JP2012009617A - Semiconductor device manufacturing method, copper alloy for wiring, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置の歩留まりと信頼性を向上させる。
【解決手段】配線凹部に埋め込まれた部分以外のバリアメタル膜3b上のCu膜5bを化学機械研磨によって除去する。そして配線凹部内のCu膜5b上に、添加元素からなる層6bを形成する。添加元素を層6bからCu膜5b中に拡散させて、Cu表面、及びCu結晶粒の粒界及び該粒界近傍の位置においてCu結晶粒内部よりも添加元素の濃度が高い界面及びその近傍を形成するとともに、Cu膜5b中の酸素を層6bにゲッタリングさせる。その後、余剰な層6bを除去し、さらに絶縁膜上のバリアメタル膜3bを除去する。
【選択図】図2The yield and reliability of a semiconductor device are improved.
A Cu film 5b on a barrier metal film 3b other than a portion embedded in a wiring recess is removed by chemical mechanical polishing. Then, a layer 6b made of an additive element is formed on the Cu film 5b in the wiring recess. The additive element is diffused from the layer 6b into the Cu film 5b, and the Cu surface, the boundary of the Cu crystal grain, and the interface where the concentration of the additive element is higher than the inside of the Cu crystal grain at and near the grain boundary. While being formed, oxygen in the Cu film 5b is gettered to the layer 6b. Thereafter, the excessive layer 6b is removed, and the barrier metal film 3b on the insulating film is further removed.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、銅配線を有する半導体装置の製造方法、配線用銅合金、及び半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having copper wiring, a copper alloy for wiring, and a semiconductor device.
半導体装置の配線材料にはアルミニウム(Al)もしくはAl合金が広く用いられ、層間絶縁膜材料としてはシリコン酸化膜(SiO2)が広く用いられてきた。しかし、半導体装置の微細化および高速化の進行に伴い、配線における信号伝達遅延を改善するうえで、配線材料としてはより低抵抗な銅(Cu)が、絶縁膜としてはより誘電率の低い低誘電率膜、例えばSiOCH膜が、それぞれ用いられるようになってきた。 Aluminum (Al) or an Al alloy has been widely used as a wiring material for semiconductor devices, and a silicon oxide film (SiO 2 ) has been widely used as an interlayer insulating film material. However, with the progress of miniaturization and speeding up of semiconductor devices, copper (Cu), which has a lower resistance as a wiring material, and a low dielectric constant, which is a lower dielectric constant, can be used to improve signal transmission delay in wiring. Dielectric constant films, such as SiOCH films, have been used.
Cu配線を形成する場合には、ドライエッチングによる加工が困難であるため、一般にダマシン法が用いられている。ダマシン法は、半導体基板上に形成された絶縁膜上に溝を形成し、その溝にCuを埋設し、配線溝以外の余剰なCuを研磨することでCu配線を形成する方法である。また、Cuの絶縁膜中への拡散およびCuの腐食を防止するために、Cuの周囲にバリアメタル層を設ける必要がある。
以下に、一般的なCu配線の製造方法について、図10を用いて説明する。
When forming a Cu wiring, a damascene method is generally used because it is difficult to process by dry etching. The damascene method is a method of forming a Cu wiring by forming a groove on an insulating film formed on a semiconductor substrate, burying Cu in the groove, and polishing excess Cu other than the wiring groove. In order to prevent diffusion of Cu into the insulating film and corrosion of Cu, it is necessary to provide a barrier metal layer around Cu.
Below, the manufacturing method of a general Cu wiring is demonstrated using FIG.
図10(a)は、この上に上層配線が形成される下層配線を示している。下層配線は、絶縁膜としてSiOCH膜1a上にキャップ絶縁膜6aが形成され、内側にバリアメタル膜4aが形成された配線溝または配線孔にCu配線5aが埋め込まれた構造となっている。下層配線も、以下に説明する上層配線と同様のプロセスにより形成できる。
FIG. 10A shows a lower layer wiring on which an upper layer wiring is formed. The lower layer wiring has a structure in which a cap insulating film 6a is formed on the SiOCH
まず、図10(b)に示すように、下層配線上にSiOCH膜からなる絶縁膜1bを成膜する。次に、図10(c)に示すように、リソグラフィーと異方性エッチングによって、絶縁膜1bに配線溝または配線孔を形成する。続けて、図10(d)に示すように、配線溝または配線孔上に導体膜であるバリアメタル膜3bを形成し、さらに配線溝または配線孔にCu4bを埋め込む。次に、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)によって、配線溝もしくは配線孔の外部の余剰なCu4bおよびバリアメタル膜3bを除去する(図10(e))。この上に、絶縁体であるキャップ絶縁膜6bを成膜することで、図10(f)に示すように、下面および側面をバリアメタル膜3bで、上面をキャップ絶縁膜6bで覆われたCu配線構造が形成される。
First, as shown in FIG. 10B, an
Cu配線表面を覆うバリア絶縁膜としては、窒化シリコン(SiN)、炭窒化シリコン(SiCN)などが用いられているが、一般にこれらの膜の比誘電率は5.0以上と高く、配線の実効誘電率の低減、ひいては配線における信号伝達遅延の改善を困難としている。配線の実効誘電率低減のために、より比誘電率の低い膜をバリア絶縁膜として適用する検討がなされている。しかし、その場合、Cuの拡散防止効果が不十分、もしくはCuとの密着性が不十分であるため、エレクトロマイグレーション(EM)耐性が劣化し、断線が生じやすくなるという信頼性上の問題がある。さらに、バリア絶縁膜の低誘電率化に伴って膜の耐水性が劣化することで、製造プロセス中の水分がバリア絶縁膜中を透過し、バリア絶縁膜下のCu配線表面のCuが酸化し不安定化する。Cu表面が酸化し不安定化することで、Cuがさらに拡散しやすくなることで、EM耐性がさらに劣化する。また、Cu表面酸化の影響で、表面のCuが電界ドリフトによってバリア絶縁膜/絶縁膜界面に拡散し易くなることで、TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)耐性が劣化するといった信頼性上の問題もある。ここで、バリア絶縁膜/Cu界面はEM、及びTDDBでの銅原子の主要拡散パスとなっており、信頼性上最も弱い界面となっている。 Silicon nitride (SiN), silicon carbonitride (SiCN), or the like is used as a barrier insulating film covering the Cu wiring surface. Generally, the relative dielectric constant of these films is as high as 5.0 or more, and the effective wiring is effective. It is difficult to reduce the dielectric constant and thus improve the signal transmission delay in the wiring. In order to reduce the effective dielectric constant of wiring, studies have been made to apply a film having a lower relative dielectric constant as a barrier insulating film. However, in that case, since the Cu diffusion preventing effect is insufficient or the adhesiveness with Cu is insufficient, there is a problem in reliability that electromigration (EM) resistance is deteriorated and disconnection is likely to occur. . Furthermore, the water resistance of the film deteriorates as the dielectric constant of the barrier insulating film decreases, so that moisture in the manufacturing process permeates through the barrier insulating film, and Cu on the Cu wiring surface under the barrier insulating film is oxidized. It becomes unstable. When the Cu surface is oxidized and destabilized, Cu is more easily diffused, and the EM resistance is further deteriorated. In addition, due to the effect of Cu surface oxidation, Cu on the surface is liable to diffuse to the barrier insulating film / insulating film interface due to electric field drift, so that there is a problem of reliability that TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) resistance deteriorates. . Here, the barrier insulating film / Cu interface is a main diffusion path of copper atoms in EM and TDDB, and is the weakest interface in terms of reliability.
EM信頼性向上のために、Cu表面のキャップ膜として、絶縁膜に代えて金属膜を用いるメタルキャップ技術が検討されている。メタルキャップ層の形成法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法(例えば、特許文献1参照)や、無電解めっきによる方法(例えば、特許文献2参照)など、選択的にCu配線上にのみメタルキャップ層を形成する方法が検討されている。 In order to improve the EM reliability, a metal cap technique using a metal film instead of an insulating film as a cap film on the Cu surface has been studied. As a method for forming the metal cap layer, a Cu (Chemical Vapor Deposition) method (for example, see Patent Document 1) or a method by electroless plating (for example, see Patent Document 2) is selectively used. A method of forming a metal cap layer only on the wiring has been studied.
また特許文献3には、エレクトロマイグレーションを抑制するために、銅配線を構成する多結晶銅合金の表面および表面近傍、かつ多結晶銅合金を構成する結晶粒の結晶粒界および粒界近傍において、添加元素の濃度が結晶粒内部よりも高くすることが開示されている。 Further, in Patent Document 3, in order to suppress electromigration, in the surface of the polycrystalline copper alloy constituting the copper wiring and in the vicinity of the surface, and in the crystal grain boundary and in the vicinity of the grain boundary constituting the polycrystalline copper alloy, It is disclosed that the concentration of the additive element is higher than that inside the crystal grains.
しかしながら、上記CVDや無電解めっきによるCu配線上への選択成長プロセスでは、本質的に選択破れの可能性が存在し、その場合、絶縁膜上にもメタルが形成されることによる配線間リークや、配線間TDDB耐性の劣化が問題となる。 However, in the selective growth process on the Cu wiring by the CVD or electroless plating, there is a possibility that the selection is essentially broken. In this case, the leakage between wiring due to the formation of metal on the insulating film Deterioration of inter-wiring TDDB resistance becomes a problem.
また、配線間の寄生容量低減のために、カーボン(C)を導入して分極率を下げ、さらに膜中に空孔を導入することで比誘電率を2.6以下に下げた多孔質(ポーラス)SiOCH膜が用いられようとしているが、このようなポーラス膜が表面に露出した状態で、CVD原料や無電解めっき液にウェハ表面を曝した場合には、CVD原料やめっき液中の金属分子が多孔質膜中に拡散することで、絶縁特性や信頼性が著しく劣化する。 In addition, in order to reduce the parasitic capacitance between wirings, carbon (C) is introduced to lower the polarizability, and pores are further introduced into the film to reduce the relative dielectric constant to 2.6 or less. Porous) An SiOCH film is about to be used, but when such a porous film is exposed on the surface, if the wafer surface is exposed to a CVD raw material or an electroless plating solution, the metal in the CVD raw material or the plating solution As the molecules diffuse into the porous film, the insulating properties and reliability are significantly degraded.
さらに、絶縁膜にポーラスSiCOH膜を用いた場合には、ダマシン法によるCu配線形成時のCMPの際にSiOCH膜が露出した際に、CMPプロセス中の水分が空孔内に蓄積されることで、Cu表面が腐食するといった問題があった。 Furthermore, when a porous SiCOH film is used as the insulating film, moisture during the CMP process is accumulated in the vacancies when the SiOCH film is exposed during CMP when forming the Cu wiring by the damascene method. There was a problem that the Cu surface was corroded.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子が形成された基板上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、溝及び孔の少なくとも一方からなる配線用の凹部を形成する工程と、
前記凹部の内面を含む前記絶縁膜上に、Cuの拡散を防止するバリアメタル膜を成膜する工程と、
前記凹部内に埋め込むようにして、前記バリアメタル膜上にCu膜を成膜する工程と、
前記凹部に埋め込まれた部分以外の前記バリアメタル上の前記Cu膜を化学機械研磨によって除去する工程と、
前記凹部内の前記Cu膜上に添加元素からなる層を形成する工程と、
前記添加元素を前記添加元素の層から前記Cu膜中に拡散させて、Cu表面、及びCu結晶粒の粒界及び該粒界近傍の位置において前記Cu結晶粒内部よりも前記添加元素の濃度が高い界面及びその近傍を形成するとともに、前記Cu膜中の酸素を前記添加元素の層にゲッタリングさせる工程と、
余剰な添加元素の層を除去する工程と、
前記絶縁膜上のバリアメタル膜を除去する工程と、
を有することを特徴とする。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film on a substrate on which a semiconductor element is formed,
Forming a recess for wiring comprising at least one of a groove and a hole in the insulating film;
Forming a barrier metal film for preventing Cu diffusion on the insulating film including the inner surface of the recess;
Forming a Cu film on the barrier metal film so as to be embedded in the recess;
Removing the Cu film on the barrier metal other than the portion embedded in the recess by chemical mechanical polishing;
Forming a layer of an additive element on the Cu film in the recess;
The additive element is diffused from the layer of the additive element into the Cu film, and the concentration of the additive element is higher than the inside of the Cu crystal grain at the Cu surface, the grain boundary of the Cu crystal grain, and the position near the grain boundary. Forming a high interface and its vicinity, and gettering oxygen in the Cu film to the layer of the additive element;
Removing a layer of excess additive elements;
Removing the barrier metal film on the insulating film;
It is characterized by having.
本発明によれば、Cu表面に高濃度に異種元素を添加することで、EMの拡散経路となっているCu配線表面及び表面近傍を安定化させ、Cu配線表面に沿ったCuのマイグレーションを抑制できる。このため、半導体装置の配線の信頼性が向上する。また、添加元素としてCuよりも還元性が高く酸化されやすい元素を用いた場合には、Cu表面及びCu内部に存在する酸素及び不純物のゲッタリング作用により、Cu表面及びCu内部が清浄化される。Cu表面及びCu中に存在する酸素は熱処理中に拡散し、下層のバリアメタルを酸化することがあるが、その場合、Cuとバリアメタルの密着性が悪化し、配線の信頼性に悪影響を及ぼす。Cu表面及びCu中に存在する酸素をゲッタリングすることは、バリアメタルの酸化を抑制することにもなり、Cu配線の信頼性向上に効果がある。さらに、絶縁膜上のバリアメタルを除去した後でも、Cu表面に高濃度の添加元素が残っているため、仮に表面が水分等の酸化性雰囲気に曝された場合でも、上記添加元素が酸化され、安定層が形成されるため、Cu配線表面に沿ったCuのマイグレーションを抑制でき、半導体装置の配線の信頼性が向上する。また、配線間絶縁膜として、空孔径が大きいポーラスSiCOH膜を用いた場合には、膜中に水分を取り込み易く、隣接するCu配線表面が酸化雰囲気である水分に曝されやすくなることから、Cu表面がより不安定化し、ピットやヒロックの欠陥が発生し、半導体装置の製品歩留りを大きく劣化させる要因となる。本発明においては、バリアメタルを除去してポーラスSiCOH膜が露出する前に、Cu表面を安定化させることができるため、半導体装置の歩留りと信頼性が向上する。 According to the present invention, by adding a different element at a high concentration to the Cu surface, the Cu wiring surface and the vicinity of the surface, which are EM diffusion paths, are stabilized, and Cu migration along the Cu wiring surface is suppressed. it can. For this reason, the reliability of the wiring of the semiconductor device is improved. In addition, when an element that is more reducible and more easily oxidized than Cu is used as an additive element, the Cu surface and the Cu interior are cleaned by the gettering action of oxygen and impurities present in the Cu surface and Cu. . The oxygen present in the Cu surface and Cu diffuses during the heat treatment and may oxidize the underlying barrier metal. In this case, the adhesion between Cu and the barrier metal deteriorates, adversely affecting the reliability of the wiring. . Gettering the oxygen present in the Cu surface and Cu also suppresses the oxidation of the barrier metal and is effective in improving the reliability of the Cu wiring. Furthermore, even after the removal of the barrier metal on the insulating film, the high concentration of the additive element remains on the Cu surface, so that even if the surface is exposed to an oxidizing atmosphere such as moisture, the additive element is oxidized. Since the stable layer is formed, migration of Cu along the surface of the Cu wiring can be suppressed, and the reliability of the wiring of the semiconductor device is improved. Also, when a porous SiCOH film having a large pore diameter is used as the inter-wiring insulating film, moisture is easily taken into the film, and the adjacent Cu wiring surface is easily exposed to moisture in an oxidizing atmosphere. The surface becomes more unstable, pit and hillock defects occur, and this is a factor that greatly deteriorates the product yield of semiconductor devices. In the present invention, the Cu surface can be stabilized before the barrier metal is removed and the porous SiCOH film is exposed, so that the yield and reliability of the semiconductor device are improved.
本発明に係る配線用銅合金は、Cu(銅)を主成分とし、添加元素を含有する多結晶銅合金からなり、
前記添加元素の濃度が、前記多結晶銅合金の表面および表面近傍、かつ前記多結晶銅合金を構成する結晶粒の結晶粒界および粒界近傍において、結晶粒内部よりも高く、
更に、周囲にバリアメタルが形成されており、前記バリアメタルとの界面及び界面近傍において、前記添加元素の濃度が前記結晶粒の内部よりも高く、
前記添加元素の濃度が高い表面層の厚さが30nm未満であり、
前記多結晶銅合金との界面に位置する前記バリアメタルが酸化されていないことを特徴とする。
The copper alloy for wiring according to the present invention is composed of a polycrystalline copper alloy containing Cu (copper) as a main component and containing an additive element,
The concentration of the additive element is higher in the surface of the polycrystalline copper alloy and in the vicinity of the surface, and in the crystal grain boundary of the crystal grains constituting the polycrystalline copper alloy and in the vicinity of the grain boundary than in the crystal grains,
Furthermore, a barrier metal is formed in the periphery, and the concentration of the additive element is higher than the inside of the crystal grain at the interface with the barrier metal and in the vicinity of the interface,
The thickness of the surface layer having a high concentration of the additive element is less than 30 nm,
The barrier metal located at the interface with the polycrystalline copper alloy is not oxidized.
この発明によれば、配線のEMの拡散経路となっているCu配線表面及び表面近傍に高濃度に添加元素を導入することにより、Cu配線表面に沿ったCuのマイグレーションを抑制でき、配線用金属の信頼性を向上できる。また、添加元素をCu粒内よりも、結晶粒界及び界面近傍に高濃度に分布させることで、配線抵抗上昇を抑制しつつ、効果的に粒界・界面でのCuのマイグレーションを抑制することができる。またバリアメタルが酸化していないため、Cuとバリアメタルの密着性が悪化することが抑制され、これにより半導体装置の歩留りと信頼性が向上する。 According to the present invention, the migration of Cu along the surface of the Cu wiring can be suppressed by introducing an additive element at a high concentration on the surface of the Cu wiring, which is an EM diffusion path of the wiring, and in the vicinity of the surface. Can improve the reliability. Also, by distributing the additive element at a higher concentration near the crystal grain boundary and interface than in the Cu grains, it is possible to effectively suppress Cu migration at the grain boundary / interface while suppressing an increase in wiring resistance. Can do. Further, since the barrier metal is not oxidized, deterioration of the adhesion between Cu and the barrier metal is suppressed, thereby improving the yield and reliability of the semiconductor device.
本発明に係る半導体装置は、半導体素子が形成された基板上に、請求項8乃至14のいずれかに記載の配線用銅合金からなる金属配線が形成されていることを特徴とする。
A semiconductor device according to the present invention is characterized in that a metal wiring made of the copper alloy for wiring according to any one of
本発明によれば、半導体装置の歩留まりと信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, the yield and reliability of a semiconductor device can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
本願発明を詳細に説明する前に、本願における用語の意味を説明する。 Before describing the present invention in detail, the meaning of terms in the present application will be described.
絶縁膜とは、例えば配線材を絶縁分離する膜(層間絶縁膜)である。低誘電率絶縁膜とは、半導体素子を接続する多層配線間の容量を低減するため、シリコン酸化膜(比誘電率4.5)よりも比誘電率の低い材料を指す。特に、多孔質絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜を多孔化して比誘電率を小さくした材料、HSQ(Hydrogen Silsesquioxane:ハイドロゲンシルセスキオキサン)膜、及び、SiOCH系又はSiOC系等の有機シリカ系材料を多孔化して比誘電率を小さくしたもの等がある。これらの膜の更に一層の低誘電率化が望まれている。 The insulating film is, for example, a film (interlayer insulating film) that isolates and isolates the wiring material. A low dielectric constant insulating film refers to a material having a relative dielectric constant lower than that of a silicon oxide film (relative dielectric constant 4.5) in order to reduce the capacitance between multilayer wirings connecting semiconductor elements. In particular, as the porous insulating film, for example, a material obtained by making a silicon oxide film porous to reduce the relative dielectric constant, an HSQ (Hydrogen Silsesquioxane) film, and an organic silica such as SiOCH or SiOC There are those in which the relative permittivity is reduced by making the system material porous. It is desired to further reduce the dielectric constant of these films.
ダマシン配線とは、予め形成された層間絶縁膜の溝に、金属層を埋め込み、溝内以外の余剰な金属層を、例えばCMP等により除去することで形成される埋め込み配線を指す。例えば銅層によりダマシン配線を形成する場合には、銅層の側面及び底面をバリアメタルで覆い、銅層の上面を絶縁性バリア膜で覆う配線構造が一般に用いられる。 The damascene wiring refers to a buried wiring formed by embedding a metal layer in a groove of an interlayer insulating film formed in advance and removing an excess metal layer other than the inside of the groove by, for example, CMP. For example, when damascene wiring is formed of a copper layer, a wiring structure in which the side and bottom surfaces of the copper layer are covered with a barrier metal and the upper surface of the copper layer is covered with an insulating barrier film is generally used.
CMP法とは、多層配線形成プロセス中に生じたウェハ表面の凹凸を、スラリーをウェハ表面に流しながら回転させた研磨パッドに接触させて研磨することによって平坦化する方法である。ダマシン法による配線形成においては、特に、配線溝又はビアホール(配線孔)に対し金属を埋設した後に、余剰の金属部分を除去し、平坦な配線表面を得るために用いられる。 The CMP method is a method of flattening the unevenness on the wafer surface generated during the multilayer wiring formation process by polishing the wafer by bringing the slurry into contact with a rotating polishing pad while flowing the slurry on the wafer surface. In wiring formation by the damascene method, in particular, after a metal is buried in a wiring groove or a via hole (wiring hole), it is used for removing a surplus metal portion and obtaining a flat wiring surface.
バリアメタルとは、配線を構成する金属元素が層間絶縁膜及び下層へ拡散することを防止するために、配線の側面及び底面を被覆する、バリア性を有する導電性膜を示す。例えば、配線がCuを主成分とする金属元素からなる場合には、タンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、炭窒化タングステン(WCN)のような高融点金属及びその窒化物等、又はそれらの積層膜が使用される。また、近年、ルテニウム(Ru)が比抵抗の低さと、ルテニウム上への直接Cuめっきが可能なことから、微細配線用のバリアメタル膜として検討が進められている。 The barrier metal refers to a conductive film having a barrier property that covers the side and bottom surfaces of the wiring in order to prevent a metal element constituting the wiring from diffusing into the interlayer insulating film and the lower layer. For example, when the wiring is made of a metal element mainly composed of Cu, a refractory metal such as tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), tungsten carbonitride (WCN), and nitriding thereof A thing etc. or those laminated films are used. In recent years, ruthenium (Ru) has been studied as a barrier metal film for fine wiring because of its low specific resistance and direct Cu plating on ruthenium.
バリア絶縁膜とは、銅配線層の上面に形成され、Cuの酸化及び絶縁膜中へのCuの拡散を防ぐ機能、並びに加工時にエッチングストップ層としての役割を有する絶縁膜である。従来、SiN膜、SiCN膜及びSiC膜等が用いられている。 The barrier insulating film is an insulating film that is formed on the upper surface of the copper wiring layer and has a function of preventing Cu oxidation and diffusion of Cu into the insulating film, and also serves as an etching stop layer during processing. Conventionally, SiN films, SiCN films, SiC films, and the like have been used.
メタルキャップ膜とは、銅層の上面に形成され、Cuの酸化及び絶縁膜中へのCuの拡散を防ぐ機能を有する金属膜である。例えば、CoWP及びCoWB等が検討されている。バリア絶縁膜が不要となることによる配線信号伝達遅延の改善、並びにエレクトロマイグレーション(EM)耐性及びストレスマイグレーション(SM)等の配線信頼性の向上が期待されている。 The metal cap film is a metal film that is formed on the upper surface of the copper layer and has a function of preventing Cu oxidation and Cu diffusion into the insulating film. For example, CoWP and CoWB are being studied. Improvement of wiring signal transmission delay due to the elimination of the barrier insulating film and improvement of wiring reliability such as electromigration (EM) resistance and stress migration (SM) are expected.
半導体基板とは、半導体装置が構成された基板であり、特に単結晶シリコン基板上に作られたものだけでなく、SOI(Silicon on Insulator)基板、TFT(Thin film transistor)及び液晶製造用基板等の基板も含む。 A semiconductor substrate is a substrate on which a semiconductor device is configured. In particular, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, a TFT (Thin film transistor), a liquid crystal manufacturing substrate, etc. Including the substrate.
ハードマスクとは、層間絶縁膜の低誘電率化による強度低下により、直接CMPを行うのが困難な場合に、層間絶縁膜上に積層し、保護する役割の絶縁膜を指す。ハードマスクは相対的に誘電率が高いため、実効誘電率低減のために、CMP時にハードマスクを除去し、低誘電率膜を露出させる場合もある。 A hard mask refers to an insulating film that serves as a protective layer to be stacked on an interlayer insulating film when it is difficult to perform direct CMP due to a decrease in strength due to the lower dielectric constant of the interlayer insulating film. Since the hard mask has a relatively high dielectric constant, in order to reduce the effective dielectric constant, the hard mask may be removed during CMP to expose the low dielectric constant film.
プラズマCVD法とは、例えば、気体状の原料を減圧下の反応室に連続的に供給し、プラズマエネルギーによって、分子を励起状態にし、気相反応又は基板表面反応等によって基板上に連続膜を形成する手法である。 In the plasma CVD method, for example, a gaseous raw material is continuously supplied to a reaction chamber under reduced pressure, molecules are excited by plasma energy, and a continuous film is formed on the substrate by a gas phase reaction or a substrate surface reaction. It is a technique to form.
PVD法としては、通常のスパッタリング法でもよいが、埋め込み特性の向上、膜質の向上及び膜厚のウェハ面内均一性を図る上では、指向性の高いスパッタリング法を使用することもできる。例えば、ロングスロースパッタリング法、コリメートスパッタリング法及びイオナイズドスパッタリング法等である。合金をスパッタする場合には、予め金属ターゲット内に主成分以外の金属元素を固溶限以下で含有させることで、成膜された金属膜を合金膜とすることができる。本発明中では、主にダマシン法により銅配線層を形成する際のCuシード層及びバリアメタル層を形成する際に使用することができる。 As the PVD method, a normal sputtering method may be used. However, in order to improve the embedding characteristics, the film quality, and the uniformity of the film thickness within the wafer surface, a sputtering method with high directivity can be used. For example, there are a long throw sputtering method, a collimated sputtering method, an ionized sputtering method, and the like. When sputtering an alloy, a metal film other than the main component is previously contained in the metal target at a solid solubility limit or less, so that the formed metal film can be used as an alloy film. In the present invention, it can be used when forming a Cu seed layer and a barrier metal layer when a copper wiring layer is formed mainly by a damascene method.
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第1の実施形態について説明する。図1(a)乃至(e)、及び図2(a)乃至(e)は、本第1実施形態に係る半導体装置の製造方法をその工程順に示す断面図である。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described. FIGS. 1A to 1E and FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps.
第1図(a)はこの上に上層配線が形成される下層配線を示している。この下層配線は、絶縁膜1a、バリアメタル3a、及び多結晶Cu5a、添加元素濃度が高いCu配線表面及び表面近傍7a、同じく添加元素濃度が高い結晶粒界・バリアメタル界面及びその近傍8aからなるCu配線、さらに、バリア絶縁膜9aにより構成されている。なお、この部分も下記に示される上層配線と同様のプロセスを用いて形成できるが、本明細書においては、便宜上上層配線の製造方法について説明する。
FIG. 1 (a) shows a lower layer wiring on which an upper layer wiring is formed. This lower layer wiring includes an insulating
先ず、図1(b)に示すように、下層配線の上に、絶縁膜1bを全面に形成する。絶縁膜1bとしては、例えば有機シリカ(SiOCH)を使用することができる。次に、図1(c)に示すように、絶縁膜1bに配線溝及び配線孔(以下、開口部ともいう)を形成する。この工程は、例えば、リソグラフィー及び異方性エッチングによって行うことができる。配線孔を形成する場合には、下層の銅配線層が配線孔の底面に露出する程度にエッチングが行われる。
First, as shown in FIG. 1B, an insulating
次に、図1(d)に示すように、開口部を含む表面にバリアメタル膜3bを形成する。バリアメタル膜3bとしては、例えばTa、TaN、TiN及びWCN、さらにはRu等を使用することができる。その後、Cu4bを配線溝及び配線孔に埋め込むように、例えばめっき法を用いて形成する。次に、図1(e)に示すように、埋め込まれたCuの結晶粒成長のための熱処理を施す。この熱処理は、300℃以下の低温で行う。好ましくは150℃以下である。このCu粒成長のための熱処理は、省くことも可能である。この処理により、Cu4bは結晶粒の大きい多結晶のCu5bに変わる。なお、この熱処理の温度を150℃以下にすることで、めっき層であるCu4bの表面やCu4b中の酸素によってバリアメタル膜3bが酸化されるのを抑制することができる。
Next, as shown in FIG. 1D, a
その後、図2(a)に示すように、CMPにより配線溝及び配線孔以外の余剰なCu5bを除去する。これにより、配線溝及び配線孔に多結晶のCu5aが埋め込まれる。この時、絶縁膜1b上のバリアメタル膜3bは除去せずに残す。
Thereafter, as shown in FIG. 2A,
次に、図2(b)に示すように、Cu表面にCu中に添加する元素の層6bを形成する。層6bは、例えばスパッタリング法により形成される。その後、図2(c)に示すように、Cu中に添加元素を拡散させるための熱処理を施す。この熱処理として、例えば、不活性ガス又は還元性ガス雰囲気中において200℃乃至400℃の温度で30秒乃至1時間処理する。
Next, as shown in FIG. 2B, an
この熱処理によって、Cu中に添加元素が添加される。添加元素の層6bとしては、水溶性の金属、例えばTi、Zr、Hf、及びAlからなる群から選択された少なくとも1種の元素を含む層とする。これらの添加元素は、Cu膜中の固溶限が1原子%以下で、Cu結晶粒界での拡散係数が大きい元素である。この添加元素をCu膜中に添加することにより、Cu膜の結晶粒界及び結晶粒界近傍、あるいは、Cu結晶粒/バリアメタル界面及び界面近傍8bに、高濃度に添加元素を導入することができる。具体的には、Cu結晶粒の内部(例えば中心)における添加元素の濃度は0.1原子%以下である。そしてCu結晶粒の粒界及び粒界近傍における添加元素の濃度は、結晶粒内部における添加元素濃度の2倍以上1000倍以下、さらに詳しくは10倍以上100倍以下になる。また、添加元素はCu表面から拡散するため、Cu表面にも高濃度の添加元素の層7bが形成される。
また、この熱処理によって、同時に、Cu表面及びCu内部の酸素が添加元素の層にゲッタリングされることにより、Cu表面及びCu内部が清浄化される。
By this heat treatment, an additive element is added to Cu. The
In addition, the heat treatment simultaneously cleanses the Cu surface and the Cu interior by gettering the Cu surface and oxygen inside the Cu to the layer of the additive element.
次に、図2(d)に示すように、余剰な添加元素層6b、及びバリアメタル膜3bをCMPにより除去する。この時、Cu5bの表面に高濃度添加元素層7bを残すようにCMP研磨量を制御する。余剰な添加元素層6bの除去と、バリアメタル膜3bの除去を同一工程に行うこともできる。なお、残った高濃度添加元素層7bの厚さは、例えば30nm未満である。このようにすることで、抵抗の高い高濃度不純物添加層7bが配線表面にのみ形成されるため、配線全体の抵抗上昇を抑制しつつ、Cuの拡散経路であるCu配線表面は安定化されることから、効果的に配線の信頼性を向上させることができる。
Next, as shown in FIG. 2D, the excessive
次に、図2(e)に示すように、表面全面にCuの腐食、拡散を防止するバリア絶縁膜9bをプラズマCVD法により形成する。バリア絶縁膜9bとしては、例えばSiCNなどを使用することができる。 Next, as shown in FIG. 2E, a barrier insulating film 9b for preventing corrosion and diffusion of Cu is formed on the entire surface by plasma CVD. For example, SiCN can be used as the barrier insulating film 9b.
図1(b)〜図2(e)で示された工程を繰り返すことで、さらに上層の配線を積層できる。また、本実施形態では、配線溝と配線孔を同時に形成するデュアルダマシン法を用いて説明したが、配線溝のみ、または配線孔のみを形成するシングルダマシン法を用いた場合の配線凹部の形成にも同様に適用される。また、添加元素の層6bとしては、Cr、Co、Ru、Sn、Ni、Mg、Mn、及びWからなる群から選択された少なくとも1種の元素を含む層であってもよい。
By repeating the steps shown in FIG. 1B to FIG. 2E, an upper wiring layer can be further laminated. In this embodiment, the dual damascene method for forming the wiring groove and the wiring hole at the same time has been described. However, only the wiring groove or the single damascene method for forming only the wiring hole is used for forming the wiring recess. The same applies. The
以上、本実施形態によれば、添加元素の層6bを形成するときには、バリアメタル膜3bを絶縁膜1b上から除去していない。そして、Cu5bの表面に高濃度添加元素層7bを形成してから、バリアメタル膜3bを除去している。このため、Cu5bに添加元素が導入される前にCu5bが水分等の酸化性雰囲気にさらされることを抑制できる。また、バリアメタル膜3bを除去する段階では、Cu5bの表面には高濃度添加元素層7bが形成されているため、仮に表面が水分等の酸化性雰囲気に曝された場合でも、上記添加元素が酸化され、多結晶銅合金の表面および表面近傍に、添加元素の酸化物による安定層が形成される。このため、Cu配線表面に沿ったCuのマイグレーションを抑制でき、半導体装置の配線の信頼性が向上する。この効果は、絶縁膜1bがポーラス膜など吸水しやすい膜である場合に特に顕著になる。
As described above, according to the present embodiment, when forming the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図3(a)乃至(e)、及び図4(a)乃至(e)を参照して説明する。
(Second Embodiment)
A method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (e) and FIGS. 4 (a) to 4 (e).
第2実施形態の製造方法は、CMPにより余剰なCuを除去する際に、CMP処理時間を通常よりも長く設定することで、配線溝部のCuを過研磨することで、配線溝にリセスを形成する点を除いて、第1実施形態と同様である。その結果、第1実施形態と同様の効果が得られるほか、CMPによるバリアメタル除去後もCu表面に添加元素の層6bが残ることになる。配線表面に添加元素の層6bからなるメタルキャップが形成されることになり、配線表面の安定性がさらに向上し、配線表面でのCuのマイグレーションが抑制されることで、信頼性がよりいっそう高まる。
In the manufacturing method of the second embodiment, when excess Cu is removed by CMP, a recess is formed in the wiring trench by overpolishing Cu in the wiring trench by setting the CMP processing time longer than usual. Except for this point, the second embodiment is the same as the first embodiment. As a result, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the
図3(a)はこの上に上層配線が形成される下層配線を示している。この下層配線は、絶縁膜1a、バリアメタル3a、及び、多結晶Cu5a、元素濃度が高いCu配線表面及び表面近傍7a、同じく添加元素濃度が高い結晶粒界・バリアメタル界面及びその近傍8a、及び表面に形成された添加元素の層6aからなるCu配線、さらに、バリア絶縁膜9aにより構成されている。なお、この部分も下記に示される上層配線と同様のプロセスを用いて形成できるが、本明細書においては、便宜上上層配線の製造方法について説明する。
FIG. 3A shows the lower layer wiring on which the upper layer wiring is formed. This lower layer wiring includes an insulating
先ず、図3(b)に示すように、下層配線の上に、絶縁膜1bを全面に形成する。絶縁膜1bとしては、例えば有機シリカ(SiOCH)を使用することができる。次に、図3(c)に示すように、絶縁膜1bに配線溝及び配線孔(以下、開口部ともいう)を形成する。この工程は、例えば、リソグラフィー及び異方性エッチングによって行うことができる。配線孔を形成する場合には、下層の銅配線層が配線孔の底面に露出する程度にエッチングが行われる。
First, as shown in FIG. 3B, an insulating
次に、図3(d)に示すように、開口部を含む表面にバリアメタル膜3bを形成する。バリアメタル膜3bとしては、例えばTa、TaN、TiN及びWCN、さらにはRu等を使用することができる。その後、Cu4bを配線溝及び配線孔に埋め込むように、例えばめっき法を用いて形成する。次に、図3(e)に示すように、埋め込まれたCuの結晶粒成長のための熱処理を施す。この熱処理は、300℃以下の低温で行う。好ましくは150℃以下である。このCu粒成長のための熱処理は、省くことも可能である。この処理により、Cu4bは結晶粒の大きいCu5bに変わる。
Next, as shown in FIG. 3D, a
その後、図4(a)に示すように、CMPにより配線溝及び配線孔以外の余剰なCuを除去する。これにより、配線溝及び配線孔に多結晶Cu5aが埋め込まれる。この際、CMP処理時間を通常よりも長く設定することで、配線溝内部のCuを一部除去することで、配線溝にリセスを形成する。また、この時、絶縁膜上のバリアメタル膜3bは除去せずに残す。
Thereafter, as shown in FIG. 4A, excess Cu other than the wiring trench and the wiring hole is removed by CMP. Thereby, the polycrystalline Cu 5a is embedded in the wiring groove and the wiring hole. At this time, a recess is formed in the wiring groove by setting a CMP processing time longer than usual to partially remove Cu inside the wiring groove. At this time, the
次に、図4(b)に示すように、Cu表面にCu中に添加する元素の層6bを形成する。その後、図4(c)に示すように、Cu中に添加元素を拡散させるための熱処理を施す。この熱処理として、例えば、不活性ガス又は還元性ガス雰囲気中において200℃乃至400℃の温度で30秒乃至1時間処理する。
Next, as shown in FIG. 4B, an
この熱処理によって、Cu中に添加元素が添加される。添加元素の層6bとしては、Ti、Zr、Hf、及びAlからなる群から選択された少なくとも1種の元素を含む層とする。これらの添加元素は、Cu膜中の固溶限が1原子%以下で、Cu結晶粒界での拡散係数が大きい元素であり、この添加元素をCu膜中に添加することにより、Cu膜の結晶粒界及び結晶粒界近傍、あるいは、Cu結晶粒/バリアメタル界面及び界面近傍8bに、高濃度に添加元素を導入することができる。具体的には、Cu結晶粒の内部(例えば中心)における添加元素の濃度は0.1原子%以下である。そしてCu結晶粒の粒界及び粒界近傍における添加元素の濃度は、結晶粒内部における添加元素濃度の2倍以上1000倍以下、さらに詳しくは10倍以上100倍以下になる。また、添加元素はCu表面から拡散するため、Cu表面にも高濃度の添加元素の層7bが形成される。
また、この熱処理によって、同時に、Cu表面及びCu内部の酸素が添加元素の層にゲッタリングされることにより、Cu表面及びCu内部が清浄化される。
By this heat treatment, an additive element is added to Cu. The
In addition, the heat treatment simultaneously cleanses the Cu surface and the Cu interior by gettering the Cu surface and oxygen inside the Cu to the layer of the additive element.
次に、図4(d)に示すように、余剰な添加元素層6b、及びバリアメタル膜3bをCMPにより除去する。この時、配線表面には添加元素層6bが残るようにCMP研磨量を制御する。余剰な添加元素層6bの除去と、バリアメタル膜3bの除去は同時に行うことで、製造工程を簡素化することもできる。
Next, as shown in FIG. 4D, the excessive
次に、図4(e)に示すように、表面全面にCuの腐食、拡散を防止するバリア絶縁膜9bをプラズマCVD法により形成する。バリア絶縁膜9bとしては、例えばSiCNなどを使用することができる。 Next, as shown in FIG. 4E, a barrier insulating film 9b for preventing corrosion and diffusion of Cu is formed on the entire surface by plasma CVD. For example, SiCN can be used as the barrier insulating film 9b.
図3(b)〜図4(e)で示された工程を繰り返すことで、さらに上層の配線を積層できる。また、本実施形態では、配線溝と配線孔を同時に形成するデュアルダマシン法を用いて説明したが、配線溝のみ、または配線孔のみを形成するシングルダマシン法を用いた場合の配線凹部の形成にも同様に適用される。また、添加元素の層6bとしては、Cr、Co、Ru、Sn、Ni、Mg、Mn、及びWからなる群から選択された少なくとも1種の元素を含む層であってもよい。
By repeating the steps shown in FIG. 3B to FIG. 4E, an upper wiring layer can be further laminated. In this embodiment, the dual damascene method for forming the wiring groove and the wiring hole at the same time has been described. However, only the wiring groove or the single damascene method for forming only the wiring hole is used for forming the wiring recess. The same applies. The
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図5(a)乃至(e)、及び図6(a)乃至(d)を参照して説明する。
(Third embodiment)
A method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (e) and FIGS. 6 (a) to 6 (d).
第3実施形態の構造においては、バリア絶縁膜9bを用いていない点で第2実施形態の構造と異なる。その結果、第1実施形態と同様の効果が得られるほか、Cu表面に安定な添加元素の層6bからなるメタルキャップが形成されることで、Cuの酸化、腐食が防止される。このため、バリア絶縁膜9bが不要になる。バリア絶縁膜8bを設けないことによりCu配線の実効誘電率が低減されるため、伝送の遅延を改善できる。
The structure of the third embodiment is different from the structure of the second embodiment in that the barrier insulating film 9b is not used. As a result, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the oxidation and corrosion of Cu can be prevented by forming a metal cap made of a stable
第5図(a)はこの上に上層配線が形成される下層配線を示している。この下層配線は、絶縁膜1a、バリアメタル3a、及び、多結晶Cu5a、元素濃度が高いCu配線表面及び表面近傍7a、同じく添加元素濃度が高い結晶粒界・バリアメタル界面及びその近傍8a、及び表面に形成された添加元素の層6aからなるCu配線により構成されている。なお、この部分も下記に示される上層配線と同様のプロセスを用いて形成できるが、本明細書においては、便宜上上層配線の製造方法について説明する。
FIG. 5 (a) shows a lower layer wiring on which an upper layer wiring is formed. This lower layer wiring includes an insulating
先ず、図5(b)に示すように、下層配線の上に、絶縁膜1bを全面に形成する。絶縁膜1bとしては、例えば有機シリカ(SiOCH)を使用することができる。次に、図5(c)に示すように、絶縁膜1bに配線溝及び配線孔(以下、開口部ともいう)を形成する。この工程は、例えば、リソグラフィー及び異方性エッチングによって行うことができる。配線孔を形成する場合には、下層の銅配線層が配線孔の底面に露出する程度にエッチングが行われる。
First, as shown in FIG. 5B, an insulating
次に、図5(d)に示すように、開口部を含む表面にバリアメタル膜3bを形成する。バリアメタル膜3bとしては、例えばTa、TaN、TiN及びWCN、さらにはRu等を使用することができる。その後、Cu4bを配線溝及び配線孔に埋め込むように、例えばめっき法を用いて形成する。次に、図5(e)に示すように、埋め込まれたCuの結晶粒成長のための熱処理を施す。この熱処理は、300℃以下の低温で行う。好ましくは150℃以下である。このCu粒成長のための熱処理は、省くことも可能である。
Next, as shown in FIG. 5D, a
その後、図6(a)に示すように、CMPにより配線溝及び配線孔以外の余剰なCuを除去する。これにより、配線溝及び配線孔に多結晶のCu5aが埋め込まれる。この際、CMP処理時間を通常よりも長く設定することで、配線溝内部のCuを一部除去することで、配線溝にリセスを形成する。また、この時、絶縁膜上のバリアメタル膜3bは除去せずに残す。
Thereafter, as shown in FIG. 6A, excess Cu other than the wiring trench and the wiring hole is removed by CMP. Thereby, polycrystalline Cu 5a is embedded in the wiring groove and the wiring hole. At this time, a recess is formed in the wiring groove by setting a CMP processing time longer than usual to partially remove Cu inside the wiring groove. At this time, the
次に、図6(b)に示すように、Cu表面にCu中に添加する元素の層6bを形成する。その後、図6(c)に示すように、Cu中に添加元素を拡散させるための熱処理を施す。この熱処理として、例えば、不活性ガス又は還元性ガス雰囲気中において200℃乃至400℃の温度で30秒乃至1時間処理する。
Next, as shown in FIG. 6B, an
この熱処理によって、Cu中に添加元素が添加される。添加元素の層6bとしては、Ti、Zr、Hf、及びAlからなる群から選択された少なくとも1種の元素を含む層とする。これらの添加元素は、Cu膜中の固溶限が1原子%以下で、Cu結晶粒界での拡散係数が大きい元素であり、この添加元素をCu膜中に添加することにより、Cu膜の結晶粒界及び結晶粒界近傍、あるいは、Cu結晶粒/バリアメタル界面及び界面近傍8bに、高濃度に添加元素を導入することができる。具体的には、Cu結晶粒の内部(例えば中心)における添加元素の濃度は0.1原子%以下である。そしてCu結晶粒の粒界及び粒界近傍における添加元素の濃度は、結晶粒内部における添加元素濃度の2倍以上1000倍以下、さらに詳しくは10倍以上100倍以下になる。また、添加元素はCu表面から拡散するため、Cu表面にも高濃度の添加元素の層7bが形成される。また、この熱処理によって、同時に、Cu表面及びCu内部の酸素が添加元素の層にゲッタリングされることにより、Cu表面及びCu内部が清浄化される。
By this heat treatment, an additive element is added to Cu. The
次に、図6(d)に示すように、余剰な添加元素層6b、及びバリアメタル膜3bをCMPにより除去する。この時、配線表面には添加元素層6bが残るようにCMP研磨量を制御する。余剰な添加元素層6bの除去と、バリアメタル膜3bの除去は同一工程で行うことで、製造工程を簡素化することもできる。
Next, as shown in FIG. 6D, the excessive
図5(b)〜図6(d)で示された工程を繰り返すことで、さらに上層の配線を積層できる。また、本実施形態では、配線溝と配線孔を同時に形成するデュアルダマシン法を用いて説明したが、配線溝のみ、または配線孔のみを形成するシングルダマシン法を用いた場合の配線凹部の形成にも同様に適用される。また、添加元素の層6bとしては、Cr、Co、Ru、Sn、Ni、Mg、Mn、及びWからなる群から選択された少なくとも1種の元素を含む層であってもよい。
By repeating the steps shown in FIG. 5B to FIG. 6D, an upper wiring layer can be further laminated. In this embodiment, the dual damascene method for forming the wiring groove and the wiring hole at the same time has been described. However, only the wiring groove or the single damascene method for forming only the wiring hole is used for forming the wiring recess. The same applies. The
図7(a)乃至(i)、図8(a)乃至(f)、及びは、図9(a)乃至(d)は本発明の第1の実施形態における半導体装置の製造方法の変形例の工程順を示す断面図である。なお、本変形例においては、第1配線層をシングルダマシン法によって形成した後に、その上部にデュアルダマシン法によって第2配線層及び第1配線層との接続孔を形成するものである。以下に詳細に説明する。 7A to 7I, FIGS. 8A to 8F, and FIGS. 9A to 9D are modified examples of the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows these process order. In this modification, after the first wiring layer is formed by the single damascene method, a connection hole for the second wiring layer and the first wiring layer is formed on the upper portion by the dual damascene method. This will be described in detail below.
先ず、図7(a)に示すように、絶縁膜21、配線間絶縁膜22、ハードマスク(SiO2膜)23を順に成膜する。ここでは、先ず、シリコン基板(図示せず)上に厚さが例えば300nmのSiO2膜21を成膜する。次に、第1配線層における配線間絶縁膜となる、厚さが例えば80nmで比誘電率が例えば2.55のポーラスSiOCH膜22をプラズマCVD法により成膜する。続いて、ポーラス低誘電率膜の表面を覆うハードマスクとして、厚さが例えば80nmのSiO2膜23を同じくプラズマCVD法により積層する。 First, as shown in FIG. 7A, an insulating film 21, an inter-wiring insulating film 22, and a hard mask (SiO 2 film) 23 are sequentially formed. Here, first, a SiO 2 film 21 having a thickness of, for example, 300 nm is formed on a silicon substrate (not shown). Next, a porous SiOCH film 22 having a thickness of, for example, 80 nm and a relative dielectric constant of, for example, 2.55 is formed by plasma CVD as an inter-wiring insulating film in the first wiring layer. Subsequently, as a hard mask for covering the surface of the porous low dielectric constant film, an SiO 2 film 23 having a thickness of, for example, 80 nm is similarly laminated by the plasma CVD method.
次に、図7(b)に示すように、リソグラフィーとドライエッチングによって上記の積層絶縁膜中に配線溝を形成する。その後、図7(c)に示すように、基板表面全面にイオン化スパッタ法によって、TaN膜とTa膜をこの順に積層したバリアメタル膜24、及び、厚さが例えば40nmのCu薄膜をシード膜として形成し、このCu膜を電極として電解めっき法によってCu25を埋め込む。
Next, as shown in FIG. 7B, a wiring trench is formed in the above-described laminated insulating film by lithography and dry etching. Thereafter, as shown in FIG. 7C, a
次に、図7(d)に示すように、Cu粒成長のために、窒素(N2)雰囲気中において例えば、150℃で30分間の熱処理を行う。これにより、Cu25は結晶粒の大きい多結晶のCu26に変わる。その後、図7(e)に示すように、余剰なCuをCMPにて除去する。 Next, as shown in FIG. 7D, for Cu grain growth, heat treatment is performed at 150 ° C. for 30 minutes in a nitrogen (N 2 ) atmosphere, for example. Thereby, Cu25 changes to polycrystalline Cu26 with large crystal grains. Thereafter, as shown in FIG. 7E, excess Cu is removed by CMP.
次に、図7(f)に示すように、全面に膜厚20nmのTi膜(添加元素層)27をスパッタリングによって形成する。 Next, as shown in FIG. 7F, a 20 nm-thickness Ti film (additive element layer) 27 is formed on the entire surface by sputtering.
続いて、図7(g)に示すように、窒素雰囲気中で350℃、30分間の熱処理をして、Cu表面からTiをCu中に拡散させる。ここで、TiはCu結晶粒界を介して拡散し、バルク内には殆ど拡散しないため、Cu表面近傍の層28、及びCu結晶粒界近傍29にTiを多く含み、バルクCu中26にはTiが殆ど混入しない構造が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 7G, heat treatment is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere to diffuse Ti into the Cu from the Cu surface. Here, since Ti diffuses through the Cu crystal grain boundary and hardly diffuses in the bulk, the
次に、図7(h)に示すように、余剰なTi膜(添加元素層)27、及び、TaN膜とTa膜をこの順に積層したバリアメタル膜24を同時にCMPにより除去する。さらに、ハードマスク(SiO2膜)23を除去し、ポーラスSiOCH膜22表面を露出させる。このとき、Cu表面近傍には、Tiが高濃度に添加された層28を残す。
Next, as shown in FIG. 7H, the excessive Ti film (added element layer) 27 and the
次に、図7(i)に示すように、バリア絶縁膜としてプラズマCVD法によって厚さが例えば30nmのSiCN膜30を形成する。次に、ビア及び第2配線層における配線層間絶縁膜として、比誘電率が例えば2.55のポーラスSiOCH膜31を例えば200nmの厚さでプラズマCVD法によって成膜する。その上に、ハードマスクとして厚さが例えば80nmのSiO2膜32を、夫々CVD法によって成膜する。
Next, as shown in FIG. 7I, a SiCN film 30 having a thickness of, for example, 30 nm is formed as a barrier insulating film by a plasma CVD method. Next, as a wiring interlayer insulating film in the via and the second wiring layer, a
次に、図8(a)に示すように、リソグラフィーと異方性ドライエッチングによって、SiCN膜30をエッチングストッパーとして、SiO2膜32、ポーラスSiOCH膜31の一部を順次除去することにより、第1及び第2配線層間のビア孔の主部を形成する。
Next, as shown in FIG. 8A, a part of the SiO 2 film 32 and the
引き続きリソグラフィーと異方性エッチングにより、図8(b)に示すように、SiO2膜32、ポーラスSiOCH膜31の一部を除去する。これにより、第2配線層の配線溝の主部を形成すると同時に、ビア孔底部のSiCN膜30を除去して、第1配線層の上部接続面を露出させる。この際、有機剥離液を用いて、ビア孔内及び溝内のエッチング残渣の除去並びにビア底に露出した配線層の表面のCuO及びCu2Oの除去を行う。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, a part of the SiO 2 film 32 and the
次に、図8(c)に示すように、第2配線層の配線溝並びに第1及び第2配線層間のビア孔の内面を被覆するように、イオン化スパッタリング法によって、TaN膜とTa膜をこの順に積層したバリアメタル膜33、及び厚さが例えば40nmのCu薄膜を形成する。その後、これをシード電極として電解めっき法によってCu34を埋め込む。この手順は、図7(c)に示す第1配線層の形成と同様の手順である。
Next, as shown in FIG. 8C, a TaN film and a Ta film are formed by ionized sputtering so as to cover the inner surface of the wiring groove of the second wiring layer and the via hole between the first and second wiring layers. A
次に、図8(d)に示すように、Cu34の粒成長のために、窒素(N2)雰囲気中において例えば、150℃で30分間の熱処理を行う。その後、図8(e)に示すように、余剰なCuをCMPにて除去する。これにより、結晶粒が大きいCu35が形成される。
Next, as shown in FIG. 8D, for the grain growth of
次に、図8(f)に示すように、全面に膜厚20nmのTi膜(添加元素層)36をスパッタリングによって形成する。 Next, as shown in FIG. 8F, a 20 nm-thickness Ti film (additive element layer) 36 is formed on the entire surface by sputtering.
続いて、図9(a)に示すように、窒素雰囲気中で350℃、30分間の熱処理をして、Cu表面からTiをCu中に拡散させる。ここで、TiはCu結晶粒界を介して拡散し、バルク内には殆ど拡散しないため、Cu表面近傍の層37、及びCu結晶粒界近傍38にTiを多く含み、バルクCu中35にはTiが殆ど混入しない構造が形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 9A, heat treatment is performed at 350 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere to diffuse Ti into the Cu from the Cu surface. Here, since Ti diffuses through the Cu crystal grain boundary and hardly diffuses in the bulk, a large amount of Ti is contained in the layer 37 near the Cu surface and in the vicinity of the Cu crystal grain boundary 38. A structure in which Ti is hardly mixed is formed.
次に、図9(b)に示すように、余剰なTi膜(添加元素層)36、及び、TaN膜とTa膜のバリアメタル膜33を同時にCMPにより除去し、さらに、ハードマスク(SiO2膜)32を除去し、ポーラスSiOCH膜31表面を露出させる。このとき、Cu表面近傍には、Tiが高濃度に添加された層37を残す。
Next, as shown in FIG. 9B, the excess Ti film (added element layer) 36 and the
次に、図9(c)に示すように、バリア絶縁膜としてプラズマCVD法によって厚さが例えば30nmのSiCN膜39を形成する。次に、図9(d)に示すように、カバー膜40としてSiO2膜を成膜する。以下、図示しないが、カバー膜40にリソグラフィーとエッチングによって第2配線層との接合部を開口した後に、Ti、TiN及びAlを順次スパッタリングによって成膜する。次に、リソグラフィーとエッチングによってAl/TiN/Ti積層膜を電気測定用パッドパターンに加工する。以上により、2層配線を形成することができる。 Next, as shown in FIG. 9C, a SiCN film 39 having a thickness of, for example, 30 nm is formed as a barrier insulating film by plasma CVD. Next, as shown in FIG. 9D, a SiO 2 film is formed as the cover film 40. Although not shown, Ti, TiN, and Al are sequentially formed by sputtering after opening a joint portion with the second wiring layer by lithography and etching in the cover film 40. Next, the Al / TiN / Ti laminated film is processed into an electric measurement pad pattern by lithography and etching. As described above, a two-layer wiring can be formed.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
1a 絶縁膜
1b 絶縁膜
3a バリアメタル
3b バリアメタル膜
4a バリアメタル膜
4b Cu
5a 多結晶Cu
5b 多結晶Cu
6a 添加元素の層
6b 添加元素の層
9a バリア絶縁膜
9b バリア絶縁膜
21 SiO2膜
22 ポーラスSiOCH膜
23 SiO2膜
24 バリアメタル膜
25 Cu
26 Cu
27 Ti膜
28 層
29 Cu結晶粒界近傍
30 SiCN膜
31 ポーラスSiOCH膜
32 SiO2膜
33 バリアメタル膜
34 Cu
35 Cu
46 Ti膜
37 層
38 Cu結晶粒界近傍
39 SiCN膜
40 カバー膜
5a Polycrystalline Cu
5b Polycrystalline Cu
6a
26 Cu
27
35 Cu
46 Ti film 37 Layer 38 Cu grain boundary vicinity 39 SiCN film 40 Cover film
Claims (15)
前記絶縁膜に、溝及び孔の少なくとも一方からなる配線用の凹部を形成する工程と、
前記凹部の内面を含む前記絶縁膜上に、Cuの拡散を防止するバリアメタル膜を成膜する工程と、
前記凹部内に埋め込むようにして、前記バリアメタル膜上にCu膜を成膜する工程と、
前記凹部に埋め込まれた部分以外の前記バリアメタル上の前記Cu膜を化学機械研磨によって除去する工程と、
前記凹部内の前記Cu膜上に添加元素からなる層を形成する工程と、
前記添加元素を前記添加元素の層から前記Cu膜中に拡散させて、Cu表面、及びCu結晶粒の粒界及び該粒界近傍の位置において前記Cu結晶粒内部よりも前記添加元素の濃度が高い界面及びその近傍を形成するとともに、前記Cu膜中の酸素を前記添加元素の層にゲッタリングさせる工程と、
余剰な添加元素の層を除去する工程と、
前記絶縁膜上のバリアメタル膜を除去する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an insulating film on the substrate on which the semiconductor element is formed;
Forming a recess for wiring comprising at least one of a groove and a hole in the insulating film;
Forming a barrier metal film for preventing Cu diffusion on the insulating film including the inner surface of the recess;
Forming a Cu film on the barrier metal film so as to be embedded in the recess;
Removing the Cu film on the barrier metal other than the portion embedded in the recess by chemical mechanical polishing;
Forming a layer of an additive element on the Cu film in the recess;
The additive element is diffused from the layer of the additive element into the Cu film, and the concentration of the additive element is higher than the inside of the Cu crystal grain at the Cu surface, the grain boundary of the Cu crystal grain, and the position near the grain boundary. Forming a high interface and its vicinity, and gettering oxygen in the Cu film to the layer of the additive element;
Removing a layer of excess additive elements;
Removing the barrier metal film on the insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記バリアメタル上のCu膜を成膜する工程と、前記凹部内のCu膜上に添加元素からなる層を形成する工程との間では、150℃より高い温度での熱処理を加えない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,
No heat treatment at a temperature higher than 150 ° C. is applied between the step of forming a Cu film on the barrier metal and the step of forming a layer made of an additive element on the Cu film in the recess. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記余剰な添加元素の層を除去する工程と、前記絶縁膜上のバリアメタル膜を除去する工程とを化学機械研磨によって同一工程で行う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 or 2,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of removing the excess additive element layer and the step of removing the barrier metal film on the insulating film are performed in the same step by chemical mechanical polishing.
前記凹部内の前記Cu膜上に添加元素からなる層を形成する工程がスパッタリング法によ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,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of forming a layer made of an additive element on the Cu film in the recess is formed by a sputtering method.
前記凹部内の前記Cu膜上に添加元素からなる層を形成する工程が水溶性金属を用い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,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of forming a layer made of an additive element on the Cu film in the recess uses a water-soluble metal.
前記添加元素は、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、及びAl(アルミニウム)からなる群から選択された少なくとも1種の元素であ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 any one of claims 1 to 5,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the additive element is at least one element selected from the group consisting of Ti (titanium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), and Al (aluminum).
前記添加元素は、Cr(クロム)、Co(コバルト)、Ru(ルテニウム)、Sn(錫)、Ni(ニッケル)、Mg(マグネシウム)、Mn(マンガン)、及びW(タングステン)からなる群から選択された少なくとも1種の元素であ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 any one of claims 1 to 5,
The additive element is selected from the group consisting of Cr (chromium), Co (cobalt), Ru (ruthenium), Sn (tin), Ni (nickel), Mg (magnesium), Mn (manganese), and W (tungsten). A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor device is at least one element selected from the above.
前記添加元素の濃度が、前記多結晶銅合金の表面および表面近傍、かつ前記多結晶銅合金を構成する結晶粒の結晶粒界および粒界近傍において、結晶粒内部よりも高く、
更に、周囲にバリアメタルが形成されており、前記バリアメタルとの界面及び界面近傍において、前記添加元素の濃度が前記結晶粒の内部よりも高く、
前記添加元素の濃度が高い表面層の厚さが30nm未満であり、
前記多結晶銅合金界面のバリアメタルが酸化されていないことを特徴とする配線用銅合金。 It consists of a polycrystalline copper alloy containing Cu (copper) as a main component and containing an additive element,
The concentration of the additive element is higher in the surface of the polycrystalline copper alloy and in the vicinity of the surface, and in the crystal grain boundary of the crystal grains constituting the polycrystalline copper alloy and in the vicinity of the grain boundary than in the crystal grains,
Furthermore, a barrier metal is formed in the periphery, and the concentration of the additive element is higher than the inside of the crystal grain at the interface with the barrier metal and in the vicinity of the interface,
The thickness of the surface layer having a high concentration of the additive element is less than 30 nm,
A copper alloy for wiring, wherein the barrier metal at the interface of the polycrystalline copper alloy is not oxidized.
前記添加元素が、Ti、Zr、Hf、及びAlからなる群から選択された少なくとも1種の元素であることを特徴とする配線用銅合金。 In the copper alloy for wiring according to claim 8,
The copper alloy for wiring, wherein the additive element is at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, and Al.
前記多結晶銅合金の表面および表面近傍には、Ti、Zr、Hf、及びAlからなる群から選択された少なくとも1種の元素の酸化物が形成されていることを特徴とする配線用銅合金。 In the copper alloy for wiring according to claim 8 or claim 9,
A copper alloy for wiring, wherein an oxide of at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, and Al is formed on and near the surface of the polycrystalline copper alloy .
前記添加元素が、Cr、Co、Ru、Sn、Ni、Mg、Mn、及びWからなる群から選択された少なくとも1種の元素であることを特徴とする配線用銅合金。 In the copper alloy for wiring according to claim 8,
A copper alloy for wiring, wherein the additive element is at least one element selected from the group consisting of Cr, Co, Ru, Sn, Ni, Mg, Mn, and W.
前記多結晶銅合金の表面および表面近傍には、Cr、Co、Ru、Sn、Ni、Mg、Mn、及びWからなる群から選択された少なくとも1種の元素の酸化物が形成されていることを特徴とする配線用銅合金。 In the copper alloy for wiring according to claim 8 or claim 11,
An oxide of at least one element selected from the group consisting of Cr, Co, Ru, Sn, Ni, Mg, Mn, and W is formed on and near the surface of the polycrystalline copper alloy. A copper alloy for wiring.
前記結晶粒内部の前記添加元素の濃度が0.1原子%以下であり、かつ、
前記結晶粒の粒界及び粒界近傍における添加元素の濃度は、結晶粒内部における添加元素濃度の2倍以上1000倍以下であることを特徴とする配線用銅合金。 In the copper alloy for wiring according to any one of claims 8 to 12,
The concentration of the additive element in the crystal grains is 0.1 atomic% or less, and
The copper alloy for wiring, wherein the concentration of the additive element in the grain boundary of the crystal grain and in the vicinity of the grain boundary is 2 to 1000 times the concentration of the additive element in the crystal grain.
前記結晶粒の粒界及び粒界近傍における添加元素の濃度は、結晶粒内部における添加元素濃度の10倍以上100倍以下であることを特徴とする配線用銅合金。 In the copper alloy for wiring according to claim 13,
A copper alloy for wiring, wherein the concentration of the additive element in the grain boundary of the crystal grain and in the vicinity of the grain boundary is 10 to 100 times the concentration of the additive element in the crystal grain.
15. A semiconductor device, wherein a metal wiring made of a copper alloy for wiring according to claim 8 is formed on a substrate on which a semiconductor element is formed.
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| WO2013125449A1 (en) * | 2012-02-22 | 2013-08-29 | 東京エレクトロン株式会社 | Semiconductor-device manufacturing method, storage medium, and semiconductor device |
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