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JP2004289008A - Semiconductor integrated circuit device and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor integrated circuit device and its manufacturing method Download PDF

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JP2004289008A
JP2004289008A JP2003081338A JP2003081338A JP2004289008A JP 2004289008 A JP2004289008 A JP 2004289008A JP 2003081338 A JP2003081338 A JP 2003081338A JP 2003081338 A JP2003081338 A JP 2003081338A JP 2004289008 A JP2004289008 A JP 2004289008A
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JP
Japan
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wiring
groove
copper
film
metal
Prior art date
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Pending
Application number
JP2003081338A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kensuke Ishikawa
憲輔 石川
Tatsuyuki Saito
達之 齋藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renesas Technology Corp
Original Assignee
Renesas Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renesas Technology Corp filed Critical Renesas Technology Corp
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce wiring resistance and improve the characteristics of a wiring such as SM resistance and EM resistance of the wiring. <P>SOLUTION: A wiring groove 25 (L1-L4) with a different wiring width is formed in insulation films (22 and 23) on a plug P2, and a barrier layer 26 is formed thereon, and then a copper alloy layer 27a with low coverage is stacked thereon. Thus the covering property of the bottom, the side wall and the upper part of the side wall of the wiring groove with a smaller width is made lower, and a copper film 27b is stacked in an appropriate covering condition, and a copper film 27c is precipitated on its upper side by the field plating method. After annealing is applied to change the copper film to an alloy, a copper alloy film or the like outside the wiring groove 25 is removed to form a second layer wiring. As a result, the rate of changing of the copper film into alloy is made higher as the wiring width becomes larger, and the movement of copper atoms is suppressed by changing into alloy in a part having a larger wiring width that is significantly influenced by the movement of the copper atoms, while an increase of wiring resistance can be suppressed in a part having a smaller wiring width because the changing rate of copper into alloy is low. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置に関するものであって、特に、金属配線に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置における配線の微細化および多層化に伴い、絶縁膜中に配線用の溝を形成後、導電膜を溝内部に埋め込むことにより配線を形成する、いわゆるダマシン技術が採用されている。
【0003】
また、埋め込む導電膜としては、抵抗の小さい銅膜が検討されている。
【0004】
さらに、この銅膜よりなる配線のエレクトロマイグレーション耐性の向上のために、銅膜中に他の金属を含有させる方法が採用されている(例えば、下記特許文献1〜5参照)。
【0005】
特許文献1は、異なる配線層に純銅と合金銅の配線を形成するものであり、特許文献2は、Alの配向によるCu膜の形成に関するものである。
【0006】
また、特許文献3は、CuにSnやMgを拡散させるものであり、特許文献4は、Cuの粒界にAlを拡散させるものであり、また、特許文献5は、CuにAgを拡散させるものである。
【0007】
【特許文献1】
特開平9−289214号公報
【0008】
【特許文献2】
特開2002−26015号公報
【0009】
【特許文献3】
特開2000−150522号公報
【0010】
【特許文献4】
特開2000−49164号公報
【0011】
【特許文献5】
特開平11−204524号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、半導体集積回路装置の研究、開発に従事しており、ダマシン技術を用いたCu配線を採用している。
【0013】
このCu配線のストレスマイグレーション(SM)特性は、配線幅に依存し、配線幅の増加に伴ってSM耐性は悪くなる。
【0014】
そこで、Cuに不純物金属(例えば、Ni、Mg、Alなど)を添加し、Cu合金で配線を構成することにより、Cuの移動を抑制し、SM耐性を向上させる方法が検討されている。
【0015】
しかしながら、前記方法によれば、配線のSM耐性は向上するが、不純物金属により配線抵抗が大きくなり、低抵抗のCuを用いる利点が薄れてしまう。
【0016】
本発明の目的は、配線抵抗を低くし、また、配線のSM耐性を向上させる等、配線の特性を向上させることにある。
【0017】
また、本発明の他の目的は、半導体集積回路装置の信頼性を向上させることにある。
【0018】
本発明の前記目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0020】
本発明の半導体集積回路装置は、(a)半導体基板上に形成された絶縁膜と、(b)前記絶縁膜中に形成された第1の溝および前記第1の溝より幅の広い第2の溝と、(c)前記第1および第2の溝の内部にそれぞれ形成された第1金属を主成分とし、第2金属を含有する第1および第2配線と、を有する半導体集積回路装置であって、(d)前記第1の配線より前記第2の配線の方が前記第2金属の含有率を高くするものである。
【0021】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜を選択的にエッチングすることにより第1の溝および前記第1の溝より幅の広い第2の溝を形成する工程と、(b)前記第1の溝および前記第2の溝の内部を含む前記絶縁膜上に、第1金属膜を堆積する工程であって、前記第1の溝の底部、側壁および側壁上部の被覆性より前記第2の溝の底部、側壁および側壁上部の被覆性が良い条件で第1金属膜を堆積する工程と、(c)前記(b)工程の後、前記第1の溝および前記第2の溝の内部を含む前記絶縁膜の上部に、第2金属膜を堆積する工程と、(d)前記(c)工程の後、熱処理を施すことにより前記第2金属膜中に前記第1金属膜中の金属を拡散させる工程と、を有するものである。なお、(a)工程と(b)工程の間にバリア層を形成する工程を有していても良い。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0023】
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置をその製造方法に従って説明する。図1〜図11は、本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【0024】
まず、図1に示すように、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体素子が形成された半導体基板1を準備する。
【0025】
このMISFETを形成する工程を簡単に説明する。
【0026】
まず、例えばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板(以下、単に「基板」という)1を用意し、基板1をエッチングして溝を形成した後、溝の内部に酸化シリコン膜を埋め込むことにより素子分離2を形成する。
【0027】
次に、基板1にp型不純物およびn型不純物をイオン打込みした後、熱処理し不純物を拡散させることによって、p型ウエル3およびn型ウエル4を形成する。
【0028】
次に、基板1を熱酸化することによって、その表面に清浄なゲート酸化膜5を形成する。次いで、基板1上に多結晶シリコン膜を形成し、エッチングすることにより、ゲート電極7を形成する。次に、p型ウエル3上のゲート電極7の両側の基板1にn型不純物をイオン打込みし、また、n型ウエル4上のゲート電極7の両側の基板1にp型不純物をイオン打込みし、n型半導体領域8およびp型半導体領域9を形成する。
【0029】
次いで、基板1上に例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法で窒化シリコン膜を堆積した後、異方的にエッチングすることによりサイドウォール10をゲート電極7の側壁に形成する。
【0030】
次いで、ゲート電極7およびサイドウォール10をマスクに、p型ウエル3にはn型不純物を、n型ウエル4にはp型不純物をイオン打ち込みし、熱拡散させることによってn型半導体領域11(ソース、ドレイン)およびp型半導体領域12(ソース、ドレイン)を形成する。
【0031】
ここまでの工程で、LDD(Lightly Doped Drain)構造のソース、ドレインを備えたnチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpが形成される。
【0032】
次に、半導体基板1の全面にチタン等の高融点金属膜を形成し、基板1に熱処理を施すことにより、シリサイド層16を形成する。その後、未反応の高融点金属膜を除去する。
【0033】
次に、図2に示すように、例えば酸化シリコン膜をCVD法により堆積することにより、層間絶縁膜18を形成し、その表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化する。
【0034】
次に、n型半導体領域11もしくはp型半導体領域12上の層間絶縁膜18を適宜エッチングにより除去することによりコンタクトホールC1を形成する。
【0035】
次に、コンタクトホールC1内を含む層間絶縁膜18上に、スパッタ法によりバリア膜として例えば窒化チタン膜(図示せず)を形成した後、CVD法により導電性膜として例えばタングステン(W)膜を形成する。次いで、コンタクトホールC1以外の窒化チタン膜(TiN)およびW膜をCMPにより除去し、プラグP1を形成する。
【0036】
次に、図3に示すように、層間絶縁膜18およびプラグP1上に、TiN膜(図示せず)およびW膜を順次堆積し、所望の形状にエッチングすることにより第1層配線M1を形成する。
【0037】
次いで、第1層配線M1上に層間絶縁膜19として例えば酸化シリコン膜を堆積し、第1層配線M1上の層間絶縁膜19を適宜エッチングにより除去することによりコンタクトホールC2を形成した後、プラグP1と同様にプラグP2を形成する。
【0038】
次いで、プラグP2上に第2層配線M2を形成する。この第2層配線M2の形成工程を図4〜図11を参照しながら詳細に説明する。なお、図4〜図11においては、プラグP2より下層の層を省略してある。
【0039】
図4に示すように、層間絶縁膜19およびプラグP2上に、窒化シリコン膜22を形成し、次いで、酸化シリコン膜23をCVD法により堆積する。これらの積層膜は、配線溝が形成される配線溝用の絶縁膜である。
【0040】
次いで、第2層配線形成予定領域上の酸化シリコン膜23をエッチングにより除去し、さらに、このエッチングにより露出した窒化シリコン膜22をエッチングすることにより配線溝25を形成する。この窒化シリコン膜22は、エッチングストッパーとして利用される。図4に示すように、配線溝25の幅は、多種あり、例えば、各幅L1〜L4は、L1<L2<L3<L4の関係にある。
【0041】
次に、図5に示すように、配線溝25内を含む酸化シリコン膜23上に、バリア層26として例えばTiN膜を例えばスパッタ法により堆積する。
【0042】
なお、バリア層26は、TiN膜の他、Ta(タンタル)、TaN(窒化タンタル)膜、Ti(チタン)、W、WN、窒化チタンシリサイド、もしくは窒化タングステンシリサイドなどを主成分とする単層膜もしくはこれらの膜の積層膜でもよい。また、このバリア層26の形成には、カバレッジ(被覆性)の良い成膜方法を用いる。被覆性が良い(高カバレッジ)とは、配線溝25の底部、側壁および側壁上部のコーナー部を覆うように膜が堆積し、また、膜厚のばらつきが少ない状態をいう。
【0043】
例えば、スパッタ法においては、IMBS(イオン化メタルバイアススパッタ:Ionized Metal bias Sputter)法が通常のDCマグネトロンスパッタに比べて被覆性が良い。また、スパッタ法のみならず、CVD法を用いてもよい。この場合、圧力、成膜温度等を調整して、被覆性を良くすることができる。
【0044】
次いで、図6に示すように、バリア層26上に、銅合金層(銅+不純物金属)27aを堆積させる。この際、被覆性の悪い(低カバレッジ)条件で銅合金層27aを堆積する。
【0045】
被覆性が悪い条件とは、幅のより狭い配線溝において、溝の側部や底部に膜が形成され難い条件をいう。言い換えれば、例えば幅L1の配線溝より幅L2の配線溝の底部、側壁および側壁上部の被覆性が良い条件をいう。同様に幅L2の配線溝より幅L3の配線溝の被覆性が良い条件をいう。なお、配線溝が一定の幅以上となるとその被覆性は変わらなくなる。
【0046】
この銅合金層27aは、配線溝25中に形成される銅合金配線の不純物金属(合金、銅以外の金属)の供給源である。従って、少なくとも拡散させる不純物金属を含有していればよく、必ずしも銅を含有する必要はない。例えば、拡散させるAu(金)のみを形成してもよい。
【0047】
また、銅中に含有させる金属としては、例えば、マグネシウム(Mg)、Ag(銀)、Au、Pd(パラジウム)、Ti、Ta(タンタル)、アルミニウム(Al)、Nb(ニオブ)、Zr(ジルコニウム)、Zn(亜鉛)、W、Ru(ルテニウム)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)等があげられる。これらの金属は、単体で含有させても良く、また、多種含有させてもよい。
【0048】
また、銅中に含有させる金属が合金となっていても良い。例えば、Ag合金、Au合金、Al合金もしくはW合金などを用いてもよい。この場合、合金として主たる金属(Ag等)に、Nb、TiおよびCu等の他、Si(シリコン)等を単独で、また、多種含有させても良い。
【0049】
中でも、銅中に含有させる金属としては、Mg、Ni、Al、Cr等を用いるのが好ましい。
【0050】
また、堆積方法としては、スパッタ法やCVD法があげられる。また、通常のDCマグネトロンスパッタ法を用いれば、例えばIMBS法を用いた場合に比べ被覆性が悪くなる。
【0051】
図12は、通常のDCマグネトロンスパッタ装置である。また、図13は、IMBS装置である。
【0052】
図12に示すように、一般的なスッパタ装置のチャンバ(処理室)31内には、基板(半導体ウエハ)1を搭載するサセプタ32が設置され、その上部には、ターゲット(堆積させる物質)33が配置されている。このターゲットの裏面には、例えばマグネット34が設けられている。また、ターゲットには、高電界(DC)が印加される。チャンバ31内は、ポンプ35により減圧されている。
【0053】
このチャンバ内に例えばアルゴン(Ar)ガス等を注入し、Arイオンを電界で加速し、ターゲットに衝突させその反跳で飛び出してくるターゲット原子を基板上に堆積させるのである。
【0054】
図13のIMBS装置においては、基板にも電位(RF)が印加される。このように、基板に電位を印加することによりターゲット原子が基板上に付着しやすくなる。その結果、被覆性を良くすることができる。
【0055】
また、図13においては、基板とターゲット間の距離(TS)が、200mm以上であり、図12のTSは200mm未満である。ターゲット原子は、種々の方向にはじき飛ばされるが、基板とターゲット間との距離を大きくすると、基板上に到達するターゲット原子の垂直成分を多くすることができる。即ち、溝や孔の底部にもターゲット原子が到達し、被覆性を向上させることができる。また、基板とターゲットとの間に格子状の遮蔽物(コリメータ)を設置し、垂直成分が大きいターゲット原子を選択的に通過させ、被覆性を向上させることもできる。
【0056】
なお、図12や図13に示すチャンバを有する装置(マルチチャンバ)を用いて、前述したバリア層26や銅合金層27aを形成してもよい。また、後述する銅膜を形成してもよい。このようなマルチチャンバを用いることにより、空気(酸素)との接触を低減することができ、膜表面の酸化を低減できる。また、異物の付着率も低減することができる。
【0057】
次いで、図7に示すように、銅合金層27a上に、薄い銅膜27bをスパッタ法により形成する。この銅膜27bは、電界メッキの際のシード層となる。従って、他の導電性膜(例えば銅合金膜)を用いてもよいが、銅膜中の他の金属の含有の程度(含有率、合金濃度、合金率)を調整しやすくするためには、銅膜を用いることが好ましい。また、この銅膜27bは、被覆性が良い条件で堆積する。例えば、IMBS法を用いて堆積する。
【0058】
次いで、図8に示すように、基板(ウエハ)1を、メッキ液に浸漬し、シード層(銅膜27b)に電位を印加(電界メッキ)することによって、基板1上に、銅膜27cを析出させ、アニール(熱処理)を施す。
【0059】
その結果、銅合金層27a中の銅以外の金属が銅膜27b、27c中に拡散し、合金化する(図9)。図9において、銅が合金化している箇所を28aと、純銅(不純物の濃度が極めて低い)の部分を28bとする。このように、溝の内部において合金化が進めば良く、銅膜27cの上部は合金化されなくても良い。また、アニールは、上記タイミングで行う必要はなく、その後、例えば、後述するCMP工程の後等に行っても良い。また、その後の熱が加わる工程を利用して不純物金属を拡散させても良い。
【0060】
この際、配線幅の小さい、例えば幅がL1やL2の配線溝においては、その側壁や底部に形成される銅合金層(27a)が薄い、もしくは形成されないため、銅膜中の他の金属の含有の程度(合金濃度)が低く、もしくは純銅となる。言い換えれば、純粋(pure)な銅に近く、もしくは純銅となる。
【0061】
また、配線幅が例えばL1からL4へと大きくなるに従い、銅合金膜28a中の不純物金属の含有の程度(合金濃度)が大きくなる。なお、L1〜L4は、0.14μm〜数μmの範囲にある。
【0062】
次に、図10に示すように、配線溝25外部の銅合金膜28a等をCMPにより除去して第2層配線M2を形成する。例えば、幅L1の配線溝25中に形成される配線は純銅により構成される。
【0063】
このように、本実施の形態においては、配線溝の幅が小さくなるに従って被覆性が悪くなる(配線幅が大きくなるに従って被覆性が良くなる)条件で合金供給源を堆積し、その上部に銅膜を形成し、合金化したので、配線幅が大きくなるに従い、銅膜中の他の金属の含有の程度(合金濃度)が大きくなる。
【0064】
その結果、配線幅の大きい配線においてSM耐性が良くなる。
【0065】
即ち、配線の下層にプラグP2が配置されている場合、配線幅の大きい配線においては、銅の凝縮の際に応力が加わり、応力的に弱い配線とプラグP2との間で剥離が生じる。このような剥離が生じるとSM耐性が劣化し、不良や故障の原因となる。
【0066】
これに対し、本実施の形態においては、配線幅の大きい配線においては、合金化を行ったので、銅原子の移動を抑制、銅の凝縮を抑制することができる。その結果、配線とプラグP2との間の剥離を低減することができる。
【0067】
また、合金化した場合には配線抵抗の増加が問題となるが、この場合、配線幅が大きいため、配線抵抗の増加による不具合は顕著には現れない。
【0068】
これに対し、配線幅が小さい配線においては、銅の合金化率が小さいため配線抵抗の上昇を抑えられる。また、配線幅が小さい配線においては、配線の下層にプラグP2が形成されていても、プラグP2の径に対する配線の体積が小さいため銅の合金化率が小さくても銅の凝縮による応力の影響は小さい。
【0069】
このように、配線幅が大きい箇所および小さい箇所においても配線の低抵抗化とSM耐性の向上を図ることができる。
【0070】
また、本実施の形態によれば、エレクトロマイグレーション(EM)耐性を向上させることができる。
【0071】
即ち、配線幅が小さい場合にはバンブー率が高くEM耐性が向上する。バンブー率とは、配線幅の方向に結晶粒界が存在する割合である。例えば、グレイン(結晶粒)径が配線幅と同等である場合には、グレインの境界(結晶粒界)が配線を短辺方向に横切ることとなり、EMのパスが減少する(図23(a)参照)。その結果、EM耐性が向上する。
【0072】
これに対し、配線幅が大きいと、配線の短辺に沿っても多数のグレインが並ぶこととなり、電流(電子)の流れる方向(配線の長辺方向)に沿ったEMのパスが多くなる(図23(b)参照)。その結果、EM耐性が劣化するのである。なお、図23(a)および(b)は、配線幅とグレインの粒界との関係を示す模式図(平面図)である。
【0073】
しかしながら、本実施の形態においては、配線幅が大きくなるに従って銅の合金化率が大きくなるため、EMによる銅原子の移動を抑制することができ、EM耐性を向上させることができる。
【0074】
また、本実施の形態においては、被覆性の悪い(低カバレッジの)成膜方法を用いて合金の供給源を形成したので、自己整合的に幅の大きい配線溝には合金の供給源を多く、また、幅の小さい配線溝には合金の供給源を少なく形成することができる。
【0075】
この後、図11に示すように、銅の拡散を防止する等の役割を果たすバリア層として窒化シリコン膜29を形成する。この後、層間絶縁膜、プラグおよび配線の形成を繰り返すことにより、さらに多層の配線を形成することができる。なお、その図示および説明を省略する。この際、第2層配線より上層の配線を第2層配線と同様に形成することも可能である。また、第1層配線を第2層配線と同様に形成することも可能である。また、第2層配線より上層のプラグは、プラグP1と同様にW膜等を用いて形成しても良いし、また、他の金属、例えば銅を用いて形成してもよい。また、銅の拡散を防止する等の役割を果たすバリア層としては、窒化シリコン膜の他、炭窒化シリコン(SiCN)や炭化シリコン(SiC)等の絶縁性のバリア膜を用いてもよい。また、第2層配線M2上にのみWやCoWB(ホウ素を含有するコバルトタングステン)やCoWP(リンを含有するコバルトタングステン)等の導電性のバリア膜を形成してもよい。
【0076】
さらに、最上層配線上には、保護膜が形成され、この保護膜を除去することにより最上層配線の一部(パッド部)を露出させる。次いで、チップ上のパッド部と実装基板の外部端子等との間をワイヤやバンプ電極等を介して接続し、必要に応じてチップの周辺を樹脂等で封止することにより半導体集積回路装置が完成する。なお、これらの図示も省略する。
【0077】
(実施の形態2)
実施の形態1においては、配線とプラグとを別の工程で形成するいわゆるシングルダマシン法を例に説明したが、デュアルダマシン法により配線およびプラグ部を形成してもよい。なお、第1層配線M1の形成工程までは、実施の形態1と同様であるためその説明を省略する。また、図14〜図22は、本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。これらの図においては、プラグP2より下層の層を省略してある。
【0078】
例えば、図14に示すように、第1層配線上に層間絶縁膜219として例えば窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層膜を堆積する。この積層膜中には、コンタクトホールが形成される。次いで、層間絶縁膜219上に、窒化シリコン膜22を形成し、次いで、酸化シリコン膜23をCVD法により堆積する。これらの積層膜(22、23)は、配線溝が形成される配線溝用の絶縁膜である。
【0079】
次いで、プラグ形成予定領域上の層間絶縁膜219、窒化シリコン膜22および酸化シリコン膜23をエッチングすることによりコンタクトホールC2を形成する。
【0080】
次いで、図15に示すように、第2層配線形成予定領域上の酸化シリコン膜23をエッチングにより除去し、さらに、このエッチングにより露出した窒化シリコン膜22をエッチングすることにより配線溝25を形成する。この窒化シリコン膜22は、エッチングストッパーとして利用される。なお、配線溝25を形成した後、コンタクトホールC2を形成してもよい。
【0081】
図15に示すように、配線溝25の幅は、多種あり、例えば、各幅L1〜L4は、L1<L2<L3<L4の関係にある。
【0082】
次に、図16に示すように、コンタクトホールC2および配線溝25内を含む酸化シリコン膜23上に、実施の形態1と同様にバリア層26として例えばTiN膜を例えばスパッタ法により堆積する。
【0083】
次いで、図17に示すように、バリア層26上に、実施の形態1と同様に銅合金層27aを堆積させる。即ち、被覆性の悪い(低カバレッジの)条件で銅合金層27aを堆積する。
【0084】
被覆性が悪い条件とは、実施の形態1で説明したように、幅のより狭い配線溝において、溝の側部や底部に膜が形成され難い条件をいう。言い換えれば、例えば幅L1の配線溝より幅L2の配線溝溝の底部、側壁および側壁上部の被覆性が良い条件をいう。
【0085】
この銅合金層27aは、配線溝25中に形成される銅合金配線の合金(銅以外の金属)の供給源である。従って、従って、少なくとも拡散させる不純物金属を含有していればよく、必ずしも銅を含有する必要はない。
【0086】
また、銅中に含有させる金属は、実施の形態1で説明した通りである。また、堆積方法としては、スパッタ法やCVD法があげられる。また、実施の形態1で説明した通り、通常のDCマグネトロンスパッタ法を用いれば、例えばIMBS法を用いた場合に比べ被覆性が悪くなる。
【0087】
次いで、図18に示すように、銅合金層27a上に、薄い銅膜27bをスパッタ法により形成する。この銅膜27bは、電界メッキの際のシード層となる。従って、他の導電性膜(例えば銅合金膜)を用いてもよいが、銅膜中の他の金属の含有の程度(含有率、合金濃度、合金率)を調整しやすくするためには、銅膜を用いることが好ましい。また、この銅膜27bは、被覆性が良い条件で堆積する。例えば、IMBS法を用いて堆積する。
【0088】
次いで、図19に示すように、基板(ウエハ)1を、メッキ液に浸漬し、シード層(銅膜27b)に電位を印加(電界メッキ)することによって、基板1上に、銅膜27cを析出させ、アニール(熱処理)を施す。
【0089】
その結果、銅合金層27a中の銅以外の金属が銅膜27b、27c中に拡散し、合金化する(図20)。図20において、銅が合金化している箇所を28aと、純銅(不純物の濃度が極めて低い)の部分を28bとする。このように、溝の内部において合金化が進めば良く、銅膜27cの上部は合金化されなくても良い。また、アニールは、上記タイミングで行う必要はなく、その後、例えば、後述するCMP工程の後等に行っても良い。また、その後の熱が加わる工程を利用して不純物金属を拡散させても良い。
【0090】
この際、配線幅の小さい、例えば幅がL1やL2の配線溝においては、その側壁や底部に形成される銅合金層(27a)が薄い、もしくは形成されないため、銅膜中の他の金属の含有の程度(合金濃度)が低く、もしくは純銅となる。言い換えれば、純粋(pure)な銅に近く、もしくは純銅となる。
【0091】
また、配線幅が例えばL1からL4へと大きくなるに従い、銅合金膜28a中の不純物金属の含有の程度(合金濃度)が大きくなる。なお、L1〜L4は、0.14μm〜数μmの範囲にある。
【0092】
次に、図21に示すように、配線溝25外部の銅合金膜28a等をCMPにより除去して第2層配線M2およびプラグP2を形成する。例えば、幅L1の配線溝25中に形成される配線は純銅により構成される。
【0093】
このように、本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、配線溝の幅が小さくなるに従って被覆性が悪くなる(配線幅が大きくなるに従って被覆性が良くなる)条件で合金供給源を堆積し、その上部に銅膜を形成し、合金化したので、配線幅が大きくなるに従い、銅膜中の他の金属の含有の程度(合金濃度)が大きくなる。その結果、SM耐性やEM耐性を向上させることができる等、実施の形態1で詳細に説明した効果を奏することができる。
【0094】
また、本実施の形態においては、配線部とプラグ部との間にバリア膜が存在しないため、幅の広い配線溝の底部等に堆積した銅合金膜中の合金がコンタクトホールC2内の銅膜27b、27cにも拡散し、プラグP2部の合金化を図ることができる。
【0095】
その結果、プラグP2の銅原子が動きにくくなり、プラグP2と第2層配線M2との境界におけるSM耐性やEM耐性を向上させることができる。
【0096】
この後、実施の形態1と同様に、バリア層として例えば窒化シリコン膜29を形成する(図22)。この後、さらに多層の配線を形成し、最上層配線上の保護膜を除去することにより最上層配線の一部(パッド部)を露出させた後、実装する。
【0097】
以上、発明者によってなされた本発明を、実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0098】
特に、前述の実施の形態においては、MISFET上に形成された配線等に本発明を適用したが、本発明は、多層配線を用いた半導体集積回路装置に広く適用可能である。
【0099】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0100】
絶縁膜中に形成された第1の溝および前記第1の溝より幅の広い第2の溝の内部にそれぞれ形成された第1金属を主成分とし、第2金属を含有する第1および第2配線の第1の配線より第2の配線の方の第2金属の含有率を高くしたので、配線抵抗を低くし、また、配線のSM耐性を向上させることができる。また、EM耐性を向上させることができる。また、配線の特性を向上させることができる。また、半導体集積回路装置の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図5】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図6】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図7】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図8】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図9】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図10】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図11】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図12】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造に用いられる通常のDCマグネトロンスパッタ装置を示す断面図である。
【図13】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の製造に用いられるスパッタ装置(IMBS装置)を示す断面図である。
【図14】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図15】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図16】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図17】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図18】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図19】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図20】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図21】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図22】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の製造工程を示す基板の要部断面図である。
【図23】配線幅とグレインの粒界との関係を示す模式図(平面図)である。
【符号の説明】
1 半導体基板(基板)
2 素子分離
3 p型ウエル
4 n型ウエル
5 ゲート酸化膜
7 ゲート電極
8 n型半導体領域
9 p型半導体領域
10 サイドウォール
11 n型半導体領域
12 p型半導体領域
16 シリサイド層
18 層間絶縁膜
19 層間絶縁膜
22 窒化シリコン膜
23 酸化シリコン膜
25 配線溝
26 バリア層
27a 銅合金層
27b 銅膜
27c 銅膜
28a 銅合金膜
28b 純銅
29 窒化シリコン膜
31 チャンバ
32 サセプタ
33 ターゲット
34 マグネット
35 ポンプ
219 層間絶縁膜
C1 コンタクトホール
C2 コンタクトホール
DC 電界
L1〜L4 配線溝の幅
M1 第1層配線
M2 第2層配線
P1 プラグ
P2 プラグ
Qn nチャネル型MISFET
Qp pチャネル型MISFET
RF 電界
TS 基板とターゲット間の距離
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly, to a technology effective when applied to metal wiring.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the miniaturization and multilayering of wiring in a semiconductor integrated circuit device, a so-called damascene technique has been adopted in which a wiring groove is formed in an insulating film and then a wiring is formed by embedding a conductive film in the groove. I have.
[0003]
Further, as a conductive film to be embedded, a copper film having a small resistance has been studied.
[0004]
Further, in order to improve the electromigration resistance of the wiring made of the copper film, a method of including another metal in the copper film is adopted (for example, see Patent Documents 1 to 5 below).
[0005]
Patent Literature 1 relates to formation of wiring of pure copper and alloy copper in different wiring layers, and Patent Literature 2 relates to formation of a Cu film by orientation of Al.
[0006]
Patent Literature 3 diffuses Sn and Mg into Cu, Patent Literature 4 diffuses Al into the grain boundaries of Cu, and Patent Literature 5 diffuses Ag into Cu. Things.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-9-289214
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-2002-26015
[0009]
[Patent Document 3]
JP 2000-150522 A
[0010]
[Patent Document 4]
JP 2000-49164 A
[0011]
[Patent Document 5]
JP-A-11-204524
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors are engaged in research and development of semiconductor integrated circuit devices, and employ Cu wiring using damascene technology.
[0013]
The stress migration (SM) characteristic of the Cu wiring depends on the wiring width, and the SM resistance deteriorates as the wiring width increases.
[0014]
Therefore, a method has been studied in which an impurity metal (for example, Ni, Mg, Al, or the like) is added to Cu and a wiring is made of a Cu alloy, thereby suppressing the movement of Cu and improving the SM resistance.
[0015]
However, according to the above method, although the SM resistance of the wiring is improved, the wiring resistance is increased by the impurity metal, and the advantage of using low-resistance Cu is diminished.
[0016]
An object of the present invention is to improve wiring characteristics such as lowering wiring resistance and improving SM resistance of wiring.
[0017]
Another object of the present invention is to improve the reliability of a semiconductor integrated circuit device.
[0018]
The above objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a typical invention among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0020]
A semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes: (a) an insulating film formed on a semiconductor substrate; (b) a first groove formed in the insulating film; and a second groove wider than the first groove. A semiconductor integrated circuit device having: a first groove formed in the first and second grooves, and (c) first and second wirings each having a first metal as a main component and a second metal formed therein. (D) The second wiring has a higher content of the second metal than the first wiring.
[0021]
According to the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention, (a) an insulating film is formed on a semiconductor substrate, and the insulating film is selectively etched to be wider than the first groove and the first groove. Forming a second groove; and (b) depositing a first metal film on the insulating film including the inside of the first groove and the inside of the second groove, wherein Depositing a first metal film under conditions in which the bottom, side walls, and upper portions of the second trench have better coverage than the bottom, sidewalls, and upper portions of the trenches; And (d) performing a heat treatment after the step (c) after depositing a second metal film on the insulating film including the inside of the first groove and the second groove. Diffusing the metal in the first metal film into the second metal film. Note that a step of forming a barrier layer may be provided between the steps (a) and (b).
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, the same members are denoted by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted.
[0023]
(Embodiment 1)
Hereinafter, a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention will be described according to a method of manufacturing the same. 1 to 11 are cross-sectional views of main parts of a substrate showing a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention.
[0024]
First, as shown in FIG. 1, a semiconductor substrate 1 on which a semiconductor element such as a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) is formed is prepared.
[0025]
The process of forming the MISFET will be briefly described.
[0026]
First, a semiconductor substrate (hereinafter simply referred to as “substrate”) 1 made of, for example, p-type single crystal silicon is prepared, and a groove is formed by etching the substrate 1, and then a silicon oxide film is embedded in the groove. An element isolation 2 is formed.
[0027]
Next, a p-type impurity and an n-type impurity are ion-implanted into the substrate 1 and then heat-treated to diffuse the impurities, thereby forming the p-type well 3 and the n-type well 4.
[0028]
Next, a clean gate oxide film 5 is formed on the surface of the substrate 1 by thermal oxidation. Next, a gate electrode 7 is formed by forming a polycrystalline silicon film on the substrate 1 and etching it. Next, an n-type impurity is ion-implanted into the substrate 1 on both sides of the gate electrode 7 on the p-type well 3, and a p-type impurity is ion-implanted into the substrate 1 on both sides of the gate electrode 7 on the n-type well 4. , N Semiconductor region 8 and p A type semiconductor region 9 is formed.
[0029]
Next, after depositing a silicon nitride film on the substrate 1 by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, the sidewall 10 is formed on the sidewall of the gate electrode 7 by anisotropically etching.
[0030]
Then, using the gate electrode 7 and the side wall 10 as a mask, an n-type impurity is ion-implanted into the p-type well 3 and a p-type impurity is ion-implanted into the n-type well 4 and thermally diffused. + Semiconductor region 11 (source, drain) and p + A type semiconductor region 12 (source, drain) is formed.
[0031]
Through the steps so far, an n-channel MISFET Qn and a p-channel MISFET Qp each having a source and a drain having an LDD (Lightly Doped Drain) structure are formed.
[0032]
Next, a refractory metal film such as titanium is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1, and the substrate 1 is subjected to a heat treatment to form a silicide layer 16. After that, the unreacted high melting point metal film is removed.
[0033]
Next, as shown in FIG. 2, an interlayer insulating film 18 is formed by depositing, for example, a silicon oxide film by a CVD method, and the surface thereof is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing).
[0034]
Then, n + Type semiconductor region 11 or p + The contact hole C1 is formed by appropriately removing the interlayer insulating film 18 on the mold semiconductor region 12 by etching.
[0035]
Next, after a titanium nitride film (not shown) is formed as a barrier film by a sputtering method on the interlayer insulating film 18 including the inside of the contact hole C1, for example, a tungsten (W) film is formed as a conductive film by a CVD method. Form. Next, the titanium nitride film (TiN) and the W film other than the contact hole C1 are removed by CMP to form a plug P1.
[0036]
Next, as shown in FIG. 3, a first layer wiring M1 is formed by sequentially depositing a TiN film (not shown) and a W film on the interlayer insulating film 18 and the plug P1, and etching the film into a desired shape. I do.
[0037]
Next, a contact hole C2 is formed by depositing, for example, a silicon oxide film as the interlayer insulating film 19 on the first layer wiring M1 and removing the interlayer insulating film 19 on the first layer wiring M1 by appropriate etching. A plug P2 is formed in the same manner as P1.
[0038]
Next, a second layer wiring M2 is formed on the plug P2. The step of forming the second layer wiring M2 will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 11, layers below the plug P2 are omitted.
[0039]
As shown in FIG. 4, a silicon nitride film 22 is formed on the interlayer insulating film 19 and the plug P2, and then a silicon oxide film 23 is deposited by a CVD method. These laminated films are insulating films for wiring grooves in which wiring grooves are formed.
[0040]
Next, the silicon oxide film 23 on the region where the second layer wiring is to be formed is removed by etching, and the silicon nitride film 22 exposed by this etching is etched to form a wiring groove 25. This silicon nitride film 22 is used as an etching stopper. As shown in FIG. 4, there are various types of widths of the wiring groove 25. For example, the widths L1 to L4 have a relationship of L1 <L2 <L3 <L4.
[0041]
Next, as shown in FIG. 5, for example, a TiN film is deposited as a barrier layer 26 on the silicon oxide film 23 including the inside of the wiring groove 25 by, for example, a sputtering method.
[0042]
The barrier layer 26 is a single-layer film mainly composed of a Ta (tantalum), TaN (tantalum nitride) film, Ti (titanium), W, WN, titanium nitride silicide, tungsten nitride silicide, or the like, in addition to the TiN film. Alternatively, a stacked film of these films may be used. In forming the barrier layer 26, a film forming method with good coverage (coverability) is used. Good coverage (high coverage) refers to a state in which a film is deposited so as to cover the bottom, side walls, and upper corners of the wiring groove 25, and the film thickness has little variation.
[0043]
For example, in a sputtering method, an ionized metal bias sputter (IMBS) method has better coverage than a normal DC magnetron sputtering method. Further, not only the sputtering method but also a CVD method may be used. In this case, the coatability can be improved by adjusting the pressure, the film formation temperature, and the like.
[0044]
Next, as shown in FIG. 6, a copper alloy layer (copper + impurity metal) 27a is deposited on the barrier layer 26. At this time, the copper alloy layer 27a is deposited under conditions of poor coverage (low coverage).
[0045]
The condition of poor coverage refers to a condition in which a film is difficult to be formed on a side portion or a bottom portion of a narrower wiring groove. In other words, for example, the condition is such that the bottom, side walls, and upper portions of the side walls of the wiring groove having the width L2 are better covered than the wiring groove having the width L1. Similarly, a condition in which the wiring groove having the width L3 has better coverage than the wiring groove having the width L2. When the width of the wiring groove exceeds a certain width, its covering property does not change.
[0046]
The copper alloy layer 27a is a supply source of impurity metals (alloys and metals other than copper) of the copper alloy wiring formed in the wiring groove 25. Therefore, it is only necessary to contain at least the impurity metal to be diffused, and it is not necessary to contain copper. For example, only Au (gold) to be diffused may be formed.
[0047]
Examples of the metal contained in copper include magnesium (Mg), Ag (silver), Au, Pd (palladium), Ti, Ta (tantalum), aluminum (Al), Nb (niobium), and Zr (zirconium). ), Zn (zinc), W, Ru (ruthenium), nickel (Ni), chromium (Cr) and the like. These metals may be contained singly or in various kinds.
[0048]
Further, the metal contained in copper may be an alloy. For example, an Ag alloy, an Au alloy, an Al alloy, a W alloy, or the like may be used. In this case, in addition to Nb, Ti, Cu, etc., Si (silicon) or the like may be contained alone or in various kinds in the main metal (Ag, etc.) as an alloy.
[0049]
Among them, it is preferable to use Mg, Ni, Al, Cr, or the like as the metal contained in copper.
[0050]
Examples of the deposition method include a sputtering method and a CVD method. In addition, when the ordinary DC magnetron sputtering method is used, the coverage is deteriorated as compared with, for example, the case where the IMBS method is used.
[0051]
FIG. 12 shows an ordinary DC magnetron sputtering apparatus. FIG. 13 shows an IMBS device.
[0052]
As shown in FIG. 12, a susceptor 32 on which a substrate (semiconductor wafer) 1 is mounted is installed in a chamber (processing chamber) 31 of a general sputtering apparatus. Is arranged. On the back surface of the target, for example, a magnet 34 is provided. A high electric field (DC) is applied to the target. The pressure in the chamber 31 is reduced by a pump 35.
[0053]
For example, an argon (Ar) gas or the like is injected into the chamber, Ar ions are accelerated by an electric field, and the target atoms collide with the target and fly out by the recoil, thereby being deposited on the substrate.
[0054]
In the IMBS device of FIG. 13, a potential (RF) is also applied to the substrate. As described above, by applying a potential to the substrate, the target atoms easily adhere to the substrate. As a result, coverage can be improved.
[0055]
In FIG. 13, the distance (TS) between the substrate and the target is 200 mm or more, and the TS in FIG. 12 is less than 200 mm. The target atoms are repelled in various directions. However, if the distance between the substrate and the target is increased, the vertical component of the target atoms reaching the substrate can be increased. That is, the target atoms reach the bottoms of the grooves and holes, and the coverage can be improved. In addition, a grid-like shield (collimator) may be provided between the substrate and the target to selectively pass target atoms having a large vertical component, thereby improving the coverage.
[0056]
Note that the barrier layer 26 and the copper alloy layer 27a described above may be formed using an apparatus (a multi-chamber) having a chamber shown in FIGS. Further, a copper film described later may be formed. By using such a multi-chamber, contact with air (oxygen) can be reduced, and oxidation of the film surface can be reduced. In addition, the adhesion rate of foreign substances can be reduced.
[0057]
Next, as shown in FIG. 7, a thin copper film 27b is formed on the copper alloy layer 27a by a sputtering method. This copper film 27b becomes a seed layer at the time of electrolytic plating. Therefore, other conductive films (eg, copper alloy films) may be used, but in order to easily adjust the content (content, alloy concentration, alloy ratio) of other metals in the copper film, It is preferable to use a copper film. Further, this copper film 27b is deposited under conditions of good coverage. For example, it is deposited using the IMBS method.
[0058]
Next, as shown in FIG. 8, the substrate (wafer) 1 is immersed in a plating solution, and a potential is applied (electric field plating) to the seed layer (copper film 27b) to form a copper film 27c on the substrate 1. Precipitate and perform annealing (heat treatment).
[0059]
As a result, metals other than copper in the copper alloy layer 27a diffuse into the copper films 27b and 27c and are alloyed (FIG. 9). In FIG. 9, a portion where copper is alloyed is designated as 28a, and a portion of pure copper (concentration of impurities is extremely low) is designated as 28b. As described above, alloying may proceed inside the groove, and the upper portion of the copper film 27c may not be alloyed. The annealing need not be performed at the above timing, and may be performed, for example, after a later-described CMP process or the like. Further, the impurity metal may be diffused by using a subsequent step of applying heat.
[0060]
At this time, in a wiring groove having a small wiring width, for example, in a wiring groove having a width of L1 or L2, the copper alloy layer (27a) formed on the side wall or the bottom is thin or not formed, so that other metal in the copper film is not formed. The content (alloy concentration) is low or pure copper. In other words, it is close to pure copper or pure copper.
[0061]
Further, as the wiring width increases, for example, from L1 to L4, the degree of the impurity metal contained in the copper alloy film 28a (alloy concentration) increases. Note that L1 to L4 are in the range of 0.14 μm to several μm.
[0062]
Next, as shown in FIG. 10, the second layer wiring M2 is formed by removing the copper alloy film 28a and the like outside the wiring groove 25 by CMP. For example, the wiring formed in the wiring groove 25 having the width L1 is made of pure copper.
[0063]
As described above, in the present embodiment, the alloy supply source is deposited under the condition that the coverage becomes worse as the width of the wiring groove becomes smaller (the coverage becomes better as the wiring width becomes larger). Since the film was formed and alloyed, the content (alloy concentration) of other metals in the copper film increased as the wiring width increased.
[0064]
As a result, SM resistance is improved in a wiring having a large wiring width.
[0065]
That is, when the plug P2 is disposed below the wiring, in a wiring having a large wiring width, stress is applied when copper is condensed, and peeling occurs between the wiring having a low stress and the plug P2. When such peeling occurs, the SM resistance deteriorates, which causes a failure or a failure.
[0066]
On the other hand, in the present embodiment, in the case of the wiring having a large wiring width, alloying is performed, so that the movement of copper atoms can be suppressed and the condensation of copper can be suppressed. As a result, peeling between the wiring and the plug P2 can be reduced.
[0067]
In addition, when alloyed, an increase in wiring resistance poses a problem, but in this case, since the wiring width is large, a problem due to an increase in wiring resistance does not appear remarkably.
[0068]
On the other hand, in a wiring having a small wiring width, an increase in wiring resistance can be suppressed because the copper alloying ratio is small. Further, in a wiring having a small wiring width, even if the plug P2 is formed in the lower layer of the wiring, the effect of stress due to copper condensation is small even if the alloying ratio of copper is small because the volume of the wiring is small with respect to the diameter of the plug P2. Is small.
[0069]
As described above, the resistance of the wiring can be reduced and the SM resistance can be improved even at a part where the wiring width is large and a part where the wiring width is small.
[0070]
Further, according to the present embodiment, the electromigration (EM) resistance can be improved.
[0071]
That is, when the wiring width is small, the bamboo rate is high and the EM resistance is improved. The bamboo rate is a rate at which crystal grain boundaries exist in the direction of the wiring width. For example, when the grain (crystal grain) diameter is equal to the wiring width, the boundary of the grain (crystal grain boundary) crosses the wiring in the short side direction, and the EM path decreases (FIG. 23A). reference). As a result, EM resistance is improved.
[0072]
On the other hand, when the wiring width is large, a large number of grains are arranged along the short side of the wiring, and the number of EM paths along the direction in which current (electrons) flows (the long side direction of the wiring) increases ( FIG. 23 (b)). As a result, the EM resistance deteriorates. FIGS. 23A and 23B are schematic views (plan views) showing the relationship between the wiring width and the grain boundaries.
[0073]
However, in the present embodiment, the copper alloying rate increases as the wiring width increases, so that the movement of copper atoms by EM can be suppressed, and the EM resistance can be improved.
[0074]
Also, in this embodiment, the alloy supply source is formed using a film formation method with poor coverage (low coverage), so that a large number of alloy supply sources are provided in a wide wiring groove in a self-aligned manner. In addition, a small number of alloy supply sources can be formed in the narrow wiring groove.
[0075]
Thereafter, as shown in FIG. 11, a silicon nitride film 29 is formed as a barrier layer serving to prevent diffusion of copper and the like. Thereafter, by repeating the formation of the interlayer insulating film, the plug and the wiring, a further multilayer wiring can be formed. The illustration and description thereof are omitted. At this time, it is also possible to form a wiring above the second-layer wiring in the same manner as the second-layer wiring. Further, the first layer wiring can be formed in the same manner as the second layer wiring. Further, the plug in the layer above the second-layer wiring may be formed using a W film or the like as in the case of the plug P1, or may be formed using another metal, for example, copper. In addition, as a barrier layer that plays a role of preventing diffusion of copper or the like, an insulating barrier film such as silicon carbonitride (SiCN) or silicon carbide (SiC) may be used in addition to a silicon nitride film. Further, a conductive barrier film such as W or CoWB (cobalt tungsten containing boron) or CoWP (cobalt tungsten containing phosphorus) may be formed only on the second layer wiring M2.
[0076]
Further, a protective film is formed on the uppermost wiring, and a part (pad portion) of the uppermost wiring is exposed by removing the protective film. Next, the semiconductor integrated circuit device is connected by connecting the pad portion on the chip and the external terminal of the mounting board via a wire or a bump electrode, and sealing the periphery of the chip with a resin or the like as necessary. Complete. These illustrations are also omitted.
[0077]
(Embodiment 2)
In the first embodiment, a so-called single damascene method in which a wiring and a plug are formed in separate steps has been described as an example. However, a wiring and a plug portion may be formed by a dual damascene method. Note that the steps up to the step of forming the first layer wiring M1 are the same as those of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. 14 to 22 are cross-sectional views of main parts of a substrate showing a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment of the present invention. In these drawings, layers below the plug P2 are omitted.
[0078]
For example, as shown in FIG. 14, a stacked film of, for example, a silicon nitride film and a silicon oxide film is deposited as an interlayer insulating film 219 on the first layer wiring. A contact hole is formed in the laminated film. Next, a silicon nitride film 22 is formed on the interlayer insulating film 219, and then a silicon oxide film 23 is deposited by a CVD method. These laminated films (22, 23) are insulating films for wiring grooves in which wiring grooves are formed.
[0079]
Next, a contact hole C2 is formed by etching the interlayer insulating film 219, the silicon nitride film 22, and the silicon oxide film 23 on the region where the plug is to be formed.
[0080]
Next, as shown in FIG. 15, the silicon oxide film 23 on the region where the second layer wiring is to be formed is removed by etching, and the silicon nitride film 22 exposed by this etching is etched to form a wiring groove 25. . This silicon nitride film 22 is used as an etching stopper. After forming the wiring groove 25, the contact hole C2 may be formed.
[0081]
As shown in FIG. 15, there are various types of widths of the wiring groove 25. For example, the widths L1 to L4 have a relationship of L1 <L2 <L3 <L4.
[0082]
Next, as shown in FIG. 16, for example, a TiN film is deposited as a barrier layer 26 on the silicon oxide film 23 including the inside of the contact hole C2 and the wiring groove 25 by, for example, a sputtering method as in the first embodiment.
[0083]
Next, as shown in FIG. 17, a copper alloy layer 27a is deposited on the barrier layer 26 in the same manner as in the first embodiment. That is, the copper alloy layer 27a is deposited under conditions of poor coverage (low coverage).
[0084]
As described in the first embodiment, the condition of poor coverage refers to a condition in which a film is hardly formed on a side portion or a bottom portion of a narrower wiring groove. In other words, it means that the bottom, side walls, and upper portions of the side walls of the wiring groove having the width L2 are better covered than the wiring groove having the width L1, for example.
[0085]
The copper alloy layer 27a is a source of an alloy (metal other than copper) of the copper alloy wiring formed in the wiring groove 25. Therefore, it is only necessary to contain at least the impurity metal to be diffused, and it is not necessary to contain copper.
[0086]
The metal contained in copper is as described in the first embodiment. Examples of the deposition method include a sputtering method and a CVD method. Further, as described in the first embodiment, when the ordinary DC magnetron sputtering method is used, the coverage is deteriorated as compared with, for example, the case where the IMBS method is used.
[0087]
Next, as shown in FIG. 18, a thin copper film 27b is formed on the copper alloy layer 27a by a sputtering method. This copper film 27b becomes a seed layer at the time of electrolytic plating. Therefore, other conductive films (eg, copper alloy films) may be used, but in order to easily adjust the content (content, alloy concentration, alloy ratio) of other metals in the copper film, It is preferable to use a copper film. Further, this copper film 27b is deposited under conditions of good coverage. For example, it is deposited using the IMBS method.
[0088]
Next, as shown in FIG. 19, the substrate (wafer) 1 is immersed in a plating solution, and a potential is applied (electric field plating) to the seed layer (copper film 27b) to form a copper film 27c on the substrate 1. Precipitate and perform annealing (heat treatment).
[0089]
As a result, metals other than copper in the copper alloy layer 27a diffuse into the copper films 27b and 27c and are alloyed (FIG. 20). In FIG. 20, a portion where copper is alloyed is referred to as 28a, and a portion of pure copper (the concentration of impurities is extremely low) is referred to as 28b. As described above, alloying may proceed inside the groove, and the upper portion of the copper film 27c may not be alloyed. The annealing need not be performed at the above timing, and may be performed, for example, after a later-described CMP process or the like. Further, the impurity metal may be diffused by using a subsequent step of applying heat.
[0090]
At this time, in a wiring groove having a small wiring width, for example, in a wiring groove having a width of L1 or L2, the copper alloy layer (27a) formed on the side wall or the bottom is thin or not formed, so that other metal in the copper film is not formed. The content (alloy concentration) is low or pure copper. In other words, it is close to pure copper or pure copper.
[0091]
Further, as the wiring width increases, for example, from L1 to L4, the degree of the impurity metal contained in the copper alloy film 28a (alloy concentration) increases. Note that L1 to L4 are in the range of 0.14 μm to several μm.
[0092]
Next, as shown in FIG. 21, the copper alloy film 28a and the like outside the wiring groove 25 are removed by CMP to form a second layer wiring M2 and a plug P2. For example, the wiring formed in the wiring groove 25 having the width L1 is made of pure copper.
[0093]
As described above, in the present embodiment, similarly to the first embodiment, the alloy supply source under the condition that the coverage becomes worse as the width of the wiring groove becomes smaller (the coverage becomes better as the wiring width becomes larger). Is deposited, and a copper film is formed thereon and alloyed. As the wiring width increases, the content of other metals in the copper film (alloy concentration) increases. As a result, the effects described in detail in the first embodiment, such as improvement in SM resistance and EM resistance, can be achieved.
[0094]
Further, in the present embodiment, since no barrier film exists between the wiring portion and the plug portion, the alloy in the copper alloy film deposited at the bottom of the wide wiring groove or the like may be used as the copper film in the contact hole C2. The diffusion into the plugs 27b and 27c also makes it possible to alloy the plug P2.
[0095]
As a result, the copper atoms of the plug P2 are less likely to move, and the SM resistance and the EM resistance at the boundary between the plug P2 and the second layer wiring M2 can be improved.
[0096]
Thereafter, as in the first embodiment, for example, a silicon nitride film 29 is formed as a barrier layer (FIG. 22). Thereafter, a multilayer wiring is further formed, and a part (pad portion) of the uppermost layer wiring is exposed by removing a protective film on the uppermost layer wiring, and thereafter, mounting is performed.
[0097]
As described above, the present invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.
[0098]
In particular, in the above-described embodiment, the present invention is applied to the wiring formed on the MISFET and the like, but the present invention is widely applicable to a semiconductor integrated circuit device using a multilayer wiring.
[0099]
【The invention's effect】
The effects obtained by the typical inventions among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0100]
A first groove formed in an insulating film and a first groove formed in a second groove wider than the first groove, the first and second grooves each containing a second metal as a main component. Since the content of the second metal in the second wiring is higher than that in the first wiring of the two wirings, the wiring resistance can be reduced and the SM resistance of the wiring can be improved. In addition, EM resistance can be improved. Further, the characteristics of the wiring can be improved. Further, the reliability of the semiconductor integrated circuit device can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a fragmentary cross-sectional view of a substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 9 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 11 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a sectional view showing a normal DC magnetron sputtering apparatus used for manufacturing the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 13 is a sectional view showing a sputtering apparatus (IMBS apparatus) used for manufacturing the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 14 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate showing a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 16 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, showing a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 17 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, showing a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 18 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, showing a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 19 is a main-portion cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 20 is an essential part cross sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 21 is a fragmentary cross-sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 22 is an essential part cross sectional view of the substrate, illustrating a manufacturing step of the semiconductor integrated circuit device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIG. 23 is a schematic diagram (plan view) showing a relationship between a wiring width and a grain boundary of a grain.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate (substrate)
2 Element separation
3 p-type well
4 n-type well
5 Gate oxide film
7 Gate electrode
8 n Type semiconductor region
9 p Type semiconductor region
10 Sidewall
11 n + Type semiconductor region
12 p + Type semiconductor region
16 Silicide layer
18 interlayer insulating film
19 Interlayer insulation film
22 Silicon nitride film
23 Silicon oxide film
25 Wiring groove
26 Barrier layer
27a Copper alloy layer
27b Copper film
27c copper film
28a Copper alloy film
28b pure copper
29 Silicon nitride film
31 chambers
32 susceptor
33 Target
34 magnet
35 pump
219 Interlayer insulating film
C1 contact hole
C2 contact hole
DC electric field
L1 to L4 Wiring groove width
M1 First layer wiring
M2 Second layer wiring
P1 plug
P2 plug
Qn n-channel type MISFET
Qp p-channel type MISFET
RF electric field
Distance between TS substrate and target

Claims (5)

(a)半導体基板上に形成された絶縁膜と、
(b)前記絶縁膜中に形成された第1の溝および前記第1の溝より幅の広い第2の溝と、
(c)前記第1および第2の溝の内部にそれぞれ形成された第1金属を主成分とし、第2金属を含有する第1および第2配線と、
を有する半導体集積回路装置であって、
(d)前記第1の配線より前記第2の配線の方が前記第2金属の含有率が高いことを特徴とする半導体集積回路装置。
(A) an insulating film formed on a semiconductor substrate;
(B) a first groove formed in the insulating film and a second groove wider than the first groove;
(C) first and second wirings each containing a first metal as a main component and a second metal formed inside the first and second grooves, respectively;
A semiconductor integrated circuit device having
(D) The semiconductor integrated circuit device, wherein the second wiring has a higher content of the second metal than the first wiring.
(a)半導体基板上に形成された絶縁膜と、
(b)前記絶縁膜中に形成された第1の溝および前記第1の溝より幅の広い第2の溝と、
(c)前記第1および第2の溝の内部にそれぞれ形成された銅を主成分とし、銅以外の金属を含有する第1および第2配線と、
を有する半導体集積回路装置であって、
(d)前記第1の配線より前記第2の配線の方が前記銅以外の金属の含有率が高いことを特徴とする半導体集積回路装置。
(A) an insulating film formed on a semiconductor substrate;
(B) a first groove formed in the insulating film and a second groove wider than the first groove;
(C) first and second wirings mainly containing copper formed inside the first and second trenches and containing a metal other than copper,
A semiconductor integrated circuit device having
(D) The semiconductor integrated circuit device, wherein the second wiring has a higher content of a metal other than the copper than the first wiring.
(a)半導体基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜を選択的にエッチングすることにより第1の溝および前記第1の溝より幅の広い第2の溝を形成する工程と、
(b)前記第1の溝および前記第2の溝の内部を含む前記絶縁膜上に、第1金属膜を堆積する工程であって、前記第1の溝の底部、側壁および側壁上部の被覆性より前記第2の溝の底部、側壁および側壁上部の被覆性が良い条件で第1金属膜を堆積する工程と、
(c)前記(b)工程の後、前記第1の溝および前記第2の溝の内部を含む前記絶縁膜の上部に、第2金属膜を堆積する工程と、
(d)前記(c)工程の後、熱処理を施すことにより前記第2金属膜中に前記第1金属膜中の金属を拡散させる工程と、
を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
(A) forming an insulating film on a semiconductor substrate, and selectively etching the insulating film to form a first groove and a second groove wider than the first groove;
(B) depositing a first metal film on the insulating film including the insides of the first groove and the second groove, wherein a bottom portion, a side wall, and an upper portion of the side wall of the first groove are covered; Depositing the first metal film under conditions in which the bottom, side walls, and upper portions of the side walls of the second groove have better coverage than the first groove;
(C) after the step (b), depositing a second metal film on the insulating film including the inside of the first groove and the second groove;
(D) after the step (c), performing a heat treatment to diffuse the metal in the first metal film into the second metal film;
A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising:
前記(b)工程は、前記第1金属膜をイオン化メタルバイアススパッタ法で形成することを特徴とする請求項3記載の半導体集積回路装置の製造方法。4. The method according to claim 3, wherein in the step (b), the first metal film is formed by an ionized metal bias sputtering method. (a)半導体基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜を選択的にエッチングすることにより第1の溝および前記第1の溝より幅の広い第2の溝を形成する工程と、
(b)前記第1の溝および前記第2の溝の内部を含む前記絶縁膜上に、銅以外の金属を堆積する工程であって、前記第1の溝の底部、側壁および側壁上部の被覆性より前記第2の溝の底部、側壁および側壁上部の被覆性が良い条件で銅以外の金属を堆積する工程と、
(c)前記(b)工程の後、前記第1の溝および前記第2の溝の内部を含む前記絶縁膜の上部に、銅を堆積する工程と、
(d)前記(c)工程の後、熱処理を施すことにより前記銅中に前記銅以外の金属を拡散させる工程と、
を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
(A) forming an insulating film on a semiconductor substrate, and selectively etching the insulating film to form a first groove and a second groove wider than the first groove;
(B) depositing a metal other than copper on the insulating film including the inside of the first groove and the second groove, and covering a bottom, a side wall, and an upper part of the side wall of the first groove; Depositing a metal other than copper under conditions that the bottom, side walls, and the upper part of the side walls of the second groove have good coatability due to their properties;
(C) after the step (b), depositing copper on the insulating film including the insides of the first groove and the second groove;
(D) a step of diffusing a metal other than the copper into the copper by performing a heat treatment after the step (c);
A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising:
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