JP2004014763A

JP2004014763A - Semiconductor device and its manufacturing method

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Publication number: JP2004014763A
Application number: JP2002165477A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sugata; 菅田　安洋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP4285946B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable an upper aluminum wiring layer which is formed by a high-temperature aluminum film depositing method to be improved in covering properties and surface evenness by keeping the upper aluminum wiring layer superior in fluidity when it is deposited in the wiring structure of a semiconductor device in which a lower wiring layer and the upper aluminum wiring layer are connected with each other by a tungsten plug. <P>SOLUTION: A tungsten film 7a is formed inside a connection hole 5 reaching the lower wiring layer 3 and on the surface of an interlayer insulating film 4 through a barrier metal layer (TiN film/Ti film) 6, and an etching back process is performed on the whole surface to form the tungsten plug 7 and to expose the barrier metal layer 6 on the interlayer insulating film 4. Then, a second TiN film 6a is formed to improve the condition of the surface damaged by etching, and the upper aluminum film 9 is deposited by a high-temperature aluminum film depositing method. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置に関し、特に、上下配線層がプラグで接続された多層配線構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０〜図１３は、従来の半導体装置の製造方法における配線形成を示す断面図である。
まず、単結晶シリコンなどから成る半導体基板１（図示せず）上の下層絶縁層２上の所定の領域に下層配線層３を形成し、この下層配線層３上を覆う全面に絶縁層としての層間絶縁膜４を形成する。その後、下層配線層３上の層間絶縁膜４に接続孔５を開口して、下層配線層３表面を露出する。次に、ＴｉＮ膜／Ｔｉ膜から成るバリアメタル層６を、スパッタリング法またはＣＶＤ法により全面に成膜する（図１０）。
次に、タングステン膜７ａをＣＶＤ法により、接続孔５を埋め込むように全面に形成し（図１１）、続いて、ドライエッチング法によりタングステン膜７ａを全面エッチバックして接続孔５内にのみ残存させてタングステンプラグ７を形成し、層間絶縁膜４上のバリアメタル層６表面を露出させる。このとき、バリアメタル層６上にタングステン膜７ａが残存して上層に形成する配線層間のショートが発生しないように、所定量のオーバーエッチングを施し、タングステン膜７ａを層間絶縁膜４上のバリアメタル層６表面より０．１０〜０．３０μｍ程度後退させてリセス８を形成する（図１２）。
【０００３】
次いで、ＡｌＣｕ膜から成る上層アルミ膜９を、３００〜５００℃で成膜する高温アルミ成膜法により全面に成膜し、その後上層アルミ膜９およびバリアメタル層６をパターニングして、タングステンプラグ７により接続された上下配線層３、９の配線形成を完了する（図１３）。
このように、従来の半導体装置の配線形成は、タングステンプラグ７上に接続形成する上層アルミ膜９を高温アルミ成膜法にて成膜していた。この高温アルミ成膜法は、成膜時にアルミ材料が流動状態で成膜されるため、良好なカバレジおよび表面平坦性で成膜できる技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような上層アルミ膜９を形成する高温アルミ成膜法では、アルミ材料が良好に流動状態となることが良好なカバレジおよび表面平坦性を得るために重要である。しかしながら、後述する種々の要因によりアルミ材料の流動化が妨げられ、図１３に示すように、タングステンプラグ７上のリセス部８で上層アルミ膜９中にボイド１０が発生したり、また、図１４に示すように窪み１１が生じることがあった。このようなリセス部８での埋め込み不良は、特に接続孔５の開口径が０．３μｍより小さい場合に顕著であり、上層アルミ膜９の配線としての信頼性に問題があった。
【０００５】
高温アルミ成膜法における、アルミ材料の流動化が妨げられる要因の１つは、成膜時に半導体基板１、特に絶縁層から放出されるアウトガスに起因することが判っており、このため、成膜に先立って、半導体基板１を２００〜３００℃程度に加熱して予めアウトガスを放出させる脱ガス処理を従来から施している。この脱ガス処理により、絶縁層表面付近のガスは予め放出されるが、内部に残存したガスが上層アルミ膜９の成膜時に放出しアルミ材料の流動化を妨げることがあった。
また、ドライエッチング法によりタングステン膜７ａを全面エッチバックしてタングステンプラグ７を形成し、バリアメタル層６表面を露出させる際、バリアメタル層６表面がエッチングダメージにより劣化する。このエッチングダメージは、オーバーエッチングにより接続孔５内にリセス８を形成する場合には顕著となる。このようなバリアメタル層６表面の劣化も、バリアメタル層６上に上層アルミ膜９を成膜する際に、アルミ材料の流動化が妨げられる要因となる。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、高温アルミ成膜法により成膜してタングステンプラグ上に接続形成する上層アルミ配線層を、成膜時に良好な流動性を有して、タングステンプラグ上にボイドや窪みを発生することなく成膜し、カバレジ特性および表面平坦性が良好で信頼性の高い上層アルミ配線層を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、下層配線層と該下層配線層上に絶縁層を介して形成されたアルミを含む上層アルミ配線層とが、タングステンプラグにより接続された配線構造を有する製造方法であって、上記絶縁層を形成した後、上記半導体基板裏面に形成された絶縁膜を除去し、その後、高温アルミ成膜法により３００〜５００℃の成膜温度で上記上層アルミ配線層を成膜するものである。
【０００８】
この発明の請求項２に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、下層配線層と該下層配線層上に絶縁層を介して形成されたアルミを含む上層アルミ配線層とが、タングステンプラグにより接続された配線構造を有する製造方法であって、高温アルミ成膜法により３００〜５００℃の成膜温度で、上記半導体基板の周囲にアウトガス拡散防止用リングを装着し、成膜室内の上記半導体基板裏面側から排気する状態にて、上記上層アルミ配線層を成膜するものである。
【０００９】
この発明の請求項３に係る半導体装置の製造方法は、請求項１または２において、上記高温アルミ成膜法による上記上層アルミ配線層の形成は、成膜に先だって上記半導体基板を３５０〜５００℃に加熱して脱ガス処理を施した後、上記半導体基板を大気に晒すことなく、上記上層アルミ配線層を成膜するものである。
【００１０】
この発明の請求項４に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、下層配線層と該下層配線層上に絶縁層を介して形成されたアルミを含む上層アルミ配線層とが、タングステンプラグにより接続された配線構造を有する製造方法であって、上記下層配線層上に上記絶縁層を形成した後、該絶縁層に上記下層配線層に達する接続孔を開口する工程と、次いで該接続孔を埋め込むように、バリアメタル層を介してタングステン膜を全面に形成し、該タングステン膜をドライエッチングにより全面エッチバックして上記接続孔内にのみ残存させ上記タングステンプラグを形成すると共に、上記絶縁層上のバリアメタル層表面を露出する工程と、次いで、全面にＴｉＮ膜を形成した後、高温アルミ成膜法により３００〜５００℃の成膜温度で上記上層アルミ配線層を成膜し、該上記上層アルミ配線層、上記ＴｉＮ膜および上記バリアメタル層をパターニングする工程とを有するものである。
【００１１】
この発明の請求項５に係る半導体装置の製造方法は、請求項１〜３のいずれかにおいて、上記下層配線層上に上記絶縁層を形成した後、該絶縁層に上記下層配線層に達する接続孔を開口する工程と、次いで該接続孔を埋め込むように、バリアメタル層を介してタングステン膜を全面に形成し、該タングステン膜をドライエッチングにより全面エッチバックして上記接続孔内にのみ残存させ上記タングステンプラグを形成すると共に、上記絶縁層上のバリアメタル層表面を露出する工程と、次いで、全面にＴｉＮ膜を形成した後、上記上層アルミ配線層を成膜し、該上層アルミ配線層、上記ＴｉＮ膜および上記バリアメタル層をパターニングする工程とを有するものである。
【００１２】
この発明の請求項６に係る半導体装置の製造方法は、請求項１〜３のいずれかにおいて、上記下層配線層上に上記絶縁層を形成した後、該絶縁層に上記下層配線層に達する接続孔を開口する工程と、次いで該接続孔を埋め込むように、バリアメタル層を介してタングステン膜を全面に形成し、該タングステン膜および上記バリアメタル層をドライエッチングにより全面エッチバックして、上記絶縁層表面よりも後退させた状態で上記接続孔内にのみ残存させ、上記タングステンプラグを形成すると共に、上記絶縁層表面を露出し、さらに上記接続孔開口端における上記絶縁層角部を除去する工程と、次いで、全面にＴｉＮ膜を形成した後、上記上層アルミ配線層を成膜し、該上層アルミ配線層および上記ＴｉＮ膜をパターニングする工程とを有するものである。
【００１３】
この発明の請求項７に係る半導体装置は、半導体基板上に、所定の領域に配設された下層配線層と、上記下層配線層上の全面に形成された絶縁層と、該絶縁層に上記下層配線層に達するように設けられた接続孔と、該接続孔内および上記絶縁層表面に形成されたバリアメタル層と、上記接続孔内に上記バリアメタル層を介して埋め込まれてタングステンプラグを構成するタングステン膜と、上記絶縁層表面に形成された上記バリアメタル層上および上記タングステンプラグ上にＴｉＮ膜を介して形成された上層アルミ配線層とを備えたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。
図１、図２は、この発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法における配線形成を示す断面図であり、特に図１は、上層アルミ配線層の形成に先だって行う、裏面絶縁膜除去工程を示すもの、図２はその後の製造工程をしめすものである。
まず、単結晶シリコンなどから成る半導体基板１上の下層絶縁層２上の所定の領域に下層配線層３を形成し、この下層配線層３上を覆う全面に絶縁層としての層間絶縁膜４を形成する。この状態で、半導体基板１の裏面側にも裏面絶縁膜１２が形成されている。次いで、層間絶縁膜４上の全面をホトレジスト膜１３で覆い（図１（ａ））、フッ酸などのエッチング液によるウェットエッチングにより裏面絶縁膜１２を除去し、その後ホトレジスト膜１３を除去する（図１（ｂ））。
【００１５】
これ以降の処理は半導体基板１表面側についての処理であるため、図２は、便宜上、下層絶縁層２より上層部分のみの図示とする。
次いで、下層配線層３上の層間絶縁膜４に接続孔５を開口して、下層配線層３表面を露出する。次に、ＴｉＮ膜／Ｔｉ膜から成るバリアメタル層６を、十分なバリア機能およびオーミックコンタクトを得るための膜厚で、スパッタリング法またはＣＶＤ法により全面に成膜する（図２（ａ））。
次に、タングステン（Ｗ）膜７ａをＣＶＤ法により、接続孔５を埋め込むように全面に形成し（図２（ｂ））、続いて、ドライエッチング法によりタングステン膜７ａを全面エッチバックして接続孔５内にのみ残存させてタングステンプラグ７を形成し、層間絶縁膜４上のバリアメタル層６表面を露出させる。このとき、バリアメタル層６上にタングステン膜７ａが残存して上層に形成する配線層間のショートが発生しないように、所定量のオーバーエッチングを施し、タングステン膜７ａを層間絶縁膜４上のバリアメタル層６表面より０．１０〜０．３０μｍ程度後退させてリセス８を形成する（図２（ｃ））。
次いで、半導体基板１を加熱して脱ガス処理をした後、続いて、上層アルミ配線層としてのＡｌＣｕ膜から成る上層アルミ膜９を、３００〜５００℃で成膜する高温アルミ成膜法により全面に成膜し、その後上層アルミ膜９およびバリアメタル層６をパターニングして、タングステンプラグ７により接続された上下配線層３、９の配線形成を完了する（図２（ｄ））。
【００１６】
上記のように、この実施の形態では、半導体基板１裏面に形成された裏面絶縁膜１２を除去し、その後、裏面に絶縁層がない状態で、高温アルミ成膜法により上記上層アルミ膜９を成膜する。このため、上層アルミ膜９の成膜時に、絶縁層を発生源としてアルミ材料の流動化を阻害するＨ_２Ｏ、Ｏ_２等のアウトガスの発生量を大きく低減でき、成膜時のアルミ材料の流動性を高めることができる。これにより、ボイドや窪みが発生することなく、カバレジ特性および表面平坦性が良好で信頼性の高い上層アルミ膜９が成膜できる。
【００１７】
なお、上層アルミ膜９の成膜に先立って行う脱ガス処理を、成膜温度と同等の高温である３５０〜５００℃に半導体基板１を加熱して行い、続いて半導体基板１を大気に晒すことなく上層アルミ膜９を成膜すると、脱ガス処理の効果がより高くなる。例えば、脱ガス処理を３５０〜４００℃で９０〜１２０ｓｅｃの条件で行った後、続いて４５０℃の成膜温度で上層アルミ膜９の成膜を行う。これにより成膜時のアウトガスの発生量がより効果的に低減でき、より信頼性の高い上層アルミ膜９が得られる。
【００１８】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。
図３は、この発明の実施の形態２による上層アルミ膜９の成膜時の様子を示す断面図である。
図において、１４は成膜装置のチャンバ、１５はステージ、１６はステージ１５上に載置されるウェハ（半導体基板）、１７はウェハ１６の周囲に装着されるアウトガス拡散防止用リング、１８は排気口である。
この実施の形態では、上記実施の形態１による製造方法にて、裏面絶縁膜１２除去に係る工程を省略した製造方法にて配線形成を行い、上層アルミ膜９の高温アルミ成膜法による成膜を、図３に示すように、ウェハ１６の周囲にアウトガス拡散防止用リング１７を装着し、チャンバ１４内のウェハ裏面側に排気口１８を設けて裏面側から排気する状態で行う。
これにより、ウェハ１６裏面側に絶縁層が存在しても、裏面側からのアウトガスが表面側に拡散されるのが抑制され、上層アルミ膜９の成膜時に、アルミ材料の流動性を高めることができる。これにより、ボイドや窪みが発生することなく、カバレジ特性および表面平坦性が良好で信頼性の高い上層アルミ膜９が成膜できる。
【００１９】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。
図４〜図８は、この発明の実施の形態３による半導体装置の製造方法における配線形成および構造を示す断面図である。なお図４〜図８は、便宜上、下層絶縁層２より上層部分のみの図示とする。
まず、配線形成について説明する。
半導体基板１上の下層絶縁層２上の所定の領域に下層配線層３を形成し、この下層配線層３上を覆う全面に層間絶縁膜４を形成する。次いで、下層配線層３上の層間絶縁膜４に接続孔５を開口して、下層配線層３表面を露出する。次に、ＴｉＮ膜／Ｔｉ膜から成るバリアメタル層６を、十分なバリア機能およびオーミックコンタクトを得るための膜厚で、スパッタリング法またはＣＶＤ法により全面に成膜する（図４）。
【００２０】
次に、タングステン膜７ａをＣＶＤ法により、接続孔５を埋め込むように全面に形成し（図５）、続いて、ドライエッチング法によりタングステン膜７ａを全面エッチバックして接続孔５内にのみ残存させてタングステンプラグ７を形成し、層間絶縁膜４上のバリアメタル層６表面を露出させる。このとき、バリアメタル層６上にタングステン膜７ａが残存して上層に形成する配線層間のショートが発生しないように、所定量のオーバーエッチングを施し、タングステン膜７ａを層間絶縁膜４上のバリアメタル層６表面より０．１０〜０．３０μｍ程度後退させてリセス８を形成する（図６）。
次いで、第２のＴｉＮ膜６ａを、スパッタリング法またはＣＶＤ法により１０〜３０ｎｍの膜厚で全面に成膜する（図７）。
次いで、半導体基板１を加熱して脱ガス処理をした後、続いて、ＡｌＣｕ膜から成る上層アルミ膜９を、３００〜５００℃で成膜する高温アルミ成膜法により全面に成膜し、その後上層アルミ膜９、第２のＴｉＮ膜６ａおよびバリアメタル層６をパターニングして、タングステンプラグ７により接続された上下配線層３、９の配線形成を完了する（図８）。
【００２１】
このように形成された配線構造では、図８に示すように、下層配線層３に達する接続孔５内および層間絶縁膜４表面にバリアメタル層（ＴｉＮ膜／Ｔｉ膜）が形成され、タングステン膜７ａが接続孔５内にバリアメタル層６を介して埋め込まれてタングステンプラグ７を構成する。さらに、層間絶縁膜４表面に形成されたバリアメタル層６上およびタングステンプラグ７上に第２のＴｉＮ膜６ａを介して上層アルミ膜９が形成される。
【００２２】
この実施の形態では、タングステンプラグ７形成時におけるタングステン膜７ａの全面エッチバックにおいて、層間絶縁膜４表面のバリアメタル層６を露出させてエッチングを終了するが、このとき、バリアメタル層（ＴｉＮ膜／Ｔｉ膜）６表面、即ちＴｉＮ膜表面はエッチング時のプラズマなどによるダメージで劣化する。このようにバリアメタル層６表面（ＴｉＮ膜表面）はダメージを受けているが、このバリアメタル層６およびタングステンプラグ７上を覆って、全面に第２のＴｉＮ膜６ａを形成し、その上に、高温アルミ成膜法により上層アルミ膜９の成膜を行う。このように、上層アルミ膜９成膜時に下地（第２のＴｉＮ膜６ａ）の表面状態がダメージのない良好な状態であるため、成膜時のアルミ材料の流動性を阻害する下地の要因がなくなり、アルミ材料の流動性を高めることができる。これにより、ボイドや窪みが発生することなく、カバレジ特性および表面平坦性が良好で信頼性の高い上層アルミ膜９が成膜できる。
【００２３】
なお、この実施の形態に、上記実施の形態１、２で示した方法を適用しても良く、上層アルミ膜９成膜時に、アウトガスによる悪影響が低減できて、成膜時のアルミ材料の流動性を一層高め、より信頼性の高い配線構造が得られる。
【００２４】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。
図９は、この発明の実施の形態４による半導体装置の製造方法を示す断面図である。なお図９は、便宜上、下層絶縁層２より上層部分のみの図示とする。
まず、上記実施の形態３と同様に、下層配線層３上の層間絶縁膜４に接続孔５を開口し、ＴｉＮ膜／Ｔｉ膜から成るバリアメタル層６、タングステン膜７ａを順次成膜する。続いて、ドライエッチング法によりタングステン膜７ａ、続いてバリアメタル層６を全面エッチバックして、接続孔５内にのみ残存させてタングステンプラグ７を形成し、層間絶縁膜４表面を露出させる。このとき、層間絶縁膜４上にタングステン膜７ａが残存して上層に形成する配線層間のショートが発生しないように、所定量のオーバーエッチングを施し、タングステン膜７ａを層間絶縁膜４表面より０．１０〜０．３０μｍ程度後退させてリセス８を形成する。このとき、接続孔開口端部４ａにおける層間絶縁膜角部が除去されて、開口径が拡がった形状となる（図９（ａ））。
【００２５】
次いで、第２のＴｉＮ膜６ｂを、スパッタリング法またはＣＶＤ法により２０〜７０ｎｍの膜厚で全面に成膜し（図９（ｂ））、この後、半導体基板１を加熱して脱ガス処理をした後、続いて、ＡｌＣｕ膜から成る上層アルミ膜９を、３００〜５００℃で成膜する高温アルミ成膜法により全面に成膜し、その後上層アルミ膜９、第２のＴｉＮ膜６ｂをパターニングして、タングステンプラグ７により接続された上下配線層３、９の配線形成を完了する（図９（ｃ））。
【００２６】
この実施の形態では、タングステンプラグ７形成時におけるタングステン膜７ａの全面エッチバックにおいて、層間絶縁膜４表面を露出させてエッチングを終了する。このとき、接続孔開口端部４ａが同時にエッチングされて開口径が拡がる。この後上層アルミ膜９のバリアメタルとなる第２のＴｉＮ膜６ｂを形成し、その上に、高温アルミ成膜法により上層アルミ膜９の成膜を行う。このように、上層アルミ膜９成膜時に下地（第２のＴｉＮ膜６ｂ）の表面状態がダメージのない良好な状態であるため、成膜時のアルミ材料の流動性を阻害する下地の要因がなくなり、アルミ材料の流動性を高めることができる。また、タングステン膜７ａの全面エッチバック時に接続孔５の開口径が拡がるため、上層アルミ膜９がリセス部８に埋め込み易くなる。これらにより、ボイドや窪みが発生することなく、カバレジ特性および表面平坦性が良好で信頼性の高い上層アルミ膜９が成膜できる。
【００２７】
なお、この実施の形態においても、上記実施の形態１、２で示した方法を適用しても良く、上層アルミ膜９成膜時に、アウトガスによる悪影響が低減できて、成膜時のアルミ材料の流動性を一層高め、より信頼性の高い配線構造が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明の請求項１に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、下層配線層と該下層配線層上に絶縁層を介して形成されたアルミを含む上層アルミ配線層とが、タングステンプラグにより接続された配線構造を有する製造方法であって、上記絶縁層を形成した後、上記半導体基板裏面に形成された絶縁膜を除去し、その後、高温アルミ成膜法により３００〜５００℃の成膜温度で上記上層アルミ配線層を成膜するため、上層アルミ配線層の成膜時に、アウトガスの発生量を大きく低減でき、成膜時のアルミ材料の流動性を高めて上層アルミ配線層をカバレジ特性および表面平坦性を良好に成膜でき、信頼性の高い配線構造が得られる。
【００２９】
この発明の請求項２に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、下層配線層と該下層配線層上に絶縁層を介して形成されたアルミを含む上層アルミ配線層とが、タングステンプラグにより接続された配線構造を有する製造方法であって、高温アルミ成膜法により３００〜５００℃の成膜温度で、上記半導体基板の周囲にアウトガス拡散防止用リングを装着し、成膜室内の上記半導体基板裏面側から排気する状態にて、上記上層アルミ配線層を成膜するため、上層アルミ配線層の成膜時に、半導体基板裏面からのアウトガスの影響を低減でき、成膜時のアルミ材料の流動性を高めて上層アルミ配線層をカバレジ特性および表面平坦性を良好に成膜でき、信頼性の高い配線構造が得られる。
【００３０】
この発明の請求項３に係る半導体装置の製造方法は、請求項１または２において、上記高温アルミ成膜法による上記上層アルミ配線層の形成は、成膜に先だって上記半導体基板を３５０〜５００℃に加熱して脱ガス処理を施した後、上記半導体基板を大気に晒すことなく、上記上層アルミ配線層を成膜するため、脱ガス処理による効果を高めて、上層アルミ配線層の成膜時に、アウトガスの発生量をさらに効果的に低減でき、より信頼性の高い上層アルミ配線層が成膜できる。
【００３１】
この発明の請求項４に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、下層配線層と該下層配線層上に絶縁層を介して形成されたアルミを含む上層アルミ配線層とが、タングステンプラグにより接続された配線構造を有する製造方法であって、上記下層配線層上に上記絶縁層を形成した後、該絶縁層に上記下層配線層に達する接続孔を開口する工程と、次いで該接続孔を埋め込むように、バリアメタル層を介してタングステン膜を全面に形成し、該タングステン膜をドライエッチングにより全面エッチバックして上記接続孔内にのみ残存させ上記タングステンプラグを形成すると共に、上記絶縁層上のバリアメタル層表面を露出する工程と、次いで、全面にＴｉＮ膜を形成した後、高温アルミ成膜法により３００〜５００℃の成膜温度で上記上層アルミ配線層を成膜し、該上記上層アルミ配線層、上記ＴｉＮ膜および上記バリアメタル層をパターニングする工程とを有するため、上層アルミ配線層成膜時に下地の表面状態が改善でき、成膜時のアルミ材料の流動性を高めて上層アルミ配線層をカバレジ特性および表面平坦性を良好に成膜でき、信頼性の高い配線構造が得られる。
【００３２】
この発明の請求項５に係る半導体装置の製造方法は、請求項１〜３のいずれかにおいて、上記下層配線層上に上記絶縁層を形成した後、該絶縁層に上記下層配線層に達する接続孔を開口する工程と、次いで該接続孔を埋め込むように、バリアメタル層を介してタングステン膜を全面に形成し、該タングステン膜をドライエッチングにより全面エッチバックして上記接続孔内にのみ残存させ上記タングステンプラグを形成すると共に、上記絶縁層上のバリアメタル層表面を露出する工程と、次いで、全面にＴｉＮ膜を形成した後、上記上層アルミ配線層を成膜し、該上層アルミ配線層、上記ＴｉＮ膜および上記バリアメタル層をパターニングする工程とを有するため、上層アルミ配線層成膜時にアウトガスによる影響が低減できると共に、下地の表面状態が改善でき、成膜時のアルミ材料の流動性を高めて上層アルミ配線層をカバレジ特性および表面平坦性をさらに良好に成膜でき、より信頼性の高い配線構造が得られる。
【００３３】
この発明の請求項６に係る半導体装置の製造方法は、請求項１〜３のいずれかにおいて、上記下層配線層上に上記絶縁層を形成した後、該絶縁層に上記下層配線層に達する接続孔を開口する工程と、次いで該接続孔を埋め込むように、バリアメタル層を介してタングステン膜を全面に形成し、該タングステン膜および上記バリアメタル層をドライエッチングにより全面エッチバックして、上記絶縁層表面よりも後退させた状態で上記接続孔内にのみ残存させ、上記タングステンプラグを形成すると共に、上記絶縁層表面を露出し、さらに上記接続孔開口端における上記絶縁層角部を除去する工程と、次いで、全面にＴｉＮ膜を形成した後、上記上層アルミ配線層を成膜し、該上層アルミ配線層および上記ＴｉＮ膜をパターニングする工程とを有するため、上層アルミ配線層成膜時にアウトガスによる影響が低減できると共に、下地の表面状態および開口形状が改善でき、成膜時のアルミ材料の流動性を高めて上層アルミ配線層をカバレジ特性および表面平坦性をさらに良好に成膜でき、より信頼性の高い配線構造が得られる。
【００３４】
この発明の請求項７に係る半導体装置は、半導体基板上に、所定の領域に配設された下層配線層と、上記下層配線層上の全面に形成された絶縁層と、該絶縁層に上記下層配線層に達するように設けられた接続孔と、該接続孔内および上記絶縁層表面に形成されたバリアメタル層と、上記接続孔内に上記バリアメタル層を介して埋め込まれてタングステンプラグを構成するタングステン膜と、上記絶縁層表面に形成された上記バリアメタル層上および上記タングステンプラグ上にＴｉＮ膜を介して形成された上層アルミ配線層とを備えたため、良好な下地の表面状態にて上層アルミ配線層を成膜することができ、カバレジ特性および表面平坦性の良い上層アルミ配線層が得られ、配線構造の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体装置の配線形成を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による半導体装置の配線形成を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２による半導体装置の配線形成の様子を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３による半導体装置の配線形成の一工程を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３による半導体装置の配線形成の一工程を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３による半導体装置の配線形成の一工程を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３による半導体装置の配線形成の一工程を示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態３による半導体装置の構造および配線形成の一工程を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態４による半導体装置の配線形成を示す断面図である。
【図１０】従来の半導体装置の配線形成の一工程を示す断面図である。
【図１１】従来の半導体装置の配線形成の一工程を示す断面図である。
【図１２】従来の半導体装置の配線形成の一工程を示す断面図である。
【図１３】従来の半導体装置の配線形成の一工程を示す断面図である。
【図１４】従来の半導体装置の配線形成の問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
１　半導体基板、３　下層配線層、４　絶縁層としての層間絶縁膜、
４ａ　開口端部、５　接続孔、６　バリアメタル層（ＴｉＮ膜／Ｔｉ膜）、
６ａ，６ｂ　ＴｉＮ膜としての第２のＴｉＮ膜、７　タングステンプラグ、
７ａ　タングステン膜、８　リセス、
９　上層アルミ配線層としての上層アルミ膜、１２　裏面絶縁膜、
１４　チャンバ、１６　ウェハ、１７　アウトガス拡散防止用リング、
１８　排気口。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a multilayer wiring structure in which upper and lower wiring layers are connected by plugs.
[0002]
[Prior art]
10 to 13 are cross-sectional views showing wiring formation in a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
First, a lower wiring layer 3 is formed in a predetermined region on a lower insulating layer 2 on a semiconductor substrate 1 (not shown) made of single crystal silicon or the like, and an entire surface covering the lower wiring layer 3 is formed as an insulating layer. An interlayer insulating film 4 is formed. Thereafter, a connection hole 5 is opened in the interlayer insulating film 4 on the lower wiring layer 3 to expose the surface of the lower wiring layer 3. Next, a barrier metal layer 6 composed of a TiN film / Ti film is formed on the entire surface by sputtering or CVD (FIG. 10).
Next, a tungsten film 7a is formed on the entire surface by a CVD method so as to fill the connection hole 5 (FIG. 11). Subsequently, the tungsten film 7a is etched back by a dry etching method and remains only in the connection hole 5. Thus, a tungsten plug 7 is formed, and the surface of the barrier metal layer 6 on the interlayer insulating film 4 is exposed. At this time, a predetermined amount of over-etching is performed to prevent the tungsten film 7a from remaining on the barrier metal layer 6 and causing a short circuit between the wiring layers formed in the upper layer. A recess 8 is formed by retreating from the surface of the layer 6 by about 0.10 to 0.30 μm (FIG. 12).
[0003]
Next, an upper aluminum film 9 made of an AlCu film is formed on the entire surface by a high-temperature aluminum film forming method of forming a film at 300 to 500 ° C., and then the upper aluminum film 9 and the barrier metal layer 6 are patterned to The wiring formation of the upper and lower wiring layers 3 and 9 connected by the above is completed (FIG. 13).
As described above, in the wiring formation of the conventional semiconductor device, the upper aluminum film 9 connected and formed on the tungsten plug 7 is formed by the high-temperature aluminum film formation method. This high-temperature aluminum film forming method is a technique capable of forming a film with good coverage and surface flatness because an aluminum material is formed in a flowing state at the time of film formation.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the high-temperature aluminum film forming method for forming the upper aluminum film 9 as described above, it is important for the aluminum material to be in a good fluid state in order to obtain good coverage and surface flatness. However, fluidization of the aluminum material is hindered by various factors to be described later, and as shown in FIG. 13, voids 10 are formed in the upper aluminum film 9 at the recessed portions 8 on the tungsten plugs 7 and FIG. As shown in FIG. Such poor embedding in the recess 8 is particularly remarkable when the opening diameter of the connection hole 5 is smaller than 0.3 μm, and there is a problem in the reliability of the wiring of the upper aluminum film 9.
[0005]
It has been found that one of the factors that hinder the fluidization of the aluminum material in the high-temperature aluminum film formation method is due to outgas released from the semiconductor substrate 1, particularly from the insulating layer during film formation. Prior to this, a degassing process of heating the semiconductor substrate 1 to about 200 to 300 ° C. and releasing outgas in advance has conventionally been performed. By this degassing process, the gas near the surface of the insulating layer is released in advance, but the gas remaining inside may be released during the formation of the upper aluminum film 9 and hinder the fluidization of the aluminum material.
Further, when the tungsten plug 7 is formed by etching back the entire surface of the tungsten film 7a by dry etching to expose the surface of the barrier metal layer 6, the surface of the barrier metal layer 6 is deteriorated by etching damage. This etching damage becomes remarkable when the recess 8 is formed in the connection hole 5 by over-etching. Such deterioration of the surface of the barrier metal layer 6 is also a factor that hinders fluidization of the aluminum material when the upper aluminum film 9 is formed on the barrier metal layer 6.
[0006]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an upper aluminum wiring layer formed by a high-temperature aluminum film forming method and connected to a tungsten plug is preferably formed at the time of film formation. It is an object of the present invention to obtain a highly reliable upper aluminum wiring layer having good fluidity and being formed on a tungsten plug without generating voids or depressions, and having good coverage characteristics and surface flatness.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the lower wiring layer on the semiconductor substrate and the upper aluminum wiring layer containing aluminum formed on the lower wiring layer via an insulating layer are formed by tungsten plugs. A method of forming a wiring structure, wherein the insulating layer is formed, the insulating film formed on the back surface of the semiconductor substrate is removed, and then a high-temperature aluminum film forming method is used to form a wiring structure at 300 to 500 ° C. The upper aluminum wiring layer is formed at a film temperature.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device, the lower wiring layer on the semiconductor substrate and the upper aluminum wiring layer containing aluminum formed on the lower wiring layer via the insulating layer are formed by tungsten plugs. A wiring structure connected by the method described above, wherein a ring for preventing outgas diffusion is mounted around the semiconductor substrate at a film forming temperature of 300 to 500 ° C. by a high-temperature aluminum film forming method, The upper aluminum wiring layer is formed while the air is exhausted from the back side of the semiconductor substrate.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the first or second aspect, the formation of the upper aluminum wiring layer by the high-temperature aluminum film forming method includes the step of forming the semiconductor substrate at 350 to 500 ° C. prior to film formation. Then, after performing degassing by heating to above, the upper aluminum wiring layer is formed without exposing the semiconductor substrate to the atmosphere.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device, the lower wiring layer on the semiconductor substrate and the upper aluminum wiring layer including aluminum formed on the lower wiring layer via an insulating layer are formed by tungsten plugs. A step of forming a connection hole reaching the lower wiring layer in the insulating layer after forming the insulating layer on the lower wiring layer, and then forming the connection hole in the insulating layer. A tungsten film is formed on the entire surface via a barrier metal layer so as to bury the film, the entire surface of the tungsten film is etched back by dry etching, and the tungsten film is left only in the connection hole to form the tungsten plug. A step of exposing the surface of the upper barrier metal layer, and then forming a TiN film on the entire surface and then forming the TiN film at a film forming temperature of 300 to 500 ° C. by a high-temperature aluminum film forming method. Depositing a layer of aluminum interconnection layer, upper SL upper aluminum wiring layer, and a step of patterning the TiN film and the barrier metal layer.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the insulating layer is formed on the lower wiring layer, and then the insulating layer is connected to the lower wiring layer. Forming a hole, and then forming a tungsten film on the entire surface via a barrier metal layer so as to fill the connection hole, and etching back the entire surface of the tungsten film by dry etching to leave the tungsten film only in the connection hole. Forming the tungsten plug and exposing the surface of the barrier metal layer on the insulating layer, and then forming a TiN film on the entire surface, forming the upper aluminum wiring layer, and forming the upper aluminum wiring layer; Patterning the TiN film and the barrier metal layer.
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the insulating layer is formed on the lower wiring layer, and then the insulating layer is connected to the lower wiring layer. Forming a hole, and then forming a tungsten film on the entire surface via a barrier metal layer so as to fill the connection hole, and etching back the entire surface of the tungsten film and the barrier metal layer by dry etching to form the insulating film. Forming the tungsten plug, leaving the insulating layer surface exposed, and removing the corner of the insulating layer at the end of the opening of the connecting hole, while leaving only the inside of the connection hole in a state of being retracted from the layer surface. And then forming a TiN film on the entire surface, forming the upper aluminum wiring layer, and patterning the upper aluminum wiring layer and the TiN film. It is intended to.
[0013]
A semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention is a semiconductor device, comprising: a lower wiring layer provided in a predetermined region on a semiconductor substrate; an insulating layer formed on the entire surface of the lower wiring layer; A connection hole provided to reach the lower wiring layer, a barrier metal layer formed in the connection hole and on the surface of the insulating layer, and a tungsten plug embedded in the connection hole via the barrier metal layer. A tungsten film to be formed, and an upper aluminum wiring layer formed on the barrier metal layer and the tungsten plug formed on the surface of the insulating layer via a TiN film.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are cross-sectional views showing wiring formation in a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. In particular, FIG. 1 shows a back surface insulating film removing step performed prior to formation of an upper aluminum wiring layer. FIG. 2 shows a subsequent manufacturing process.
First, a lower wiring layer 3 is formed in a predetermined region on a lower insulating layer 2 on a semiconductor substrate 1 made of single crystal silicon or the like, and an interlayer insulating film 4 as an insulating layer is formed on the entire surface covering the lower wiring layer 3. Form. In this state, the back surface insulating film 12 is also formed on the back surface side of the semiconductor substrate 1. Next, the entire surface of the interlayer insulating film 4 is covered with a photoresist film 13 (FIG. 1A), the back surface insulating film 12 is removed by wet etching with an etching solution such as hydrofluoric acid, and then the photoresist film 13 is removed (FIG. 1 (b)).
[0015]
Since the subsequent process is a process on the front surface side of the semiconductor substrate 1, FIG. 2 shows only a portion above the lower insulating layer 2 for convenience.
Next, a connection hole 5 is opened in the interlayer insulating film 4 on the lower wiring layer 3 to expose the surface of the lower wiring layer 3. Next, a barrier metal layer 6 composed of a TiN film / Ti film is formed on the entire surface by a sputtering method or a CVD method with a film thickness for obtaining a sufficient barrier function and ohmic contact (FIG. 2A).
Next, a tungsten (W) film 7a is formed on the entire surface by a CVD method so as to fill the connection hole 5 (FIG. 2B), and subsequently, the tungsten film 7a is etched back on the entire surface by a dry etching method for connection. A tungsten plug 7 is formed leaving only in the hole 5, and the surface of the barrier metal layer 6 on the interlayer insulating film 4 is exposed. At this time, a predetermined amount of over-etching is performed to prevent the tungsten film 7a from remaining on the barrier metal layer 6 and causing a short circuit between the wiring layers formed in the upper layer. A recess 8 is formed by retreating from the surface of the layer 6 by about 0.10 to 0.30 μm (FIG. 2C).
Next, after the semiconductor substrate 1 is heated and degassed, an upper aluminum film 9 made of an AlCu film as an upper aluminum wiring layer is formed on the entire surface by a high-temperature aluminum film forming method of forming the film at 300 to 500 ° C. Then, the upper aluminum film 9 and the barrier metal layer 6 are patterned to complete the wiring formation of the upper and lower wiring layers 3 and 9 connected by the tungsten plug 7 (FIG. 2D).
[0016]
As described above, in the present embodiment, the back surface insulating film 12 formed on the back surface of the semiconductor substrate 1 is removed, and then the upper aluminum film 9 is formed by a high-temperature aluminum film forming method without the insulating layer on the back surface. Form a film. Therefore, when the upper aluminum film 9 is formed, the insulating layer is used as a source to prevent fluidization of the aluminum material. ₂ O, O ₂ And the like, the amount of outgas generated can be greatly reduced, and the fluidity of the aluminum material during film formation can be increased. As a result, the upper aluminum film 9 having good coverage characteristics and surface flatness and high reliability can be formed without generating voids or depressions.
[0017]
The degassing process performed prior to the formation of the upper aluminum film 9 is performed by heating the semiconductor substrate 1 to 350 to 500 ° C., which is a high temperature equivalent to the film formation temperature, and then exposing the semiconductor substrate 1 to the atmosphere. If the upper aluminum film 9 is formed without performing the above process, the effect of the degassing process is further enhanced. For example, after performing degassing at 350 to 400 ° C. for 90 to 120 seconds, the upper aluminum film 9 is formed at a film forming temperature of 450 ° C. As a result, the amount of outgas generated during film formation can be reduced more effectively, and a more reliable upper aluminum film 9 can be obtained.
[0018]
Embodiment 2 FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state when upper aluminum film 9 is formed according to the second embodiment of the present invention.
In the figure, reference numeral 14 denotes a chamber of a film forming apparatus, 15 denotes a stage, 16 denotes a wafer (semiconductor substrate) mounted on the stage 15, 17 denotes an outgas diffusion preventing ring mounted around the wafer 16, and 18 denotes exhaust. Mouth.
In this embodiment, in the manufacturing method according to the first embodiment, wiring is formed by a manufacturing method in which the step of removing the back surface insulating film 12 is omitted, and the upper aluminum film 9 is formed by a high-temperature aluminum film forming method. As shown in FIG. 3, an outgas diffusion preventing ring 17 is mounted around the wafer 16, and an exhaust port 18 is provided on the back side of the wafer in the chamber 14 to exhaust air from the back side.
Thereby, even if an insulating layer is present on the back side of the wafer 16, diffusion of outgas from the back side to the front side is suppressed, and the fluidity of the aluminum material is increased when the upper aluminum film 9 is formed. Can be. As a result, the upper aluminum film 9 having good coverage characteristics and surface flatness and high reliability can be formed without generating voids or depressions.
[0019]
Embodiment 3 FIG.
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
4 to 8 are cross-sectional views showing a wiring formation and a structure in a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. 4 to 8 show only a portion above the lower insulating layer 2 for convenience.
First, wiring formation will be described.
A lower wiring layer 3 is formed in a predetermined region on a lower insulating layer 2 on a semiconductor substrate 1, and an interlayer insulating film 4 is formed on the entire surface covering the lower wiring layer 3. Next, a connection hole 5 is opened in the interlayer insulating film 4 on the lower wiring layer 3 to expose the surface of the lower wiring layer 3. Next, a barrier metal layer 6 composed of a TiN film / Ti film is formed on the entire surface by a sputtering method or a CVD method with a film thickness for obtaining a sufficient barrier function and ohmic contact (FIG. 4).
[0020]
Next, a tungsten film 7a is formed on the entire surface by a CVD method so as to fill the connection hole 5 (FIG. 5). Then, the tungsten film 7a is entirely etched back by a dry etching method and remains only in the connection hole 5. Thus, a tungsten plug 7 is formed, and the surface of the barrier metal layer 6 on the interlayer insulating film 4 is exposed. At this time, a predetermined amount of over-etching is performed to prevent the tungsten film 7a from remaining on the barrier metal layer 6 and causing a short circuit between the wiring layers formed in the upper layer. A recess 8 is formed by receding from the surface of the layer 6 by about 0.10 to 0.30 μm (FIG. 6).
Next, a second TiN film 6a is formed on the entire surface to a thickness of 10 to 30 nm by a sputtering method or a CVD method (FIG. 7).
Next, after the semiconductor substrate 1 is heated and degassed, an upper aluminum film 9 made of an AlCu film is formed on the entire surface by a high-temperature aluminum film forming method of forming the film at 300 to 500 ° C. The upper aluminum film 9, the second TiN film 6a, and the barrier metal layer 6 are patterned to complete the wiring formation of the upper and lower wiring layers 3, 9 connected by the tungsten plug 7 (FIG. 8).
[0021]
In the wiring structure thus formed, as shown in FIG. 8, a barrier metal layer (TiN film / Ti film) is formed in the connection hole 5 reaching the lower wiring layer 3 and on the surface of the interlayer insulating film 4, and the tungsten film is formed. 7 a is buried in the connection hole 5 via the barrier metal layer 6 to form a tungsten plug 7. Further, an upper aluminum film 9 is formed on barrier metal layer 6 and tungsten plug 7 formed on the surface of interlayer insulating film 4 via a second TiN film 6a.
[0022]
In this embodiment, the etching is completed by exposing the barrier metal layer 6 on the surface of the interlayer insulating film 4 in the entire etch back of the tungsten film 7a when the tungsten plug 7 is formed. At this time, the barrier metal layer (TiN film) The surface of the (/ Ti film) 6, that is, the surface of the TiN film is deteriorated by damage due to plasma or the like during etching. Although the surface of the barrier metal layer 6 (the surface of the TiN film) is damaged as described above, a second TiN film 6a is formed on the entire surface so as to cover the barrier metal layer 6 and the tungsten plug 7 and to form a second TiN film 6a thereon. Then, the upper aluminum film 9 is formed by a high-temperature aluminum film forming method. As described above, since the surface state of the underlayer (second TiN film 6a) is good without damage when the upper aluminum film 9 is formed, factors of the underlayer that hinder the fluidity of the aluminum material at the time of film formation are considered. And the fluidity of the aluminum material can be increased. As a result, the upper aluminum film 9 having good coverage characteristics and surface flatness and high reliability can be formed without generating voids or depressions.
[0023]
Note that the method described in the first and second embodiments may be applied to this embodiment. When the upper aluminum film 9 is formed, the adverse effect of outgas can be reduced, and the flow of the aluminum material during the film formation can be reduced. And a wiring structure with higher reliability can be obtained.
[0024]
Embodiment 4 FIG.
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention. Note that FIG. 9 illustrates only a portion above the lower insulating layer 2 for convenience.
First, as in the third embodiment, a connection hole 5 is opened in the interlayer insulating film 4 on the lower wiring layer 3, and a barrier metal layer 6 composed of a TiN film / Ti film and a tungsten film 7a are sequentially formed. Subsequently, the tungsten film 7a and subsequently the barrier metal layer 6 are entirely etched back by a dry etching method, leaving a tungsten plug 7 only in the connection hole 5, thereby exposing the surface of the interlayer insulating film 4. At this time, a predetermined amount of over-etching is performed to prevent the tungsten film 7a from being left over the surface of the interlayer insulating film 4 so as to prevent the tungsten film 7a from remaining on the interlayer insulating film 4 and causing a short circuit between wiring layers formed thereover. The recess 8 is formed by being retracted by about 10 to 0.30 μm. At this time, the corner portion of the interlayer insulating film at the connection hole opening end 4a is removed, and the opening diameter becomes larger (FIG. 9A).
[0025]
Next, a second TiN film 6b is formed on the entire surface to a thickness of 20 to 70 nm by a sputtering method or a CVD method (FIG. 9B), and thereafter, the semiconductor substrate 1 is heated to perform a degassing process. Then, an upper aluminum film 9 made of an AlCu film is formed on the entire surface by a high-temperature aluminum film forming method of forming a film at 300 to 500 ° C., and then the upper aluminum film 9 and the second TiN film 6b are patterned. Then, the wiring formation of the upper and lower wiring layers 3 and 9 connected by the tungsten plug 7 is completed (FIG. 9C).
[0026]
In this embodiment, the etching is completed by exposing the surface of the interlayer insulating film 4 in the entire etch back of the tungsten film 7a when the tungsten plug 7 is formed. At this time, the connection hole opening end 4a is etched at the same time, and the opening diameter increases. Thereafter, a second TiN film 6b serving as a barrier metal of the upper aluminum film 9 is formed, and the upper aluminum film 9 is formed thereon by a high-temperature aluminum film formation method. As described above, since the surface state of the base (second TiN film 6b) is good without damage when the upper aluminum film 9 is formed, factors of the base that hinder the fluidity of the aluminum material at the time of film formation are as follows. And the fluidity of the aluminum material can be increased. Further, since the opening diameter of the connection hole 5 is increased at the time of etching back the entire surface of the tungsten film 7a, the upper aluminum film 9 is easily buried in the recessed portion 8. Thus, the upper aluminum film 9 having good coverage characteristics and surface flatness and high reliability can be formed without generating voids or depressions.
[0027]
Also in this embodiment, the method shown in the first and second embodiments may be applied. When the upper aluminum film 9 is formed, the adverse effect due to the outgas can be reduced, and the aluminum material at the time of film formation can be reduced. Fluidity is further enhanced, and a more reliable wiring structure can be obtained.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 of the present invention provides an upper aluminum wiring layer including aluminum formed on a semiconductor substrate via a lower wiring layer and an insulating layer formed on the lower wiring layer via an insulating layer. Is a manufacturing method having a wiring structure connected by tungsten plugs. After the insulating layer is formed, the insulating film formed on the back surface of the semiconductor substrate is removed, and then the semiconductor layer is formed by a high-temperature aluminum film forming method. Since the upper aluminum wiring layer is formed at a film formation temperature of up to 500 ° C., the amount of outgas generated during the formation of the upper aluminum wiring layer can be greatly reduced, and the fluidity of the aluminum material during film formation is increased to increase the upper layer. An aluminum wiring layer can be formed with good coverage characteristics and surface flatness, and a highly reliable wiring structure can be obtained.
[0029]
According to a second aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device, the lower wiring layer on the semiconductor substrate and the upper aluminum wiring layer containing aluminum formed on the lower wiring layer via the insulating layer are formed by tungsten plugs. A wiring structure connected by the method described above, wherein a ring for preventing outgas diffusion is mounted around the semiconductor substrate at a film forming temperature of 300 to 500 ° C. by a high-temperature aluminum film forming method, Since the upper aluminum wiring layer is formed in a state of being evacuated from the backside of the semiconductor substrate, the influence of outgas from the backside of the semiconductor substrate can be reduced during the formation of the upper aluminum wiring layer. By increasing the fluidity, the upper aluminum wiring layer can be formed with good coverage characteristics and surface flatness, and a highly reliable wiring structure can be obtained.
[0030]
According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the first or second aspect, the formation of the upper aluminum wiring layer by the high-temperature aluminum film forming method includes the step of forming the semiconductor substrate at 350 to 500 ° C. prior to film formation. After heating and degassing, the upper aluminum wiring layer is formed without exposing the semiconductor substrate to the atmosphere. In addition, the amount of outgas generated can be more effectively reduced, and a more reliable upper aluminum wiring layer can be formed.
[0031]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device, the lower wiring layer on the semiconductor substrate and the upper aluminum wiring layer including aluminum formed on the lower wiring layer via an insulating layer are formed by tungsten plugs. A step of forming a connection hole reaching the lower wiring layer in the insulating layer after forming the insulating layer on the lower wiring layer, and then forming the connection hole in the insulating layer. A tungsten film is formed on the entire surface via a barrier metal layer so as to bury the film, the entire surface of the tungsten film is etched back by dry etching, and the tungsten film is left only in the connection hole to form the tungsten plug. A step of exposing the surface of the upper barrier metal layer, and then forming a TiN film on the entire surface and then forming the TiN film at a film forming temperature of 300 to 500 ° C. by a high-temperature aluminum film forming method Forming an upper aluminum wiring layer, and patterning the upper aluminum wiring layer, the TiN film and the barrier metal layer, thereby improving the surface condition of the base when forming the upper aluminum wiring layer. In this case, the upper aluminum wiring layer can be formed with good coverage characteristics and surface flatness by increasing the fluidity of the aluminum material at the time, and a highly reliable wiring structure can be obtained.
[0032]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the insulating layer is formed on the lower wiring layer, and then the insulating layer is connected to the lower wiring layer. A step of opening a hole, and then forming a tungsten film on the entire surface via a barrier metal layer so as to fill the connection hole, and etching back the entire surface of the tungsten film by dry etching to leave the tungsten film only in the connection hole. Forming the tungsten plug and exposing the surface of the barrier metal layer on the insulating layer, and then forming a TiN film on the entire surface, forming the upper aluminum wiring layer, and forming the upper aluminum wiring layer; Patterning the TiN film and the barrier metal layer, so that the influence of outgas during the formation of the upper aluminum wiring layer can be reduced, and Surface condition can be improved by increasing the fluidity of the aluminum material at the time of film formation can be better deposited coverage properties and surface flatness of the upper aluminum wiring layer, the wiring structure is obtained with higher reliability.
[0033]
According to a sixth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the insulating layer is formed on the lower wiring layer, and then the insulating layer is connected to the lower wiring layer. Forming a hole, and then forming a tungsten film on the entire surface via a barrier metal layer so as to fill the connection hole, and etching back the entire surface of the tungsten film and the barrier metal layer by dry etching to form the insulating film. Forming the tungsten plug, leaving the insulating layer surface exposed, and removing the corner of the insulating layer at the end of the opening of the connecting hole, while leaving only the inside of the connection hole in a state of being retracted from the layer surface. And then forming a TiN film on the entire surface, forming the upper aluminum wiring layer, and patterning the upper aluminum wiring layer and the TiN film. Therefore, the influence of outgas during the formation of the upper aluminum wiring layer can be reduced, the surface condition of the base and the shape of the opening can be improved, and the fluidity of the aluminum material at the time of film formation can be increased to provide the upper aluminum wiring layer with coverage characteristics and surface properties. The film can be formed with better flatness, and a more reliable wiring structure can be obtained.
[0034]
A semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention is a semiconductor device, comprising: a lower wiring layer provided in a predetermined region on a semiconductor substrate; an insulating layer formed on the entire surface of the lower wiring layer; A connection hole provided to reach the lower wiring layer, a barrier metal layer formed in the connection hole and on the surface of the insulating layer, and a tungsten plug embedded in the connection hole via the barrier metal layer. Since a tungsten film to be formed and an upper aluminum wiring layer formed on the barrier metal layer formed on the surface of the insulating layer and on the tungsten plug via a TiN film are provided, the surface state of the base can be improved. An upper aluminum wiring layer can be formed, and an upper aluminum wiring layer having good coverage characteristics and surface flatness can be obtained, and the reliability of the wiring structure is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing wiring formation of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing wiring formation of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a sectional view showing a state of forming a wiring of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step of forming a wiring of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step of forming a wiring of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step of forming a wiring of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a step of forming a wiring of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention and a step of forming a wiring;
FIG. 9 is a cross-sectional view showing wiring formation of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing one process of forming a wiring in a conventional semiconductor device.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing one process of forming a wiring in a conventional semiconductor device.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing one process of forming a wiring in a conventional semiconductor device.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing one process of forming a wiring of a conventional semiconductor device.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a problem in forming a wiring in a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate, 3 lower wiring layers, 4 interlayer insulating films as insulating layers,
4a Open end, 5 connection hole, 6 barrier metal layer (TiN film / Ti film),
6a, 6b second TiN film as TiN film, 7 tungsten plug,
7a tungsten film, 8 recess,
9 upper aluminum film as upper aluminum wiring layer, 12 back insulating film,
14 chamber, 16 wafer, 17 ring for preventing outgas diffusion,
18 Exhaust port.

Claims

A method of manufacturing a semiconductor device having a wiring structure in which a lower wiring layer and an upper aluminum wiring layer containing aluminum formed on the lower wiring layer via an insulating layer on a semiconductor substrate are connected by a tungsten plug, After forming the insulating layer, removing the insulating film formed on the back surface of the semiconductor substrate, and then forming the upper aluminum wiring layer at a film forming temperature of 300 to 500 ° C. by a high-temperature aluminum film forming method. A method for manufacturing a semiconductor device.

A method of manufacturing a semiconductor device having a wiring structure in which a lower wiring layer and an upper aluminum wiring layer containing aluminum formed on the lower wiring layer via an insulating layer on a semiconductor substrate are connected by a tungsten plug, At a film forming temperature of 300 to 500 ° C. by a high-temperature aluminum film forming method, an outgas diffusion preventing ring is attached around the semiconductor substrate, and the upper layer aluminum A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a wiring layer.

The formation of the upper aluminum wiring layer by the high-temperature aluminum film formation method is performed by heating the semiconductor substrate to 350 to 500 ° C. and performing a degassing process prior to film formation, without exposing the semiconductor substrate to the atmosphere. 3. The method according to claim 1, wherein the upper aluminum wiring layer is formed.

A method of manufacturing a semiconductor device having a wiring structure in which a lower wiring layer and an upper aluminum wiring layer containing aluminum formed on the lower wiring layer via an insulating layer on a semiconductor substrate are connected by a tungsten plug, After forming the insulating layer on the lower wiring layer, a step of opening a connection hole reaching the lower wiring layer in the insulating layer, and then a tungsten film through a barrier metal layer so as to fill the connection hole. Forming the entire surface, etching back the entire surface of the tungsten film by dry etching and leaving the tungsten film only in the connection hole to form the tungsten plug, and exposing a barrier metal layer surface on the insulating layer; and After forming a TiN film on the entire surface, the upper aluminum wiring layer is formed at a film forming temperature of 300 to 500 ° C. by a high-temperature aluminum film forming method. Rumi wiring layer, a method of manufacturing a semiconductor device characterized by a step of patterning the TiN film and the barrier metal layer.

After forming the insulating layer on the lower wiring layer, a step of opening a connection hole reaching the lower wiring layer in the insulating layer, and then a tungsten film through a barrier metal layer so as to fill the connection hole. Forming the entire surface, etching back the entire surface of the tungsten film by dry etching and leaving the tungsten film only in the connection hole to form the tungsten plug, and exposing a barrier metal layer surface on the insulating layer; and 4. A step of forming a TiN film on the entire surface, forming the upper aluminum wiring layer, and patterning the upper aluminum wiring layer, the TiN film and the barrier metal layer. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.

After forming the insulating layer on the lower wiring layer, a step of opening a connection hole reaching the lower wiring layer in the insulating layer, and then a tungsten film through a barrier metal layer so as to fill the connection hole. The entire surface is etched back by dry etching of the tungsten film and the barrier metal layer, and is left only in the connection hole in a state in which the tungsten film and the barrier metal layer are recessed from the surface of the insulating layer, thereby forming the tungsten plug. Exposing the surface of the insulating layer, removing the corners of the insulating layer at the opening end of the connection hole, forming a TiN film on the entire surface, and then forming the upper aluminum wiring layer. 4. The method according to claim 1, further comprising the step of patterning the aluminum wiring layer and the TiN film.

A lower wiring layer provided in a predetermined region on the semiconductor substrate; an insulating layer formed on the entire surface of the lower wiring layer; and a connection hole provided in the insulating layer so as to reach the lower wiring layer. A barrier metal layer formed in the connection hole and on the surface of the insulating layer; a tungsten film embedded in the connection hole via the barrier metal layer to form a tungsten plug; And an upper aluminum wiring layer formed on the barrier metal layer and the tungsten plug via a TiN film.