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SEARCH METHOD OF BARRIER MATERIAL FOR SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE, AND BARRIER MATERIAL FOR SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE SEARCHED BY THE SEARCH METHOD meetings

Patent code P130008654
File No. IB-113
Posted date Mar 11, 2013
Application number P2011-030514
Publication number P2012-169516A
Patent number P5754702
Date of filing Feb 16, 2011
Date of publication of application Sep 6, 2012
Date of registration Jun 5, 2015
Inventor
  • (In Japanese)篠嶋 妥
  • (In Japanese)大貫 仁
  • (In Japanese)永野 隆敏
  • (In Japanese)玉橋 邦裕
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人茨城大学
Title SEARCH METHOD OF BARRIER MATERIAL FOR SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE, AND BARRIER MATERIAL FOR SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT DEVICE SEARCHED BY THE SEARCH METHOD meetings
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a search method of a novel barrier material for a semiconductor integrated circuit device composed of a metal of relatively low cost or an intermetallic compound containing the metal, and having the excellent effect of suppressing copper diffusion similarly to a conventional ruthenium barrier material, with no problem in terms of supply performance.
SOLUTION: As a barrier material composing a barrier film of a semiconductor integrated circuit device having a copper wiring layer on a composite film consisting of the barrier film or the barrier film and a seed film, a metal or an intermetallic compound that has the closest interatomic distance (DM) of a unit crystal lattice in a region near the closest interatomic distance (DRu) of a unit crystal lattice of ruthenium, more specifically, satisfying a relation of -0.200Å<(DM-DRu)<0.12Å in Angstrom (Å) unit, and has a melting point or a transformation point of 650 Kelvin (K) or higher is selected.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

半導体集積回路装置(LSI)はムーアの法則で言われている3年で集積度が4倍になるというハイスピードで高集積度化が進められており、国際半導体技術ロードマップ(International Technology Roadmap for Semiconductor)で、2009年版(ITRS 2009 Edition)のMPU(Micro Processing Unit)の配線を例に挙げると、集積度を向上するために配線幅の目標値が2010年は45nm、2013年は32nm、2015年は25nm、2017年は20nmとなっており、高速動作を確保するために抵抗率の目標値は夫々4.08μΩcm、4.83μΩcm、5.44μΩcm、5.99μΩcm、となっている。

このようなLSIの高集積化、高密度化及び高速化の要求に伴い、配線の微細化及び多層化が進展しており、LSIの配線についても従来から使用されているアルミニウム(Al)及びその合金の代わりに、銅(Cu)配線の実用化が検討されるようになった。Cu配線は、(1)低抵抗、(2)高エレクトロマイグレーション性、(3)高融点等の特徴を有するため、Al配線に比べて微細化する上で優位である。また、Cu配線の実用化で必要となる技術、例えば、メッキ法等による配線形成方法及び機械的研磨法CMP等による多層配線層の平坦化技術も同時に開発されており、今後、多層Cu配線構造を有する半導体装置はLSIの分野において益々重要な地位を占めるようになる。

半導体集積回路装置のCu多層配線では、配線の一層の微細化に伴い、信号遅延を抑制するために、層間絶縁膜に誘電率の低い低誘電率材料(いわゆるlow-K材料)やSi-Oの構造を含有する材料が使用されるようになっている。しかし、配線材料であるCuは、これらの材料による絶縁膜中を拡散しやすくなるだけでなく、これらの絶縁膜との密着性が弱いという問題がある。そのため、Cu配線の下地として、一般的にはTa、Ti、TaN、TiN等のバリアメタル膜を形成することによって、Cuの拡散を防止し、Cu配線との絶縁膜との密着性を向上させている。これらの金属及び金属合金は、そのような問題を解決できる点で有効であるが、Cuよりも抵抗が高いことから、LSIの一層の高速動作化を図るためにはバリア膜についても低抵抗化が強く求められている。また、従来のバリア膜は低抗が高いことから、Cu配線をめっき法等によって形成する際には、バリア膜上に新たに低低抗のCuやCu-Al合金等のシード膜を設けて、バリア膜とシード膜からなる複合膜を形成する必要があり、半導体集積回路装置の製造工程が煩雑なものとなっている。

このような問題を解決するために、低抵抗の金属を用いてバリアメタル膜を形成することが検討されており、例えば、特許文献1~5にはルテニウムバリア膜が提案されている。ルテニウムは、比抵抗値が非晶質及び多結晶において、それぞれ9×10-6Ω・cm及び7×10-6Ω・cmであり、従来のTa、Ti の15×10-6Ω・cm、80×10-6Ω・cmより低く、Cu配線層のバリア膜として適用しても、Cu拡散に対して、ある程度の抑制効果を得ることができるためである。加えて、ルテニウムバリア膜は低抵抗であるため、シード層を設けなくても、ダイレクトめっき法等によってバリア層上に直接、銅配線を形成できる。また、前記の特許文献1~5には、ルテニウムバリア膜の成膜方法について、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法、原子層堆積(ALD)法又はめっき法等が開示されている。

しかしながら、バリア材として前記の特許文献1~5に記載のルテニウムは、希少金属であるため、現状でもコストが高く、将来的には使用できなくなる可能性があるという問題がある。

一方、特許文献6には、配線層を構成する銅の拡散を抑制するために、ルテニウム及び銅の単位結晶格子の短辺と長辺の長さに注目して、それらの差及び比を規定することが提案されている。また、単位結晶格子の短辺と長辺について、ルテニウムと同じような結晶格子を有するロジウム、イリジウム、オスミウム又は白金をバリア材として使用できることが記載されている。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、銅配線層を有する半導体集積回路装置において、従来のルテニウムバリア材の代替として、優れた銅拡散の抑制効果を有する新規な半導体集積回路装置用バリア材の探索方法及び当該探索方法によって探索される半導体集積回路装置用バリア材に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
バリア膜若しくはバリア膜とシード膜からなる複合膜の上に銅配線層を有する半導体集積回路装置の前記バリア膜を構成するバリア材として、面心立方格子又は六方最密格子の結晶構造を有し、単位結晶格子の稠密面における最近接原子間距離(DM)がルテニウムの単位結晶格子の稠密面における最近接原子間距離(DRuに対して、-0.125オングストローム(Å)≦(DM―DRu)≦0.0641オングストローム(Å)、かつ融点若しくは変態点が853~1873ケルビン(K)であるルテニウム以外の金属又は金属間化合物を選択することを特徴とする半導体集積回路用バリア材の探索方法。

【請求項2】
 
前記バリア膜を構成するバリア材の単位結晶格子の稠密面における最近接原子間距離(DM)が、さらに、銅の単位結晶格子の稠密面における最近接原子間距離(DCu)に対して、絶対値として|[(DM―DCu)/DCu]│×100>3.0の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路用バリア材の探索方法。

【請求項3】
 
バリア膜を構成するバリア材の融点若しくは変態点が1000~1873ケルビン(K)であることを特徴とする請求項2に記載の半導体集積回路用バリア材の探索方法。

【請求項4】
 
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法によって探索される金属又は金属間化合物からなる半導体集積回路装置用バリア材。

【請求項5】
 
前記の金属又は金属間化合物は、IrMo、FePt、Mn3Pt、Pt3Mn、CoPt、Pd3Fe、NiPt、FePd、及びNi3Ptの群から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項4に記載の半導体集積回路装置用バリア材。

【請求項6】
 
前記の金属又は金属間化合物は、IrMo、FePt、Mn3Pt、Pt3Mn、CoPt、Pd3Fe、NiPt、及びFePdの群から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項4に記載の半導体集積回路装置用バリア材。

【請求項7】
 
前記の金属又は金属間化合物は、IrMo、FePt、Mn3Pt、Pt3Mn、CoPt、及びPd3Feの群から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項4に記載の半導体集積回路装置用バリア材。

【請求項8】
 
前記の金属又は金属間化合物はIrMoであることを特徴とする請求項4に記載の半導体集積回路装置用バリア材。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2011030514thum.jpg
State of application right Registered
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