(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)絶縁層と該絶縁層内に形成されるコンタクトホールを有する基板を提供する段階と、
(b)TaCをターゲットとしＮ２と不活性ガスを導入してスパッタリングし、前記コンタクトホール内に、その層内のN濃度が17％―24％のTaCNバリア層を形成する段階と、
(c)前記TaCNバリア層上に銅金属層を形成する段階と、
を有する、
銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
【請求項２】
前記TaCNバリア層におけるNの濃度は22％であることを特徴とする、
請求項１に記載の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
【請求項３】
前記不活性ガスはArであることを特徴とする、
請求項１乃至２のうちいずれか一項記載の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
【請求項４】
前記TaCNバリア層の厚みは50―800Åであることを特徴とする、
請求項１乃至２のうちいずれか一項に記載の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
【請求項５】
前記TaCNバリア層の厚みは600Åであることを特徴とする、
請求項４に記載の銅金属化プロセスにおけるTaCNバリア層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は銅金属化プロセスに関わり、特に、半導体集積回路素子への銅拡散を防止するための、銅金属化プロセスにおけるＴａＣＮバリア層の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
普段、集積回路製造中、絶縁層により絶縁されている伝導層（金属層）同士を電気的に接続するためにコンタクトホールやビアホールを形成し、これらのコンタクトホールやビアホールに伝導材料を填入するプロセスを行う。ここで、伝導材料は、普段、タングステンやタングステン化合物を用いる。伝導材料の填入を行う前に、伝導材料の拡散を防止するためにバリア層を形成する必要がある。
【０００３】
バリア層の材質としては、従来、ＴｉＮがよく用いられるが、半導体製造技術の進化及び半導体素子の小型化に連れて、ＴｉＮをバリア層の材質として利用するのは半導体製造上の要求に満足できないようになった。
【０００４】
一方、伝導層の材質は、従来、アルミニウムが多用されていたが、現在、０．１８ミクロン以下の半導体製造の場合、アルミニウムの代わりに銅が用いられるようになった。これは銅の伝導性がアルミニウムのそれより良いためである。
【０００５】
しかし、銅金属化の場合に銅がアルミニウムより拡散し易い問題がある。即ち、アルミニウム金属化の場合と比べると、伝導材（銅）がシリコン基板または酸化シリコン絶縁層に浸入し過激な漏電流が生じられる可能性は一層高くなる。したがって、銅の拡散を防止するために絶縁性がより良い拡散防止層即ちバリア層が必要である。
【０００６】
そこで、米国特許５，６６８，０５４号（本発明者は当該特許の共同発明者である）には、ＴａＮを銅金属化プロセスにおけるバリア層の材質として使用することが記載されている。
【０００７】
また、米国特許５，９７３，４００号にも、非結晶ＴａＣをバリア層の材質として用いることが記載されている。ここで、ＴａＣ層はスパッタリング法または化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成される。スパッタリング法の場合、ＴａＣバリア層は、Ｔａを金属ターゲットとしＣＨ４／Ａｒガス環境に置いて形成されるものである。更に、当該特許にはＴａＣＮ層の形成に関する記載もあるが、その導入のガスＮ２／Ａｒの最適な比率が提示されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような問題点を解決するため、本発明の目的は銅拡散防止効果が向上させる銅金属化プロセスにおけるＴａＣＮバリア層の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、銅金属化プロセスにおけるＴａＣＮバリア層の製造方法は、（ａ）絶縁層と該絶縁層内に形成されるコンタクトホールを有する基板を提供する段階と、
（ｂ）体積流量比率が０．０６―０．１０のＮ２と不活性ガスを導入することにより、前記コンタクトホール内にＴａＣＮバリア層を形成する段階と、（ｃ）前記ＴａＣＮバリア層上に銅金属層を形成する段階とからなる。
【００１０】
また、前記目的を達成するために、銅金属化プロセスにおけるＴａＣＮバリア層の製造方法は、（ａ）絶縁層と該絶縁層内に形成されるコンタクトホールを有する基板を提供する段階と、（ｂ）ＴａＣをターゲットとしＮ２と不活性ガスを導入してスパッタリングすることにより、前記コンタクトホール内に、その層内のＮ濃度が１２％―２４％のＴａＣＮバリア層を形成する段階と、（ｃ）前記ＴａＣＮバリア層上に銅金属層を形成する段階とからなる。
【００１１】
更に、ＴａＣＮバリア層を有する銅金属伝導層構造は、前記ＴａＣＮバリア層におけるＮの濃度は１２％―２４％であることを特徴とする。
【００１２】
【００１３】
【発明の実施の形態】
前記の目的を達成して従来の欠点を除去するための課題を実行する本発明の実施例の構成とその作用を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】
図１ａ乃至図１ｃは本発明製造方法によるプロセスを示す断面図である。ここでの断面は集積回路の一部の断面である。
【００１５】
先ず、図１ａに示すように、基板１０を提供する。この基板１０は、例えば、単結晶シリコンからなるシリコンウェハーである。バリア層を形成する前に、基板１０に、例えば、ソースやドレイン及びゲートなどの半導体素子が既に形成されていることも有り得る。これは当業者にとってよく分かることである。
【００１６】
半導体１０の上に絶縁層１２がある。該絶縁層１２は酸化シリコンやＢＰＳＧ、ＢＳＧまたはＰＳＧ等の誘電材質からなるものである。
【００１７】
該絶縁層１２にコンタクトホール１４が形成されている。該コンタクトホール１４は絶縁層１２をエッチングしてなるものである。更に、例として、このコンタクトホール１４下方の基板１０において、この後に形成する銅金属層と接続するｐ＋／ｎエリア（図中省略）を形成しても良い。
【００１８】
次に、図１ｂに示すように、コンタクトホール１４内にＴａＣＮバリア層１６を形成する。このＴａＣＮバリア層１６はスパッタリング法により形成するのは好ましい。スパッタリング法を用いる場合、ＴａＣをターゲットとし、Ｎ２、不活性ガス（例えばＡｒ）をスパッタガスとして導入することが望ましい。なお、ＴａＣターゲット成分の比率（重量パーセント）は５０：５０であって良い。
【００１９】
本発明の実施から、導入されるＮ２ガスの比率はＴａＣＮのＮの比率に影響を与えることが分かった。この比率は銅拡散防止効果に与える影響が大きい。ここで、Ｎ２と不活性ガス（例えばＡｒ）の体積流量比率を０．０６―０．１０とし、または、形成されるＴａＣＮバリア層におけるＮの濃度を１２％―２４％にするのは好ましい。このようにして形成されるＴａＣＮバリア層１６は銅拡散防止効果が一番良くて、その後に形成される銅金属層の拡散及び漏電流の生成を有効に防止することができる。
【００２０】
また、Ｎ２とＡｒガスの体積流量比率は０．０６２５―０．１０４であり、形成されるＴａＣＮバリア層１６におけるＮの濃度は１７％―２４％であっても良い。
【００２１】
更に、Ｎ２とＡｒガスの体積流量比率は約１／１２、形成されるＴａＣＮバリア層１６におけるＮの濃度は２２％であっても良い。
【００２２】
また、ＴａＣＮバリア層１６の厚みは５０―８００Åであって良いが、その最適の厚みは６００Åである。
【００２３】
次に、図１ｃに示すように、ＴａＣＮバリア層１６の上に銅金属層１８を形成する。ここで、銅金属化層プロセスにおけるＴａＣＮバリア層の製造が完了される。
【００２４】
以下、本発明の実施例によるＴａＣＮバリア層の銅拡散防止効果の検証について説明する。検証するのに下記の方式で本発明の方法を実施する。
【００２５】
（１）まず５０：５０重量パーセントのＴａＣをスパッタリングターゲットとし、成長圧力を７．６（ｍｔｏｒｒ）にして、スパッタガスのＮ２とＡｒの流量比率を順次に０／２４、１．５／２４、２／２４、２．５／２４、４／２４、６／２４にして実施する。
【００２６】
（２）銅金属層（２０００Å）／ＴａＣＮ層（６００Å）／ｐ＋／ｎ二極構造に対し、Ｃｕ／ＴａＣＮ／Ｓｉの分析を行う。このような構造に対しＮ２ガス環境で５００―８５０℃のアニ―ルを施してから、二次イオンスペクトル器及びＸ線回折分析を行い、また、６００ÅのＴａＣ及びＴａＮバリア層との結果比較を行う。
【００２７】
図７は異なるＮ２／Ａｒ流量比率におけるＴａＣＮバリア層の効果を示す図である。図７から分かるように、本発明によるＴａＣＮ層の場合には適宜の抵抗は５６４μΩ−ｃｍより低くなり、最大の安定温度は６００℃となる。これに対し、ＴａＣバリア層の場合では５００℃、ＴａＮの場合では５５０℃に過ぎない。
【００２８】
図２はＮ２／Ａｒ流量比率とＴａＣＮバリア層の抵抗及びその高温安定性との関係を示す図である。図２から、Ｎ２／Ａｒ流量比率が２／２４、即ち、１／１２の場合、安定温度が最大、即ち６００℃となることが分かる。
【００２９】
図３ａは従来の方法によるアニ―ル処理後のＴａＣバリア層ののＸ線回折図、図３ｂは本発明方法によるアニ―ル処理後のＴａＣＮバリア層のＸ線回折図である。
【００３０】
図３ａから、ＴａＣバリア層に対し８００℃のアニ―ルを施したら銅がシリコン層に拡散しＣｕ３Ｓｉ等複合物が生成されることが分かる。一方、図３ｂによれば、本発明の場合、ＴａＣＮ層に対するアニ―ルの温度が８００℃に達しても銅の拡散が有効に防止されることができる。アニ―ル処理の温度が更に８５０℃まで上昇する場合にも、ＴａＯ５、ＴａＣまたはＴａＮ等が生成されるが、Ｃｕ３Ｓｉ化合物は生成されない。
【００３１】
図４ａ及び図４ｂはそれぞれ従来及び本発明の方法による５５０℃アニ―ル処理後のＴａＣバリア層及びＴａＣＮバリア層の漏電流状態を示す図である。これらの図によると、従来の方法によるＴａＣバリア層において１０−６Ａ／ｃｍ２以上の漏電流が生じられるが、本発明によるＴａＣＮバリア層における漏電流が１０−８Ａ／ｃｍ２以下である。したがって、本発明は漏電流の防止効果が従来よりはるかに向上される。
【００３２】
また、図５ａ及び図５ｂはそれぞれ従来及び本発明の方法による６００℃アニ―ル処理後のＴａＣバリア層及びＴａＣＮバリア層の漏電流状態を示す図である。これらの図によると、ＴａＣバリア層において１０−４Ａ／ｃｍ２以上の漏電流が生じられるが、本発明によるＴａＣＮバリア層における漏電流が１０−７Ａ／ｃｍ２以下である。したがって、本発明は漏電流の防止効果が従来よりはるかに向上される。
【００３３】
更に、図６ａ、６ｂ及び６ｃはそれぞれ従来及び本発明の方法による６５０℃アニ―ル処理後のＴａＣ、ＴａＮ及びＴａＣＮバリア層の二次イオンスペクトル器による深度断面図である。図６ｃから分かるように、深度が０．１μｍ以上の場合、本発明によるＴａＣＮバリア層には銅が殆ど存在しない。一方、図６ａ、図６ｂに示すように、従来の方法によるＴａＣ及びＴａＮバリア層において銅がその深度が０．２μｍのところまでも大量に浸入している。したがって、本発明によるＴａＣＮバリア層の銅拡散防止効果は従来のＴａＣバリア層やＴａＮバリア層のそれよりはるかに良い。
【００３４】
本発明は前記実施例の如く提示されているが、これは本発明を限定するものではなく、当業者は本発明の要旨と範囲内において変形と修正をすることができる。よって、本発明の権利範囲は特許請求の範囲に準じるものである。
【００３５】
【発明の効果】
前記の通り、本発明は、Ｎ２比率を調節し良いＴａＣＮバリア層を生成することにより、銅拡散及び漏電流を確実に防止することができる。しかも、アニ―ル処理後でも依然として良い銅拡散防止効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】  本発明製造方法による一部の段階を示す図である。
【図１ｂ】  図１ａに示す段階に続く段階を示す図である。
【図１ｃ】  図１ｂに示す段階に続く段階を示す図である。
【図２】  Ｎ２／Ａｒ流量比率とＴａＣＮバリア層の抵抗及びその高温安定性との関係を示す図である。
【図３ａ】  従来の方法によるＴａＣバリア層のＸ線回折図である。
【図３ｂ】  本発明方法によるＴａＣＮバリア層のＸ線回折図である。
【図４ａ】  従来の方法による５５０℃アニ―ル処理後のＴａＣバリア層の漏電流状態を示す図である。
【図４ｂ】  本発明方法による５５０℃アニ―ル処理後のＴａＣＮバリア層の漏電流状態を示す図である。
【図５ａ】  従来の方法による６００℃アニ―ル処理後のＴａＣバリア層の漏電流状態を示す図である。
【図５ｂ】  本発明方法による６００℃アニ―ル処理後のＴａＣＮバリア層の漏電流状態を示す図である。
【図６ａ】  従来の方法による６５０℃アニ―ル処理後のＴａＮバリア層の二次イオンスペクトル器深度断面図である。
【図６ｂ】  従来の方法による６５０℃アニ―ル処理後のＴａＣバリア層の二次イオンスペクトル器深度断面図である。
【図６ｃ】  本発明の方法による６５０℃アニ―ル処理後のＴａＣＮバリア層の二次イオンスペクトル器深度断面図である。
【図７】  異なるＮ２／Ａｒ流量比率におけるＴａＣＮバリア層の効果を示す図である
【符号の説明】
１０  基板
１２  絶縁層
１４  コンタクトホール
１６  ＴａＣＮバリア層
１８  銅金属層
【図１ａ】
0003998937.tif 000002
【図１ｂ】
0003998937.tif 000003
【図１ｃ】
0003998937.tif 000004
【図２】
0003998937.tif 000005
【図３ａ】
0003998937.tif 000006
【図３ｂ】
0003998937.tif 000007
【図４ａ】
0003998937.tif 000008
【図４ｂ】
0003998937.tif 000009
【図５ａ】
0003998937.tif 000010
【図５ｂ】
0003998937.tif 000011
【図６ａ】
0003998937.tif 000012
【図６ｂ】
0003998937.tif 000013
【図６ｃ】
0003998937.tif 000014
【図７】
0003998937.tif 000015