(57)【要約】ここに記載する本発明は、チタン合金スパッタリングターゲットを形成するため用いることのできる新しいチタン含有材料に関する。チタン合金スパッタリングターゲットを窒素含有スパッタリング雰囲気中で反応性スパッタリングしてＴｉＮ合金膜を形成することができ、あるいはまた、窒素含有及び酸素含有スパッタリング雰囲気中で反応性スパッタリングしてＴｉＯＮ合金薄膜を形成することができる。本発明により形成された薄膜は非円柱状結晶粒構造、低い抵抗率、高い化学的安定性、及び、Ｃｕバリア用途の薄膜についてのＴａＮの特性に匹敵するバリア層特性を有しうる。さらに、本発明により製造されるチタン合金スパッタリングターゲットは、半導体用途にとって高純度タンタル材料より費用対効果に優れており、ハイパワー用途に適した優れた機械的強度を有する。
2004506814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅含有材料に関してバリア層を形成するため用いられ；Ｔｉと、約−１．０Ｖ未満である標準電極電位を有する１以上の合金元素とを含む；スパッタリングターゲット。
【請求項２】
銅含有材料が銅系材料である請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項３】
標準電極電位が約−１．０Ｖ以上である少なくとも一つの合金元素を含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項４】
スパッタリングターゲット中の合金元素が約−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する元素のみである請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項５】
該１以上の合金元素が：Ｂｅ， Ｂ， Ａｌ， Ｓｉ， Ｃａ， Ｓｃ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｓｒ， Ｙ， Ｚｒ， Ｃｓ， Ｂａ， Ｌａ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ及びＥｒ；からなる群より選択される請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項６】
該１以上の合金元素が、Ｂｅ， Ｃａ， Ｓｒ及びＢａからなる群より選択される請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項７】
該１以上の合金元素がＺｒを含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項８】
該１以上の合金元素がＢを含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項９】
該１以上の合金元素がＨｆを含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項１０】
該１以上の合金元素がＶを含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項１１】
該１以上の合金元素がＣｒを含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項１２】
該１以上の合金元素がＭｎを含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項１３】
該１以上の合金元素がＦｅを含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項１４】
該１以上の合金元素がＡｌを含む請求項１のスパッタリングターゲット。
【請求項１５】
銅含有材料に関してバリア層を形成するために用いられ；Ｔｉと、Ｔｉに比べ少なくとも８％異なる原子半径を有する１以上の合金元素とを含むスパッタリングターゲット。
【請求項１６】
該１以上の合金元素が：Ａｌ， Ｃａ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ， Ｎｉ， Ｙ，
Ｚｒ及びＨｆ；からなる群より選択される請求項１５のスパッタリングターゲット。
【請求項１７】
該１以上の合金元素がＣｏを含む請求項１５のスパッタリングターゲット。
【請求項１８】
該１以上の合金元素がＮｉを含む請求項１５のスパッタリングターゲット。
【請求項１９】
該１以上の合金元素がＹを含む請求項１５のスパッタリングターゲット。
【請求項２０】
Ｃｕ含有材料に関しバリア層を形成するため用いられ；Ｔｉと、Ｔｉと比べ原子半径が少なくとも２０％異なる１以上の合金元素とを含む；スパッタリングターゲット。
【請求項２１】
該１以上の合金元素が：Ｂｅ， Ｂ， Ｃ， Ｓｉ， Ｐ， Ｓ， Ｃｓ， Ｂａ， Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ及びＹｂ；からなる群より選択される請求項２０のスパッタリングターゲット。
【請求項２２】
該１以上の合金元素が：Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ及びＹｂ；からなる群より選択される請求項２０のスパッタリングターゲット。
【請求項２３】
該１以上の合金元素がＢａを含む請求項２０のスパッタリングターゲット。
【請求項２４】
該１以上の合金元素がＬａを含む請求項２０のスパッタリングターゲット。
【請求項２５】
該１以上の合金元素がＹｂを含む請求項２０のスパッタリングターゲット。
【請求項２６】
銅含有材料に関してバリア層を形成するために用いられ；Ｔｉと、融点が少なくとも約２４００℃である１以上の合金元素とを含む；スパッタリングターゲット。
【請求項２７】
該１以上の合金元素が、Ｃ， Ｎｂ， Ｍｏ， Ｔａ及びＷからなる群より選択される請求項２６のスパッタリングターゲット。
【請求項２８】
該１以上の合金元素がＮｂを含む請求項２６のスパッタリングターゲット。
【請求項２９】
該１以上の合金元素がＭｏを含む請求項２６のスパッタリングターゲット。
【請求項３０】
該１以上の合金元素がＴａを含む請求項２６のスパッタリングターゲット。
【請求項３１】
該１以上の合金元素がＷを含む請求項２６のスパッタリングターゲット。
【請求項３２】
本質的にＴｉ及びＺｒからなり、１２原子％未満のＺｒを含有するスパッタリングターゲット。
【請求項３３】
８原子％未満のＺｒを含有する請求項３２のスパッタリングターゲット。
【請求項３４】
６原子％未満のＺｒを含有する請求項３２のスパッタリングターゲット。
【請求項３５】
２原子％未満のＺｒを含有する請求項３２のスパッタリングターゲット。
【請求項３６】
２原子％から１２原子％未満のＺｒを含有する請求項３２のスパッタリングターゲット。
【請求項３７】
Ｔｉと、約−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する１以上の合金元素とを含み；ＴｉＡｌ及びＴｉＳｉの二元系合金が含まれず；Ｚｒが１２−１８原子％の範囲又は３２−３８原子％の範囲で存在するＴｉＺｒの二元系合金も含まれない；スパッタリングターゲット。
【請求項３８】
該１以上の合金元素が：Ｂｅ， Ｂ， Ｃａ， Ｓｃ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｓｒ， Ｙ， Ｃｓ， Ｂａ， Ｌａ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ及びＥｒ；からなる群より選択される請求項３７のスパッタリングターゲット。
【請求項３９】
該１以上の合金元素が、Ｂｅ， Ｃａ， Ｓｒ及びＢａからなる群より選択される請求項３７のスパッタリングターゲット。
【請求項４０】
該１以上の合金元素がＢを含む請求項３７のスパッタリングターゲット。
【請求項４１】
該１以上の合金元素がＨｆを含む請求項３７のスパッタリングターゲット。
【請求項４２】
該１以上の合金元素がＶを含む請求項３７のスパッタリングターゲット。
【請求項４３】
該１以上の合金元素がＣｒを含む請求項３７のスパッタリングターゲット。
【請求項４４】
該１以上の合金元素がＭｎを含む請求項３７のスパッタリングターゲット。
【請求項４５】
該１以上の合金元素がＦｅを含む請求項３７のスパッタリングターゲット。
【請求項４６】
Ｔｉと、Ｔｉに比べ原子半径が少なくとも８％異なる１以上の合金元素とを含み；Ｔｉと、Ａｌ及びＳｉからなる群より選択される合金元素との二元系複合体が含まれず、Ｚｒが１２−１８原子％の範囲又は３２−３８原子％の範囲で存在するＴｉ及びＺｒの二元系複合体も含まれない；スパッタリングターゲット。
【請求項４７】
該１以上の合金元素が、Ｃａ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ， Ｎｉ， Ｙ，及びＨｆからなる群より選択される請求項４６のスパッタリングターゲット。
【請求項４８】
該１以上の合金元素がＹを含む請求項４６のスパッタリングターゲット。
【請求項４９】
該１以上の合金元素がＣｏを含む請求項４６のスパッタリングターゲット。
【請求項５０】
該１以上の合金元素がＮｉを含む請求項４６のスパッタリングターゲット。
【請求項５１】
該１以上の合金元素の原子半径が、Ｔｉと比べ少なくとも２０％異なる請求項４６のスパッタリングターゲット。
【請求項５２】
該１以上の合金元素が：Ｂｅ， Ｂ， Ｃ， Ｐ， Ｓ， Ｃｓ， Ｂａ， Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ及びＹｂ；からなる群より選択される請求項５１のスパッタリングターゲット。
【請求項５３】
該１以上の合金元素が：Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ及びＹｂ；からなる群より選択される請求項５１のスパッタリングターゲット。
【請求項５４】
該１以上の合金元素がＢａを含む請求項５１のスパッタリングターゲット。
【請求項５５】
該１以上の合金元素がＬａを含む請求項５１のスパッタリングターゲット。
【請求項５６】
該１以上の合金元素がＹｂを含む請求項５１のスパッタリングターゲット。
【請求項５７】
Ｔｉと、少なくとも約２４００℃の融点を有する１以上の合金元素とを含み；Ｗが３５−５０原子％の範囲で存在するＴｉ及びＷの二元系合金が含まれず；Ｎｂが６−８原子％の範囲で存在するＴｉ及びＮｂの二元系合金も含まれない；スパッタリングターゲット。
【請求項５８】
該１以上の合金元素が、Ｃ， Ｍｏ，及びＴａからなる群より選択される請求項５７のスパッタリングターゲット。
【請求項５９】
該１以上の合金元素がＭｏを含む請求項５７のスパッタリングターゲット。
【請求項６０】
該１以上の合金元素がＴａを含む請求項５７のスパッタリングターゲット。
【請求項６１】
銀含有材料に関してバリア層を形成するため用いられ、
Ｔｉと、（１）約−１．０Ｖ未満の標準電極電位；（２）少なくとも約２４００℃の融点；（３）チタンと比べ少なくとも８％異なる原子半径；の少なくとも一つを有する１以上の合金元素とを含む、スパッタリングターゲット。
【請求項６２】
該１以上の合金元素がＺｒを含む請求項６１のスパッタリングターゲット。
【請求項６３】
アルミニウム含有材料に関してバリア層を形成するため用いられ、
Ｔｉと、（１）約−１．０Ｖ未満の標準電極電位；（２）少なくとも約２４００℃の融点；（３）チタンと比べ少なくとも８％異なる原子半径；の少なくとも一つを有する１以上の合金元素とを含む、スパッタリングターゲット。
【請求項６４】
該１以上の合金元素がＺｒを含む請求項６３のスパッタリングターゲット。
【請求項６５】
Ｔｉと；Ｂｅ， Ｂ， Ａｌ， Ｓｉ， Ｃａ， Ｓｃ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｓｒ， Ｙ， Ｚｒ， Ｃｓ， Ｂａ， Ｌａ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ及びＥｒからなる群より選択される１以上の合金元素と；を含むターゲットから、スパッタ成膜により銅バリア層を形成する手段。
【請求項６６】
該１以上の合金元素がＺｒを含む請求項６５の方法。
【請求項６７】
該１以上の合金元素がＶを含む請求項６５の方法。
【請求項６８】
該１以上の合金元素がＣｒを含む請求項６５の方法。
【請求項６９】
該１以上の合金元素がＭｎを含む請求項６５の方法。
【請求項７０】
該１以上の合金元素がＦｅを含む請求項６５の方法。
【請求項７１】
該１以上の合金元素がＡｌを含む請求項６５の方法。
【請求項７２】
Ｔｉと、Ｔｉに比べ少なくとも８％異なる原子半径を有する１以上の合金元素とを含む第一の層を基板上に形成し；
その第一の層上に銅含有層を形成し；銅含有層から基板への銅の拡散を第一の層が抑制する；
工程を含む、基板への銅の拡散を抑制する方法。
【請求項７３】
銅含有層が銅系層である請求項７２の方法。
【請求項７４】
該１以上の合金元素が：Ａｌ， Ｃａ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ， Ｎｉ， Ｙ， Ｚｒ及びＨｆ；から選択される請求項７２の方法。
【請求項７５】
該１以上の合金元素がＹを含む請求項７２の方法。
【請求項７６】
該１以上の合金元素の原子半径が、Ｔｉと比べ少なくとも２０％異なる請求項７２の方法。
【請求項７７】
該１以上の合金元素が：Ｂｅ， Ｂ， Ｃ， Ｓｉ， Ｐ， Ｓ， Ｃｓ， Ｂａ， Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ及びＹｂ；からなる群より選択される請求項７６の方法。
【請求項７８】
該１以上の合金元素がＢａを含む請求項７６の方法。
【請求項７９】
該１以上の合金元素がＬａを含む請求項７６の方法。
【請求項８０】
該１以上の合金元素がＹｂを含む請求項７６の方法。
【請求項８１】
Ｔｉと、標準電極電位が約−１．０Ｖ未満である１以上の合金元素とを含む第一の層を基板上に形成し；
その第一の層上に銅含有層を形成し；銅含有層から基板への銅の拡散を第一の層が抑制する；
工程を含む、基板への銅の拡散を抑制する方法。
【請求項８２】
該１以上の合金元素が：Ｂｅ， Ｂ， Ａｌ， Ｓｉ， Ｃａ， Ｓｃ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｓｒ， Ｙ， Ｚｒ， Ｃｓ， Ｂａ， Ｌａ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ及びＥｒ；からなる群より選択される請求項８１の方法。
【請求項８３】
該層が本質的にＴｉ及び該１以上の合金元素からなる請求項８１の方法。
【請求項８４】
該層がＴｉ及び該１以上の合金元素からなる請求項８１の方法。
【請求項８５】
該１以上の合金元素がＺｒを含む請求項８１の方法。
【請求項８６】
該１以上の合金元素がＶを含む請求項８１の方法。
【請求項８７】
該１以上の合金元素がＣｒを含む請求項８１の方法。
【請求項８８】
該１以上の合金元素がＭｎを含む請求項８１の方法。
【請求項８９】
該１以上の合金元素がＦｅを含む請求項８１の方法。
【請求項９０】
該１以上の合金元素がＡｌを含む請求項８１の方法。
【請求項９１】
Ｔｉと、標準電極電位が約−１．０Ｖ未満である１以上の合金元素とを含むターゲットから、第一の層がスパッタ堆積により形成される請求項８１の方法。
【請求項９２】
銅含有材料からの銅の拡散を抑制し、窒素雰囲気中でスパッタリングターゲットをスパッタリングすることにより形成されるＴｉｘＱｙＮｚの薄膜であって（“Ｑ”は該１以上の合金元素の標示である）；
該ターゲットが、Ｔｉと、標準電極電位が約−１．０Ｖ未満である１以上の合金元素とを含む；上記の薄膜。
【請求項９３】
ｘ＝０．１−０．７、ｙ＝０．００１−０．３、かつｚ＝０．１−０．６である請求項９２の薄膜。
【請求項９４】
厚みが約２ｎｍから約５０ｎｍである請求項９２の薄膜。
【請求項９５】
厚みが約２ｎｍから約２０ｎｍである請求項９２の薄膜。
【請求項９６】
抵抗率が３００μΩ・ｃｍ以下である請求項９２の薄膜。
【請求項９７】
マイクロ電子デバイスの銅バリア層として用いられる請求項９２のＴｉｘＱｙＮｚ薄膜。
【請求項９８】
平均結晶粒サイズが１００ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１００ｎｍに保持されている請求項９２の薄膜。
【請求項９９】
平均結晶粒サイズが１０ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１０ｎｍに保持されている請求項９２の薄膜。
【請求項１００】
平均結晶粒サイズが１ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１ｎｍに保持されている請求項９２の薄膜。
【請求項１０１】
銅含有材料からの銅の拡散を抑制し、窒素含有ガス及び酸素含有ガスの存在下でスパッタリングターゲットをスパッタリングすることにより形成されるＴｉｘＱｙＮｚの薄膜であって（“Ｑ”は該１以上の合金元素の標示である）；該ターゲットが、Ｔｉと、標準電極電位が約−１．０Ｖ未満である１以上の合金元素とを含む；上記の薄膜。
【請求項１０２】
ｘ＝０． １−０．７， ｙ＝０．００１−０．３， ｚ＝０．１−０．６，かつｗ＝０．０００１−０．００１０である請求項１０１の薄膜。
【請求項１０３】
厚みが約２ｎｍから約５０ｎｍである請求項１０１の薄膜。
【請求項１０４】
厚みが約２ｎｍから約２０ｎｍである請求項１０１の薄膜。
【請求項１０５】
抵抗率が３００μΩ・ｃｍ以下である請求項１０１の薄膜。
【請求項１０６】
平均結晶粒サイズが１００ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１００ｎｍに保持されている請求項９２の薄膜。
【請求項１０７】
平均結晶粒サイズが１０ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１０ｎｍに保持されている請求項９２の薄膜。
【請求項１０８】
平均結晶粒サイズが１ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１ｎｍに保持されている請求項９２の薄膜。
【請求項１０９】
マイクロ電子デバイスの銅バリア層として用いられる請求項１０１のＴｉｘＱｙＮｚＯｗ薄膜。
【請求項１１０】
銅含有材料からの銅の拡散を抑制し、窒素雰囲気中でスパッタリングターゲットをスパッタリングすることにより形成されるＴｉｘＱｙＮｚの薄膜であって（“Ｑ”は該１以上の合金元素の標示である）；
該ターゲットが、Ｔｉと、融点が少なくとも約２４００℃である１以上の合金元素とを含む；上記の薄膜。
【請求項１１１】
ｘ＝０．１−０．７， ｙ＝０．００１−０．３，かつｚ＝０．１−０．６である請求項１１０の薄膜。
【請求項１１２】
厚みが約２ｎｍから約５０ｎｍである請求項１１０の薄膜。
【請求項１１３】
厚みが約２ｎｍから約２０ｎｍである請求項１１０の薄膜。
【請求項１１４】
抵抗率が３００μΩ・ｃｍ以下である請求項１１０の薄膜。
【請求項１１５】
マイクロ電子デバイスの銅バリア層として用いられる請求項１１０のＴｉｘＱｙＮｚ薄膜。
【請求項１１６】
平均結晶粒サイズが１００ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１００ｎｍに保持されている請求項１１０の薄膜。
【請求項１１７】
平均結晶粒サイズが１０ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１０ｎｍに保持されている請求項１１０の薄膜。
【請求項１１８】
平均結晶粒サイズが１ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１ｎｍに保持されている請求項１１０の薄膜。
【請求項１１９】
銅含有材料からの銅の拡散を抑制し、窒素含有ガス及び酸素含有ガスの存在下でスパッタリングターゲットをスパッタリングすることにより形成されるＴｉｘＱｙＮｚの薄膜であって（Ｑは該１以上の合金元素の標示である）；該ターゲットが、Ｔｉと、融点が少なくとも約２４００℃である１以上の合金元素とを含む；上記の薄膜。
【請求項１２０】
ｘ＝０．１−０．７， ｙ＝０．００１−０．３， ｚ＝０．１−０．６，かつｗ＝０．０００１−０．００１０である請求項１１９の薄膜。
【請求項１２１】
厚みが約２ｎｍから約５０ｎｍである請求項１１９の薄膜。
【請求項１２２】
厚みが約２ｎｍから約２０ｎｍである請求項１１９の薄膜。
【請求項１２３】
抵抗率が３００μΩ・ｃｍ以下である請求項１１９の薄膜。
【請求項１２４】
平均結晶粒サイズが１００ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１００ｎｍに保持されている、請求項１１９の薄膜。
【請求項１２５】
平均結晶粒サイズが１０ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１０ｎｍに保持されている請求項１１９の薄膜。
【請求項１２６】
平均結晶粒サイズが１ｎｍ以下であり、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１ｎｍに保持されている請求項１１９の薄膜。
【請求項１２７】
マイクロ電子デバイスの銅バリア層として用いられる請求項１１９の薄膜。
【請求項１２８】
銅含有材料からの銅の拡散を抑制し、窒素雰囲気中でスパッタリングターゲットをスパッタリングすることにより形成されるＴｉｘＱｙＮｚの薄膜であって（“Ｑ”は該１以上の合金元素の標示である）；
該ターゲットが、Ｔｉと、Ｔｉに比べ少なくとも８％異なる原子半径を有する１以上の合金元素とを含む；上記の薄膜。
【請求項１２９】
ｘ＝０．１−０．７， ｙ＝０．００１−０．３，かつｚ＝０．１−０．６である請求項１２８の薄膜。
【請求項１３０】
厚みが約２ｎｍから約５０ｎｍである請求項１２８の薄膜。
【請求項１３１】
厚みが約２ｎｍから約２０ｎｍである請求項１２８の薄膜。
【請求項１３２】
抵抗率が３００μΩ・ｃｍ以下である請求項１２８の薄膜。
【請求項１３３】
マイクロ電子デバイスの銅バリア層として用いられる請求項１２８の薄膜。
【請求項１３４】
１００ｎｍ以下の平均結晶粒サイズをさらに含み、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１００ｎｍに保持されている請求項１２８の薄膜。
【請求項１３５】
１０ｎｍ以下の平均結晶粒サイズをさらに含み、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１０ｎｍに保持されている請求項１２８の薄膜。
【請求項１３６】
１ｎｍ以下の平均結晶粒サイズをさらに含み、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１ｎｍに保持されている請求項１２８の薄膜。
【請求項１３７】
銅含有材料からの銅の拡散を抑制し、窒素含有ガス及び酸素含有ガスの存在下でスパッタリングターゲットをスパッタリングすることにより形成されるＴｉｘＱｙＮｚＯｗの薄膜であって（“Ｑ”は該１以上の合金元素の標示である）；該ターゲットが、Ｔｉと、原子半径がＴｉに比べ少なくとも８％異なる１以上の合金元素とを含む；上記の薄膜。
【請求項１３８】
ｘ＝０．１−０．７， ｙ＝０．００１−０．３， ｚ＝０．１−０．６，かつｗ＝０．０００１−０．００１０である請求項１３７の薄膜。
【請求項１３９】
厚みが約２ｎｍから約５０ｎｍである請求項１３７の薄膜。
【請求項１４０】
厚みが約２ｎｍから約２０ｎｍである請求項１３７の薄膜。
【請求項１４１】
抵抗率が３００μΩ・ｃｍ以下である請求項１３７の薄膜。
【請求項１４２】
１００ｎｍ以下の平均結晶粒サイズをさらに含み、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１００ｎｍに保持されている請求項１３７の薄膜。
【請求項１４３】
１０ｎｍ以下の平均結晶粒サイズをさらに含み、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１０ｎｍに保持されている請求項１３７の薄膜。
【請求項１４４】
１ｎｍ以下の平均結晶粒サイズをさらに含み、真空アニールにおいて少なくとも約５００℃の温度に少なくとも約３０分間露出した後に、平均結晶粒サイズが１ｎｍに保持されている請求項１３７の薄膜。
【請求項１４５】
マイクロ電子デバイスの銅バリア層として用いられる請求項１３７のＴｉｘＱｙＮｚＯｗ薄膜。
【請求項１４６】
半導体基板；
半導体基板に支持されており、金属の拡散が低減されている材料；
その材料上にあり、その金属を含む物質；
Ｔｉと１以上の合金元素とを含む介在層であって；該物質と金属の拡散が低減された該材料との間に存在し；該１以上の合金元素が（１）約−１．０Ｖ未満の標準電極電位、（２）約２４００℃未満の融点、又は（３）チタンに比べ少なくとも８％異なる原子半径、の少なくとも一つを有し；介在層がない場合に起きる拡散量と比べ、該物質から該材料への該金属の拡散を低減している上記介在層；
を含む半導体構造。
【請求項１４７】
拡散が低減される金属が銅である請求項１４６の構造。
【請求項１４８】
１以上の合金元素が：Ｂｅ， Ｂ， Ａｌ， Ｓｉ， Ｃａ， Ｓｃ， Ｖ， Ｃｒ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｓｒ， Ｙ， Ｚｒ， Ｃｓ， Ｂａ， Ｌａ， Ｈｆ， Ｔａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ及びＥｒ；からなる群より選択される請求項１４６の構造。
【請求項１４９】
該１以上の合金元素がＺｒを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５０】
該１以上の合金元素がＶを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５１】
該１以上の合金元素がＣｒを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５２】
該１以上の合金元素がＭｎを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５３】
該１以上の合金元素がＡｌを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５４】
該１以上の合金元素がＢを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５５】
該１以上の合金元素がＮｂを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５６】
該１以上の合金元素がＭｏを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５７】
該１以上の合金元素がＨｆを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５８】
該１以上の合金元素がＴａを含む請求項１４６の構造。
【請求項１５９】
該１以上の合金元素がＷを含む請求項１４６の構造。
【請求項１６０】
該１以上の合金元素がＹを含む請求項１４６の構造。
【請求項１６１】
該１以上の合金元素がＣｏを含む請求項１４６の構造。
【請求項１６２】
該１以上の合金元素がＮｉを含む請求項１４６の構造。
【請求項１６３】
該１以上の合金元素がＢａを含む請求項１４６の構造。
【請求項１６４】
該１以上の合金元素がＬａを含む請求項１４６の構造。
【請求項１６５】
該１以上の合金元素がＹｂを含む請求項１４６の構造。
【請求項１６６】
拡散が低減される金属が銅であり；銅の拡散が低減される材料が電気的に絶縁材料である；請求項１４６の構造。
【請求項１６７】
拡散が低減される金属が銅であり；銅の拡散が低減される材料が二酸化ケイ素を含む；請求項１４６の構造。
【請求項１６８】
拡散が低減される金属が銅であり；銅の拡散が低減される材料がＢＰＳＧを含む；請求項１４６の構造。
【請求項１６９】
拡散が低減される金属が銅であり；銅の拡散が低減される材料が、誘電率が３．７以下のフッ素化された二酸化ケイ素を含む；請求項１４６の構造。
【請求項１７０】
拡散が低減される金属が銅であり；銅の拡散が低減される材料が、誘電率が３．７以下の絶縁材料を含む；請求項１４６の構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、銅拡散バリア特性の改善されたチタン合金薄膜に関する。本発明はチタン合金スパッタリングターゲットにも関し、それに加え、基板への銅拡散を抑制する方法にも関する。
【０００２】
本発明の背景
集積回路の配線技術はアルミニウムサブトラクティブ法から銅デュアルダマシン法へ変化している。アルミ及びその合金から銅及びその合金への変化により、新たなバリア層材料、特にＴａＮの開発がなされている。ＴｉＮ膜はアルミ技術で用いられ、例えば、窒素含有スパッタリングガス雰囲気中でチタンターゲットを反応性スパッタリングすることにより形成することができる。ＴｉＮ膜中の銅原子拡散性が高すぎるため、ＴａＮと比較すると、銅に関して劣ったバリア層であると報告されている。
【０００３】
ＴｉＮバリア層に関する問題は、図１及び２を参照して記載される。特に、図１は好ましいバリア層構造を図示し、図２はＴｉＮバリア層に関する問題を示す。
【０００４】
最初に図１を参照し、半導体ウエハの断片（フラグメント）１０を示す。ウエハフラグメント１０は、例えば単結晶シリコンで構成できる基板１２を含む。添付の請求項の解釈の助けとするため、「半導体性（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）基板」及び「半導体（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）基板」という語は、半導体材料（半導体ウエハ（単独又はその上に他の材料を含むアセンブリーのどちらでも）といったバルク半導体材料、及び、半導体材料層（単独又は他の材料を含むアセンブリーのどちらでも）が含まれるが、それらに限らない）を含む何れの構造をも意味するように定義される。「基板」という語は、何れの支持構造（上記の半導体基板が含まれるが、それらに限らない）をも指している。
【０００５】
絶縁層１４は基板１２上に形成される。絶縁層１４は、例えば二酸化ケイ素又はボロホスホシリケートガラス（ＢＰＳＧ）を含みうる。あるいはまた、層１４は誘電率が３．７以下であるフッ素化された二酸化ケイ素、つまり“ｌｏｗ−ｋ”と呼ばれる誘電材料を含みうる。特定の実施態様では、層１４は誘電率が３．０以下である絶縁材料を含みうる。
【０００６】
バリア層１６は絶縁材料１４内のトレンチ中に延在するように形成され、銅含有シード層１８はバリア層１６上に形成される。銅含有シード層１８は、例えば高純度の銅ターゲットからスパッタ堆積により形成することができ、「高純度」という語は少なくとも純度９９．９９５％（つまり純度４Ｎ５）のターゲットを指す。銅含有材料２０は銅含有シード層１８上に形成され、例えばシード層１８の上に電解成膜（ＥＣＤ）により形成することができる。銅含有材料２０及びシード層１８は、あわせて銅系層（ｃｏｐｐｅｒ−ｂａｓｅｄ　ｌａｙｅｒ）又は銅系体（ｃｏｐｐｅｒ−ｂａｓｅｄ　ｍａｓｓ）と呼ばれる場合がある。
【０００７】
バリア層１６は、材料１８及び２０から絶縁材料１４への銅拡散を妨げるために提供される。従来技術のチタン材料は、銅の拡散を妨げるためのバリア層としては適切でないと報告されてきた。従来技術のチタン含有材料に関する問題は図２を参照して記載され、図２は図１の構造１０を示すが、純チタン又は窒化チタンの何れかをバリア層１６として使用した場合に起こりうる特定の問題を示すよう修正が加えられている。具体的には、図２はバリア層１６を通って伸びるチャンネル２２を示す。チャンネル２２は、バリア層１６のチタン材料に関する円柱状の結晶粒成長から生じうる。チャンネル２２は、チタン含有バリア層１６を通って絶縁材料１４に至る銅の拡散パスを効果的にもたらす。円柱状結晶粒成長は、Ｔｉ又はＴｉＮ層１６の形成の間に、又は堆積に続く高温工程の間に起こりうる。具体的には、従来技術のチタン材料を円柱状の結晶粒を有さずに堆積する場合であっても、４５０℃を越える温度では材料が役に立たなくなることがわかった。
【０００８】
図２を参照して記載した問題を避けるための努力として、拡散層１６のための非チタンバリア材料が開発されてきた。開発された材料の中には、窒化タンタル（ＴａＮ）がある。ＴａＮはナノメートルサイズに近い結晶粒構造と、銅拡散を妨げるためのバリア層として良好な化学的安定性とを有する。しかしＴａＮに関する問題は、タンタルが高価であるため半導体加工プロセスにＴａＮ層を組み込むことが経済的に難しいということである。その代わり、チタン合金の多くがタンタルと比較してスパッタリングターゲット及びスパッタ膜の両者において優れた機械的特性を有し、そのためハイパワー用途に適しているということを我々は見出した。
【０００９】
チタン合金は、タンタルに比べコストの低い材料である。従って、銅拡散を抑制するバリア層として、タンタル含有材料の代わりにチタン含有材料を使用するために方法が開発される場合には、銅配線技術の使用に関連するマイクロエレクトロニクス産業にとって材料コストを低減することが可能となる。それ故、銅拡散を妨げる又は防ぐためのバリア層として適切な新たなチタン含有材料の開発が望ましい。チタン含有材料は何れの純度でもよいが、高純度であることが好ましい；「高純度」という語は、少なくとも純度９９．９５％（つまり、純度３Ｎ５）のターゲットを指す。
【００１０】
本発明の要旨
ここに記載する発明は、チタン合金スパッタリングターゲットの形成に用いることのできる新たなチタン含有材料に関する。これらのスパッタリングターゲットは、その高い強度及び生じる膜の特性により、タンタル含有ターゲットを置き換えるために使用することができる。具体的には、一部の実施態様においてチタン合金スパッタリングターゲットをＣｕ用途のバリア層形成に用いることができる。チタン合金スパッタリングターゲットは、窒化チタン合金膜を形成するため窒素含有スパッタリングガス雰囲気中で反応性スパッタリングすることができ、あるいはまた、酸窒化チタン合金膜を形成するため窒素及び酸素含有雰囲気中で反応性スパッタリングすることができる。本発明により形成された薄膜は、非円柱状結晶粒構造、低い抵抗率、高い化学的安定性、及びＴａに匹敵するバリア層特性を有しうる。さらに本発明により製造されるチタン合金スパッタリングターゲット材料は、高純度タンタル材料と比較して半導体用途にとって費用対効果に優れている。
【００１１】
一つの側面では、本発明は、Ｔｉと−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する１以上の合金元素とを含むスパッタリングターゲットを包含する。Ｚｒ，Ａｌ又はＳｉの存在については、Ｔｉとの二元系合金の形態（ＴｉＺｒ、ＴｉＡｌ及びＴｉＳｉである二元系複合体）で存在しないことが望ましい。それに加え、ターゲットが二元系合金であるＴｉＺｒを含む場合には、Ｚｒが３２−３８原子％の範囲又は１２−１８原子％の範囲で存在することが望ましい；又は、Ｚｒが０原子％より大きく５０原子％未満の任意の量で存在させることが望ましい。スパッタリングターゲットが複数の合金元素を含む実施態様では、合金元素の全てが−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有してもよく、合金元素の一部が−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有してもよい。
【００１２】
別の側面では、本発明は銅の基板への拡散を抑制する方法を包含する。チタンと−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する１以上の合金元素とを含む第一の層が、基板上に形成される。次に、銅系層が第一の層上に形成され、第一の層により基板から隔てられる。第一の層が銅系層から基板への銅の拡散を抑制する。
【００１３】
さらに別の側面では、本発明はＴｉと２４００℃以上の融点を有する１以上の元素とを含むスパッタリングターゲットを包含する。スパッタリングターゲットがＴｉに加えて複数の合金元素を含む実施態様では、Ｔｉ以外の元素全てが２４００℃以上の融点を有してもよく、Ｔｉ以外の元素の一部が２４００℃以上の融点を有してもよい。
【００１４】
さらに別の側面では、本発明は、Ｔｉと；原子半径がＴｉと比べ少なくとも８％、又は少なくとも１０％、一部の用途では少なくとも２０％異なる１以上の元素と；を含むスパッタリングターゲットを包含する。スパッタリングターゲットが複数の合金元素を含む実施態様では、合金元素の全てがＴｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径を有してもよく、合金元素の一部がＴｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径を有してもよい。
【００１５】
本開示と添付の請求項を解釈する目的のため、「チタン系（ｔｉｔａｎｉｕｍ−ｂａｓｅｄ）」材料はチタンが主要な元素である材料として定義され、「合金元素」は特定の材料において主要な元素でない元素として定義される。「主要な元素（ｍａｊｏｒｉｔｙ　ｅｌｅｍｅｎｔ）」は、材料の他の何れの元素と比較しても高い濃度で存在する元素として定義される。主要な元素は材料の支配的な（ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔ）元素でありうるが、材料の５０％未満で存在することもできる。例えば、チタンの存在量が３０％にすぎない材料でも、他の元素が３０％以上の濃度で存在しない場合には、チタンはその材料の主要な元素である。３０％以下の濃度で存在する他の元素は、「合金元素」である。ここで記載するチタン系材料は、０．００１原子％から５０原子％の濃度で合金元素を含有することが多い。ここで言及するパーセンテージ及び濃度は原子％及び原子濃度であるが、原子％又は原子濃度以外であると特に示した濃度及びパーセンテージを除くことは当然である。
【００１６】
さらに、本開示及び添付の請求項を解釈する目的のため、「銅系」材料を銅が主要な元素である材料として定義する。
本発明の好ましい実施態様を、以下の添付の図面を参照して以下に記載する。
【００１７】
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明の例示的な実施態様を、図３−９を参照して記載する。初めに図３を参照し、半導体ウエハフラグメント５０を示す。ウエハフラグメント５０は、例えば単結晶シリコンといった半導体材料基板５２を含む。絶縁材料５４を基板５２上に形成し、開口部５６を絶縁材料５４中に形成する。材料５２及び５４は、従来技術を参照して材料１２及び１４について記載したのと同じ材料でそれぞれ構成することができる。開口部５６は、例えばデュアルダマシン法での銅形成のためのトレンチを含みうる。
【００１８】
図４を参照し、バリア層５８が絶縁層５４上にそして開口部５６中に形成される。本発明によると、バリア層５８はチタンを含み、引き続いて形成される銅系層から絶縁材料５４へ拡散することを妨げるよう構成される。本発明の一つの側面では、バリア層５８は：チタンと；約−１．０Ｖ未満の標準電極電位（具体的には、Ｃｌ−１／Ｃｌ参照電極を用いて測定した標準電極電位）を有する１以上の元素と；を含む。適切な元素は、Ａｌ， Ｂａ， Ｂｅ， Ｃａ， Ｃｅ， Ｃｓ， Ｈｆ， Ｌａ， Ｍｇ， Ｎｄ， Ｓｃ， Ｓｒ， Ｙ， Ｍｎ， Ｖ， Ｓｉ及びＺｒからなる群より選択することができる；ただし特定の実施態様では、該元素にはＡｌ， Ｓｉ，又はＺｒは含まれない。さらにバリア層５８は、本質的にチタンと、約−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する１以上の元素とからなってもよく、チタンと約−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する１以上の元素とからなってもよい。バリア層５８はまた、Ｔｉ及び約−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する１以上の元素に加え、窒素及び酸素の一方又は両方を含みうる。層５８は基板５４上に形成される膜とみなすことができ、特定の実施態様では、その厚みが約２ｎｍから約５００ｎｍであり、特に２ｎｍから約５０ｎｍであり、又は特に約２ｎｍから約２０ｎｍであってもよい。
【００１９】
本発明の別の側面では、バリア層５８はＴｉと２４００℃以上の融点を有する１以上の元素とを含む。適切な元素は、Ｎｂ， Ｍｏ， Ｔａ及びＷからなる群より選択することができる。さらに、バリア層５８は本質的にチタンと２４００℃以上の融点を有する１以上の元素からなってもよく、チタンと２４００℃以上の融点を有する１以上の元素からなってもよい。バリア層５８は、Ｔｉ及び２４００℃以上の融点を有する１以上の元素に加え、窒素及び酸素の一方又は両方を含むこともできる。層５８は基板５４上に形成された層と見なすことができ、特定の実施態様では、その厚みが約２ｎｍから約５０ｎｍであり、特に約２ｎｍから約２０ｎｍでありうる。約２４００℃以上の融点を有する元素は、その耐熱特性のため、チタン合金を安定化することができる。
【００２０】
本発明のバリア層及びスパッタリングターゲットにおいて、望ましい小結晶粒サイズを保持する上で重要となりうる本発明の材料の一つの側面は、チタン含有ターゲットに組み込まれる元素の原子半径とチタンの原子サイズとの違いが、８％、より好ましくは１０％、さらに２０％より大きいということである。この様な原子サイズの違いはチタンの格子構造を乱し、従って格子内の結晶粒成長を妨げる。チタンとバリア層５８に取り込まれた他の元素との間の原子サイズにおける違いの大きさは、格子を乱す程度に影響し、従って、様々な温度で起きる結晶粒成長を妨げる。従って、チタンと比べサイズの違いが小さい原子より、チタンと比べサイズの違いが大きい元素を使用することが好ましい。チタンと比べ少なくとも８％異なる原子半径を有する元素の群は、Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ， Ｎｉ及びＹである；チタンと比べ少なくとも８％異なる原子半径を有する元素の群は、Ｂｅ， Ｂ， Ｃ， Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｐ， Ｓ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｓｉ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ，及びＹｂである。チタンとの原子半径の違いが８％、又は２０％より大きい元素の一部は、標準電極電位が−１．０Ｖ未満の元素と重なるが、重ならないものもあるという点に留意すべきである。本発明は、チタンの原子半径との違いが８％（一部の用途では２０％）より大きい元素をチタンと組み合わせてバリア層形成に使用することを包含し、その結果、チタンと；Ｓｉ， Ｐ， Ｓ， Ｓｃ， Ｍｎ， Ｆｅ， Ｃｏ， Ｎｉ， Ｙ， Ｂｅ， Ｂ， Ｃ， Ｍｏ， Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｇｄ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ，及びＹｂの１以上と；を含むスパッタリングターゲットを含む。
【００２１】
ある意味では、本発明は３つのカテゴリーに該当する合金元素を包含する：約−１．０Ｖ未満の標準電極電位；約２４００℃以上の融点；又は、チタンの原子サイズとの違いが８％より大きい原子サイズ。表１は、該３つのカテゴリーに該当しうる幾つかの例示的な元素を示す。表１は３つのカテゴリーの１以上に当てはまる元素を全て含んだ一覧ではない。
【００２２】
【表１】
2004506814.tif 000003
【００２３】
例示的な方法では、層５８は導電性銅系材料から絶縁材料５４への拡散を防ぐためのバリア層である。該実施態様では、導電性銅系層によってもたらされる電流より大きな追加の電流が生じるよう、バリア層５８が導電性であることが好ましい。該実施態様では、バリア層５８の抵抗率が３００μΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
バリア層５８を形成する例示的な方法は、チタン及び１以上の元素を含むターゲットから層５８をスパッタ堆積することである。その１以上の元素は、約−１．０Ｖ未満の標準電極電位、Ｔｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径、及び／又は２４００℃以上の融点を有しうる。特定の実施態様では、ターゲットが本質的にチタンと；約−１．０Ｖ未満の標準電極電位、Ｔｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径、及び／又は２４００℃以上の融点を有する１以上の元素と；からなってもよい。また本発明は、ターゲットがチタンと；約−１．０Ｖ未満の標準電極電位、Ｔｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径、及び／又は２４００℃以上の融点を有する１以上の元素と；からなる実施態様を包含する。
【００２５】
例示的なターゲットは、少なくとも５０原子％のチタンと、０．００１原子％から５０原子％の１以上の元素（約−１．０Ｖ未満の標準電極電位、Ｔｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径、及び／又は２４００℃以上の融点を有する）とを含みうる。他の実施態様では、ターゲットが少なくとも９０原子％のチタンと、０．００１原子％から１０原子％の１以上の元素（約−１．０Ｖ未満の標準電極電位、Ｔｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径、及び／又は２４００℃以上の融点を有する）とを含む。
【００２６】
別の用途（つまり、拡散バリア以外の用途）のため製造されてきたこれまでのターゲットは、チタンと、Ｎｂ， Ａｌ， Ｓｉ， Ｗ及びＺｒの１以上とを有する；本発明のターゲットは、これまでのターゲットに対して：銅バリア用途のため用いられるという点；及び／又は、本発明のターゲット中のＮｂ， Ｗ及びＺｒの濃度がこれまでのターゲットと異なるという点；で相違しうる。例えば、本発明の合金は主要な元素としてチタンを含み、加えてＮｂ， Ｗ又はＺｒという元素を包含するが、Ｚｒについては３２−３８原子％及び１２−１８原子％という範囲を除き；Ｎｂについては６−８原子％の範囲を除き；Ｗについては３５−５０原子％の範囲を除く。また、従来技術のチタン含有ターゲットを、銅バリア層形成のための本発明の方法論による新しい方法のために用いることもできる。
【００２７】
本発明の方法論に使用されるターゲットは、ターゲット材料のみが膜５８に堆積するような雰囲気下でスパッタすることもでき、あるいはまた、スパッタ雰囲気からの材料もターゲットからの材料とあわせてバリア層５８に堆積するような雰囲気でスパッタすることもできる。例えば、ターゲットからの材料に加えて窒素を含むバリア層５８を形成するように、窒素含有成分を含む雰囲気下でターゲットをスパッタすることができる。例示的な窒素含有成分は、二原子の窒素（Ｎ２）である。堆積した膜は量論組成としてＴｉｘＱｙＮｚにより標示することができ、ここで“Ｑ”は、約−１．０Ｖ未満の標準電極電位；Ｔｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径；及び／又は２４００℃以上の融点；を有し、ターゲットに組み込まれた１以上の元素の標示である。特定のプロセシングにおいては、材料ＴｉｘＱｙＮｚはＸ＝０．１−０．７、ｙ＝０．００１−０．３、かつＺ＝０．１−０．６で構成される。
【００２８】
バリア層５８を形成する別の例示的な方法は、窒素及び酸素をバリア層５８にを取り込むため、窒素含有成分及び酸素含有成分の両者の存在下で、チタンとチタン以外の１以上の元素とを含むターゲットから層をスパッタ堆積することである。この様なプロセシングにより、量論組成としてＴｉｘＱｙＮｚＯｗを有するバリア層を形成することができ、ここで“Ｑ”は、この場合もまた、Ｔｉと比べ少なくとも８％異なる原子半径を有する元素；約−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する元素；及び／又は２４００℃以上の融点を有する元素；を指す。化合物ＴｉｘＱｙＮｚＯｗは、例えばｘ＝０．１−０．７， ｙ＝０．００１−０．３， ｚ＝０．１−０．６，かつｗ＝０．０００１−０．００１０で構成できる。ＴｉｘＱｙＮｚＯｗを形成するために用いられる酸素含有成分は、例えばＯ２でありうる。
【００２９】
窒素及び／又は酸素をバリア層５８に取り込む利点としては、この様に取り込むことによってバリア層の高温安定性を改善し、高温で銅を拡散させないという点がある。例えば、窒素及び／又は酸素はＴｉの円柱状結晶粒構造を妨害し、より等方的な結晶粒構造を形成する。
【００３０】
本発明によるスパッタターゲット形成のため、及びそのスパッタターゲットから薄膜を堆積するための特定の方法を、実施例１−４を参照して以下に記載する。
【００３１】
本発明により形成されたバリア層５８は１００ｎｍ以下の平均結晶粒サイズを有することができ、特定のプロセシングでは、好ましくは１０ｎｍ以下の平均結晶粒サイズを有しうる。より好ましくは、バリア層は１ｎｍ以下の平均結晶粒サイズを有しうる。さらにバリア層材料は、膜を真空アニールで５００℃に３時間さらした後に結晶粒サイズを１００ｎｍ以下、特定の実施態様では１０ｎｍ又は１ｎｍ以下に保持するのに充分な安定性を有しうる。
【００３２】
本発明での薄膜５８の小さい平均結晶粒サイズにより、従来技術のチタン含有膜に比べ、銅の拡散をより防止することができる。特に、従来技術のチタン含有膜は４５０℃より高温でのプロセシングにおいて大きな結晶粒サイズを形成することが多く、その結果、図２を参照して前述した円柱型の欠陥を有する。本発明のプロセシングにより当該欠陥の形成を避けることができ、その結果、従来技術のプロセシングにより形成できる層と比較して、より良好なチタン含有拡散バリア層を形成することができる。
【００３３】
やはり図４を参照し、銅含有シード層６０がバリア層５８上に形成される。銅含有シード層は、例えば高純度銅（つまり、少なくとも純度９９．９９５％の銅）を含むことができ、例えば高純度銅ターゲットからのスパッタ堆積により成膜することができる。
【００３４】
図５は、絶縁材料５４の上面から層５８及び６０を除去し、トレンチ内には材料５８及び６０を残すように化学的機械研磨（ＣＭＰ）を行った後のウエハフラグメント５０を示す。図５は、−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する元素が層５８中に存在する場合に起こりうる過程を示しており、層５８に−１．０Ｖ未満の標準電極電位を有する元素の拡散を引き起こす熱処理を行うと、材料５８の他の領域よりその元素の濃度の高い領域６２が形成されることを示している。標準電極電位が−１．０Ｖ未満である元素の該移動を起こしうる適切な熱処理には、真空下において約５００℃の温度で約３０分間アニールすることが含まれる。
【００３５】
図７は、図５のウエハフラグメント５０の一領域を拡大した図を示し、領域６２をより明確に示している。図７は、標準電極電位が−１．０Ｖ未満である元素の濃度が高められた別の領域６４が銅系層６０に隣接して形成されうることも示す。領域６４は、図のスペースの制限のため図５には示していない。バリア層５８に取り込まれる元素に応じて、本発明の特定のプロセシングでは領域６４を効果的に除去しうるということが理解されるべきである。
【００３６】
図８及び９では、標準電極電位が−１．０Ｖ未満である元素が高温アニールの間にバリア層５８内で移動できるということをグラフで示す。
まず図８を参照し、銅層６０、ＴｉＱ層５８、及びＳｉＯ層５４に関し、標準電極電位が−１．０Ｖ未満である元素（“Ｑ”と表され、特に“Ｑ”の相対％として示される）の濃度のグラフを示す。ＴｉＱ及びＳｉＯは、バリア層５８又は絶縁材料５４のいずれかの材料の量論比としての表現を意図したものではなく、図８の図面中で層５８及び６４を単に特定するにすぎないことに留意すべきである（例えば、“ＳｉＯ”として言及される材料は一般にはＳｉＯ２である）。図８のグラフは図４に示した軸に沿って示されており、その結果、図５のアニール前のプロセシング工程に対応する。
【００３７】
図９は図８のグラフと類似したグラフを示すが、図５の軸に沿ったグラフを示しており、そのため、図５のアニール後における相対濃度を示している。図９は、ＴｉＱ領域の中央でのＱの濃度に比べ、ＴｉＱ層５８とＳｉＯ層５４の間の界面ではＱの濃度が増加することを示す。図９はまた、銅系層６０とＴｉＱ層５８の間の界面でＱの濃度が増加しうることも示す。
【００３８】
図８及び９では絶縁層５４を特にＳｉＯ層とするが、それは絶縁層５４の例示的な組成であり、本発明は層５４が他の絶縁材料を含む実施態様も包含することが理解されるべきである。また、図９に示すＱの相対濃度は例示的な目的にすぎず、図９はＱの濃度の定量的な表現というよりはむしろ定性的な表現を示しているということが理解されるべきである。
【００３９】
標準電極電位が−１．０Ｖ未満である元素を用いる利点は、図７，８及び９により証明されている。具体的には、該元素はアニールの間にバリア層５８の界面領域に向かって拡散する傾向にある。従って、これらの元素は図７の領域６２及び６４を形成することができ、残存する層５８の中央領域に比べ、銅バリアという側面を改善することができる。また領域６２は、層５８を絶縁材料５４に接着させる特性を改善することができる。従って、本発明により形成されたバリア層は、従来技術により形成されたバリア層と比較して絶縁材料と良好に接着することができ、従来技術の絶縁層に関する問題の一部を緩和することができる。
【００４０】
図６は、図５の工程に続くプロセシング工程でのウエハフラグメント５０を示し、特にトレンチ５６（図５）内に形成される銅系材料７０を示す。銅系材料７０は、例えばシード層６０上に銅を電解成膜することにより形成することができる。導電バリア層５８を有することの利点は、図６に証明されている。具体的には、トレンチが益々小さくなるにつれて、銅材料７０が占める量に比較してバリア層５８がトレンチを狭める量は大きくなる。層５８の体積が増大する理由は、銅拡散バリア層の適切な特長を維持するために望ましい層５８の厚みについて限界があるためである。層５８、６０、及び材料７０で構成される導電性成分中で層５８の相対的な体積が増加するにつれ、導電成分内で良好な導電特性を保持するためには、材料５８内で良好な導電特性を有することが好ましい。
【００４１】
本発明により形成された材料は、スパッタリングターゲットに使用するために適した機械的特性を有しうる。図１０では機械的特性をＫｓｉの単位（つまり、１０００ｌｂｓ／ｉｎ２）で報告しており、本発明により形成された材料が３Ｎ５のタンタルと同等以上の機械的特性を有しうることを示している。
【００４２】
実施例
本発明を以下の実施例によって説明するが、これらに限定されるものではない。これらの実施例は、本発明に包含される様々な材料を含むスパッタリングターゲットを形成するための例示的な方法を記載する。スパッタリングターゲットは数多くの幾何形状の何れもとることができ、例示的な幾何形状は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｉｎｃ．より入手可能なタイプであるいわゆるＥＮＤＵＲＡ（登録商標）ターゲットである。補強板２０２及びターゲット２０４で構成される例示的なＥＮＤＵＲＡ（登録商標）ターゲット構造２００を図１１に示す。図１１ではターゲット構造２００を断面図で示すが、ターゲット構造２００を上部から見た場合に典型的には円形の外周を備える。ターゲット構造２００はターゲット２０４を支持する補強板２０２を含むように示されるが、本発明はモノリシック（一体型）のターゲット構造（つまり、構造全体がターゲット材料であるターゲット構造）及びその他の平面型ターゲットデザインをも包含するということが理解されるべきである。
【００４３】
実施例１
ＴｉＹターゲットは１．０原子％のＹを含み、Ｙは標準電極電位が−２．６Ｖであり、原子半径がＴｉより１３．５％大きい反応性元素である。真空スカル溶融の間に、所定量の純度３Ｎ（９９．９％）のＹを純度５Ｎ（９９．９９９％）のＴｉに加えた。均一な合金が形成された後、合金をグラファイトモールドにキャスティングしてビレットを形成した。ビレットを従来の加工熱処理法を用いて鋳造、延伸し、スパッタリングターゲットに加工した。Ｎ２流について４つの異なる値（０，５，１０，１５ｓｃｃｍ）を用い、チャンバー総圧力を４ｘ１０−３ｍＴｏｒｒとし、Ｔｉ−５原子％ＹターゲットをＮ２／Ａｒ雰囲気で反応性スパッタリングした。生じたＴｉＹＮ薄膜の厚みは約２０ｎｍであり、抵抗率は約１３０−３００μΩ・ｃｍの範囲にあり、Ｘ線で測定することができず微結晶又はアモルファスでありうる非常に小さい結晶粒サイズを含んだ。
【００４４】
実施例２
ＴｉＴａターゲットは０．６５原子％のＴａを含み、Ｔａは融点が２９９６℃の元素であり標準電極電位−１．０７Ｖの反応性元素である。真空スカル溶融の間に、所定量の純度３Ｎ５（９９．９５％）のＴａを純度５Ｎ（９９．９９９％）のＴｉに加えた。均一な合金が形成された後、合金をグラファイトモールドにキャスティングしてビレットを形成した。ビレットを従来の加工熱処理法を用いて鋳造、延伸し、スパッタリングターゲットに加工した。Ｎ２流について４つの異なる値（０，５，１０，１５ｓｃｃｍ）を用い、チャンバー総圧力を４ｘ１０−３ｍＴｏｒｒとし、Ｔｉ−０．６５原子％ＴａターゲットをＮ２／Ａｒ雰囲気で反応性スパッタリングした。生じたＴｉＴａＮ薄膜の厚みは約２０ｎｍであり、抵抗率は約１３０−２５０μΩ・ｃｍの範囲にあり、Ｘ線で測定することができず微結晶又はアモルファスでありうる非常に小さい結晶粒サイズを含んだ。
【００４５】
実施例３
ＴｉＺｒターゲットは５．０原子％のＺｒを含み、Ｚｒは標準電極電位−１．６５Ｖの反応性元素である。真空スカル溶融の間に、所定量の純度２Ｎ８（９９．８％）のＺｒを純度５Ｎ（９９．９９９％）のＴｉに加えた。均一な合金を形成した後、その合金をグラファイトるつぼにキャスティングしてビレットを形成した。ビレットを従来の加工熱処理法を用いて鋳造、延伸し、スパッタリングターゲットに加工した。Ｔｉ−５原子％ＺｒターゲットをＮ２／Ａｒ雰囲気で反応性スパッタリングした。生じたＴｉＺｒＮ薄膜の厚みは約２０ｎｍであり、抵抗率は約１２５μΩ・ｃｍであった。図１３は、スパッタされたＴｉＺｒＮ薄膜のシート抵抗を示す。ＴｉＺｒＮ膜は、Ｘ線で測定することができず微結晶又はアモルファスでありうる非常に小さい結晶粒サイズを有し、その結晶粒サイズは７００℃で５時間真空アニールした後も安定であった。高温でのアニール後にＴｉＺｒＮ膜の拡散特性の試験ができるよう、１５０ｎｍのＣｕ膜をＴｉＺｒＮ膜上に堆積した。結果は、ＴｉＺｒＮ膜が配線間絶縁膜（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）との良好な接着性、及びＣｕとの良好な濡れ特性を有することを示す。薄膜は、典型的なＣｕ／ｌｏｗ−ｋ絶縁法に適切である総合的な特性を有した。図１２は、堆積直後のＴｉ０．４５Ｚｒ０．０２４Ｎ０．５２のラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）プロファイルを示す；表２では、図１２のデータの様々な側面を表にする。図１４は、約４５０−７００℃で１時間真空アニールした後にＣｕのＴｉＺｒＮ層への明らかな拡散がないことを示す。図１５は、Ｃｕ層をウエハから剥離させた後のＴｉＺｒＮ膜のＲＢＳプロファイルを示す。この図も、７００℃で５時間の後にＣｕのＴｉＺｒＮ層への明らかな拡散がないことを示す。
【００４６】
【表２】
2004506814.tif 000004
【００４７】
実施例４
ＴｉＡｌターゲットは１．０原子％のＡｌを含み、Ａｌは標準電極電位−１．７０Ｖの反応性元素である。真空スカル溶融の間に、所定量の純度３Ｎ５（９９．９５％）のＡｌを純度５Ｎ（９９．９９９％）のＴｉに加えた。均一な合金を形成した後、その合金をグラファイトモールドにキャスティングしてビレットを形成した。ビレットを従来の加工熱処理法を用いて鋳造、延伸し、スパッタリングターゲットに加工した。Ｎ２流について４つの異なる値（０，５，１０，１５ｓｃｃｍ）を用い、チャンバー総圧力を４ｘ１０−３ｍＴｏｒｒとし、Ｔｉ−１．０原子％ＡｌターゲットをＮ２／Ａｒ雰囲気で反応性スパッタリングした。生じたＴｉＺｒＮ薄膜の厚みは約２０ｎｍであり、抵抗率は約１３０−３００μΩ・ｃｍの範囲にあり、Ｘ線で測定することができず微結晶又はアモルファスでありうる非常に小さい結晶粒サイズを有した。
【００４８】
ここに記載する実施態様は例示的なものであり、本発明は具体的に記載された実施態様以外の実施態様を包含することが理解されるべきである。例えば、図４及び５の工程の間に行われると記載した化学的機械研磨（ＣＭＰ）は、その代わりに図６に示す銅材料７０の電解成膜後に行うこともできる。また、図５に関して領域６２を形成するために使用されると記載したアニールを、その代わりに図６のプロセシングの後に行うことができる。それに加え、本発明の様々な側面が銅拡散を低減するバリア層の生成に関して記載されているが、ここに記載した方法は、銅以外の金属（例えば、Ａｇ又はＡｌ）の拡散を妨げ又は防ぐバリア層を生成するために使用できることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来技術の半導体ウエハフラグメントの概略的な断面図であり、バリア層により絶縁材料と隔てられた導電性銅材料を示す。
【図２】図２は、図１の従来技術のウエハフラグメントの図であり、従来技術のＴｉ含有材料をバリア層として使用する場合に起こりうる問題を示す。
【図３】図３は、本発明の方法の予備的な工程における半導体ウエハフラグメントの概略的な断面図である。
【図４】図４は、図３の工程に続くプロセシング工程における図３のウエハフラグメントの概略的な断面図である。
【図５】図５は、図４の工程に続くプロセシング工程における図３のウエハフラグメントの概略的な断面図である。
【図６】図６は、図５の工程に続くプロセシング工程における図３のウエハフラグメントの概略的な断面図である。
【図７】図７は、図５のウエハフラグメントの一部の拡大図である。
【図８】図８は、銅含有層、ＴｉＱ層、及びＳｉＯ層について、材料“Ｑ”の相対濃度を図４に示した軸に沿って示す概略図である。
【図９】図９は、銅含有層、ＴｉＱ層、及びＳｉＯ層について、材料“Ｑ”の相対濃度を図５に示した軸に沿って示す概略図である。
【図１０】図１０は、従来技術のＴａと比較してＴｉ−Ｚｒ合金の機械的特性についての改善を示すチャートである。
【図１１】図１１は、例示的なスパッタリングターゲット構造の概略的な断面図である。
【図１２】図１２は、堆積した直後のＴｉ０．４５Ｚｒ０．０２４Ｎ０．５２のラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）のプロファイルを示すグラフである。
【図１３】図１３は、Ｔｉ０．４５Ｚｒ０．０２４Ｎ０．５２のシート抵抗を示す。Ｒｓ間隔は１／３σに等しく、示した階調は６８．９９； ６７．８８； ６６．７６； ６５．６５； ６４．５４； ６３．４２； ６２．３１； ６１．１９； 及び６０．０８に対応する。
【図１４】図１４は、４５０℃から７００℃で１時間真空アニールした後のＴｉ０．４５Ｚｒ０．０２４Ｎ０．５２のラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）のプロファイルを示すグラフである。
【図１５】図１５は、ウエハからＣｕ層を剥がした後のＴｉＺｒＮ薄膜のラザフォード後方散乱分光プロファイルを示すグラフである。ＴｉＺｒＮ薄膜及びＣｕ層は、当初は本発明の例示的な方法により形成された構造の一部であった。示したデータは、７００℃で５時間後においてＣｕのＴｉＺｒＮ層への明らかな拡散がないことを示す。
【図１】
2004506814.tif 000005
【図２】
2004506814.tif 000006
【図１０】
2004506814.tif 000007
【図１２】
2004506814.tif 000008
【図１４】
2004506814.tif 000009
【図１５】
2004506814.tif 000010
【国際公開パンフレット】
2004506814.tif 000011
2004506814.tif 000012
2004506814.tif 000013
2004506814.tif 000014
2004506814.tif 000015
2004506814.tif 000016
2004506814.tif 000017
2004506814.tif 000018
2004506814.tif 000019
2004506814.tif 000020
2004506814.tif 000021
2004506814.tif 000022
2004506814.tif 000023
2004506814.tif 000024
2004506814.tif 000025
2004506814.tif 000026
2004506814.tif 000027
2004506814.tif 000028
2004506814.tif 000029
2004506814.tif 000030
2004506814.tif 000031
2004506814.tif 000032
2004506814.tif 000033
2004506814.tif 000034
2004506814.tif 000035
2004506814.tif 000036
2004506814.tif 000037
2004506814.tif 000038
2004506814.tif 000039
2004506814.tif 000040
2004506814.tif 000041
2004506814.tif 000042
2004506814.tif 000043
2004506814.tif 000044
2004506814.tif 000045
2004506814.tif 000046
2004506814.tif 000047
2004506814.tif 000048
2004506814.tif 000049
2004506814.tif 000050
2004506814.tif 000051
2004506814.tif 000052
2004506814.tif 000053
2004506814.tif 000054
2004506814.tif 000055
2004506814.tif 000056
2004506814.tif 000057
2004506814.tif 000058
2004506814.tif 000059
2004506814.tif 000060
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004506814.tif 000061
2004506814.tif 000062
【国際調査報告】
2004506814.tif 000063
2004506814.tif 000064
2004506814.tif 000065
2004506814.tif 000066
2004506814.tif 000067