアモルファス金属ガラスを含むバリア層を導入する。一般に、バリア層は、低誘電率の有機絶縁体への銅の拡散を防止するための主たる障壁として働く。さらに、使用に際して、バリア層は比較的薄く、そのためバックエンドの配線プロセスにおいて、比抵抗が低いという銅の性質を有益に利用することができる。また、バリア層のアモルファスな性質により、切れ目なく高度にテクスチャ化された銅のシード層が十分に形成され、電気めっきによって開口中に銅を堆積させるとき、銅が低誘電率の有機絶縁体に十分に接着される。
【０００７】
　本発明によれば、絶縁体内の開口中に導電層を備える半導体デバイスが提供される。この導電層は銅を含み、絶縁体は低誘電率の有機材料を含む。また、この導電層は、アモルファス金属ガラスを含むバリア層上に形成される。
【０００８】
　さらに、本発明によれば、絶縁体内の開口中の導電層と、導電層と絶縁体の間に配設され、約６９％〜約７５％のタンタルを含むアモルファス・タンタルアルミニウムを含むバリア層とを備え、導電層が銅を含み、絶縁体が、２個以上のシクロペンタジエノン基を含む１種または複数種の多官能性化合物と、２個以上の芳香族アセチレン基を含む少なくとも１種の多官能性化合物との反応生成物を含み、少なくとも１種の前記多官能性化合物がアセチレン基およびシクロペンタジエノン基からなる群から選択した３個以上の基を含む、オリゴマー、非硬化ポリマー、または硬化ポリマーを含む、半導体デバイスが提供される。このアモルファス・タンタルアルミニウム合金は、構造上均質であり結晶欠陥がないという理想的な障壁特性を有する。その物理的および電気的な特性は、プロセス条件および組成を変更することによって調整することもできる。
【０００９】
　さらに、本発明によれば、低誘電率の有機材料を含む絶縁体中に開口を形成するステップと、その開口中にアモルファス金属ガラスを含むバリア層を形成するステップと、そのバリア層上に銅を含む導電層を形成するステップとを含む半導体デバイスを製作する方法が提供される。
【００１０】
　本発明の上記その他の特徴および利点は、本発明の実施形態についての以下のより詳細な説明から明らかであろう。
【００１１】
　次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図で、同じ番号は同じ要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
　図面を参照すると、図１に半導体構造１が示されている。この例では、構造１は、一般にシリコン、ガリウムヒ素などの半導体基板２を備えるダマシン構造であり、その上にコンデンサやトランジスタなどのデバイスが形成され、その上に絶縁体３を設ける。このダマシン構造の例では、従来方式のバックエンド・プロセスの配線技術を用いて、構造１の絶縁体３中に開口４を形成する。別の代替方法として、当業者にはよく知られているように、構造１はデュアル・ダマシン構造からなってもよく、開口４は絶縁体３中に形成されたトレンチおよびバイアを含む。
【００１３】
　本発明によれば、絶縁体３は低誘電率の有機材料である。好ましい実施形態では、この低誘電率の有機材料は、２個以上のシクロペンタジエノン基を含む１種または複数種の多官能性化合物と、２個以上の芳香族アセチレン基を含む少なくとも１種の多官能性化合物との反応生成物を含み、少なくとも１種の前記多官能性化合物がアセチレン基およびシクロペンタジエノン基からなる群から選択した３個以上の基を含む、オリゴマー、非硬化ポリマー、または硬化ポリマーである。
【００１４】
　有利には、こうした材料により、ギャップを充填しパターン付き表面を平坦化することができ、硬化後は、比較的高い熱安定性、高いガラス遷移温度、および低い誘電率が得られる。こうした特定の材料に関する追加の詳細ならびにその準備および使用法に関する詳細が米国特許第５，９６５，６７９号に出ている。絶縁体３として使用することができる他の低誘電率の有機材料は、当業者には周知のものである。
【００１５】
　絶縁体３はスピン・コーティングによって塗布することが好ましいが、ディップ・コーティング、スプレー・コーティング、押出しコーティングなどを適切に用いることもできる。一般に、絶縁体３は、厚さ約１，５００〜約５，０００オングストローム、より一般には、厚さ約２，０００〜約３，５００オングストロームである。
【００１６】
　次に、バリア層５を、絶縁体３の上、開口４中に形成する。本発明によれば、バリア層５は、構造上均質で結晶欠陥がないという性質のアモルファス金属ガラスを含む。さらに、バリア層は１つまたは複数の追加の層を含むこともできるが、以下により詳細に説明するように、本発明のいくつかの実施形態では、他に層を追加することなく、１つまたは複数のタンタルアルミニウム層を適切に使用することができる。図１に示す実施形態を参照すると、最初に、絶縁体３の上にアモルファス・タンタルアルミニウム層６が形成される。
【００１７】
　タンタルアルミニウム層６は比較的薄いことが好ましく、厚さ約５０〜約３００オングストローム、より好ましくは約１００〜約２００オングストロームで堆積させる。層６は、直流マグネトロン・スパッタリングによって、超高真空チャンバ内で毎分５０ナノメートルの堆積速度で堆積させることが好ましいが、他の条件および技術も当業者には明らかであろう。アモルファス・タンタルアルミニウムの準備に関する追加の記載が、たとえば、H.Toyoda他、「Improvement in the Electromigration Lifetime UsingHyper-Textured Aluminum Formed on Amorphous Tantalum-Aluminum Underlayer」、InternationalReliability Physics Symposium Proceedings (1994)、178〜184頁に出ている。アモルファス・タンタルアルミニウム層６は、約６９％〜約７５％の範囲のタンタルを含むことが好ましい。
【００１８】
　バリア層に他の導電層、好ましくは耐熱性金属または耐熱性金属化合物を含めることもできる。再度、図１を参照すると、タンタルアルミニウム層６の上に、一般に厚さ約１００〜約２００オングストロームの窒化チタン層７を堆積させる。次に、この窒化チタン層７の上に、タンタル層８を堆積させる。一般に、タンタル層８の厚さは、約２００〜約４００オングストロームである。窒化チタン層７およびタンタル層８を堆積させる際、化学気相成長法、プラズマ気相成長法、スパッタリングなどの従来技術を適切に用いることができる。
【００１９】
　次に、バリア層５上に銅を含む導電層９を形成する。導電層９の銅の含有量は、比較的高く、一般に少なくとも５０％、好ましくは約６５％より高く、そのため、導電層９の比抵抗が比較的低いことに留意されたい。一般に、ほぼ純粋な銅が好ましいが、たとえば腐食に対する耐性を向上させるために、銅に少量の他の材料が含まれてもよい。本発明の代替実施形態によれば、使用できる他の材料には、たとえば金、銀、ニッケルなどが含まれる。
【００２０】
　電気めっきによって導電層９を堆積させることが好ましいが、当業者には明らかなように、他の技術たとえば無電解めっきを用いることもできる。図１の実施形態によれば、スパッタ堆積法、または化学気相成長法、物理気相成長法などその他の類似の技術を使用して、バリア層５の上にめっきベースまたはシード層を堆積させる。この実施形態では、シード層は銅であるが、使用するめっき技術の形態に応じて、他の材料、たとえばタングステン、チタン、タンタルなどを使用することもできる。次いで、電解めっき技術を使用して、開口４中に導電層９を堆積させる。具体的には、電気めっき溶液容器中に構造１を入れ、外部電流を印加し、シード層上に導電材料９を成長させる。この例では、シード層および導電材料９はともに銅なので、導電材料９がシード層上で成長する際、シード層と導電材料９の間の境界はなくなる。構造１を導電材料９で充填した後、化学機械研磨その他の適切な技術を使用して表面を平坦化する。
【００２１】
　図２に、異なる組合せの複数の層を使用したバリア層５の代替実施形態を示す。この実施形態によれば、バリア層５は、最初に、窒化タンタル層１０を堆積させ、その後タンタルアルミニウムのアモルファス層６を堆積させ、次いで、タンタル層８を堆積させることによって形成する。
【００２２】
　特定の理論に拘泥するものではないが、銅配線にアモルファス・タンタルアルミニウムなどアモルファス金属ガラスを含むバリア層を使用することによって、いくつかの重要な利点が得られると考えられる。第１に、タンタルアルミニウムはアモルファス状であり、結晶粒がなく、そのため銅の結晶粒界拡散経路が遮断される。第２に、アモルファス・タンタルアルミニウムにより、その上に堆積させる他の層、たとえば他のバリア層、および他の導電材料層のテクスチャが改善する。アモルファス・タンタルアルミニウムは、たとえば窒化チタンおよびチタンと比べて比較的表面エネルギーが大きいので、小さなぬれ角でより層状の成長が生じる。さらに、膜成長の間、特定の結晶格子整合拘束がないので、アモルファス状態では低い界面エネルギーを有する。そのため、その後形成される材料により、より安定でより緊密に充填された構造が形成され、より良好なテクスチャ付きの膜およびエレクトロ・マイグレーション耐性が得られる。
【００２３】
　上記に概略を述べた特定の実施形態に即して本発明を説明してきたが、当業者には多くの代替形態、改変形態および変形形態が明らかであることは明白である。たとえば、本発明は、デュアル・ダマシン構造など様々な特徴を有する半導体構造とともに使用することができ、シングル・ダマシン構造との使用に限定されるものではない。バリア層は、アモルファス・タンタルアルミニウム層に加えて、耐熱性金属または耐熱性金属化合物、たとえばＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＭｏＮ、ＷＳｉＮ、ＷＳｉ、Ｎｂ、ＮｂＮ、Ｃｒ、ＣｒＮ、ＴａＣ、ＴａＣｅＯ２、ＴａＳｉＮ、またはＴｉＳｉＮなどからなる１つまたは複数の追加の層を含むこともできることを理解されたい。また、構造上均質で結晶欠陥がないという性質をもつ他のアモルファス金属ガラス、たとえばジルコニウム・ベース（たとえばＺｒＣｕＡｌ）およびパラジウム・ベース（たとえばＰｄＣｕＳｉ）の金属ガラスが、バリア層への利用に適するはずであることも理解されたい。したがって、上記の本発明の実施形態は、例示するためのものであり限定するためのものではない。添付の特許請求の範囲で定義する本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができる。
【００２４】
　まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００２５】
（１）絶縁体内の開口中に導電層を備える半導体デバイスであって、前記導電層が銅を含み、前記絶縁体が低誘電率の有機材料を含み、さらに前記導電層がアモルファス金属ガラスを含むバリア層上に形成される半導体デバイス。
（２）前記バリア層が耐熱性金属またはその化合物をさらに含む、上記（１）に記載の半導体デバイス。
（３）前記バリア層が、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＭｏＮ、ＷＳｉＮ、ＷＳｉ、Ｎｂ、ＮｂＮ、Ｃｒ、ＣｒＮ、ＴａＣ、ＴａＣｅＯ２、ＴａＳｉＮ、もしくはＴｉＳｉＮ、またはそれらの混合物をさらに含む、上記（２）に記載の半導体デバイス。
（４）前記絶縁体が、２個以上のシクロペンタジエノン基を含む１種または複数種の多官能性化合物と、２個以上の芳香族アセチレン基を含む少なくとも１種の多官能性化合物との反応生成物を含み、少なくとも１種の前記多官能性化合物がアセチレン基およびシクロペンタジエノン基からなる群から選択した３個以上の基を含む、オリゴマー、非硬化ポリマー、または硬化ポリマーを含む、上記（１）に記載の半導体デバイス。
（５）前記アモルファス金属ガラスがアモルファス・タンタルアルミニウムである、上記（１）に記載の半導体デバイス。
（６）前記アモルファス・タンタルアルミニウムが約６９％〜約７５％の範囲のタンタルを含む、上記（５）に記載の半導体デバイス。
（７）絶縁体内の開口中の導電層であって、
　銅を含み、
　前記絶縁体が、２個以上のシクロペンタジエノン基を含む１種または複数種の多官能性化合物と、２個以上の芳香族アセチレン基を含む少なくとも１種の多官能性化合物との反応生成物を含み、少なくとも１種の前記多官能性化合物がアセチレン基およびシクロペンタジエノン基からなる群から選択した３個以上の基を含む、オリゴマー、非硬化ポリマー、または硬化ポリマーを含む、導電層と、
　前記導電層と前記絶縁体の間に配設され、約６９％〜約７５％のタンタルを含むアモルファス・タンタルアルミニウムを含むバリア層とを備える、半導体デバイス。
（８）前記バリア層が、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＭｏＮ、ＷＳｉＮ、ＷＳｉ、Ｎｂ、ＮｂＮ、Ｃｒ、ＣｒＮ、ＴａＣ、ＴａＣｅＯ２、ＴａＳｉＮ、もしくはＴｉＳｉＮ、またはそれらの混合物をさらに含む、上記（７）に記載の半導体デバイス。
（９）前記バリア層が、アモルファス・タンタルアルミニウム、窒化チタンおよびタンタル、または、窒化タンタル、アモルファス・タンタルアルミニウムおよびタンタルを含む、上記（８）に記載の半導体デバイス。
（１０）低誘電率の有機材料を含む絶縁体中に開口を形成するステップと、
　前記開口中に、アモルファス金属ガラスを含むバリア層を形成するステップと、
　前記バリア層上に、銅を含む導電層を形成するステップとを含む、半導体デバイスを製作する方法。
（１１）前記バリア層上にシード層を形成するステップをさらに含む、上記（１０）に記載の方法。
（１２）前記シード層上で電気めっきを行うことによって前記導電層を形成する、上記（１１）に記載の方法。
（１３）前記バリア層が耐熱性金属またはその化合物をさらに含む、上記（１２）に記載の方法。
（１４）前記アモルファス金属ガラスがアモルファス・タンタルアルミニウムである、上記（１３）に記載の方法。
（１５）前記アモルファス・タンタルアルミニウムが約６９％〜約７５％の範囲のタンタルを含む、上記（１４）に記載の方法。
（１６）前記絶縁体が、２個以上のシクロペンタジエノン基を含む１種または複数種の多官能性化合物と、２個以上の芳香族アセチレン基を含む少なくとも１種の多官能性化合物との反応生成物を含み、少なくとも１種の前記多官能性化合物がアセチレン基およびシクロペンタジエノン基からなる群から選択した３個以上の基を含む、オリゴマー、非硬化ポリマー、または硬化ポリマーを含む、上記（１５）に記載の方法。
（１７）前記バリア層が、アモルファス・タンタルアルミニウム、窒化チタンおよびタンタル、または、窒化タンタル、アモルファス・タンタルアルミニウムおよびタンタルを含む、上記（１６）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の半導体デバイスを示す概略断面図である。
【図２】本発明の半導体デバイスを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
　１　半導体構造
　２　半導体基板
　３　絶縁体
　４　開口
　５　バリア層
　６　アモルファス・タンタルアルミニウム層
　７　窒化チタン層
　８　タンタル層
　９　導電層
　１０　窒化タンタル層
【図１】
2004072111.tif 000003
【図２】
2004072111.tif 000004