JP2003109960A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特に半導体基板上に銅(Cu)による配線及び溝配線が
形成された半導体装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device,
In particular, the present invention relates to a semiconductor device in which copper (Cu) wiring and groove wiring are formed on a semiconductor substrate.
【0002】[0002]
【従来の技術】LSI(large scale in
tegration;大規模集積回路)の微細化、高速
化のためにLSI配線材料として、Cuが注目されてい
る。しかし、CuをLSI配線に用いる場合、ドライエ
ッチングによる配線形成が困難であるため、あらかじめ
配線溝を形成し、そこにCuを埋め込み、それを研磨
し、配線溝部のCuを残すいわゆるダマシン配線が現在
主流になっている。しかしながら、LSIの微細化に伴
い、配線溝はどんどん狭くなり、スパッタでは配線溝に
Cuを埋め込むことが困難となってきた。2. Description of the Related Art LSI (large scale in)
Cu has attracted attention as an LSI wiring material for miniaturization and speedup of integration (large-scale integrated circuit). However, when Cu is used for an LSI wiring, it is difficult to form a wiring by dry etching. Therefore, a so-called damascene wiring is currently formed in which a wiring groove is formed in advance, Cu is embedded in the wiring groove, and Cu is left in the wiring groove portion. It is becoming mainstream. However, with the miniaturization of LSI, the wiring groove becomes narrower and narrower, and it becomes difficult to embed Cu in the wiring groove by sputtering.
【0003】そこで、現在は電解メッキ法が用いられて
いる。この電解メッキ法の一例が特開昭63−1642
41号公報に記載されている。これは、コンタクトホー
ルにCuを埋め込むのに電解メッキを使用したものであ
る。なお、この種の装置の他の例が特開平3−6819
0号公報及び特開平3−263896号公報に記載され
ている。Therefore, the electrolytic plating method is currently used. One example of this electrolytic plating method is Japanese Patent Laid-Open No. 63-1642.
No. 41 publication. This uses electrolytic plating to fill the contact holes with Cu. Note that another example of this type of device is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-6819.
No. 0 and JP-A-3-263896.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電解メ
ッキ法で成膜したCu膜はグレインが小さく、又それを
用いて形成したCu溝配線はエレクトロマイグレーショ
ン耐性が弱いという問題がある。ここに、エレクトロマ
イグレーションとは通電中に原子が移動して部分的に配
線が厚く又は薄くなる現象をいう。エレクトロマイグレ
ーション耐性を向上させるためにはグレインサイズを大
きくし、配線中に粒界を残さないようにすることが必要
である。However, there is a problem that the Cu film formed by the electrolytic plating method has a small grain and the Cu groove wiring formed by using the Cu film has a weak electromigration resistance. Here, electromigration refers to a phenomenon in which atoms move during energization to partially thicken or thin the wiring. In order to improve the electromigration resistance, it is necessary to increase the grain size so that no grain boundary remains in the wiring.
【0005】一方、RF−DC結合バイアススパッタ法
を用いて、基板にある値以上のDCバイアスを印加し、
スパッタ成長表面をアルゴンイオンで叩きながら成膜す
る。その時、最稠密面である(111)方向の膜が成膜
され、Cu原子間距離が縮み、膜内部にストレスエネル
ギが蓄積される。その後、熱処理を行うとそのストレス
エネルギが放出され、Cu膜の結晶配向性がCu(11
1)から熱的に安定なCu(200)に変化し、同時に
数100μm以上の巨大なグレイン成長が膜中で起こる
という報告が、J.Electrochem.So
c.,Vol.139.March 1992 pp.
922−927 ”ElectricalProper
ties of Giant−Grain Coppe
r Thin Films Formed by a
Low Kinetic Energy Partic
le Process.”(以下、文献1という)にな
されている。On the other hand, by using the RF-DC coupled bias sputtering method, a DC bias of a certain value or more is applied to the substrate,
A film is formed by hitting the sputter growth surface with argon ions. At that time, a film in the (111) direction, which is the densest surface, is formed, the distance between Cu atoms is reduced, and stress energy is accumulated inside the film. Then, when heat treatment is performed, the stress energy is released, and the crystal orientation of the Cu film becomes Cu (11
There is a report that the thermal stability of Cu (200) is changed from 1) and a huge grain growth of several 100 μm or more occurs at the same time in the film. Electrochem. So
c. , Vol. 139. March 1992 pp.
922-927 "ElectricalProper"
ties of Giant-Grain Cope
r Thin Films Formed by a
Low Kinetic Energy Participation
le Process. (Hereinafter referred to as Document 1).
【0006】又、通常スパッタによりCuを成膜した後
に、基板にある値以上のDCバイアスを印加しながらC
uを2段階成膜する。その後、熱処理を行うことによ
り、DCバイアスを印加しながら成膜された層から、通
常スパッタで成膜された層にストレスエネルギが転移
し、膜全体で先の文献1と同様の結晶配向性変化及びグ
レイン成長が起こるという報告が、Journal o
f MaterialsChemistry and
Physics 99(1995) pp.1−10
”Formation of giant−grai
n copperinterconnects by
a low−energy ion bombardm
ent process for high−spee
d ULSIs.”(以下、文献2という)になされて
いる。After forming a Cu film by ordinary sputtering, C is applied while applying a DC bias of a certain value or more to the substrate.
u is formed in two steps. After that, by performing heat treatment, stress energy is transferred from the layer formed while applying a DC bias to the layer formed by normal sputtering, and the crystal orientation change in the entire film is similar to that in the above-mentioned reference 1. And the report that grain growth occurs, Journal o
f Materials Chemistry and
Physics 99 (1995) pp. 1-10
"Formation of giant-grai
n computerinterconnects by
a low-energy ion bombardm
ent process for high-speed
d ULSIs. (Hereinafter referred to as Document 2).
【0007】このように、イオン照射をしながらスパッ
タ成膜すると、数100μmの巨大なグレインを有する
Cu膜の形成が可能である。しかし、どのスパッタ法を
用いても、配線溝埋め込みに関しては、メッキ法と比較
すると不利である。即ち、どのスパッタ法を用いても、
配線溝にCuを埋め込むことは困難である。As described above, when the film is formed by sputtering while irradiating with ions, it is possible to form a Cu film having a huge grain of several 100 μm. However, no matter which sputtering method is used, there is a disadvantage in filling the wiring groove as compared with the plating method. That is, no matter which sputtering method is used,
It is difficult to embed Cu in the wiring groove.
【0008】そこて本発明の目的は、配線溝にCuを埋
め込むことができ、かつグレインが大きな半導体装置を
提供することにある。An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which Cu can be embedded in the wiring groove and the grain is large.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明による半導体装置は、半導体基板上に形成され
配線溝を有する絶縁膜と、前記配線溝の底面及び側面に
形成されるバリア層と、前記配線溝に埋設され電気メッ
キ法で成膜された銅膜よりも大きなグレインを有する銅
配線層とを含むことを特徴とする。In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention comprises an insulating film having a wiring groove formed on a semiconductor substrate, and a barrier layer formed on the bottom and side surfaces of the wiring groove. And a copper wiring layer embedded in the wiring groove and having a larger grain than a copper film formed by an electroplating method.
【0010】本発明によれば、熱処理により第2の銅配
線層で結晶配向性変化及び巨大グレイン成長が起こり、
同時に第1の銅配線層でも巨大グレイン成長が起こる。
これにより、配線中に粒界がない単結晶導電膜配線が形
成されるため、配線の低抵抗化及びエレクトロマイグレ
ーション耐性の向上を図ることができる。According to the present invention, the heat treatment causes a change in crystal orientation and a huge grain growth in the second copper wiring layer,
At the same time, huge grain growth also occurs in the first copper wiring layer.
As a result, a single crystal conductive film wiring having no grain boundary in the wiring is formed, so that the resistance of the wiring can be reduced and the electromigration resistance can be improved.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照しながら説明する。図1乃至図5は第
1の実施の形態の製造工程を示す断面図、図10乃至図
14は第2の実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 to 5 are sectional views showing the manufacturing process of the first embodiment, and FIGS. 10 to 14 are sectional views showing the manufacturing process of the second embodiment.
【0012】まず、第1の実施の形態について説明す
る。第1の実施の形態は配線溝にCuを埋め込む場合を
示している。図1を参照すると、同図はシリコン基板1
上に半導体素子形成面2が形成され、半導体素子形成面
2上に絶縁膜3が形成され、絶縁膜3上にストッパ膜4
が形成され、ストッパ膜4上に層間絶縁膜5が形成さ
れ、層間絶縁膜5に配線溝6が形成されるところまでを
示している。First, the first embodiment will be described. The first embodiment shows a case where Cu is embedded in the wiring groove. Referring to FIG. 1, the figure shows a silicon substrate 1.
A semiconductor element forming surface 2 is formed on the semiconductor element forming surface 2, an insulating film 3 is formed on the semiconductor element forming surface 2, and a stopper film 4 is formed on the insulating film 3.
Is formed, the interlayer insulating film 5 is formed on the stopper film 4, and the wiring groove 6 is formed in the interlayer insulating film 5.
【0013】次に、図2を参照して、層間絶縁膜5の上
面と配線溝6の底面及び側面にTa,TaN(Ta;タ
ンタル、N;窒素)に代表されるバリア層7が形成さ
れ、バリア層7上にCuシード層8が形成され、Cuシ
ード層8上に(111)配向を有する電解メッキCu膜
9が形成される。このCuシード層8と電解メッキCu
膜9との合計膜厚をt1とする。なお、図2乃至図5で
は便宜上シリコン基板1と半導体素子形成面2の記載を
省略する。Next, referring to FIG. 2, a barrier layer 7 represented by Ta, TaN (Ta; tantalum, N; nitrogen) is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 5 and the bottom and side surfaces of the wiring groove 6. A Cu seed layer 8 is formed on the barrier layer 7, and an electrolytically plated Cu film 9 having a (111) orientation is formed on the Cu seed layer 8. This Cu seed layer 8 and electrolytic plating Cu
The total film thickness with the film 9 is t1. 2 to 5, the silicon substrate 1 and the semiconductor element formation surface 2 are omitted for convenience.
【0014】次に、図3を参照して、シリコン基板1に
RF(高周波)バイアス又はDC(直流)バイアスを印
加し、スパッタ成長表面をアルゴンイオンで照射しなが
ら膜厚t2のCu(バイアススパッタCu層)10を成
膜する。この膜厚t2がt1よりも大きくなるように
(t2>t1となるように)するのである。Next, referring to FIG. 3, an RF (high frequency) bias or a DC (direct current) bias is applied to the silicon substrate 1 to irradiate the sputter growth surface with argon ions while Cu (bias sputter) having a film thickness t2. A Cu layer) 10 is formed. The film thickness t2 is set to be larger than t1 (t2> t1).
【0015】次に、図4を参照して、結晶制御のため
に、アルゴン(Ar)又は窒素雰囲気中で熱処理を行
う。このとき、結晶配向性がCu(200)に変わり、
同時に数100μmの巨大なグレインを有するCu膜1
1が形成される。次に、図5を参照して、機械的化学研
磨(CMP)により配線部以外のCuを除去することに
よりCu溝配線12が形成される。Next, referring to FIG. 4, heat treatment is performed in an argon (Ar) or nitrogen atmosphere for crystal control. At this time, the crystal orientation changes to Cu (200),
Cu film 1 having a huge grain of several 100 μm at the same time
1 is formed. Next, with reference to FIG. 5, Cu groove wiring 12 is formed by removing Cu other than the wiring portion by mechanical chemical polishing (CMP).
【0016】この第1の実施の形態において新規な部分
は、電解メッキでCu9を成膜(図2参照)した後、結
晶制御の熱処理を行う(図4参照)前に、シリコン基板
1にRF又はDCバイアスを印加し、スパッタ成長表面
をアルゴンイオンで照射しながらメッキ膜厚以上の膜厚
を有するCu10を成膜することである(図3参照)。The novel part of the first embodiment is that RF is applied to the silicon substrate 1 after the Cu9 film is formed by electrolytic plating (see FIG. 2) and before the crystal control heat treatment is performed (see FIG. 4). Alternatively, a DC bias is applied to form a Cu10 film having a film thickness equal to or larger than the plating film thickness while irradiating the sputter growth surface with argon ions (see FIG. 3).
【0017】次に、第2の実施の形態について説明す
る。第2の実施の形態はビアホールにCuを埋め込む場
合を示している。スルーホールが多層基板全体を貫通す
る穴であるのに対し、ビアホールは多層基板中の特定の
層間に形成された穴である。なお、図10乃至図14に
おいて図1乃至図5と同様の構成部分については同一番
号を付し、その説明を省略する。又、図11乃至図14
において便宜上シリコン基板1と半導体素子形成面2の
記載を省略する。Next, a second embodiment will be described. The second embodiment shows a case where Cu is embedded in the via hole. The through hole is a hole that penetrates the entire multilayer substrate, while the via hole is a hole formed between specific layers in the multilayer substrate. 10 to 14, the same components as those in FIGS. 1 to 5 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. 11 to FIG.
In FIG. 1, the description of the silicon substrate 1 and the semiconductor element formation surface 2 is omitted for convenience.
【0018】図10を参照すると、同図はシリコン基板
1上に半導体素子形成面2が形成され、半導体素子形成
面2上に絶縁膜3が形成され、絶縁膜3上に層間絶縁膜
5が形成され、層間絶縁膜5にビアホール21が形成さ
れ、かつビアホール21の底面には第1金属配線22が
形成されるところまでを示している。次に、図11を参
照して、層間絶縁膜5の上面と配線溝6の底面及び側面
にTa,TaNに代表されるバリア層7が形成され、バ
リア層7上にCuシード層8が形成され、Cuシード層
8上に(111)配向を有する電解メッキCu膜9が形
成される。このCuシード層8と電解メッキCu膜9と
の合計膜厚をt5とする。Referring to FIG. 10, a semiconductor element forming surface 2 is formed on a silicon substrate 1, an insulating film 3 is formed on the semiconductor element forming surface 2, and an interlayer insulating film 5 is formed on the insulating film 3. It shows up to where the via hole 21 is formed in the interlayer insulating film 5 and the first metal wiring 22 is formed on the bottom surface of the via hole 21. Next, referring to FIG. 11, a barrier layer 7 represented by Ta and TaN is formed on the upper surface of the interlayer insulating film 5 and the bottom and side surfaces of the wiring groove 6, and a Cu seed layer 8 is formed on the barrier layer 7. Thus, the electrolytically plated Cu film 9 having the (111) orientation is formed on the Cu seed layer 8. The total film thickness of the Cu seed layer 8 and the electrolytically plated Cu film 9 is t5.
【0019】次に、図12を参照して、シリコン基板1
にRF(高周波)バイアス又はDC(直流)バイアスを
印加し、スパッタ成長表面をアルゴンイオンで照射しな
がら膜厚t6のCu(バイアススパッタCu層)10を
成膜する。この膜厚t6がt5よりも大きくなるように
(t6>t5となるように)する。次に、図13を参照
して、結晶制御のために、アルゴン(Ar)又は窒素雰
囲気中で熱処理を行う。このとき、結晶配向性がCu
(200)に変わり、同時に数100μmの巨大なグレ
インを有するCu膜11が形成される。次に、図14を
参照して、Cu膜11をドライエッチングで加工してC
u配線23が形成される。Next, referring to FIG. 12, the silicon substrate 1
An RF (high frequency) bias or a DC (direct current) bias is applied to, and a Cu (bias sputtered Cu layer) 10 having a film thickness t6 is formed while irradiating the sputter growth surface with argon ions. The film thickness t6 is set to be larger than t5 (t6> t5). Next, referring to FIG. 13, heat treatment is performed in an argon (Ar) or nitrogen atmosphere for crystal control. At this time, the crystal orientation is Cu
Instead of (200), the Cu film 11 having a huge grain of several 100 μm is simultaneously formed. Next, referring to FIG. 14, the Cu film 11 is processed by dry etching to form C
The u wiring 23 is formed.
【0020】この第2の実施の形態において新規な部分
は、第1の実施の形態と同様に電解メッキでCu9を成
膜(図11参照)した後、結晶制御の熱処理を行う(図
13参照)前に、シリコン基板1にRF又はDCバイア
スを印加し、スパッタ成長表面をアルゴンイオンで照射
しながらメッキ膜厚以上の膜厚を有するCu10を成膜
することである(図12参照)。The new portion of the second embodiment is similar to that of the first embodiment in that Cu9 is formed by electrolytic plating (see FIG. 11) and then heat treatment for crystal control is performed (see FIG. 13). ), RF or DC bias is applied to the silicon substrate 1 to form Cu10 having a film thickness equal to or larger than the plating film thickness while irradiating the sputter growth surface with argon ions (see FIG. 12).
【0021】[0021]
【実施例】次に、実施例について説明する。まず、第1
実施例から説明する。第1実施例は第1の実施の形態に
対する第1の実施例である。説明には第1の実施の形態
の説明に用いた図1乃至図5を参照する。さらに、図1
5及び図16を参照する。図15及び図16は第1実施
例の製造工程を示すフローチャートである。EXAMPLES Next, examples will be described. First, the first
An example will be described. The first example is a first example corresponding to the first exemplary embodiment. For the description, FIGS. 1 to 5 used in the description of the first embodiment will be referred to. Furthermore, FIG.
5 and FIG. 15 and 16 are flowcharts showing the manufacturing process of the first embodiment.
【0022】まず、図1に示すように、シリコン基板1
上に半導体素子形成面2が形成され(S1)、半導体素
子形成面2上に絶縁膜3が形成され、絶縁膜3上にスト
ッパ膜4が形成され、ストッパ膜4上に層間絶縁膜5が
形成され(S2)、層間絶縁膜5に配線溝6が形成され
る(S3)。First, as shown in FIG. 1, a silicon substrate 1
The semiconductor element forming surface 2 is formed on the upper surface (S1), the insulating film 3 is formed on the semiconductor element forming surface 2, the stopper film 4 is formed on the insulating film 3, and the interlayer insulating film 5 is formed on the stopper film 4. The wiring groove 6 is formed in the interlayer insulating film 5 (S2) (S3).
【0023】次に、図2に示すように、バリアメタルと
してTaN(一例として膜厚15nm)7がスパッタリ
ング法により層間絶縁膜5の上面と配線溝6の底面及び
側面に成膜された(S4)後、メッキ前のシード層とし
て、一例として100nm厚のCu膜8が連続でスパッ
タ成膜される(S5)。次に、電解メッキにより、一例
として500nm厚のCu膜9が成膜される(S6)。
このとき、シード層8とメッキ層9のCu膜の結晶配向
性はCu(111)であった。次に、図3に示すよう
に、クリーニングチャンバにて室温のAr/H2プラズ
マにより、メッキCu9表面の酸化銅がスパッタ及び還
元される(S7)。Next, as shown in FIG. 2, TaN (thickness: 15 nm as an example) 7 as a barrier metal was deposited on the upper surface of the interlayer insulating film 5 and the bottom and side surfaces of the wiring groove 6 by the sputtering method (S4). After that, as a seed layer before plating, for example, a Cu film 8 having a thickness of 100 nm is continuously formed by sputtering (S5). Next, a Cu film 9 having a thickness of 500 nm is formed by electrolytic plating (S6).
At this time, the crystal orientation of the Cu film of the seed layer 8 and the plating layer 9 was Cu (111). Next, as shown in FIG. 3, copper oxide on the surface of the plated Cu 9 is sputtered and reduced by Ar / H 2 plasma at room temperature in the cleaning chamber (S7).
【0024】次に、大気中に曝さずに、Cuスパッタチ
ャンバにて、シリコン基板1にRF又はDCバイアスが
印加され、アルゴンイオンを成長表面に照射しながらス
パッタ成膜する(S8)。その結果、メッキCu9上に
バイアススパッタCu層10が形成される。このときの
アルゴンのイオンエネルギ(プラズマポテンシャル、即
ち自己バイアス)は80eVであった。又、成膜膜厚
(t2)は電解メッキCu9とCuシード層8の合計膜
厚(t1)よりも厚い700nm成膜した。即ち、t2
>t1となるようにした。又、シリコン基板1は成膜中
のプラズマ照射による温度上昇を防ぐために、−5℃に
設定した。Next, an RF or DC bias is applied to the silicon substrate 1 in the Cu sputtering chamber without exposing it to the atmosphere, and the growth surface is irradiated with argon ions to form a film by sputtering (S8). As a result, the bias sputtered Cu layer 10 is formed on the plated Cu 9. At this time, the ion energy (plasma potential, that is, self-bias) of argon was 80 eV. The film thickness (t2) was 700 nm thicker than the total film thickness (t1) of the electrolytically plated Cu 9 and the Cu seed layer 8. That is, t2
> T1. The silicon substrate 1 was set at -5 ° C in order to prevent a temperature rise due to plasma irradiation during film formation.
【0025】次に、図4に示すように、アルゴン雰囲気
中で温度400℃で30分間熱処理を行った。このと
き、結晶配向性がCu(111)からCu(200)に
変化し、同時に数100μmの巨大なグレインを有する
Cu膜11の形成に成功した(S9)。次に、図5に示
すように、機械的化学研磨(CMP)により配線部以外
のCuを除去し、Cuの溝配線12を形成した(S1
0)。このようにして作製された溝配線のエレクトロマ
イグレーション耐圧は通常のメッキCuを熱処理した場
合に比べて、1桁寿命が長かった。Next, as shown in FIG. 4, heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for 30 minutes in an argon atmosphere. At this time, the crystal orientation changed from Cu (111) to Cu (200), and at the same time, the Cu film 11 having a huge grain of several 100 μm was successfully formed (S9). Next, as shown in FIG. 5, Cu other than the wiring portion was removed by mechanical chemical polishing (CMP) to form Cu groove wiring 12 (S1).
0). The electromigration withstand voltage of the groove wiring thus manufactured was one digit longer than that in the case of heat-treating ordinary Cu plating.
【0026】次に、第2実施例について説明する。第2
実施例は第1の実施の形態に対する第2の実施例であ
る。説明には図6乃至図9及び図15、図16、図17
を参照する。図6乃至図9は第2実施例の製造工程を示
す断面図、図15乃至図17は第2実施例の製造工程を
示すフローチャートである。なお、図6乃至図9におい
て図1乃至図5と同様の構成部分については同一番号を
付し、その説明を省略する。又、図6乃至図9において
便宜上シリコン基板1と半導体素子形成面2の記載を省
略する。Next, the second embodiment will be described. Second
The example is a second example with respect to the first embodiment. For the explanation, FIGS. 6 to 9 and FIGS.
Refer to. 6 to 9 are sectional views showing the manufacturing process of the second embodiment, and FIGS. 15 to 17 are flowcharts showing the manufacturing process of the second embodiment. 6 to 9, the same components as those in FIGS. 1 to 5 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. Further, in FIG. 6 to FIG. 9, for convenience, the description of the silicon substrate 1 and the semiconductor element formation surface 2 is omitted.
【0027】第1実施例では電解メッキCu9を用いて
配線溝を埋め込んだ場合について説明したが、この実施
例で説明するように、電解メッキCu9の代わりにプラ
ズマCVDを用いてCuを成膜してもよい。この場合、
スパッタリングによるシード層8の形成は必要なくな
る。In the first embodiment, the case where the wiring groove is filled by using the electrolytic plating Cu9 has been described, but as described in this embodiment, instead of the electrolytic plating Cu9, the plasma CVD is used to form the Cu film. May be. in this case,
The seed layer 8 need not be formed by sputtering.
【0028】シリコン基板1上に半導体素子形成面2が
形成される(S1)ところからTaNが成膜される(S
4)ところまでは第1実施例と同様なので説明を省略す
る。図6を参照して、バリアメタルとしてTaN7が成
膜された(S4)後、プラズマCVDを用いて、一例と
して500nmのCu膜31がTaN7上に成膜され配
線溝6に埋め込まれる(S11)。このときのCu膜3
1の結晶配向性はCu(111)であった。From the place where the semiconductor element forming surface 2 is formed on the silicon substrate 1 (S1), a TaN film is formed (S1).
4) Up to this point, the description is omitted because it is similar to the first embodiment. With reference to FIG. 6, after TaN7 is deposited as a barrier metal (S4), a 500 nm Cu film 31 is deposited on TaN7 by plasma CVD and embedded in the wiring trench 6 (S11). . Cu film 3 at this time
The crystal orientation of No. 1 was Cu (111).
【0029】そして、第1実施例と同様に図7に示すよ
うにクリーニングチャンバにて室温のAr/H2プラズ
マにより、Cu膜(プラズマCVDCu)31表面の酸
化銅がスパッタ及び還元される(S12)。その後、大
気中に曝さずに、Cuスパッタチャンバにて、シリコン
基板1にRF又はDCバイアスが印加され、アルゴンイ
オンを成長表面に照射しながらスパッタ成膜する(S
8)。その結果、プラズマCVDCu31上にバイアス
スパッタCu層10が形成される。このときのアルゴン
のイオンエネルギ(プラズマポテンシャル、即ち自己バ
イアス)は80eVであった。又、成膜膜厚(t4)は
プラズマCVDCu31の膜厚(t3)よりも厚い70
0nm成膜した。即ち、t4>t3となるようにした。
又、シリコン基板1は成膜中のプラズマ照射による温度
上昇を防ぐために、−5℃に設定した。As in the first embodiment, the copper oxide on the surface of the Cu film (plasma CVDCu) 31 is sputtered and reduced by Ar / H2 plasma at room temperature in the cleaning chamber as shown in FIG. 7 (S12). . Then, without exposing to the atmosphere, RF or DC bias is applied to the silicon substrate 1 in the Cu sputtering chamber, and the growth surface is irradiated with argon ions to form a film by sputtering (S).
8). As a result, the bias sputtered Cu layer 10 is formed on the plasma CVD Cu 31. At this time, the ion energy (plasma potential, that is, self-bias) of argon was 80 eV. Further, the film thickness (t4) is larger than the film thickness (t3) of the plasma CVD Cu31 70.
A 0 nm film was formed. That is, t4> t3.
The silicon substrate 1 was set at -5 ° C in order to prevent a temperature rise due to plasma irradiation during film formation.
【0030】次に、図8に示すように、アルゴン雰囲気
中で温度400℃で30分間熱処理を行った。このと
き、結晶配向性がCu(111)からCu(200)に
変化し、同時に数100μmの巨大なグレインを有する
Cu膜32の形成に成功した(S9)。次に、図9に示
すように、機械的化学研磨(CMP)により配線部以外
のCuを除去し、Cuの溝配線33を形成した(S1
0)。このようにして作製された溝配線のエレクトロマ
イグレーション耐圧は通常のメッキCuを熱処理した場
合に比べて、1桁寿命が長かった。Next, as shown in FIG. 8, heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for 30 minutes in an argon atmosphere. At this time, the crystal orientation changed from Cu (111) to Cu (200), and at the same time, the Cu film 32 having a huge grain of several 100 μm was successfully formed (S9). Next, as shown in FIG. 9, Cu other than the wiring portion was removed by mechanical chemical polishing (CMP) to form a Cu groove wiring 33 (S1).
0). The electromigration withstand voltage of the groove wiring thus manufactured was one digit longer than that in the case of heat-treating ordinary Cu plating.
【0031】次に、第3実施例について説明する。第3
実施例は第2の実施の形態に対する実施例である。説明
には図10乃至図14及び図15、図16、図18、図
19を参照する。図10乃至図14は第3実施例の製造
工程を示す断面図、図15、図16、図18、図19は
第3実施例の製造工程を示すフローチャートである。Next, a third embodiment will be described. Third
The example is an example corresponding to the second embodiment. For the description, refer to FIG. 10 to FIG. 14, FIG. 15, FIG. 16, FIG. 18, and FIG. 10 to 14 are sectional views showing the manufacturing process of the third embodiment, and FIGS. 15, 16, 18, and 19 are flowcharts showing the manufacturing process of the third embodiment.
【0032】第1及び第2実施例では溝配線Cu12,
33を用いた場合を示したが、通常のドライエッチング
により形成した配線を用いた場合にも本発明の適用が可
能である。図10に示すように、まず、シリコン基板1
表面に半導体素子形成面2が形成され(S1)、半導体
素子形成面2上に絶縁膜3が形成され、絶縁膜3上に層
間絶縁膜5が形成され(S2)、層間絶縁膜5にビアホ
ール21が形成される(S21)。次に、ビアホール2
1の底面に第1金属配線22が形成される(S22)。
そして、第1及び第2実施例と同様にバリアメタル膜
(TaN)7、Cuシード膜8及びCuメッキ膜9が順
次成膜される。In the first and second embodiments, the groove wiring Cu12,
Although the case of using 33 is shown, the present invention can be applied to the case of using wiring formed by normal dry etching. As shown in FIG. 10, first, the silicon substrate 1
A semiconductor element forming surface 2 is formed on the surface (S1), an insulating film 3 is formed on the semiconductor element forming surface 2, an interlayer insulating film 5 is formed on the insulating film 3 (S2), and a via hole is formed in the interlayer insulating film 5. 21 is formed (S21). Next, beer hole 2
The first metal wiring 22 is formed on the bottom surface of No. 1 (S22).
Then, similarly to the first and second embodiments, the barrier metal film (TaN) 7, the Cu seed film 8 and the Cu plating film 9 are sequentially formed.
【0033】まず、図11に示すようにバリアメタルと
してTaN(一例として膜厚15nm)がスパッタリン
グ法により層間絶縁膜5の上面と配線溝6の底面及び側
面に成膜された(S4)後、メッキ前のシード層とし
て、一例として100nm厚のCu膜8が連続でスパッ
タ成膜される(S5)。次に、電解メッキにより、一例
として500nm厚のCu膜9が成膜される(S6)。
このとき、シード層8とメッキ層9のCu膜の結晶配向
性はCu(111)であった。First, as shown in FIG. 11, TaN (15 nm thick as an example) is deposited as a barrier metal on the upper surface of the interlayer insulating film 5 and the bottom and side surfaces of the wiring groove 6 by the sputtering method (S4). As a seed layer before plating, for example, a Cu film 8 having a thickness of 100 nm is continuously sputter-deposited (S5). Next, a Cu film 9 having a thickness of 500 nm is formed by electrolytic plating (S6).
At this time, the crystal orientation of the Cu film of the seed layer 8 and the plating layer 9 was Cu (111).
【0034】そして、第1及び第2実施例と同様に、R
F又はDCバイアスをシリコン基板1に印加しながらC
u膜10を成膜する。図12に示すように、クリーニン
グチャンバにて室温のAr/H2プラズマにより、メッ
キCu9表面の酸化銅がスパッタ及び還元される(S
7)。次に、大気中に曝さずに、Cuスパッタチャンバ
にて、シリコン基板1にRFバイアスが印加され、アル
ゴンイオンを成長表面に照射しながらスパッタ成膜する
(S8)。その結果、メッキCu9上にバイアススパッ
タCu層10が形成される。このときのアルゴンのイオ
ンエネルギ(プラズマポテンシャル、即ち自己バイア
ス)は80eVであった。又、成膜膜厚(t6)は電解
メッキCu9とCuシード層8の合計膜厚(t5)より
も厚い300nm成膜した。即ち、t6>t5となるよ
うにした。又、シリコン基板1は成膜中のプラズマ照射
による温度上昇を防ぐために、−5℃に設定した。Then, as in the first and second embodiments, R
C while applying F or DC bias to the silicon substrate 1.
The u film 10 is formed. As shown in FIG. 12, the copper oxide on the surface of the plated Cu 9 is sputtered and reduced by Ar / H 2 plasma at room temperature in the cleaning chamber (S
7). Next, an RF bias is applied to the silicon substrate 1 in the Cu sputtering chamber without exposing it to the atmosphere, and sputtering growth is performed while irradiating the growth surface with argon ions (S8). As a result, the bias sputtered Cu layer 10 is formed on the plated Cu 9. At this time, the ion energy (plasma potential, that is, self-bias) of argon was 80 eV. The film thickness (t6) was 300 nm thicker than the total film thickness (t5) of the electrolytically plated Cu 9 and the Cu seed layer 8. That is, t6> t5. The silicon substrate 1 was set at -5 ° C in order to prevent a temperature rise due to plasma irradiation during film formation.
【0035】次に、図13に示すように、アルゴン雰囲
気中で温度400℃で30分間熱処理を行った。このと
き、結晶配向性がCu(111)からCu(200)に
変化し、同時に数100μmの巨大なグレインを有する
Cu膜11の形成に成功した(S9)。次に、フォトリ
ソグラフィ工程の反射防止膜として50nm厚のTiN
膜41がCu膜11上に成膜され(S23)、続いてT
iN膜41上にプラズマ窒化膜42が成膜される(S2
4)。Next, as shown in FIG. 13, heat treatment was performed at a temperature of 400 ° C. for 30 minutes in an argon atmosphere. At this time, the crystal orientation changed from Cu (111) to Cu (200), and at the same time, the Cu film 11 having a huge grain of several 100 μm was successfully formed (S9). Next, as a reflection preventing film in the photolithography process, TiN having a thickness of 50 nm
A film 41 is formed on the Cu film 11 (S23), and then T
A plasma nitride film 42 is formed on the iN film 41 (S2
4).
【0036】その後、フォトリソグラフィ工程を経て、
プラズマ窒化膜42がC4F8、Ar、O2を含む混合
ガスによりエッチングされた(S25)後、O2プラズ
マ及びレジスト剥離液を用いてフォトレジストがアッシ
ング除去される。次に、SiCl4、Ar、N2、NH
3混合ガスを用いてCu膜11がドライエッチングさ
れ、巨大グレインCu配線23が形成される(S2
6)。このようにして、単結晶Cu配線の形成に成功し
た。こうして得られたCu配線は通常のメッキCu線に
比べて1桁エレクトロマイグレーション耐性が高かっ
た。After that, through a photolithography process,
After the plasma nitride film 42 is etched by a mixed gas containing C4F8, Ar and O2 (S25), the photoresist is ashed and removed by using O2 plasma and a resist stripping solution. Next, SiCl4, Ar, N2, NH
The Cu film 11 is dry-etched using 3 mixed gas, and the huge grain Cu wiring 23 is formed (S2).
6). Thus, the single crystal Cu wiring was successfully formed. The Cu wiring thus obtained was higher than the ordinary plated Cu wire by one digit in electromigration resistance.
【0037】即ち、本発明によれば熱処理によりバイア
ススパッタ層で結晶配向性変化及び巨大グレイン成長が
起こり、同時に電解メッキ層でも巨大グレイン成長が起
こるという文献2で述べられている現象と同様なことが
起こる。こうして、配線及び溝配線中に粒界がない単結
晶Cu配線を形成することができるため、配線の低抵抗
化及びエレクトロマイグレーション耐性の向上を図るこ
とができる。That is, according to the present invention, the same phenomenon as the phenomenon described in Document 2 that the crystal orientation change and the giant grain growth occur in the bias sputter layer according to the present invention, and the giant grain growth also occurs in the electrolytic plating layer at the same time. Happens. In this way, a single crystal Cu wiring having no grain boundary can be formed in the wiring and the groove wiring, so that the resistance of the wiring can be reduced and the electromigration resistance can be improved.
【0038】なお、本実施例では、バリアメタル層の金
属材料としてTaNを用いたが、Taでもよく、Ti
N,Mo,Nb,W、及びそれらの材料の窒化物でもよ
い。又、溝配線部の層間膜材料として、プラズマCVD
酸化物を用いたが、HSQ(Hydrogen Sil
sesquioxane)膜、有機SOG、アモルファ
スカーボン材料、及びそれらの材料のフッ素添加物でも
よい。Although TaN was used as the metal material of the barrier metal layer in this embodiment, Ta may be used instead of TiN.
It may be N, Mo, Nb, W, or a nitride of those materials. Further, plasma CVD is used as an interlayer film material for the groove wiring portion.
An oxide was used, but HSQ (Hydrogen Sil
sesquioxane) film, organic SOG, amorphous carbon materials, and fluorine additives of these materials.
【0039】[0039]
【発明の効果】本発明による半導体装置によれば、半導
体基板上に形成され配線溝を有する絶縁膜と、前記配線
溝の底面及び側面に形成されるバリア層と、前記配線溝
に埋設され電気メッキ法で成膜された銅膜よりも大きな
グレインを有する銅配線層とを含むため、配線溝にCu
を埋め込むことができ、かつグレインを大きくすること
ができる。According to the semiconductor device of the present invention, an insulating film formed on a semiconductor substrate and having a wiring groove, a barrier layer formed on the bottom surface and side surfaces of the wiring groove, and an electric film embedded in the wiring groove. Since it includes a copper wiring layer having a larger grain than the copper film formed by the plating method, Cu is formed in the wiring groove.
Can be embedded and the grain can be increased.
【0040】具体的には、熱処理により第2の銅配線層
で結晶配向性変化及び巨大グレイン成長が起こり、同時
に第1の銅配線層でも巨大グレイン成長が起こる。これ
により、配線中に粒界がない単結晶導電膜配線が形成さ
れるため、配線の低抵抗化及びエレクトロマイグレーシ
ョン耐性の向上を図ることができる。Specifically, the heat treatment causes a change in crystal orientation and giant grain growth in the second copper wiring layer, and at the same time, giant grain growth also occurs in the first copper wiring layer. As a result, a single crystal conductive film wiring having no grain boundary in the wiring is formed, so that the resistance of the wiring can be reduced and the electromigration resistance can be improved.
【図1】第1の実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a first embodiment.
【図2】第1の実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the first embodiment.
【図3】第1の実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the first embodiment.
【図4】第1の実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the first embodiment.
【図5】第1の実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the first embodiment.
【図6】第2実施例の製造工程を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図7】第2実施例の製造工程を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図8】第2実施例の製造工程を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図9】第2実施例の製造工程を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図10】第2の実施の形態の製造工程を示す断面図で
ある。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図11】第2の実施の形態の製造工程を示す断面図で
ある。FIG. 11 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図12】第2の実施の形態の製造工程を示す断面図で
ある。FIG. 12 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図13】第2の実施の形態の製造工程を示す断面図で
ある。FIG. 13 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図14】第2の実施の形態の製造工程を示す断面図で
ある。FIG. 14 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the second embodiment.
【図15】第1実施例の製造工程を示すフローチャート
である。FIG. 15 is a flowchart showing a manufacturing process of the first embodiment.
【図16】第1実施例の製造工程を示すフローチャート
である。FIG. 16 is a flowchart showing a manufacturing process of the first embodiment.
【図17】第2実施例の製造工程を示すフローチャート
である。FIG. 17 is a flowchart showing a manufacturing process of the second embodiment.
【図18】第3実施例の製造工程を示すフローチャート
である。FIG. 18 is a flowchart showing a manufacturing process of the third embodiment.
【図19】第3実施例の製造工程を示すフローチャート
である。FIG. 19 is a flowchart showing a manufacturing process of the third embodiment.
1 シリコン基板 2 半導体素子形成面 3 絶縁膜 4 ストッパ膜 5 層間絶縁膜 6 配線溝 7 TaN 8,9,10,31 Cu膜 11,32 巨大グレインCu膜 12,33 溝配線 21 ビアホール 22 第1金属配線 23 Cu配線 1 Silicon substrate 2 Semiconductor element formation surface 3 insulating film 4 Stopper film 5 Interlayer insulation film 6 wiring groove 7 TaN 8, 9, 10, 31 Cu film 11,32 Giant grain Cu film 12,33 groove wiring 21 beer hall 22 First metal wiring 23 Cu wiring
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F033 HH11 HH17 HH19 HH20 HH21 HH32 HH33 JJ01 JJ11 JJ17 JJ19 JJ20 JJ21 JJ32 JJ33 KK07 LL06 LL08 MM01 MM05 MM08 MM12 MM13 NN03 NN06 NN07 PP12 PP15 PP17 PP27 PP33 QQ03 QQ08 QQ11 QQ25 QQ28 QQ30 QQ37 QQ48 QQ73 QQ94 RR01 RR06 RR11 RR24 RR25 SS15 XX01 XX05 XX10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F term (reference) 5F033 HH11 HH17 HH19 HH20 HH21 HH32 HH33 JJ01 JJ11 JJ17 JJ19 JJ20 JJ21 JJ32 JJ33 KK07 LL06 LL08 MM01 MM05 MM08 MM12 MM13 NN03 NN06 NN07 PP12 PP15 PP17 PP27 PP33 QQ03 QQ08 QQ11 QQ25 QQ28 QQ30 QQ37 QQ48 QQ73 QQ94 RR01 RR06 RR11 RR24 RR25 SS15 XX01 XX05 XX10
Claims (6)
絶縁膜と、前記配線溝の底面及び側面に形成されるバリ
ア層と、前記配線溝に埋設され電気メッキ法で成膜され
た銅膜よりも大きなグレインを有する銅配線層とを含む
ことを特徴とする半導体装置。1. An insulating film having a wiring groove formed on a semiconductor substrate, a barrier layer formed on a bottom surface and a side surface of the wiring groove, and a copper film embedded in the wiring groove and formed by an electroplating method. And a copper wiring layer having a larger grain than the above.
絶縁膜と、前記配線溝の底面及び側面に形成されるバリ
ア層と、前記配線溝に埋設され結晶配向性がCu(20
0)である銅配線層とを含むことを特徴とする半導体装
置。2. An insulating film having a wiring groove formed on a semiconductor substrate, a barrier layer formed on a bottom surface and a side surface of the wiring groove, and a crystal orientation Cu (20) embedded in the wiring groove.
0) The copper wiring layer which is 0), The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
ように前記絶縁膜上に第1の銅配線層を形成するステッ
プと、このステップの次に、前記半導体基板にバイアス
を印加し成膜面をアルゴンイオンで照射しながらスパッ
タにより第2の銅配線層を前記第1の銅配線層上に形成
するステップと、このステップの次にアルゴン又は窒素
雰囲気中で結晶制御の熱処理を行うステップを経て生成
されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体
装置。3. A step of forming a first copper wiring layer on the insulating film so as to fill the wiring trench with the copper wiring layer, and a bias is applied to the semiconductor substrate after this step. A step of forming a second copper wiring layer on the first copper wiring layer by sputtering while irradiating the film-forming surface with argon ions; and, following this step, heat treatment for crystal control in an argon or nitrogen atmosphere The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is produced through steps.
解メッキによる銅層とからなることを特徴とする請求項
3記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first copper wiring layer comprises a copper seed layer and a copper layer formed by electrolytic plating.
よる銅層であることを特徴とする請求項3記載の半導体
装置。5. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first copper wiring layer is a copper layer formed by plasma CVD.
形成されることを特徴とする請求項1から4いずれか記
載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 1, wherein a metal wiring is formed on a bottom surface of the wiring groove of the insulating film.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002211878A JP2003109960A (en) | 2002-07-22 | 2002-07-22 | Semiconductor device |
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| JP2002211878A JP2003109960A (en) | 2002-07-22 | 2002-07-22 | Semiconductor device |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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-
2002
- 2002-07-22 JP JP2002211878A patent/JP2003109960A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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