JP2003209166A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
る微細な多層配線で高信頼性の接続配線構造を有する半
導体装置及びその製造方法を提供する。 【解決手段】多層配線における層間の絶縁膜10(10
1,102)中にバリアメタル11の被覆及び上部の拡
散バリア層形成を伴うCuを主成分としたCu配線部材
12が埋め込み形成されている。層間の絶縁膜10とし
ては、大部分を構成する第1絶縁膜101と、この第1
絶縁膜101に隣接してCu配線部材12の側壁を形成
する第2絶縁膜102が構成されている。この第1絶縁
膜101と第2絶縁膜102とはそれぞれエッチング選
択比が異なる。上層の配線層(図示せず)が第1絶縁膜
101のエッチングによりビアホールVHを介してCu
配線部材12と接続される場合、相当の合わせ余裕が見
込める。
Description
配線構造に係り、特にダマシン系の構造を利用した高集
積化、微細化、及び低抵抗、動作高速化に対応可能な半
導体装置及びその製造方法に関する。
回路化、低電圧電源、動作高速化に対応可能な低抵抗の
Cu配線材料が使用される傾向にある。Cu配線材料に
よる加工は、配線材料の埋め込み及び化学的機械的研磨
(CMP)技術を含むダマシン法などの利用が主流とな
っている。
縁膜を選択的に開口し、コンタクト領域を露出させる。
コンタクト領域と共に配線領域となる溝を形成してもよ
い。その後、コンタクト領域にTi/TiN積層、Ta
N、WNなどのバリアメタル材料をスパッタ法により被
覆する。
は、Cuのシード層のスパッタ及び電解メッキ法による
Cuの堆積が一般的である。これにより、コンタクト領
域及び配線領域となる溝(配線溝)を含む領域上にCu
配線材料が堆積される。その後、化学的機械的研磨(C
MP)技術により、必要な配線部分のみにCu配線材料
を埋め込んだ形に加工する。
配線材料による多層配線形態を示す断面図である。下層
のCu配線部材41に上層のCu配線部材42がコンタ
クト領域を介して接続されている。各Cu配線部材は周
辺に下地として適当な厚みを有するバリアメタルBMが
被覆される。これにより、層間絶縁膜40(402)や
コンタクト領域へのCuの拡散を防止している。
膜40に対してエッチング選択比のとれるストッパ膜E
Sが形成される。これにより、配線溝421の底部を精
度良く形作る役割を果たす。例えば層間絶縁膜40がシ
リコン酸化膜であれば、ストッパ膜ESは例えばシリコ
ン窒化膜で構成される。
ア・ホール422の形成以前に際し、やはり拡散バリア
層413がCu配線部材41上に設けられる。拡散バリ
ア層413は、上記例からいえば例えばシリコン窒化膜
である。これにより、次に積層される層間絶縁膜(シリ
コン酸化膜)402等へのCuの拡散を阻止している。
線部材の下地として適当な厚みを有するバリアメタルB
Mを被覆し、コンタクト領域へのCuの拡散を防止して
いる。バリアメタル材料はCu配線材料より高抵抗であ
るため、なるべく薄膜化されるのが現状である。
す断面図である。図11と同様箇所には同一の符号を付
す。微細化が進みコンタクト領域CTAは減少してい
る。フォトリソグラフィ工程の僅かな合わせずれによっ
てコンタクト領域CTAのエッチングの位置が一部外れ
る危険性が高い。図のようになると、過剰エッチングに
よるボイドの発生、バリアメタル不在によるCu拡散
等、欠陥箇所の増大の懸念があり、隣接配線とのショー
トを招く恐れがある。
れたもので、集積回路を構成する埋め込みCu配線材料
による微細な多層配線で高信頼性の接続配線構造を有す
る半導体装置及びその製造方法を提供しようとするもの
である。
は、所定の金属配線部材を配して多層配線が構成される
半導体装置であって、前記多層配線の層間の絶縁膜とし
て、大部分を構成する第1のエッチング選択比を有する
第1絶縁膜の他に少なくともこの第1絶縁膜に隣接して
前記金属配線部材どうしの接続領域縁部側壁を構成する
第2のエッチング選択比を有する第2絶縁膜を具備した
ことを特徴とする。
属配線部材の接続領域縁部側壁には第1絶縁膜とはエッ
チング選択比の異なる第2絶縁膜が配される。これによ
り、金属配線部材の形成において、上層の配線層が第1
絶縁膜のエッチングによりビアホールを介して下層の配
線層と接続される場合、下層の配線層の縁部で第2絶縁
膜の厚さ分エッチングずれをカバーすることができる。
から、様々な組み合わせが考えられ、まず、第2絶縁膜
は窒化膜系または酸化膜系から選択されたものであるこ
とを特徴とする。また、第1絶縁膜の選択についても各
種応用が可能である。無機膜系、有機系低誘電率膜、無
機系低誘電率膜、多孔質低誘電率膜のいずれかが利用さ
れる。
の間の所定領域にバリアメタルが介在していることを特
徴とする。第2絶縁膜として、上記金属配線部材の拡散
防止能力が乏しいものを選んだ場合有効である。第2絶
縁膜に上記金属配線部材の拡散防止能力があってもバリ
アメタルを加えることによって第1絶縁膜への金属配線
部材の拡散を阻止する能力は向上する。
しの接続領域におけるビアコンタクト側壁以外の第2絶
縁膜と金属配線部材の間に設けられることを特徴とす
る。第2絶縁膜に上記金属配線部材の拡散防止能力があ
るものを選択した場合、バリアメタルの付加は接続面積
の狭いビアコンタクトに対し高抵抗化を招く。そこで、
ビアコンタクト側壁については上記金属配線部材の拡散
防止能力がある第2絶縁膜だけで十分として構成され
る。
定の金属配線部材を含んで回路配線が構成される半導体
装置の製造方法であって、少なくとも第1のエッチング
選択比を有する第1絶縁膜を選択的に除去し実質的な配
線領域より所定寸法だけ大きい余剰分を含んだ配線領域
を形成する工程と、前記配線領域内表面に少なくとも余
剰分を埋めるように第2のエッチング選択比を有する第
2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜を前記配線
領域の余剰分が含まれる側壁に残す異方性エッチング工
程と、前記配線領域を金属配線部材で埋め込み、配線構
造を現出させる工程と、を具備したことを特徴とする。
ば、余剰分を含んだ配線領域において、その余剰分を埋
めるように、すなわち実質的な配線領域を狭めずに第2
絶縁膜を設ける。これにより、金属配線部材の形成にお
いて、上層の配線層が第1絶縁膜のエッチングによりビ
アホールを介して下層の配線層と接続される場合、下層
の配線層の縁部で第2絶縁膜の厚さ分エッチングずれを
カバーすることができる。
て、下層の導電領域へのホール形状の形成と共に配線溝
の形成を伴なうデュアル・ダマシン構造の形態がとられ
る所定領域を設けることを特徴とする。
て、配線溝の形成を伴い、配線溝形成の前に、予め下層
の導電領域へのホール形状を形成しておき、前記配線溝
の形成工程において前記ホール形状が含まれるようにし
たデュアル・ダマシン構造の形態がとられる所定領域を
設けることを特徴とする。
て、配線溝の形成を伴い、前記配線溝の形成工程の後
に、この配線溝内で下層の導電領域へのホール形状を形
成するようにしたデュアル・ダマシン構造の形態がとら
れる所定領域を設けることを特徴とする。
材で埋め込む前に予め前記第2絶縁膜上を含む所定領域
にバリアメタルを被覆する工程を具備することを特徴と
する。バリアメタルの被覆は接続面積の狭いホール形状
に対しては高抵抗化を招くので、第2絶縁膜がCuの拡
散防止能力を持つものであれば、必要以上に形成しない
ことも考えられる。そこで、前記配線領域を形成する工
程において、下層の導電領域へのホール形状の形成と配
線溝の形成を伴ない、この所定の配線領域形成後、金属
配線部材で埋め込む前に、前記ホール形状以外の前記配
線溝の領域にバリアメタルを被覆する工程を具備したこ
とを特徴とする。
に係る半導体装置を示す断面図である。半導体基板に形
成される半導体集積回路内の多層配線を示している。多
層配線における層間の絶縁膜10(101,102)中
にバリアメタル11の被覆及び上部の拡散バリア層CA
P形成を伴うCuを主成分としたCu配線部材12が埋
め込み形成されている。
する第1絶縁膜101と、この第1絶縁膜101に隣接
してCu配線部材12の側壁を形成する第2絶縁膜10
2が構成されている。この第1絶縁膜101と第2絶縁
膜102とはそれぞれエッチング選択比が異なる。
線部材の形成において、上層の配線層(図示せず)が第
1絶縁膜101のエッチングによりビアホールVHを介
してCu配線部材12と接続される場合、相当の合わせ
余裕が見込める。すなわち、Cu配線部材11縁部での
第2絶縁膜102の厚さ分だけエッチングずれをカバー
することができる。
の組合わせは様々考えられる。第2絶縁膜102が例え
ばシリコン窒化膜のような窒化膜系である場合、第1絶
縁膜101は、シリコン酸化膜のような通常の無機膜系
や、有機系低誘電率膜、無機系低誘電率膜(いわゆる有
機系、無機系のLow-k 膜)、膜中に空孔を導入した多孔
質低誘電率膜のいずれかの利用が考えられる。
系の膜がCu配線部材12の周辺を確実に覆う構成が整
っていれば、バリアメタル11の形成を省略することが
可能である。あるいは、BCB(Benzocyclobutene)膜
のようなCuの拡散速度が非常に遅い低誘電率膜を第1
絶縁膜101として使用することによっても、バリアメ
タル11の形成省略が考えられる。このようなバリアメ
タル11の形成省略は、特に接続面積の狭いビアホール
等においてはCu配線部材のみの充填となり、低抵抗化
に寄与する。
酸化膜のような酸化膜系である場合、第1絶縁膜101
は、有機系低誘電率膜、無機系低誘電率膜(いわゆる有
機系、無機系のLow-k 膜)、膜中に空孔を導入した多孔
質低誘電率膜のいずれかの利用が考えられる。
ようなCuの拡散速度が非常に遅い低誘電率膜を第1絶
縁膜101として使用すれば、バリアメタル11の形成
省略が考えられる。これにより、特に接続面積の狭いビ
アホール等においてはCu配線部材のみの充填となり、
低抵抗化に寄与する。
態に係る半導体装置の製造方法の要部を工程順に示す断
面図である。また、図8〜図10は、それぞれデュアル
ダマシン構造の形成例を示す要部の断面図である。
積回路を構成する層間の絶縁膜(第1絶縁膜)21下層
の所定領域にはコンタクト領域23が構成されている。
コンタクト領域23は配線層や拡散層が考えられる。
的な無機膜であるCVD法によるシリコン酸化膜(いわ
ゆるTEOS酸化膜)や、低誘電率(Low-k )膜で形成
される。例えば、塗布法による有機系低誘電率膜(シロ
キサン系、有機ポリマー(Si−O基なし)、または多
孔質材料)の形成、あるいは、塗布法による無機系低誘
電率膜(Si−O基を有するシロキサン系、または多孔
質材料)の形成、さらには、CVD法によるSiOF系
の膜などの形成が考えられる。
し、コンタクト領域23が露出するビアホール24及び
これに繋がる配線溝25を形成する。デュアルダマシン
構造とするため例えば図8〜図10いずれかの周知の方
法が用いられる。
トッパ膜ESにビアホールとなる開口Hを形成しておく
自己整合方式、図9のように先にビアホールを形成して
おき配線溝の形成時にビアホール部を含ませる先ビア方
式、図10のように先に配線溝を形成しておき配線溝内
でのビアホール形成を達成する先トレンチ方式のいずれ
かが利用される。
ンチ方式についてはエッチングストッパ膜ESを形成し
ないことも考えられる。また、エッチングストッパ膜E
Sを省略した自己整合方式として、ダブルハードマスク
を使用する方法もある(図示せず)。これは、層間絶縁
膜上にビアホール用のマスク層と配線溝用のマスク層を
積層し、それぞれリソグラフィ技術を用いてパターニン
グする。このマスク2層の異なるエッチング選択比を利
用してビアホール及び配線溝を形成する。このようにエ
ッチングストッパ膜ESを省略した形成も様々考えられ
るが、ここではエッチングストッパ膜ESを介在させた
構造とする。
配線溝の形成に際し、フォトリソグラフィ技術の制御、
つまりレジストの寸法制御により実質的な配線領域より
10〜20%程寸法の大きな、余剰分を含んだ配線領域
を形成する。
(Chemical Vapor Deposition )法により上記余剰分を
埋めるような絶縁膜(第2絶縁膜)22を形成する。絶
縁膜22は少なくとも絶縁膜21とエッチング選択比が
取れるものとする。そこで、絶縁膜22は、Cuの拡散
防止能力に定評のあるシリコン窒化膜が代表的である
が、絶縁膜21との組み合わせから、シリコン酸化膜を
採用することも可能である。
ーを利用して異方性エッチングを実施し、少なくともコ
ンタクト領域23の上部にある絶縁膜(第2絶縁膜)2
2を除去する。これにより、上記余剰分を埋める配線領
域の側壁を形成する。絶縁膜22はエッチングストッパ
膜ESと同じ物質でもよい。そのときは、エッチング時
間を制御して溝形状を崩さないようにする。図示しない
が、仮にコンタクト領域23が例えばCu配線であって
コンタクト領域23上部に拡散防止用のキャップ層が存
在すれば、続いて除去する。
いて配線領域内部にバリアメタルBMを被覆する。ここ
でのバリアメタルBMは例えばTaN膜が代表的であ
る。また、TaN膜に限らず、スパッタ法によりTa,
TiN,TiSiN,TiW,WN,WTa,TiN,
TiW,WNのいずれかを含む膜またはこれらの積層を
採用してもよい。その他、絶縁膜22の種類を考慮して
CVD法によるSiOC膜の採用、SiN膜の採用など
も考えられる。また、仮に絶縁膜22が窒化膜系などC
uの拡散防止能力に富み、Cu配線部材の周辺を確実に
覆う構成となり得るならば、バリアメタルBMの形成を
省略することも考えられる。
埋め込む。例えば、Cuのシード層のスパッタ及び電解
メッキ法によるCuの堆積が実施される。これにより、
コンタクト領域23及び配線溝25を含む配線領域上に
Cuが堆積される。その後、化学的機械的研磨(CM
P)技術により、必要な配線部分のみにCuを埋め込ん
だ形に加工する。
6上部に拡散バリア層CAP、例えばSiNやSiOC
の組成膜をCVD法により成膜する。拡散バリア層CA
Pはその他図示しないが、Cu配線部材26自体を酸化
するなどしてCu配線部材26上部のみ酸化膜で覆う構
成も考えられる。
たなコンタクト領域23とし、上述した図2〜図5に示
すのと同様な方法によって第1絶縁膜21、ビアホール
24及びこれに繋がる配線溝25、第2絶縁膜22、バ
リアメタルBM(不要な構造も考えられる)、そしてC
u配線部材26の埋め込み形成を達成する。図示しない
が、このような方法を繰り返すことによって、Cu配線
による多層配線を実現する。
よるCu配線部材(26)の形成において、上層の配線
層が第1絶縁膜21のエッチングによりビアホール24
を介して下層のCu配線部材(26)と接続される場
合、相当の合わせ余裕が見込める。すなわち、Cu配線
部材26縁部での第2絶縁膜22の厚さ分だけエッチン
グずれをカバーすることができる。第2絶縁膜22と拡
散バリア層CAPが同じ物質だとしてもエッチング終点
検出により信頼性は問題ない。かつ、第2絶縁膜22は
余剰分(配線領域の外側)を埋めるだけなので実質的な
配線領域を狭めることはない。これにより、高信頼性の
Cu配線による多層配線が実現できる。
態の方法におけるより好ましい半導体装置の製造方法の
要部を示す断面図である。上記実施形態と同様箇所には
同一の符号を付す。第2絶縁膜22をCu拡散防止能力
に定評のあるシリコン窒化膜としたうえで説明する。
(第1絶縁膜)21に対し、例えば図8〜図10のよう
な方法を利用して、実質的な配線領域より10〜20%
程寸法の大きな、余剰分を含んだ配線領域(ビアホール
24及びこれに繋がる配線溝25)を形成する。その
後、プラズマCVD法により上記余剰分を埋めるシリコ
ン窒化膜でなる第2絶縁膜22を形成、異方性エッチン
グにより側壁を残留させる。
ッタ法によりバリアメタルBMを被覆する。ここではス
パッタ条件で、より狭い領域つまりビアホール24内に
はバリアメタルBMが被覆されない。こうしてCuの充
填量が多く、かつ前の異方性エッチングで拡散防止能力
のある膜が薄くなった配線溝25底部にバリアメタルB
Mが被覆される。その後、上記配線領域にCu配線部材
26を埋め込んだ形に加工する。
によるCu配線部材の形成において、上層の配線層が同
様に繰り返し形成される。これにより、絶縁膜21のエ
ッチングによりビアホールVHを介してCu配線部材2
6と接続される場合、Cu配線部材26縁部での絶縁膜
22の厚さ分だけエッチングずれをカバーすることがで
きる。
の狭いビアホール24内に対しては高抵抗化を招くの
で、その形成を避ける構造となっている。これは絶縁膜
22がCuの拡散防止能力を持つ構造に有用である。
BCB(Benzocyclobutene)膜のようなCuの拡散速度
が非常に遅い低誘電率膜を使用することによって、バリ
アメタルBMの形成省略が考えられる。あるいは、絶縁
膜22をシリコン窒化膜からシリコン酸化膜に代えるこ
とも期待できる。
配線を構成する金属配線部材として、Cuを主成分とし
たCu配線部材が形成される構成を示したが、他の金属
配線部材を採用した場合にも本発明の適用が期待でき
る。Cu配線部材以外としては、例えばAu,Ag,A
l,W等様々な金属配線部材が考えられる。その際のバ
リアメタルは、その金属に効果的なものが適宜選択され
る。
属配線部材の接続領域縁部側壁には第1絶縁膜とはエッ
チング選択比の異なる第2絶縁膜が配される。これによ
り、金属配線部材の形成において、上層の配線層が第1
絶縁膜のエッチングによりビアホールを介して下層の配
線層と接続される場合、下層の配線層の縁部で第2絶縁
膜の厚さ分エッチングずれをカバーすることができる。
この結果、集積回路を構成する埋め込み金属配線材料に
よる微細な多層配線で高信頼性の接続配線構造を有する
半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
す断面図である。
法の要部を示す第1の断面図である。
法の要部を示す図2に続く第2の断面図である。
法の要部を示す図3に続く第3の断面図である。
法の要部を示す図4に続く第4の断面図である。
法の要部を示す図5に続く第5の断面図である。
より好ましい半導体装置の製造方法の要部を示す断面図
である。
要部の断面図である。
要部の断面図である。
す要部の断面図である。
す断面図である。
る。
2)…層間の絶縁膜 101,21…第1絶縁膜 102,22…第2絶縁膜 11…バリアメタル 12,26,41,42…Cu配線部材 21,22…絶縁膜 23,CTA…コンタクト領域 24,VH…ビアホール 25,421…配線溝 BM…バリアメタル CAP,413…拡散バリア層 ES…エッチングストッパ膜 H…開口
Claims (14)
- 【請求項1】 所定の金属配線部材を配して多層配線が
構成される半導体装置であって、 前記多層配線の層間の絶縁膜として、大部分を構成する
第1のエッチング選択比を有する第1絶縁膜の他に少な
くともこの第1絶縁膜に隣接して前記金属配線部材どう
しの接続領域縁部側壁を構成する第2のエッチング選択
比を有する第2絶縁膜を具備したことを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項2】 前記第2絶縁膜は窒化膜系または酸化膜
系から選択されたものであることを特徴とする請求項1
記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記第1絶縁膜は無機膜系であることを
特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記第1絶縁膜は有機系低誘電率膜であ
ることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装
置。 - 【請求項5】 前記第1絶縁膜は無機系低誘電率膜であ
ることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装
置。 - 【請求項6】 前記第1絶縁膜は膜中に空孔を導入した
多孔質低誘電率膜であることを特徴とする請求項1また
は2記載の半導体装置。 - 【請求項7】 前記第2絶縁膜と前記金属配線部材の間
の所定領域にバリアメタルが介在していることを特徴と
する請求項1〜6いずれか一つに記載の半導体装置。 - 【請求項8】 前記バリアメタルは、前記金属配線部材
どうしの接続領域におけるビアコンタクト側壁以外の前
記第2絶縁膜と前記金属配線部材の間に設けられること
を特徴とする請求項7記載の半導体装置。 - 【請求項9】 所定の金属配線部材を含んで回路配線が
構成される半導体装置の製造方法であって、 少なくとも第1のエッチング選択比を有する第1絶縁膜
を選択的に除去し実質的な配線領域より所定寸法だけ大
きい余剰分を含んだ配線領域を形成する工程と、 前記配線領域内表面に少なくとも余剰分を埋めるように
第2のエッチング選択比を有する第2絶縁膜を形成する
工程と、 前記第2絶縁膜を前記配線領域の余剰分が含まれる側壁
に残す異方性エッチング工程と、 前記配線領域を金属配線部材で埋め込み、配線構造を現
出させる工程と、を具備したことを特徴とする半導体装
置の製造方法。 - 【請求項10】 前記配線領域を形成する工程におい
て、下層の導電領域へのホール形状の形成と共に配線溝
の形成を伴なうデュアル・ダマシン構造の形態がとられ
る所定領域を設けることを特徴とする請求項9記載の半
導体装置の製造方法。 - 【請求項11】 前記配線領域を形成する工程におい
て、配線溝の形成を伴い、配線溝形成の前に、予め下層
の導電領域へのホール形状を形成しておき、前記配線溝
の形成工程において前記ホール形状が含まれるようにし
たデュアル・ダマシン構造の形態がとられる所定領域を
設けることを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項12】 前記配線領域を形成する工程におい
て、配線溝の形成を伴い、前記配線溝の形成工程の後
に、この配線溝内で下層の導電領域へのホール形状を形
成するようにしたデュアル・ダマシン構造の形態がとら
れる所定領域を設けることを特徴とする請求項9記載の
半導体装置の製造方法。 - 【請求項13】 前記配線領域を形成する工程の後、前
記配線領域を前記金属配線部材で埋め込む前に予め前記
第2絶縁膜上を含む所定領域にバリアメタルを被覆する
工程を具備したことを特徴とする請求項9〜12いずれ
か一つに記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項14】 前記配線領域を形成する工程におい
て、下層の導電領域へのホール形状の形成と配線溝の形
成を伴ない、この所定の配線領域形成後、前記金属配線
部材で埋め込む前に、前記ホール形状以外の前記配線溝
の領域にバリアメタルを被覆する工程を具備したことを
特徴とする請求項9〜12いずれか一つに記載の半導体
装置の製造方法。
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