JP2008071850A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】400℃以上の高温でのリフロー処理を行わなくても、リフロー処理による埋め込み特性が改善された状態で、凹部内にCuを主成分とする導電層を形成する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】まず、基板11上に設けられた層間絶縁膜15に配線溝16を形成する工程を行う。次に、配線溝16の内壁を覆う状態で、CuMn合金からなる合金層21を形成する工程を行う。次いで、リフロー処理により合金層21を流動させて配線溝16を合金層21で埋め込むとともに、合金層21中のMnを層間絶縁膜12、15の構成成分と反応させて、合金層21と層間絶縁膜12、15との界面に、Cuの拡散バリア性を有するMn化合物からなる自己形成バリア膜22を形成する工程を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【選択図】図1A method of manufacturing a semiconductor device in which a conductive layer mainly composed of Cu is formed in a recess in a state where embedding characteristics by the reflow process are improved without performing a reflow process at a high temperature of 400 ° C. or higher. provide.
First, a step of forming a wiring trench 16 in an interlayer insulating film 15 provided on a substrate 11 is performed. Next, the process of forming the alloy layer 21 which consists of a CuMn alloy in the state which covers the inner wall of the wiring groove | channel 16 is performed. Next, the alloy layer 21 is made to flow by reflow treatment so that the wiring groove 16 is filled with the alloy layer 21, and Mn in the alloy layer 21 is reacted with the constituent components of the interlayer insulating films 12 and 15, thereby A method of manufacturing a semiconductor device comprising performing a step of forming a self-formed barrier film 22 made of a Mn compound having a diffusion barrier property of Cu at an interface with the films 12 and 15.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しくは、配線またはヴィアと層間絶縁膜との間に自己形成バリア膜が設けられたダマシン構造を有する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a damascene structure in which a self-formed barrier film is provided between a wiring or a via and an interlayer insulating film.
半導体装置の銅(Cu)配線形成プロセスにおいては、一般的に、層間絶縁膜に設けられた配線溝を埋め込むことで、配線パターンを形成するダマシン法が行われている。ダマシン法によるCu配線の形成の際には、層間絶縁膜へのCuの拡散を防止するため、通常Cuを埋め込む前に、配線溝の内壁を覆う状態で、タンタル(Ta)、もしくはタンタル窒化膜(TaN)等のバリア膜を10nm程度の膜厚で成膜する。その後、電解めっき法により、バリア膜が設けられた配線溝内にCu層を埋め込む。 In a copper (Cu) wiring formation process of a semiconductor device, a damascene method for forming a wiring pattern by embedding wiring grooves provided in an interlayer insulating film is generally performed. When forming a Cu wiring by the damascene method, in order to prevent Cu from diffusing into the interlayer insulating film, the tantalum (Ta) or tantalum nitride film is usually covered with the inner wall of the wiring trench before embedding Cu. A barrier film such as (TaN) is formed to a thickness of about 10 nm. Thereafter, a Cu layer is embedded in the wiring trench provided with the barrier film by electrolytic plating.
なお、上述したような電解めっき法によりCu層を埋め込む方法以外にも、スパッタリフロー法によるCu層の埋め込みも提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。この方法について、図9を用いて説明する。まず、図9(a)に示すように、シリコンウェハからなる基板11上に、酸化シリコン(SiO2)からなる層間絶縁膜12を形成した後、この層間絶縁膜12に基板11に達する状態の接続孔13を形成し、接続孔13内に例えばタングステン(W)からなるヴィア14を埋め込み形成する。
In addition to the method of embedding the Cu layer by the electrolytic plating method described above, embedding of the Cu layer by a sputter reflow method has also been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). This method will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 9A, an
次に、ヴィア14上を含む層間絶縁膜12上に、SiO2からなる層間絶縁膜15を形成する。次いで、層間絶縁膜15に、層間絶縁膜12およびヴィア14に達する状態の配線溝16を形成した後、配線溝16の内壁を覆う状態で、Ta等の金属またはTaN等の金属化合物からなるバリア膜17を形成する。
Next, an
次いで、図9(b)に示すように、スパッタリング法により、バリア膜17で覆われた配線溝16の内壁を覆う状態で、純Cuからなる導電層18を形成する。この導電層18は、後工程で行うリフロー処理により、配線溝16を埋め込める程度の膜厚で形成される。
Next, as shown in FIG. 9B, a
次に、図9(c)に示すように、リフロー処理により導電層18を流動させて配線溝16を導電層18で埋め込む。その後、ここでの図示は省略したが、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing(CMP))法により、配線パターンとして不要な部分の導電層18およびバリア膜17を除去し、露出された層間絶縁膜15の表面側を削り込むことで、上記配線溝16に配線を形成する。
Next, as shown in FIG. 9C, the
しかし、上述したような製造方法では、金属または金属化合物からなるバリア膜17とCuからなる導電層18との濡れ性がよく、密着性が高いため、リフロー処理により特にバリア膜17側の導電層18が流動し難い。このため、導電層18のバリア膜17側は流動性が低く、表面側はバリア膜17側よりも流動性が高くなり、箇所により流動性が異なることから、配線溝16への埋め込み特性が悪くなる。これにより、配線溝16内の導電層18中にボイドVが発生してしまい、配線信頼性が悪くなる、という問題がある。
However, in the manufacturing method as described above, the
また、上記導電層18を流動させるには、400℃以上でのリフロー処理が必要となるが、400℃以上の高温をかけると、基板11に設けられた半導体素子に熱ダメージを与えてしまう。また、配線層を積層する毎にリフロー処理により熱応力が加わるため、配線内に応力集中部ができ、断線やボイドの発生による導電不良を引き起こす。これによっても配線信頼性が低下する。さらに、400℃以上の高温処理雰囲気下における層間絶縁膜12、15からの脱ガスにより、バリア膜17が変質し、配線との密着性が悪くなることで、配線のエレクトロマイグレーション(EM)耐性を劣化させる、という問題もある。
Further, in order to cause the
以上のことから、本発明は、400℃以上の高温でのリフロー処理を行わなくても、リフロー処理による埋め込み特性が改善された状態で、凹部内にCuを主成分とする導電層を形成する半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。 From the above, the present invention forms a conductive layer containing Cu as a main component in the recess in a state in which the embedding property by the reflow process is improved without performing the reflow process at a high temperature of 400 ° C. or higher. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第1工程では、基板上に設けられた絶縁膜に凹部を形成する工程を行う。次に、第2工程では、凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属とからなる合金層を形成する工程を行う。次いで、第3工程では、リフロー処理により合金層を流動させて凹部を合金層で埋め込むとともに、合金層中の金属を絶縁膜の構成成分と反応させて、合金層と絶縁膜との界面に、銅の拡散バリア性を有する金属化合物からなるバリア膜を形成する工程を行う。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized by sequentially performing the following steps. First, in a 1st process, the process of forming a recessed part in the insulating film provided on the board | substrate is performed. Next, in a 2nd process, the process of forming the alloy layer which consists of copper and metals other than copper is performed in the state which covers the inner wall of a recessed part. Next, in the third step, the alloy layer is made to flow by reflow treatment to fill the recesses with the alloy layer, and the metal in the alloy layer is reacted with the constituent components of the insulating film, so that at the interface between the alloy layer and the insulating film, A step of forming a barrier film made of a metal compound having a copper diffusion barrier property is performed.
このような半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜に設けられた凹部の内壁を覆う状態で、上記合金層を形成した後、リフロー処理によりこの合金層を流動させて凹部を合金層で埋め込むことから、一般に金属層との密着性が低い絶縁膜上を合金層が流動する状態となる。これにより、400℃以上の高温でリフロー処理を行わなくても、合金層の凹部への埋め込みが改善される。このため、高温処理による半導体素子へのダメージや熱履歴に起因する断線やボイドの発生による導電不良が防止される。また、リフロー処理とともに、合金層中の金属を絶縁膜の構成成分と反応させてバリア膜が形成されるため、高温処理によるバリア膜の劣化が防止される。さらに、合金層中の金属を絶縁膜との界面側に偏析させることで、凹部内にCuを主成分とする導電層を形成することが可能となる。 According to such a method for manufacturing a semiconductor device, after forming the alloy layer in a state of covering the inner wall of the recess provided in the insulating film, the alloy layer is flowed by reflow treatment to fill the recess with the alloy layer. For this reason, the alloy layer generally flows on an insulating film having low adhesion to the metal layer. Thereby, even if it does not perform a reflow process at the high temperature of 400 degreeC or more, the embedding to the recessed part of an alloy layer is improved. For this reason, the electrical conductivity failure by the generation | occurrence | production of the disconnection and void resulting from the damage to a semiconductor element by a high temperature process or a thermal history is prevented. In addition, since the barrier film is formed by reacting the metal in the alloy layer with the constituent components of the insulating film together with the reflow process, the barrier film is prevented from being deteriorated due to the high temperature process. Furthermore, by segregating the metal in the alloy layer toward the interface with the insulating film, it is possible to form a conductive layer mainly composed of Cu in the recess.
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、400℃以上の高温でリフロー処理を行わなくても、リフロー処理により凹部内にCuを主成分とする導電層を埋め込み特性よく形成することが可能となる。したがって、凹部が配線溝、導電層が配線である場合には、配線信頼性を向上させることができ、半導体装置の高品質化、高性能化が図れる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a conductive layer containing Cu as a main component is embedded in the recess by reflow processing without performing reflow processing at a high temperature of 400 ° C. or higher. It becomes possible to form. Therefore, when the recess is a wiring groove and the conductive layer is a wiring, wiring reliability can be improved, and the quality and performance of the semiconductor device can be improved.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本実施形態例は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の実施形態の一例であり、シングルダマシン配線構造の形成に係わる。以下、図1〜図2の製造工程断面図を用いて本発明の第1実施形態を説明する。なお、背景技術と同様の構成には、同一の番号を付して説明することとする。
(First embodiment)
The present embodiment is an example of an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and relates to the formation of a single damascene wiring structure. Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to the cross-sectional views of the manufacturing steps shown in FIGS. In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to a background art.
まず、図1(a)に示すように、トランジスタ等の素子が形成されたシリコンウェハからなる基板11上に、例えばSiO2からなる層間絶縁膜12を形成した後、基板11に達する状態の接続孔13を形成し、接続孔13内に例えばWからなるヴィア14を埋め込み形成する。
First, as shown in FIG. 1A, after an
次に、例えばプラズマ励起化学的気相成長(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD))法により、成膜ガスにシラン(SiH4)を用いて、ヴィア14上を含む層間絶縁膜12上に、例えばSiO2からなる層間絶縁膜15を形成する。
Next, by using, for example, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), silane (SiH 4 ) is used as a film forming gas, on the
次いで、層間絶縁膜15上に、配線溝パターンを有するレジストパターン(図示省略)を形成し、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより層間絶縁膜15に、配線溝16(凹部)を形成する。この配線溝16の開口幅は、75nmであることとする。
Next, a resist pattern (not shown) having a wiring groove pattern is formed on the
続いて、図1(b)に示すように、例えばCuMnからなる合金ターゲットを用いて、例えばスパッタリング法等の物理的気相成長(Physical Vapor Deposition(PVD))法により、配線溝16の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜15上に、CuMnからなる合金層21を形成する。ここで、合金層21中のMnは、後工程で熱処理を行うことにより、層間絶縁膜12、15の構成成分と反応して自己形成バリア膜を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1B, the inner wall of the
このため、合金層21中のMn濃度は、後工程で行う熱処理により、合金層21と層間絶縁膜12、15の界面に連続的な自己形成バリア膜を形成可能なMn濃度以上で、かつ配線溝16内に形成する配線中にMnが残存した場合の配線抵抗が、許容範囲内となるMn濃度の範囲で規定される。具体的には、合金層21中のMn濃度は1atomic%以上10atomic%以下であり、好ましくは2atomic%以上6atomic%以下であることとする。さらに、Cu中にMnが含まれることで、純Cu層よりも融点が低くなるため、後工程で行うリフロー処理での流動性が高くなる。
For this reason, the Mn concentration in the
また、合金層21の膜厚は、後述するリフロー処理により配線溝16を埋め込める程度の膜厚であり、上述したように配線溝16の開口幅が75nmである場合には、配線溝パターンのない平滑部で100nm以上であることが好ましい。ここでは、合金層21を例えば200nmの膜厚で形成する。
The
次に、図1(c)に示すように、水素等の還元ガスまたは還元ガスと不活性ガスの混合ガス雰囲気下で、リフロー処理により合金層21(前記図1(b)参照)を流動させて、上記配線溝16を上記合金層21で埋め込む。このリフロー処理は250℃以上400℃未満、好ましくは、250℃以上300℃以下の温度範囲で、30秒間〜30分間の処理時間で行う。ここでは、例えば300℃で5分間のリフロー処理を行うこととする。この際、合金層21は合金層21との密着性が低い層間絶縁膜15上を流動することから、背景技術で図9(b)を用いて説明した、導電層18が金属または金属化合物からなるバリア膜17上を流動する場合と比較して、合金層21の配線溝16内への埋め込み特性が改善される。また、合金層21がCu以外にMnを含むことによっても、純Cuよりも流動性が高くなるため、埋め込み特性が改善される。
Next, as shown in FIG. 1C, the alloy layer 21 (see FIG. 1B) is caused to flow by reflow treatment in a reducing gas such as hydrogen or a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas. Then, the
また、このリフロー処理により、合金層21中のMnが層間絶縁膜12、15の構成成分と反応し、合金層21と層間絶縁膜12、15との界面に、Cuの拡散防止性を有する自己形成バリア膜22が形成される。ここでは、層間絶縁膜12、15がSiO2で構成されているため、自己形成バリア膜22は、シリコン含有Mn酸化物(MnSixOy)またはMn酸化物(MnxOy)等のMn化合物で構成され、2nm〜3nmの膜厚で形成される。なお、層間絶縁膜12、15の構成成分には、層間絶縁膜12、15の表面に吸着する大気中からの酸素または水分等も含まれることとする。さらに、この熱処理により、合金層21の表面側にもMnが偏析することで、MnO層Mが形成される。また、上記反応により、合金層21中のMnは層間絶縁膜12、15との界面側と表面側に偏析されるため、熱処理後の合金層21はCu層21’となる。ただし、このCu層21’には、微量のMnが含まれていてもよい。
Further, by this reflow treatment, Mn in the
なお、ここでは、リフロー処理と同一工程で自己形成バリア膜22が形成されることとしたが、リフロー処理により、連続的な自己形成バリア膜22が確実に形成されない場合には、リフロー処理により配線溝16を合金層21で埋め込んだ後に、再度熱処理を行うことで、確実に自己形成バリア膜22を形成することが好ましい。
Here, the self-formed
続いて、図2(d)に示すように、例えばCMP法により、2段階の研磨を行い、1段階目では、MnO層M(前記図1(c)参照)とともに配線パターンとして不要な部分のCu層21’(前記図1(c)参照)を除去する。続いて、2段階目の研磨では、自己形成バリア膜22を除去し、露出された層間絶縁膜15を100nm削り込む。これにより、配線溝16にCuからなる配線21''が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 2D, two-step polishing is performed by, for example, a CMP method. In the first step, unnecessary portions of the wiring pattern are formed together with the MnO layer M (see FIG. 1C). The
次いで、クエン酸水溶液やシュウ酸水溶液等を用いた有機酸洗浄を行うことで、配線21''上の酸化膜と上記CMP工程で配線21''表面に残存するベンゾトリアゾール誘導体等のCuの防食剤を除去する。その後、トリメチルシラン(3MS)等のシリコン含有材料とアンモニア(NH3)等を成膜ガスとして用いたCVD法により、配線21''上および層間絶縁膜15上に、例えば炭窒化シリコン(SiCN)からなるキャップ膜23を50nmの膜厚で成膜する。
Next, by performing organic acid cleaning using a citric acid aqueous solution, an oxalic acid aqueous solution, or the like, corrosion prevention of Cu such as an oxide film on the
このような半導体装置の製造方法によれば、図1(b)〜(c)を用いて説明したように、配線溝16の内壁を覆う状態で合金層21を形成した後、リフロー処理により合金層21を流動させて配線溝16を合金層21で埋め込むことから、層間絶縁膜15上を合金層21が流動する状態となる。これにより、400℃以上の高温でリフロー処理を行わなくても、合金層21の配線溝16の埋め込みが改善される。このため、高温処理による半導体素子へのダメージや熱履歴に起因する断線やボイドの発生により導電不良が防止される。また、リフロー処理による埋め込みとともに、合金層21中のMnを層間絶縁膜12、15の構成成分と反応させて自己形成バリア膜22を形成するため、高温処理によるバリア膜の劣化が防止される。さらに、このリフロー処理により、合金層21中のMnは層間絶縁膜12、15の界面側と、合金層21の表面側に偏析されるため、熱処理後の合金層21はCu層21’となる。したがって、配線溝16内に埋め込み特性よくCu層21’を形成することができるため、配線信頼性を向上させることができ、半導体装置の高品質化、高性能化が図れる。
According to such a method for manufacturing a semiconductor device, as described with reference to FIGS. 1B to 1C, the
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、層間絶縁膜12,15からの脱ガス成分(主に酸化ガス成分)は、自己形成バリア膜22の形成のために消費されるため、脱ガスによる悪影響を抑制することができる。
Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present embodiment, the degassing component (mainly oxidizing gas component) from the
なお、ここでは、合金層21を成膜した後に1回のリフロー処理を行うことで、配線溝16を埋め込むこととしたが、1回の成膜とリフロー処理で配線溝16が埋め込まれなかった場合には、成膜とリフロー処理を繰り返して行っても良い。ただし、2回目以降に成膜される分は、自己形成バリア膜22の形成には寄与しないため、純Cu層等のCuを主成分とする導電層を成膜することが好ましい。
Here, the
また、ここでは、層間絶縁膜12、15がSiO2で形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、SiO2よりも比誘電率の低い低誘電率膜で形成されていてもよく、有機系絶縁膜と無機系絶縁膜とを備えたハイブリッド構造であってもよい。特に、熱処理による脱ガス成分が多くなる多孔質性の絶縁膜を用いた場合に、本発明は好適に用いられる。
Although the example in which the
(変形例1)
次に、上記第1実施形態の変形例1について、図3の製造工程断面図を用いて説明する。なお、層間絶縁膜15に配線溝16を形成する工程までは、第1実施形態と同様に行うこととする。
(Modification 1)
Next, Modification 1 of the first embodiment will be described with reference to the manufacturing process sectional view of FIG. Note that the process up to the step of forming the
まず、図3(a)に示すように、配線溝16の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜15上に、合金層21aを形成する。この場合の合金層21aは、後工程でリフロー処理を行っても配線溝16を埋め込まない程度の膜厚で形成され、配線溝パターンのない平滑部で10nm以上50nm以下で形成されることとする。ここでは、上記合金層21aを30nmの膜厚で形成する。また、合金層21a中のMn濃度は、第1実施形態で図1(b)を用いて説明した合金層21と同様に、1atomic%以上10atomic%以下であり、好ましくは2atomic%以上6atomic%以下であることとする。
First, as shown in FIG. 3A, an
次に、図3(b)に示すように、合金層21aで覆われた配線溝16の内壁を覆う状態で、例えば純Cuからなる導電層21bを成膜する。この導電層21bの膜厚は、後工程で行うリフロー処理により、合金層21aと導電層21bとで配線溝16が埋め込まれる程度の膜厚であることとする。例えば配線溝16が75nmの開口幅で形成される場合には、この導電層21bは、配線溝パターンのない平滑部で70nm以上の膜厚で形成されることが好ましく、ここでは、200nmで形成されることとする。
Next, as shown in FIG. 3B, a conductive layer 21b made of pure Cu, for example, is formed in a state of covering the inner wall of the
なお、ここでは、導電層21bが純Cuで構成される例について説明するが、上記導電層21bとしては、Cuを主成分として含んでいればよく、例えば比抵抗の上昇が少ないCuAg合金を用いてもよい。 Here, an example in which the conductive layer 21b is made of pure Cu will be described. However, the conductive layer 21b only needs to contain Cu as a main component. For example, a CuAg alloy with a small increase in specific resistance is used. May be.
次いで、図3(c)に示すように、水素等の還元ガスまたは還元ガスと不活性ガスの混合ガス雰囲気下で、例えば300℃で5分間のリフロー処理を行うことにより、合金層21aおよび導電層21bを流動させて、上記配線溝16を上記合金層21aと導電層21bで埋め込む。また、このリフロー処理により、合金層21a(前記図1(b)参照)中のMnが層間絶縁膜12、15の構成成分と反応し、合金層21aと層間絶縁膜12、15との界面に、Mn化合物からなる自己形成バリア膜22が形成される。さらに、この熱処理により、導電層21bの表面側にもMnが偏析することで、MnO層Mが形成される。また、上記反応により、合金層21a中のMnは層間絶縁膜12、15との界面側と導電層21bの表面側に偏析されるため、熱処理後の配線溝16内はCu層21’で埋め込まれた状態となる。ここで、本実施形態においては、合金層21a上に純Cuからなる導電層21bを成膜した状態でリフロー処理を行うことから、配線溝16内のCu層21’へのMnの残存量を少なくすることが可能となる。
Next, as shown in FIG. 3C, reflow treatment is performed at 300 ° C. for 5 minutes, for example, in a reducing gas atmosphere such as hydrogen or a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas. By flowing the layer 21b, the
この後の工程は、第1実施形態において、図2(d)〜(e)を用いて説明した工程と同様に行うこととする。すなわち、CMP法により、2段階の研磨を行い、MnO層Mとともに配線パターンとして不要な部分のCu層21’と、自己形成バリア膜22および露出された層間絶縁膜15を削り込むことで、配線溝16にCuからなる配線21''を形成する。続いて、有機酸洗浄を行うことで、配線21''上の酸化膜とCuの防食剤を除去した後、配線21''上および層間絶縁膜15上に、例えばSiCNからなるキャップ膜23を形成する。
The subsequent steps are performed in the same manner as the steps described using FIGS. 2D to 2E in the first embodiment. That is, by performing two-step polishing by the CMP method, the unnecessary portion of the
このような半導体装置の製造方法であっても、層間絶縁膜15に設けられた配線溝16の内壁を覆う状態で、CuMnからなる合金層21aと純Cuからなる導電層21bとを順次積層した後に、リフロー処理を行うことから、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
Even in such a method of manufacturing a semiconductor device, the
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、合金層21a上にCuを主成分とする導電層21bを形成することで、配線溝16内のCu層21’へのMnの残存量を確実に抑制することができる。これにより、配線抵抗の増大を抑制することができる。
In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present embodiment, the remaining amount of Mn in the
(第3実施形態)
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第3の実施の形態を、図4〜図6の製造工程断面図を用いて説明する。ここでは、第1実施形態で説明したキャップ膜の上層に、デュアルダマシン配線構造を形成する例について、説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional views of FIGS. Here, an example in which a dual damascene wiring structure is formed on the cap film described in the first embodiment will be described.
まず、図4(a)に示すように、キャップ膜23上に、例えばPE−CVD法により、例えばSiO2からなる層間絶縁膜24を350nmの膜厚で形成する。続いて、層間絶縁膜24上に、接続孔パターンを有するレジストパターン(図示省略)を形成し、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、キャップ膜23に達する状態の接続孔25aを形成する。
First, as shown in FIG. 4A, an
次に、図4(b)に示すように、接続孔25aを埋め込む状態で、層間絶縁膜24上にレジストRを塗布する。続いて、レジストR上にSOG(Spin On Glass)膜を形成し、SOG膜上に配線溝パターンを有するレジストパターン(図示省略)を形成した後、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、SOG膜を加工して、ハードマスク26を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, a resist R is applied on the
次いで、図4(c)に示すように、ハードマスク26をマスクに用いたエッチングにより、上記レジストR(前記図4(b)参照)を加工し、配線溝パターンを有するレジストパターンR’を形成する。また、接続孔25aの底部側を覆うレジストRは残存させる。
Next, as shown in FIG. 4C, the resist R (see FIG. 4B) is processed by etching using the
続いて、図5(d)に示すように、上記ハードマスク26(前記図4(c)参照)とレジストパターンR’とをマスクに用いたエッチングにより、層間絶縁膜24の上層側に接続孔25aと連通する状態の配線溝25bを形成する。これにより、配線溝25bとその底部に連通する接続孔25aとからなるデュアルダマシン開口部25(凹部)が形成される。この際、エッチング時間を制御することで、上記配線溝25bの深さを制御する。ここで、接続孔25aの開口幅は75nm、深さは110nm、配線溝25bの開口幅は75〜100nm、深さは150nmであることとする。また、接続孔25aの内部にレジストRを残存させることで、接続孔25aの側壁がエッチングされることを防止し、側壁が垂直に維持される。
Subsequently, as shown in FIG. 5D, a connection hole is formed on the upper side of the
その後、図5(e)に示すように、アッシングおよび薬液洗浄により、上記レジストパターンR’(前記図5(d)参照)およびレジストR(前記図5(d)参照)を除去した後、接続孔25aの底部のキャップ膜23を露出する。
Thereafter, as shown in FIG. 5E, the resist pattern R ′ (see FIG. 5D) and the resist R (see FIG. 5D) are removed by ashing and chemical cleaning, and then connected. The
次に、図5(f)に示すように、接続孔25a底部のキャップ膜23を除去し、配線21''の表面を露出する。
Next, as shown in FIG. 5F, the
次いで、図6(g)に示すように、例えばスパッタリング法により、デュアルダマシン開口部25の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜24上に、CuMn合金からなる合金層27を形成する。ここで、第1実施形態と同様に、この合金層27のMn濃度は、1atomic%以上10atomic%以下であり、好ましくは2atomic%以上6atomic%以下である。また、合金層27の膜厚は、配線溝パターンのない平滑部で100nm以上である。
Next, as shown in FIG. 6G, an
続いて、図6(h)に示すように、例えば300℃で5分間のリフロー処理により、合金層27(前記図6(g)参照)を流動させてデュアルダマシン開口部25を埋め込むとともに、合金層27中のMnを層間絶縁膜24の構成成分と反応させて、合金層27と層間絶縁膜24の間にCuの拡散防止性を有するMn化合物からなる自己形成バリア膜28を形成する。ここで、第1実施形態と同様に、層間絶縁膜24はSiO2で構成されているため、自己形成バリア膜28は、シリコン含有Mn酸化物(MnSixOy)またはMn酸化物(MnxOy)で構成され、2nm〜3nmの膜厚で形成される。また、このリフロー処理により、合金層27の表面にもMn酸化物(MnO)層Mが形成される。なお、Mnが偏析されることで、合金層27はCu層27’となる。
Subsequently, as shown in FIG. 6 (h), the alloy layer 27 (see FIG. 6 (g)) is flowed by, for example, a reflow process at 300 ° C. for 5 minutes to fill the
その後、図6(i)に示すように、例えばCMP法により、2段階の研磨を行い、1段階目では、MnO層M(前記図6(h)参照)とともに配線パターンとして不要な部分のCu層27’(前記図6(h)参照)を除去する。続いて、2段階目の研磨では、自己形成バリア膜28を除去し、露出された層間絶縁膜24を100nm削り込む。これにより、接続孔25aに配線21''と連通する状態のヴィア27a''が形成されるとともに、配線溝25bに配線27b''が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 6 (i), two-step polishing is performed by, for example, a CMP method, and in the first step, an unnecessary portion of Cu as a wiring pattern is formed together with the MnO layer M (see FIG. 6 (h)). The
次いで、有機酸洗浄を行うことで、配線27b''上の酸化膜と上記CMP工程で配線27b''表面に残存するCuの防食剤を除去する。その後、配線27b''上および層間絶縁膜24上に、例えばSiCNからなるキャップ膜29を50nmの膜厚で成膜する。
Next, organic oxide cleaning is performed to remove the oxide film on the wiring 27b ″ and the Cu anticorrosive remaining on the surface of the wiring 27b ″ in the CMP process. Thereafter, a
このような半導体装置の製造方法であっても、図6(g)〜(h)を用いて説明したように、層間絶縁膜24に設けられたデュアルダマシン開口部25の内壁を覆う状態で、CuMnからなる合金層27を形成した後に、リフロー処理を行うことから、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
Even in such a method of manufacturing a semiconductor device, as described with reference to FIGS. 6G to 6H, the inner wall of the
(第3実施形態)
本実施形態においては、第2実施形態において図4(a)を用いて説明した層間絶縁膜24を有機絶縁層と無機絶縁層とからなるハイブリッド構造とする例について説明する。なお、第2実施形態と同様の構成には、同一の番号を付して説明する。
(Third embodiment)
In the present embodiment, an example in which the
まず、図7(a)に示すように、キャップ膜23上に、例えばSiOC膜からなる無機絶縁層24a’と、例えばPAE膜からなる有機絶縁層24b’とSiO2膜からなるハードマスク層24c’とを順次積層してなる層間絶縁膜24’を形成する。
First, as shown in FIG. 7A, on the
次に、本構造の層間絶縁膜24’に、キャップ膜23に達する状態の接続孔25aと配線溝25bとからなるデュアルダマシン開口部25を形成する。ここで、無機絶縁層24a’には接続孔25aを形成し、ハードマスク層24c’および有機絶縁層24b’には配線溝25bを形成する。
Next, a
上記デュアルダマシン開口部25の形成方法としては、最初に接続孔25aを開口し、その後に配線溝25bを開口する方法を用いることができる。また、上記層間絶縁膜24’上に形成した積層ハードマスク(図示省略)に配線溝パターンを形成した後、上記層間絶縁膜24’に接続孔25aを途中まで開口し、その後、上記積層ハードマスクを用いて配線溝25bと接続孔25aとを完全に開口する製造方法を用いてもよい。この詳細な形成方法は、例えば特開2004−63859号公報に開示されている。
As a method of forming the
以上のようにして、層間絶縁膜24’に接続孔25aと配線溝25bとを形成した後、接続孔25aの底部のキャップ膜23を除去し、配線21''を露出させる。
As described above, after the
この後の工程は、第2実施形態で図6(g)〜(i)を用いて説明した工程と同様に行う。すなわち、図7(b)に示すようにスパッタリング法により、デュアルダマシン開口部25の内壁を覆う状態で、ハードマスク層24c’上に、CuMnからなる合金層27を形成する。
Subsequent steps are performed in the same manner as the steps described in the second embodiment with reference to FIGS. That is, as shown in FIG. 7B, an
続いて、図7(c)に示すように、例えば300℃で5分間のリフロー処理により、合金層27(前記図7(b)参照)を流動させてデュアルダマシン開口部25を埋め込むとともに、合金層27中のMnを層間絶縁膜24’の構成成分と反応させて、合金層27と層間絶縁膜24’の間にCuの拡散防止性を有するMn化合物からなる自己形成バリア膜28を形成する。ここで、層間絶縁膜24’はSiOC膜、PAE膜、SiO2膜が順次積層して構成されており、キャップ膜23はSiCNで構成されるため、自己形成バリア膜28は、シリコン含有Mn酸化物(MnSixOy)、Mn酸化物(MnxOy)、Mn炭化物(MnxCy)のいずれかを含む状態で構成され、2nm〜3nmの膜厚で形成される。また、このリフロー処理により、合金層27の表面側にもMnが偏析されてMnO層Mが形成される。なお、Mnが偏析されることで、合金層27はCu層27’となる。
Subsequently, as shown in FIG. 7C, the alloy layer 27 (see FIG. 7B) is flowed by, for example, a reflow process at 300 ° C. for 5 minutes to fill the
その後、図8に示すように、例えばCMP法により、2段階の研磨を行い、1段階目では、MnO層M(前記図7(c)参照)とともに配線パターンとして不要な部分のCu層27’(前記図7(c)参照)を除去する。続いて、2段階目の研磨では、自己形成バリア膜28を除去し、露出された層間絶縁膜24’を100nm削り込む。これにより、接続孔25aに配線21''と連通する状態のヴィア27a''が形成されるとともに、配線溝25bに配線27b''が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 8, two-step polishing is performed by, for example, a CMP method, and in the first step, an unnecessary portion of the
次いで、有機酸洗浄を行うことで、配線27b''上の酸化膜とCuの防食剤を除去する。その後、配線27b''上および層間絶縁膜24’上に、例えばSiCNからなるキャップ膜29を50nmの膜厚で成膜する。
Next, an organic acid cleaning is performed to remove the oxide film on the wiring 27b ″ and the Cu anticorrosive. Thereafter, a
このような半導体装置の製造方法であっても、図7(b)〜(c)を用いて説明したように、層間絶縁膜24’に設けられたデュアルダマシン開口部25の内壁を覆う状態で、CuMnからなる合金層27を形成した後に、リフロー処理を行うことから、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態の半導体装置の製造方法においては、耐熱性の低い有機絶縁層24b’を用いていることから、本発明を好適に用いることができる。
Even in such a method of manufacturing a semiconductor device, as described with reference to FIGS. 7B to 7C, the inner wall of the
なお、上述した第2実施形態および第3実施形態に、第1実施形態の変形例1を適用することも可能である。 In addition, it is also possible to apply the modification 1 of 1st Embodiment to 2nd Embodiment and 3rd Embodiment which were mentioned above.
また、上述した第1実施形態〜第3実施形態においては、CuMnで合金層21、27を構成する例について説明したが、合金層21、27を構成するCu以外の金属としては、上述したMnの他に、例えばアルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)を例示することができる。例えば、合金層21、27をCuAlとする場合には、第1、第2実施形態では、自己形成バリア膜22、28として、例えばシリコン含有Al酸化物(AlSixOy)またはAl酸化物(AlxOy)が形成され、第3実施形態においては、上記化合物にAl炭化物(AlxCy)を含めた少なくとも1種が形成される。また、合金層21、27をCuZnとする場合には、第1、第2実施形態では、自己形成バリア膜22、28として、例えばシリコン含有Al酸化物(AlSixOy)またはAl酸化物(AlxOy)が形成され、第3実施形態においては、上記化合物にAl炭化物(AlxCy)を含めた少なくとも1種が形成される。
In the first to third embodiments described above, the example in which the alloy layers 21 and 27 are made of CuMn has been described. However, as the metal other than Cu constituting the alloy layers 21 and 27, the above-described Mn In addition, for example, aluminum (Al), zinc (Zn), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), and tantalum (Ta) can be exemplified. For example, when the alloy layers 21 and 27 are made of CuAl, in the first and second embodiments, as the self-forming
11…基板、12,15,24,24’…層間絶縁膜、16,25b…配線溝、21,21a,27…合金層、21b…導電層、22,28…自己形成バリア膜、25…デュアルダマシン開口部、25a…接続孔、21'',27b''…配線、27a’…ヴィア
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記凹部の内壁を覆う状態で、銅と銅以外の金属とからなる合金層を形成する第2工程と、
リフロー処理により前記合金層を流動させて前記凹部を前記合金層で埋め込むとともに、前記合金層中の前記金属を前記絶縁膜の構成成分と反応させて、当該合金層と前記絶縁膜との界面に、銅の拡散バリア性を有する金属化合物からなるバリア膜を形成する第3工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first step of forming a recess in an insulating film provided on the substrate;
A second step of forming an alloy layer made of copper and a metal other than copper in a state of covering the inner wall of the recess;
The alloy layer is caused to flow by reflow treatment so that the concave portion is filled with the alloy layer, and the metal in the alloy layer is reacted with the constituent components of the insulating film to form an interface between the alloy layer and the insulating film. And a third step of forming a barrier film made of a metal compound having a copper diffusion barrier property. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第2工程と前記第3工程との間に、
前記合金層で覆われた前記凹部の内壁を覆う状態で、銅を主成分とする導電層を形成する工程を行い、
前記第3工程では、リフロー処理により前記凹部を前記合金層と前記導電層とで埋め込むとともに、前記バリア膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
Between the second step and the third step,
In a state of covering the inner wall of the recess covered with the alloy layer, performing a step of forming a conductive layer mainly composed of copper,
In the third step, the recess is filled with the alloy layer and the conductive layer by a reflow process, and the barrier film is formed.
前記第3工程では、リフロー処理により前記凹部を前記合金層で埋め込んだ後に、熱処理を行い、前記バリア膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
In the third step, the barrier film is formed by filling the concave portion with the alloy layer by reflow treatment, and then forming the barrier film.
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