JPH06310509A - 半導体集積回路の配線構造 - Google Patents
半導体集積回路の配線構造Info
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- JPH06310509A JPH06310509A JP9566693A JP9566693A JPH06310509A JP H06310509 A JPH06310509 A JP H06310509A JP 9566693 A JP9566693 A JP 9566693A JP 9566693 A JP9566693 A JP 9566693A JP H06310509 A JPH06310509 A JP H06310509A
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- Japan
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- wiring
- film
- barrier layer
- wiring structure
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Abstract
(57)【要約】
【目的】半導体集積回路の配線部分に配線材としてＣｕ
を用いる場合に、Ｃｕの拡散を防止した半導体集積回路
の配線構造を提供する。 【構成】Ｃｕ配線の下地又は周囲にバリア層としてＴ
ａ，Ｗ又はＴａ−Ｗ層を設け、その下地又は周囲にトラ
ップ層としてＢｉ，Ｇａ，Ｍｇ又はＭｎ層を設ける。
を用いる場合に、Ｃｕの拡散を防止した半導体集積回路
の配線構造を提供する。 【構成】Ｃｕ配線の下地又は周囲にバリア層としてＴ
ａ，Ｗ又はＴａ−Ｗ層を設け、その下地又は周囲にトラ
ップ層としてＢｉ，Ｇａ，Ｍｇ又はＭｎ層を設ける。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路（ＬＳ
Ｉ）の配線構造に関するものである。
Ｉ）の配線構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在、半導体集積回路の配線材料として
はＡｌあるいはＡｌとＳｉもしくはＣｕなどとの合金に
よるものが使用されている。このような配線において
は、Ａｌを主材料として用いるため、許容電流密度は
（２〜３）×１０5 Ａ／ｃｍ2 以下に制限されていた。
その理由は、これを越える電流を流した場合にはエレク
トロマイグレーションによって配線が断線してしまうた
めである。より多くの電流を流すためには、配線の材料
としてＡｌ中に０．１〜５％のＣｕを含む合金を用いる
ことがある。しかし、許容電流密度は改善されるものの
配線の比抵抗は増加し、発熱に伴う信頼性低下の問題が
生じる。
はＡｌあるいはＡｌとＳｉもしくはＣｕなどとの合金に
よるものが使用されている。このような配線において
は、Ａｌを主材料として用いるため、許容電流密度は
（２〜３）×１０5 Ａ／ｃｍ2 以下に制限されていた。
その理由は、これを越える電流を流した場合にはエレク
トロマイグレーションによって配線が断線してしまうた
めである。より多くの電流を流すためには、配線の材料
としてＡｌ中に０．１〜５％のＣｕを含む合金を用いる
ことがある。しかし、許容電流密度は改善されるものの
配線の比抵抗は増加し、発熱に伴う信頼性低下の問題が
生じる。
【０００３】一方、Ａｌ配線に代わって、エレクトロマ
イグレーション耐性の高い配線材料として実質的にＣｕ
を用いることが提案されている。ところが、Ｃｕ膜はＡ
ｌと比べてＳｉ又はＳｉＯ2 中に拡散しやすく、そのた
めトランジスタの正常な動作を妨げるという問題が生じ
る。これまで各種のバリア材料を用いたＣｕの拡散防止
層としての応用が提案（特開昭６３−１５６３４１号公
報、特開平１−２０２８４１号公報など）されてきた。
しかし、これらの技術によってＣｕの拡散を完全に抑制
することは困難である。
イグレーション耐性の高い配線材料として実質的にＣｕ
を用いることが提案されている。ところが、Ｃｕ膜はＡ
ｌと比べてＳｉ又はＳｉＯ2 中に拡散しやすく、そのた
めトランジスタの正常な動作を妨げるという問題が生じ
る。これまで各種のバリア材料を用いたＣｕの拡散防止
層としての応用が提案（特開昭６３−１５６３４１号公
報、特開平１−２０２８４１号公報など）されてきた。
しかし、これらの技術によってＣｕの拡散を完全に抑制
することは困難である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、バリア層
を通過したＣｕを効果的に捕獲し、僅かに拡散したＣｕ
を捕獲する配線構造が必要となる。すなわち、周囲のＳ
ｉＯ2 又はＳｉ中へのＣｕの拡散を完全に防止すること
ができる配線構造の開発が急務である。
を通過したＣｕを効果的に捕獲し、僅かに拡散したＣｕ
を捕獲する配線構造が必要となる。すなわち、周囲のＳ
ｉＯ2 又はＳｉ中へのＣｕの拡散を完全に防止すること
ができる配線構造の開発が急務である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点を解
決するために、Ｃｕ配線の下地又は周囲にＣｕと固溶し
ないバリア層を設け、このバリア層の下地又は周囲にＣ
ｕと完全に固溶するトラップ層を設けたことを特徴とす
るＣｕ配線構造体を提案するものである。
決するために、Ｃｕ配線の下地又は周囲にＣｕと固溶し
ないバリア層を設け、このバリア層の下地又は周囲にＣ
ｕと完全に固溶するトラップ層を設けたことを特徴とす
るＣｕ配線構造体を提案するものである。
【０００６】
【作用】Ｃｕに接触するバリア層はＣｕの拡散防止効果
に優れ、かつＣｕの抵抗を上昇させないことが必要であ
る。Ｔａ、Ｗ又はＴａ−Ｗ合金は、Ｃｕと固溶しないた
め熱処理に対しても、Ｃｕの比抵抗を上昇させることは
なく、また、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｔｉ等の他の遷移金属
に比べて自己拡散係数が小さいためにＣｕの拡散防止材
料として有効である。
に優れ、かつＣｕの抵抗を上昇させないことが必要であ
る。Ｔａ、Ｗ又はＴａ−Ｗ合金は、Ｃｕと固溶しないた
め熱処理に対しても、Ｃｕの比抵抗を上昇させることは
なく、また、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｔｉ等の他の遷移金属
に比べて自己拡散係数が小さいためにＣｕの拡散防止材
料として有効である。
【０００７】バリア層に接触するトラップ層はバリア層
を通過したＣｕを捕獲するものである。Ｂｉ，Ｇａ，Ｍ
ｇ，Ｍｎ等はＣｕと完全に固溶するのでこれらによって
トラップ層を設けると、バリア層を通過したＣｕと固溶
体を形成してトラップ層内にＣｕを捕獲する。バリア層
とトラップ層とを有する本発明の配線構造と、バリア層
とトラップ層とを合わせた膜厚と同じ膜厚を持つバリア
層のみを有する従来の配線構造とで、周囲に拡散するＣ
ｕ量を比較すると本発明による前者の構造では優れた拡
散防止効果が見られる。
を通過したＣｕを捕獲するものである。Ｂｉ，Ｇａ，Ｍ
ｇ，Ｍｎ等はＣｕと完全に固溶するのでこれらによって
トラップ層を設けると、バリア層を通過したＣｕと固溶
体を形成してトラップ層内にＣｕを捕獲する。バリア層
とトラップ層とを有する本発明の配線構造と、バリア層
とトラップ層とを合わせた膜厚と同じ膜厚を持つバリア
層のみを有する従来の配線構造とで、周囲に拡散するＣ
ｕ量を比較すると本発明による前者の構造では優れた拡
散防止効果が見られる。
【０００８】
【実施例】以下に実施例をあげて詳細な説明を行う。表
１は、各種バリア材料のＣｕに対するバリア性評価を目
的としてＣｕ／Ｍ1／Ｍ2 ／Ｓｉ（Ｍ1 ＝バリア層、Ｍ2
＝トラップ層）の積層膜を拡散熱処理した後に、ＳＩ
ＭＳによりＳｉ表面のＣｕ濃度を示したものである。こ
れらの多層膜は、Ｓｉ基板上にバリア層膜をＲＦマグネ
トロンスパッタリングによって９００Å堆積させ、さら
にＣｕをＲＦマグネトロンスパッタリングによって１０
０００Å積層したものである。熱処理は多層膜をＨ2 中
で７００℃×３ｈ実施した。
１は、各種バリア材料のＣｕに対するバリア性評価を目
的としてＣｕ／Ｍ1／Ｍ2 ／Ｓｉ（Ｍ1 ＝バリア層、Ｍ2
＝トラップ層）の積層膜を拡散熱処理した後に、ＳＩ
ＭＳによりＳｉ表面のＣｕ濃度を示したものである。こ
れらの多層膜は、Ｓｉ基板上にバリア層膜をＲＦマグネ
トロンスパッタリングによって９００Å堆積させ、さら
にＣｕをＲＦマグネトロンスパッタリングによって１０
０００Å積層したものである。熱処理は多層膜をＨ2 中
で７００℃×３ｈ実施した。
【０００９】バリア材料をこれまで提案されているＴａ
又はＺｒ単相とした場合に比べて、Ｔａ又はＷとＭｇ又
はＭｎのトラップ材との積層構造とした場合には、バリ
ア層の周囲すなわちＳｉ基板表面に存在するＣｕ濃度が
減少していることが分かる。これは、後者ではバリア層
を通過したＣｕ元素がＭｇ又はＭｎに固溶してＳｉ基板
への拡散が効果的に抑制されているものと考えられる。
この時、バリア層であるＴａ又はＷはＣｕと固溶しない
ために、試料のシート抵抗の上昇は観察されなかった。
又はＺｒ単相とした場合に比べて、Ｔａ又はＷとＭｇ又
はＭｎのトラップ材との積層構造とした場合には、バリ
ア層の周囲すなわちＳｉ基板表面に存在するＣｕ濃度が
減少していることが分かる。これは、後者ではバリア層
を通過したＣｕ元素がＭｇ又はＭｎに固溶してＳｉ基板
への拡散が効果的に抑制されているものと考えられる。
この時、バリア層であるＴａ又はＷはＣｕと固溶しない
ために、試料のシート抵抗の上昇は観察されなかった。
【００１０】図１は、本発明によるＣｕ配線構造の断面
図を示したものである。図１（ａ）のように、Ｓｉ基板
１の表面に５０００ÅのＢＳＰＧの絶縁膜２を設け、そ
の表面にＣｕ膜の下地として、ＢＰＳＧ上の全面にＭｎ
膜３を全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中でＲＦマグネト
ロンスパッタリングによって成膜速度５Å／ｓで２００
Å成長させる。さらにＷ膜４を全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒ
雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタリングによって成
膜速度１０Å／ｓで４００Å成長させる。その表面にＣ
ｕを全圧２ｍＴｏｒｒの、Ａｒ雰囲気中でＲＦマグネト
ロンスパッタリングによって成膜速度６０Å／ｓで５０
００Å成長させて、図１（ｂ）のように、これをパター
ニングしてＣｕ配線５を形成する。さらに図１（ｃ）の
ように、ＷをＣＶＤ法によってＣｕ配線５及び下地膜の
周囲のみに選択的に４００Å成長させてＷ被覆膜６を形
成する。この時のＷ成膜条件は試料温度を２００〜４０
０℃としＷＦ6 とＨ2 を混合して成膜室へ供給し、この
時のガス圧を１Ｔｏｒｒ以下とすることによって界面反
応が律速となり、Ｃｕ及び下地のバリア材料合金膜側面
のみに選択成長させることが可能となる。さらに、この
配線構造を多層化する場合には、Ｗ被覆膜６上にＳｉＯ
2 等の絶縁膜を設けて、その上にＭｎ膜３、Ｗ膜４、Ｃ
ｕ配線５、Ｗ被覆膜６からなる配線構造を同様に作製す
ればよい。
図を示したものである。図１（ａ）のように、Ｓｉ基板
１の表面に５０００ÅのＢＳＰＧの絶縁膜２を設け、そ
の表面にＣｕ膜の下地として、ＢＰＳＧ上の全面にＭｎ
膜３を全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒ雰囲気中でＲＦマグネト
ロンスパッタリングによって成膜速度５Å／ｓで２００
Å成長させる。さらにＷ膜４を全圧２ｍＴｏｒｒのＡｒ
雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタリングによって成
膜速度１０Å／ｓで４００Å成長させる。その表面にＣ
ｕを全圧２ｍＴｏｒｒの、Ａｒ雰囲気中でＲＦマグネト
ロンスパッタリングによって成膜速度６０Å／ｓで５０
００Å成長させて、図１（ｂ）のように、これをパター
ニングしてＣｕ配線５を形成する。さらに図１（ｃ）の
ように、ＷをＣＶＤ法によってＣｕ配線５及び下地膜の
周囲のみに選択的に４００Å成長させてＷ被覆膜６を形
成する。この時のＷ成膜条件は試料温度を２００〜４０
０℃としＷＦ6 とＨ2 を混合して成膜室へ供給し、この
時のガス圧を１Ｔｏｒｒ以下とすることによって界面反
応が律速となり、Ｃｕ及び下地のバリア材料合金膜側面
のみに選択成長させることが可能となる。さらに、この
配線構造を多層化する場合には、Ｗ被覆膜６上にＳｉＯ
2 等の絶縁膜を設けて、その上にＭｎ膜３、Ｗ膜４、Ｃ
ｕ配線５、Ｗ被覆膜６からなる配線構造を同様に作製す
ればよい。
【００１１】
【表１】
【００１２】
【発明の効果】このように、微細な半導体集積回路の配
線構造におけるＣｕ配線に対して、Ｔａ又はＷ等のバリ
ア層及びＭｇ又はＭｎ等のトラップ層を設けることによ
り、Ｃｕの拡散を抑制可能な半導体のＣｕ配線構造を実
現することができた。したがって、比抵抗がＡｌ合金よ
り小さく、耐エレクトロマイグレーションに優れた本Ｃ
ｕ配線の工業的意義は非常に大きい。
線構造におけるＣｕ配線に対して、Ｔａ又はＷ等のバリ
ア層及びＭｇ又はＭｎ等のトラップ層を設けることによ
り、Ｃｕの拡散を抑制可能な半導体のＣｕ配線構造を実
現することができた。したがって、比抵抗がＡｌ合金よ
り小さく、耐エレクトロマイグレーションに優れた本Ｃ
ｕ配線の工業的意義は非常に大きい。
【図１】本発明のＣｕ配線構造の断面図である。
１ Ｓｉ基板 ２ 絶縁膜 ３ Ｍｎ膜 ４ Ｗ膜 ５ Ｃｕ配線 ６ Ｗ被覆層
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体集積回路の配線部分に配線材とし
てＣｕを用い、その配線の下地又は周囲にバリア層を設
け、バリア層の下地又は周囲にトラップ層を設けたこと
を特徴とする半導体集積回路の配線構造。 - 【請求項２】 バリア層をＴａ、Ｗ又はＴａ−Ｗ合金と
し、トラップ層をＣｕと完全に固溶する金属としたこと
を特徴とする請求項１記載の半導体集積回路の配線構
造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9566693A JPH06310509A (ja) | 1993-04-22 | 1993-04-22 | 半導体集積回路の配線構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9566693A JPH06310509A (ja) | 1993-04-22 | 1993-04-22 | 半導体集積回路の配線構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06310509A true JPH06310509A (ja) | 1994-11-04 |
Family
ID=14143824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9566693A Withdrawn JPH06310509A (ja) | 1993-04-22 | 1993-04-22 | 半導体集積回路の配線構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06310509A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000011721A1 (en) * | 1998-08-20 | 2000-03-02 | The Government Of The United States Of America, Represented By The Secretary Of The Navy | Electronic devices with barrier film and process for making same |
| KR100290491B1 (ko) * | 1997-03-18 | 2001-08-07 | 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시 | Cu막형성용cvd장치 |
| US6339258B1 (en) | 1999-07-02 | 2002-01-15 | International Business Machines Corporation | Low resistivity tantalum |
| US6351036B1 (en) | 1998-08-20 | 2002-02-26 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electronic devices with a barrier film and process for making same |
| US6465887B1 (en) | 2000-05-03 | 2002-10-15 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electronic devices with diffusion barrier and process for making same |
| WO2007100125A1 (ja) * | 2006-02-28 | 2007-09-07 | Advanced Interconnect Materials, Llc | 半導体装置、その製造方法およびその製造方法に用いるスパッタリング用ターゲット材 |
| US7755192B2 (en) | 2008-03-25 | 2010-07-13 | Tohoku University | Copper interconnection structure, barrier layer including carbon and hydrogen |
| US8169079B2 (en) | 2008-12-19 | 2012-05-01 | Advanced Interconnect Materials, Llc | Copper interconnection structures and semiconductor devices |
| US8372745B2 (en) | 2006-02-28 | 2013-02-12 | Advanced Interconnect Materials, Llc | Semiconductor device, its manufacturing method, and sputtering target material for use in the method |
-
1993
- 1993-04-22 JP JP9566693A patent/JPH06310509A/ja not_active Withdrawn
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100290491B1 (ko) * | 1997-03-18 | 2001-08-07 | 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시 | Cu막형성용cvd장치 |
| WO2000011721A1 (en) * | 1998-08-20 | 2000-03-02 | The Government Of The United States Of America, Represented By The Secretary Of The Navy | Electronic devices with barrier film and process for making same |
| US6351036B1 (en) | 1998-08-20 | 2002-02-26 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electronic devices with a barrier film and process for making same |
| US6339258B1 (en) | 1999-07-02 | 2002-01-15 | International Business Machines Corporation | Low resistivity tantalum |
| US6465887B1 (en) | 2000-05-03 | 2002-10-15 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electronic devices with diffusion barrier and process for making same |
| US6881669B2 (en) | 2000-05-03 | 2005-04-19 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Process for making electronic devices having a monolayer diffusion barrier |
| WO2007100125A1 (ja) * | 2006-02-28 | 2007-09-07 | Advanced Interconnect Materials, Llc | 半導体装置、その製造方法およびその製造方法に用いるスパッタリング用ターゲット材 |
| US8188599B2 (en) | 2006-02-28 | 2012-05-29 | Advanced Interconnect Materials, Llc | Semiconductor device, its manufacturing method, and sputtering target material for use in the method |
| US8372745B2 (en) | 2006-02-28 | 2013-02-12 | Advanced Interconnect Materials, Llc | Semiconductor device, its manufacturing method, and sputtering target material for use in the method |
| US7755192B2 (en) | 2008-03-25 | 2010-07-13 | Tohoku University | Copper interconnection structure, barrier layer including carbon and hydrogen |
| US8163649B2 (en) | 2008-03-25 | 2012-04-24 | Advanced Interconnect Materials, Llc | Copper interconnection structure, semiconductor device, and method for forming copper interconnection structure |
| US8169079B2 (en) | 2008-12-19 | 2012-05-01 | Advanced Interconnect Materials, Llc | Copper interconnection structures and semiconductor devices |
| US9082821B2 (en) | 2008-12-19 | 2015-07-14 | Advanced Interconnect Materials, Llc | Method for forming copper interconnection structures |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000704 |