(57)【要約】【課題】信頼性の高い銅拡散障壁を生成する方法を提供すること。【解決手段】プラズマ強化原子堆積法によって様々な窒素含有率のＴａＮを堆積する方法である。水素プラズマと窒素プラズマの混合物を使用して、膜の窒素含有率を０からＮ／Ｔａ＝１．７まで制御することができる。ＴａＮの堆積中に窒素流をオフにすることで、ＴａＮ／Ｔａ二重層が容易に成長され、この二重層は、単一Ｔａ層または単一ＴａＮ層よりも優れた銅拡散障壁特性を有する。【選択図】図２
2005133217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化タンタルとタンタルの二重層を形成する方法であって、
水素プラズマおよび窒素プラズマが存在する状態で、ハロゲン化タンタル前駆物質のプラズマ強化原子層堆積法によって、前記層を前記基板に堆積するステップと、
実質的に窒素を含まないタンタル層が形成されるように窒素プラズマの濃度をゼロに減らすステップとを備える方法。
【請求項２】
さらに、窒素プラズマの濃度を変えて、前記窒化タンタル層中の窒素の量を変えるステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記窒化タンタル層が、０から１．７までの窒素とタンタルの濃度比を有するように、窒素プラズマの濃度が変えられる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
第１の時間の間窒素濃度がゼロ以外であり、そして第２の時間の間窒素プラズマ濃度は基本的にゼロであり、その結果、第１の窒化タンタル層が形成され、さらに第２の実質的に窒素を含まないタンタル層が形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の層と前記第２の層の組合せが、銅に対する拡散障壁として使用される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の層が、前記第１の層の上に堆積される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記基板の温度が、１００℃から４５０℃までである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記基板の温度が、３００℃である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記層が、シリコン、シリコン上に二酸化シリコンの層を有するシリコン、低誘電率基板、および多孔質低誘電率基板から成るグループから選択された基板上に堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板が、低誘電率基板であり、２．０〜３．０の範囲の誘電率を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板が銅導体を有し、前記層が前記銅に対する拡散障壁として作用する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ハロゲン化タンタルが五塩化タンタルである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記堆積するステップが、
ａ）前記基板を不活性ガスで運ばれた前記ハロゲン化タンタルに暴露するステップと、
ｂ）前記基板を前記水素プラズマおよび窒素プラズマに暴露するステップと、
ｃ）前記窒化タンタル層の所望の厚さが得られるまでステップａ）およびｂ）を繰り返すステップとを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板を不活性ガスで運ばれた前記ハロゲン化タンタルに暴露する前記ステップが、３．０×１０−２トルの圧力で行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板を前記水素プラズマおよび窒素プラズマに暴露する前記ステップ中に、水素の分圧が２．５×１０−２トルである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記ステップａ）およびｂ）がおおよそ４０〜８００回繰り返される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板を不活性ガスで運ばれた前記ハロゲン化タンタルに暴露する前記ステップがおおよそ２秒間行われ、前記基板を前記水素プラズマおよび窒素プラズマに暴露する前記ステップがおおよそ５秒間行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板が、前記窒素プラズマと前記水素プラズマに同時に暴露される、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記基板が、前記窒素プラズマと前記水素プラズマに連続して暴露される、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
基板と、
前記基板上の窒化タンタルとタンタルの二重層であって、前記窒化タンタルとタンタルのそれぞれが実質的に炭素を含まない二重層とを備える構造体。
【請求項２１】
前記タンタル層がアモルファス・タンタルを含む、請求項２０に記載の構造体。
【請求項２２】
前記タンタルが、前記窒化タンタルの上に配置されている、請求項２０に記載の構造体。
【請求項２３】
炭素含有率が５パーセントより小さい、請求項２０に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的相互接続構造に関する。より詳細には、本発明は、高性能集積回路における「後工程」（back end of the line:ＢＥＯＬ）での相互接続、および該デバイスで使用される拡散障壁に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅はアルミニウム配線よりも導電率が高いだけでなく、エレクトロマイグレーション耐性がより高くしたがって信頼性を有することから、半導体デバイス製造では、銅相互接続は標準的な相互接続技術として広く受け入れられている。しかし、銅はアルミニウムよりも高い拡散率を有し、銅は誘電体を容易に通り抜けて拡散して、ＣＭＯＳトランジスタの性能にとって有害である深いレベルの欠陥を生成するため、銅相互接続技術の実施に成功するには、熱安定性が高く、低抵抗率で、かつ銅との反応性が低い適切な拡散障壁（diffusion barrier）材料が不可欠である。そのために、通常、銅相互接続の構造体で使用される銅配線およびビア（via）を封止する拡散障壁として、薄いタンタル／窒化タンタル（Ｔａ／ＴａＮ）二重層が使用される。現在、イオン化物理的気相堆積法（ionizedphysical vapor deposition:Ｉ−ＰＶＤ）は、このＴａ／ＴａＮ層の形成に使用される従来堆積技術である。しかし、このＴａ／ＴａＮ層向けのＰＶＤ技術の使用を、約４５ナノメートルより小さなノード（node）を使用する技術に適用できるとは期待されていない。というのは、このようなより小さな構造体に対するＰＶＤ堆積膜の適合性が不十分であるからである。
【０００３】
最近、代替の堆積技術として、原子層堆積法（atomic layerdeposition:ＡＬＤ）が広く研究されている。固有の原子レベル制御および自己飽和（self-saturation）化学作用のために、ＡＬＤで形成された膜は非常に共形（conformal）かつ均一である。ハロゲン化物タンタル前駆物質を用いたＡＬＤを使用して金属Ｔａ膜を堆積することができるが、二重層としてのＴａおよびＴａＮのＡＬＤは、２つの理由のために成功するのはごくまれであった。第１に、アンモニア（ＮＨ３）と反応する無機ソース（ＴａＣｌ５のような）を使用する従来使用可能なＴａＮのＡＬＤは、窒化タンタルの高抵抗相であるＴａ３Ｎ５相を生成すると報告されている。このことは、この膜を導電回路の障壁として使用することの実際的な問題を示している。第２に、例えばＴＢＴＤＥＴ（ｔ−ブチルイミドトリス（ジエチルアミド）タンタル）のような有機金属Ｔａソースを使用してＴａＮ膜を堆積することができるが、この化学システムでＴａＮ結合を還元することはできないので、この前駆物質をＡＬＤによる金属Ｔａ膜の堆積に使用することは不可能である。
【０００４】
金属前駆物質および反応物（reagent）として塩化物および原子水素を使用するタンタル・プラズマ強化ＡＬＤ（ＰＥ−ＡＬＤ）が、最近開発された。ＡＬＤおよびＡＬＤの行う装置についての優れた説明は、エス・エム・ロスナゲル（Ｓ．Ｍ．Ｒｏｓｓｎａｇｅｌ）、「相互接続拡散障壁のためのＴａおよびＴｉのプラズマ強化原子層堆積法（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔａ  ａｎｄ  Ｔｉ  ｆｏｒ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂａｒｒｉｅｒｓ）」、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・テクノロジー（Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．）、Ｂ１８（４）、２０００年、７月／８月に記載されている。
【非特許文献１】エス・エム・ロスナゲル（Ｓ．Ｍ．Ｒｏｓｓｎａｇｅｌ）、「相互接続拡散障壁のためのＴａおよびＴｉのプラズマ励起原子層堆積（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔａ  ａｎｄ  Ｔｉ  ｆｏｒ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂａｒｒｉｅｒｓ）」、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・テクノロジィ（Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．）、Ｂ１８（４）、２０００年、７月／８月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、信頼性の高い銅拡散障壁を生成する方法を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、比較的高純度の材料、特に炭素を含まない材料で構成された銅拡散障壁を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、制御可能な窒素含有率を有する窒化タンタル層および窒化タンタル／タンタル障壁をＰＥ−ＡＬＤを使用して堆積する新規で簡単な方法を対象とする。低抵抗率立方晶系窒化タンタル薄膜は、金属前駆物質（precursor）としてのＴａＣｌ５のようなハロゲン化タンタルおよび水素／窒素プラズマを使用するプラズマ強化原子層堆積法（ＰＥ−ＡＬＤ）によって成長することができる。堆積は、ＴａＣｌ５と水素および窒素の混合物で構成されたプラズマとに交互に暴露すること、または水素プラズマおよび窒素プラズマに連続して暴露することで行うことができる。膜の窒素含有率は、ＡＬＤシーケンスの第２の反応物ステップ中に窒素分圧を変えることによって、０から１．７までの窒素とタンタルの比で制御することができる。窒化タンタル／タンタルの二重層（または、多層）は、窒化タンタルの堆積の後で窒素流を単にオフに切り換えることで堆積することができる。この二重層は、優れた銅拡散障壁特性を示す。
【０００８】
したがって、本発明は基板上に窒化タンタル層を形成する方法を対象とし、本方法は、水素プラズマおよび窒素プラズマが存在する状態で、ハロゲン化タンタル前駆物質のプラズマ強化原子層堆積法によって、その窒化タンタル層を基板上に堆積することを含む。好ましくは、ハロゲン化タンタル前駆物質は五塩化（pentachloride）タンタルである。さらに、本方法は、窒素プラズマの濃度を変え、それによってその層の窒素の量を変えることを含む。その窒化タンタル層が、０から１．７までの窒素とタンタルの濃度比を有するように、窒素プラズマの濃度を変えることができる。本方法は、さらに、実質的に窒素を含まないタンタル層が形成されるように窒素プラズマの濃度をゼロに減らすことを含む。したがって、第１の時間の間（periodof time）窒素濃度はゼロ以外であり、そして第２の時間の間窒素プラズマ濃度は基本的にゼロであり、その結果、第１の窒化タンタル層が形成され、さらに第２の実質的に窒素を含まないタンタル層が形成される。第１の層と第２の層の組合せを、銅に対する拡散障壁として使用することができる。好ましくは、第２の層は、第１の層の上に堆積される。
【０００９】
堆積中に、基板の温度は、１００℃から４５０℃までであり、３００℃であることができる。
【００１０】
その窒化タンタル層は、シリコン、シリコン上に二酸化シリコンの層を有するシリコン、および多孔質誘電体を含んだ低誘電率を有する他の誘電体材料から成るグループから選択された基板上に堆積される。低誘電率基板は、２．０から３．０までの範囲の誘電率を有することができる。その基板は銅導体を有することができる。
【００１１】
本発明に従って、この堆積は、基板を不活性ガスで運ばれたハロゲン化タンタルに暴露すること、基板を水素プラズマおよび窒素プラズマに暴露すること、および、例えば２から１０ナノメートルの所望の厚さの層が得られるまで、これらのステップを例えば合計４０から８００回繰り返すことを含む。基板を不活性ガスで運ばれたハロゲン化タンタルに暴露することは、３．０×１０−２トルの圧力で行うことができる。基板を水素プラズマおよび窒素プラズマに暴露している間、水素の分圧は２．５×１０−２トルであることができる。基板を不活性ガスで運ばれたハロゲン化タンタルに暴露することはおおよそ２秒間行うことができ、基板を水素プラズマおよび窒素プラズマに暴露することはおおよそ５秒間行うことができる。基板は、窒素プラズマと水素プラズマに同時に、または連続して暴露することができる。
【００１２】
また、本発明は構造体をも対象とし、この構造体は、基板と、窒化タンタルおよびタンタルの各々が実質的に炭素を含まない、この基板上の窒化タンタルとタンタルの二重層とを備える。好ましくは、タンタル層はアモルファス・タンタルを備える。また、好ましくは、タンタルは、窒化タンタルの上に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のこれらおよび他の態様、特徴、および利点は、図面と併せて読むとき、以下の本発明の詳細な説明をさらに考察することで明らかになるであろう。
【００１４】
本発明に関して説明する変形形態は、特定の用途について望ましい組合せで実現することができる。したがって、ここで説明する特定の制限または実施形態の拡張あるいはその両方は、特定の用途にとって特別な利点を有するかもしれないが、全ての用途で使用する必要があるとは限らない。また、本発明の１つまたは複数の概念を含んだ方法、システム、または装置あるいはその全てで、全ての制限を実施する必要があるとは限らないことを理解されたい。
【００１５】
制限としてではないが、例えば、直径が２００ｍｍ程度の大きさのサンプルを、市販または非市販のＡＬＤチャンバにローディング（セット）する。チャンバは、１０−７トル（Torr）の動作ベース圧力を有する反応性ガス・グレードのターボ分子真空ポンプで排気する。サンプルは、セラミック抵抗加熱板のようなヒータを使用して加熱して、制限としてではないが、例えば、４５０℃ぐらいの成長温度を実現することができる。この温度はヒータの電流を変えて制御することができ、温度はサンプルに取り付けられた熱電対に対して最初に較正することができる。ガラス・チューブに入れた固体ＴａＣｌ５（粉末）ソースを金属前駆物質として使用することができる。ＴａＣｌ５をＴａのためのハロゲン化物前駆物質として使用することができるが、ＴａＦ５、ＴａＩ５、およびＴａＢｒ５を含んだ他のＴａハロゲン化物を使用することもできる。ガラス・チューブを１００℃に保って、適切な蒸気圧を発生することができる。全ての配管は、好ましくは、前駆物質の凝縮（condensation）を防止するように１３０℃から１５０℃に加熱される。送出を改善するために、キャリア・ガスとしてアルゴンを使用することができ、その流れは、例えば、ソースを含むチューブから上流のリーク弁で制御される。
【００１６】
例えばゲート弁を介して、サンプル・チャンバに接続された石英チューブによって、原子水素および活性化窒素を生成することができる。水素ガスおよび窒素ガスは、例えばリーク弁を介して供給することができる。例えば最高で１２００ワットのパワー・レベルを有する１３．５６ＭＨｚの高周波エネルギーを伝える複数巻線コイルを、石英チューブに巻き付けることができる。好ましくは、前駆物質がチューブ領域に露出しないように、サンプル・チャンバとチューブ領域の間にゲート弁を使用する。発光分光法を使用して生成されたラジカルをモニターすることができる。Ｈプラズマでは大きな原子Ｈピークが観測されるが、一方で、ＮプラズマではＮ２＋の関連したピークだけが観測されて、Ｎの活性前駆物質は原子Ｎではなく活性化された分子窒素であることを示す。ＨとＮのこの違いは、分子窒素の分解エネルギーがより高いことによっているかもしれない。
【００１７】
堆積サイクルは、基板をＡｒガスで運ばれたＴａＣｌ５に暴露するステップと、チャンバを排気するステップと、水素および窒素ソース弁を開き設定時間の間ＲＦプラズマを立てるステップと、水素および窒素ソースおよびプラズマを遮断してチャンバがベース圧力に戻ることができるようにするステップとを備える。サイクルが始まる前に、リーク弁を使用して水素および窒素の分圧を設定する。このサイクルで、理想的には、吸着ＴａＣｌ５層と、ＴａＮの単分子層の何分の１かの堆積とが完全に反応する。タンタルＰＥ−ＡＬＤでは、窒素無しで窒素弁を閉じた状態で、同じプロセスが使用される。
【００１８】
シリコンまたは二酸化シリコン基板を堆積に使用するが、ポリシリコン基板は銅拡散障壁特性測定に使用する。しかし、本発明は、シリコンまたは二酸化シリコン基板の使用に制限されない。堆積は様々な基板に行うことができ、例えば、Ｃｕ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｒｕ、Ｗを含んだ金属、およびＳｉＣＯ、ＭＳＱ（メチル・シルセスキオキサン）、ＨＳＱ（水素シルセスキオキサン）をベースにした低ｋ酸化物またはＨｆＯ２、ＺｒＯ２を含んだ高ｋ酸化物のような誘電体などに行うことができる。この目的のために、ロード・ロック・チャンバを介して接続された超高真空（ＵＨＶ）直流（ＤＣ）マグネトロン・スパッタリング・チャンバを、真空を破ることなしに、スパッタ銅膜をＡＬＤ膜上に堆積するために使用することができる。拡散障壁温度の設定のために、抵抗率および光散乱のその場（in-situ）測定システムを使用することができる。アニールは、例えば、ヘリウム環境で３℃／秒で１０００℃まで行うことができる。
【００１９】
実施例
窒化タンタル膜は、一般に、２秒のＴａＣｌ５暴露時間および５秒のプラズマ暴露時間で成長される。この条件は、ＡＬＤの飽和条件に対応する。この飽和は、前駆物質の自己制限吸着による。１サイクルの全時間は、一般に、ＴａＣｌ５暴露およびプラズマ暴露後の排気時間を含んで１２秒である。暴露中の水素分圧は２．５×１０−３トルに設定され、窒素分圧は変化させる。ＴａＣｌ５暴露中の全圧力（アルゴンおよびＴａＣｌ５蒸気）は３．０×１０−２トルで一定である。２０から４００オングストロームの範囲の厚さの窒化タンタル膜を生成するための一般的なサイクル数は、成長条件に依存して５０〜８００である。
【００２０】
図１は、Ｔｓ＝３００℃で成長されたＰＥ−ＡＬＤ  ＴａＮｘのＸ線回折（ＸＲＤ）結果を示す。低窒素分圧（窒素と水素の分圧比＝０．００１）で、ＸＲＤスペクトルは、ほぼ２θ＝３８°にブロードなピークを示す。いっそう高い分圧比（０．００４）では、ブロードなピークはより低い２θ値にシフトし、他の相の形成を示している。ほぼ３４°にある回折ピークのこぶは、Ｔａ２Ｎ（１００）（２θ＝３３．９６８°）かまたは六方晶系ＴａＮ（１１０）（曲線ｂ、２θ＝３４．５２８°）として示すことができる。ピークの幅が大きいためにその差を識別することは困難である。
【００２１】
０．０２５の分圧比よりもさらに窒素分圧を増すにつれて、十分に区別できる立方晶系ＴａＮのピークが観察される（２θ＝３５．８７６°の１１１ピーク、および２θ＝４１．６３８°の２００ピーク）。このことは、同様な温度で成長されたＰＥ−ＡＬＤ  Ｔａ膜とは対照的に、ＰＥ−ＡＬＤ  ＴａＮ膜は多結晶粒（polycrystalline grain）で構成されていることを示す。また、高分解能透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察で、ＴａＮ膜の十分に輪郭のはっきりした格子縞が見られる。ＰＮ２／ＰＨ２＝０．２５までの分圧比では、六方晶系ＴａＮ、Ｔａ５Ｎ６、またはＴａ３Ｎ５のような他の相の回折ピークは観察されなかった。ＰＮ２／ＰＨ２＝０．５より上で、ほぼ２θ＝３５°にその他の特徴が現れ始める。この特徴は、Ｔａ３Ｎ５（２θ＝３４．９３９°の００４または０４０ピーク）またはＴａ５Ｎ６（２θ＝３４．６２９°の０４０または１１０ピーク）のようなより高いＮ含有率相として示すことができる。
【００２２】
図２で、ＴａＮ膜の窒素含有率は、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）で決定した。その結果を、ＴＳ＝３００℃で成長した膜について、窒素と水素の分圧比（ＰＮ２／ＰＨ２）の関数として示す。ＰＮ２／ＰＨ２を０．００１から１まで増加するにつれて、成長されたＴａＮ膜のＮ／Ｔａ比は０．３から１．４まで変化した。この結果は、上述したＸＲＤ解析と共に、立方晶系ＴａＮ膜は０．７から１．３までの分圧比で成長されることを示している。化学量論的組成の（stoichiometric）ＴａＮは、ＰＮ２／ＰＨ２＝０．０２５〜０．０３５で得られた。原子ＨはＣｌ原子を抽出し、一方でＮは活性化窒素から取り込まれるので、ＴａＮの化学量論的組成を制御することができる。化学量論的組成を変えることができることは、ＴａＮのＰＥ−ＡＬＤにとって利益となる可能性がある。ＰＮ２／ＰＨ２を０から１まで増すにつれて、成長されたＴａＮ膜のＮ／Ｔａ比は０（Ｔａ）から１．７まで変化する。
【００２３】
ＲＢＳによって得られた１サイクル中に取り込まれたＴａ原子の数は、成長速度に対応するが、図２に分圧比ＰＮ２／ＰＨ２の関数としてプロットする。図２は、窒素分圧の増加と共に成長速度が連続的かつ直線的に増すことを示している。化学量論的組成でサイクル当たりに堆積されたタンタル原子の数は、１．０×１０１４／ｃｍ２であった。
【００２４】
図３を参照すると、立方晶系ＴａＮでは、成長されたＴａＮの抵抗率は一般に３５０〜４００μΩｃｍであり、全般的には、抵抗率は窒素濃度の増加と共に増す傾向がある。例えば、ＰＮ２／ＰＨ２＝０．６５で成長したＴａＮ膜は、７２００μΩｃｍの抵抗率を有する。この高い抵抗率は、高抵抗率Ｔａ３Ｎ５相の形成で説明することができる。
【００２５】
図４は、ＴａＮ膜の成長速度およびＮ／Ｔａ比をプラズマ暴露時間ｔｐの関数として示す。ｔｐ＝２秒までプラズマ暴露を増加するにつれて成長速度は増し、それからいくらか減少して、ｔｐ＞４秒で飽和する。ＴａＣｌ５暴露時間ＴＴａＣｌの関数としての成長速度（データは示さない）は、ＴＴａＣｌ＞１秒で飽和し、飽和より下で最大値を示さない。飽和条件でサイクル当たり堆積されるＴａ原子の数は、１．２×１０１４／ｃｍ２であった。その上、膜のＮ／Ｔａ比はｔｐと共に増加する傾向がある。
【００２６】
ＴａＮ膜に関するＲＢＳおよびＦＲＥＳ（Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｒｅｃｏｉｌ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、前方反跳弾性分光測定）の結果をｔｐの関数として図５に示す。Ｃｌ含有率はｔｐの強い関数であり、また、一緒に示した抵抗率値は低Ｃｌで低抵抗率の膜の成長にはｔｐ＞５秒が必要であることを示す。膜の水素濃度はｔｐと共に増加するが、５秒より上で飽和する。最大水素濃度は約１１％であった。
【００２７】
飽和条件で成長された膜の酸素含有率は、一般に、成長温度に無関係に５から１０％の間であった。しかし、酸素含有率は、膜厚の減少と共に増加する傾向を示す。その上、非常に薄い膜（特に１００Å以下）のシート抵抗値は、空気に暴露した後で最高で５〜１０％大きくなる。この結果は、成長中ではなくて空気暴露によって酸素が取り込まれることを暗示している。空気破壊（air break）なしに銅でキャップをされたＴａＮ膜では、ＲＢＳによる詳細な解析により、酸素含有率は膜内部で検出限界（５％）以下であることが明らかになった。酸素は界面領域で検出されただけであり、酸素が空気暴露により取り込まれることを支持している。炭素は、ＲＢＳで検出されず、５原子％の検出限界以下であった。
【００２８】
ＴａＮのＰＥ−ＡＬＤ中の成長温度の効果を、Ｔｓ＝１００〜４００℃の範囲で検討した。様々な温度で成長されたＴａＮ膜のＸＲＤスペクトルを図６に示す。全てのスペクトルは、立方晶系ＴａＮに関係したピークだけを示すが、１１１ピークと２００ピークの強度比は成長温度に依存する。１００℃の最低成長温度でも、１１１ピークは、はっきりと見える。
【００２９】
図７は、このＴａＮ膜のＮ／Ｔａ比が成長温度にほとんど無関係であり、一方で成長速度は成長温度の強い関数であることを示いている。成長温度を１００℃から４００℃まで上げるにつれて、成長速度はほぼ３倍に増加し、それからＴｓ＝３００℃より上で飽和する。
【００３０】
図８は、ＴａＮ膜の塩素含有率と水素含有率および抵抗率を成長温度の関数として示す。成長温度を高くするにつれて塩素含有率と水素含有率の両方が減少する。一般的な成長条件（３００℃）で、塩素含有率は０．５％より低く、水素含有率は１０％より低い。依存性は小さいが、抵抗率もまた成長温度と共に減少する。この抵抗率の減少は、多分に、成長温度が高くなると塩素含有率が小さくなるためである。
【００３１】
上述の議論は、まとめると、様々な窒素含有率のＴａＮｘ（ｘ＝０から１．７）膜が本発明によって容易に成長される。しかし、本発明に従って、ＴａＮのＰＥ−ＡＬＤの上にＴａＰＥ−ＡＬＤ膜を２５Åのような所望の厚さに成長することで、ＴａＮ／Ｔａ二重層が堆積される。これは、堆積中に窒素弁を単にオフに切り換えるだけで行うことができる。比較のために、同じ厚さのＰＥ−ＡＬＤによるＴａ膜とＴａＮ膜を成長した。空気暴露なしに銅ＰＶＤキャップ層を堆積した後で、銅拡散障壁特性測定のためにアニール中に抵抗率および光散乱の測定が行われる。
【００３２】
図９は、二重層構造が個々の層よりも優れた拡散障壁破壊温度（failuretemperature）を有することを示す。これは１つには、ＴａのＰＥ−ＡＬＤ層がアモルファス構造であり、このアモルファス構造は粒界（grainboundary）の数を減少させて銅拡散障壁特性に寄与するからである（粒界は銅拡散の最も支配的なメカニズムである）。さらに、Ｔａ単一層とは対照的なＴａＮの本質的により優れた銅拡散障壁特性が、結果として得られる拡散障壁特性にプラスに寄与する。要約すると、アモルファスＰＥ−ＡＬＤタンタル層およびＰＥ−ＡＬＤ窒化タンタル層の両方が、結果として得られる拡散障壁特性にプラスに寄与する。
【００３３】
二重層構造の概念は、ＴａとＴａＮで構成された多層構造の堆積に拡張することができる。窒素流は容易にオンおよびオフにすることができる。したがって、簡単なコンピュータ制御を使用して、層ごとに所望の厚さを有する多層構造を容易に堆積することができる。この多層構造は、拡散障壁として使用することができ、または他の半導体関連プロセスに使用することができる。その上、ＴａとＴａＮ層の各プロセスのサイクル数を変えることで、全体的な窒素含有率の制御をより正確に限定することができる。
【００３４】
上述のものは、本発明のより適切な目的および実施形態のいくつかを概説していることに留意されたい。本発明の概念は、多くの応用分野に使用することができる。したがって、特定の構成および方法について説明したが、本発明の意図および概念は他の構成および応用分野に適しており、また適用可能である。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に他の修正を加えることができることは、当業者には明らかであろう。説明した実施形態は、本発明のより顕著な特徴および用途のいくつかを例示するものにすぎないと解釈すべきである。開示された発明を異なるやり方で応用して、または本発明を当業者に知られている方法で修正して、他の有益な結果を実現することができる。したがって、実施形態は制限するものとしてでなく例として提供されていることを理解されたい。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲で定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】窒素分圧と水素分圧の様々な比でＰＥ−ＡＬＤによって堆積されたＴａＮｘ層のＸ線回折データ（強度対角度）を示す一連のグラフである。
【図２】ＰＥ−ＡＬＤで堆積されたＴａＮｘ層の窒素含有率および成長速度を、窒素分圧と水素分圧の比の関数として示すグラフである。
【図３】ＰＥ−ＡＬＤで生成されたＴａＮｘ層の抵抗率を、Ｎ／Ｔａ比の関数として示すグラフである。
【図４】ＰＥ−ＡＬＤで堆積されたＴａＮｘ層の窒素含有率および成長速度を、所定のプラズマ分圧比および所定の温度で、プラズマ暴露時間の関数として示すグラフである。
【図５】塩素含有率と水素含有率および抵抗率の値を、所定のプラズマ分圧比および所定の温度で、プラズマ暴露時間の関数として示すグラフである。
【図６】Ｘ線回折データ（強度対角度）を様々な成長温度について示す一連のグラフである。
【図７】ＰＥ−ＡＬＤで堆積されたＴａＮｘ層の窒素含有率および成長速度を、温度の関数として示すグラフである。
【図８】ＰＥ−ＡＬＤで堆積されたＴａＮｘ層の塩素含有率と水素含有率および抵抗率を、温度の関数として示すグラフである。
【図９】ＰＥ−ＡＬＤ  ＴａＮ／Ｔａ二重層について、銅拡散障壁破壊をアニール温度の関数として示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
ＰＮ２  窒素分圧
ＰＨ２  水素分圧
Ｔｓ  基板（成長）温度
ｔｐ  プラズマ暴露時間
ｔＴａＣｌ５  ＴａＣｌ５暴露時間
【図１】
2005133217.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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